DE102015206774A1

DE102015206774A1 - Mikromechanische Vorrichtung mit einem aktiv biegbaren Element

Info

Publication number: DE102015206774A1
Application number: DE102015206774.2A
Authority: DE
Inventors: Matthieu Gaudet; Klaus Schimmanz; Michael Stolz; Sergiu Langa; Holger Conrad; Bert Kaiser
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2035-04-16
Also published as: JP2017007085A; JP6457426B2; US20160304333A1; DE102015206774B4; US9676607B2

Abstract

Es werden mikromechanische Vorrichtungen beschrieben, die ein aktiv biegbares Element aufweisen. Die Aktivierung wird durch einen Schichtstapel vorgenommen, der die Biegung ansprechend darauf, dass Anziehungskräfte auf die Schichten des Schichtstapels einwirken, bewirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Vorrichtung, die ein aktiv biegbares (auslenkbares) Element aufweist.
Mikromechanische Vorrichtungen, die ein biegbares Element wie beispielsweise einen Ausleger oder eine Membran aufweisen, werden auf einer Vielzahl technischer Gebiete verwendet, beispielsweise bei räumlichen Lichtmodulatoren oder bei Projektoren für eine Strahlumlenkung, um nur einige Beispiele zu nennen.
In erster Linie wird bei Mikro- und Nanoaktuatoren elektrostatische Anziehung als Biegungsprinzip verwendet. Meist werden verschiedene elektrostatische Potenziale an ein biegbares Element und eine statische Elektrode angelegt, so dass mittels einer zwischen denselben entstehenden elektrostatischen Anziehung eine Biegung bewirkt wird. Die Kraft ist indirekt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen dem biegbaren Element, das als erste Elektrode dient, und der zweiten, statischen Elektrode. Aufgrund dieser Beziehung stellt sich im Fall eines Überschreitens einer vorbestimmten Potenzialdifferenz ein Einzugseffekt (engl.: pull-in effect) ein, wobei das biegbare Element zu der statischen Elektrode hin beschleunigt wird und diese berührt. Aufgrund dessen erfordert eine Verwendung eines elektrostatischen Aktuators das Vorsehen eines ausreichenden Abstandes zwischen der statischen Elektrode und dem biegbaren Element. Dies wiederum erhöht die anzulegende Spannung, um ein gewisses Ausmaß an Biegung zu erzielen, da die elektrostatische Kraft für erhöhte Abstände niedriger ist. Spannungen von bis zu 100 V oder sogar mehr sind nicht ungewöhnlich. Dies verursacht noch weitere Probleme.
Außerdem gibt es auch bimorphe biegbare Strukturen. Thermomechanische bimorphe Strukturen verwenden beispielsweise die unterschiedliche Ausdehnung von Materialien durch Verwendung von Heizstrukturen, wodurch das bimorphe Prinzip genutzt wird. Nachteiligerweise ist die Reaktion jedoch langsam, und es sind hohe Temperaturdifferenzen nötig, um hohe Biegungen zu erzielen. Darüber hinaus ist die Gruppe geeigneter Materialien beschränkt. Ein weiteres bimorphes Prinzip verwendet piezoelektrische oder elektrorestriktive Elemente, um das biegbare Element gemäß dem bimorphen Prinzip zu biegen. Hier verursacht ein Umgang mit den benötigen Materialien ein Problem, da diese Materialien für die Verwendung üblicher Halbleiterherstellungsprozesse hinderlich sind.
Alles in allem ist die Herstellung derartiger Betätigungsstrukturen teuer. Eine Lösung bezüglich einer Überwindung der oben dargelegten Probleme ist in der WO 2012 095185 A1 beschrieben. Hier wird eine elektrostatische Anziehung zwischen zwei Elektroden, die einen Plattenkondensator bilden, zum Biegen des biegbaren Elements verwendet. Der Plattenkondensator ist zu der neutralen Achse des biegbaren Elements versetzt angeordnet. Die nächstliegende Elektrode, d. h. die näher an der neutralen Achse angeordnete, und die entfernt gelegene Elektrode, d. h. die von der neutralen Achse weiter weg angeordnete, sind an Segmentgrenzen aneinander befestigt, so dass ein Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden dazu führt, dass das biegbare Element aufgrund von Druckspannungen und sich ausdehnenden lateralen Spannungen, die in den Elektroden auftreten, gebogen wird.
Ungünstigerweise ist sogar die Herstellung mikromechanischer Vorrichtungen, die den soeben dargelegten elektrostatischen bimorphen Aktuator verwenden, anspruchsvoll. Demgemäß wäre es günstig, über Konzepte zu verfügen, die zu einer effektiveren Art und Weise eines aktiven Biegens mikromechanischer Vorrichtungen führen.
Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein mikromechanisches Element mit einem aktiv biegbaren Element bereitzustellen, das effektiver ist, beispielsweise bei ähnlichen Biegungscharakteristika leichter herzustellen ist und/oder bei Anlegen einer bestimmten Aktivierung einen höheren Biegungserfolg aufweist, oder ein mikromechanisches Element mit einem aktiv biegbaren Element gemäß einer weiteren Alternative bereitzustellen, wodurch neue Herausforderungen und neue Chancen bezüglich der Implementierung, Anwendbarkeit und dergleichen verbunden sind.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Erfindung gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird ein mikromechanisches Element mit einem aktiv biegbaren Element unter Verwendung eines Schichtstapels implementiert, der auf ein Anlegen von Anziehungskräften zwischen den Schichten hin die Biegung hervorruft. Gemäß dem ersten Aspekt wird die Anziehungskraft jedoch direkt in eine Biegung des Balkens umgewandelt und nicht über einen Umweg, gemäß dem die Anziehungskräfte zuerst in laterale Spannungen umgewandelt werden, die in den Schichten entstehen und die, indem sie die Schichten relativ zu einer neutralen Achse des biegbaren Elements versetzen, das biegbare Element biegen. Zu diesem Zweck sind insbesondere Abstandshalter zwischen den Schichten relativ zu einer Schichtstapelrichtung geneigt. Anziehungskräfte zwischen den Schichten biegen die Abstandshalter und führen dadurch zu zwei entgegengesetzten Spannungsgradienten, die an den Schnittstellen zwischen Abstandshaltern und Schichten entlang der gesamten lateralen Richtung auftreten, wobei diese entgegengesetzten Spannungsgradienten schließlich das biegbare Element biegen. Aufgrund der Tatsache, dass der Hebelarm in Form eines Abstandes von einer neutralen Achse nicht notwendig ist, kann die Steifigkeit des biegbaren Elements freier gewählt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird das Konzept einer Verwendung eines laminaren Aktuators eines biegbaren Elements einer mikromechanischen Vorrichtung, wobei der Schichtstapel bezüglich einer neutralen Achse des biegbaren Elements versetzt angeordnet ist, um das biegbare Element zu biegen, indem der Schichtstapel einer Anziehungskraft zwischen seiner proximalen und distalen Schicht ausgesetzt wird, bezüglich eines erreichbaren Ausmaßes an Biegung bei einer bestimmten zwischen den Schichten angelegten Anziehungskraft effektiver gestaltet, indem jedes Segment, in das der Schichtstapel entlang einer lateralen Richtung eingeteilt ist, auf eine vorbestimmte Weise gebildet wird. Insbesondere tritt in jedem Segment eine Oberfläche der proximalen Schicht, die der distalen Schicht über einen Zwischenraum zwischen proximaler und distaler Schicht zugewandt ist, hin zu oder weg von der neutralen Achse hervor, wobei ein Verhältnis einer halben Länge des jeweiligen Segments in der lateralen Richtung zu einer Differenz zwischen einem maximalen Abstand der Oberfläche von der neutralen Achse und einem minimalen Abstand der Oberfläche von der neutralen Achse zwischen jeweils einschließlich sin(1°) und sin(10°) liegt. Ein Wählen eines „Böschungswinkels” für jedes Hervortreten/Segment führt zu einer effektiven Ausnutzung der Biegung des biegbaren Elements ansprechend auf die Anziehungskräfte zwischen proximaler und distaler Schicht.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird das Konzept einer Verwendung eines laminaren Aktuators eines biegbaren Elements einer mikromechanischen Vorrichtung, wobei ein laminarer Aktuator bezüglich der neutralen Achse des biegbaren Elements versetzt angeordnet ist, um das biegbare Element ansprechend auf ein Aussetzen des Schichtstapels gegenüber einer Anziehungskraft zwischen seiner proximalen und distalen Schicht zu biegen, bezüglich eines erreichbaren Ausmaßes an Biegung ansprechend auf das Aussetzen gegenüber einer Anziehungskraft zwischen der proximalen und der distalen Schicht effektiver gestaltet, indem in jedem Segment der Zwischenraum zwischen der proximalen und der distalen Schicht auf nicht-planare Weise gebildet wird und. indem die Oberfläche des biegbaren Elements, die von dem Zwischenraum abgewandt ist, mit einer Gestalt versehen wird, die zu dem Zwischenraum konform verläuft. Es stellt sich heraus, dass diese „Konformität” einerseits die Steifigkeit des biegbaren Elements aufrechterhält, andererseits jedoch das erzielbare Ausmaß an Biegung auf ein Anlegen einer vorbestimmten Anziehungskraft zwischen proximaler und distaler Schicht erhöht.
Gemäß allen Aspekten kann der Schichtstapel einen Plattenkondensator bilden, wobei die proximale oder die erste Schicht eine proximale Elektrode des Plattenkondensators bildet und die distale oder die zweite Schicht eine distale Elektrode bildet. Das heißt, für die Biegung kann elektrostatische Anziehung zwischen Elektroden verwendet werden. Alternativ dazu können die Schichten dahin gehend strukturiert sein, Spiralen oder Spulen zu bilden, und durch Anlegen eines Stroms an diese Spiralen oder Spulen kann eine magnetische Anziehung zwischen den Schichten verursacht werden, wodurch die Biegung des biegbaren Elements erzielt wird.
Gemäß einem einem ersten Aspekt zugeordneten Ausführungsbeispiel kann jeder Abstandshalter aus isolierendem Material zum Isolieren der Schichten voneinander gebildet sein, wobei jeder Abstandshalter auch aus einem leitfähigen Material der distalen und der proximalen Schicht gebildet sein kann, wobei sich das leitfähige Material nach oben in die Abstandshalter hinein erstreckt, um in den Abstandshaltern entlang einer Oberfläche, die, wenn der Schichtstapel einer Anziehungskraft ausgesetzt wird, ein Feld einer Zugspannung, das aufgrund der Anziehungskraft in den Abstandhaltern entsteht, senkrecht kreuzt und zu einer Druckspannung eines Druckfeldes in den Abstandshaltern, das aufgrund der Anziehungskraft in den Abstandshaltern entsteht, parallel ist, an das isolierende Material anzustoßen. Ein Auswählen der Schnittstelle zwischen beiden Materialien entlang der soeben dargelegten Oberfläche erhöht die mechanische Stabilität des Kontaktes zwischen den Schichten und dem Abstandshalter.
Gemäß einem einem ersten Aspekt zugeordneten Ausführungsbeispiel kann das leitfähige Material der Schichten an Enden der Abstandshalter, die der distalen bzw. der proximalen Schicht zugeordnet sind, d. h. an den Schnittstellen zwischen denselben, mit isolierendem Material der Abstandshalter ineinandergreifen. Dadurch wird die Delaminierungswahrscheinlichkeit verringert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das (einem) beliebigen der oben dargelegten Aspekte zugeordnet ist, wird die elektrostatische Kraft, die zwischen den Schichten erzielbar ist, wenn sie als Elektroden eines Plattenkondensators fungieren, erhöht, indem die Schichten mit Vorsprüngen versehen werden, die in den Zwischenraum zwischen Schichten hinein vorspringen, um ineinandergreifend miteinander in Eingriff zu gelangen. Falls die geneigten Abstandshalter gemäß dem ersten Aspekt verwendet werden, können die Vorsprünge gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel derart gebildet sein, dass dieselben im Wesentlichen parallel zueinander und in einer Richtung vorspringen, die im Wesentlichen transversal zu einer relativen Richtung verläuft, entlang derer sich Abschnitte der Schichten, von denen die Vorsprünge vorspringen, ansprechend auf das Aussetzen des Schichtstapels gegenüber der Anziehungskraft relativ zueinander bewegen.
Das Hervortreten des Zwischenraums der Segmente gemäß dem zweiten Aspekt kann derart sein, dass diejenige Oberfläche der distalen Schicht, die der neutralen Achse zugewandt ist, in einer abgerundeten, abgewinkelten oder abgestuften Weise hervortritt. Gemäß dem zweiten Aspekt zugeordneten Ausführungsbeispielen kann der Zwischenraum zwischen der proximalen Schicht und der distalen Schicht – oder die Schnittstelle zwischen dem Zwischenraum und der distalen Schicht – aus ausschließlich ebenen Abschnitten und Rampenabschnitten gebildet sein, wobei sich die ebenen Abschnitte parallel zu der neutralen Achse erstrecken und die Rampenabschnitte relativ zu der neutralen Achse geneigt sind. Vorteilhafterweise kann der Neigungswinkel der Rampenabschnitte so gewählt werden, dass er mit Winkeln zwischen kristallinen Ebenen des Materials des biegbaren Elements zusammenfällt. Durch diese Maßnahme kann die Herstellung immens erleichtert werden.
Selbstverständlich ist es möglich, die oben erwähnten Aspekte zu kombinieren, d. h. mikromechanische Vorrichtungen unter Ausnutzung von mehr als einem der oben dargelegten Aspekte zu implementieren.
Vorteilhafte Implementierungen der oben dargelegten Aspekte stellen den Gegenstand der abhängigen Patentansprüche dar. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden nachstehend bezüglich der Figuren beschrieben, von denen:
1a eine Seite einer mikromechanischen Vorrichtung gemäß einem Vergleichsausführungsbeispiel zeigt, wobei die Vorrichtung mit einem laminaren Aktuator ausgestattet ist, der bezüglich einer neutralen Achse des biegbaren Elements der mikromechanischen Vorrichtung versetzt ist und entlang einer lateralen Richtung in Segmente eingeteilt ist, wobei die distale Schicht an Segmentgrenzen zwischen den Segmenten befestigt ist;
1b exemplarisch zeigt, wie eine in 1a gezeigte mikromechanische Vorrichtung als einen außerhalb der Ebene liegenden Aktuator zu implementieren ist, dessen Biegung dazu führt, dass sich das biegbare Element aus der Ebene des Substrats heraus krümmt, wobei diese Möglichkeit auch auf alle anderen mikromechanischen Vorrichtungen anwendbar ist, die in allen anderen Figuren neben der 1c gezeigt sind;
1c eine Draufsicht auf ein Substrat zeigt, um eine Möglichkeit zu veranschaulichen, die mikromechanische Vorrichtung gemäß 1a als innerhalb einer Ebene liegenden Aktuator zu implementieren, wobei diese Möglichkeit ebenfalls auf alle der nachfolgend erläuterten mikromechanischen Vorrichtungen anwendbar ist;
1d eine Seitenansicht einer mikromechanischen Vorrichtung zeigt, die relativ zur 1a bezüglich der Position einer kontinuierlichen Isolierschicht, die zum Isolieren der Schichten des laminaren Aktuators dient, modifiziert ist, wobei diese Möglichkeit auch auf alle anderen nachfolgend erläuterten mikromechanischen Vorrichtungen anwendbar ist;
1e eine Seitenansicht einer mikromechanischen Vorrichtung zeigt, die relativ zur 1d dahin gehend modifiziert ist, dass die Abstandshalter integrale Abschnitte der distalen Schicht und nicht separate Elemente bilden, wobei diese Möglichkeit ebenfalls auf die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele übertragbar ist;
1f eine Seitenansicht einer mikromechanischen Vorrichtung zeigt, die relativ zu 1d und 1e modifiziert ist, um eine weitere Möglichkeit zu veranschaulichen, wie die Isolierung zwischen den Schichten des laminaren Aktuators zu gewährleisten ist, nämlich indem hier beispielhaft die proximale Schicht strukturiert wird, wobei diese alternative Art und Weise, die Isolierung zu erzielen, gleichermaßen auf nachfolgend erläuterte Ausführungsbeispiele anwendbar ist;
1g eine Seitenansicht einer mikromechanischen Vorrichtung zeigt, die relativ zur 1f dahin gehend modifiziert ist, dass die übrigen Abschnitte der proximalen Schicht von der Hauptoberfläche des Hauptkörpers vorspringen und nicht bündig mit der letztgenannten Oberfläche gebildet sind, wobei diese Modifikation auch auf Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung anwendbar ist;
2 eine Seitenansicht einer mikromechanischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel eines ersten Aspekts der vorliegenden Anmeldung zeigt, gemäß dem die Laminarer-Aktuator-Struktur der Vergleichsausführungsbeispiele der 1a bis 1g dahin gehend modifiziert ist, dass die Abstandshalter geneigt sind und dass der laminare Aktuator selbst das biegbare Element bildet, wobei der Biegungsvorgang ebenfalls durch Anziehungskräfte hervorgerufen wird, jedoch auf andere Weise;
3 ein schematisches Diagramm zeigt, das unter Verwendung von durchgehenden Linien einen Abstandshalter der mikromechanischen Vorrichtung der 2 in einem aktivierten Zustand und, unter Verwendung gestrichelter Linien, in einer Stellung zeigt, die der Abstandshalter 54 tendenziell einnimmt, wodurch die Biegung der mikromechanischen Vorrichtung der 2 erzielt wird;
4 eine Seitenansicht eines Abstandshalters einer mikromechanischen Vorrichtung gemäß 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, gemäß dem Materialien der Schichten und das isolierende Material des Abstandshalters miteinander eine Schnittstelle entlang einer Oberfläche bilden, die bezüglich eines Spannungsfeldes in dem Abstandshalter ausgerichtet ist, wie es durch Anlegen der Anziehungskraft zwischen den Schichten induziert wird;
5 eine Seitenansicht eines Abstandshalters gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, bei dem die Gefahr einer Delaminierung auf eine andere Weise als in 4 verringert ist;
6 eine Draufsicht auf die mikromechanische Vorrichtung der 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, bei dem die Abstandshalter als längsgerichtete Parallelepipede gebildet sind, die sich relativ zu der Neigungsrichtung längs in einer Transversalrichtung erstrecken;
7 eine dreidimensionale Teilansicht eines Abstandshalters zeigt, der auf geneigte Weise von einer Schicht vorspringt, wobei der Abstandshalter denen der 6 entspricht;
8 eine Draufsicht auf eine mikromechanische Vorrichtung zeigt, die relativ zur 6 dahin gehend modifiziert ist, dass zylindrisch geformte Abstandshalter verwendet werden.
9 eine dreidimensionale Teilansicht eines Abstandshalters zeigt, wie er in 8 verwendet wird;
10 eine Draufsicht auf eine mikromechanische Vorrichtung zeigt, die das Konzept der 2 bis 9 verwendet, wobei veranschaulicht wird, dass die Neigungsrichtung der Abstandshalter beispielsweise lateral variieren kann, z. B. ein divergentes Feld bilden kann;
11 eine Seitenansicht einer mikromechanischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel eines zweiten Aspekts der vorliegenden Anmeldung zeigt, gemäß dem diejenige Oberfläche der distalen Schicht, die der proximalen Schicht zugewandt ist, pro Segment dahin gehend geformt ist, dass sie hin zu oder weg von der neutralen Achse hervortritt, nämlich bei dem Beispiel der 11 von derselben weg hervortritt;
12 eine Seitenansicht eines Fragments einer mikromechanischen Vorrichtung zeigt, nämlich eines Segments einer mikromechanischen Vorrichtung, die im Vergleich zur 11 dahin gehend modifiziert ist, dass das Hervortreten einer Höckerplateaustruktur statt einer Kuppelstruktur entspricht;
13 eine Seitenansicht eines Segments einer mikromechanischen Vorrichtung zeigt, die im Vergleich zur 12 dahin gehend modifiziert ist, dass die Plateaustruktur zu der neutralen Achse hin hervortritt, was zu einer Rillenplateaustruktur führt;
14 schematisch veranschaulicht, wie eine Plateaustruktur dahin gehend entworfen sein kann, das vorteilhafte Einstellen des Böschungswinkels, das unter Bezugnahme auf 11 erläutert wurde, zu erfüllen;
15 eine Seitenansicht einer mikromechanischen Vorrichtung zeigt, die sich von 11 darin unterscheidet, dass die Kuppelstruktur durch eine Dachstruktur ersetzt ist;
16 eine Seitenansicht einer mikromechanischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel eines drittes Aspekts der vorliegenden Anmeldung zeigt, gemäß dem eine in die Gegenrichtung gewandte Oberfläche des biegbaren Elements auf relativ zu dem Zwischenraum konforme Weise gebildet ist, was hier exemplarisch als Modifikation der mikromechanischen Vorrichtung der 15 veranschaulicht ist, jedoch auch auf alle anderen Ausführungsbeispiele mit einem nicht-planaren Zwischenraum pro Segment anwendbar ist;
17 eine Seitenansicht einer mikromechanischen Vorrichtung zeigt, die relativ zur 17 modifiziert ist, indem die Dachstruktur durch eine Kuppelstruktur ersetzt ist;
18 eine Seitenansicht einer mikromechanischen Vorrichtung zeigt, die im Vergleich zur 16 modifiziert ist, indem die Kuppelstruktur durch eine Höckerplateaustruktur ersetzt ist;
19 eine Seitenansicht einer mikromechanischen Vorrichtung zeigt, die relativ zur 18 dahin gehend modifiziert ist, dass statt einer Kuppelstruktur eine Rillenplateaustruktur verwendet wird;
20 eine Seitenansicht eines Segments einer mikromechanischen Vorrichtung zeigt, die im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel der 17 dahin gehend modifiziert ist, dass an gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Hauptkörpers des biegbaren Elements zwei laminare Aktuatoren vorgesehen sind;
21 eine Seitenansicht eines Segmentabschnitts einer mikromechanischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, das relativ zur 20 dahin gehend modifiziert ist, dass die Kuppelstruktur durch eine Dachstruktur ersetzt ist;
22 eine Seitenansicht eines Ausschnitts des Schichtstapels gemäß einem der oben dargelegten Ausführungsbeispiele zeigt, um eine ineinandergreifende Kammelektrodenstruktur zu veranschaulichen, die durch Vorsprünge beider Schichten gemäß einem Ausführungsbeispiel gebildet ist;
23 eine schematische Seitenansicht zeigt, die die Gefahr von kollidierenden Vorsprüngen veranschaulicht, falls die Kammstruktur der 22 auf Ausführungsbeispiele des ersten Aspekts der vorliegenden Anmeldung unter Verwendung der geneigten Abstandshalter angewendet wird;
24 eine Seitenansicht einer Kammstruktur zeigt, die relativ zur 22 dahin gehend modifiziert ist, der in Bezug auf 23 erläuterten Kollisionssituation entgegenzuwirken; und
25 eine Seitenansicht einer mikromechanischen Vorrichtung zeigt, die im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel der 13 dahin gehend modifiziert ist, dass ein Isolatorfilm zumindest teilweise in der Innenoberfläche des Zwischenraums vorgesehen ist, um einen Kurzschluss zwischen beiden Schichten zu verhindern, falls die Anziehungskraft eine bestimmte Schwelle überschreitet, wobei diese Möglichkeit des Bereitstellens eines isolierenden Films jedoch auch auf alle anderen oben dargelegten Ausführungsbeispiele anwendbar ist.
Bevor mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Anmeldung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Anmeldung begonnen wird, werden Vergleichsausführungsbeispiele mikromechanischer Vorrichtungen beschrieben, um ein Reservoir möglicher Variationen beim Implementieren des Schichtstapels zu bilden, der gemäß den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen der verschiedenen Aspekte üblicherweise verwendet wird. Jedoch ist zu betonen, dass sich das Biegungsprinzip, auf dem diese Vergleichsausführungsbeispiele beruhen, von dem Prinzip unterscheidet, das den Gegenstand von Ausführungsbeispielen des ersten Aspekts darstellt. Trotzdem sollen die strukturellen Variationen der Vergleichsausführungsbeispiele bezüglich des Schichtstapels und der Abstandshalter sowie des Zwischenraums zwischen denselben dahin gehend anwendbar sein, Ausführungsbeispiele, die später unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt beschrieben werden, zu variieren, ungeachtet der anderen Elemente, die in diesen Figuren gezeigt sind und in den Ausführungsbeispielen des ersten Aspekts nicht vorkommen. In Bezug auf die Ausführungsbeispiele des zweiten und des dritten Aspekts ergeben die Vergleichsausführungsbeispiele ein Reservoir an üblichen Strukturen und Verhaltensweisen, so dass sich die Beschreibung der Ausführungsbeispiele des zweiten und des dritten Aspekts auf das Erläutern der Unterschiede und Vorteile dieser Ausführungsbeispiele relativ zu den Vergleichsausführungsbeispielen konzentriert. Ein gemeinsames Konzept, das allen nachstehend beschriebenen mikromechanischen Vorrichtungen zugrunde liegt, besteht darin, dass dieselben einen Schichtstapel aufweisen, der auf ein Anlegen einer Anziehungskraft an die Schichten hin gebogen wird. Es wird betont, dass die Beschreibung der Figuren manchmal davon ausgeht, dass zum Anziehen der Schichten elektrostatische Anziehung verwendet wird, obwohl die im Folgenden vorgebrachte Beschreibung ohne Weiteres auf andere Konzepte und Ausführungsbeispiele übertragen werden kann, gemäß denen die Anziehungskraft zwischen beiden Schichten gemäß einem anderen physikalischen Prinzip erzielt werden kann, beispielsweise durch ein Erzeugen von Magnetkräften zwischen beiden Schichten. Obwohl sich die Beschreibung der Figuren manchmal auf „Elektroden” bezieht, können diese Begriffe demgemäß ohne Weiteres auf „Schichten” übertragen werden, wobei diese spezifische Beschreibung zu Alternativen, bei denen ein anderes physikalisches Prinzip verwendet wird, um die Anziehungskraft zu erzeugen, abgeändert wird.
1 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung, die eine Art „Schnittpunkt” der nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele darstellt. 1a wird dazu verwendet, die gemeinsamen Konzepte der nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele zu veranschaulichen.
Die mikromechanische Vorrichtung der 1a wird allgemein unter Verwendung des Bezugszeichens 2 angegeben und weist ein biegbares Element 10 auf, das einen laminaren Aktuator aufweist, das im Fall der 1a exemplarisch als Plattenkondensator 14 verkörpert ist, der sich entlang einer neutralen Achse 16 des biegbaren Elements 10 erstreckt und von derselben beabstandet ist. Der Plattenkondensator 14 weist eine distale Schicht 18, die eine distale Elektrode des Plattenkondensators 14 bildet, und eine proximale Schicht 20, die eine proximale Elektrode des Plattenkondensators bildet, auf. Die distale Elektrode 18 ist auf einer Seite des Plattenkondensators 14 angeordnet, die von der neutralen Achse 16 abgewandt ist, wohingegen die proximale Schicht 20 zwischen der distalen Schicht und der neutralen Achse 16 angeordnet ist. Der Plattenkondensator 14 ist entlang einer lateralen Richtung 12 in Segmente 22 eingeteilt. Die distale Schicht 18 ist zwischen Segmenten 22, nämlich an Segmentgrenzen 24, mechanisch befestigt. Falls eine Spannung an den Plattenkondensator 14 angelegt wird, erfährt das biegbare Element 10 aufgrund eines dem bimorphen Prinzip ähnlichen Prinzips eine Biegung entlang der lateralen Richtung 12, nämlich eine Biegung in eine Richtung 30, entlang derer der Plattenkondensator 14 von der neutralen Achse 16 beabstandet ist, d. h. eine Richtung 30, die transversal oder senkrecht zu dem Plattenkondensator 14 ist. Ob das biegbare Element 10 in 1a nach unten oder nach oben gebogen wird, d. h. ob das Anlegen einer Spannung an den Plattenkondensator 14 zu einer Biegung führt, so dass die Krümmung des Elements 10 in der Ebene des Plattenkondensators 14 im Vergleich zu der Krümmung an der neutralen Achse 16 enger oder weniger eng ist, hängt von dem Entwurf des Plattenkondensators ab, beispielsweise einem Entwurf des Zwischenraums 32 zwischen den Schichten 20 und 18 bzw. dem Entwurf der Schichten 18 und 20.
Anders gesagt ist das biegbare Element 10 aus Schichten gebildet. Die Schichtstapelrichtung fällt mit der Richtung 30 zusammen. Entlang dieser Richtung 30 gemessen nimmt der Plattenkondensator 14 vorzugsweise lediglich einen kleinen Bruchteil der Gesamtdicke des biegbaren Elements 10 ein. Beispielsweise bezeichne d_P den Abstand zwischen einer entfernt gelegenen Oberfläche 21 der proximalen Elektrode 20, d. h. der der distalen Schicht 18 zugewandten Oberfläche, und der äußeren oder distalen Oberfläche 23 der distalen Schicht 18. Dann kann d_P kleiner als 1/5 oder sogar kleiner als 1/20 der Gesamtdicke D des biegbaren Elements 10 sein. Anhand dieser Maßnahme ist der Abstand d_P nF zwischen der neutralen Achse 16 und der distalen Oberfläche 21 der proximalen Schicht 20 relativ groß und ist beispielsweise größer als 80% von D/2, so dass die laterale Ausdehnungsspannung oder die laterale Druckspannung, die beim Anlegen der Spannung an den Plattenkondensator 14 in demselben effektiv erzeugt wird, mit einer relativ großen Hebellänge, die im Wesentlichen d_P nF entspricht, auf das biegbare Element einwirkt, wodurch die biegbaren Elemente 10 entlang der Richtung 30 effektiv gebogen werden.
Wie oben bereits erwähnt wurde, ist der Plattenkondensator 14 entlang der lateralen Richtung 12 in Segmente 22 eingeteilt. Zwischen Segmenten 22, d. h. an den Segmentgrenzen 24, sind distale und proximale Schichten 18 und 20 mechanisch aneinander befestigt. In jedem Segment 22 sind Schichten 28 und 20 über den Zwischenraum 32 voneinander getrennt. Der Zwischenraum 32 könnte beispielsweise ein Luftzwischenraum, d. h. mit Luft gefüllt, sein, oder er könnte mit einem Material gefüllt sein, das im Vergleich zu den anderen Materialien des biegbaren Elements 10 weich ist. Alternativ dazu könnten die Zwischenräume 32 lateral geschlossene Hohlräume sein, die beispielsweise mit Vakuum gefüllt sind.
Das biegbare Element der 1a kann beispielsweise als Balken gebildet sein, beispielsweise als einseitig aufgehängter Ausleger. 1b veranschaulicht eine Draufsicht auf die mikromechanische Vorrichtung 2 der 1a für dieses Beispiel. Das heißt, das biegbare Element 10 ist als Ausleger gebildet, der sich längs entlang der lateralen Richtung 12, entlang derer die Segmente 22 hintereinander angeordnet sind, von einer Aufhängung 42 aus zu einem freien Ende 43 des Auslegers 10 erstreckt. 1b zeigt, dass sich die Segmente 22 und die Segmentgrenzen 24 längs entlang einer lateralen Richtung, die transversal zu oder senkrecht zu der Richtung 12 ist, erstrecken. Beispielsweise können sie geradlinig gebildet sein. 1b veranschaulicht ferner die Möglichkeit, dass das biegbare Element 10 „innerhalb der Ebene liegend” (planar) gebildet sein kann. Das heißt, das biegbare Element ist gemäß dem Beispiel der 1b aus einem Teil eines Substrats 50 gebildet, der mit Ausnahme zumindest der Aufhängungsseite 42 des biegbaren Elements 10 durch eine Öffnung 52 begrenzt wird, die in einer Substratdickenrichtung durchgehend ist, d. h. die Öffnung 52 ist ein Durchgangsloch, das sich vollständig durch die Dicke des Substrats 50 hindurch erstreckt. Hier fällt im Fall der 1b die in 1a gezeigte Biegungsrichtung 30 mit der Substratdickenrichtung zusammen. Das heißt, die Biegung des biegbaren Elements 10 ist eine „außerhalb der Ebene liegende” (nicht-planare) Biegung, es findet eine Biegung aus der Ebene des Substrats 50 heraus statt.
1c zeigt eine Alternative in Bezug auf 1b, gemäß der das biegbare Element 10 aus einem Teil des Substrats 50 derart gebildet ist, dass die Biegungsrichtung 30 bezüglich des Substrats 50 lateral ist. Das heißt, Schichten 18 und 20 sind im Fall der 1c senkrecht zu der lateralen Erstreckung des Substrats 50 gebildet, und die laterale Richtung 12 und die Biegungsrichtung 30 verlaufen beide lateral und überspannen die Erstreckungsrichtung des Substrats 50.
Bezüglich der mikromechanischen Vorrichtung der 1a bis 1c sind viele Variationen möglich. All diese Varianten, einschließlich der bereits oben unter Bezugnahme auf 1a bis 1c erörterten, sind auch bezüglich der nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung denkbar und werden nun entsprechend erörtert, bevor die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung dargelegt werden.
Beispielsweise veranschaulichte 1a, dass die distale Schicht 18 derart zwischen dem Segment 22, nämlich an den Segmentgrenzen 24, mechanisch befestigt ist, dass die distale und die proximale Schicht durch Abstandshalter 54 eines isolierenden Materials voneinander isoliert sind. Die Abstandshalter 54 können durch Strukturieren einer isolierenden Schicht zwischen der proximalen und der distalen Schicht 20 und 18 erhalten worden sein. Das heißt, sie können Reste einer Strukturierung einer die Schichten 18 und 20 trennenden isolierenden Schicht darstellen. Die isolierenden Abstandshalter 54 erstrecken sich entsprechend zwischen der distalen und der proximalen Schicht 18 und 20 und sind entlang der lateralen Richtung 12 lateral verteilt, um zwischen Segmenten 22 an den Segmentgrenzen 24 lateral positioniert zu sein. Jedoch könnte es aus verschiedenen Gründen vorteilhaft sein, keine isolierende Schicht auf der distal ausgerichteten Oberfläche 21 der proximalen Schicht 20 strukturieren zu müssen. Beispielsweise können Strukturierungsschritte die Ebenheit der Oberfläche 21 bezüglich ihrer Nanostrukturrauigkeit beeinträchtigen. Das heißt, die sich aus einer derartigen Strukturierung ergebende Rauigkeit im Nanobereich kann dazu führen, dass aufgrund von Nanovorsprüngen, die in den Zwischenraum 32 hin vorspringen, Spannungsspitzen auftreten, wenn eine Spannung zwischen den Schichten 18 und 20 angelegt wird.
Z. B. zeigt 1d ein Beispiel, bei dem die Abstandshalter 54 isolierend oder leitfähig sein können oder beispielsweise aus demselben Material gebildet sein können wie die distale Schicht 18. Insbesondere erstrecken sich gemäß dem Beispiel der 1d die Abstandshalter zwischen der distalen Schicht und der proximalen Schicht 18 und 20, sind entlang der lateralen Richtung 12 dahin gehend lateral verteilt, lateral zwischen Segmenten 22 positioniert zu werden, und sind jeweils von zumindest entweder der distalen und/oder der proximalen Schicht 20 bzw. 18 isoliert. Insbesondere ist gemäß dem Beispiel der 1d ein isolierender Film 56 auf der distal ausgerichteten Oberfläche 21 der proximalen Schicht 20 gebildet, so dass sich die Abstandshalter 54 auf den Isolatorfilm 56 stützen, d. h. ihre Standfläche auf demselben aufweisen. Vorteilhafterweise kann der isolierende Film 56 genauso durchgehend entlang der Segmentrichtung 12 gebildet sein wie die proximale Schicht 20 und die distale Schicht 18 in 1a bis 1d dies tun können. Selbstverständlich kann der isolierende Film 56 alternativ oder zusätzlich dazu auf der proximal ausgerichteten Oberfläche 58 der distalen Schicht 18, d. h. der der proximalen Schicht 20 zugewandten Oberfläche, gebildet sein.
1e zeigt eine weitere Variante der 1d. Insbesondere veranschaulicht 1e, dass Abstandshalter 54 nicht unbedingt Zusatzelemente sein müssen, die zusätzlich zu den Schichten 18 und 20 gebildet sind. Vielmehr können sie einstückig mit einer der Schichten 18 und 20 gebildet sein oder können selbst einen festen Bestandteil derselben bilden. Beispielsweise veranschaulicht 1e, dass die Abstandshalter 54 in der Tat Hervortritte in der distalen Schicht 18 sind, die zu der proximalen Schicht 20 hin hrvortreten, so dass die distale Schicht an der proximalen Schicht 20 befestigt ist, d. h. sich auf dieselbe stützt. Um die Isolierung zwischen proximaler und distaler Schicht aufrechtzuerhalten, isoliert der auf der distal ausgerichteten Oberfläche 21 der proximalen Schicht gebildete isolierende Film 56 die proximale Schicht 20 und die distale Schicht 18 voneinander. Beim Bilden der „Abstandshalterhervortritte” 54 kann die distale Schicht 18 beispielsweise anhand einer konformen Abscheidung des Materials der distalen Schicht auf eine Opferschicht gebildet worden sein, die dahin gehend strukturiert ist, das Volumen, das später die Zwischenräume 32 zwischen der proximalen Schicht 20 und der distalen Schicht 18 bildet, frei zu halten, das jedoch Fehlstellen an den Segmentgrenzen 24, an denen die distale Schicht 18 befestigt werden soll, aufweist. Theoretisch könnten die Abstandshalter zu einem festen Bestandteil von nach oben gerichteten Hervortritten der proximalen Schicht gestaltet sein.
1f veranschaulicht eine Alternative, gemäß derer die Isolierung zwischen der proximalen Schicht und der distalen Schicht im Vergleich zu dem durchgehenden isolierenden Film 56 auf andere Weise erzielt wird. Insbesondere wird hier die proximale Schicht 20 in der Segmentrichtung 12 diskontinuierlich und nicht kontinuierlich gebildet. Insbesondere weist die proximale Elektrode 20 an den Segmentgrenzen 24 Leerstellen 60 auf, so dass die distale Schicht 18 an den Segmentgrenzen 24 an den Leerstellen 60 an einem isolierenden Material des biegbaren Elements befestigt ist. Das heißt, der Großteil des biegbaren Elements 10 der 1f ist beispielsweise aus einem isolierenden Material gebildet, so dass die distale Schicht 18 anhand von Abstandshaltern an dem isolierenden Material des biegbaren Elements befestigt ist.
Während 1f den Fall veranschaulicht, in dem sich das isolierende Material des biegbaren Elements an den Leerstellen 60 über den Zwischenraum 32 des jeweiligen Segments 22 zwischen denjenigen Abschnitten der proximalen Schicht 20 erstrecken kann, die der distalen Schicht 18 gegenüberliegen, um zu einer im Wesentlichen planarisierten Oberfläche zu führen, die die distal ausgerichtete Oberfläche 21 der Segmentabschnitte der proximalen Schicht 20 umfasst, kann die proximale Schicht 20 einfach auf eine Hauptoberfläche des Biegungskörpers, beispielsweise einen Balken oder eine Membran, aufgebracht worden sein und anschließend so strukturiert worden sein, dass sich Leerstellen 60 ergeben. In diesem Fall würde die proximale Schicht 20 auf einer Hauptoberfläche 62 des Hauptkörpers 64 des biegbaren Elements 10 mit der darin strukturierten Leerstelle 60 gebildet, um einen Abschnitt der proximalen Schicht 20 für jedes Segment 22 zu hinterlassen. Abstandshalter 54 würden sich dann in der Schichtstapelrichtung 30 zwischen diesen Abschnitten der proximalen Schicht 20 erstrecken, um den Hauptkörper 64 des biegbaren Elements 10 zu berühren und an demselben befestigt zu sein, der wie oben erwähnt aus isolierendem Material gebildet sein kann, so dass die proximale und die distale Schicht voneinander isoliert sein können. Die Abschnitte der proximalen Schicht 20, die jedem der Segmente 22 zugeordnet sind, können elektrisch miteinander verbunden sein, d. h. können über eine Leiterbahn, die entlang der Segmentrichtung 12 verläuft, kurzgeschlossen werden. Die Leerstellen 60 in der proximalen Schicht 20 wären in der lateralen Richtung 12 breiter als eine Breite der Abstandshalter 54, so dass die Abstandshalter 54 in die Leerstellen 60 der proximalen Schicht 20, die mit lateralen Zwischenräumen 64 von den Segmentabschnitten der proximalen Schicht 20 lateral beabstandet sind, „eintauchen” würden.
Während bei dem Ausführungsbeispiel der 1g das Gros des biegbaren Elements 10, d. h. der Hauptkörper 64, dahin gehend beschrieben wurde, dass er aus einem isolierenden Material gebildet ist, muss dies bei den in 1a bis 1f gezeigten Beispielen nicht der Fall sein. Sogar in dem Fall der 1g kann auf der Hauptoberfläche 62 des Hauptkörpers 64 alternativ dazu beispielsweise ein durchgehender isolierender Film gebildet sein.
Somit führt bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen die Aktivierung des lateralen Aktuators, d. h. die Aktivierung des Plattenkondensators 14 durch Anlegen einer Spannung zwischen seinen Elektroden 18 und 20, zu Anziehungskräften zwischen den Schichten 18 und 20, die wiederum laterale Spannungen in den Schichten 18 und 20 hervorrufen. Diese lateralen Spannungen entstehen entlang der Richtung 12 im Wesentlichen kontinuierlich, und aufgrund des Abstandes des Plattenkondensators 14 von der neutralen Achse 16 biegen diese lateralen Spannungen schließlich das biegbare Element 10. Gemäß Ausführungsbeispielen des ersten Aspekts der vorliegenden Anmeldung, die im Folgenden beschrieben werden, wird ein Teil der Spannungsentstehung, die zu der Biegung des Elements 12 entlang der Richtung 30 führt, von den Schichten 18 und 20 weg hin zu den Abstandshaltern 54 verschoben. Genauer gesagt ist die im Wesentlichen kontinuierliche Entstehung lateraler Spannungen in den Schichten 18 und 20 und das Anlegen dieser Spannungen über den durch die Trennung von der neutralen Achse gebildeten Hebelarm nicht mehr die Quelle der Biegung. Vielmehr sind die Abstandshalter 54 relativ zu der Normalen des Zwischenraums geneigt, um entgegengesetzte Spannungsgradienten in beiden Schichten an denjenigen Abschnitten lokal zu erzeugen, wo sich die Abstandshalter 54 auf die Schichten stützen, so dass diese entgegengesetzten Spannungsgradienten, die an jedem Abstandshalter auftreten, schließlich zur Biegung des biegbaren Elements führen. Gemäß den Ausführungsbeispielen des ersten Aspekts ist der Versatz der Schichten 18 und 20 von der neutralen Achse des biegbaren Elements nicht mehr nötig. Vielmehr bilden die Schichten 18 und 20 selbst das Gros des Materials des biegbaren Elements.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer mikromechanischen Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts der vorliegenden Anmeldung. Die mikromechanische Vorrichtung der 2 weist das biegbare Element 10 auf, das wiederum einen laminaren Aktuator aufweist, oder aus demselben gebildet ist, der als Schichtstapel gebildet ist, der eine erste Schicht 18 und eine zweite Schicht 20 aufweist. Der Schichtstapel ist entlang einer lateralen Richtung 12 in Segmente eingeteilt. Insbesondere sind die erste Schicht 18 und die zweite Schicht 20 zwischen den Segmenten 22 an Segmentgrenzen 24 durch Abstandshalter 54 mechanisch derart aneinander befestigt, dass die erste Schicht 18 in der Biegungsrichtung, die mit der Schichtstapelrichtung des Schichtstapels zusammenfällt, von der zweiten Schicht 20 beabstandet ist. Was die Draufsicht auf die mikromechanische Vorrichtung der 2 betrifft, gilt dasselbe, was oben unter Bezugnahme auf 1b und 1c erwähnt wurde. Das heißt, das biegbare Element 10 kann einen Balken oder einen Ausleger bilden, der ... an einer Aufhängung 42 aufgehängt ist.
Obwohl 2 nahelegt, dass das biegbare Element lediglich mit einer der Schichten 18 oder 20 an der Aufhängung 42 aufgehängt oder befestigt ist, nämlich im Fall der 2 mit der Schicht 20, ist zu beachten, dass diese Situation bei einem alternativen Ausführungsbeispiel verändert werden könnte, d. h. dass beide Schichten 18 und 20 an der Aufhängung 42 befestigt sein könnten.
In Abweichung von den oben unter Bezugnahme auf 1a bis 1g dargelegten Erläuterungen ist die neutrale Achse 16 des biegbaren Elements 10 der 2 jedoch zwischen den Schichten 18 und 20 positioniert. Das heißt, in 2 entspricht die Dicke D des biegbaren Elements im Wesentlichen der Summe der Dicke der Schicht 18, der Schicht 20 und des Zwischenraums 32 zwischen beiden Schichten 18 und 20, d. h. kein Hauptbauglied 64 bildet ein Gros des Materials des biegbaren Elements 10. Die jeweilige Dicke der Schichten 18 und 20 kann dieselbe sein wie sie in 2 exemplarisch veranschaulicht ist, so dass die neutrale Achse 16 des biegbaren Elements 10 mittig zwischen denselben verlaufen würde, es existieren jedoch auch andere Möglichkeiten. Es mag sogar vorstellbar sein, dass die neutrale Achse 16 außerhalb des Zwischenraums 32 in einer der Schichten 18 oder 20 verläuft, die dann beispielsweise dicker gebildet ist als die andere Schicht, oder jenseits einer der Schichten 18 oder 20 verläuft, wobei diese Schicht auf einem Hauptkörper gebildet ist, der dem 64 der 1a bis 1g ähnlich ist. Wie später beschrieben wird, wird die mikromechanische Vorrichtung der 2 auf ähnliche Weise wie die unter Bezugnahme auf 1a bis 1g gezeigten Vorrichtungen betätigt, nämlich indem die Schichten 18 und 20 des Schichtstapels Anziehungskräften ausgesetzt werden. Beispielsweise können die Schichten 18 und 20, wie oben beschrieben wurde, die Elektroden eines Plattenkondensators bilden. Alle anderen oben beschriebenen und nachstehend näher beschriebenen Alternativen gelten auch in Bezug auf 2. Obwohl spezifische Einzelheiten bezüglich der Abstandshalter nachstehend näher beschrieben werden, sind zudem alle der oben unter Bezugnahme auf 1a bis 1g beschriebenen Alternativen bezüglich der verschiedenen Möglichkeiten, wie die Schichten 18 und 20 auf eine elektrisch voneinander isolierte Weise aneinander befestigt werden können, auch anwendbar, um alternative Ausführungsbeispiele aus der 2 und den nachfolgend beschriebenen expliziten Ausführungsbeispielen des ersten Aspekts der vorliegenden Anmeldung zu bilden.
Wie in 2 gezeigt ist und in dem Abschnitt 102 der 2 übertrieben gezeigt ist, sind die Abstandshalter 54 der mikromechanischen Vorrichtung 100 der 2 relativ zu der Zwischenraumnormalen des Zwischenraums 32 zwischen der ersten und der zweiten Schicht 18 und 20 geneigt. Anhand dieser Maßnahme wird das biegbare Element 10 entlang der lateralen Richtung 12 in die oder entgegen der Biegungsrichtung 30 gebogen, indem der Schichtstapel einer Anziehungskraft zwischen der ersten und der zweiten Schicht 18 und 20 ausgesetzt wird. Der Grund ist folgender: Wie beschrieben wurde, befestigen Abstandshalter 54 Schichten 18 und 20 an intermittierend auftretenden Stellen 104 der Oberflächen 58 und 21 der Schichten 18 und 20, die einander zugewandt sind, aneinander. Da die Abstandshalter 54 relativ zu der Zwischenraumnormalen 30 des Zwischenraums 32 in die laterale Richtung 12 geneigt sind, entlang derer die Abstandshalter 54 verteilt sind, sind die Stellen 104, an denen sich die Abstandshalter 54 auf die Schicht 18 stützen, entlang der lateralen Richtung 12 bezüglich der Stellen 104 versetzt, an denen sich die Abstandshalter 54 auf die Schicht 20 stützen. Dadurch, dass die Neigung beispielsweise in einer durch die laterale Richtung 12 und die Schichtstapelrichtung 30 aufgespannten Ebene einen Winkel α bildet, unterliegen die Abstandshalter 54 auf ein Aktivieren der Anziehungskraft zwischen den Schichten 18 und 20 hin einer Art Biegung, wobei diese Biegung wiederum Spannungsfelder in den Schichten 18 und 20 an den Stellen 104 bewirkt, an denen die Abstandshalter 54 an den Schichten 18 bzw. 20 befestigt sind. Aufgrund der Neigung sind diese Spannungsfelder entlang der Richtung 12 jedoch zueinander entgegengesetzt. Diese durch die Biegung der Abstandshalter 54 an den Stellen 104 induzierte entgegengesetzte Charakteristik der Spannungsfelder summiert sich entlang der Richtung 12, um das biegbare Element 10 entlang der Richtung 30 zu biegen. Insbesondere dreht an jeder Stelle 104 der jeweilige Abstandshalter 54 tendenziell die jeweilige Schicht um eine Achse 106, die sich transversal zur lateralen Richtung 12 lateral erstreckt, in einer Drehrichtung 108, die von dem Gegenwinkel 100° – α zu dem Neigungswinkel α, der ein spitzer Winkel ist, führt. Aufgrund dieser Maßnahme wird das biegbare Element 10 pro Abstandshalter 54 gebogen, die Biegung erfolgt schließlich entlang der lateralen Richtung 12, um eine Gesamtbiegung des biegbaren Elements in die Richtung 30 zu ergeben, was im Fall der 2 aufgrund der Tatsache, dass die Abstandshalter 54 zur rechten Seite hin geneigt sind, von oben nach unten führt.
Um den Biegevorgang des biegbaren Elements der 2 auf ein Anlegen der Anziehungskraft zwischen der ersten und der zweiten Schicht auf vereinfachte Weise zu erläutern, wird auf 3 Bezug genommen, die einen Abstandshalter 54 zeigt, der zwischen der Oberfläche 58 der ersten Schicht und der Oberfläche 21 der zweiten Schicht befestigt ist und auf geneigte Weise den Zwischenraum 32 zwischen den Oberflächen 58 und 21 überbrückt. Der Neigungswinkel α, gemäß dem die Abstandshalter 54 von der Schichtstapelrichtung 30 in die laterale Richtung 12 verkippt sind, wird dargestellt. 3 zeigt jedoch die Situation in dem Fall, dass die Anziehungskraft an die erste und die zweite Schicht angelegt wird. Demgemäß ist der Abstandshalter 54 als in einer Art S-Form gebogen gezeigt, der Abstandshalter 54 induziert Spannungen in der ersten und der zweiten Schicht an den Stellen 104, an denen der Abstandshalter 54 an der Oberfläche 58 und 21 befestigt ist, was dem Abstandshalter 54 erneut seine Gestalt gibt, die er hat, ohne dass die Anziehungskraft an die erste und die zweite Schicht angelegt wird. Wie in 3 durch gepunktete Linien gezeigt ist, werden die Oberflächen 58 und 21 (die erste und die zweite Schicht) dadurch tendenziell an den Stellen 104 lokal in derselben Drehrichtung gedreht wie der Neigungswinkel α. Mit anderen Worten zeigt im Fall der 3 beispielsweise die laterale Richtung 12 von links nach rechts. Im Fall der 3 wird der Abstandshalter 54 in diese Richtung verkippt. Der Abstandshalter 54 ist bezüglich der Oberfläche 21 in einem Winkel α geneigt und bezüglich der Oberfläche 58 in einem Winkel α geneigt. Auf ein Anlegen der Anziehungskräfte hin versucht das Biegen des Abstandshalters 54, die erste und die zweite Schicht derart lokal zu biegen, dass die jeweilige Oberfläche 58 bzw. 21 an der Stelle 104 in die Verkippdrehrichtung, d. h. im Fall der 3 im Uhrzeigersinn, gedreht wird. Das heißt, die mikromechanische Vorrichtung der 2 und 3 fungiert im Vergleich zu den unter Bezugnahme auf 1a bis 1g gezeigten Strukturen auf andere Art und Weise, obwohl eine strukturelle Ähnlichkeit zur Verwendung derselben Bezugszeichen in 2 und 3 im Vergleich zu 1a bis 1g führte. Es ist zu beachten, dass in 2 und 3 die Schichten 18 und 20 kontinuierlich gebildet sind. Sie können sogar planar gebildet sein und dadurch zu einem planaren Zwischenraum 32 führen. Insbesondere können die Schichten 18 und 20 parallelepipedförmig sein und können entsprechend durch einen im Wesentlichen parallelepipedförmigen Zwischenraum 32, der jedoch in der lateralen Richtung 12 von Abstandshaltern 54 unterbrochen ist, die um eine laterale Richtung herum verkippt sind, die in dem Neigungswinkel transversal oder senkrecht zu der lateralen Richtung 12 ist, voneinander getrennt sein. Der Abstandshalter 54 kann ebenfalls in einer Parallelepipedform gebildet sein, wie in 2 und 3 gezeigt ist, jedoch kann auch eine Variation desselben sehr gut möglich sein. Beispielsweise können die Abstandshalter 54 an einzelnen Zylindern gebildet sein. Sobald die Anziehungskraft die Schichten 18 und 20 zusammenbringt, erzeugt der resultierende Druck die beiden zuvor erwähnten entgegengesetzten Spannungsgradienten entlang der gesamten Länge der Schichten 18 und 20 entlang der Richtung 12, die das biegbare Element 10 biegen. In Übereinstimmung mit 1b kann die mikromechanische Vorrichtung dazu implementiert sein, eine nicht-planare Bewegung des biegbaren Elements 10 zu erzielen. Jedoch ist auch eine planare Bewegung gemäß 1c erzielbar.
Es ist zu erwarten, dass bei dem Ausführungsbeispiel der 2 und 3 in dem Bereich des Abstandshalters 54 eine enorme Scherspannung erzeugt wird. Ein Spannungsfeld ist in 4 gezeigt, die einen Abschnitt aus dem biegbaren Element zeigt, der einen Abstandshalter 54 aufweist, genau wie dies bei 3 der Fall war. Um ein ordnungsgemäßes Arbeiten zu gewährleisten, sollte der Delaminierungsprozess an den Schnittstellen 104 vermieden werden. Mit anderen Worten ist es notwendig, eine Delaminierung des Abstandshalters 54 von den Schichten 18 bzw. 20 zu vermeiden. 4 veranschaulicht eine Möglichkeit, einer Delaminierung entgegenzuwirken: Wie soeben dargelegt wurde, veranschaulicht 4 die Hauptspannung an den Übergängen 104. Angenommen, es ist möglich, die Hauptspannung in dem Abstandshalter 54 zu berechnen, schlägt das Ausführungsbeispiel der 4 ein Anordnen der Schnittstelle 110 zwischen dem Material der Schichten 18 und 20 einerseits und einem isolierenden Material 112 des Abstandshalters 54 andererseits vor, so dass die Schnittstelle 110 tendenziell parallel zu der Zugspannung und senkrecht zu der Druckspannung ist. Um zu erzielen, dass die Kontaktoberfläche zwischen dem isolierenden Material 112 der Abstandshalter 54 einerseits und dem Material der Schichten 18 und 20 andererseits entlang der ersten Zugspannung geformt wird, ist insbesondere zu beachten, dass sich die erste Zugspannung von der ersten Hauptspannung der Struktur unterscheidet, falls die Hauptspannung einer Druckspannung zugeordnet ist. Ein Beispiel ist in 4 gezeigt. Hier ist die Schnittstelle 110 tendenziell parallel zu den mit durchgehenden Linien gezeichneten Pfeilen, die die Zugspannung zeigen sollen, und senkrecht zu den mit gepunkteten Linien gezeichneten Pfeilen, die die Druckspannung anzeigen sollen, die bei dem Abstandshalter 54 induziert wird, falls die Anziehungskraft zwischen den Schichten 18 und 20 angelegt wird.
Eine andere Art und Weise, eine Delaminierung zu vermeiden, ist in 5 gezeigt. Hier greift das leitfähige Material der distalen und der proximalen Schicht 18 bzw. 20 mit dem isolierenden Material 112 des Abstandshalters 54 ineinander. Insbesondere springt Material der Schichten 18 und 20 in den Abstandshalter 54 hinein vor, wobei das isolierende Material 112 die Materialien der Schichten 18 und 20 voneinander getrennt hält, um die elektrische Isolierung zwischen den Schichten 18 und 20 über den Abstandshalter 54 aufrechtzuerhalten.
Bisher wurden die den ersten Aspekt der vorliegenden Anmeldung betreffenden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf 2 bis 5 lediglich hinsichtlich der Seitenaufrissansichten gezeigt, d. h. Ansichten, bei denen die laterale Richtung 12 und die Abstandshaltung 54 von einer aufrechten Position, in der sich die Abstandshalter 54 entlang der Schichtstapelrichtung 30 erstrecken, verkippt sind, wie bei dem in 1a bis 1g gezeigten Fall, wobei die vertikale Achse der Schichtstapelrichtung entspricht. Diesbezüglich wurde 3 dazu verwendet, den physikalischen Effekt des Umwandelns der Anziehungskraft zwischen den Schichten 18 und 20 in eine Biegung des biegbaren Elements 10 zu erläutern, während 4 und 5 Lösungen zeigten, wie die Wahrscheinlichkeit einer Delaminierung der Abstandshalter 54 von der ersten bzw. der zweiten Schicht verringert werden kann. 6 stellt eine Draufsicht auf eine mikromechanische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts bereit, bei der die Abstandshalter 54 entlang einer transversal zu der Verkipprichtung 12 verlaufenden lateralen Achse 55 durchgehend gebildet sind. Die Standflächen oder Grundflächen 104, an denen sich die Abstandshalter 54 auf die Schicht 18 bzw. 20 stützen, sind mit Tiefstellungen 18 und 20 versehen, um die Abschnitte 104 ₁₈, an denen sich die Abstandshalter auf die Schicht 18 stützen, und die Abschnitte 104 ₂₀, an denen sich die Abstandshalter auf die Oberfläche 21 der Schicht 20 stützen, zu unterscheiden. Wie in 6 gezeigt ist, ist die Fläche 104 ₁₈ für jeden Abstandshalter von der Grundfläche 104 ₂₀ um einen lateralen Abstand s in die laterale Richtung 12 verschoben. In 6 sind die Abstandshalter 54 entlang der lateralen Richtung 12 in einem lateralen Wiederholabstand p angeordnet. Der laterale Wiederholabstand, in dem die Abstandshalter 54 entlang der lateralen Richtung 12 angeordnet sind, kann entlang der Richtung 12 variieren, und in diesem Fall kann der Wiederholabstand p einen mittleren Wiederholabstand bezeichnen.
7 veranschaulicht die resultierende Gestalt der Abstandshalter 54 auf veranschaulichende Weise für einen Abstandshalter, nämlich ein Parallelepiped, das sich entlang der in der Richtung 55 gemessenen Breite des biegbaren Elements 10 längs erstreckt und zu der lateralen Richtung 12 hin, die bei dem Beispiel der 6 entlang der Längsachse des biegbaren Elements 10 zeigt, verkippt ist. Auf die oben unter Bezugnahme auf 3 dargelegte Weise führt die Neigung α der Abstandshalter 54 zu einer Biegung des biegbaren Elements 10 entlang der Schichtstapelrichtung 30, so dass die Schicht, an der die Abstandshaltergrundflächen 104 weiter unten entlang der lateralen Richtung 12 verschoben sind, nämlich die Schicht 18 im Fall der 6, die äußere Schicht bildet, die relativ zu der anderen Schicht weniger stark gekrümmt oder weniger stark gebogen ist, d. h. Schicht 20 im Fall der 6 und 7.
8 und 9 veranschaulichen, dass die Abstandshalter 54 nicht unbedingt parallelepipedförmig sein müssen, dieselben können zweidimensional zwischen den Schichten 18 und 20 verteilt sein. Im Fall der 8 und 9 weisen die Abstandshalter 54 beispielsweise eine zylindrische Gestalt auf. Jedoch können die Abstandshalter 54 auch andere Gestalten aufweisen.
Ferner veranschaulicht 10, dass die laterale Neigungsrichtung auch über das biegbare Element 10 hinweg lateral geringfügig mikroskopisch variieren kann, um beispielsweise zu zweidimensionalen Biegungen des biegbaren Elements 10 zu führen, das in diesem Fall wie eine Membran gebildet sein kann.
Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die laterale Breite d der Abstandshalter 54, die in der Richtung 12 gemessen wird, oder der Mittelwert derselben in dem Fall, dass die Breite entlang der Schichtstapelrichtung 30 variiert, derart gewählt sein, dass sich dieselbe auf den Abstand h zwischen den Schichten 18 und 20 bezieht, d. h. die Dicke des Zwischenraums 32, gemäß 0,001·h < d < 1000·h, gemäß 0,01·h < d < 10·h oder gemäß 0,1·h < d < 0,5·h. Das heißt, die Abstandshalter 54 können, was die Richtung 12 betrifft, mit einer ausreichenden Breite d versehen sein, um eine ausreichende Steifigkeit aufzuweisen, um die Verformung des verformbaren Elements 10 vorzunehmen, jedoch nicht eine zu große Breite, um die Verformung des Abstandshalters 54 entlang seiner Vorsprungsrichtung 120, die allgemein von einer Grundfläche 104 ₂₀ zu der anderen Grundfläche 104 ₁₈ zeigt, die entlang der Richtung 12 relativ zu der erstgenannten lateral verschoben ist, zu ermöglichen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die mittlere Dicke der Schichten 18 und 20 beispielsweise so gewählt sein, dass sie größer als 0,1·h und kleiner als 5·h ist. Der Biegungswinkel α bezieht sich auf die Verschiebung s und die Zwischenraumdicke h gemäß tan(α) = h/s und kann so gewählt werden, dass er bezüglich der lateralen Richtung 12 gemessen zwischen jeweils einschließlich 85° und 30° liegt.
Die soeben erwähnten Intervalle sind unter Verwendung von Halbleiterherstellungsprozessen teilweise schwierig zu erzielen, so dass eventuell Kompromisse geschlossen werden müssen. Vorteilhafterweise ist das Verhalten der Abstandshalter dual, oder anders ausgedrückt ist das Verhalten nicht auf das oben erwähnte beschränkt. Einerseits findet aufgrund der Geometrie der Abstandshalter eine einfache Kraftübertragung statt, und andererseits kann ein Scherverhalten beobachtet werden. Das Scherverhalten liegt hauptsächlich dann vor, wenn der Abstandshalter höher als breit ist, d. h. die Breite größer ist als die Dicke des Zwischenraums. Um genau zu sein, liegt das Scherverhalten hauptsächlich dann vor, wenn die Abszisse der rechten Ecke des untersten Teils des Abstandshalters höher ist als die Abszisse der linken Ecke des oberen Teils des Abstandshalters. Ist dies der Fall, ist die Verformung ähnlich der in 3 gezeichneten. Das zweite Verhalten ist nicht so effizient wie das erste, jedoch kann damit gearbeitet werden. Jedenfalls gilt, dass die Biegung der Struktur umso besser ist, je mehr der Abstandshalter eine Gestalt aufweist, die nahe bei dem „Scher”-Abstandshalter liegt. Dies ist dann möglich, wenn die Breite und der Neigungswinkel des Abstandshalters gering sind. Was die Dicke der oberen und der unteren Elektrode angeht, biegen sich in dem Fall, dass die Dicke zu gering ist, die Elektroden lokal, ohne ihre Kräfte auf den Abstandshalter zu übertragen, und falls sie zu dick sind, biegen sie sich nicht unter dem durch den Abstandshalter erzeugten Druckgradienten.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Ausführungsbeispiele, die einem zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung zugeordnet sind. Gemäß diesem Aspekt wird das Biegungsprinzip, das oben unter Bezugnahme auf 1a bis 1g dargelegt wurde, eingehalten. Das heißt, die Anziehungskraft zwischen den Schichten 18 und 20 wird zum Erzeugen einer lateralen Spannung in diesen Schichten verwendet und führt dadurch aufgrund des Versatzes von der neutralen Achse zu einer Biegung des biegbaren Elements 10. Gemäß den Ausführungsbeispielen des später näher dargelegten zweiten Aspekts wird jedoch die Wirksamkeit der Ausnutzung dieses Prinzips erhöht, indem der Zwischenraum zwischen der distalen und der proximalen Schicht auf vorteilhafte Weise gebildet wird. Insbesondere tritt gemäß den nachstehend näher beschriebenen Ausführungsbeispielen in jedem Segment eine Oberfläche der distalen Schicht, die über einen Zwischenraum zwischen der proximalen und der distalen Schicht der proximalen Schicht zugewandt ist, hin zu oder weg von der neutralen Achse hervor, wobei ein Verhältnis einer halben Länge des jeweiligen Segments in der lateralen Richtung zu einer Differenz zwischen einem maximalen Abstand der Oberfläche von der neutralen Achse und einem minimalen Abstand der Oberfläche von der neutralen Achse zwischen jeweils einschließlich sin(1°) und sin(10°) liegt.
Um dies zu veranschaulichen, wird auf 11 Bezug genommen, die ein Ausführungsbeispiel einer mikromechanischen Vorrichtung 200 zeigt, die relativ zu der mikromechanischen Vorrichtung der 1a variiert ist, um zu einem Ausführungsbeispiel gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung zu führen. Wie man erkennen kann, ist die Oberfläche 58 der distalen Schicht 18 nicht-planar und unterscheidet sich dadurch von der in 1a bis 1g gezeigten Struktur. Insbesondere tritt in jedem Segment 22 die Oberfläche 58 von der neutralen Achse 16 weg hervor. Das Gegenteil wäre natürlich auch denkbar, d. h. in jedem Segment 22 könnte die Oberfläche 58 zu der neutralen Achse 16 hin hervortreten. 11 veranschaulicht dieses Hervortreten auf abgerundete Weise ähnlich einer Sinusfunktion, jedoch werden die später beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß dem zweiten Aspekt zeigen, dass ein Hervortreten auf eine abgewinkelte oder abgestufte Weise ebenfalls denkbar ist und bezüglich eines Erleichterns des Herstellungsprozesses unter gewissen Umständen sogar vorteilhaft sein kann.
Wie in 11 zu sehen ist, variiert der Abstand d_dL der Oberfläche 58 von der neutralen Achse 16 aufgrund des Hervortretens der Oberfläche 58 in jedem Segment entlang der lateralen Richtung 12, d. h. er ist eine Funktion von x, falls die x-Achse gemeinsam mit der Richtung 12 ausgerichtet ist. Aufgrund des Hervortretens der Oberfläche 58 in jedem Segment 22 nimmt d_dL in jedem Segment ein Minimum und ein Maximum an, das im Folgenden mit d min / dL und d max / dL bezeichnet ist. In dem beispielhaften Fall der 11, in dem die Oberfläche 58 in jedem Segment 22 von der neutralen Achse 16 weg hervortritt, wird der maximale Abstand d max / dL in der Mitte des jeweiligen Segments 22 angenommen, beispielsweise in der in der Richtung 12 gemessenen Mitte desselben, und der minimale Abstand d min / dL kann an beiden Segmentgrenzen 24 an beiden Enden des Segments 22 entlang der Richtung 12 angenommen werden. Beispielsweise könnte in jedem Segment die Oberfläche 58 auf eine symmetrische Weise bezüglich einer Ebene gebildet sein, der senkrecht zu der Richtung 12 ist und in der Mitte des Segments 22 entlang der Richtung 12 angeordnet ist. Jedoch sind Abweichungen hiervon denkbar.
Die Bedeutung des zuvor erwähnten Verhältnisses ist folgende: Angenommen, L sei die Länge des jeweiligen Segments 22 entlang der Richtung 12. Falls d max / dL in der Mitte des Segments entlang der Richtung 12 angenommen wird, gilt (d max / dL – d min / dL)/(L/2) = sin(α), wobei α die mittlere Schräge ist, bei der die Oberfläche 58 ihren Abstand d_dL von der Mitte aus zu den Segmentgrenzen 24 hin verändert. Demgemäß fanden die Erfinder der vorliegenden Erfindung heraus, dass Schrägen α zwischen jeweils einschließlich 1° und 10° zu einer erhöhten Wirksamkeit bezüglich des Ausmaßes der Biegung des biegbaren Elements 10 bei einer vorbestimmten Anziehungskraft zwischen den Schichten 18 bzw. 20 führen.
Es ist zu beachten, dass 11 neben den oben erwähnten Besonderheiten auch die Möglichkeit zeigt, dass sich die Oberflächen 21 und 58 im Wesentlichen konform zueinander bilden können, d. h. sie können konforme Schichten bilden, so dass in jedem Segment 22 der Zwischenraum 32 entlang der Richtung 12 eine im Wesentlichen einheitliche Dicke aufweist. Die Schichten 18 und 20 können auch eine einheitliche oder konstante Dicke aufweisen, d. h. sie können anhand einer konformen Aufbringung gebildet worden sein. Um den soeben dargelegten Böschungswinkel α bei der Hervortreten der Oberfläche 58 zu erzielen, kann die Hauptoberfläche 62 des Hauptbaugliedes strukturiert oder mit einer jeweiligen Topologie versehen worden sein, die sich anhand der konformen Aufbringung in der gewünschten Oberflächengestalt der Oberfläche 58 niederschlägt.
Außerdem vernachlässigte die bisher bezüglich der 11 dargelegte Beschreibung die Tatsache, dass ein kleiner Abschnitt der Oberfläche 58 in der Tat nicht an die Zwischenräume 32 anstößt, sondern an ein distal ausgerichtetes Ende beliebiger der Abstandshalter 54 anstößt oder sogar die Außenoberflächen der Abstandshalter 54 bildet, bis er an den Zwischenraum 32 anstößt bzw. der proximalen Schicht 20 zugewandt ist. Die zuletzt genannten kleinen Abschnitte sollen beim Bestimmen von d min / dL und d max / dL vernachlässigt werden.
Wie oben unter Bezugnahme auf 11 beschrieben wurde, wurde die Oberfläche 58 dahin gehend gezeigt, dass sie pro Segment 22 auf eine abgerundete Weise hervortritt. Es ist natürlich kompliziert, eine derartige runde Form herzustellen. Demgemäß wird gemäß nachstehend näher beschriebenen Ausführungsbeispielen das Erzielen des Böschungswinkels α mit einem Hervortreten der Oberfläche 58 pro Segment 22 auf abgestufte Weise kombiniert oder wird, anders gesagt, mit einer „Plateau”-Struktur von Segmenten 22 kombiniert. 12 veranschaulicht, wie ein Segment 22 des laminaren Aktuators aussehen würde, um leichter hergestellt werden zu können. Insbesondere zeigt 12 die mikromechanische Vorrichtung als den in 1g gezeigten Typ, jedoch mit einer isolierenden Schicht 202, die den Hauptkörper 64 des biegbaren Elements 10 von den Standflächen der Abstandshalter 54 trennt, die hier als aus der distalen Schicht 18 heraus und hin zu der neutralen Schicht 16 hervortretend verkörpert sind. Schichten 20 und 18, der zwischen denselben gebildete Zwischenraum 32 und die isolierende Schicht 202 sind konform zueinander und konform zu der Trägeroberfläche 62 des Hauptkörpers 64 gebildet, die den Schichten 18 und 20 zugewandt ist und auf der der Schichtstapel von 18, 20 und 202 gebildet ist. Wie in 12 gezeigt ist, tritt die Oberfläche 58, d. h. diejenige Oberfläche der distalen Schicht 18, die über den Zwischenraum 32 der proximalen Schicht 20 zugewandt ist, von der neutralen Achse 16 weg hervor und entspricht somit im Wesentlichen der Situation der 11. Jedoch ist die Oberfläche gemäß der Plateau-Struktur oder auf eine abgestufte Weise gebildet. Insbesondere weist die Oberfläche 58 ausschließlich einen Ebenenabschnitt 58 ₁, einen Rampenabschnitt 58 ₂, einen Ebenenabschnitt 58 ₃, einen Rampenabschnitt 58 ₄ und einen Ebenenabschnitt 58 ₅ auf, die entlang der Richtung 12 in der Reihenfolge ihrer Erwähnung aufeinanderfolgen. Die Ebenenabschnitte sind parallel zu der neutralen Achse 16, weisen jedoch unterschiedliche Abstände von der neutralen Achse 16 auf, und die Rampenabschnitte 58 ₂ und 58 ₄ führen den Übergang von einem Ebenenabschnitt zu dem nächsten in der lateralen Richtung 12 durch und sind entsprechend relativ zu der neutralen Achse 16 geneigt. Diesbezüglich wird daran erinnert, dass die Anordnung des Segments 22 auf eine unter Bezugnahme auf 1b veranschaulichte Weise derart sein kann, dass sie entlang einer Richtung, die transversal zu der lateralen Richtung 12 verläuft, das heißt, in der Breitenrichtung, falls das biegbare Element 10 beispielsweise als Ausleger gebildet ist, translatorisch invariant ist. In diesem Fall scheint in jedem Segment der Schichtstapel der Schichten 18 und 20 eine Höckertopologie zu bilden, die von der neutralen Achse 16 weg hervortritt und sich entlang einer lateralen Richtung, die transversal zu der lateralen Richtung 12 verläuft, längs erstreckt.
Genauer gesagt sind in 12 alle Abschnitte 58 ₁ bis 58 ₅ der proximal ausgerichteten Oberfläche der distalen Schicht 18 Ebenen, und durch sorgfältiges Auswählen des Winkels der Rampenabschnitte 58 ₂ und 58 ₄ ist es möglich, eine kristalline Struktur des Materials des Hauptkörpers 64 zu nutzen, zu der, wie oben bereits dargelegt wurde, die Oberfläche 58 konform ist. Beispielsweise geschieht dies anhand eines konformen Aufbringens des Schichtstapels auf die Hauptoberfläche 62 des Hauptkörpers 64, was bei der gewünschten Topologie auf geeignete Weise bereitgestellt wurde, wobei nämlich ein Höcker 206 von der neutralen Achse 16 weg hervortritt, die eine Ebenenplateauoberfläche aufweist, die sich an ihrer Mitte relativ zu der lateralen Richtung 12 parallel zu der neutralen Achse 16 erstreckt, von zwei Ebenenböschungsabschnitten auf beiden Seiten entlang der lateralen Richtung 12 flankiert ist und über die Ebenenböschungsabschnitte hinaus entlang der Richtung 12 von Plateauabschnitten der Oberfläche 62, die wiederum parallel zu der neutralen Achse 16 sind, umgeben ist.
13 veranschaulicht der Vollständigkeit halber, dass die Plateaustruktur der 12 gleichermaßen auf ein Hervortreten der Oberfläche 58 pro Segment 22 hin zu der neutralen Achse 16 übertragen werden kann. Dadurch ist der Abstand des mittleren Ebenenabschnitts 58 ₃ von der neutralen Achse 16 kleiner als der Abstand der äußeren Ebenenabschnitte 58 ₁ und 58 ₅ von der neutralen Achse 16, im Gegensatz zu dem in 12 gezeigten Fall. Demgemäß ist die Oberfläche 62 des Hauptkörpers 64, von der die Oberfläche 58 ihre stufenartige Gestalt erbt, derart gebildet, dass sie eine Rille 208 pro Segment 22 aufweist, wobei die Rille entlang der Richtung 12 ein Plateau aufweist, das parallel zu der neutralen Achse 16 ist, entlang der Richtung 12 auf beiden Seiten von Böschungsebenenabschnitten flankiert ist und über die Böschungsebenenabschnitte hinaus sogar ferner von einem Plateau umgeben ist, das ebenfalls parallel zu der neutralen Achse 16 ist, wobei sich jedoch in einem weiter entfernten Abstand davon die Rille 208 längs in einer zu der lateralen Richtung 12 transversal verlaufenden Richtung lateral erstreckt.
Es ist wichtig zu erwähnen, dass das vorwiegende Verhalten der Höckerplateausegmentstruktur der 12 darin besteht, dass das resultierende biegbare Element 10, das aus diesen Segmenten gebildet ist, dazu gebracht wird, sich entlang der Achse 30 weg von der distalen Schicht 18, d. h. in dem Fall der 13 nach unten, zu krümmen oder zu biegen, während der Effekt des Gestaltens des Segments 22 gemäß der in 13 gezeigten Rillenplateaustruktur dazu führt, dass sich das biegbare Element 10 andersherum, d. h. in dem Fall der 13 nach oben, biegt.
Es ist zu beachten, dass, obwohl 12 und 13 Segmente 22 zeigen, die bezüglich einer zu der lateralen Richtung 12 senkrechten Ebene, nämlich einer Ebene, die entlang der Richtung 12 durch die Mitte des Segments 22 verläuft, symmetrisch gebildet werden sollen, dies lediglich ein Beispiel ist und Abweichungen davon denkbar sind.
Die Strukturen für die Segmente 22, die in 12 und 13 gezeigt sind, können ohne Weiteres auf die folgende Weise hergestellt werden. Insbesondere ist es beispielsweise möglich, um jedes Segment 22 mit der Plateaustruktur der 12 oder der Plateaustruktur der 13 zu versehen, Silizium als Material für den Hauptkörper 64 zu wählen und beispielsweise zu wählen, dass die Ebenenabschnitte 58 ₁, 58 ₃, 58 ₅ parallel zu der Siliziumkristallebene (100) sind und dass die Rampenabschnitte 58 ₂ und 58 ₄ parallel zu der Siliziumkristallebene (111) sind. Anhand dieser Maßnahme wäre der Winkel der Rampenabschnitte 58 ₂ und 58 ₄ relativ zu den Ebenenabschnitten bzw. zur neutralen Achse 16 54,7°, wobei jedoch zu beachten ist, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, das Material für den Hauptkörper 64 zu wählen.
Ungünstigerweise liegt der Winkel 54,7° außerhalb des zuvor erwähnten effektiven Böschungsbereichs von 1° bis 10°. Jedoch fanden die Erfinder der vorliegenden Anmeldung heraus, dass eine Plateaustruktur, wie sie in 12 und 13 gezeigt ist, derart entworfen werden kann, dass der effektive Böschungswinkel dem effektiven Bereich entspricht. Es wird auf 14 Bezug genommen, die zeigt, dass sich in dem Fall, dass die entlang der Richtung 12 gemessene jeweilige Breite der Ebenenabschnitte 58 ₁, 58 ₃ und 58 ₅, nämlich w₁, w₃ und w₅, auf geeignete Weise ausgewählt wird, ein effektiver Böschungswinkel α ergibt, der innerhalb des zuvor erwähnten Bereichs liegt, nämlich jeweils einschließlich 1° bis 10°. Das heißt, w₁, w₃ und w₅ werden derart ausgewählt, dass
wobei α innerhalb des zuvor erwähnten Bereichs liegt, nämlich jeweils einschließlich 1° bis 10°. Es ist zu beachten, dass die Tatsache, dass der effektive Böschungswinkel α von jeweils einschließlich 1° bis 10° beide Böschungswinkelrichtungen auf beiden Seiten des jeweiligen Segments entlang der lateralen Richtung umfassen soll, d. h. α soll zwischen jeweils einschließlich 1° und 10° oder jeweils einschließlich –10° und –1° liegen, wobei dies für die oben und nachstehend erwähnten Möglichkeiten des Winkelbereichs bezüglich des Böschungswinkels gilt. Alternativ dazu werden w₁ und w₅ so ausgewählt, dass sie gleich sind, und zusammen mit w₃ derart ausgewählt, dass
Das heißt, die Mitte des Plateaus 58 ₃ in der Mitte des Segments 22 entlang der Richtung 12 sollte mit den extremen Abstandspunkten der Oberfläche 58 an den Segmentgrenzen 24 durch eine virtuelle Linie 210 verbunden sein, die relativ zu der lateralen Richtung 12 oder zu der neutralen Achse 16 um einen Neigungswinkel α geneigt ist, der innerhalb des bevorzugten Bereichs liegt. Falls dies der Fall ist, ist die Plateaustruktur an den Effizienzgewinnen beteiligt, die sich aus der Auswahl des Böschungswinkels ergeben, wie oben bereits unter Bezugnahme auf 11 erörtert wurde. Der Vollständigkeit halber zeigt 15 einen exemplarischen Fall, bei dem die Oberfläche 58 pro Segment 22 auf eine abgewinkelte Weise, d. h. gemäß einer V-Form, hervortritt. Das heißt, in dem Fall der 15 ist die Struktur in der Oberfläche 62, die der Oberfläche 58 über die Konformitätsposition ihre Topologie verleiht, beispielsweise eine V-förmige Rille oder ein V-förmiges Dach. In diesem Fall wäre die Oberfläche 58 entlang der lateralen Richtung 12 aus zwei Rampenabschnitten gebildet, die relativ zu der neutralen Achse 16 in dem bevorzugten Neigungswinkelbereich, nämlich jeweils einschließlich 1° bis 10°, geneigt sind.
Obwohl 15 beispielhaft auf ein Hervortreten der Oberfläche 58 in jedem Segment, wie es gerade dargestellt wurde, Bezug nahm, ist dieses Ausführungsbeispiel ohne Weiteres auf den Fall eines Hervortretens der Oberfläche 58 hin zu der neutralen Achse übertragbar.
Somit ist es unter Zusammenfassung der Ausführungsbeispiele der 11 bis 15 vorteilhaft, wenn der Böschungswinkel eines Hervortretens der Oberfläche 58 hin zu oder weg von der neutralen Achse pro Segment in einem bestimmten Bereich liegt, nämlich jeweils einschließlich zwischen 1° und 10°, wobei dies nicht nur für ein Hervortreten auf winklige Weise, sondern auch für andere Gestalten gilt, beispielsweise Gestalten der Plateaustruktur, deren Herstellung einfacher ist. Während insbesondere die Geometrie der in 15 gezeigten mikromechanischen Vorrichtung bezüglich der Biegekapazität für eine definierte Anziehungskraft zwischen den Schichten 18 bzw. 20 und für eine definierte Steifigkeit des biegbaren Elements sehr effizient ist, ist diese Dach- oder V-Rillenstruktur mit den meisten Halbleiterherstellungsprozessen nicht kompatibel. Mit anderen Worten ist eine „Dachgeometrie” gemäß 15, bei der beide Seiten des Daches flache Ebenen 58 ₅ und 58 ₇ sind, die einen definierten Winkel α mit einer lateralen Ebene, d. h. der neutralen Achse 16, haben, die der Siliziumwafersubstratebene entsprechen können, denkbar, mit standardmäßigen technologischen Prozessen jedoch extrem schwierig zu erzielen. Mit anderen Worten ist es leichter, bestimmte Winkel, d. h. diskrete Winkel, auf einfache Weise und mit ausreichender Reproduzierbarkeit, nämlich im Falle bestimmter kristalliner Materialien, zu erhalten. Silizium ist lediglich ein Beispiel, das oben erwähnt wurde. Das Ätzen einer <100>-Siliziumoberfläche lässt eine kristalline Ebene <111> entlang einer Fotomaske erscheinen, die einen Winkel von exakt 54,7° mit der Oberfläche des Substrats des Siliziums aufweist. Dies ist der Winkel der Böschung des Höckers und der Rille der in 12 und 13 präsentierten Strukturen.
Ein Optimierungsalgorithmus, der die Methode der finiten Elemente verwendet, wurde auf die in 12, 13, 14 und 15 gezeigten Dach- und die Plateaugeometrien angewendet. Für die in 15 gezeigte Dachstruktur wurde der Winkelwert, der es ermöglicht, die größte Biegung des biegbaren Elements 10 zu erzielen, als zwischen 1° und 10° Grad liegend berechnet und, noch besser, zwischen 5° und 10°, wobei dieses Winkelintervall weit weg von dem zuvor präsentierten Siliziumebenenwinkel, nämlich 54,7°, liegt. Die Entwicklung der Plateautopologie, die in 12 und 13 (bzw. auch 14) gezeigt ist, ist eine Lösung, die es ermöglicht, diese physikalische Einschränkung zu umgehen. Bezüglich der optimierten Plateaugeometrie, wobei die Optimierung in 14 gezeigt ist, ist es gelungen, äquivalente Winkel zu betrachten, die durch eine Topologie erzeugt wurden, die für eine Hälfte eines Segments aus einer flachen Oberfläche einer Breite w_3/2, gefolgt von einer Böschung von 54,7° mit einer gewissen Höhe, die d max / dL – d min / dL entsprach, und anschließend einer weiteren flachen Oberfläche der Breite w_1/5 gebildet war.
Es ist zu beachten, dass bezüglich der obigen Ausführungsbeispiele mehrere Modifikationen denkbar sind. Beispielsweise könnte auf den mittleren Plateau- oder Ebenenabschnitt 58 ₃ verzichtet werden, so dass die Rampenabschnitte direkt aneinander anstoßen. Desgleichen könnte lediglich ein einzelner Ebenenabschnitt vorhanden sein. Der Winkel β könnte anders als zuvor angegeben ausfallen, falls ein anderes kristallines Material für den Hauptkörper verwendet wird, und ist beispielsweise größer als 20°.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele eines dritten Aspekts der vorliegenden Anmeldung beschrieben. Gemäß dem dritten Aspekt wird die Effektivität der Biegung des biegbaren Elements der 1a bis 1g erhöht, indem sowohl der Zwischenraum zwischen der proximalen und der distalen Schicht als auch eine Oberfläche des biegbaren Elements, die von dem Zwischenraum abgewandt ist, d. h. im Fall der 1a bis 1g die untere Oberfläche, auf eine nicht-planare Weise und eine zueinander konforme Weise gebildet werden. Beispielsweise veranschaulicht 16 eine mikromechanische Vorrichtung, gemäß der die Segmente getreu einer Dachstruktur gebildet sind. Die Dachstruktur wurde oben unter Bezugnahme auf 15 präsentiert. Es ist jedoch zu beachten, dass die nun unter Bezugnahme auf 16 präsentierte Zunahme der Effektivität auch für andere Böschungswinkel α als diejenigen gilt, die oben speziell als besonders vorteilhaft erörtert wurden. Genauer gesagt kann in dem Fall der 16 der Böschungswinkel α der Dachstruktur anders sein oder außerhalb des Bereichs von jeweils einschließlich 1° bis 10° liegen oder innerhalb dieses Bereichs liegen.
In jedem Fall ist, wie in 16 gezeigt ist, die Oberfläche 220, nämlich die Hauptoberfläche 220, die von der Hauptoberfläche 62 des biegbaren Elements 10 abgewandt ist, derart gestaltet, dass sie konform zu der Oberfläche 62 und zusätzlich zu dem Zwischenraum 32 verläuft. Das heißt, dort, wo der Zwischenraum 32 entlang der Richtung 12 von der neutralen Achse 16 weg hervortritt, tritt die Oberfläche 220 zu der neutralen Achse 16 hin hervor, d. h. tritt in derselben Richtung hervor, und zwischen diesen Flächen tritt die Oberfläche 220 auf umgekehrte Weise hervor. Das heißt, in dem Fall, in dem in jedem Segment der Zwischenraum 32 von der neutralen Achse 16 weg hervortritt, werden in der Oberfläche 220 Einkerbungen in einer Weise gebildet, dass sie entlang der lateralen Richtung 12 mit den Hervortritten des Zwischenraums 32 ausgerichtet sind, wohingegen Vorsprünge oder Hügel zwischen den Einkerbungen oder Tälern entlang der Richtung 12 gebildet werden. Man hat herausgefunden, dass ein Versehen des biegbaren Elements mit dieser konformen entgegengesetzt ausgerichteten Oberfläche 220, nämlich ein Bereitstellen der Topologie der entgegengesetzt ausgerichteten Oberfläche des Hauptkörpers 64, die Effizienz des biegbaren Elements 10, nämlich sein Ausmaß an Biegung, erhöht, wenn eine vorbestimmte Anziehungskraft an die Schichten 18 bzw. 20 angelegt wird.
Der Vollständigkeit halber zeigen 17, 18 und 19, dass die konforme Art und Weise eines Gestaltens der hinteren Oberfläche 220 auch auf andere Segmentstrukturen angewandt werden kann, nämlich die Kuppelstruktur der 11, die Höckerplateaustruktur der 12 und die Rillenplateaustruktur der 13. Abgesehen von den oben z. B. bezüglich der Schichten 18 und 20 erwähnten Konformitäten wird beispielsweise die Konformität zwischen der Oberfläche 220 und dem Zwischenraum 32 im Fall der 16 und 19 nicht unbedingt streng in einem mathematischen Sinne erfüllt. Beispielsweise genügt es, wenn das Hervortreten des Zwischenraums 32 pro Segment mit jeweiligen Einkerbungen und Hügeln wie beispielsweise Rillen und Vorsprüngen in der Oberfläche 220 entlang der Richtung 12 ausgerichtet ist, d. h. falls Täler entlang der Richtung 12 in der Oberfläche 220 gebildet sind, die auf ein Hervortreten des Zwischenraums 32 pro Segment weg von der neutralen Achse 16 ausgerichtet sind, wobei Vorsprünge entlang der Richtung 12 zwischen denselben in der Oberfläche 220 angeordnet sind, oder umgekehrt.
20 zeigt auf repräsentative Weise bezüglich der Kuppelstruktur, dass die konform gestaltete entgegengesetzt ausgerichtete Oberfläche 220 des biegbaren Elements 10 nicht unbedingt eine Außenoberfläche des biegbaren Elements 10 sein muss, die sich relativ zu dem Zwischenraum 32 auf der anderen Seite der neutralen Achse 16 befindet. Vielmehr zeigt 20 ein biegbares Element 10, das zusätzlich zu dem Plattenkondensator 14 (laminaren Aktuator 14) einen weiteren laminaren Aktuator 14' aufweist, der auf der anderen Seite des biegbaren Elements 10 angeordnet ist, nämlich auf eine in der neutralen Achse 16 gespiegelte Weise, so dass beide laminaren Aktuatoren 14 und 14' einander über die neutrale Achse 16 gegenüberliegen. In jedem Segment 22 tritt der Zwischenraum 32 und 32' des laminaren Aktuators 14 und 14' weg von der neutralen Achse 16 hervor, d. h. in entgegengesetzte Richtungen. Demgemäß liegt im Fall der 20 auf in der lateralen Richtung 12 ausgerichtete Weise für jedes Segment ein Hohlraum 230 vor, der eine Innenoberfläche aufweist, wobei ein erster Abschnitt derselben konform zu dem Zwischenraum 32 gestaltet ist, nämlich die Seite der Oberfläche des Hohlraums 230, die näher bei dem laminaren Aktuator 14 liegt und in 20 mit dem Bezugszeichen 220 angegeben ist, und wobei ein zweiter Abschnitt konform zu dem Zwischenraum 32' verläuft, nämlich die Seite der Innenoberfläche des Hohlraums 230, die näher bei dem laminaren Aktuator 14' liegt. Wie in 20 gezeigt ist, ist der Hohlraum 230 in der neutralen Achse 16 angeordnet. Ein derartiger Hohlraum 230 existiert für jedes Segment 22. Durch Anlegen der Spannung (oder der Anziehungskraft) zwischen den Schichten 18 und 20 des laminaren Aktuators 14 wird das biegbare Element 10 in eine Richtung, nämlich im Fall der 20 nach unten, gebogen, während die entgegengesetzte Biegungsrichtung erreicht wird, indem die Anziehungskraft zwischen den Schichten 18' und 20' des laminaren Aktuators 14' angelegt wird. Die Bereitstellung von Hohlräumen 230 erhöht die Biegungseffizienz.
21 veranschaulicht lediglich beispielhaft, dass die unter Bezugnahme auf 20 dargelegte Möglichkeit ohne Weiteres auf jegliche andere der oben erörterten Strukturen, beispielsweise jegliche der Plateaustrukturen, übertragbar ist. 21 bezieht sich auf eine Dachstruktur. Im Fall eines Hervortretens des Zwischenraums 32 in jedem Segment hin zu der neutralen Achse, beispielsweise bei der Rillenplateaustruktur, wären die Hohlräume 230 entlang der Richtung 12 zu den Segmentgrenzen zwischen den Segmenten 22 und nicht zu den Mitten der Segmente entlang der Richtung 12 ausgerichtet, wie in 20 und 21 gezeigt ist.
Beim Vergleichen der oben erläuterten Kuppelstrukturen mit den Dachgestaltstrukturen stellt es sich beispielsweise heraus, dass die Kuppelgestaltstrukturen eine verringerte Wahrscheinlichkeit aufweisen, dass die distale Schicht 18 auf die proximale Schicht 20 kollabiert. Insbesondere verleiht die Kuppelstruktur der distalen Schicht 18 der distalen Schicht 18 im Vergleich zu der Dachstruktur eine höhere Stabilität. Wie oben bereits angemerkt wurde, kann die proximale Schicht 20 konform zu der distalen Schicht 18 gestaltet sein, und somit kann dies auch der Zwischenraum 32. Was die Herstellung derartiger Dach- oder Kuppelstrukturen betrifft, kann ein biegbares Element 10 einer mikromechanischen Vorrichtung, die derartige Kuppel- oder Dachstrukturen verwendet, beispielsweise als planarer Aktuator hergestellt werden, wie oben beispielsweise unter Bezugnahme auf 1c dargelegt wurde.
In jedem Fall zeigten die oben unter Bezugnahme auf 16 bis 21 dargelegten Ausführungsbeispiele, dass eine konforme Dicke des Hauptkörpers 64 mit einem entsprechenden Erzeugen von Einkerbungen oder von leerem Raum unter dem Hervortreten der laminaren Aktuatoren 14 und 14' die Biegekapazität des biegbaren Elements stark verbessert, ohne die Steifigkeit des biegbaren Elements 10 so sehr zu verringern. Die unter Bezugnahme auf 20 und 21 gezeigte Ebenensymmetrie ermöglicht ein bilaterales Biegen des biegbaren Elements.
Eine Möglichkeit, die Anziehungskraft zwischen den Schichten 18 und 20, falls die Schichten 18 und 20 Elektroden eines Plattenkondensators bilden, auf ein Anlegen einer vorbestimmten Spannung zwischen beiden Schichten 18 und 20 hin zu erhöhen, ist unter Bezugnahme auf 22 gezeigt. 22 zeigt, dass die Schichten 18 und 20 Vorsprünge 240 bzw. 242 aufweisen, die in den Zwischenraum 32 hinein vorspringen, um ineinandergreifend miteinander in Eingriff zu gelangen. Anhand dieser Maßnahme wird die gegenseitige Anziehung der Schichten 18 und 20 auf ein Anlegen einer gewissen Spannung zwischen beiden Schichten 18 und 20 hin erhöht.
Indem dieses Konzept auf die oben dargelegten Ausführungsbeispiele des ersten Aspekts angewendet wird, könnten die Vorsprünge 220, 240 und 242 relativ zu der Schichtrichtung geneigt sein, d. h. dahin gehend geneigt sein, entlang der Schichtstapelrichtung nicht in den Zwischenraum 32 hinein vorzuspringen, sondern in einem anderen geneigten Winkel, nämlich um eine Kollision zwischen den Vorsprüngen 240 der Schicht 20 mit den Vorsprüngen 242 der Schicht 18 auf ein Aktivieren des Aktuators hin, d. h. auf ein Anlegen der Anziehungskraft zwischen den Schichten 18 und 20 hin, zu vermeiden. Insbesondere zeigt 23 die Vorsprünge 240 und 242 zusammen mit einem der Abstandshalter 54. Der Abstandshalter 54 ist von seiner Aufwärtsposition entlang der Schichtstapelrichtung 30 hin zu der lateralen Richtung 12 geneigt. Das heißt, auf ein Anlegen der Anziehungskraft zwischen den Schichten 18 und 20 hin erfahren die Schichten 18 und 20 eine gewisse Bewegung relativ zueinander, es kommen sich nämlich die Schichten 18 und 20 entlang der Schichtstapelrichtung 30 tendenziell näher und werden entlang der Richtung 12 tendenziell zueinander entgegengesetzt lateral bewegt. Diese relative Bewegung gilt natürlich auch für diejenigen Abschnitte der Oberflächen 58 und 21 der Schichten 18 und 20, von denen die Vorsprünge 240 und 242 vorspringen. Dies wiederum führt zu einer relativen Bewegung der Vorsprünge 240 und 242 relativ zueinander auf ein Aktivieren der Anziehungskraft zwischen den Schichten 18 und 20 hin. Wie soeben dargelegt wurde, weist diese relative Bewegung 244 eine Komponente entlang der Richtung 12 und eine Komponenten entlang der Schichtstapelrichtung 30 auf. Insbesondere, wie in 23 dargelegt wurde, wird die Schicht zwischen den Schichten 18 und 20 dort, wo der Befestigungspunkt 104 hinter dem entsprechenden Befestigungspunkt oder Abstandshalter 54 an der anderen der Schichten 18 und 20 entlang der Neigungsrichtung 12 hinterherhinkt, d. h. die Schicht 18, tendenziell in die Richtung 12 relativ zu der Schicht 20 bewegt, und demgemäß ist es in Kombination mit der Tatsache, dass beide Schichten 18 und 20 einander auf ein Anlegen der Anziehungskraft zwischen denselben näherkommen, günstig, wenn die Vorsprünge 240 und 242 in der Ebene geneigt sind, die durch die Richtung 12 und die Schichtstapelrichtung 30 entgegengesetzt zu den Abstandshaltern 54 aufgespannt wird. Anhand dieser Maßnahme kann sogar nur bei erhöhten Anziehungskräften zwischen den Schichten 18 und 20 eine Kollision, wie sie durch gestrichelte Linien 246 gezeigt ist, zwischen den Vorsprüngen 240 und 242 vermieden werden, oder die Wahrscheinlichkeit ihres Eintreten kann verringert werden. Insbesondere sollen die gestrichelten Linien 246 in 23 die Position der Vorsprünge 242 der Schicht 18 relativ zu den Vorsprüngen 240 der Schicht 20 in dem Fall, dass an die Schichten 18 und 20 eine Anziehungskraft angelegt wurde, auf veranschaulichende Weise demonstrieren. 24 zeigt ein resultierendes Beispiel von entgegengesetzt geneigten Vorsprüngen 240 bzw. 242.
Somit wurde bezüglich 22 bis 24 gezeigt, dass alle oben präsentierten Aspekte und ihre Ausführungsbeispiele mit einer in 22 bis 24 gezeigten kammartigen oder Parallelogrammgestalt-Struktur bereitgestellt werden können. Diese Struktur ermöglicht es, beide Schichten 18 und 20, die als Elektroden des Plattenkondensators fungieren, ineinandergreifen zu lassen. Dadurch wird eine effektive Betätigung bei niedrigen Spannungen ermöglicht. Alternativ dazu kann die Höhe des Abstandshalters 54 oder der Abstand zwischen den Schichten 18 und 20 bei derselben Spannung auf eine Anziehungskrafteffektivität erhöht werden. Dies ermöglicht wiederum, größere Biegungen des biegbaren Elements zu erzielen. Ineinandergreifende Abschnitte, wie sie in 22 bis 24 gezeigt sind, können auch als Kammelektroden bezeichnet werden. Um derartige Geometrien zu verwirklichen, könnte es nützlich sein, in jedem Segment die Verschiebung jedes Teilsegments der Schicht 18 relativ zur Schicht 20 zu verstehen, nämlich um Kämme zu erzeugen, die sich gegenseitig durchdringen, ohne die Breite ihres direkten Zwischenraums zu verringern. Dies wurde bezüglich der 23 in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen des ersten Aspekts veranschaulicht. Jedoch ist zu beachten, dass auch die Ausführungsbeispiele des zweiten Aspekts, beispielsweise diejenigen, die Plateaustrukturen oder Dachstrukturen aufweisen, mit ineinandergreifenden Elektroden gemäß 22 bis 24 bereitgestellt werden könnten.
In Bezug auf alle oben beschriebenen Ausführungsbeispiele ist zu beachten, dass es möglich ist, diese in einem analogen Modus oder auf analoge Weise zu betreiben. Das heißt, die Anziehungskraft zwischen den Schichten 18 und 20 könnte dahin gehend gesteuert werden, zwischen der Null und irgendeinem Maximalkraftwert kontinuierlich zu variieren, um die Biegung des biegbaren Elements 10 allmählich zwischen einer fehlenden Biegung und einer gewissen maximalen Biegung zu variieren. Wenn jedoch eine gewisse Anziehungskraft zwischen den Schichten 18 und 20 erhöht wird, neigen die Schichten 18 und 20 dazu, zu kollidieren. In dem Fall, dass die Schichten 18 und 20 als Elektroden eines Plattenkondensators fungieren, würde dies zu einem Kurzschluss zwischen beiden Elektroden führen. Um dies zu vermeiden, könnten Innenoberflächen der Zwischenräume 32 zumindest teilweise durch einen isolierenden Film 250 bedeckt werden, wie er auf repräsentative Weise beispielhaft in 25 gezeigt ist, wobei das Ausführungsbeispiel der 13 als Basis verwendet wird. Insbesondere ist sogar in dem Fall, dass die Schicht 18 aufgrund einer Anziehungskraft zwischen den Schichten 18 und 20 auf die Schicht 20 kollabiert, der isolierende Film 250 in den Oberflächen des Zwischenraums 32 positioniert, so dass ein Kurzschluss zwischen den Schichten 18 und 20 vermieden wird. Beispielsweise veranschaulicht 13, dass der isolierende Film 250 die Schnittstellen zwischen den Zwischenräumen 32 einerseits und den Schichten 18 bzw. 20 andererseits vollständig bedeckt. Jedoch könnte der isolierende Film auch lediglich an Abschnitten gebildet sein, wo die Kollision dazu führt, dass die Schicht 18 auf die Schicht 20 stößt. Die mikromechanische Vorrichtung der 25 kann dort, wo die Krümmung des biegbaren Elements allmählich geändert wird, in einem anderen Modus als dem soeben dargelegten analogen Modus betrieben werden. Vielmehr könnte es sein, dass der isolierende Film 250 oder ein anderes zusätzliches Isolierungsmaterial an der Oberfläche einer oder beider Schichten 18 oder 20 einen Kurzschluss zwischen den Schichten 18 und 20 vermeidet und dass diese Vermeidung zum Betreiben der mikromechanischen Vorrichtung in einem binären Sinn verwendet wird: Entweder wird die Kollisionssituation durch Anlegen einer Anziehungskraft an die Schichten 18 und 20, die eine gewisse Schwelle überschreitet, bewirkt, oder das biegbare Element 10 wird ungebogen gelassen, d. h. es wird keine Anziehungskraft angelegt. Falls ein Plattenkondensator als laminarer Aktuator verwendet wird, wäre die Kollisionssituation eine Einzugssituation, bei der die an die Schichten 18 und 20 angelegte Spannung eine gewisse Einzugsspannung überschreitet. Somit wäre eine digitale Steuerung einer mikromechanischen Vorrichtung der 25 möglich, indem eine Auswahl der Aktuatorsegmente mit über der Ziehspannung liegenden Spannungen getroffen wird. Beispielsweise könnte die mikromechanische Vorrichtung als Ausleger gebildet sein, und demgemäß könnte die digitale Steuerung eine digitale Steuerung der Spitze des Auslegers ermöglichen.
Ferner sollte bezüglich aller oben dargelegten Ausführungsbeispiele klar sein, dass die Segmente der Ausführungsbeispiele des zweiten und dritten Aspekts der vorliegenden Anmeldung beispielsweise nicht für das gesamte biegbare Element identisch sein müssen. Vielmehr kann die Segmentausgestaltung variieren. Beispielsweise können sie entlang der lateralen Richtung 12 unterschiedliche Längen aufweisen. Beispielsweise könnte entlang der Richtung 12 einen Chirp in der Segmentlänge vorliegen. In diesem Fall würde ein Erhöhen der Anziehungskraft zwischen den Schichten 18 und 20 allmählich dazu führen, dass das Segment sukzessiv der Ziehsituation unterliegt, während die zwischen den Schichten 18 und 20 angelegte Spannung rampenhaft verändert wird. Somit wäre ein digital-ähnliches Biegungsverhalten möglich. In Kombination mit einer gruppenweisen Adressierng der Segmente ermöglicht die variierende Segmentausgestaltung eine Feinabstimmung der digitalen Steuerung.
Ferner sollte man beachten, dass, obwohl die oben beschriebenen Strukturen und Ausführungsbeispiele vorwiegend bezüglich eines Betreibens derselben unter Verwendung einer Anziehungskraft zwischen beiden Schichten 18 und 20 beschrieben wurden, ein Betreiben all dieser mikromechanischen Vorrichtungen durch Erzeugen einer Abstoßungskraft zwischen beiden Schichten 18 und 20 ebenfalls möglich wäre, wodurch eine Biegung des biegbaren Elements in eine Richtung erreicht wird, die zu der bezüglich der obigen Ausführungsbeispiele beschriebenen Richtung entgegengesetzt ist. Beispielsweise könnte in dem Fall, dass die Schichten Elektroden eines Plattenkondensators bilden, dieselbe Spannung relativ zu einem Referenzpotenzial an die Schichten 18 und 20 angelegt werden, wodurch eine elektrostatische Abstoßungskraft erzielt würde. Alternativ dazu können magnetische Abstoßungskräfte zwischen den Schichten 18 und 20 angelegt werden, falls diese Schichten, wie oben dargelegt wurde, als Spiralen oder Spulen von Magneten gebildet sind, die aktiviert werden, so dass der Magnetpol unter Verwendung derselben Phase auf entgegengesetzte Weise erzeugt wird.
Somit offenbarte die obige Beschreibung mikromechanische Vorrichtungen, die ein aktiv biegbares Element aufweisen. Die Aktivierung wird durch einen Schichtstapel vorgenommen, der die Biegung ansprechend auf Anziehungskräfte bewirkt, die auf die Schichten des Schichtstapels einwirken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012095185 A1 [0005]

Claims

Mikromechanische Vorrichtung, die ein biegbares Element (10) aufweist, das einen Schichtstapel einer ersten Schicht (18) und einer zweiten Schicht (20) aufweist, wobei die erste Schicht (18) und die zweite Schicht (20) durch Abstandshalter (54) mechanisch aneinander befestigt sind, so dass die erste Schicht (18) in einer Biegungsrichtung (30) von der zweiten Schicht (20) beabstandet ist, bei der die Abstandshalter (54) relativ zu einer Schichtstapelrichtung in eine laterale Richtung (12) geneigt sind, so dass das biegbare Element (10) entlang der lateralen Richtung (12) in die oder entgegengesetzt zu der Schichtstapelrichtung gebogen wird, indem der Schichtstapel einer Anziehungskraft zwischen der ersten Schicht (18) und der zweiten Schicht (20) ausgesetzt wird.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der ein Verhältnis zwischen einer jeweiligen Dicke der ersten und der zweiten Schicht zwischen jeweils einschließlich 0,2 und 5 liegt.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der ein Verhältnis zwischen einer jeweiligen Dicke der ersten und der zweiten Schicht zwischen jeweils einschließlich 3/4 und 4/3 liegt.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein Zwischenraum (32) zwischen der ersten und der zweiten Schicht unter Vernachlässigung der die Abstandshalter eine planare Gestalt aufweist.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der sich die Abstandshalter (54) in einer transversal zu der lateralen Richtung verlaufenden weiteren lateralen Richtung längs erstrecken und entlang der lateralen Richtung in einem vorbestimmten mittleren Wiederholabstand verteilt sind.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der eine mittlere laterale Breite der Abstandshalter (54), die entlang der lateralen Richtung gemessen ist, zwischen dem 0,001- und dem 1000-Fachen eines Abstands zwischen der ersten und der zweiten Schicht liegt.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Schichtstapel einen Plattenkondensator (14) bildet, wobei die erste und die zweite Schicht Elektroden des Plattenkondensators (14) bilden.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Abstandshalter (54) eine Parallelepipedgestalt aufweisen oder wie verkippte Wände, die einen konischen Querschnitt aufweisen, gebildet sind.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Abstandshalter (54) zumindest teilweise aus einem isolierenden Material gebildet sind.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der jeder Abstandshalter (54) zumindest teilweise aus einem isolierenden Material gebildet ist, so dass ein Ende des jeweiligen Abstandhalters, das der ersten Schicht (18) zugewandt ist, durch das isolierende Material von einem Ende des jeweiligen Abstandshalters, das der zweiten Schicht (20) zugewandt ist, isoliert ist.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, bei der jeder Abstandshalter (54) auch aus einem leitfähigen Material der ersten Schicht (18) und der zweiten Schicht (20) gebildet ist, wobei sich das leitfähige Material der ersten Schicht (18) und der zweiten Schicht (20) in die Abstandshalter (54) hinein erstreckt, um in den Abstandshaltern an das isolierende Material anzustoßen.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der das leitfähige Material der ersten Schicht (18) und der zweiten Schicht (20) entlang einer Oberfläche, die, wenn der Schichtstapel der Anziehungskraft ausgesetzt wird, ein Feld einer Zugspannung, das aufgrund der Anziehungskraft in den Abstandhaltern entsteht, senkrecht kreuzt und zu einer Druckspannung eines Druckfeldes in den Abstandshaltern, das aufgrund der Anziehungskraft in den Abstandshaltern entsteht, parallel ist, an das isolierende Material anstößt.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß Anspruch 12, bei der das leitfähige Material der ersten Schicht (18) und der zweiten Schicht (20) mit dem isolierenden Material der Abstandshalter (54) ineinandergreift.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der in den Segmenten (22) Vorsprünge der ersten Schicht (18) und der zweiten Schicht (20) in den Zwischenraum (32) hinein vorspringen, um ineinandergreifend miteinander in Eingriff zu gelangen.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der die Vorsprünge der ersten Schicht (18) und der zweiten Schicht (20) in einer Richtung, die im Wesentlichen transversal zu einer relativen Richtung ist, entlang derer sich Abschnitte der ersten und der zweiten Schicht, von denen die Vorsprünge vorspringen, ansprechend auf die Biegung des biegbaren Elements (10) anhand des Aussetzens des Schichtstapels gegenüber der Anziehungskraft relativ zueinander bewegen, im Wesentlichen parallel zueinander vorspringen.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der eine Innenoberfläche des Zwischenraums (32) zumindest teilweise von einem isolierenden Film bedeckt ist, so dass die erste und die zweite Schicht sogar im Fall eines mechanischen Kontakts der ersten und der zweiten Schicht aufgrund dessen, dass die Anziehungskraft zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht eine Einzugskraft überschreitet, weiterhin voneinander isoliert sind.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der das biegbare Element (10) aus einem Teil eines Substrats gebildet ist, der mit Ausnahme zumindest einer Aufhängungsstelle des biegbaren Elements (10) durch eine in einer Substratdickenrichtung kontinuierliche Öffnung begrenzt wird, wobei die Biegungsrichtung in der Substratdickenrichtung liegt.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der das biegbare Element (10) aus einem Teil eines Substrats gebildet ist, der mit Ausnahme zumindest einer Aufhängungsstelle des biegbaren Elements (10) durch eine in einer Substratdickenrichtung kontinuierliche Öffnung begrenzt wird, wobei die Biegungsrichtung bezüglich des Substrats lateral ist.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, bei der eine der ersten und der zweiten Schicht frei ist, wohingegen die andere der ersten und der zweiten Schicht an einer Aufhängungsstelle des biegbaren Elements (10) aufgehängt ist.
Mikromechanische Vorrichtung, die ein biegbares Element (10) aufweist, wobei das biegbare Element (10) einen laminaren Aktuator aufweist, der als Schichtstapel gebildet ist, der eine distale Schicht (18) und eine proximale Schicht aufweist, die sich entlang einer neutralen Achse (16) des biegbaren Elements erstrecken und in einer Biegungsrichtung (30) von derselben beabstandet sind, wobei die proximale Schicht (20) zwischen der distalen Schicht (18) und der neutralen Achse (16) angeordnet ist und der Schichtstapel entlang einer lateralen Richtung (12) in Segmente (22) eingeteilt ist, wobei die distale Schicht (18) zwischen den Segmenten (22) mechanisch befestigt ist, so dass die distale Schicht (18) von der proximalen Schicht (20) beabstandet ist und so dass das biegbare Element (10) entlang der lateralen Richtung (12) in die oder entgegengesetzt zu der Biegungsrichtung (30) gebogen wird, indem der Schichtstapel einer Anziehungskraft zwischen der proximalen Schicht (18) und der distalen Schicht (20) ausgesetzt wird, wobei in jedem Segment eine Oberfläche der distalen Schicht (18), die der proximalen Schicht (20) über einen Zwischenraum (32) zugewandt ist, hin zu der oder weg von der neutralen Achse (16) hervortritt, wobei ein Verhältnis einer Hälfte der Länge des jeweiligen Segments in der lateralen Richtung (12) zu einer Differenz zwischen einem maximalen Abstand der Oberfläche von der neutralen Achse (16) und einem minimalen Abstand der Oberfläche von der neutralen Achse (16) zwischen jeweils einschließlich sin(1°) und sin(10°) liegt.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß Anspruch 20, bei der die Oberflächen in jedem Segment abgerundet, abgewinkelt oder abgestuft hervortreten.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß Anspruch 20 oder 21, bei der der Schichtstapel einen Plattenkondensator (14) bildet, wobei die proximale Schicht (18) eine proximale Elektrode des Plattenkondensators bildet und die distale Schicht (20) eine distale Elektrode des Plattenkondensators bildet.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, bei der in jedem Segment (22) die Oberfläche derart gebildet ist, dass die Oberfläche ausschließlich zumindest einen Ebenenabschnitt (58 ₁, 58 ₃, 58 ₅) und zumindest zwei Rampenabschnitte (58 ₂, 58 ₄) aufweist, die einander entlang der lateralen Richtung derart folgen, dass der zumindest eine Ebenenabschnitt parallel zu der neutralen Achse (16) ist und die zumindest zwei Rampenabschnitte relativ zu der neutralen Achse geneigt sind, wobei zumindest zwei der zumindest zwei Rampenabschnitte relativ zu der lateralen Richtung entgegengesetzt geneigt sind.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß Anspruch 23, bei der ein Neigungswinkel der Ebene, in der die Oberfläche in den zumindest zwei Rampenabschnitten angeordnet ist, zu der neutralen Achse (16) einem Winkel zwischen zwei Kristallebenen des biegbaren Elements (10) entspricht, von denen eine erste zu dem zumindest einen Ebenenabschnitt parallel ist und eine zweite zu einem jeweiligen der zumindest zwei Rampenabschnitte parallel ist.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem in jedem Segment (22) die Oberfläche derart gebildet ist, dass die Oberfläche ausschließlich zumindest drei Ebenenabschnitte (58 ₁, 58 ₃, 58 ₅) und zumindest zwei Rampenabschnitte (58 ₂, 58 ₄) aufweist, die einander in der lateralen Richtung (12) abwechseln, so dass jeder der zumindest zwei Rampenabschnitte zwischen zwei der zumindest drei Ebenenabschnitte positioniert ist und die zumindest drei Ebenenabschnitte parallel zu der neutralen Achse (16) sind, jedoch unterschiedliche Abstände zu derselben aufweisen, und die zumindest zwei Rampenabschnitte relativ zu der neutralen Achse geneigt sind.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß Anspruch 25, bei der ein Neigungswinkel der Ebene, in der die Oberfläche in den zumindest zwei Rampenabschnitten angeordnet ist, zu der neutralen Achse (16) einem Winkel zwischen zwei Kristallebenen des biegbaren Elements (10) entspricht, von denen eine erste zu den zumindest drei Ebenenabschnitten parallel ist und eine zweite zu einem jeweiligen der zumindest zwei Rampenabschnitte parallel ist.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 26, bei der das biegbare Element (10) aus einem Teil eines Substrats gebildet ist, der mit Ausnahme zumindest einer Aufhängungsstelle des biegbaren Elements (10) durch eine in einer Substratdickenrichtung kontinuierliche Öffnung begrenzt wird, wobei die Biegungsrichtung in der Substratdickenrichtung liegt.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, bei der in jedem Segment (22) die Oberfläche entlang der lateralen Richtung (12) in einen ersten und einen zweiten Rampenabschnitt eingeteilt ist, um in dem ersten Rampenabschnitt parallel zu einer Ebene zu sein, die in einem ersten Neigungswinkel relativ zu der neutralen Achse (16) geneigt ist, und um in dem zweiten Rampenabschnitt parallel zu einer Ebene zu sein, die in einem zweiten Neigungswinkel, der zu dem ersten Neigungswinkel entgegengesetzt ist, relativ zu einer Ebene geneigt ist, wobei der erste und der zweite Neigungswinkel jeweils einschließlich zwischen 1° und 10° liegen.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22 und 28, bei der das biegbare Element (10) aus einem Teil eines Substrats gebildet ist, der mit Ausnahme zumindest einer Aufhängungsstelle des biegbaren Elements (10) durch eine in einer Substratdickenrichtung kontinuierliche Öffnung begrenzt wird, wobei die Biegungsrichtung bezüglich des Substrats lateral ist.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 29, bei der jedes Segment (22) derart konfiguriert ist, dass in dem jeweiligen Segment die Oberfläche relativ zu einer transversal zu der lateralen Richtung verlaufenden Ebene symmetrisch ist.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 30, bei der in jedem Segment (22) der minimale Abstand an den Segmentgrenzen (24) vorliegt.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 31, bei der in jedem Segment (22) der maximale Abstand an den Segmentgrenzen (24) vorliegt.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 32, bei der in den Segmenten (22) Vorsprünge der distalen Schicht und der proximalen Schicht in den Zwischenraum (32) hinein vorspringen, um ineinandergreifend miteinander in Eingriff zu gelangen.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 32, bei der die distale Schicht (18) zwischen den Segmenten mechanisch befestigt ist durch isolierende Abstandshalter, die sich zwischen der distalen Schicht (18) und der proximalen Schicht (20) erstrecken und die entlang der lateralen Richtung (12) lateral verteilt sind, um zwischen den Segmenten (22) lateral positioniert zu sein, oder durch Abstandshalter (54), die sich zwischen der distalen Schicht (18) und der proximalen Schicht (20) erstrecken, die entlang der lateralen Richtung (12) lateral verteilt sind, um zwischen den Segmenten (22) lateral positioniert zu sein, und die von zumindest einer der distalen und der proximalen Schicht isoliert sind, oder an Leerstellen (60) in einer der distalen oder der proximalen Schicht, so dass die andere der distalen oder der proximalen Schicht an den Leerstellen an einem isolierenden Material des biegbaren Elements befestigt ist, oder durch Hervortritte in einer der distalen oder der proximalen Schicht, die zu der anderen der distalen oder der proximalen Schicht hin hervortreten, so dass die eine der distalen oder der proximalen Schicht an der anderen der distalen oder der proximalen Schicht auf eine Weise befestigt ist, dass sie von der anderen der distalen oder der proximalen Schicht über eine isolierende Schicht isoliert ist.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 34, bei der eine Innenoberfläche des Zwischenraums (32) zumindest teilweise von einem isolierenden Film bedeckt ist, so dass die distale und die proximale Schicht sogar im Fall eines mechanischen Kontakts der distalen und der proximalen Schicht aufgrund dessen, dass die Anziehungskraft zwischen der distalen Schicht und der proximalen Schicht eine Einzugskraft überschreitet, weiterhin voneinander isoliert sind.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 35, bei der der Abstand der Oberfläche der distalen Schicht von der neutralen Achse (16) an jeder Segmentgrenze gleich ist.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 36, bei der in jedem Segment (22) ein Zwischenraum zwischen der proximalen und der distalen Schicht eine konstante Dicke aufweist und konform zu der Oberfläche gebildet ist.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 37, bei der das biegbare Element (10) eine von der distalen Schicht abgewandte Oberfläche aufweist, die konform zu dem Zwischenraum verläuft.
Mikromechanische Vorrichtung, die ein biegbares Element aufweist, wobei das biegbare Element (10) einen laminaren Aktuator (14) aufweist, der als Schichtstapel gebildet ist, der eine distale Schicht (18) und eine proximale Schicht (20) aufweist, die sich entlang einer neutralen Achse (16) des biegbaren Elements (10) erstrecken und in einer Biegungsrichtung (30) von derselben beabstandet sind, wobei die proximale Schicht (20) zwischen der distalen Schicht (18) und der neutralen Achse (16) angeordnet ist und der Schichtstapel entlang einer lateralen Richtung in Segmente (22) eingeteilt ist, wobei die distale Schicht zwischen den Segmenten mechanisch befestigt ist, so dass die distale Schicht von der proximalen Schicht beabstandet ist und so dass das biegbare Element entlang der lateralen Richtung in die oder entgegengesetzt zu der Biegungsrichtung gebogen wird, indem der Schichtstapel einer Anziehungskraft zwischen der proximalen Schicht und der distalen Schicht ausgesetzt wird, wobei in jedem Segment der Zwischenraum (32) zwischen der proximalen und der distalen Schicht nicht-planar ist und das biegbare Element (10) eine von dem Zwischenraum abgewandte Oberfläche aufweist und konform zu dem Zwischenraum verläuft.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß Anspruch 39, bei der der Schichtstapel einen Plattenkondensator (14) bildet, wobei die proximale Schicht (20) eine proximale Elektrode des Plattenkondensators bildet und die distale Schicht (18) eine distale Elektrode des Plattenkondensators bildet.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß Anspruch 39, bei der die Oberfläche eine Außenfläche des biegbaren Elements (10) ist, die dem Schichtstapel über die neutrale Achse (16) hinweg gegenüberliegt.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 39 bis 41, bei der das biegbare Element (10) dem Schichtstapel gegenüberliegend einen weiteren Schichtstapel aufweist, der sich entlang der neutralen Achse (16) des biegbaren Elements erstreckt und in einer Biegungsrichtung (30) von derselben beabstandet ist, wobei die Oberfläche ein erster Abschnitt einer Innenoberfläche von Hohlräumen in dem biegbaren Element ist, die, einer pro Segment, entlang der neutralen Achse verteilt sind, wobei ein zweiter Abschnitt der Innenoberfläche der Hohlräume zu dem Zwischenraum zwischen der proximalen und der distalen Schicht des anderen Schichtstapels konform verläuft.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 39 bis 42, bei der das biegbare Element (10) aus einem Teil eines Substrats gebildet ist, der mit Ausnahme zumindest einer Aufhängungsstelle des biegbaren Elements durch eine in einer Substratdickenrichtung kontinuierliche Öffnung begrenzt wird, wobei die Biegungsrichtung in der Substratdickenrichtung liegt.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 39 bis 42, bei der das biegbare Element (10) aus einem Teil eines Substrats gebildet ist, der mit Ausnahme zumindest einer Aufhängungsstelle des biegbaren Elements durch eine in einer Substratdickenrichtung kontinuierliche Öffnung begrenzt wird, wobei die Biegungsrichtung bezüglich des Substrats lateral ist.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 39 bis 44, bei der in den Segmenten (22) Vorsprünge der distalen Schicht und der proximalen Schicht in den Zwischenraum (32) hinein vorspringen, um ineinandergreifend miteinander in Eingriff zu gelangen.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 39 bis 45, bei der die distale Schicht (18) zwischen den Segmenten (22) mechanisch befestigt ist durch isolierende Abstandshalter, die sich zwischen der distalen Schicht und der proximalen Schicht erstrecken und die entlang der lateralen Richtung lateral verteilt sind, um zwischen den Segmenten lateral positioniert zu sein, oder durch Abstandshalter (54), die sich zwischen der distalen Schicht und der proximalen Schicht erstrecken, die entlang der lateralen Richtung lateral verteilt sind, um zwischen den Segmenten lateral positioniert zu sein, und die von zumindest einer der distalen und der proximalen Schicht isoliert sind, oder an Leerstellen (60) in einer der distalen oder der proximalen Schicht, so dass die andere der distalen oder der proximalen Schicht an den Leerstellen an einem isolierenden Material des biegbaren Elements befestigt ist, oder durch Hervortritte in einer der distalen oder der proximalen Schicht, die zu der anderen der distalen oder der proximalen Schicht hin hervortreten, so dass die eine der distalen oder der proximalen Schicht an der anderen der distalen oder der proximalen Schicht auf eine Weise befestigt ist, dass sie von der anderen der distalen oder der proximalen Schicht über eine isolierende Schicht isoliert ist.
Mikromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 39 bis 46, bei der eine Innenoberfläche des Zwischenraums (32) zumindest teilweise von einem isolierenden Film bedeckt ist, so dass die distale und die proximale Schicht sogar im Fall eines mechanischen Kontakts der distalen und der proximalen Schicht aufgrund dessen, dass die Anziehungskraft zwischen der distalen Schicht und der proximalen Schicht eine Einzugskraft überschreitet, weiterhin voneinander isoliert sind.