DE102019202656A1

DE102019202656A1 - Mikromechanische Struktur, mikromechanisches System und Verfahren zum Bereitstellen einer mikromechanischen Struktur

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Publication number: DE102019202656A1
Application number: DE102019202656.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Drabe; André Dreyhaupt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2020-08-27

Abstract

Eine mikromechanische Vorrichtung umfasst ein Substrat, ein bewegliches Element, das in einem unausgelenkten Zustand in einer Referenzebene angeordnet ist, eine Getriebestruktur mit einer ersten Getriebeseite, die mit dem Substrat gekoppelt ist, und mit einer zweiten Getriebeseite, die mit dem beweglichen Element gekoppelt ist, und einen Aktuator, der ausgebildet ist, um eine Kraft entlang einer Kraftrichtung parallel zu der Referenzebene bereitzustellen und an die erste Getriebeseite anzulegen. Die Getriebestruktur ist ausgebildet, um die Kraft entlang der Kraftrichtung in eine Bewegung des beweglichen Elements aus der Referenzebene heraus zu überführen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mikromechanische Struktur, insbesondere auf eine mikromechanische Struktur mit einem beweglichen Element, das aus Referenzebene auslenkbar ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein mikromechanisches System, auf eine Vorrichtung mit einer mikromechanischen Struktur oder einem mikromechanischen System und auf ein Verfahren zum Bereitstellen einer mikromechanischen Struktur. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf linearisierbare resonante Bauelemente.
Um mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS), etwa Mikrospiegel oder Mikrogitter, aus ihrer Ebene heraus (out-of-plane) zu bewegen, bieten sich neben diversen physikalischen Methoden, wie beispielsweise der magnetischen, der piezoelektrischen und der akustischen, drei grundlegende elektrostatische Methoden an:

Die Bauelemente können mit Hilfe von lateral angeordneten Elektroden, wie sie beispielsweise in 30 dargestellt sind bzw. lateral angeordneten interdigitalen Elektrodenkämmen, wie sie in 31 dargestellt sind oder Plattenkondensatoren, wie sie in 32 dargestellt sind, folgendermaßen betrieben werden. Dabei zeigt 30 eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS gemäß dem Stand der Technik, bei dem eine Antriebselektrode 1002 ausgelegt ist, um eine Spiegelplatte 1004, die über Torsionsfedern 1006 an einen mit einem Rahmen befestigten Anker 1012 befestigt ist, auszulenken. Hierfür ist die Antriebselektrode 1002 gegenüber in dem Rahmen 1008 mit einer Oxidschicht 1014 elektrisch isoliert. Durch Anlegen einer gepulsten Spannung im Bereich des Doppelten der Eigenfrequenz des in 30 gezeigten Torsionsschwingers an die Antriebselektrode 1002 kann die Spiegelplatte 1004 in eine resonante Schwingung versetzt werden.

31 zeigt dagegen eine perspektivische Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme von Interdigitalelektroden 1016a und 1016b, bei denen durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Verkippung der Interdigitalelektroden 1016a und 1016b relativ zueinander erhalten werden kann.
32 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht, bei der die Spiegelplatte 1004 durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Spiegelplatte 1004 und einer der gegenüberliegenden Elektroden 1018a oder 1018b um den Winkel ϕ auslenkbar ist, das bedeutet, eine Auslenkung einer drehbar gelagerten Spiegelplatte 1004 kann bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Plattenkondensatoren erhalten werden.
Ein Betrieb kann klassisch resonant erfolgen, wie es beispielsweise in EP 1 123 526 B1 beschrieben ist. Wenn die Elektroden(kämme) in der gleichen Ebene liegen, können durch Anlegen einer geeigneten Rechteckspannung in der Nähe des Doppelten der Resonanzfrequenz die Bauelemente in eine resonante Schwingung versetzt werden, wie es in der 33 und der 34 dargestellt ist. Hierbei greifen die Elektrodenkämme in Ruhelage ineinander. In anderen Worten zeigt 33 eine Prinzipskizze zum resonanten Betrieb mikromechanischer Bauelemente. Eine Rechteckspannung mit der doppelten Frequenz der Resonanzfrequenz erzeugt den Antrieb, im oberen und unteren Umkehrpunkt der Schwingung wird die beschleunigende Spannung zugeschaltet, in der Ruhelage abgeschaltet. 34 zeigt eine Antwortkurve eines resonant betriebenen Mikrospiegels.
Ferner existiert ein klassischer quasi-statischer Antrieb, der auch resonant genutzt werden kann. Derartige Konzepte sind beispielsweise in DE 10 2008 012 825 B4 , JP 4285005 B2 , US 7,508,111 B2 oder US 7,535,620 B2 beschrieben. Wenn Elektroden(kämme) sich in zwei übereinander oder verkippt zueinander angeordneten Ebenen befinden, lassen sich die Bauelemente quasi-statisch (als auch resonant im Bereich der Resonanzfrequenz) bewegen, wie es beispielsweise in 35 dargestellt ist. Hierbei greifen die Elektrodenkämme im ausgelenkten Zustand ineinander. In anderen Worten zeigt 35 eine Prinzipskizze und REM-Aufnahmen eines Mikrospiegelsystems für den quasi-statischen Betrieb. Die Elektrodenkämme befinden sich in der Ruhelage auf zwei Ebenen, wie es im rechten Bereich der 35 dargestellt ist, bzw. sind unter einem Winkel vorausgelenkt, wie es im linken Bereich der 35 dargestellt ist. Das Anlegen einer statischen elektrischen Spannung führt zu einer Auslenkung.
In erneuter Bezugnahme auf 32 kann dort mit unterhalb einer Platte angebrachten parallelen Plattenkondensatoren die Platte 1004 sowohl quasi-statisch als auch resonant ausgelenkt werden. Mit einem in mehreren Ebenen angebrachten klassischen Hebelsystem können laterale Kräfte in eine Bewegung aus der Ebene heraus umgewandelt werden, wie es beispielsweise in „Laterally Actuated Torsional Micromirrors for Large Static Deflection (Melanovic et al., IEEE Photonics Technology Letters, vol. 15, No. 2, February 2003) beschrieben ist.
Alle genannten Methoden bringen eine Reihe von technischen Problemen mit sich, vor allem die technologisch aufwändige Fertigung von mehreren Funktions-Ebenen zum Betrieb der Bauelemente.
Wünschenswert wären einfach zu fertigende MEMS, die zuverlässig angesteuert werden können.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, MEMS zu schaffen, die einfach zu fertigen sind und zuverlässig ansteuerbar sind.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Getriebes MEMS hergestellt werden können, die aus wenigen, ggf. nur aus einer Funktions-Ebene bestehen und deshalb einfach zu fertigen sind und aufgrund des Getriebes einfach und zuverlässig ansteuerbar sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine mikromechanische Struktur ein Substrat oder einen Rahmen und ein bewegliches Element, das in einem unausgelenkten Zustand in einer Referenzebene angeordnet ist. Die mikromechanische Struktur umfasst eine Getriebestruktur, mit einer ersten Getriebeseite, die mit dem Substrat gekoppelt ist und mit einer zweiten Getriebeseite, die mit dem beweglichen Element gekoppelt ist. Die mikromechanische Struktur umfasst einen Aktuator, der ausgebildet ist, um eine Kraft entlang einer Kraftrichtung parallel zu der Referenzebene bereitzustellen und an die erste Getriebeseite anzulegen. Die Getriebestruktur ist ausgebildet, um die Kraft entlang der Kraftrichtung in eine Bewegung des beweglichen Elements aus der Referenzebene rauszuführen. Alle Elemente können in Ruhelage in der Referenz-Ebene liegen.
Dies ermöglicht, dass der Aktuator in der Referenzebene (in-plane) betrieben werden kann und die Bewegung des Aktuators über die Getriebestruktur zu einer Bewegung des beweglichen Elements aus der Referenzebene heraus genutzt werden kann. Damit kann eine hohe Präzision und Zuverlässigkeit der Ansteuerung erhalten werden, da eine Abhängigkeit der Aktuatorkraft von einem Auslenkwinkel oder einer Position des beweglichen Elements gering ist oder verhindert werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein mikromechanisches System eine erste mikromechanische Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel, die als bewegliches Element einer zweiten mikromechanischen Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche angeordnet ist. Dies ermöglicht eine Kopplung mehrerer Getriebestrukturen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Vorrichtung eine mikromechanische Struktur oder ein mikromechanisches System gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Ansteuereinrichtung, die konfiguriert ist, um den Aktuator anzusteuern. Die Ansteuereinrichtung ist zum Einstellen einer Schwingung des beweglichen Elements mit einer Zielfrequenz ausgebildet. Hierfür ist die Ansteuereinrichtung ausgelegt, um ein Steuersignal an den Aktuator anzulegen, das einen Wert einer Startfrequenz aufweist, wobei der Wert der Startfrequenz größer oder kleiner ist als die Zielfrequenz. Die Ansteuereinrichtung ist konfiguriert, um die Frequenz des Ansteuersignals in einer Vielzahl von Schritten zu verändern, bis die Zielfrequenz erreicht ist. Dies ermöglicht die Anregung des beweglichen Elements in einer hohen Genauigkeit.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Bereitstellen einer mikromechanischen Struktur ein Bereitstellen eines Substrats, ein Anordnen eines beweglichen Elements, so dass dieses in einem unausgelenkten Zustand in einer Referenzebene angeordnet ist, ein Anordnen einer Getriebestruktur, so dass eine erste Getriebeseite mit dem Substrat gekoppelt ist und eine zweite Getriebeseite mit dem beweglichen Element gekoppelt ist. Das Verfahren umfasst ein Anordnen eines Aktuators, so dass dieser ausgebildet ist, um eine Kraft entlang einer Kraftrichtung parallel zu der Referenzebene bereitzustellen und an die erste Getriebeseite anzulegen, so dass die Getriebestruktur ausgebildet ist, um die Kraft entlang der Kraftrichtung in eine Bewegung des beweglichen Elements aus der Referenzebene herauszuführen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Es zeigen:

1a-c schematische Ansichten eines MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem beweglichen Element;
2a-c schematische Ansichten eines MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem das bewegliche Element beidseitig angetrieben ist;
3a-c schematische Ansichten eines MMS mit nur sechs statt acht Biegefedern zur Führung eines Schubrahmens gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3d eine schematische Darstellung einer quasi-harmonischen Schwingung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3e-g schematische Ansichten eines MMS, das gegenüber dem MMS aus den 3a-c mit einer ersten Getriebeseite symmetrisch am Substrat aufgehängt ist;
4a-c schematische Ansichten eines MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das gegenüber dem MMS aus den 2a-c bezüglich eines Abstands von Torsionsachsen zum Rand des beweglichen Elements modifiziert ist.
5a-c schematische Ansichten eines MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem verglichen mit dem MMS der 2a-c zweiten Getriebeseiten zweiteilig gebildet sind;
6a-c schematische Ansichten eines MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine erste Getriebeseite zweiteilig ausgeführt ist;
7a-c schematische Ansichten eines MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem Biegefedern verglichen mit einem Substrat abgedünnt sind;
8a-c schematische Ansichten eines MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem Torsionsfedern abgedünnt sind;
9a-c schematische Ansichten eines MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem Blattfedern und Torsionsfedern abgedünnt sind;
10a-c schematische Ansichten eines MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem zumindest eine Getriebeseite eine mechanische Vorspannung aufweist;
11a-c schematische Ansichten eines MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel ohne mittlere Torsionsfedern;
12a-c schematische Ansichten eines MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das die einer modifizierten Variante des MMS der 2a-c entsprechen kann, indem beispielsweise die mittleren Torsionsfedern fehlen;
13a-c schematische Ansichten des MMS in den 12a-c bei einer Anregung desselben in einer Frequenz, die eine translatorische Auslenkung des beweglichen Elements entlang der positiven und/oder negativen z-Richtung ermöglicht gemäß einem Ausführungsbeispiel;
14a-c schematische Ansichten eines MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das gegenüber dem MMS aus den 12a-c eine vertauschte Anordnung der Torsionsachsen aufweist;
15 die Struktur aus den 13a-14c mit vierfacher Aufhängung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
16 die Struktur aus den 14a-14c mit vierfacher Aufhängung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
17a-b schematische Ansichten eines MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem zwischen die erste Getriebeseite und eine zweite Getriebeseite weitere Balkenelemente gekoppelt sind, so dass insgesamt eine Pantographenstruktur gekoppelt ist;
18a-b schematische Ansichten eines MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem zwischen die erste Getriebeseite und die zweite Getriebeseite Balkenstrukturen angeordnet sind, die als Pantographenfeder wirken;
19a-c schematische Ansichten eines mikromechanischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel bei dem das MMS der 2a-c als bewegliches Element des MMS aus den 2a-c orthogonal angeordnet ist;
20a-c schematische Ansichten eines mikromechanischen Systems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel bei dem das MMS der 2a-c als bewegliches Element des MMS aus den 2a-c koaxial angeordnet ist;
21a-c schematische Ansichten eines mikromechanischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem das MMS der 2a-c als bewegliches Element des MMS aus den 12a-c angeordnet ist;
22a-c schematische Ansichten eines mikromechanischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel, das invers zu dem mikromechanischen System aus den 21a-c gebildet ist;
23a-c schematische Ansichten von beispielhaften Ausgestaltungen von Aktuatoren gemäß Ausführungsbeispielen, die in MMS und mikromechanischen Systemen eingesetzt werden können;
24a-c schematische Ansichten von vorteilhaften Ausführungen von Interdigitalelektroden gemäß Ausführungsbeispielen beschrieben;
25a-c schematische Ansichten von drei V-Varianten einer Torsionsfeder zur Erhöhung der lateralen Steifigkeit gemäß Ausführungsbeispielen;
26 eine schematische Draufsicht auf eine Biegefederanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
27a-d schematische Ansichten von Torsionsfedern gemäß Ausführungsbeispielen, die an beliebigen Orten der hierin beschriebenen MMS eingesetzt werden können;
28a-d schematische Ansichten weiterer vorteilhafte Ausgestaltungen der Torsionsfedern gemäß Ausführungsbeispielen;
29 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
30 eine schematische Ansicht von MMS mit lateral angeordneten Elektroden gemäß dem Stand der Technik;
31 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von lateral angeordneten interdigitalen Elektrodenkämmen gemäß dem Stand der Technik;
32 eine schematische Seitenschnittansicht eines Plattenkondensatorantriebs gemäß dem Stand der Technik;
33 eine Prinzipskizze zum resonanten Betrieb mikromechanischer Bauelemente gemäß dem Stand der Technik;
34 eine schematische Antwortkurve eines resonant betriebenen Mikrospiegels gemäß dem Stand der Technik;
35 rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen und schematische Ansicht eines Antriebs mit Elektrodenkämmen, die sich in zwei übereinander oder verkippt zueinander angeordneten Ebenen befinden, gemäß dem Stand der Technik; und
36 Messkurvenschar zur Verdeutlichung des Antriebsverhaltens von Elektrodenkämmen aus dem Stand der Technik.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf mikromechanische Strukturen (MMS), die einen Aktuator aufweisen. Der Aktuator kann elektrisch oder nichtelektrisch gebildet sein, beispielsweise als thermischer Aktuator. Ist der Aktuator als elektrischer Aktuator gebildet, beispielsweise als elektrostatischer Aktuator, piezoelektrischer Aktuator, als pneumatischer Aktuator und/oder als hydraulischer Aktuator, so kann das MMS auch als mikro-elektro-mechanisches System (MEMS) bezeichnet werden. Die hierin genutzten Begriffe MMS und MEMS sind deshalb beliebig miteinander kombinierbar oder austauschbar und werden synonym verwendet, es sei denn es wird auf dezidierte Unterschiede eingegangen.
Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Kopplung von Strukturen. Beispielsweise ist eine erste Getriebeseite mit dem Substrat des MMS gekoppelt und eine zweite Getriebeseite mit dem beweglichen Element. Dabei bezeichnet eine mechanische Kopplung möglicherweise aber nicht notwendigerweise eine unmittelbare mechanische Kopplung. Vielmehr liegt es ebenso im Rahmen der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele, dass zwischen zwei gekoppelten Elementen weitere Elemente angeordnet sind, das bedeutet, eine mittelbare mechanische Verbindung hergestellt wird.
MEMS und/oder MMS, wie sie in hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen dargestellt sind, können beispielsweise im Rahmen einer Halbleiterfertigung hergestellt werden, beispielsweise als komplementärer Metalloxid-Halbleiterprozess (complementary metal oxide semiconductor - CMOS). Dies kann das Herausbilden von Strukturen aus einer Schichtstruktur oder einer Schichtstapelstruktur umfassen, beispielsweise durch Ätzprozesse. Geeignete Materialien für die hierin beschriebenen MEMS können beispielsweise Siliziummaterialien, etwa Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxinitrid umfassen, können jedoch auch andere Materialien, etwa Metalle wie Kupfer, Aluminium oder dergleichen umfassen. Auch können weitere oder andere Halbleitermaterialien verwendet werden, etwa Galliumarsenid.
1a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das MMS 10 umfasst ein Substrat, beispielsweise aus einem Halbleitermaterial. Das Substrat kann auch als Rahmen bezeichnet werden und kann eine Referenzstruktur bereitstellen. Das Substrat bzw. der Rahmen wird in hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen als starr oder unbeweglich verstanden. Als Rahmen gebildet kann das Substrat an oder auf einem weiteren Substrat angeordnet sein. Das MMS umfasst ferner ein bewegliches Element, beispielsweise einen optischen Spiegel, ein optisches Gitter oder ein anderes Element, beispielsweise ein Element zum elektrischen Schalten von Strömen. Unter Verweis auf 1b, die eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 10 in einem unausgelenkten Zustand in einem Teil der Schnittachse A-A' zeigt, wird deutlich, dass das bewegliche Element in einem unausgelenkten Zustand, der in der 1b dargestellt ist, in einer Referenzebene 16 angeordnet ist, die beispielsweise parallel zu Ebenen angeordnet ist, entlang derer Schichten des Schichtstapels, aus dem das MMS 10 gebildet ist, angeordnet sind.
Das MMS 10 umfasst eine Getriebestruktur 18, die eine erste Getriebeseite 22a und eine zweite Getriebeseite 22b aufweist. Die erste Getriebeseite 22a kann mit dem Substrat 12 gekoppelt sein, während die zweite Getriebeseite 22b mit dem beweglichen Element 14 gekoppelt sein kann. Obwohl auch beliebige andere mechanische Kopplungen vorgesehen werden können, können eine Mehrzahl oder Vielzahl von Blattfederelementen 24₁ , 24₂ , 24₃ und 24₄ zwischen der ersten Getriebeseite 22a und dem Substrat 12 angeordnet sein, so dass die erste Getriebeseite 22a über die Blattfederelemente 24_i mit dem Substrat 12 gekoppelt ist und daran abgestützt ist. Blattfederelemente 24_i können als asymmetrische Biegefedern verstanden werden. Die Asymmetrie kann dabei an eine Wirkrichtung eines Aktuators 26 des MMS 10 angepasst werden. Beispielsweise kann der Aktuator 26 eine erste Aktuatorseite 28a und eine zweite Aktuatorseite 28b aufweisen, zwischen denen eine Kraft F erzeugt wird. Beispielsweise kann eine erste Aktuatorseite 28a mit der ersten Getriebeseite 22a gekoppelt sein und eine zweite Aktuatorseite 28b mit dem Substrat 12. Der Aktuator 26 kann ausgebildet sein, um die Kraft F als Zugkraft und/oder Druckkraft zu erzeugen, so dass die Kraft F im Wesentlichen parallel zu der Referenzebene 16 erzeugt werden kann. Wie es später ausführlich dargelegt wird, schließt dies nicht aus, dass das bewegliche Element 14 eine geringe Neigung gegenüber den anderen Schichten bzw. Schichtstapel aufweist, was sowohl als Neigung des beweglichen Elements 14 gegenüber der Referenzebene 16 im Ruhezustand als auch als eine Neigung der Referenzebene 16 gegenüber der Anordnung der anderen Schichten verstanden werden kann. Eine derartige Neigung kann beispielsweise durch Ausnutzen mechanischer Vorspannung erhalten werden, so dass Auslenkungen von beispielsweise höchstens 10°, höchstens 8°, höchstens 5° oder höchstens 2° erhalten werden.
Ist nun die Referenzebene 16 durch eine Verkippung des beweglichen Elements 14 geneigt, so ist der Aktuator 26 immer noch ausgelegt, um zumindest eine Komponente der erzeugten Kraft F parallel zu der Referenzebene zu erzeugen. Der Aktuator 26 ist ausgebildet, um die Kraft F an die erste Getriebeseite 22a anzulegen, beispielsweise als Druckkraft, um einen Abstand zwischen der ersten Getriebeseite 22a und dem Substrat 12 zu erhöhen. In Übereinstimmung hiermit können die Blattfederelemente 24_i innerhalb der Ebene, beispielsweise parallel zu der z-Richtung und der y-Richtung steif ausgebildet sein und senkrecht hierzu, beispielsweise parallel zu einer x-Richtung, weich, um eine Bewegung der Getriebeseite 22a entlang der x-Richtung zu ermöglichen, d. h., parallel zu der Kraftrichtung.
Die Getriebestruktur 18 ist ausgebildet, um die Kraft F entlang der Kraftrichtung, beispielsweise x-Richtung, in eine Bewegung des beweglichen Elements aus der Referenzebene 16 heraus zu überführen. Dies umfasst sowohl eine Verkippung des beweglichen Elements 16 als auch eine translatorische Bewegung des beweglichen Elements 14 parallel zur z-Richtung.
1c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 10 in einem ausgelenkten Zustand. Die runde Darstellung der Federprofile oder Querschnitte deutet an, dass die Torsionsfederelemente 32₂ , 32₄ und 32₆ ausgelenkt, d. h., tordiert sind, obwohl bei lokaler Betrachtung ein polygoner Querschnitt der Torsionsfedern 32₂ , 32₄ und 32₆ im Wesentlichen polygon bleiben kann. Hiervon unabhängig, können auch andere Geometrien realisiert sein, etwa ein rechteckiger oder runder Querschnitt. Dieser kann bspw. durch Ätzprozesse erhalten werden, so dass Ausführungsbeispiele nicht auf runde Querschnitte beschränkt sind.
Zwischen der ersten Getriebeseite 22a und der zweiten Getriebeseite 22b können Torsionsfedern 32₁ und 32₂ angeordnet sein, die eine Kraftübertragung zwischen den Getriebeseiten 22a und 22b ermöglichen. Zwischen der zweiten Getriebeseite 22b und dem beweglichen Element 14 können Torsionsfedern 32₃ und 32₄ angeordnet sein, die eine Kraftübertragung von der zweiten Getriebeseite 22b hin zum beweglichen Element 14 ermöglichen. Die Torsionsfedern 32₁ bis 32₄ können eine Torsion oder Rotation der jeweils miteinander gekoppelten Elemente zueinander ermöglichen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Torsionsfedern 32₁ und 32₂ entlang einer gemeinsamen Torsionsachse 34₁ angeordnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Torsionsfedern 32₃ und 32₄ entlang einer gemeinsamen Torsionsachse 34₂ angeordnet. Um die Torsionsachse 34₁ kann eine Verkippung der zweiten Getriebeseite 22b relativ zu der ersten Getriebeseite 22a basierend auf der Kraft F erfolgen. Um die Torsionsachse 34₂ kann eine Torsion des beweglichen Elements 14 relativ zu der zweiten Getriebeseite 22b basierend auf der Kraft F erfolgen.
Das MMS 10 weist bspw. Torsionsfedern 32₅ und 32₆ auf, die das bewegliche Element 14 mit dem Substrat 12 direkt koppeln, so dass eine durch die Torsionsfedern 32₅ und 32₆ definierte Torsionsachse 34₃ eine Torsionsachse beschreibt, um die das bewegliche Element 14 bezüglich des Substrats 12 rotatorisch gelagert ist. Die Torsionsfedern 32₅ und 32₆ ermöglichen eine out-of-plane-Bewegung.
Die Torsionsfedern 32₅ und 32₆ können auch entfallen, etwa bei einer Symmetrie der Struktur bezüglich der Achse 34₃ , was dazu führt, dass das bewegliche Element 14, je nach Ansteuerung, um die Torsionsachse 34₃ rotiert werden kann und/oder translatorisch aus der Referenzebene 16 heraus bewegbar ist, beispielsweise entlang der positiven und/oder negativen z-Richtung.
Die Ausnutzung der Kraft F als Druckkraft kann dabei dadurch erhalten werden, dass die Torsionsachse 34₁ näher zu einer Randseite 36₂ des beweglichen Elements 14 angeordnet ist als die Torsionsachse 34₂ , wobei für diesen Vergleich diejenige Randseite 36 herangezogen werden kann, zu denen beide Torsionsachsen 34₁ und 34₂ den geringsten Abstand aufweisen, und dass das für eine Randseite 36₁ des beweglichen Elements nicht erfüllt ist. Gleichzeitig ist die Randseite 36₂ , ebenso wie die Randseite 36₁ parallel zu den Torsionsachsen 34₁ und 34₂ angeordnet. Es wird darauf hingewiesen, dass das bewegliche Element 14 eine beliebige Geometrie aufweisen kann, beispielsweise polygon, rund, elliptisch oder gemäß einer Freiformfläche. In diesem Fall kann die Randseite 36₁ und/oder 36₂ als virtuelle Randseite betrachtet werden und eine Tangente an einen äußeren Verlauf des beweglichen Elements 14 bilden, die parallel zu den Torsionsachsen 34₁ und 34₂ und in oder parallel zu der x/y-Ebene angeordnet ist.
Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann eine Position der Torsionsachsen 34₁ und 342 relativ zueinander vertauscht werden, so dass bezogen auf die Randseite 36₂ die Torsionsachse 34₂ einen geringeren Abstand aufweist als die Torsionsachse 34₁ . Die Kraft F kann in diesem Fall als Zugkraft aufgebracht werden, das bedeutet, die erste Getriebeseite 22a wird in Richtung des Substrats 12 entlang der positiven x-Richtung gezogen. Ob die Torsionsachse 34₁ ausgehend von der Torsionsachse 34₂ diesseits oder jenseits der Randseite 36₂ angeordnet ist, ist für das Wirkprinzip der Umwandlung einer Druckkraft oder einer Zugkraft des Aktuators 26 ohne größeren Einfluss und kann basierend auf anderen Parametern, beispielsweise einer Strukturstabilität oder Kraftspitzen variiert werden.
2a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem das bewegliche Element 14 beidseitig angetrieben ist. Das MMS 20 kann zwei oder mehr Getriebestrukturen 18₁ und 18₂ aufweisen, von denen jede über einen Aktuator 26₁ bzw. 26₂ angetrieben ist, wie es für das MMS 10 beschrieben ist. An einer Symmetrieachse, die beispielsweise entlang der Torsionsachse 34₃ angeordnet sein kann, kann der Aufbau der Getriebestruktur 18 gespiegelt sein, um eine symmetrische Aktuierung des beweglichen Elements 14 zu ermöglichen. Die von den Torsionsfedern 32₁ und 32₂ bzw. 32₃ und 32₄ definierten Torsionsachsen 34₁ und 34₂ können in gespiegelter Weise als Torsionsachsen 34₄ und 34₅ angeordnet sein, wobei diese Torsionsachsen durch Torsionsfedern 32₇ und 32₈ bzw. 32₉ und 32₁₀ definiert werden können.
Im Unterschied zum MMS 10 können die Torsionsachsen 34₁ und 34₂ sowie 34₄ und 34₅ so angeordnet sein, dass die Torsionsachsen 34₂ und 34₅ , die durch die Torsionselemente definiert werden, die die zweite Getriebeseite mit dem beweglichen Element 14 verbindet, näher an den Außenseiten bzw. Rändern 36₁ und 36₂ angeordnet sind, als die Torsionsachsen 34₁ und 34₄ , die die erste Getriebeseite mit der zweiten Getriebeseite verbinden. Das bedeutet, dass ein Abstand 42₁ zwischen der Torsionsachse 34₁ und dem Rand 36₂ größer sein kann als ein Abstand 44₁ zwischen der Torsionsachse 34₂ und dem Rand 36₂ , wobei selbiges für einen Abstand 42₂ zwischen der Torsionsachse 34₄ und dem Rand 36₁ und einem Abstand 44₂ zwischen der Torsionsachsen 34₅ und dem Rand 36₁ gelten kann.
Die 2b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 20 in einem unausgelenkten Referenzzustand, bei dem bspw. alle Elemente innerhalb einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein können.
2c zeigt das MMS 20 in einem ausgelenkten Zustand, bei dem das bewegliche Element 14 aus der Referenzebene 16 zumindest teilweise herausbewegt ist, das bedeutet, geneigt hierzu angeordnet ist.
Die Aufhängung und Aktuierung des beweglichen Elements 14 kann in Bereichen 38₁ und 38₂ gleich bzw. symmetrisch sein. Die Bereiche 38₁ und 38₂ können durch eine Symmetrieebene 46 voneinander separiert werden, wobei die Torsionsachse 343, um die das bewegliche Element 14 rotierbar gelagert ist, innerhalb der Symmetrieebene 46 angeordnet sein kann. Die Symmetrieebene 46 kann parallel zu einer y/z-Ebene angeordnet sein, während die Torsionsachse 34₃ parallel zur y-Richtung angeordnet sein kann.
Basierend auf der MMS/MEMS Fertigungstechnologie kann die erste Getriebeseite 22a₁ und/oder 22a₂ und/oder die zweite Getriebeseite 22b₁ und/oder 22b₂ als Platten- oder Balkenstruktur gebildet sein. Die Torsionsfederelemente 32₁ und 32₂ bzw. 32₇ und 32₈ können als für eine Torsion ausgelegte schmale Balkenelemente gebildet sein und beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Ein rechteckiger Querschnitt kann beispielsweise von einem Ätzprozess entlang oder entgegengesetzt zur z-Errichtung herrühren. Die erste Getriebeseite 22a und die zweite Getriebeseite 22b können dabei jeweils als teilweise geöffnete Rahmenstrukturen gebildet sein. Die Rahmenstrukturen können als U-förmige Struktur gebildet sein und eine voneinander verschiedene Größe aufweisen, beispielsweise bezüglich der Schenkel entlang der y-Richtung und/oder der X-Richtung. Eine U-Form kann zumindest abschnittsweise gerade oder eine geknickte Form aufweisen, aber auch einen kontinuierlichen Übergang zwischen geraden und gekrümmten Bereichen. Die Rahmenstrukturen können alternativ oder zusätzlich auch ganz oder teilweise rund gebildet sein, etwa als halbkreisförmige Strukturen. Die Anordnung ermöglicht, dass die erste Getriebeseite 22a die zweite Getriebeseite 22b zumindest teilweise umschließt. Anders ausgedrückt kann die zweite Getriebeseite 22b innerhalb eines Bereichs, der von der ersten Getriebeseite 22a umschlossen wird, angeordnet sein, was eine hohe Flächeneffizienz ermöglicht.
Mit anderen Worten können Ausführungsbeispiele ermöglichen, dass durch laterale (in-plane) Kräfte eine erzeugte Bewegung von in einer Ebene liegenden und parallel zu dieser bewegten ersten Strukturen über Getriebeelemente auf eine zweite Struktur (bewegliches Element) so zu übertragen, dass die Bewegung der zweiten Struktur aus der Ebene heraus erfolgt. Bei dieser Bewegung der zweiten Struktur kann es sich um eine Rotation um eine in der Ebene liegende Achse und/oder um eine Translation orthogonal zur Ebene oder, insbesondere im Fall von ineinander verschachtelten Systemen, um Kombinationen davon, d. h., Rotation plus Translation, Translation plus Translation, Rotation plus Rotation oder mehrfach, handeln. Die Rotation und/oder die Translation können statisch oder resonant sein, wobei beide Ausführungen auch zeitlich nacheinander folgend kombiniert werden können, d. h., abwechselnd implementiert werden können. Alle Strukturen können dabei in einer Ebene angeordnet sein. Ein beispielhaftes mikro-mechanisch-optisches Element, ist dabei beispielsweise über zwei mittig angeordnete Torsionsachsen der Federn 32₅ und 32₆ mit dem umgebenden Rahmen, dem Substrat 12 verbunden. Das beispielhafte mikro-mechanisch-optische Element, d. h., das bewegliche Element, kann einen Spiegel und/oder ein optisches Gitter umfassen. Die Torsionsachsen der Federn 32₅ und 32₆ können gemeinsam die Torsionsachse 34₃ aufspannen. Über vier weitere, am äußeren Rand des optischen Elements 14 angebrachte Torsionsachsen 32₃ , 32₄ , 32₉ und 32₁₀ ist das optische Element 14 mit zwei Ring- oder U-förmigen, das optische Element seitlich umfassenden Getriebeelementen 22b₁ und 22b₂ verbunden. Die Getriebeelemente 22b₁ und 22b₂ sind außen am Ende des U über vier weitere Torsionsachsen 32₁ , 32₂ , 32₇ und 32₈ mit zwei Schubrahmen, d. h., ersten Getriebeseiten, 22a₁ und 22a₂ verbunden, die die Getriebeelemente 22b₁ und 22b₂ sowie das von diesen umrahmte optische Bauelement 14 ebenfalls Ring- oder U-förmig umfassen. Diese Schubrahmen 22a₁ und 22a₂ sind an ihren jeweiligen äußeren Eckpunkten über vier parallele Biegefedern 24₁ , 24₂ , 24₃ und 24₄ bzw. 24₅ , 24₆ , 24₇ und 24₈ mit dem Rahmen 12 verbunden.
Die Torsionsfedern 32_i sowie die Biegefedern 24_i können achsen-parallel zur Torsionsachse 34₃ angeordnet sein. Die drei Torsionsachsen bzw. die Torsionsfedern 32_i befinden sich in einem Abstand zueinander oder entlang einer axialen kollinearen Ausrichtung, wobei der Abstand, beispielsweise der Abstand 42_i und/oder 44_i die mechanische Auslenkbarkeit des optischen Elements 14 ermöglicht und für die Auslenkung benötigten Kräfte und deren Optimierung ermöglicht. Durch die Wahl der Abstände, insbesondere, ob die Abstände 42 größer oder kleiner als die Abstände 44 sind, kann zudem definiert werden, ob der Aktuator eine Zugkraft oder Druckkraft bereitzustellen hat und anders herum, das bedeutet, bei einem festgegebenen Aktuator kann dessen Zug- oder Druckkraft entsprechend berücksichtigt werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen liegen alle Elemente in einer Ebene. Das optische Element 14, die ersten Getriebeseiten 22a und die zweiten Getriebeseiten 22b bilden dabei einen gekoppelten Schwinger, wobei die insgesamt vier Getriebeseiten sowie das bewegliche Element 14 insgesamt als Fünf-Massen-Schwinger modelliert werden können. Das optische Element 14 und die zweiten Getriebeseiten 22b₁ und 22b₂ sowie die Torsionsfedern 32₃ , 32₄ , 32₉ und 32₁₀ können dabei aus der Ebene herausbewegt werden, beispielsweise der Referenzebene 16. Der oder die Aktuatoren können sowohl in der in 2a erläuterten Pull-Konfiguration, d. h., Erzeugen einer Zugkraft, als auch in einer frontalen Push-Pull-Variante angeordnet sein, ebenso, wie in einer entsprechenden lateralen Variante.
In anderen Worten zeigt 2a eine Draufsicht auf ein drehbar linearisierbar resonant-oszillierendes mikro-mechanisches-optisches Element, 2b eine Seitenansicht der beweglichen Elemente in Ruhe und 2c eine Seitenansicht der beweglichen Elemente im ausgelenkten Zustand. Die „Linearisierbarkeit“ des resonant bewegten optischen Elementes bezieht sich dabei auf die Beeinflussbarkeit der Schwingung durch, mit Hilfe der Getriebe auf das optische Element wirkende, äußere Kräfte. Diese Beeinflussung ist nur außerhalb der Ruhelage möglich.
3a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die erste Getriebeseite 22a₁ und 22a₂ über eine Dreipunktverbindung mit dem Substrat 12 verbunden ist, das bedeutet, eine Anzahl von drei Elementen, beispielsweise Federelemente 24_i , wird verwendet, um die erste Getriebeseite 22a₁ und 22a₂ an dem Substrat 12 aufzuhängen.
3b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 30 in einem unausgelenkten Referenzzustand entlang einer Schnittlinie B-B' der 3a.
3c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 30 entlang der Schnittlinie B-B' in einem ausgelenkten Zustand.
In anderen Worten zeigen die 3a-3c eine Variante mit nur sechs statt acht Biegefedern 24 zur Führung des Schubrahmens, der ersten Getriebeseite 22a. So kann erreicht werden, dass weniger Kraft zur Auslenkung benötigt wird und die Position der dritten, mittigen Feder 24₂ bzw. 24₅ kann die Stabilität des Schubrahmens gegenüber einer Rotation um die z-Achse erhöhen. Um die Symmetrie zu bewahren können anstelle einer zentralen Feder auch zwei der jeweiligen oberen und unteren Hälfte zugeordneten zentralen Federn verwendet werden. 3a zeigt dabei eine schematische Draufsicht auf ein drehbar linearisierbar resonant-oszillierendes mikro-mechanisches-optisches Element, 3b eine Seitenansicht der beweglichen Elemente in Ruhe und 3c eine Seitenansicht der beweglichen Elemente in einem ausgelenkten Zustand.
Das MMS 10, 20 und/oder das MMS 30 lassen sich in unterschiedlichen Betriebsarten betreiben. Beispielsweise kann das MMS 10, 20 und/oder 30 in einem resonanten Betrieb betrieben werden. 3d zeigt einen Graph einer harmonischen Schwingung mit einem quasi-linearen Bereich, im Bereich der Punkte 48_i . Eine in diesem Zusammenhang als harmonisch bezeichnete Schwingung ist in Wirklichkeit keine harmonische Schwingung, wie es in 3d dargestellt ist, sondern eine von der idealen Sinusform abweichende Schwingungsform (quasi-harmonisch). Die Abweichungen werden dabei von diversen nichtlinearen Effekten hervorgerufen, z. B. der nichtlinearen Federcharakteristik, der Luft-Dämpfung und dem gepulsten Antrieb durch den Aktuator. Einer der nichtlinearen Effekte resultiert hierbei, insbesondere bei großen Auslenkungen des beweglichen Elements, auf der sich graduell oder abrupt ändernden Dämpfung durch das umgebende Medium, wie es beim „Eintauchen“ bzw. „Austauchen“ von Elektrodenkämmen im Verlauf der Schwingung kommen kann, wie es beispielsweise in den Vorrichtungen gemäß 31 und/oder 33 erfolgen kann. Gemäß Ausführungsbeispielen bleiben die zum Antrieb genutzten Elektrodenkämme, insbesondere auch bei großen Auslenkungen permanent verschränkt, so dass sich die bisher zum Teil dominierende Dämpfung an den Elektrodenkämmen nicht abrupt ändert. Somit werden diese nichtlinearen Einflüsse reduziert und die Abweichungen von der harmonischen Schwingungsform fallen an dieser Stelle geringer aus. Das bedeutet, der Aktuator kann als elektrostatischer Antrieb gebildet sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der elektrostatische Antrieb Interdigitalelektroden aufweisen, zwischen denen elektrische Felder erzeugt werden. Die Interdigitalelektroden können dabei so gebildet sein, dass sich die Elektroden entlang einer Verschränkungsrichtung, entlang derer die Interdigitalelektroden verschränkt sind, bewegen, so dass ein Eintauchen oder Austauchen der Interdigitalelektroden relativ zueinander verhindert werden kann, insbesondere, wenn die Bewegung des Aktuators in-plane angeordnet ist..
3e zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 30' gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die erste Getriebeseite 22a₁ und 22a₂ über eine Dreipunktverbindung mit dem Substrat 12 verbunden ist, wie es im Zusammenhang mit der 3a beschrieben ist. Eine laterale Aufhängung im Bereich der Aktuatorseite 28a₂ der Aktuatorseite 28a₁ kann dabei symmetrisch um Befestigungsachsen oder Befestigungsanker 25₁ und/oder 25₂ angeordnet sein, was eine hohe Stabilität ermöglicht. Die Befestigungsanker 25₁ und 25₂ können an der ersten Getriebeseite 22a₁ und 22a₂ befestigt oder angeordnet sein, so dass eine zweifache symmetrische Befestigung an dem Substrat 12 erfolgt, oder anders herum. Die zusätzliche Verbindung zum Einstellen der Symmetrie, wenn das MMS 30 vergleichsweise herangezogen wird kann unter Verwendung einer bevorzugt zur Biegefeder 24₂ bzw. 24₅ gleich bezüglich der Verformung und der Kräfte ausgebildeten Biegefeder 24'₂ bzw. 24'₅ erhalten werden.
3f zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 30' in einem unausgelenkten Referenzzustand entlang einer Schnittlinie B-B' der 3e.
3g zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 30' entlang der Schnittlinie B-B' in einem ausgelenkten Zustand.
4a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 40, das gegenüber dem MMS 20 dahin gehend modifiziert ist, dass der Abstand der Torsionsachse 34₄ zum Rand 36₁ und der Torsionsachse 34₁ zum Rand 36₂ geringer ist als der Abstand der Torsionsachsen 34₅ bzw. 34₂ , so dass der Aktuator als Druckkräfte erzeugender Aktuator betrieben werden kann.
4b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 40 in der Schnittlinie A-A' in einem Ruhezustand.
4c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 40 in einem ausgelenkten Zustand.
In anderen Worten zeigen die 4a bis 4c ein drehbar linearisierbar resonant-oszillierendes mikro-mechanisch-optisches Element (1D) in einer Draufsicht (4a), einer Seitenansicht der beweglichen Elemente in Ruhe (4b), einer Seitenansicht der beweglichen Elemente in einem ausgelenkten Zustand (4c). Das MMS 40 kann als eine symmetrische, zweiseitige Variante des MMS 10 verstanden werden. Beim MMS 10, das anders herum als einseitige, asymmetrische Variante des MMS 40 bezeichnet werden kann, können die Torsionsfedern ebenfalls vertauscht werden, um den Parameterraum zur Optimierung des Schwingungsverhaltens zu vergrößern, das bedeutet, um statt Zugkräften Druckkräfte einzusetzen und anders herum. Einige gezeigte Varianten können auch mit den eingangs beschriebenen klassisch resonanten betriebenen Elementen betrieben werden.
5a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 50, bei dem verglichen mit dem MMS 20 die zweiten Getriebeseiten 22b zweiteilig gebildet sind, so dass jeweils ein Teil 22b₁-1, 22b₁-2, 22b₂-1 und 22b₂-2 zwischen Torsionsfedern 32₁ und 32₃ , 32₂ und 32₄ , 32₇ und 32₉ bzw. 32₈ und 32₁₀ angeordnet ist. Anders ausgedrückt, können die zweiten Getriebeseiten auch mehrteilig realisiert werden, ohne dass eine direkte Verbindung zwischen den Einzelteilen 22b₁-1 bis 22b₂-2 besteht, sondern lediglich nur das bewegliche Element 14 gegeben ist.
5b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 50 in einem unausgelenkten Zustand, während 5c eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 50 in einem ausgelenkten Zustand zeigt.
6a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 60, bei dem die erste Getriebeseite 22a₁ bzw. 22a₂ verglichen mit dem MMS 20 zweiteilig ausgeführt ist, das bedeutet, zwischen den Biegefedern 242, und 24₄ sowie zwischen den Biegefedern 24₆ , und 24₈ kann die Rahmenstruktur der ersten Getriebeseite zumindest teilweise entfernt sein, so dass noch Segmente 22a₁-1, 22a₁-2, 22a₂-1 und 22a₂-2 angeordnet sind, um eine Bewegung des beweglichen Elements 14 erzeugen. Dies kann dazu führen, dass verglichen mit dem MMS 20 Aktuatoren an anderen Orten angeordnet werden, beispielsweise benachbart zu den verbleibenden Segmenten 22a₁-1 bis 22a₂-2.
Aktuatoren 26₁ bis 26₄ können ausgebildet sein, um die Segmente 22a₁-1 bis 22a₂-2 senkrecht zu einer Anordnungsrichtung der Aktuatoren anzuregen bzw. Kräfte F in x-Richtung einzubringen. Mögliche Ausführungsformen solcher Aktuatoren werden später näher beschrieben.
6b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 60 in der Schnittlinie A-A' in einem Ruhezustand.
6c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 60 in einem ausgelenkten Zustand.
In anderen Worten zeigen 5a bis 6c Varianten, bei denen jeweils der Getrieberahmen (zweite Getriebeseite) bzw. der Schubrahmen (erste Getriebeseite) nicht geschlossen sind. Eine Kombination der beiden Varianten mit zwei offenen Rahmen ist ebenfalls möglich.
7a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 70, das dem in der gezeigten Draufsicht dem MMS 20 entsprechen kann. Verglichen mit dem MMS 20 können die Biegefedern 24₁ bis 24₈ verglichen mit dem Substrat 12, den Torsionsfedern 32₁ bis 32₁₀ , der Getriebeseiten 22a₁ , 22a₂ , 22b₁ und/oder 22b₂ und/oder des beweglichen Elements 14 dünner entlang der z-Richtung ausgeführt sein, das bedeutet, eine Abmessung h₂ der Biegefedern 24_l kann geringer sein als eine Abmessung h₁ der anderen Elemente.
7b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 70 entlang der Schnittlinie A-A' in einem unausgelenkten Zustand.
7c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 70 in einem ausgelenkten Zustand.
In anderen Worten zeigen die 7a-7c eine Variante, bei der nur die Biegefedern 24_i gegenüber den restlichen Strukturen lokal abgedünnt sind, d. h., eine geringere Schichtdicke entlang der z-Richtung aufweisen, wobei alternative Ausführungsbeispiele auch dickere Strukturen, d. h., eine größere Abmessung entlang der z-Richtung vorsehen.
8a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 80, bei dem alternativ zum MMS 70 das MMS 20 dahin gehend modifiziert ist, dass die Torsionsfedern 32₁ bis 32₁₀ auf eine Höhe h₃ abgedünnt sind, die möglicherweise, aber nicht notwendigerweise der Höhe h₂ entsprechen kann. Während die Höhe h₁ beispielsweise in einem Bereich von zumindest 1 µm und höchstens 500 µm, zumindest 20 µm und höchstens 300 µm und zumindest 50 µm und höchstens 100 µm, beispielsweise 75 µm betragen kann, können die Höhen h2 und/oder h3 beispielsweise 50 %, 40 %, 30 % oder gar weniger hiervon betragen. Zu beachten ist, dass durch die Ausdünnung der Biegefedern 24 und/oder Torsionsfedern 32 eine Änderung in der Referenzebene bezüglich deren Anordnung entlang der z-Richtung erfolgen kann, da eine Position der neutralen Faser der jeweiligen Elemente ebenfalls verändert werden kann. Die Torsionsfedern 32₅ und 32₆ können beispielsweise in der Höhe h₁ verbleiben, können alternativ hierzu jedoch auch abgedünnt werden.
In anderen Worten zeigen die 8a bis 8c eine Variante, bei der nur die Torsionsfedern 32₁ bis 32₄ und 32₇ bis 32₁₀ gegenüber den restlichen Strukturen lokal abgedünnt sind.
9a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 90 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das in der gezeigten Draufsicht dem MMS 20 entspricht. Wie es in den schematischen Seitenschnittansichten der 9b und 9c, die das MMS 90 in einer Ruhelage bzw. in einer ausgelenkten Lage zeigen deutlich wird, sind beispielsweise die Blattfedern 24_i und die Torsionsfedern 32₁ bis 32₁₀ in auf die Höhe h₂ abgedünnt.
In anderen Worten zeigen die 9a bis 9c eine Variante, bei der alle Federn, die Blattfedern und die Torsionsfedern, gegenüber den restlichen Strukturen lokal abgedünnt sind. Das bedeutet, dass die Torsionsfederelemente entlang der Dickenrichtung z eine geringere Abmessung aufweisen können als die Getriebeseiten 22a und 22b.
10a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das gegenüber dem MMS 20 verändert ist. Zumindest eine Getriebeseite 22a₁ , 22b₁ , 22a₂ oder 22b₂ eines Getriebes kann eine mechanische Vorspannung aufweisen, so dass das bewegliche Element 14 auch in einer in 10b in einer schematischen Seitenschnittansicht dargestellten Ruhelage des MMS 100 aus der Referenzebene 16 zumindest teilweise herausbewegt ist. Das kann bedeuten, dass das bewegliche Element 14 in einer geneigten Referenzebene 16' angeordnet ist, die gegenüber der Referenzebene 16 geneigt ist. Obwohl die mechanische Vorspannung auch in beiden Getrieben unsymmetrisch angeordnet werden kann, kann eine asymmetrische Vorspannung zum Verkippen des beweglichen Elements vorteilhaft sein, insbesondere, wenn im späteren Betrieb des beweglichen Elements 14 eine Torsion desselben vorgesehen ist, beispielsweise um die Torsionsachse 34₃ . Dies liegt daran, dass beim Erzeugen einer Vibration oder Schwingung in dem beweglichen Element, wenn dieses in der Ruhelage ist und die Ruhelage nur geringe oder keine Unterschiede zur theoretischen Ruhelage parallel zur Referenzebene 16 aufweist, die Phase der erhaltenen Schwingung von äußeren Einflüssen wie einer Ruheschwingung oder dergleichen beeinflusst sein kann. Vereinfacht ausgedrückt, kann beim Anregen des beweglichen Elements eine hohe Ungenauigkeit darin bestehen, ob das bewegliche Element zuerst nach links oder zuerst nach rechts ausschlägt bzw. ob zuerst die eine Seite oder die andere Seite des beweglichen Elements entlang der positiven z-Richtung ausgelenkt wird. Durch die mechanische Vorspannung bzw. durch das Vorauslenken des beweglichen Elements kann diese Ungenauigkeit abgebaut werden.
Zum Erhalten der mechanischen Vorspannung können beispielsweise Vorspannungselemente 52₁ und/oder 52₂ vorgesehen sein, die zumindest bereichsweise an einem Teil der Getriebestruktur, beispielsweise der zweiten Getriebeseite 22b, angeordnet sind, etwa in den Segmenten 22b₁-1 und/oder 22b₁-2. Alternativ oder zusätzlich können weitere mechanische Vorspannungselemente an einer dem Betrachter in 10a abgewandten Seite des Getriebes 18₂ angeordnet sein.
Die Vorspannungselemente 52₁ und/oder 52₂ können mit der zweiten Getriebeseite 22b mechanisch fest verbunden sein und ausgebildet sein, um basierend auf einem gegenüber einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Materials der zweiten Getriebeseite 22b unterschiedlichen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Materials des Vorspannungselements 52₁ und/oder 52₂ die mechanische Vorspannung bereitzustellen. Hierfür kann beispielsweise bei einer Prozessierungstemperatur ein Siliziumoxidmaterial oder ein Siliziumnitridmaterial auf die Getriebeseite 22b abgeschieden werden, welche beispielsweise ein Siliziummaterial umfasst. Durch ein Abkühlen der Gesamtstruktur können sich die Materialien des mechanischen Vorspannungselements 52 und der Getriebeseite 22b unterschiedlich verformen oder zusammenziehen, so dass die mechanische Vorspannung induziert wird. Schichtstress kann beispielsweise durch Siliziumoxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (S₃N₄) aber auch durch Metalle, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, erzeugt werden. Vorteilhaft werden Materialien genutzt, die eine CMOS-Kompatibilität aufweisen, um die Vorspannungselemente, die auch als Stressoren bezeichnet werden können, zu erzeugen.
10c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 100 in einem ausgelenkten Zustand und entlang der Schnittlinie A-A'.
In anderen Worten zeigen die 10a bis 10c eine Variante mit mechanischen Vorspannungselementen, die eine leichte asymmetrische Vorauslenkung in der Ruhelage bewirken, um eine Auslenkung ohne vorheriges resonantes Anschwingen zu ermöglichen.
11a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das beispielsweise in Abwesenheit der Torsionsfedern 34₅ und 34₆ gebildet sein kann. Ungeachtet dessen kann durch Ansteuerung der Aktuatoren 18₁ und/oder 18₂ mit einer Frequenz, die einer Kippmode entspricht, eine Verkippung des beweglichen Elements 14 erhalten werden. Durch Ansteuern des beweglichen Elements 14 mit einer Frequenz, die der Resonanzfrequenz einer translatorischen Mode entspricht, kann alternativ oder zusätzlich auch eine translatorische Auslenkung des beweglichen Elements 14 in positiver oder negativer z-Richtung erhalten werden.
Ähnlich dem MMS 10 und/oder dem MMS 40 können die Aktuatoren 18₁ und 18₂ ausgebildet sein, um eine Druckkraft auf die jeweilige erste Getriebeseite 22a₁ und 22a₂ zu erzeugen. Gegenüber den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen können die zweiten Getriebeseiten 22b₁ , 22b₂ jedoch so gebildet sein, dass sie als Balkenstrukturen gebildet sind, die das bewegliche Element um zumindest 270° umschließen. Dies ermöglicht es, die jeweilige Getriebeanregung an der gegenüberliegenden Seite des beweglichen Elements einzubringen, verglichen mit der Seite, an der der Aktuator 18₁ oder 18₂ angeordnet ist.
11b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 110 in einer Ruhelage desselben.
11c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 110 in einem ausgelenkten Zustand desselben.
In anderen Worten zeigen die 11a bis 11c eine Variante ohne Torsionsfedern 32₅ und 32₆ , bei der die Kräfte auf der gegenüberliegenden Seite des Elements 14 wirken.
12a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das die einer modifizierten Variante des MMS 20 entsprechen kann, indem beispielsweise die Torsionsfedern 32₅ und 32₆ entfernt wurden.
Abgesehen hiervon kann das MMS 120 dem MMS 20 entsprechen. Eine Ausgestaltung des MMS 120 ohne Torsionsfedern ermöglicht es, sowohl eine Mode zum rotatorischen Auslenken des beweglichen Elements 14 aus der in der 12b dargestellten Ruhelage anzuregen, wie es in der 12c dargestellt ist, und ermöglicht es ferner, durch Anregen einer hiervon verschiedenen Mode, eine translatorische Auslenkung des beweglichen Elements 14 zu erhalten. Gleichzeitig geht hiermit jedoch das Erfordernis einher, die entsprechenden Ansteuerfrequenzen exakt voneinander zu trennen, um lediglich eine der beiden Bewegungen anzuregen, sofern gewünscht. Durch Anordnen der Torsionsfedern 32₅ und 32₆ kann die translatorische Auslenkung unterdrückt werden, so dass eine einfache Ansteuerung erhalten werden kann.
13a zeigt eine schematische Draufsicht auf das MMS 120 aus 12a, so dass sich die 13a und 12a gleichen.
13b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 120, wie es auch in der 12b dargestellt ist.
Die 13c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 120 bei einer Anregung desselben in einer Frequenz, die eine translatorische Auslenkung des beweglichen Elements entlang der positiven und/oder negativen z-Richtung ermöglicht. Verglichen mit der 12c können die zweiten Getriebeseiten 22b₁ und 22b₂ gleichphasig ausgelenkt werden, während in der 12c eine gegenphasige Auslenkung zu einer Verkippung des beweglichen Elements 14 führt.
In anderen Worten lässt sich die Struktur aus den 12a-12c unter Nutzung einer anderen Schwingungsmode auch im Translationsmodus betreiben, der in den 13a-c dargestellt ist.
14a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 140, das gegenüber dem MMS 120 eine vertauschte Anordnung der Torsionsachsen 34₁ und 34₂ sowie 34₄ und 34₅ aufweist, so dass Druckkraft-basierte Aktuatoren 18a und 18b eingesetzt werden können.
14b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 140 in einer Ruhelage desselben.
14c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 140 in einem ausgelenkten Zustand, bei dem das bewegliche Element 14 entlang der positive z-Achse translatorisch bewegt ist.
In anderen Worten zeigen die 14a-14c die Struktur aus 13a-13c mit vertauschten Torsionsachsen 34.
15 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 150 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem an vier Seiten eine Getriebestruktur 18 und ein Aktuator 26 angeordnet ist, wobei jeweils zwei Getriebestrukturen und Aktuatoren 18₁/26₁ und 18₃/26₃ bzw. 18₂/26₂ und 18₄/26₄ gegenüberliegend angeordnet sein können. Das bedeutet, eine gegenüberliegende Anordnung, wie sie beispielsweise in den 14a bis 14c dargestellt ist, kann um 90° gespiegelt erneut ausgeführt sein. Vorteilhaft an einer dreifach, vierfach oder höherwertigen Anordnung ist eine gute Modentrennung, das bedeutet, die Resonanzfrequenzen unterschiedlicher Moden weisen einen hohen Abstand zueinander auf.
Die Vierfachaufhängung ermöglicht eine zumindest teilweise Vermeidung von rotatorischen Bewegungen des beweglichen Elementes 14 und eine gut von Rotationen getrennte Translationsbewegung. Würde das bewegliche Element so angesteuert, dass eine Translation desselben entlang der positiven oder negativen z-Richtung erfolgt, so kann eine höhere Anzahl von Getriebestrukturen 18 und/oder Aktuatoren 26 eine Bewegung mit einer großen Kraft, einem großen Hub bzw. Stellweg und/oder eine hohe Gleichförmigkeit der Bewegung bereitstellen.
In anderen Worten zeigt 15 die Struktur aus den 13a-14c mit vierfacher Aufhängung. Es wird darauf hingewiesen, dass auch eine andere Anzahl von Aufhängungen (Getrieben) und/oder Aktuatoren verwendet werden kann, beispielsweise 1, 2, 3, 5 oder mehr. 16 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein MMS 160, das auf dem MMS 140 basieren kann und ebenfalls eine beispielhafte Vierfachaufhängung aufweist. Im Gegensatz zum MMS 150 können die Aktuatoren 26₁ bis 26₄ ausgebildet sein, um eine Druckkraft zu erzeugen. Obwohl das MMS 150 so beschrieben ist, dass die vier Aktuatoren ausgebildet sind, um eine Zugkraft zu erzeugen und das MMS 160 so beschrieben ist, dass die vier Aktuatoren ausgebildet sind, um eine Druckkraft zu erzeugen, wird darauf hingewiesen, dass auch Mischformen existieren können.
In anderen Worten zeigt 16 die Struktur aus den 14a-14c mit vierfacher Aufhängung, wobei auch eine dreifache oder mehrfache Aufhängung möglich ist.
17a zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt eines MMS 170, bei dem zwischen die erste Getriebeseite 22a und eine zweite Getriebeseite 22b weitere Balkenelemente 54a-54c gekoppelt sind, so dass insgesamt eine Pantographenstruktur gekoppelt ist, also eine Hebelstruktur bzw. ein Hebelmechanismus, der konfiguriert ist, um einen Hub des Getriebes zu vergrößern.
17b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 170 in einem ausgelenkten Zustand, wobei der ausgelenkte Zustand durch eine translatorische Verschiebung des beweglichen Elements 14 entlang der positiven z-Richtung gekennzeichnet ist. Es versteht sich, dass im Vergleich zu einer zweiten Aufhängung, eine bevorzugt vierfache oder mehrfache Aufhängung die Stabilität des Systems erhöht.. Die Gesamtstruktur umfassend die erste Getriebeseite 22a, die zweite Getriebeseite 22b sowie die zwischengeordneten Balkenstrukturen 54a, 54b und 54c kann als mehrstufiges Scherengetriebe gebildet sein.
Obwohl der Hebelmechanismus in 17a drei Balkenstrukturen 54a, 54b und 54c umfasst, können auch beliebige andere Hebelstrukturen implementiert werden, die eine gleiche oder auch eine andere Anzahl von Balkenstrukturen aufweisen, die sich an jeweils geeigneten Stellen am Substrat, an der ersten Getriebeseite 22a, an der zweiten Getriebeseite 22b oder aneinander abstützen.
18a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MMS 180, bei dem zwischen die erste Getriebeseite 22a und die zweite Getriebeseite 22b Balkenstrukturen 54a und 54b angeordnet sind, die als Pantographenfeder wirken, was ebenfalls eine Erhöhung des Hubs des Getriebes ermöglicht.
18b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 180 in einem ausgelenkten Zustand des beweglichen Elements 14, wobei auch hier die beispielhaft als translatorische Verschiebung des beweglichen Elements 14 gewählte Darstellung durch die Auslenkung oder Aktuierung anderer Aufhängungen beeinflusst sein kann.
In anderen Worten zeigen 17a-b und 18a-b zwei weitere Varianten der in den 13a-c und 14a-c gezeigten Aufhängungen einer translatorisch betriebenen Struktur.
19a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein mikromechanisches System 190 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine mikromechanische Struktur gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen, beispielsweise ein MMS 20₁ , das dem MMS 20 entsprechen kann, als bewegliches Element eines weiteren MMS 20₂ angeordnet ist, das beispielsweise ebenfalls dem MMS 20₂ entsprechen kann. Eine Anordnung der Torsionsachsen 34₃-1 und 34₃-2 des als beweglichen Elements aufgehängten inneren MMS 20₁ und des äußeren MMS 20₂ können hierbei gleich sein, aber auch, wie dargestellt, um einen Winkel, etwa 90°, zueinander verschoben sein, so dass über eine Verkippung des beweglichen Elements 14 des MMS 20₁ eine Verkippung desselben entlang einer ersten Dimension, beispielsweise um die x-Achse, und durch eine Verkippung des MMS 20₁ um eine zweite Achse, beispielsweise die y-Achse eine zweite Dimension der Verkippung des beweglichen Elements 14 erhalten werden kann.
19b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des mikromechanischen Systems 190 in einer Ruhelage desselben, bei dem sämtliche Elemente innerhalb der Ebene 16 angeordnet sind.
19c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des mikromechanisches Systems 190 in einem ausgelenkten Zustand des MMS 20₁ gegenüber dem MMS 20₂ .
In anderen Worten zeigen die 19a-c die Struktur aus den 2a-2c in einer 2D-Variante, bei der die Auslenkung orthogonal zueinander erfolgen kann.
20a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein mikromechanisches System 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ebenfalls das MMS 20₁ aufweist, das als bewegliches Element des MMS 20₂ aufgehängt ist. Die Torsionsachsen 34₃-1 und 34₃-2 können jedoch parallel und sogar deckungsgleich sein, was eine Vergrößerung der Auslenkwinkel des beweglichen Elements 14 des MMS 20₁ ermöglicht, da das bewegliche Element 1 als Teil des MMS 20₁ in dem MMS 20₂ ausgelenkt werden kann und innerhalb des MMS 20₁ zusätzlich ausgelenkt werden kann. Ferner können die unterschiedlichen MMS unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, so dass die mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden können und unterschiedliche Arbeitspunkte aufweisen können.
20b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des mikromechanischen Systems 200 in einer Ruhelage desselben, bei dem alle Elemente innerhalb der Ebene 16 angeordnet sind.
20c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des mikromechanischen Systems 200 in einem ausgelenkten Zustand des MMS 20₁ gegenüber dem MMS 20₂ .
In anderen Worten zeigen die 20a-20c die Struktur aus den 2a-2c in einer 2D-Variante, bei der die Auslenkung koaxial erfolgt.
Obwohl die mikromechanischen Systeme 190 und 200 so beschrieben sind, dass das MMS 20₁ sowohl als inneres als auch auf äußeres MMS angeordnet ist, sind beliebige Kombinationen von MMS gemäß hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich, wobei jedes MMS als inneres und jedes MMS als äußeres MMS genutzt werden kann. Obwohl die mikromechanischen Strukturen 190 und 200 so beschrieben sind, dass zwei MMS angeordnet sind und eine Verschachtelung zueinander bilden, kann auch eine beliebige andere Anzahl von MMS in mikromechanischen Systemen angeordnet sein, beispielsweise mehr als 2, mehr als 3, mehr als 4 oder mehr als 5 oder auch eine höhere Anzahl.
21a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein mikromechanisches System 210, bei dem das MMS 20 als bewegliches Element eines MMS 120 angeordnet ist.
21b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des mikromechanischen Systems 210 in einem unausgelenkten Zustand desselben, bei dem alle Elemente in der Referenzebene 16 angeordnet sind.
21c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des mikromechanischen Systems 210 in einem ausgelenkten Zustand der mikromechanischen Struktur 20 gegenüber dem MMS 120. Das MMS 120 ist beispielsweise konfiguriert, um das MMS 20 entlang der z-Richtung translatorisch zu verschieben, was beispielsweise dafür nutzbar ist, um eine Weglänge der Rotationsachse des beweglichen Elements 14 zu justieren. Eine vergleichsweise breite Struktur des Substrats des inneren MMS zur Aufnahme großer Kräfte ermöglicht eine Stütze der inneren Getriebe.
In anderen Worten zeigen die 21a-21c die Struktur aus den 13a-13c und den 2a-2c kombiniert als 2d-Variante, wobei auch eine Drehung um 90° möglich ist.
22a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein mikromechanisches System 220, das invers zu dem mikromechanischen System 210 gebildet ist und bei dem das MMS 120 als bewegliches Element des MMS 20 angeordnet ist.
22b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des mikromechanischen Systems 220 in einer Ruhelage.
22c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des mikromechanischen Systems 220, bei dem das MMS 120 gegenüber dem MMS 20 ausgelenkt ist.
In anderen Worten zeigen die 22a-22c die Strukturen aus den 2a-2c und den 13a-13c kombiniert als 2D-Variante, wobei auch eine Drehung der beiden Elemente um 90° zueinander möglich ist.
Anhand der 23a-23c wird nun auf beispielhafte Ausgestaltungen von Aktuatoren 26a, 26b und 26c eingegangen, die als Aktuatoren in den vorangehend beschriebenen MMS und mikromechanischen Systemen eingesetzt werden können.
23a zeigt eine schematische Draufsicht auf den Aktuator 26a, bei dem Isolatoren 56₁ bis 56₄ angeordnet sind, um einzelne Abschnitte des Substrats 12 elektrisch von anderen zu isolieren, so dass dort angeordnete Elektroden 58₁ bis 58₆ elektrisch von anderen Elektroden 58₁ bis 58₆ elektrisch isoliert sind. Zwischen jeweils zwei gegenüberliegenden Elektroden 58₁ bis 58₂ , 58₃ und 58₄ , 58₅ und 58₆ können in elektrischen Kraftquellen 62, beispielsweise, elektrische Felder erzeugt werden, die zu einer Bewegung 64 führen können, die beispielsweise auf die erste Getriebeseite 22a übertragen werden kann. Wie es in 23a dargestellt ist, kann eine Richtung der Kraftquellen 62 und eine Richtung der Bewegung 64 parallel zueinander sein.
In anderen Worten zeigt 23a einen frontalen kapazitiven Antrieb in Push-Pull-Anordnung.
23b zeigt eine schematische Draufsicht auf den Aktuator 26b, dessen Elektroden 58 parallel zu der Bewegungsrichtung 64 angeordnet sind, das bedeutet, die Kraft wird parallel hierzu erzeugt. Der Aktuator kann eine Anzahl von Abschnitten 66 aufweisen, beispielsweise vier, wobei die Struktur des Aktuators 26b anhand der Abschnitte 66₁ und 66₂ näher erläutert wird. Die Abschnitte 66₃ und 66₄ können in vergleichbarer Weise gebildet sein. Die Elektroden 58₁ bis 58₂₄ können beispielsweise als Interdigitalelektroden gebildet sein, die sich in-plane zueinander entlang der Bewegungsrichtung 64 bewegen, wenn ein elektrisches Feld an die Elektroden 58₁ bis 58₂₄ angelegt wird. Die Interdigitalelektroden können beispielsweise nebeneinander entlang einer Richtung senkrecht zu einer Kraftrichtung, die parallel zu der Bewegung 64 liegt, angeordnet sein. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass der Auftritt eines mechanischen Anschlagens (Pull-in Effekt) reduziert oder verhindert werden kann, da ein Abstand der Elektroden zueinander entlang einer Oberflächennormalen derselben unverändert bleiben kann, während beispielsweise im Aktuator 26a ein Abstand zwischen den Elektroden 58₁ bis 58₆ veränderlich ist.
In anderen Worten zeigt 23b einen frontalen kapazitiven Antrieb mit Elektrodenkamm in Push-Pull-Anordnung.
Während das MMS 20 beispielsweise in einer frontalen „Pull“-Variante implementiert ist, können auch frontale „Push-Pull“-Varianten, wie sie beispielsweise in den 23a und 23b gezeigt sind, implementiert werden, ebenso wie in einer entsprechenden anderen Variante, die in 23C dargestellt ist.
23c zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Aktuator 26c, bei dem die Elektroden an einem beliebigen Ort mit der ersten Getriebeseite 22a verbunden sind und benachbart zu Elektroden 58₁ und 58₄ , die mit dem Substrat 12 verbunden sind, angeordnet sind, um die Bewegung der ersten Getriebeseite 22a entlang der Bewegungsrichtung 64 zu ermöglichen.
Prinzipiell können beliebige andere Konfigurationen vor elektrostatischen Aktuatoren in hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen eingesetzt werden. Alternativ zusätzlich hierzu sind auch andere Aktuatorprinzipien realisierbar, beispielsweise piezoelektrisch, thermisch oder dergleichen.
Den Aktuatoren 26_a bis 26_c ist gemeinsam, dass der Aktuator eine Elektrodenstruktur umfasst, die sich an dem Substrat abstützt, beispielsweise die Elektroden 58₁ , 58₃ und 58₆ des Aktuators 26a, die Elektroden 58₁ , 58₄ , 58₅ , 58₈ , 58₉ und 58₁₂ des Aktuators 26b oder die Elektroden 58₁ und 58₄ des Aktuators 26c. Eine der anderen Elektrodenstruktur stützt sich an der ersten Getriebeseite ab, wobei der Aktuator ausgebildet ist, um die Kraft zum Erzeugen der Bewegung 64 zwischen den Elektrodenstrukturen bereitzustellen.
In anderen Worten zeigt 23c einen lateralen kapazitiven Antrieb mit Elektrodenkamm in Push-Pull-Anordnung bzw. einen Ausschnitt hiervon. Es wird angemerkt, dass sämtliche Anordnungen der 23a-23c auch in Serie mehrfach hintereinander angeordnet werden können und/oder eine beliebige Anzahl von Elektroden aufweisen können.
Anhand der 24a-24c werden vorteilhafte Ausführungen von Interdigitalelektroden beschrieben. Unter erneuter Bezugnahme auf die 23a-23c wird darauf hingewiesen, dass die Anordnung von Elektrodenstrukturen, beispielsweise metallische Beschichtungen, nicht dahin gehend einschränkend wirkt, dass die elektrischen Felder nur an diesen Orten erzeugt werden können. Vielmehr können Bereiche der Getriebestruktur oder der Getriebeseiten und/oder Bereiche des Substrats 12 elektrisch leitfähig sein, so dass der jeweilige Bereich als Elektrode wirken kann.
Dies ist in den 24a-24c dargestellt, in denen 58₁ bis 58₇ jeweils als Finger ausgebildet sind und gemeinsam auf ein elektrisches Potenzial gebracht werden können.
24a zeigt dabei eine schematische Draufsicht auf eine Elektrodenstruktur 68a, bei der mit dem Substrat 12 verbundene Elektroden 58₁ , 58₃ , 58₅ und 58₇ mit einer konstanten Abmessung entlang der y-Richtung gebildet sind, ebenso wie Elektroden 58₂ , 58₄ und 58₆ , die mit der ersten Getriebeseite 22a verbunden sind. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den Elektrodenstrukturen kann eine Kraft zwischen den Elektroden und mithin die Bewegung 64 erhalten werden.
In andern Worten zeigt 24a eine Anordnung frontaler kapazitiver Standard-Elektroden.
24b zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Elektrodenanordnung 68b, bei der die Elektroden 58₁ bis 58₇ entlang der x-Richtung, das bedeutet, der Bewegungsrichtung 64, ein gestuftes Profil aufweisen, das bedeutet, eine sich diskontinuierlich verändernde Abmessung entlang der y-Richtung. Bei einer Aktuierung bewegt sich die erste Getriebeseite 22a beispielsweise entlang der positiven x-Richtung. Dabei können Abschnitte 72₁ bis 72₃ der Elektroden 58₂ , 58₄ und 58₆ in Bereiche 74₁ bis 74₃ eintauchen, die basierend auf breiten Elektroden 58₁ , 58₃ , 58₅ und 58₇ schmal gebildet sind, das bedeutet, schmale Gräben bilden. Dadurch wird an diesen Orten ein Abstand zwischen den Elektroden 58₁ bis 58₇ reduziert, was eine hohe Kraftwirkung ermöglicht, sobald die Abschnitte 72₁ bis 72₃ in die schmalen Gräben 74₁ bis 74₃ eintauchen.
Im Gegensatz zur Standard-Variante eines Elektrodenkamms, der in 24a gezeigt ist, können zur Vergrößerung der Antriebskapazität die Tauchgräben in denen die Elektroden bei lateraler Bewegung eintauchen schmaler ausfallen, wie es in 24b gezeigt ist, so dass die effektive Kapazität statt z. B. von 4 µm breiten Gräben von 3 µm, 2µm oder sogar nur 1 µm breiten Gräben gebildet wird. Dies kann zu einer signifikanten Steigerung der nutzbaren Energie führen.
In anderen Worten zeigt 24b eine Anordnung frontaler kapazitiver Elektroden mit schmalen Tauchgräben zur Kapazitätsvergrößerung.
Außerdem können die Elektroden konisch ausfallen, wie es in 24c gezeigt ist, so dass sich der Grabenabstand bei lateraler Bewegung der Kämme verringert und somit auch die nutzbare Kapazität und damit die Energie noch zusätzlich steigern lässt. Eine Kombination der Varianten ist ebenfalls möglich. 24c zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung 68c, bei der die Elektroden 58₁ bis 58₇ konisch gebildet sind, das bedeutet, eine kontinuierlich veränderliche Abmessung entlang der x-Richtung aufweisen, so dass der Abstand zwischen den Elektroden bei einer Bewegung 64 entlang der positiven x-Richtung kontinuierlich abnimmt, während er in 24b diskontinuierlich abnimmt.
In anderen Worten zeigt 24c eine Anordnung frontaler kapazitiver Elektroden mit konischer Form zur erweiterten Kapazitätsvergrößerung.
Die beschriebenen Anordnungen 68a und 68b und 68c können in beliebiger Art und Weise mit den hierin beschriebenen Aktuatoren kombiniert werden.
Für den statischen Zustand ergibt das folgendes Energiegleichgewicht: Die z. B. durch einen elektrostatischen Kammantrieb in das System eingebrachte Energie geht in eine in diesem Fall gewünschte Rotation φ und eine ungewünschte Verschiebung x der Federn über, was sich darstellen lässt als $\frac{1}{2} C U^{2} \Rightarrow \frac{1}{2} τ φ^{2} + \frac{1}{2} k x^{2}$
Allgemein kann für die Torsionsfedern eine Struktur verwendet werden, die für die gewünschte Rotation einen minimalen und gleichzeitig für die parasitäre Translation in der Ebene orthogonal zur Rotationsachse einen maximalen Widerstand zeigt.
Die 25a bis 25c zeigen eine schematische Draufsicht auf eine Torsionsfederanordnung 76 umfassend zwei oder mehr Torsionsfedern 32, die an der Stelle einfacher Torsionsfedern angeordnet werden können. Also zeigt die 25a eine Anordnung der Torsionsfederanordnung 76 anstelle der Torsionsfeder 32₆ des MMS 10. 25b zeigt eine Anordnung der Torsionsfederanordnung 76 anstelle der Torsionsfeder 32₂ des MMS 10. 25c zeigt eine Anordnung der Torsionsfederanordnung 76 anstelle der Torsionsfeder 32₄ des MMS10, wobei die Torsionsfederanordnung 76 auch beliebige andere Torsionsfedern hierin beschriebener MMS oder mikromechanischer Strukturen ersetzen kann.
Ein Öffnungswinkel β zwischen den jeweils schräg angeordneten Torsionsfederelementen kann beispielsweise einen Wert von zumindest 2° und höchstens 45°, zumindest 10° und höchstens 30° oder zumindest 12° und höchstens 25°, beispielsweise 15° betragen. Die Torsionsfederanordnung 76 umfasst zumindest ein erstes Torsionsfederelement 32₆-1, 32₂-1 bzw. 32₄-1 und ein zweites Torsionsfederelement 32₆-2, 32₂-2 bzw. 32₄-2, die V-förmig geneigt zueinander angeordnet sind, wobei bevorzugt beide Torsionsfederelemente in einem Winkel zu einer Oberflächennormalen beider benachbarter struktureller Elemente angeordnet sind.
In anderen Worten zeigen die 25a-25c drei V-Varianten einer Torsionsfeder zur Erhöhung der lateralen Steifigkeit. Lateral bedeutet im Zusammenhang mit hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen entlang der Bewegungsrichtung 64.
26 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Biegefederanordnung 78, umfassend zumindest zwei Biegefedern 24₁ und 24₂ , die geneigt zu einer Oberflächennormalen 82 des Substrats 12 und/oder der ersten Getriebeseite 22a angeordnet sind. Die Biegefederanordnung 78 kann entlang der Bewegungsrichtung 64 bistabil sein, was beispielsweise durch die geneigte Anordnung bezüglich der Oberflächennormalen 82 des Substrats 12 oder alternativ der ersten Getriebeseite 22a erhalten werden kann. Bevorzugt sind die Biegefedern 24₁ und 24₂ parallel zueinander angeordnet, so dass Neigungswinkel γ₁ und γ₂ gegenüber der Oberflächennormalen 82 gleich sein können. Die Neigungswinkel können ein Winkel von zumindest 1° und höchstens 30°, zumindest 5° und höchstens 20° oder zumindest 10° und höchstens 15° aufweisen.
Dies ermöglicht eine zusätzliche Versteifung der Biegefedern aus den zuvor beschriebenen MEMS entlang der Bewegungsrichtung 64.
Die Biegefederanordnung 78 kann anstelle einer jeder Biegefeder der hierin beschriebenen MMS angeordnet werden.
In anderen Worten zeigt 26 eine Spezialform einer Biegefeder/ Biegefederanordnung für eine bistabile Positionierung des Schubrahmens, das bedeutet, der ersten Getriebeseite 22a.
Die 27a-27d zeigen schematische Ausführungsbeispiele von Torsionsfedern 32' bzw. 32", die an beliebigen Orten der hierin beschriebenen MMS eingesetzt werden können. So zeigt 27a beispielsweise eine Anordnung der Torsionsfeder 32' zwischen dem beweglichen Element 14 und dem Substrat 12. 27b zeigt die Anordnung der Torsionsfeder 32' zwischen dem beweglichen Element 12 und der zweiten Getriebeseite 22b. 27c zeigt die Anordnung der Torsionsfeder 32' zwischen der ersten Getriebeseite 22a und der zweiten Getriebeseite 22b.
Die Torsionsfeder 32' ist als X-förmige Feder gebildet, das bedeutet, an beiden Strukturen, beispielsweise das bewegliche Element 14 und das Substrat 12, sind zwei Anbringungsbereiche vorhanden, wobei Einzelfederelemente einander überkreuzen, um die X-Form bereitzustellen. Hierbei sei angemerkt, dass die Torsionsfederelemente 32' bevorzugt einstückig gebildet sind. Die Torsionsfederelemente 32' ermöglichen eine Erhöhung der lateralen Steifigkeit entlang der Bewegungsrichtung 64, beispielsweise parallel zur x-Richtung.
27d zeigt eine schematische Draufsicht auf die Torsionsfeder 32", die beispielhaft zwischen die erste Getriebeseite 22a und die zweite Getriebeseite 22b gekoppelt ist, wobei sie auch an einer beliebigen anderen Stelle positioniert sein kann. Gegenüber den Torsionsfedern 32' weist die Torsionsfeder 32" eine entlang eines axialen Verlaufs von der ersten Getriebeseite 22a zur zweiten Getriebeseite 22b, beispielsweise diagonal entlang einer x/y-Richtung eine veränderliche Abmessung 84 auf, die beispielhaft, jedoch ohne einschränkende Wirkung als Breite bezeichnet werden kann. Dies ermöglicht eine lokale Reduzierung der Breite der Torsionsfeder 32", beispielsweise in einem Mittenbereich 86, um dort eine hohe Elastizität bzw. geringe Torsionssteifigkeit zu erhalten. Gleichzeitig kann die hohe laterale Steifigkeit beibehalten werden.
In anderen Worten zeigt 25 V-Varianten der Torsionsfedern, die den im Zusammenhang mit der in 24a-24c erläuterten Querkräften in höherem Umfang widerstehen können. In 26 ist zusätzlich eine Variante der Biegefedern gezeigt, die eine bistabile Arretierung des Schubrahmens ermöglicht, ähnlich einem Knackfrosch-Effekt. Statt einer V-Feder kann auch eine X-Feder benutzt werden, die beispielsweise in den 27a-d gezeigt ist. Derartige X-Varianten der Torsionsfedern weisen eine hohe Widerstandskraft bezüglich Querkräfte auf. Auch bietet sich eine Optimierung des Profils der Strukturen an, wie es beispielsweise aus dem Bereich der Windräder übernommen werden kann, wie es beispielsweise in 27d gezeigt ist. Eine weitere Form der Torsionsfedern mit deutlich höherem Widerstandselement gegenüber lateraler Verschiebung ist in den 28a-28d gezeigt, wobei die 28d jedenfalls eine Optimierung des Profilverlaufs der Strukturen zeigt.
28a bis 28d zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Torsionsfedern. So kann anstelle von einzelnen Torsionsfedern 32 oder 32' bzw. 32" auch eine Torsionsfederelementanordnung 88 angeordnet werden, die zwei, aber auch eine höhere Anzahl von Torsionsfedern umfasst. Beispielsweise umfasst die Torsionsfeder 32₁'" und 32₂'", die jeweils entlang eines axialen Verlaufs und einer ersten Struktur 14 bzw. 22a zu einer zweiten Struktur 12 bzw. 22b einen geknickten Verlauf aufweisen, das bedeutet, sie laufen unter einem Winkel zum Mittelpunkt der Feder zu. Die Torsionsfeder 32₁'" kann an einem ersten Koppelort 92₁ mit dem beweglichen Element 14 gekoppelt sein, wie es in den 28a und 28b dargestellt ist, kann jedoch auch mit der zweiten Getriebeseite 22a gekoppelt sein, wie es in 28c dargestellt ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine derartige Torsionsfeder, genauso wie die Torsionsfedern 32, 32' oder 32₁" auch an weiteren Balkenstrukturen, etwa den Balkenstrukturen 54 angeordnet sein. Die Torsionsfeder 32₂'" kann in ähnlicher Weise zwischen Koppelorte 92₃ und 92₄ angeordnet sein, wobei der Koppelort 92₃ an derselben Struktur angeordnet sein kann, wie der Koppelort 92₁ und wobei der Koppelort 92₄ an der gleichen Struktur angeordnet sein kann, wie der Koppelort 92₂ .
Zwischen den Koppelorten oder Bereichen 92₁ und 92₃ kann ein Abstand 94a angeordnet sein, der im axialen Verlauf der Torsionsfederelemente 32₁'" und 32₂'" auf einen Abstand 94b verringert wird, der beispielsweise zumindest 1 µm, zumindest 4µm und zumindest 8 µm beträgt, höchstens jedoch die Hälfte des Abstands 94a beträgt, der beispielsweise einen Wert von 500 µm, 200 µm oder 50 µm betragen kann. Das bedeutet, dass die Torsionsfederelementanordnung 88 ein erstes und ein zweites Torsionsfederelement 32'" aufweisen kann, die jeweils entlang eines axialen Verlaufs geknickt sind und so zueinander angeordnet sind, dass ein erster Abstand 94a zwischen den ersten Koppelorten 92₁ und 92₃ und ein zweiter Abstand zwischen den zweiten Koppelort 92₂ und 92₄ größer ist als ein minimaler Abstand zwischen den Torsionsfederelementen entlang des axialen Verlaufs, das bedeutet, der Abstand 94b. Es wird darauf hingewiesen, dass der Abstand zwischen den Koppelorten 92₂ und 92₄ gleich sein kann wie der Abstand 94a, jedoch auch ein anderer Wert implementiert werden kann.
28d zeigt eine schematische Draufsicht auf die Torsionsfederelementanordnung 88, bei der Torsionsfedern 32₁"" und 32₂"" ähnlich gebildet sein können, wie die Federelementanordnung 88 der 28a bis 28c, wobei die Torsionsfedern 32₁"" und 32₂"" zusätzlich die veränderliche Abmessung 84 entlang der x-Richtung (je nach Orientierung alternativ die y-Richtung) aufweisen, die es im Zusammenhang mit der Torsionsfeder 32" beschrieben ist.
Über den gesamten axialen Verlauf können die Torsionsfederelemente der 28a-d berührungsfrei angeordnet sein, d. h., sie sind über den gesamten axialen Verlauf ohne direkten mechanischen Kontakt, bevorzugt auch während der ausgeführten Torsion.
In anderen Worten zeigen die 28a bis 28d X-Spalte-Varianten einer Torsionsfeder zur Erhöhung der lateralen Steifigkeit.
In vorangehenden Ausführungsbeispielen wurden MMS so beschrieben, dass diese unterschiedliche Strukturen oder Strukturelemente umfassen, beispielsweise das Substrat 12, das bewegliche Element 14, die erste Getriebeseite 22a und die zweite Getriebeseite 22b. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Element aus demselben Schichtstapel hergestellt werden können, insbesondere durch Ätzprozesse eines CMOS-Prozesses. Dies ermöglicht, dass einige, manche oder alle der Elemente zumindest teilweise einstückig gebildet sind, das bedeutet, dass zumindest ein Teil des Substrats 12, zumindest ein Teil der Getriebestruktur 18 und zumindest ein Teil des beweglichen Elements 14 einstückig gebildet sein können.
29 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 290 gemäß einem Ausführungsbeispiel, die beispielsweise das MMS 10 umfasst und die ferner eine Ansteuereinrichtung 96 umfasst, die mit dem MMS 10 gekoppelt ist. Alternativ oder zusätzlich kann ein beliebiges anderes hierin beschriebenes MMS oder ein mikromechanisches System angeordnet sein und mit der Ansteuereinrichtung 96 gekoppelt sein. Die Ansteuereinrichtung 96 ist konfiguriert, um den Aktuator des MMS 10 anzusteuern. Die Ansteuereinrichtung kann dabei ausgebildet sein, um zum Einstellen einer Schwingung (Rotation und/oder translatorische Bewegung des beweglichen Elements des MMS 10 eine abnehmende oder zunehmende Ansteuerfrequenz anzulegen. Weist das MMS 10 beispielsweise für den gebildeten Betriebsmodus eine bestimmte Resonanzfrequenz auf, mittels derer der Betriebsmodus eingestellt werden kann, so kann die Ansteuereinrichtung 96 ausgebildet sein, um eine höhere Frequenz einzustellen und an das MMS 10 bzw. den Aktuator anzulegen. Die Ansteuereinrichtung 96 kann ausgebildet sein, um die Frequenz eines Ansteuersignals 98, das dem Aktuator bereitgestellt wird, in einer Vielzahl von Schritten zu reduzieren, bis die Zielfrequenz erreicht ist. Alternativ kann die Ansteuereinrichtung eine kleinere oder geringere Frequenz anlegen als die Resonanzfrequenz und dann die Frequenz erhöhen. Beides ermöglicht, dass durch die Frequenz außerhalb der Resonanzfrequenz bereits eine Grundschwingung angeregt werden kann, auch wenn diese noch nicht resonant ist. Diese Grundschwingung kann dann Schritt-für-Schritt in die resonante Schwingung gezogen werden. Die Ansteuereinrichtung 96 kann ausgebildet sein, um das MMS oder mikromechanische System zu betreiben. Ein Betrieb eines derartigen Systems kann beispielsweise wie folgt erfolgen.
Als Beispiel wird auf die 33 und die 34 erneut eingegangen. Beispielhaft ist hier ein System gezeigt, dessen parametrische Resonanz f₃ in etwa dem Doppelten der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems entspricht und das beispielhaft mit höheren Frequenzen angeregt werden kann. Alternative Systeme können mit geringeren Frequenzen angeregt werden, was qualitativ die Kurve zwischen f₃ und f₁ an f₃ spiegeln kann. Für die anfängliche Anregung aus der Ruhelage wird bspw. eine Startfrequenz größer der Frequenz f₂ gewählt, so dass f₁ eine maximale Startfrequenz und f₂ eine minimale Frequenz ist, bei der eine gute Energieaufnahme zum Start des schwingfähigen Systems möglich ist. In dem oberhalb f₂ (alternativ unterhalb) angeordneten Frequenzbereich zwischen f₁ und f₂ startet ein Frequenzsweep d. h., eine Frequenzvariation, mit den beschriebenen Frequenzschritten die mechanische Schwingung, und wird fortgesetzt bis das System bei Erreichen der Frequenz f₃ , zumindest innerhalb eines Toleranzbereichs, die maximale Schwingungsamplitude erreicht, wofür das Signal gemäß 33 gewählt werden kann, um das bewegliche Element zwei mal pro mechanischer Schwingung zu beschleunigen.
Das bewegliche Strukturelement kann durch Anlegen des Ansteuersignals mit der Startfrequenz und/oder durch eine Frequenzvariation des Steuersignals in parametrische resonante Schwingung aus einer Referenzebene heraus angeregt werden.
Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele lösen die Probleme zum Stand der Technik.
Insbesondere kann die Ansteuereinrichtung 96 konfiguriert sein, um eine Vielzahl von Betriebsarten in dem MMS 10, alternativ, jedem beliebigen anderen hierin beschriebenen MMS und/oder mikromechanischem System einzustellen. Einige dieser Betriebsarten werden nachfolgend erläutert. Je nach bestimmter Antriebsart können entsprechende Einrichtungen zur Aktuierung vorgesehen sein, die bevorzugt in-plane angeordnet sind und/oder Kräfte in-plane erzeugen, so dass die entsprechenden Aktuatorelemente während der Aktuierung mit einander in Eingriff verbleiben und ein „Austauchen“ der Elemente bezüglich einander, wie es etwa bei versetzten Interdigitalelektroden vorkommen kann, siehe 35, vermieden ist.
Resonanter Betrieb

1.A: die als harmonisch bezeichnete Schwingung ist in Wirklichkeit keine harmonische Schwingung (3d), sondern eine von der idealen Sinusform abweichende Schwingungsform (quasi-harmonisch). Die Abweichungen werden dabei von diversen nichtlinearen Effekten hervorgerufen, z.B. der nichtlinearen Federcharakteristik, Dämpfung und Antrieb. Einer der nichtlinearen Effekte resultiert hierbei, insbesondere bei großen Auslenkungen, aus der sich graduell oder abrupt ändernden Dämpfung durch das umgebende Medium beim „Eintauchen“ bzw. „Austauchen“ von Elektrodenkämmen (33, 31) im Verlauf der Schwingung.
1. a -Bei der hier beschriebenen Erfindung bleiben die zum Antrieb genutzten Elektrodenkämme, insbesondere auch bei großen Auslenkungen permanent verschränkt, sodass sich die (bisher z.T. dominierende) Dämpfung an den Elektrodenkämmen nicht abrupt ändert. Somit werden diese nichtlinearen Einflüsse reduziert und die Abweichungen von der harmonischen Schwingungsform fallen an dieser Stelle geringer aus.
1.B: im resonanten Betrieb kann Energie üblicherweise nur im Zeitraum vom Umkehrpunkt bis zum Durchschwingen der Ruhelage in das System eingekoppelt werden (33). Dies ist nur durch eine Beschleunigung in Richtung Ruhelage möglich, was wiederum durch den plötzlichen Wechsel des Antriebsmomentes beim Durchgang durch die Ruhelage zu Nichtlinearitäten führt.
1. a -Die hier beschriebene Erfindung ermöglicht ein Einkoppeln von Energie in allen Schwingungspositionen außerhalb der Ruhelage. Dies gilt sowohl für attraktive als auch repulsive elektrostatische Kräfte.
2. b -Auch ist es mit dem hier beschriebenen System möglich, die Aktoren in beide Richtungen, sowohl aus der Ruhelage heraus, als auch in Richtung Ruhelage zu beschleunigen und zu bremsen, Energie kann in beide Richtungen eingekoppelt werden (Aus- und Einschwingen).
3. c -die unter a und b beschriebenen Vorteile ermöglichen daher durch das mit Ausnahme der Ruhelage permanent mögliche Einkoppeln und die optimierte Variation der Kräfte im Verlauf der Schwingung einen (partiellen) Ausgleich von anderweitigen Nichtlinearitäten des Systems.
4. d -die Elektrodenkämme sind in der Variante aus 23b permanent verschränkt. Die daraus resultierende Antriebscharakteristik zeigt deutlich kleinere Abweichungen von linearem Verhalten als die herkömmliche Anordnung (klassisch resonant)
1.C: die quasi-harmonische Schwingung verfügt nur über einen sehr kleinen quasi-linearen Bereich in der Mitte der Sinusfunktion (3d). Im Bereich der Messtechnik und einigen anderen Anwendungen z.B. im Bereich der Bild-Projektion ist ein größerer quasi-linearer Bereich wünschenswert oder sogar notwendig.
1. a -eine Linearisierung des mittleren Bereichs der harmonischen Schwingung ist mit der beschriebenen Erfindung möglich, da das System in ausgelenktem Zustand in beiden Richtungen beeinflussbar ist. Dies gilt insbesondere für Schwingungszustände fern der Resonanz.
1.D: Für eine parametrische Resonanz ist ein abrupter Abbruch der Schwingung am Resonanzpunkt typisch, auch kann die Schwingung typischerweise nur mit einem Durchstimmen der Frequenz in einer (negativer) Richtung gestartet werden (34).
1. a -Der für parametrische Resonanz typische abrupte Abbruch der Schwingung entfällt wahrscheinlich, die Antwortkurve zeigt wahrscheinlich eher eine klassische Resonanzüberhöhung und könnte beidseitig anfahrbar sein.

Quasi-statischer Betrieb

2.A: Kosten: Bei mithilfe von externen Kräften ausgelenkten Systemen (35) werden z.B. aktuell zwei Wafer zusammen gebondet, bzw. bei der Herstellung der Wafer zwei Ebenen erzeugt (z.B. epitaktisch). Das erhöht die Material- und Prozesskosten.
1. a -die beschriebene Erfindung ermöglicht einen quasi-statischen Betrieb unter Verwendung von nur einem einfachen BSOI-Wafer.
2.B: Präzision: Die in zwei Ebenen angeordneten Elektrodenkämme haben sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Positionierung zueinander. Eine Fertigung der Elektrodenkämme in zwei Ebenen (mit externer Aktuierung oder integrierter Fertigung) ist entsprechend aufwändig.
1. a -In der beschriebenen Erfindung werden die Elektrodenkämme in einem Prozessschritt in einer Ebene gefertigt, und sind somit selbst-justierend und, wie die oben beschriebenen klassisch resonanten Bauelemente, ohne Mehraufwand zu fertigen.
2.C: Bei der Kombination von klassisch quasistatischer äußerer und klassisch resonanter innerer Achse eines 2D-Scanners muss der äußere Antrieb von den, durch das innen schwingende Element verursachten, Deformationen entkoppelt werden, dies resultiert in großem Platzbedarf.
1. a -bei der beschriebenen Erfindung ist der Antrieb durch die parallele Führung besser von den inneren Bewegungen entkoppelt.
2.D: In bisher verwendeten Systemen ist die Konstruktion einer quasi-statisch auslenkbaren 2D-Variante nur sehr schwer und mit großem Aufwand und verbunden mit großem Platzbedarf möglich. Dies gilt auch für eine hybride Lösung (z.B. mit magnetischem Antrieb) bei der die Vorteile der Mikrosystemtechnik (Fertigung großer Stückzahlen im Waferverbund) verloren gehen.
1. a -die beschriebene Erfindung ermöglicht die Verwendung einer 2D-Variante durch ineinander verschaltete Kombination von zweien der beschriebenen Systeme, diese können parallel oder orthogonal angeordnet sein. Der fertigungstechnische Aufwand entspricht wieder demjenigen klassisch resonanter Bauelemente.
2.E: In bisher verwendeten Systemen sind die zur Energieerzeugung benötigten Elektrodenkämme an eine bestimmte Position gebunden. Bei einer Erhöhung der zur Verfügung gestellten Energie muss daher zwangsläufig die Länge der Kämme erhöht werden, dies führt wiederum automatisch zu einer Vergrößerung des Bauelementes.
1. a -die beschriebene Erfindung ermöglicht die Platzierung von weiteren Kämmen an bisher ungenutzten Flächen innerhalb des Bauelementes, da die optimale Energieerzeugung nicht an eine bestimmte Position gebunden ist. So kann potentiell die zur Verfügung gestellte Energie erhöht werden ohne das Bauelement notwendigerweise zu vergrößern.

Plattenkondensatorsystem

3.A: Bisherige Systeme mit Parallelplatten-Kondensatoren (32) benötigen für große Auslenkwinkel im Vergleich sehr hohe Antriebsspannungen (bedingt durch den „pull-in“-Effekt ab 1/3 des Spaltabstandes).
1. a -die hier beschriebene Erfindung ermöglicht eine Reduktion der benötigten elektrischen Spannung und eine Vermeidung oder Reduzierung des „pull-in“-Effektes (z.B. auch durch Anschläge in der Ebene).

Klassische Hebelsysteme

4.A: Die Herstellung solcher Hebelsysteme ist sehr aufwendig: Entweder werden mehrere getrennte Schichten verwendet (z.B. BSOI) (a) oder unterschiedlich tiefe Strukturen geätzt (b). Nachteilig wirkt sich hier der schwierige Zugang zu vergrabenen Schichten (z.B. durch Oxidschichten) (a) oder eine schlechte Homogenität und damit Ausbeute (b) aus.
1. a -Bei der hier beschriebenen Erfindung befinden sich alle Strukturen in einer Ebene und sind somit sehr leicht und mit hoher Ausbeute zu fertigen.
4.B: Systeme die in Poly-Si in „Surface Micro Machining“-Technologie hergestellt werden sind sehr fragil, durch mechanische Spannungen verzogen und die Schichten müssen erst aus der Ruhelage herausbewegt werden um Freiraum für die Bewegung zu erhalten. (z.B. Lucent)
1. a -Bei der hier beschriebenen Erfindung sind die Bauelemente weiterhin stabil, durch Verwendung von einkristallinem Silizium (SCS) nicht verzogen und müssen vor dem Einsatz nicht erst noch in eine bestimmte Position gebracht werden.

Allgemeines

5.A: Ausführungsbeispiele ermöglichen im Vergleich zur Aufhängung von Schwingungskörpern an zwei einfachen oder parallelen Balkenfedern die Zuführung zusätzlicher elektrischer Potentiale. Dies ermöglicht eine erleichterte Verbindung oder Verbesserung von Sensorik oder anderen elektronischen Komponenten auf dem Schwingungskörper.
5.B: Ausführungsbeispiele ermöglichen im Vergleich zur Aufhängung von Schwingungskörpern an zwei einfachen oder parallelen Balkenfedern die mechanische Stabilisierung durch zusätzliche mechanische Aufhängungen. Dies ermöglicht eine Verbesserung und Optimierung der Schockfestigkeit durch einen erweiterten Parameterraum.
5.C: Ausführungsbeispiele ermöglichen im Vergleich zur Aufhängung von Schwingungskörpern an einfachen oder parallelen Balkenfedern eine Optimierung der Nichtlinearitäten des Federsystems durch zusätzliche mechanische Aufhängungen. (erweiterter Parameterraum).
5.D: Ausführungsbeispiele umfassen bei quasi-statischem Betrieb eine im Vergleich zur Ruhelage verkippte Position. Somit können potentielle, durch einen zur Spiegelplatte in Ruhelage parallelen Glasdeckel verursachte, parasitäre optische Reflexionen vermieden werden.
5.E: Bei mithilfe von Elektrodenkämmen betriebenen Systemen kann die effektive Federsteifigkeit durch elektrostatische Anziehung variiert und damit zum Anpassen z.B. der Frequenz genutzt werden. Bei den bisherigen Systemen kommt es dabei durch das „Ausfahren“ der Elektrodenkämme im Betrieb mit zunehmender Auslenkung zu einer verminderten Effizienz. Mit dem hier beschriebenen System sind die Elektrodenkämme permanent verschränkt, und somit für alle Auslenkungen elektrostatisch voll wirksam.
5.F: Bei herkömmlichen Systemen kommt es durch das „Ausfahren“ der Elektrodenkämme im Betrieb mit zunehmender Auslenkung zu einer verminderten Effizienz und somit zu einer Verminderung der Bandbreite, (siehe 36) Mit dem hier beschriebenen System sind die Elektrodenkämme permanent verschränkt, und die Bandbreite somit erhöht.
5.G: Die Aufhängung von optischen Spiegelplatten mit Torsionsachsen an nur zwei Punkten kann bei hohen Frequenzen zu großen dynamischen Deformationen führen. Die hier beschriebene Erfindung ermöglicht durch Verwendung von zusätzlichen Aufhängungspunkten eine Reduzierung der dynamischen Deformation.
5.H: Besonders am Waferrand zeigen durch eine Plasmaätzung (z.B. Bosch-Prozess) hergestellte schmale Gräben manchmal eine nicht orthogonale Position zur Oberfläche (schräg beschleunigte Ionen). Dies kann bei einer „out-of-plane“-Bewegung (insbesondere bei Rotation) von Elektrodenkämmen zu Kollisionen oder Beeinträchtigungen des Bauelementverhaltens führen. Bei der hier beschriebenen Erfindung bleibt auch bei einer schrägen Ätzung die Parallelität der Elektrodenplatten erhalten, da sie nur „in-plane“ gegeneinander verschoben werden. Die übrige Mechanik der Aufhängung ist dagegen weniger empfindlich als die für eine hohe Kapazität notwendigerweise möglichst eng stehenden Elektrodenkämme (für das Getriebe können breitere Gräben verwendet werden).
5.1 Über Kammantriebe kann kapazitiv die Position gemessen werden. Dabei besteht das Problem, dass kein oder nur ein abgeschwächtes Signal der Position (Kapazitätsänderung) mehr messbar ist, wenn die Kämme austauchen. Dieses Problem wird mit der beschriebenen Erfindung behoben, da die Kämme permanent verschränkt sein können.
5.J: Bei der Aufhängung von mikro-optischen Elementen, die resonant betrieben werden, mit Torsionsachsen an nur zwei Punkten, kann es schwierig sein die Resonanzfrequenz benachbarter „parasitärer“ Schwingungsmoden weit genug entfernt von der Nutzmode einzustellen. Die hier beschriebene Erfindung ermöglicht durch Verwendung von zusätzlichen Aufhängungspunkten einen größeren Abstand der Frequenzen, insbesondere zu „in-plane“ Rotations-Moden.
5.K: Bei der Aufhängung von mikro-optischen Elementen mit Torsionsachsen an nur zwei Punkten, die mithilfe von lateralen Elektrodenkämmen resonant betrieben werden, wird die nutzbare Antriebsspannung der „out-of-plane“-Rotation oft durch die „pull-in“ Spannung einer „in-plane“-Rotations-Mode begrenzt. Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglichen durch Verwendung von zusätzlichen Aufhängungspunkten eine höhere Stabilität der in-plane Mode.
5.L: Bei mithilfe von lateralen Elektrodenkämmen resonant betriebenen 2D-Elementen wird die Spiegelplatte mit einer Rechteckspannung beaufschlagt, da der innere Rahmen üblicherweise die Erdung („ground“) für Spiegel UND kardanischen äußeren Rahmen bildet. Dies führt im Verlauf der Schwingung der Platte zu stetig wechselnden Feldern und somit auch Kräften zwischen der Platte und dem Boden unter dem Bauelement. Dies kann Nichtlinearitäten der Schwingung erzeugen. Bei der hier beschriebene Erfindung muss die Spiegelplatte nicht mit Wechselfeldern betrieben werden, somit ist der Einfluss der mit Wechselfeldern beaufschlagten Fläche auf die Nichtlinearitäten der Schwingung sehr viel geringer.

Ein Betrieb des Systems kann durch mehrere Ansteuerungen erfolgen, etwa durch die Ansteuereinrichtung 96.

1. Durch Anlegen einer Rechteckspannung, wie es beispielhaft in 33 dargestellt ist, am elektrostatischen Antrieb, die im Bereich der doppelten Frequenz der Resonanzfrequenz des gekoppelten Schwingers, der mikromechanischen Struktur, liegt, wird das System in Schwingung versetzt. Dies kann z.B. mithilfe von Frequenzvariation geschehen, wie es beispielhaft in 34 gezeigt ist. Diese resonante Schwingung entspricht dem ersten Betriebsmodus. Gemäß 34 kann eine Startfrequenz einer Ansteuereinrichtung so gewählt werden, dass sie größer ist, als die doppelte Frequenz der mechanischen, d.h., parametrischen Resonanzfrequenz. Sie kann sich innerhalb eines Toleranzbereichs von 100 %, bevorzugt 50 % und weiter bevorzugt 20 % oder weniger befinden, der mit steigender Frequenz auch noch kleiner gewählt werden kann.
2. Wenn eine Schwingung, wie unter eins beschrieben, besteht, werden die Antriebsspannung bzw. die Antriebsspannungen im Verlauf der Schwingung derart in Frequenz und/oder Amplitude und/oder Phasenlage moduliert, dass es zu einer Veränderung der Schwingungsform, d. h., des Amplitudenverlaufs über die Zeit, kommt. So lässt sich z.B. Der quasilineare Bereich einer Sinus-förmigen Schwingung vergrößern, oder nichtlineare Bereiche der Schwingung ausgleichen/optimieren. Bei einer entsprechenden „push-pull“-Anordnung lassen sich in jeder Position der Schwingung außerhalb des Null-Durchganges sowohl bremsende, als auch beschleunigende Kräfte einkoppeln. Dies entspricht dem zweiten Betriebsmodus der besonders mit zunehmendem Abstand zur Resonanz effektiver wird.
3. Wenn eine Schwingung, wie unter eins beschrieben, besteht, wird im Umkehrpunkt, wenn die Geschwindigkeit des Systems null ist bzw. zu Zeiten mit geringen Geschwindigkeiten, eine Spannung am Antrieb angelegt, die so groß ist, dass die daraus resultierenden Kräfte sich mit den aus den mechanischen Federn resultierenden Rückstell-Kräften im Gleichgewicht befinden. Das optische Element wird somit in seiner ausgelenkten Position gehalten. Eine Modulation der Antriebsspannung kann jetzt für eine quasi statische Positionsänderung des optischen Elementes 14 genutzt werden. Dies entspricht dem dritten Betriebsmodus und ist nur auf einer „Seite“/„Schwingungshälfte“ der ursprünglich resonanten Schwingung möglich. Durch eine koaxiale Anordnung mehrerer Systeme kann der nutzbare Winkel vergrößert werden.
4. Durch Anlegen einer statischen Spannung am elektrostatischen Antrieb wird das System bei Überschreiten einer Spannungsschwelle statisch ausgelenkt. Dies kann z.B. mithilfe von mechanischen „Vorspannungs“-Elementen begünstigt werden, die die Torsionsachse (bzw. auch den Translationsschwinger) in eine leichte Vorauslenkung bringen. Mit dieser Vorauslenkung lässt sich auch außerhalb der Mittellage in der Ebene ein Moment erzeugen, das die Struktur auslenkt, siehe 10. Diese statische Auslenkung entspricht dem vierten Betriebsmodus.

Eine entsprechende Kombination der hier beschriebenen und gezeigten Betriebsmodi und 2D-Varianten, sowie eine Kombination mit klassischen Elementen und Betriebsvarianten ist ebenfalls möglich.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1123526 B1 [0005]
DE 102008012825 B4 [0006]
JP 4285005 B2 [0006]
US 7508111 B2 [0006]
US 7535620 B2 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Melanovic et al., IEEE Photonics Technology Letters, vol. 15, No. 2, February 2003 [0007]

Claims

Mikromechanische Struktur mit: einem Substrat (12); einem beweglichen Element (14), das in einem unausgelenkten Zustand in einer Referenzebene (16) angeordnet ist; einer Getriebestruktur (18) mit einer ersten Getriebeseite (22a), die mit dem Substrat (12) gekoppelt ist, und mit einer zweiten Getriebeseite, die mit dem beweglichen Element (14) gekoppelt ist; einem Aktuator (26), der ausgebildet ist, um eine Kraft (F) entlang einer Kraftrichtung parallel zu der Referenzebene (16) bereitzustellen und an die erste Getriebeseite (22a) anzulegen; wobei die Getriebestruktur (18) ausgebildet ist, um die Kraft (F) entlang der Kraftrichtung in eine Bewegung des beweglichen Elements (14) aus der Referenzebene (16) heraus zu überführen.
Mikromechanische Struktur gemäß Anspruch 1, bei der die Bewegung zumindest eines aus einer resonanten oder statischen Verschiebung des beweglichen Elements (14) aus der Referenzebene (16) und einer resonanten oder statischen Rotation des beweglichen Elements (14) aus der Referenzebene (16) umfasst.
Mikromechanische Struktur gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die erste Getriebeseite (22a) entlang einer ersten Torsionsachse (34₁) über erste Torsionsfederelemente (32₁, 32₂) mit der zweiten Getriebeseite (22b) gekoppelt ist, und bei der die zweite Getriebeseite (22b) entlang einer zweiten Torsionsachse (34₂) über zweite Torsionsfederelemente (32₃, 32₄) mit dem beweglichen Element (14) gekoppelt ist; wobei die erste Torsionsachse (34₁) parallel zu der zweiten Torsionsachse (34₂) angeordnet ist; und wobei die erste Torsionsachse (34₁) einen höheren Abstand (42) zu einem Rand (36) des beweglichen Elements (14), zu dem die erste Torsionsachse (34₁) und die zweite Torsionsachse (34₂) den geringsten Abstand aufweisen und der parallel zu der ersten Torsionsachse (34₁) und der zweiten Torsionsachse (34₂) angeordnet ist, aufweist als die zweite Torsionsachse (34₂), wobei der Aktuator (26) konfiguriert ist, um zumindest zeitweise eine Zugkraft zwischen der ersten Getriebeseite (22a) und dem Substrat (12) bereitzustellen.
Mikromechanische Struktur gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die erste Getriebeseite (22a) entlang einer ersten Torsionsachse (34₁) über erste Torsionsfederelemente (32₁, 32₂) mit der zweiten Getriebeseite (22b) gekoppelt ist, und bei der die zweite Getriebeseite (22b) entlang einer zweiten Torsionsachse (34₂) über zweite Torsionsfederelemente (32₃, 32₄) mit dem beweglichen Element (14) gekoppelt ist; wobei die erste Torsionsachse (34₁) parallel zu der zweiten Torsionsachse (34₂) angeordnet ist; und wobei die erste Torsionsachse (34₁) einen geringeren Abstand (42) zu einem Rand (36) des beweglichen Elements (14), zu dem die erste Torsionsachse (34₁) und die zweite Torsionsachse (34₂) den geringsten Abstand aufweisen und der parallel zu der ersten Torsionsachse (34₁) und der zweiten Torsionsachse (342) angeordnet ist, aufweist als die zweite Torsionsachse (34₂), wobei der Aktuator (26) konfiguriert ist, um zumindest zeitweise eine Druckkraft zwischen der ersten Getriebeseite (22a) und dem Substrat (12) bereitzustellen.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Getriebestruktur (18) eine erste Getriebestruktur (18₁) ist und wobei die mikromechanische Struktur eine zweite Getriebestruktur (18₂) umfasst, wobei die erste und die zweite Getriebestruktur (18₁, 18₂) in einer Ebene parallel zu der Referenzebene (16) symmetrisch um das bewegliche Element (14) angeordnet sind; wobei der Aktuator (26) ein erster Aktuator (26₁) ist, der ausgelegt ist, um die erste Getriebestruktur (18₁) zu aktuieren, wobei die mikromechanische Struktur einen zweiten Aktuator (26₂) aufweist, der ausgelegt ist, um die zweite Getriebestruktur (18₂) zu aktuieren.
Mikromechanische Struktur gemäß Anspruch 5, bei der die erste Getriebestruktur (18₁) und die zweite Getriebestruktur (18₂) einander gegenüberliegend bezüglich des beweglichen Elements (14) angeordnet sind, wobei die Aktuatoren (26₁, 26₂) ausgebildet sind, um gleichzeitig eine Druckkraft oder gleichzeitig eine Zugkraft zu erzeugen.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Getriebestruktur (18) eine erste Getriebestruktur (18₁) ist, bei der der Aktuator (26) ein erster Aktuator ist (26₁), und die ferner aufweist: eine zweite Getriebestruktur (18₂), die zwischen das bewegliche Element (14) und das Substrat (12) gekoppelt ist, und einen zweiten Aktuator (26₂), der ausgebildet ist, um die zweite Getriebestruktur (18₂) zu aktuieren; eine dritte Getriebestruktur (18₃), die zwischen das bewegliche Element (14) und das Substrat (12) gekoppelt ist, und einen dritten Aktuator (26₃), der ausgebildet ist, um die dritte Getriebestruktur (18₃) zu aktuieren; eine vierte Getriebestruktur (18₄), die zwischen das bewegliche Element (14) und das Substrat (12) gekoppelt ist, und einen vierten Aktuator (26₄), der ausgebildet ist, um die vierte Getriebestruktur (18₄) zu aktuieren; wobei die erste, zweite, dritte und vierte Getriebestruktur (18_1-4) symmetrisch um das bewegliche Element (14) angeordnet sind; und wobei das bewegliche Element (14) um zwei voneinander verschiedene Rotationsachsen (x, y) rotatorisch beweglich ist.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Getriebeseite oder die zweite Getriebeseite als eine U-förmige oder halbkreisförmige Struktur gebildet ist.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Getriebeseite (22a) als eine erste U-förmige Struktur gebildet ist und bei der die zweite Getriebeseite (22b) als eine zweite U-förmige Struktur gebildet ist, wobei die erste U-förmige Struktur in einer Ruhelage der mikromechanischen Struktur so angeordnet ist, dass sie die zweite U-förmige Struktur umschließt.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die zweite Getriebeseite (22b) als eine Balkenstruktur gebildet ist, die das bewegliche Element (14) um zumindest 270° umschließt.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Getriebeseite (22a) und die zweite Getriebeseite (22b) über Torsionsfederelemente (32) miteinander gekoppelt sind.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die zweite Getriebeseite (22b) und das bewegliche Element (14) über Torsionsfederelemente (32) gekoppelt miteinander sind.
Mikromechanische Struktur gemäß Anspruch 11 oder 12, bei der die Torsionsfederelemente (32) entlang einer Dickenrichtung (z) senkrecht zu der Referenzebene (16) eine geringere Abmessung (h₂) aufweisen als die erste Getriebeseite (22a) und die zweite Getriebeseite (22b).
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die zweite Getriebeseite (22b) eine mechanische Vorspannung aufweist, wobei die mechanische Vorspannung ausgelegt ist, um das bewegliche Element (14) in einem Ruhezustand der mikromechanischen Struktur zumindest teilweise aus der Referenzebene (16) herauszubewegen.
Mikromechanische Struktur gemäß Anspruch 14, die ein Vorspannungselement (52) aufweist, das mit der zweiten Getriebeseite (22b) mechanisch fest verbunden ist, und ausgebildet ist, um basierend auf einem gegenüber einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Materials der zweiten Getriebeseite (22b) unterschiedlichen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Materials des Vorspannungselementes (52) die mechanische Vorspannung bereitzustellen.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Getriebeseite (22a) als Balkenstruktur gebildet ist, und bei der die zweite Getriebeseite (22b) als Balkenstruktur gebildet ist, wobei die zweite Getriebeseite (22b) über Torsionsfederelemente (32) mit der ersten Getriebeseite (22a) gekoppelt ist.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Getriebeseite (22a) als erste teilweise geöffnete Rahmenstruktur gebildet ist, und bei der die zweite Getriebeseite (22b) als zweite teilweise geöffnete Rahmenstruktur gebildet ist.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Getriebestruktur (18) als Scherengetriebe gebildet ist.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der zwischen die erste Getriebeseite (22a) und die zweite Getriebeseite (22b) ein Hebelmechanismus (54a-c) angeordnet ist, der konfiguriert ist, um einen Hub der Getriebestruktur (18) zu vergrößern.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der zwischen dem beweglichen Element (14) und dem Substrat (12) entlang einer Torsionsachse des beweglichen Elements (12) ein erstes Torsionsfederelement (32₅) und ein zweites Torsionsfederelement (32₆) angeordnet ist.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Torsionsfederelementanordnung (88), die zwischen die erste Getriebeseite (22a) und die zweite Getriebeseite (22b) oder zwischen die zweite Getriebeseite (22b) und das bewegliche Element (14) oder zwischen das bewegliche Element (14) und das Substrat (12) gekoppelt ist, und die ein erstes Torsionsfederelement (32, 32', 32", 32"', 32"") und ein zweites Torsionsfederelement (32, 32', 32", 32"', 32"") umfasst, die V-förmig geneigt zueinander angeordnet sind.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Torsionsfederelementanordnung (88), die zwischen erste Koppelorte (92₁, 92₃) an der ersten Getriebeseite (22a) und zweite Koppelorte (92₂, 92₄) der zweiten Getriebeseite (22b) oder zwischen erste Koppelorte an der zweiten Getriebeseite (22b) und zweite Koppelorte an dem beweglichen Element (14) oder zwischen erste Koppelorte an dem beweglichen Element (14) und zweite Koppelelemente an dem Substrat (12) gekoppelt ist, und die ein erstes entlang eines axialen Verlaufs geknicktes Torsionsfederelement (32"', 32"") und ein zweites entlang eines axialen Verlaufs geknicktes Torsionsfederelement (32"', 32"") umfasst, die so zueinander angeordnet sind, dass ein erster Abstand (94a) zwischen den ersten Koppelorten (92₁, 92₃) und ein zweiter Abstand zwischen den zweiten Koppelorten (92₂, 92₄) größer ist, als ein minimaler Abstand (94b) zwischen den Torsionsfederelementen entlang des axialen Verlaufs; wobei die Torsionsfederelemente (32"', 32"") über den gesamten axialen Verlauf berührungsfrei zueinander angeordnet sind.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Torsionsfederelement (32', 32"), das zwischen die erste Getriebeseite (22a) und die zweite Getriebeseite (22b) oder zwischen die zweite Getriebeseite (22b) und das bewegliche Element (14) oder zwischen das bewegliche Element (14) und das Substrat (12) gekoppelt ist, und das X-förmig gebildet ist.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Aktuator (26) eine erste Elektrodenstruktur (58) umfasst, die sich an dem Substrat (12) abstützt, und eine zweite Elektrodenstruktur (58) umfasst, die sich an der ersten Getriebeseite (22a) abstützt, wobei der Aktuator (26) ausgebildet ist, um die Kraft zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur bereitzustellen.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Aktuator als elektrostatischer Antrieb gebildet ist.
Mikromechanische Struktur gemäß Anspruch 25, bei der der elektrostatische Antrieb Interdigitalelektroden aufweist, die nebeneinander entlang einer Richtung senkrecht zu einer Kraftrichtung des Aktuators (26) angeordnet sind.
Mikromechanische Struktur gemäß Anspruch 25 oder 26, bei der der elektrostatische Antrieb Interdigitalelektroden aufweist, die eine veränderliche Elektrodenabmessung aufweisen.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Getriebeseite (22a) über eine Dreipunktaufhängung mit Substrat (12) verbunden ist.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Getriebeseite (22a) durch Biegefederelemente (24) mit dem Substrat (12) verbunden ist, wobei eine Biegerichtung der Biegefederelemente parallel zu der Kraftrichtung angeordnet ist.
Mikromechanische Struktur gemäß Anspruch 29, bei der die Biegefederelemente (24) entlang einer Dickenrichtung (z) senkrecht zu der Referenzebene (16) eine geringere Abmessung (h₃) aufweisen als die erste Getriebeseite (22a) und die zweite Getriebeseite (22b).
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer entlang der Kraftrichtung bistabilen Biegefederanordnung (78), die zwischen das Substrat (12) und die erste Getriebeseite (22a) gekoppelt ist.
Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der zumindest ein Teil des Substrats (12), zumindest ein Teil der Getriebestruktur (18) und zumindest ein Teil des beweglichen Elements (14) einstückig gebildet sind.
Mikromechanisches System (190; 200; 210; 220) mit einer ersten mikromechanischen Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die als bewegliches Element einer zweiten mikromechanischen Struktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche angeordnet ist.
Vorrichtung (290) mit: einer mikromechanischen Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 32 oder einem mikromechanischem System gemäß Anspruch 33; und einer Ansteuereinrichtung (96), die konfiguriert ist, um den Aktuator (26) anzusteuern; wobei die Ansteuereinrichtung (96) zum Einstellen einer Schwingung des beweglichen Elements (14) mit einer Zielfrequenz ausgebildet ist, um ein Steuersignal an den Aktuator (26) anzulegen, das einen Wert einer Startfrequenz aufweist, wobei der Wert der Startfrequenz größer ist, als die Zielfrequenz, und um die Frequenz des Ansteuersignals in einer Vielzahl von Schritten zu reduzieren, bis die Zielfrequenz erreicht ist; oder wobei die Ansteuereinrichtung (96) zum Einstellen einer Schwingung des beweglichen Elements (14) mit einer Zielfrequenz ausgebildet ist, um ein Steuersignal an den Aktuator (26) anzulegen, das einen Wert einer Startfrequenz aufweist, wobei der Wert der Startfrequenz kleiner ist, als die Zielfrequenz, und um die Frequenz des Ansteuersignals in einer Vielzahl von Schritten zu erhöhen, bis die Zielfrequenz erreicht ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 34, bei dem die Ansteuereinrichtung (96) ausgebildet ist, um die Zielfrequenz so zu wählen, dass diese innerhalb eines Toleranzbereichs von 100 % einem Doppelten einer parametrischen Resonanzfrequenz der mikromechanischen Struktur entspricht und ausgelegt ist, um die mikromechanische Struktur unter Verwendung des Ansteuersignals mit der Zielfrequenz in Schwingung zu versetzen, die eine Schwingungsform aufweist; und um in einem Verlauf der Schwingung zumindest eines aus Frequenz, Amplitude und Phasenlage des Steuersignals zu modulieren, um eine Veränderung einer Schwingungsform zu bewirken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 35, bei der die Ansteuereinrichtung (96) ausgebildet ist, um zu Zeiten, zu denen sich die Schwingung des beweglichen Elements (14) bezogen auf eine Ruhelage außerhalb eines Nulldurchgangs befindet, bremsende und/oder beschleunigende Kräfte einzukoppeln, um die Veränderung der Schwingungsform zu bewirken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 35 oder 36, bei der die Ansteuereinrichtung (96) ausgebildet ist, um innerhalb eines Toleranzbereichs von 10 % zu einem Zeitpunkt, bei dem die Schwingung des beweglichen Elements (14) einen Umkehrpunkt aufweist, das Ansteuersignal so anzulegen, dass das bewegliche Element (14) in einer Position gehalten wird.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 34 bis 37, bei der die Ansteuereinrichtung (96) ausgebildet ist, um eine Startfrequenz bei einer Ruhelage des beweglichen Elements (14) anzulegen und dieses durch das Anlegen des Steuersignals mit der Startfrequenz oder durch eine Frequenzvariation des Steuersignals in parametrische resonante Schwingung aus einer Referenzebene heraus anzuregen.
Verfahren zum Bereitstellen einer mikromechanische Struktur mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats; Anordnen eines beweglichen Elements, so dass dieses in einem unausgelenkten Zustand in einer Referenzebene angeordnet ist; Anordnen einer Getriebestruktur, so dass eine erste Getriebeseite mit dem Substrat gekoppelt ist, und eine zweite Getriebeseite mit dem beweglichen Element gekoppelt ist; Anordnen eines Aktuators, so dass dieser ausgebildet ist, um eine Kraft entlang einer Kraftrichtung parallel zu der Referenzebene bereitzustellen und an die erste Getriebeseite anzulegen; so dass die Getriebestruktur ausgebildet ist, um die Kraft entlang der Kraftrichtung in eine Bewegung des beweglichen Elements aus der Referenzebene heraus zu überführen.