DE102020201241B4

DE102020201241B4 - Mikroelektromechanischer antrieb zum bewegen von objekten

Info

Publication number: DE102020201241B4
Application number: DE102020201241.5A
Authority: DE
Inventors: Bert Kaiser; Holger Conrad; Keyvan Narimani; Matthieu Gaudet; Sergiu Langa; . Shashank
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2022-04-21
Anticipated expiration: 2040-02-01
Also published as: US20220380201A1; DE102020201241A1; WO2021151847A1

Abstract

Mikroelektromechanischer Antrieb (1) zum Bewegen eines Objekts, der elektrostatische Biegeaktuatoren (10) aufweist,wobei jeder elektrostatische Biegeaktuator (10) einen Ausleger (2) aufweist, der zumindest ein aktives Element (3) aufweist, das einen Schichtstapel aufweist, der zumindest einen Kondensator bildet, der versetzt zu einer Schwerpunktebene (4) des Auslegers (2) positioniert ist, die entlang einer Längsachse (4) des Auslegers (2) von einem gestützten Ende (5) des Auslegers (2) zu einem losen Ende (6) verläuft, das von dem gestützten Ende (5) des Auslegers (2) abgewandt ist und das eine Kontaktfläche (7) zum Ineingriffnehmen des Objekts aufweist,wobei das gestützte Ende des Auslegers (2) in einem geführten Lager (12) gehalten ist, was eine Verschiebung in Richtung einer Längsachse (4) des Auslegers (2) ermöglicht, und wobei das gestützte Ende (5) des Auslegers (2) an einer Feder angebracht ist.

Description

ALLGEMEINE BESCHREIBUNG
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen mikroelektromechanischen Antrieb zum Bewegen eines Objekts gemäß Anspruch 1.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Mikroelektromechanische Antriebe, z. b. raupenähnliche mikroelektromechanische Systeme (MEMS) zum Bewegen eines Objekts, werden seit einiger Zeit entwickelt. Diese Offenbarung befasst sich mit einem raupenähnlichen mikroelektromechanischen System (MEMS), das sich auf Piezoelektrik, Thermik, Elektrostatik usw. als aktives Element bezieht. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine in [1] beschriebene Zelle eines nanoskopischen elektrostatischen Antriebs (nanoscopic electrostatic drive, NED) als aktives Element. Raupenantriebe sind als Ansatz für eine Positionierung bereits bekannt, wobei piezoelektrische [2], thermische [3] oder elektrostatische Elemente [4] verwendet werden. Elektrostatische Raupenantriebe auf Basis einer Oberflächenmikrobearbeitung, die Polysilizium verwenden, weisen typischerweise eine Dicke auf, die aufgrund von Abscheidungsbeschränkung und Korngrenzeneffekt [5] auf 2-5 µm beschränkt ist. Elektrostatisch basierte Raupenantriebe weisen eine gewisse Beschränkung des Skalierungsfaktors auf, bedingt durch die Stabilität des Systems aufgrund von technologischen Aspekten [6].
Zum Beispiel leiden die zwei Hauptvarianten von elektrostatischen Aktuatoren, nämlich Kammantrieb und direkte elektrostatische Zwischenraum(Gap)-Betätigung, durch Erhöhung der Länge oder Anzahl der Finger unter einer Einzugs(Pull-in)-Instabilität aufgrund von technologischen Variationen. Das US-Patent US 2007/0069604 A1 stellt einen Raupenaktuator vor, der auf elektrostatischen Kammantrieben als aktiven Elementen basiert und eine mechanische Klemmung verwendet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein kreisförmiges Rad gezeigt, das durch drei aktive Elemente gedreht wird, die einen Winkel von 120 Grad bilden. Darüber hinaus weist jedes aktive Element zwei Kammantriebe auf, einen zur mechanischen Klemmung und einen zum Vorschieben des Zielkörpers, wodurch die Anzahl der aktiven Elemente beschränkt wird, die um das kreisförmige Rad gebracht werden können.
Das japanische Patent JP 2000 253683 A nutzt einen Raupenantrieb mit elektrostatischer Klemmung.
In der DE 10 20014 225934 A1 wird ein mikromechanisches Bauelement mit elektrostatisch bewirkter Auslenkung beschrieben. Der mikromechanisches Bauelement mit elektrostatisch bewirkter Auslenkung durch einen sich entlang und beabstandet von der neutralen Faser des auslenkbaren Elements erstreckenden Plattenkondensator wird hinsichtlich des Herstellungsaufwandes und/oder hinsichtlich seiner Betriebseigenschaften, wie z. B. maximaler anlegbarer Spannung bzw. Auslenkbarkeit, verbessert, indem eine durchgängige Isolationsschicht zwischen distaler und proximaler Elektrode des Plattenkondensators verwendet wird, oder die proximale Elektrode strukturiert wird, um an den Segmentgrenzen, an denen die distale Elektrode mechanisch fixiert ist, Lücken aufzuweisen, um von der distalen Elektrode lateral beabstandet zu sein.
In der JP H02-142365 A wird ein bimorpher Motor bereitgestellt, der so aufgebaut ist, dass er zahlreiche Teile von bimorphen Elementen auf einer Seite des Stators und zahlreiche Teile von Zahnabschnitten auf einer Seite des Rotors bereitstellt. Dieser Stator besteht aus einem etwa säulenförmigen Basisabschnitt, einer Tragwelle und bimorphen Elementen und ist an einem Gehäuse seitlich befestigt. Wenn die Spannung von einem Steuerabschnitt zu einem bestimmten Zeitpunkt an jedes bimorphe Element angelegt wird, wird eine Drehwelle in winzigen Mengen jeweils durch die Hubbewegung an den Zahnabschnitt der bimorphen Elemente gedreht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen miniaturisierten mikroelektromechanischen Antrieb zum schnellen, präzisen und effizienten Bewegen eines Objekts zu schaffen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird dieses Problem mit einem mikroelektromechanischen Antrieb zum Bewegen eines Objekts gemäß Anspruch 1 gelöst. Der mikroelektromechanische Antrieb zum Bewegen des Objekts weist elektrostatische Biegeaktuatoren auf, wobei jeder elektrostatische Biegeaktuator einen Ausleger aufweist, der zumindest ein aktives Element aufweist, das einen Schichtstapel aufweist, der zumindest einen Kondensator bildet, der versetzt zu einer Schwerpunktebene des Auslegers positioniert ist, die entlang einer Längsachse des Auslegers von einem gestützten Endes des Auslegers zu einem losen Ende des Auslegers verläuft, das von dem gestützten Endes des Auslegers abgewandt ist. Anders gesagt, das lose Ende auf der abgewandten Seite des gestützten Endes des Auslegers, das eine Kontaktfläche zum Ineingriffnehmen des Objekts aufweist, wobei das gestützte Ende des Auslegers in einem geführten Lager gehalten ist, was eine Verschiebung in Richtung einer Längsachse des Auslegers ermöglicht, und wobei das gestützte Ende des Auslegers an einer Feder angebracht ist. Diese Art von mikroelektromechanischem Antrieb ermöglicht große Ablenkungen pro Betätigung, die zu einer effizienteren Bewegung des Zielobjekts führen, und ermöglicht eine Bewegung eines elektrostatischen Biegeaktuators des mikroelektromechanischen Antriebs wobei die Bewegung/Verschiebung in Richtung der Längsachse/-erstreckung des Auslegers ist begrenzt. Das geführte Lager lässt also lediglich eine translatorische Bewegung des gestützten Endes des Auslegers des mikroelektromechanischen Antriebs in Längsrichtung des Auslegers zu, während eine Verdrehung und/oder Rotation des Auslegers in dem Lager verhindert wird. Die Feder kann einerseits dazu verwendet werden, den Ausleger des mikroelektromechanischen Antriebs mittels mechanischer - mittels Druck - und/oder elektrostatischer Kraft auf der Oberfläche des Zielobjekts festzuklemmen, und andererseits dazu, die Kontaktfläche des Auslegers des mikroelektromechanischen Antriebs von der Oberfläche des Zielobjekts unter Ausübung einer Rückstellkraft zu lösen - indem dieselbe z. B. gegen die Beanspruchung einwirkt, die durch ein elektrisches Feld verursacht wird, das auf das lose Ende des Auslegers und das Zielobjekt ausgeübt wird. Basierend auf der gewünschten Anwendung kann die Feder jede geeignete Form haben, beispielsweise eine fest fixierte Biegung, Schlangenfedern usw.
Im Rahmen der Erfindung kann unter dem mikroelektromechanischen Antrieb ein elektrostatischer Biegeaktuator, ein sogenannter nanoskopischer elektrostatischer Antrieb (NED), wie er z. B. von Conrad et al. beschrieben ist, verstanden werden. Demnach ist ein Ausleger das betätigte Element, auf dessen Oberseite der Schichtstapel hinzugefügt wird, wobei der Schichtstapel, der zumindest einen versetzt zu der Schwerpunktebene positionierten Kondensator bildet, aus einer unteren Elektrode, die mit dem Ausleger verbunden ist, und einer oberen Elektrode besteht, die von der unteren Elektrode durch elektrische Isolationsinseln beabstandet ist, wobei zwischen den elektrisch leitfähigen Elektroden Zwischenräume gebildet werden. Die Isolationsinseln sind in einem bestimmten Abstand entlang der zwei Elektroden verteilt und haben zwei Hauptaufgaben: die untere und die obere Elektrode elektrisch voneinander zu isolieren und die mechanischen Kräfte von der oberen Elektrode auf die darunterliegenden Schichten zu übertragen. Durch Anlegen einer Spannung zwischen der oberen und unteren Elektrode werden elektrostatische Anziehungskräfte zwischen den Elektroden erzeugt, wodurch die obere Elektrode zu der unteren Elektrode gezogen wird und somit eine mechanische Spannung in die obere Elektrode eingeführt wird. Die obere Elektrode überträgt diese Beanspruchung auf die darunterliegenden Strukturen in Form von seitlich wirkenden mechanischen Kräften, die in der Folge den gesamten Aktuator, d. h. den elektrostatischen Biegeaktuator, verformen, was zum Biegen des zugeordneten Abschnitts des Auslegers führt. Das Antriebsprinzip beruht also auf der effektiven Umwandlung der elektrostatischen Kräfte in mechanische Querkräfte.
Der in dieser Erfindung vorgestellte mikroelektromechanische Antrieb kann so gestaltet sein, dass er Objekte in der Ebene des mikroelektromechanischen Antriebs, außerhalb der Ebene und/oder einer Kombination daraus positioniert. Der präsentierte Antrieb kann lineare Bewegungen, Drehbewegungen und/oder Bewegungen in mehrere Richtungen unabhängig oder gleichzeitig basierend auf der Konstruktion und dem Antriebsmechanismus erzeugen. Der mikroelektromechanische Antrieb beschreibt ein System aus aktiven Elementen und einem Zielkörper, bei dem der mikroelektromechanische Antrieb beziehungsweise die mikroelektromechanischen Antriebe den Zielkörper periodisch festklemmen und freigeben und durch zeitliche Ablenkung den Zielkörper auf gewünschte Weise verschieben. Der mikroelektromechanische Antrieb kann zum Positionieren und Bewegen von Objekten in präziser Mess- und Beobachtungsausrüstung oder zum Manipulieren von Objekten in mikrochirurgischen Geräten, Zusammenbauinstrumenten oder Labormaschinen, Mikrosystembaugruppen, mikrooptischen Bänken usw. eingesetzt werden. Im Vergleich zu einem piezoelektrischen oder thermischen Raupenantrieb hat der erfindungsgemäße mikroelektromechanische NED-Antrieb den Vorteil, weniger Strom zu verbrauchen, was ihn für stromsparende Anwendungen, beispielsweise in mobilen Geräten, geeignet macht. Darüber hinaus ist die Betriebsfrequenz eines NED-basierten mikroelektromechanischen Antriebs höher als die eines thermisch basierten Raupenantriebs. Darüber hinaus nimmt der mikroelektromechanische NED-Antrieb im Vergleich zu einem piezoelektrischen Raupenantrieb weniger Fläche ein und ist in den meisten Fällen CMOS-kompatibel.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des mikroelektromechanischen Antriebs bildet der Schichtstapel einen ersten Kondensator, der versetzt zu der Schwerpunktebene des Auslegers positioniert ist, und einen zweiten Kondensator, der versetzt zu der Schwerpunktebene positioniert ist, so dass die Schwerpunktebene zwischen dem ersten und zweiten Kondensator angeordnet ist. Eine Konfiguration gemäß diesem Ausführungsbeispiel ermöglicht eine schnellere, stärkere und sogar größere Ablenkung des Auslegers im Vergleich zu dem zuvor erwähnten Ausführungsbeispiel des mikroelektromechanischen Antriebs, insbesondere, falls dazu Kondensatoren einander in der gemeinsamen parallelen Projektionsebene zugewandt sind. Darüber hinaus ermöglichen zwei Kondensatoren einen Betrieb des mikroelektromechanischen Antriebs auch im Falle eines Ausfalls eines der zwei Kondensatoren, wodurch sichergestellt wird, dass das Zielobjekt in jedem Fall bewegt wird.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weist der mikroelektromechanische Antrieb jedes Aktuators einen Ausleger auf, der zumindest ein erstes aktives Element aufweist, das einen ersten Schichtstapel aufweist, der einen ersten Kondensator bildet, der versetzt zu einer Schwerpunktebene des Auslegers positioniert ist, entlang einer Längsachse des Auslegers von einem gestützten Ende des Auslegers zu einem abgewandten Ende [des gestützten Endes] des Auslegers, das eine Kontaktfläche zum Ineingriffnehmen des Objekts aufweist, und einen zweiten Kondensator, der versetzt zu der Schwerpunktebene positioniert ist, so dass die Schwerpunktebene zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator angeordnet ist, und zumindest ein zweites aktives Element, das einen zweiten Schichtstapel aufweist, der einen dritten Kondensator bildet, der versetzt zu der Schwerpunktebene positioniert ist, und einen vierten Kondensator, der versetzt zu der Schwerpunktebene positioniert ist, so dass die Schwerpunktebene zwischen dem ersten und dritten einerseits und dem zweiten und vierten Kondensator andererseits angeordnet ist, wobei das zumindest eine erste und das zumindest eine zweite Element gegenseitig entlang der Längsachse versetzt sind, so dass das zumindest eine erste und das zumindest eine zweite Element sich umgekehrt so biegen, dass der Ausleger in Richtung von entgegengesetzten Seiten der Schwerpunktebene innerhalb des zumindest einen ersten Elements einerseits und des zumindest einen zweiten Elements andererseits gebogen ist. Dieses Ausführungsbeispiel des mikroelektromechanischen Antriebs ermöglicht es dem Ausleger, Bewegungen durchzuführen, die einem herkömmlichen Raupenantrieb entsprechen.
Die aktiven Elemente eines derartigen Raupenantriebs, d. h. mikroelektromechanischen Antriebs, erzeugen Kraft und Hub, um das Zielobjekt zu bewegen. Bei dieser Konfiguration ist das erste aktive Element beispielsweise nach oben gebogen, während das zweite aktive Element nach unten gebogen ist, d. h. in entgegengesetzter Weise. Diese Konfiguration resultiert in einer linearen Bewegung des losen Endes des Auslegers des mikroelektromechanischen Antriebs. Die Anzahl der aktiven Elemente und die Länge des Auslegers wirken sich auf den maximalen Hub und die Sperrkraft sowie auf die Resonanzfrequenz des Auslegers aus, d. h. des mikroelektromechanischen Antriebs. Die Sperrkraft hat eine umgekehrte Beziehung zu der Länge des Auslegers (∝ 1/L), während der maximale Hub eine direkte Beziehung zu der Länge hat (∝ L^2), und die Resonanzfrequenz des Auslegers ist proportional zu √(1/L^3), wobei L die Länge des Auslegers ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind alle aktiven Elemente des mikroelektromechanischen Antriebs, d. h. das erste aktive Element und das zweite aktive Element - die sich entlang einer gemeinsamen Längsachse erstrecken - des Auslegers in einer gemeinsamen Ebene biegbar. Diese Konfiguration gewährleistet eine lineare Bewegung des losen Endes, d. h. der Spitze des Auslegers. Darüber hinaus stellt der mikroelektromechanische Antrieb die Möglichkeit eines unabhängigen Stapelns der aktiven Elemente bereit, wodurch ein hoher Freiheitsgrad beim Skalieren der erforderlichen Kraft und Verschiebung ermöglicht wird. Der Vorteil dieser Art von Stapelansatz besteht darin, dass derselbe ein Übertragen großer Kräfte auf den Zielkörper in höchst effizienter Weise ermöglicht. Außerdem sind zum Erhöhen der Flexibilität bei Gebrauch zumindest zwei elektrostatische Biegeaktuatoren des mikroelektromechanischen Antriebs in einem vorbestimmten Winkel zueinander angeordnet.
Mikroelektromechanischer Antrieb gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elektrostatischen Biegeaktuatoren in zumindest zwei elektrostatische Biegeaktuatoren gruppiert sind und der mikroelektromechanische Antrieb so konfiguriert ist, dass die elektrostatischen Biegeaktuatoren in einer Gruppe dahin gehend betätigt werden, dass dieselben ein gleichzeitiges Rückwärts - und Vorwärtsbiegen durchführen, und/oder elektrostatische Biegeaktuatoren aus unterschiedlichen Gruppen in phasenversetzter Weise betätigt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind alle Ausleger aller elektrostatischen Biegeaktuatoren zum Biegen in einer gemeinsamen Ebene konfiguriert. Anders gesagt können die elektrostatischen Biegeaktuatoren derart angeordnet sein, dass dieselben eine Kammkonfiguration des mikroelektromechanischen Antriebs ermöglichen. Bei dieser Konfiguration kann der mikroelektromechanische Antrieb große Kräfte auf einen Körper eines Zielobjekts auf höchst effiziente Weise übertragen, wodurch es möglich wird, schwerere und/oder größere Körper des Zielobjekts zu bewegen, z. B. wenn alle Ausleger der Kammkonfiguration gleichzeitig betätigt werden.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel des mikroelektromechanischen Antriebs sind die Ausleger aller elektrostatischen Biegeaktuatoren parallel zueinander angeordnet, so dass die Kontaktflächen der Ausleger dahin gehend angeordnet sind, dass dieselben eine Transportoberfläche des Objekts bilden. Um die Effektivität und Effizient des mikroelektromechanischen Antriebs zu erhöhen, der ein spezifisches Zielobjekt bewegt/transportiert, können die Form und/oder die Dimensionen der Ausleger des mikroelektromechanischen Antriebs angepasst werden - um einer Oberfläche des Zielobjekts zu entsprechen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Längserstreckung der zwei benachbarten aktiven Elemente gleich. Diese Konfiguration ermöglicht eine Verformung des Auslegers in eine S-Form, wodurch wieder eine lineare Bewegung des losen Endes, d. h. der Spitze, oder der Kontaktfläche an dem abgewandten des gestützten Endes des Auslegers gewährleistet wird.
Der mikroelektromechanische Antrieb gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist als Raupenantrieb realisiert. Aufgrund des hohen Freiheitsgrad des mikroelektromechanischen Antriebs und der Möglichkeit, den mikroelektromechanischen Antrieb dahin gehend zu steuern, dass derselbe Schrittaktionen durchführt, ist der mikroelektromechanische Antrieb dazu prädestiniert, in Form eines Raupenantriebs verwendet zu werden, der bei Verwendung hohe Flexibilität ermöglicht.
Da der Ausleger des elektrostatischen Biegeaktuators beziehungsweise der elektrostatischen Biegeaktuatoren des mikroelektromechanischen Antriebs mit einer Länge von 2 Mikrometer bis 280 Millimeter hergestellt werden kann, kann ein hoher Miniaturisierungsgrad, d. h. eine hohe Miniaturisierungsskalierung, erzielt werden. Die bevorzugten Längen von elektrostatischen Biegeaktuatoren für eine Verwendung gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung sind Längen von 10 Mikrometer bis 10 Millimeter. Um sowohl eine gute Kraftübertragung/-umsetzung als auch einen angemessenen Bewegungsabstand des losen Endes beziehungsweise der Kontaktfläche des Auslegers zu ermöglichen, beträgt eine bevorzugte Länge eines elektrostatischen Biegeaktuators ungefähr 600 µm.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Ausleger des elektrostatischen Biegeaktuators des mikroelektromechanischen Antriebs in einem Frequenzbereich von 5 kHz bis zu 100 MHz und mehr bewegt/betätigt werden, bevorzugter bei einer Frequenz von etwa 10 kHz. Abhängig von einer Bewegungsgeschwindigkeit und/oder einer Oberfläche des Zielobjekts kann die Frequenz einer Bewegung/Betätigung des mikroelektromechanischen Antriebs exakt und einfach gesteuert werden, um einen sicheren Kontakt zwischen der Kontaktfläche des mikroelektromechanischen Antriebs, d. h. der Kontaktfläche an dem losen Ende des Auslegers, zu ermöglichen, ohne weder die Kontaktfläche des mikroelektromechanischen Antriebs noch die Kontaktfläche/Oberfläche des Zielobjekts zu beschädigen, wodurch eine bestmögliche Kraftübertragung von dem mikroelektromechanischen Antrieb auf das zu bewegende Zielobjekt möglich ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der elektrostatische Biegeaktuator beziehungsweise sind die elektrostatische Biegeaktuatoren des mikroelektromechanischen Antriebs aus einem oder mehreren Materialen hergestellt, die aus kristallinem Silizium, TiAl, SiO₂, Al₂O₃ ausgewählt sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel verwendet der NED-basierte mikroelektromechanische Antrieb, z. B. ein Raupenantrieb, in einem Standardfall kristallines Silizium als Strukturmaterial, wodurch wesentlich größere Dicken erreicht werden können, was die Kraft-Verschiebung-Charakteristika stark verbessert. In den Fällen eines mikroelektromechanischen NED-Antriebs, der kristallines Silizium verwendet, ist auch die Lebensdauer des Geräts aufgrund der Einkristallinität des Strukturmaterials im Vergleich zu anderen Fällen, zum Beispiel einem Raupenantrieb auf Polysiliziumbasis, erhöht. Darüber hinaus nimmt ein mikroelektromechanischer NED-Antrieb im Vergleich zu einem piezoelektrischen Raupenantrieb weniger Fläche ein und ist in den meisten Fällen CMOS-kompatibel, was eine direkte Integrierung von Steuerschaltungsanordnung und Metallisierung in den Herstellungsprozess ermöglicht, wodurch die Miniaturisierung hochkomplexer Strukturen möglich wird.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist das gestützte Ende des Auslegers des mikroelektromechanischen Antriebs in einer festen Befestigung/einem Klemmlager gestützt. Aufgrund der festen Abstützung des Auslegers kann der mikroelektromechanische Antrieb lediglich in eine bestimmte Richtung gebogen werden, und bei Entlastung kann derselbe wieder in die Ausgangsposition zurückgebogen werden, was in einigen spezifischen Fällen beziehungsweise bei einigen spezifischen Anwendungen notwendig ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Feder dazu konfiguriert, bei Spannung aktiv und/oder passiv eine Rückstellkraft auszuüben. Die Federn können als passiv oder aktiv kategorisiert sein. Im Falle von passiven Federn erzeugen dieselben selbst keine Bewegung und verwenden passive Elemente.
Andererseits ist die Feder gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel so konfiguriert, dass dieselbe aktiv und/oder passiv eine Klemmkraft ausübt, indem die Kontaktfläche des Auslegers gegen oder in Richtung des Zielobjekts gedrückt wird. Eine aktive Feder kann eine Kraft und eine Bewegung entlang der Klemmrichtung erzeugen, zum Beispiel durch die Verwendung von NED-Strahlen als aktive Elemente. Ersteres kann bei elektrostatischer Klemmung und Letzteres bei mechanischer Klemmung verwendet werden. Im Falle einer Kombination von Klemmkräften kann eine aktive Feder verwendet werden.
Des Weiteren können gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mehrere Ausleger unterschiedlicher elektrostatischer Biegeaktuatoren gemeinschaftlich eine Feder gemäß der beabsichtigten Anwendung und Bedingung verwenden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn mehr als zwei elektrostatische Biegeaktuatoren kammartig angeordnet sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Kontaktfläche auf dem losen Ende des Auslegers eine Isolierschicht auf. Die Klemmoberfläche des Zielobjekts kann entweder metallisch sein oder eine leitfähige Beschichtung aufweisen. Die Isolationsschicht auf der Oberfläche der Kontaktfläche des Auslegers, d. h. dem elektrostatischen Biegeaktuator, kann abhängig von dem Entwurf ein dielektrisches Material oder ein Isolierfluid sein, das es ermöglicht, eine elektrostatische Kraft bei Kontakt der Kontaktfläche des elektrostatischen Biegeaktuators mit der Oberfläche des Zielobjekts beizubehalten. Die Isolationsschicht verhindert einen elektrischen Durchschlag während der Klemmung und reduziert die Gefahr einer elektrostatischen Haftreibung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Isolierschicht an dem losen Ende des Auslegers des elektrostatischen Biegeaktuators strukturiert. Das Ausführungsbeispiel führt eine weitere Möglichkeit ein, eine mechanische Verriegelung des Isolators zusammen mit der elektrostatischen Klemmung zu nutzen, um eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen. Einerseits reduziert die strukturierte Isolierschicht die Haftreibungsoberfläche, und andererseits ermöglicht die strukturierte Isolierschicht des Auslegers, die zum Beispiel aus Si besteht, eine hohe mechanische Stabilität und Resilienz, wodurch die Zuverlässigkeit der Kontaktfläche des elektrostatischen Biegeaktuators verbessert wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kontaktfläche des mikroelektromechanischen Antriebs beziehungsweise der elektrostatische Biegeaktuator desselben eine Antihaftreibungsbeschichtung auf. Das Festklemmen der Kontaktfläche auf der Oberfläche des bewegbaren Zielobjekts verfolgt zwei Ziele. Erstens, einen zuverlässigen Kontakt zum Bewegen des Zielobjekts herzustellen. Zweitens, dem elektrostatischen Biegeaktuator das Halten des Zielobjekts an Ort und Stelle zu ermöglichen, wodurch ein Taumeln verhindert und die Position desselben beibehalten wird. Die Kontaktflächen können mit einer Antihaftreibungsbeschichtung, z. B. einer Atomlagenabscheidungs-FDTS-Beschichtung beschichtet sein, um eine unbeabsichtigte Haftreibung zwischen den Kontaktoberflächen der Kontaktfläche des elektrostatische Biegeaktuators und der Oberfläche des Zielobjekts zu verhindern.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht das Material der Kontaktfläche des mikroelektromechanischen Antriebs aus Al₂O₃, SiO₂, HfO₂ und dergleichen. Das Material der Kontaktfläche kann auf die Oberfläche der Kontaktfläche des losen Endes des Auslegers des mikroelektromechanischen Antriebs gezüchtet oder abgeschieden sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Kontaktfläche des mikroelektromechanischen Antriebs eine vordefinierte Struktur auf, die zum Beispiel einen oder mehrere Vorsprünge aufweist, die die Struktur der Oberfläche des zu bewegenden Zielobjekts ergänzen. Die Kontaktfläche kann durchgehend oder unterbrochen sein. Dieselbe kann auch strukturiert sein, um eine mechanische Verriegelung in dem Material des Auslegers für eine bessere Stabilität und Robustheit zu ermöglichen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der mikroelektromechanische Antrieb dazu konfiguriert, Zielobjekte aus Feststoffen zu bewegen. Um eine effektive und effiziente Bewegung von Zielobjekten zu ermöglichen, hat das Zielobjekt eine steife und federnde Oberfläche, die mit der Kontaktfläche des mikroelektromechanischen Antriebs interagiert.
Der mikroelektromechanische Antrieb kann dazu verwendet werden, beliebige Objekte von nanoskopischer bis makroskopischer Größe, die innerhalb der Kraft-Verschiebung-Konfigurationen der elektrostatischen Biegeaktuatoren liegen, zu verschieben.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei:

1 ein schematisches Diagramm eines elektrostatischen Biegeaktuators gemäß Ausführungsbeispiel zeigt,
2 ein schematisches Diagramm eines elektrostatischen Biegeaktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Antriebs mit zwei aktiven Elementen in einem betätigten Zustand zeigt,
3 ein schematisches Diagramm eines elektrostatischen Biegeaktuators und eines zu bewegenden Zielobjekts gemäß einem Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Antriebs mit zwei aktiven Elementen in einem betätigten Zustand zeigt,
4a ein schematisches Diagramm einer Verwendung einer aktiven Feder gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt,
4b ein schematisches Diagramm von Kräften zeigt, die bei einer Bewegung des Zielobjekts gemäß einem Ausführungsbeispiel beteiligt sind,
5 einen Kraft-Verschiebung-Graphen für einen elektrostatischen Biegeaktuator eines mikroelektromechanischen Antriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt,
6a, 6b unterschiedliche Anordnungen von elektrostatischen Biegeaktuatoren eines mikroelektromechanischen Antriebs gemäß bevorzugten Ausführungsbeispiele zeigen,
7a-7c unterschiedliche Anordnungen eines mikroelektromechanischen Antriebs in Bezug auf ein zu bewegendes Objekt gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen zeigen,
8 eine Struktur einer Isolierschicht an der Kontaktfläche an dem losen Ende eines Auslegers eines mikroelektromechanischen Antriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt.

BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Gleiche oder äquivalente Elemente beziehungsweise Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktionalität werden in der folgenden Beschreibung durch gleiche oder äquivalente Bezugszeichen gekennzeichnet.
Verfahrensschritte, die mithilfe eines Blockdiagramms dargestellt und unter Bezugnahme auf das genannte schematische Diagramm beschrieben werden, können auch in einer anderen als der dargestellten und/oder beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Weiterhin können Verfahrensschritte, die ein bestimmtes Merkmal einer Vorrichtung betreffen, durch das genannte Merkmal der Vorrichtung ersetzt werden und umgekehrt.
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines elektrostatischen Biegeaktuators 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel, der einen mikroelektromechanischen Antrieb 1 bildet. Der elektrostatische Biegeaktuator 10 ist in Form eines gestützten Trägers, also eines Auslegers 2, gebildet. Der Ausleger 2 erstreckt sich in Längsrichtung/-erstreckung von einem gestützten Ende 5 zu einem losen Ende 6, das von dem gestützten Ende 5 des Auslegers 2 abgewandt ist. Das lose Ende 5 weist eine Kontaktfläche 7 zum Ineingriffnehmen eines Zielobjekts 20 auf. Gemäß dem Ausführungsbeispiel, das in 1 gezeigt ist, ist das gestützte Ende 5 des elektrostatischen Biegeaktuators 10, d. h. der Ausleger 2, in einem geführten Lager 12 gehalten, das lediglich eine Bewegung in Richtung der Längsachse 4 des Auslegers 2 zulässt, der in dem geführten Lager durch eine Feder 9 gehalten ist.
Andere Ausführungsbeispiele für das Stützen des gestützten Endes 5 des Auslegers 2 können feste Befestigungen wie beispielsweise ein Klemmlager aufweisen.
Der elektrostatische Biegeaktuator 10 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist ein erstes aktives Element 3 und das zweite aktive Element 8 auf, die sich benachbart zueinander entlang einer Längsachse 4 des Auslegers 2 befinden. Das erste aktive Element 3 weist einen ersten Schichtstapel auf, der einen ersten Kondensator 21 bildet, der versetzt zu einer Schwerpunktebene 4 positioniert ist, und einen zweiten Kondensator 22, der versetzt zu der Schwerpunktebene 4 positioniert ist, so dass die Schwerpunktebene 4 zwischen dem ersten Kondensator 21 und dem zweiten Kondensator 22 angeordnet ist. Das zweite aktive Element 8 weist einen zweiten Schichtstapel auf, der den dritten Kondensator 23, der versetzt zu der Schwerpunktebene 4 positioniert ist, und den vierten Kondensator 24 bildet, der versetzt zu der Schwerpunktebene 4 positioniert ist, so dass die Schwerpunktebene 4 zwischen dem ersten Kondensator 21 und dem dritten Kondensator 23 einerseits und dem zweiten Kondensator 22 und dem vierten Kondensator 24 andererseits angeordnet ist, wobei das erste aktive Element 3 und das zweite aktive Element 8 gegenseitig entlang der Längsachse 4 des Auslegers 2 versetzt sind. Die Längsachse 4 sowie die Position der Schwerpunktebene 4 sind in 1 durch eine gestrichelte Linie angegeben. Durch Anlegen einer Spannung an die Kondensatoren 21, 22, 23, 24 des ersten und zweiten aktiven Elementes 3, 8 kann der Ausleger 2 des elektrostatischen Biegeaktuators 10 bewegt werden - die Hubrichtung ist in 1 durch den Doppelpfeil angegeben.
Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann der elektrostatische Biegeaktuator 10 eines mikroelektromechanischen Antriebs 1 mehr als zwei aktive Elemente 3, 8 aufweisen, die entlang einer Längserstreckung des elektrostatischen Biegeaktuators 10 angeordnet sind. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann ein mikroelektromechanischer Antrieb 1 eine Vielzahl von elektrostatischen Biegeaktuatoren 10 aufweisen.
Das Ausführungsbeispiel des mikroelektromechanischen Antriebs 1 in 1 ermöglicht es dem Ausleger 2, Bewegungen durchzuführen, die einem herkömmlichen Raupenantrieb entsprechen. Zur Vereinfachung ist das Bewegungsprinzip eines Zielobjekts 20 unter Verwendung eines mikroelektromechanischen Antriebs 1 mit lediglich einem elektrostatischen Biegeaktuator 10 gezeigt.
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines elektrostatischen Biegeaktuators 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel mit zwei aktiven Elementen 3, 8 - z. B. das Ausführungsbeispiel in 1 - in einem betätigten Zustand - wobei die Hubrichtung des losen Endes 6 des Auslegers 2 durch den Doppelpfeil angezeigt ist. Der mikroelektromechanische Antrieb 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2 kann wie ein Raupenantrieb betrieben werden. Zwei aktive Elemente 3, 8 des mikroelektromechanischen Antriebs 1 erzeugen eine Kraft und einen Hub, um das Zielobjekt 20 zu bewegen. Dieser mikroelektromechanische Antrieb 1, z. B. ein Raupenantrieb, weist zwei aktive Elemente 3, 8 auf, die einen Ausleger 2 bilden. Der Ausleger 2 ist mit einer Feder 9 auf seinem gestützten Ende 5 verbunden, wobei das gestützte Ende 5 in einem geführten Lager 12 gehalten ist, was es dem Ausleger 2 ermöglicht, sich in einer Richtung seiner Längsachse 4 zu bewegen. Bei dieser Konfiguration biegt sich das erste aktive Element 3 nach oben, während das zweite aktive Element 8 sich nach unten biegt. Diese Konfiguration resultiert in einer linearen Bewegung des losen Endes 6, das sich abgewandt von dem gestützten Ende 5 des Auslegers 2 zu dem spitzen/losen Ende des aktiven Elements 8 befindet. Die Anzahl der Elemente und die Länge L des Auslegers 2 bewirken einen maximalen Hub und eine Sperrkraft sowie eine Resonanzfrequenz des Trägers. Die Sperrkraft hat eine umgekehrte Beziehung zu der Länge des Trägers (∝ 1/L), der maximale Hub hat eine direkte Beziehung zu der Länge (∝ L^2), und die Resonanzfrequenz ist proportional zu √(1/L^3), wobei L die Länge des Auslegers 2 ist. Das lose Ende 6 des Auslegers 2 des mikroelektromechanischen Antriebs 1 weist eine Kontaktfläche 7 auf, die eine Oberfläche 27 eines zu bewegenden Zielobjekts 20 berührt, d. h. festklemmt.
Das Festklemmen des elektrostatischen Biegeaktuators 10 auf der Oberfläche/dem Körper des bewegbaren Zielobjekts 20 verfolgt zwei Ziele. Erstens, einen zuverlässigen Kontakt zum Bewegen des Zielobjekts 20 herzustellen. Zweitens, den elektrostatischen Biegeaktuatoren 10 das Halten des Zielobjekts 20 an Ort und Stelle zu ermöglichen, wodurch ein Taumeln verhindert und die Position desselben beibehalten wird. Außerdem können die Kontaktoberflächen 7, 27 mit einer Antihaftreibungsbeschichtung, z. B. einer Atomlagenabscheidungs-FDTS-Beschichtung, beschichtet sein, um eine unbeabsichtigte Haftreibung zwischen den Kontaktoberflächen der Kontaktfläche 7 und der Oberfläche 27 des Zielobjekts 20 zu verhindern. Um einen elektrostatischen Biegeaktuator 10 auf der Oberfläche des Zielobjekts 20 festzuklemmen, können unterschiedliche Klemmansätze implementiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann elektrostatische Kraft verwendet werden, um die Kontaktfläche 7 des losen Endes 6 des Auslegers 2 des elektrostatischen Biegeaktuators 10 an der Oberfläche 27 des Zielobjekts 20 festzuklemmen.
3 zeigt ein schematisches Diagramm eines elektrostatischen Biegeaktuators 10 und eines zu bewegenden Zielobjekts 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Antriebs 1, z. B. eines Raupenantriebs, mit aktiven Elementen 3, 8 in einem betätigten Zustand. Durch Erzeugen einer Spannungs(V)-Differenz zwischen der Kontaktfläche 7 des losen Endes 6 des Auslegers 2 und der Oberfläche 27 des Klemmziels wird der elektrostatische Biegeaktuator 10 an das Zielobjekt 20 angezogen und auf dessen Oberfläche 27 festgeklemmt. Die Feder 9 ermöglicht die Bewegung des elektrostatischen Biegeaktuators 10, um ein Festklemmen zu erzielen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel hängt der Betrag der Spannungs(V)-Differenz von den verwendeten Federn, der elektrischen Isolationsschicht I auf der Kontaktfläche 7 und/oder der Oberfläche 27 und dem Abstand zwischen den zwei Oberflächen 7, 27 ab. 3 stellt die unterschiedlichen Komponenten dar, die an der elektrostatischen Klemmung beteiligt sind.
Die Feder kann jede geeignete Form aufweisen, beispielsweise eine fest fixierte Biegung, Schlangenfedern usw. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel können viele elektrostatische Biegeaktuatoren 10 gemeinschaftlich eine Feder 9 verwenden, abhängig von der beabsichtigten Anwendung und Konstruktion. Die Klemmoberfläche 27 kann entweder metallisch sein oder eine leitfähige Beschichtung aufweisen. Eine Isolationsschicht I kann auf beiden Oberflächen 7, 27 oder lediglich auf einer derselben vorhanden sein. Die Isolationsschicht I kann je nach Konstruktion ein dielektrisches Material oder ein Isolierfluid sein, was es ermöglicht, die elektrostatische Kraft bei Kontakt des Kontaktteils des elektrostatischen Biegeaktuators 10, d. h. der Kontaktfläche 7, mit der Zielfläche 27 aufrechtzuerhalten. Die Isolationsschicht 1 verhindert einen elektrischen Durchschlag während der Klemmung und reduziert die Wahrscheinlichkeit einer elektrostatischen Haftreibung. Sie kann auf der Oberfläche 27 gezüchtet oder auf derselben abgeschieden sein, einige Beispiele sind Al₂O₂, SiO₂, HfO₂ usw. Die Isolationsschicht I kann durchgehend oder unterbrochen sein. Sie kann auch so strukturiert sein, dass sie eine mechanische Verriegelung in z. B. Silizium aufweist, für eine bessere Stabilität und Robustheit wie in 8 gezeigt. Das Strukturmaterial, das für den Ausleger 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet ist, kann kristallines Silizium sein. Kristallines Silizium ist leicht zu verarbeiten und darüber hinaus CMOS-kompatibel.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Isolierschicht außerdem auf bestimmte Weise strukturiert sein, wie beispielsweise in 8 gezeigt ist, da es entscheidend ist, die Gefahr von Haftreibung zu verringern und gleichzeitig die mechanische Stabilität der Isolierschicht effektiv zu erhalten. Die Haftreibung ist ein bekanntes Problem und eine Zuverlässigkeitsfrage für kontaktbasierte mikroelektromechanische Antriebe 1, insbesondere im Fall von Antrieben, die eine elektrostatische Klemmung verwenden. Da die Isolierschicht in nicht durchgehender Weise strukturiert sein kann, reduziert sie die Gefahr von Haftreibung. Einerseits reduziert die strukturierte Isolierschicht die Haftreibungsoberfläche und andererseits ermöglicht die strukturierte Isolierschicht des Auslegers 2, die zum Beispiel aus Si besteht, eine hohe mechanische Stabilität und Resilienz, wodurch die Zuverlässigkeit der Kontaktfläche des elektrostatischen Biegeaktuators 10 verbessert wird. Darüber hinaus besteht bei elektrostatischen Biegeaktuatoren von mikroelektromechanischen Antrieben 1, z. B. Raupenantrieben, die Möglichkeit, bei Bedarf Antihaftreibungsbeschichtungen zu verwenden, um die Gefahr von Haftreibung erforderlichenfalls weiter zu reduzieren.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann mechanische Kraft verwendet werden, um die Kontaktfläche 7 des losen Endes 6 des Auslegers 2 des elektrostatischen Biegeaktuators 10 an die Oberfläche 27 des Zielobjekts 20 festzuklemmen. In diesem Fall ist der elektrostatische Biegeaktuator 10 auf der Oberfläche 27 des Zielobjekts 20 festgeklemmt, indem der Hub und die mechanische Kraft genutzt werden, die durch aktive Federn 9 erzeugt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt 4(a), dass die aktive Feder 9 NED-Träger als Fall eines aktiven Elements verwenden kann, jedoch auch durch andere Betätigungsschemata wie beispielsweise elektrostatische Betätigung, piezoelektrische Betätigung, thermische Betätigung usw. implementiert sein könnte. Die Anzahl der NED-Träger, die bei der aktiven Feder 9 verwendet werden, ist von der erforderlichen Klemmkraft FN abhängig. Außerdem könnte jede aktive Feder 9 mit mehreren aktiven Elementen verbunden sein. Wie in 4(b) gezeigt ist, sollte die Klemmkraft FN zumindest hoch genug sein, um ein Gleiten - angezeigt durch den Haftreibungskoeffizienten µ_f - des elektrostatischen Biegeaktuators 10 auf der Klemmoberfläche 27 aufgrund der durch den elektrostatischen Biegeaktuator 10 des mikroelektromechanischen Antriebs 1 erzeugten Kraft FN, FBL zu verhindern. Dies ist folglich von der Kraft, z. B. den Hubkräften FBL, abhängig, die durch mikroelektromechanischen Antrieb 1, d. h. den auf der Oberfläche 27 festgeklemmten elektrostatischen Biegeaktuator 10, erzeugt wird, sowie von dem Reibungskoeffizienten µ_f.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel können mechanische und elektrische Kräfte kombiniert werden, um die Kontaktfläche 7 des losen Endes 6 des Auslegers 2 des elektrostatischen Biegeaktuators 10 an die Oberfläche 27 des Zielobjekts 20 festzuklemmen. In diesem Fall wird eine elektrostatische Klemmung aufgrund einer Spannung V von der Kraft FN aktiver Federn für die mechanische Klemmung begleitet. Ein Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass ein Zwischenraum zwischen der Kontaktfläche 7 des elektrostatischen Biegeaktuators 10 und der Oberfläche 27 des Zielobjekts 20 überwunden werden kann. Um den Vorteil dieses Ansatzes zu verstehen, ist festzustellen, dass die elektrostatische Kraft um das Quadrat eines Abstands zwischen den zwei Oberflächen 7, 27 fällt. Andererseits könnte aufgrund von Fabrikations- oder Systemzusammenbaufehlern, die zum Zeitpunkt der Integration des mikroelektromechanischen Antriebs 1, z. B. Raupenantriebs, in eine Ausrüstung oder ein Gerät, auftreten könnten, der Abstand zu groß werden, dass eine elektrostatische Kraft für die konzipierte Spannung V voll wirksam werden kann. Durch Verwenden von aktiven Federn 9 kann diesem Fehler entgegengewirkt werden, wodurch der mikroelektromechanische Antrieb 1 resilienter gegenüber Ausrichtungsfehlern wird.
Um eine Bewegung eines elektrostatischen Biegeaktuators 10 des mikroelektromechanischen Antriebs 1 zum Festklemmen auf der Oberfläche 27 des Zielobjekts 20 unter Verwenden von elektrostatischer oder mechanischer Kraft zu ermöglichen, wird eine Feder 9 verwendet. Basierend auf der beabsichtigten Anwendung kann die Feder 9 eine beliebige geeignete Form aufweisen, beispielsweise eine fest fixierte Biegung, Schlangenfedern usw. Die Federn können als passiv oder aktiv kategorisiert sein. Im Falle von passiven Federn 9 erzeugen diese selbst keine Bewegung und verwenden passive Elemente. Andererseits kann eine aktive Feder 9 eine Kraft und Bewegung entlang der Klemmrichtung erzeugen, indem beispielsweise NED-Träger als aktive Elemente verwendet werden. Ersteres wird bei der elektrostatischen Klemmung verwendet und Letzteres bei der mechanischen Klemmung. Im Falle einer Kombination von Klemmkräften FN und V wird eine aktive Feder 9 verwendet. Darüber hinaus können mehrere elektrostatische Biegeaktuatoren 10 des mikroelektromechanischen Antriebs 1 gemeinschaftlich eine Feder 9 gemäß der beabsichtigten Anwendung und Bedingung verwenden, z. B. in einer Kammkonfiguration einer Vielzahl von elektrostatischen Biegeaktuatoren, die parallel zueinander angeordnet sind.
Zum Bewegen des Zielobjekts 20 kann man sich entweder auf eine aktive Kraft verlassen, die durch die elektrostatische Kraft FBL in einem elektrostatischen Biegeaktuator (10) erzeugt wird, wenn d abgelenkt wird, oder auf die Rückstellkraft -FBL, die der aktiven Kraft nach Ausschalten der Betätigungskraft in dem elektrostatischen Biegeaktuator (10) entgegenwirkt. In beiden Fällen ist die Amplitude der Kraft FBL dieselbe und die Richtung ist unterschiedlich. Dies ist in dem Kraft-Verschiebung-Graphen in 5 für einen standardmäßigen elektrostatischen Biegeaktuator (10) auf NED-Basis gezeigt, wobei d die Ablenkung/Bewegung des losen Endes angibt. Da der hier vorgestellte mikroelektromechanische Antrieb 1, z. B. Raupenantrieb, mehr als einen elektrostatischen Biegeaktuator (10) aufweisen kann, kann jedes Element oder jede Gruppe von Elementen einzeln gesteuert werden, und es kann eine Kombination der aktiven und rückstellenden Kräfte verwendet werden. Anders gesagt können einige elektrostatische Biegeaktuatoren (10) sich im Modus der aktiven Kraft befinden, während einige andere Elemente sich im Modus der Rückstellkraft befinden können. Die Rückstellkraft des elektrostatischen Biegeaktuators (10) kann ausgenutzt werden, um das Zielobjekt während und/oder nach jedem Bewegungsschritt zu beschleunigen oder zu verlangsamen. Das Verlangsamen kann zum Stabilisieren des Systems genutzt werden. Beispielsweise kann, nachdem das Zielobjekt eine bestimmte Geschwindigkeit oder Bewegungsgröße erreicht hat, die Betätigungskraft in den elektrostatischen Biegeaktuatoren (10) ausgeschaltet werden, um die entsprechende Rückstellkraft zum Stoppen des sich bewegenden Zielobjekts 20 zu verwenden.
Wie in 6 dargestellt ist, können die elektrostatischen Biegeaktuatoren (10) linear (a) angeordnet sein, um eine lineare Bewegung zu erzielen, oder können in einem kreisförmigen Muster angeordnet sein, um eine Drehbewegung (b) abhängig von dem Zielkörper zu erzielen. Eine Kombination aus linearen Anordnungen, kreisförmigen Anordnungen oder beidem kann ebenfalls verwendet werden, um ein- oder mehrdirektionale Bewegungen wie beispielsweise 2D-Bewegungen, 3D-Bewegungen, Winkelbewegungen, rotatorische Bewegungen usw. zu erzeugen. Beispiele für einige solcher möglichen Fälle sind in 6 gezeigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die elektrostatischen Biegeaktuatoren (10) auf effizientere und effektivere Weise um ein kreisförmiges Rad herum angeordnet werden, wodurch eine stärkere Kraft erzielt wird und außerdem eine präzisere Steuerung eines rotierenden Körpers möglich ist.
Alternativ kann der Bewegungsweg des Zielkörpers so gestaltet sein, dass lediglich eine lineare, eine drehende oder eine gewünschte multidirektionale Bewegung möglich ist.
Beispiele für einige derartige Fälle sind in 7(a, b, c) gezeigt. 7(a) zeigt bei einem Ausführungsbeispiel einen kreisförmigen Zielkörper mit einer Anordnung von elektrostatischen Biegeaktuatoren (10) in einem Abstand von 90 Grad, wodurch eine kreisförmige Bewegung in der Ebene ermöglicht wird. 7(b) zeigt einen kreisförmigen Zielkörper ähnlich wie in 7(a), jedoch mit Gewinden auf der zylindrischen Oberfläche, um eine schraubenförmige Bewegung außerhalb der Ebene zu ermöglichen. Es ist anzumerken, dass auch eine Nicht-Drehbewegung außerhalb der Ebene erzielt werden könnte, in welchem Falle die Gewinde auf dem Zielkörper nicht erforderlich sind. 7(c) stellt einen Zielkörper dar, der eine lineare 0°-, 45°- und 90°-Bewegung in der Ebene ermöglicht. Ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung von elektrostatischen Biegeaktuatoren (10) ist ebenfalls gezeigt.
Die elektrostatischen Biegeaktuatoren (10) können auch dazu konzipiert sein, dieselben in der Ebene, außerhalb der Ebene oder in beiden Richtungen abzulenken, so dass ein- oder mehrdirektionale Bewegungen möglich sind, die direkt auf der Ablenkungsbewegung der elektrostatischen Biegeaktuatoren (10) basieren und nicht nur auf deren Anordnung oder der Anordnung des Bewegungswegs des Zielkörpers. Eine Kombination aus allen dreien ist immer möglich.
Obwohl diese Offenbarung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinne verstanden werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsbeispiele sowie andere Ausführungsbeispiele dieser Offenbarung werden für Fachleute auf dem Gebiet bei Bezugnahme auf die Beschreibung offensichtlich sein. Es ist daher beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen oder Ausführungsbeispiele umfassen.
Referenzen

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Bezugszeichenliste

1: mikroelektromechanischer Antrieb
2: Ausleger
3: erstes aktives Element
4: Längsachse/Position der Schwerpunktebene
5: gestütztes Ende (des Auslegers)
6: loses Ende (des Auslegers)
7: Kontaktfläche
8: zweites aktives Element
9: Feder
10: elektrostatischer Biegeaktuator
11: Isolierschicht
12: geführtes Lager
20: Zielobjekt
27: Oberfläche des Zielobjekts
V: Spannung
d: Ablenkung/Bewegung
FN: normale Klemmkraft, die auf die Oberfläche eines Zielobjekts ausgeübt wird
FBL: Hubkraft eines elektrostatischen Biegeaktuators
µf: Haftreibungskoeffizient
I: Isolationsschicht

Claims

Mikroelektromechanischer Antrieb (1) zum Bewegen eines Objekts, der elektrostatische Biegeaktuatoren (10) aufweist, wobei jeder elektrostatische Biegeaktuator (10) einen Ausleger (2) aufweist, der zumindest ein aktives Element (3) aufweist, das einen Schichtstapel aufweist, der zumindest einen Kondensator bildet, der versetzt zu einer Schwerpunktebene (4) des Auslegers (2) positioniert ist, die entlang einer Längsachse (4) des Auslegers (2) von einem gestützten Ende (5) des Auslegers (2) zu einem losen Ende (6) verläuft, das von dem gestützten Ende (5) des Auslegers (2) abgewandt ist und das eine Kontaktfläche (7) zum Ineingriffnehmen des Objekts aufweist, wobei das gestützte Ende des Auslegers (2) in einem geführten Lager (12) gehalten ist, was eine Verschiebung in Richtung einer Längsachse (4) des Auslegers (2) ermöglicht, und wobei das gestützte Ende (5) des Auslegers (2) an einer Feder angebracht ist.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß Anspruch 1, wobei der Schichtstapel einen ersten Kondensator bildet, der versetzt zu der Schwerpunktebene (4) des Auslegers (2) positioniert ist, und einen zweiten Kondensator, der versetzt zu der Schwerpunktebene (4) positioniert ist, so dass die Schwerpunktebene (4) zwischen dem ersten und zweiten Kondensator (21, 22) angeordnet ist.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, wobei jeder elektrostatische Biegeaktuator (10) einen Ausleger (2) aufweist, der Folgendes aufweist: zumindest ein erstes aktives Element (3), das einen ersten Schichtstapel aufweist, der einen ersten Kondensator (21) bildet, der versetzt zu einer Schwerpunktebene (4) des Auslegers (2) positioniert ist, die entlang einer Längsachse (4) des Auslegers (2) von einem gestützten Ende (5) des Auslegers (2) zu dem losen Ende (6) des Auslegers (2) verläuft, das eine Kontaktfläche (7) zum Ineingriffnehmen des Objekts aufweist, und einen zweiten Kondensator (22), der versetzt zu der Schwerpunktebene (4) positioniert ist, so dass die Schwerpunktebene (4) zwischen dem ersten und zweiten Kondensator (21, 22) angeordnet ist, und zumindest ein zweites aktives Element (8), das einen zweiten Schichtstapel aufweist, der einen dritten Kondensator (23) bildet, der versetzt zu der Schwerpunktebene (4) positioniert ist, und einen vierten Kondensator (24), der versetzt zu der Schwerpunktebene (4) positioniert ist, so dass die Schwerpunktebene (4) zwischen dem ersten und dritten Kondensator (21, 23) einerseits und dem zweiten und vierten Kondensator (22, 24) andererseits angeordnet ist, wobei das zumindest eine erste und das zumindest eine zweite aktive Element (3, 8) gegenseitig entlang der Längsachse (4) des Auslegers (2) versetzt sind, und wobei das zumindest eine erste und das zumindest eine zweite Element (3, 8) sich umgekehrt so biegen, dass der Ausleger (2) in Richtung von entgegengesetzten Enden der Schwerpunktebene (4) innerhalb des zumindest einen ersten Elements (3) einerseits und des zumindest einen zweiten Elements (8) andererseits gebogen ist.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß Anspruch 3, wobei alle aktiven Elemente des Auslegers (2) in einer gemeinsamen Ebene biegbar sind.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrostatischen Biegeaktuatoren (10) in zumindest zwei elektrostatische Biegeaktuatoren (10) gruppiert sind und der mikroelektromechanische Antrieb (1) so konfiguriert ist, dass die elektrostatischen Biegeaktuatoren (10) in einer Gruppe dahin gehend betätigt werden, dass dieselben ein gleichzeitiges Rückwärts - und Vorwärtsbiegen durchführen, und/oder elektrostatische Biegeaktuatoren (10) aus unterschiedlichen Gruppen in phasenversetzter Weise betätigt werden.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausleger (2) aller elektrostatischen Biegeaktuatoren (10) zum Biegen in einer gemeinsamen Ebene konfiguriert sind.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausleger (2) aller elektrostatischen Biegeaktuatoren (10) parallel zueinander angeordnet sind, so dass die Kontaktflächen (5) der Ausleger (2) dahin gehend angeordnet sind, dass dieselben eine Transportoberfläche des Objekts bilden.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7, wobei eine Längserstreckung von zwei benachbarten aktiven Elementen (3, 8) gleich ist.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mikroelektromechanische Antrieb (1) ein Raupenantrieb ist.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ausleger (2) der elektrostatischen Biegeaktuatoren (10) eine Länge von 2 Mikrometer bis 280 Millimeter aufweist, bevorzugt eine Länge von 10 Mikrometer bis 10 Millimeter oder noch bevorzugter eine Länge von 600 Mikrometer.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ausleger (2) der elektrostatischen Biegeaktuatoren (10) in einem Frequenzbereich von 5 kHz bis zu 100 MHz bewegt werden kann, bevorzugter bei einer Frequenz von etwa 10 kHz.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrostatische Biegeaktuator aus einem oder mehreren Metallpolymermaterialien und/oder CMOS-kompatiblen Materialien hergestellt ist, bevorzugt aus Materialien, die ausgewählt sind aus kristallinem Si, TiAl, SiO₂, Al₂O₃.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gestützte Ende (5) des Auslegers (2) in einer festen Befestigung, insbesondere einem Klemmlager, gehalten ist.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder dazu konfiguriert ist, bei Beanspruchung aktiv und/oder passiv eine Rückstellkraft auszuüben.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder dazu konfiguriert ist, eine Klemmkraft aktiv und/oder passiv auszuüben, indem die Kontaktfläche (7) des Auslegers (2) gegen das Zielobjekt gedrückt wird.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei zumindest zwei elektrostatische Biegeaktuatoren (10) gemeinschaftlich dieselbe Feder (9) verwenden.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktfläche (5) eine Isolierschicht (11) aufweist.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß Anspruch 17, wobei die Isolierschicht (11) in der Kontaktfläche (5) an dem losen Ende (6) des Auslegers (2) strukturiert ist.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktfläche (5) eine Antihaftreibungsbeschichtung aufweist.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Material der Kontaktfläche (7) aus einem oder mehreren Metallpolymermaterialien und/oder CMOS-kompatiblen Materialien hergestellt ist, bevorzugt aus Materialien, die ausgewählt sind aus kristallinem Si, Al₂O₃, SiO₂, HfO₂.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktfläche (7) eine vordefinierte Struktur aufweist.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktflächen (7) jedes der Ausleger (2) der elektrostatischen Biegeaktuatoren (10) eine gekrümmte Oberfläche definieren.
Mikroelektromechanischer Antrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mikroelektromechanische Antrieb (1) dazu konfiguriert ist, Zielobjekte aus Feststoffen zu bewegen.