DE60309699T2

DE60309699T2 - Ein bewegbares mikroelektronisches gerät

Info

Publication number: DE60309699T2
Application number: DE60309699T
Authority: DE
Inventors: Robert G. Palo Alto WALMSLEY; Donald J. Corvallis MILLIGAN
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: DE60309699D1; US6882019B2; EP1508142B1; WO2003100778A1; TW200306944A; JP2005527929A; CN1656549A; US20030222430A1; AU2003234674A1; TWI310020B; CN1656549B; JP4275066B2; EP1508142A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Mikroelektromechanische (MEMS-) Vorrichtungen, die Komponenten aufweisen, die dahin gehend konfiguriert sind, sich relativ zueinander zu bewegen, sind hinreichend bekannt. Ein Beispiel eines derartigen beweglichen Systems ist eine Computerspeicherungsvorrichtung, die einen Rahmen, eine Bewegungsvorrichtung und eine mechanische Aufhängung, die den Rahmen und die Bewegungsvorrichtung miteinander verbindet, aufweist. Üblicherweise hält die mechanische Aufhängung die Bewegungsvorrichtung relativ zu dem Rahmen und ermöglicht, dass zwischen der Bewegungsvorrichtung und dem Rahmen eine relative Bewegung erfolgt. Eine relative Bewegung wird erzielt, indem eine Kraft auf den Rahmen und/oder die Bewegungsvorrichtung ausgeübt wird. In vielen Fällen wird die ausgeübte Kraft durch ein Betätigungsglied geliefert, z. B. einen an dem Rahmen angeordneten elektrostatischen Antrieb. Üblicherweise umfasst die mechanische Aufhängung Biegungsstrukturen, die als Biegevorrichtungen bezeichnet werden und die federähnliche Charakteristika aufweisen. Wenn eine Betätigungskraft ausgeübt wird, wird die Bewegungsvorrichtung aus einer Ruhe- oder Gleichgewichtsposition relativ zu dem Rahmen verschoben. Wenn die Betätigungskraft beseitigt wird, zwingen die Biegevorrichtungen die Bewegungsvorrichtung, zu der Ruheposition zurückzukehren. Bei Datenspeicherungsanwendungen ist die Bewegungsvorrichtung oft mit einer Anzahl von Datenspeicherungsplätzen versehen, die über einen Betrieb einer an dem Rahmen befindlichen Lese-/Schreibvorrichtung zugänglich sind. Ein Zugreifen auf einen bestimmten Speicherplatz kann dadurch bewerkstelligt werden, dass die Bewegungsvorrichtung auf gesteuerte Weise mittels eines Betriebs eines elektrostatischen Antriebs relativ zu dem Rahmen verschoben wird. Ein effektiver Betrieb der Speicherungsvorrichtung hängt von der Fähigkeit ab, die zwischen dem Rahmen und der Bewegungsvorrichtung auftretende relative Bewegung präzise zu steuern und zu überwachen. In vielen Fällen beeinflusst die Konfiguration der mechanischen Aufhängung stark die Fähigkeit, diese relative Position präzise zu steuern und zu überwachen. Derartige Vorrichtungen sind aus der EP-A-0763881 und der EP-A-0734017 bekannt.
Demgemäß ist es oft wünschenswert, eine relative Bewegung einzudämmen, so dass die sich bewegenden Komponenten davon abgehalten werden, sich in einer bestimmten Richtung oder in bestimmten Richtungen zu bewegen. Beispielsweise kann das System dahin gehend konfiguriert sein, eine relative Bewegung lediglich entlang einer Achse zu ermöglichen. Bei der oben erörterten Datenspeicherungssituation ermöglicht die Aufhängung üblicherweise, dass sich die Bewegungsvorrichtung innerhalb einer Ebene (z. B, der X-Y-Ebene) bewegt, verhindert jedoch, dass sie sich in einer nichtplanaren Richtung (entlang der Z-Achse) bewegt. Diese Vorrichtungen auf eine planare Bewegung zu beschränken, wird oft durch die oben erörterten Biegevorrichtungen erzielt, so dass sie sich lediglich in bestimmten Richtungen biegen. Derartige Biegevorrichtungen werden oft in Bezug auf ihre Steifheit (Biegewiderstand) in einer gegebenen Richtung beschrieben. Beispielsweise wird ein Biegevorrichtungssystem, das dahin gehend konfiguriert ist, eine X-Y-planare Bewegung zu ermöglichen und gleichzeitig eine außerplanare Z-Achsenbewegung zu verhindern, als eine relativ niedrige X-Y-Steifheit und eine relativ hohe Z-Achsen-Steifheit aufweisend bezeichnet.
Vorhandene Computerspeicherungs- und andere MEMS-Vorrichtungen weisen verschiedene Probleme und Begrenzungen auf, die mit der zum Miteinanderverbinden der beweglichen Komponenten verwendeten mechanischen Aufhängung zusammenhängen. Die meisten Computerspeicherungsvorrichtungen vom planaren Typ ermöglichen, dass ein gewisses Maß einer nicht-planaren Bewegung erfolgt. In Bezug auf die Steifheit wird eine derartige Vorrichtung als eine relativ hohe, jedoch nicht unendliche Z-Achsensteifheit (nicht-planare Steifheit) aufweisend beschrieben. Eine Unzulänglichkeit vieler MEMS-Computerspeicherungsvorrichtungen besteht darin, dass die nicht-planare Steifheit mit einer Verschiebung der Bewegungsvorrichtung relativ zu dem Rahmen beträchtlich variiert. Im Einzelnen nimmt die nicht-planare Steifheit in diesen Vorrichtungen tendenziell beträchtlich ab, je weiter die Bewegungsvorrichtung von der Ruheposition verschoben wird. Die großen Schwankungen bei der nichtplanaren Steifheit können den Entwurf der Vorrichtung beträchtlich verkomplizieren, da es üblicherweise wünschenswert ist, Steifheitsschwankungen zu kompensieren. Schwankungen der planaren Steifheit sind eine weitere Unzulänglichkeit vieler existierender Vorrichtungen. Insbesondere nimmt die planare Steifheit der mechanischen Aufhängung bei vielen MEMS-Vorrichtungen beträchtlich zu, je weiter die Bewegungsvorrichtung von der Ruheposition verschoben wird. Folglich muss das Betätigungsglied, wenn die Bewegungsvorrichtung weiter von der Ruheposition verschoben wird, eine größere Kraft ausüben, um dieselbe relative Veränderung der Verschiebung zu bewirken. Wie bei dem zuvor beschriebenen Problem kann das positionsabhängige Verhalten der mechanischen Aufhängung den Entwurf der MEMS-Vorrichtung und verwandter Systeme beträchtlich verkomplizieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine bewegliche Vorrichtung gemäß der Definition in den beigefügten Patentansprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Seitenansicht eines beweglichen Systems.
2 ist eine schematische Draufsicht auf ein bewegliches System.
3A, sind schematische Teilansichten des beweglichen 3B und Systems der 1, die die Aufhängungsanordnung 3C zuerst in einer Ruheposition (3A) und anschließend in der X- (3B) und der Y- (3C) Richtung von der Ruheposition verschoben zeigen.
4 ist eine isometrische Teilansicht einer Biegevorrichtung, die bei den beweglichen Systemen eingesetzt werden kann.
5A ist eine Draufsicht auf eine Doppelfaltungs-Biegevorrichtungskonfiguration, die bei beweglichen Systemen eingesetzt werden kann.
5B ist eine Draufsicht auf die Doppelfaltungs-Biegevorrichtungskonfiguration der 5A, die relativ zu einer Ruheposition in der Y-Richtung verschoben gezeigt ist.
6A ist eine Draufsicht auf eine mechanische Aufhängungseinheit, die bei beweglichen Systemen eingesetzt werden kann.
6B ist eine Draufsicht auf ein bewegliches System, das eine Mehrzahl von Aufhängungseinheiten wie die in 6A gezeigte umfasst.
7A ist eine Draufsicht auf eine weitere mechanische Aufhängungseinheit, die bei beweglichen Systemen eingesetzt werden kann.
7B ist eine Draufsicht auf ein bewegliches System, das eine Mehrzahl von Aufhängungseinheiten wie die in 7A gezeigte umfasst.
8A ist eine Draufsicht auf eine wieder. andere mechanische Aufhängungseinheit, die bei beweglichen Systemen eingesetzt werden kann.
8B ist eine Draufsicht auf ein bewegliches System, das eine Mehrzahl von Aufhängungseinheiten wie die in 8A gezeigte umfasst.
9 ist eine Draufsicht auf ein bewegliches System.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Die vorliegenden Ausführungsbeispiele der Erfindung sind auf mikroelektromechanische (MEMS-) Vorrichtungen und andere bewegliche Systeme gerichtet, die eine verbesserte mechanische Aufhängung aufweisen, die dahin gehend konfiguriert ist, Systemkomponenten, die sich relativ zueinander bewegen, miteinander zu verbinden. Die hierin beschriebenen beweglichen Systeme können in einer Vielzahl von Situationen verwendet werden, haben sich jedoch in sehr kleinen Computerspeicherungsvorrichtungen als besonders nützlich erwiesen. Lediglich zu Veranschaulichungszwecken werden die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele des beweglichen Systems vorwiegend im Kontext einer eine hohe Dichte aufweisenden MEMS-Computerspeicherungsvorrichtung erörtert.
1 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht einer Computerspeicherungsvorrichtung 10, die eine mechanische Aufhängung umfasst. Die Vorrichtung 10 besteht üblicherweise aus einem Halbleitermaterial und kann unter Verwendung verschiedener Herstellungstechniken gebildet werden, einschließlich eines Siliziumwaferbondens und eines tiefen reaktiven Ionenätzens. Die Vorrichtung 10 umfasst einen Rahmen 12, der eine obere Schicht 14, eine mittlere Schicht 16 und eine untere Schicht 18 aufweist. Die mittlere Schicht 16, die auch als Bewegungsvorrichtungsschicht bezeichnet wird, ist mit einer Bewegungsvorrichtung 20 verbunden, die zwischen der oberen Schicht 14 und der unteren Schicht 18 mechanisch aufgehängt ist. Die Schichten 14, 16 und 18 sind üblicherweise planar und parallel zueinander angeordnet.
Die Bewegungsvorrichtung 20 kann mit einer Mehrzahl von Datenspeicherungsplätzen versehen sein, die durch einen Betrieb einer Lese-/Schreibvorrichtung oder einer ähnlichen Vorrichtung, die an dem Rahmen 12 befestigt ist, zugänglich sind. Die Bewegungsvorrichtung 20 ist üblicherweise dahin gehend konfiguriert, sich relativ zu dem Rahmen 12 zu bewegen, so dass Daten in spezifische Speicherungsplätze geschrieben und aus spezifischen Speicherungsplätzen gelesen werden können. Unter spezieller Bezugnahme auf die Figur kann die Bewegungsvorrichtung 20 eine oder mehrere Datenspeicherungsplätze 22 umfassen. Unter Verwendung von Lese-/Schreibköpfen 24 bzw. Emittern, die an der oberen Schicht 14 des Rahmens 12 befestigt sind, können Daten aus den Speicherungsplätzen 22 gelesen und in dieselben geschrieben werden. Ein Zugreifen auf einen spezifischen Speicherungsplatz umfasst üblicherweise ein Verschieben der Bewegungsvorrichtung 20 in der X- und/oder Y-Richtung aus einer Ruheposition, relativ zu dem Rahmen 12. Lediglich zu Veranschaulichungszwecken und der Übersichtlichkeit halber umfassen 1 und verschiedene andere zu beschreibende Figuren rechteckige Koordinatenachsen. Diese Achsen sind willkürlich, und man sollte sich darüber im Klaren sein, dass die hierin beschriebenen Systeme auch in Bezug auf jeglichen anderen Bezugsrahmen beschrieben werden können.
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner üblicherweise ein Betätigungsglied, z. B. einen elektrostatischen Antrieb 26, um Kräfte zu erzeugen, die eine relative Bewegung zwischen dem Rahmen 12 und der Bewegungsvorrichtung 20 erzeugen. Diese Kräfte können mittels eines Anlegens von Spannungen an Elektroden, die sich an dem Rahmen 12 und/oder der Bewe gungsvorrichtung 20 befinden, erzeugt werden. Die angelegten Spannungen erzeugen zwischen dem Rahmen 12 und der Bewegungsvorrichtung 20 Anziehungs- und/oder Abstoßungskräfte. Üblicherweise umfassen diese Kräfte X- und Y-Komponenten, um zu bewirken, dass in der X-Y-Ebene eine relative Bewegung erfolgt, obwohl der Antrieb in vielen Fällen auch Kräfte erzeugt, die eine Z-Achsen-Komponente aufweisen. Um eine X-Y-planare Bewegung zu ermöglichen und dabei eine Z-Achsen-Bewegung im Wesentlichen zu verhindern, ist es oft wünschenswert, die Aufhängung dahin gehend zu konfigurieren, dass sie eine relativ niedrige planare Steifheit (z. B. in der X-Y-Ebene) und eine relativ hohe nicht-planare Steifheit (z. B. entlang der Z-Achse) aufweist.
Ein Beispiel einer derartigen mechanischen Aufhängung ist in 1 bei 32 gezeigt. Die Aufhängung 32 ist vorgesehen, um die Bewegungsvorrichtung 20 in ihrer planaren Orientierung relativ zu den Schichten 24 und 18 (z. B. parallel zu der X-Y-Ebene) zu halten und die Bewegungsvorrichtung 20 mit dem Rahmen 12 zu verbinden. Üblicherweise umfasst die Aufhängung 32 eine oder mehrere federähnliche Strukturen, wie nachstehend ausführlich beschrieben wird. Wie erläutert werden wird, sind diese Strukturen üblicherweise dahin gehend konfiguriert, eine planare Verschiebung der Bewegungsvorrichtung 20 aus einer Ruheposition zu ermöglichen und dabei gleichzeitig eine nicht-planare Bewegung der Bewegungsvorrichtung 20 relativ zu dem Rahmen 12 zu begrenzen.
2 zeigt eine Speicherungsvorrichtung 100, die eine mechanische Aufhängung 132 umfasst, die einen Rahmen 112 und eine Bewegungsvorrichtung 120 miteinander verbindet. Die Aufhängung 132 umfasst üblicherweise eine Mehrzahl von Aufhängungsteilanordnungen bzw. -einheiten 134 (einzeln als 134a , 134b , 134c und 134d bezeichnet), die in einem Array um die Bewegungsvorrichtung 120 angeordnet sind, um die Bewegungsvorrichtung relativ zu dem Rahmen aufzuhängen.
Üblicherweise sind der Rahmen 112 und die Bewegungsvorrichtung 120 im Wesentlichen planar und sind derart konfiguriert, dass die Bewegungsvorrichtung 120 einen Wirkbereich einer planaren X-Y-Bewegung in dem Rahmen 112 aufweist. Die Bewegungsvorrichtung 120 kann unter Verwendung eines elektrostatischen Antriebs, wie oben beschrieben, oder durch einen Betrieb eines beliebigen anderen geeigneten Betätigungsmechanismus relativ zu dem Rahmen 112 verschoben werden. Wie angegeben ist, ist es oft wünschenswert, die Aufhängungsanordnung 132 mit vier Aufhängungseinheiten auszustatten, die symmetrisch um den Rahmen 120 herum angeordnet und wirksam zwischen dem Rahmen und der Bewegungsvorrichtung 120 angeordnet sind. Alternativ dazu kann bzw. können eine, zwei oder drei Aufhängungseinheiten oder mehr als vier Aufhängungseinheiten vorliegen, je nach Wunsch und Eignung für eine gegebene Anwendung.
Wie in 2 zu sehen ist, umfasst die Aufhängungseinheit 134a üblicherweise Biegevorrichtungen 136a , 138a und 140a , wobei die anderen Aufhängungseinheiten entsprechende ähnliche Biegevorrichtungen aufweisen. Gemäß der Verwendung in dem vorliegenden Dokument bezieht sich „Biegevorrichtung" auf jegliche federähnliche Struktur, die die Bewegungsvorrichtung 120 mit dem Rahmen 112 verbindet und die sich ansprechend auf eine relative Bewegung zwischen der Bewegungsvorrichtung und dem Rahmen biegt. Üblicherweise weisen die Biegevorrichtungen eine relativ niedrige planare Steifheit (wodurch sie eine planare X-Y-Bewegung ermöglichen) und eine relative hohe nicht-planare Steifheit (wodurch sie eine nicht-planare Z-Achsen-Bewegung im Wesentlichen verhindern) auf. In der Abwesenheit von X-Y-Kräften sind die Biegevorrichtungen üblicherweise dahin gehend konfiguriert, die Bewegungsvorrichtung 120 in eine Ruhe- oder Gleichgewichtsposition zu zwingen. Die Biege- oder elastische Verformung der Biegevorrichtungen wird mit Bezug auf 3A, 3B und 3C ausführlicher beschrieben. In vielen Fällen ist es wünschenswert, die Biegevorrichtungen unter Verwendung eines tiefen reaktiven Ionenätzens oder anderer Herstellungstechniken integral mit den anderen Komponenten der Vorrichtung 100 zu bilden. Alternativ dazu können die Biegevorrichtungen separat gebildet und anschließend an der Bewegungsvorrichtung und dem Rahmen befestigt werden. In 2 und mehreren der anderen hierin erörterten Figuren sind die Biegevorrichtungen der Übersichtlichkeit halber als Linien gezeigt, obwohl es sich versteht, dass die Biegevorrichtungen eine Dicke aufweisen, die nicht null beträgt. Die Abmessungen der Biegevorrichtungen werden nachfolgend in Bezug auf 4 ausführlicher beschrieben.
Wie angegeben ist, sind die Biegevorrichtungen 136a , 136b , 136c und 136d zwischen die Bewegungsvorrichtung 120 und Kopplungsbauglieder 142a , 142b , 142c bzw. 142d gekoppelt. Da diese Biegevorrichtungen direkt mit der Bewegungsvorrichtung 120 verbunden sind, werden sie manchmal als „Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen" bezeichnet. Die übrigen Biegevorrichtungen (138a , 140a , 138b , 140b , 138c 140c , 138d und 140d ) sind zwischen den Rahmen 112 und Kopplungsbauglieder 142a , 142b , 142c bzw. 142d gekoppelt. Da sie den Rahmen 112 mit einem Kopplungsbauglied verbinden, werden diese übrigen Biegevorrichtungen manchmal als „Rahmenbiegevorrichtungen" bezeichnet.
Die verschiedenen Biegevorrichtungen können ferner in Bezug auf ihre Reaktion auf ausgeübte Kräfte und die resultierende relative Bewegung zwischen der Bewegungsvorrichtung und dem Rahmen unterschieden werden. Insbesondere können Biegevorrichtungen, die sich ansprechend auf eine X-Achsen-Bewegung biegen, als X-Achsen-Biegevorrichtungen oder einfach X-Biegevorrichtungen betrachtet werden. Desgleichen können Biegevorrichtungen, die sich ansprechend auf eine Y-Achsen-Bewegung biegen, als Y-Achsen-Biegevorrichtungen angesehen werden.
Dies ist am deutlichsten unter Bezugnahme auf 3A, 3B und 3C zu sehen, die das Verhalten der Aufhängungseinheit 134a ansprechend auf verschiedene relative Positionen, die zwischen der Bewegungsvorrichtung 120 und dem Rahmen 112 auftreten, zeigen. In 3A befindet sich die Bewegungsvorrichtung 120 in der Gleichgewichtsposition, und die Biegevorrichtungen der Aufhängungseinheit 134a befinden sich somit in einem nicht gebogenen bzw. nicht deformierten Zustand. 3B zeigt eine relative X-Achsen-Verschiebung, die zwischen dem Rahmen und der Bewegungsvorrichtung ansprechend auf eine Ausübung einer Kraft erfolgt, die eine X-Achsen-Komponente aufweist. Wie angegeben ist, werden die Biegevorrichtungen 138a und 140a verformt, wohingegen die Biegevorrichtung 136a in einem nicht deformierten Zustand verbleibt, da die ausgeübte Kraft keine Y-Achsen-Komponente aufweist. Somit wird einleuchten, dass die Biegevorrichtungen 138a und 140a als XX-Achsen-Biegevorrichtungen agieren. 3C zeigt, wie die Bewegungsvorrichtung 120 aufgrund einer Ausübung einer Kraft, die eine Y-Achsen-Komponente aufweist, von der Ruheposition in der Y-Richtung verschoben ist. Die X-Achsen-Biegevorrichtungen 138a und 140a bleiben unverformt (da die ausgeübte Kraft keine X-Achsen-Komponente aufweist), wohingegen die Biegevorrichtung 136a elastisch verformt wird. Somit wird einleuchten, dass die Biegevorrichtung 136a als Y-Achsen-Biegevorrichtung agiert.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 sollte einleuchten, dass die Aufhängungseinheiten 134a-d derart symmetrisch um die Bewegungsvorrichtung 120 herum angeordnet sind, dass die Hälfte der Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen und die Hälfte der Rahmenbiegevorrichtungen ansprechend auf eine Verschiebung der Bewegungsvorrichtung in der X-Richtung elastisch verformt wird, wohingegen sich die übrigen Biegevorrichtungen ansprechend auf eine Verschiebung der Bewegungsvorrichtung in der Y-Richtung verformen. Diese Konfiguration liefert eine beträchtliche Ähnlichkeit bezüglich der Gesamt-Biegesteifheit der Aufhängung entlang der X- und der Y-Achse. Derartige Konfigurationen, bei denen sich eine gleiche oder ungefähr gleiche Anzahl von X- und Y-Biegevorrichtungen biegen, können bei jeglichen ^der Ausführungsbeispiele der Erfindung eingesetzt werden.
Beispielsweise wird eine derartige Konfiguration in Bezug auf die exemplarischen Systeme in 6B, 7B und 8B beschrieben.
4 ist eine perspektivische Teilansicht einer exemplarischen Biegevorrichtung, die bei den hierin beschriebenen Systemen eingesetzt werden kann. Wie angegeben ist, ist die Biegevorrichtung 236 üblicherweise als rechteckförmiger Balken gebildet, der eine Höhe aufweist, die wesentlich größer ist als seine Breite, wobei die Höhe entlang der Z-Achse gemessen wird und die Breite entlang der X-Achse gemessen wird. Die Länge der Biegevorrichtung 236 kann auf der Basis der relativen Abmessungen des Rahmens und der Bewegungsvorrichtung, an dem bzw. an der sie befestigt ist, variieren, und/oder kann je nach Wunsch für eine bestimmte Anwendung variieren. Allgemein ist es jedoch wünschenswert, dass die Höhe beträchtlich größer ist als die Breite, um eine Z-Achsen-Steifheit (nicht-planare Steifheit) zu liefern, die bezüglich der X-Y-Steifheit (planaren Steifheit) hoch ist. Folglich biegen sich die Biegevorrichtungsstrukturen ansprechend auf planare Kräfte (wodurch die in 3A, 3B und 3C gezeigten gewünschten planaren Bewegungen ermöglicht werden), wohingegen sie ansprechend auf nichtplanare Kräfte im Wesentlichen unverformt bleiben (wodurch die unerwünschte nicht-planare Z-Achsen-Bewegung im Wesentlichen verhindert wird).
1–4 beschreiben vorwiegend die Verwendung einer einzigen Biegevorrichtungsstruktur an einer gegebenen Stelle. Wie beispielsweise in Bezug auf 2 erörtert wird, ist eine einzige Biegevorrichtung 136a zwischen das Kopplungsbauglied 192a und die Bewegungsvorrichtung 120 geschaltet. Man sollte jedoch erkennen, dass es oft wünschenswert ist, mehrere Biegevorrichtungen einzusetzen. 5, 6A, 6B, 6A, 7B, 8A, 8B und 9 zeigen Beispiele derartiger Konfigurationen mit mehreren Biegevorrichtungen. Diese Ausführungsbeispiele werden nachstehend ausführlich erläutert.
5A und 5B zeigen ein Beispiel einer Anordnung mit mehreren Biegevorrichtungen, die bei den mechanischen Aufhängungen des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung eingesetzt werden kann. Die gezeigte Anordnung wird als Doppelfaltungs-Biegevorrichtungskonfiguration bezeichnet. Wie angegeben ist, umfasst die Doppelfaltungs-Konfiguration 336 üblicherweise vier Biegevorrichtungen 338a-d , die parallel und nebeneinander angeordnet sind. Äußere Biegevorrichtungen 338a und 338d sind an einer schwebenden Verbindung 350 und an einem Rahmenankerpunkt 312a bzw. 312b befestigt. Die schwebende Verbindung 350 weist üblicherweise eine rechteckige Form auf und ist im Wesentlichen senkrecht zu den Biegevorrichtungen 338a-d angeordnet. Innere Biegevorrichtungen 338b und 338c sind an der schwebenden Verbindung 350 und an einem Kopplungsbauglied befestigt (teilweise bei 342 gezeigt).
5A und 5B zeigen eine effektive Bewegungsvorrichtungsverkürzung (axiale Verkürzung, die entlang der X-Achse auftritt) für eine zwischen der Bewegungsvorrichtung und dem Rahmen auftretende, relativ große Y-Achsen-Verschiebung. Im Einzelnen zeigt 5A die Doppelfaltungs-Konfiguration in einem unverformten Ruhezustand. 5B zeigt die Konfiguration in einem verformten Zustand, der sich aus einer Y-Achsen-Verschiebung der Bewegungsvorrichtung (nicht gezeigt) und einem Kopplungsbauglied 342 ergibt. Wie angegeben ist, ist die Biegevorrichtungskonfiguration um einen Betrag ΔL für die in 5B gezeigte Y-Achsen-Verschiebung axial (in der X-Richtung) verkürzt. Diese effektive Verkürzung der Biegevorrichtungen verringert das axiale Spannen, das andernfalls bei den Biegevorrichtungen 338a-d auftreten würde. Dies wiederum gewährleistet, dass die planare Steifheit der Aufhängung über den Wirkungsbereich der Bewegung eher nahezu einheitlich bleibt. Die Schwankung der effektiven Biegevorrichtungslänge, um die gewünschten Steifheitscharakteristika zu bewah ren, kann als Längenänderungskompensation bezeichnet werden.
6A und 6B zeigen eine mechanische Aufhängungsteilanordnung bzw. ein bewegliches System (z. B. eine MEMS-Computerspeicherungsvorrichtung), die eine Mehrzahl von Aufhängungsteilanordnungen beinhalten, die den in 6A gezeigten ähnlich sind. Unter Bezugnahme zunächst auf 6A kann die Aufhängungsteilanordnung 434 drei Gruppen von Biegevorrichtungen 436, 438 und 440 umfassen, die um ein Kopplungsbauglied 442 herum angeordnet sind. Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 436 sind üblicherweise zwischen die (teilweise bei 420 gezeigte) Bewegungsvorrichtung und das das Kopplungsbauglied 442 geschaltet, wobei alle Biegevorrichtungen parallel und benachbart zueinander angeordnet sind. Obwohl zwei Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 436 gezeigt sind, wird man erkennen, dass nach Wunsch eine Biegevorrichtung oder drei oder mehr Biegevorrichtungen eingesetzt werden können.
Das Kopplungsbauglied 442 umfasst einen mittleren Abschnitt 443, an dem Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 436 befestigt sein können, und zwei Seitenabschnitte 444 und 445. Die Seitenabschnitte 444 und 445 sind üblicherweise parallel und gegenüberliegend und senkrecht zu dem mittleren Abschnitt 443, so dass das Kopplungsbauglied 442 eine „U"-förmige Struktur bildet. Alternativ dazu kann das Kopplungsbauglied 442 trapezförmig, quadratisch oder rechteckig sein, oder es kann mit einer beliebigen anderen gewünschten Gestalt und/oder mit beliebigen anderen gewünschten Abmessungen gebildet sein.
Wie angegeben ist, können die Rahmenbiegevorrichtungsgruppen 438 und 440 mit einer Doppelfaltungs-Konfiguration implementiert sein. Alternativ dazu können die Rahmenbiegevorrichtungen in anderen Konfigurationen mit mehreren Biegevorrichtungen oder als Strukturen mit einer einzigen Biegevorrichtung implementiert sein, je nach Eignung für eine gegebene Anwendung. Bei der gezeigten Doppelfaltungs-Anordnung ist ein Teilsatz von Rahmenbiegevorrichtungen 438 zwischen dem Kopplungsbauglied 442 und einer schwebenden Verbindung 450 befestigt, während die übrigen Rahmenbiegevorrichtungen 438 zwischen der schwebenden Verbindung 450 und Rahmenankerpunkten 412a und 412b befestigt sind. Die Biegevorrichtungsgruppe 440 ist bezüglich einer schwebenden Verbindung 452 und Rahmenankerpunkten 412c und 412d ähnlich konfiguriert.
Die beiden in 6A gezeigten Doppelfaltungs-Rahmenbiegevorrichtungsgruppen sind üblicherweise so positioniert, dass die einzelnen Biegevorrichtungen entlang einer gemeinsamen Achse 458 ausgerichtet sind, die durch den Mittelpunkt von Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 436 verläuft (dieselben in zwei Teile teilt). Ferner sind die Rahmenbiegevorrichtungsgruppen auf gegenüberliegenden Seiten der Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen symmetrisch um die Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 436 angeordnet. Die relative Anordnung der Rahmenbiegevorrichtungen 438 und 440, des Kopplungsbauglieds 442 und der Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 436 begrenzt im Wesentlichen eine Biegeverdrehung, wenn Kräfte ausgeübt werden, die Z-Achsen- (nicht-planare) Komponenten aufweisen.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 6A bewirkt eine Verschiebung der Bewegungsvorrichtung 420 in der X-Richtung, dass die Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 436 eine Kraft auf das Kopplungsbauglied 442 ausüben, was eine X-Achsen-Verschiebung des Kopplungsbauglieds 442 bewirkt. Dies wiederum bewirkt eine elastische Verformung der Rahmenbiegevorrichtungen 438 und 440. Wie oben beschrieben wurde, wird eine positionsabhängige Schwankung der nicht-planaren Steifheit durch eine Verwendung der Doppelfaltungs-Konfiguration für die Rahmenbiegevorrichtungen 438 und 440 minimiert. Eine Verschiebung der Bewegungsvorrichtung 420 in der Y-Richtung führt hauptsächlich zu einer Biegung der Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 436 und erzeugt eine geringe oder keine Bewegung des Kopplungsbauglieds 442 und der anderen Komponenten der Aufhängungsteilanordnung 434.
Unter Bezugnahme auf 6B ist eine MEMS-Vorrichtung 410 gezeigt, die eine mechanische Aufhängung 432 umfasst, die eine Mehrzahl von Aufhängungsteilanordnungen 434a-d aufweist, die der in 6A gezeigten Teilanordnung ähnlich sind. Die Aufhängungsteilanordnungen verbinden den Rahmen 412 und die Bewegungsvorrichtung 420 auf bewegbare Weise miteinander, um eine planare X-Y-Bewegung der Bewegungsvorrichtung zu ermöglichen und dabei eine nicht-planare Bewegung (Z-Achsen-Bewegung) im Wesentlichen zu unterbinden. Wie angegeben ist, weist die gezeigte Vorrichtung vier Aufhängungsteilanordnungen auf, wobei jede Teilanordnung ungefähr an dem Mittelpunkt eines der vier Seitenränder der Bewegungsvorrichtung 420 positioniert ist. Die gezeigte Mittelpunktkonfiguration hat sich insofern als besonders vorteilhaft erwiesen, als sie zu einer relativ hohen nichtplanaren Steifheit und einer relativ niedrigen planaren Steifheit führt und dabei die positionsabhängigen Steifheitsschwankungen, mit denen viele herkömmliche Aufhängungsentwürfe zu kämpfen haben, minimiert. Wie oben angegeben wurde, liefert die Mittelpunktkonfiguration eine im Wesentlichen äquivalente Steifheit der Anordnung entlang der X- und der Y-Achse. Jedoch kann es je nach der Anwendung genauso wünschenswert sein, die Aufhängungsanordnungen an den Ecken der Bewegungsvorrichtung 420 oder an anderen geeigneten Stellen zu positionieren.
Ein weiterer Vorteil des in 6B gezeigten Systems ergibt sich aus der Unabhängigkeit der Aufhängungsteilanordnungen voneinander. Insbesondere kann die Tatsache, dass die Kopplungsbauglieder der Vorrichtung 410 nicht starr miteinander verbunden sind, den Entwurf von Sensoren vereinfachen, die die relative Verschiebung der Bewegungsvorrichtung 420 überwachen. Aus der vorstehenden Erläuterung geht hervor, dass Kopplungsbauglieder an der linken und rechten Aufhängungsteilanordnung sich mit der Bewegungsvorrichtung 420 bewegen, oder dieselbe nachverfolgen, wenn sich die Bewegungsvorrichtung in der X-Richtung bewegt. Für eine relative Y-Achsen-Bewegung sind diese Kopplungsbauglieder dagegen im Wesentlichen unabhängig von der Bewegungsvorrichtung 420. Mit anderen Worten verfolgen diese Kopplungsbauglieder die Bewegungsvorrichtung nicht nach, wenn ihre Verschiebung entlang der Y-Achse schwankt. Das Gegenteil gilt für die Kopplungsbauglieder, die den Aufhängungsteilanordnungen an dem oberen und unteren Seitenrand der Bewegungsvorrichtung 420 zugeordnet sind. Diese Kopplungsbauglieder verfolgen eine Y-Achsen-Bewegung der Bewegungsvorrichtung 420 nach und sind im Wesentlichen unabhängig von der X-Achsen-Bewegung. Dort, wo Positionssensoren an den verschiedenen Kopplungsbaugliedern angebracht sind, kann das soeben beschriebene Einzelachsen-Nachverfolgungsmerkmal den Entwurf des Positionserfassungssystems stark vereinfachen. Viele herkömmliche Aufhängungsentwürfe verwenden ein einziges Zwischenrahmenbauglied, so dass das Zwischenrahmenbauglied die Bewegungsvorrichtung entweder in der X- oder der Y-Richtung, jedoch nicht in beiden, nachverfolgt. Die oben erörterten Positionssensorvereinfachungen können bei einem derartigen herkömmlichen System nicht implementiert werden.
7A und 7B zeigen eine mechanische Aufhängungsteilanordnung bzw. ein bewegliches System (z. B. eine MEMS-Computerspeicherungsvorrichtung), die eine Mehrzahl von Aufhängungsteilanordnungen beinhalten, die der in 7A gezeigten ähnlich sind. Unter Bezugnahme zunächst auf 7A umfasst die Aufhängungsteilanordnung 534 Biegevorrichtungen 536, 538 und 540, die um ein Kopplungsbauglied 542 herum angeordnet sind. Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 536 sind üblicherweise zwischen das Kopplungsbauglied 542 und die Bewegungsvorrichtung (bei 520 teilweise gezeigt) geschaltet. Üblicherweise, wie angegeben ist, sind zwei Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 536 parallel zu und nebeneinander angeordnet, obwohl eine Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung oder mehr als zwei Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen eingesetzt werden können.
Ähnlich den unter Bezugnahme auf 6A und 6B beschriebenen Aufhänqungsteilanordnungen können Rahmenbiegevorrichtungen 538 und 540 auf gegenüberliegenden Seiten der Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 536 symmetrisch angeordnet sein, und die Rahmenbiegevorrichtungen können entlang einer gemeinsamen Achse 558 ausgerichtet sein, die die Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 536 in zwei Teile teilt. Die Rahmenbiegevorrichtung 538 ist zwischen das Kopplungsbauglied 542 und einen Rahmenankerpunkt 512a gekoppelt, während die Rahmenbiegevorrichtung 540 zwischen das Kopplungsbauglied und einen Rahmenankerpunkt 512b geschaltet ist. Wie angegeben ist, kann die Aufhängungsteilanordnung zusätzliche Rahmenbiegevorrichtungen 538 und 540 umfassen, so dass sich ein Paar von Rahmenbiegevorrichtungen von jeder Seite des Kopplungsbauglieds 542 erstreckt und an dem jeweiligen Rahmenankerpunkt befestigt ist. In einem solchen Fall können die Rahmenbiegevorrichtungsgruppen so positioniert sein, dass sie entlang oder fast entlang der in zwei Teile teilenden Achse 558 liegen. Bei manchen Konstellationen liefern die zusätzlichen Rahmenbiegevorrichtungen eine wünschenswerte Zunahme der Z-Achsen-Steifheit der mechanischen Aufhängung.
Das Kopplungsbauglied 542 umfasst einen mittleren Abschnitt 543, an dem Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 536 befestigt sein können, und zwei Seitenabschnitte 544 und 545. Die Seitenabschnitte 544 und 545 sind üblicherweise gegenüberliegend und sind um einen mittleren Abschnitt 543 symmetrisch angeordnet, derart, dass das Kopplungsbauglied 534 eine „U-förmige" Struktur bildet. Alternativ dazu kann das Kopplungsbauglied 534 trapezförmig, quadratisch oder rechteckig sein, oder es kann mit einer beliebigen anderen gewünschten Gestalt und/oder mit beliebigen anderen gewünschten Abmessungen gebildet sein.
Das Kopplungsbauglied 542 umfasst ferner eine Kompensationsverbindung 550, die dahin gehend konfiguriert ist, eine Nichtlinearität (mittels einer Längenänderungskompensation) der Steifheit der Aufhängungseinheit 534 während einer Bewegungsvorrichtungsverschiebung beträchtlich zu verringern. Die Kompensationsverbindung 550 ist neben einem Ende der Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 536 angeordnet und wird üblicherweise durch die Mittellinie 556 in zwei Teile geteilt. Die Verbindung 550 kann als Region einer verminderten Dicke, relativ zu benachbarten Abschnitten 544 und 545, gebildet sein, und die Dicke kann je nach der gewünschten Anwendung variieren. Ungeachtet der Dicke zieht die Axialspannung in den Biegevorrichtungen 538 und 540 das Kopplungsbauglied 542 in einen offenen Zustand, wie durch die gezeigten Pfeile angegeben ist, während sich die Rahmenbiegevorrichtungen 538 und 540 (aufgrund einer Bewegung der Bewegungsvorrichtung 520 in der X-Richtung) verformen. Dies liefert einen Längenänderungskompensationseffekt, indem die effektive Länge der Biegevorrichtungen 538 und 540 erhöht wird. Dies verringert die Schwankung der planaren Steifheit, die andernfalls bei einer erhöhten X-Achsen-Verschiebung der Bewegungsvorrichtung 520 weg von ihrer Ruheposition auftreten würde. Der Kompensationseffekt trägt dazu bei, ein hohes Verhältnis zwischen der nicht-planaren Steifheit und der planaren Steifheit des Systems aufrechtzuerhalten. Wie oben erörtert wurde, ist es üblicherweise wünschenswert, dieses Verhältnis bei minimaler Schwankung über den Wirkungsbereich der Bewegung auf einem hohen Niveau zu halten. Beliebige oder alle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können mit Kopplungsbaugliedern ausgestattet sein, die dieses Kompensationsmerkmal aufweisen.
Wie angegeben wurde, kann die Dicke der Kompensationsverbindung relativ zu benachbarten Abschnitten 544 und 545 des Kopplungsbauglieds variieren. Eine relativ dünne Kompensationsverbindung führt oft zu einer wünschenswerten Zunahme der planaren Weichheit der Aufhängungseinheit. Jedoch ist es in machen Fällen wünschenswert, eine relativ dicke Kompensationsverbindung aufzuweisen, um eine erhöhte nichtplanare Steifheit zu liefern.
Unter Bezugnahme auf 7B ist eine MEMS-Vorrichtung 510 gezeigt, die eine mechanische Aufhängung 532 umfasst, die eine Mehrzahl von Aufhängungsteilanordnungen 534a-d aufweist, die der in 7A gezeigten Teilanordnung ähnlich sind. Die Aufhängungsteilanordnungen verbinden auf bewegbare Weise den Rahmen 512 und die Bewegungsvorrichtung 520 miteinander, um eine planare X-Y-Bewegung der Bewegungsvorrichtung zu ermöglichen und dabei eine nicht-planare Bewegung (Z-Achsen-Bewegung) im Wesentlichen zu unterbinden. Wie bei dem unter Bezugnahme auf 6B beschriebenen Ausführungsbeispiel können die Teilanordnungen symmetrisch um die Bewegungsvorrichtung 520 herum angeordnet sein, wie angegeben ist, wobei jede Teilanordnung an einem Mittelpunkt eines der Seitenränder der Bewegungsvorrichtung angeordnet ist. Alternativ dazu können die Teilanordnungen an den Ecken der Bewegungsvorrichtung oder an einer beliebigen anderen geeigneten Stelle positioniert sein. Zusätzlich zu dem unter Bezugnahme auf 7A beschriebenen Kompensationseffekt weist das gezeigte System auf die Steifheit bezogene Vorteile auf, die denen, die unter Bezugnahme auf das in 6B gezeigte System beschrieben sind, ähnlich sind. Ebenfalls ähnlich dem System der 6B sind die bei der gezeigten Aufhängung verwendeten Kopplungsbauglieder voneinander unabhängig und können bezüglich eines Einachsen-Nachverfolgens konfiguriert sein, um den Sensorentwurf zu vereinfachen.
8A und 8B zeigen eine Aufhängungsteilanordnung bzw. ein bewegliche MEMS-Vorrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme zunächst auf 8A umfasst eine Aufhängungsteilanordnung 634 Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 636 und Rahmenbiegevorrichtungen 638 und 640, mit einem dazwischen ange ordneten Kopplungsbauglied 642, das trapezförmig ist. Die Aufhängungsanordnung 634 kann mit Paaren von Rahmenbiegevorrichtungen 638 und 640 ausgestattet sein, wie in 8A angegeben und zuvor unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel der 7A erörtert wurde. Biegevorrichtungen 638 sind an einem Rahmenankerpunkt 612a mit dem Rahmen verbunden, während die Biegevorrichtungen 640 an einem Rahmenankerpunkt 612b mit dem Rahmen verbunden sind. Wie angegeben ist, können die Biegevorrichtungen 638 und 640 entlang einer Achse 658 ausgerichtet sein, die an dem oder in der Nähe des Mittelpunkts der Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen durch die Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen 636 verläuft.
Das trapezförmige Kopplungsbauglied 642 umfasst üblicherweise einen mittleren Abschnitt 643 und zwei flankierende Seitenabschnitte 644 und 645, die sich winkelförmig von dem Abschnitt 643 erstrecken. Ähnlich dem in 7A gezeigten Kopplungsbauglied kann das Kopplungsbauglied 642 eine Kompensationsverbindung 650 umfassen, um auf eine Axialspannung der Rahmenbiegevorrichtungen 638 und 640 hin eine Längenänderungskompensation zu liefern. Wie am besten in 8B zu sehen ist, sind die Rahmenbiegevorrichtungen der Aufhängungsteilanordnung 634 üblicherweise länger als die in 7A und 7B gezeigten Rahmenbiegevorrichtungen, so dass sich die Rahmenbiegevorrichtungen über die gesamte Strecke hin zu den Ecken der gezeigten Bewegungsvorrichtung erstrecken. Beliebige der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele können mit Rahmenbiegevorrichtungen einer ähnlichen Länge oder mit Rahmenbiegevorrichtungen einer beliebigen anderen geeigneten Länge, je nach Wunsch bei einer gegebenen Anwendung, konfiguriert sein. Die Länge der Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen für die hierin beschriebenen Aufhängungsteilanordnungen kann ebenfalls nach Wunsch für eine gegebene Anwendung variiert werden.
Wie bei den Ausführungsbeispielen der 6B und 7B umfasst die MEMS-Vorrichtung 610 (8B) eine mechanische Aufhängung 632, die mit vier Aufhängungsteilanordnungen 634a-d konfiguriert sein kann. Die Aufhängungsteilanordnungen koppeln auf bewegliche Weise den Rahmen 612 und die Bewegungsvorrichtung 620. Wie gezeigt ist, können die Teilanordnungen symmetrisch um die vier Seiten der Bewegungsvorrichtung 620 angeordnet sein, so dass die einzelnen Teilanordnungen an den Mittelpunkten der Seiten der Bewegungsvorrichtung zentriert sind. Alternativ dazu, wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen, können die Teilanordnungen an den Ecken der Bewegungsvorrichtung oder an einer beliebigen anderen geeigneten Stelle positioniert sein. Die Teilanordnungen der 8B sind bezüglich der Teilanordnung der 8A in einer alternativen Konfiguration gezeigt, insofern, als sie lediglich eine Rahmenbiegevorrichtung aufweisen, die sich von jeder Seite des Teilanordnungs-Kopplungsbauglieds erstreckt. Man wird erkennen, dass eine Biegevorrichtung, ein Paar von Biegevorrichtungen oder mehr als zwei Rahmenbiegevorrichtungen auf jeder Seite des Kopplungsbauglieds verwendet werden können, je nach Eignung für eine gegebene Anwendung.
9 zeigt eine exemplarische MEMS-Vorrichtung 710, bei der Aufhängungseinheiten 734a-d einer Aufhängung 732 zwischen den Rahmen 712 und die Bewegungsvorrichtung 720 gekoppelt sind, derart, dass die einzelnen Aufhängungseinheiten an den Ecken der Bewegungsvorrichtung 720 angeordnet sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel verformen sich die Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtungen ansprechend auf eine Verschiebung der Bewegungsvorrichtung entlang der X-Achse auf elastische Weise, während sich die Rahmenbiegevorrichtungen ansprechend auf eine Verschiebung der Bewegungsvorrichtung entlang der Y-Achse verformen. Wenn man von Biegevorrichtungsbalken einer identischen Konstruktion ausgeht, kann die gezeigte Konfiguration von Aufhängungseinheiten eine unterschiedliche X- und Y-Achsen-Steifheit liefern, was für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein kann.
Bei vielen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind Rahmenbiegevorrichtungen auf gegenüberliegenden Seiten einer Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung oder von – biegevorrichtungen vorgesehen, so dass die Rahmenbiegevorrichtungen entlang einer Achse ausgerichtet sind, die die Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung(en) in zwei Teile teilt. Wie oben beschrieben, liefert dies Steifheitscharakteristika, die bei vielen Konstellationen wünschenswert sind. Jedoch sollte man beachten, dass die relative Position der Biegevorrichtungen variiert werden kann und dabei gleichzeitig die oben beschriebenen Vorteile beibehalten werden können. Beispielsweise können die Rahmenbiegevorrichtungen so positioniert werden, dass sie zu einer Seite der in zwei Teile teilenden Achse verschoben werden, während gleichzeitig die Rahmenbiegevorrichtungen beibehalten werden, die entlang einer Linie ausgerichtet sind, die durch die Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung(en) verläuft.
Durch die vorstehenden Ausführungsbeispiele werden mehrere Vorteile geliefert. Ein Vorteil ist das relativ zu bisherigen Systemen hohe Steifheitsverhältnis (nicht-planare Steifheit zu planarer Steifheit), das für die vorliegenden Aufhängungsanordnungen erzielt wird. Dies ist größtenteils auf den Entwurf und Einsatz der Biegevorrichtungen zurückzuführen. Bei einer einzigen Biegevorrichtung kann das Balken-Seitenverhältnis (AR (AR = aspect ratio, Seitenverhältnis), wobei AR = Balkenhöhe/Balkenbreite) ungefähr auf sein Biegesteifheitsverhältnis, k_z/k_x = AR², bezogen sein, wobei k_z die Federkonstante für die Z-Achsen-Steifheit ist und k_x die Federkonstante für die X-Achsen-Steifheit ist. Für eine Aufhängung mit zwei Freiheitsgraden (Bewegung in der X- und der Y-Richtung) beträgt das maximale theoretische Steifheitsverhältnis k_z/k_xy = AR², wobei k_x = k_y = k_xy. Diese Gleichung geht von einer reinen Biegung aller Biegevorrichtungen ohne eine anschließende Verformung des Rahmens, der Bewegungsvorrichtung oder von Verbindungsstrukturen aus. Viele bisherige Biegekonfigurationen liegen weit unter dem theoretischen maximalen Steifheitsverhältnis. Im Gegensatz dazu haben Tests gezeigt, dass bestimmte Aufhängungsanordnungen mehr als 75 % des maximalen theoretischen Steifheitsverhältnisses erzielen. Außerdem minimieren die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele Wechselwirkungen über Achsen hinweg und/oder Einbußen bezüglich der nichtplanaren Steifheit, die sich während einer planaren Verschiebung einer Bewegungsvorrichtung ergeben.

Claims

Eine bewegliche mikroelektromechanische Vorrichtung (10, 100, 410, 510, 610, 710), die folgende Merkmale aufweist: einen Rahmen (12, 112, 412, 512, 612, 712); eine Bewegungsvorrichtung (20, 120, 420, 520, 620, 720), die dahin gehend konfiguriert ist, sich relativ zu dem Rahmen (12, 112, 412, 512, 612, 712) zu bewegen; und eine mechanische Aufhängung (32, 132, 432, 532, 632, 732), die wirksam zwischen den Rahmen (12, 112, 412, 512, 612, 712) und die Bewegungsvorrichtung (20, 120, 420, 520, 620, 720) gekoppelt ist, wobei die mechanische Aufhängung (32, 132, 432, 532, 632, 732) dahin gehend konfiguriert ist, eine planare Bewegung der Bewegungsvorrichtung (20, 120, 420, 520, 620, 720) relativ zu dem Rahmen (12, 112, 412, 512, 612, 712) zu ermöglichen und gleichzeitig eine nicht-planare relative Bewegung im Wesentlichen zu verhindern, wobei eine derartige planare Bewegung durch eine X-Richtung und eine Y-Richtung definiert ist, wobei die mechanische Aufhängung (32, 132, 432, 532, 632, 732) folgende Merkmale umfasst: zumindest eine elastische Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung (436, 536, 636), die zwischen der Bewegungsvorrichtung (20, 120, 420, 520, 620, 720) und einem unabhängigen Kopplungsbauglied (142, 342, 442, 542, 642) befestigt ist; und zumindest zwei elastische Rahmenbiegevorrichtungen (438, 440, 538, 540, 638, 640), die zwischen dem Kopplungsbauglied (142, 342, 442, 542, 642) und dem Rahmen (12, 112, 412, 512, 612, 712) befestigt sind, wobei die Rahmenbiegevorrichtungen (438, 440, 538, 540, 638, 640) auf gegenüberliegenden Seiten des Kopplungsbaugliedes (142, 342, 442, 542, 642) symmetrisch angeordnet sind und auf gegenüberliegenden Seiten der Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung (436, 536, 636) sym metrisch angeordnet sind, derart, dass die Rahmenbiegevorrichtungen (438, 440, 538, 540, 638, 640) entlang einer Achse ausgerichtet sind, die die Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung (436, 536, 636) in zwei Teile teilt.
Eine Computerspeicherungsvorrichtung (10, 100, 410, 510, 610, 710), die folgende Merkmale umfasst: die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Bewegungsvorrichtung (20, 120, 420, 520, 620, 720) eine Mehrzahl von Datenplätzen (22) umfasst, die über einen Betrieb der Lese-(Schreibvorrichtung zugänglich sind.
Eine bewegliche mikroelektromechanische Vorrichtung (10, 100, 410, 510, 610, 710), die folgende Merkmale aufweist: einen Rahmen (12, 112, 412, 512, 612, 712); eine Bewegungsvorrichtung (20, 120, 420, 520, 620, 720), die dahin gehend konfiguriert ist, sich relativ zu dem Rahmen (12, 112, 412, 512, 612, 712) zu bewegen; und eine mechanische Aufhängung (32, 132, 432, 532, 632, 732), die eine Mehrzahl von Aufhängungsteilanordnungen (134, 434, 534, 634, 734) umfasst, die wirksam zwischen den Rahmen (12, 112, 412, 512, 612, 712) und die Bewegungsvorrichtung (20, 120, 420, 520, 620, 720) gekoppelt sind, wobei jede Aufhängungsteilanordnung (134, 434, 534, 634, 734) folgende Merkmale umfasst: zumindest eine elastische Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung (436, 536, 636), die zwischen der Bewegungsvorrichtung (20, 120, 420, 520, 620, 720) und einem unabhängigen Kopplungsbauglied (142, 342, 442, 542, 642), das der Aufhängungsteilanordnung zugeordnet ist, befestigt ist; und zumindest zwei elastische Rahmenbiegevorrichtungen (438, 440, 538, 540, 638, 640), die zwischen dem Kopplungsbauglied (142, 342, 442, 542, 642) und dem Rahmen (12, 112, 412, 512, 612, 712) befestigt sind, wobei die Rahmenbiegevorrichtungen (438, 440, 538, 540, 638, 640) auf gegenüberliegenden Seiten der Bewegungsvorrichtungsbiegevor richtung (436, 536, 636) angeordnet sind und entlang einer Längsachse (438, 538, 638) ausgerichtet sind, die durch die Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung (436, 536, 636) verläuft.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der für jede Aufhängungsteilanordnung (134, 434, 534, 634, 734) die Rahmenbiegevorrichtungen (438, 440, 538, 540, 638, 640) auf gegenüberliegenden Seiten der Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung (436, 536, 636) angeordnet sind und entlang einer Längsachse (438, 538, 638) ausgerichtet sind, die die Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung (436, 536, 636) in zwei Teile teilt.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der das Kopplungsbauglied (142, 342, 442, 542, 642) jeder der Aufhängungsteilanordnungen (134, 434, 534, 634, 734) dahin gehend konfiguriert ist, eine relative Bewegung der Bewegungsvorrichtung (20, 120, 420, 520, 620, 720) in einer ersten Richtung nachzuverfolgen und dabei im Wesentlichen unabhängig von einer relativen Bewegung zu bleiben, die in einer zweiten Richtung erfolgt, die zu der ersten Richtung senkrecht ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der jede Aufhängungsteilanordnung (134, 434, 534, 634, 734) ein erstes Paar von parallelen Rahmenbiegevorrichtungen (438, 538, 638), die sich zwischen dem Kopplungsbauglied (142, 342, 442, 542, 642) und dem Rahmen (12, 112, 412, 512, 612, 712) auf einer ersten der gegenüberliegenden Seiten der Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung (436, 536, 636) erstrecken, und ein zweites Paar von parallelen Rahmenbiegevorrichtungen (440, 540, 640), die sich zwischen dem Kopplungsbauglied und dem Rahmen auf der anderen Seite der Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung (436, 536, 636) erstrecken, umfasst.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der für jede Aufhängungsteilanordnung (134, 434, 534, 634, 734) das Kopplungsbauglied (142, 342, 442, 542, 642) eine Kompensationsverknüpfung (550, 650) umfasst, die dahin gehend konfiguriert ist, auf eine Axialspannung der Rahmenbiegevorrichtungen (438, 440, 538, 540, 638, 640) hin eine Längenänderungskompensation zu liefern.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der für jede Aufhängungsteilanordnung (134, 434, 534, 634, 734) eine Doppelfaltungs-Rahmenbiegevorrichtungsgruppe (438, 440) auf jeder der gegenüberliegenden Seiten der Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung (436, 536, 636) vorgesehen ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die Biegevorrichtungen (436, 438, 440, 536, 538, 540, 636, 638, 640) rechteckförmige Strahlen sind, wobei jeder Strahl eine Höhe aufweist, die beträchtlich größer ist als eine Breite des Strahls.
Eine Computerspeicherungsvorrichtung (10, 100, 410, 510, 610, 710), die folgende Merkmale umfasst: einen Rahmen (12, 112, 412, 512, 612, 712); eine Bewegungsvorrichtung (20, 120, 420, 520, 620, 720), die dahin gehend konfiguriert ist, sich relativ zu dem Rahmen (12, 112, 412, 512, 612, 712) zu bewegen, wobei die Bewegungsvorrichtung (20, 120, 420, 520, 620, 720) eine Mehrzahl von Datenplätzen (22) umfasst, die über einen Betrieb einer Lese-/Schreibvorrichtung zugänglich sind; und eine mechanische Aufhängung (32, 132, 432, 532, 632, 732), die eine Mehrzahl von Aufhängungsteilanordnungen (134, 434, 534, 634, 734) umfasst, die wirksam zwischen den Rahmen (12, 112, 412, 512, 612, 712) und die Bewegungsvorrichtung (20, 120, 420, 520, 620, 720) gekoppelt sind, wobei jede Aufhängungsteilanordnung (134, 434, 534, 634, 734) folgende Merkmale umfasst: zumindest eine elastische Bewegungs vorrichtungsbiegevorrichtung (436, 536, 636), die zwischen der Bewegungsvorrichtung (20, 120, 420, 520, 620, 720) und einem unabhängigen Kopplungsbauglied (142, 342, 442, 542, 642), das der Aufhängungsteilanordnung zugeordnet ist, befestigt ist; und zumindest zwei elastische Rahmenbiegevorrichtungen (438, 440, 538, 540, 638, 640), die zwischen dem Kopplungsbauglied (142, 342, 442, 542, 642) und dem Rahmen (12, 112, 412, 512, 612, 712) befestigt sind, wobei die Rahmenbiegevorrichtungen (438, 440, 538, 540, 638, 640) auf gegenüberliegenden Seiten der Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung (436, 536, 636) angeordnet sind und entlang einer Längsachse (438, 538, 638) ausgerichtet sind, die durch die Bewegungsvorrichtungsbiegevorrichtung (436, 536, 636) verläuft.