Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein MEMS mit einem gegenüber einem Substrat mit einer Rahmenstruktur beweglichen Element, auf ein MEMS-Array, auf einen MEMS-Aktuator und auf ein Verfahren zum Bereitstellen eines MEMS. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein mikromechanisches Element mit Stressausgleich.

Ein MEMS-Aktuator kann beispielsweise dazu genutzt werden, einen damit verbundenen Mikrospiegel zu bewegen und wie gewünscht zu positionieren. Derartige Aktuatoren werden in zunehmendem Maß für eine breite Palette von Anwendungen eingesetzt, wie z. B. Flächenlichtmodulatoren, Scannerspiegel, optische Schalter für die Kopplung von Lichtleitfasern (optical cross-connect), Mikroventile, elektrische Mikroschalter und andere.

Meistens wird die Position eines beweglichen Aktuatorteils durch ein angelegtes elektrisches Signal gesteuert. Als physikalischer Effekt wird in vielen Fällen elektrostatische Anziehungskraft genutzt, aber auch elektromagnetische Kräfte sowie piezoelektrische oder thermische Ausdehnung können eingesetzt werden. Derartige Aktuatoren verfügen oft über eine rückstellende elastische Aufhängung, die für eine statische Gleichgewichts- Auslenkung eine entsprechende Gegenkraft aufbringt. Aufgrund der Art der ausführbaren Bewegung wird zwischen drehenden/kippenden Aktuatoren und translatorischen Aktuatoren, sowie Aktuatortypen, die beide Bewegungsarten ermöglichen, unterschieden. Drehende/kippende Aktuatoren können eine kardanische Aufhängung aufweisen. Solche kardanische Aufhängungen funktionieren in der Mikrome- chanik meistens recht gut, solange die Federn nicht unter einer übermäßigen mechani- sehen Spannung stehen. Mechanische Spannungen können in der Mikromechanik jedoch leicht auftreten, sei es herstellungsbedingt durch die Fertigungsprozesse oder während des Betriebs durch Temperaturänderung und die Verschiedenheit der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialen für Federn, starre Aktuatorteile, das Substrat und ggf. das Gehäuse. Spannung in den Federn verändert die Federkonstante und damit das Auslenkungsverhalten des Aktuators. Besonders ungünstig sind Druckspannungen, die bei Überschreitung eines kritischen Wertes, die (je nach Geomet- rie) zum Ausknicken der Federn führen können [1 , 2]. Ein derartiges Ausknicken macht Aktuatoren meistens komplett unbrauchbar, obwohl auch Anwendungen denkbar sind, wo der Effekt vorteilhaft genutzt wird. Daher wird im Allgemeinen versucht, die Federn mit einer geringen Zugspannung herzustellen. Das Einstellen des gewünschten Spannungs- werts ist jedoch - je nach Fertigungstechnologie - oft unzulänglich präzise.

Bei mikromechanischen kardanischen Aufhängungen kann man nun in manchen Fällen überraschenderweise ausknickende Federn beobachten, obwohl das System insgesamt unter leichter Zugspannung steht. Im Fall, dass z. B. die äußeren Federn an dem Substrat verankert sind, kann sich der Kardanrahmen durch seine (wenn auch geringe) Elastizität unter der Zugspannung der äußeren Federn so verformen, dass die inneren Federn unter Druckspannung kommen und ausknicken können, selbst wenn sie in der Ausgangsform des Kardanrahmens noch leichte Zugspannung hatten. Ein derartiges Verhalten ist in den Fig. 12a und 12b gezeigt. Die Fig. 12a und 12b zeigen als Vollfläche dargestellt das Sys- tem in seinem Ursprungszustand und mit gestrichelten Linien dargestellt das System bei Auftreten von Zugkräften an äußeren Elementen 1004a und 1004b. Die Bezugszeichen sind für das Auftreten der Zugkraft mit einem Apostroph versehen. Das bedeutet, das äußere Element 004a' entspricht dem äußeren Element 1004a, wenn die Zugkraft auftritt. Über einen rund ausgeführten Kardanrahmen 1002 ist ein Element 1003 mit äußeren Elementen 1004a und 1004b verbunden. Es können sowohl die äußeren Elemente 1004a und 1004b mit einem Substrat verbunden sein, während das Element 1003 ein zu bewegendes Element ist oder beispielsweise mit einem zu bewegenden oder zu posierenden Element, etwa einem Mikrospiegel, verbunden ist. Ebenfalls ist es möglich, dass das Element 1003 mit dem Substrat verbunden ist und die äußeren Elemente 1004a und 1004b mit dem zu posierenden Element verbunden sind oder dieses Element sind. Ein Federpaar umfassend Federn 1005a und 1005b ist zwischen den äußeren Elementen 1004a bzw. 1004b und dem Kardanrahmen 1002 angeordnet. Ein weiteres Federpaar umfassend Federn 1006a und 1006b ist zwischen dem Element 1003 und dem Kardanrahmen 1002 angeordnet. Basierend auf einer Zugkraft 1007 kann sich der Kardanrahmen 1002 verformen, so dass eine Druckspannung auf die Federn 1006a und 1006b entsteht, die zu einem Ausknicken der Federn führen kann.

In Fig. 12b ist ein vergleichbares Szenario dargestellt, bei dem der Kardanrahmen 1002 und das (innere) Element 1003 eckig ausgeführt sind. Auch hier kann die Druckspannung auf die Federn 1006a und 1006b zu einem Ausknicken der Federn führen. In anderen Fällen können auch die äußeren Federn Druckspannung erhalten, wenn sich der Kardan- rahmen unter dem Zug der inneren Federn verformt. Das bedeutet, unter Zugkräften aus dem Substrat verformt sich ein kreisrunder bzw. quadratischer Kardanrahmen. Die inneren Federn erhalten starke Druckspannung und knicken aus, hier beispielhaft unter Verschiebung bzw. Verdrehung der Aktuatorplatte in der Mitte.

Das Ausknicken der Federn kann in unterschiedlichen Moden stattfinden. Zwei Beispiele sind in den Fig. 12a und 12b gezeigt, es existieren aber noch weitere, insbesondere auch in die dritte Dimension oder in Verbindung mit einer Torsion der Federn. Dieser Effekt tritt bei herkömmlichen feinmechanischen Kardanaufhängungen im Übrigen meist nicht auf, da dort üblicherweise keine Federn, sondern Achsen verwendet werden, in deren Lagern auch eine geringfügige axiale Bewegung möglich ist.

Bei den bisher bekannten mikromechanischen kardanischen Aufhängungen sind die Kardanrahmen meistens sehr stark gebaut, um die oben beschriebene Verformung zu mini- mieren. Dies führt jedoch leicht dazu, dass die Federn zum Substrat umso stärker unter Spannung geraten. Diese Spannungen können reduziert werden, indem die Feder nicht starr am Kardanrahmen bzw. Substrat anschließt, sondern mit einer weiteren Feder, die quer zur ersten Feder verläuft und mit dem Substrat verbunden ist. Dies ist in Fig. 13 dargestellt. Die Feder 1005a ist mit einer Feder 1008a verbunden, welche mit dem äußeren Element 1004a verbunden ist. Ebenso ist die Feder 1005b mit einer Feder 1008b verbunden, welche wiederum eine Verbindung zu dem äußeren Element 1004b herstellt. Der Rahmen 1002 kann besonders steif ausgeführt sein. Die Querfedern 1008a und 1008b an den äußeren Federn 1005a bzw. 1005b reduzieren den vom Substrat eingetragenen Stress. Die geringe Restdeformation des Kardanrahmens 1002 ergibt nur wenig Druckspannung in den inneren Federn 1006a und 1006b, so dass ein Ausknicken teilweise verhindert sein kann. Dies kann somit ausreichend gut funktionieren, aber es bleibt üblicherweise eine Restverformung und damit Druck auf die inneren Federn 1006a und 1006b übrig. Der steife Kardanrahmen braucht außerdem viel Platz und ist entsprechend schwer.

Dieses Vorgehen hilft außerdem nur bedingt, wenn beispielsweise der Kardanrahmen selbst während der Fertigung unter einer höheren Zugspannung steht als die beweglichen mikromechanischen Strukturen in seinem Inneren und dann beim Freilegen des Systems (teilweise) relaxiert. Auch in diesem Fall ließe sich eine Druckspannung in den inneren Federn höchstens wieder durch weitere Querfedern vermindern, was jedoch nur zu einer teilweisen Reduktion führt. Ähnliche Probleme können sich auch ergeben, wenn die inne- ren Federn 1006a und 1006b mit dem Substrat und die äußeren Federn 1005a und 1005b mit dem beweglichen Aktuatorteil verbunden sind.

Wünschenswert wären demnach Konzepte, die ein Auftreten von Druckspannungen in MEMS-Federn reduzieren oder vermeiden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, mikromechanische Systeme (MMS), MMS-Arrays, MMS-Aktuatoren und Verfahren zum Bereitstellen eines MMS zu schaffen, die eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Ein Kerngedanke eines ersten Aspekts besteht darin, erkannt zu haben, dass eine Kardanstruktur so impiementierbar ist, dass eine Zugspannung, die in einem ersten Feder- paar einer Kardanaufhängung wirkt, eine Zugspannung in einem zweiten Federpaar der Kardanaufhängung erzeugt. Dies ermöglicht, dass das Auftreten von Druckspannungen durch die Zugspannung vermieden wird und dies durch die Ausgestaltung der Rahmenstruktur ermöglicht wird. Der Kerngedanke eines zweiten Aspekts besteht darin, erkannt zu haben, dass durch eine Vermeidung von Zugkräften in den ersten Federelementen die Verformung der beweglichen Struktur und damit Druckkräfte in den zweiten Federelementen reduziert oder vermieden werden können und dass dies durch eine Hebelstruktur zwischen Federn und Ankerbereichen an dem Substrat erhalten werden kann, wobei die Hebel im Wesentlichen rechtwinklig zu den erwarteten Verschiebungsrichtungen der Ankerbereiche stehen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts umfasst ein mikromechanisches System (MMS) ein Substrat und ein gegenüber dem Substrat bewegliches Element. Das MMS umfasst ferner eine Rahmenstruktur und ein erstes Federpaar, das zwischen dem Substrat und der Rahmenstruktur entlang einer ersten Federrichtung angeordnet ist. Ein zweites Federpaar ist zwischen dem beweglichen Element und der Rahmenstruktur entlang einer zweiten Federrichtung angeordnet. Die Rahmenstruktur ist ausgebildet, um bei einer Zugspannung, die in einem ersten Federpaar wirkt, eine Zugspannung in einem zweiten Federpaar zu erzeugen. Dies ermöglicht, auftretende Zugkräfte, wie sie bei- spielsweise durch das Freilegen (release) des MMS insbesondere durch Ausdehnung des umliegenden Substrats auftreten können, in Zugspannungen umzuwandeln, die in den Federn zwischen dem beweglichen Element und der Rahmenstruktur wirken. Dies ermöglicht eine geringe bis keine Druckbelastung und somit eine hohe Zuverlässigkeit der Federelemente und mithin des MMS, da ein Einknicken oder ein Bruch der Federn basierend auf Druckkräften reduziert oder verhindert ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Abstand zweier äußerer Enden zweier gegenüberliegender Seiten der Rahmenstruktur basierend auf der Zugspannung, die in dem ersten Federpaar wirkt, verlängerbar, um so die Zugkraft auf das zweite Federpaar zu erzeugen. Das bedeutet, die Zugkraft auf das erste Federpaar wird in eine Verlängerung der Rahmenstruktur entlang einer Richtung quer zu diesem ersten Federpaar umgesetzt, wobei die Verlängerung für den Erhalt der Zugkraft auf das zweite Federpaar nutzbar ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen eine erste und eine zweite Seite der Rahmenstruktur, an denen jeweils eine Feder des ersten Federpaares angeordnet ist, einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich auf, zwischen denen die jeweilige Feder angeordnet ist. Der erste und der zweite Teilbereich sind in einem bezogen auf die Rahmenstruktur außen gemessenen Winkel von kleiner 180° angeordnet, d.h. so, dass die Rahmenstruktur hier konkav ausgebildet ist. Der Wert dieses Winkels ermöglicht eine Auslegung des Ausmaßes an Zugkraft, die an das zweite Federpaar weitergegeben wird und daraufhin ein hohes Maß an Zuverlässigkeit des MMS.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das mit dem vorangehenden kombinierbar aber auch unabhängig hiervon implementierbar ist, weist eine dritte und eine vierte Seite der Rahmenstruktur, an denen jeweils eine Feder des zweiten Federpaares angeordnet ist, einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich auf, zwischen denen die jeweilige Feder angeordnet ist. Der erste und der zweite Teilbereich sind in einem bezogen auf die Rahmenstruktur außen gemessenen Winkel von kleiner 180° angeordnet. Dies ermöglicht ebenfalls den Vorteil einer Auslegung des Ausmaßes an Zugkraft, das übertragen wird.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Rahmenstruktur so ausgebildet, dass sie benachbart zu Ecken des Rahmens und/oder benachbart zu Bereichen, an denen Federn des ersten oder zweiten Federpaares angeordnet sind, ein Gelenk aufweist, etwa ein Festkörpergelenk. Dies ermöglicht die gezielte Beeinflussung der Rahmenstruktur im Einfluss der Zugkraft und somit eine weitere Steigerung der Zuverlässigkeit. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiei umfasst das MMS eine Kompensationsstruktur, die zwischen zwei Seiten der Rahmenstruktur angeordnet ist und mit diesem mechanisch fest verbunden ist, wobei eine Biegesteifigkeit der Rahmenstruktur entlang der ersten Federrichtung und eine Beigesteifigkeit der Rahmenstruktur entlang der zweiten Fe- derrichtung einen vergleichsweise höheren Wert und einen vergleichsweise niedrigeren Wert aufweise, d. h. zwei Seiten der Rahmenstruktur weisen verglichen mit zwei anderen Seiten der Rahmenstruktur einen niedrigeren Wert einer Biegesteifigkeit auf. Die Kompensationsstruktur erstreckt sich entlang der Federrichtung, entlang derer die Rahmenstruktur die Biegesteifigkeit mit dem vergleichsweise höheren Wert aufweist zwischen den zwei Seiten. Dies kann auch so verstanden werden, dass die Seiten, die eine niedrigere Biegesteifigkeit aufweisen durch die Kompensationsstruktur verstärkt werden, so dass eine ungewollte Verbiegung der Rahmenstruktur reduziert oder verhindert ist.

Ein MMS gemäß dem zweiten Aspekt umfasst ein Substrat, ein gegenüber dem Substrat bewegliches Element und eine Rahmenstruktur. Das MMS umfasst eine erste und eine zweite Feder, die zwischen dem Substrat und der Rahmenstruktur entlang einer ersten Federrichtung angeordnet sind und umfasst eine dritte und eine vierte Feder, die zwischen dem beweglichen Element und der Rahmenstruktur entlang einer zweiten Federrichtung angeordnet sind. Die erste Feder ist an einem der Rahmenstruktur abgewandten Ende über ein erstes Hebeielement mit einem ersten Ankerbereich des Substrats und über ein zweites Hebeielement mit einem zweiten Ankerbereich des Substrats verbunden. Die zweite Feder ist an einem der Rahmenstruktur abgewandten Ende über ein drittes Hebeielement mit einem dritten Ankerbereich des Substrats und über ein viertes Hebeielement mit einem vierten Ankerbereich des Substrats verbunden. Der erste, zweite, dritte und vierte Ankerbereich sind bei einer Expansion des Substrats gegeneinander entlang einer ersten, zweiten, dritten und vierten Bewegungsrichtung verschoben. Jedes der Hebelelemente ist in einem Winkel von zumindest 75° und höchstens 105° an dem jeweiligen Ankerbereich relativ zu der ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Verschiebungsrichtung angeordnet. Vorteilhaft daran ist, dass bei einem Freilegen aber auch bei einer ther- misch induzierten Expansion oder Kompression des Substrats und mithin der Verschiebung der Ankerelemente eine Induzierung von Druckkräften auf die erste und zweite Feder zumindest reduziert ist, da durch die Anordnung der Hebelelemente in dem Winkel eine Längenänderung der ersten und zweiten Feder durch die Verschiebung der Ankerelemente gering ist. Dies ermöglicht eine hohe Zuverlässigkeit des MMS. Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein MMS-Array mit einer Vielzahl von MMS, die auf demselben Substrat angeordnet sein können.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft einen MMS-Aktuator mit einem MMS gemäß vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Bereitstellen eines MMS gemäß dem ersten Aspekt. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Substrats, ein Bereitstellen eines gegenüber dem Substrat beweglichen Elements und ein Bereitstellen einer gegenüber dem Substrat beweglichen Rahmenstruktur. Das Verfahren umfasst ferner ein Anordnen eines ersten Federpaares zwischen dem Substrat und der Rahmenstruktur entlang einer ersten Federrichtung und ein Anordnen eines zweiten Federpaares zwischen dem beweglichen Element und der Rahmenstruktur entlang einer zweiten Federrichtung. Die Rahmenstruktur wird so bereitgestellt, dass diese bei einer Zugspan- nung, die in dem ersten Federpaar wirkt, eine Zugspannung in dem zweiten Federpaar erzeugt.

Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Herstellen eines MMS gemäß dem zweiten Aspekt. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Substrats, ein Bereit- stellen eines gegenüber dem Substrat beweglichen Elements, ein Bereitstellen einer gegenüber dem Substrat beweglichen Rahmenstruktur und ein Bereitstellen eines ersten, zweiten, dritten und vierten Ankerbereichs an dem Substrat, so dass der erste, zweite, dritte und vierte Ankerbereich bei einer Expansion des Substrats gegeneinander entlang einer ersten, zweiten, dritten und vierten Richtung verschoben sind. Das Verfahren um- fasst ein Anordnen einer ersten und einer zweiten Feder zwischen dem Substrat und der Rahmenstruktur entlang einer ersten Federrichtung. Das Verfahren umfasst ferner ein Anordnen einer dritten und eine vierten Feder zwischen dem beweglichen Element und der Rahmenstruktur entlang einer zweiten Federrichtung. Ferner umfasst das Verfahren ein Verbinden eines der Rahmenstruktur abgewandten Endes der ersten Feder über ein erstes Hebelelement mit dem ersten Ankerbereich des Substrats und über ein zweites Hebelelement mit dem zweiten Ankerbereich des Substrats. Ein der Rahmenstruktur abgewandtes Ende der zweiten Feder wird über ein drittes Hebelelement mit dem dritten Ankerbereich des Substrats und über ein viertes Hebelelement mit dem vierten Ankerbereich des Substrats verbunden. Das Verbinden erfolgt so, dass jedes der Hebelelemente in einem Winkel von zumindest 75° und höchstens 105° an dem jeweiligen Ankerbereich relativ zu der Verschiebungsrichtung des Ankerbereichs angeordnet ist. Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Aufsicht auf ein MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts;

Fig. 2a eine schematische Aufsicht auf ein MMS gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts;

Fig. 2b eine schematische Seitenschnittansicht des MMS gemäß Fig. 2a in einer

Schnittebene gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 eine schematische Aufsicht auf eine Ausgestalt einer weichen Seite einer

Rahmenstruktur, wie sie beispielsweise im MMS gemäß Fig. 1 oder Fig. 2a einsetzbar ist;

Fig. 4 eine schematische Aufsicht auf ein MMS gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts, bei dem Enden von Seiten der Rahmenstruktur bei Auftreten einer Zugkraft auseinandergedrückt werden;

Fig. 5 eine schematische Aufsicht auf ein MMS gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts, bei dem zwei Seiten der Rahmenstruktur verglichen mit dem MMS gemäß Fig. 4 als nach außen gekrümmte Baiken gebildet sind; Fig. 6 eine schematische Aufsicht auf ein MMS gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts, bei dem vier Seiten der Rahmenstruktur als gekrümmte Bögen realisiert sind,

Fig. 7 eine schematische Aufsicht auf das MMS gemäß Fig. 1 , das in eine unerwünschte Verformung gebracht ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts; Fig. 8 eine schematische Aufsicht auf ein MMS gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts, das Kompensationsstrukturen aufweist; Fig. 9 eine schematische Aufsicht auf ein MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel des zweiten Aspekts;

Fig. 10 ein schematisches Blockschaltbild eines MMS-Arrays gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 1 1 ein schematisches Blockschaltbild eines MMS-Aktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 12a-b ein Verhalten eines MMS gemäß dem Stand der Technik; und Fig. 13 ein weiteres MMS gemäß dem Stand der Technik.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funk- tionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann. Nachfolgende Ausführungen beziehen sich auf die Ausgestaltung und/oder Herstellung von mikromechanischen Strukturen (MMS). Ausführungsbeispiele ermöglichen eine Reduzierung und ggf. eine Verhinderung einer Entstehung von Druckkräften, die auf Federelemente der beschriebenen MMS wirken. Verformungen des Substrats oder anderer Strukturteile, die zu Zugkräften führen, können beispielsweise während eines Release (Freilegen) des MMS auftreten. Alternativ oder zusätzlich kann dies auch bei einem Auftreten interner oder externer Kräfte und/oder bei einer thermisch induzierten Verformung des betreffenden Strukturteils erfolgen. Beispielsweise kann eine Erwärmung des Substrats zu einer Ausdehnung des Substrats führen, die verglichen mit einer Ausdehnung von Federelementen oder anderen Elementen des MMS größer oder kleiner ist, so dass durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung Kräfte entstehen. Hieraus wird unmittelbar deutlich, dass sich die nachfolgenden Ausführungen auch ohne Einschränkungen auf mikroelektromechanische Strukturen (MEMS) beziehen, wie sie beispielsweise in Ak- tuatoren verwendet werden. Diese können Stellglieder aufweisen, die Kräfte und/oder Temperaturen erzeugen, um zumindest Teile der Struktur in Bewegung zu versetzen, wobei auch hier Kräfte entstehen.

MMS und/oder MEMS können eine Vielzahl von Materialien umfassen. Beispielsweise können sie aus einem Halbleitermaterial herausgebildet sein oder auf einem solchen Haibleitermaterial, etwa Silizium, abgeformt d. h. gebildet werden. Eine Ausbildung unterschiedlicher Strukturen kann beispielsweise über eine Abscheidung gleicher oder anderer Materialien erfolgen, wobei hier unterschiedliche Verfahren zur Anwendung kommen können, etwa eine chemische Gasphasenabscheidung, eine physikalische Gasphasenab- scheidung und/oder ein epitaktisches Wachsen. Während des Erzeugens derartiger Strukturen auf einem Substrat oder in einem Substrat können Opferschichten verwendet werden, die zu einem späteren Zeitpunkt zumindest teilweise entfernt werden, um eine Bewegung zwischen einzelnen Teilen zu ermöglichen. Werden unterschiedliche Materialien in dem MMS abgeschieden oder verwendet, so kann ein Spannungsgradient in dem Material auftreten, der dazu führt, dass bei der Entfernung der Opferschichten eine Bewegung in einem oder mehreren Strukturteilen erfolgt. Beispielsweise kann sich die bewegliche (gegenüber dem Substrat) Struktur zusammenziehen, was äquivalent dazu ist, dass sich das Substrat gegenüber den beweglichen Elementen ausdehnt. Obwohl sich die meisten nachfolgenden Ausführungen nun darauf beziehen, dass das Substrat sich gegenüber anderen Teilen des MMS ausdehnt, kann eine Zugspannung in Federelementen zwischen einer Rahmenstruktur, die über Federelemente mit dem Substrat verbunden ist, auch dadurch erhalten werden, dass sich die Rahmenstruktur gegenüber dem Substrat zusammenzieht.

Fig. 1 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein MMS 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts. Durchgezogene Linien können einen Zustand des MMS vor einem Release zeigen, während gestrichelte Linien in der Fig. 1 beispielhaft den Zustand nach dem Release zeigen können. Die Bezugszeichen hierzu sind der Übersichtlichkeit halber mit einem Apostroph versehen.

Das MMS 10 umfasst ein Substrat 12. Bei dem Substrat 12 kann es sich beispielsweise um eine Chipoberfläche oder dergleichen handeln. Ankerelemente 14a und 14b können sich gegenüber einer Substratoberfläche des Substrats 12 erheben, um eine Beabstan- dung von der Substratoberfläche zu ermöglichen und beispielsweise eine Aufhängung für weitere Komponenten des MMS 10 bereitzustellen. Die Ankerelemente 14a und 4b werden nachfolgend als Teil des Substrats 12 betrachtet, auch wenn sie aus verschiedenen Materialien gebildet sein können. Das MMS 10 umfasst ferner ein bewegliches Element 16, das gegenüber dem Substrat 12 beweglich ist.

Das MMS 10 kann eine ebenfalls gegenüber dem Substrat 12 bewegliche Rahmenstruktur 18 umfassen, die auch als Kardanrahmen bezeichnet werden kann. Das MMS 10 umfasst Federn 22a und 22b, die ein erstes Federpaar bilden. Die Federn 22a und 22b sind zwischen dem Substrat 12 bzw. den Ankerelementen 14a und 14b und der Rahmenstruk- tur 18 angeordnet. Die Federelemente 22a und 22b stützen oder tragen die Rahmenstruktur 18 gegenüber dem Substrat 12. Federn 24a und 24b verbinden wiederum die Rahmenstruktur 18 mit dem beweglichen Element 16. Hierfür können die Federn 22a und 22b entlang einer ersten Federrichtung 26 angeordnet sein. Beispielsweise sind die Federn 22a und 22b an gegenüberliegenden Seiten der Rahmenstruktur 18 angeordnet und pa- rallel zueinander ausgerichtet. Die Federn 22a und 22b können entlang der Federrichtung 26 versetzt zueinander angeordnet sein und/oder entlang einer Richtung senkrecht hierzu in Abwesenheit eines Versatzes angeordnet sein. Verglichen mit der Beschreibung im Zusammenhang mit der Fig. 12b kann das MMS 10 im Wesentlichen identisch gebildet sein, wobei zumindest die Rahmenstruktur 18 unterschiedlich gebildet ist.

Die Federn 24a und 24b können entlang einer zweiten Federrichtung 28 angeordnet sein. Die Federrichtungen 26 und 28 können beispielsweise senkrecht zueinander angeordnet sein, aber auch einen anderen Winkel zueinander aufweisen. Die Federn 24a und 24b können ebenfalls parallel zueinander bzw. lediglich entlang der Richtung 28 versetzt zuei- nander in Abwesenheit eines Versatzes entlang der Richtung 26 angeordnet sein. Dies ermöglicht eine kardanische Aufhängung des beweglichen Elements 16 gegenüber dem Substrat 12 durch die Rahmenstruktur 18. Die erhaltene Aufhängung kann auch als kardanische Aufhängung bezeichnet werden, etwa wenn das erste Federpaar und das zweite Federpaar senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei eines der Federpaare an einer Innenseite der Rahmenstruktur 18 und das andere Federpaar an der Außenseite der Rahmenstruktur 18 angeordnet ist. Die Federn 22a, 22b, 24a und/oder 24b können beispielsweise als Torsionsfedern oder Biegefedern gebildet sein.

Das Substrat 12, die Ankerelemente 14a und 14b, das bewegliche Element 16, die Rah- menstruktur 18 sowie die Federn 22a, 22b, 24a und 24b können gleiche oder voneinander verschiedene Materialien umfassen. Die zuvor genannten Elemente sind in Fig. 1 bei- spielsweise für einen Zustand vor einem Release des MMS dargestellt, wobei das MMS fixierende Opferschichten der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.

Wie es durch Pfeile 32a und 32b dargestellt ist, verschieben sich beispielsweise die An- kerelemente 14a und 14b entlang einer positiven und negativen x-Richtung. Die x- Richtung kann parallel zu der Federrichtung 26 der Federn 22a und 22b im Raum angeordnet sein, so dass durch die Verschiebung des Substrats 12 bzw. der Ankerelemente 14a und 14b eine Zugkraft auf die Federelemente 22a und 22b entsteht. Das bedeutet, dass die x-Richtung auch in einem - nicht senkrechten - Winkel zu der Federrichtung 26 angeordnet sein kann.

Die Rahmenstruktur 18 ist nun ausgebildet, um bei Auftreten der Zugspannung σι, die in den Federn 22a und 22b wirkt, eine Zugspannung σ ₂ in dem zweiten Federpaar, d. h. die Federn 24a und 24b zu erzeugen. Hierfür kann die Rahmenstruktur 18 vier oder mehr Rahmenseiten 34a bis 34d umfassen. Beispielsweise können die vier abgebildeten Seiten 34a bis 34d in einem Parallelogramm, bevorzugt einem Rechteck oder wie dargestellt, einem Quadrat angeordnet sein. Die Seiten 34a und 34c können gegenüberliegend zueinander angeordnet sein und mittels der Federn 22a bzw. 22b mit den Ankerelementen 14a bzw. 14b verbunden sind. Zwischen diesen Seiten können die gegenüberliegend zu- einander angeordneten Seiten 34b und 34d angeordnet sein, die über die Federelemente 24a und 24b mit dem beweglichen Element 16 verbunden sind. Das MMS 10 ist nun so gestaltet, dass die Seiten 34a und 34b ausgebildet sind, um sich bei Auftreten der Zugspannung Oi zu verlängern, das bedeutet, die Seiten 34a und 34b können vorab gekrümmt sein, wobei ein Ausmaß der Krümmung durch die resultierenden Zugkräfte redu- ziert wird, so dass sich Enden der Seiten 34a und 34c voneinander entfernen und sich ein Abstand zweier äußerer Enden der Seiten 34a und 34c durch die Zugspannung σι verlängert. Das bedeutet, die Rahmenstruktur 18 kann ausgebildet sein, um sich bei Auftreten der Zugspannung σι entlang einer Richtung senkrecht hierzu, d. h. entlang der Federrichtung 28, auszudehnen. Bspw. können die Seiten 34a und 34c einen konkaven Teil der Rahmenstruktur bilden, das bedeutet, die Seiten 34a und 34c können in einem Mittenbereich derselben weiter in einen Innenbereich der Rahmenstruktur 18 reichen als an einem weiter außen liegenden Bereich der Seiten 34a bzw. 34c, etwa an Enden derselben. Hierdurch können Kräfte in die Rahmenstruktur 18 eingeleitet werden, die die beiden anderen gegenüberliegend zueinander angeordneten Seiten 34b und 34d auseinanderdrücken, was bezüglich der Federn 24a und 24b als Zugkraft wirkt und die Zugspannung σ ₂ erzeugen kann. Wird beispielsweise die Beschreibung der Fig. 12b vergleichsweise herange- zogen, so wird deutlich, dass anstelle der unerwünschten oder schädlichen Druckkraft auf die Federelemente 1006a und 1006b nun eine Zugkraft in den Federelementen 24a und 24b vorherrscht, die verglichen mit der Druckkraft gewünscht oder zumindest eher tolerierbar ist.

Obwohl das M S 10 so beschrieben ist, dass die Ankerelemente 14a und 14b außerhalb der Rahmenstruktur 18 angeordnet sind und das bewegliche Element 16 innerhalb der Rahmenstruktur 18 angeordnet ist, können die Funktionsweisen dieser Elemente auch wechselseitig vertauscht werden. Es ist ohne Einschränkung der hierin beschriebenen Lehre möglich, dass beispielsweise die Elemente 14a und 14b mit einem zu bewegenden Element, etwa einem Spiegel oder dergleichen verbunden sind, während das Element 16 mit dem Substrat 12 verbunden ist und als Ankerelement fungiert. Auch hier kann durch das Release die die Zugspannung ΟΊ induzierende Zugkraft erhalten werden, etwa wenn sich die Rahmenstruktur 18 gegenüber dem zu bewegenden Element (Spiegel) zusam- menzieht.

Dieses Prinzip ist besonders geeignet für in zwei Dimensionen verkippbare Aktuatoren, etwa um eine Achse entlang der Federrichtung 26 und um eine Achse entlang der Federrichtung 28. Bei solchen Aktuatoren kann die Bewegung in den beiden Freiheitsgraden durch zwei Federpaare ermöglicht werden, die sich im Wesentlichen im rechten Winkel zueinander erstrecken. Jede dieser Federn kann dabei ggf. auch noch eine Mehrzahl von einzelnen Federn umfassen oder in diese aufgespaltet oder aufgeteilt sein. Die mechanische Verbindung der beiden Federpaare kann über einen im Vergleich zu den Federn recht starren Rahmen, d. h. die Rahmenstruktur 18, erfolgen und wird auch kardanische Aufhängung genannt. Es ist möglich, dass eines der Federpaare außen an dem Kardanrahmen angreift und beispielsweise an einem Substrat verankert ist. Das andere Federpaar greift beispielsweise innen am Kardanrahmen an und hält am anderen Ende den beweglichen Teil des Aktuators. In anderen Ausführungen sind die Rollen von festem Substrat und jeglichem Aktuatorteil vertauscht. Es wird somit eine mikromechanische kar- danische Aufhängung geschaffen, bei der Druckspannungen in vielen oder allen Teilen vermieden werde können, besonders aber in den Federn 22a, 22b, 24a und 24b. Dies kann auch bei zu erwartenden Parameterschwankungen des Fertigungsprozesses und unter den zu erwartenden Betriebsbedingungen erfüllt bleiben. Durch die geeignete Wahl der Designparameter können in den verschiedenen Teilen der Aufhängung gewünschte (Zug-)Spannungswerte gezielt eingestellt werden. Beispiele hierzu werden nachfolgend anhand der Fig. 2a beschrieben. In anderen Worten können oben genannte Probleme damit gelöst werden, dass der Kardanrahmen teilweise konkav, d. h, nicht überall konvex, gebildet und an Ecken schwächer, d. h. ausgedünnt ausgeführt ist, so dass er sich bevorzugt dort verbiegen kann. Ei- nes der Federpaare greift dabei an den konkaven, ausgedünnten, Stellen an. Im MMS 10 sind die äußeren Federn an den konkaven Stellen angeordnet und greifen dort an, und sind andererseits am Substrat verankert. Wenn hier z. B. eine Zugkraft aus dem Substrat über die äußeren Federn auf den Kardanring übertragen wird, wird der Winkel, der im Zusammenhang mit Fig. 3 näher erläutert wird, zwischen den einspringenden Kardan- rahmenteilen stumpfer, d. h. größer, und die beiden übrigen Rahmenteile, d. h. die Seiten 34b und 34d, werden auseinandergedrückt. Im Gegensatz zum MMS 10 können bekannte Systeme, etwa das im Zusammenhang mit Fig. 13 dargestellte, Druckspannungen reduzieren, jedoch nicht eine Zugspannung umkehren. Fig. 2a zeigt eine schematische Aufsicht auf ein MMS 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts. Während das MMS 10 so ausgebildet ist, dass die Federn 22a und 22b an vergleichsweise weichen Seiten 34a und 34c angeordnet sind, weist die Rahmenstruktur 18 des MMS 20 weiterhin zwei gegenüberliegend angeordnete vergleichsweise weiche, d. h. eine niedrige Biegesteifigkeit aufweisende, Seiten auf, zwi- sehen denen jeweils zwei relativ steife, d. h. eine vergleichsweise hohe Biegesteifigkeit aufweisende, Seite angeordnet ist. Das MMS 20 ist nun so ausgeführt, dass die Federn 22a und 22b an den steifen Seiten 34b und 34d angreifen, d. h. mit diesen verbunden sind. Die in diesem Beispiel durch Schrumpfung des gesamten MMSs gegenüber dem Substrat auftretende Zugkraft führt nun dazu, dass die Mitten der weichen Seiten 34a und 34c auseinandergezogen werden, um so die Zugkraft für die Federn 24a und 24b bereitzustellen. Im Gegensatz dazu werden bei dem MMS 10 die Enden der weichen Seiten 34a und 34c auseinandergedrückt. Die Seiten 34b und 34d können einen konkaven Teil der Rahmenstruktur 18 bilden. Das bedeutet, dass die Rahmenstruktur 18 so ausgebildet sein kann, dass eine Biegesteifigkeit der Rahmenstruktur 18 entlang der Federrichtung 26 und die Biegesteifigkeit entlang der Federrichtung 28 voneinander verschieden ist. Das MMS 10 ist beispielsweise so konfiguriert, dass die weichen Seiten 34a und 34c parallel zu der Federrichtung 28 verlaufen, so dass die Rahmenstruktur 18 entlang der Federrichtung 28 weich gebildet ist und entlang der Federrichtung 26 steif gebildet ist. Anders verhält es sich bei dem MMS 20, bei dem die weichen Seiten entlang der Federrichtung 26 angeordnet sind, so dass die Biegesteifigkeit der Rahmenstruktur 18 entlang der Federrichtung 28 vergleichsweise höher ist als die der Rahmenstruktur entlang der Federrichtung 26. Die Biegesteifigkeiten weicher Seiten 34a und/oder 34c können verglichen mit steifen Seiten 34b und 34d um einen Faktor von zumindest 2, zumindest 3 oder höher, etwa zumindest 5 oder zumindest 8 voneinander verschieden sind, wobei ein Faktor von 2 beispielsweise so zu verstehen ist, dass eine steife Seite eine Steifigkeit aufweist, die zumindest doppelt so hoch ist wie eine weiche Seite bzw. dass eine Biegesteifigkeit einer weichen Seite höchstens 1/2 eines Wertes der Biegesteifigkeit einer steifen Seite aufweist. In anderen Worten zeigt Fig. 2a ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß dem ersten Aspekt. Hier greifen die äußeren Federn an den geraden Kardanringteilen an und die inneren Federn an den konkaven Steilen. Die Wirkungsweise ist ähnlich wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben. Gemeinsam ist den beiden Beispielen auch, dass die Rahmenstruktur 18 nicht überall konvex ausgeführt werden kann.

Fig. 2b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MMS 20 gemäß Fig. 2a in einer Schnittebene A-A', die durch eine Linie 23 angedeutet ist. Die Linie 23 kann parallel zu aber neben den Federn 22a und 22b angeordnet sein. Die Ankerplatten 14a und 14b können gegenüber einer Hauptsubstratebene 25 erhoben oder beabstandet sein. Ein Ak- tuator 27 kann mit dem auslenkbaren Element 16 verbunden sein und ausgebildet sein, um das auslenkbare Element 16 auszulenken. Durch gestrichelte Linien sind Federn 24 und die Rahmenstruktur 18 außerhalb der Schnittebene A-A' angedeutet.

Eine optionale Haltestruktur 29, etwa eine Pfostenstruktur kann mit dem beweglichen Element 16 und mit einer optionalen weiteren beweglichen Struktur 31 verbunden sein, etwa ein Mikrospiegel oder dergleichen. Die Haltestruktur 29 und die weitere bewegliche Struktur 31 können aus dem gleichen oder unterschiedlichen Materialien gebildet sein, etwa umfassend Silizium, und/oder ein Metall wie etwa Aluminium, Titan, Gold oder Silber bzw. eine Metalllegierung und/oder Verbindungen, speziell Oxide oder Nitride, wie z.B. Titannitrid oder Aluminiumoxid. Eine Bewegung des beweglichen Elements 16 kann eine Bewegung der weiteren beweglichen Struktur 31 induzieren oder umgekehrt, das bedeutet, anstelle des Aktuators 27 kann ein Sensor angeordnet werden. Alternativ können auch die Ankerplatten 14a und 14b gegenüber dem Substrat 12 beweglich sein, während anstelle des Aktuators 27 eine Befestigung an dem Substrat 12 erfolgt. Die Beabstandung der Ankerplatten 14a und 14b von dem Substrat 12 kann ebenso bei anderen hierin beschriebenen MMS ausgeführt sein, etwa beim MMS 10. Obwohl das Substrat 12 so dargestellt ist, dass es eine Erhebung gegenüber der Ebene 25 aufweist, können diese Erhebungen auch Teil der Ankerplatten 14a und/oder 14b sein. Alternativ oder zusätzlich können die Ankerplatten auch ein Substratmaterial des Substrats 12 umfassen und/oder einstückig hiermit gebildet sein. Durch die Anordnung des Aktuators 27 kann das MMS 20 auch als MEMS bezeichnet werden.

Fig. 3 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine besonders vorteilhafte Ausgestait einer weichen Seite der Rahmenstruktur 18, wie sie beispielsweise als Seite 34a der Rahmenstruktur 18 im MMS 10 oder 20 einsetzbar ist. Die Seite 34a der Rahmenstruktur 18 kann zwei oder mehr Teilbereiche 38a und 38b aufweisen. Die Teilbereiche 38a und 38b können an einem Teilbereich 38c, der auch als Mittenbereich beschrieben werden kann, verbunden sein. An dem Mittenbereich 38c kann, wie es für das MMS 10 dargestellt ist, die äußere Feder 22a angeordnet sein oder, wie es für das MMS 20 dargestellt ist, die innere Feder 24a angeordnet sein. Die Teilbereiche 38a und 38b können in einem Mittelteil hiervon jeweils relativ steif ausgeführt sein, etwa durch eine relativ zu anderen Bereichen große Breite oder dergleichen. Zwischen den Teilbereichen 38a und 38b bzw. zwischen einem jeweiligen Teilbereich 38a und 38b und dem Mittenbe reich 38c kann die Seite 34a ausgedünnt sein, so dass in ausgedünnten Bereichen 42a und 42b ein Festkörpergelenk ausgebildet ist. Das bedeutet, dass die Rahmenstruktur in einem Bereich, in dem eine Feder des ersten oder zweiten Federpaares angeordnet ist, als Festkörpergelenk ausgeführt sein kann. Die Festkörper- gelenke können an der weichen Seite 34a angeordnet sein, d. h. entlang der Seite der Rahmenstruktur, entlang derer die Biegesteifigkeit der Rahmenstruktur einen vergleichsweise niedrigen Wert aufweist. Die Teilbereiche 38a und 38b können über ein oder mehrere Festkörpergelenke relativ zueinander beweglich sein. Dies ermöglicht eine Bewegung der Teilbereiche und mithin der Rahmenstruktur unter Vermeidung von Struktur- Schäden in der Rahmenstruktur 18.

Die Teilbereich 38a und 38b können mit einem Winkel a _{1 t} der ungleich 180° ist, zueinander angeordnet sein. Dies bezieht sich auf denjenigen Winkel zwischen den Teilbereichen 38a und 38b, der den kleineren Wert aufweist. Es versteht sich, dass bei einem Winkel von ungleich 180° ein weiterer Winkel auf der anderen Seite betrachtet werden kann, der gleichzeitig größer ist als 180°. Der Winkel α·ι, der kleiner als 180° ist, bezieht sich hierbei auf eine Außenseite der Rahmenstruktur 18, d. h. einen außen gemessen Winkel. Die Seite 34a kann bezüglich einer Achse 46, etwa entlang eines Verlaufs einer in dem Bereich 38c angeordneten Feder symmetrisch gebildet sein, so dass ein Winkel a ₂ zwischen dem Teilbereich 38a und der Achse 46 gleich ist zu einem Winkel a ₃ zwischen dem Teil- bereich 38b und der Achse 46. Alternativ hierzu kann die Seite 34a auch asymmetrisch gebildet sein, so dass die Winkel a ₂ und a ₃ voneinander verschieden sind. Die Anordnung der Teilbereiche 38a und 38b zueinander so, dass die Anordnung einen bezüglich der Rahmenstruktur außen gemessenen Winkel α-ι umschließt, kann auch so bezeichnet werden, dass die Teilbereiche 38a und 38b einen konkaven Teil oder eine konkave Seite der Rahmenstruktur bilden

Durch das Auftreten der Zugkraft kann eine Deformation in der Seite 34a erfolgen, die Enden 44a und 44b der Seite 34a auseinanderzieht- oder drückt. An den Enden 44a und 44b kann die Seite 34a ebenfalls ausgedünnt ausgebildet sein, um ein Festkörpergelenkt zu implementieren, so dass zwischen zwei benachbarten Seiten ein Festkörpergelenk in der Rahmenstruktur 18 angeordnet ist. Das bedeutet, dass die Rahmenstruktur zwischen einer Seite, an der eine Feder des ersten Federpaares angeordnet ist und einer Seite, an der eine Feder des zweiten Federpaares angeordnet ist und zwischen einer weiteren Seite, an der eine weitere Feder des ersten Federpaares angeordnet und einer weiteren Sei- te, an der eine weitere Feder des zweiten Federpaares angeordnet ist, als Festkörpergelenk ausgeführt ist.

Die Festkörpergelenke 42a und 42b können verglichen mit den verstärkten Teilbereichen 38a und 38b auch so verstanden werden, dass die Rahmenstruktur an zwei gegenüber- liegenden Seiten der Rahmenstruktur in einem Bereich, an dem eine Feder des ersten oder zweiten Federpaares angeordnet ist, eine höhere Flexibilität aufweist als in einem benachbarten Bereich 38a und/oder 38b.

Werden nun nochmals die Fig. 1 und 2 betrachtet, so können jeweils zwei gegenüberlie- gende Seiten der Rahmenstruktur mit einer Biegesteifigkeit gebildet sein, die im Wesentlichen gleich ist. Obwohl hierin beschriebene MMS so beschrieben sind, dass die Rahmenstruktur vier Seiten aufweist, so dass ein Parallelogramm und als Spezialform hiervon ein Rechteck oder ein Quadrat erhalten werden kann, ist es ebenfalls möglich, dass die Rahmenstruktur als Polygon mit einer beliebigen geradzahligen Anzahl von Seiten gebil- det ist, etwa sechs, acht, zehn oder mehr. Auch hier können jeweils zwei gegenüberliegende Seiten betrachtet werden. Bevorzugt ist die Rahmenstruktur 18 entlang der ersten Federrichtung 26 und entlang der zweiten Federrichtung 28 jeweils symmetrisch gebildet, was jeweils eine Identifizierung zweier gegenüberliegender Seiten ermöglicht. Die in Fig. 3 näher dargestellte Seite 34a kann als Seite mit einem diskontinuierlich gekrümmten Verlauf verstanden werden. Die Teilbereiche 38a und 38b können jeweils im Wesentlichen gerade ausgeführt und mit einem Winkel zueinander angeordnet sein, so dass die Seite 34a insgesamt einen gekrümmten Verlauf aufweist, auch wenn dieser durch eine diskontinuierliche Änderung der Richtung innerhalb der Seite 34a entsteht.

In anderen Worten, durch die Wahl des ursprünglichen Winkels c , vor dem Release, der einspringen Kardanrahmenteile kann der Wert der resultierenden Breite des Rahmens an den Ecken und damit eine gewünschte leichte Zugspannung in den inneren Federn wie gewünscht eingestellt werden. Der Winkel bestimmt durch Hebelgesetze, wie viel Kraft durch die Zugkraft in die Rahmenstruktur eingeleitet wird. Durch Materialauswahl und Wahl der Rahmengeometrie kann die Verformung des Rahmens und mithin die Zugkraft auf die inneren Federn bestimmt werden. Je weniger stumpf der Winkel c<i ist, desto stärker ist die Verbreiterung des Rahmens aufgrund des Zugs der äußeren Federn und desto höher ist die Zugspannung in den inneren Federn. Damit kann die Aufgabe der Vermei- dung von Druckkräften auf die inneren Federn gelöst werden. Da der Kardanrahmen insgesamt der Zugkraft der äußern Federn definiert nachgibt, kann die hier übrigbleibende Zugspannung durch Wahl der Steifigkeit der Eckverbindungen (Gelenke oder Festkörpergelenke) des Kardanrahmens gleichzeitig auf einen vorteilhaften kleinen Anteils des Ausgangswertes eingestellt werden. Besonders dünne, weiche Eckverbindungen erlauben eine leichte Verbiegung und lassen einen kleineren Anteil der Zugspannung übrig. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Spannungen der beiden Federpaare sich gegenseitig beeinflussen, da sie über die Rahmenstruktur 18 verbunden sind. Die beschriebene Geometrie einer kardanischen Aufhängung ist auch geeignet, die Eigenschaften des Systems unter anderen Belastungsfällen zu verbessern. Wenn beispielsweise der Kardanring fertigungsbedingt unter Zugspannung steht und sich beim Freilegen etwas zusammenzieht, wird über das starre Substrat eine Zugkraft auf ihn ausgeübt. Wieder würden die gewinkelten Teile des Rahmens leicht gestreckt und damit dem Zusammenziehen und einem Entstehen einer Druckspannung in den inneren Federn entgegenwirken. Stattdessen entsteht wieder eine ausgeglichene Zugspannungsverteilung in den beiden Feder- paaren, anders als bei bekannten Konzepten. Fig. 4 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein MMS 40 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem Enden der Seiten 34a und 34c basierend auf der Zugkraft auseinandergedrückt werden. Die Seiten 34a und 34c sind aus zumindest zwei in einem Winkel zueinander angeordneten geraden Segmenten gebildet. Die Segmente sind so angeord- net, dass sie den Winkel oh einschließen.

Fig. 5 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein MMS 50, bei dem die Seiten 34b und 34d verglichen mit dem MMS 40 als nach außen gekrümmte Balken gebildet sind. Das bedeutet, dass die sich gegenüberliegenden Seiten 34b und 34d als einen kontinuierlich ge- krümmten Verlauf aufweisend beschrieben werden können. Die nach außen gekrümmten Seiten 34b und 34d können als Bogen- oder Brückenstruktur wirken und eine hohe Übertragung von Kräften auf die Federelemente 24a und 24b ermöglichen, da eine Durchbiegung der gekrümmten Elemente verglichen mit gerade ausgeführten Elementen gering sein kann. An Enden 44a bis 44d der Seiten 34a und 34c können Gelenke oder Festkör- pergelenke angeordnet sein, um eine Verformung an benachbarten Seiten zu vereinfachen. Die Seiten 34a und 34c können einen konkaven Teil der Rahmenstruktur bilden.

Fig. 6 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein MMS 60 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts, bei dem die Seiten 34b und 34d als nach außen ge- krümmte Bögen realisiert sind, während die Seiten 34a und 34c als nach innen gekrümmte Bögen realisiert sind. Die kontinuierliche Krümmung der Seiten 34a und 34c ermöglicht einen ähnlichen Effekt wie die Implementierung des Winkels zwischen Teilbereichen der bereichsweise konvex geformten Seiten, wie sie für die MMS 10 und 20 beschrieben sind. Vorteilhaft am MMS 60 ist beispielsweise, dass einfache Strukturen implementierbar sind. Die Seiten 34a und 34c können einen konkaven Teil der Rahmenstruktur bilden.

Fig. 7 zeigt eine schematische Aufsicht auf das MMS 10, das in eine unerwünschte Verformung gebracht ist, wie es durch die Bezugszeichen 16", 18", 24a" und 24b" dargestellt ist. Die flexiblen Eckverbindungen, die beispielsweise im Zusammenhang mit MMS 10 und MMS 20 beschrieben wurden und zwischen zwei benachbarten Seiten der Rahmenstruktur 18 angeordnet sind, können in machen Betriebssituationen dazu führen, dass eine unerwünschte Verformung des Kardanrahmens 18 erfolgt, wie es für die Rahmenstruktur 18" angedeutet ist. Solche Verformungen können beispielsweise dynamisch angeregt werden und die ordnungsgemäße Funktion des Bauteils behindern. Fig. 8 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein MMS 80 gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des ersten Aspekts, das Kompensationsstrukturen 48a' und 48b' aufweist. Die Kompensationsstruktur 48a' kann beispielsweise gleich ausgeführt sein wie die Seite 34a, die eine vergleichsweise geringe Biegesteifigkeit aufweist. Ebenso kann die Kompensati- onsstruktur 48b' gleich aufgebaut sein wie die Seite 34b der Rahmenstruktur 18'. Die Kompensationsstrukturen 48a ^! und 48b' können, vereinfacht ausgedrückt, parallel zu den Seiten 34a und 34c und zwischen den Seiten 34b und 34d angeordnet sein. Das bedeutet, dass die Kompensationsstrukturen 48a' und 48b' mit den Seiten 34b und 34d mechanisch fest verbunden sein können. Die Kompensationsstrukturen 48a' und 48b' sind be- vorzugt entlang der Seiten angeordnet, entlang derer die Rahmenstruktur 18' die geringere Biegesteifigkeit aufweist. Besonders bevorzugt sind die Kompensationsstrukturen 48a' und 48b' parallel zu den weichen Seiten 34a und 34c angeordnet, d. h. die Seiten 34a und 34c werden doppelt oder gar mehrfach ausgeführt, so dass Kräfte parallel geführt werden können.

Die Seite 34a kann mit der Kompensationsstruktur 48a' über ein Verbindungseiement 52a verbunden sein, das sich im Wesentlichen entlang der Federrichtung 26 erstreckt, um eine direkte Krafteinleitung der Zugkraft in die Kompensationsstruktur 48a' auch in einem Mittenbereich derselben zu ermöglichen. Ebenso kann ein Verbindungselement 52b zwi- sehen der Kompensationsstruktur 48b' und der Seite 34c angeordnet sein.

Obwohl das MMS 80 so beschrieben ist, dass jede der Seiten 34a und 34c doppelt ausgeführt ist, kann auch lediglich eine der Seiten über eine Kompensationsstruktur verfügen. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine der Seiten zumindest dreifach, zumindest vierfach oder mit einem höheren Wert ausgeführt sein.

In anderen Worten kann der Verformung gemäß Fig. 7 entgegengewirkt werden, indem zumindest ein Teil der einspringenden Rahmenteile doppelt oder mehrfacht ausgeführt wird und damit eine Parallelführung geschaffen wird. In Fig. 8 ist somit eine Stabilisierung gegen die unerwünschte Verformung des Kardanrahmens, dargestellt in Fig. 7, durch doppelt ausgeführte Rahmenteile dargestellt, wobei eine doppelte oder mehrfache Ausführung auf einer Seite auch ausreichen kann. Je nach erwarteten Belastungsfällen kann eine zu wählende Form des Kardanrings auch abweichen. In jedem Fall ermöglicht die Ausführung mit konkaven Anteilen gemäß MMS 10 und MMS 20, jedoch auch der ande- ren hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen, an denen manche der Federn angreifen, eine günstige Beeinflussung der resultierenden Spannungsverteilung und insbesondere die Vermeidung von Druckspannungen in den dünnen Federn. Eine Optimierung von Grundformenwinkein oder Eckverbindungsstärken kann mittels FE -Simulation durchgeführt werden. Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele des ersten Aspekts ermöglichen es, MMS und/oder EMS-Aktuatoren mit kardanischer Aufhängung zu erzeugen, die wesentlich unempfindlicher gegenüber mechanischen Spannungen sind als die bisher bekannten Versionen. Damit kann insbesondere das Ausknicken der empfindlichen Federn vermieden und das Bauteil in einem weiteren Prozessfenster gefertigt und unter stark variieren- den Bedingungen betrieben werden. Die Ausführungsbeispiele gemäß dem ersten Aspekt erfordern hierzu im Allgemeinen keine zusätzlichen Fertigungsschritte oder Prozessänderungen. Zur Verbesserung der Eigenschaften bedarf es lediglich einer, wenn auch ggf. aufwendigen Designoptimierung. Diese Ausführungsbeispiele können auch für freistehende Teile eines Mikrosystems verwendet werden, die nicht für Bewegungen vorgesehen sind. Die oben so genannten Federn wären dann einfach schwache Systemelemente, die aus anderen Gründen nicht leicht gegen Ausknicken stabilisiert werden können.

Fig. 9 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein MMS 90 gemäß einem Ausführungsbeispiel des zweiten Aspekts. Gemäß dem zweiten Aspekt wird die Aufgabe, die Druckspan- nung auf sich im Inneren des Kardanrahmens 1002 befindliche Federn 1006a und 1006b zumindest zu reduzieren durch eine veränderte Anbindung der äußeren Federn 1005a und 1005b an das Substrat 12 bewirkt. Das MMS 90 umfasst das Substrat 12 und das bewegliche Element 1003, das im Zusammenhang mit Fig. 12a beschrieben ist und das über die Federn 1006a und 1006b mit der Rahmenstruktur 1002 verbunden ist. Ohne Ein- schränkungen kann die Rahmenstruktur 1002 auch als Rahmenstruktur 18 gebildet sein. Die Federn 1006a und 1006b können die Federn 24a und 24b sein. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei den Federn 1005a und 1005b um die Federn 22a und 22b handein. Anders als im Zusammenhang mit Fig. 12a beschrieben, weist das MMS 90 zumindest vier Ankerbereiche 14a bis 14d auf. Durch die Ausdehnung des Substrats 12 entlang der x- und der y-Richtung, etwa durch eine Erwärmung oder durch eine Krafteinwirkung, beispielsweise während des Freilegens, kann eine Verschiebung der Ankerelemente 14a bis 14d jeweils eine Richtungskomponente entlang der x- und der y-Richtung aufweisen, wie es durch die jeweils schräg eingezeichneten und von dem beweglichen Element 1003 wegweisenden Richtungspfeile 32a bis 32 d angedeutet ist. Eine durch den Pfeil 32a an- gedeutete Verschiebungsrichtung des Ankerelements 14a kann verglichen mit einer durch den Pfeil 32c angedeuteten Bewegungsrichtung des Ankerelements 14c entgegengesetzt zueinander sein, ebenso wie die Bewegungsrichtungen der Ankerelemente 14b und 14d. Das bedeutet, dass durch die Expansion, ebenso bei einer Kontraktion des Substrats 12 die Ankerelemente 14a bis 14d relativ zueinander und relativ zu dem beweglichen Element 1003 bzw. zu dem Rahmen 1002 verschoben sind.

Die Ankerelemente 14a bis 14d können von dem Substrat 12 beabstandet sein, wie es im Zusammenhang mit der Fig. 2b beschreiben ist.

Das M S umfasst nun Hebeielemente 54a bis 54d, wobei ein Hebelelement 54a zwi- sehen einem der Rahmenstruktur 1002 abgewandten Ende der Feder 1005a und dem Ankerbereich 14a angeordnet ist und das Hebelelement 54d zwischen demselben Ende und dem Ankerelement 14d angeordnet ist. Das bedeutet, das dem Rahmen 1002 abgewandte Ende der Feder 1005a ist durch je ein Hebelelement 54a bzw. 54d mit einem Ankerelement 14a bzw. 14d verbunden. In gleicher Weise ist ein dem Rahmen 1002 abge- wandtes Ende der Feder 1005b mit den Hebelelementen 54b und 54c an den Ankerbereichen 14b bzw. 14c angeordnet. Die Hebelelemente 54a bis 54d können jeweils als Teilbereich 38a oder 38b ausgeführt sein, können alternativ hierzu jedoch auch eine andere Ausbildung aufweisen, etwa kontinuierlich oder diskontinuierlich gekrümmt, gerade, eine variable oder konstante Breite oder Dicke. Eine Kombination zweier benachbarter He- belelemente 54a und 54b kann jedoch so ausgeführt sein, wie es im Zusammenhang mit der Fig. 3 für die Seite 34a beschrieben ist.

Eine Anordnung der Hebelelemente 54a bis 54d an dem jeweiligen Ankerbereich 14a bis 14d kann dabei so erfolgen, dass das Hebelelement 54a bis 54d in einem Winkel ßi bis ß ₄ von 90° ± 20° (d. h. von zumindest 70° und höchstens 1 10°), von 90° ± 15° (d. h. von zumindest 75° und höchstens 105°) und besonders bevorzugt von 90° ± 10° (d. h. von zumindest 80° und höchstens 100°) bezogen auf die Verschiebungsrichtung angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist ein Winkel ßi bis ß ₄ von 90° zwischen der Verschiebungsrichtung des jeweiligen Ankerelements 14a bis 14d und dem daran angeordneten Hebeleiement, wobei der Winkel ßi bis ß ₄ durch die Verschiebung der Ankerelemente veränderlich ist. So kann der Winkel ßi bis ß ₄ etwas größer oder etwas kleiner sein als 90° und während der Verschiebung den Wert 90° aufweisen, um anschließend weiter zu sinken oder zu steigen. Anders ausgedrückt können die Winkel ßi bis ß ₄ beispielsweise so ausgelegt sein, dass während der Verschiebung zwischen den Positionen der Ankerelemente 14a/14a\ 14b/14b\ 14c/14c' und 14d/14d' der Winkel von 90° erhalten wird, d. h. vorher geringfügig größer oder kleiner ist, dann den Wert 90° annimmt und anschließend weiter abnimmt oder zunimmt.

Basierend auf einer solchen, symmetrischen Auslegung des MMS ist auch der Endpunkt der Federn im Wesentlichen ortsfest, d. h. , nur innerhalb geringer Ausmaße verschoben. Damit können die Federn 1005a und 1005b im Wesentlichen eine unveränderte Position während der Ausdehnung des Substrats 12 aufweisen, das bedeutet, eine Position des Rahmens 1002 sowie eine Form desselben kann im Wesentlichen unverändert sein. . Die beschriebene Ausrichtung der Hebeielemente 54a bis 54d ermöglicht es, dass die Verschiebung der Ankerelemente 14a bis 14d relativ zu den Enden der Federn 1005a und 1005b, die dem Rahmen 1002 abgewandt sind, so ausgeführt wird, dass eine geringe Kraft entlang der x-Richtung bzw. entlang der Federrichtung 26 erzeugt wird, so dass auch bei klassischen Rahmen 1002 nur eine geringe oder keine Kraft auf die innere Feder 1006a und 1006b erzeugt wird. Die Kraft kann entlang der jeweiligen positiven und/oder negativen Richtungskomponente wirken.

Über die Auslegung der Federn 1005a und 1005b, etwa über Auslenkungsamplituden oder dergleichen und/oder über eine Positionierung der Ankerelemente 14a bis 14d kann ein Winkel γι bis γ ₄ zwischen dem Hebelelement und der jeweiligen außenliegenden Feder 1005a bzw. 1005b entstehen. Bevorzugt werden die Längen und Positionen der einzelnen Elemente so ausgelegt, dass die Winkel γ _! bis γ ₄ einen Wert von zumindest 25° und höchstens 65° zueinander aufweisen. Das MMS 90 kann die Rahmenstruktur 18 aufweisen. Die Ausführungen, die im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt erläutert wurden, können ohne Einschränkungen mit dem zweiten Aspekt kombiniert werden. Das bedeutet, das MMS 90 kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass die Rahmenstruktur 18 angeordnet und ausgebildet ist, um bei einer Zugspannung in den Federn 1005a und 1005b eine Zugspannung in den Federn 1006a und 1006b zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann die im Zusammenhang mit den MMS 10, 20, 40, 50, 60, 70 und 80 beschriebene Ausführung der Ankerbereiche oder Ankerelemente auch gemäß dem MMS 90 erfolgen, d. h. es kann eine höhere Anzahl von Ankerelementen angeordnet sein, wobei jeweils ein Hebelelement mit einem der Rahmenstruktur abgewandten Ende der Feder und einem Ankerelement verbunden ist, wobei eine geometrische Anordnung des Hebelelements im Raum so ausgeführt ist, dass lediglich ein geringes Maß an Druckkräften auf andere MMS-Teile erzeugt wird. Fig. 10 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines MMS-Arrays mit einer Mehrzahl von MMS gemäß einer oder mehrerer der zuvor erläuterten Ausführungsformen. Beispielsweise umfasst das MMS-Array 100 zwei MMS, wobei auch eine beliebig höhere Anzahl an- geordnet sein kann, etwa zumindest drei, zumindest fünf oder zumindest zehn oder auch mehr. Die MMS dieser Anordnung können in einer Reihe liegen oder auch in der Fläche verteilt sein. Bevorzugt ist eine Anordnung in regelmäßigen Zeilen und Spalten mit sehr vielen MMS, beispielsweise zumindest 100 oder mehrere hundert Zeilen und/oder zumindest 100 oder mehrere hundert Spalten. Beispielsweise ist eine MMS 10a und ein MMS 10b angeordnet, die jeweils wie das MMS 10 ausgeführt sind. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eines der MMS 10a, 0b oder ggf. der weiteren MMS als ein anderes hierin beschriebenes MMS ausgeführt sein, beispielsweise das MMS 20, 40, 50, 60, 70, 80 und/oder 90. Fig. 1 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines MMS-Aktuators 1 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der MMS-Aktuator 1 10 umfasst ein MMS oder ein MMS-Array gemäß hierin beschriebenen Ausführungen und weist ferner ein Aktuator-Element 56 auf. Bei dem Aktuator-Element 56 kann es sich um ein beliebiges Element für einen Kraftoder Energieeintrag handein, das eine Auslenkung des beweglichen Elements des MMS ermöglicht. Beispielsweise kann es sich um einen elektrostatischen Aktuator bestehend aus zwei parallelen Elektrodenplatten handeln, oder um ein Thermoelement zum Erwärmen oder Kühlen von Teilen des MMS 10 oder des Substrats 12, wobei auch andere Elemente erwärmt werden können. Alternativ oder zusätzlich kann ein Kraftglied etwa ein piezoelektrisches Kraftglied angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der MMS- Aktuator 1 10 ein anderes MMS aufweisen, etwa das MMS 20, 40, 50, 60, 70, 80 und/oder 90 oder kann das MMS-Array 100 aufweisen. Der MMS-Aktuator kann auch als MEMS oder MEMS-Aktuator bezeichnet werden.

In anderen Worten eignen sich hierin beschriebene Ausführungen für mikromechanische Systeme, besonders für kardanisch aufgehängte Aktuatoren. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich somit auf die Konstruktion eines mikromechanischen bzw. MEMS-Aktuators. Ausführungsformen verbessern die Eigenschaften bekannter Aufhängungen in mikromechanischen Systemen. Sie können auch für Elemente mit ähnlicher Geometrie nützlich sein, selbst wenn diese nicht für kippende Bewegungen, womöglich sogar gar nicht für Bewegungen vorgesehen sind, d. h. statisch positioniert sind. Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu ver- stehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschauiichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Literatur

1. Landau L.D., Lifschitz E.M., "Theory of elasticity", Pergamon Press, London, 1959

2. Wikipedia 'Euiersche Knickstäbe