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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf sich senkrecht bewegende elastischen Vorrichtungen zur Anwendung z. B. in MEMS-Vorrichtungen.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Herkömmliche elastische Vorrichtungen (z. B. Federn mit einem festen Querschnitt) oder Federelemente, die in MEMS-Vorrichtungen verwendet werden, können unter hohen mechanischen Spannungen leiden, die auf kleine Bereiche solcher Vorrichtungen beschränkt sind. Folglich bilden diese Bereiche hoher Spannung häufig den geometrischen Ausgangspunkt für einen späteren Ausfall.
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Aus der
WO 2007/121693 A1 sind Torsionsfederelemente, insbesondere mit nicht linearer Federkennlinie, für MEMS-Bauelemente bekannt.
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Was daher erforderlich ist, ist eine elastische Vorrichtung, die eine verbesserte geometrische Form aufweist, um den maximalen Spannungspegel zu verringern, und die allgemein weniger anfällig für einen Ausfall z. B. aufgrund einer plastischen Verformung, Ermüdung oder mechanischen Überlastung ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung gibt eine elastische Vorrichtung mit einer Länge L, einer variablen Breite w(x) und einer variablen Dicke t(x) mit einem ersten Längsabschnitt mit der Länge l1 mit einem Flächenträgheitsmoment I (0 <= x <= l1) und mit einem ersten distalen Ende bei x = 0, einem zweiten Längsabschnitt mit der Länge l2 mit einem konstanten Flächenträgheitsmoment I (l1 < x <= l1 + l2), der am ersten Längsabschnitt befestigt ist, einem dritten Längsabschnitt mit der Länge l3 mit einem Flächenträgheitsmoment I (l1 + l2 < x <= l1 + l2 + l3), der am zweiten Längsabschnitt befestigt ist und ein zweites distales Ende bei x = L aufweist an, wobei das Flächenträgheitsmoment des ersten Längsabschnitts von x = 0 bis x = l1 monoton abnimmt, das Flächenträgheitsmoment des dritten Längsabschnitts von x = l1 + l2 bis x = l1 + l2 + l3 monoton zunimmt. Hier bedeutet x die Position entlang einer Längsachse der elastischen Vorrichtung und l1 + l2 + l3 ist gleich der Gesamtlänge L der elastischen Vorrichtung und x, l1, l2, l3, L, w und t sind reale Zahlen, die größer sind als null. Es muss verdeutlicht werden, dass die elastische Vorrichtung nicht auf eine gerade Struktur beschränkt ist, sondern auch einem gekrümmten Weg, d. h. einer gekrümmten Bahn, folgen kann. Dann bezieht sich x auf die lineare Position entlang der Bahn.
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Das Flächenträgheitsmoment I
x eines geraden Balkens, der der x-Achse folgt, ist definiert durch:
wobei dA eine differentielle elementare Fläche und y den senkrechten Abstand von der x-Achse zum Element dA bedeutet. Jeder kurze Abschnitt einer elastischen Vorrichtung, die einer gekrümmten Bahn folgt, kann lokal als Abschnitt eines geraden Balkens genähert werden. Da die Knicktendenz für eine sich senkrecht bewegende elastische Vorrichtung nicht direkt von den geometrischen Details einer solchen Vorrichtung, sondern nur vom Flächenträgheitsmoment I abhängt, bestehen Freiheitsgrade zum Entwerfen der geometrischen Details einer elastischen Vorrichtung, während das Flächenträgheitsmoment auf einen gewünschten Wert eingeschränkt wird.
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Hier bedeutet die Formulierung monoton abnehmend/zunehmend, dass der erste oder der dritte Längsabschnitt Teilabschnitte aufweisen kann, in denen das jeweilige Flächenträgheitsmoment konstant ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt das Flächenträgheitsmoment von zumindest einem des ersten Längsabschnitts und des dritten Längsabschnitts innerhalb seines jeweiligen Längsabschnitts streng monoton ab/zu.
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Ferner sind Kombinationen eines Teilabschnitts mit monotoner und streng monotoner Abnahme/Zunahme innerhalb jedes jeweiligen Abschnitts möglich.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt der Querschnitt der elastischen Vorrichtung in jeder Längsposition x eine im Wesentlichen rechteckige Form. Dann ist die Querschnittsfläche das Produkt aus der Breite w und der Dicke t. Derart geformte Vorrichtungen machen es leicht, das Verhältnis der Breite w und der Dicke t zu berechnen, um das gewünschte Flächenträgheitsmoment zu erhalten. Genauer ist das Flächenträgheitsmoment dann:
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Um weiter lokale Bereiche mit hoher Spannung an den Kanten einer elastischen Vorrichtung zu vermeiden, ist es bevorzugt, dass die elastische Vorrichtung abgeschrägte Seitenkanten aufweist.
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Ferner ist es bevorzugt, die Dicke t der elastischen Vorrichtung über die ganze Vorrichtung konstant zu halten. Wenn die Form des Querschnitts konstant gehalten wird, ist die Breite w der Vorrichtung der einzige einstellbare Parameter. Das Vorliegen einer konstanten Dicke ist bevorzugt, da es den Herstellungsprozess insbesondere im Fall von MEMS-Vorrichtungen vereinfacht.
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Ferner ist es bevorzugt, dass das Flächenträgheitsmoment innerhalb des ersten Längsabschnitts linear abnimmt und innerhalb des dritten Längsabschnitts linear zunimmt. Da die Knicktendenz zur Länge des effektiven Hebels proportional und zum Flächenträgheitsmoment reziprok ist, bleibt die Knicktendenz einer solchen elastischen Vorrichtung über ihre Längsachse bei einem ungefähr konstanten Spannungspegel nahezu konstant.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elastische Vorrichtung mit einem ihrer distalen Enden mit einem Verankerungselement steif verbunden. Eine solche elastische Vorrichtung kann ein Teil einer MEMS-Vorrichtung sein.
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Wenn die elastische Vorrichtung ein Teil einer MEMS-Vorrichtung ist, ist es bevorzugt, dass eines ihrer distalen Enden mit einem beweglichen Element verbunden ist. Das andere Ende kann mit einem Verankerungselement verbunden sein. Unabhängig davon, ob die elastische Vorrichtung eine konstante Dicke aufweist oder nicht, kann die Breite w von 25% bis 100% der maximalen Breite im ersten und im dritten Längsabschnitt variieren. In einer bevorzugten physischen Ausführungsform kann die Breite w von 15 bis 60 μm im ersten und im dritten Längsabschnitt variieren. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann die Breite im ersten und im dritten Abschnitt von 20 bis 40 μm variieren.
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Die Länge des zweiten Längsabschnitts kann null sein. Dann sind der erste und der dritte Längsabschnitt direkt aneinander befestigt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Breite der elastischen Vorrichtung nicht unter 40% der maximalen Breite über die ganze Länge der Vorrichtung.
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Die elastische Vorrichtung kann Metall, insbesondere eine Aluminium enthaltende Legierung, oder ein anorganisches Dielektrikum oder eine Keramik aufweisen oder sie kann einen Kunststoff aufweisen.
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Es ist besonders bevorzugt, dass eine solche elastische Vorrichtung, die in einer MEMS-Vorrichtung verwendet wird, ein festes äußeres Verankerungselement der MEMS-Vorrichtung mit einem Aufhängungselement eines beweglichen Elements verbindet. Das bewegliche Element kann eine vorwiegend rechteckige oder trapezförmige Form aufweisen, kann eine Membran mit einer rechteckigen oder trapezförmigen Form sein und kann spitze oder abgeschrägte Ecken oder Seitenkanten aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden vier solcher elastischen Vorrichtungen in einer MEMS-Vorrichtung mit einem vorwiegend rechteckig geformten beweglichen Element, das zwischen zwei festen äußeren Verankerungselementen mittels der vier elastischen Vorrichtungen flexibel aufgehängt ist, verwendet, wobei an jeder von zwei entgegengesetzten Seiten des beweglichen Elements zwei der elastischen Vorrichtungen mit einem von ihren distalen Enden jeweils mit einer jeweiligen von zwei Seiten eines jeweiligen der Verankerungselemente verbunden sind. Die jeweiligen anderen distalen Enden der elastischen Vorrichtungen sind dann mit jeweiligen Aufhängungselementen des beweglichen Elements verbunden. Die elastischen Vorrichtungen folgen nicht notwendigerweise einem geraden Weg. Sie können auch einer beliebig geformten Bahn folgen, solange das Flächenträgheitsmoment den Anforderungen an jedem Punkt der Bahn folgt. Die elastische Vorrichtung kann somit eine gekrümmte Struktur/Form aufweisen, obwohl keine seitliche Spannung anliegt, d. h. obwohl die Vorrichtung sich in ihrer Ruhelage befindet.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform betrifft eine MEMS-Vorrichtung mit einem trapezförmigen beweglichen Element, das mit zwei äußeren Verankerungselementen mittels zwei elastischen Vorrichtungen flexibel verbunden ist. Dann ist an jeder von zwei entgegengesetzten nicht parallelen Seiten des beweglichen Elements eine der elastischen Vorrichtungen mit einem ihrer distalen Enden mit einem jeweiligen Verankerungselement verbunden, während das jeweilige andere distale Ende der jeweiligen elastischen Vorrichtung mit einem Aufhängungselement der beweglichen Elemente verbunden ist.
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Aufhängungselemente der beweglichen Elemente können durch spezielle Mittel zum Anbringen einer elastischen Vorrichtung an einem beweglichen Element verwirklicht werden. Abgesehen davon kann sich die Formulierung Aufhängungselement auch nur auf einen Teil des beweglichen Elements, mit welchem die elastische Vorrichtung mit dem beweglichen Element verbunden ist, beziehen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung anhand der nachstehenden ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen klarer verständlich. In den Zeichnungen zeigen
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1 eine elastische Vorrichtung mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Längsabschnitt,
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2 eine Draufsicht auf eine elastische Vorrichtung,
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3 eine Draufsicht auf eine elastische Vorrichtung, die nur aus dem ersten und dem dritten Längsabschnitt besteht,
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4 eine Querschnittsansicht einer elastischen Vorrichtung, die aus dem ersten und dem dritten Längsabschnitt, jeweils mit einer nicht linearen Zunahme oder Abnahme der Dicke, besteht,
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5 einen Querschnitt einer elastischen Vorrichtung mit abgeschrägten Seitenkanten,
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6 vier elastische Vorrichtungen, die zwischen Verankerungselementen und Aufhängungselementen eines beweglichen Elements verbunden sind,
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7 vier elastische Vorrichtungen mit einer gekrümmten Bahn, die ein bewegliches Element mit Verankerungselementen verbinden, und
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8 ein Element einer MEMS-Vorrichtung mit einem trapezförmigen beweglichen Element, das durch zwei elastische Vorrichtungen aufgehängt ist.
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1 stellt eine elastische Vorrichtung RD mit der Länge L mit einem ersten Längsabschnitt LS1, einem zweiten Längsabschnitt LS2 mit konstanter Breite und Dicke und einem dritten Längsabschnitt LS3 dar. Der Beginn des ersten Längsabschnitts LS1 und das Ende des dritten Längsabschnitts LS3 markieren die distalen Enden DE der elastischen Vorrichtung RD. Die Breite w des ersten Längsabschnitts LS1 nimmt streng monoton ab, während die Breite des dritten Längsabschnitts streng monoton zunimmt. Die Dicke t ist über die gesamte Länge L konstant.
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2 stellt eine Draufsicht einer elastischen Vorrichtung mit einem ersten Längsabschnitt LS1 mit der Länge l1 und einem zweiten Längsabschnitt LS2 mit konstanter Breite w und mit der Länge l2 und einem dritten Längsabschnitt LS3 mit der Länge l3 dar. Die Gesamtlänge der elastischen Vorrichtung L ist gleich der Summe l1 + l2 + l3 der Längen des ersten, des zweiten und des dritten Längsabschnitts. In dieser Ausführungsform nimmt die Breite des ersten Längsabschnitts LS1 linear mit zunehmender Position x ab und die Breite des dritten Längsabschnitts LS3 nimmt linear mit zunehmender Position x zu.
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3 stellt eine elastische Vorrichtung mit nur dem ersten Längsabschnitt LS1 und dem dritten Längsabschnitt LS3 dar, d. h. die Länge des zweiten Längsabschnitts ist gleich null. Analog zu 2 nimmt die Breite w im Längsabschnitt LS1 linear ab und im Längsabschnitt LS3 linear zu. Hier ist die Gesamtlänge der elastischen Vorrichtung gleich der Summe der Längen l1 + l3 des ersten LS1 und des dritten LS3 Längsabschnitts.
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In den folgenden Figuren wird angenommen, dass sich die elastische Vorrichtung entlang der x-Richtung erstreckt, während sich die Breite in der y-Richtung erstreckt und sich die Dicke in der z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems erstreckt.
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4 stellt einen Querschnitt dar, der zur x-Achse der elastischen Vorrichtung, die einen ersten Längsabschnitt LS1 und einen dritten Längsabschnitt LS3 aufweist, parallel ist, wobei die Dicke t im ersten Längsabschnitt LS1 mit zunehmendem x nicht linear abnimmt und die Dicke t im dritten Längsabschnitt LS3 mit zunehmendem x nicht linear zunimmt.
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5 stellt eine Querschnittsansicht einer elastischen Vorrichtung, die einen Querschnitt parallel zur yz-Ebene zeigt, mit einem vorwiegend rechteckigen Querschnitt mit abgeschrägten Längskanten CLE und mit einer Dicke t und Breite w dar. Die gestrichelte Linie gibt die strenge rechteckige Form an, während die durchgehend gekrümmte Linie die Abweichung von der strengen rechteckigen Form angibt, d. h. sie gibt eine Form mit abgeschrägten Seitenkanten an. Da die Abweichung ausreichend klein sein kann, erkennt ein Fachmann, dass der Querschnitt immer noch als rechteckiger Querschnitt betrachtet werden kann.
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6 stellt eine Struktur dar, die ein Teil einer MEMS-Vorrichtung mit zwei Verankerungselementen AE, einem beweglichen Element ME, das eine Membran M sein kann, vier Aufhängungselementen SE, wobei zwei von ihnen an einer ersten Seite angebracht sind, die anderen zwei an der entgegengesetzten Seite des beweglichen Elements ME angebracht sind, sein kann. Vier elastische Vorrichtungen RD verbinden die Aufhängungselemente SE mit Verankerungselementen AE. Auf jeder der entgegengesetzten Seiten des beweglichen Elements ME sind zwei elastische Vorrichtungen RD mit einem ihrer distalen Enden DE mit einem der zwei Aufhängungselemente und mit ihrem anderen distalen Ende (DE) mit einem gemeinsamen Verankerungselement verbunden. Da angenommen wird, dass die distalen Enden der elastischen Vorrichtungen parallel (oder antiparallel) in der z-Richtung bewegt werden können, kann das bewegliche Element in Richtung der positiven oder negativen z-Richtung bewegt oder geneigt werden, d. h. ein Ende des beweglichen Elements wird in die negative Richtung der z-Achse bewegt und das andere Ende des beweglichen Elements wird in die positive Richtung der z-Achse bewegt. Analog kann das bewegliche Element ME auch mit einer Auslenkung entlang der z-Richtung schwingen.
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7 stellt eine Variation der Struktur der 6 mit vier elastischen Vorrichtungen RD dar, die keinem geraden Weg, sondern jeweils einer gekrümmten Bahn TR folgen. Ein distales Ende DE der elastischen Vorrichtung RD ist mit einem von zwei Verankerungselementen AE verbunden, während das andere distale Ende DE der elastischen Vorrichtung RD mit einem beweglichen Element ME an einem Aufhängungselement SE verbunden ist. 7 zeigt vier elastische Vorrichtungen RD. In der Figur sind jedoch der Einfachheit halber Bezeichnungen nur beispielhaft für eine elastische Vorrichtung vorgenommen. Das Aufhängungselement SE kann durch ein distales Ende DE der elastischen Vorrichtung RD oder den Punkt, an dem das distale Ende DE am beweglichen Element ME angebracht ist, gebildet sein. In diesem Fall werden das bewegliche Element und die elastische Vorrichtung als ein einziges Stück und/oder in einem gemeinsamen Produktionsschritt hergestellt. Insbesondere wenn spezielle Anforderungen angesichts der stark beanspruchten Verbindungen zwischen der elastischen Vorrichtung und dem beweglichen Element erfüllt sein müssen, dann können spezielle Verstärkungen auf den Verbindungspunkt zwischen der elastischen Vorrichtung und dem beweglichen Element angeordnet sein. Dies könnte beispielsweise eine spezielle Variation der Dicke des beweglichen Elements ME oder der elastischen Vorrichtung am bezeichneten distalen Ende DE sein.
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8 stellt eine weitere Ausführungsform dar, in der zwei elastische Vorrichtungen RD mit einer gekrümmten Bahn TR nichtparallele Seiten eines trapezförmigen beweglichen Elements ME mit zwei Verankerungselementen AE verbinden. Wenn 8 mit 7 verglichen wird, ist zu sehen, dass in 8 die elastischen Vorrichtungen direkt an einer Kante des beweglichen Elements angebracht sind, während in 7 die elastischen Vorrichtungen nicht direkt mit der Kante des beweglichen Elements verbunden sind, wobei ein Spalt GP zwischen dem Anbringungsbereich und der Kante des beweglichen Elements ME belassen ist. Jeder dieser zwei Fälle kann in irgendeiner von beiden Strukturen bevorzugt sein. Die Größe des Spalts GP hängt von den Translations- bzw. Torsionsmoden der beweglichen Elemente ab. Wenn MEMS-Vorrichtungen mit elastischen Vorrichtungen, die bewegliche Elemente mit Verankerungselementen verbinden, entworfen werden, gibt die Größe dieses Spalts dem Techniker einen weiteren Freiheitsgrad. Der Techniker hat beispielsweise die Gelegenheit, den Wert eines Drehmoments zu beeinflussen, das sich am Aufhängungselement ergibt, d. h. den Bereich, in dem die elastische Vorrichtung am beweglichen Element angebracht ist.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elastische Vorrichtungen für die senkrechte Bewegung mit niedrigeren maximalen Spannungspegeln. Das Basiskonzept hängt nicht von geometrischen Details der elastischen Vorrichtungen ab.
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Ferner ist die Erfindung nicht durch die Ausführungsformen oder die begleitenden Fig. eingeschränkt. Alternative Ausführungsformen sind auch möglich, ohne von der Erfindung abzuweichen.
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Bezugszeichenliste:
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- AE:
- Verankerungselement
- CLE:
- abgeschrägte Seitenkante
- CS:
- Querschnitt
- DE:
- distales Ende
- GP:
- Spalt
- L:
- Länge von RD
- LE:
- Seitenkante
- LS1:
- erster Längsabschnitt
- LS2:
- zweiter Längsabschnitt
- LS3:
- dritter Längsabschnitt
- M:
- Membran
- MD:
- MEMS-Vorrichtung
- ME:
- bewegliches Element
- RD:
- elastische Vorrichtung
- SE:
- Aufhängungselement
- t:
- Dicke von RD
- TR:
- Bahn
- w:
- Breite von RD