DE102023203467A1

DE102023203467A1 - Microelectromechanical actuator structure, component

Info

Publication number: DE102023203467A1
Application number: DE102023203467.0A
Authority: DE
Inventors: Peter Engelhart; Johannes Meckbach; Andreas Winden
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-04-17
Filing date: 2023-04-17
Publication date: 2024-10-17
Also published as: WO2024217777A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikroelektromechanische Aktuatorstruktur (100). Die mikroelektromechanische Aktuatorstruktur (100) weist einen mikroelektromechanischen Chip mit einem Chiprahmen, einer Antriebsplatte und einer innerhalb des Chiprahmens angeordneten Antriebsstruktur auf. Die Antriebsstruktur weist in einer ersten Erstreckungsrichtung eine erste Abmessung und in einer zweiten Erstreckungsrichtung eine zweite Abmessung auf. Die erste Abmessung ist größer als eine dritte Abmessung der Antriebsstruktur in einer dritten Erstreckungsrichtung. Die zweite Abmessung ist ebenfalls größer als die dritte Abmessung. Die Antriebsstruktur weist zumindest ein erstes Antriebselement und ein zweites Antriebselement auf. Das erste Antriebselement weist ein erstes Innenelement und ein erstes Außenelement auf. Das erste Außenelement ist mit dem Chiprahmen verbunden. Das erste Innenelement ist gegenüber dem ersten Außenelement parallel zur dritten Erstreckungsrichtung bewegbar. Das zweite Antriebselement weist ein zweites Innenelement und ein zweites Außenelement auf. Das zweite Innenelement ist mit der Antriebsplatte verbunden. Das zweite Innenelement ist gegenüber dem zweiten Außenelement parallel zur dritten Erstreckungsrichtung bewegbar. Das erste Innenelement ist mit dem zweiten Außenelement verbunden.The invention relates to a microelectromechanical actuator structure (100). The microelectromechanical actuator structure (100) has a microelectromechanical chip with a chip frame, a drive plate and a drive structure arranged within the chip frame. The drive structure has a first dimension in a first extension direction and a second dimension in a second extension direction. The first dimension is larger than a third dimension of the drive structure in a third extension direction. The second dimension is also larger than the third dimension. The drive structure has at least a first drive element and a second drive element. The first drive element has a first inner element and a first outer element. The first outer element is connected to the chip frame. The first inner element is movable relative to the first outer element parallel to the third extension direction. The second drive element has a second inner element and a second outer element. The second inner element is connected to the drive plate. The second inner element is movable relative to the second outer element parallel to the third extension direction. The first inner element is connected to the second outer element.

Description

Die Erfindung betrifft eine mikroelektromechanische Aktuatorstruktur sowie ein Bauelement mit einer solchen mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur.The invention relates to a microelectromechanical actuator structure and a component with such a microelectromechanical actuator structure.

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Stand der Technik sind mikroelektromechanische Aktuatorstrukturen bekannt, die beispielsweise in Lautsprechern, Pumpen und Ventilen zum Einsatz kommen können. Ziel dieser mikroelektromechanischen Aktuatorstrukturen ist es, eine möglichst große Auslenkung eines Elements der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur zu erreichen bei gleichzeitig möglichst kleinem Bauraum. Ferner ist eine Anordnung der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur derart, dass möglichst wenige Chipebenen die mikroelektromechanische Aktuatorstruktur bilden, vorteilhaft. In der US 2021 / 297 787 A1 ist beispielsweise ein Lautsprecher mit einer Membran und einer piezoelektrischen Antriebsstruktur offenbart. Piezo-Kristalle verformen sich bei angelegter Spannung, so dass sich die Membran bewegt. Die Piezo-Kristalle können dabei Teil der Membran sein.Microelectromechanical actuator structures are known from the state of the art and can be used in loudspeakers, pumps and valves, for example. The aim of these microelectromechanical actuator structures is to achieve the greatest possible deflection of an element of the microelectromechanical actuator structure while at the same time using the smallest possible installation space. Furthermore, an arrangement of the microelectromechanical actuator structure such that as few chip levels as possible form the microelectromechanical actuator structure is advantageous. In the US 2021 / 297 787 A1 For example, a loudspeaker with a membrane and a piezoelectric drive structure is disclosed. Piezo crystals deform when voltage is applied, causing the membrane to move. The piezo crystals can be part of the membrane.

Offenbarung der Erfindungdisclosure of the invention

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte mikroelektromechanische Aktuatorstruktur bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauelement mit einer solchen mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur bereitzustellen. Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.One object of the invention is to provide an improved microelectromechanical actuator structure. A further object of the invention is to provide a component with such a microelectromechanical actuator structure. These objects are achieved with the subject matter of the independent patent claims. Advantageous further developments are specified in the dependent patent claims.

Nach einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine mikroelektromechanische Aktuatorstruktur. Die mikroelektromechanische Aktuatorstruktur weist einen mikroelektromechanischen Chip mit einem Chiprahmen, einer Antriebsplatte und einer innerhalb des Chiprahmens angeordneten Antriebsstruktur auf. Die Antriebsstruktur weist in einer ersten Erstreckungsrichtung eine erste Abmessung und in einer zweiten Erstreckungsrichtung eine zweite Abmessung auf. Die erste Abmessung ist größer als eine dritte Abmessung der Antriebsstruktur in einer dritten Erstreckungsrichtung. Die zweite Abmessung ist ebenfalls größer als die dritte Abmessung. Die Antriebsstruktur weist zumindest ein erstes Antriebselement und ein zweites Antriebselement auf. Das erste Antriebselement weist ein erstes Innenelement und ein erstes Außenelement auf. Das erste Außenelement ist mit dem Chiprahmen verbunden. Das erste Innenelement ist gegenüber dem ersten Außenelement parallel zur dritten Erstreckungsrichtung bewegbar. Das zweite Antriebselement weist ein zweites Innenelement und ein zweites Außenelement auf. Das zweite Innenelement ist mit der Antriebsplatte verbunden. Das zweite Innenelement ist gegenüber dem zweiten Außenelement parallel zur dritten Erstreckungsrichtung bewegbar. Das erste Innenelement ist mit dem zweiten Außenelement verbunden. Die Erstreckungsrichtungen können orthogonal zueinander sein.According to a first aspect, the invention relates to a microelectromechanical actuator structure. The microelectromechanical actuator structure has a microelectromechanical chip with a chip frame, a drive plate and a drive structure arranged within the chip frame. The drive structure has a first dimension in a first extension direction and a second dimension in a second extension direction. The first dimension is larger than a third dimension of the drive structure in a third extension direction. The second dimension is also larger than the third dimension. The drive structure has at least a first drive element and a second drive element. The first drive element has a first inner element and a first outer element. The first outer element is connected to the chip frame. The first inner element is movable relative to the first outer element parallel to the third extension direction. The second drive element has a second inner element and a second outer element. The second inner element is connected to the drive plate. The second inner element is movable relative to the second outer element parallel to the third extension direction. The first inner element is connected to the second outer element. The extension directions can be orthogonal to each other.

Dadurch, dass das erste Innenelement der Antriebsstruktur mit dem zweiten Außenelement der Antriebsstruktur verbunden ist, kann eine Auslenkung des ersten Antriebselements das zweite Antriebselement bereits in der dritten Erstreckungsrichtung auslenken. Durch das zweite Antriebselement kann dann eine weitere Bewegung der Antriebsplatte in der dritten Erstreckungsrichtung erfolgen. Dadurch kann eine kaskadierende Bewegung der Antriebsplatte erreicht werden, so dass einzelne Bewegungen der Antriebselemente aufaddiert eine Bewegung der Antriebsplatte ergeben. Dadurch kann eine kompakte Antriebsstruktur bereitgestellt werden, die insbesondere in der dritten Erstreckungsrichtung eine bezogen auf die dritte Abmessung große Beweglichkeit aufweist. Das erste Innenelement kann direkt mit dem zweiten Außenelement verbunden sein. Ferner können mechanische Verbindungselemente zwischen den Antriebselementen vorgesehen sein.Because the first inner element of the drive structure is connected to the second outer element of the drive structure, a deflection of the first drive element can already deflect the second drive element in the third direction of extension. The second drive element can then cause a further movement of the drive plate in the third direction of extension. This can achieve a cascading movement of the drive plate, so that individual movements of the drive elements add up to a movement of the drive plate. This can provide a compact drive structure that has a high degree of mobility in relation to the third dimension, particularly in the third direction of extension. The first inner element can be connected directly to the second outer element. Furthermore, mechanical connecting elements can be provided between the drive elements.

Die mikroelektromechanische Aktuatorstruktur weist also eine räumlich in einer Ebene angeordnete Antriebsstruktur mit einer planar ausgeführten, seriellen mechanischen Kopplung der einzelnen Antriebselemente auf. So kann ein hohes verdrängbares Fluidvolumen erreicht werden. Durch diese Antriebsstruktur wird eine Amplitude der Auslenkung erhöht, da durch die serielle mechanische Kopplung der einzelnen Antriebselemente ein Vielfaches an Auslenkung durch die gesamte Antriebsstruktur erreicht werden kann, wobei diese Gesamtauslenkung direkt mechanisch an die Antriebsplatte übertragen wird.The microelectromechanical actuator structure therefore has a drive structure arranged spatially in one plane with a planar, serial mechanical coupling of the individual drive elements. In this way, a high displaceable fluid volume can be achieved. This drive structure increases the amplitude of the deflection, since the serial mechanical coupling of the individual drive elements enables a multiple deflection to be achieved by the entire drive structure, with this total deflection being transferred directly mechanically to the drive plate.

Nach einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Bauelement mit einer solchen mikroelektromechanischen Antriebsstruktur. Das Bauelement weist ferner ein Nutzelement auf, wobei das Nutzelement mit der Antriebsplatte verbunden ist.According to a second aspect, the invention relates to a component with such a microelectromechanical drive structure. The component further comprises a useful element, wherein the useful element is connected to the drive plate.

Durch die mikroelektromechanische Antriebsstruktur kann das Nutzelement bewegt werden, insbesondere in der dritten Erstreckungsrichtung. Durch die mehreren Antriebselemente der Antriebsstruktur kann dabei eine einfache Umsetzung einer großen Bewegung in der dritten Erstreckungsrichtung erreicht werden.The microelectromechanical drive structure enables the useful element to be moved, particularly in the third extension direction. The multiple drive elements of the drive structure make it possible to easily implement a large movement in the third extension direction.

Die gesamte Antriebsstruktur mit den einzelnen Antriebselementen und gegebenenfalls vorhandenen jeweiligen mechanischen Verbindungselementen ist dabei in einer Ebene angeordnet und kann zumindest teilweise oder komplett unterhalb der Nutzlast angeordnet sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass in einer Aufsicht die Nutzlast die Antriebsstruktur zumindest teilweise und gegebenenfalls vollständig überdeckt. Dadurch kann ein Platzverlust und/oder eine Einschränkung in der Ausgestaltung vermieden oder verringert werden. Die Begrifflichkeit „Ausgestaltung in einer Ebene“ bedeutet nicht, dass (wie im geometrischen Sinne) die Ebene der Antriebsstruktur aus einer einzelnen Schicht (beispielsweise über eine Schichtabscheidung) bestehen muss, sondern, dass die Antriebselemente und die mechanischen Verbindungselemente vielmehr aus mehreren strukturierten Schichten (gegebenenfalls aus unterschiedlichen Materialien wie beispielsweise Dielektrika (beispielsweise SiO2) oder hochdotierte poly-Si-Schichten) bestehen, wobei jedoch alle Antriebselemente und Verbindungselemente auf derselben Ebene angeordnet die Antriebsstruktur bilden.The entire drive structure with the individual drive elements and any mechanical connecting elements present is arranged in one plane and can be arranged at least partially or completely below the payload. In particular, it can be provided that the payload at least partially and possibly completely covers the drive structure in a top view. This can avoid or reduce a loss of space and/or a restriction in the design. The term "design in one plane" does not mean that (as in the geometric sense) the plane of the drive structure must consist of a single layer (for example via a layer deposition), but rather that the drive elements and the mechanical connecting elements consist of several structured layers (possibly made of different materials such as dielectrics (for example SiO2) or highly doped poly-Si layers), although all drive elements and connecting elements arranged on the same plane form the drive structure.

In einer Ausführungsform des Bauelements ist das Nutzelement eine Lautsprechermembran oder ein Pumpenkolben oder eine Ventilmembran. Insbesondere für Lautsprecher, Pumpen oder Ventile kann die mikroelektromechanische Antriebsstruktur gut eingesetzt werden, um mikroelektromechanische Lautsprecher, Pumpen oder Ventile bereitzustellen.In one embodiment of the component, the useful element is a loudspeaker membrane or a pump piston or a valve membrane. In particular for loudspeakers, pumps or valves, the microelectromechanical drive structure can be used well to provide microelectromechanical loudspeakers, pumps or valves.

In einer Ausführungsform der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur ist das erste Innenelement mit dem zweiten Außenelement über ein drittes Antriebselement verbunden. Das dritte Antriebselement weist ein drittes Innenelement und ein drittes Außenelement auf. Das dritte Außenelement ist mit dem ersten Innenelement und das dritte Innenelement mit dem zweiten Außenelement verbunden. Das dritte Innenelement ist gegenüber dem dritten Außenelement parallel zur dritten Erstreckungsrichtung bewegbar. Optional können weitere Antriebselemente zwischen dem ersten Antriebselement und dem zweiten Antriebselement vorgesehen werden. Mit jedem Antriebselement kann eine weitere Auslenkung der Antriebsplatte in der dritten Erstreckungsrichtung erreicht werden, so dass ein Bewegungsraum der Antriebsplatte mit jedem Antriebselement vergrößert werden kann.In one embodiment of the microelectromechanical actuator structure, the first inner element is connected to the second outer element via a third drive element. The third drive element has a third inner element and a third outer element. The third outer element is connected to the first inner element and the third inner element to the second outer element. The third inner element is movable relative to the third outer element parallel to the third extension direction. Optionally, further drive elements can be provided between the first drive element and the second drive element. With each drive element, a further deflection of the drive plate in the third extension direction can be achieved, so that a movement space of the drive plate can be increased with each drive element.

In einer Ausführungsform der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur kann die Antriebsplatte gegenüber dem Chiprahmen in der dritten Erstreckungsrichtung weiter bewegt werden als die dritte Abmessung beträgt. Insbesondere kann dies durch eine Anzahl der Antriebselemente beeinflusst sein.In one embodiment of the microelectromechanical actuator structure, the drive plate can be moved further in the third extension direction relative to the chip frame than the third dimension. In particular, this can be influenced by a number of drive elements.

In einer Ausführungsform der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur sind die Antriebselemente elektrostatisch. Elektrostatische Antriebselemente ermöglichen eine einfache Umsetzung der Bewegung in der dritten Erstreckungsrichtung.In one embodiment of the microelectromechanical actuator structure, the drive elements are electrostatic. Electrostatic drive elements enable easy implementation of the movement in the third extension direction.

In einer Ausführungsform der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur sind die Antriebselemente piezoelektrisch. Auch piezoelektrische Antriebselemente ermöglichen eine einfache Umsetzung der Bewegung in der dritten Erstreckungsrichtung.In one embodiment of the microelectromechanical actuator structure, the drive elements are piezoelectric. Piezoelectric drive elements also enable simple implementation of the movement in the third extension direction.

Neben elektrostatischen Antriebselementen und piezoelektrischen Antriebselementen sind auch weitere Antriebselemente denkbar. Dabei kann vorgesehen sein, dass alle elektrostatischen Antriebselemente mit einer identischen Spannung beaufschlagt werden beziehungsweise alle piezoelektrischen Antriebselemente mit einer identischen Spannung beaufschlagt werden, so dass alle Antriebselemente eine identische Auslenkung aufweisen.In addition to electrostatic drive elements and piezoelectric drive elements, other drive elements are also conceivable. It can be provided that all electrostatic drive elements are subjected to an identical voltage or all piezoelectric drive elements are subjected to an identical voltage so that all drive elements have an identical deflection.

In einer Ausführungsform der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur ist das erste Außenelement über eine erste Feder mit dem ersten Innenelement verbunden. Das zweite Außenelement ist über eine zweite Feder mit dem zweiten Innenelement verbunden. Mit einer solchen Anordnung kann eine Rückstellkraft über die Federn erzeugt werden, so dass ein effizienterer Betrieb der Antriebsstrukturen möglich ist. Die Federn können dabei als mechanische Verbindungselemente ausgestaltet sein.In one embodiment of the microelectromechanical actuator structure, the first outer element is connected to the first inner element via a first spring. The second outer element is connected to the second inner element via a second spring. With such an arrangement, a restoring force can be generated via the springs, so that a more efficient operation of the drive structures is possible. The springs can be designed as mechanical connecting elements.

In einer Ausführungsform der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur ist an der Antriebsplatte ein Kolben befestigt. Der Kolben ist an einer Nutzlast befestigbar. Die Nutzlast kann dabei das bereits für das Bauelement beschriebene Nutzelement, also beispielsweise die Lautsprechermembran oder den Pumpenkolben oder die Ventilmembran umfassen.In one embodiment of the microelectromechanical actuator structure, a piston is attached to the drive plate. The piston can be attached to a payload. The payload can comprise the payload already described for the component, for example the loudspeaker membrane or the pump piston or the valve membrane.

In einer Ausführungsform der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur weist die Antriebsplatte zumindest eine Durchgangsöffnung auf. Dadurch kann eine Beweglichkeit der Antriebsplatte vergrößert sein.In one embodiment of the microelectromechanical actuator structure, the drive plate has at least one through-opening. This can increase the mobility of the drive plate.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:

1 einen Querschnitt eines Lautsprechers mit einer mikroelektromechanischen Antriebsstruktur;
2 den Lautsprecher der 1 mit ausgelenkter Verdrängerplatte;
3 einen Querschnitt einer mikroelektromechanischen Antriebsstruktur;
4 die mikroelektromechanische Antriebsstruktur der 3 in einer ersten Auslenkung;
5 die mikroelektromechanische Antriebsstruktur der 3 in einer zweiten Auslenkung;
6 einen Querschnitt einer weiteren mikroelektromechanischen Antriebsstruktur;
7 eine Draufsicht der mikroelektromechanischen Antriebsstruktur der 6;
8 einen Querschnitt einer weiteren mikroelektromechanischen Antriebsstruktur;
9 eine Draufsicht der mikroelektromechanischen Antriebsstruktur der 8;
10 einen Querschnitt einer weiteren mikroelektromechanischen Antriebsstruktur;
11 einen Querschnitt einer weiteren mikroelektromechanischen Antriebsstruktur
12 einen Querschnitt einer weiteren mikroelektromechanischen Antriebsstruktur;
13 einen Querschnitt einer weiteren mikroelektromechanischen Antriebsstruktur;
14 ein Ventil mit einer mikroelektromechanischen Antriebsstruktur; und
15 eine Pumpe mit einer mikroelektromechanischen Antriebsstruktur.

Embodiments of the invention are explained with reference to the following drawings. The schematic drawing shows:

1 a cross-section of a loudspeaker with a microelectromechanical drive structure;
2 the speaker of the 1 with deflected displacement plate;
3 a cross-section of a microelectromechanical drive structure;
4 the microelectromechanical drive structure of the 3 in a first deflection;
5 the microelectromechanical drive structure of the 3 in a second deflection;
6 a cross-section of another microelectromechanical drive structure;
7 a top view of the microelectromechanical drive structure of the 6 ;
8 a cross-section of another microelectromechanical drive structure;
9 a top view of the microelectromechanical drive structure of the 8 ;
10 a cross-section of another microelectromechanical drive structure;
11 a cross-section of another microelectromechanical drive structure
12 a cross-section of another microelectromechanical drive structure;
13 a cross-section of another microelectromechanical drive structure;
14 a valve with a microelectromechanical drive structure; and
15 a pump with a microelectromechanical drive structure.

1 zeigt einen Querschnitt eines Bauelements 1, das als Lautsprecher 2 ausgestaltet ist. Der Lautsprecher 2 weist eine mikroelektromechanischen Antriebsstruktur 100 auf. Ferner weist der Lautsprecher 2 optionale Elemente auf, die im Folgenden erläutert werden und die gegebenenfalls nicht vollständig im Lautsprecher 2 vorgesehen sein müssen. Ein Gehäuse 21 weist eine Schallausgangsöffnung 22 auf. Unterhalb der Schallausgangsöffnung 22 ist eine Verdrängerplatte 23 angeordnet, die beispielsweise Silizium oder ein anderes Halbleitermaterial aufweisen oder aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial bestehen kann. Die Verdrängerplatte 23 kann beispielsweise zwischen 2 und 20 Mikrometer, insbesondere zwischen 5 und 10 Mikrometer dick sein. Die Verdrängerplatte 23 kann mittels der mikroelektromechanischen Antriebsstruktur 100 in Richtung der Schallausgangsöffnung 22 bewegt werden. 1 shows a cross-section of a component 1 that is designed as a loudspeaker 2. The loudspeaker 2 has a microelectromechanical drive structure 100. The loudspeaker 2 also has optional elements that are explained below and that may not have to be completely provided in the loudspeaker 2. A housing 21 has a sound output opening 22. A displacement plate 23 is arranged below the sound output opening 22, which can, for example, have silicon or another semiconductor material or can consist of silicon or another semiconductor material. The displacement plate 23 can, for example, be between 2 and 20 micrometers, in particular between 5 and 10 micrometers thick. The displacement plate 23 can be moved in the direction of the sound output opening 22 by means of the microelectromechanical drive structure 100.

Die mikroelektromechanische Aktuatorstruktur 100 weist einen mikroelektromechanischen Chip 101 mit einem Chiprahmen 102, einer Antriebsplatte 103 und einer innerhalb des Chiprahmens 102 angeordneten Antriebsstruktur 104 auf. Die Antriebsplatte 103 ist mit der Verdrängerplatte 23 verbunden. Die Antriebsstruktur 104 weist in einer ersten Erstreckungsrichtung 105 eine erste Abmessung und in einer zweiten Erstreckungsrichtung 106 eine zweite Abmessung auf. Die zweite Erstreckungsrichtung 106 ist dabei in die Zeichenebene der 1 geführt. Die erste Abmessung ist größer als eine dritte Abmessung der Antriebsstruktur 104 in einer dritten Erstreckungsrichtung 107. Die zweite Abmessung ist ebenfalls größer als die dritte Abmessung. Die Antriebsstruktur 104 weist zumindest ein erstes Antriebselement 108 und ein zweites Antriebselement 109 auf. Das erste Antriebselement 108 weist ein erstes Innenelement 110 und ein erstes Außenelement 111 auf. Das erste Außenelement 111 ist mit dem Chiprahmen 102 verbunden. Das erste Innenelement 110 ist gegenüber dem ersten Außenelement 111 parallel zur dritten Erstreckungsrichtung 107 bewegbar. Das zweite Antriebselement 109 weist ein zweites Innenelement 112 und ein zweites Außenelement 113 auf. Das zweite Innenelement 112 ist mit der Antriebsplatte 103 verbunden. Das zweite Innenelement 112 ist gegenüber dem zweiten Außenelement 113 parallel zur dritten Erstreckungsrichtung 107 bewegbar. Das erste Innenelement 110 ist mit dem zweiten Außenelement 113 verbunden. Die Erstreckungsrichtungen 105, 106, 107 können ferner orthogonal zueinander sein. The microelectromechanical actuator structure 100 has a microelectromechanical chip 101 with a chip frame 102, a drive plate 103 and a drive structure 104 arranged within the chip frame 102. The drive plate 103 is connected to the displacement plate 23. The drive structure 104 has a first dimension in a first extension direction 105 and a second dimension in a second extension direction 106. The second extension direction 106 is in the plane of the drawing of the 1 guided. The first dimension is larger than a third dimension of the drive structure 104 in a third extension direction 107. The second dimension is also larger than the third dimension. The drive structure 104 has at least a first drive element 108 and a second drive element 109. The first drive element 108 has a first inner element 110 and a first outer element 111. The first outer element 111 is connected to the chip frame 102. The first inner element 110 is movable relative to the first outer element 111 parallel to the third extension direction 107. The second drive element 109 has a second inner element 112 and a second outer element 113. The second inner element 112 is connected to the drive plate 103. The second inner element 112 is movable relative to the second outer element 113 parallel to the third extension direction 107. The first inner element 110 is connected to the second outer element 113. The extension directions 105, 106, 107 can also be orthogonal to one another.

Dadurch, dass das erste Innenelement 110 der Antriebsstruktur 104 mit dem zweiten Außenelement 113 der Antriebsstruktur 104 verbunden ist, kann eine Auslenkung des ersten Antriebselements 108 das zweite Antriebselement 109 bereits in der dritten Erstreckungsrichtung 107 auslenken. Durch das zweite Antriebselement 109 kann dann eine weitere Bewegung der Antriebsplatte 103 in der dritten Erstreckungsrichtung 107 erfolgen. Dadurch kann eine kaskadierende Bewegung der Antriebsplatte 103 erreicht werden, so dass einzelne Bewegungen der Antriebselemente 108, 109 aufaddiert eine Bewegung der Antriebsplatte 103 ergeben. Dadurch kann eine kompakte Antriebsstruktur 104 bereitgestellt werden, die insbesondere in der dritten Erstreckungsrichtung 107 eine bezogen auf die dritte Abmessung große Beweglichkeit aufweist. Das erste Innenelement 110 kann direkt mit dem zweiten Außenelement 113 verbunden sein, wie in 1 gezeigt. Ferner können mechanische Verbindungselemente zwischen den Antriebselementen 108, 109 vorgesehen sein.Because the first inner element 110 of the drive structure 104 is connected to the second outer element 113 of the drive structure 104, a deflection of the first drive element 108 can deflect the second drive element 109 in the third extension direction 107. The second drive element 109 can then cause a further movement of the drive plate 103 in the third extension direction 107. This can achieve a cascading movement of the drive plate 103, so that individual movements of the drive elements 108, 109 add up to a movement of the drive plate 103. This can provide a compact drive structure 104 which has a high degree of mobility in relation to the third dimension, particularly in the third extension direction 107. The first inner element 110 can be connected directly to the second outer element 113, as in 1 Furthermore, mechanical connecting elements can be provided between the drive elements 108, 109.

Die mikroelektromechanische Aktuatorstruktur 100 weist also eine räumlich in einer Ebene 114 angeordnete Antriebsstruktur mit einer planar ausgeführten, seriellen mechanischen Kopplung der einzelnen Antriebselemente 108, 109 auf. So kann ein hohes verdrängbares Fluidvolumen erreicht werden. Durch diese Antriebsstruktur wird eine Amplitude der Auslenkung erhöht, da durch die serielle mechanische Kopplung der einzelnen Antriebselemente 108, 109 ein Vielfaches an Auslenkung durch die gesamte Antriebsstruktur 104 erreicht werden kann, wobei diese Gesamtauslenkung direkt mechanisch an die Antriebsplatte 103 übertragen wird.The microelectromechanical actuator structure 100 thus has a drive structure spatially arranged in a plane 114 with a planar, serial mechanical coupling of the individual drive elements 108, 109. In this way, a high displaceable fluid volume can be achieved. This drive structure increases the amplitude of the deflection, since the serial mechanical coupling of the individual drive elements 108, 109 allows a multiple of the deflection to be achieved by the entire drive structure 104 can be achieved, whereby this total deflection is transmitted directly mechanically to the drive plate 103.

Zwischen der Verdrängerplatte 23 und dem Chiprahmen 102 ist optional ein Spalt 24 vorgesehen, wobei der Spalt 24 klein gegenüber Abmessungen der Verdrängerplatte 23 sein kann. Der mikroelektromechanische Chip 101 kann mit Bonddrähten 25 elektrisch kontaktiert sein. Mittels der Verdrängerplatte 23 kann insbesondere ein frontseitiges Volumen 26 und ein rückseitiges Volumen 27 innerhalb des Gehäuses 21 bewegt und so ein Ton erzeugt werden. Das frontseitige Volumen 26 ist dabei auf einer anderen Seite der Verdrängerplatte 23 angeordnet als das rückseitige Volumen 27, wobei das rückseitige Volumen 27 auf beiden Seiten der Aktuatorstruktur 100 angeordnet ist. Die Verdrängerplatte 23 kann dabei insbesondere in sich unbeweglich sein, so dass sich die Verdrängerplatte 23 im Ganzen auf und ab bewegt. Ferner kann optional ein Fluidkanal 28 und eine Durchgangsöffnung 127 der Antriebsplatte 103 vorgesehen sein, mit dem ein Fluid vom rückseitigen Volumen 27 oberhalb der Aktuatorstruktur 100 zum rückseitigen Volumen 27 unterhalb der Aktuatorstruktur 100 geführt werden kann und umgekehrt. Ferner kann ein akustischer Eingang 29 des Gehäuses 21 gegenüber der Schallausgangsöffnung 22 vorgesehen sein.A gap 24 is optionally provided between the displacement plate 23 and the chip frame 102, wherein the gap 24 can be small compared to the dimensions of the displacement plate 23. The microelectromechanical chip 101 can be electrically contacted with bonding wires 25. By means of the displacement plate 23, in particular a front volume 26 and a rear volume 27 can be moved within the housing 21 and a sound can thus be generated. The front volume 26 is arranged on a different side of the displacement plate 23 than the rear volume 27, wherein the rear volume 27 is arranged on both sides of the actuator structure 100. The displacement plate 23 can in particular be immobile in itself, so that the displacement plate 23 moves up and down as a whole. Furthermore, a fluid channel 28 and a through-opening 127 of the drive plate 103 can optionally be provided, with which a fluid can be guided from the rear volume 27 above the actuator structure 100 to the rear volume 27 below the actuator structure 100 and vice versa. Furthermore, an acoustic inlet 29 of the housing 21 can be provided opposite the sound outlet opening 22.

Das Bauelement 1 weist also eine mikroelektromechanische Antriebsstruktur 100 auf. Das Bauelement 1 weist ferner ein Nutzelement 6 auf, wobei das Nutzelement 6 mit der Antriebsplatte 103 verbunden ist. Das Nutzelement 6 ist hier die zur Bewegung vorgesehene Verdrängerplatte 23. Durch die mikroelektromechanische Antriebsstruktur 100 kann das Nutzelement 6 bewegt werden, insbesondere in der dritten Erstreckungsrichtung 107. Durch die mehreren Antriebselemente 108, 109 der Antriebsstruktur 104 kann dabei eine einfache Umsetzung einer großen Bewegung in der dritten Erstreckungsrichtung 107 erreicht werden.The component 1 therefore has a microelectromechanical drive structure 100. The component 1 also has a useful element 6, wherein the useful element 6 is connected to the drive plate 103. The useful element 6 here is the displacement plate 23 provided for movement. The microelectromechanical drive structure 100 can move the useful element 6, in particular in the third extension direction 107. The multiple drive elements 108, 109 of the drive structure 104 can thereby easily implement a large movement in the third extension direction 107.

Die gesamte Antriebsstruktur 104 mit den einzelnen Antriebselementen 108, 109 und gegebenenfalls vorhandenen jeweiligen mechanischen Verbindungselementen ist dabei in einer Ebene angeordnet und kann zumindest teilweise oder komplett unterhalb der Nutzlast 7 angeordnet sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass in einer Aufsicht die Nutzlast 7 die Antriebsstruktur 104 zumindest teilweise und gegebenenfalls vollständig überdeckt. Dadurch kann ein Platzverlust und/oder eine Einschränkung in der Ausgestaltung vermieden oder verringert werden. Die Begrifflichkeit „Ausgestaltung in einer Ebene“ bedeutet nicht, dass (wie im geometrischen Sinne) die Ebene der Antriebsstruktur 104 aus einer einzelnen Schicht (beispielsweise über eine Schichtabscheidung) bestehen muss, sondern, dass die Antriebselemente 108, 109 und die mechanischen Verbindungselemente vielmehr aus mehreren strukturierten Schichten (gegebenenfalls aus unterschiedlichen Materialien wie beispielsweise Dielektrika (beispielsweise SiO2) oder hochdotierte poly-Si-Schichten) bestehen, wobei jedoch alle Antriebselemente 108, 109 und Verbindungselemente auf derselben Ebene angeordnet die Antriebsstruktur 104 bilden.The entire drive structure 104 with the individual drive elements 108, 109 and any mechanical connecting elements present is arranged in one plane and can be arranged at least partially or completely below the payload 7. In particular, it can be provided that the payload 7 at least partially and possibly completely covers the drive structure 104 in a top view. This can avoid or reduce a loss of space and/or a restriction in the design. The term "design in one plane" does not mean that (as in the geometric sense) the plane of the drive structure 104 must consist of a single layer (for example via a layer deposition), but rather that the drive elements 108, 109 and the mechanical connecting elements consist of several structured layers (possibly of different materials such as dielectrics (for example SiO2) or highly doped poly-Si layers), although all drive elements 108, 109 and connecting elements arranged on the same plane form the drive structure 104.

Die Antriebsstruktur 104 kann insbesondere mehr als ein erstes Antriebselement 108 und mehr als ein erstes Antriebselement 109 aufweisen, wobei die Antriebselemente 108, 109 zumindest auf zwei Seiten der Antriebsplatte 103 symmetrisch angeordnet sein können. Ferner kann eine solche Ausgestaltung auch jeweils bei den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen eingesetzt werden.The drive structure 104 can in particular have more than one first drive element 108 and more than one first drive element 109, wherein the drive elements 108, 109 can be arranged symmetrically on at least two sides of the drive plate 103. Furthermore, such a configuration can also be used in the exemplary embodiments described below.

2 zeigt das Bauelement 1 der 1, wobei die Antriebsstruktur 104 nach oben ausgelenkt ist. Ferner ist gestrichelt dargestellt, dass die Antriebsstruktur 104 auch nach unten ausgelenkt werden kann. Dadurch kann eine Schallwelle erzeugt werden, die das Gehäuse 21 dann durch die Schallausgangsöffnung 22 verlassen kann. 2 shows component 1 of the 1 , wherein the drive structure 104 is deflected upwards. Furthermore, it is shown in dashed lines that the drive structure 104 can also be deflected downwards. This can generate a sound wave which can then leave the housing 21 through the sound output opening 22.

3 zeigt einen Querschnitt durch eine detailliertere Darstellung einer mikroelektromechanischen Antriebsstruktur 100. Die Antriebselemente 108, 109 sind hier elektrostatische Antriebselemente. Insbesondere weisen die Innenelemente 110, 112 und die Außenelemente 111, 113 Elektroden 115 auf, wobei die Außenelemente 111, 113 jeweils eine untere Elektrode 116 und eine obere Elektrode 117 aufweisen und die Innenelemente 110, 112 jeweils eine zwischen der unteren Elektrode 116 und der oberen Elektrode 117 angeordnete Elektrode 115. Wird nun beispielsweise an die oberen Elektroden 117 eine positive Gleichspannung und an die unteren Elektroden 116 eine betragsmäßig identische negative Gleichspannung angelegt, kann ein Wechselspannungssignal an die Elektroden 115 der Innenelemente 110, 112 angelegt werden, wobei je nach Vorzeichen und Betrag dieses Wechselspannungssignal eine Auslenkung der Antriebselemente 108, 109 nach oben (negative Wechselspannung) oder unten (positive Wechselspannung) erfolgt. 3 shows a cross-section through a more detailed representation of a microelectromechanical drive structure 100. The drive elements 108, 109 here are electrostatic drive elements. In particular, the inner elements 110, 112 and the outer elements 111, 113 have electrodes 115, wherein the outer elements 111, 113 each have a lower electrode 116 and an upper electrode 117 and the inner elements 110, 112 each have an electrode 115 arranged between the lower electrode 116 and the upper electrode 117. If, for example, a positive direct current voltage is applied to the upper electrodes 117 and a negative direct current voltage of identical magnitude is applied to the lower electrodes 116, an alternating voltage signal can be applied to the electrodes 115 of the inner elements 110, 112, wherein, depending on the sign and magnitude of this alternating voltage signal, the drive elements 108, 109 are deflected upwards (negative alternating voltage) or downwards (positive alternating voltage).

4 zeigt die mikroelektromechanische Aktuatorstruktur 100 der 3 bei negativer, an den Elektroden 115 der Innenelemente 110, 112 anliegenden Wechselspannung. 5 zeigt die mikroelektromechanische Antriebsstruktur 100 der 3 bei positiver, an den Elektroden 115 der Innenelemente 110, 112 anliegenden Wechselspannung. Dadurch kann eine hin-und-her Bewegung der Antriebsplatte 103 erreicht werden, die dann mittels der in 3 bis 5 nicht gezeigten Verdrängerplatte 23 zur Ausgabe eines Tonsignals genutzt werden kann. 4 shows the microelectromechanical actuator structure 100 of the 3 with negative alternating voltage applied to the electrodes 115 of the inner elements 110, 112. 5 shows the microelectromechanical drive structure 100 of the 3 with positive alternating voltage applied to the electrodes 115 of the inner elements 110, 112. This allows a back and forth movement of the drive plate 103 to be achieved, which is then the one in 3 to 5 not shown displacement plate 23 can be used to output a sound signal.

Alternativ zur Darstellung der 3 bis 5 kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die Innenelemente 110, 112 zwei Elektroden 115, also eine untere Elektrode 116 und eine obere Elektrode 117 aufweisen. In diesem Fall weisen die Außenelemente 111, 113 die zwischen der unteren Elektrode 116 und der oberen Elektrode 117 angeordnete Elektrode 115 auf. Ferner können Isolationsschichten 118 vorgesehen sein, mit denen die Elektroden 115 von tragenden Elementen 119 isoliert sein können. In der Ausgestaltung der 3 bis 5 sind, wie in 1 und 2, die ersten Innenelemente 110 mit den zweiten Außenelementen 113 direkt verbunden.Alternatively to displaying the 3 to 5 It can also be provided that the inner elements 110, 112 have two electrodes 115, i.e. a lower electrode 116 and an upper electrode 117. In this case, the outer elements 111, 113 have the electrode 115 arranged between the lower electrode 116 and the upper electrode 117. Furthermore, insulation layers 118 can be provided with which the electrodes 115 can be insulated from supporting elements 119. In the embodiment of the 3 to 5 are, as in 1 and 2 , the first inner elements 110 are directly connected to the second outer elements 113.

6 zeigt einen Querschnitt einer weiteren mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur 100, die der mikromechanischen Aktuatorstruktur 100 der 3 bis 5 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist das erste Innenelement 110 mit dem zweiten Außenelement 113 über ein drittes Antriebselement 120 verbunden. Das dritte Antriebselement 120 weist ein drittes Innenelement 121 und ein drittes Außenelement 122 auf. Das dritte Außenelement 122 ist mit dem ersten Innenelement 110 und das dritte Innenelement 121 mit dem zweiten Außenelement 113 direkt verbunden. Das dritte Innenelement 121 ist gegenüber dem dritten Außenelement 122 parallel zur dritten Erstreckungsrichtung 107 bewegbar. Optional können weitere, hier nicht gezeigte, Antriebselemente zwischen dem ersten Antriebselement 108 und dem zweiten Antriebselement 109 vorgesehen werden. Mit jedem Antriebselement 108, 109, 120 kann eine weitere Auslenkung der Antriebsplatte 103 in der dritten Erstreckungsrichtung erreicht werden, so dass ein Bewegungsraum der Antriebsplatte 103 mit jedem Antriebselement 108, 109, 120 vergrößert werden kann. 6 shows a cross section of another microelectromechanical actuator structure 100, which corresponds to the micromechanical actuator structure 100 of the 3 to 5 corresponds, unless differences are described below. In this exemplary embodiment, the first inner element 110 is connected to the second outer element 113 via a third drive element 120. The third drive element 120 has a third inner element 121 and a third outer element 122. The third outer element 122 is directly connected to the first inner element 110 and the third inner element 121 to the second outer element 113. The third inner element 121 is movable relative to the third outer element 122 parallel to the third extension direction 107. Optionally, further drive elements, not shown here, can be provided between the first drive element 108 and the second drive element 109. With each drive element 108, 109, 120, a further deflection of the drive plate 103 in the third extension direction can be achieved, so that a movement space of the drive plate 103 can be increased with each drive element 108, 109, 120.

In einem Ausführungsbeispiel der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur 100 ist, wie in 7 gezeigt und in 6 gestrichelt angedeutet, das erste Außenelement 111 über eine erste Feder 123 mit dem ersten Innenelement 110 verbunden. Das zweite Außenelement 113 ist über eine zweite Feder 124 mit dem zweiten Innenelement 112 verbunden. Dies kann auch für die Ausgestaltungen der 1 bis 5 vorgesehen sein. Ferner ist optional das dritte Außenelement 122 über eine dritte Feder 125 mit dem dritten Innenelement 121 verbunden. Mit einer solchen Anordnung kann eine Rückstellkraft über die Federn 123, 124, 125 erzeugt werden, so dass ein effizienterer Betrieb der Antriebsstrukturen 104 möglich ist. Die Federn 123, 124, 125 können dabei als mechanische Verbindungselemente ausgestaltet sein.In one embodiment of the microelectromechanical actuator structure 100, as in 7 shown and in 6 indicated by dashed lines, the first outer element 111 is connected to the first inner element 110 via a first spring 123. The second outer element 113 is connected to the second inner element 112 via a second spring 124. This can also be used for the embodiments of the 1 to 5 be provided. Furthermore, the third outer element 122 is optionally connected to the third inner element 121 via a third spring 125. With such an arrangement, a restoring force can be generated via the springs 123, 124, 125, so that a more efficient operation of the drive structures 104 is possible. The springs 123, 124, 125 can be designed as mechanical connecting elements.

8 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere mikroelektromechanische Aktuatorstruktur 100, die analog zu 1 bis 5 ein erstes Antriebselement 108 und ein zweites Antriebselement 109 aufweist, wobei analog zu 6 und 7 das dritte Antriebselement 120 und gegebenenfalls weitere Antriebselemente ebenfalls vorgesehen sein können. Das erste Antriebselement 108 weist wiederum ein erstes Innenelement 110 auf, das als zwei Elektroden 115 ausgestaltet ist. Zwischen den Elektroden 115 des ersten Innenelements 110 und dem Chiprahmen 102 sind unterhalb untere Elektroden 116 des ersten Außenelements 111 dargestellt, die mit dem Chiprahmen 102 verbunden sind. Gestrichelt dargestellt ist, wie weit die Elektroden 115 des ersten Innenelements 110 die unteren Elektroden 116 des ersten Außenelements 111 überdecken. Das zweite Antriebselement 109 weist wiederum ein zweites Innenelement 112 auf, das als zwei Elektroden 115 ausgestaltet ist. Zwischen den Elektroden 115 des zweiten Innenelements 112 und einem Träger 126 des ersten Innenelements 110 sind unterhalb untere Elektroden 116 des zweiten Außenelements 113 dargestellt, die mit dem Träger 126 verbunden sind. Gestrichelt dargestellt ist, wie weit die Elektroden 115 des zweiten Innenelements 112 die unteren Elektroden 116 des zweiten Außenelements 113 überdecken. Zwischen dem Chiprahmen 102 und dem Träger 126 und damit zwischen dem ersten Außenelement 111 und dem ersten Innenelement 110 ist wieder eine erste Feder 123 als mechanische Verbindung angeordnet. Zwischen dem Träger 126 und der Antriebsplatte 103 und damit zwischen dem zweiten Außenelement 113 und dem zweiten Innenelement 112 ist eine zweite Feder 124 als mechanische Verbindung angeordnet. Eine elektrische Kontaktierung der Elektroden 115 des ersten Innenelements 110 und des zweiten Innenelements 112 kann über die erste Feder 123 und/oder die zweite Feder 124 geführt sein. Dies kann insbesondere in der Schnittebene der 8 erfolgen. 8 shows a cross section through another microelectromechanical actuator structure 100, which is analogous to 1 to 5 a first drive element 108 and a second drive element 109, wherein analogous to 6 and 7 the third drive element 120 and optionally further drive elements can also be provided. The first drive element 108 in turn has a first inner element 110, which is designed as two electrodes 115. Between the electrodes 115 of the first inner element 110 and the chip frame 102, lower electrodes 116 of the first outer element 111 are shown below, which are connected to the chip frame 102. The dashed line shows how far the electrodes 115 of the first inner element 110 cover the lower electrodes 116 of the first outer element 111. The second drive element 109 in turn has a second inner element 112, which is designed as two electrodes 115. Between the electrodes 115 of the second inner element 112 and a carrier 126 of the first inner element 110, lower electrodes 116 of the second outer element 113 are shown below, which are connected to the carrier 126. The extent to which the electrodes 115 of the second inner element 112 cover the lower electrodes 116 of the second outer element 113 is shown in dashed lines. A first spring 123 is again arranged as a mechanical connection between the chip frame 102 and the carrier 126 and thus between the first outer element 111 and the first inner element 110. A second spring 124 is arranged as a mechanical connection between the carrier 126 and the drive plate 103 and thus between the second outer element 113 and the second inner element 112. An electrical contact between the electrodes 115 of the first inner element 110 and the second inner element 112 can be made via the first spring 123 and/or the second spring 124. This can be done in particular in the cutting plane of the 8 take place.

9 zeigt eine Draufsicht auf die mikroelektromechanische Aktuatorstruktur 100 der 8. Die oberen Elektroden 117 der ersten Außenstruktur 111 sind am Chiprahmen 102 angeordnet und überdecken die Elektroden 115 der ersten Innenstruktur 110. Ein Rand des Chiprahmens 102 und ein Rand der Elektroden 115 der ersten Innenstruktur 110 sind dabei gestrichelt dargestellt. Die oberen Elektroden 117 der zweiten Außenstruktur 113 sind am Träger 126 angeordnet und überdecken die Elektroden 115 der zweiten Innenstruktur 112. Ein Rand des Trägers 126 und ein Rand der Elektroden 115 der zweiten Innenstruktur 112 sind dabei gestrichelt dargestellt. Auch eine elektrische Kontaktierung der oberen Elektroden 117 kann über die Federn 123, 124 erfolgen, wobei dies elektrisch isoliert von der im Zusammenhang mit der 8 erläuterten elektrischen Kontaktierung der Elektroden 115 des ersten Innenelements 110 und des zweiten Innenelements 112 erfolgt. Analog kann auch eine elektrische Kontaktierung der unteren Elektroden 116 über die Federn 123, 124 erfolgen. Dadurch kann die mikroelektromechanische Aktuatorstruktur 100 kaskadierend betrieben werden, obwohl außen nur drei Potentiale angelegt werden müssen. 9 shows a top view of the microelectromechanical actuator structure 100 of the 8 The upper electrodes 117 of the first outer structure 111 are arranged on the chip frame 102 and cover the electrodes 115 of the first inner structure 110. An edge of the chip frame 102 and an edge of the electrodes 115 of the first inner structure 110 are shown in dashed lines. The upper electrodes 117 of the second outer structure 113 are arranged on the carrier 126 and cover the electrodes 115 of the second inner structure 112. An edge of the carrier 126 and an edge of the electrodes 115 of the second inner structure 112 are shown in dashed lines. Electrical contacting of the upper electrodes 117 can also be carried out via the springs 123, 124, whereby this is electrically isolated from the 8 explained electrical contacting of the electrodes 115 of the first inner element 110 and the second inner element 112. Analogously, electrical contact can also be made between the lower electrodes 116 via the springs 123, 124. This allows the microelectromechanical actuator structure 100 to be operated in a cascading manner, although only three potentials need to be applied externally.

Im Ausführungsbeispiel der 8 und 9 sind die Federn 123, 124 orthogonal zueinander angeordnet. Insbesondere sind Ausrichtungen der ersten Federn 123 orthogonal zu Ausrichtungen der zweiten Federn 124 Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, die Federn 123, 124 können beispielsweise auch eine zueinander identische Ausrichtung aufweisen.In the embodiment of the 8 and 9 the springs 123, 124 are arranged orthogonally to one another. In particular, the alignments of the first springs 123 are orthogonal to the alignments of the second springs 124. However, this is not absolutely necessary; the springs 123, 124 can also have an identical alignment to one another, for example.

In Ausführungsbeispiel der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur 100 weist die Antriebsplatte 103 zumindest eine Durchgangsöffnung 127 auf. In 8 und 9 sind zwei optionale Durchgangsöffnungen 127 dargestellt. Dadurch kann eine Beweglichkeit der Antriebsplatte vergrößert sein. Durchgangsöffnungen können ebenfalls in den Ausgestaltungen der 3 bis 7 sowie 10 bis 13 vorgesehen sein. Insbesondere können mit den Durchgangsöffnungen 127 die beiden Teile des rückseitigen Volumens 27 miteinander verbunden sein.In the embodiment of the microelectromechanical actuator structure 100, the drive plate 103 has at least one through-opening 127. In 8 and 9 Two optional through holes 127 are shown. This can increase the mobility of the drive plate. Through holes can also be provided in the designs of the 3 to 7 and 10 to 13. In particular, the two parts of the rear volume 27 can be connected to one another by means of the through openings 127.

Im Ausführungsbeispiel der 8 und 9 sind die Antriebselemente 108, 109 im Wesentlichen u-förmig ausgestaltet. Dadurch kann eine kompakte Anordnung der mikroelektromechanischen Antriebsstruktur 100 erreicht werden. Jedes Antriebselement 108, 109 weist dazu eine lange Seite und zwei kürzere Seiten auf, die zur langen Seite senkrecht angeordnet sind.In the embodiment of the 8 and 9 the drive elements 108, 109 are essentially U-shaped. This allows a compact arrangement of the microelectromechanical drive structure 100 to be achieved. Each drive element 108, 109 has a long side and two shorter sides that are arranged perpendicular to the long side.

10 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere mikroelektromechanische Aktuatorstruktur 100, die der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur 100 der 3 bis 5 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Die Elektroden 115, 116, 117 weisen jeweils eine Kammstruktur 128 auf. Die Kammstrukturen 128 der einzelnen Antriebselemente 108, 109 greifen dabei ineinander. Durch die Kammstrukturen 128 kann erreicht werden, dass eine Kraft, die auf die Antriebselemente 108, 109 wirkt, (weitestgehend) unabhängig von einer Auslenkung der Antriebselemente 108, 109 ist. 10 shows a cross section through another microelectromechanical actuator structure 100, which corresponds to the microelectromechanical actuator structure 100 of the 3 to 5 corresponds, unless differences are described below. The electrodes 115, 116, 117 each have a comb structure 128. The comb structures 128 of the individual drive elements 108, 109 interlock with one another. The comb structures 128 make it possible to ensure that a force acting on the drive elements 108, 109 is (largely) independent of a deflection of the drive elements 108, 109.

In einem Ausführungsbeispiel der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur 100 ist an der Antriebsplatte 103 ein Kolben 129 befestigt. Der Kolben 129 ist an einer Nutzlast, hier einer Verdrängerplatte 23, befestigbar. Die Nutzlast kann dabei das bereits für das Bauelement 1 beschriebene Nutzelement 6 umfassen. Dies ist in 10 optional gezeigt, kann aber auch in den Ausgestaltungen der 3 bis 9 und 11 bis 13 vorgesehen sein.In one embodiment of the microelectromechanical actuator structure 100, a piston 129 is attached to the drive plate 103. The piston 129 can be attached to a payload, here a displacement plate 23. The payload can comprise the payload element 6 already described for the component 1. This is shown in 10 optionally shown, but can also be used in the designs of the 3 to 9 and 11 to 13 be provided.

11 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere mikroelektromechanische Aktuatorstruktur 100. Diese weist neben einem ersten Antriebselement 108, einem zweiten Antriebselement 109 und einem dritten Antriebselement 120, die jeweils Innenelemente 110, 112, 121 und Außenelemente 111, 113, 122 aufweisen, zwei weitere Antriebselemente 130 auf, die jeweils ein weiteres Innenelement 131 und ein weiteres Außenelement 132 aufweisen. In dieser Ausgestaltung sind die Innenelemente 110, 112, 121, 131 und die Außenelemente 111, 113, 122, 132 nicht identisch zueinander aufgebaut. Dabei sind jeweils obere Elektroden 117 und untere Elektroden 116 sowie äußere Elektroden 133 und innere Elektroden 134 angeordnet. Die oberen Elektroden 117 können dabei wieder auf einem konstanten Potential gehalten sein und die unteren Elektroden 116 auf einem zum Potential der oberen Elektroden 117 betragsmäßig identischen, aber negativen Potential. Ein Signal kann an die äußeren Elektroden 133 angelegt sein, wobei die inneren Elektroden 134 mit einem zum Signal der äußeren Elektroden 133 betragsmäßig identischen, aber negativen Signal beaufschlagt werden. Dadurch kann eine kaskadierende Bewegung der Antriebselemente 108, 109, 120, 130 nach oben oder nach unten parallel zur dritten Erstreckungsrichtung 107 erreicht werden. Ferner können alle oberen Elektroden 117 untereinander elektrisch leitfähig verbunden sein. Die unteren Elektroden 116 können ebenfalls untereinander elektrisch leitfähig verbunden sein. Die äußeren Elektroden 133 können ebenfalls untereinander elektrisch leitfähig verbunden sein. Die inneren Elektroden 134 können ebenfalls untereinander elektrisch leitfähig verbunden sein. 11 shows a cross section through another microelectromechanical actuator structure 100. In addition to a first drive element 108, a second drive element 109 and a third drive element 120, each of which has inner elements 110, 112, 121 and outer elements 111, 113, 122, this has two further drive elements 130, each of which has a further inner element 131 and a further outer element 132. In this embodiment, the inner elements 110, 112, 121, 131 and the outer elements 111, 113, 122, 132 are not constructed identically to one another. Upper electrodes 117 and lower electrodes 116 as well as outer electrodes 133 and inner electrodes 134 are arranged in each case. The upper electrodes 117 can again be kept at a constant potential and the lower electrodes 116 at a potential that is identical in magnitude to the potential of the upper electrodes 117, but negative. A signal can be applied to the outer electrodes 133, with the inner electrodes 134 being subjected to a signal that is identical in magnitude to the signal of the outer electrodes 133, but negative. This makes it possible to achieve a cascading movement of the drive elements 108, 109, 120, 130 upwards or downwards parallel to the third extension direction 107. Furthermore, all of the upper electrodes 117 can be electrically conductively connected to one another. The lower electrodes 116 can also be electrically conductively connected to one another. The outer electrodes 133 can also be electrically conductively connected to one another. The inner electrodes 134 can also be electrically conductively connected to one another.

Das erste Antriebselement 108 des Ausführungsbeispiels der 11 weist dabei eine obere Elektrode 117 und eine untere Elektrode 116 als erstes Außenelement 111 und eine äußere Elektrode 133 als erstes Innenelement 110 auf. Daran anschließend ist das dritte Antriebselement 120 angeordnet, das eine innere Elektrode 134 als drittes Außenelement 122 und eine obere Elektrode 117 und eine untere Elektrode 116 als drittes Innenelement 131 aufweist. Das erste Innenelement 110 und das dritte Außenelement 122 sind dabei mechanisch verbunden. Daran anschließend ist ein weiteres Antriebselement 130 angeordnet, dessen weiteres Außenelement 132 eine obere Elektrode 117 und eine untere Elektrode 116 aufweist, die mit der oberen Elektrode 117 und der unteren Elektrode 116 des dritten Innenelements 121 identisch sind. Das weitere Außenelement 132 ist also mit dem dritten Innenelement 121 mechanisch verbunden. Dieses weitere Antriebselement 130 weist ferner ein weiteres Innenelement 131 auf, das als äußere Elektrode 133 ausgestaltet ist. Daran anschließend ist ein weiteres Antriebselement 130 angeordnet, dessen weiteres Außenelement 132 eine innere Elektrode 134 aufweist, wobei dieses weitere Außenelement 132 mit dem weiteren Innenelement 131 des vorherigen weiteren Antriebselements 130 mechanisch verbunden ist. Dieses weitere Antriebselement 130 weist ferner ein weiteres Innenelement 131 auf, das wieder als obere Elektrode 117 und als untere Elektrode 117 ausgestaltet ist. Daran anschließend ist das zweite Antriebselement 109 angeordnet. Dessen zweites Außenelement 113 ist mit dem weiteren Innenelement 131 des vorherigen weiteren Antriebselements 130 mechanisch verbunden und weist ebenfalls eine obere Elektrode 117 und eine untere Elektrode 116 auf. Ferner weist das zweite Innenelement 112 eine innere Elektrode 134 auf.The first drive element 108 of the embodiment of the 11 has an upper electrode 117 and a lower electrode 116 as the first outer element 111 and an outer electrode 133 as the first inner element 110. The third drive element 120 is arranged next to this, which has an inner electrode 134 as the third outer element 122 and an upper electrode 117 and a lower electrode 116 as the third inner element 131. The first inner element 110 and the third outer element 122 are mechanically connected. A further drive element 130 is arranged next to this, the further outer element 132 of which has an upper electrode 117 and a lower electrode 116, which are identical to the upper electrode 117 and the lower electrode 116 of the third inner element 121. The further outer element 132 is therefore mechanically connected to the third inner element 121. This further drive element 130 further comprises a further inner element 131, which serves as an outer electrode 133. A further drive element 130 is arranged next to this, the further outer element 132 of which has an inner electrode 134, this further outer element 132 being mechanically connected to the further inner element 131 of the previous further drive element 130. This further drive element 130 also has a further inner element 131, which is again designed as an upper electrode 117 and as a lower electrode 117. The second drive element 109 is arranged next to this. Its second outer element 113 is mechanically connected to the further inner element 131 of the previous further drive element 130 and also has an upper electrode 117 and a lower electrode 116. The second inner element 112 also has an inner electrode 134.

Die in 11 gezeigte mikroelektromechanische Aktuatorstruktur 100 kann als Fringe-Struktur bezeichnet werden. Diese ermöglicht eine einfache Ausgestaltung einer mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur 100.The in 11 The microelectromechanical actuator structure 100 shown can be referred to as a fringe structure. This enables a simple design of a microelectromechanical actuator structure 100.

Bei den in den in den 3 bis 11 gezeigten mikroelektromechanischen Aktuatorstrukturen 100 sind die Antriebselemente 108, 109, 120, 130 elektrostatisch und arbeiten mit Elektroden 115, 116, 117, 133, 134. Mit diesen Ausgestaltungen ist eine einfache Umsetzung der Bewegung in der dritten Erstreckungsrichtung 107 möglich.In the in the in the 3 to 11 In the microelectromechanical actuator structures 100 shown, the drive elements 108, 109, 120, 130 are electrostatic and work with electrodes 115, 116, 117, 133, 134. With these configurations, a simple implementation of the movement in the third extension direction 107 is possible.

12 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere mikroelektromechanische Aktuatorstruktur 100, die wieder einen mikroelektromechanischen Chip 101, einen Chiprahmen 102, eine Antriebsplatte 103 und eine Antriebsstruktur 104 aufweist. Die Antriebsstruktur 104 weist wiederum ein erstes Antriebselement 108, ein zweites Antriebselement 109 und ein drittes Antriebselement 120 auf, wobei das dritte Antriebselement 120 weggelassen werden kann oder zusätzlich weitere, hier nicht gezeigte Antriebselemente vorgesehen sein können. Das erste Antriebselement 108 ist mit einem ersten Außenelement 111 am Chiprahmen und mit einem ersten Innenelement 110 an einem Verbindungselement 135 angeordnet. Das zweite Antriebselement 109 ist mit einem zweiten Innenelement 112 an der Antriebsplatte 103 und mit einem zweiten Außenelement 113 ebenfalls an einem Verbindungselement 135 angeordnet. Zwischen den Verbindungselementen 135 ist ein drittes Antriebselement 120 mit einem dritten Innenelement 121 und einem dritten Außenelement 122 angeordnet, wobei diese jeweils ebenfalls an den Verbindungselementen 135 angeordnet sind. 12 shows a cross section through a further microelectromechanical actuator structure 100, which again has a microelectromechanical chip 101, a chip frame 102, a drive plate 103 and a drive structure 104. The drive structure 104 again has a first drive element 108, a second drive element 109 and a third drive element 120, wherein the third drive element 120 can be omitted or additional drive elements not shown here can be provided. The first drive element 108 is arranged with a first outer element 111 on the chip frame and with a first inner element 110 on a connecting element 135. The second drive element 109 is arranged with a second inner element 112 on the drive plate 103 and with a second outer element 113 also on a connecting element 135. A third drive element 120 with a third inner element 121 and a third outer element 122 is arranged between the connecting elements 135, each of which is also arranged on the connecting elements 135.

Die Antriebselemente 108, 109, 120 sind in diesem Ausführungsbeispiel Piezo-Kristalle 136. Insbesondere sind die Piezo-Kristalle 136 derart ausgestaltet, dass sich alle Innenelemente 110, 112, 121 gegenüber den jeweiligen Außenelementen 111, 113, 122 bezogen auf die dritte Erstreckungsrichtung 107 identisch bewegen, also beispielsweise alle nach oben oder nach unten. Hierzu können die Piezo-Kristalle 136 den sogenannten Scher-Effekt aufweisen, nach dem eine an den Piezo-Kristall 136 angelegte Spannung zu einer Scherung führt.The drive elements 108, 109, 120 are piezo crystals 136 in this embodiment. In particular, the piezo crystals 136 are designed in such a way that all inner elements 110, 112, 121 move identically relative to the respective outer elements 111, 113, 122 in relation to the third extension direction 107, i.e., all upwards or downwards, for example. For this purpose, the piezo crystals 136 can have the so-called shear effect, according to which a voltage applied to the piezo crystal 136 leads to shearing.

13 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere mikroelektromechanische Aktuatorstruktur 100, die wieder einen mikroelektromechanischen Chip 101, einen Chiprahmen 102, eine Antriebsplatte 103 und eine Antriebsstruktur 104 aufweist. Die Antriebsstruktur 104 weist wiederum ein erstes Antriebselement 108 und ein zweites Antriebselement 109 auf, wobei ferner analog auch ein drittes Antriebselement und gegebenenfalls auch weitere Antriebselemente vorgesehen sein können. Das erste Antriebselement 108 weist zwischen dem ersten Innenelement 110 und dem ersten Außenelement 111 Piezo-Kristalle 136 auf. Das zweite Antriebselement 109 weist zwischen dem zweiten Innenelement 110 und dem zweiten Außenelement 111 ebenfalls Piezo-Kristalle 136 auf. Die Piezo-Kristalle 136 können hier einen Längs-Effekt aufweisen, so dass eine in der dritten Erstreckungsrichtung 107 an die Piezo-Kristalle 136 angelegte Spannung zu einer Streckung oder Stauchung der Piezo-Kristalle 136 in der dritten Erstreckungsrichtung 107 führt. 13 shows a cross section through another microelectromechanical actuator structure 100, which again has a microelectromechanical chip 101, a chip frame 102, a drive plate 103 and a drive structure 104. The drive structure 104 again has a first drive element 108 and a second drive element 109, wherein a third drive element and possibly also further drive elements can also be provided analogously. The first drive element 108 has piezo crystals 136 between the first inner element 110 and the first outer element 111. The second drive element 109 also has piezo crystals 136 between the second inner element 110 and the second outer element 111. The piezo crystals 136 can have a longitudinal effect here, so that a voltage applied to the piezo crystals 136 in the third extension direction 107 leads to an extension or compression of the piezo crystals 136 in the third extension direction 107.

Neben elektrostatischen Antriebselementen 108, 109, 120, 130 der 3 bis 11 und piezoelektrischen Antriebselementen 109, 109, 120 der 12 und 13 sind auch weitere Antriebselemente denkbar. Dabei kann vorgesehen sein, dass alle elektrostatischen Antriebselemente mit einer identischen Spannung beaufschlagt werden beziehungsweise alle piezoelektrischen Antriebselemente mit einer identischen Spannung beaufschlagt werden, so dass alle Antriebselemente eine identische Auslenkung aufweisen.In addition to electrostatic drive elements 108, 109, 120, 130 of the 3 to 11 and piezoelectric drive elements 109, 109, 120 of the 12 and 13 Other drive elements are also conceivable. It can be provided that all electrostatic drive elements are subjected to an identical voltage or all piezoelectric drive elements are subjected to an identical voltage so that all drive elements have an identical deflection.

In allen Ausführungsbeispielen der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur 100 kann vorgesehen sein, dass die Antriebsplatte 103 gegenüber dem Chiprahmen 102 in der dritten Erstreckungsrichtung 107 weiter bewegt werden kann als die dritte Abmessung beträgt. Insbesondere kann dies durch eine Anzahl der Antriebselemente 108, 109, 120, 130 beeinflusst sein.In all embodiments of the microelectromechanical actuator structure 100, it can be provided that the drive plate 103 can be moved further in the third extension direction 107 relative to the chip frame 102 than the third dimension. In particular, this can be influenced by a number of drive elements 108, 109, 120, 130.

14 zeigt ein weiteres Bauelement 1, das als Ventil 3 ausgestaltet ist, und das ebenfalls eine mikroelektromechanische Aktuatorstruktur 100 aufweist, die den bereits beschriebenen mikroelektromechanischen Aktuatorstrukturen 100 entsprechen kann. Das Ventil 3 weist ein Ventilgehäuse 3 auf, in dem die mikroelektromechanische Aktuatorstruktur 100 angeordnet ist. Das Ventilgehäuse 31 weist einen Ventileinlass 32 und einen Ventilauslass 33 auf. Als Nutzelement 6 ist ein Ventilverschluss 34 vorgesehen, der den Ventileinlass 32 verschließen kann. Mittels der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur 100 kann der Ventilverschluss 34 bewegt werden, so dass dann das Ventil 3 geöffnet sein kann. Der mikroelektromechanische Chip 101 der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur 100 ist mit Bonddrähten 35 kontaktiert. 14 shows a further component 1, which is designed as a valve 3, and which also has a microelectromechanical actuator structure 100, which can correspond to the microelectromechanical actuator structures 100 already described. The valve 3 has a valve housing 3 in which the microelectromechanical actuator structure 100 is arranged. The valve housing 31 has a valve inlet 32 and a valve outlet 33. A valve closure 34 is provided as the useful element 6, which can close the valve inlet 32. The valve closure 34 can be moved by means of the microelectromechanical actuator structure 100, so that the valve 3 can then be opened. The microelectromechanical chip 101 of the microelectromechanical actuator structure 100 is contacted with bonding wires 35.

15 zeigt ein weiteres Bauelement 1, das als Pumpe 4 ausgestaltet ist, und das ebenfalls eine mikroelektromechanische Aktuatorstruktur 100 aufweist, die den bereits beschriebenen mikroelektromechanischen Aktuatorstrukturen 100 entsprechen kann. Die Pumpe 4 weist ein Pumpengehäuse 41 mit einem Einlassventil 42 und einem Auslassventil 43 auf. Ferner ist ein mit der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur 100 antreibbarer Pumpenkolben 44 als Nutzelement 6 vorgesehen. Wird der Pumpenkolben 44 nach unten bewegt, kann ein Fluid über das Einlassventil 42 einströmen und das Auslassventil 43 sperrt. Wird der Pumpenkolben 44 oben unten bewegt, sperrt das Einlassventil 42 und das Fluid kann über das Auslassventil 43 ausströmen. Der mikroelektromechanische Chip 101 der mikroelektromechanischen Aktuatorstruktur 100 ist mit Bonddrähten 45 kontaktiert. 15 shows a further component 1, which is designed as a pump 4 and which also has a microelectromechanical actuator structure 100, which can correspond to the microelectromechanical actuator structures 100 already described. The pump 4 has a pump housing 41 with an inlet valve 42 and an outlet valve 43. Furthermore, a pump piston 44 that can be driven with the microelectromechanical actuator structure 100 is provided as a useful element 6. If the pump piston 44 is moved downwards, a fluid can flow in via the inlet valve 42 and the outlet valve 43 closes. If the pump piston 44 is moved up or down, the inlet valve 42 closes and the fluid can flow out via the outlet valve 43. The microelectromechanical chip 101 of the microelectromechanical actuator structure 100 is contacted with bonding wires 45.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen hieraus können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been described in detail by means of the preferred embodiments, the invention is not limited to the disclosed examples and other variations may be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2021297787 A1 [0002]

Claims

Microelectromechanical actuator structure (100), comprising a microelectromechanical chip (101) with a chip frame (102), a drive plate (103) and a drive structure (103) arranged within the chip frame (102), wherein the drive structure (103) has a first dimension in a first extension direction (105) and a second dimension in a second extension direction (106), wherein the first dimension is greater than a third dimension of the drive structure (103) in a third extension direction (107), wherein the second dimension is greater than the third dimension, wherein the drive structure (103) has at least a first drive element (108) and a second drive element (109), wherein the first drive element (108) has a first inner element (110) and a first outer element (111), wherein the first outer element (111) is connected to the chip frame (102), wherein the first inner element (110) is movable relative to the first outer element (111) parallel to the third extension direction (107), wherein the second drive element (109) has a second inner element (112) and a second outer element (113), wherein the second inner element (112) is connected to the drive plate (103), wherein the second inner element (112) is movable relative to the second outer element (113) parallel to the third extension direction (107), wherein the first inner element (110) is connected to the second outer element (113).

Microelectromechanical actuator structure (100) according to claim 1 , wherein the first inner element (110) is connected to the second outer element (113) via a third drive element (120), wherein the third drive element (120) has a third inner element (121) and a third outer element (122), wherein the third outer element (122) is connected to the first inner element (110) and the third inner element (121) is connected to the second outer element (113), wherein the third inner element (121) is movable relative to the third outer element (122) parallel to the third extension direction (107).

Microelectromechanical actuator structure (100) according to claim 1 or 2 , wherein the drive plate (103) can be moved relative to the chip frame (102) in the third extension direction (107) further than the third dimension.

Microelectromechanical actuator structure (100) according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the drive elements (108, 109, 120) are electrostatic.

Microelectromechanical actuator structure (100) according to one of the Claims 1 until 4 , wherein the drive elements (108, 109, 120) are piezoelectric.

Microelectromechanical actuator structure (100) according to one of the Claims 1 until 5 , wherein the first outer element (111) is connected to the first inner element (110) via a first spring (123), wherein the second outer element (113) is connected to the second inner element (112) via a second spring (124).

Microelectromechanical actuator structure (100) according to one of the Claims 1 until 6 , wherein a piston (129) is attached to the drive plate (103), wherein the piston can be attached to a payload.

Microelectromechanical actuator structure (100) according to one of the Claims 1 until 7 , wherein the drive plate (103) has at least one through opening (127).

Component (1, 2, 3, 4) with a microelectromechanical drive structure (103) according to one of the Claims 1 until 8 , further comprising a useful element (6), wherein the useful element (6) is connected to the drive plate (103).

Component (1, 2, 3, 4) according to claim 9 , wherein the useful element (6) is a loudspeaker membrane or a pump piston or a valve membrane.