MEMS执行器和用于运行MEMS执行器的方法与流程

本发明涉及mems换能器(mems：mikroelektromechanisches system，微机械系统，mikrosystem，微系统)、尤其是mems执行器。此外，本发明涉及一种用于运行mems执行器的方法。

背景技术：

1、在市场上可得的许多电子产品、尤其是日常生活所需的电子产品依赖于适合的传感器或执行器，用以实施其功能。微型化的全球趋势要求采用新的生产方法，尤其是始终存在对如下传感器或执行器的需求：所述传感器或执行器在例如结构尺寸、灵敏度、能量消耗、力和/或振幅方面可以满足日益增长的要求。近年来，用于多种应用情况的mems技术已被证明是一种大有前途的用于制造这样的微型化的系统、传感器和执行器的关键技术。

2、因此，例如，us10,457,544b2描述一种mems换能器，其尤其用于与流体的体积流相互作用。mems换能器包括能够横向变形的元件，其中，元件沿着横向运动方向的变形与流体的体积流具有因果关系。

3、然而，可以产生具有高振幅和/或高力作用的偏移的mems执行器的制造始终仍然是一种挑战。

技术实现思路

1、本发明的任务在于，给出一种具有改进的作用原理的mems执行器，该作用原理要求能够产生具有高振幅的偏移。

2、上述任务通过根据本发明的主题来解决。本发明的有利的构型方案在下面给出。

3、mems执行器包括在主延伸平面中面状地构造的、能够弹性变形的至少一个弹簧元件和至少一个平面的驱动器，该平面的驱动器设立为用于，在主延伸平面中横向地压缩弹簧元件。该弹簧元件尤其在如下意义上是面状的：该弹簧元件在主延伸平面中的尺寸大于该弹簧元件的垂直于主延伸平面的尺寸。弹簧元件构造为用于，在横向压缩的情况下至少局部地尤其凸状地或者凹状地在垂直于主延伸平面的方向上拱曲，更确切地说这样构造，使得在主延伸平面中的横向压缩引起该弹簧元件的垂直于主延伸平面的偏移，该偏移相对于横向压缩增大。

4、在此所提出的执行器原理利用能够弹性变形的弹簧元件，以便将横向压缩转换为与此垂直的偏移。该原理的优点在于，相对小的横向压缩可以根据弹簧元件的尺寸引起在垂直于主延伸平面的方向上的明显增大的偏移。在该意义上，弹簧元件用作一种微机械传动装置，该微机械传动装置构造为用于，也借助驱动器类型实现高偏移，所述高偏移本身可以产生在横向方向上的小的移动路程。一种应用尤其适合与平面的驱动器相结合，所述平面的驱动器构造为用于在小的横向运动的情况下产生高的力，这借助弹簧元件相应地被转换为具有较大振幅的、垂直于主延伸平面的偏移。

5、在本说明书的框架中，横向压缩尤其被理解为在主延伸平面中对弹簧元件的力影响，在该力影响的情况下，弹簧元件的至少两个对置的端部或者区段横向地在主延伸平面内朝向彼此运动，其中，在弹簧元件的位于所述端部或者区段之间的区域构造凸状的或者凹状的拱曲。为了构造该压缩，在构型中尤其可以设置，在空间上固定所述端部或者区段中的一个端部或者区段。替代于此地，弹簧元件的至少两个对置的端部或者区段以可运动的方式受到支承。

6、在此提出的驱动概念能够实现，成熟的横向驱动概念可以用于垂直的偏移。尤其是，现有的执行器原理的移动路程可以成倍增加，在该意义上，弹簧元件提供一种机械放大系数。弹簧元件可以设有不同结构，这在整体上能够实现所提出的驱动概念在不同领域中的应用。尤其是，能够实现具有高填充系数的微机电阵列的制造。

7、优选地，mems执行器用于提供微光学阵列、光学交换机、光学转接设备(optischenweichen)、光学分路器(splitter)或者微机电扬声器。

8、在构型中，弹簧元件设立为用于，生成和/或影响流体的垂直于主延伸平面的体积流。例如，mems执行器设立为用于，改变体积流或者尤其生成声波。所提出的驱动概念特别适合用于制造具有高振幅或音量的mems扬声器。

9、由弹簧元件提供的机械放大系数可以通过该弹簧元件在主延伸平面中的长度来调设。尤其是，如果弹簧元件明显比横向压缩长，则可以将该横向压缩转换为在弹簧元件的中央区域中的明显更大的、尤其是竖直的偏移。例如，借助在主延伸平面中的1μm的压缩和大约～100μm长的弹簧元件能够实现垂直于主延伸平面的、大约～4μm的偏移。在有利的构型中，弹簧元件具有这样的尺寸，使得偏移与横向压缩的比例是至少一个为1.5或者更大的系数、优选大约为4的系数。

10、弹簧元件的弹簧常数可以通过弹簧厚度、弹簧宽度、弹簧材料、弹簧设计或者相似特性尤其特定于应用地根据需要来调设或预给定。优选地，弹簧元件由单晶材料、特别优选地由单晶硅构成。

11、平面的驱动器可以尤其借助已知的且成熟的微机械制造方法来制造。在有利的构型中，平面的驱动器构造为单向的或者多向的平面的驱动器。平面的驱动器例如是压电驱动器或者静电驱动器、尤其是静电梳状驱动器。与静电驱动器相结合地优选设置，平面的驱动器的至少一个可运动的电极构造在弹簧元件上。

12、在构型中，平面的驱动器构造为用于，使弹簧元件从基本上平坦的静止位态中偏移和/或返回到静止位态中。在平面的驱动器不构造为用于使弹簧元件返回到静止位态中的构型中，该弹簧元件优选如此构造，使得该弹簧元件独立地基于其自身应力返回到静止位态中。

13、弹簧元件能够从基本上平坦的静止位态中偏移的说法尤其应包含有如下情况：在该情况中，弹簧元件关于主延伸平面具有轻微的弯曲和/或是预张紧的。这种类型的不明显的弯曲尤其用于，减少使弹簧元件从静止位态中偏移所需要的惯性力耗费。这可以在构型中尤其借助预应力、即到弹簧元件上的力施加或者借助处在压应力下的涂层实现。

14、有利地，平面的驱动器布置在mems执行器的功能层中，该功能层至少局部地被弹簧元件遮盖，以便以优化的方式利用所提供的衬底面。特别优选地设置，将该平面的驱动器完全地布置在功能层的被弹簧元件遮盖的区域中。在mems执行器作为mems扬声器的扩展方案中，例如设置为，将弹簧元件用作用于产生声的膜片或者将为此所设置的膜片布置在弹簧元件上。

15、在构型中，在弹簧元件上设置支柱(stempel)，该支柱承载面元件。支柱这样紧固在弹簧元件上，使得面元件在垂直于主延伸方向的竖直方向上的位置和/或面元件关于竖直方向的取向根据横向压缩变化。为此，支柱例如布置在弹簧元件的中央区域中，在从静止位置中偏移时，所述中央区域基本上线性地沿着垂直主延伸平面的方向运动。在替代的构型中，支柱非中央地布置在弹簧元件上，使得弹簧元件从静止位置中的偏移引起支柱的倾斜、尤其是围绕垂直于横向压缩的轴线的倾斜。

16、在有利的构型中，面元件构造为微镜、尤其是微光学阵列的微镜，或者构造为膜片、尤其是mems扬声器阵列的膜片。

17、平面的驱动器在构型中布置在功能层中，该功能层至少局部地被面元件遮盖。特别优选地设置为，将平面的驱动器完全地布置在功能层的被面元件覆盖的区域中，以便尤其提供具有高填充系数的微机电执行器阵列或扬声器阵列。在这种类型的mems扬声器中，膜片优选放置在平面的驱动器上方，以便将整个芯片面用于产生声。在此，在垂直于弹簧元件的主延伸平面的竖直方向上生成声波。

18、在用于运行mems执行器、尤其是上文已经描述的mems执行器的方法中，使在主延伸平面中面状地构造的、能够弹性变形的弹簧元件借助至少一个平面的驱动器在主延伸平面中横向地压缩。在主延伸平面中的横向压缩产生弹簧元件的垂直于主延伸平面的偏移，该偏移相对于横向压缩增大。例如，弹簧元件在横向压缩的情况下至少局部地尤其凹状地或者凸状地在垂直于主延伸平面的方向上拱曲。

19、根据本发明的方法的优点和作用方式直接从参照mems执行器的至此的和随后的描述中得出，尤其是，在此提出的方法适合用于将相对较小的横向压缩转换为在垂直于主延伸平面的方向上的增大的偏移。这尤其在构型中能够实现具有高振幅的mems扬声器的构造。