DE19523886C2 - Mikro-Schwenk-Aktuator - Google Patents
Mikro-Schwenk-AktuatorInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Mikro-Schwenk-Aktuator. DOLLAR A Eine Aufteilung der gesamten Schwenkfläche in einzelne parallel zueinander angeordnete, bewegliche und einstückig bandförmig ausgebildete Elektroden führt zu einer besseren Dynamik der Stellvorgänge. Je schmaler diese gestaltet werden, um so größere Ablenkwinkel beim Einsatz als Spiegel sind dabei realisierbar. Stützelemente in Form von Pfeilern und entsprechend ausgestaltete Federn in den parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten Elektroden verhindern ein starkes Durchbiegen dieser. Eine analoge Arbeitsweise ist gegeben, so daß beliebige Punkte einer Auftrefffläche erreicht werden können. DOLLAR A Der Mikro-Schwenk-Aktuator wird über eine aufeinanderfolgende Montage der Einzelteile montiert. Die Einzelteile selbst werden durch den Einsatz von Subtraktiv- oder Additivverfahren der Mikroelektronik hergestellt.
Description
Die Erfindung betrifft einen Mikro-Schwenk-Aktuator.
Schwenkbare Spiegelanordnungen sind in vielfältiger Form
bereits bekannt.
In der DE 42 24 599 wird eine elektrostatische Ablenkeinheit
beschrieben. Grundlage bildet ein plättchenförmiges schwenk
bares Element, welches durch die Realisierung in einer Sand
wich-Struktur oder durch Ausnehmungen zwischen verbleibenden
stegartigen Bereichen in seiner Masse verringert wurde. Die
Aufhängung erfolgt über zwei an diagonal gegenüberliegenden
Ecken angebrachte Biegebalken. Gehalten wird dieses Element
in einem Rahmen.
Eine weitere Lösung enthält die aus der DD 298 856 bekannte zweidimensionale
mikromechanische Bewegungseinrichtung. Die Drehplatte wird
dabei mittig auf einer Spitze, die sich auf der Grundplatte
befindet, gelagert und über vier Federelemente im Ausgangs
zustand parallel zur Grundplatte gehalten. Die gesamte Ein
richtung ist ebenfalls in einem Rahmen angeordnet.
Diese Lösungen beinhalten Einzelkippvorrichtungen, die damit
in ihrer Anwendung durch die festgelegte Kippfläche begrenzt
sind. Weiterhin erfolgt das Kippen einer relativ großen Fläche,
so daß eine weitere Einschränkung in der Dynamik gegeben
ist.
Die EP 0 040 302 enthält eine optische Strahlablenkungseinheit.
Hierbei wird eine plättchenförmige Ablenkeinheit, die aus
Silizium gefertigt ist, über zwei einseitige Drehfedern
elektrostatisch gegenüber einer Grundplatte gekippt. Weiterhin
werden parallele oder nichtparallele Mehrfachanordnungen
dieser plättchenförmigen Ablenkeinheit vorgestellt. Diese
werden dabei einzeln von Rahmen eng umschlossen.
Der Nachteil liegt hierbei ebenfalls in der großflächigen
Realisierung einer Kippvorrichtung. Damit ergeben sich
Einschränkungen bei der Dynamik.
Segmentierte Spiegelflächen sind in den nachfolgenden Schriften
zu finden.
Die Druckschrift EP 0 463 348 beschreibt einen bistabilen DMD-
Ansteuerschaltkreis und ein dazugehöriges Ansteuerverfahren.
Grundlage dieser Lösung ist ein Träger mit mehreren parallel
zueinander angeordneten, beweglichen Elektroden, in die eine
Schwenk-Lagerstelle integriert ist. Weiterhin sind Stützelemen
te entsprechend der Anzahl und der Lage der Schwenk-Lagerstel
len vorhanden, die miteinander fest verbunden sind. Um eine
Kippbewegung der Elektroden zu erreichen befinden sich korres
pondierend dazu Elektroden fest auf dem Träger.
Dabei handelt es sich um Elektroden mit annähernd quadratischer
Fläche, die parallel zueinander angeordnet eine Spiegelfläche
bilden und bei denen eine Schwenk-Lagerstelle in die Elektrode
integriert ist.
In der Druckschrift EP 0 469 293 wird eine mehrschichtige ver
formbare Spiegelstruktur aufgeführt. Diese unterscheidet sich
in der Art der Aufhängung der Einzelspiegel von der oben be
schriebenen Variante. Dazu sind die parallel zueinander ange
ordneten Einzelspiegel ähnlich der Einzellösung der DE 42 24 599
an zwei sich gegenüberliegenden Ecken über einen Biegebal
ken mit den Stützelementen verbunden.
Weitere Lösungen mit einer Aufteilung der Spiegelfläche in
Einzelspiegel sind in MERKLE, Fritz: Adaptive Optik. IN: Physik
in unserer Zeit, 22. Jg., 1991, Nr. 6, S. 260-266 und in der DE
30 13 163 aufgeführt.
Diese Lösungen beinhalten Elektroden als Einzelspiegel mit an
nähernd quadratischer Grundfläche, die entweder eine zentrale
Schwenk-Lagerstelle besitzen oder an zwei Biegebalken aufge
hängt sind. Damit besitzen diese Lösungen den Nachteil einer
großen Masse und einem großen Massenträgheitsmoment bezogen auf
die geometrische Achse.
Die Veröffentlichung "Digitales Spiegelarray für TV", Michael
A. Mignardi, Solid State Technology, Juli 1994, S. 63 bis
66 enthält ebenfalls eine Mehrfachspiegelanordnung, wobei
die Einzelspiegel diagonal an zwei Ecken an Pfeilern aufgehängt
sind. Die Einzelspiegel kippen über die Diagonale wie in
der DE 42 24 599.
Diese Lösung ist nur für eine Punktdarstellung geeignet.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung
liegt das Problem zugrunde, die Dynamik einer in Elektroden aufgeteilten Schwenkfläche
zu erhöhen und gleichzeitig einen kompakten
Multifunktionsblock zu schaffen.
Dieses Problem wird mit den im Patentanspruch 1
aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß durch eine Aufteilung der gesamten Schwenkfläche
in einzelne parallel zueinander angeordnete, bandförmige
und bewegliche Elektroden die Dynamik der Stellvorgänge durch
die geringeren Massen und damit des geringeren Massenträg
heitsmomentes bezogen auf die geometrische Achse wesentlich
erhöht werden kann. Pro parallel zueinander angeordneter, beweglicher und einstückig bandförmig ausgebildeter Elektrode
sind damit weiterhin geringere Feldstärken zur Bewegung
notwendig. Mit der Anordnung von Elektroden, die als Gegen
elektroden wirken, sowohl auf dem Grundkörper als auch auf
der Deckplatte können die notwendigen Verstellkräfte und
damit die notwendigen Felder für eine Bewegung weiter reduziert
werden.
Durch den Einsatz von Stützelementen wird eine Durchbiegung
und damit eine Verfälschung des Stellergebnisses weitestgehend
verhindert.
Die einzelnen parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten Elektroden können
unabhängig voneinander bewegt werden, so daß bei einer Gestaltung
dieser als Spiegel der
reflektierte Strahl nicht nur abgelenkt, sondern auch fokussiert
oder aufgeweitet werden kann. Mit dem Einsatz schmaler Spiegel
flächen als parallel zueinander angeordnete, bewegliche und einstückig bandförmig ausgebildete Elektrode sind größere
Ablenkwinkel als beim Einsatz großflächiger Kippspiegel bei
gleichem Abstand Spiegelunterkante zu Grundkörper realisierbar.
Je schmaler diese dabei gestaltet
werden, um so größere Ablenkwinkel sind realisierbar.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß diese Anordnung für
eine analoge Arbeitsweise durch die geringen notwendigen
Verstellkräfte der einzelnen parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten
Elektroden geeignet ist und damit beliebige Punkte einer
Auftreffläche erreicht werden können.
Die einzelnen Bestandteile sind durch den Einsatz geeigneter
Kleber miteinander verbunden. Die Elektroden, Pfeiler und Pads
der Deckplatte und/oder des Grundkörpers werden mittels
bekannter Substraktiv oder Additivtechniken, wie sie in der
Mikroelektronik eingesetzt werden, hergestellt. Der aus
Silizium bestehende Träger mit den bandförmig parallel
zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig
ausgebildeten Elektroden wird durch den Einsatz von bekannten
fotolithografischen Strukturverfahren in Verbindung mit
Ätztechniken gefertigt.
Mit der Anordnung mehrerer Mikro-Schwenk-Aktuatoren in einer
Zeile oder Matrix ist ein großflächiges Ablenken von Strahlen,
verbunden mit einer hohen Dynamik, möglich.
Damit ergeben sich besondere Anwendungsgebiete in der
Projektionstechnik, bei der Realisierung von Displays, in
der Interferometrie und für den Einsatz in Scannern, Plottern
und Laserdruckern.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent
ansprüchen 2 bis 10 angegeben.
Durch den Einsatz von Rahmen jeweils zwischen Träger und
Grundplatte und Träger und Deckplatte nach der Weiterbildung
des Patentanspruchs 2 ergibt sich eine leichtere Realisierung
der einzelnen Bestandteile.
Mit dem Einsatz von verschieden gestalteten Federn nach den
Weiterbildungen der Patentansprüche 3 bis 6 sind die Bewegungen
der parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten Elektroden zu realisieren. Der Einsatz einer
einseitigen Drehfeder nach der Weiterbildung des Patentanspruchs
4 führt zu einer Schwenk-Lagerstelle, die mit geringstem
Kraftaufwand eine Bewegung einer derartigen Elektrode zuläßt.
Die Weiterbildungen nach den Patentansprüchen 7 bis 10 zeigen
funktionale Realisierungsvarianten auf. Durch den Einsatz
von entspiegelndem Glas ist der Einsatz als Ablenkspiegeleinheit
gegeben. Mit Verwendung von einkristallinem Silizium für
die beweglichen Elektroden können die bekannten und bewährten
Verfahren der Mikroelektronik angewandt werden. Gleichzeitig
wird eine große Standzeit der Federn erreicht.
Eine funktionale Montage sichert die Realisierung nach der
Weiterbildung des Patentanspruchs 9.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 Mikro-Schwenk-Aktuator,
Fig. 2 Prinzipdarstellung der parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten
Elektroden,
Fig. 3 Träger mit den parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten Elektroden,
und
Fig. 4 Varianten von Schwenk-Lagerstellen.
Den prizipiellen Aufbau des Mikro-Schwenk-Aktuators zeigt
die Fig. 1. Ein Schnitt im Gesamtaufbau zeigt die Lage der
parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten Elektroden 2, wobei der Träger
1 aufgeschnitten dargestellt ist.
Basis des gesamten Aufbaus bildet der Grundkörper 4. Auf
diesem sind Elektroden 9, Stützelemente in Form von Pfeilern
7 und Pads 8, die elektrisch leitend mit den Elektroden 9
verbunden sind, angeordnet.
Die Pads 8 dienen der Kontaktierung des gesamten Mikro-
Schwenk-Aktuators.
Diese Strukturen können sowohl additiv als auch subtraktiv
aufgebracht werden. Die Anzahl der Elektroden 9 entspricht
dabei der Anzahl der parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten Elektroden
2 im Verhältnis 2 zu 1. Die Pfeiler 7 befinden sich zwischen
den Elektroden 9. Auf dem Grundkörper 4 ist mindestens ein
Rahmen 3 angeordnet, der den Träger 1 mit den parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig
ausgebildeten Elektroden 2 trägt und aus einem elektrisch
nichtleitenden Material besteht. Die Höhe der Pfeiler 7 auf
dem Grundkörper 4 bestimmt den Ablenkwinkel. Danach richten
sich die Dicken der Rahmen 3. Die parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten
Elektroden 2 sind über einseitige Drehfedern 12 entsprechend
der Darstellung in der Fig. 2 mit dem Träger 1 verbunden.
Weiterhin weisen diese in Längsrichtung weitere Federn, deren
Zentren fest mit den Pfeilern 7 verbunden sind, auf. In den
Fig. 1 bis 3 sind die, die parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten
Elektroden 2 am Träger 1 haltenden einseitigen und die in
Längsrichtung vorhandenen doppelseitigen Drehfedern 11
dargestellt. Diese Anordnung in Verbindung mit den abstützende
Pfeilern 7 auf dem Grundkörper 4 verhindert weitestgehend
ein Durchbiegen der parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten Elektroden
2, so daß eine Verfälschung von reflektierten Lichtstrahlen
beim Einsatz als Ablenkspiegel weitestgehend vermieden wird.
Der Träger 1 einschließlich der parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten
Elektroden 2 besteht aus Silizium, so daß eine Herstellung
mit den Verfahren der Mikroelektronik leicht zu realisieren
ist.
Die Elektroden 9 auf dem Grundkörper 4 und die parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig
ausgebildeten Elektroden 2 sind so angeordnet, daß diese
parallel verlaufen. Werden diese mit einer elektrischen Spannung
beaufschlagt, werden die parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten Elektroden
2 durch die sich damit aufbauenden elektrostatischen Kräfte
je nach Polarität angezogen.
Alle eingesetzten Elektroden 2 und 9 sind mit einer elektrischen
Isolierschicht überzogen. Damit können keine elektrischen
Kurzschlüsse zwischen den parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten Elektroden
2 und den Elektroden 9 auf dem Grundkörper 4 bei einer Berührung
auftreten. Das Nichtberühren wird zweckmäßigerweise durch
die Anordnung von Anschlägen 13, die elektrisch nicht leitend
sind und die Höhe der Elektroden 9 überragen, auf dem Grundkörper
4 und der Deckplatte 5 unterstützt.
Über dem Träger 1 ist mindestens ein weiterer Rahmen 3, der
ebenfalls aus einem elektrisch nichtleitenden Material besteht,
angeordnet, so daß eine freie Kippbewegung der parallel zueinander angeordneten,
beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten
Elektroden 2 möglich ist. Abgeschlossen wird
der Mikro-Schwenk-Aktuator durch die Deckplatte 5, die aus
einem lichtdurchlässigen und entspiegelten Material besteht.
Besitzen die parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten Elektroden 2 eine
verspiegelte Oberfläche, entsteht damit ein dynamischer
Ablenkspiegel.
Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch verschiedene
Ausführungsformen von einzelnen Bauteilen.
Eine Auswahl von möglichen Gestaltungsformen der Federn zeigt
die Fig. 4. Diese können in Form von einseitigen 12 (Fig.
4b) und doppelseitigen 11 (Fig. 4a) Drehfedern, einfachen
(Fig. 4d) und doppelten (Fig. 4c) Biegefedern und Membran-,
Spiral- oder Kreuzfedern (schematisch in der Fig. 4e darge
stellt) realisiert werden. Als günstigste Varianten erweisen
sich die einseitigen Drehfedern, die einseitigen Biegefedern
oder die Spiralfedern, da dabei nur ein Biegebalken vorhanden
ist.
Claims (10)
1. Mikro-Schwenk-Aktuator, mit
einem Träger (1) mit mehreren parallel zueinander angeordneten, beweglichen Elektroden
(2), in die jeweils mindestens
eine Schwenk-Lagerstelle (10) integriert ist, wobei der
Träger (1) auf einem Grundkörper (4) angeordnet ist, der
Stützelemente (7) entsprechend der Anzahl und der
Lage der Schwenk-Lagerstellen (10) aufweist, und diese Stützelemente (7)
mit den Zentren des Schwenk-Lagerstellen (10) fest verbunden
sind, der weiterhin
korrespondierend zu den parallel zueinander angeordneten, beweglichen Elektroden
(2) angeordnete Elektroden (9) aufweist, die mit elektrischen Isolations
schichten versehen sind und neben den Elektroden (9)
auf dem Grundkörper (4) Anschläge
(13), die elektrisch nicht leitend sind und die Höhe der
Elektroden (9) übertragen sowie
Pads (8), die mit den
Elektroden (9) und dem Träger (1) elektrisch verbunden und
von außen frei zugänglich sind, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel
zueinander angeordneten, beweglichen Elektro
den (2) einstückig bandförmig ausgebildet
und von einer Deckplatte (5) aus licht
durchlässigem und entspiegeltem Material über
deckt sind.
2. Mikro-Schwenk-Aktuator nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Rahmen (3) zwischen dem Träger
(1) und dem Grundkörper (4) oder der Deckplatte (5) angeordnet
ist.
3. Mikro-Schwenk-Aktuator nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwenk-Lagerstellen (10) als Federn (6)
ausgebildet sind.
4. Mikro-Schwenk-Aktuator nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Federn (6) in Richtung der Drehachse der parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig
bandförmig ausgebildeten Elektroden (2) mit den Stützelemen
ten (7) verbundene, mindestens
einseitige (12) und bezüglich der Stützelemente (7) wechselseitig
angeordnete oder doppelseitige Drehfedern (11) sind.
5. Mikro-Schwenk-Aktuator nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Federn (6) einfache oder doppelte sich quer zur
Drehachse der parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig ausgebildeten Elektroden (2) erstreckende
Biegefedern sind.
6. Mikro-Schwenk-Aktuator nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Federn (6) als Membran-, Spiral- oder Kreuz
federn ausgebildet sind.
7. Mikro-Schwenk-Aktuator nach den Patentansprüchen 1 und
3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (4) und/oder
die Deckplatte (5) aus Glas und die parallel zueinander angeordneten, beweglichen und einstückig bandförmig
ausgebildeten Elektroden (2) und die Federn (6)
aus einkristallinem Silizium bestehen.
8. Mikro-Schwenk-Aktuator nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Grundkörper (4) und/oder die Deckplatte
(5) mit entspiegelnden Schichten bedeckt sind.
9. Mikro-Schwenk-Aktuator nach Patentansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1), der mindestens eine Rahmen (3),
die Deckplatte (5) und der Grundkörper (4) korrespondierende
Aussparungen und/oder Formteile aufweisen.
10. Mikro-Schwenk-Aktuator nach einem der Patentansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) rahmenförmig
ausgebildet ist und Quertraversen enthält.
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |