DE19523886C2 - Mikro-Schwenk-Aktuator - Google Patents

Mikro-Schwenk-Aktuator

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DE19523886C2 DE1995123886 DE19523886A DE19523886C2 DE 19523886 C2 DE19523886 C2 DE 19523886C2 DE 1995123886 DE1995123886 DE 1995123886 DE 19523886 A DE19523886 A DE 19523886A DE 19523886 C2 DE19523886 C2 DE 19523886C2
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    • G02B26/0841Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting element being moved or deformed by electrostatic means

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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