DE10027354C2 - Aktorarray mit fluidischem Antrieb, Blindenschriftdisplay, flächenhaftes elektrisches 2D-Relais, Ventilarray und Spiegelarray mit derartigem Aktorarray sowie Verfahren zur Herstellung einer Aktorplatte zur Verwendung für ein derartiges Aktorarray - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aktorarray mit fluidischen Antrieb, und insbesondere ein Blindenschriftdisplay, ein hochpoliges elektrisches 2D-Relais, ein Ventilarray, ein Spiegelarray, jeweils mit fluidischen Antrieb, eine Aktorplatte und ein Verfahren zu deren Herstellung.

In der Mikrotechnik werden eine Vielzahl verschiedener Aktorprinzipien angewandt. Beispielsweise sind Aktoren auf Siliziumtechnik bekannt, die sowohl rotatorische als auch translatorisch mechanische Energie zur Verfügung stellen. Derartige Aktoren stellen jedoch nur eine äußerst geringe Arbeit je Hub- bzw. Umdrehung zur Verfügung und besitzen außerdem nur eine äußerst begrenzte Lebensdauer. Membranen mit nicht-flexiblen inneren Bereichen sind aus DE 93 20 965 U1 bekannt, und DE 42 27 998 A1 beschreibt eine fluidische Aktoranordnung mit einer derartigen Membran.

Mikrofluidische Aktoren mit einer Entkopplung der krafterzeugenden Quelle von dem Wirkort der Aktoren sind beispielsweise aus der US 5222895 bekannt, die ein Blindenschriftarray vorschlägt, das aus einer Vielzahl von flächenhaft angeordneten Druckkammern besteht, die mit einer Flüssigkeit gefüllt sind und von einer elastischen Membran abgedeckt sind. Ein Querschnitt einer Druckkammer des aus der US 5 222 895 bekannten Blindenschriftarrays ist in Fig. 1a und b dargestellt. Die Druckkammer D ist von einer elastischen Membran M abgedeckt, und bei einer Druckänderung der Flüssigkeit F in der Druckkammer D wölbt sich die Membran M entsprechend nach oben bzw. nach unten. Hierdurch wird zwar eine Auslenkung erzielt, die jedoch aufgrund der elastischen Eigenschaften der Membran M immer einen kreisbogenförmigen Querschnitt hat, der auch für die Anwendung als taktiles Blindenschriftarray nachteilig ist. In der US 5 222 895 wurde daher versucht den Nachteil der Auslenkung mit ovalem bzw. kreisbogenförmigem Querschnitt der Membran M zu beheben, und es wurden aufwendige weitere mechanische Vorkehrungen vorgesehen, die oberhalb der Membran angeordnet wurden, wie in Fig. 1b dargestellt ist. Mittels dem Stift S, der Feder Fe und der Grundplatte G, die oberhalb der Membran in einer zylindrischen Stiftführung angeordnet sind, ist es zwar möglich die Aufwölbung der Membran M in eine translatorische Bewegung des Stiftes S zu überführen; diese Vorkehrungen sind jedoch nur unter einem erheblichen Aufwand und mit entsprechenden Kosten durchführbar und mittels kostensparender mikrotechnischer Verfahren nicht zu realisieren, wodurch insbesondere Serienfertigung nur unter unverhältnismäßigem Aufwand möglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein kostengünstiges Aktorarray mit fluidischem Antrieb bereitzustellen, das eine zielgenaue translatorische Auslenkung eines Aktors ermöglicht, die auch für Anwendungen brauchbar ist, die eine präzise translatorische Positionsänderung des Aktors erfordern, nämlich ein Blindenschriftarray, ein hochpoliges elektrisches 2D-Relais, ein Ventilarray und ein Spiegelarray.

Die vorstehende Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1, 16, 18, 26 und 30 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind ohne jede Beschränkung in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung erwähnt, die von schematischen Zeichnungen begleitet ist.

Hierzu zeigt:

Fig. 1a und b, Querschnitte durch einen Ausschnitt eines herkömmlichen Blindenschriftarrays;

Fig. 2a und 2b eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3a und 3b eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4a und 4b vergrößerte Querschnitte eines Ausschnitts von Fig. 2b;

Fig. 5a bis 5e Abwandlungen der ersten und zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung von Fig. 2 bzw. Fig. 3;

Fig. 6a eine weitere Abwandlung der vorliegenden Erfindung von Fig. 5b anhand eines Querschnitts durch die Linie A-A von Fig. 5b;

Fig. 6b eine weitere Abwandlung der Ausführung von Fig. 6a;

Fig. 6c einen vergrößerten Ausschnitt der Ausführung von Fig. 6b;

Fig. 7 eine weitere Abwandlung der Ausführung von Fig. 6b und Schritte bei ihrer Herstellung;

Fig. 8a und 8b einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Blindenschriftdisplays;

Fig. 9a und 9b einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen elektrischen 2D-Relais,

Fig. 10a und 10b einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Ventilarrays;

Fig. 11a, b und c einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Spiegelarrays.

Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer teilflexiblen, vorteilhafterweise einstückigen Platte, die in bestimmten Bereichen durch geeignete Maßnahmen beweglich gestaltet ist und in Zwischenbereichen diese Beweglichkeit nicht aufweist. Eine hierfür erforderliche Modifikation eines Ausgangsmaterials wie einer Kunststoffolie zur lokalen mechanischen Veränderung kann durch mikrotechnische Verfahren in sehr kleinen Dimensionen in großen Flächen und zu geringen Kosten erfolgen.

Die Gestaltung kann bei Materialien mit entsprechender Flexibilität durch lokales Dünnen oder Verdicken des Materials erreicht werden. Durch die Variation der Dicke über einer Folienfläche lassen sich dann nahezu beliebige Oberflächenkonturen bei Auslenkung erzielen. Bei Materialien mit geringer Dehnfähigkeit, aber ausreichendem Elastizitätsmodul und Streckgrenze ist durch das verschachtelte Anbringen von Konturen in Oberseite und/oder Unterseite des Ausgangsmaterials, das geeigneter Weise eine Kunststoffolie sein kann, eine Art von Federausbildung möglich. Derartige bewegliche Strukturen können im Mikrobereich zwischen 10 und 10000 Mikrometer angewendet werden, wobei die Zahl der Strukturen mindestens eins ist aber bis zu einer Dichte von 10.000 Feldern/cm2 möglich ist.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend zunächst mit Bezug zu den Fig. 2a und 2b beschrieben. Die vorliegende Erfindung geht von der Überlegung aus, ein mikromechanisches Aktorarray mit fluidischem Antrieb bereitzustellen, das aus einer im wesentlichen zweidimensional ausgebildeten Aktorplatte 1 besteht, die eine Vielzahl flexible und nicht-flexible-Bereiche 2 und 3, 4 aufweist, die in Matrixanordnung angeordnet sind, wobei die Aktorplatte 1 eine Vielzahl von Druckkammern 5 eines fluidischen Antriebs abschließt, und die flexiblen Bereiche 2 durch einen ersten nichtflexiblen Bereich 3 voneinander getrennt sind, und die flexiblen Bereiche 2 wenigstens einen zweiten nicht-flexiblen Bereich 4 umgeben. Dabei schließt ein äußerer Rand der flexiblen Bereiche 2 eine erste Fläche mit einer ersten Geometrie und einem ersten Schwerpunkt S2 ein, und ein äußerer Rand des zweiten nichtflexiblem Bereichs 4 schließt eine zweite Fläche mit einer zweiten Geometrie und einem zweiten Schwerpunkt S4 ein.

Fig. 2a zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung und Fig. 2b zeigt einen Querschnitt durch die Linie A-A von Fig. 2a. Die erfindungsgemäße Aktorplatte 1 von Fig. 2a und Fig. 2b umfaßt eine elastische Membran, wobei die flexiblen Bereiche 2 und die ersten und zweiten nicht-flexiblen Bereiche 3 und 4 wie folgt ausgebildet sind:
Die flexiblen Bereiche 2 schließen Druckkammern 5 eines beispielhaften fluidischen Systems ab, wobei die ersten nichtflexiblem Bereiche 3 mit einer Wand der Druckkammern 5 verbunden sind, wie in Fig. 4a und b dargestellt ist. Die zweiten nichtflexiblen Bereiche 4 sind erfindungsgemäß auf den flexiblen Bereichen 2 angeordnete Schichten aus nichteleastischen Material und erfindungsgemäß mit der elastischen Membran fest verbunden. Die elastische Membran 2 und die nichtelastische Schicht 4 sind geeigneterweise aus Materialen gewählt, so daß die Membran 2 und die Schicht 4 mittels Druck und/oder Temperatur und/oder Klebstoffen fest miteinander verbunden werden können, wobei vorteilhaft die Schicht 4 teilweise in die Membran 2 hineingedrückt ist.

Fig. 4a und 4b zeigen außerdem einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Aktorarrays mit fluidischem Antrieb mit der erfindungsgemäßen Aktorplatte 1 von Fig. 2a, das aus einer Vielzahl von Druckkammern 5 besteht, die in einer mittleren Schicht 7 ausgebildet sind, wobei die mittlere Schicht 7 sandwichartig zwischen der erfindungsgemäßen Aktorplatte 1 und einer Grundschicht 8 angeordnet ist, und die elastischen Bereiche 4 jeweils oberhalb einer Druckkammer 5 angeordnet sind. Die Druckkammern 5 sind mit in der mittleren Schicht 7 und/oder in der Grundschicht 8 ausgebildeten Kanälen 6 verbunden und mit einer Flüssigkeit F als Mittel zur Druckerzeugung gefüllt.

Bei einer in den Fig. 4a und 4b nicht dargestellten Ausführung können die Kanäle 6 und die Druckkammern 5 derart ausgebildet sein, daß eine entfernt von den Druckkammern 5 angeordnete Pumpe durch Zu- und Abschalten einen Druck der Flüssigkeit F in den Druckkammern 5 auf- bzw. abbaut, so daß sich der flexible Bereich 2 mit dem nicht-flexiblen Bereich 4 hebt bzw. senkt. Bei dieser Ausführung kann mit einer Vielzahl von in einer Ebene in Matrixanordnung angeordneter Druckkammern 5, die entsprechend mit einer Aktorplatte 1 abgedeckt sind, mittels Druckaufbau und -abbau gleichzeitig eine Vielzahl von Anhebungen bzw. Absenkungen der flexiblen Bereiche 2 mit den nicht-flexiblen Bereichen 4 bereitgestellt werden.

Bei der in Fig. 4a und 4b dargestellten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist das Mittel zur Druckerzeugung ebenfalls geeigneter Weise eine Pumpe, die entfernt von den Druckkammern 5 angeordnet ist, und im Unterschied zu der oben beschriebenen nicht dargestellten Ausführung einen ständigen Flüssigkeitsstrom der Flüssigkeit F durch die Vielzahl von Druckkammern 5 und die Kanäle 6 erzeugt. Bei dieser Ausführung ist die Flüssigkeit geeigneterweise eine elektrorheologische Flüssigkeit. Außerdem sind an geeigneten Positionen in den Kanälen 6 Elektroden 9 und 10 angeordnet, die mit einem elektronischen Schaltkreis zusammenwirken, so daß ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden 9 und 10 erzeugt werden kann.

Fig. 4a zeigt den Betriebszustand der erfindungsgemäßen Aktorplatte über einer Druckkammer 5, wobei an die Elektroden 9 und 10 keine Spannung angelegt ist, und demzufolge kein elektrisches Feld in dem Flüssigkeitskanal 6 an dem Ausgang der Druckkammer 5 existiert, und daher die Flüssigkeit F ungehindert durch die Kanäle 6 und die Druckkammer 5 strömen kann, und demzufolge in der Druckkammer 5 kein Überdruck aufgebaut ist, und daher der flexible Bereich 2 und der nicht-flexible Bereich 4 der Aktorplatte 1 in seiner Grundposition plan oberhalb der Druckkammer 5 angeordnet ist. Es ist klar, daß anstelle der elektrorheologischen Flüssigkeit auch eine magnetorhologische Flüssigkeit mit entsprechender Zuschaltung und Abschaltung eines Magnetfelds verwendet werden kann.

Fig. 4b zeigt den Betriebszustand der erfindungsgemäßen Aktorplatte 1, bei dem an die Elektroden 9 und 10 eine elektrische Spannung angelegt ist, und demzufolge ein elektrisches Feld in dem Kanal 6 am Ausgang der Druckkammer 5 aufgebaut ist, so daß die Viskosität der elektroreologischen Flüssigkeit F im Bereich des elektrischen Feldes 11 stark verringert ist, und der Ausgang der Druckkammer 5 im Bereich des elektrischen Feldes 11 nahezu verschlossen ist, so daß die Flüssigkeit F in dem Kanalsystem 6 und der Druckkammer 5 nur sehr erschwert zirkulieren kann. Bei Dauerbetrieb der oben beschriebenen von der Druckkammer 5 entfernt angeordneten Pumpe, baut sich in diesem Betriebszustand ein Überdruck in der Druckkammer 5 auf, was zur Folge hat, daß der flexible Bereich 2 und der nicht­ flexiblen Bereich 4 der Aktorplatte nach oben gedrückt wird, und so der nichtflexible Bereich 4 in einer definierten zweiten Position oberhalb der Grundposition angeordnet ist.

Bei flächenhafter Anordnung einer Vielzahl der Grundelemente gemäß Fig. 4a und Fig. 4b kann erfindungsgemäß mittels Ansteuerung der Elektroden 9 und 10 über einen elektronischen Schaltkreis eine gezielte Auslenkung ausgewählter Aktoren 2, 4 der Aktorplatte 1 bereitgestellt werden.

Fig. 3a zeigt eine zweite Ausführung der Aktorplatte 1 der vorliegenden Erfindung, die ebenfalls im wesentlichen zweidimensional ausgebildet ist, und die ebenfalls eine Vielzahl flexible und nicht-flexible Bereiche 2 und 3, 4 aufweist, die in Matrixanordnung angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Aktorplatte 1 von Fig. 3a und 3b ist ebenso wie die Aktorplatte 1 von Fig. 2a und 2b für ein beispielhaftes fluidisches System gemäß den obigen anhand von Fig. 4a und 4b beschriebenen Ausführungen vorgesehen, und weist ebenfalls eine Vielzahl von flexiblen und nicht­ flexiblen Bereichen 2 und 3, 4 auf, die in Matrixanordnung angeordnet sind. Im Unterschied zu der Aktorplatte 1 von Fig. 2a und 2b ist die Aktorplatte 1 von Fig. 3a und 3b jedoch vorteilhaft einstückig ausgebildet, was die Herstellung der Aktorplatte 1, die nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 6 und Fig. 7 beschrieben wird, vereinfacht, und außerdem ein vorteilhaftes aufgabengerechtes Design der elastischen Bereiche 2 ermöglicht, so daß definierte zielgenaue translatorische Bewegungen und daraus resultierende Positionierungen der zweiten nicht-flexiblen Bereiche 4 bei vorgegebenen Druckänderungen in den Druckkammern möglich sind.

Fig. 5a bis 5e zeigen jeweils Ausschnitte von vorteilhaften Ausführungen der Aktorplatte 1 von Fig. 2 und Fig. 3, wobei erfindungsgemäß der äußere Rand der flexiblen Bereiche 2 eine erste Fläche mit einer ersten Geometrie und einem ersten Schwerpunkt S2 einschließt und ein äußerer Rand der zweiten nichtflexiblen Bereiche 4 einen zweite Fläche mit einer zweiten Geometrie und einem zweiten Schwerpunkt S4 einschließt. Die Erfindung stellt damit die Möglichkeit bereit, über ein geeignetes Design und eine geeignete Anordnung der ersten und zweiten Flächen eine beabsichtigte Translation bzw. Positionierung der nicht-flexiblen Bereiche 4 bei vorgegebener Druckänderung in den Druckkammern 5 zu erreichen. Dabei können die ersten und zweiten Flächen geeigneter Weise eine identische Geometrie haben und symmetrisch zueinander angeordnet sein, wobei die Flächen auch so angeordnet sein können, daß sich ihre jeweiligen Schwerpunkte S2 bzw. S4 decken.

Fig. 5a zeigt beispielsweise eine quadratische erste Fläche und eine quadratische zweite Fläche, die vorteilhaft punktsymmetrisch angeordnet sind, und Fig. 5b zeigt eine kreisförmige erste Fläche und eine kreisförmige zweite Fläche, die ebenfalls vorteilhaft punktförmig angeordnet sind, und Fig. 5c zeigt eine kreisförmige erste Fläche, auf der zwei zweite Flächen der nicht-flexiblen Bereiche 4 angeordnet sind. Fig. 5d zeigt ein weiteres Beispiel für eine Anordnung einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche mit verschiedenen Geometrien anhand einer quadratischen ersten Fläche und einer kreisförmigen zweiten Fläche, deren Schwerpunkte sich decken. Fig. 5e zeigt ein weiteres Beispiel einer dreieckigen ersten Fläche und einer dreieckigen zweiten Fläche, die derart angeordnet sind, daß ihre Schwerpunkte an verschiedenen Positionen zu liegen kommen. Die Anordnung von Fig. 5e und die Anordnung von Fig. 5c ist besonders geeignet für das erfindungsgemäße Spiegelarray das später beschrieben wird.

Die anhand der Fig. 5a bis Fig. 5e oben beschriebenen Beispiele für das Design eines Einzelelements der Aktorplatte 1 bestehend aus flexiblen Bereichen 2 und nicht-flexiblen Berichen 4, die oberhalb einer Druckkammer 5 angeordnet sind, können jeweils geeigneterweise in Matrixanordnung flächenhaft nebeneinander angeordnet sein, wie in Fig. 2 und Fig. 3 schematisch dargestellt ist.

Dabei ist das Design des Grundelements durch die jeweilige Aufgabe vorgegeben, und erfindungsgemäß können auch verschiedene Grundelemente mit unterschiedlichen Geometrien auf einer Aktorplatte 1 angeordnet sein; und mit einer derartig ausgestalteten erfindungsgemäßen Aktorplatte 1 können vorteilhaft verschiedene Anwendungen und Funktionen gleichzeitig bereitgestellt werden. Beispielseise kann die Anordnung von Fig. 5b und die Anordnung von Fig. 5e zusammen auf einer Aktorplatte 1 angeordnet sein. Weitere Beispiele für eine vorteilhafte Kombination verschiedener Grundelemente mit unterschiedlichen Geometrien werden später beschrieben.

Die erfindungsgemäße Aktorplatte 1 von Fig. 3 ist vorteilhaft einstückig ausgebildet, wobei die flexiblen Bereiche 2 in der Aktorplatte 1 mittels Strukurierung und Formgebung ausgebildet sind, und erfindungsgemäß die Oberfläche der flexiblen Bereiche in Richtung der Ebene E der Aktorplatte deutlich größer ist als die Oberfläche der nichtflexiblen Bereiche 3 und 4 und/oder erfindungsgemäß das Material der flexiblen Bereiche der Aktorplatte 1 gegenüber den nicht-flexiblen Bereichen ausgedünnt ist.

Fig. 6a zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Aktorplatte 1 mit einem strukurierten flexiblen Bereich 2 anhand der Anordnung von Fig. 5b und zeigt einen Schnitt durch die Linie A-A von Fig. 5b. Der elastische Bereich 2 der Aktorplatte 1 von Fig. 6a ist erfindungsgemäß dünner ausgebildet als die nicht-flexiblen Bereiche 3 und 4 und erstreckt sich außerdem vom oberen Rand des nicht-flexiblen Bereichs 3 zum unteren Rand des nicht-flexiblen Bereichs 4.

Fig. 6b zeigt ein weiteres abgewandeltes Beispiel eines strukturierten flexiblen Bereichs 2 ebenfalls anhand eines Schnitts durch die Linie A-A der Anordnung von Fig. 5b, wobei der flexible Bereich 2 erfindungsgemäß mäanderförmig ausgebildet ist. Es ist klar, daß der flexible Bereich 2 vorteilhaft auch bogenförmig oder wellenförmig ausgebildet sein kann, was in den Zeichnungen nicht dargestellt ist. Bei der erfindungsgemäßen strukturellen Ausbildung der flexiblen Bereiche 2 spielen für das Design der Akorplatte 1 die folgenden Parameter eine Rolle: die elastischen Eigenschaften des Materials der Aktorplatte 1, die Dicke D der Aktorplatte 1, die Anordnung und Geometrie des elastischen Bereichs 2, F2 in Bezug zu der Anordnung und Geometrie des nichtflexiblen Bereichs 4, F4, die Wandstärke DE des elastischen Bereichs 2 und bei mäanderförmiger bzw. bogenförmiger struktureller Ausbildung Amplitude A, Anzahl und Periode P der Abfolge der Bögen bzw. Mäander und Struktur und Ausbildung der Bögen bzw. Mäander. Die obigen Parameter sind in den Beispielen der Fig. 6b und 6c angegeben. Es ist klar, daß für ein besonderes aufgabenorientiertes Design die obigen Parameter über dem flexiblen Bereich 2 entsprechend variieren können, was besonders bei nicht symmetrischen Geometrien der Anordnung wie beispielsweise der Anordnung von Fig. 5e oder bei speziellen Anwendungen wie beispielsweise dem erfindungsgemäßen Spiegelarray von Fig. 11, das später beschrieben wird, vorteilhaft ist.

Die erfindungsgemäßen strukturierten flexiblen Bereiche 2 werden in Serienproduktion geeigneterweise mittels Prägetechniken von oberhalb und/oder unterhalb in eine Rohplatte der Aktorplatte 1 geprägt, wie in Fig. 7 schematisch dargestellt ist, wobei hier nur die Strukturierung auf einer Seite der Aktorplatte 1 und das Ergebnis gezeigt ist. Die vollständig stukturierten Bereiche 2 der Aktorplatte 1 von Fig. 7 sind hier als Balgfedern ausgebildet, wobei deren Strukturierung geeigneter Weise mittels Ausbildung von keilförmigen Ausnehmungen auf beiden Seiten der Aktorplatte erfolgt. Es ist klar, daß die erfindungsgemäße Aktorplatte 1, die geeigneterweise eine Kunststoffplatte aus z. B. Polymer ist, auch mittels anderer Techniken wie z. B. Laserstrukturierung strukturiert werden kann.

Fig. 8a und b zeigen einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Blindenschriftdisplays BAR mit der erfindungsgemäßen strukturierten einstückigen Aktorplatte 1 von Fig. 7, wobei die Aktorplatte 1 von Fig. 8 ähnlich wie die Aktorplatte 1 von Fig. 4 mit ihren elastischen Bereichen 2 oberhalb einer Druckkammer 5 eines fluidischen Systems mit einer elektrorheologischen angeordnet ist, das anhand von Fig. 4 beschrieben wurde. Auf eine Beschreibung des fluidischen Systems wird daher hier verzichtet und statt dessen auf die Beschreibung von Fig. 4 verwiesen.

Mit dem erfindungsgemäßen Blindenschriftarray mittels der erfindungsgemäßen Aktorplatte 1 ist es auf einfache und kostengünstige Weise möglich unter Einsatz kostengünstiger Verfahren der Mikrotechnik ein Blindenschriftdisplay auch in Serienproduktion bereitzustellen, das eine zielgenaue Auslenkung von 3-Pixeln ermöglicht. Mit dem erfindungsgemäßen Blindenschriftarray lassen sich Auflösungen im Bereich der VGA-Auflösung erreichen und in Formate bis A5 und A4 erstrecken.

Fig. 9a und b zeigen einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen vielpoligen elektrischen 2D-Relais EAR mit der erfindungsgemäßen strukturierten einstückigen Aktorplatte 1 von Fig. 7, wobei die Aktorplatte 1 von Fig. 9 ähnlich wie die Aktorplatte 1 von Fig. 4 mit ihren elastischen Bereichen 2 oberhalb einer Druckkammer 5 eines fluidischen Systems angeordnet ist, das anhand von Fig. 4 beschrieben wurde. Auf eine Beschreibung des fluidischen Systems wird daher hier verzichtet und statt dessen auf die Beschreibung von Fig. 4 verwiesen.

Neben der Schichtenfolge der Grundplatte 8, der Zwischenschicht 7 und der Aktorplatte 1 weist das elektrische Ralais EAR außerdem eine Schicht 12 auf, die auf der Aktorplatte 1 angeordnet ist. In der Schicht 12 sind eine Vielzahl von geeigneten Hohlräumen 51 korrespondierend mit den Druckkammern 5 auf der anderen Seite der Aktorplatte 1 ausgebildet und derart abgemessen, daß ein Druckaufbau der Flüssigkeit F in den Druckkammern 5 den nichtflexiblen Bereich 4 der Aktorplatte gegen eine obere Wand des Hohlraums 51 drückt. Erfindungsgemäß ist auf dem nichtflexiblem Bereich 4 eine elektrisch leitende Schicht 41 ausgebildet und an der oberen Wand des Hohlraums 51 wenigstens eine Elektrode 53 vorgesehen, so daß bei Druckaufbau in der Druckkammer 5 und entsprechender Positionierung der elektrisch leitenden Oberfläche des nicht-flexiblen Bereichs 4 ein elektrischer Kontakt mit der Elektrode 53 hergestellt ist, und bei Druckabbau der elektrische Kontakt mit der Elektrode 53 unterbrochen wird, wodurch ein elektrisches Relais bereitgestellt ist, das sich erheblich miniaturisiert auf einfache Weise herstellen läßt und besonders störungssicher arbeitet. Mit dem erfindungsgemäßen vielpoligen elektrischen 2D-Relais mittels der erfindungsgemäßen Aktorplatte 1 ist es auf einfache und kostengünstige Weise möglich unter Einsatz kostengünstiger Verfahren der Mikrotechnik ein vielpoliges elektrisches 2D-Relais auch in Serienproduktion bereitzustellen, das einen störungssicheren Einsatz auch im Dauerbetrieb ermöglicht.

Das erfindungsgemäße 2D Relais ist insbesondere für hochohmige Relaisschaltungen vorteilhaft, wobei durch das 2D Relais die Ausbildung von 2D Arrays möglich ist, die besonders vorteilhaft auch direkt in eine Leiterplatte integriert werden können, so daß durch Relais z. B. Chip-Applikationen kostengünstig ersetzt werden können. Besonders vorteilhaft und einfach wird eine derartige Anordnung dann, wenn alle Relaispole gleichzeitig geschaltet werden können, da dann die elektrischen Kontakte durch gasförmige bzw. flüssige Medien zur Aktorplatte über Mikrokanäle eingekoppelt werden.

Fig. 10a und b zeigen einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Ventilarrays VAR mit der erfindungsgemäßen strukturierten einstückigen Aktorplatte 1 von Fig. 7, wobei die Aktorplatte 1 von Fig. 10 ähnlich wie die Aktorplatte 1 von Fig. 4 mit ihren elastischen Bereichen 2 oberhalb einer Druckkammer 5 eines fluidischen Systems angeordnet ist, das anhand von Fig. 4 beschrieben wurde. Auf eine Beschreibung des fluidischen Systems wird daher hier verzichtet und statt dessen auf die Beschreibung von Fig. 4 verwiesen.

Neben der Schichtenfolge der Grundplatte 8, der Zwischenschicht 7 und der Aktorplatte 1 weist das Ventilarray VAR außerdem eine Schicht 12 auf, die auf der Aktorplatte 1 angeordnet ist. In der Schicht 12 sind eine Vielzahl von geeigneten Hohlräumen 51 korrespondierend mit den Druckkammern 5 auf der anderen Seite der Aktorplatte 1 ausgebildet und derart abgemessen, daß ein Druckaufbau der Flüssigkeit F in den Druckkammern 5 den nichtflexiblen Bereich 4 der Aktorplatte gegen eine obere Wand des Hohlraums 51 drückt. Vorteilhaft ist auf dem nichtflexiblem Bereich 4 eine Dichtungschicht 41 ausgebildet und an der oberen Wand des Hohlraums 51 wenigstens eine Kanalöffnung eines Kanals 55 vorgesehen, der mit einem weiteren in der Schicht 12 ausgebildetem Raum 54 verbunden ist. Außerdem kann der Hohlraum 51 noch mit weiteren in der Schicht 12 ausgebildeten Kanälen verbunden sein. Bei Druckaufbau in der Druckkammer 5 und entsprechender Translation und Positionierung der Dichtungsschicht 41 des nicht flexiblen Bereichs 4 wird die Dichtungsschicht 41 gegen die Öffnung des Kanals 55 gedrückt, wodurch der Raum 54 von unten verschlossen ist; und bei Druckabbau wird umgekehrt die Dichtungsschicht 41 des flexiblen Bereichs 4 von der Öffnung des Kanals 55 entfernt, so daß die Öffnung des Kanals 55 geöffnet wird. Beispielsweise kann so ein in dem Raum 54 enthaltenes Medium, z. B. eine Flüssigkeit aus dem Raum 54 austreten und über den Hohlraum 51 und ein weiteres Kanalsystem abgeführt werden oder umgekehrt auch der Raum 54 über den Hohlraum 51 mit einem Medium befüllt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Ventilarray VAR ist ein Ventilarray bereitgestellt, das sich erheblich miniaturisiert auf einfache Weise herstellen läßt und besonders störungssicher arbeitet. Mit dem erfindungsgemäßen Ventilarray VAR mittels der erfindungsgemäßen Aktorplatte 1 ist es auf einfache und kostengünstige Weise möglich unter Einsatz kostengünstiger Verfahren der Mikrotechnik ein Ventilarray auch in Serienproduktion bereitzustellen, das einen störungssicheren Einsatz auch im Dauerbetrieb ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Ventilarray kann vorteilhafter Weise mit Mikrotiterplatten für beispielsweise biochemische Analysen kombiniert werden, da es aus bio­ kompatiblen Materialien hergestellt und auch zusammen mit der Mikrotiterplatte in einem Fertigungsschritt kostensparend gefertigt werden kann.

Fig. 11a, b und c zeigen einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Spiegelarrays SAR mit der erfindungsgemäßen strukturierten einstückigen Aktorplatte 1 von Fig. 7, wobei die Aktorplatte 1 von Fig. 11 ähnlich wie die Aktorplatte 1 von Fig. 4 mit ihren elastischen Bereichen 2 oberhalb einer Druckkammer 5 eines fluidischen Systems angeordnet ist, das anhand von Fig. 4 beschrieben wurde. Auf eine Beschreibung des fluidischen Systems wird daher hier verzichtet und statt dessen auf die Beschreibung von Fig. 4 verwiesen.

Die Oberfläche 41 des nicht-flexiblen Bereichs 4 der Aktorplatte 1 ist hier erfindungsgemäß verspiegelt ausgebildet, und die oben beschriebenen Geometrien, Anordnungen und Abmessungen und Strukturen des flexiblen Bereichs 2 und des nicht-flexiblen Bereichs 4 sind derart bestimmt bzw. ausgebildet, daß bei Druckaufbau in der Druckkammer 5 eine präzise Auslenkung des nicht-flexiblen Bereichs in einem vorbestimmten Winkel erfolgt, so daß ein auf die verspiegelte Oberfläche gerichteter Laserstrahl in eine vorbestimmte Richtung abgelenkt wird. Der Aktorbereich kann auch vorteilhaft durch eine unsymmetrische Anordnung von Vertiefungen in die Aktorplatte so ausgestaltet sein, dass auf einer Seite sich die Platte leicht abheben läßt und auf der anderen Seite lediglich ein dünnes Biegegelenk ausgebildet ist. Mit dem erfindungsgemäßen Spiegelarray SAR mittels der erfindungsgemäßen Aktorplatte 1 ist es auf einfache und kostengünstige Weise möglich unter Einsatz kostengünstiger Verfahren der Mikrotechnik ein Spiegelarray auch in Serienproduktion bereitzustellen, das eine winkelgenaue Auslenkung von der bespiegelten Oberfläche des nicht-flexiblen Bereichs 4 und damit eine zielgenaue Ablenkung von Laserlicht ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Spiegelarray (SAR) hat im Vergleich zu herkömmlichen Spiegelarrays aus beispielsweise elektrostatisch verstellten Siliziumspiegeln den Vorteil, daß mit dem erfindungsgemäßen Spiegelarray vergleichsweise sehr große Winkeländerungen möglich sind.

Ebenso wie das Relais kann auch das Spiegelarray bei geeigneter Wahl der Basismaterialien in eine Leiterplatte integriert werden, woraus eine kostengünstige und platzsparende Fertigung der Ablenksysteme resultiert, da die Aktorik mit der Leiterplatte in einem Arbeitsgang gefertigt werden kann und dabei auch die Einbringung von Elektroden zur Steuerung problemlos möglich ist.

Die Aktorplatte, das Blindenschriftdisplay, das 2D Relais, das Ventilarray und das Spielgelarray der vorliegenden Erfindung sind sehr preisgünstig, da Sie aus Kunststoffen hergestellt werden können und sowohl in der Prototypenphase mittels Lasertechnik als auch in Serienproduktion mittels Prägetechnik vollständig mittels Mikrotechniken hergestellt werden können. Außerdem kann die Aktorplatte alleine auf einer Fläche angeordnet sein und mit denselben Fertigungsschritten unterschiedliche Mikrosysteme realisiert werden, wobei insbesondere die Aktorplatte mit anderen fluidischen Bauelementen kombiniert werden kann, die nahezu in dem gleichen Arbeitsgang hergestellt werden können.

Das oben beschriebene 2D Relais, das Ventilarray und das Spiegelarray weisen jeweils jedem Einzelaktorelement vorteilhaft zwei Bereiche 5 und 51 zu, die Flüssigkeitsdicht und gasdicht mittels der Aktorplatte 1 voneinander getrennt sind, wodurch ein Bereich als Arbeitsbereich 5 und der andere Bereich als Antriebsbereich 51 eingesetzt werden kann. Die vorstehende vorteilhafte Zweiteilung ermöglicht ebenfalls eine weitestgehende Miniaturisierung.

Es ist klar, daß die erfindungsgemäße Aktorplatte auch mittels einem pneumatischem Drucksystem anstelle dem hier beispielhaft beschriebenen vorteilhaften hydrostatischem Drucksystem angetrieben werden kann Außerdem ist wie auch oben mit Bezug zu Fig. 4 beschrieben auf einfache Weise eine beliebige Kombination von Relais-Elementen, Ventilelementen und Spiegelelementen auf einer Aktorplatte möglich, wodurch die verschiedensten Aufgaben und Anwendungen mittels Bereitstellung einer einzigen Aktorplatte gelöst werden können. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Multi-Parameter Analyse einer Vielzahl von Proben in einer Mikrotiterplatte mittels Mischung, optischer und elektrischer Analyse bereitgestellt werden. Ein Multisystem wie beispielsweise ein Lab-on-a-Chip ist daher mit der erfindungsgemäßen Aktorplatte als zentralem Schaltelement möglich.

Claims (31)

1. Aktorarray mit fluidischem Antrieb, mit
einer im wesentlichen zweidimensional ausgebildeten Aktorplatte (1), die eine Vielzahl flexible (2) und nicht-flexible (3, 4) Bereiche aufweist, die in Matrixanordnung angeordnet sind, wobei
die Aktorplatte (1) eine Vielzahl von Druckkammern (5) abschließt;
die flexiblen Bereiche (2) durch einen ersten nicht-flexiblen Bereich (3) voneinander getrennt sind, und
die flexiblen Bereiche (2) wenigstens einen zweiten nicht-flexiblen Bereich (4) umgeben, wobei
ein äußerer Rand der flexiblen Bereiche (2) eine erste Fläche mit einer ersten Geometrie und einem ersten Schwerpunkt (S2) einschließt, und
ein äußerer Rand der zweiten nicht-flexiblen Bereiche (4) eine zweite Fläche mit einer zweiten Geometrie und einem zweiten Schwerpunkt (S4) einschließt.

2. Aktorarray mit fluidischem Antrieb nach Anspruch 1, wobei
die Aktorplatte (1) eine elastische Membran umfaßt,
die flexiblen Bereiche (2) die Druckkammern (5) abschließen;
die ersten nicht-flexiblen Bereiche (3) mit einer Wand der Druckkammern (5) verbunden sind;
die zweiten nicht-flexiblen Bereiche (4) aus auf den flexiblen Bereichen (3) angeordnete Schichten aus nicht elastischem Material bestehen, und mit der elastischen Membran fest verbunden sind.

3. Aktorarray mit fluidischem Antrieb nach Anspruch 1, wobei die Aktorplatte (1) einstückig ausgebildet ist.

4. Aktorarray mit fluidischem Antrieb nach Anspruch 3, wobei die flexiblen Bereiche (2) eine Struktur haben, so daß die flexiblen Bereiche (2) im Vergleich zu den zweiten nicht-flexiblen Bereichen (4) in Bezug zu ihrer Ausdehnung in Richtung der Ebene (E) der Aktorplatte (1) eine deutlich größere Oberfläche haben.

5. Aktorarray nach Anspruch 3, wobei die flexiblen Bereiche (2) eine geringere Dicke als die zweiten nicht-flexiblen Bereiche (4) haben.

6. Aktorarray nach Anspruch 4 oder 5, wobei die flexiblen Bereiche (2) eine mäanderförmige Struktur haben.

7. Aktorarray nach Anspruch 4 oder 5, wobei die flexiblen Bereiche (2) eine bogenförmige Struktur haben.

8. Aktorarray nach Anspruch 4 oder 5, wobei die flexiblen Bereiche (2) in der Aktorplatte (1) ausgebildete Balgfedern sind.

9. Aktorarray nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste und zweite Geometrie ähnlich sind.

10. Aktorarray nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste und zweite Geometrie deutlich voneinander verschieden sind.

11. Aktorarray nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei der erste (S2) und zweite (S4) Schwerpunkt sich decken.

12. Aktorplatte nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei der erste (S2) und zweite (S4) Schwerpunkt räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.

13. Aktorplatte nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei Amplitude und Frequenz der Struktur der flexiblen Bereiche (2) an die Geometrie und Anordnung der ersten und zweiten Fläche angepaßt ist.

14. Aktorarray nach einem der vorstehenden Ansprüche, außerdem mit
einer Vielzahl von mit den Druckkammern (5) verbundenen Kanälen (6);
einer in den Druckkammern (5) und Kanälen (6) angeordneten Flüssigkeit (F);
einem Flüssigkeitsreservoir;
einer Aktorplatte (1), die die Druckkammern (5) jeweils mit einem der flexiblen (2) und nicht-flexiblen (4) Bereiche abschließt;
einem Mittel zur Druckerzeugung auf die Flüssigkeit (F);
Mitteln zur Druckregelung, so daß in einer vorbestimmten Auswahl der Druckkammern (5), der zweite nicht-flexible Bereich (4) der Aktorplatte (1) eine Positionsänderung erfährt.

15. Aktorarray nach Anspruch 14, wobei
die Flüssigkeit (F) eine elektrorheologische Flüssigkeit ist;
das Mittel zur Druckerzeugung eine Pumpe ist, die entfernt von den Druckkammern (5) angeordnet ist;
die Mittel zur Druckregelung an geeigneten Positionen in den Kanälen (6) angeordnete Elektroden sind, die mit einem elektronischen Schaltkreis zusammenwirken.

16. Blindenschriftdisplay (BAR) mit
einer Vielzahl von Druckkammern (5) und Kanälen (6);
einer in den Druckkammern (5) und Kanälen (6) angeordneten Flüssigkeit (F);
einem Flüssigkeitsreservoir;
einer Aktorplatte (1), die die Druckkammern (5) jeweils mit einem flexiblen (2) und nicht-flexiblen (4) Bereich abschließt;
einem Mittel zur Druckerzeugung auf die Flüssigkeit (F);
Mitteln zur Druckregelung, so daß in einer vorbestimmten Auswahl der Druckkammern (5), der nicht-flexible Bereich (4) der Aktorplatte (1) eine Positionsänderung erfährt, und
als Braille-Schrift-Pixel getastet werden kann.

17. Blindenschriftdisplay (BAR) nach Anspruch 16, mit der Aktorplatte (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 15.

18. Flächenhaftes elektrisches 2D-Relais (EAR) mit
einer Vielzahl von Druckkammern (5) und Kanälen (6);
einer in den Druckkammern (5) und Kanälen (6) angeordneten Flüssigkeit (F);
einem Flüssigkeitsreservoir;
einer Aktorplatte (1), die die Druckkammern (5) jeweils mit einem flexiblen (2) und nicht-flexiblen (4) Bereich abschließt;
einem nicht-flexiblen Bereich (4), der eine elektrisch leitende Oberfläche (41) hat;
einem Mittel zur Druckerzeugung auf die Flüssigkeit (F);
Mitteln zur Druckregelung, so daß in einer vorbestimmten Auswahl der Druckkammern (5), der nicht-flexible Bereich (4) der Aktorplatte (1) eine Positionsänderung erfährt, und
die elektrisch leitende Oberfläche (41) jeweils einen Kontakt mit wenigstens einer Elektrode (53) schaltet.

19. 2D-Relais (EAR) nach Anspruch 18, wobei das 2D-Relais in eine Leiterplatte integriert ist.

20. 2D-Relais (EAR) nach Anspruch 18 und 19, mit der Aktorplatte (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 15.

21. Ventilarray (VAR) mit einem Aktorarray nach einem der Ansprüche 14 und 15, wobei
der nicht-flexible Bereich (4) eine als Dichtung (41) geeignete Oberfläche hat;
ein Mittel zur Druckerzeugung auf die Flüssigkeit (F) vorgesehen ist;
die Dichtungsoberfläche (41) bei Positionsänderung des zweiten nicht-flexiblen Bereichs (4) jeweils eine Ventilöffnung (55) schaltet.

22. Ventilarray (VAR) nach Anspruch 21, wobei das Ventilarray eine Vielzahl von Ventilöffnungen (55) auf der Unterseite einer Mikrotiterplatte schaltet.

23. Ventilarray (VAR) nach Anspruch 21 oder 22, wobei das Ventilarray in eine Mikrotiterplatte integriert ist.

24. Ventilarray (VAR) nach Anspruch 21, 22 oder 23, wobei das Ventilarray in eine Leiterplatte integriert ist.

25. Ventilarray (VAR) nach Anspruch 21, 22, 23, oder 24 mit der Aktorplatte (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 13.

26. Spiegelarray (SAR), mit
einer Vielzahl von Druckkammern (5) und Kanälen (6);
einer in den Druckkammern (5) und Kanälen (6) angeordneten Flüssigkeit (F);
einem Flüssigkeitsreservoir;
einer Aktorplatte (1) mit flexiblen (2) und nicht-flexiblen (4) Bereichen, die die Druckkammern (5) jeweils mit einem der flexiblen (2) und nicht-flexiblen (4) Bereiche abschließt;
einem nicht-flexiblen Bereich (4), der eine verspiegelte Oberfläche (41) hat;
einem Mittel zur Druckerzeugung auf die Flüssigkeit (F);
Mitteln zur Druckregelung, so daß in einer vorbestimmten Auswahl der Druckkammern (5), der zweite nicht-flexible Bereich (4) der Aktorplatte (1) eine Positionsänderung erfährt, und
die verspiegelte Oberfläche (41) einen Laserstrahl (L) schaltet.

27. Spiegelarray (SAR) nach Anspruch 26, wobei das Spiegelarray in eine Leiterplatte integriert ist.

28. Spiegelarray (SAR) nach Anspruch 26 oder 27, mit der Aktorplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.

29. Aktorarray, mit
der Aktorplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15;
wenigstens einem Relaiselement nach einem der Ansprüche 18 bis 20, und/oder
wenigstens einem Ventilelement nach einem der Ansprüche 21 bis 25; und/oder
wenigstens einem Spiegelelement nach einem der Ansprüche 26 bis 28;

30. Verfahren zur Herstellung einer Aktorplatte (1) zur Verwendung für ein Aktorarray mit fluidischem Antrieb, wobei
in einer im wesentlichen zweidimensional ausgebildeten Aktorplatte (1), eine Vielzahl von flexiblen (2) und nicht-flexiblen (3, 4) Bereiche in Matrixanordnung strukturiert werden, wobei
die flexiblen Bereiche (2) durch einen ersten nicht-flexiblen Bereich (3) voneinander getrennt ausgebildet werden, so daß
die flexiblen Bereiche (2) wenigstens einen zweiten nicht-flexiblen Bereich (4) umgeben, wobei
die flexiblen Bereiche (2) derart strukturiert werden, daß sie im Vergleich zu den zweiten nicht-flexiblen Bereichen (4) in Bezug zu ihrer Ausdehnung in Richtung der Ebene (E) der Aktorplatte (1) eine deutlich größere Oberfläche, und/oder eine geringer Dicke als die zweiten nicht-flexiblen Bereiche haben.

31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei eine einstückige Kunststoffschicht mittels Prägetechniken beidseitig strukturiert wird.