DE102006027619A1 - Ansteuerung von Array-Systemen - Google Patents

Abstract

Einrichtung zum lichtoptischen Ansteuern temperaturempfindlicher Strukturen, insbesondere Hydrogelstrukturen, bei welcher mindestens ein Lichtstrahl durch mindestens ein in seiner Lichtdurchlässigkeit steuerbares Element auf die temperaturempfindliche Struktur projiziert wird und die beleuchteten Strukturen durch Umwandlung der Lichtenergie in Wärmeenergie erwärmt werden.

Description

• Einleitung
• Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur elektronikkompatiblen Ansteuerung temperaturempfindlicher Array-Strukturen, insbesondere Hydrogelstrukturen, mit aktorischen oder schaltbaren Speicher- bzw. Oberflächeneigenschaften.
• Stand der Technik
• DE 101 57 317 A1 , DE 102 26 746 A1 sowie [A. Richter et al., J. Microelectromech. Syst. 12 (2003), S. 748–753] beschreiben Einrichtungen, mit denen über eine thermisch-elektrische Schnittstelle der Quellungszustand von temperatursensitiven Hydrogelaktoren beeinflusst werden kann. Dies erfolgt entweder durch Nutzung von Heizwiderständen, die in unmittelbarer Nähe zu den einzelnen Aktoren angeordnet sind, oder durch Verwendung energiereichen Lichts, z.B. in Form eines Lasers dessen Energie durch Absorption in thermische Energie umgesetzt wird. Der Laser kann u.a. ein Zeilenlaser, der die Bildpunkte periodisch ansteuert, aber auch ein Laser sein, der durch Spiegel die einzelnen Bildpunkte ansteuert.
• Die Realisierung von Heizelement-basierten Ansteuerungen ist besonders für große Arrays außerordentlich aufwändig. Auch Zeilen- und Spiegellasersysteme sind aufwändig und kostenintensiv.
• Aufgabe der Erfindung
• Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, Einrichtungen zur elektronikkompatiblen Ansteuerung temperaturempfindlicher Array-Strukturen, insbesondere Hydrogelstrukturen, mit aktorischen oder schaltbaren Speicher- bzw. Oberflächeneigenschaften zu schaffen, die einen einfachen Aufbau besitzen und möglichst mit Standard-Bauteilen realisiert werden können.
• Beschreibung und Beispiele
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 11 angegeben.
• Temperatursensitive Hydrogele sind Vertreter der „smarten" bzw. „stimuli-responsiven" Hydrogele. Diese sind quellfähige Polymernetzwerke mit integrierten Aktor-Sensor-Funktionen und besitzen die Fähigkeit, bei Einwirkung bestimmter Umgebungsgrößen einen diskontinuierlichen Volumenphasenübergang durchführen. Sie ändern dabei ihr Volumen vom gequollenen zum entquollenen Zustand um bis zu 99% unter Abgabe des Quellmittels, welches wässriger Natur ist. Dieser Vorgang ist reversibel und reproduzierbar. Mittlerweile ist eine große Vielzahl smarter Hydrogele mit speziellen Sensitivitäten beispielsweise gegenüber der Temperatur, elektrischen Feldgrößen, Licht bestimmter Wellenlänge, dem pH-Wert sowie Stoff- und Ionenkonzentrationen bekannt. Besonders gute Gebrauchseigenschaften besitzen temperatursensitive Hydrogele.
• Das Prinzip der Erfindung beruht auf der zeitlich und räumlich definierten Steuerung eines auf das Array einwirkenden Lichtfeldes durch ein transparentes Flüssigkristall-Display oder vergleichbare, in ihrer Transparenz steuerbare Systeme. Die auf die Hydrogelstrukturen auftreffende Lichtenergie wird durch Absorption in thermische Energie umgewandelt und löst an den belichteten Array-Bereichen den Volumenphasenübergang der Hydrogelstrukturen aus.
• Die Erfindung soll an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
• 1 den prinzipiellen Aufbau eines taktilen Displays auf Basis eines temperatursensitiven Hydrogelaktor-Arrays mit lichtoptischer Ansteuerung,
• 2 das Wellenlängenspektrum eines Filtersystems mit Bandpasscharakteristik,
• 3 das temperaturabhängige Quellverhalten von Poly(N-Isopropylacrylamid),
• 4 den prinzipiellen Aufbau einer hydrogelbasierten Aktoreinheit mit Noppenfolie
• 5 mögliche Noppenformen, wobei
• 5a rechteckige Noppen
• 5b runde Noppen
• 5c sechseckige Noppen zeigt, und
• 6 mögliche Kantenformen mit
• 6a Neunzig-Grad-Kanten
• 6b gefasten Kanten sowie
• 6c abgerundeten Kanten.
• Stellvertretend für viele weitere Anwendungs- und Gestaltungsmöglichkeiten der lichtoptischen Ansteuerung wird anhand von 1 der prinzipielle Aufbau, ein mögliches Fertigungsverfahren und die Wirkungsweise eines taktilen Displays auf Basis der erfindungsgemäßen Ansteuerung vorgestellt.
• Die Ausgabeeinheit des in 1 gezeigten taktilen Displays ist die Aktoreinheit (6). Das Aktor-Array (6) ist direkt auf einer monochromen Flüssigkristall-Anzeige (5) (Liquid Crystal Display LCD) ALPS LSU751011A mit 96 × 32 Pixeln platziert, der durch Entfernen der Reflexionsschicht transparent gemacht wurde. Die ganze Baugruppe wird mit einem Temperiersystem (4) aktiv wassergekühlt. Da das LC-Display (5) seine Transparenz nur im Lichtwellenlängen-Bereich von 500 nm bis 650 nm ändert, wird das Spektrum der Lichtquelle (1) durch ein Filtersystem (3), bestehend aus einem Bandpass BG 18 und einem Tiefpass OG 530)(Schott), entsprechend beschränkt (siehe 2). Die Parallelisierung und Führung des Strahlenganges (7) erfolgt mit einem Linsensystem (2), bestehend aus zwei Plankonvex-Linsen (f₁ = 15 mm, f₂ = 75 mm) und einem nicht dargestellten Reflektorspiegel. Als Lichtquelle (1) dient eine 150W Lampe.
• Das Rastermaß des Aktor-Arrays (6) entspricht vorteilhaft dem Rastermaß der Flüssigkristall-Anzeige (5) von 580μm. Damit ist jedem LCD-Pixel genau ein Einzelaktor zugeordnet. Da die Hydrogelaktoren noch Quellmittel benötigen, beträgt die Einzel-Aktorstandfläche (400 × 400)μm² bei 180μm Aktorabstand.
• Die taktile Bildinformation des Aktor-Arrays (6) wird durch das LCD (5) gesteuert. Während dunkle, nichttransparente LCD-Pixel (5b) die entsprechenden Bereiche des Hydrogel-Arrays (6b) abdecken, passiert das Licht das LCD in seinen transparenten Bereichen (5a) und trifft auf die Aktor-Array-Ebene. Das Hydrogel bzw. die im Hydrogel enthaltenen Farbpigmente (für den genutzten Wellenlängenbereich eignet sich z.B. Sicopal-Blau K7210 von BASF) absorbieren das Licht und wandeln es in Wärme um. Die Aktoren bestehen aus Poy(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAAm), welches ein temperatursensitives Hydrogel mit lower critical solution temperature (LCST) Charakteristik ist (3). Derartige Hydrogele sind bei niedrigen Temperaturen, z.B. bei Raumtemperatur, gequollen, und entquellen bei Überschreiten einer Volumenphasenübergangstemperatur PÜT durch Quellmittelabgabe. Wird infolge der Lichteinwirkung die für PNIPAAm charakteristische PÜT von 34°C überschritten, so entquellen die Hydrogelaktoren (6a). Die unbelichteten Aktoren (6b) bleiben hingegen gequollen und sind deshalb mit den taktilen Informationen „fühlbar" bzw. „erhaben" und „weich" verknüpft. Entquollene Aktoren (6a) besitzen den Informationsgehalt „nicht fühlbar" bzw. „hart".
• Die Aktoren sind in ihrer Höhe zwischen 500μm im gequollenen und ca. 300μm im entquollenen Zustand schaltbar, so dass sich ein effektiver Pixelhub von 200μm ergibt.
• Die Bildwiederbeschreibrate ist abhängig von der Lichtabsorption der Aktorstrukturen und der effektiv einwirkenden Lichtleistung. Die Systemdynamik lässt sich durch einen optimierten und gesteuerten Lichtbetrieb deutlich verbessern. So sind die Aktorschaltzeiten durch Lichtleistungsspitzen (kurzzeitige signifikante Erhöhung der Lichtleistung) bei Schaltvorgän gen sowie eine reduzierte Leistung beim Halten der Bildinformation noch deutlich verkürzbar.
• Sowohl die Bildwiederbeschreibrate als auch der Energieverbrauch des hydrogelbasierten Displays kann durch eine gesteuerte Bereitstellung des Aktorquellmittels positiv beeinflusst werden, indem beim Schalten ein Überschuss, beim Haltevorgang ein moderater Quellmittelmangel realisiert wird, so dass sie nicht mehr quellen können.
• Auf das Filtersystem zum Beschränken des Wellenlängenbereiches kann verzichtet werden, wenn die Lichtquelle bereits monochromes bzw. in seiner Wellenlänge entsprechend eingeschränktes Licht liefert, wie dies beispielsweise bei Laserlicht vorliegt.
• Eine aktive Temperierung des Systems ist aus zwei Gründen notwendig. Flüssigkristall-Anzeigen sind temperaturempfindlich. Zu hohe Temperaturen beeinträchtigen ihre Funktionalität. Weiterhin muss für die angesteuerte Aktoreinheit eine konstante Basistemperatur sichergestellt werden, um deren Funktion und Reproduzierbarkeit sicherzustellen. Die Temperierung kann z.B. durch Wasser- oder aktive Luftkühlung erfolgen.
• Die Umwandlung des Lichts in Wärme erfolgt in oder an den temperatursensitiven Strukturen. Neben dem schon vorgestellten Einsatz von Füllstoffen (z.B. Farbpigmente) können auch die Trägermaterialien der Funktionsschichten mit entsprechenden absorbierenden Materialien beschichtet sein. Ist es z.B. aufgrund einer zusätzlichen visuellen Information erforderlich, dass die Hydrogelpixel des taktilen Displays transparent sind, reichen auch deren Absorptionseigenschaften zum Auslösen des Volumenphasenübergangs aus. Zum Schutz des Betrachters vor zu hoher Lichtleistung kann die Abdeckung der Aktoreinheit eine eingeschränkte Transparenz besitzen.
• Die Hydrogelaktoren eines taktilen Displays eignen sich aufgrund ihrer Weichheit nur bedingt zum Übermitteln taktiler Informationen.
• Die übermittelbare taktile Information lässt sich maßgeblich von der eingesetzten Abdeckfolie aus härterem Material bestimmen. Mit einer glatten Folie lassen sich besonders Unterschiede in der Materialeigenschaft „Weichheit" darstellen. Die vermittelbaren Eindrücke reichen etwa von der Weichheit von Fettgewebe bis hin zu festen Oberflächen wie Holz. Konturen sind mit solchen Folien nur schwierig fühlbar. Dies lässt sich durch Einsatz oberflächenstrukturierter, z.B. genoppter, Folien erreichen. Die fühlbare Kantenschärfe, aber auch die vermittelbaren Texturen werden von der Noppenform und -größe bestimmt. Das Noppenmaterial beeinflusst mit seiner Härte das Fühlerlebnis. Der Noppengrundriss kann vielfältig sein (5). Noppen mit viereckigem Grundriss (5a) besitzen scharfe Ecken und können die gleiche Form wie die darunter befindlichen Hydrogelaktoren besitzen. Die in 5b gezeigten runden Noppen weisen keine Ecken auf. Die versetzt angeordneten Sechsecke nach 5c ermöglichen das Erreichen einer hohen Noppendichte mit fühlbaren Ecken.
• Wie 6 verdeutlicht, können auch die Noppenkanten beeinflusst werden. Die in 6a gezeigte Noppe besitzt scharfe Kanten. Durch eine Fase lässt sich die fühlbare Kantenschärfe abschwächen (6b). Gleiches ist durch Abrunden der Noppenkanten erreichbar (6c). Auch die Noppengröße und – dichte besitzen einen deutlichen Einfluss auf das Fühlerlebnis. Wesentlich ist ebenfalls der Noppenhub, welcher von den Hydrogelaktoren bestimmt wird. Unterschiede in der Noppenhöhe lassen sich ab etwa 100μm fühlen.
• Als Gestaltungsrichtlinie kann gelten, dass scharfkantige, größere Noppen besonders gut zur Konturdarstellung geeignet sind. Kleinere abgerundete Noppen ermöglichen eine größere Vielfalt in der Texturübermittlung. Glatte Oberflächen, welche z.B. durch eine hohe Noppendichte erreichbar sind, ermöglichen ein verbessertes Fühlen der Weichheit, da Hydrogelaktoren als taktile Information neben dem Hub auch Änderungen ihrer Elastizität (Weichheit) liefern. Die ist für den jeweiligen Anwendungsfall zu optimieren.
• Werden einer Noppe mehrere Aktoren, z.B. drei Aktoren zugeordnet, kann diese in ihrer Neigung definiert verändert und vollständig um die z-Achse gedreht werden.
• Weiterhin ist es denkbar, daß die Folie mit Bereichen unterschiedlicher Noppeneigenschaften ausgestattet ist. Dies kann insbesondere für Anschauungsmaterialien interessant sein.
• Noppenfolien können beispielsweise aus Polydimethylsiloxan (PDMS) hergestellt werden. Basissubstanz und Härter wird in einem Verhältnis von 9:1 gemischt. Durch Rotationsbeschichten bei 3000 U/min für 25s wird ein etwa 30μm dicker Film auf einem planen Glasträger erzeugt und bei 65°C für drei Stunden polymerisiert. Die Noppen lassen sich mit einem teflonbeschichteten Silizium-Abformmaster (nasschemisches Tiefenätzen durch ASE-Bosch-Prozess, Teflonbeschichtung durch PECVD) herstellen. Dazu wird die Elastomer-Mischung in die Noppenformen eingefüllt und entgast. Anschließend wird die Form auf den PDMS-beschichteten Glasträger gepresst und für drei Stunden bei 65°C polymerisiert. Die Noppen bilden mit der Folie einen unlösbaren Verbund.
• Neben PNIPAAm weisen auch noch eine Reihe anderer Hydrogele eine LCST-Charakteristik auf. Dies sind zum Beispiel Poly(Methylvinylether) sowie Polymere auf Basis von Hydroxypropylcellulose.
• Temperatursensitive Hydrogele mit einer Upper Critical Solution Temperature (UCST)-Charakteristik quellen bei Überschreiten der Phasenübergangstemperatur und sind bei geringen Temperaturen entquollen. Ein Hydrogel mit UCST-Verhalten ist das Copolymer aus Hydroxyethyl Methacrylat (HEMA) und Acetoacetoxyethyl Methacrylat(AAEM), welches dieses Verhalten in Wasser-Alkohol-Mischungen zeigt.
• Die lichtoptische Ansteuerung lässt sich für vielfältige weitere Anwendungen hydrogelbasierter Arrays nutzen. So sind steuerbare Stempel für den Mikrokontaktdruck, Arrays aus vielen Speicherzellen, Ventil-Arrays, peristaltische Pumpen, hydrogelbasierte Oberflächen, Spiegel-Arrays, Lab-on-a-Chip- Aufbauten usw. mit der erfindungsgemäßen Ansteuerung betreibbar.
• Das Ansteuerprinzip kann ebenso für andere Anwendungen, bei denen ein steuerbares Temperaturfeld benötigt wird, eingesetzt werden. Es ist ebenso für Aktor-Arrays auf Basis photoempfindlicher Hydrogele (Hydrogele, welche sich bei Einwirkung von Licht bestimmter Wellenlänge in ihren aktorisch wirksamen Eigenschaften beeinflussen lassen) geeignet.

1

Lichtquelle

2

Linsensystem

3

Filtersystem

4

Temperiersystem

5

Flüssigkristall-Anzeige

5a

Lichttransparenter Bereich

5b

Lichtundurchlässiger Bereich

6

Aktoreinheit

6a

entquollener Bereich

6b

gequollener Bereich

7

Aktorstrukturträger

8

Hydrogelaktor

9

Abdeckfolie

9a

Noppe

Claims (11)

1. Einrichtung zum lichtoptischen Ansteuern temperaturempfindlicher Strukturen (6), insbesondere Hydrogelstrukturen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Lichtstrahl (7) durch mindestens ein in seiner Lichtdurchlässigkeit steuerbares Element (5) auf die temperaturempfindliche Struktur (6) projiziert wird und die beleuchteten Strukturen durch Umwandlung der Lichtenergie in Wärmeenergie erwärmt werden.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in seiner Lichtdurchlässigkeit steuerbare Element eine Flüssigkristall-Anzeige ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Einzelelement der temperaturempfindlichen Struktur mindestens ein Einzelelement (Pixel) des in seiner Lichtdurchlässigkeit steuerbaren Elementes zugeordnet ist und/oder die grundlegenden geometrischen Beziehungen, insbesondere das Rastermaß, einander in ganzzahligen Verhältnissen entsprechen.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlängenspektrum des Lichtstrahls im wesentlichen auf das Wellenlängenspektrum, in welchem das in seiner Lichtdurchlässigkeit steuerbare Element aktiv ist, beschränkt ist, Z.B. durch Verwendung einer monochromen Lichtquelle oder ein optisches Filtersystem (3).
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie über eine aktive Temperierung (4) verfügt.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleistung der Lichtquelle (1) bzw. des Strahlenganges (7) ereignisabhängig gesteuert wird, insbesondere für kurzzeitige Leistungsspitzen bei Schaltvorgängen und für eine reduzierte Leistung bei Haltevorgängen.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ansteuerung der Aktoreinheit hydrogelbasierter taktiler Displays verwendet wird.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoreinheit mit einer profilierten Abdeckfolie (9) versehen ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckfolie (9) über Noppen (9a) verfügt.
10. Einrichtung nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (9a) hinsichtlich ihrer Material- und geometrischen Eigenschaften an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Noppe (9a) mindestens ein Aktor (8) zugeordnet ist und/oder die grundlegenden geometrischen Beziehungen, insbesondere das Rastermaß, einander in ganzzahligen Verhältnissen entsprechen.