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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Aktor mit einer Welle und mit wenigstens einem ersten Antriebsmittel.
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Elektrostatische Antriebe und kapazitive Detektionsmechanismen sind aus der Mikromechanik, insbesondere von mikromechanischen Sensoren bekannt. So sind zum Beispiel Beschleunigungssensoren bekannt, die über Elektrodenkämme kapazitiv ausgewertet werden. Daneben sind auch Mikrospiegel bekannt. Zur Auslenkung dieser Mikrospiegel sind mikromechanische Aktoren bekannt, die eine Welle aufweisen, welche mittels eines elektrostatischen Antriebs in Torsion versetzt wird. In der deutschen Offenlegungsschrift
DE 197 28 598 A1 ist ein mikromechanischer Aktor offenbart, der einen elektrostatischen Antrieb mit Flächenelektroden aufweist. In der Patentschrift
US 6 891 650 B2 ist ein mikromechanischer Aktor mit einem elektrostatischen Antrieb mit Kammelektroden gezeigt.
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Oft werden an solche Aktoren jedoch widersprüchliche Anforderungen gestellt: Einerseits soll möglichst eine hohe Kraft erzeugt werden, um die Elemente gezielt quasistatisch auslenken zu können, andererseits möchte man eine hohe Winkelauslenkung der Elemente erzielen. Für eine hohe Kraft ist jedoch eine größere Ausdehnung der Elektroden von Vorteil, während der maximale Auslenkungswinkel bei steigender Länge immer kleiner wird.
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Die Druckschrift
US 2004/0008400 A1 , offenbart in
3a und b nebst Beschreibung einen mikromechanischen Aktor mit einem Antriebsmittel und mit einem Knickscharnier. Die Druckschrift
US 2002/0084499 A1 offenbart ebenfalls einen mikromechanischen Aktor mit einem zusätzlichen Hebel welcher mit einem Antriebsmittel verbunden ist. Die Druckschrift
US 2002/0131679 A1 offenbart einen frei drehbaren mikroelektromechanischen Spiegel und ein Spiegel-Array. Die Druckschrift
US 6 359 718 B1 offenbart ebenfalls einen Aktor zur Drehung eines Mikrospiegels.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Aktor mit einer Welle und mit wenigstens einem ersten Antriebsmittel. Der Kern der Erfindung besteht darin, daß die Welle und das erste Antriebsmittel mittels eines ersten Gelenkes verbunden sind. Das erste Antriebsmittel ist im einfachsten Fall mittels eines ersten Gelenkes direkt an der Welle in einem Abstand von der Drehachse der Welle verbunden.
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Vorteilhaft ist jedoch, daß ein erster Hebel vorgesehen ist, wobei der erste Hebel an seinem einen Ende mit der Welle verbunden ist und wobei der erste Hebel an seinem anderen Ende mittels des ersten Gelenkes mit dem ersten Antriebsmittel verbunden ist. Vorteilhaft kann so vom Antriebsmittel ein Drehmoment der gewünschten Stärke auf die Welle ausgeübt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Aktors sieht vor, daß ein zweites Antriebsmittel vorgesehen ist und die Welle und das zweite Antriebsmittel mittels eines zweiten Gelenkes verbunden sind. Vorteilhaft ist auch, daß das erste oder auch das zweite Antriebsmittel mittels eines dritten Gelenkes mit einer Verankerung verbunden ist. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, daß ein zweiter Hebel vorgesehen ist, wobei das erste Antriebsmittel oder auch das zweite Antriebsmittel mittels des dritten Gelenkes mit dem einen Ende des zweiten Hebels verbunden ist, wobei die Verankerung mittels eines vierten Gelenks mit dem anderen Ende des zweiten Hebels verbunden ist. Besonders vorteilhaft ist auch, daß wenigstens das erste Antriebsmittel oder auch das zweite Antriebsmittel ein elektrostatisches Antriebsmittel mit wenigstens einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode ist. Vorteilhaft ist auch, daß eines oder mehrere der Gelenke auch eine translatorische Beweglichkeit des ersten oder auch des zweiten Antriebsmittels in Bezug auf die Welle ermöglichen. Vorteilhaft ist der Aktor an der Oberfläche eines Substrats angeordnet, und die Verankerung ist mit dem Substrat verbunden.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt einen elektrostatischen Antrieb, der weder in der Länge der Elektroden, noch im Auslenkungswinkel der mikromechanischen Elemente den genannten Einschränkungen im Stand der Technik unterliegt. Durch eine flexible Aufhängung der Elektroden (sowohl in einer flächigen als auch in einer Kammausführung) kann die Kraft durch die Fläche unabhängig vom Winkel und der Winkel durch die Länge der Hebelarme an der Drehachse unabhängig von der Elektrodenabmessung festgelegt werden. Daraus ergeben sich Vorteile wie zum Beispiel ein paralleles Anziehen der Elektrodenpaare und eine gleichmäßigere Kraftsteuerung durch die angelegte Spannung. Vorteilhaft sind auch die Abmessungen der Elektroden senkrecht zur Drehachse unkritisch, weil daraus keine Beschränkung des maximalen Auslenkungswinkels folgt. Mit dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Aktor sind größere Kräfte erzeugbar. Dadurch erschließen sich weitere Anwendungsbereiche. Vorteilhaft ist der maximale Auslenkungswinkel (Drehwinkel) durch die Geometrie der Drehachse auslegbar. Der erfindungsgemäße mikromechanische Aktor läßt sich auch einfacher und kostengünstiger Herstellen. Durch die Verbindung des Antriebsmittels mit der Welle mittels eines Gelenkes ist es beispielsweise möglich eine vereinfachte Anordnung von Antriebselektroden zu wählen, weil kein Raum für ein Durchschwingen der Elektroden infolge einer Winkelauslenkung der Elektroden vorgesehen werden muß. Vorteilhaft läßt sich der Aktor deshalb Oberflächen-mikromechanisch mit geringerer Bearbeitungstiefe in das Substrat fertigen. Dies ermöglicht eine einseitige Bearbeitung des Substrats. In der Folge ergibt sich wiederum eine Prozeßvereinfachung, was zu Kostenersparnis und besserer Ausbeute führt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Zeichnung
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1.1 zeigt einen mikromechanischen Aktor an einem Mikrospiegel im Stand der Technik in Ruhelage,
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1.2 zeigt einen mikromechanischen Aktor an einem Mikrospiegel im Stand der Technik ausgelenkt,
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2.1 zeigt einen Querschnitt durch den mikromechanischen Aktor im Stand der Technik mit Kammelektroden in Ruhelage,
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2.2 und 2.3 zeigen jeweils einen Querschnitt durch den mikromechanischen Aktor im Stand der Technik mit Kammelektroden je nach angelegter Spannung unterschiedlich ausgelenkt,
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3 zeigt geometrische Bedingungen an einem Querschnitt durch ein Elektrodenpaar eines mikromechanischen Aktors im Stand der Technik ausgelenkt, und die
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4.1 bis 4.6 zeigen verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer mikromechanischer Aktoren in Ruhelage und ausgelenkt.
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Ausführungsbeispiele
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben.
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1.1 zeigt einen mikromechanischen Aktor an einem Mikrospiegel im Stand der Technik in Ruhelage. Dargestellt ist ein mikromechanischer Aktor mit einer Welle 10, die mit ersten und zweiten Antriebsmitteln 21 und 22 verbunden ist. Die Antriebsmittel 21, 22 sind als elektrostatische Antriebsmittel ausgebildet, die jeweils aus einer Gruppe beweglicher Elektroden 61 und fester Elektroden 62 bestehen. Die ersten und zweiten Elektroden 61 und 62 bilden jeweils eine Kammelektrodenstruktur. Die ersten Elektroden oder beweglichen Elektroden 61 sind an der Welle 10 befestigt. Die zweiten Elektroden oder festen Elektroden 62 sind auf einem Substrat befestigt, welches unter der beschriebenen Struktur angeordnet, aber hier nicht dargestellt ist. An einem Ende der Welle 10 ist ein Mikrospiegel 15 angeordnet. Bei einer Drehung oder Auslenkung der Welle 10 an diesem Ende um einen bestimmten Winkel wird auch der Mikrospiegel 15 um diesen Winkel gedreht bzw. ausgelenkt. Die Welle 10 kann an ihrem anderen Ende befestigt sein. Die Drehung der Welle 10 ist dann durch Torsion der Welle 10 ausführbar. In der 1.1 ist der Aktor in einer Ruhelage befindlich. Der Mikrospiegel 15 sollte entsprechend nicht ausgelenkt sein.
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1.2 zeigt einen mikromechanischen Aktor an einem Mikrospiegel im Stand der Technik ausgelenkt. Bei Anlegen einer Spannung U zwischen den ersten und zweiten Elektroden 61 und 62 des Elementes und einer Seite der festen Elektroden tritt eine elektrostatische Anziehungskraft auf. Die mit der Spannung U beaufschlagten Elektroden 61 und 62 nähern sich aneinander an. In der Folge wird die Welle 10 um einen Winkel gedreht. Der an der Welle 10 befestigte Mikrospiegel 15 wird mit ausgelenkt.
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In den 2.1, 2.2 und 2.3 ist der mikromechanische Aktor im Stand der Technik noch einmal im Querschnitt gezeigt. 2.1 zeigt dabei einen Querschnitt durch den mikromechanischen Aktor im Stand der Technik mit Kammelektroden in einem ersten Betriebszustand der Ruhelage. Zwischen den ersten und zweiten Elektroden 61 und 62 des ersten oder zweiten Antriebsmittels 21 oder 22 liegt dabei keine elektrische Spannung U an. Die 2.2 und 2.3 zeigen jeweils einen Querschnitt durch den mikromechanischen Aktor im Stand der Technik mit Kammelektroden je nach angelegter Spannung unterschiedlich ausgelenkt. In 2.2 liegt im oberen Bild A eine elektrische Spannung, symbolisiert durch die gezeigten Symbole + und –, zwischen den ersten und zweiten Elektroden 61 und 62 des ersten Antriebsmittels 21 an. Infolge der Wirkung der anziehenden elektrostatischen Kraft F werden die ersten Kammelektroden 61 zwischen die zweiten Kammelektroden 62 gezogen, und die Welle 10 dreht sich in eine erste Richtung um einen Drehwinkel. Im unteren Bild B liegt eine elektrische Spannung zwischen den ersten und zweiten Elektroden 61 und 62 des zweiten Antriebsmittels 22 an. Infolge der Wirkung der anziehenden elektrostatischen Kraft F dreht sich nun die Welle 10 in eine zweite Richtung, welche der ersten Richtung entgegengesetzt ist, um einen Drehwinkel. In 2.3 ist dargestellt, was passiert, wenn die Welle 10 weiter als bis zu einem bestimmten Drehwinkel ausgelenkt wird: Die nach unten austretende Elektrodenfläche Fläche führt zu einer rücktreibenden Kraft FR, welche der auslenkende Kraft F entgegenwirkt und somit die maximal mögliche Auslenkung begrenzt. Im Falle von übereinander angeordneten flächigen Elektroden anstelle der hier gezeigten Kammelektroden ist die Auslenkung von vornherein durch die Geometrie begrenzt. Wenn die bewegliche Elektrode 61 auf die feste Elektrode 62 aufschlägt, wird die Auslenkung mechanisch begrenzt. Eine solche mechanische Begrenzung der Auslenkung ist auch im Falle von Kammelektroden gegeben, wenn die bewegliche Elektrode 61 auf das unter der Struktur angeordnete Substrat aufschlägt.
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3 zeigt geometrische Bedingungen an einem Querschnitt durch ein Elektrodenpaar eines mikromechanischen Aktors im Stand der Technik im ausgelenkten Zustand. Aus der 3 ergibt sich die Abhängigkeit der Länge l der beweglichen Elektrode zum Winkel α, dem Drehwinkel oder Winkel der Auslenkung, und der Dicke d wie folgt: l = d/tan α. Bei einem gewünschten Winkel von α = 10° und einer Dicke der Elektroden von d = 20 μm ergibt sich so beispielsweise eine maximale Länge der Elektroden von angenähert l = 113 μm. Die maximal erreichbare Kraft F kann nur über eine Verlängerung der Drehachse oder auch entsprechender Parallelschaltung mehrerer Elektroden bzw. Antriebsmittel erhöht werden, was jedoch die benötigte Grundfläche der Struktur auf dem Substrat erhöht.
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Die 4.1 bis 4.6 zeigen verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer mikromechanischer Aktoren in Ruhelage und ausgelenkt.
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In der 4.1 ist dazu ein erfindungsgemäßer mikromechanischer Aktor gemäß einer ersten Ausführungsform in Ruhelage abgebildet. Der mikromechanische Aktor weist ein Substrat 100 auf, auf dem eine feste Elektrode 62 angeordnet ist. Über dem Substrat 100 sind eine Welle 10 und eine bewegliche Elektrode 61 angeordnet. Die bewegliche Elektrode 61 und die feste Elektrode 62 bilden zusammen ein erstes Antriebsmittel 21. die bewegliche Elektrode 61 als Teil des ersten Antriebsmittels 21 ist mit der Welle 10 mittels eines ersten Gelenks 31 verbunden. Das Gelenk kann beispielsweise als flexible Feder vorgesehen sein. Das erste Gelenk 31 ist dabei mit einem ersten Hebel 41 verbunden, welcher wiederum mit der Welle 10 fest verbunden ist. Alternativ kann das erste Gelenk 31 auch direkt mit der Welle 10 in einem Abstand von der Drehachse der Welle 10 verbunden sein. Die bewegliche Elektrode 61 und die feste Elektrode 62 sind als Kammelektroden ausgestaltet. Das Gelenk 31 ist als flexible, zumindest teilweise leitfähig ausgelegte Verbindung ausgestaltet. Die zumindest teilweise leitfähig ausgelegte Verbindung gewährleistet dabei eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der beweglichen Elektrode 61 und der Welle 10. Hier dargestellt ist ein erster Betriebszustand des mikromechanischen Aktors, die Ruhelage.
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In der 4.2 ist dazu der erfindungsgemäße mikromechanische Aktor gemäß der ersten Ausführungsform im ausgelenkten Zustand abgebildet. Der ausgelenkte Zustand stellt einen zweiten Betriebszustand des mikromechanischen Aktors dar. In diesem Zustand ist die Welle 10 in einer ersten Drehrichtung gedreht. Infolge einer angelegten elektrischen Spannung werden dabei, wie bereits oben im Stand der Technik dargestellt, die als Kammelektroden ausgestalteten ersten und zweiten Elektroden 61 und 62 des ersten Antriebsmittels 21 infolge einer elektrostatischen Kraft ineinander gezogen. Durch das erfindungsgemäße Gelenk 31 ist es aber, abweichend vom Stand der Technik, nun möglich, die bewegliche Elektrode 61 nicht unter einem von Null verschiedenen Winkel sondern parallel zur festen Elektrode 61 und zum Substrat 100 zur festen Elektrode hinzuziehen bzw. hineinzuziehen.
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In den 4.3 und 4.4 ist ein erfindungsgemäßer mikromechanischer Aktor gemäß einer zweiten Ausführungsform in Ruhelage und im ausgelenkten Zustand abgebildet. Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel ist hier eine Verankerung 50 vorgesehen, die auf dem Substrat 100 befestigt ist. Weiterhin ist ein zweiter Hebel 42 vorgesehen. Das erste Antriebsmittel 21 ist mittels eines dritten Gelenkes 33 mit dem einen Ende des zweiten Hebels 42 verbunden. Die Verankerung 50 ist mittels eines vierten Gelenks 34 mit dem anderen Ende des zweiten Hebels 42 verbunden.
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In den 4.5 und 4.6 ist ein erfindungsgemäßer mikromechanischer Aktor gemäß einer dritten Ausführungsform in Ruhelage und im ausgelenkten Zustand abgebildet. Im Unterschied zu den vorigen Ausführungsbeispielen ist zunächst dem ersten Antriebsmittel 21 gegenüberliegend an der Welle 10 ein zweites gleichartiges Antriebsmittel 22 vorgesehen, welches der Auslenkung in die entgegengesetzte Drehrichtung dient. Das zweite Antriebsmittel 22 ist mittels eines zweiten Gelenks 32 in der gleichen Art wie das erste Antriebsmittel 21 mit der Welle 10 verbunden. Die Darstellung des Bereichs des Aktuators mit dem zweiten Antriebsmittel ist nur teilweise ausgeführt. Die Darstellung zum ersten Antriebsmittel 21 gilt jedoch genauso für das zweite Antriebsmittel 22. Wie für das erste Antriebsmittel 21 gezeigt, sind das erste und zweite Antriebsmittel 21 und 22 mittels eines dritten Gelenkes (33) direkt mit einer Verankerung (50) verbunden ist.
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Das zweite Antriebsmittel 22 kann aber auch die Auslenkung in der ersten Drehrichtung unterstützen, indem die ersten und zweiten Elektroden des zweiten Antriebsmittels mit gleichartigen Ladungen beaufschlagt werden.
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In einem anderen Betriebszustand kann auch an das erste Antriebsmittel 21 und das zweite Antriebsmittel 22 gleichermaßen mit einer Spannung U beaufschlagt werden um eine translatorische Auslenkung der Welle 10, in Bezug auf das Substrat 100 ohne Drehung zu bewirken. Translatorische und rotatorische Auslenkung lassen sich auch in einem weiteren Betriebszustand kombinieren.
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Weiter Ausführungsformen der Erfindung, insbesondere auch andere Kombinationen der der erfindungsgemäßen Gelenke und deren Anordnung sind denkbar.
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Die Form und Länge der beschriebenen Hebel 41 oder auch 42 kann der gewünschten Anwendung gemäß angepaßt werden, wie auch die Verankerung 50 an das Substrat 100. Insbesondere lassen sich hierdurch Drehmoment und Drehwinkel anpassen. Denkbar ist beispielsweise auch, das dritte Gelenk 33 als eine anders ausgeführte, längere Feder vorzusehen, die bei Bedarf zudem die elektrische Isolation zum Substrat 50 gewährleistet oder auch ohne eigene Verankerung 50 direkt an dem Substrat 100 befestigt ist. Alternativ läßt sich die Erfindung auch für flächige Elektroden anstelle von Kammelektroden einsetzen. In diesem Fall ist die feste Gegenelektrode 62 auf dem Substrat 100 strukturiert und durch Anlegen einer elektrischen Spannung U verringert sich lediglich der Abstand zwischen den beiden Elektroden. Die maximale Auslenkung ergibt sich bei mechanischem Kontakt der Elektroden 61 und 62. Weiterhin kann eines oder mehrere der erfindungsgemäßen Gelenke 31, 32, 33, 34 auch elastisch oder in sonstiger Art flexibel ausgestaltet sein, derart, daß es längenveränderlich ist und somit eine translatorische Beweglichkeit des ersten oder auch zweiten Antriebsmittels 21, 22, insbesondere eine translatorische Beweglichkeit der beweglichen Elektrode 61, in Bezug auf die Welle 10 ermöglicht.
