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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrospiegelvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Mikrospiegelvorrichtung.
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Mikrospiegel finden vielfältige Anwendung, etwa in Barcode-Scannern, in Projektoren oder in Fahrzeugscheinwerfern. Die Mikrospiegel sind hierzu mit einer hohen Frequenz um eine oder um zwei Achsen herum auslenkbar bzw. verschwenkbar. Aus der Druckschrift
DE 10 2012 219 591 A1 ist eine Mikrospiegelanordnung bekannt, wobei eine Mikrospiegelplatte mittels gerader Verbindungsstücke an einem Substrat aufgehängt ist. An dem Verbindungsstück sind Biegeaktoren befestigt, welche in Schwingung versetzbar sind und dadurch die Mikrospiegelplatte selbst auslenkbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Mikrospiegelvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Mikrospiegelvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
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Demnach betrifft die Erfindung eine Mikrospiegelvorrichtung mit einem Substrat, einer äußeren Rahmeneinrichtung, einer inneren Rahmeneinrichtung und einer Schwingplatte. Die äußere Rahmeneinrichtung ist mittels einer ersten Aufhängeeinrichtung entlang einer ersten Schwingachse mit dem Substrat verbunden und ist um die erste Schwingachse herum auslenkbar. Die innere Rahmeneinrichtung ist mittels einer zweiten Aufhängeeinrichtung entlang der ersten Schwingachse mit der äußeren Rahmeneinrichtung verbunden. Die Schwingplatte weist einen Mikrospiegel auf und ist mittels einer dritten Aufhängeeinrichtung entlang einer zweiten Schwingachse mit der inneren Rahmeneinrichtung verbunden. Die erste Schwingachse steht senkrecht zu der zweiten Schwingachse. Die innere Rahmeneinrichtung weist auslenkbare Auslenkelemente auf, wobei die Schwingplatte durch eine Auslenkung der Auslenkelemente relativ zu der äußeren Rahmeneinrichtung auslenkbar ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Betreiben einer Mikrospiegelvorrichtung, wobei die äußere Rahmeneinrichtung um die erste Schwingachse herum ausgelenkt wird und die Schwingplatte relativ zu der äußeren Rahmeneinrichtung durch Auslenken der Auslenkelemente ausgelenkt wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung stellt einen zweidimensional auslenkbaren Mikrospiegel bereit. Durch Auslenken der Auslenkelemente wird der Mikrospiegel vorzugsweise um die zweite Schwingachse herum ausgelenkt, das heißt senkrecht zu den Verbindungselementen zwischen der inneren Rahmeneinrichtung und der äußeren Rahmeneinrichtung. Die Beanspruchung der inneren Rahmeneinrichtung, das heißt die wirkenden Scherkräfte und Torsionskräfte, fällt deutlich geringer aus, als dies der Fall wäre, wenn der Schwingspiegel um die erste Schwingachse herum ausgelenkt werden würde, etwa durch eine Verbindung von Schwingplatte und innerer Rahmeneinrichtung entlang der ersten Schwingachse. Durch die um 90° versetzte Aufhängung der Schwingplatte an der inneren Rahmeneinrichtung im Vergleich zur Aufhängung der inneren Rahmeneinrichtung an der äußeren Rahmeneinrichtung wird dadurch ein robuster Aufbau garantiert, wobei die auftretenden Kräfte reduziert werden. Durch die geringere Auslenkung und dadurch geringere Belastung insbesondere der inneren Rahmeneinrichtung wird die Lebenszeit der Mikrospiegelvorrichtung deutlich verlängert, wobei gleichzeitig die Stellzeit der Mikrospiegelvorrichtung verkürzt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Mikrospiegelvorrichtung umfassen die Auslenkelemente erste Auslenkelemente und zweite Auslenkelemente, wobei die ersten Auslenkelemente bezüglich der zweiten Auslenkelemente symmetrisch zu der zweiten Schwingachse an der inneren Rahmeneinrichtung angeordnet sind. Die Schwingplatte ist durch eine gegenläufige Auslenkung der ersten Auslenkelemente relativ zu den zweiten Auslenkelementen um die zweite Schwingachse herum in Schwingung versetzbar. Die erfindungsgemäße Anordnung der Auslenkelemente ermöglicht eine Auslenkung der Schwingplatte um die zweite Schwingachse herum, zusätzlich zu einer Auslenkung der Schwingplatte um die erste Schwingachse herum, wobei die auf die Mikrospiegelvorrichtung wirkende Kraft minimiert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Mikrospiegelvorrichtung weist das Substrat eine Kaverne auf, wobei die erste Aufhängeeinrichtung ein erstes Aufhängeelement und ein zweites Aufhängeelement aufweist, welche auf gegenüberliegenden Seiten der Kaverne entlang der ersten Schwingachse das Substrat mit der äußeren Rahmeneinrichtung verbinden. Das erste Aufhängeelement und das zweite Aufhängeelement befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten der Schwingplatte. Das erste und das zweite Aufhängeelement stellen somit eine Aufhängung der äußeren Rahmeneinrichtung bereit, welche eine Auslenkung bzw. Drehung der äußeren Rahmeneinrichtung ermöglicht und gleichzeitig eine Bewegung der inneren Rahmeneinrichtung relativ zur äußeren Rahmeneinrichtung im Wesentlichen von einer Bewegung der äußeren Rahmeneinrichtung selbst entkoppelt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Mikrospiegelvorrichtung weist die zweite Aufhängeeinrichtung ein drittes Aufhängeelement und ein viertes Aufhängeelement auf, welche auf gegenüberliegenden Seiten der Schwingplatte entlang der ersten Schwingachse die äußere Rahmeneinrichtung mit der inneren Rahmeneinrichtung verbinden. Das dritte und das vierte Aufhängeelement ermöglicht eine Bewegung der inneren Rahmeneinrichtung relativ zur äußeren Rahmeneinrichtung.
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Gemäß einer Weiterbildung der Mikrospiegelvorrichtung weist die dritte Aufhängeeinrichtung ein fünftes Aufhängeelement und ein sechstes Aufhängeelement auf, welche auf gegenüberliegenden Seiten der Schwingplatte entlang der zweiten Schwingachse die innere Rahmeneinrichtung mit der Schwingplatte verbinden. Durch Drehung um das fünfte und das sechste Aufhängeelement herum kann die Schwingplatte relativ zur inneren Rahmeneinrichtung um die zweite Schwingachse herum ausgelenkt bzw. gedreht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Mikrospiegelvorrichtung weisen die Auslenkelemente jeweils ein im unausgelenkten Zustand parallel zur zweiten Schwingachse verlaufendes Balkenelement sowie eine an dem Balkenelement angeordnete träge Masse auf. Die träge Masse ist vorzugsweise durch eine Aktoreinrichtung der Mikrospiegelvorrichtung in Schwingung versetzbar und überträgt die Schwingung über das Balkenelement, die restliche innere Rahmeneinrichtung und die dritte Aufhängeeinrichtung auf die Schwingplatte, so dass diese relativ zur äußeren Rahmeneinrichtung in Schwingung versetzbar ist. Vorzugsweise sind die Massen der an den Balkenelementen angeordneten trägen Massen der Auslenkelemente gleich groß.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Mikrospiegelvorrichtung ist die träge Masse in einem äußeren Endbereich der Balkenelemente angeordnet. Dadurch werden das Trägheitsmoment und dadurch die übertragene Schwingung erhöht.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Mikrospiegelvorrichtung verjüngen sich die Balkenelemente zu ihrem Endbereich hin. Dadurch wird die Robustheit der Mikrospiegelvorrichtung zusätzlich erhöht, wobei gleichzeitig die trägen Massen gut auslenkbar sind.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Mikrospiegelvorrichtung weisen die Auslenkelemente mindestens eine piezoelektrische Schicht auf. Durch Anlegen eines elektrischen Steuersignals durch eine Steuereinrichtung der Mikrospiegelvorrichtung können die Auslenkelemente gezielt ausgelenkt und dadurch die Schwingplatte in Schwingung versetzt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schrägansicht einer Mikrospiegelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Schrägansicht eines Details der in 1 gezeigten Mikrospiegelvorrichtung zur Erläuterung der Auslenkung der Schwingplatte;
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3 eine schematische Draufsicht auf ein Auslenkelement einer Mikrospiegelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
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4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Betreiben einer Mikrospiegelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Verschiedene Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine schematische Schrägansicht einer Mikrospiegelvorrichtung 1 illustriert. In einem Substrat 2, welches vorzugsweise aus Silizium gebildet ist, ist eine Kaverne 10 ausgebildet. Eine äußere Rahmeneinrichtung 3 ist entlang einer ersten Schwingachse A1 mittels einer ersten Aufhängeeinrichtung an dem Substrat 2 angeordnet und mit diesem verbunden. Die erste Aufhängeeinrichtung umfasst ein erstes Aufhängeelement 6a an einer ersten Seite der Kaverne 10 und ein entlang der ersten Schwingachse A1 auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite der Kaverne 10 befindliches zweites Aufhängeelement 6b, welche balkenförmig ausgebildet sein können. Das erste Aufhängeelement 6a und das zweite Aufhängeelement 6b sind um die erste Drehachse A1 herum verschwenkbar/verwindbar, so dass die äußere Rahmeneinrichtung 3 um die erste Schwingachse A1 herum auslenkbar bzw. drehbar ist.
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Die äußere Rahmeneinrichtung 3 hat die Form eines Rechtecks, wobei im Inneren des Rechtecks ein ebenfalls rechteckförmiger Bereich freigestellt ist. Im Inneren dieses freigestellten Bereichs ist eine innere Rahmeneinrichtung 5 angeordnet, welche mittels einer zweiten Aufhängeeinrichtung mit der äußeren Rahmeneinrichtung 3 verbunden ist. Die zweite Aufhängeeinrichtung umfasst ein drittes Aufhängeelement 7a und ein entlang der ersten Schwingachse A1 diesem gegenüberliegendes viertes Aufhängeelement 7b, welche balkenförmig ausgebildet sein können. Die innere Rahmeneinrichtung 5 ist spangenförmig um eine Schwingplatte 4 herum angeordnet und mittels einer dritten Aufhängeeinrichtung, bestehend aus einem fünften Aufhängeelement 8a und einem sechsten Aufhängeelement 8b mit der Schwingplatte 4 verbunden. Das fünfte Aufhängeelement 8a und das auf einer gegenüberliegenden Seite der Schwingplatte befindliche sechste Aufhängeelement 8b liegen auf einer zweiten Drehachse A2, welche senkrecht zur ersten Drehachse A1 steht, so dass das fünfte Aufhängeelement 8a und das sechste Aufhängeelement 8b gegenüber dem ersten Aufhängeelement 6a und dem zweiten Aufhängeelement 6b sowie gegenüber dem dritten Aufhängeelement 7a und vierten Aufhängeelement 7b um 90 Grad versetzt sind.
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Die Form der inneren Rahmeneinrichtung 5 sowie der äußeren Rahmeneinrichtung 3 ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. So können die innere Rahmeneinrichtung 3 und/oder die äußere Rahmeneinrichtung 5 auch kreisringförmig oder in Form eines viereckigen oder vieleckigen Ringes ausgebildet sein.
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Die Schwingplatte 4 weist mindestens einen Mikrospiegel auf, welcher zum Ablenken von Licht ausgebildet ist. Vorzugsweise sind die äußere Rahmeneinrichtung 3, die innere Rahmeneinrichtung 5 und/oder die Schwingplatte 4 einstückig ausgebildet.
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An der inneren Rahmeneinrichtung 5 sind zwei erste Auslenkelemente 91, 92 und zwei zweite Auslenkelemente 93, 94 angeordnet. Die zwei ersten Auslenkelemente 91, 92 sind zueinander achsensymmetrisch bezüglich der ersten Schwingachse A1 angeordnet und die beiden zweiten Auslenkelemente 93, 94 sind ebenfalls achsensymmetrisch bezüglich der ersten Schwingachse A1 relativ zueinander angeordnet. Die ersten Auslenkelemente 91, 92 sind in Kombination achsensymmetrisch bezüglich der zweiten Schwingachse A2 relativ zu den zweiten Auslenkelementen 93, 94 angeordnet.
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Die Auslenkelemente 91 bis 94 weisen jeweils ein Balkenelement 91a bis 94a auf, welches angrenzend an das dritte Aufhängeelement 7a bzw. vierte Aufhängeelement 7b an der inneren Rahmeneinrichtung 5 angeordnet ist und sich parallel zur zweiten Schwingachse A2 erstreckt. In einem äußeren Endbereich der Balkenelemente 91a bis 94a ist jeweils ein träge Masse 91b bis 94b angeordnet, welche vorzugsweise parallel zur ersten Schwingachse A1 balkenförmig verläuft.
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Die äußere Rahmeneinrichtung 3 ist durch eine Steuereinrichtung der Mikrospiegelvorrichtung 1 in Schwingung versetzbar. Insbesondere kann die äußere Rahmeneinrichtung 3 mindestens eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material und/oder magnetoresistiven Material und/oder Thermoeffektmaterial und/oder Formgedächtnismaterial umfassen. Ein piezoelektrisches Material kann insbesondere Blei-Zirkon-Titanat (PZT) umfassen. Ein Thermoeffektmaterial kann beispielsweise Siliziumcarbid oder Nickel sein. Im Falle eines piezoelektrischen Materials kann die Steuereinrichtung mittels eines elektrischen Signals durch Wechselwirkung der mindestens einen Schicht, welche als Elektrode dient, und einer in oder an einem Boden der Kaverne 10 des Substrats 2 angeordneten Gegenelektrode ein Drehmoment auf die äußere Rahmeneinrichtung 3 übertragen und diese um die erste Schwingachse A1 auslenken.
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Weiter sind die Auslenkelemente 91 bis 94 durch die Steuereinrichtung auslenkbar bzw. in Schwingung versetzbar. Die Auslenkelemente 91 bis 94 und insbesondere die trägen Massen 91b bis 94b können mindestens eine Schicht aus einem der oben für die äußere Rahmeneinrichtung genannten Materialien aufweisen. Die Mikrospiegelvorrichtung kann weitere entsprechende Gegenelektroden in oder an dem Substrat 2 aufweisen, über welche die Steuereinrichtung die Auslenkelemente 91 bis 94 gezielt in Schwingung versetzen kann.
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Der Rahmen 3 kann auch als Spulenträger dienen. Die Spule kann über die Aufhängeelemente 6a, 6b mit Strom versorgt werden. Befindet sich die Mikrospiegelvorrichtung 1 in einem Dauermagnetfeld (z.B. durch eine äußere Spule oder einen Dauermagneten, hier nicht dargestellt), so kann das System durch die elektromagnetische Kraft ausgelenkt werden. Die Spule kann dabei vorzugsweise als Planarspule ausgebildet werden.
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In 2 ist eine Schrägansicht der Mikrospiegelvorrichtung 1 illustriert, wobei das Substrat 2 nicht mit abgebildet ist. Durch entsprechendes Ansteuern durch die Steuereinrichtung werden die ersten Auslenkelemente 91, 92 relativ zu den zweiten Auslenkelementen 93, 94 um die zweite Schwingachse A2 herum in Schwingung versetzt. Wenn die ersten Auslenkelemente 91, 92 entlang einer senkrecht zu einer Substratoberfläche des Substrats 2 stehenden z-Achse, das heißt aus der Kaverne 10 heraus ausgelenkt werden, werden die gegenüberliegenden zweiten Auslenkelemente 93, 94 entgegen der z-Achse, das heißt in die Kaverne 10 hinein ausgelenkt. Die Steuereinrichtung ist somit dazu ausgebildet, die ersten Auslenkelemente 91, 92 gegenläufig zu den zweiten Auslenkelementen 93, 94 auszulenken. Die Auslenkung der Auslenkelemente 91 bis 94 erzeugt einen rotatorischen Gegenimpuls der Schwingplatte 4 um die zweite Schwingachse A2 herum.
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Zusätzlich kann die äußere Rahmeneinrichtung 3 und damit auch die Schwingplatte 4 um die erste Schwingachse A1 herum gedreht bzw. ausgelenkt werden, so dass der Mikrospiegel der Mikrospiegelvorrichtung 1 in zwei Richtungen gleichzeitig geschwenkt bzw. ausgelenkt werden kann.
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In 3 ist ein Auslenkelement 75 einer Mikrospiegelvorrichtung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert. Das Auslenkelement 95 weist ein Balkenelement 95a auf, welches sich zu ihrem äußeren Endbereich hin verjüngt und an diesem äußeren Endbereich eine träge Masse 95b aufweist. Die Mikrospiegelvorrichtung 1 kann ein oder mehrere der gezeigten Auslenkelemente 95, insbesondere anstelle der in 1 illustrierten Auslenkelemente 91 bis 94 aufweisen. Die Anzahl, Anordnung und Form der Auslenkelemente 91 bis 94 ist nicht auf die in 1 gezeigte Ausführungsform beschränkt, so dass insbesondere mehr als vier oder auch weniger als vier Auslenkelemente an der inneren Rahmeneinrichtung 5 angeordnet sein können.
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In 4 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Betreiben einer Mikrospiegelvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert. In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird die äußere Rahmeneinrichtung 3 der Mikrospiegelvorrichtung 1 um die erste Schwingachse A1 herum ausgelenkt. Die Auslenkung kann insbesondere mittels der oben beschriebenen Steuereinrichtung durchgeführt werden.
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In einem zweiten Schritt S2 wird die Schwingplatte 4 durch Auslenken der Auslenkelemente 91 bis 94 relativ zu der äußeren Rahmeneinrichtung ausgelenkt. Die Auslenkung der Auslenkelemente 91 bis 94 kann wiederum durch die oben beschriebene Steuereinrichtung durchgeführt werden. Vorzugsweise erfolgt das Auslenken der äußeren Rahmeneinrichtung 3 mit einer ersten Frequenz, welche kleiner ist als eine zweite Frequenz, mit welcher die Schwingplatte 4 ausgelenkt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012219591 A1 [0002]
