DE19523886A1 - Mikro-Schwenk-Aktuator und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikro-Schwenk-Aktuator und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Schwenkbare Spiegelanordnungen sind in vielfältiger Form bereits bekannt.

In der DE 42 24 599 wird eine elektrostatische Ablenkeinheit beschrieben. Grundlage bildet ein plättchenförmiges schwenk­ bares Element, welches durch die Realisierung in einer Sand­ wich-Struktur oder durch Ausnehmungen zwischen verbleibenden stegartigen Bereichen in seiner Masse verringert wurde. Die Aufhängung erfolgt über zwei an diagonal gegenüberliegenden Ecken angebrachte Biegebalken. Gehalten wird dieses Element in einem Rahmen.

Eine weitere Lösung enthält die DD 2 98 856 zweidimensionale mikromechanische Bewegungseinrichtung. Die Drehplatte wird dabei mittig auf einer Spitze, die sich auf der Grundplatte befindet, gelagert und über vier Federelemente im Ausgangs­ zustand parallel zur Grundplatte gehalten. Die gesamte Ein­ richtung ist ebenfalls in einem Rahmen angeordnet. Diese Lösungen beinhalten Einzelkippvorrichtungen, die damit in ihrer Anwendung durch die festgelegte Kippfläche begrenzt sind. Weiterhin erfolgt das Kippen einer relativ großen Fläche, so daß eine weitere Einschränkung in der Dynamik gegeben ist.

Die EP 0 040 302 enthält eine optische Strahlablenkungseinheit. Hierbei wird eine plättchenförmige Ablenkeinheit, die aus Silizium gefertigt ist, über zwei einseitige Drehfedern elektrostatisch gegenüber einer Grundplatte gekippt. Weiterhin werden parallele oder nichtparallele Mehrfachanordnungen dieser plättchenförmigen Ablenkeinheit vorgestellt. Diese werden dabei einzeln von Rahmen eng umschlossen.

Der Nachteil liegt hierbei ebenfalls in der großflächigen Realisierung einer Kippvorrichtung. Damit ergeben sich Einschränkungen bei der Dynamik.

Lösungen, die ohne Rahmen auskommen sind in den

• - EP 0 463 348 Bistabiler DMD-Ansteuerschaltkreis und Ansteuerverfahren und
• - EP 0 469 293 Mehrschichtige verformbare Spiegelstruktur zu finden. Hierbei werden plättchenförmige Spiegel um die Symmetrieachsen gekippt.

Diese Lösungen besitzen den Nachteil einer großen Masse und einem großen Massenträgheitsmoment bezogen auf die geometrische Achse.

Die Veröffentlichung Digitales Spiegelarray für TV, Michael A. Mignardi, Solid State Technology, Juli 1994, S. 63 bis 66 enthält ebenfalls eine Mehrfachspiegelanordnung, wobei die Einzelspiegel diagonal an zwei Ecken an Pfeilern aufgehängt sind. Die Einzelspiegel kippen über die Diagonale wie in der DE 42 24 599.

Diese Lösung ist nur für eine Punktdarstellung geeignet.

Der in den Patentansprüchen 1 und 11 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, kürzeste Stellzeiten mit einem kleinen und hochdynamischen Multifunktionsblock zu realisieren und dessen Herstellung zu ermöglichen.

Dieses Problem wird mit den in den Patentansprüchen 1 und 11 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch eine Aufteilung der gesamten Schwenkfläche in einzelne parallel zueinander angeordnete, bandförmige und bewegliche Elektroden die Dynamik der Stellvorgänge durch die geringeren Massen und damit des geringeren Massenträg­ heitsmomentes bezogen auf die geometrische Achse wesentlich erhöht werden kann. Pro bandförmige und bewegliche Elektrode sind damit weiterhin geringere Feldstärken zur Bewegung notwendig. Mit der Anordnung von Elektroden, die als Gegen­ elektroden wirken, sowohl auf dem Grundkörper als auch auf der Deckplatte können die notwendigen Verstellkräfte und damit die notwendigen Felder für eine Bewegung weiter reduziert werden.

Durch den Einsatz von Stützelementen wird eine Durchbiegung und damit eine Verfälschung des Stellergebnisses weitestgehend verhindert.

Die einzelnen bandförmigen und beweglichen Elektroden können unabhängig voneinander bewegt werden, so daß bei einer Gestaltung der bandförmigen und beweglichen Elektroden als Spiegel der reflektierte Strahl nicht nur abgelenkt, sondern auch fokussiert oder aufgeweitet werden kann. Mit dem Einsatz schmaler Spiegel­ flächen als bandförmige und bewegliche Elektrode sind größere Ablenkwinkel als beim Einsatz großflächiger Kippspiegel bei gleichem Abstand Spiegelunterkante zu Grundkörper realisierbar. Je schmaler die bandförmigen und beweglichen Elektroden gestaltet werden, um so größere Ablenkwinkel sind realisierbar.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß diese Anordnung für eine analoge Arbeitsweise durch die geringen notwendigen Verstellkräfte der einzelnen bandförmigen und beweglichen Elektroden geeignet ist und damit beliebige Punkte einer Auftrefffläche erreicht werden können.

Mit der Anordnung mehrerer Mikro-Schwenk-Aktuatoren in einer Zeile oder Matrix ist ein großflächiges Ablenken von Strahlen, verbunden mit einer hohen Dynamik, möglich.

Damit ergeben sich besondere Anwendungsgebiete in der Projektionstechnik, bei der Realisierung von Displays, in der Interferometrie und für den Einsatz in Scannern, Plottern und Laserdruckern.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent­ ansprüchen 2 bis 10 und 12 angegeben.

Durch den Einsatz von Rahmen jeweils zwischen Träger und Grundplatte und Träger und Deckplatte nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ergibt sich eine leichtere Realisierung der einzelnen Bestandteile.

Mit dem Einsatz von verschieden gestalteten Federn nach den Weiterbildungen der Patentansprüche 3 bis 6 sind die Bewegungen der bandförmigen Elektroden zu realisieren. Der Einsatz einer einseitigen Drehfeder nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 führt zu einer Schwenk-Lagerstelle, die mit geringstem Kraftaufwand eine Bewegung der Elektrode zuläßt.

Die Weiterbildungen nach den Patentansprüchen 7 bis 10 zeigen funktionale Realisierungsvarianten auf. Durch den Einsatz von entspiegelndem Glas ist der Einsatz als Ablenkspiegeleinheit gegeben. Mit Verwendung von einkristallinem Silizium für die beweglichen Elektroden können die bekannten und bewährten Verfahren der Mikroelektronik angewandt werden. Gleichzeitig wird eine große Standzeit der Federn erreicht.

Eine funktionale Montage sichert die Realisierung nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9.

Mit dem Auftrag von Kleber auf die Montageflächen vor dem Zusammenfügen der einzelnen Bestandteile nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12, entsteht gleichzeitig mit der Montage der Mikro-Schwenk-Aktuator.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 Mikro-Schwenk-Aktuator,

Fig. 2 Prinzipdarstellung der bandförmigen und beweglichen Elektroden,

Fig. 3 Träger mit den bandförmigen und beweglichen Elektroden und

Fig. 4 Varianten von Schwenk-Lagerstellen.

Den prinzipiellen Aufbau des Mikro-Schwenk-Aktuators zeigt die Fig. 1. Ein Schnitt im Gesamtaufbau zeigt die Lage der bandförmigen und beweglichen Elektroden 2, wobei der Träger 1 aufgeschnitten dargestellt ist.

Basis des gesamten Aufbaus bildet der Grundkörper 4. Auf diesem sind Elektroden 9, Stützelemente in Form von Pfeilern 7 und Pads 8, die elektrisch leitend mit den Elektroden 9 verbunden sind, angeordnet.

Die Pads 8 dienen der Kontaktierung des gesamten Mikro- Schwenk-Aktuators.

Diese Strukturen können sowohl additiv als auch subtraktiv aufgebracht werden. Die Anzahl der Elektroden 9 entspricht dabei der Anzahl der bandförmigen und beweglichen Elektroden 2 im Verhältnis 2 zu 1. Die Pfeiler 7 befinden sich zwischen den Elektroden 9. Auf dem Grundkörper 4 ist mindestens ein Rahmen 3 angeordnet, der den Träger 1 mit den bandförmigen und beweglichen Elektroden 2 trägt und aus einem elektrisch nichtleitenden Material besteht. Die Höhe der Pfeiler 7 auf dem Grundkörper 4 bestimmt den Ablenkwinkel. Danach richten sich die Dicken der Rahmen 3. Die bandförmigen und beweglichen Elektroden 2 sind über einseitige Drehfedern 12 entsprechend der Darstellung in der Fig. 2 mit dem Träger 1 verbunden. Weiterhin weisen diese in Längsrichtung weitere Federn, deren Zentren fest mit den Pfeilern 7 verbunden sind, auf. In den Fig. 1 bis 3 sind die, die bandförmigen und beweglichen Elektroden 2 am Träger 1 haltenden einseitigen und die in Längsrichtung vorhandenen doppelseitigen Drehfedern 11 dargestellt. Diese Anordnung in Verbindung mit den abstützenden Pfeilern 7 auf dem Grundkörper 4 verhindert weitestgehend ein Durchbiegen der bandförmigen und beweglichen Elektroden 2, so daß eine Verfälschung von reflektierten Lichtstrahlen beim Einsatz als Ablenkspiegel weitestgehend vermieden wird. Der Träger 1 einschließlich der bandförmigen und beweglichen Elektroden 2 besteht aus Silizium, so daß eine Herstellung mit den Verfahren der Mikroelektronik leicht zu realisieren ist.

Die Elektroden 9 auf dem Grundkörper 4 und die bandförmigen und beweglichen Elektroden 2 sind so angeordnet, daß diese parallel verlaufen. Werden diese mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, werden die bandförmigen und beweglichen Elektroden 2 durch die sich damit aufbauenden elektrostatischen Kräfte je nach Polarität angezogen.

Alle eingesetzten Elektroden 2 und 9 sind mit einer elektrischen Isolierschicht überzogen. Damit können keine elektrischen Kurzschlüsse zwischen den bandförmigen und beweglichen Elektroden 2 und den Elektroden 9 auf dem Grundkörper 4 bei einer Berührung auftreten. Das Nichtberühren wird zweckmäßigerweise durch die Anordnung von Anschlägen 13, die elektrisch nicht leitend sind und die Höhe der Elektroden 9 überragen, auf dem Grundkörper 4 und der Deckplatte 5 unterstützt.

Über dem Träger 1 ist mindestens ein weiterer Rahmen 3, der ebenfalls aus einem elektrisch nichtleitenden Material besteht, angeordnet, so daß eine freie Bewegung der kippenden bandförmigen und beweglichen Elektroden 2 möglich ist. Abgeschlossen wird der Mikro-Schwenk-Aktuator durch die Deckplatte 5, die aus einem lichtdurchlässigen und entspiegelten Material besteht. Besitzen die bandförmigen und beweglichen Elektroden 2 eine verspiegelte Oberfläche, entsteht damit ein dynamischer Ablenkspiegel.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch verschiedene Ausführungsformen von einzelnen Bauteilen.

Eine Auswahl von möglichen Gestaltungsformen der Federn zeigt die Fig. 4. Diese können in Form von einseitigen 12 (Fig. 4b) und doppelseitigen 11 (Fig. 4a) Drehfedern, einfachen (Fig. 4d) und doppelten (Fig. 4c) Biegefedern und Membran-, Spiral- oder Kreuzfedern (schematisch in der Fig. 4e darge­ stellt) realisiert werden. Als günstigste Varianten erweisen sich die einseitigen Drehfedern, die einseitigen Biegefedern oder die Spiralfedern, da dabei nur ein Biegebalken vorhanden ist.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist auch der Grundkörper 4 aus einem lichtdurchlässigen und entspiegelten Material gefertigt. Die bandförmigen und beweglichen Elektroden 2 besitzen dabei eine Spiegeloberfläche auf beiden Seiten. Somit wird ein doppelter Ablenkspiegel realisiert.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt die Fertigung des Mikro-Schwenk-Aktuators über eine aufeinanderfolgende Montage der Teile Grundkörper 4, Träger 1, Rahmen 3 und Deckplatte 5. Dabei werden die einzelnen Bestandteile durch den Einsatz geeigneter Kleber miteinander verbunden. Die Elektroden 9, Pfeiler 7 und Pads 8 der Deckplatte 5 und/oder des Grundkörpers 4 werden mittels bekannter Subtraktiv- oder Additivtechniken, wie sie in der Mikroelektronik eingesetzt werden, hergestellt. Der aus Silizium bestehende Träger 1 mit den bandförmigen und beweglichen Elektroden 2 wird durch den Einsatz von bekannten fotolithografischen Strukturverfahren in Verbindung mit Ätztechniken gefertigt.

Claims (12)

1. Mikro-Schwenk-Aktuator, gekennzeichnet dadurch, daß in einem Träger (1) mehrere bandförmige und bewegliche Elektroden (2) parallel zueinander angeordnet sind, daß in diese mindestens eine Schwenk-Lagerstelle (10) integriert ist, daß sich der Träger (1) zwischen einem Grundkörper (4) und einer Deckplatte (5) befindet, daß der Grundkörper (4) und/oder die Deckplatte (5) mit Stützelementen (7) entsprechend der Anzahl und der Lage der Schwenk-Lagerstellen (10) versehen ist, daß diese mit den Zentren der Schwenk-Lagerstellen (10) fest verbunden sind, daß der Grundkörper (4) und/oder die Deckplatte (5) korrespondierend zu den bandförmigen und beweglichen Elektroden (2) angeordnete Elektroden (9), die mit elektrischen Isolations­ schichten versehen und/oder daß neben den Elektroden (9) auf dem Grundkörper (4) und/oder der Deckplatte (5) Anschläge (13), die elektrisch nicht leitend sind und die Höhe der Elektroden (9) überragen, vorhanden sind, aufweist und daß auf dem Grundkörper (4) weiterhin Pads (8), die mit den Elektroden (9) und dem Träger (1) elektrisch verbunden und von außen frei zugänglich sind, angeordnet sind.

2. Mikro-Schwenk-Aktuator nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens ein Rahmen (3) zwischen dem Träger (1) und dem Grundkörper (4) oder der Deckplatte (5) angeordnet ist.

3. Mikro-Schwenk-Aktuator nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Schwenk-Lagerstellen (10) als Federn (6) ausgebildet sind.

4. Mikro-Schwenk-Aktuator nach Patentanspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Federn (6) in Richtung der Drehachse der bandförmigen und beweglichen Elektrode wechselseitig angeordnete und einseitige (12) oder doppelseitige Drehfedern (11) sind.

5. Mikro-Schwenk-Aktuator nach Patentanspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Federn (6) einfache oder doppelte quer zur Drehachse der bandförmigen und beweglichen Elektrode liegende Biegefedern sind.

6. Mikro-Schwenk-Aktuator nach Patentanspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Federn (6) als Membran-, Spiral- oder Kreuz­ federn ausgebildet sind.

7. Mikro-Schwenk-Aktuator nach den Patentansprüchen 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Grundkörper (4) und/oder die Deckplatte (5) vorzugsweise aus Glas und die bandförmigen und beweglichen Elektroden (2) und die Federn (6) vorzugsweise aus einkristallinem Silizium bestehen.

8. Mikro-Schwenk-Aktuator nach Patentanspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Grundkörper (4) und/oder die Deckplatte (5) mit entspiegelnden Schichten bedeckt sind.

9. Mikro-Schwenk-Aktuator nach Patentansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Träger (1), die Rahmen (3), die Deckplatte (5) und der Grundkörper (4) korrespondierende Aussparungen und/oder Formteile besitzen.

10. Mikro-Schwenk-Aktuator nach den Patentansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß der Träger (1) rahmenförmig ausgebildet ist und Quertraversen besitzt.

11. Verfahren zur Herstellung eines Mikro-Schwenk-Aktuators, gekennzeichnet dadurch, daß die Bestandteile Grundkörper (4), Träger (1), Deckplatte (5) und Rahmen (3) zwischen dem Träger (1) und dem Grundkörper (4) oder der Deckplatte (5) einzeln, der Grundkörper (4) mit dem Träger (1) zusammen, der Rahmen (3) und die Deckplatte (5) einzeln oder die Deckplatte (5) mit dem Träger (1) zusammen, der Rahmen (3) und der Grundkörper (4) einzeln mit additiven oder subtraktiven Verfahren hergestellt und danach montiert werden.

12. Verfahren zur Herstellung eines Mikro-Schwenk-Aktuators nach Patentanspruch 11, gekennzeichnet dadurch, daß vor der Montage ein Kleber auf die Montageflächen der einzelnen Bestandteile aufgebracht wird.