DE19526656C2

DE19526656C2 - Mikromechanische Anordnung mit in einer Trägerplatte angeordneten Klappen

Info

Publication number: DE19526656C2
Application number: DE1995126656
Authority: DE
Inventors: Werner Kulcke
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: KULCKE, WERNER, DR., 71032 BOEBLINGEN, DE
Priority date: 1995-07-21
Filing date: 1995-07-21
Publication date: 2000-04-27
Anticipated expiration: 2015-07-22
Also published as: DE19526656A1

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Anordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Diese Anordnung besteht im wesentlichen aus einer Trägerplatte mit einer Vielzahl schematisch, vorzugsweise matrixförmig an geordneter Klappen, welche mittels einer Ansteuerschaltung über Elektroden einzeln steuerbar sind. Hierbei werden diese aus einer eine Ausnehmung zunächst abdeckenden Position in eine diese weitgehend, freigebende Verdrehungslage ausgelenkt.

Die visuelle Darstellung von elektronisch übertragener Informa tion erfolgt meist, wie beim Fernsehen oder bei Computern, über Bildschirm oder Displays. Bei den Bildschirmen handelt es sich in der Regel um Kathodenstrahlröhren, die außer einer schwarz weißen auch eine farbige Darstellung erlauben. Nach neueren Entwicklungen, insbesondere bei tragbaren Computern, werden die Displays immer flacher. Für diese Displays werden meist Flüssig kristall-, Plasmazellen- oder Feldeffekt-Elektrodenemissions- Anzeigen verwendet.

Diese Anzeigen benötigen in der Regel eine externe Lichtquelle und sind für Anwendungen bei Tageslicht wenig geeignet. Von der Umgebungshelligkeit unabhängig sind solche Displays, die ihre eigene Helligkeit aus der Umgebung ableiten, die also mit re flektiertem Umgebungslicht arbeiten. Bekanntestes Beispiel für solche reflektierenden Displays ist die Flüssigkristallanzeige bei Taschenrechnern und Uhren, insbesondere Quarzarmbanduhren. Bei diesen Anzeigen kann aber nur eine schwarzweiße Wiedergabe erzielt werden.

Aus DE 42 37 296 A1 ist ein hochauflösendes Display, also eine mikromechanische Anordnung, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Dieses Display ist so lichtstark, daß es mit reflektiertem Umgebungslicht auch Farbbilder erzeugen kann. Es besteht im wesentlichen aus einer Trägerplatte, auch Membran genannt, mit einer Vielzahl von in diese eingearbeite ten, matrixförmig angeordneten Klappen. Diese mikromechanischen Klappen bilden ein zweidimensionales Raster oder Array. Jede einzelne Klappe ist über Torsionsstege mit der Trägerplatte verbunden. Die Klappen sind um diese Torsionsstege verdrehbar. Durch die Verdrehung wird der Blick auf die hinter der Membran gelegene Fläche, die jeweils einem Bildpunkt entspricht, freige geben. Die Fläche kann hierbei farbig, schwarz bzw. weiß oder transparent ausgebildet sein, je nachdem, ob sie als Farbdisplay der farbigen Wiedergabe von Bildern oder als schwarz-weiß Dis play der Darstellung z. B. variabler Balkendiagramme oder auch der Realisierung elektronischer Bücher dient. Ist die Fläche transparent, so kann das Display als Transmissions-Display oder auch als Filter bzw. zur Modulation eines Lichtstrahles verwen det werden. Ebenfalls möglich ist die Verwendung als Filter in Fernsehbrillen für dreidimensionale Bildwiedergaben.

Die Verdrehung der Klappen, die jeweils einzeln ansteuerbar sind, erfolgt mittels eines elektrostatischen Feldes, das mit Hilfe einer hinter der Klappe befindlichen Elektrode erzeugt wird. Der Drehwinkel der Klappe ist proportional zur angelegten Spannung. Da für einen Drehwinkel von 90° eine vergleichsweise hohe Spannung von etwa 100 V notwendig ist, ist die elektrische Ansteuerung schaltungstechnisch aufwendig und nicht mit ein fachen integrierten Schaltkreisen realisierbar.

Die Helligkeit eines Bildpunktes wird durch den Drehwinkel der jeweiligen Klappe bestimmt. Eine Helligkeitsänderung von 100% entspricht damit einem Drehwinkel von 90°. Bei der Verwendung des Displays als Bildschirm muß dieser Drehwinkel und damit, die notwendige Spannung über einen ganzen Bildzyklus aufrechter halten bleiben, ohne daß der betreffende Bildpunkt aufgrund des kontinuierlichen Abrasterns aller übrigen Bildpunkte adressiert bleiben kann.

Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß definierte Helligkeitsstufen schaltungstechnisch in nur recht aufwendiger Weise realisierbar sind.

Bei einem aus US 4,596,992 bekannten mikrotechnischen Display, das jedoch nicht als Reflexionsdisplay, sondern nur als Projektionsdisplay nach dem Dunkelfeldprinzip arbeitet, sind die Klappen als Spiegel ausgebildet. Wesentlicher Nachteil dieser Vorrichtung ist, daß die Klappen nur um einen sehr kleinen Winkel von etwa 15° verdreht werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mikromechanische Anordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, welche nur geringe Spannungen zur Ver drehung der Klappen benötigt und eine einfache Helligkeitssteue rung ermöglicht, welche schaltungstechnisch einfach aufgebaut sowie kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß vorliegender Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Maßnahmen zur Lösung der Aufgabe sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Grundidee vorliegender Erfindung besteht darin, daß die Verdrehung der Klappen nicht mit Hilfe eines elektrostatischen Gleichfeldes, also mit Hilfe einer Gleichspannung, sondern mit Hilfe eines elektrostatischen Wechselfeldes, also einer Wechsel spannung, erfolgt, deren Frequenz der Torsionsschwingungsfre quenz einer Klappe entspricht und deren Amplitude wegen der Resonanzaufschaukelung beträchtlich kleiner sein kann als die der sonst zur Verdrehung der Klappen erforderliche Gleichspan nung. Hierbei ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung das Verhältnis von Ansteuerzeit zu Nicht-Ansteuerzeit durch Varia tion der zeitlichen Dauer der elektrischen Wechselspannung zur Veränderung der Transmissions-, Reflexions- oder Absorptions eigenschaften steuerbar.

Nach dem Vorschlag gemäß Anspruch 2 kann jede einzelne Klappe jeweils von einer weiteren elektrischen Wechselspannung gleicher Frequenz beaufschlagt werden, welche eine gegenüber der Amplitu de der die Klappenschwingung aufbauenden Wechselspannung wesent lich niedrigere, die Klappenschwingung noch aufrechterhaltende Amplitude besitzt.

Nach dem Vorschlag gemäß Anspruch 3 kann jede Klappe mit einem Wechselfeld größerer Amplitude und einem Gleichfeld sehr, kleiner Größe beaufschlagt werden, wobei das Wechselfeld die Klappen schwingung bis zu einer solchen Amplitude aufschaukelt, daß die Klappe in die Nähe einer Halteelektrode gerät, wo eine kleine Gleichspannung ausreicht, sie in 90°-Verdrehung festzuhalten.

Bei den Maßnahmen nach den Ansprüchen 2 und 3 können bei einem Display in einfacher Weise quasistatische Anzeigen aufrecht erhalten oder auch umgeschaltet werden.

Die Schaltung und die Ausgestaltung der Elektroden sind in den Ansprüchen 4 bis 7 angegeben.

Eine besonders vorteilhafte Dimensionierung der Klappen ist Gegenstand des Anspruchs 8.

Mit den Ansprüchen 9, 10, und 11 sind Vorschläge für die Gestal tung der Ansteuerschaltung angegeben.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand in der Zeichnung darge stellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Aufsicht auf eine vergrößert dargestellte mikro mechanische Anordnung gemäß der Erfindung mit in Zeilen angeordneten symmetrischen Klappen,

Fig. 2a Aufsicht auf eine vergrößert dargestellte Zeile der Anordnung gemäß Fig. 1 mit vier Klappen in verschiedenen Drehzuständen,

Fig. 2b Seitenansicht einer vergrößert dargestellten Zeile von Klappen gemäß Pfeilrichtung A in Fig. 2a gesehen,

Fig. 3a Aufsicht auf eine Klappe gemäß Fig. 2a in ver größerter Darstellung,

Fig. 3b Schnittdarstellung einer Klappe entlang der Li nie 3b-3b in Fig. 3a,

Fig. 4 Aufsicht auf eine asymmetrische Klappe eines weiteren Ausführungsbeispiels,

Fig. 5a Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteu erschaltung mit Eingangs- und Ausgangssignalen zum Betrieb eines dynamisch arbeitenden Dis plays,

Fig. 5b Schaltungsanordnung zur Realisierung der erfin dungsgemäßen Ansteuerschaltung nach Fig. 5a,

Fig. 6 Zeitdiagramme der Signale an den Punkten A, B und D der Ansteuerschaltung sowie der Spannung U_G am Gate des der Steuerung dienenden Feldeffekt transistors,

Fig. 7a Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteu erschaltung, mit Eingangs- und Ausgangssignalen zum Betrieb einer ersten Ausführungsform eines statisch arbeitenden Displays,

Fig. 7b Schaltungsanordnung zur Realisierung der erfin dungsgemäßen Ansteuerschaltung nach Fig. 7a,

Fig. 8a Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteu erschaltung mit Eingangs- und Ausgangssignalen zum Betrieb einer zweiten Ausführungsform eines statisch arbeitenden Displays,

Fig. 8b Schaltungsanordnung zur Realisierung der erfin dungsgemäßen Ansteuerschaltung nach Fig. 8a und

Fig. 9 Aufsicht auf eine asymmetrische Klappe für nied rige Torsionsschwingungsfrequenzen nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine mikromechanische Anordnung mit in Zeilen 10a, 10b und 10c nebeneinander angeordneten Klappen 11. Die Klappen 11 sind in eine aus einer Membran bestehende Trägerplatte 2 eingearbeitet. Jede Klappe 11 weist zwei Flügel 3A, B auf, welche miteinander über einen mittleren Quersteg 3C und dieser über zwei Torsionsstege 4A, B mit der Trägerplatte 2 verbunden sind. Hierdurch ist jede Klappe 11 um eine Drehachse 12, die die ge meinsame Mittellinie der beiden Torsionsstege 4A, B bildet, ver drehbar.

In Fig. 2a ist ein Ausschnitt einer Zeile, z. B. der Zeile 10a aus Fig. 1, in Aufsicht vergrößert dargestellt. Die vier Klap pen 11, 11', 11", 11''' sind in unterschiedlichen Drehzuständen gezeigt, wobei die beiden Klappen 11 und 11''' nicht verdreht, die Klappe 11" um 90° und die Klappe 11' um 40° verdreht sind. Je nach Drehzustand geben die Klappen 11, 11', 11", 11''' die Sicht auf eine hinter diesen liegende Rückplatte 5 mehr oder weniger frei. Die Rückplatte 5 kann reflektierend, absorbierend oder transparent ausgebildet sein.

Die Fig. 2b zeigt in der Pfeilrichtung A der Fig. 2a die Sei tenansicht auf diese vier Klappen. Dabei ist in Fig. 2b - an ders als in Fig. 2a gezeichnet - die Trägerplatte 2 zu beiden Seiten der Klappen Holmen 7 gehalten, die auch die Front platte 1 und die Rückplatte 5 tragen. Die normale Blickrichtung auf das Klappenarray ist durch den Pfeil B angedeutet. In der Seitenansicht gemäß Fig. 2b ist die um 90° verdrehte Klappe 11" mit ihrer gesamten Fläche zu sehen, während die nicht ver drehten Klappen 11 und 11''' nur mit ihrer Schmalseite sichtbar sind.

In Fig. 3a ist eine einzelne Klappe 11 der Fig. 2a vergrößert dargestellt. Hinter dem rechten Flügel 3A der Klappe 11 befindet sich eine dreieckförmige Elektrode (Steuerelektrode) 6. Wie Fig. 3b zeigt, ist die Elektrode 6 auf der Rückplatte 5 angeordnet. Ist die Rück platte 5 transparent, bestehen die Elektroden 6 zweckmäßiger weise aus transparentem Indium-Zinnoxid. Andernfalls können normale Metallelektroden verwendet werden.

In Fig. 4 ist eine asymmetrische Klappe 11a eines weiteren Ausführungsbeispiels dargestellt. Bei diesem ist der rechte Flügel 3A der Klappe 11a größer als der linke Flügel 3B. Durch die asymmetrische Form der Klappe 11a ergibt sich ein größeres Trägheitsmoment als bei den symmetrischen Klappen 11 gemäß Fig. 1, 2 oder 3, welches eine kleinere Torsionsschwingungsfrequenz f_t der Klappe 11a gegenüber derjenigen einer symmetrischen Klap pe 11 zur Folge hat.

Fig. 5a zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen An steuerschaltung zur elektronischen Betätigung der Klappen 11 eines dynamisch veränderbaren Displays, z. B. für die Wiedergabe von Fernsehbildern. Hierbei erhält jeder Bildpunkt aus dem Video signal einen Helligkeitswert vermittelt, den er durch eine mehr oder weniger lange Drehschwingung innerhalb der Bildperiode realisiert.

Gemäß dem Blockschaltbild nach Fig. 5a wird einer Schalteinheit S über deren Eingang A eine konstante Wechselspannung U_W zu geführt. Über den Eingang B wird der Schalteinheit S ein negati ver Startimpuls I_S zur Steuerung der Klappe 11 zugeführt. Die Schalteinheit S bildet aus den Signalen an A und B die Start spannung U_S, die vom Ausgang D an die Elektrode 6 der Klappe (Drehklappe) 11 geleitet wird. Die Drehklappe 11 ist über den Anschluß E geerdet.

Es ist hervorzuheben, daß die zeitliche Dauer des Startimpulses I_S am Eingang B der Periode des Videosignals entspricht. Sie ist daher wesentlich kürzer als die Schwingungsdauer der Drehklappe 11 oder gar die Dauer deren Aktivierung. Die Dauer der Aktivierung der Drehklappe 11 beträgt, je nach gewünschter Hellig keit des Bildpunktes, einen Bruchteil der Periode des Bildwech sels. Im Mittel wäre sie bei einem Videogerät also etwa 10⁵ mal länger als die Dauer des Startimpulses. Die zeitliche Dauer der Startspannung U_S kann daher nicht in der zeitlichen Dauer des Startimpulses I_S kodiert sein. Vielmehr bestimmt die Höhe des Startimpulses I_S die Dauer der Startspannung U_S, wie mit Doppel pfeilen an I_S und U_S angedeutet ist.

Fig. 5b zeigt die Schaltung der Schalteinheit S. Bei dieser ist der Eingang A über einen Widerstand 20 einertseits mit dem Drain- Eingang 60D eines N-Kanal-Feldeffekttransistors 60 und anderer seits mit dem Ausgang D verbunden. Der Source-Eingang 60S des N-Kanal-Feldeffekttransistors 60 ist einerseits mit dem geerde ten Eingang C und andererseits mit dem Ausgang E verbunden. Der Gate-Eingang 60G des N-Kanal-Feldeffekttransistors 60 ist über eine Diode 50 mit dem Eingang B verbunden. Der Gate-Eingang 60G ist ferner über einen Kondensator 40 und einen hochohmigen Wider stand 30, die als RC-Glied parallelgeschaltet sind, geerdet.

Im folgenden ist die Funktionsweise der erfindungsgemäßen An ordnung näher beschrieben.

Die in Fig. 5a eingezeichnete Auslenkung α (t) der Klappe 11 der mikromechanischen Anordnung aus ihrer Ruhelage erfolgt elek trostatisch. Zu diesem Zweck ist an die jeweilige Elektrode 6 eine Wechselspannung mit der Frequenz f anzulegen. Da gemäß der Erfindung diese Frequenz f mit der Torsionsschwingungsfrequenz f_t der Klappe 11 übereinstimmt, kommt es zu einer resonanten Schwingungsanregung und die Klappe 11 schwingt synchron mit der Anregungsfrequenz f, wobei die Auslenkung der Klappe 11 rasch den Maximalwert von α = 90° erreicht. Um schon in der 0°-Stel lung der Klappe 11 ein starkes elektrisches Feld zu erzeugen, ist die Elektrode 6 dreieckförmig ausgebildet und exzentrisch an geordnet, wie Fig. 3a und 3b erkennen lassen. Das hat zur Fol ge, daß auf die Klappe 11 in der 0°-Stellung, also der Ausgangs stellung, ein größeres Drehmoment als in der 90°-Stellung, der Endstellung, wirkt. Hierbei sind auch ändere Elektrodenformen und -anordnungen denkbar. Je exzentrischer die Elektrode 6 an gebracht ist, desto größer ist das maximale Drehmoment in der 0°-Stellung.

Wird die Startspannung U_S abgeschaltet, so daß keine Auslenk kraft auf die Klappe 11 wirkt, führt diese eine gedämpfte freie Schwingung mit der Frequenz f_taus, bis sie in der α = 0°-Stel lung zur Ruhe kommt. Während der Schwingbewegung der Klappe 11 wird der Blick auf die Rückplatte 5 periodisch freigegeben, im Mittel also während der Hälfte der Zeit der Schwingung. Durch Überschwingen über die 90°-Stellung hinaus kann dieser Mittel wert sogar noch weiter erhöht werden. Die Einschwing- und Aus schwingdauer, welche von der Amplitude der angelegten Wechsel spannung U_W abhängt, kann jeweils so kurz bemessen sein, daß sie, gemessen an der Einschalt- oder Abschaltdauer, keine Rolle spielt.

Zur Impulslängenmodulation der Wechselspannung U_W wird dem zwei ten Eingang B der Schalteinheit S ein Startimpuls I_S zugeführt. Die Schalteinheit S ist so aufgebaut, daß durch Anlegen eines negativen Startimpulses I_S an den Steuereingang B die Wechselspan nung U_W das elektrostatische Wechselfeld für die jeweilige Klap pe 11 der mikromechanischen Anordnung erzeugt.

Eine hierfür geeignete Schaltung ist detailliert in Fig. 5b gezeigt.

Solange am Eingang B keine Spannung anliegt, liegt der Gate- Eingang 60G des Feldeffekttransistors 60 auf Masse, so daß der Feldeffekttransistor 60 leitend ist. Der Widerstand zwischen Drain-Eingang 60D und Source-Eingang 60S ist dabei gegenüber dem Widerstand 20, der etwa 1 MΩ beträgt, vernachlässigbar gering. Die Folge ist, daß die Wechselspannung U_W am Widerstand 20 ab fällt, so daß am Ausgang D und damit an der zur Klappe 11 gehö renden Elektrode 6 nur eine geringe Startspannung U_S ≈ 0 anliegt. Diese Startspannung U_S ≈ 0 reicht nicht aus, um die Klappe 11 aus ihrer Ruheposition auszulenken.

Liegt am Eingang B dagegen der negative Startimpuls I_S an, so lädt dieser den Kondensator 40 über die Diode 50 negativ auf, worauf am Gate-Eingang 60G ein negatives Potential entsteht. Ist die Spannung U_G am Gate-Eingang 60G negativer als die Pinch-off- Spannung U_P des Feldeffekttransistors 60, ist dieser gesperrt. Er weist dann einen wesentlich höheren Widerstandswert auf als der Widerstand 20. In diesem Fall fällt die gesamte Wechselspannung U_W am Feldeffekttransistor 60 ab, so daß am Ausgang D und damit an der Elektrode 6 die volle Startspannung U_S = U_W anliegt. Die Wechsel spannung U_S= U_W, also die Startspannung, versetzt die Klappe 11 in eine resonante Schwingung, welche, so lange aufrechterhalten wird, wie die Spannung U_S = U_W an der Elektrode 6 anliegt.

Entlädt sich der Kondensator 40 über den hochohmigen Widerstand 30, steigt die Spannung U_G langsam auf Massepotential an. Sobald die Span nung U_G die Pinch-off-Spannung U_P erreicht hat, wird der Feld effekttransistor 60 wieder leitend, so daß am Ausgang D die Span nung U_S ≈ 0 anliegt. Damit wirkt auf die Klappe 11 keine elek trostatische Kraft, so daß sie eine gedämpfte Ausschwingbewegung ausführt.

Die Zeitkonstante des aus Kondensator 40 und hochohmigen Widerstand 30 ge bildeten RC-Gliedes muß ungefähr der Bildperiode des Displays entsprechen und damit bei dem Wert RC ≈ 0,1 sec liegen. Wie bei Liquid-Crystal-Displays üblich, wird dieser hohe Wert durch einen an der Rückplatte 5 der Klappe 11 ausgebildeten Kondensator erreicht, der sich über sein eigenes Dielektrikum entlädt. Bei einem spe zifischen Widerstand R_O des Dielektrikums von 10¹⁰ Ωm und einer Dielektrizitätskonstante ∈ = 1 ergibt sich die Zeitkonstante R . C wie folgt:

mit F: Plattenfläche,
d: Plattenabstand des Kondensators.

Die oben geschilderten Zusammenhänge sind mit den Spannungs zeitdiagrammen der Spannungen bzw. Impulse, gemessen an ver schiedenen Punkten der Schaltung gemäß Fig. 5a bzw. Fig. 5b, nämlich folgenden, in Fig. 6 veranschaulicht:

1. a Am Eingang A anliegende Wechselspannung U_W.
2. b Am Eingang B anliegende Startimpulse I_S.
3. c Am Gate-Eingang 60G anliegende Spannung U_G.
4. d Am Ausgang D anliegende Startspannungen U_S, nämlich längen modulierte Wechselspannungsimpulse, zur Aktivierung der Klappen.

Wie bei einem Fernsehbild erfolgt die Ansteuerung jeder Klappe 11 der Anordnung und damit jedes Bildpunktes periodisch. Die Peri ode eines Bildwechsels ist mit T_B bezeichnet. Die Zeitkonstante des RC-Gliedes, bestehend aus dem Kondensator 40 und dem hochohmigen Wider stand 30, entspricht etwa dieser Periode T_B. Die Amplitude des Startimpulses I_S ist so gewählt, daß die Spannung U_G am Gate- Eingang 60G vor dem Ende der Bildwechselperiode T_B die Startspannung U_S am Ausgang D und damit an der Elektrode 6 den Wert 0 erreicht. Dies hat zur Folge, daß die Klappe 11 gedämpft ausschwingt.

Wie die Spannungsverläufe gemäß b, c, und d erkennen lassen, läßt sich die Schwingungszeit durch Variation der Amplitude des Startimpulses I_S einstellen. Die Schwingungszeit T_K ist die Zeit, während welcher ein (periodischer) Durchblick bis zur Rückseite möglich ist. Sie bestimmt die Helligkeit des der jeweiligen Klappe 11 entsprechenden Bildpunktes.

Die beschriebene Anordnung erlaubt es, die Helligkeit jedes Bildpunktes durch Pulslängenmodulation innerhalb der Bildzyklus zeit zu beliebigen Werten zwischen "hell" und "dunkel" zu steu ern. Die dazu erforderliche Information wird mittels der Puls höhe des Startimpulses I_S eingegeben. Bei vielen Anwendungen ist es jedoch ausreichend, wenn jeder Bildunkt nur zwischen "maximal hell" und "maximal dunkel" umgeschaltet werden kann, dafür aber der Aufwand an Informationsfluß beträchtlich reduziert wird. Typische Beispiele solcher Displayanwendungen sind die stati schen Informationen von Maschinen an den Benutzer oder geschrie bener Text an den Leser in elektronischen Zeitungen oder Bü chern.

Zwei Ausführungsbeispiele für "derartige statisch arbeitende Displays sind im folgenden beschrieben. Beide basieren auf dem Grundgedanken dieser Erfindung, nämlich der Erniedrigung der Schaltspannung durch Resonanzanregung.

Das erste Ausführungsbeispiel eines statisch arbeitenden Dis plays mit nur "maximal hellen" und "maximal dunklen" Bildpunkten schließt an die gerade oben beschriebene Ausführung des Displays mit Graustufen an. Seine Wirkungsweise ist anhand des Block schaltbildes gemäß Fig. 7ä und der zugehörigen Schaltungsanord nung gemäß Fig. 7b erläutert.

Gemäß dem Blockschaltbild nach Fig. 7a werden bei diesem Aus führungsbeispiel außer der kontinuierlichen Wechselspannung U_W und dem Startimpuls I_S noch eine kontinuierliche, synchrone Halte-Wechselspannung U_WH und ein Halteimpuls I_H an die Eingänge A, B, F und G der Schalteinheit S gelegt. Vom Ausgang D der Schalteinheit S werden die Startspannung U_S an die Elektrode 6 und vom Ausgang H eine Haltespannung U_H an eine Halteelektrode 8 geführt. In entsprechender Weise wie beim Blockschaltbild gemäß Fig. 5a weisen gleichartig gezeichnete Pfeile bei den Eingangs- und Ausgangssignalen auf Zeitpunkte und ihre Auslöser hin.

Die Halte-Wechselspannung U_WH hat eine kleinere Amplitude als die Wechselspannung U_W, die im Gegensatz zu jener nicht ausreicht, eine noch nicht schwingende Klappe 11 in Resonanzschwingung zu versetzen. Ihre Amplitude ist jedoch bei der räumlichen Anord nung der Halteelektrode 8 groß genug, eine bereits schwingende Klappe 11 in Schwingung zu halten. Ist eine Klappe 11 also einmal über die Startspannung U_S in Resonanzschwingung gebracht, so bedarf es bei Anliegen der Haltespannung U_H an der Halteelektrode 8 keines weiteren Startimpulses I_S, um die Schwingung der Klappe 11 aufrechtzuerhalten. Die Dauer der Schwingung wird jetzt al lein durch die Dauer des Halteimpulses I_H bestimmt der die Dauer der Haltespannung U_H am Ausgang H der Schalteinheit S begrenzt. Bei entsprechender Verschaltung der Zuleitungen an der Klappen anordnung kann durch ihn ein einmal eingeschriebenes statisch arbeitendes Display punktweise, zeilen- oder spaltenweise oder auch ganzflächig gelöscht und zur Neueinschreibung durch Start impulse I_S vorbereitet werden.

Die Fig. 7b zeigt die Schaltungsanordnung der Schalteinheit S gemäß Fig. 7a mit diskreten Bauelementen. Diese Schaltungs anordnung enthält die gleichen Bauelemente bzw. Komponenten wie die für das dynamisch arbeitende Display nach Fig. 5b verwende ten, nämlich: Widerstand 20a, N-Kanal-Feldeffekttransistor 60a, RC-Glied 30a, 40a sowie die Diode 50a. Diese Komponenten wirken analog zu denen beim dynamisch arbeitenden Display nach Fig. 5b.

Zusätzlich ist ein weiterer Widerstand 21a vorgesehen, der ei nerseits an einen zweiten Transistor (N-Kanal-Feldeffekttransistor) 61a sowie an die Halteelektrode 8 angeschlossen ist. Solange der zweite Transi stor 61a durch den negativen Halteimpuls I_H an seinem Gate- Eingang 61aG gesperrt ist, liegt die Haltespannung U_H, welche die Größe der Halte-Wechselspannung U_WH hat, zwischen Drain 61aD und Source 61aS des zweiten Transistors 61a und damit an der Halteelek trode 8. Nach Beendigung des Halteimpulses I_H wird der zweite Transi stor 61a leitend, so daß die Haltespannung U_Hauf den Wert U_H = 0 absinkt und damit das Weiterschwingen der Klappe 11 beendet ist.

Bei der zweiten Ausführungsform des statisch arbeitenden Dis plays mit nur "maximal hellen" und "maximal dunklen" Bildpunkten wird eine einmal zur Maximalamplitude aufgeschaukelte Klappe 11 von einer kleinen, an der Halteelektrode 8 anliegenden Gleichspan nung festgehalten und fest bei ihrer maximalen Verdrehung um α = 90° gehalten. Sie wird freigegeben und kehrt in ihre Ruhelage bei α = 0° zurück, wenn die Gleichspannung abgeschaltet wird. Der Vorteil dieser Ausführungsform gegenüber der zuvor beschrie benen besteht darin, daß die Klappe 11 bei der vollen Auslenkung nicht schwingt. Dadurch wird ein wesentlich günstigeres Kon trastverhältnis zwischen den Helligkeitswerten "maximal hell" und "maximal dunkel" erreicht.

Diese Ausführungsform ist anhand des Blockschaltbildes gemäß Fig. 8a und der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 8b beschrieben. Nach dem Blockschaltbild gemäß Fig. 8a werden den Eingängen A, B und G der Schalteinheit S außer der kontinuierlichen Wechsel spannung U_W und dem Startimpuls I_S ein Halteimpuls I_H zugeführt. Am Ausgang H und damit an der Halteelektrode 8 der zugehörigen Klappe 11 liegt ein positiver Haltespannungsimpuls U_H relativ geringer Amplitude an. Mit gleichartig gezeichneten Pfeilen ist in Fig. 8a wie in den Fig. 5a und 7a auf Zeitpunkte und ihre Auslöser hingewiesen.

Die konstante Wechselspannung U_W am Eingang A und der Start impuls I_Sam Eingang B werden in der Schalteinheit S, wie bei den beiden Ausführungsformen nach den Fig. 5a und 7a zu der am Ausgang D austretenden Startspannung U_S verknüpft und der Elektrode 6 der Klappe 11 zugeführt. Sie bewirkt ein resonantes Aufschaukeln der Drehschwingung der Klappe 11, bis diese, unge fähr bei der Amplitude α = 90°, in die unmittelbare Nähe der Halteelektrode 8 gerät. Hier, bei sehr kleinem Abstand von der Halteelektrode, erzeugt schon eine kleine Haltespannung U_H ein so großes elektrisches Feld, daß die - geerdete - Klappe von diesem eingefangen und in der Auslenkung α ≈ 90° fixiert wird. Auch nach Abklingen der Startspannung U_S verbleibt die Klappe 11 statisch bei dieser Verdrehung bis zu dem Zeitpunkt, in dem der Halteimpuls I_H und damit die Haltespannung U_H zu Null werden. Wie bei dem vorher beschriebenen statisch arbeitenden Display kann bei entsprechender Verschaltung der Zuleitungen ein einmal ein geschriebenes Display punktweise, zeilen- oder spaltenweise oder auch ganzflächig gelöscht und zur Neueinschreibung durch Start impulse I_S zubereitet werden.

Die mit diskreten Bauelementen aufgebaute Schaltungsanordnung für diese Schaltung ist in der Fig. 8b dargestellt. Bei dieser dienen, wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5b und 7b, die Widerstände 20b und 30b, der Kondensator 40b, die Diode 50b sowie der Transistor 60b der Erzeugung der Startspannung U_S. Der Halteimpuls I_H wird über den weiteren Widerstand 21b, welcher lediglich der Strombegrenzung bei möglichem Kurzschluß der Klappe 11 mit der Halteelektrode 8 dient, durch die Schaltungsanordnung hindurch geführt und erzeugt die Haltespannung U_H am Ausgang H.

Nach einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung, nach welcher die Steuerspannung von Klappenanordnun gen durch Anwendung elektrostatischer Resonanzanregung reduziert wird, wird eine derartige Anordnung in Brillen zur dreidimensio nalen Betrachtung von Fernsehbildern verwendet. Hierbei sind den Augen steuerbare Filter in Form der erfindungsgemäßen Klappen anordnung zugeordnet, welche so gesteuert sind, daß sie alter nierend parallaktische Bilder des Fernsehbildschirmes passieren lassen. Bei derartigen Klappenanordnungen müssen Frontplatte 1 und Rückplatte 5 (vgl. Fig. 2b) transparent ausgebildet sein. Durch Öffnen der Klappen 11 wird der Durchblick für das jeweili ge Auge freigegeben. Zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bil des mittels eines eine Bildfrequenz von 50 Hz aufweisenden Fern sehbildes erfolgt der Wechsel mit 25 Hz, so daß jedes Auge nur jedes zweite Bild sieht.

Zur Realisierung dieser Anwendung werden zwei kontinuierliche Wechselspannungen geringer Amplitude phasenverschoben an zwei Klappenanordnungen gelegt, welche vor den Augen eines Betrach ters, z. B. in Form von Brillengläsern, angeordnet sind. Die Resonanzfrequenz der Klappen 11 ist mit der durch die Fernsehnorm vorgesehenen Bildfrequenz abzustimmen. Dabei ist zu beachten, daß die Klappen 11 während jeder Wechselspannungsperiode zweimal öffnen und schließen, daß also die Resonanzfrequenz der Klappen 11 - und entsprechend auch die Frequenz der zu verwendenden Wech selspannung - nur den vierten Teil der Bildfrequenz, also 12,5 Hz betragen darf. Eine so niedere Resonanzfrequenz der Klappen 11 erfordert Konstruktionen mit besonders hohem Trägheitsmoment.

In Fig. 9 ist die Ausbildung einer Klappe veranschaulicht, die wegen extremer Asymmetrie für besonders niedrige Torsionsschwin gungsfrequenzen, z. B. für 12,5 Hz, geeignet ist, da derart ausgebildete Klappen ein hohes Trägheitsmoment besitzen, was zu extrem niedrigen Schwingungsfrequenzen führt. Diese Klappe weist nur einen Flügel 3A auf, der über einen zentralen Verbin dungssteg 3C mit den beiden Torsionsstegen 4A und 4B verbunden ist. Bei Herstellung der Klappe mit den einstückigen Torsions stegen aus Silizium mit einer Dichte von ρ = 2,3 g/cm³, einem Elastizitätsmodul E = 1,7 × 10¹² dyn/cm² und einem Schubmodul von G = 0,66 × 10¹² dyn/cm² und einem Schubmodul G = 0,66 × 10¹² dyn/cm² kann die Resonanzfrequenz von f_t = 12,5 Hz bei folgender Dimensionierung erreicht werden:
Höhe der Klappe: h = 2,1 mm
Breite der Klappe: a = 2,0 mm
Länge der Torsionsstege: l = 0,8 mm
Breite der Torsionsstege: b = 1,5 µm
Dicke der Klappe und der Torsionsstege: d = 1,5 µm
Breite des mittleren Verbindungssteges 3C: c = 1/2 = 0,4 mm

Claims

1. Mikromechanische Anordnung, bestehend aus einer Träger platte mit einer Vielzahl schematisch angeordneter Aus nehmungen, in welchen diese in Ruhelage weitgehend abdec kende Klappen vorgesehen sind, die mit der Trägerplatte über in ihrer Drehachse gelegene Torsionsstege verbunden sind, und mit einer Ansteuerschaltung, mit welcher über eine Steuerelektrode eine elektrische Spannung an die einzelnen Klappen anlegbar ist, um diese aus der Ruhelage in eine die Ausnehmung weitgehend freigebende Verdrehungslage auszulen ken, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannung eine Wechselspannung ist, deren Frequenz (f) etwa der me chanischen Resonanzfrequenz (f_t) der Klappen (11) ent spricht und welche die Klappen (11) aus der Ruhelage in Schwingungen versetzt, wobei das Verhältnis von Ansteuer zeit (T_K) zu Nicht-Ansteuerzeit (T_B- T_K) bei einer Bildwechselperiode (T_B) durch Variation der zeitlichen Dauer der elektrischen Wechselspannung zur Veränderung der Transmission, Reflexion oder Absorp tion steuerbar ist.

2. Mikromechanische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die einzelnen Klappen (11) jeweils von einer weiteren elektrischen Wechselspannung gleicher Frequenz (f) beaufschlagbar sind, welche eine gegenüber der Amplitude der die Klappenschwingung aufbauenden Wechselspannung we sentlich niedrigere, die Klappenschwingung noch aufrecht erhaltende Amplitude besitzt.

3. Mikromechanische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß jeder einzelnen Klappe (11) in der Nähe ihrer ausgelenkten Position eine Halteelektrode (8) zugeordnet ist, welche an Gleichspannung liegt und mittels ihres Fel des die zugeordnete Klappe (11) in ausgelenkter Position, vorzugsweise in einer 90°-Verdrehung, festhält, wobei die Amplitude der Gleichspannung gegenüber derjenigen der Wech selspannung klein ist.

4. Mikromechanische Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, da durch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (2) geerdet ist.

5. Mikromechanische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuerelektrode (6) dreieckförmig ausgebildet und bezüglich der Drehachse (12) der zugeordneten Klappe (11) exzentrisch derart positioniert ist, daß in Ruhelage der Klappe (11) ein größeres Drehmoment als in Verdrehungs lage erzeugbar ist.

6. Mikromechanische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Klappen (11) zwei zur Drehachse (12) unsymmetrisch bemessene Flügel (3A, 3B - Fig. 4) aufweisen, wobei die Flügel (3A, 3B) mitein ander über einen mittleren Quersteg (3C) verbunden sind, welcher seinerseits über beidseitig angeordnete, im Bereich der Drehachse (12) und zwischen den Flügeln (3A, 3B) be findliche Torsionsstege (4A, 4B) mit der Trägerplatte (2) verbunden ist.

7. Mikromechanische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Klappen (11) jeweils nur einen Flügel (3A) aufweisen, der über einen mittleren Quersteg (3C) und die beidseitig dieses Quersteges (3C) angeordneten Torsionsstege (4A, 4B) mit der Trägerplatte (2) verbunden ist (Fig. 7).

8. Mikromechanische Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Klappenresonanz frequenz von f_t = 12,5 Hz bei einer aus Silizium bestehenden Trägerplatte 2 mit einer Dichte von ρ = 2,3 g/cm³, einem Elastizitätsmodul von E ≈ 1,7 × 10¹² dyn/cm² und einem Schubmodul von G ≈ 0,66 × 10¹² dyn/cm² Torsionsstege (4A, 4B) und Klappe (11) folgende Abmessungen haben:
Höhe der Klappe: h = 2,1 mm
Breite der Klappe: a = 2,5 × 0,8 = 2,0 mm
Länge der Torsionsstege: l = 0,8 mm
Breite des mittleren Quersteges: 1/2 = 0,4 mm
Breite der Torsionsstege: w = 1,5 µm
Dicke der Klappe und der Torsionsstege: d = 1,5 µm

9. Mikromechanische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung eine Signale logisch verknüpfende. Schalteinheit (S) aufweist, deren erstem Eingang (A) die Wechselspannung (U_W), deren zweitem Eingang (B) Startimpulse (I_S) zuführbar sind, daß die Schalteinheit (S) die Wechselspannung (U_W) und die Startimpulse (I_S) zur Erzeugung einer am Ausgang (D) anlie genden Startspannung (U_S) verknüpft, welche der Steuerelektrode (6) der jeweiligen Klappe (11) zuführbar ist.

10. Mikromechanische Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalteinheit (S) über einen dritten Eingang (F) eine Halte-Wechselspannung (U_WH) geringerer Amplitude und über einen vierten Eingang (G) Halteimpulse (I_H) mit einer gegenüber den Startimpulsen (I_S) längeren Dauer zugeführt werden, daß die Schalteinheit (S) die Halte-Wechselspannung (U_WH) und Halte-Stromimpulse (I_H) zur Erzeugung einer Haltespannung (U_H) mit einer gegen über der Startspannung (U_S) geringeren Amplitude und einer längeren Dauer verknüpft, wobei diese an einem zweiten Ausgang (H) der Schalteinheit (S) anliegende Haltespannung (U_H) einer der jeweiligen Klappe (11) zugeordneten Halteelek trode (8) zuführbar ist.

11. Mikromechanische Anordnung nach Anspruch 9 mit 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalteinheit (S) über einen dritten Eingang (G) Halteimpulse (I_H) mit einer ge genüber der Wechselspannung (U_W) geringeren Amplitude und einer gegenüber dem Startimpuls (I_S) größeren Dauer zu geführt werden und daß die Schalteinheit (S) diese Halte-Strom impulse (I_H) in eine Halte-Spannung (U_H) umwandelt, welche der Halteelektrode (8) über einen zweiten Ausgang (H) der Schalteinheit (S) zugeführt wird (Fig. 8a).