DE19709913C2 - Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Auslenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Anordnungen zur Messung und Steuerung oder Regelung der Auslenkung von mikromechanischen Spiegel­ anordnungen.

Meßaufnehmer zur Bestimmung der Auslenkung von drehbar gela­ gerten Teilen sind durch mehrere Veröffentlichungen bekannt. Mikromechanische Spiegelanordnungen an sich sind unter anderem in der EP 692 729 veröffentlicht. Daraus ist ein Einzelspiegel bekannt, der über Federn in einem Rahmen aufgehängt ist. Der Rahmen, die Federn und der Einzelspiegel bestehen aus einem Halbleitermaterial in Form von Silizium. Die Auslenkung des Einzelspiegels erfolgt elektromagnetisch. Dazu sind Permanent­ magneten auf dem Träger der Spiegelanordnung aufgebracht. Die Auslenkung wird über jeweils eine Spulenanordnung auf dem Träger gemessen, die Bestandteil einer Widerstandsmeßbrücke sind.

Aus der DE 196 06 095 (Spiegelantriebsverfahren und -vorrich­ tung für ein Mikrospiegelfeld) ist eine Anordnung zur An­ steuerung von mikromechanischen Spiegelanordnungen, wobei mehrere Einzelspiegel über mindestens zwei Federn mit einem die Einzelspiegel umgebenden Rahmen verbunden sind, bekannt. Die Auslenkung basiert auf permanentmagnetischer Kopplung zwischen einer Spulenanordnung auf dem Spiegel und einem Permanent­ magneten auf einem Träger. Die Größe der Auslenkung ist äqui­ valent des Stromflusses durch die Spulenanordnung. Eine Messung der Auslenkung erfolgt nicht.

In der DE 44 24 538 (Neigungswinkelsensor) wird die Kapazitäts­ änderung zweier sich gegenüberliegender und plattenförmig aus­ gebildeter Elektroden bei einer gegenseitigen Verdrehung und einer damit verbundenen Flächenänderung zur Bestimmung des Nei­ gungswinkels ausgenutzt.

Eine derartige Anordnung ist für eine Anwendung bei mikrome­ chanischen Spiegelanordnungen durch die vorherrschenden Platz­ bedingungen nicht geeignet.

Die DE 37 40 688 (Mikromechanischer Beschleunigungssensor mit hoher Achsenselektivität) und die DE 195 23 171 (Halbleiterbe­ schleunigungssensor) beschreiben Beschleunigungaufnehmer, bei denen die Trägheit einer Masse zu einer Verformung der Aufhän­ gungen der Masse führt. Diese Verformung in Form einer Dehnung stellt ein Maß für die Beschleunigung dar und wird über Piezo­ widerstände erfaßt. Es erfolgt nur eine Aufnahme der Verformung während einer Beschleunigung. Ausschlaggebend ist nur die Er­ fassung der Verformung. Für dynamische Anwendungen sind diese Lösungen nicht ausgelegt. In der DE 37 40 688 ist ein Gebiet der Feder selbst ein die elektrischen Eigenschaften bei einer Deformation änderndes Element oder auf der Feder ist mindestens ein die elektrischen Eigenschaften bei einer Deformation änderndes Element angeordnet. Die Elemente sind Bestandteile einer Widerstandsmeßbrücke, über die die Auslenkung der Beschleunigungsplatte gemessen wird.

Aus der US 5 594 172 ist ein mikromechanischer Beschleunigungs­ aufnehmer zur Erfassung der Auslenkung einer Platte bekannt. Die Platte ist über mindestens eine Feder mit einem die Platte umgebenden Rahmen verbunden. Die Messung der Auslenkung der Platte erfolgt mittels eines eingebrachten Widerstandes oder eines aufgebrachten Piezowiderstandes.

Die aufgeführten Lösungen zeichnen sich dadurch aus, daß die Auslenkung einer Platte als Spiegelfläche oder Beschleunigungs­ aufnehmer gemessen wird.

Der in den Patentansprüchen 1 bis 5 angegebenes Erfindung liegt das Problem zugrunde, mikromechanische Spiegelanordnungen so anzusteuern, daß deren periodische Auslenkung einstellbar und dabei dynamisch amplituden- und phasentreu konstant gehalten werden kann.

Dieses Problem wird mit den in den Patentansprüchen 1 bis 5 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Anordnungen zur Messung und Steuerung oder Regelung der Auslenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, daß die Auslenkung des oder der Einzelspiegel im statischen, quasistatischen und dynamischen Betrieb ständig erfaßt werden kann. Die Bewegung des oder der Einzelspiegel kann direkt in jeder Phase der Bewegung gemessen werden. Die Meßergebnisse stellen insbesondere die Basis einer programmierbaren Steuerung oder Regelung der Auslenkung des oder der Einzelspiegel dar. Die Meßmittel sind direkt in die Federn, die der Aufhängung des oder der Einzelspiegel in einem Rahmen dienen, integriert oder auf diese unmittelbar aufge­ bracht. Diese ändern ihre elektrischen Eigenschaften, so daß diese direkt in eine elektrische Meßschaltung, die weiterhin ein Bestandteil der Ansteuerung des oder der Einzelspiegel dar­ stellt, integriert sind.

Dadurch ergeben sich verschieden Möglichkeiten der Erfassung der Bewegung oder der Position des oder der Einzelspiegel. Wird in einer ersten Variante bei einem quasistatischen oder dynamischen Betrieb jeweils der Nulldurchgang, das heißt die Ausgangsposition des oder der Einzelspiegel im nicht ange­ steuerten Zustand, erfaßt, sind bei harmonischer Bewegung über den zeitlichen Verlauf Rückschlüsse auf den gesamten Bewegungs­ mechanismus des oder der Einzelspiegel möglich. Erfolgt eine zeitliche Verschiebung in Form z. B. einer Änderung der Frequenz oder Amplitude am Ausgang der Meßschaltung, so ist das auf eine Änderung der Schwingungsamplitude des oder der Einzelspiegel zurückzuführen. Diese Tatsache ist die Grundlage für eine Ände­ rung der Ansteuerbedingungen, so daß eine Regelung möglich ist. Damit werden Änderungen der Betriebsbedingungen unter anderem hervorgerufen durch Temperaturschwankungen, die mit Fehlern bei der Ablenkung von Lichtstrahlen einhergehen, weitestgehend aus­ geglichen, so daß die Fehler bei der Ablenkung weitestgehend vermieden werden.

In einer zweiten Variante wird jeweils die maximale Auslenkung des oder der Einzelspiegel nach jeder Seite der Ablenkung er­ faßt. Dieses Ergebnis ist wiederum der Ausgang für die Möglich­ keit der Steuerung oder Regelung des oder der Einzelspiegel entsprechend der ersten Variante, so daß wiederum Fehler bei der Ablenkung von Lichtstrahlen weitestgehend vermieden werden. In einer dritten Variante ist es mit der Anwendung der erfin­ dungsgemäßen Anordnung möglich, die Amplitude des oder der Einzelspiegel in jeder Postion zu erfassen. Dieser Tatbestand ist besonders im statischen oder quasistatischen Betrieb des oder der Einzelspiegel wichtig. Damit ergibt sich die Möglich­ keit, einen Lichtstrahl oder mehrere Lichtstrahlen auf eine bestimmte Position genau abzulenken.

Die Elemente, die die elektrischen Eigenschaften bei einer De­ formation ändern, sind zu einer Widerstandsmeßbrücke zusammen­ geschaltet. Das ist eine einfache und hinreichend bekannte Meß­ schaltung, so daß ein elektrisches Maß der Deformationen her­ vorgerufen durch die Bewegung des Einzelspiegels zur Verfügung steht.

Durch die Einbindung eines Frequenzgenerators zum Betrieb des Einzelspiegels, der Meßschaltung und einem Phasenregelkreis in die Ansteuerung ist eine Ansteuerung einschließlich einer Regelschleife gegeben. Toleranzen, die unter anderem durch Temperaturschwankungen hervorgerufen werden, sind damit selb­ ständig durch die Ansteuerung ausgleichbar. Der Fangbereich des Phasenregelkreises wird durch die Betriebsbedingungen des Ein­ zelspiegels bestimmt. Weiterhin ergibt sich mit dem Einsatz des Phasenregelkreises die Möglichkeit, daß über einen programmier­ baren Teiler im Phasenregelkreis die Schwingbewegung des Ein­ zelspiegels digital beeinflußt werden kann.

Die Ansteuerung der vier Elektroden eines Einzelspiegels, der zweidimensional bewegbar in einem Rahmen aufgehängt ist, führt dazu, daß ein Lichtstrahl in Form eines geschlossenen Kegel­ schnittes (Kreis, Ellipse) abgelenkt werden kann. Somit ist jeder Punkt einer Fläche überschreibbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent­ ansprüchen 6 bis 18 angegeben.

Die Federn sind entsprechend der Weiterbildung des Patentan­ spruchs 6 als einstückige Torsionsbalken ausgebildet. Die Größe der elektrischen Eigenschaftsänderungen der Elemente, die bei einer Deformation ihre elektrischen Eigenschaften ändern, steigt mit deren geometrischen Abmessungen in Richtung der mechanischen Änderung. Um eine möglichst große Länge in Defor­ mationsrichtung der Feder oder den Federn zu erzielen, ist das Element oder sind die Elemente mit einem Winkel von ±45° zur Federbandlängsachse angeordnet.

Die Realisierung der Feder in Form von vier O-förmig angeord­ neten Balken entsprechend der Weiterbildungen der Patentan­ sprüche 7 bis 12 führt dazu, daß der Balken, der sich parallel zum Rahmen befindet und zur Messung der Auslenkung des Einzel­ spiegels herangezogen wird, ein Biegebalken ist. Werden mehrere aus vier O-förmig angeordneten Balken, die über Stege mitein­ ander mechanisch verbunden sind, als Feder eingesetzt, wird die notwendige Kraft zur Auslenkung des Einzelspiegels verringert. Mit dem Einsatz derartiger Federn sind größere Geometrien der Elemente, die bei einer Deformation die elektrischen Eigen­ schaften ändern, realisierbar, so daß die Empfindlichkeit und damit gleichbedeutend die Auflösung der Messung wesentlich er­ höht wird.

Die am stärksten beanspruchten Abschnitte einer derartigen Federgeometrie ergeben sich im Balken, der sich parallel zum Rahmen befindet, unmittelbar neben dem Steg, mit dem der Balken und damit die gesamte Feder einschließlich des Einzelspiegels am Rahmen befestigt ist. In oder auf diesem Abschnitt sind die Elemente, die bei einer Deformation ihre elektrischen Eigen­ schaften ändern, entsprechend den Weiterbildungen der Patent­ ansprüche 10 und 11 angeordnet. Dabei ist eine Anordnung sowohl in Balkenlängsachse als auch in Steglängsachse entsprechend der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 möglich.

Mit der Anordnung von zwei Elementen, die bei einer Deformation die elektrischen Eigenschaften ändern, je Feder nach der Wei­ terbildung des Patentanspruchs 12 sind zwei Brückenzweige einer Widerstandsmeßbrücke realisiert.

Durch die Anordnung eines Elementes, das die elektrischen Ei­ genschaften bei einer Deformation ändern, auf oder in den Rah­ men entsprechend der Weiterbildung des Patentanspruchs 13 ent­ steht ein Referenzelement. Mit der Einbindung dieses Elementes z. B. in eine Widerstandsmeßbrücke ergeben sich gleiche Be­ triebsbedingungen sowohl für die Elemente der Feder als auch des Rahmens. Dadurch werden Meßfehler, die auf unterschiedliche Temperaturen der Elemente zurückzuführen sind, vermieden.

Die Weiterbildung des Patentanspruchs 14 führt zu Elementen, die die gleichen elektrischen Eigenschaften besitzen. Eine Aus­ wertung der dadurch ermittelten Daten ist leichter möglich, da sonst notwendige Kompensationen entfallen.

Die Herstellung des oder der Einzelspiegel und des Rahmens aus Silizium nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 15 ermög­ licht eine Integration der Elemente, die die elektrischen Eigenschaften bei einer Deformation ändern, und der Leiter­ bahnen direkt in die Federn, mit denen der oder die Einzel­ spiegel im Rahmen bewegbar befestigt sind. Gleichzeitig stellt Silizium ein nichtermüdendes Material dar, so daß eine lange Lebensdauer der Anordnung gegeben ist.

Die Weiterbildung des Patentanspruchs 16 führt dazu, daß zwi­ schen dem Einzelspiegel oder den Einzelspiegeln und den Elemen­ ten, die bei einer Deformation ihre elektrischen Eigenschaften ändern, nur geringe elektrische Potentialunterschiede vorhanden sind. Dadurch ist ein sehr kleiner Abstand der Elemente und der Leiterbahnen zum Einzelspiegel realisierbar.

Piezowiderstände als Elemente, die die elektrischen Eigenschaf­ ten bei einer Deformation ändern, nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 17, ändern ihren elektrischen Widerstandswert, so daß eine strom- als auch spannungsgespeiste Meßbrücke als Meßschaltung eingesetzt werden kann.

In der Weiterbildung des Patentanspruchs 18 sind verschiedene Realisierungsvarianten für die Piezowiderstände aufgeführt.

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

Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung der Gebiete der Widerstände, Kontaktstel­ len und Leiterbahnen eines mit Torsionsbalken befestig­ ten Einzelspiegels,

Fig. 2 eine prinzipielle Realisierung einer Widerstandsmeßbrüc­ ke dazu,

Fig. 3 eine Anordnung der Gebiete der Widerstände bei O-ring­ förmig ausgebildeten Federn,

Fig. 4a und 4b Kontaktierungen der Widerstände und der herausgeführten Leiterbahnen bei O-ringförmig ausgebildeten Federn,

Fig. 5 eine prinzipielle Realisierung einer Widerstandsmeßbrüc­ ke dazu,

Fig. 6 eine prinzipielle Darstellung des Phasenregelkreises mit programmierbaren Teiler

Fig. 7 eine prinzipielle Darstellung des Phasenregelkreises, wobei die Änderungen der Amplitude gegenüber einer vor­ gegebenen Größe überwacht und bei Änderungen automatisch ausgeregelt werden,

Fig. 8 eine prinzipielle Darstellung des Phasenregelkreises, wobei die Änderungen der Amplitude gegenüber einem vor­ gegebenen Bereich überwacht und bei Änderungen automa­ tisch ausgeregelt werden und

Fig. 9 eine Übersichtsdarstellung einer Regelung der Amplituden eines über vier Federn in einem Rahmen befestigten Ein­ zelspiegels.

1. Ausführungsbeispiel

Ein erstes Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Anordnung zur Messung der Auslenkung von mikromechanischen Spiegelanordnun­ gen 10, die insbesondere elektrostatisch angesteuert werden. Die Spiegelanordnung 10 besteht aus einem plattenförmig ausge­ bildeten Einzelspiegel 1, der von einem Rahmen 3 umgeben ist. Der Einzelspiegel 1 ist über zwei Federn, die mittig an sich gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind, mit dem Rahmen 3 verbunden. Jede Feder stellt einen Balken dar, der bei einer Auslenkung des Einzelspiegels 1 verdreht wird. Es handelt sich damit um einen Torsionsbalken 2.

Die Spiegelanordnung 10 besteht aus Silizium.

In einer ersten Variante entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 ist jeweils ein Gebiet der Torsionsbalken 2 gegenüber dem Silizium der Spiegelanordnung 10 anders dotiert. Dieses dotierte Gebiet bildet einen piezoresistiven Widerstand R1 oder R2 im Torsionsbalken 2. Das Gebiet besitzt eine rechteckförmige Grundfläche und ist mit einem Winkel von 45° gegenüber der Längsachse des Torsionsbalkens 2 angeordnet.

Der Rahmen 3 besitzt Kontaktstellen 4. Die Enden des Wider­ standes R1 oder R2 sind über Leiterbahnen 5, die entweder aus einem Metall z. B. Aluminium bestehen oder gegenüber den Wider­ ständen R1 oder R2 höher dotierte Gebiete der Spiegelanordnung 10 darstellen, mit diesen Kontaktstellen 4 elektrisch leitend verbunden. Damit ist der Widerstand R1 oder R2 der Spiegelan­ ordnung 10 von außen elektrisch kontaktierbar. Die Widerstände R1 und R2 besitzen die gleichen geometrischen Abmessungen und sind Bestandteile mindestens einer Widerstandsmeßbrücke 11. Somit sind entweder zwei Brückenzweige einer Widerstandsmeß­ brücke 11 oder ein Brückenzweig zweier Widerstandsmeßbrücken 11 realisiert. Festwiderstände R3 und R4, die über die Kontakt­ stellen 4 mit den Widerständen R1 und R2 zusammengeschaltet sind, ergänzen diese Widerstandsmeßbrücke 11. Eine Brückendia­ gonale ist mit einer Quelle 6 verbunden und die andere stellt den Ausgang 7 der Widerstandsmeßbrücke 11 dar. In der Fig. 2 ist eine Realisierungsvariante dargestellt. Damit ist ein Wandler der mechanischen Auslenkung in eine elektrische Größe in Form des Stromes oder der Spannung gegeben.

In einer zweiten Variante sind mehrere Gebiete der Torsions­ balken 2 gegenüber dem Silizium der Spiegelanordnung 10 anders dotiert. Diese dotierten Gebiet stellen wiederum piezoresisizive Widerstände R im Torsionsbalken 2 dar. Die Gebiete besitzen eine rechteckförmige Grundfläche und sind parallel zueinander mit einem Winkel von 45° gegenüber der Längsachse des Torsions­ balkens 2 angeordnet. Leiterbahnen 5, die entweder aus einem Metall z. B. Aluminium bestehen oder gegenüber den Widerständen R höher dotierte Gebiete der Spiegelanordnung 10 darstellen, verbinden diese Gebiete so, daß eine elektrische Reihenschal­ tung dieser Gebiete vorhanden ist.

Der Rahmen 3 besitzt Kontaktstellen 4. Die Enden der Reihen­ schaltung sind über äquivalent ausgeführte Leiterbahnen 5 mit diesen Kontaktstellen 4 elektrisch leitend verbunden. Damit sind die Widerstände R der Spiegelanordnung 10 von außen elek­ trisch kontaktierbar. Die Widerstände R der Torsionsbalken 2 sind wiederum Bestandteile mindestens einer Widerstandsmeß­ brücke 11. Somit sind entweder zwei Brückenzweige einer Wider­ standsmeßbrücke 11 oder ein Brückenzweig von zwei Widerstands­ meßbrücken 11 realisiert. Festwiderstände R ergänzen über die Kontaktstellen 4 die Widerstandsmeßbrücke 11 oder die Wider­ standsmeßbrücken 11. Mit der Realisierung einer Gleichstrom- Meßbrücke nach Wheatstone ist ein Wandler der mechanischen Auslenkung in eine elektrische Größe in Form der elektrischen Spannung gegeben. Die elektrische Spannung ist damit ein Maß für die Größe der Auslenkung des Einzelspiegels 1. Das Vor­ zeichen der elektrischen Spannung ist der Kipprichtung des Einzelspiegels 1 zuordenbar.

Damit sind die Amplituden der Auslenkung eines mikromechani­ schen Einzelspiegels 1 erfaßbar.

Zum einen können diese elektrischen Größen direkt als Stell­ größe für den der Ansteuerung 14 des mikromechanischen Einzel­ spiegels 1 dienenden Frequenzgenerators genutzt werden. Zum anderen können diese elektrischen Größen über einen Spannungs- Frequenz-Wandler 15 in eine äquivalente Frequenz oder über einen Analog-Digital-Umsetzer in äquivalente digitale Signale gewandelt werden, die wiederum der Steuerung des den mikro­ mechanischen Einzelspiegel 1 ansteuernden Frequenzgenerators dient.

2. Ausführungsbeispiel

Ein zweites Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Anordnung zur Messung der Auslenkung von mikromechanischen Spiegelanordnun­ gen 10, die insbesondere elektrostatisch angesteuert werden. Die Spiegelanordnung 10 besteht aus einem plattenförmig ausge­ bildeten Einzelspiegel 1, der von einem Rahmen 3 umgeben ist. Der Einzelspiegel 1 ist über zwei Federn, die mittig an sich gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind, mit dem Rahmen 3 verbunden.

Jede Feder besteht aus vier O-förmig angeordneten Balken 8a bis 8d, die dabei jeweils mit einem Winkel von 90° zueinander ange­ ordnet sind (Darstellung der Fig. 3). Der Balken 8b parallel zum Einzelspiegel 1 ist über einen Steg 9b mit diesem und der Balken 8d parallel zum Rahmen 3 ist über einen weiteren Steg 9a mit diesem verbunden. Die Länge dieser Balken 8b und 8d ist dabei gleich der Seitenlänge des Einzelspiegels 1. Die beiden anderen Balken 8a und 8c sind wesentlich kürzer ausgebildet. Die Spiegelanordnung 10 besteht aus Silizium.

Der Balken 8d parallel zum Rahmen 3 besitzt zwei Gebiete, die gegenüber dem Silizium der Spiegelanordnung anders dotiert sind. Dieses dotierten Gebiete bilden piezoresistive Wider­ stände R1 bis R4. Die Gebiete besitzen eine rechteckförmige Grundfläche und grenzen unmittelbar an die gedachte Verlänge­ rung des Steges 9a auf dem Balken 8d. Die geometrischen Abmes­ sungen aller Gebiete sind gleich.

In einer ersten Variante entsprechend der Darstellung der Fig. 4a sind die Widerstände R1 bis R4 so angeordnet, daß deren Längsachse parallel zur Längsachse des Steges 9a verläuft.

In einer zweiten Variante entsprechend der Darstellung der Fig. 4b sind die Widerstände R1 bis R4 derart angeordnet, daß deren Längsachse parallel zur Längsachse des Balkens 9a verläuft. Der Rahmen 3 weist elektrische Kontaktstellen 4 auf. Zwei Enden der Widerstände R1 bis R4 sind mit je einer Kontaktstelle 4, die beiden anderen Enden sind miteinander und diese Verbindung ist mit einer Kontaktstelle 4 jeweils über elektrische Leiter­ bahnen 5 verbunden.

Die Leiterbahnen 5 bestehen aus einem Metall z. B. Aluminium oder stellen gegenüber den Widerständen R1 bis R4 höher do­ tierte Gebiete der Spiegelanordnung 10 dar. Damit sind die Widerstände R1 bis R4 der Spiegelanordnung 10 von außen elek­ trisch kontaktierbar.

Die vier Widerstände R1 bis R4 der beiden Federn sind zu einer Widerstandsmeßbrücke 11 entsprechend der Darstellung in der Fig. 5 zusammengeschaltet. Dazu sind jeweils die Enden der Widerstände R1 bis R4, die sich parallel gegenüber befinden miteinander verbunden. Diese Verbindungsstellen stellen den Ausgang 7 der Widerstandsmeßbrücke 11 dar, an der bei einer Auslenkung des Einzelspiegels 1 eine dementsprechende Span­ nungsänderung abnehmbar ist. Die Verbindungen der Widerstände R1 bis R4 sind miteinander und mit je einem Ausgang einer Spannungsquelle 6 verbunden. Damit ist eine Vollbrücke als Widerstandsmeßbrücke 11 gegeben und die Spannungsänderung stellt ein Maß für die Auslenkung des Einzelspiegels 1 dar. Damit sind die Amplituden der Auslenkung eines Einzelspiegels erfaßbar.

Die an der Widerstandsmeßbrücke 11 anstehende Spannung kann eine Stellgröße für den der Ansteuerung 14 des mikromechani­ schen Einzelspiegels 1 dienenden Frequenzgenerators darstellen. Diese Spannung ist über einen Spannungs-Frequenz-Wandler 15 in eine äquivalente Frequenz oder über einen Analog-Digital-Umset­ zer in ein digitales Signal wandelbar, die wiederum der Steue­ rung des den mikromechanischen Einzelspiegel 1 ansteuernden Frequenzgenerators dienen können.

3. Ausführungsbeispiel

Ein drittes Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Anordnung zur Messung der Auslenkung von mikromechanischen Spiegelanord­ nungen 10, die insbesondere elektrostatisch angesteuert werden. Die Spiegelanordnung 10 besteht aus einem plattenförmig ausge­ bildeten Einzelspiegel 1, der von einem Rahmen 3 umgeben ist. Der Einzelspiegel 1 ist über vier Federn, die mittig an den Seiten angeordnet sind, mit dem Rahmen 3 verbunden.

Jede Feder besteht aus vier O-förmig angeordneten Balken 8a bis 8d, die dabei jeweils mit einem Winkel von 90° zueinander ange­ ordnet sind. Der Balken 8b parallel zum Einzelspiegel 1 ist über einen Steg 9b mit diesem und der Balken 8d parallel zum Rahmen 3 ist über einen weiteren Steg 9a mit diesem verbunden. Die Länge dieser Balken 8b und 8d ist dabei gleich dieser Seitenlänge des Einzelspiegels 1. Die beiden anderen Balken 8a und 8c sind wesentlich kürzer ausgebildet.

Die Spiegelanordnung 10 besteht aus Silizium.

Der Balken 8d parallel zum Rahmen 3 besitzt zwei Gebiete, die gegenüber dem Silizium der Spiegelanordnung 10 anders dotiert sind. Dieses dotierten Gebiete bilden piezoresistive Wider­ stände R. Die Gebiete besitzen eine rechteckförmige Grundfläche und grenzen unmittelbar an die gedachte Verlängerung des Steges 9a auf dem Balken 8d. Alle Gebiete besitzen die gleichen geo­ metrischen Abmessungen.

In einer ersten Variante sind die Widerstände R so angeordnet, daß deren Längsachse parallel zur Längsachse des Steges 9a verläuft.

In einer zweiten Variante sind die Widerstände R derart ange­ ordnet, daß deren Längsachse parallel zur Längsachse des Bal­ kens 8d verläuft.

Der Rahmen 3 weist elektrische Kontaktstellen 4 auf. Zwei Enden der Widerstände R sind mit je einer Kontaktstelle 4, die beiden anderen Enden sind miteinander und diese Verbindung ist mit einer Kontaktstelle 4 jeweils über elektrische Leiterbahnen 5 verbunden.

Die Leiterbahnen 5 bestehen aus einem Metall z. B. Aluminium oder stellen gegenüber den Widerständen R höher dotierte Ge­ biete der Spiegelanordnung 10 dar. Damit sind die Widerstände R der Spiegelanordnung 10 von außen elektrisch kontaktierbar. Die vier Widerstände R der sich gegenüberliegenden Federn sind jeweils zu einer Widerstandsmeßbrücke 11 zusammengeschaltet. Dazu sind jeweils die Enden der Widerstände R, die sich pa­ rallel gegenüber befinden miteinander verbunden. Diese Verbin­ dungsstellen stellen die Ausgänge 7 der Widerstandsmeßbrücken 11 dar, an denen bei einer Auslenkung des Einzelspiegels 1 dementsprechende Spannungsänderungen abnehmbar sind. Die sich gegenüberliegenden Verbindungen der Widerstände R sind mit­ einander und mit je einem Ausgang einer Spannungsquelle 6 verbunden. Damit sind zwei Vollbrücken als Widerstandsmeßbrücke 11 gegeben und die Spannungsänderungen stellen ein Maß für die Auslenkung des Einzelspiegels 1 dar.

Der Einzelspiegel 1 wird über zwei unabhängige Frequenzgenera­ toren angesteuert. Diese steuern den Einzelspiegel 1 so an, daß dieser unabhängig in x- und y-Richtung gekippt werden kann. Dadurch ist ein 2-D-Spiegel gegeben.

Die an den Widerstandsmeßbrücken 11 anstehenden Spannungen sind den Amplituden des Einzelspiegels sowohl in x- als auch in y- Richtung zuordenbar. Die Bewegungen des 2-D-Spiegels sind damit erfaßbar.

Diese Meßergebnisse sind als Stellgrößen für die der Ansteue­ rungen 14 des mikromechanischen Einzelspiegels dienenden Fre­ quenzgeneratoren einsetzbar. Diese Spannungen sind über Span­ nungs-Frequenz-Wandler 15 in äquivalente Frequenzen oder über Analog-Digital-Umsetzer in digitale Signale wandelbar, so daß wiederum die Möglichkeit der Steuerung der den mikromechani­ schen Einzelspiegel 1 ansteuernden Frequenzgeneratoren gegeben ist.

Ein Ausschnitt der Anordnung ist in den Fig. 4a und 4b darge­ stellt. Die Fig. 5 zeigt eine Realisierungsvariante einer Widerstandsmeßbrücke 11 der sich gegenüberliegenden Federn.

4. Ausführungsbeispiel

Ein viertes Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Anordnung zur Steuerung der Auslenkung von mikromechanischen Spiegelanord­ nungen 10.

Die Spiegelanordnungen 10 des ersten oder zweiten Ausführungs­ beispiels sind ein Bestandteil des vierten Ausführungsbei­ spiels, das prinzipiell in der Fig. 6 dargestellt ist.

Dabei ist der Einzelspiegel 1 insbesondere elektrostatisch an­ gesteuert und mit zwei mittig an sich gegenüberliegenden Seiten angeordneten Federn mit einem Rahmen 3 verbunden. Gebiete die­ ser Federn stellen piezoresistive Widerstände R dar.

Die Ausgestaltung der Federn und die Ausführung und Plazierung der Widerstände R entspricht denen des ersten und zweiten Aus­ führungsbeispiels. Die Widerstände R des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels sind Bestandteile einer Widerstandsmeß­ brücke 11, die eine Vollbrücke darstellt. Die durch die Auslen­ kung des Einzelspiegels 1 hervorgerufene proportionale Änderung der Brückenspannung stellt bei dynamischen Betrieb des Einzel­ spiegels 1 eine äquivalente Spannungsfolge dar. Diese Span­ nungsfolge wird über einen Spannungs-Frequenz-Wandler 15 in eine der Spannungsfolge äquivalenten Frequenz umgesetzt. Der Auslenkung des Einzelspiegels 1 dient ein eine Ansteuerung 14, die ein Wechselspannung liefernden Generator darstellt, dessen Ausgänge mit den Elektroden der Spiegelanordnung 10 zusammengeschaltet sind. Dazu ist der Einzelspiegel 1 selbst eine Elektrode und die Ansteuerung dieser und korrespondierend angeordneten Elektroden mit einer Wechselspannung führen zu einer Auslenkung des Einzelspiegels 1.

Weiterhin ist der Ausgang des Spannungs-Frequenz-Wandlers 15 mit dem Eingang eines programmierbaren Teilers 16, der Ausgang des programmierbaren Teilers 16 mit einem Eingang eines Phasen­ detektors 17, der Ausgang des Phasendetektors 17 mit dem Ein­ gang eines spannungsgesteuerten Oszillators 18, der Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 18 mit dem Steuereingang der Ansteuerung 14 der Spiegelanordnung 10 und ein zweiter Eingang des Phasendetektors 17 mit dem Ausgang eines Oszillators 19, der eine rechteckförmige Wechselspannung liefert, zusammenge­ schaltet. Dieser Aufbau stellt einen Phasenregelkreis (PLL) dar.

Dabei liefert der Phasendetektor 17 eine Ausgangsspannung, die von der Phasenverschiebung zwischen der Spannungsfolge am Aus­ gang des Spannungs-Frequenz-Wandlers 15 und der Wechselspannung des Oszillators 19 bestimmt wird. Der Phasendetektor 17 ist ein Multiplizierer. Es handelt sich dabei um einen digitalen Multi­ plizierer, der insbesondere und im wesentlichen aus zwei flan­ kengetriggerten D-Flip-Flops besteht.

An dessen Ausgang entsteht ein Fehlersignal, das die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 18 so verändert, daß Dif­ ferenzen zwischen der Frequenz des Spannungs-Frequenz-Wandlers 15 und der Frequenz des Oszillators 19 ausgeregelt werden. Der "Haltebereich" des Phasenregelkreises wird durch die realisier­ bare Frequenzänderung des spannungsgesteuerten Oszillators 18 bestimmt. Damit wird auch der "Fangbereich" des Phasenregel­ kreises bestimmt, der kleiner oder gleichgroß dem Haltebereich ist. Die Ausgangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators 18 dient der Steuerung der Ansteuerung 14 des Einzelspiegels 1. Mit dem Einsatz dieses Phasenregelkreises können die Auslen­ kungen des Einzelspiegels 1 im dynamischen Betrieb konstant ge­ halten werden, so daß sich gleichbleibende Ablenkbedingungen für den abgelenkten Lichtstrahl ergeben.

Der Einsatz des programmierbaren Teilers 16 führt zu einer pro­ grammierbaren Frequenzsynthese. Durch das Programmieren der Programmiereingänge läßt sich eine sehr große Anzahl unter­ schiedlicher diskreter Frequenzen mit der gleichen Stabilität und Genauigkeit wie die der Frequenz des Oszillators 19 er­ zeugen. Dadurch ist die Frequenz der Ablenkung des Einzelspie­ gels 1 von außen leicht digital programmierbar. Die Amplitude der Auslenkung wird durch die Spannungsfolge am Ausgang der Ansteuerung 14 des mikromechanischen Einzelspiegels 1 beein­ flußt. Diese kann z. B. fest vorgegeben oder frei gewählt werden.

5. Ausführungsbeispiel

Ein fünftes Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Regelung der Auslenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen 10.

Grundlage des fünften Ausführungsbeispiels bildet der Aufbau des vierten Ausführungsbeispiels. Der Ausgang der Widerstands­ meßbrücke 11 wird sowohl mit dem Eingang des Spannungs-Fre­ quenz-Wandlers 15 als auch entweder mit einem Eingang des Kom­ parators 12 (Darstellung in der Fig. 7) oder einem Eingang des Fensterdikriminators 13 (Darstellung in der Fig. 8) zusammen­ geschaltet.

Die anderen Eingänge des Komparators 12 oder Fensterdiskrimi­ nators 13 sind jeweils mit Spannungsquellen U oder U1 und U2 verbunden. Die Ausgänge sowohl des Komparators 12 als auch des Fensterdiskriminators 13 stellen ein Maß für die Programmier­ eingänge des programmierbaren Teilers 16 dar.

Damit entstehen Anordnungen, bei denen die Änderungen entweder der Amplitude gegenüber einer vorgegebenen Größe oder der Am­ plitude gegenüber einem vorgegebenen Bereich überwacht und bei Änderungen automatisch über die Änderung der Frequenz der An­ steuerung 14 ausgeregelt werden.

Die Spannungsfolge am Ausgang der Ansteuerung 14 ist durch die Gestaltung der Ansteuerung 14 selbst vorgebbar. Diese ist nicht Gegenstand der Erfindung und wird als bekannt vorausgesetzt.

6. Ausführungsbeispiel

Ein sechstes Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Anordnung zur Steuerung der Auslenkung von mikromechanischen Spiegelanord­ nungen 10.

Die Spiegelanordnung 10 des dritten Ausführungsbeispiels ist ein Bestandteil des sechsten Ausführungsbeispiels entsprechend der Darstellung in der Fig. 9.

Dabei ist der Einzelspiegel 1 insbesondere elektrostatisch an­ gesteuert und mit vier mittig an den Seiten angeordneten Federn mit einem Rahmen 3 verbunden. Gebiete dieser Federn stellen piezoresistive Widerstände R dar.

Die Ausgestaltung der Federn und die Ausführung und Plazierung der Widerstände R entspricht dem des dritten Ausführungsbei­ spiels. Die Widerstände R sind Bestandteile zweier Widerstands­ meßbrücken 11a und 11b entsprechend einer Ablenkung in x- oder y-Richtung, die Vollbrücken darstellen. Die durch die Auslen­ kungen des Einzelspiegels 1 hervorgerufenen proportionalen Änderungen der Brückenspannungen stellen bei dynamischen Be­ trieb des Einzelspiegels 1 äquivalente Wechselspannungen dar. Die Amplituden der Wechselspannungen sind den Winkeln der Aus­ lenkungen des Einzelspiegels 1 äquivalent.

Die Ausgänge der Widerstandsmeßbrücken 11a und 11b sind über einen programmierbaren Schalter 20 mit den Ansteuerungen 14a und 14b des Einzelspiegels 1 verbunden. Mit diesem program­ mierbaren Schalter 20 sind die Amplituden der Schwingungen des Einzelspiegels 1 in x- und y- Richtung einstell- und steuerbar. Dadurch ist der abzulenkende Lichtstrahl auf der Bahn eines Kreises oder einer Ellipse ablenkbar.

Die Größe der Amplituden wird durch die Spannungsfolge an den Ausgängen der Ansteuerungen 14a und 14b bestimmt. Diese sind durch die Gestaltungen der Ansteuerung 14 selbst vorgebbar. Diese werden als bekannt vorausgesetzt und sind nicht Gegen­ stand der Erfindung.

In weiteren Ausführungsbeispielen sind die Merkmale der Aus­ führungsbeispiele eins bis sechs auch auf Spiegelanordnungen anwendbar, die aus mehreren Einzelspiegeln 1, die mit einem Rahmen 3 verbunden sind, bestehen.

Claims (18)

1. Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Aus­ lenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen, wobei ein oder mehrere Einzelspiegel über mindestens zwei Federn mit einem Rahmen verbunden sind, mindestens ein Gebiet der Feder selbst ein die elektrischen Eigenschaften bei einer Deformation änderndes Element darstellt oder auf der Feder mindestens ein die elektrischen Eigenschaften bei einer Deformation änderndes Element angeordnet ist und die Enden der Elemente über elek­ trische Leiterbahnen miteinander, mit Gebieten des Rahmens (3) als elektrisch leitfähigen Kontaktstellen (4) oder mit Anschlüssen elektrischer Bauelemente, die Teil des Rahmens (3) sind oder auf ihm angeordnet sind, verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente Bestandteile mindestens einer die Auslenkung des oder der Einzelspiegel (1) erfassenden Meßschaltung sind und daß die Meßschaltung ein Bestandteil einer Steuerung oder Regelung ist.

2. Anordnung zur Messung und Steuerung der Auslenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen, wobei die in den Federn integrierten oder auf den Federn angeordneten und die elek­ trischen Eigenschaften bei einer Deformation ändernden Elemente über elektrische Leiterbahnen zu einer Widerstandsmeßbrücke als Meßschaltung zusammengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brückendiagonale mit dem Eingang eines Spannungs-Fre­ quenz-Wandlers (15), daß die andere Brückendiagonale mit einer Quelle (6), daß der Ausgang eines Phasendetektors (17) mit dem Eingang eines spannungsgesteuerten Oszillators (18), daß dessen Ausgang mit einem die Frequenz steuerbaren Eingang der An­ steuerung (14) des Einzelspiegels (1), daß der Ausgang des Spannungs-Frequenz-Wandlers (15) über einen programmierbaren Frequenzteiler (16) mit einem Eingang des Phasendetektors (17) und daß der andere Eingang des Phasendetektors (17) mit dem Ausgang eines Oszillators (19) zusammengeschaltet sind.

3. Anordnung zur Messung und Steuerung der Auslenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen, wobei der Einzelspiegel eine rechteckförmige Grundfläche besitzt, mittig je Seitenkante eine Feder angeordnet ist, die in den Federn integrierten oder auf den Federn angeordneten und die elektrischen Eigenschaften bei einer Deformation ändernden Elemente über elektrische Leiterbahnen zu zwei Widerstandsmeßbrücken als Meßschaltung zusammengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ecken der rechteckförmigen Grundfläche des Einzelspiegels (1) abge­ schrägt sind, daß die Widerstandsmeßbrücken (11a, 11b) als Meßschaltungen über einen programmierbaren Schalter (20) mit den Ansteuerungen (14a, 14b) des mikromechanischen Einzel­ spiegels (1) zusammengeschaltet sind.

4. Anordnung zur Messung und Regelung der Auslenkung von mikro­ mechanischen Spiegelanordnungen, wobei die in den Federn in­ tegrierten oder auf den Federn angeordneten und die elek­ trischen Eigenschaften bei einer Deformation ändernden Elemente über elektrische Leiterbahnen zu einer Widerstandsmeßbrücke als Meßschaltung zusammengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Brückendiagonale mit dem Eingang eines Span­ nungs-Frequenz-Wandlers (15), daß die zweite Brückendiagonale mit einer Quelle (6) oder einer Spannung (U), daß der Ausgang eines Phasendetektors (17) mit dem Eingang eines spannungsge­ steuerten Oszillators (18), daß dessen Ausgang mit einem die Frequenz steuerbaren Eingang der Ansteuerung (14) des Einzel­ spiegels (1), daß der Ausgang des Spannungs-Frequenz-Wandlers (15) über einen programmierbaren Frequenzteiler (16) mit einem Eingang des Phasendetektors (17), daß der andere Eingang des Phasendetektors (17) mit dem Ausgang eines Oszillators (19), daß die erste Brückendiagonale weiterhin mit dem ersten Eingang eines Komparators (12), daß der zweite Eingang mit der Quelle (6) oder der Spannung (U) oder einer weiteren Spannung und daß der Ausgang des Komparators (12) mit den Progammeingängen des programmierbaren Teilers (16) zusammengeschaltet sind.

5. Anordnung zur Messung und Regelung der Auslenkung von mikro­ mechanischen Spiegelanordnungen, wobei die in den Federn inte­ grierten oder auf den Federn angeordneten und die elektrischen Eigenschaften bei einer Deformation ändernden Elemente über elektrische Leiterbahnen zu einer Widerstandsmeßbrücke als Meßschaltung zusammengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Brückendiagonale mit dem Eingang eines Span­ nungs-Frequenz-Wandlers (15), daß der Ausgang eines Phasen­ detektors (17) mit dem Eingang eines spannungsgesteuerten Oszillators (18), daß dessen Ausgang mit einem die Frequenz steuerbaren Eingang der Ansteuerung (14) des Einzelspiegels (1), daß der Ausgang des Spannungs-Frequenz-Wandlers (15) über einen programmierbaren Frequenzteiler (16) mit einem Eingang des Phasendetektors (17), daß der andere Eingang des Phasen­ detektors (17) mit dem Ausgang eines Oszillators (19), daß die erste Brückendiagonale weiterhin mit einem Eingang eines Fensterdiskriminators (13), daß die zweite Brückendiagonale und die anderen Eingänge des Fensterdiskriminators (13) jeweils mit einer Quelle (6) oder den Spannungen (U1, U2) und daß der Ausgang des Fensterdiskriminators (13) mit den Progammeingängen des programmierbaren Teilers (16) zusammengeschaltet sind.

6. Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Aus­ lenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder ein einstückig ausgebildeter Torsionsbalken (2) ist, daß das Element eine rechteck-, parallelogramm- oder trapezförmige Grundfläche besitzt und daß das Element mit der parallel zur längeren Seitenkante verlaufenden Symmetrieachse mit einem Winkel von ±45° zur Federbandlängsachse angeordnet ist.

7. Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Aus­ lenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder aus vier O-förmig und rechtwinklig zueinander angeordneten Balken (8a bis 8d) besteht und daß der parallel zum Einzel­ spiegel (1) angeordnete Balken (8b) mit diesem und der parallel zum Rahmen (3) angeordnete Balken (8d) mit diesem über jeweils einen Steg (9a) und (9b) verbunden ist.

8. Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Aus­ lenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder aus mindestens zwei jeweils aus vier O-förmig und rechtwinklig zueinander angeordneten Balken (8a bis 8d) besteht und daß diese über einen Steg miteinander verbunden sind.

9. Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Aus­ lenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen nach einem der Patentansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine rechteck-, parallelogramm- oder trapezförmige Grundfläche besitzt, daß das Element ein Gebiet des parallel zum Rahmen angeordneten Balkens (8d) oder auf diesem angeordnet ist und daß das Element mit der parallel zur längeren Seiten­ kante verlaufenden Symmetrieachse parallel zur Balkenlängsachse angeordnet ist.

10. Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Aus­ lenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen nach einem der Patentansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine rechteck-, parallelogramm- oder trapezförmige Grundfläche besitzt und daß zwei dieser Elemente in unmittel­ barer Nähe zu beiden Seiten des Steges (9a) entweder Gebiete des parallel zum Rahmen angeordneten Balkens (8d) oder auf diesem angeordnet sind.

11. Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Aus­ lenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen nach Patent­ anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente mit den parallel zur längeren Seitenkante verlaufenden Symmetrieachsen parallel zur Balkenlängsachse oder parallel zur Stegsymmetrie­ achse angeordnet sind.

12. Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Aus­ lenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen nach Patent­ anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente pro Feder über elektrische Leiterbahnen (5) zu zwei Brückenzweigen einer Widerstandsmeßbrücke (11) zusammengeschaltet sind.

13. Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Aus­ lenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Gebiet des Rahmens (3) selbst ein die elektrischen Eigen­ schaften bei einer Deformation änderndes Element darstellt oder auf dem Rahmen (3) mindestens ein die elektrischen Eigenschaf­ ten bei einer Deformation änderndes Element angeordnet ist.

14. Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Aus­ lenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die geo­ metrischen Abmessungen der Elemente gleich sind.

15. Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Aus­ lenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Einzelspiegel (1) und der Rahmen (3) aus Silizium bestehen.

16. Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Aus­ lenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Einzelspiegel (1) mit Massepotential verbunden sind.

17. Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Aus­ lenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die elektrischen Eigenschaften bei einer Deformation ändernden Elemente Piezowiderstände sind.

18. Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Aus­ lenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen nach Patent­ anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezowiderstände aus Polysilizium bestehen oder ein dotiertes Gebiet der Feder oder Rahmens (3) sind.