DE3223986C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Anzeigevorrichtung in Miniaturform
nach Anspruch 1, die
insbesondere in tragbaren Geräten verwendet werden
kann, die durch eine Batterie versorgt werden, wie etwa Uhren und
elektronische Rechner.
Die auf eine ältere Anmeldung zurückgehende
DE 31 08 240 C2 offenbart eine Miniatur-
Anzeigeanordnung mit einem Träger, relativ zu
dem zentralsymmetrisch aufgehangene Klappen
über jeweils einer Ausnehmung durch Anlegen
eines elektrischen Feldes an auf der Klappe
bzw. am Boden der Ausnehmung vorgesehene
Elektroden verschwenkbar sind.
Aus der US-PS 42 29 732 ist ferner eine Anzeigevorrichtung in
Miniaturform und Halbleiter-Herstellungstechnologie bekannt, die aus
einzelnen matrixförmig angeordneten Anzeigeelementen aufgebaut ist.
Jedes Anzeigeelement besteht aus einer Ausnehmung mit einer bodenseitig
an ein Potential anschaltbaren Halbleiterschicht. Jede dieser Ausnehmungen
weist weiterhin eine an einem Eckpunkt befestigte und elektrostatisch
auslenkbare Klappe auf, die über eine entsprechende Ansteuerschaltung
(FET) ausgelenkt wird.
Aufgrund des relativ geringen Auslenkwinkels der Klappen ergibt
sich nur ein mäßiger Kontrast.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anzeigevorrichtung in Miniaturform
zu schaffen, die einen
sehr guten Kontrast aufweist sowie bei einer niedrigen Versorgungsspannung
und mit geringem Energieverbrauch arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale
gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden
Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen. Als Vorteil ist zu sehen,
daß die erfindungsgemäße Bauart sich für die Herstellung mittels
der in der Halbleiterindustrie eingeführten
Techniken eignet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten
Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
Fig. 1 zeigt ausschnittsweise schematisch
eine Anzeigevorrichtung.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Anzeige mit
matrixförmig angeordneten Anzeigeelementen.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm bezüglich der
Steuer- und Haltespannungen zum
Realisieren der Anzeige von Fig. 2.
Fig. 4a und 4b zeigen ein Ausführungsbeispiel
für Klappen der Anzeigevorrichtung.
Fig. 5 zeigt ausschnittweise einen Schnitt
durch die Anzeigevorrichtung.
Fig. 6 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform
der Anzeigevorrichtung.
Fig. 1 zeigt ausschnittweise und schematisch eine Anzeigevorrichtung
mit einem isolierenden Träger 1, der eine Vielzahl
von Ausnehmungen 2 aufweist, die eine allgemein rechteckige
Form aufweisen. Die Ausnehmungen 2 sind durch Klappen V, ebenfalls
von rechteckiger Form, abdeckbar, die am Träger 1
durch zwei elastische Halterungen 3 befestigt sind, die sich
auf beiden Seiten der Klappen V befinden. Die Klappen V sind
paarweise gruppiert, derart, daß die elastischen Halterungen
3 der Klappen V des gleichen Paars die Verlängerung ihrer
benachbarten Kanten sind. Die Klappen V und ihre Halterungen
3 bestehen, wenigstens teilweise, aus einem leitenden Material,
wobei für eine gleiche Reihe von Klappen V eine Klappe V
jedes Paars mit einer ersten Elektrodes a1 oder a2 verbunden,
ist, während die andere Klappe V jedes Paars mit einer zweiten
Elektrode b1 oder b2 verbunden ist. Jeder Spalte von
Klappenpaaren ist eine dritte Elektrode (Gegenelektrode oder Steuerelektrode)
c1 bis c4 zugeordnet, die in Bezug auf jedes Klappenpaar
am Boden der Ausnehmung 2 angeordnet ist.
Die Anzeigevorrichtung von Fig. 1 arbeitet folgendermaßen:
Wenn eine Steuerspannung - Gleich- oder Wechselspannung - zwischen den Klappen V und der diesen zugeordneten Steuerelektrode c1 bis c4 angelegt wird, verlassen die Klappen V ihre Ruheposition und drehen sich unter der Wirkung des elektrischen Feldes E, das durch die Steuerspannung erzeugt wird, um ihre elastischen Halterungen 3, um eine Stellung im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Trägers 1 anzunehmen. Der Winkel, um den sich die Klappen V drehen, hängt einerseits von der Stärke des erzeugten elektrischen Feldes E und andererseits von dem Rückstellmoment ab, das durch die elastischen Halterungen 3 der Klappen V ausgeübt wird, wenn diese ihre Ruheposition Nichtanzeigezustand verlassen haben. Wenn ein Paar von Klappen V angesteuert ist, befinden sich die Klappen V dieses Paars sehr nahe beieinander (Anzeigezustand) und es genügt daher, zwischen diesen Klappen V entweder zwischen den Elektroden a1 und b1 oder den Elektroden a2 und b2 eine Haltespannung anzulegen, damit sich die Klappen V gegenseitig anziehen, so daß die Steuerspannung abgeschaltet werden kann. Die Klappen V kehren in ihre Ruheposition, d. h. in die Position parallel zur Ebene des Trägers 1, aufgrund des Rückstellmomentes zurück, das durch die elastischen Halterungen 3 ausgeübt wird, wenn die Steuer- und Haltespannungen nicht mehr anliegen.
Wenn eine Steuerspannung - Gleich- oder Wechselspannung - zwischen den Klappen V und der diesen zugeordneten Steuerelektrode c1 bis c4 angelegt wird, verlassen die Klappen V ihre Ruheposition und drehen sich unter der Wirkung des elektrischen Feldes E, das durch die Steuerspannung erzeugt wird, um ihre elastischen Halterungen 3, um eine Stellung im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Trägers 1 anzunehmen. Der Winkel, um den sich die Klappen V drehen, hängt einerseits von der Stärke des erzeugten elektrischen Feldes E und andererseits von dem Rückstellmoment ab, das durch die elastischen Halterungen 3 der Klappen V ausgeübt wird, wenn diese ihre Ruheposition Nichtanzeigezustand verlassen haben. Wenn ein Paar von Klappen V angesteuert ist, befinden sich die Klappen V dieses Paars sehr nahe beieinander (Anzeigezustand) und es genügt daher, zwischen diesen Klappen V entweder zwischen den Elektroden a1 und b1 oder den Elektroden a2 und b2 eine Haltespannung anzulegen, damit sich die Klappen V gegenseitig anziehen, so daß die Steuerspannung abgeschaltet werden kann. Die Klappen V kehren in ihre Ruheposition, d. h. in die Position parallel zur Ebene des Trägers 1, aufgrund des Rückstellmomentes zurück, das durch die elastischen Halterungen 3 ausgeübt wird, wenn die Steuer- und Haltespannungen nicht mehr anliegen.
Das beschriebene Steuern und Halten der Klappen V bietet den
Vorteil, daß eine Multiplexsteuerung ermöglicht wird, wie
nachstehend ausgeführt wird.
Ein Beispiel einer Multiplexsteuerung wird im einzelnen
unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben. Fig. 2
zeigt schematisch eine Matrixanordnung von neun Anzeigeelementen
E11 bis E33, verteilt auf drei Reihen und drei
Spalten. Jedes Anzeigeelement E11 bis E33 umfaßt wenigstens ein Klappenpaar,
von denen eine Klappe mit einer ersten Reihenelektrode
a1, a2 oder a3 und die zweite Klappe mit einer
zweiten Reihenelektrode b1, b2 oder b3 verbunden ist. Die
Anzeigeelemente E11 bis E33 einer Spalte werden durch jeweils eine
Steuerelektrode (Spaltenelektrode) c1, c2 oder c3 gesteuert. Das Diagramm von
Fig. 3 zeigt ein Beispiel von Signalen, die an die Reihen-
und Spaltenelektroden a1, a2, a3, b1, b2, b3 bzw. c1, c2, c3 angelegt werden, um die Ansteuerung der
Anzeigeelemente E12, E21, E23 und E32 gemäß Fig. 2 zu ermöglichen.
Bis zum Zeitpunkt t0 sind alle Anzeigeelemente E11 bis E33 auf null gesetzt;
vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t3 werden die drei Reihen
in zeitlicher Folge aktiviert. Dabei werden
Spannungen VS und VS-VM an die Reihenelektroden
a1 bzw. b1 zwischen den Zeitpunkten t0 und t1, an die Reihenelektroden
a2 bzw. b2 zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 und
an die Reihenelektroden a3 bzw. b3 zwischen den Zeitpunkten
t2 und t3 angelegt. Die Ansteuerung eines oder mehrerer Anzeigeelemente E11 bis E33
einer vorgegebenen Reihe erfolgt, indem an die entsprechende
Steuerelektrode (oder Steuerelektroden) c1, c2, c3 eine Spannung
-VS gleichzeitig mit der Aktivierung dieser Reihe angelegt
wird. Das Aufrechterhalten der Anzeige durch die Anzeigeelemente
E11 bis E33 der gleichen Reihe außerhalb der Zeitintervalle, in welchen
diese Reihe aktiviert ist, wird aufgrund der Haltespannung
VM erhalten, die zwischen den Reihenelektroden a1, a2, a3, b1, b2, b3 angelegt ist.
Bei dem gewählten Beispiel bleibt die Haltespannung VM solange
angelegt, bis ein Nullsetzen der Anzeige erfolgt; für eine
vorgegebene Reihe ist sie daher nur außerhalb der
Aktivierungsperioden dieser Reihe notwendig und nur dann, wenn die Anzeigeelemente
E11 bis E33 dieser Reihe anzeigen sollen. Die Steuerspannung VS
wird in der Weise gewählt, daß sie nicht ausreicht, um die
Klappen V vollständig zu schwenken und daß das Doppelte ihres
Wertes, d. h. zwei VS, sie vollständig schwenken läßt (es
wird angenommen, daß sich die Klappen V vollständig drehen,
wenn sie durch die Haltespannung VM im aktivierten Zustand
erhalten werden können).
Für ein Anzeigeelement E11 bis E33, das nicht anzeigen soll, werden
an seine Reihenelektroden a1, a2, a3, b1, b2, b3, mit denen die Klappen V
dieses Anzeigeelementes E11 bis E33 verbunden sind, entweder eine
VS oder VS-VM angelegt, während seine Steuerelektrode c1, c2, c3
auf einem Potential null gehalten wird.
Die Klappen V müssen Leiter sein. Vorteilhafterweise
werden die Klappen V aus Aluminium auf einem isolierenden
Träger wie Silicium hergestellt. Jedoch muß dafür gesorgt
sein, daß die Klappen V eines gleichen Paars
nie miteinander in elektrischen Kontakt treten können.
Eine dieser Möglichkeiten wird nachstehend im Zusammenhang mit
den Fig. 4a und 4b beschrieben.
Fig. 4a zeigt eine Klappe V, die mit Rippen 31 versehen
ist, mit ihren elastischen Halterungen 3, während Fig. 4b
einen Schnitt längs der Linie A-A von Fig. 4a zeigt. Aus
Fig. 4b ist ersichtlich, daß die Klappe V teilweise aus
einem leitenden Material (beispielsweise Aluminium) und
teilweise aus isolierendem Material (beispielsweise Magnesiumfluorid)
besteht. Der leitende Teil bedeckt die gesamte Oberseite
der Klappe V, während der isolierende Teil nur auf
der Unterseite der Klappe V im Bereich der Rippen 31 besteht.
Die Rippen 31 sind so angeordnet, daß dann, wenn
zwei Klappen V des gleichen Paars aktiviert werden, ihre
isolierten Bereiche, die den Abstand zwischen den leitenden
Bereichen der Klappen V bestimmen, sich einander
gegenüber befinden. Die Anwendung der Rippen 31 ermöglicht
es daher, die Klappen V eines Paars gegeneinander zu isolieren
und bietet den Vorteil der Versteifung der
Klappen und der Verbesserung ihres ästhetischen Aussehens.
Ein weiteres Mittel zum Vermeiden des elektrischen Kontaktes
zwischen den Klappen V eines gleichen Paars besteht
darin, einen Anschlag auf dem Boden der Ausnehmung 2 vorzusehen.
Dieser Anschlag kann durch einen Vorsprung 4 (Fig. 5
und 6) am Boden der Ausnehmung 2 realisiert sein, der sich
unterhalb der Drehachsen der Klappen V erstreckt und dessen
Breite etwa gleich dem Abstand ist, der die beiden Klappen
V des gleichen Paars trennt.
Fig. 5 zeigt einen Teilschnitt der Anzeigevorrichtung.
Die Anzeigeelemente sind identisch zu denjenigen von Fig. 1.
Der isolierende
Träger 1 ist mit Ausnehmungen 2 versehen.
Klappen V1 und V2 sind dargestellt, die Klappe V1
in aktivierter Position und die V2 in Ruheposition.
Der Träger 1 ruht auf einer transparenten Platte (Wandung) 7, die auf
ihrer Innenfläche die Steuerelektroden C, die selbst transparent
sind, trägt. Die transparente Platte 7 ist auf ihrer
Außenseite mit einer Schicht 8 aus Licht absorbierendem Material
bedeckt. Die Oberseite der Anzeigevorrichtung wird
durch eine zweite transparente Platte (Wandung) 6 geschützt, die in
einem geeigneten Abstand durch Abstandshalter 9 gehalten wird.
Die transparenten Platten 6 und 7 und die Abstandshalter 9
bilden für die Anzeigevorrichtung ein Schutzgehäuse, das
dicht ausgeführt sein kann. Beispielsweise können die transparenten
Platten 6 und 7 aus Glas sein, während die Abstandshalter
9 aus Plastikmaterial bestehen können. Fig. 5 zeigt
weiterhin Aussparungen 5 in dem Träger 1 unter den
elastischen Halterungen 3. Die Aussparungen 5 besitzen
eine Abstützfunktion für die elastischen Halterungen 3 und
begrenzen das Verschieben der Klappen V nach unten in der Weise,
daß diese nie den Boden der Ausnehmungen 2 berühren können.
Des weiteren ist eine Anschlageinrichtung, wie sie vorstehend
erwähnt wurde, dargestellt. Diese besteht aus einem Vorsprung
4 am Boden der Ausnehmung 2 und verhindert, daß die Klappen V
eines gleichen Paars miteinander in aktivierter Position in
Kontakt gelangen. Fig. 5 zeigt außerdem, wie die einfallenden
Strahlen Li durch die Klappen, etwa V2, in Ruhestellung reflektiert
oder durch die Schicht 8 aus Licht absorbierendem
Material absorbiert werden, wenn die Klappen, etwa V1, sich
in aktivierter Position befinden.
Fig. 6 zeigt einen Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform,
bei der jede Steuerelektrode durch zwei Halbelektroden c′1, c″1 gebildet
wird. Die Halbelektroden c′1 und c″1 bilden die Steuerelektroden
für die erste Spalte von Klappen wie V′1 und
V″1, die Halbelektroden c′2 und c″2 bilden die Steuerelektroden
für die zweite Spalte von Klappen wie V′2 und V″2,
usw. Die Halbelektrode c′1 ist der Klappe V′1 und die Halbelektrode
c″1 der Klappe V″1 zugeordnet. Das Paar von Klappen V′1 und
V″1 wird aktiviert, indem beispielsweise die Klappe V′1
einer Spannung
die Halbelektrode c′1 einer Spannung
die Klappe V″1 einer Spannung
und die Halbelektrode
c″1 einer Spannung
unterworfen wird. Gemäß
dieser Ausführungsform existiert die gleiche Spannungsdifferenz
2VS zwischen einer Klappe und ihrer Steuerelektrode,
was bei der vorhergehenden Ausführungsform nicht der Fall
war. Die Steuerspannungen VS können von einem Paar zum folgenden
alterniert werden, um zu vermeiden, daß die Haltespannung
VM zwischen zwei benachbarten Klappen von zwei verschiedenen
Paaren auftritt. Bei den vorstehend angegebenen Spannungen
für das Paar von Klappen V′1 und V″1 werden die Klappen
V′2 und V″2 auf dem Potential
gehalten
solange die Halbelektroden c′2 und c″2 auf dem Potential
bzw.
gehalten werden.
Eine weitere, ebenfalls vorteilhafte Art der Realisierung
der Steuerung der Anzeigevorrichtung von Fig. 6 besteht darin,
eine Steuerspannung +VS an die Klappe V′1 und an die Halbelektrode
c″1 sowie eine Steuerspannung -VS an die Klappe V″1 und an die
Steuerelektrode c′1 anzulegen. Die Klappen werden dann mit
Hilfe einer Spannung gleich 2VS aktiviert und ihr Halten
selbst dann sichergestellt, wenn die Steuerelektroden auf
Spannung null zurückgebracht sind.
Fig. 6 zeigt außerdem, daß die Anzeigevorrichtung auch
in Durchsicht verwendet werden kann, wenn sie keine Schicht
aus absorbierendem Material aufweist. Die Klappen V′1, V″1, V′2, V″2 wirken in
diesem Fall als optische Ventile, die das einfallende Licht
Li durchlassen, wenn die Klappen sich in aktivierender Position
befinden, und das einfallende Licht Li reflektieren,
wenn sie sich in Ruhestellung befinden.
Die Anzeigevorrichtung kann vorteilhafterweise unter
Verwendung von elektronischen integrierten Schaltkreisen
hergestellt werden. Der Träger ist in diesem Falle
eine Siliciumplatte. Die Klappen, ihre elastischen
Halterungen und die Linienelektroden werden durch Beschichten
und Ätzen einer Aluminiumschicht einer
von etwa 50 bis 200 nm auf einer ersten Stirnfläche der
Platte hergestellt. Wenn die Klappen Rippen tragen,
wird die erste Stirnfläche durch Ätzen, MgF₂-Beschichtung
und Formätzen dieser isolierenden Schicht vor dem Aufbringen
des Aluminiums vorbereitet. Die Ausnehmungen
werden ausgebildet, indem das Silicium von der zweiten
Stirnseite der Platte her weggeätzt wird. Wenn die Ätzung
die Innenfläche der Klappen erreicht, wird sie beendet
und die Klappen werden freigelegt. Der Boden der Ausnehmungen
wird durch eine Glasplatte gebildet, auf der
die transparenten Steuerelektroden in
aus der Herstellung von Flüssigkristallen bekannter Weise aufgebracht werden.
Die Anzeigevorrichtung kann auch unter Verwendung anderer
Materialien als Silicium hergestellt werden.
Der Träger kann auch ein Isolator, wie z. B. Saphir oder ein
Plastikmaterial
sein.
Die Anzeigevorrichtung kann auch in Form einer Punktmatrix
realisiert werden, wobei jeder Punkt durch eines oder
mehrere Klappenpaare gebildet wird, oder in Form von Segmenten,
die selbst durch mehrere Klappenpaare gebildet werden.
Die Verwendung einer Platte aus Halbleitermaterial
ermöglicht es daneben, die Anzeige und ihre Steuerkreise
auf dem gleichen Träger zu realisieren.
Claims (14)
1. Elektrostatische Anzeigevorrichtung in Miniaturform mit einem Träger, der mit
Ausnehmungen und Klappen versehen ist, die am Träger über elastische
Halterungen gehalten sind, wobei die Klappen die Ausnehmungen im Nichtanzeigezustand
abdecken und zum Herbeiführen des Anzeigezustands unter der Wirkung eines
mit Hilfe von Steuerelektroden erzeugten elektrischen Feldes verschwenkbar
sind, welche Anzeigevorrichtung umfaßt:
- - pro Ausnehmung (2) wenigstens ein Paar von Klappen (V), wobei jede Klappe (V) eines Paars an dem Träger (1) durch zwei elastische Halterungen (3) gehalten ist, die an gegenüberliegenden Seiten der Klappe (1) und in Verlängerung einer Kante benachbart zu der anderen Klappe (V) des Paars angeordnet sind,
- - erste Elektroden (a, b), die auf den Klappen (V) zueinander parallel angeordnet sind,
- - zweite Elektroden (c), die den Boden der Ausnehmungen (2) überdecken,
- - Schaltkreise zum Anlegen einer Steuerspannung zwischen den ersten und zweiten Elektroden (a, c; b, c) zum Verschwenken des wenigstens einen Paars, und
- - Schaltkreise zum Anlegen einer Haltespannung zwischen den ersten Elektroden (a, b) der Klappen (V) jeweils eines Paars von Klappen (V) zum Halten derselben im verschwenkten Zustand bei fehlender Steuerspannung.
2. Elektrostatische Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß Anschläge zum Verhindern eines elektrischen Kontakts zwischen den
ersten Elektroden (a, b) eines verschwenkten Klappenpaars vorgesehen
sind.
3. Elektrostatische Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anschläge durch Vorsprünge (4) auf dem Boden der Ausnehmungen
(2) gebildet sind (Fig. 5, 6).
4. Elektrostatische Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anschläge durch eine isolierende Schicht gebildet sind, die
wenigstens teilweise die untere Fläche der Klappen (V) bedeckt (Fig.
4a, 4b).
5. Elektrostatische Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß im Träger (1) unter den elastischen Halterungen (3) Aussparungen
(5) angebracht sind.
6. Elektrostatische Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sie in einem geschlossenen Raum mit einer ersten und einer zweiten
Wandung (6, 7) im wesentlichen parallel zur Ebene des Trägers (1) angeordnet
ist und daß zumindest die erste Wandung (6) transparent ist.
7. Elektrostatische Anzeigevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (1) fest mit der zweiten Wandung (7) verbunden ist, die zugleich
den Boden der Ausnehmungen (2) bildet.
8. Elektrostatische Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Wandung (7) wenigstens teilweise aus einem Licht absorbierenden
Material gebildet ist.
9. Elektrostatische Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Wandung (7) und die zweiten Elektroden (c)
transparent sind.
10. Elektrostatische Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Paare von Klappen (V) in Reihen und Spalten angeordnet sind
und daß die ersten Elektroden (a oder b) einer Reihe jeweils
miteinander verbunden sind, während die zweiten Elektroden (c) jeweils
einer Spalte miteinander verbunden
sind.
11. Elektrostatische Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Reihen zeitmultiplex gesteuert sind.
12. Elektrostatische Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweiten Elektroden (c) jeweils aus
zwei Halbelektroden (c′, c″) gebildet sind.
13. Elektrostatische Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der Träger (1) aus Silicium besteht.
14. Elektrostatische Anzeigevorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Klappen (V) und ihre elastischen Halterungen (3) aus Aluminium
bestehen.
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