DE60201247T2

DE60201247T2 - Mikrospiegel mit elektrostatisch gesteuertem Mikroverschluss, Anordnung von Mikrospiegeln und Infrarot-Spektrophotometer mit dieser Anordnung

Info

Publication number: DE60201247T2
Application number: DE60201247T
Authority: DE
Inventors: Marco Pizzi; Valerian Koniachkine
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2022-11-28
Also published as: ATE276532T1; DE60201247D1; ITTO20011142A1; EP1318426A1; EP1318426B1; US20030117733A1; ES2225716T3; ITTO20011142A0; US6888142B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrostatisch gesteuerte optische Vorrichtungen mit einem variablen Betriebsmodus, von einer Art umfassend:

– einen festen Träger einschließend ein Substrat in der Form einer dünnen Schicht, die wenige Millimeter oder Zentimeter dick ist;
– eine Elektrode, die aus einem Film elektrisch leitenden Materials zusammengesetzt ist, der wenige zehn oder hundert Nanometer dick ist, auf eine Seite der dünnen Schicht aufgebracht, die das Substrat bildet;
– einen dielektrischen oder ferroelektrischen isolierenden Film mit einer Dicke, die von 0,1 Mikrometern bis zu wenigen zehn Mikrometern reicht, über dem Film aufgebracht, der die Elektrode bildet; und
– ein bewegliches Blatt, umfassend einen Film elektrisch leitenden Materials, mit einer Dicke, die von einigen Bruchteilen eines Mikron bis zu wenigen Mikron reicht, wobei nur ein Endabschnitt starr mit dem isolierenden Film verbunden und ausgelegt ist, einen Betriebszustand anzunehmen, in welchem er vollständig mit einer seiner Oberflächen durch Elektrostatik über dem isolierenden Film anhaftet, wenn eine elektrische Spannung zwischen der Elektrode und dem Blatt angelegt ist, und einen aufgerollten Ruhezustand, zu dem das Blatt durch seine eigene Elastizität gezogen wird, wenn keine elektrische Spannung angelegt ist, und in dem ein überwiegender Anteil der vorstehend genannten Oberfläche des Blatts von dem isolierenden Film beabstandet ist.

Eine Vorrichtung dieses Typs wurde beispielsweise in der Europäischen Patentanmeldung EP-A-1 008 885 des gleichen Anmelders vorgeschlagen.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung, wie sie in dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben wird. Eine Vorrichtung dieses Typs ist aus US-B1-6,236,491 bekannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung des oben angegebenen Typs bereitzustellen, die für verschiedene Anwendungen geeignet bzw. empfindlich ist, darunter insbesondere die Anwendung für die Bereitstellung eines Infrarot-Spektrophotometers bzw. Infrarot-Spektrometers, dessen Betrieb zuverlässig und effizient ist.
Im Hinblick darauf, diese Aufgabe zu erreichen, betrifft die Erfindung eine Vorrichtung des oben angegebenen Typs, wobei die Oberfläche des Blatts, die in der Lage ist, an der isolierenden Schicht zu haften, als eine reflektierende Oberfläche prädisponiert ist, ausgelegt, um einen Lichtstrahl, der darauf fällt, in alle Richtungen zu reflektieren und zu streuen, wenn sich das Blatt in der Ruheposition befindet, und wobei über dem Substrat ein Spiegel in der Form einer planaren reflektierenden Schicht angebracht ist, um den Lichtstrahl zu empfangen und zu reflektieren, wenn dieser nicht durch das elektrostatisch gesteuerte Blatt abgefangen wird, und wenn letzteres sich in seiner Betriebsposition befindet, so dass die Vorrichtung einen Mikrospiegel bildet, der mittels eines elektrostatisch gesteuerten Mikroverschlusses verdeckt werden kann.
Die so bereitgestellte Vorrichtung weist den Vorteil auf, dass die Eigenschaften und die Qualität des Spiegels nicht von den Mikrobearbeitungsvorgängen abhängig sind, die verwendet werden, um das Blatt herzustellen.
Der vorstehend genannte Spiegel weist ein Substrat auf, das aus der gleichen Oberfläche des Substrats zusammengesetzt sein kann, an der das Blatt haftet, oder durch ein zusätzliches Substrat, das über dem Substrat des Blatts aufgebracht ist. Der Spiegel kann mit der reflektierenden Oberfläche parallel zu der Oberfläche des Substrats des Blatts angeordnet sein, oder in Bezug auf diese geneigt.
Es ist möglich, eine Matrix-Anordnung einer Vielzahl von Mikrospiegeln bereitzustellen, die mit elektrostatisch gesteuerten Mikroverschlüssen verbunden bzw. diesen zugeordnet ist, gemäß der vorher beschriebenen Anordnung. Eines Matrix dieser Art kann beispielsweise vorteilhafterweise in einem Infrarot-Spektrophotometer verwendet werden, indem die Mikrospiegel der Matrix mittels der damit in Bezug stehenden Mikroverschlüsse ausgewählt werden, um vorbestimmte Frequenzen eines Lichtstrahls mit dispergierenden chromatischen Komponenten zu wählen.
Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung gemäß der Erfindung liegt in der Tatsache begründet, dass das Blatt, das mit elektrischer Spannung versorgt wird, niemals von dem Lichtstrahl getroffen wird, und daher nicht annähernd so heiß wird, wie es der Fall wäre, wenn die Oberfläche des Blatts als ein Mikrospiegel dienen würde, wodurch ermöglicht wird, intensivere Strahlen zu modulieren.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden, mit Bezug auf die begleitende Zeichnung, die ausschließlich als nicht beschränkendes Beispiel bereitgestellt ist, und in welcher:
die 1, 2 schematische Schnittansichten sind, die eine erste Ausführungsform eines Mikrospiegels mit elektrostatisch gesteuertem Mikroverschluss zeigen, in dem Ruhezustand und in dem Betriebszustand des Blatts;
3 eine Variante von 2 zeigt; und
4 eine Variante in der Richtung des Spiegels der Vorrichtung zeigt.
Die 1, 2 zeigen eine erste Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung, als ein Ganzes mit 1 bezeichnet, umfasst einen festen Träger 2 einschließend ein Substrat 3, das allgemein aus einer dünnen Schicht von Glas oder Kunststoffmaterial zusammengesetzt ist, die wenige Millimeter oder Zentimeter dick ist. Im Allgemeinen kann die Dicke des Substrats 3 von einigen wenigen Mikrometern bis zu einigen wenigen Nanometern reichen. In der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann das Substrat 3 transparent oder nicht transparent sein. Eine Schicht 4 aus leitendem Material, einige wenige zehn oder hunderte von Nanometern dick, welche eine Elektrode der Vorrichtung definiert, wird auf der Oberfläche des Substrats 3 durch Aufdampfen, Aufschleudern (spin coating), Siebdruck (screen printing) oder Eintauchen hergestellt. Genauer, die Dicke der Elektrode 4 kann von 10 bis 200 Nanometern reichen. Die leitende Schicht 4 wird nachfolgend mit einer Schicht 5 eines dielektrischen oder ferroelektrischen isolierenden Materials isoliert, deren Dicke von 0,1 Mikrometern bis zu wenigen zehn Mikrometern variieren kann, typischerweise von 0,8 bis 3 Mikrometern. Diese Schicht 5 kann erhalten werden durch Siebdruck, Aufschleudern oder Eintauchen. Die Bezugsziffer 6 bezeichnet den beweglichen Teil der Vorrichtung, der aus einem metallischen Film von einer Dicke zusammengesetzt ist, die von wenigen Bruchteilen eines Mikrons bis zu wenigen Mikrons (Blatt) reichen kann. Das Blatt 6 weist einen Endabschnitt 6a auf, der starr mit der freiliegenden Oberfläche der isolierenden Schicht 5 verbunden ist, während der verbleibende Teil dazu neigt, durch eine Elastizität eine aufgerollte Konfiguration anzunehmen, wenn er sich in Ruhe befindet, gezeigt in 1. Die aufgerollte Konfiguration kann selbstverständlich auch von der in dieser Figur gezeigten abweichen, da es allgemein ausreicht, wenn das Blatt in seiner Ruhestellung angehoben und von der Oberfläche der Isolierungsschicht 5 beabstandet ist. Die Abmessungen (Länge und Breite) des Blatts 6 können als eine Funktion des Typs von Verschluss, der erforderlich ist, und des Typs von Matrix variieren, in welche dieses eingesetzt werden soll. In den 1, 2 zeigt der mit 7 bezeichnete Block bzw. Kasten schematisch die Mittel, um eine elektrische Spannung zwischen der Elektrode 4 und dem Blatt 6 anzulegen. Durch ein Anlegen dieser Spannung wird das Blatt 6 durch Elektrostatik auf der bzw. auf die Oberfläche der isolierenden Schicht 5 entrollt, darüber haftend. Wenn anderseits keine Spannung zwischen dem Blatt 6 und der Elektrode 4 vorhanden ist, nimmt das Blatt 6 die Konfiguration in Ruhe an, die in 1 gezeigt ist.
Gemäß der Erfindung ist die Oberfläche 6b des Blatts 6, die in dem in 2 gezeigten Betriebszustand an der isolierenden Schicht 5 haftet, prädisponiert, um eine reflektierende Oberfläche zu bilden, die, in der Konfiguration des Blatts in Ruhe (1) ausgelegt ist, einen Lichtstrahl L, der darauf fällt, in alle Richtungen zu reflektieren und zu streuen. Wieder ist gemäß der Erfindung über dem festen Träger 2, und insbesondere über dem Abschnitt 6a des Blatts 6, der an dem festen Träger haftet, ein Spiegel M bereitgestellt, der in der Lage ist, den Lichtstrahl L nur zu empfangen, wenn sich das Blatt 6 in seinem in 2 gezeigten Betriebszustand befindet. In diesem Zustand wird der Lichtstrahl L von dem Spiegel M empfangen und in eine Richtung LR reflektiert. Das Blatt 6 bildet daher einen elektrostatisch gesteuerten Mikroverschluss, der in der Lage ist, das Ankommen des Lichtstrahls L über den Spiegel M zu ermöglichen oder zu verhindern. Dieser Spiegel ist nicht aus der gleichen oberen Oberfläche des Blatts 6 zusammengesetzt, sondern umfasst eine reflektierende Schicht S, zum Beispiel aus einem Film aus Gold zusammengesetzt, der auf ein Substrat aufgebracht ist. In dem Fall in den 1, 2 ist das Substrat des Spiegels das gleiche Substrat wie das Blatt 6. 3 zeigt eine Lösung, bei der der Spiegel M eine Schicht aus Gold S umfasst, die über der Schicht von Silizium 7 abgelagert ist, die wiederum über dem Abschnitt 6a des Blatts 6 und über der isolierenden Schicht 5 befestigt ist, mittels einer Schicht 8 von wärmeisolierendem Bindematerial.
Wie bereits vorstehend gezeigt ist es möglich, eine lineare Anordnung oder eine zweidimensionale Matrix bereitzustellen, die aus einer Vielzahl von Vorrichtungen des Typs zusammengesetzt sind, der in den 1, 2 oder in 3 gezeigt ist. In diesem Fall sind natürlich elektronische Steuermittel bereitgestellt, die ausgelegt sind, das Anlegen von Spannung an die verschiedenen elektrostatisch gesteuerten Mikrospiegel zu steuern, um vorbestimmte Frequenzen eines Lichtstrahls mit geeignet dispergierenden chromatischen Komponenten auszuwählen. Eine Vorrichtung dieses Typs kann vorteilhafterweise in einem Infrarot-Spektrophotometer angewendet werden. Da der Spiegel M als ein von dem Blatt 6 separates Element hergestellt ist, hängt die Qualität des Mikrospiegels nicht von den Mikrobearbeitungsvorgängen ab, die verwendet werden, um die Blätter herzustellen, und kann daher, falls notwendig, extrem hoch sein. Das Blatt 6, versorgt mit elektrischer Spannung, wird niemals direkt von dem Lichtstrahl getroffen und wird daher nicht annähernd so heiß, was die Modulation von intensiveren Strahlen ermöglicht.
4 zeigt eine Variante, bei der der Spiegel M mit seiner reflektierenden Oberfläche in Bezug auf die Ebene des Substrats 3 geneigt gerichtet ist, anders als die Situation in den 1, 2 und 3, in denen der Spiegel M parallel zu der Oberfläche des Substrats 3 ist.
Selbstverständlich können, ohne Vorurteil in Bezug auf das Prinzip des Ergebnisses, die konstruktionellen Details und Ausführungsformen in Bezug auf das, was ausschließlich als ein Beispiel beschrieben und gezeigt worden ist, stark variieren, ohne jedoch den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Zum Beispiel kann ein refraktives bzw. brechendes oder diffraktives bzw. beugendes optisches Element mit dem Spiegel M verbunden sein. Die reflektierende Oberfläche des Blatts kann mit dünnen optischen Elementen versehen sein, so wie binären beugenden optischen Elementen. Der Spiegel kann auch aus beugenden optischen Mikrofurchen mit einer Höhe bestehen, die von 0,2 bis 2 Mikron reicht.

Claims

Elektrostatisch gesteuerte optische Vorrichtung mit einem variablen Betriebsmodus, umfassend – einen festen Träger (2) einschließend ein Substrat (3) in der Form einer dünnen Schicht, die wenige Millimeter oder Zentimeter dick ist; – eine Elektrode (4), die aus einem Film elektrisch leitenden Materials zusammengesetzt ist, der wenige zehn oder hundert Nanometer dick ist, auf eine Seite der dünnen Schicht (3) aufgebracht, die das Substrat bildet; – einen dielektrischen oder ferroelektrischen isolierenden Film (5) mit einer Dicke, die von 0,1 Mikrometern bis zu wenigen zehn Mikrometern reicht, über dem Film (4) aufgebracht, der die Elektrode bildet; und – ein bewegliches Blatt (6), umfassend einen Film elektrisch leitenden Materials, mit einer Dicke, die von einigen Bruchteilen eines Mikron bis zu wenigen Mikron reicht, wobei nur ein Endabschnitt (6a) starr mit dem isolierenden Film (5) verbunden ist und ausgelegt ist, einen Betriebszustand anzunehmen, in welchem er vollständig mit einer seiner Oberflächen (6b), durch Elektrostatik über dem isolierenden Film (5) anhaftet, wenn eine elektrische Spannung zwischen der Elektrode (4) und dem Blatt (6) angelegt ist, und einen aufgerollten Ruhezustand, zu dem das Blatt (6) durch seine eigene Elastizität gezogen wird, wenn keine elektrische Spannung angelegt ist, und in dem ein überwiegender Anteil der vorstehend genannten Oberfläche (6b) des Blatts (6) von dem isolierenden Film (5) beabstandet ist; wobei die Oberfläche (6b) des Blatts (6) als eine reflektierende Oberfläche prädisponiert ist, um einen Lichtstrahl (L), der darauf fällt, in alle Richtungen zu reflektieren und zu streuen, wenn sich das Blatt in der Ruheposition befindet; dadurch gekennzeichnet, dass ein Spiegel in der Form einer planaren reflektierenden Schicht (M) über dem Substrat (3) angebracht ist, um den Lichtstrahl (L) zu empfangen und zu reflektieren, wenn er nicht durch das elektrostatisch gesteuerte Blatt (6) abgefangen wird, das heisst, wenn sich das Blatt (6) in seiner Ruheposition befindet, so dass die Vorrichtung einen Mikrospiegel bildet, der mittels eines elektrostatisch gesteuerten Mikroverschlusses verdeckt werden kann.
Optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (M) eine reflektierende Schicht aufweist, zum Beispiel aus Gold zusammengesetzt, die über dem Abschnitt (6a) des Blatts (6) aufgebracht ist, der an dem Substrat anhaftet.
Optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (M) ein zusätzliches Substrat (7) aufweist, das über dem Substrat (3) des Blatts aufgebracht ist.
Optische Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (M) eine reflektierende Schicht (S) aufweist, zum Beispiel aus Gold zusammengesetzt, die über dem zusätzlichen Substrat (7) aufgebracht ist, und dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Substrat (7), das zum Beispiel aus Silizium zusammengesetzt ist, über dem Abschnitt (6a) des Blatts (6) aufgebracht ist, der an dem Substrat (3) mittels Einfügung einer Schicht (8) wärmeisolierenden Bindematerials so wie Polyamid oder Epoxidharz befestigt ist.
Optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (M) eine flache reflektierende Oberfläche aufweist, die parallel zu der Oberfläche des Substrats (3) des Blatts (6) ist.
Optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (M) eine reflektierende Oberfläche aufweist, die in Bezug auf die Oberfläche des Substrats (3) des Blatts (6) geneigt ist.
Matrix von Mikrospiegeln, die mittels elektrostatisch gesteuerter Mikroverschlüsse verdeckt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von Vorrichtungen gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Infrarot-Spektrometer, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Matrix gemäß dem vorhergehenden Anspruch umfasst, und elektronische Steuermittel, um das Anlegen einer Spannung an die verschiedenen elektrostatisch gesteuerten Mikroverschlüsse zu steuern, um vorbestimmte Frequenzen eines Lichtstrahls mit dispergierten chromatischen Komponenten auszuwählen.
Optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (M) beugende optische Mikrofurchen umfasst.
Optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Oberfläche des Blatts (M) mit dünnen optischen Elementen prädisponiert ist, zum Beispiel binären beugenden optischen Elementen.
Optische Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (M) aus Mikrofurchen einer Höhe von 0,2 bis 2 Mikron zusammengesetzt ist.