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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektrostatisch gesteuerte optische
Mikroverschlußeinrichtungen
von dem Typ, der folgendes umfaßt:
ein
Substrat, das aus einem Blättchen
aus transparentem Material besteht,
eine erste Elektrode, die
aus einer Folie aus transparentem leitendem Material besteht, die
auf einer Seite des das Substrat bildenden Blättchens aufgebracht ist,
eine
ebenfalls transparente Dielektrikumschicht, die über der die erste Elektrode
bildenden Folie aufgebracht ist, und
eine bewegliche Lamelle,
die eine dünne
Folie aus leitendem Material umfaßt, die eine zweite Elektrode bildet,
wobei ein Ende mit der Dielektrikumschicht verbunden ist und von
einer aufgerollten Ruheposition, in der der Durchtritt von Licht
durch das Substrat möglich
ist, in einen entrollten Zustand über der Dielektrikumschicht
bewegt werden kann, in der der Durchtritt von Licht durch die elektrostatische
Haftung verhindert wird, die verursacht wird durch Anlegen einer
Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode und der zweiten
Elektrode.
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Eine
Mikroverschlußeinrichtung
des obigen Typs wird in der europäischen Patentanmeldung EP-A-1
008 885 von dem gleichen Anmelder beschrieben und dargestellt.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Betätigen einer
Matrix von optischen Mikroverschlüssen des in dem Oberbegriff
von Anspruch 1 angegebenen Typs. Eine Matrix dieses Typs ist aus
US 5,233,459 A bekannt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Verbesserung der
bekannten Einrichtung durch Produzieren eines Mikroverschlusses,
der auf einfache und effiziente Weise gelenkt werden kann und der
insbesondere ein einfaches und effizientes Lenken einer Matrix gestattet,
die aus einer Vielzahl von zueinander identischen Mikroverschlüssen besteht.
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Im
Hinblick auf die Erreichung dieser Aufgabe ist der Gegenstand der
Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1.
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Bei
einem praktischen Ausführungsbeispiel liegt
die untere Oberfläche
der Lamelle neben ihrem mit der Dielektrikumschicht verbundenen
Ende in Form einer Stufe vor, so daß sie den von der dielektrischen
Oberfläche
beabstandeten Abschnitt der Oberfläche definiert. Aufgrund des
Vorliegens dieser Beabstandung ist die Potentialdifferenz, die an
die Elektroden angelegt werden muß, um ein Entrollen der Lamelle
zu verursachen, nicht lediglich die Differenz, die erforderlich
ist, um die elastische Rückstellkraft
der Lamelle in ihren aufgerollten Zustand zu überwinden. Nachdem die Lamelle über der
Oberfläche
des Dielektrikums entrollt ist, ist die Spannung, die erforderlich
ist, um sie in diesem Zustand zu halten, dennoch im wesentlichen
die Spannung, die erforderlich ist, um die elastische Rückstellkraft
zu überwinden.
Wenn beispielsweise das Entrollen der Lamelle auf dem Dielektrikum,
was in den geschlossenen Zustand des Fensters übersetzt wird, gesteuert von
dem Mikroverschluß,
mit dem Anlegen einer vorbestimmten Spannung V erhalten wird, kann
der Spannungswert, der erforderlich ist, um die Lamelle in den entrollten
Zustand zu halten, möglicherweise viel
kleiner sein, beispielsweise sogar weniger als V/2. Dank dieser
Charakteristik ist es möglich,
eine vereinfachte und effiziente Steuerung des Mikroverschlusses
einzurichten. Tatsächlich
gibt es einen Spannungswert (V), der zweifellos bewirkt, daß sich der
Mikroverschluß in
den geschlossenen Zustand bewegt. Es gibt auch einen anderen Wert
(wie etwa V/2), der den Mikroverschluß zweifellos in dem Zustand
hält, in
dem er angetroffen wird. Wenn sich der Mikroverschluß in dem
geschlossenen Zustand befindet, dann hält ihn die Spannung V/2 tatsächlich in diesem
Zustand, der ausreichet, um die Rückstellkraft der Lamelle zu überwinden.
Wenn sich der Mikroverschluß in
dem offenen Zustand befindet, das heißt aufgerollt, dann hält ihn die
Spannung V/2 in diesem Zustand, da sie nicht ausreicht, um zu bewirken,
daß sich
die Lamelle über
der Dielektrikumschicht entrollt.
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Dank
der oben erwähnten
Charakteristiken ist es möglich,
die Matrix der Mikroverschlüsse
auf vereinfachte Weise zu steuern. In der Praxis erfolgt das Scannen
des Zustands des Mikroverschlusses in Spalten. Dies bedeutet, daß zu allen
Zeiten eine spezifische Spalte, diejenige, in der der Zustand der
Mikroverschlüsse
gesteuert werden soll, mit einem Wechselspannungssignal 0-V versorgt
wird, während
die anderen Spalten ein Gleichspannungssignal V/2 erhalten, so daß die Mikroverschlüsse auf
diesen verbleibenden Spalten zweifellos in dem Zustand verbleiben,
in dem sie angetroffen werden. Nachdem die Spalte festgelegt worden
ist, an der das Scannen durch Anlegen des Wechselspannungssignals
0-V erfolgt, wird der Zustand des auf dieser Spalte angeordneten
Mikroverschlusses durch das der entsprechenden Reihe gesendete Signal
bestimmt. Die Mikroverschlüsse
der zugewiesenen Spalte, die sich auf Reihen befindet, zu denen
ein Wechselspannungssignal 0-V gesendet wird, werden sich zweifellos
in einen offenen Zustand bewegen oder offen bleiben, falls sie sich
bereits in diesem Zustand befinden, da die an ihre Elektroden angelegte
Potentialdifferenz gleich 0 ist. Die Mikroverschlüsse der
zugewiesenen Spalte, die statt dessen auf Zeilen gefunden werden,
denen ein Wechselstromsignal geliefert wird, das bezüglich des
vorausgegangenen Signals um eine halbe Periode außer Phase
ist, werden sich zweifellos in einen geschlossenen Zustand bewegen oder geschlossen
bleiben, falls sie sich bereits in diesem Zustand befinden, da die
an ihren Elektroden angelegte Potentialdifferenz gleich V ist. Nachdem der
Zustand der Mikroverschlüsse
auf einer ersten Spalte gesteuert worden ist, wiederholt das System diese
Prozedur auf einer neuen Spalte, die in diesem Fall die einzige
ist, der ein Wechselspannungssignal 0-V geliefert wird, da die verbleibenden
Spalten ein Gleichspannungssignal V/2 erhalten. Schon wieder werden
die auf der gescannten Spalte angeordneten Mikroverschlüsse je nachdem
ob die Reihe, auf der sie sich befinden, ein Wechselspannungssignal
0-V oder ein Wechselspannungssignal, das im Vergleich zu dem vorausgegangenen
Signal um eine halbe Periode außer
Phase ist erhält,
geöffnet
oder geschlossen.
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Das
System ist deshalb in der Lage, ein einfaches und effizientes Scannen
aller Mikroverschlüsse
der Matrix durchzuführen.
Jeder Mikroverschluß oder
jede Gruppe von Mikroverschlüssen
kann beispielsweise einem Pixel eines Displays oder eines anderen
Betrachtungssystems entsprechen, das somit effizient gesteuert werden
kann, um ein zu betrachtendes Bild zu erzeugen.
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Weitere
Charakteristiken und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen,
die lediglich als nichtbeschränkendes
Beispiel vorgelegt werden. Es zeigen:
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1 eine
vergrößerte schematische
Perspektivansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Matrix von
Mikroverschlüssen
gemäß der Erfindung,
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2 eine
Ansicht im vergrößerten Maßstab eines
Details von 1, mit dem Pfeil II bezeichnet,
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3 eine
Schnittansicht in einem noch weiter vergrößerten Maßstab des von dem Pfeil III
in 2 bezeichneten Details,
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4 ein
Diagramm, das die Hystereseschleife jedes Mikroverschlusses darstellt,
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5 ein
Diagramm, das das Grundprinzip darstellt, das von dem System eingesetzt
wird, um die Matrix gemäß der Erfindung
zu steuern, und
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6, 7 veranschaulichen
zwei Typen von Spannungssignal, die der Matrix von Mikroverschlüssen gemäß der Erfindung
zugeführt
werden.
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In 1 bezeichnet
Zahl 1 insgesamt eine Matrix optischer Mikroverschlüsse gemäß der Erfindung.
Die Figur zeigt nur einen Teil der Matrix, mit der beispielsweise
ein Display eines beliebigen Typs realisiert werden kann, wie etwa
ein Display für
eine Armaturentafel eines Motorfahrzeugs, wobei jedes Pixel des
Displays durch einen Mikroverschluß oder eine Gruppe von Mikroverschlüssen definiert
ist. Wie man 3 entnehmen kann, umfaßt jeder
der Mikroverschlüsse,
insgesamt mit 2 angegeben, einen festen Träger einschließlich einem
Substrat 3, das aus einem Blättchen aus Glas- oder Kunststoffmaterial besteht,
für Licht
transparent und einige wenige Millimeter oder Zentimeter dick. Eine
Schicht 4 aus leitendem Material, das für Licht transparent ist (wie
etwa ITO, d.h. Indium-Zinnoxid), die einige zig oder Hunderte von
Nanometern dick ist, wird auf der Oberfläche des Substrats 3 durch
Aufdampfung, Aufschleudern, Siebdruck oder Tauchen realisiert. Die
leitende Schicht 4 wird danach mit einer Schicht 5 aus
dielektrischem oder ferroelektrischem isolierendem Material, das
für Licht
transparent ist, isoliert, dessen Dicke von 0,1 Mikrometern bis
einigen Dutzenden Mikrometern variieren kann. Diese Schicht kann
man durch Siebdruck, Aufschleudern oder Tauchen erhalten.
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Die
Bezugszahl 6 bezeichnet den beweglichen Teil der Einrichtung,
der aus einer wenige Mikrometer dicken dielektrischen Folie mit
einer metallbeschichteten Schicht 6a auf ihrer der Dielektrikumschicht 5 zugewandten
Seite besteht. Die Lamelle 6 ist an einem Ende der Dielektrikumschicht
des festen Trägers
fixiert, so daß der
metallbeschichtete Teil mit dem Substrat in Kontakt steht. Die Folie 6 ist
eine elastische Folie, die im unverformten Zustand aufgerollt ist,
wie man in 1 erkennen kann. Die Abmessungen
der Folie können
entsprechend dem erforderlichen Typ von Mikroverschluß variieren.
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der metallbeschichteten
Schicht 6a der Lamelle 6 und der für Licht
transparenten Elektrode 4 wird die Lamelle 6 auf
der Oberfläche
des Substrats 3 durch Elektrostatik entrollt, wodurch der
Durchtritt von Lichtstrahlen verhindert wird (geschlossener Zustand des
Mikroverschlusses).
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Wie
man aus 3 erkennen kann, weist die metallbeschichtete
Oberfläche
der Lamelle 6 eine Stufe 7 neben dem Ende 6b der
Lamelle auf, das mit dem festen Träger verbunden ist, so daß die metallbeschichtete
Oberfläche 6a des
Abschnitts 6c der Lamelle neben dem Ende 6b der
Dielektrikumschicht 5 zugewandt ist, von letzterer geringfügig beabstandet.
Aufgrund dieser Charakteristik weist die elektrische Spannung, die
zwischen den Elektroden 6a angelegt werden muß, um eine
Haftung durch Elektrostatik der Lamelle 6 an der Oberfläche des
Dielektrikums 5 zu erhalten, einen Wert V auf, der größer ist als
der Wert, der erforderlich ist, um einfach die elastische Rückstellkraft
der Lamelle zu überwinden,
die die Lamelle in Richtung der aufgerollten Konfiguration zurückbringt.
In 3 ist die entrollte Position des Abschnitts 6c über der
Dielektrikumschicht mit einer gestrichelten Linie gezeigt. Aufgrund
des durch die Stufe 7 verursachten Abstands wird wie bereits
erwähnt
dieser Zustand erhalten, indem ein Spannungswert V angelegt wird,
der größer ist
als der Wert, der erforderlich ist, um die elastische Rückstellkraft
der Lamelle zu überwinden.
Wenn sich die Lamelle erst einmal in dem entrollten Zustand über der Dielektrikumschicht 5 befindet,
kann sie aus dem gleichen Grund an der Lamelle haftend gehalten
werden, indem eine viel niedrigere Spannung angelegt wird als der
Wert V, der erforderlich ist, um zu bewirken, daß sich der Mikroverschluß schließt, wie
etwa ein Wert unter dem Wert V/2. Diese Situation ist in dem Diagramm
von 4 dargestellt, das die Variation bei der Transmittanz
durch den transparenten Träger
zeigt, wenn die zwischen den Elektroden eines spezifischen Mikroverschlusses
angelegte Spannung variiert wird. In dem Diagramm von 4 entspricht
Punkt A dem Mikroverschluß in
einem offenen Zustand. In diesem Zustand wird keine Spannung an die
Elektroden des Mikroverschlusses angelegt, und die Lamelle 6 ist
aufgerollt, so daß die
Transmittanz durch den transparenten festen Träger ein Maximum ist. Wenn sich
der Mikroverschluß in
diesem Zustand befindet, wird er geschlossen, indem die Spannung auf
einen Wert V gebracht wird (Punkt B des Diagramms). Wenn die Stufe 7 nicht
vorgesehen wäre, würde das
Schließen
des Mikroverschlusses an einem Punkt BI erhalten
werden, der auf einem viel niedrigeren Spannungswert liegt. Aufgrund
der Stufe 7 jedoch schließt sich der Mikroverschluß erst bei
Erreichen des Spannungswerts V, und deshalb fällt die Transmittanz plötzlich auf
0 ab (Punkt C im Diagramm). Selbst wenn an diesem Punkt der elektrische
Spannungswert reduziert wird, bleibt die Lamelle haftend, bis sie
den Punkt D entsprechend dem Spannungswert erreicht, der erforderlich
ist, um die elastische Rückstellkraft
der Lamelle zu überwinden. Unterhalb
dieses Werts herrscht die elastische Rückstellkraft der Lamelle vor,
so daß sich
die Lamelle wieder aufrollt und die Transmittanz auf ein Maximum zurückkehrt
(Punkt BI). Der Mikroverschluß führt dann
eine Hystereseschleife durch, die ausgenutzt werden kann, um eine
vereinfachte und effiziente Steuerung der Matrix zu realisieren.
Für die
oben dargelegten Werte wird sich tatsächlich durch Anlegen eines
Spannungswerts V an die Elektroden des Mikroverschlusses der Mikroverschluß zweifellos schließen, wenn
der Mikroverschluß zuvor
offen war, oder er wird geschlossen bleiben, wenn er sich bereits
in einem geschlossenen Zustand befunden hat. Durch Anlegen eines
niedrigeren Spannungswerts, wie etwa eines Werts, der zweckmäßigkeitshalber gleich
V/2 festgelegt wird, wird der Mikroverschluß statt dessen zweifellos in
dem gleichen Zustand bleiben, das heißt, er wird offen bleiben,
wenn er bereits offen ist (da die Spannung V/2 nicht ausreicht,
um ihn zu schließen),
oder geschlossen bleiben, wenn er sich bereits in einem geschlossenen
Zustand befindet, da die Spannung V/2 in jedem Fall ausreicht, um die
Lamelle entrollt zu halten.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
wird dies wie folgt erreicht. Lediglich als Beispiel zeigt 5 eine
Matrix gemäß der Erfindung,
die aus neun Mikroverschlüssen
besteht, die in drei Reihen r1, r2, r3 und drei Spalten c1, c2,
c3 angeordnet sind. 5 zeigt lediglich als Beispiel
einen spezifischen Zustand der Matrix, bei dem sich einige Mikroverschlüsse in dem
geschlossenen Zustand (schwarze Kreise) und einige Mikroverschlüsse in dem
offenen Zustand (weiße
Kreise) befinden.
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Mit
der Matrix gemäß der Erfindung
sind Mittel 8 assoziiert (in 3 schematisch
gezeigt), um eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden
jedes Mikroverschlusses anzulegen. Die Mittel 8 eignen
sich, um die Situation der Matrix in 5 zu allen
Zeiten durch Durchführen
eines Scannens, beispielsweise gemäß der Spalte, zu steuern. Zu
diesem Zweck liefern sie ein gemeinsames Spannungssignal an die
erste Elektrode 4 aller in der gleichen Spalte c befindlicher
Mikroverschlüsse,
während
sie auf die gleiche Weise ein gemeinsames Spannungssignal an die
zweiten Elektroden 6a aller in der gleichen Reihe r befindlicher
Mikroverschlüsse
senden.
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Immer
noch im Hinblick auf die spezifische Ausführungsform gemäß der Erfindung
wird ein Gleichspannungssignal gleich V/2 zu jeder Spalte geschickt
(wobei V der in 4 gezeigte vorbestimmte Spannungswert
ist, der erforderlich ist, um ein Schließen des Mikroverschlusses zu
bewirken, wenn er sich in dem offenen Zustand befindet). Dieses
Gleichspannungssignal V/2 wird zu der ersten Elektrode aller der
Mikroverschlüsse
einer gleichen Spalte geschickt, so lange der Zustand dieser Mikroverschlüsse nicht
modifiziert werden muß.
Wenn jedoch der Zustand eines oder mehrerer der Mikroverschlüsse in einer
gleichen Spalte modifiziert werden muß, erhält die erste Elektrode 4 der
in dieser Spalte liegenden Mikroverschlüsse ein zwischen den Werten
0 und V oszillierendes Rechteckwellenwechselspannungssignal von
dem in 6 gezeigten Typ.
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Zudem
erhält
die zweite Elektrode 6a der in einer gleichen Reihe befindlichen
Mikroverschlüsse ein
Rechteckwellenwechselspannungssignal, das immer dann zwischen 0
und V (6) variiert, wenn einer oder mehrere der Mikroverschlüsse in der
Reihe in den offenen Zustand gebracht werden müssen, während das der Reihe gelieferte
Signal ein Rechteckwellenwechselspannungssignal ist, das bezüglich des
vorausgegangenen um eine halbe Periode außer Phase ist (7)
wenn einer oder mehrere der Mikroverschlüsse in der Reihe in den geschlossenen Zustand
gebracht werden müssen.
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Wie
bereits erwähnt
erfolgt das Scannen der Matrix entsprechend der Spalte. Wenn beispielsweise
die Regelung des Zustands der Mikroverschlüsse in der Spalte c1 begonnen
werden soll, wird das auf dieser Spalte gelieferte Signal ein Rechteckwellenwechselspannungssignal
sein, das von 0 bis V variabel ist (6), während die
den Spalten c2 und c3 gelieferten Signale Gleichspannungssignale
gleich V/2 sind. Wenn in dieser Phase der Mikroverschluß r1-c1
in den geschlossenen Zustand gebracht werden soll, wie gezeigt,
würde es
erforderlich sein, der Reihe r1 ein Wechselspannungssignal zu liefern,
das um eine halbe Periode außer
Phase ist (7), während den Reihen r2 und r3
ein Wechselspannungssignal 0-V geliefert wird (6),
um die Mikroverschlüsse
r2-c1 und r3-c1 zu öffnen.
Tatsächlich
erhält beim
Mikroverschluß r1-c1
die Elektrode 4 ein Wechselspannungssignal 0-V ( 6),
während
der Elektrode 6a ein gleiches und entgegengesetztes Signal geschickt
wird (7). Folglich wird eine Potentialdifferenz gleich
V zwischen den beiden Elektroden des Mikroverschlusses r1-c1 hergestellt,
so daß sich
der Mikroverschluß schließt (falls
er offen war) oder geschlossen bleibt, falls er bereits geschlossen
war. Statt dessen erhalten die beiden Elektroden 4 und 6a bei
den Mikroverschlüssen
r2-c1 und r3-c1 das gleiche Wechselspannungssignal (6),
so daß die Potentialdifferenz
zwischen den Elektroden dieser Mikroverschlüsse 0 ist und sie
sich deshalb öffnen (falls
sie geschlossen waren) oder offen bleiben (wenn sie bereits offen
waren).
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Während der
oben beschriebenen Phase bleiben schließlich die in den Spalten c2
und c3 befindlichen Mikroverschlüsse
statt dessen in ihrer gegenwärtigen
Situation. Tatsächlich
ist bei Anlegen eines Gleichspannungssignals gleich V/2 an die Spalten
die an die Elektroden jedes dieser Mikroverschlüsse angelegte Potentialdifferenz
gleich V/2, und zwar sowohl wenn sich diese in einer Reihe befinden, die
das Signal in 6 erhält, als auch wenn sie sich in
einer Reihe befinden, die das Signal in 7 erhält. Die
Spannung V/2 reicht aus, um diese Verschlüsse geschlossen zu halten,
wenn sie geschlossen sind, während
sie nicht ausreicht, um sie zu schließen, wenn sie offen sind. Deshalb
bleibt jeder der Mikroverschlüsse
der Spalte c2-c3 in dieser Phase in seinem gegenwärtigen Zustand.
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Das
Scannen erfolgt somit in der Spalte c2. In dieser Phase wird das
auf der Spalte c2 gelieferte Signal ein zwischen 0 und V oszillierendes
Rechteckwellenwechselspannungssignal (das Signal in 6),
während
das Gleichspannungssignal V/2 auf den Spalten c1 und c3 geliefert
wird. Wenn die in 5 gezeigte Situation für die in
der Spalte c3 befindlichen Mikroverschlüsse erreicht werden soll, erhalten
die Reihen r1 und r3 jeweils das Signal in 6 und die
Reihe r2 das Signal in 7. Analog erhält während des
Scannens der dritten Spalte c3 nur diese Spalte das Signal in 6,
während
die anderen Spalten das Gleichspannungssignal gleich V/2 erhalten.
In dieser Phase erhalten die Reihen r1 und r3 das um eine halbe
Periode außer
Phase liegende Wechselspannungssignal (7), während die
Reihe r2 das in 6 gezeigte Rechteckwellenwechselspannungssignal
erhält.
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Abschließend ermöglicht die
Anordnung der Stufe 7 auf jedem Mikroverschluß, einen
Spannungswert V zu erhalten, der zweifellos das Schließen des Mikroverschlusses
bewirkt, und einen niedrigeren Wert (der Zweckmäßigkeit halber hier gleich
V/2 gewählt),
der zweifellos den Mikroverschluß in dem gegenwärtigen Zustand
hält. Es
ist deshalb möglich, vereinfachte
und effiziente Steuerungen des Zustands der Matrix gemäß dem oben
beschriebenen Beispiel zu realisieren.