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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine miniaturisierte elektrooptische Vorrichtung.
Die Erfindung betrifft ferner verschiedene Verwendungen von miniaturisierten
elektrooptischen Vor richtungen gemäß der Erfindung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Viele
Arten von elektrooptischen Vorrichtungen und Systemen sind bekannt
und diese werden hauptsächlich,
jedoch nicht ausschließlich
in der Informationsübertragungstechnologie
verwendet.
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Andererseits
ist ebenso die Herstellung von miniaturisierten elektrooptischen
Vorrichtungen im Zusammenhang mit Technologien bekannt, die unter dem
Namen MEMS-Technologie (micro electro-mechanical systems), Mikrosysteme
(microsystems) und/oder Mikromaschinen (micromachines) bekannt sind.
Diese miniaturisierten Vorrichtungen sind üblicherweise elektromechanische
Vorrichtungen, die Funktionen ausführen, die elektromechanischen
Vorrichtungen herkömmlicher
Größe gleichen,
wie beispielsweise Relais, unterschiedliche Sensorentypen, Pumpen,
usw. Das Ziel der Erfindung besteht darin, miniaturisierte Vorrichtungen
des elektrooptischen Typs bereitzustellen, und zwar solche, bei
denen es möglich
ist, mit einem optischen Signal wechselzuwirken, wenn mit einem
elektrischen Signal begonnen wird.
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Es
ist insbesondere ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine miniaturisierte
elektrooptische Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht,
den Zustand des Lichtdurchgangs durch eine optische Schaltung zu
modifizieren, d.h. indem eine zu einem elektrischen Relais äquivalente
Funktion ausgeführt wird,
mit der diese mehrere elektrische und mechanische Komponenten gemein
haben wird. Momentan sind mehrere Alternativen für die Herstellung miniaturisierter
Relais bekannt. Grundsätzlich
können
diese gemäß dem Typ
des Kraftmechanismus oder des Betätigungsmechanismus klassifiziert
werden, den diese verwenden, um die Kontaktelektrode zu bewegen. Folglich
werden diese üblicherweise
als elektrostatische, magnetische, thermische und piezoelektrische Relais
klassifiziert. Jedes weist Vorteile und Nachteile auf. Minituarisierungstechniken
erfordern jedoch die Verwendung der kleinstmöglichen Aktivierungsspannungen
und der kleinstmöglichen
Oberflächen. Die
bekannten Relais weisen mehrere Probleme auf, die deren Weiterentwicklung
in dieser Hinsicht behindern.
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Eine
Art und Weise, die Betätigungsspannung
bzw. die Aktivierungsspannung zu reduzieren, besteht genau darin,
die Relais-Oberflächenbereiche zu
vergrößern, was
eine Minituarisierung erschwert und ferner das Auftreten von Deformationen
fördert, was
die Lebenszeit und die Verlässlichkeit
des Relais vermindert. Bei elektrostatischen Relais besteht eine weitere
Lösung
zum Vermindern der Aktivierungsspannung darin, den Abstand zwischen
den Elektroden stark zu vermindern oder sehr dünne Elektroden oder spezielle
Materialien zu verwenden, so dass die mechanische Wiederherstellungskraft
(recovery force) sehr gering ist. Dies führt jedoch zu Problemen des
Anhaftens, da kapillare Kräfte
sehr stark sind, was somit wiederum die Lebenszeit und die Verlässlichkeit
dieser Relais vermindert. Die Verwendung von hohen Aktivierungsspannungen
weist ebenso negative Effekte auf, wie beispielsweise die Ionisierung
der Komponenten, eine beschleunigte Abnutzung aufgrund der starken
mechanischen Beanspruchung und das elektrische Rauschen, das von
dem gesamten Relais erzeugt wird.
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Elektrostatische
Relais weisen außerdem ein
bedeutendes Problem hinsichtlich ihrer Verlässlichkeit auf, und zwar aufgrund
des als "pull-in" bekannten Phänomens,
dass darin besteht, dass sich, sobald ein gegebener Schwellenwert überschritten worden
ist, die Kontaktelektrode mit zunehmender Beschleunigung in Richtung
der anderen freien Elektrode bewegt. Dies folgt aufgrund der Tatsache,
dass dann, wenn das Relais schließt, der Kondensator, der die
elektrostatische Kraft zum Schließen ausübt, seine Kapazität stark
erhöht
(diese würde
unendlich steigen, wenn nicht von vornherein ein Stopp eingestellt
ist). Folglich sind die Elektroden aufgrund des starken elektrischen
Felds, das erzeugt wird, und des Schocks, der durch die Beschleunigung
bewirkt wird, der die sich bewegende Elektrode ausgesetzt worden
ist, einer bedeutenden Abnutzung ausgesetzt.
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Die
thermischen, magnetischen und piezoelektrischen Ansätze erfordern
spezielle Materialien und Mikrobearbeitungsprozesse und somit ist
die Integration in komplexeren MEMS-Vorrichtungen oder in einer
solchen Vorrichtung, die mit elektronischen Schaltungen integriert
ist, schwierig und/oder kostspielig. Darüber hinaus ist der thermische
Ansatz sehr langsam (will heißen,
dass der Schaltkreis eine lange Öffnungs-
oder Schließzeit
aufweist) und verbraucht eine große Menge Energie. Der magnetische Ansatz
erzeugt elektromagnetisches Rauschen, was es schwieriger macht,
einen sehr eng bestückten bzw.
verdrahteten elektronischen Schaltkreis zu haben, und erfordert
hohe Peakströme
zum Schalten.
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Im
Allgemeinen weisen Relais ein sich bewegendes Element auf, mittels
dem wenigstens ein externer elektrischer Schaltkreis geöffnet und
geschlossen werden kann, wobei wenigstens der Öffnungsvorgang und/oder der
Schließvorgang
des externen elektrischen Schaltkreises mittels eines elektromagnetischen
Signals durchgeführt
wird, wobei die reagierende Kraft federartig ist. Die elektrooptische
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung erfordert ebenso die Bewegung eines sich bewegenden Elements,
um in der Lage zu sein, mit dem optischen Schaltkreis wechselzuwirken.
In dieser Hinsicht weist es ebenso teilweise die Probleme und Nachteile
der vorstehend erwähnten
elektrischen Relais auf.
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Die
Druckschrift WO 01/06543 A2 beschreibt eine mikroelektromechanische
Vorrichtung mit einem sich bewegenden Element.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Das
Ziel der Erfindung besteht darin, eine miniaturisierte elektrooptische
Vorrichtung bereitzustellen, wie diese vorstehend beschrieben worden
ist. Dies wird mittels einer miniaturisierten elektrooptischen Vorrichtung
erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst:
- – eine
erste Zone, die einer zweiten Zone zugewandt ist,
- – eine
erste Kondensatorplatte,
- – eine
zweite Kondensatorplatte, die in der zweiten Zone angeordnet ist,
wobei die zweite Kondensatorplatte kleiner als oder genau so groß ist, wie
die erste Kondensatorplatte,
- – einen
Zwischenraum, der zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone
angeordnet ist,
- – ein
leitfähiges
Element, das in dem Zwischenraum angeordnet ist, wobei das leitfähige Element mechanisch
unabhängig
von der ersten Zone und der zweiten Zone ist und dazu geeignet ist,
in Abhängigkeit
von Spannungen, die auf der ersten und der zweiten Kondensatorplatte
vorhanden sind, eine Bewegung durch den Zwischenraum zu vollführen,
- – einen
ersten Einlass-/Auslass-Punkt des Lichts von einer optischen Schaltung,
einen zweiten Einlass-/Auslass-Punkt der optischen Schaltung, die derart
angeordnet sind, dass ein Durchgang von Licht zwischen diesen ermöglicht wird,
- – wenigstens
einen Stopper, wobei das leitfähige Element
dazu geeignet ist, den ersten Stopper zu berühren, wobei das leitfähige Element
den Zustand des Lichtdurchgangs zwischen dem ersten Einlass-/Auslass-Punkt
und dem zweiten Einlass/Auslass-Punkt modifiziert, wenn sich dieses in
Berührung
mit dem ersten Stopper befindet.
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In
der Tat weist die elektrooptische Vorrichtung gemäß der Erfindung
das leitfähige
Element auf, d.h. das Element, das dafür verantwortlich ist, den Durchgang
von Licht bzw. den Lichtdurchgang von der externen optischen Schaltung
durch den ersten Einlass-/Auslass-Punkt (bzw. Inlet-/Outlet-Point nachstehend
als I/O abgekürzt)
und den zweiten I/O-Punkt zu öffnen
und zu schließen,
und zwar als ein loses Teil, das dazu geeignet ist, sich frei zu
bewegen. Mit anderen Worten: Die elastische Kraft des Materials
wird nicht verwendet, eine Bewegung der elektrooptischen Vorrichtung
zu bewirken. Dies ermöglicht
eine Vielzahl von unterschiedlichen Lösungen, die alle den Vorteil
aufweisen, dass diese sehr niedrige Aktivierungsspannungen benötigen und sehr
kleine Designgrößen ermöglichen.
Das leitfähige
Element ist in dem Zwischenraum untergebracht. Der Zwischenraum
ist durch die erste Zone und die zweite Zone und durch Seitenwände geschlossen, die
das leitfähige
Element daran hindern, den Zwischenraum zu verlassen. Wenn eine
Spannung an die erste und die zweite Kondensatorplatte angelegt wird,
dann werden Ladungsverteilungen in dem leitfähigen Element induziert, wodurch
elektrostatische Kräfte
erzeugt werden, die wiederum das leitfähige Element entlang des Zwischenraums
in eine Richtung bewegen. Mittels unterschiedlicher Designs, die nachstehend
im Detail beschrieben werden, kann dieser Effekt auf vielerlei unterschiedliche
Arten und Weisen verwendet werden.
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Darüber hinaus
löst eine
elektrooptische Vorrichtung gemäß der Erfindung
befriedigend das vorstehend erwähnte "pull-in"-Problem.
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Der
erste I/O-Punkt und der zweite I/O-Punkt können in einem Abstand voneinander
angeordnet sein, der so groß ist,
wie dies die relevante optische Schaltungstechnologie erlaubt. Hinsichtlich
der Erfindung ist es lediglich notwendig, dass die elektrooptische
Vorrichtung mit dem Lichtstrahl wechselwirkt, der von dem ersten
I/O-Punkt zu dem zweiten I/O-Punkt übertragen wird. In diesem Sinne
können beide
I/O-Punkte physikalisch in den Wänden
integriert sein, die das leitfähige
Element umgeben. Diese können
jedoch ebenso physikalisch von den Wänden getrennt sein, die das
leitfähige
Element der optischen Schaltung umgeben, und es kann sich bei diesen
um physikalisch getrennte Teile handeln. In diesem Sinne ist die
elektrooptische Vorrichtung als eine funktionale Anordnung von Elementen
zu verstehen, obwohl diese Elemente physikalisch getrennt sind.
Darüber
hinaus sollte man verstehen, dass es sich bei dem I/O-Punkt einfach um
eine Öffnung
handelt, durch die das Licht durchtreten kann. Die optische Faser
oder im Allgemeinen die Vorrichtung, die dazu verwendet wird, um
das Licht zu dem I/O-Punkt zu leiten, muss nicht als Teil der elektrooptischen
Vorrichtung aufgefasst werden.
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Im
Allgemeinen wird ein Teil der Oberfläche des leitfähigen Elements
die Funktion einer optischen Betätigungsoberfläche erfüllen. In
bestimmten Fällen
handelt es sich bei dieser Oberfläche um eine Blendenoberfläche, deren
grundlegende Funktion es ist, den Lichtstrahl daran zu hindern,
den entsprechenden I/O-Punkt zu erreichen. In anderen Fällen wird
es sich bei dieser Oberfläche
um eine reflektierende Oberfläche
handeln, deren grundlegende Funktion es ist, den Lichtstrahl mittels
Reflexion in eine bestimmte Richtung abzulenken.
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Ein
weiterer zusätzlicher
Vorteil der elektrooptischen Vorrichtung gemäß der Erfindung ist der Folgende.
Bei herkömmlichen
elektrostatischen Relais gibt es keine Möglichkeit, wenn das leitfähige Element
in einer gegebenen Position anhaftet (was zum großen Teil
unter anderem von der Feuchtigkeit abhängt), dieses wieder loszumachen
(mit der Ausnahme durch externe Mittel, wie beispielsweise durch
ein Trocknen), da aufgrund der Tatsache, dass die Wiederherstellungskraft
elastisch ist, diese immer dieselbe ist (lediglich von der Position
abhängig)
und nicht vergrößert werden
kann. Wenn das leitfähige Element
in einer elektrooptischen Vorrichtung gemäß der Erfindung anhaftet, dann
wird es im Gegensatz dazu immer möglich sein, dieses freizugeben,
indem die Spannung erhöht
wird.
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Je
nach der Geometrie des Zwischenraums und der Positionierung der
Kondensatorplatten können
zahlreiche unterschiedliche Typen von elektrooptischen Vorrichtungen
mit zahlreichen Anwendungen und Funktionsmodi erzeugt werden.
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Beispielsweise
kann sich das leitfähige
Element auf unterschiedliche Arten und Weisen bewegen:
- – Eine
erste Möglichkeit
besteht darin, dass sich das leitfähige Element entlang des Zwischenraums
in einer Translationsbewegung bewegt, d.h. auf eine im Wesentlichen
geradlinige Art und Weise (natürlich
mit der Ausnahme von möglichen
Schocks oder Schwingungen und/oder Bewegungen, die durch unplanmäßige und
unerwünschte äußere Kräfte hervorgerufen
werden), und zwar zwischen der ersten und der zweiten Zone.
- – Eine
zweite Möglichkeit
besteht darin, dass sich das leitfähige Element entlang des Zwischenraums
in einer Bewegung bewegt, die eine Translationsbewegung zwischen
der ersten und der zweiten Zone, die durch die erzeugten elektrostatischen
Kräfte
induziert wird, und eine Bewegung kombiniert, die senkrecht zu der
ersten Bewegung verläuft
und durch eine Coriolis-Kraft induziert wird. Diese Lösung wird
nachstehend detaillierter beschrieben.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
wird erzielt, wenn sich die erste Kondensatorplatte in der zweiten
Zone befindet. Alternativ kann die elektrooptische Vorrichtung derart
ausgestaltet sein, dass sich die erste Kondensatorplatte in der
ersten Zone befindet. Im ersten Fall wird eine elektrooptische Vorrichtung
bereitgestellt, die eine niedrigere Aktivierungsspannung aufweist
und die schneller ist. Auf der anderen Seite ist im zweiten Fall
die elektrooptische Vorrichtung langsamer, was bedeutet, dass die Schocks,
die von dem leitfähigen
Element erfahren werden, und die Stops sanfter sind und der Energieverbrauch
niedriger ist. Auf diese Art und Weise kann man zwischen der einen
oder der anderen Alternative wählen,
und zwar je nach den besonderen Anforderungen in jedem Fall.
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Wenn
sich das leitfähige
Element in Berührung
mit den ersten Stoppern befindet, d.h. wenn dieses mit der optischen
Schaltung wechselwirkt, dann kann das leitfähige Element mit unterschiedlichen Krafttypen
bewegt werden, die nachstehend detaillierter beschrieben werden.
Um das leitfähige
Element zu den ersten Stoppern zurückzuführen, ist es ausreichend, eine
Spannung zwischen der ersten und der zweiten Konden satorplatte anzulegen.
Dies bewirkt, dass das leitfähige
Element in Richtung der zweiten Zone angezogen wird, was wiederum
den Zustand des Lichtdurchgangs zwischen dem ersten und dem zweiten
I/O-Punkt verändert.
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Sollten
sich die erste Kondensatorplatte in der ersten Zone und die zweite
Kondensatorplatte in der zweiten Zone befinden, besteht ein Verfahren zum
Erzeugen der notwendigen Kraft, um das in dem vorstehenden Absatz
erwähnte
leitfähige
Element zu bewegen, aus der Hinzufügung einer dritten Kondensatorplatte,
die in der zweiten Zone angeordnet ist, wobei die dritte Kondensatorplatte
kleiner als oder genauso groß wie
die erste Kondensatorplatte ist und wobei die zweite und die dritte
Kondensatorplatte zusammen größer als
die erste Kondensatorplatte sind. Bei dieser Anordnung befindet
sich die erste Kondensatorplatte auf einer Seite des Zwischenraums
und die zweite und die dritte Kondensatorplatte befinden sich auf
der anderen Seite des Zwischenraums und in der Nähe voneinander. Auf diese Art
und Weise kann die Bewegung des leitfähigen Elements mittels elektrostatischer
Kräfte
in beide Richtungen bewirkt werden.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung wird erreicht, wenn die elektrooptische Vorrichtung zusätzlich eine
dritte Kondensatorplatte umfasst, die in der zweiten Zone angeordnet
ist, sowie eine vierte Kondensatorplatte, die in der ersten Zone
angeordnet ist, wobei die erste Kondensatorplatte und die zweite
Kondensatorplatte identisch sind und die dritte Kondensatorplatte
und die vierte Kondensatorplatte identisch sind. Wenn es erwünscht wird,
dass sich das leitfähige
Element in Richtung der zweiten Zone bewegt, dann kann man tatsächlich auf
diese Art und Weise eine Spannung an die erste und die vierte Kondensatorplatte
einerseits und an die zweite oder die dritte Kondensatorplatte andererseits
legen. Da sich das leitfähige
Element in Richtung des Orts bewegen wird, an dem die kleinste Kondensatorplatte
angeordnet ist, wird sich dieses in Richtung der zweiten Zone bewegen.
Ebenso kann eine Bewegung des leitfähigen Elements in Richtung
der ersten Zone erreicht werden, indem eine Spannung an die zweite
und die dritte Kondensatorplatte und an die erste oder die vierte
Kondensatorplatte angelegt wird. Der Vorteil dieser Lösung gegenüber der
einfacheren Lösung
mit drei Kondensatorplatten besteht darin, dass diese vollständig symmetrisch
ist. Mit anderen Worten: Diese Lösung liefert
genau dasselbe Verhalten der elektrooptischen Vorrichtung, und zwar
unabhängig
davon, ob sich das leitfähige
Element in Richtung der zweiten Zone oder in Richtung der ersten
Zone bewegt. Vorteilhafterweise sind die erste, die zweite, die
dritte und die vierte Kondensatorplatte alle jeweils identisch miteinander,
da es im Allgemeinen vorteilhaft ist, dass die elekt rooptische Vorrichtung
in ihrer Ausgestaltung hinsichtlich mehrerer Aspekte symmetrisch
ist. Auf der einen Seite gibt es eine Symmetrie zwischen der ersten
und der zweiten Zone, wie dies vorstehend erwähnt worden ist. Auf der anderen
Seite ist es notwendig, andere Arten von Symmetrie beizubehalten, um
andere Probleme zu vermeiden, wie beispielsweise die Probleme einer
Rotation oder eines Schwingens des leitfähigen Elements, die nachstehend
beleuchtet werden. In dieser Hinsicht ist es insbesondere vorteilhaft,
dass die elektrooptische Vorrichtung zusätzlich eine fünfte Kondensatorplatte
umfasst, die in der ersten Zone angeordnet ist, sowie eine sechste
Kondensatorplatte, die in der zweiten Zone angeordnet ist, wobei
die fünfte
Kondensatorplatte und die sechste Kondensatorplatte identisch miteinander
sind. Auf der einen Seite bringt ein Erhöhen der Anzahl von Kondensatorplatten
den Vorteil einer besseren Kompensierung von Herstellungsabweichungen
auf. Auf der anderen Seite können
die mehreren unterschiedlichen Platten unabhängig voneinander aktiviert
werden, und zwar sowohl hinsichtlich der angelegten Spannung als
auch hinsichtlich der Aktivierungszeit. Die sechs Kondensatorplatten können alle
identisch miteinander sein oder alternativ können die drei Platten auf einer
Seite unterschiedliche Größen aufweisen.
Dies ermöglicht
eine Minimierung der Aktivierungsspannungen. Eine elektrooptische
Vorrichtung, die drei oder mehr Kondensatorplatten in jeder Zone
aufweist, erlaubt das Erreichen aller nachstehenden Ziele:
- – sie
kann in beide Richtungen symmetrisch betrieben werden,
- – sie
weist eine Ausgestaltung auf, die eine minimale Aktivierungsspannung
bei gegebenen Abmessungen der gesamten elektrooptischen Vorrichtung
ermöglicht,
- – sie
ermöglicht
eine Minimierung des Strom- und des Energieverbrauchs und außerdem einen gleichförmigeren
Betrieb der elektrooptischen Vorrichtung,
- – sie
erlaubt eine Ausgestaltung der Kondensatorplatten mit einer zentralen
Symmetrie oder Asymmetrie relativ zu dem Schwerpunkt, so dass der resultierende
Impuls, der auf den freien Leiter ausgeübt wird, verschwindet oder
nicht verschwindet, und zwar je nach den Bedürfnissen von jedem besonderen
Fall.
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Im
Allgemeinen führt
das Erhöhen
der Anzahl von Kondensatorplatten in jeder Zone zu einer größeren Flexibilität und Vielseitigkeit
hinsichtlich des Designs bzw. der Ausgestaltung und ermöglicht gleichzeitig,
dass der Effekt von Herstellungsabweichungen vermindert wird, da
die Abweichungen von jeder Platte durch die Abweichungen der übrigen Platten
kompensiert werden.
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Vorteilhafterweise
umfasst die elektrooptische Vorrichtung einen zweiten Stopper (oder
so viele zweite Stopper, wie es erste Stopper gibt), und zwar zwischen
der ersten Zone und dem leitfähigen Element.
Auf diese Art und Weise erreicht man ebenso eine geometrische Symmetrie
zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone. Wenn sich das leitfähige Element
in Richtung der zweiten Zone bewegt, kann es dies tun, bis es mit
den ersten Stoppern in Berührung
kommt, was den Zustand des Lichtdurchgangs zwischen den I/O-Punkten
verändern
wird. Wenn sich das leitfähige
Element in Richtung der ersten Zone bewegt, kann es dies tun, bis
es mit dem zweiten Stopper bzw. den zweiten Stoppern in Berührung gelangt.
Auf diese Art und Weise bzw. in diesem Sinne ist die Bewegung, die
das leitfähige
Element vollführt,
symmetrisch.
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Eine
vorteilhafte Variation des vorstehenden Falls wird erreicht, wenn
die elektrooptische Vorrichtung einen dritten I/O-Punkt und einen
vierten I/O-Punkt umfasst, die zwischen der ersten Zone und dem
leitfähigen
Element angeordnet sind, so dass das leitfähige Element den Zustand des
Lichtdurchgangs einer zweiten optischen Schaltung modifiziert, wenn
dieses mit dem zweiten Stopper oder den zweiten Stoppern in Berührung steht.
In der Tat kann in diesem Fall die elektrooptische Vorrichtung zwei elektrische
Schaltungen alternierend verbinden.
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Vorteilhafterweise
weist jede der Anordnungen von Kondensatorplatten, die jeweils in
der ersten Zone und der zweiten Zone angeordnet sind, eine zentrale
Symmetrie hinsichtlich eines Symmetriezentrums auf, wobei das Symmetriezentrum
mit dem Schwerpunkt des leitfähigen
Elements zusammenfällt.
In der Tat erzeugt jede Anordnung der Kondensatorplatten, die in
jeder der Zonen angeordnet sind, ein Kraftfeld hinsichtlich des
leitfähigen
Elements. Wenn die resultierende Kraft dieses Kraftfeldes eine nicht
verschwindende Komponente relativ zu dem Massenschwerpunkt des leitfähigen Elements
aufweist, dann bewegt sich das leitfähige Element nicht nur geradlinig
fort, sondern vollführt
zusätzliche
eine Rotation um dessen Schwerpunkt. In diesem Sinne ist es wünschenswert,
die Plattenanordnung jeder Zone zentral symmetrisch auszugestalten,
wo diese Rotation keine Bedeutung hat, oder im Gegensatz dazu kann
es wünschenswert
sein, eine zentrale Asymmetrie zu erzeugen, und zwar dort, wo man
ein Interesse daran hat, eine Rotation des leitfähigen Elements um dessen Massenschwerpunkt
hervorzurufen, um beispielsweise Reibungs- und/oder Haftungskräfte zu überwinden.
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Das
leitfähige
Element ist üblicherweise
physikalisch in dem Zwischenraum zwischen der ersten Zone, der zweiten
Zone und den Seitenwänden
eingeschlossen.
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Um
ein Anhaften und starke Reibungskräfte zu vermeiden, ist es vorteilhaft,
dass das leitfähige Element
abgerundete Außenflächen aufweist.
Vorzugsweise ist das leitfähige
Element zylindrisch oder sphärisch.
Die sphärische
Lösung
beschränkt
die Reibungskräfte
und das Anhaften in allen Richtungen auf ein Mindestmaß, während die
zylindrische Lösung,
wobei die Böden
des Zylinders der ersten und der zweiten Zone zugewandt sind, es
erlaubt, verminderte Reibungskräfte
mit den Seitenwänden
und den Oberflächen
zu erreichen, die den Kondensatorplatten zugewandt sind, die groß und hinsichtlich
der Erzeugung der elektrostatischen Kräfte effizient sind.
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Sollte
das leitfähige
Element eine Oberseite und eine Unterseite aufweisen, die senkrecht
zu der Bewegung des leitfähigen
Elements verlaufen, sowie wenigstens eine Seitenfläche, dann
ist es ebenso vorteilhaft, dass die Seitenfläche kleine Vorsprünge aufweist.
Diese Vorsprünge
ermöglichen
eine weitere Verminderung des Anhaftens und der Reibungskräfte zwischen
der Seitenfläche
und den Seitenwänden des
Zwischenraums.
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Vorteilhafterweise
ist das leitfähige
Element hohl. Dies ermöglicht
eine kleinere Masse und führt somit
zu einer geringeren Trägheit.
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Sollte
die elektrooptische Vorrichtung zwei Kondensatorplatten (die erste
Platte und die zweite Platte) aufweisen, wobei sich beide in der
zweiten Zone befinden, dann ist es vorteilhaft, dass die erste Kondensatorplatte
und die zweite Kondensatorplatte dieselbe Oberfläche aufweisen, da auf diese
Art und Weise die minimale Aktivierungsspannung für eine identische
Oberfläche
der Gesamtvorrichtung erhalten wird.
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Sollte
die elektrooptische Vorrichtung zwei Kondensatorplatten (die erste
Platte und die zweite Platte) aufweisen, wobei sich die erste Kondensatorplatte
in der ersten Zone und die zweite Kondensatorplatte in der zweiten
Zone befindet, dann ist es vorteilhaft, dass die erste Kondensatorplatte
eine Oberfläche
aufweist, die doppelt so groß ist
wie die Oberfläche
der zweiten Kondensatorplatte, da auf diese Art und Weise die minimale
Aktivierungsspannung für
dieselbe Oberfläche
der gesamten Vorrichtung erreicht wird.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung betrifft bevorzugte Verwendungen von
elektrooptischen Vorrichtungen gemäß der Erfindung. Zusätzlich zu
der Verwendung als ein optischer Schalter und als ein optischer
Kommutator kann die elektrooptische Vorrichtung gemäß der Erfindung
als ein Sensor für
unterschiedliche physikalische Größen verwendet werden. In solchen
Fällen übt die physikalische
Größe, die
man messen möchte,
eine Kraft aus, um das leitfähige
Element zu bewegen, und mittels einer gegebenen Spannung, die an
die Kondensatorplatten angelegt wird, wird eine Kraft erzeugt, die
der ersteren entgegenwirkt. Indem abgetastet wird, ob der Zustand
des Lichtdurchgangs modifiziert wird, kann die Spannung modifiziert
werden, die dazu erforderlich ist, der Kraft entgegenzuwirken, die
von der zu messenden Größe erzeugt
wird. Die Bestimmung der erforderlichen Spannung ermöglicht die
Bestimmung der physikalischen Größe, die
man messen möchte. Im
Allgemeinen ermöglicht
die Miniaturisierung den gleichzeitigen Einbau von mehreren Sensoren,
was dazu führt,
dass die Bestimmung des entsprechenden Werts verlässlicher
ist. Die Steigerung der Verlässlichkeit
ist eine Folge der Fähigkeit,
dass diese unterschiedlichen Sensoren dieselbe Größe messen und
anschließend
ein Mittelwert berechnet wird. Eine besonders vorteilhafte Alternative
wird erhalten, indem eine elektrooptische Vorrichtung gemäß der Erfindung
mit I/O-Punkten in beiden Zonen angeordnet wird, da man in diesem
Fall die untersuchte physikalische Größe mittels der Zeit messen
kann, die zwischen der Modifizierung des Zustands des Lichtdurchgangs
zwischen den I/O-Punkten einer Zone und der Modifizierung des Zustands
des Lichtdurchgangs zwischen den I/O-Punkten der anderen Zone bei
konstanter Spannung (oder sogar wenn die Spannung variiert wird,
und zwar als ein weiterer zu berücksichtigender
Parameter) verstreicht. Mehrere spezifische Beispiele werden nachstehend
beschrieben:
Beschleunigungsmesser (accelerometer): Die Kraft aufgrund
der externen Beschleunigung bewegt das leitfähige Element, wodurch das leitfähige Element von
dem ersten Stopper getrennt wird. Die an die Kondensatorplatten
angelegte Spannung erzeugt eine entgegen gerichtete Kraft. Wenn
das leitfähige Element
wieder in Berührung
mit dem ersten Stopper kommt und der Zustand des Lichtdurchgangs
wiederum modifiziert wird, dann kann die erforderliche Spannung
und somit die Beschleunigung bestimmt werden, der das leitfähige Element
unterzogen worden ist. Dies kann ebenso in umgekehrter Richtung erfolgen
(im Allgemeinen ist dies für
alle Sensoren der Fall), so dass es die externe Beschleunigung ist, die
das leitfähige
Element zu dem ersten Stopper bewegt. Die Miniaturisierung erlaubt
die Bereitstellung von verschiedenen Sensoren, die gemäß den drei Koordinatenachsen
orientiert sind. Ein besonderes Beispiel für diese Verwendung ist ein
Neigungsmeter (tiltmeter).
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Drucksensor:
Wenn das elektrische Element zwei Kammern trennt, die unterschiedlichen
Drücken ausgesetzt
sind (einem zu bestimmenden Druck und einem Referenzdruck), wobei
der Druck der Luft oder im Allgemeinen irgendeines nicht leitenden
Fluids auf eine Seite des leitfähigen
Elements aufgebracht wird, dann wird das letztere dazu neigen, sich
weg vom (oder hin zum) ersten Stopper zu bewegen. Die Spannung,
die dazu erforderlich ist, um das leitfähige Element wiederum zurück zum Stopper
zu bringen (oder um dieses davon weg zu bewegen), ermöglicht es,
den Druck des Fluids oder insbesondere den Druckunterschied zwischen
dem Fluid und der Referenzkammer zu bestimmen. Ein besonderes Beispiel dieses
Sensortyps ist ein Mikrofon.
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Flussratensensor:
Wenn das leitfähige
Element eine Öffnung
aufweist, durch die ein Fluidstrom durchtreten kann, oder wenn dieses
einen Vorsprung aufweist, der in einen Fluidstrom eingetaucht ist, dann
kann die elektrooptische Vorrichtung gemäß der Erfindung als ein Flussratensensor
verwendet werden. Wie in den vorstehend beschriebenen Beispielen
ist es möglich,
mittels einer gegebenen Spannung, die an die Kondensatorplatten
angelegt wird, der Kraft entgegen zu wirken, die durch die Größe erzeugt
wird, die man messen möchte,
und zwar in diesem Fall die hydraulische oder aerodynamische Kraft,
die durch den Fluidstrom erzeugt wird. Wie im Fall des Drucksensors
sollte das Fluid kein elektrischer Leiter sein.
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Temperatursensor:
In diesem Fall sollte berücksichtigt
werden, dass die Zeit, die es dauert, dass sich die elektrooptische
Vorrichtung von einem Stopper zu einem anderen bewegt, im Wesentlichen
von der externen Beschleunigung, der angelegten Spannung und den
Oberflächenkoeffizienten
der Kondensatorplatten abhängt.
Wenn diese Platten aus Materialien hergestellt sind, die unterschiedliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen, dann ändern sich
die Oberflächenkoeffizienten
der Kondensatorplatten mit der Temperatur. Auf diese Art und Weise gibt
es eine Beziehung zwischen der Schaltzeit und der Temperatur für eine gegebene
Spannung, die an die Platten angelegt ist. Aus demselben Grund wird die
minimale Spannung, die erforderlich ist, damit die elektrooptische
Vorrichtung kommutatiert, von der Temperatur abhängen.
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Akustische
Anwendungen (Lautsprecher): Wenn das leitfähige Element mit den Stoppern
zusammenstößt oder
gegen die Kondensatorplatten stößt, die
dieses anziehen, dann wird ein Geräusch erzeugt. Indem eine große Anzahl
von elektrooptischen Vorrichtungen koordiniert wird, die auf einem einzelnen
Chip integriert werden können,
kann man die unterschiedlichen akustischen Wellen zusammen in Phase
sammeln und somit eine resultierende akustische Welle erzeugen,
die hörbar
ist. Diese hörbare
akustische Welle ist hochgradig gerichtet. Dies kann ein Vorteil
sein, wenn man Wellen verwenden möchte, die in eine Richtung
gerichtet sind. Alternativ können
die elektrooptischen Vorrichtungen verteilt sein und/oder in unterschiedliche
Richtungen aktiviert werden und/oder Zeitphasenschritte aufweisen, um
eine in mehrere Richtungen gerichtete Welle zu erhalten. Es ist
außerdem
möglich,
die Direktionalität zu
steuern, indem der genaue Moment gesteuert wird, zu dem jede elektrooptische
Vorrichtung aktiviert wird, d.h. indem die relativen Zeitphasenschritte zwischen
den elektrooptischen Vorrichtungen gesteuert werden. Auf diese Art
und Weise kann man dynamisch die Direktionalität der akustischen Welle verändern, so
dass diese in eine Richtung oder eine andere Richtung gerichtet
werden kann, ohne dass die geometrische Verteilung der elektrooptischen Vorrichtungen
geändert
werden muss. Die Tatsache, dass jede elektrooptische Vorrichtung
den Zustand des Lichtdurchgangs modifiziert, und zwar bei der Berührung mit
dem ersten Stopper, erlaubt eine Bestimmung des genauen Zeitpunkts,
zu dem das leitfähige
Element mit dem ersten Stopper zusammenstößt.
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Detektor
für Coriolis-Kräfte (gewöhnlich bekannt
als "Gyrostats"): Diese Detektoren
bestimmen die Rotationsgeschwindigkeit eines Objekts, indem die
Coriolis-Kraft bestimmt wird. Um dies zu tun, benötigt man
eine elektrooptische Vorrichtung, die Kondensatorplatten aufweist,
die in der ersten Zone und in der zweiten Zone angeordnet sind,
sowie erste Stopper und zweite Stopper, die auf einer Achse angeordnet
sind, die senkrecht zu der Achse erste Zone – zweite Zone verläuft. Das
leitfähige
Element sollte sich in kontinuierlicher Bewegung von einem Ende zum
anderen befinden, so dass dieses andauernd eine gegebene Geschwindigkeit
aufweist, die von der Spannung abhängt, die an die Kondensatorplatten angelegt
ist. Wenn eine Rotationsgeschwindigkeit vorhanden ist, die senkrecht
zu der Ebene verläuft, die
durch die Bewegungsachse (Achse erste Zone – zweite Zone) und den ersten
Stoppern und den zweiten Stoppern ausgebildet wird, dann erfährt das
leitfähige
Element eine Coriolis-Beschleunigung, die senkrecht zu der Achse
erste Zone – zweite
Zone ist. Dies bedeutet, dass das leitfähige Element die Stopper an
einer Seite (oder an der gegenüber
liegenden Seite, je nach der Rotationsrichtung) berührt, wenn die
an die Kondensatorplatten angelegte Spannung und somit die Geschwindigkeit,
mit der sich das leitfähige
Element bewegt, hinreichend hoch ist. Beim Berühren der Stopper wird der Zustand
des Lichtdurchgangs modifiziert, um somit zu bestätigen, dass die
dafür notwendigen
Bedingungen erreicht worden sind. Die Größe der externen Rotation wird
somit mit der Größe der an
die Kondensatorplatten angelegten Spannung in Beziehung stehen und die
Rotationsrichtung kann auf der Grundlage der Information bestimmt
werden, welches der beiden Kontaktpaare berührt worden ist, wobei berücksichtigt
wird, dass die Geschwindigkeitsrichtung zu einer solchen Zeit mit dem
leitfähigen
Element im Verhältnis
steht. Sensoren dieses Typs können
gleichzeitig in drei senkrechten Richtungen angeordnet werden, was
es ermöglicht,
die Größe jedweder
Rotation im Raum zu bestimmen.
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Gassensor:
Sollte das leitfähige
Element aus einem Material bestehen, das dazu geeignet ist, mit Molekülen eines
gegebenen Gases zu reagieren und/oder Moleküle eines gegebenen Gases zu
absorbieren (oder für
den Fall, dass ein derartiges Material in dem leitfähigen Element
enthalten ist), dann wird ein leitfähiges Element erhalten, das
je nach der Konzentration des Gases eine variable Masse aufweist.
Diese Änderung
der Masse beeinflusst die Aktivierungsspannung sowie die Zeitdauer,
die benötigt wird,
um sich von einem Ende zum anderen zu bewegen. Die Gaskonzentration
kann somit bestimmt werden.
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Im
Allgemeinen kann in allen vorstehend beschriebenen Sensoren die
entsprechende Größe bestimmt
werden, indem in jedem Fall die minimale Spannung bestimmt wird,
die erforderlich ist, um die elektrooptische Vorrichtung zu schalten,
oder indem die Schaltzeit für
eine feststehende angelegte Spannung bestimmt wird. Im Allgemeinen
ist es einfacher, die Schaltzeit zu bestimmen, da diese unter Verwendung
digitaler Technologie ohne weiteres erhöht werden kann, während das
Erzeugen variabler Spannungen die Verwendung analoger Schaltkreise
impliziert. Wenn jedoch die Spannung detektiert wird, die die elektrooptische
Vorrichtung schaltet, dann gibt es den Vorteil, dass die elektrooptische
Vorrichtung viel weniger häufig
kommutatiert, wodurch die Abnutzung vermindert wird und die Langzeitverlässlichkeit
und die Lebenszeit gesteigert wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung, in der ohne irgendeine Beschränkung einige bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben
werden.
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1 zeigt
ein vereinfachtes Diagramm einer elektrooptischen Vorrichtung mit
zwei Kondensatorplatten in der zweiten Zone davon.
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2 zeigt
ein vereinfachtes Diagramm einer elektrooptischen Vorrichtung mit
zwei Kondensatorplatten, wobei sich jeweils eine Kondensatorplatte in
einer Zone davon befindet.
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3 zeigt
ein vereinfachtes Diagramm einer elektrooptischen Vorrichtung mit
drei Kondensatorplatten.
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer elektrooptischen Vorrichtung
gemäß der Erfindung,
und zwar ohne Abdeckung.
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5 zeigt
eine Draufsicht der elektrooptischen Vorrichtung von 4.
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6 zeigt
eine Draufsicht einer ersten Variante der elektrooptischen Vorrichtung
von 4, und zwar mit zwei Paaren von I/O-Punkten.
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7 zeigt
eine Draufsicht einer zweiten Variante der elektrooptischen Vorrichtung
von 4.
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8 zeigt
eine Draufsicht einer dritten Variante der elektrooptischen Vorrichtung
von 4.
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9 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer elektrooptischen Vorrichtung
gemäß der Erfindung.
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10 zeigt
eine perspektivische Ansicht der elektrooptischen Vorrichtung von 9,
wobei die Komponenten des oberen Endes entfernt worden sind.
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11 zeigt
eine perspektivische Ansicht der unteren Elemente der elektrooptischen
Vorrichtung von 9.
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12 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer elektrooptischen Vorrichtung
gemäß der Erfindung.
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13 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform einer elektrooptischen Vorrichtung
gemäß der Erfindung.
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14 zeigt
eine Draufsicht der elektrooptischen Vorrichtung von 13.
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15 zeigt
eine Draufsicht einer Variante der elektrooptischen Vorrichtung
von 13.
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16 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform einer elektrooptischen Vorrichtung
gemäß der Erfindung.
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17 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer sechsten Ausführungsform einer elektrooptischen
Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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18 zeigt
eine Kugel, die mit einer Oberflächen-Mikrobearbeitung
hergestellt worden ist.
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19 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer siebten Ausführungsform einer elektrooptischen Vorrichtung
gemäß der Erfindung.
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20 zeigt
eine Draufsicht ohne Abdeckung einer achten Ausführungsform einer elektrooptischen
Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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Wie
es sich aus dem Nachstehenden ergibt, umfassen die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind, eine Kombination
der mehreren unterschiedlichen Alternativen und Optionen, die vorstehend
beschrieben worden sind, wobei ein Fachmann erkennen wird, dass
diese Alternativen und Optionen auf andere Arten und Weisen miteinander
kombiniert werden können.
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Detaillierte
Beschreibung einiger Ausführungsformen der
Erfindung
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1 zeigt
einen ersten grundlegenden Funktionsmodus einer elektrooptischen
Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Die elektrooptische Vorrichtung definiert einen Zwischenraum 25,
in dem ein leitfähiges
Element 7 untergebracht ist, das sich ungehindert durch
den Zwischenraum 25 bewegen kann, da es physikalisch ein
freies Teil ist, das nicht physikalisch mit den Wänden verbunden
ist, die den Zwischenraum 25 definieren. Die elektrooptische
Vorrichtung definiert außerdem
eine erste Zone auf der linken Seite von 1 und eine
zweite Zone auf der rechten Seite von 1. In der
zweiten Zone sind eine erste Kondensatorplatte 3 und eine
zweite Kondensatorplatte 9 angeordnet. In dem in 1 dargestellten
Beispiel weisen beide Kondensatorplatten 3 und 9 unterschiedliche
Oberflächen
auf, obgleich sie identisch sein können. Die erste Kondensatorplatte 3 und
die zweite Kondensatorplatte 9 sind mit einem Steuer schaltkreis
(CC; control circuit) verbunden. Beim Anlegen einer Spannung zwischen
der ersten Kondensatorplatte 3 und der zweiten Kondensatorplatte 9 wird
das leitfähige
Element in 1 immer nach rechts gezogen,
und zwar in Richtung der Kondensatorplatten 3 und 9.
Das leitfähige
Element 7 wird nach rechts bewegt, bis dieses durch erste
Stopper bzw. Stopps 13 gestoppt wird, wobei zu dieser Zeit
der Zustand eines Lichtdurchgangs in einer optischen Schaltung,
die nicht in diesem Diagramm dargestellt ist, modifiziert wird.
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2 zeigt
einen zweiten grundlegenden Funktionsmodus einer elektrooptischen
Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Die elektrooptische Vorrichtung definiert wiederum einen Zwischenraum 25,
in dem ein leitfähiges
Element 7 untergebracht ist, das sich ungehindert innerhalb
des Zwischenraums 25 bewegen kann, sowie eine erste Zone
auf der linken Seite von 2 und eine zweite Zone auf der
rechten Seite von 2. Eine zweite Kondensatorplatte 9 ist in
der zweiten Zone angeordnet, während
eine erste Kondensatorplatte 3 in der ersten Zone angeordnet ist.
Die erste Kondensatorplatte 3 und die zweite Kondensatorplatte 9 sind
mit einer Steuerschaltung bzw. einem Steuerschaltkreis (CC; control
circuit) verbunden. Indem eine Spannung zwischen der ersten Kondensatorplatte 3 und
der zweiten Kondensatorplatte 9 angelegt wird, wird das
leitfähige
Element immer zu der rechten Seite von 2 in Richtung
der kleineren Kondensatorplatte angezogen, d.h. in Richtung der
zweiten Kondensatorplatte 9. Aus diesem Grund ist die Tatsache,
dass in dem in 2 dargestellten Beispiel beide
Kondensatorplatten 3 und 9 unterschiedliche Oberflächen aufweisen,
absolut notwendig, da sich dann, wenn diese gleiche Oberflächen aufweisen
würden,
das leitfähige
Element in keine Richtung bewegen würde. Das leitfähige Element 7 wird
sich nach rechts bewegen, bis dieses von den ersten Stoppern 13 gestoppt
wird, wobei zu diesem Zeitpunkt der Zustand des Lichtdurchgangs in
einer optischen Schaltung, die in diesem Diagramm nicht dargestellt
ist, modifiziert werden wird. Auf der linken Seite befinden sich
zweite Stopper 19, die in diesem Fall nicht irgendeiner
Referenzfunktion für
die Modifizierung des Zustands des Lichtdurchgangs einer optischen
Schaltung dienen, sondern das leitfähige Element 7 daran
hindern, an die erste Kondensatorplatte 3 anzustoßen. In
diesem Fall können
die Stopper 19 entfernt werden, da es kein Problem darstellt,
wenn das leitfähige
Element 7 in Berührung
mit der ersten Kondensatorplatte 3 kommt. Dies liegt daran,
dass auf dieser Seite lediglich eine Kondensatorplatte vorhanden
ist, da dann, wenn es mehr als eine Kondensatorplatte geben würde und diese
mit unterschiedlichen Spannungen verbunden wären, die Stopper notwendig
sein könnten,
um einen Kurzschluss zu vermeiden.
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Die
Konfigurationen der elektrooptischen Vorrichtungen der 1 und 2 sind
dazu geeignet, als Sensoren verwendet zu werden, wobei die zu messende
Größe eine
Kraft ausübt,
der durch die elektrostatische Kraft entgegengewirkt wird, die in dem
leitfähigen
Element 7 induziert wird. Wie dargestellt, muss in beiden
Fällen
die zu messende Größe eine
Kraft ausüben,
die dahin wirkt, das leitfähige Element 7 von
den ersten Stoppern 13 weg zu bewegen, während die
elektrostatische Kraft dahin wirkt, dieses in deren Richtung zu
bewegen. Eine elektrooptische Vorrichtung kann jedoch ausgestaltet
werden, um in genau der entgegengesetzten Art und Weise zu arbeiten:
so dass die zu messende Größe dahin
wirkt, das leitfähige
Element 7 in Richtung der ersten Stopper zu bewegen, während die
elektrostatische Kraft dahingehend wirkt, dieses von diesen weg
zu bewegen. In diesem Fall müssen
die ersten Stopper 13 in den 1 und 2 auf
der linken Seite angeordnet werden. In 1 ist diese
Möglichkeit
mit Hilfe der Bezugsziffern angedeutet worden, die durch eine gestrichelte
Linie verbunden sind. Wenn die Stopper an beiden Seiten angeordnet
werden, dann kann der Sensor eine Größe in beiden Richtungen detektieren,
obgleich die optische Schaltung dupliziert werden müsste und
der Algorithmus der Steuerschaltung geändert werden müsste, und zwar
von einem Versuch der Hinbewegung zu einem Versuch der Wegbewegung,
wenn detektiert wird, dass eine Richtungsänderung stattgefunden hat,
wie dies vorkommt, wenn eine Modifizierung des Zustands des Lichtdurchgangs
nicht mit der minimalen Spannung erreicht wird, die 0 Volt beträgt. Es sollte darauf
aufmerksam gemacht werden, dass das Vorzeichen der angelegten Spannung
nicht die Bewegungsrichtung des leitfähigen Elements 7 beeinflusst.
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Um
eine Bewegung des leitfähigen
Elements 7 mittels elektrostatischer Kräfte in beiden Richtungen zu
erreichen, ist es notwendig, eine dritte Kondensatorplatte 11 bereitzustellen,
wie dies in 3 dargestellt ist. Da sich das
leitfähige
Element 7 immer in die Richtung bewegen wird, in der die
kleinste Kondensatorplatte angeordnet ist, ist es in diesem Fall notwendig,
dass die dritte Kondensatorplatte 11 kleiner als die erste
Kondensatorplatte 3 ist, dass jedoch die Summe der Oberflächen der
zweiten Kondensatorplatte 9 und der dritten Kondensatorplatte 11 größer als
die Oberfläche
der ersten Kondensatorplatte 3 ist. Indem die erste Kondensatorplatte 3 und
die zweite Kondensatorplatte 9 aktiviert werden, und indem
diese mit unterschiedliche Spannungen, jedoch nicht mit der dritten
Kondensatorplatte 11 verbunden werden, die in einem Zustand
hoher Impedanz verbleibt, kann auf diese Art und Weise das leitfähige Element 7 nach
rechts bewegt werden, während durch
das Aktivieren der drei Kondensatorplatten 3, 9 und 11 das
leitfähige
Element 7 nach links bewegt werden kann. Im letzteren Fall
werden die zweite Kondensatorplatte 9 und die dritte Kondensatorplatte 11 mit
derselben Spannung versorgt und die erste Kondensatorplatte 3 steht
unter einer anderen Spannung. Die elektrooptische Vorrichtung nach 3 weist
zusätzlich
zweite Stopper 19 auf, und zwar derart, dass diese zweiten
Stopper 19 die Modifizierung des Zustands des Lichtdurchgangs
einer zweiten optischen Schaltung ermöglichen.
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Sollten
zwei Kondensatorplatten jeweils in der ersten und der zweiten Zone
bereitgestellt werden, dann kann die Bewegung des leitfähigen Elements 7 auf
zwei unterschiedliche Arten hervorgerufen werden:
- – indem
eine Spannung zwischen den zwei Kondensatorplatten einer Zone angelegt
wird, so dass das leitfähige
Element von diesen angezogen wird (Funktion wie in 1),
- – indem
eine Spannung zwischen einer Kondensatorplatte einer Zone und einer
Kondensatorplatte oder beiden Kondensatorplatten der anderen Zone
angelegt wird, so dass das leitfähige
Element 7 in Richtung der Zone angezogen wird, in der die
elektrisch geladene Kondensatoroberfläche kleiner ist (Funktion wie
in 2).
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Nachstehend
wird beschrieben, wie diese Mechanismen den Zustand des Lichtdurchgangs
einer optischen Schaltung modifizieren können.
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4 zeigt
eine elektrooptische Vorrichtung, die ausgestaltet ist, mit der
EFAB-Technologie
hergestellt zu werden. Diese Technologie zum Herstellen von Mikromechanismen
mittels einer Schichtablagerung ist dem Fachmann bekannt und ermöglicht die Herstellung
von zahlreichen Schichten und weist eine große Vielseitigkeit bei der Herstellung
von dreidimensionalen Strukturen auf. Die elektrooptische Vorrichtung
ist auf einem Substrat 1 angebracht, das als ein Träger dient
und das in zahlreichen der beigefügten Zeichnungen der Einfachheit
halber nicht dargestellt worden ist. Die elektrooptische Vorrichtung weist
eine erste Kondensatorplatte 3 und eine vierte Kondensatorplatte 5 auf,
die auf der linken Seite (gemäß 2)
eines leitfähigen
Elements 7 angeordnet sind, sowie eine zweite Kondensatorplatte 9 und
eine dritte Kondensatorplatte 11, die auf der rechten Seite des
leitfähigen
Elements 7 angeordnet sind. Die elektrooptische Vorrichtung
weist außerdem
zwei erste Stopper 13 und zwei zweite Stopper 19 auf.
Die elektrooptische Vorrichtung ist in ihrem oberen Teil abgedeckt,
obgleich diese Abdeckung nicht dargestellt worden ist, um die inneren Details
klar darstellen zu können.
Die Abdeckung erstreckt sich zwischen den zwei Seitenwänden 29 oberhalb
des leitfähigen
Elements 7.
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Das
leitfähige
Element 7 weist einen hohlen Innenraum 27 auf.
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Die
elektrooptische Vorrichtung verläuft
gemäß 5 von
links nach rechts und umgekehrt durch den Zwischenraum 25. 5 zeigt
die Abdeckung, die das leitfähige
Element daran hindert, sich aus dem oberen Ende heraus zu bewegen.
Wie sich der Figur entnehmen lässt,
befinden sich die ersten Stopper 13 und die zweiten Stopper 19 näher an dem leitfähigen Element 7 als
die Kondensatorplatten 3, 5, 9 und 11.
Auf diese Art und Weise kann sich das leitfähige Element 7 von
links nach rechts bewegen, ohne die Kondensatorplatten 3, 5, 9 und 11 und
deren entsprechende Steuerschaltungen bzw. Steuerschaltkreise zu
stören. 5 zeigt,
wie es diese Bewegung ermöglicht,
den Zustand eines Lichtdurchgangs eine Lichtstrahls, der sich von
einem I/O-Punkt zu einem anderen I/O-Punkt einer optischen Schaltung
bewegt, zu modifizieren. Tatsächlich
wird die elektrooptische Vorrichtung von einem Lichtstrahl durchkreuzt,
der aus einem ersten I/O-Punkt 15 in Richtung eines zweiten
I/O-Punkts 17 austritt. Wenn sich das leitfähige Element 7 in
Berührung
mit den ersten Stoppern 13 befindet (wobei es sich auch
um einen einzelnen Stopper handeln könnte, wenn dieser in einer
zentralen Position angeordnet wäre), dann
wird der Durchgang des Lichtstrahls blockiert, was durch die entsprechende
Schaltung bzw. durch den entsprechenden Schaltkreis detektiert werden könnte.
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6 zeigt
eine Variante der vorstehend beschriebenen elektrooptischen Vorrichtung.
In diesem Fall gibt es zwei optische Schaltungen, so dass es vier
I/O-Punkte 15, 17, 21 und 23 gibt.
Je nach dem, ob das leitfähige
Element 7 die ersten Stopper 13 oder die zweiten
Stopper 19 berührt,
wird dieses den Lichtstrahl von der einen oder der anderen der zwei optischen
Schaltungen blockieren.
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Bei
der in 7 dargestellten Variante ist das leitfähige Element 7 mit
einem Vorsprung 47 bereitgestellt, der von den Wänden absteht,
die das leitfähige
Element 7 umschließen.
Der Vorsprung 47 modifiziert den Zustand des Lichtdurchgangs
zwischen dem ersten I/O-Punkt 15 und dem zweiten I/O-Punkt 17.
Daher handelt es sich ersichtlicherweise bei der elektrooptischen
Vorrichtung, wie sich dies der vorliegenden Beschreibung und den
Ansprüchen entnehmen
lassen sollte, nicht nur um den physischen Behälter, der das leitfähige Element 7 in
dessen Innerem enthält,
sondern ebenso die I/O-Punkte, und zwar sowohl wenn sich diese auf
der Oberfläche des
Behälters
selbst befinden und wenn diese physikalisch von diesem getrennt
sind. Ebenso ist es nicht notwendig, dass der Lichtstrahl, dessen
Zustand geändert
werden soll, physikalisch den Behälter durchquert, der das leitfähige Element 7 enthält, sondern es
kann ebenso möglich
sein, dass sich der Lichtstrahl außerhalb des Behälters fortpflanzt.
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Ferner
ist es außerdem
möglich,
ein leitfähiges
Element 7 mit einem Vorsprung 47 auszugestalten,
obgleich der Lichtstrahl den Behälter
durchläuft. Somit
ist es beispielsweise möglich,
eine elektrooptische Vorrichtung, wie beispielsweise die von 5, zu
konstruieren, bei der das leitfähige
Element 7 einen Vorsprung aufweist, der äquivalent
zu dem Vorsprung 47, jedoch kürzer als dieser ist, so dass
dessen freies Ende zwischen der zweiten Kondensatorplatte 9 und
der dritten Kondensatorplatte 11 angeordnet ist. Dieser
Vorsprung erlaubt es, dass die Unterbrechung des Lichtstrahls zwischen
dem ersten I/O-Punkt 15 und dem zweiten I/O-Punkt 17 besser sichergestellt
ist.
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Ferner
ist es nicht notwendig, dass die Stopper bzw. Stopps physikalisch
innerhalb des Behälters vorhanden
sind, in dem das leitfähige
Element 7 untergebracht ist. Somit könnte beispielsweise in der elektrooptischen
Vorrichtung von 7 der erste Stopper 13 ein
einzelner Stopper sein und physikalisch an das freie Ende des Vorsprungs 47 angrenzen.
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8 zeigt
eine weitere Variante der elektrooptischen Vorrichtung. In diesem
Fall wird der Lichtstrahl nicht einfach blockiert, sondern wird
durch Reflexion zu einem dritten I/O-Punkt abgelenkt.
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Den 9 bis 11 lässt sich
eine weitere elektrooptische Vorrichtung entnehmen, die ausgestaltet
ist, um mittels der EFAB-Technologie hergestellt zu werden. In diesem
Fall bewegt sich das leitfähige
Element 7 vertikal, wie sich dies den 9 bis 11 entnehmen
lässt.
Die Verwendung der einen oder der anderen Bewegungsalternative in
der elektrooptischen Vorrichtung hängt von Ausgestaltungskriterien
ab. Die Herstellungstechnologie besteht aus der Ablagerung mehrerer
Schichten. In allen Figuren sind die vertikalen Dimensionen übertrieben
dargestellt, d.h. die physikalischen Vorrichtungen sind viel flacher
als dies in den Figuren dargestellt ist. Sollte der Wunsch bestehen,
größere Kondensatorflächen zu
erhalten, dann wird es bevorzugt, die elektrooptische Vorrichtung
in einer Form auszubilden, die der in den 9 bis 11 (vertikale
elektrooptische Vorrichtung) dargestellten Form ähnelt, während eine elek trooptische
Vorrichtung mit einer Form, die der in den 4 bis 8 (horizontale
elektrooptische Vorrichtung) dargestellten Form ähnelt, angebrachter wäre, wenn
eine geringere Anzahl von Schichten erwünscht wird. Sollten bestimmte
spezifische Technologien verwendet werden (wie solche, die unter
den Namen polyMUMPS, Dalsa, SUMMIT, Tronic's, Qinetiq's, usw. bekannt sind), dann ist die
Anzahl von Schichten immer sehr begrenzt. Der Vorteil der vertikalen
elektrooptischen Vorrichtung besteht darin, dass größere Oberflächen mit
einer kleineren Chipfläche
erhalten werden, und dies führt
zu sehr viel geringeren Aktivierungsspannungen (unter Verwendung
derselben Chipfläche).
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Vom
Konzept her ähnelt
die elektrooptische Vorrichtung der 9 bis 11 sehr
der elektrooptischen Vorrichtung der 4 bis 8,
wobei die erste Kondensatorplatte 3 und die vierte Kondensatorplatte 5 sowie
die zweiten Stopper 19 in dem unteren Teil (8)
angeordnet sind. Wie sich der Figur entnehmen lässt, befinden sich die zweiten
Stopper 19 oberhalb der Kondensatorplatten, so dass das
leitfähige
Element 7 auf den zweiten Stoppern 19 aufliegen
kann, ohne in Berührung
mit der ersten und der vierten Kondensatorplatte 3, 5 zu
treten. Am oberen Ende (6) befinden sich die zweite
Kondensatorplatte 9, die dritte Kondensatorplatte 11 und
die zwei ersten Stopper 13.
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Wie
im Fall der elektrooptischen Vorrichtung der 4 bis 8 kann
die elektrooptische Vorrichtung der 9 bis 11 auf
unterschiedliche Arten und Weisen betrieben werden, die der Klarheit
halber in den 9 bis 12 nicht
dargestellt worden sind. Somit ist in 12 eine
elektrooptische Vorrichtung dargestellt, die das Licht reflektiert,
das von einem ersten I/O-Punkt 15 emittiert wird, und dieses
an einen zweiten I/O-Punkt 17 sendet, wenn das leitfähige Element 7 beispielsweise
die ersten Stopper 13 berührt. Wenn sich das leitfähige Element 7 in
Richtung des anderen Endes des Zwischenraums 25 bewegt,
d.h. wenn es die zweiten Stopper 19 berührt, dann wird der Lichtstrahl
unter demselben Winkel wie im vorigen Fall, jedoch in Richtung einer
anderen Position im Raum reflektiert. In dieser neuen Position kann
ein dritter I/O-Punkt 21 angeordnet sein, der in diesem
Fall das reflektierte Licht empfangen wird.
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Wenn
es gewünscht
wird, dass das leitfähige Element 7 einen
Lichtstrahl reflektieren soll, muss dieses im Allgemeinen darin
die entsprechende reflektierende Oberfläche umfassen. Es ist möglich, reflektierende
Oberflächen
mittels bekannter Techniken herzustellen, wobei jedoch die Ausgestaltung
einer vertikalen elektrooptischen Vor richtung mit reflektierenden
Oberflächen
auf der Oberseite davon gegenüber
der Ausgestaltung der horizontalen elektrooptischen Vorrichtung
bevorzugt wird, bei der vertikale reflektierende Oberflächen nötig sind.
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In
der Tat ist die in 12 dargestellte elektrooptische
Vorrichtung nicht identisch mit der Vorrichtung der 9 bis 11,
sondern eine ein wenig andere Ausführungsform in dem Sinne, dass
diese ein zylindrisches anstatt eines parallelepipedischen leitfähigen Elements 7 aufweist. 17 zeigt eine
weitere elektrooptische Vorrichtung mit einem zylindrischen leitfähigen Element 7.
Im Fall der elektrooptischen Vorrichtung von 12 sind
die Seitenwände 29,
die da leitfähige
Element umgeben, parallelepipedisch, während bei der elektrooptischen
Vorrichtung von 17 die Seitenwände 29,
die das leitfähige
Element 7 umgeben, zylindrisch sind. In 18 wiederum
ist eine Kugel dargestellt, die mittels einer Oberflächen-Mikrobearbeitung
hergestellt worden ist, wobei sich der Figur entnehmen lässt, dass
die Kugel durch eine Vielzahl von zylindrischen Scheiben mit unterschiedlichem
Durchmesser ausgebildet ist. Eine elektrooptische Vorrichtung mit
einem kugelförmigen
leitfähigen
Element 7, wie beispielsweise die von 18,
kann vom Konzept her sehr ähnlich
den in den 12 oder 17 gezeigten
Ausführungsformen
sein, wobei das zylindrische leitfähige Element 7 durch
ein kugelförmiges
ersetzt wird. Es ist lediglich notwendig, bestimmte geometrische
Anpassungen bei der Anordnung der Kondensatorplatten und der Stopper
zu berücksichtigen,
um zu verhindern, dass das kugelförmige leitfähige Element 7 zunächst die
Kondensatorplatten und nicht die Stopper berührt. Wie bereits vorstehend
bemerkt, ist der Zweck dieser leitfähigen Elemente, die abgerundete
Außenflächen aufweisen,
die Verminderung der Reibungskräfte
und des Anhaftens.
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Im
Allgemeinen sind die Kondensatorplatten und die Stopper bzw. Stopps
in der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen derart
beschrieben worden, als ob diese getrennte physikalische Elemente
wären.
In bestimmten Fällen
wird dies so sein, da dann, wenn eine Spannung zwischen den Kondensatorplatten
angelegt wird, die in ein und derselben Zone angeordnet sind (erste
Kondensatorplatte 3 und vierte Kondensatorplatte 5 oder
zweite Kondensatorplatte 9 und dritte Kondensatorplatte 11),
das leitfähige
Element 7 diese nicht berühren sollte, um einen Kurzschluss
zu vermeiden. Wenn nichtsdestotrotz die Kondensatorplatten in ein
und derselben Zone (erste Kondensatorplatte 3 und vierte
Kondensatorplatte 5 oder zweite Kondensatorplatte 9 und
dritte Kondensatorplatte 11) unter derselben Spannung stehen
und wenn es sich insbesondere um "VCC" oder "GND" handelt, dann gibt
es keinen Grund, dass das leitfähige
Element 7 die Kondensatorplatten physikalisch nicht berühren soll.
In diesem letzteren Fall können
die "Kondensatorplatten-Funktion" und die "Stopper-Funktion" zusammen durch dasselbe
physikalische Element durchgeführt
werden. Sogar in dem Fall, wenn eine Spannung zwischen den Kondensatorplatten
ein und derselben Zone angelegt wird, können die Kondensatorplatten in
einer nicht ausgerichteten Form angeordnet werden, so dass das leitfähige Element 7 lediglich
eine davon (oder alle, die unter derselben Spannung stehen) berührt. Auf
diese Art und Weise werden ebenso Kurzschlüsse vermieden.
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Die
elektrooptische Vorrichtung von 13 weist
eine Öffnung 49 in
deren Seitenwand 29 auf, durch die sich ein Lichtstrahl
fortpflanzen kann, wenn sich das leitfähige Element 7 am
oberen Ende befindet. An der Rückseite
gibt es eine weitere Öffnung, so
dass der Lichtstrahl den entsprechenden zweiten I/O-Punkt erreichen
kann. 14 ist eine Draufsicht, die
darstellt, wie sich der Lichtstrahl von dem ersten I/O-Punkt 15 zu
dem zweiten I/O-Punkt 17 fortpflanzt, wobei dieser durch
die Wände 29 durchtritt.
Es könnte
ebenso verstanden werden, dass die Öffnungen 49 selbst
die I/O-Punkte sind, die in der vorliegenden Beschreibung und den
Ansprüchen
beschrieben werden, da es irrelevant für die vorliegende Erfindung
ist, was jenseits der Öffnung 49 vor
sich geht.
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Eine
weitere Variante der elektrooptischen Vorrichtung von 13 wird
erhalten, wenn ein zweites Paar von Öffnungen 49 in dem
oberen Abschnitt der Seitenwand 29 umfasst wird. In diesem
Fall kann es eine Wechselwirkung auf zwei optischen Schaltungen
gleichzeitig geben, und zwar auf eine Art und Weise, die zu der
in 6 dargestellten äquivalent ist. Das zweite Paar
von Öffnungen 49 kann
sich oberhalb des ersten Paars von Öffnungen 49 befinden,
so dass die Lichtstrahlen parallel sind, oder dieses kann senkrecht
zu dem ersten Paar von Öffnungen 49 angeordnet
sein, so dass in diesem Fall die Lichtstrahlen senkrecht sind (12).
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Eine
noch weitere Variante kann erhalten werden, indem zwei Paare von Öffnungen 49 an
dem unteren Abschnitt der Wand 29 angeordnet werden, die
senkrecht zueinander angeordnet sind. Auf diese Art und Weise unterbricht
das leitfähige
Element 7 gleichzeitig zwei Lichtstrahlen. Eine Draufsicht
dieser Lösung
würde ebenfalls 15 entsprechen.
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Die
in 16 dargestellte elektrooptische Vorrichtung ist
ausgestaltet, um mit der polyMUMPS-Technologie hergestellt zu werden.
Wie bereits erwähnt,
ist diese Tech nologie bekannt und dadurch gekennzeichnet, dass es
sich bei dieser Technologie um eine Oberflächen-Mikrobearbeitung mit drei
Strukturschichten und zwei Hilfsschichten handelt. Konzeptionell
ist diese jedoch der in den 4 bis 8 dargestellten
elektrooptischen Vorrichtung ähnlich,
obgleich es einige Unterschiede gibt. Bei der elektrooptischen Vorrichtung
von 16 entspricht die erste Kondensatorplatte 3 der
dritten Kondensatorplatte 11, ist jedoch verschieden von
der zweiten Kondensatorplatte 9 und der vierten Kondensatorplatte 5,
die einander entsprechen und kleiner als die erstere sind. Ferner
wird außerdem
eine fünfte
Kondensatorplatte 35 und eine sechste Kondensatorplatte 37 umfasst.
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19 zeigt
eine Variante der elektrooptischen Vorrichtung, die in den 4 bis 8 dargestellt
ist. In diesem Fall weist das leitfähige Element 7 Überhänge bzw.
Vorsprünge 39 in
dessen Seitenflächen 41 auf.
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20 zeigt
eine Variante der elektrooptischen Vorrichtung gemäß der Erfindung,
die insbesondere für
die Verwendung als ein Detektor von Coriolis-Kräften (gyrostat) ausgestaltet
ist. In diesem Fall weist die elektrooptische Vorrichtung eine erste Kondensatorplatte 3 und
eine vierte Kondensatorplatte 5 auf, die auf der linken
Seite (gemäß 20) eines
leitfähigen
Elements 7 angeordnet sind, sowie eine zweite Kondensatorplatte 9 und
eine dritte Kondensatorplatte 11, die auf der rechten Seite
des leitfähigen
Elements 7 angeordnet sind. Die elektrooptische Vorrichtung
weist außerdem
zwei erste Stopper bzw. Stopps 13 in dem oberen Teil von 18 und zwei
zweite Stopper 19 in dem unteren Teil von 18 auf.
Das leitfähige
Element 7 bewegt sich aufgrund von Spannungen, die an die
Kondensatorplatten angelegt sind, in einer Zickzackbewegung zwischen
den Kondensatorplatten. Wenn die elektrooptische Vorrichtung Coriolis-Kräften ausgesetzt
wird, dann wird das leitfähige
Element 7 lateral bewegt, d.h. gemäß 15 aufwärts oder
abwärts
(unter der Annahme, dass die Rotationsbewegung senkrecht zu der
Zeichenebene erfolgt). Bei der Berührung mit den ersten Stoppern 13 (oder
den zweiten Stoppern 19) wird ein Lichtstrahl-Unterbrechungssignal
erhalten und je nach der Geschwindigkeit, mit der die Zickzackbewegung
durchgeführt
wird, (und je nach geometrischen Parametern und den Massen der elektrooptischen
Vorrichtung) kann die Coriolis-Kraft und folglich die Rotationsgeschwindigkeit
bestimmt werden. Die elektrooptische Vorrichtung weist außerdem dritte
Stopper 43 und vierte Stopper 45 auf, wobei es sich
um elektrische Kontakte handeln kann oder um Stopper handeln kann,
die das Abschneiden von zwei Lichtstrahlen definieren, die sich
in der Zeichnung vom oberen Ende zum unteren Ende fortpflanzen.
Somit wird das Ende der Bewegung von jeder Zickzackbewegung durch die
Steuerschaltung der elektrooptischen Vorrichtung detektiert. Alternativ kann
die Position des leitfähigen
Elements 7 mittels anderer bekannter Prozeduren bestimmt
werden.