ES2281294B1 - Dispositivo electrooptico reflector digital miniaturizado. - Google Patents

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    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference

Abstract

Dispositivo electroóptico reflector digital miniaturizado. Dispositivo MEMS electroóptico reflector digital que comprende un elemento conductor (7), donde el elemento conductor (7) es una pieza suelta, mecánicamente independiente de su entorno y es apto para efectuar un desplazamiento a través de un espacio intermedio (5) del dispositivo en función de unos voltajes presentes en unas placas de condensador (1, 2, 3), y una superficie reflectora (19), apta para reflejar un haz de luz incidente y solidaria al elemento conductor (7), donde el elemento conductor (7) se mueve en el espacio intermedio (5) hasta apoyarse en unos puntos de apoyo dispuestos de tal manera que obligan al elemento conductor (7) a cambiar de orientación.

Description

Dispositivo electroóptico reflector digital miniaturizado.
Campo de la invención
La invención se refiere a un dispositivo electroóptico miniaturizado, específicamente a un dispositivo electroóptico reflector digital miniaturizado. Estos dispositivos pertenecen a la familia de los dispositivos usualmente denominados MEMS (micro electro-mechanical systems - sistemas microelectromecánicos), en particular de los dispositivos denominados Digital Micromirror Devices (dispositivos de microespejo digitales, DMD®).
Estado de la técnica
Son conocidos los dispositivos electroópticos reflectores digitales miniaturizados como, por ejemplo, los descritos en el documento "A MEMS-Based Projection Display", de Peter F. Van KESSEL, et al, Proceedings of the IEEE, Vol. 86, No. 8, Agosto 1998. Estos dispositivos comprenden una superficie reflectora capaz de adoptar dos posiciones en el espacio que forman un ángulo no nulo. De esta manera, un rayo incidente sobre la superficie reflectora puede ser desviado en una dirección u otra en función de la posición de la superficie reflectora. La superficie reflectora está montada sobre una capa de material que está en voladizo y que, al ser sometida a unos campos electroestáticos, es capaz de doblarse en una u otra dirección. Sin embargo estos dispositivos tienen una serie de inconvenientes, como es la necesidad de una tensión de activación elevada (usualmente superior a los 50 V). Otros inconvenientes son, por ejemplo:
- unos tamaños relativamente grandes (por ejemplo, de 16 x 16 micras),
- un consumo elevado de potencia,
- una resolución limitada (como consecuencia del tamaño relativamente grande),
- problemas de tensiones mecánicas residuales en el material que forma el voladizo, lo que puede provocar que la orientación real adquirida por la superficie receptora no coincida con la orientación deseada.
Por otro lado son conocidos los dispositivos electroópticos digitales miniaturizados que comprenden:
- una primera zona enfrentada a una segunda zona,
- una primera placa de condensador dispuesta en la primera zona,
- una segunda placa de condensador dispuesta en la segunda zona y enfrentada a la primera placa de condensador, donde la segunda placa de condensador es menor o igual que la primera placa de condensador,
- una tercera placa de condensador dispuesta en la segunda zona, donde la tercera placa de condensador es menor o igual que la primera placa de condensador, y donde las segunda y tercera placas de condensador son, juntas, mayores que la primera placa de condensador,
- un espacio intermedio dispuesto entre la primera zona y la segunda zona,
- un elemento conductor dispuesto en el espacio intermedio, este elemento conductor presentando una primera superficie encarada hacia la primera zona y una segunda superficie encarada hacia la segunda zona, donde el elemento conductor es mecánicamente independiente de ambas zonas y siendo apto para efectuar un desplazamiento a través del espacio intermedio, desde un primer extremo, donde el elemento conductor está en contacto con la primera zona, hasta un segundo extremo, donde el elemento conductor está en contacto con la segunda zona, y viceversa, en función de unos voltajes presentes en las primera, segunda y tercera placas de condensador,
- una superficie reflectora, apta para reflejar un haz de luz incidente, solidaria al elemento conductor.
Efectivamente, estos dispositivos están descritos en la solicitud PCT WO 2004/046807, del mismo solicitante, publicada el 3 de Junio de 2004. En particular en pág. 19 M. 7 - pág. 22 lín. 24, pág. 23 lín. 12 - 28, y pág. 24 lín. 21 - 31 se describen diversas geometrías de este tipo de dispositivos y en pág. 4 lín. 6 - pág. 5 lín. 13, pág. 5 lín. 29 - pág. 6 lín. 8, pág. 6 lín. 28 - pág. 8 lín. 7, y pág. 18 lín. 4 - pág. 19 lín. 2 se describe su modo de funcionamiento.
Sin embargo, en la solicitud PCT WO 2004/
046807 únicamente se describe la posibilidad de que estos dispositivos interrumpan o desvíen un haz de luz mediante un movimiento de traslación, y el haz de luz es de dimensiones pequeñas respecto del dispositivo. La orientación espacial del elemento conductor al pasar del primer extremo al segundo extremo no varía.
Sumario de la invención
La invención tiene por objeto superar estos inconvenientes. Esta finalidad se consigue mediante un dispositivo electroóptico reflector miniaturizado del tipo indicado al principio caracterizado porque:
a - cuando el elemento conductor está en el primer extremo, o sea, en contacto con la primera zona, tiene por lo menos tres primeros puntos de apoyo no alineados en la primera superficie que están en contacto con tres primeros puntos de apoyo correspondientes en la primera zona, y cuando el elemento conductor está en el segundo extremo, o sea, en contacto con la segunda zona, tiene por lo menos tres segundos puntos de apoyo no alineados en la segunda superficie que están en contacto con tres segundos puntos de apoyo correspondientes en la segunda zona, y
b - cuando el elemento conductor está en el primer extremo, la distancia entre por lo menos uno de los segundos puntos de apoyo de la segunda superficie a su correspondiente punto de apoyo de la segunda zona es diferente a la distancia de los restantes segundos puntos de apoyo de la segunda superficie a sus correspondientes puntos de apoyo de la segunda zona, de manera que la superficie reflectora cambia de orientación en el espacio cuando el elemento conductor efectúa el desplazamiento entre el primer extremo y el segundo extremo.
Efectivamente el dispositivo de acuerdo con la invención permite posicionar la superficie reflectora con dos orientaciones en el espacio que forman un cierto ángulo sin necesidad de deformar elásticamente ningún material. Además, el elemento conductor no está en contacto eléctrico con su entorno durante su desplazamiento. Ello permite reducir los voltajes de activación y los consumos de potencia, permite reducir el tamaño de cada uno de los dos dispositivos (con la consiguiente mejora de resolución) y se evitan los problemas derivados de las tensiones mecánicas residuales en el material en voladizo.
Usualmente los dispositivos MEMS tienen una estructura laminar acusada, inherente a su procedimiento de fabricación. En este sentido el elemento conductor suele ser una lámina plana y las placas de condensador y demás elementos del entorno suelen ser también unas superficies planas y paralelas al elemento conductor. Sin embargo no es necesario que esto sea así. Por ello en los apartados a y b anteriores se han detallado, de una forma general, lo que son los requisitos básicos necesarios para la presente invención:
- El elemento conductor, tenga la forma que tenga, se desplazará siempre desde un primer extremo hasta un segundo extremo y viceversa. Para definir con mayor exactitud las dos posiciones denominadas como primer extremo y segundo extremo se han tenido en cuenta las siguientes consideraciones. Cuando el elemento conductor esté en el primer extremo, estará en contacto con unos determinados puntos de la primera zona que limitan el espacio intermedio y, por lo tanto, que limitan el desplazamiento que puede realizar el elemento conductor. Como mínimo, el conductor estará en contacto con la primera zona en tres puntos no alineados (que definen un plano) si bien en la práctica podrá estar en contacto en más puntos y, además, estos puntos no serán puntos en el sentido geométrico sino que serán superficies más o menos grandes. Los puntos de contacto serán los puntos de unión entre la primera superficie del elemento conductor y la primera zona. Por lo tanto, estos puntos de contacto definen unos primeros puntos de apoyo en la primera superficie del elemento conductor y unos primeros puntos de apoyo en la primera zona. Cuando el elemento conductor se desplace hacia el segundo extremo, los primeros puntos de apoyo de la primera superficie y los primeros puntos de apoyo de la primer zona se separarán entre ellos definiendo una distancia entre cada pareja de puntos de apoyo. De una forma análoga se pueden definir unos segundos puntos de apoyo en la segunda superficie del elemento conductor y unos segundos puntos de apoyo en la segunda zona.
- Si, al encontrarse el elemento conductor en el primer extremo (es decir con los primeros puntos de apoyo de la primera superficie y los de la primera zona en contacto entre si), las distancias entre cada pareja de segundos puntos de apoyo son iguales entre sí, ello quiere decir que cuando el elemento conductor se desplace del primer extremo al segundo extremo realizará una traslación pura y, por tanto, ello tiene como consecuencia que cuando el elemento conductor esté en el segundo extremo las distancias entre cada pareja de primeros puntos de apoyo son también iguales entre sí. En este caso el desplazamiento del elemento conductor será siempre una traslación pura y no se producirá un cambio de orientación en la superficie reflectora. Por ello, la invención se caracteriza porque al encontrarse el elemento conductor en el primer extremo, la distancia entre por lo menos una pareja de segundos puntos de apoyo es diferente a las demás. Ello trae como consecuencia que para que las parejas de segundos puntos de apoyo estén en contacto entre sí es necesario que el elemento conductor realice un movimiento de rotación (que puede ser rotación pura o una combinación de rotación más traslación). Esta rotación es la que permite cambiar la orientación de la superficie reflectora.
Preferentemente el elemento conductor comprende una primera proyección dispuesta en una de las primera y segunda superficies, donde la primera proyección comprende uno de los primeros o segundos puntos de apoyo de las primera o segunda superficies. Efectivamente, como ya se ha dicho anteriormente usualmente estos dispositivos tienen una estructura substancialmente laminar, es decir, obtenida mediante la deposición de capas superpuestas y substancialmente paralelas entre sí. En este caso, añadiendo una primera proyección en una de las superficies del elemento conductor se obtiene ya el efecto deseado. En este caso se puede conseguir que, por ejemplo, la superficie reflectora sea paralela a la estructura general de capas del dispositivo cuando esté en uno de los dos extremos y que forme un determinado ángulo con la estructura general de capas del dispositivo cuando esté en el extremo opuesto.
Alternativamente, el elemento conductor comprende una primera proyección dispuesta en la primera superficie, donde la primera proyección comprende uno de los primeros puntos de apoyo de la primera superficie, y una segunda proyección dispuesta en la segunda superficie, donde la segunda proyección comprende uno de los segundos puntos de apoyo de la segunda superficie. En este caso se puede conseguir que, por ejemplo, la superficie reflectora forme un determinado ángulo con la estructura general de capas del dispositivo cuando está en uno de los dos extremos y que forme otro ángulo determinado con la estructura general de capas y dispositivo cuando esté en el extremo opuesto.
Asimismo es posible que por lo menos una de las primera zona y segunda zona comprendan una proyección que, a su vez, comprenda uno de los primeros o segundos puntos de apoyo de las primera o segunda superficies. Efectivamente se puede conseguir que una de las distancias anteriormente indicadas sea diferente de las demás a base de añadir proyecciones en el elemento conductor pero también se puede conseguir a base de añadir proyecciones en la primera zona y/o en la segunda zona. Ello tiene la ventaja de que el elemento conductor puede tener una distribución de masas simétrica.
Asimismo debe tenerse en cuenta que las proyecciones deben interpretarse de una forma amplia. Así, una zona del dispositivo que tenga una geometría asimétrica debe entenderse como que tiene unas proyecciones en el sentido de la invención, si esta geometría asimétrica provoca que alguna de las distancias anteriormente indicadas sea diferente de las
demás.
Breve descripción de los dibujos
Otras ventajas y características de la invención se aprecian a partir de la siguiente descripción, en la que, sin ningún carácter limitativo, se relatan unos modos preferentes de realización de la invención, haciendo mención de los dibujos que se acompañan. Las figuras muestran:
Fig. 1, un esquema simplificado de un dispositivo electroóptico de acuerdo con el estado de la técnica.
Fig. 2, un esquema simplificado de un dispositivo electroóptico reflector de acuerdo con la invención.
Fig. 3, una vista en perspectiva, explosionada de un dispositivo electroóptico reflector de acuerdo con la invención.
Fig. 4, una vista en perspectiva del dispositivo electroóptico reflector de la Fig. 3,
Figs. 5 y 6, una vista frontal del dispositivo electroóptico reflector de la Fig. 3 mostrando dos orientaciones diferentes,
Figs. 7 y 8, dos esquemas simplificados de unos elementos conductores con proyecciones,
Figs. 9 y 10, dos esquemas simplificados mostrando la equivalencia entre unas proyecciones dispuestas en el elemento conductor o dispuestas en la primera y/o segunda zona,
Fig. 11, un esquema simplificado de otra forma de realización de un dispositivo electroóptico reflector de acuerdo con la invención.
Descripción detallada de unas formas de realización de la invención
En la figura 1 se muestra un esquema simplificado de un dispositivo electroóptico, tal como se describe en la solicitud PCT WO 2004/046807. El dispositivo electroóptico tiene una primera zona 9 enfrentada a una segunda zona 11 (a la izquierda y a la derecha del dibujo, respectivamente) con una primera placa de condensador 1 dispuesta en la primera zona 9, una segunda placa de condensador 2 y una tercera placa de condensador 3 en la segunda zona 11, enfrentadas a dicha primera placa de condensador 1 y donde cada una de dichas segunda y tercera placas de condensador 2, 3 son menores o iguales que la primera placa de condensador 1 pero ambas conjuntamente son mayores que la primera placa de condensador 1. Entre ambas zonas 9, 11 hay un espacio intermedio 5 a lo largo del cual se puede mover un elemento conductor 7. Un circuito de control CC gobierna las placas de condensador. Tal como ya se especifica en la solicitud PCT WO 2004/046807, en pág. 4 lín. 6 - 21 y pág. 16 lín. 7 - 11, el elemento conductor 7 es mecánicamente independiente de la primera zona 9 y de la segunda zona 11, es decir, es mecánicamente independiente de toda la estructura fija del dispositivo. Dicho de otro modo, el elemento conductor 7 es una pieza suelta apta para moverse libremente por el espacio intermedio 5. El elemento conductor 7 no tiene ninguna unión física con su entorno.
En la primera zona 9 y en la segunda zona 11 hay unos topes 13 que limitan el movimiento del elemento conductor 7 y que definen un primer extremo y un segundo extremo.
En las figuras 2 a 4 se muestra un dispositivo electroóptico reflector de acuerdo con la invención. En particular estas vistas no presentan proyecciones (que se definirán más adelante) para mayor simplificación de las mismas. En general se puede observar la existencia de ocho placas de condensador 15 (se ha empleado la referencia 15 para designar cualquier placa de condensador, con independencia de que sea la primera, la segunda, la tercera o cualquier otra placa de condensador adicional) y de unos topes 13 (concretamente la figura 2 se ha dibujado sin topes). Como ya se describe en la solicitud PCT WO 2004/046807, en pág. 6 lín. 28 - pág. 7 lín. 5 y pág. 18 lín. 4 - 18, la cantidad mínima necesaria de placas de condensador para poder realizar un movimiento en dos direcciones es de tres, con los requisitos geométricos indicados anteriormente. Sin embargo, usualmente, los dispositivos tienen más placas de condensador así como una pluralidad de topes.
Usualmente es ventajoso que el elemento conductor 7 no entre en contacto con las placas de condensador 15, si bien en algunos casos puede ser admisible que entre en contacto con alguna de ellas, tal como se describe en la solicitud PCT WO 2004/046807, en pág. 23 lín. 12 - 28.
El elemento conductor 7 tiene un cuerpo principal 17 que es substancialmente una lámina plana y que soporta una estructura en forma de mesa con una pata (o estructura de soporte) central. La tabla de la mesa tiene una superficie reflectora 19 sobre la que incidirá el haz de luz, y la pata central se extiende a través de un orificio dispuesto entre las placas de condensador 15 de la parte superior del dispositivo. Usualmente el elemento conductor 7 tendrá un cuerpo principal 17 que, como se ha dicho anteriormente, será substancialmente un elemento laminar y la superficie reflectora 19 será paralela al cuerpo principal 17 del elemento conductor 7, ya que estas geometrías son las que se obtienen de una forma más sencilla mediante los procedimientos habituales de fabricación de MEMS.
En las figuras 5 y 6 se muestra como la superficie reflectora 19 puede orientarse en dos posiciones diferentes.
Una forma de conseguir estas diferentes orientaciones es, tal como ya se ha dicho anteriormente, a base de añadir unas proyecciones 21 en el elemento conductor 7. Ello se ha mostrado esquemáticamente en las figuras 7 y 8, en las que se muestra únicamente el cuerpo principal 17 de un elemento conductor 7, por ejemplo de un elemento conductor 7 como el de las figuras 2 a 4. En el caso que el elemento conductor 7 tenga únicamente una proyección 21, por ejemplo en su superficie superior, entonces la superficie reflectora 19 sería paralela a la base del dispositivo cuando el elemento conductor 7 está en su posición inferior (visto de acuerdo a las figuras) y la superficie reflectora 19 formaría un ángulo no nulo con la base del dispositivo cuando el elemento conductor 7 está en su posición superior (suponiendo que los topes 13 dispuestos en la zona superior fuesen coplanarios según un plano horizontal). Si el elemento conductor 7 tiene dos proyecciones 21, una en cada una de sus superficies superior e inferior, entonces la superficie reflectora 19 formaría un ángulo no nulo con la base del dispositivo tanto si está en el extremo superior como si está en el extremo inferior.
En la figura 9 se observa que se puede conseguir un resultado similar al de la figura 8 con una disposición diferente de las proyecciones 21, mientras que en la figura 10 se observa que se puede conseguir un resultado similar al de la figura 9 a base de incluir las proyecciones 21 en la primera zona 9 y en la segunda zona 11 del dispositivo en vez de incluirlas en el elemento conductor 7 móvil. Lógicamente es posible tener una combinación de ambas alternativas.
Finalmente en la figura 11 se muestra otra alternativa, en la que se consigue que la superficie reflectora 19 adopte dos orientaciones diferentes gracias a que la zona superior del dispositivo es asimétrica. En la figura 11 se ha mostrado nuevamente el elemento conductor 7 sin la estructura de mesa con la superficie reflectora 19 para simplificar el dibujo.
En general, debe tenerse en cuenta que la geometría específica del elemento conductor 7 mostrado en las figuras 2 a 4, con la estructura de mesa que incluye la superficie reflectora 19, es un ejemplo concreto de forma de realización. En general, el elemento conductor 7 y la superficie reflectora 19 pueden tener otras geometrías, en particular la superficie reflectora 19 puede estar incluida directamente en el cuerpo principal 17 del elemento conductor 7.
Asimismo en general, debe tenerse en cuenta que estos dispositivos tienen geometrías tridimensionales y que, por lo tanto, la disposición de las proyecciones 21 (y, en general, de los puntos de contacto) puede ser una disposición tridimensional más o menos compleja. Los ejemplos mostrados en las figuras son simplemente unos ejemplos con geometrías simplificadas.

Claims (4)

1. Dispositivo electroóptico reflector digital miniaturizado que comprende:
- una primera zona (9) enfrentada a una segunda zona (11),
- una primera placa de condensador (1) dispuesta en dicha primera zona (9),
- una segunda placa de condensador (2) dispuesta en dicha segunda zona (11) y enfrentada a dicha primera placa de condensador (1), donde dicha segunda placa de condensador (2) es menor o igual que dicha primera placa de condensador (1),
- una tercera placa de condensador (3) dispuesta en dicha segunda zona (11), donde dicha tercera placa de condensador (3) es menor o igual que dicha primera placa de condensador (1), y donde dichas segunda y tercera placas de condensador (2, 3) son, juntas, mayores que dicha primera placa de condensador (1),
- un espacio intermedio (5) dispuesto entre dicha primera zona (9) y dicha segunda zona (11),
- un elemento conductor (7) dispuesto en dicho espacio intermedio (5), dicho elemento conductor presentando una primera superficie encarada hacia dicha primera zona (9) y una segunda superficie encarada hacia dicha segunda zona (11), dicho elemento conductor (7) siendo mecánicamente independiente de dichas primera zona (9) y segunda zona (11) y siendo apto para efectuar un desplazamiento a través de dicho espacio intermedio (5), desde un primer extremo, donde dicho elemento conductor (7) está en contacto con dicha primera zona (9), hasta un segundo extremo, donde dicho elemento conductor (7) está en contacto con dicha segunda zona (11), y viceversa, en función de unos voltajes presentes en dichas primera, segunda y tercera placas de condensador (1, 2, 3),
- una superficie reflectora (19), apta para reflejar un haz de luz incidente, solidaria a dicho elemento conductor (7)
caracterizado porque
- cuando dicho elemento conductor (7) está en dicho primer extremo tiene por lo menos tres primeros puntos de apoyo no alineados en dicha primera superficie que están en contacto con tres primeros puntos de apoyo correspondientes en la primera zona (9), y cuando dicho elemento conductor (7) está en dicho segundo extremo tiene por lo menos tres segundos puntos de apoyo no alineados en la segunda superficie que están en contacto con tres segundos puntos de apoyo correspondientes en la segunda zona (11), y
- cuando dicho elemento conductor (7) está en dicho primer extremo, la distancia entre por lo menos uno de dichos segundos puntos de apoyo de dicha segunda superficie a su correspondiente punto de apoyo de dicha segunda zona (11) es diferente a la distancia de los restantes segundos puntos de apoyo de dicha segunda superficie a sus correspondientes puntos de apoyo de dicha segunda zona (11), de manera que dicha superficie reflectora (19) cambia de orientación en el espacio cuando dicho elemento conductor (7) efectúa dicho desplazamiento entre dicho primer extremo y dicho segundo extremo.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho elemento conductor (7) comprende una primera proyección (21) dispuesta en una de dichas primera y segunda superficies, donde dicha primera proyección (21) comprende uno de dichos primeros o segundos puntos de apoyo de dichas primera o segunda superficies.
3. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho elemento conductor (7) comprende una primera proyección (21) dispuesta en dicha primera superficie, donde dicha primera proyección (21) comprende uno de dichos primeros puntos de apoyo de dicha primera superficie, y una segunda proyección (21) dispuesta en dicha segunda superficie, donde dicha segunda proyección (21) comprende uno de dichos segundos puntos de apoyo de dicha segunda superficie.
4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque por lo menos una de dichas primera zona (9) y segunda zona (11) comprende una proyección (21) que comprende uno de dichos primeros o segundos puntos de apoyo de dichas primera o segunda superficie.
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