WO2004046807A1 - Dispositivo electroóptico miniaturizado y usos correspond ientes - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a miniaturized electro-optical device.
  • the invention also relates to various uses of electro-optical devices according to the invention.
  • miniaturized devices are also known, within the technology called MEMS (micro electro-mechanical systems- microelectromechanical systems), Microsystems (microsystems) and / or Micromachines (micromachines).
  • MEMS micro electro-mechanical systems- microelectromechanical systems
  • Microsystems microsystems
  • micromachines Micromachines
  • These miniaturized devices are usually electromechanical devices that fulfill functions similar to electromechanical devices of conventional dimensions, such as relays, sensors of various types, pumps, etc.
  • the object of the present invention are miniaturized devices of the electro-optical type, that is, in which from an electrical signal it is possible to interact in an optical signal.
  • the present invention has as its object a miniaturized electro-optical device that allows modifying the state of passage of light through an optical circuit, that is, exerting a function equivalent to an electric relay, with which, in addition, it will have in Common various electrical and mechanical components.
  • miniaturized relays In principle PIO can be classified according to the type of force or actuation mechanism they use to move the contact electrode. Thus, they are usually classified as electrostatic, magnetic, thermal or piezoelectric relays. Each of them has its advantages and disadvantages.
  • miniaturization techniques require the use of activation voltages as small as possible and surfaces as small as possible.
  • the relays known in the state of the art have various problems to be able to advance in this regard.
  • One way to reduce the activation voltage is precisely to increase the surfaces of the relay, which hinders its miniaturization, apart from being more sensitive to the appearance of deformations which reduces the life and reliability of the relay.
  • another solution to reduce the activation voltage is to greatly reduce the space between the electrodes, or use very thin electrodes or use special materials, so that the mechanical recovery force is very low.
  • This brings with it other hooking problems, since the capillary forces become very important, which also reduces the life and reliability of these relays.
  • the use of high activation voltages also has other negative effects such as the ionization of the components, accelerated wear due to strong mechanical shocks and the electrical noise generated by the entire relay.
  • Electrostatic relays also have a major reliability problem due to the phenomenon called "pull-in", and that is that, after a certain voltage threshold is exceeded, the contact electrode moves accelerating more and more against the other free electrode. This is because as the relay closes, the capacitor that exerts the electrostatic force for this closure, greatly increases its capacity (and would reach infinity if a stop was not set before). The consequence of this is an important wear of the electrodes due to the high electric field that is generated and to the shock due to the acceleration that the mobile electrode has suffered.
  • Thermal, magnetic and piezoelectric solutions require special micromachining materials and processes, so that it becomes difficult and / or expensive to integrate them into more complex MEMS devices, or in the same integrated with electronic circuitry
  • the thermal solution is very slow (that is, the circuit takes a long time to close or open), and consumes a lot of power.
  • the magnetic solution makes electromagnetic noise, which makes it much more difficult to have electronic circuitry nearby, and requires high peak currents for switching.
  • the relays incorporate a mobile element by means of which at least one external electrical circuit can be opened and closed, where at least one of the opening and closing actions of the external electrical circuit is done by means of an electromagnetic signal, the opposite force of elastic type.
  • the electro-optical device of the present invention also requires the movement of a mobile element in order to interact with the optical circuit. In this sense, it partly shares the problems and disadvantages of the electrical relays mentioned above.
  • the object of the invention is a miniaturized electro-optical device as mentioned above. This purpose is achieved through a miniaturized electro-optical device characterized in that it comprises: - a first zone facing a second zone,
  • the conductive element is mechanically independent of the first zone and the second zone and is capable of moving through the intermediate space according to voltages present in the first and second plates of condenser, - a first point of entry / exit of light of an optical circuit, a second point of entry / exit of the optical circuit, arranged in such a way that they allow the passage of light between them at least a first stop, where the conductive element is able to come into contact with the first stop and where the conductive element modifies the state of light passage between the first entry / exit point and the second entry / exit point when It is in contact with the first stop.
  • the electro-optical device has the conductive element, that is, the element responsible for opening and closing the light path of the external optical circuit (through the first point of entry / exit (hereinafter abbreviated by e / s) and the second I / O point) as a loose piece capable of moving freely. That is, the elastic force of the material is not being used to force one of the movements of the electro-optical device. This allows a plurality of different solutions, all of them enjoying the advantage of requiring very small activation voltages and allowing very small design sizes.
  • the conductive element is housed in the intermediate space.
  • the intermediate space is closed by the first and the second zone and by side walls that prevent the conductive element from leaving the intermediate space.
  • an electro-optical device also satisfactorily solves the problem of the aforementioned "pull-in".
  • the first I / O point and the second I / O point of the external optical circuit may be separated from each other as far as the technology of the optical circuit in question allows. From the point of view of the invention, it is only necessary for the electro-optical device to interfere with the light beam that propagates from the first I / O point to the second I / O point. In this sense both I / O points can be physically integrated in the walls that surround the conductive element, but it is also possible that they are physically away from the walls that surround the conductive element and that they are physically independent parts slopes. In this sense, the electro-optical device must be understood as a functional set of elements even though these elements are physically separated. It should also be understood that the I / O entry point is simply a hole through which light can propagate. The optical fiber or, in general, device used for the propagation of light to the point of I / O should not be considered as part of the electro-optical device.
  • the conductive element will have a part of its surface that will act as an optical actuation surface.
  • this surface will be a sealing surface, where the basic function will be to prevent the light beam from reaching the corresponding I / O point.
  • this surface will be a reflection surface where the basic function will be to deflect the light beam, by reflection, in a certain direction.
  • Another additional advantage of the electro-optical device according to the invention is the following: in conventional electrostatic relays, if in a certain position the conductive element is engaged (which depends a lot, among other factors, on moisture) there is no way to disengage it (except with an external intervention, such as drying it) since being the elastic recovery force, it is always the same (it depends only on the position) and cannot be increased. On the other hand, if the conductive element is hooked to an electro-optical device according to the invention, it would always be possible to disengage it by increasing the voltage.
  • the movement of the conductive element can be in various ways:
  • a first possibility is that the conductive element can move along the intermediate space with a translational movement, that is, in a substantially rectilinear manner (leaving possible blows or oscillations apart and / or moving vices caused by unforeseen and / or unwanted external forces) between the first zone and the second zone.
  • the conductive element can move along the intermediate space with a movement that is the sum of a translation movement between the first zone and the second zone, induced by the electrostatic forces generated, and a movement perpendicular to the anterior, induced by a Coriolis force.
  • the electro-optical device can be designed so that the first condenser plate is in the first zone.
  • an electro-optical device is achieved that has a lower activation voltage and a higher speed.
  • the electro-optical device has a lower speed, which means that the blows suffered by the conductive element and the stops are softer, and a lower power consumption. In this way you can choose one or another alternative depending on the specific requirements in each case.
  • the conductive element When the conductive element is in contact with the first stops, that is, when it is interacting with the optical circuit, it is possible to move the conductive element by various types of forces, which will be detailed below. To bring the conductive element back to the first stops, it is sufficient to apply a voltage between the first plate and the second capacitor plate. This causes the conductive element to be attracted to the second zone, re-modifying the state of passage of light between the first and the second I / O point.
  • one way to achieve the necessary force to move the conductive element mentioned in the previous paragraph is by adding a third condenser plate arranged in the second zone, where the third condenser plate is less than or equal to the first condenser plate, and where the second and third condenser plates They are, together, larger than the first condenser plate.
  • the first condenser plate is on one side of the intermediate space and the second and third condenser plates are on the other side of the intermediate space and close to each other. In this way, the displacement of the conductive element can be forced in both directions by electrostatic forces.
  • the electro-optical device additionally comprises a third condenser plate disposed in said second zone and a fourth condenser plate disposed in said first zone, wherein said first condenser plate and said second condenser plate they are equal to each other, and said third condenser plate and said fourth condenser plate are equal to each other.
  • the condenser plate it is also possible to get the condenser plate to move towards the first zone by applying a voltage to the second and third capacitor plates and to the first or fourth condenser plates.
  • the virtue of this solution, with respect to the simplest solution with only three condenser plates, is that it is completely symmetrical, that is, exactly the same electro-optical device behavior can be achieved both when the conductive element moves towards the second zone as when moving to the first zone.
  • the first, second, third and fourth condenser plates are all equal to each other, since it is generally convenient for the electro-optical device to have various symmetries in its design. On the one hand there is the symmetry with respect to the first and the second zone, which has just been commented.
  • the electro-optical device additionally comprises a fifth condenser plate arranged in the first zone and a sixth condenser plate arranged in the second zo- na, where the fifth condenser plate and the sixth condenser plate are equal to each other.
  • increasing the amount of condenser plates has the advantage that manufacturing dispersions are better compensated.
  • the various plates can be activated independently, both from the point of view of the applied voltage and the moment of activation.
  • the six condenser plates could all be equal to each other or, alternatively the three plates could be made on the same side of different sizes from each other.
  • the electro-optical device comprises a second stop (or as many second stops as there are first stops) between the first zone and the conductive element.
  • a geometric symmetry between the first zone and the second zone is also achieved.
  • the conductive element moves to the second zone, it can do so until it comes into contact with the first stops, and will modify the state of light passing between the I / O points.
  • the conductive element moves to the first zone, it can do so until it enters into Touch with the second bumper. In this way the route made by the conductive element is symmetrical.
  • the electro-optical device comprises a third I / O point and a fourth I / O point arranged between the first zone and the conductive element, so that the conductive element modifies the light-passing state of a second optical circuit when in contact with the second stop (s).
  • the electro-optical device can connect two electrical circuits alternately.
  • each of the sets of the condenser plates arranged in each of the first zone and second zone has central symmetry with respect to a center of symmetry, where said center of symmetry is superimposed on the center of mass of the conductive element.
  • each set of condenser plates arranged in each of the zones generates a force field on the conductive element. If the resultant of this force field has a non-zero moment with respect to the center of mass of the conductive element, the conductive element will not only undergo a translation, but will also experience a rotation around its center of mass.
  • the plate assemblies of each zone have central symmetry in the event that this rotation does not interest or, on the contrary, it may be convenient to provide that there is a central asymmetry, in the case that it induces a rotation in the conductive element with respect to its center of mass, for example to overcome friction and / or engagement forces.
  • the conductive element is usually physically enclosed in the intermediate space, between the first zone, the second zone and side walls.
  • the conductive element In order to avoid high engagement and friction forces, it is advantageous for the conductive element to have rounded external surfaces, preferably cylindrical or spherical.
  • the spherical solution minimizes the friction forces and the hooks in all directions, while the cylindrical solution, with the cylinder bases facing the first and second zone, allows obtaining reduced frictional forces with the side walls and surfaces facing the condenser plates that are large and effective for the generation of electrostatic forces.
  • the conductive element has an upper face and a lower face, which are perpendicular to the displacement of the conductive element, and at least one lateral face, it is advantageous for the lateral face to have brief protuberances. These protuberances will also reduce the hooks and friction forces between the side face and the side walls of the intermediate space.
  • the conductive element is hollow. This allows to save mass which allows to have minor inertia.
  • the electro-optical device has two condenser plates (the first plate and the second plate) and that both are in the second zone, it is advantageous that the first condenser plate and the second condenser plate have the same surface, since in this way the minimum activation voltage is obtained for the same total surface of the device.
  • the electro-optical device has two condenser plates (the first plate and the second plate) and that the first plate is in the first zone while the second plate is in the second zone, it is advantageous that the first plate of capacitor has a surface that is equal to twice the surface of the second condenser plate, since in this way the minimum activation voltage is obtained for the same total surface of the device.
  • a subject of the invention is also preferred uses of electro-optical devices according to the invention.
  • the electro-optical device according to the invention can be used as a sensor of various physical quantities.
  • the physical magnitude to be measured exerts a force to move the conductive element and by means of a certain voltage applied to the condenser plates generates a force that counteracts the previous one.
  • the voltage can be modified to count the force generated by the magnitude to be measured.
  • the determination of the required voltage makes it possible to determine the value of the physical quantity to be measured. In general, miniaturization allows the inclusion of several sensors simultaneously, which makes the determination of the corresponding value more reliable.
  • a particularly advantageous alternative is obtained by having an electro-optical device according to the invention with I / O points in the two zones, since in this case the physical magnitude to be determined can be measured from the time between modifying the state of passage of light between the I / O points of one zone and the state of passage of light between the I / O points of the other zone is modified, at constant voltage (or even varying the voltage as one more parameter to take into account.
  • Accelerometer the force due to external acceleration displaces the conductive element, separating the conductive element from the first stop.
  • the voltage applied to the condenser plates creates a force in the opposite direction.
  • the required voltage and, therefore, the acceleration to which the conductive element has been subjected can be determined. It could also be done the other way around (in general this is valid for all sensors) so that the external acceleration is the one that brings the conductive element towards the first stop.
  • the miniaturization allows to have various sensors, and oriented according to the three coordinate axes. A particular case of this use is as an inclinometer.
  • Pressure sensor if the electrical element separates two chambers subjected to different pressures (a pressure to be determined and a reference pressure), the air pressure, or in general of any non-conductive fluid, applied to one of the faces of the conductive element , this will tend to move away (or approach) the first stop.
  • the voltage necessary to get the conductor element closer (away) allows to determine the pressure of said fluid or, specifically, the difference in pressures between said fluid and the reference chamber.
  • a particular case of this type of sensor would be a microphone.
  • an electro-optical device can be used as a flow sensor .
  • the force generated by the magnitude to be measured can be counteracted, in this case the hydraulic or aerodynamic force generated by the fluid current.
  • the fluid cannot be an electrical conductor.
  • Temperature sensor In this case it is taken into account that the time it takes for the conductive element to move from one stop to another basically depends on the external acceleration, the applied voltage and the area coefficients of the condenser plates. If these plates are made with different thermal expansion coefficient materials, then the area coefficients of the condenser plates will change with temperature. In this way there is a relationship between the switching time and the temperature for a given voltage applied to the plates. For the same reason, the minimum voltage necessary for the electro-optical device to switch depends on the temperature.
  • each electro-optical device modifies the state of passage of light when in contact with the first stop allows to know precisely the moment of collision with said first stop.
  • Coriolis force detector usually called gyroscopes. These detectors determine the speed of rotation of an object by determining the strength of Coriolis.
  • an electro-optical device is needed that has condenser plates arranged in the first zone and in the second zone, and first stops and some second stops arranged in an axis perpendicular to the axis first zone - second zone.
  • the conductive element must be kept moving continuously from one end to the other so that it always has a certain speed, which will depend on the voltage applied to the condenser plates.
  • the conductive element will experience a Coriolis acceleration that will be perpendicular to the first axis zone - second zone. This will cause the conductive element to touch the stops on one side (or on the opposite side, depending on the direction of rotation) if the voltage applied to the condenser plates and, therefore, the speed with which the conductive element moves , is high enough. Touching the stops will change the state of light that will confirm that the precise conditions have taken place.
  • the magnitude of the external rotation will therefore be related to the magnitude of the voltage applied to the condenser plates, and the direction of rotation will be known depending on which of the stops have been touched, taking into account the direction of the speed that was being given at that moment to the conductive element.
  • Sensors of this type can be included simultaneously in three perpendicular directions, which allows to obtain the value of any rotation in space.
  • Gas sensor In the case that the conductive element is of a material capable of reacting and / or absorbing molecules of a given gas (or has this material incorporated), a conductive element of variable mass is obtained depending on the concentration of said gas. This change in mass influences the activation voltage, as well as the time it takes to move from one end to the other. In this way the gas concentration can be determined.
  • the corresponding magnitude can be determined on the basis of detecting in each case what is the minimum voltage required to switch the electro-optical device, or to detect the switching time for a fixed applied voltage. In general it is simpler to detect the switching time, since it can be increased in a simple way with digital technology, while generating variable voltages implies using analog circuits. However, in the event that the voltage that causes the electro-optic device to switch is detected, it has the advantage that the electro-optic device switches many times less, which reduces its wear and extends its long-term reliability and its useful life.
  • - Fig. 2 a simplified scheme of an electro-optical device with two condenser plates, one in each of its zones.
  • - Fig. 3 a simplified scheme of an electro-optical device with three condenser plates.
  • - Fig. 4 a perspective view of a first embodiment of an electro-optical device according to the invention, without cover.
  • - Fig. 5 a plan view of the electro-optical device of Fig. 4.
  • FIG. 6 a plan view of a first variant of the electro-optical device of Fig. 4, with two pairs of I / O points.
  • FIG. 7 a plan view of a second variant of the electro-optical device of Fig. 4.
  • FIG. 8 a plan view of a third variant of the electro-optical device of Fig. 4.
  • FIG. 9 a perspective view of a second embodiment of an electro-optical device according to the invention.
  • - Fig. 10 a perspective view of the electro-optical device of Fig. 9 to which the components of the upper end have been removed.
  • FIG. 9 a perspective view of the lower elements of the electro-optical device of Fig. 9.
  • FIG. 12 a perspective view of a third embodiment of an electro-optical device according to the invention.
  • FIG. 13 a perspective view of a fourth embodiment of an electro-optical device according to the invention.
  • FIG. 13 a plan view of a variant of the electro-optical device of Fig. 13.
  • FIG. 16 a perspective view of a fifth embodiment of an electro-optical device according to the invention.
  • - Fig. 17 a perspective view of a sixth embodiment of an electro-optical device according to the invention.
  • FIG. 19 a perspective view of a seventh embodiment of an electro-optical device according to the invention.
  • FIG. 20 a plan view, without cover, of an eighth embodiment of an electro-optical device according to the invention.
  • a first basic mode of operation of an electro-optical device according to the invention is shown in Fig. 1.
  • the electro-optical device defines an intermediate space 25 in which a conductive element 7 is housed, which can be freely moved along the intermediate space 25, since it is physically a loose piece that is not physically attached to the walls defining the space. intermediate 25.
  • the electro-optical device also defines a first zone, to the left of Fig. 1, and a second zone, to the right of Fig. 1.
  • a first capacitor plate 3 and a second are arranged condenser plate 9.
  • both condenser plates 3 and 9 are of different areas, although they could be equal to each other.
  • the first capacitor board 3 and the second capacitor board 9 are connected to a control circuit CC.
  • FIG. 2 A second basic mode of operation of an electro-optical device according to the invention is shown in Fig. 2.
  • the electro-optical device again defines an intermediate space 25 in which a conductive element 7 is housed, which can be freely moved along the intermediate space 25, a first zone, to the left of Fig. 2, and a second zone, to the right of Fig. 2.
  • a second condenser plate 9 In the second zone a second condenser plate 9 is arranged while in the first zone a first condenser plate 3 is arranged.
  • the first condenser plate 3 and the second condenser plate 9 are connected to a DC control circuit.
  • both condenser plates 3 and 9 are from different areas, in this case, it is essential that this be the case, since in the case of being of equal areas, the conductive element 7, would not move in any way.
  • the conductive element 7 will move to the right until it encounters first stops 13, at which time the light-passing state of an optical circuit not represented in this scheme will be modified.
  • stops 19 which do not fulfill, in this case, any reference function for the modification of the state of light passage of an optical circuit but prevent the conductive element 7 from stopping with the first condenser plate 3
  • the stops 19 could be eliminated, since there is no problem in the conductive element 7 touching the first condenser plate 3. This is so because there is only one condenser plate on this side, since if there were more, and these were at different voltages, then the stops might be necessary to avoid a short circuit.
  • the configurations of electro-optical devices of Figs. 1 and 2 are suitable for use as sensors, where the magnitude to be measured exerts a force that is that which will be counteracted by the electrostatic force induced in the conductive element 7. As they have been represented, in both cases the magnitude to be measured shall exert a force tending to move the conductive element 7 away from the first stops 13, while the electrostatic force will tend to bring it closer together.
  • the electro-optical device can be designed to work exactly the other way around: so that the magnitude to be measured tends to bring the conductive element 7 towards the first stops 13 while the electrostatic force tends to move it away. In this case, the first stops 13 should be positioned to the left of Figs. 1 and 2. In Fig.
  • the electro-optical device of Fig. 3 has, in addition, a few second stops 19, so that these second stops 19 allow controlling the modification of the state of passage of light of a second optical circuit.
  • Fig. 4 an electro-optical device designed to be manufactured with EFAB technology is observed.
  • This micromachining manufacturing technology through layer deposition is known to one skilled in the art, and allows the realization of many layers and has great flexibility in the design of three-dimensional structures.
  • the electro-optical device is mounted on a substrate 1 that performs a support function, and which in various Figs. It has not been represented for simplicity.
  • the electro-optical device has a first capacitor plate 3 and a fourth capacitor plate 5 arranged on the left (according to Fig. 2) of a conductive element 7, and a second capacitor plate 9 and a third plate of capacitor 11 arranged to the right of the conductive element 7.
  • the electro-optical device also has two first stops 13, and two second stops 19.
  • the electro-optical device is covered by its upper part although this cover is not shown in order to appreciate the interior details. . This cover extends between the two side walls 29, above the conductive element 7.
  • the conductive element 7 has a hollow internal space 27.
  • the electro-optical device moves from left to right, and vice versa, according to Fig. 5, across the intermediate space 25.
  • Fig. 5 the cover that prevents the conductive element 7 from coming out from the end has already been shown higher.
  • the first stops 13 and the second stops 19 are closer to the conductive element 7 than the condenser plates 3, 5, 9 and 11. In this way the conductive element 7 can be moved from left to right without interfering with the capacitor plates 3, 5, 9 and 11, and their corresponding control circuits.
  • Fig. 5 it is shown how this movement allows to modify the state of passage of light of a beam of light that propagates from one point to another point I / O of an optical circuit.
  • the electro-optical device is crossed by a beam of light that leaves a first I / O point 15 towards a second I / O point 17.
  • the conductive element 7 is in contact with the first stops 13 (which could be a only stop if it were arranged in a central position)
  • the passage of the light beam is cut, which can be detected by the corresponding circuit.
  • FIG. 6 A variant of the previous electro-optical device is shown in Fig. 6.
  • two optical circuits are available, so that there are four I / O points 15, 17, 21 and 23.
  • the conductive element 7 is touching the first stops 13 or the second stops 19 it will be interrupting the light beam of one or the other of the two optical circuits.
  • the conductive element 7 has a projection 47 projecting outwards from the walls that enclose the conductive element 7.
  • the projection 47 is responsible for modifying the passage state of light between the first I / O point 15 and the second I / O point 17.
  • the electro-optical device is not only the physical receptacle that it contains the conductive element 7 inside it but includes the I / O points, whether they are on the surface of the receptacle itself or if they are physically separated.
  • a conductive element 7 having a projection 47 even if the light beam passes through the receptacle.
  • an electro-optical element such as that of Fig. 5 in which the conductive element 7 has a projection equivalent to the projection 47 but shorter, so that its free end is housed between the second condenser plate 9 and the third condenser plate 11.
  • This projection makes it possible to better guarantee the interruption of the light beam between the first I / O point 15 and the second I / O point 17.
  • the stops be physically inside the receptacle housing the conductive element 7.
  • the first stop 13 could be a single stop and be physically next to the end free of the projection 47.
  • Fig. 8 Another variant of the electro-optical device is shown in Fig. 8.
  • the light beam is not simply interrupted, but is diverted, by reflection, to a third point of I / O.
  • Figs. 9 to 11 another electro-optical device designed to be manufactured with EFAB technology is observed.
  • the conductive element 7 moves vertically, according to Figs. 9 to 11.
  • Manufacturing technology consists of depositing various layers. In all Figs. the dimensions in vertical sense are very exaggerated, that is to say the physical devices are much flatter than what is shown in all Figs. In the case that it is of interest to obtain large condenser surfaces, it will be preferable to construct the electro-optical device in a manner similar to that shown in Figs.
  • the electro-optical device of Figs. 9 to 11 is very similar to the electro-optical device of Figs. 4 to 8, and presents the first condenser plate 3 and the fourth condenser plate 5 arranged at the bottom (Fig. 11), as well as the second stops 19.
  • the second stops 19 are above the plates of condenser, so that the conductive element 7 it can rest on the second stops 19 without coming into contact with the first and the fourth condenser plate 3, 5.
  • At the upper end (Fig. 9) are the second condenser plate 9, the third condenser plate 11 and two first stops 13.
  • the electro-optical device of Figs. 9 to 11 can act in various ways, which have not been represented in Figs. 9 to 12 for clarity of them.
  • Fig. 12 an electro-optical device is shown that reflects the beam of light emitting a first I / O point 15 and forwards it to a second I / O point 17 when the conductive element 7 is, for example, by touching the first stops 13.
  • the light beam will be reflected at the same angle as before, but towards another position in the space.
  • a third I / O point 21 may be positioned, which in this case will pick up the reflected light.
  • the conductive element when it is desired that the conductive element reflects a beam of light, it should incorporate the corresponding reflective surface. It is possible to generate reflective surfaces with the technologies existing in the market and known by a person skilled in the art, however, the design of vertical electro-optical devices and having the reflective surfaces on their upper face is preferable than the design of electro-optical devices horizontal that require vertical reflective surfaces.
  • Fig. 12 shows identical to that in Figs. 9 to 11 but it is a slightly different embodiment in the sense that it has a cylindrical conductor element 7 instead of a parallelepiped.
  • Fig. 17 shows another electro-optical device having the conductive element 7 cylindrical.
  • the side walls 29 surrounding the conducting element are parallelepipedic, while in the electro-optical device of Fig. 17 the side walls 29 surrounding the conducting element 7 are cylindrical.
  • a sphere is shown manufactured by surface micromachining, observing that it is formed by a plurality of cylindrical discs of varying diameters.
  • An electro-optical device with a spherical conductive element 7 such as that of Fig. 18 can be, for example, very similar conceptually to that of Figs. 12 or 17 replacing the cylindrical conductor element 7 with the spherical one. Only geometric adjustments must be taken into account in the arrangement of the condenser plates and the stops to prevent the spherical conductor element 7 from touching the condenser plates first than the stops. As mentioned earlier, the objective of these conductive elements with rounded outer surfaces is to reduce frictional forces and snags.
  • the functions "condenser plate” and “stop” can be performed together by the same physical element. Even in the case where there is a voltage applied between the condenser plates of the same area, the condenser plates could not be aligned, so that the conductive element 7 only touches one of them (or all those that are at same voltage). This also prevents short circuit.
  • the electro-optical device of Fig. 13 has an opening 49 in its side wall 29 through which a beam of light can be propagated when the conductive element 7 is at the top. On the back there is another opening so that the light beam can reach the second corresponding I / O point.
  • Fig. 14 a plan view is shown, in which it is seen how the light beam propagates from the first I / O point 15 to the second I / O point 17 crossing the walls 29. Also, it could be interpreted that the openings themselves 49 These are the points of I / O cited in the present description and claims, since what happens beyond the opening 49 is irrelevant in the face of the present invention.
  • FIG. 13 Another variant of the electro-optical device of Fig. 13 is obtained in the case that a second pair of openings 49 is included in the upper part of the side wall 29. In this case it is possible to interact on two optical circuits simultaneously, in an equivalent manner. to that shown in Fig. 6.
  • the second pair of openings 49 may be above the first pair of openings 49, so that the light beams are parallel, or may be arranged perpendicularly to the first pair of openings 49, in in which case the light rays will be perpendicular (Fig. 12).
  • Another additional variant can be obtained by having two pairs of openings 49 in the lower part of the wall 29, arranged perpendicular to each other. In this way the conductive element 7 would simultaneously interrupt two beams of light.
  • a plan view of this solution would also be Fig. 15.
  • the electro-optical device shown in Fig. 16 is designed to be manufactured with polyMUMPS technology. As already mentioned above, this technology is known to a person skilled in the art, and is characterized by being a surface micromachining of 3 structural and 2 sacrificial layers. However, it is conceptually similar to the electro-optical device shown in Figs. 4 to 8, although there are some differences. Thus, in the electro-optical device of Fig. 16, the first capacitor plate 3 is equal to the third capacitor plate 11, but is different from the second capacitor plate 9 and the fourth capacitor plate 5, which are equal between Yes and smaller than the previous ones. It also has, in addition, a fifth condenser plate 35 and a sixth condenser plate 37. In Fig. 19 a variant of the electro-optical device shown in Figs. 4 to 8. In this case the conductive element 7 has protrusions 39 on its lateral faces 41.
  • Fig. 20 a variant of an electro-optical device according to the invention, specifically designed for use as a Coriolis force detector (gyroscope), is observed.
  • the electro-optical device has a first capacitor plate 3 and a fourth capacitor plate 5 arranged on the left (according to Fig. 20) of a conductive element 7, and a second capacitor plate 9 and a third condenser plate 11 arranged to the right of the conductive element 7.
  • the electro-optical device also has two first stops 13, at the top of Fig. 20, and two second stops 19, at the bottom of Fig. 20.
  • the conductive element 7 moves in a zig-zag between the condenser plates thanks to voltages applied between them.
  • the conductive element 7 will move laterally, that is, up or down according to Fig. 15 (assuming that the rotational movement is perpendicular to the paper).
  • the relay additionally has third stops 43 and fourth stops 45 which may be electrical contacts or may be stops defining the cut of two light beams that propagate from top to bottom in the direction of the paper in Fig. 20.
  • the limit switch of each zigzag movement is detected by the control circuit of the electro-optical device.
  • the position of the conductive element 7 could be determined by other procedures known to a person skilled in the art.

Abstract

Dispositivo electroóptico miniaturizado que comprende una primera zona enfrenta­da a una segunda zona, una primera placa de condensador, una segunda placa de condensador dispuesta en la segunda zona y menor o igual que la primera placa, un espacio intermedio dispuesto entre ambas zonas con un elemento conductor dispuesto en él y que es independiente de las paredes laterales y se desplaza a través suyo en función de unos voltajes presentes entre ambas placas, dos puntos de entrada/salida de luz de un circuito óptico, y un tope, donde el elemento con­ ductor modifica el estado de paso de luz entre los puntos de entrada/salida cuando está en contacto con el tope. El dispositivo se puede usar como acelerómetro, incli­nómetro, detector de fuerzas de Coriolis, micrófono, para aplicaciones acústicas, para la fabricación de una matriz de conmutación óptica, para la proyección de imágenes, como sensor de presión, caudal, temperatura, gas, etc.

Description

DISPOSITIVO ELECTROÓPTICO MINIATURIZADO Y USOS CORRESPONDIENTES
DESCRIPCIÓN
Campo de la invención
La invención se refiere a un dispositivo electroóptico miniaturizado. La invención se refiere asimismo a diversos usos de dispositivos electroópticos de acuerdo con la invención.
Estado de la técnica
Son conocidos toda clase de dispositivos y sistemas electroópticos, empleados principalmente (pero no únicamente) en la tecnología de transmisión de información.
Por otro lado son conocidos también la realización de dispositivos miniaturizados, dentro de la tecnología denominada MEMS (micro electro-mechanical systems- sistemas microelectromecánicos), Microsystems (microsistemas) y/o Micromachi- nes (micromáquinas). Estos dispositivos miniaturizados suelen ser dispositivos electromecánicos que cumplen funciones similares a dispositivos electromecánicos de dimensiones convencionales, como por ejemplo relés, sensores de diversos ti- pos, bombas, etc. El objetivo de la presente invención son dispositivos miniaturizados de tipo electroóptico, es decir, en los que a partir de una señal eléctrica se puede interactuar en una señal óptica.
En particular la presente invención tiene por objeto un dispositivo electroóptico m¡- niaturizado que permite modificar el estado de paso de luz a través de un circuito óptico, es decir ejerciendo una función equivalente a un relé eléctrico, con el cual, además, tendrá en común diversos componentes eléctricos y mecánicos. Actualmente hay varias alternativas para la realización de relés miniaturizados. En princi- pió pueden clasificarse según el tipo de fuerza o mecanismo de actuación que usan para mover el electrodo de contacto. Así, se suelen clasificar como relés electrostáticos, magnéticos, térmicos o piezoeléctricos. Cada uno de ellos tiene sus ventajas e inconvenientes. Sin embargo las técnicas de miniaturización exigen el empleo de tensiones de activación lo más pequeñas posibles y superficies lo más pequeñas posibles. Los relés conocidos en el estado de la técnica tienen diversos problemas para poder avanzar en este sentido.
Una forma de reducir la tensión de activación es precisamente incrementar las su- perficies del relé, lo que dificulta su miniaturización, aparte de ser más sensible a la aparición de deformaciones lo que reduce la vida útil y fiabilidad del relé. En los relés electrostáticos, otra solución para disminuir la tensión de activación es reducir mucho el espacio entre los electrodos, o emplear electrodos muy delgados o emplear materiales especiales, de manera que la fuerza mecánica de recuperación sea muy baja. Sin embargo esto trae consigo otros problemas de enganchamiento, ya que las fuerzas de capilaridad se hacen muy importantes, lo que reduce asimismo la vida útil y la fiabilidad de estos relés. El empleo de tensiones de activación elevadas tiene asimismo otros efectos negativos como la ionización de los componentes, el desgaste acelerado debido a los fuertes golpes mecánicos y el ruido eléctrico que genera todo el relé.
Los relés electrostáticos tienen también un problema importante de fiabilidad debido al fenómeno llamado "pull-in", y que consiste en que, superado un cierto umbral de tensión, el electrodo de contacto se mueve acelerándose cada vez más contra el otro electrodo libre. Esto es debido a que conforme se cierra el relé, el condensador que ejerce la fuerza electrostática para este cierre, aumenta mucho su capacidad (y llegaría a infinito si no se pusiera un tope antes). La consecuencia de esto es un desgaste importante de los electrodos debido al elevado campo eléctrico que se genera y al choque debido a la aceleración que ha sufrido el electrodo móvil.
Las soluciones térmicas, magnéticas y piezoeléctricas requieren materiales y procesos de micromecanizado especiales, de forma que se hace difícil y/o costoso integrarlos en dispositivos MEMS más complejos, o en un mismo integrado con circuitería electrónica. Además la solución térmica es muy lenta (es decir, el circuito tarda mucho en cerrarse o abrirse), y consume mucha potencia. La solución magnética hace ruido electromagnético, que dificulta mucho más el poder tener circuite- ria electrónica cerca, y requiere elevadas corrientes de pico para su conmutación.
En general, los relés incorporan un elemento móvil mediante el cual se puede abrir y cerrar por lo menos un circuito eléctrico externo, donde por lo menos una de las acciones de apertura y cierre del circuito eléctrico externo se hace mediante una señal electromagnética, siendo la fuerza en sentido contrario de tipo elástico. El dispositivo electroóptico de la presente invención requiere asimismo el movimiento de un elemento móvil para poder interactuar con el circuito óptico. En este sentido comparte en parte los problemas e inconvenientes de los relés eléctricos comentados más arriba.
Sumario de la invención
La invención tiene por objeto un dispositivo electroóptico miniaturizado como los citados anteriormente. Esta finalidad se consigue mediante un dispositivo electroóptico miniaturizado caracterizado porque comprende: - una primera zona enfrentada a una segunda zona,
- una primera placa de condensador,
- una segunda placa de condensador dispuesta en la segunda zona, donde la segunda placa de condensador es menor o igual 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, donde el elemento conductor es mecánicamente independiente de la primera zona y la segunda zona y es apto para efectuar un desplazamiento a través del espacio intermedio en función de unos voltajes presentes en las primera y segunda placas de condensador, - un primer punto de entrada/salida de luz de un circuito óptico, un segundo punto de entrada/salida del circuito óptico, dispuestos de tal manera que permiten el paso de luz entre ellos por lo menos un primer tope, donde el elemento conductor es apto para entrar en contacto con el primer tope y donde el elemento conductor modifica el estado de paso de luz entre el primer punto de entrada/salida y el segundo punto de entrada/salida cuando está en contacto con el primer tope.
Efectivamente el dispositivo electroóptico según la invención tiene el elemento conductor, es decir el elemento responsable de que se abra y se cierre el paso de luz del circuito óptico externo (a través del primer punto de entrada/salida (en lo sucesivo abreviado por e/s) y del segundo punto de e/s) como una pieza suelta capaz de moverse libremente. Es decir no se está empleando la fuerza elástica del material para forzar uno de los movimientos del dispositivo electroóptico. Ello permite una pluralidad de soluciones diferentes, todas ellas gozando de la ventaja de requerir unas tensiones de activación muy pequeñas y permitiendo unos tamaños de diseño muy pequeños. El elemento conductor está alojado en el espacio intermedio. El espacio intermedio está cerrado por la primera y la segunda zona y por unas paredes laterales que impiden que el elemento conductor se salga del espacio intermedio. Al aplicar unos voltajes a la primera y a la segunda placa de condensador se inducen unos repartos de cargas eléctricas en el elemento conductor que generan unas fuerzas electroestáticas que consiguen desplazar el elemento conductor en un sentido a lo largo del espacio intermedio. Mediante diferentes diseños que se detallarán a continuación se puede aprovechar este efecto de diversas maneras.
Adicionalmente un dispositivo electroóptico de acuerdo con la invención resuelve asimismo satisfactoriamente el problema del "pull-in" anteriormente citado.
El primer punto de e/s y el segundo punto de e/s del circuito óptico externo pueden estar separados entre sí una distancia tan grande como lo permita la tecnología del circuito óptico en cuestión. Desde el punto de vista de la invención, únicamente es necesario que el dispositivo electroóptico interfiera con el haz de luz que se propa- ga del primer punto de e/s al segundo punto de e/s. En este sentido ambos puntos de e/s pueden estar integrados físicamente en las paredes que envuelven el elemento conductor, pero también es posible que estén físicamente alejados de las paredes que envuelven el elemento conductor y que sean físicamente piezas inde- pendientes. En este sentido el dispositivo electroóptico hay que entenderlo como un conjunto funcional de elementos aunque físicamente estos elementos estén separados. Asimismo se debe entender que el punto de entrada e/s es sencillamente un orificio a través del cual puede propagarse la luz. La fibra óptica o, en general, dis- positivo empleado para la propagación de la luz hasta el punto de e/s no deben ser considerados como parte del dispositivo electroóptico.
En general el elemento conductor tendrá una parte de su superficie que hará la función de superficie de actuación óptica. En algunos casos esta superficie será una superficie de obturación, donde la función básica será impedir que el haz de luz llegue al punto de e/s correspondiente. En otros casos esta superficie será una superficie de reflexión donde la función básica será desviar el haz de luz, por reflexión, en una dirección determinada.
Otra ventaja adicional del dispositivo electroóptico de acuerdo con la invención es la siguiente: en los relés electroestáticos convencionales, si en una posición determinada se engancha él elemento conductor (lo cual depende mucho, entre otros factores, de la humedad) no hay forma de desengancharlo (excepto con una intervención externa, como por ejemplo secándolo) ya que al ser la fuerza de recuperación elástica, siempre es la misma (depende solamente de la posición) y no se puede aumentar. En cambio si a un dispositivo electroóptico de acuerdo con la invención se le engancha el elemento conductor, siempre sería posible desengancharlo a base de aumentar el voltaje.
En función de la geometría del espacio intermedio y del posicionamiento de las placas de condensador se pueden conseguir diversos tipos de dispositivos electroópticos, con diversas aplicaciones y diversos modos de funcionamiento.
Por ejemplo, el movimiento del elemento conductor puede ser de diversas maneras:
- una primera posibilidad es que el elemento conductor pueda moverse a lo largo del espacio intermedio con un movimiento de traslación, es decir, de una forma substancialmente rectilínea (dejando aparte posibles golpes u oscilaciones y/o mo- vimientos provocados por fuerzas externas no previstas y/o indeseadas) entre la primera zona y la segunda zona.
- una segunda posibilidad es que el elemento conductor pueda moverse a lo largo del espacio intermedio con un movimiento que es la suma de un movimiento de traslación entre la primera zona y la segunda zona, inducido por las fuerzas electrostáticas generadas, y un movimiento perpendicular al anterior, inducido por una fuerza de Coriolis. Posteriormente se describirá con más detalle esta solución.
Una forma preferente de realización se obtiene cuando la primera placa de condensador está en la segunda zona. Alternativamente se puede diseñar el dispositivo electroóptico de manera que la primera placa de condensador esté en la primera zona. En el primer caso se consigue un dispositivo electroóptico que tiene una menor tensión de activación y una mayor velocidad. Por el contrario, en el segundo caso el dispositivo electroóptico presenta una velocidad menor, lo cual significa que los golpes que sufren el elemento conductor y los topes son más suaves, y un consumo de potencia menor. De esta manera se puede elegir una u otra alternativa en función de los requerimientos específicos en cada caso.
Cuando el elemento conductor está en contacto con los primeros topes, es decir cuando está interactuando con el circuito óptico, es posible mover el elemento conductor mediante diversos tipos de fuerzas, que se detallarán más adelante. Para volver a llevar al elemento conductor hasta los primeros topes, es suficiente con aplicar un voltaje entre la primera placa y a la segunda placa del condensador. Ello provoca que el elemento conductor sea atraído hacia la segunda zona, volviendo a modificar el estado de paso de luz entre el primer y el segundo punto de e/s.
En el caso que se disponga de la primera placa de condensador en la primera zona y de la segunda placa de condensador en la segunda zona, una forma de conseguir la fuerza necesaria para mover el elemento conductor citada en el párrafo anterior es mediante la adición de 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. Con esta distribución la primera placa de condensador está a un lado del espacio intermedio y la segunda y la tercera placas de condensador están al otro lado del espacio intermedio y próximas entre sí. De esta forma se puede forzar el desplazamiento del elemento con- ductor en ambos sentidos mediante fuerzas electrostáticas.
Otra forma preferente de realización de la invención se obtiene cuando el dispositivo electroóptico comprende adicionalmente una tercera placa de condensador dispuesta en dicha segunda zona y una cuarta placa de condensador dispuesta en dicha primera zona, donde dicha primera placa de condensador y dicha segunda placa de condensador son iguales entre sí, y dicha tercera placa de condensador y dicha cuarta placa de condensador son iguales entre sí. Efectivamente de esta manera, si se desea que el elemento conductor se desplace hacia la segunda zona, se puede aplicar un voltaje a la primera y cuarta placas de condensador, por un lado, y a la segunda o a la tercera placas de condensador, por el otro lado. Dado que el elemento conductor se desplazará hacia el lugar en el que esté la placa de condensador más pequeña, se desplazará hacia la segunda zona. Asimismo se puede conseguir que la placa de condensador se desplace hacia la primera zona aplicando un voltaje a la segunda y a la tercera placa del condensador y a la primera o a la cuarta placas de condensador. La virtud de esta solución, respecto de la solución más sencilla únicamente con tres placas de condensador, es que es totalmente simétrica, es decir, se puede conseguir exactamente el mismo comportamiento de dispositivo electroóptico tanto cuando el elemento conductor se desplaza hacia la segunda zona como cuando se desplaza hacia la primera zona. Ventajosamente las primera, segunda, tercera y cuarta placas de condensador son todas iguales entre sí, ya que en general es conveniente que el dispositivo electroóptico presente diversas simetrías en su diseño. Por un lado está la simetría respecto de la primera y la segunda zona, que acaba de ser comentada. Por otro lado es necesario conservar otros tipos de simetría para evitar otros problemas, como por ejemplo pro- blemas de rotaciones o balanceos del elemento conductor que se comentarán más adelante. En este sentido es particularmente interesante que el dispositivo electroóptico comprenda, adicionalmente, una quinta placa de condensador dispuesta en la primera zona y una sexta placa de condensador dispuesta en la segunda zo- na, donde la quinta placa de condensador y la sexta placa de condensador son iguales entre sí. Por un lado el incrementar la cantidad de placas de condensador tiene la ventaja de que las dispersiones de fabricación se compensan mejor. Por otro lado las diversas placas se pueden activar independientemente, tanto desde el punto de vista del voltaje aplicado como del momento de activación. Las seis placas de condensador podrían ser todas iguales entre sí o, alternativamente se podrían hacer las tres placas de un mismo lado de tamaños diferentes entre sí. Un dispositivo electroóptico que tenga tres o más placas de condensador en cada zona permite conseguir simultáneamente los siguientes objetivos:
- puede funcionar en los dos sentidos de una forma simétrica,
- tiene un diseño que permite la mínima tensión de activación para unas dimensiones globales del dispositivo electroóptico fijas,
- permite minimizar el consumo de corriente y de potencia, y permite tener un fun- cionamiento más suave del dispositivo electroóptico,
- permite tener un diseño de las placas de condensador con simetría o asimetría central respecto al centro de masas, de modo que el momento resultante ejercido sobre el conductor libre sea nulo o no nulo en función de las necesidades de cada caso particular.
En general, aumentar la cantidad de placas de condensador en cada zona permite una mayor flexibilidad y versatilidad en el diseño, al mismo tiempo que permite reducir el efecto de las dispersiones propias de fabricación, ya que las dispersiones de cada una de las placas tenderá a compensarse con las dispersiones de las res- tantes placas.
Ventajosamente el dispositivo electroóptico comprende un segundo tope (o tantos segundos topes como primeros topes haya) entre la primera zona y el elemento conductor. De esta manera se consigue también una simetría geométrica entre la primera zona y la segunda zona. Cuando el elemento conductor se desplace hacia la segunda zona, lo podrá hacer hasta entrar en contacto con los primeros topes, y modificará el estado de paso de luz entre los puntos de e/s. Cuando el elemento conductor se desplace hacia la primera zona, lo podrá hacer hasta entrar en con- tacto con el o los segundos topes. De esta manera el recorrido realizado por el elemento conductor es simétrico.
Una variante ventajosa del caso anterior se obtiene cuando el dispositivo electroóptico comprende un tercer punto de e/s y un cuarto punto de e/s dispuestos entre la primera zona y el elemento conductor, de manera que el elemento conductor modifica el estado de paso de luz de un segundo circuito óptico cuando está en contacto con el o los segundos topes. Efectivamente, en este caso el dispositivo electroóptico puede conectar dos circuitos eléctricos alternativamente.
Ventajosamente cada uno de los conjuntos de las placas de condensador dispuestas en cada una de las primera zona y segunda zona tiene simetría central respecto de un centro de simetría, donde dicho centro de simetría está superpuesto al centro de masas del elemento conductor. Efectivamente, cada conjunto de las placas de condensador dispuestas en cada una de las zonas genera un campo de fuerzas sobre el elemento conductor. Si la resultante de este campo de fuerzas tiene un momento no nulo respecto del centro de masas del elemento conductor, el elemento conductor no solamente experimentará una traslación, sino que experimentará adicionalmente una rotación alrededor de su centro de masas. En este sentido es conveniente prever que los conjuntos de placas de cada zona tengan simetría central en el caso que no interese esta rotación o, por el contrario, puede ser conveniente prever que sí exista una asimetría central, en el caso que interese inducir una rotación en el elemento conductor respecto de su centro de masas, por ejemplo para vencer fuerzas de rozamiento y/o de enganche.
El elemento conductor suele estar físicamente encerrado en el espacio intermedio, entre la primera zona, la segunda zona y unas paredes laterales.
Para evitar enganches y fuerzas de rozamiento elevadas es ventajoso que el ele- mentó conductor tenga superficies externas redondeadas, preferentemente que sea cilindrico o esférico. La solución esférica minimiza las fuerzas de rozamiento y los enganches en todas las direcciones, mientras que la solución cilindrica, con las bases del cilindro encaradas a la primera y segunda zona permite obtener unas fuerzas de rozamiento reducidas con las paredes laterales y unas superficies encaradas a las placas de condensador que son grandes y eficaces de cara a la generación de las fuerzas electrostáticas.
Asimismo, en el caso que el elemento conductor presente una cara superior y una cara inferior, que sean perpendiculares al desplazamiento del elemento conductor, y por lo menos una cara lateral, es ventajoso que la cara lateral presente unas breves protuberancias. Estas protuberancias permitirán también reducir los enganches y las fuerzas de rozamiento entre la cara lateral y las paredes laterales del espacio intermedio.
Ventajosamente el elemento conductor es hueco. Ello permite ahorrar masa lo que permite tener inercias menores.
En el caso que el dispositivo electroóptico disponga de dos placas de condensador (la primera placa y la segunda placa) y que ambas estén en la segunda zona, es ventajoso que la primera placa de condensador y la segunda placa de condensador tengan la misma superficie, ya que de esta forma se obtiene la tensión de activación mínima para una misma superficie total del dispositivo.
En el caso que el dispositivo electroóptico disponga de dos placas de condensador (la primera placa y la segunda placa) y que la primera placa esté en la primera zona mientras que la segunda placa esté en la segunda zona, es ventajoso que la primera placa de condensador tenga una superficie que es igual al doble de la superficie de la segunda placa de condensador, ya que de esta forma se obtiene la tensión de activación mínima para una misma superficie total del dispositivo.
La invención tiene asimismo por objeto unos usos preferentes de unos dispositivos electroópticos de acuerdo con la invención. Aparte del uso como interruptor óptico y como conmutador óptico, el dispositivo electroóptico de acuerdo con la invención puede ser usado como sensor de diversas magnitudes físicas. En estos casos, la magnitud física que se desea medir ejerce una fuerza para mover el elemento conductor y mediante un determinado voltaje aplicado a las placas de condensador se genera una fuerza que contrarresta a la anterior. Detectando si se está modificando el estado de paso de luz se puede modificar el voltaje para contarrestar la fuerza generada por la magnitud a medir. La determinación del voltaje requerido permite determinar el valor de la magnitud física que se desea medir. En general, la miniatu- rización permite la inclusión de diversos sensores simultáneamente, lo que hace más fiable la determinación del valor correspondiente. El aumento de fiabilidad es debido a la posibilidad de que estos diversos sensores midan la misma magnitud, y después se haga un promediado. Una alternativa particularmente ventajosa se obtiene al disponer de un dispositivo electroóptico de acuerdo con la invención con puntos de e/s en las dos zonas, ya que en este caso puede medirse la magnitud física a determinar a partir del tiempo que transcurre entre que se modifica el estado de paso de luz entre los puntos de e/s de una zona y se modifica el estado de paso de luz entre los puntos de e/s de la otra zona, a tensión constante (o incluso variando la tensión como un parámetro más a tener en cuenta. A continuación se comentan diversos casos particulares:
Acelerómetro: la fuerza debida a la aceleración externa desplaza al elemento conductor, separando al elemento conductor del primer tope. El voltaje aplicado a las placas de condensador crea una fuerza en sentido contrario. Cuando el elemento conductor vuelve a entrar en contacto con el primer tope y se vuelve a modificar el estado de paso de luz se puede determinar el voltaje requerido y, por lo tanto, la aceleración a la que ha sido sometido el elemento conductor. También podría hacerse al revés (en general esto es válido para todos los sensores) de manera que la aceleración externa sea la que acerque al elemento conductor hacia el primer tope. La miniaturización permite disponer de diversos sensores, y orientados según los tres ejes coordenados. Un caso particular de este uso es como inclinómetro.
Sensor de presión: si el elemento eléctrico separa dos cámaras sometidas a diferentes presiones (una presión a determinar y una presión de referencia), la presión del aire, o en general de cualquier fluido no conductor, aplicada a una de las caras del elemento conductor, éste tenderá a alejarse (o acercarse) al primer tope. El voltaje necesario para conseguir acercar (alejar) nuevamente al elemento conductor permite determinar la presión de dicho fluido o, específicamente, la diferencia de presiones entre dicho fluido y la cámara de referencia. Un caso particular de este tipo de sensor sería un micrófono.
Sensor de caudal: Si el elemento conductor presenta un orificio a través del cual puede pasar una corriente de fluido o si presenta una extensión que está inmersa en una corriente de fluido, se puede emplear un dispositivo electroóptico de acuerdo con la invención como sensor de caudal. Al igual que en los casos anteriores mediante un voltaje determinado aplicado a las placas de condensador se puede contrarrestar la fuerza generada por la magnitud que se desea medir, en este caso la fuerza hidráulica o aerodinámica generada por la corriente de fluido. Al igual que en el caso del sensor de presión, el fluido no puede ser conductor eléctrico.
Sensor de temperatura. En este caso se tiene en cuenta que el tiempo que tarda el elemento conductor en desplazarse de un tope a otro depende básicamente de la aceleración externa, la tensión aplicada y los coeficientes de áreas de las placas de condensador. Si estas placas están hechas con materiales de coeficiente de dilatación térmico diferente, entonces los coeficientes de áreas de las placas de condensador cambiarán con la temperatura. De esta manera hay una relación entre el tiempo de conmutación y la temperatura para una determinada tensión aplicada a las placas. Por el mismo motivo, la tensión mínima necesaria para que el dispositivo electroóptico conmute depende de la temperatura.
Aplicaciones acústicas (altavoz). Al colisionar el elemento conductor contra los topes o contra las propias placas de condensador que lo atraen se va a producir un ruido. Mediante la coordinación de una elevada cantidad de dispositivos electroópticos, que pueden estar integrados en un mismo chip, se puede conseguir que las diversas ondas acústicas se sumen en fase y se provoque una onda acústica resultante que sea audible. Esta onda acústica audible sería muy direccional. Ello puede ser una ventaja cuando interese el empleo de ondas unidireccionales, alter- nativamente se pueden distribuir y/o activar los dispositivos electroópticos en diversas direcciones y/o desfases de tiempo para obtener una onda multidireccional. También es posible controlar la direccionalidad controlando los momentos precisos en los que se activa cada dispositivo electroóptico, es decir, controlando los desfa- ses temporales relativos entre los dispositivos electroópticos. De esta manera se puede cambiar dinámicamente la direccionalidad de la onda acústica, de manera que se pueda dirigir hacia un lugar u otro sin necesidad de cambiar la distribución geométrica de los dispositivos electroópticos. El hecho de que cada dispositivo electroóptico modifique el estado de paso de luz cuando está en contacto con el primer tope permite saber con precisión el momento de choque con dicho primer tope.
Detector de fuerzas de Coriolis (usualmente denominados giroscopios). Estos détectores determinan la velocidad de rotación de un objeto mediante la determinación de la fuerza de Coriolis. Para ello se necesita un dispositivo electroóptico que disponga de placas de condensador dispuestas en la primera zona y en la segunda zona, y unos primeros topes y unos segundos topes dispuestos en un eje perpendicular al eje primera zona - segunda zona. Se debe tener al elemento conductor moviéndose continuamente desde un extremo al otro de forma que tenga siempre una cierta velocidad, que dependerá de la tensión que se aplique a las placas de condensador. Si hay una velocidad de rotación que es perpendicular al plano formado por el eje de movimiento (eje primera zona - segunda zona), y los primeros topes y los segundos topes, entonces el elemento conductor experimentará una aceleración de Coriolis que será perpendicular al eje primera zona - segunda zona. Ello hará que el elemento conductor toque los topes de un lado (o del lado opuesto, en función del sentido de rotación) si la tensión aplicada a las placas de condensador y, por lo tanto, la velocidad con la que se mueve el elemento conductor, es suficientemente elevada. Al tocar los topes se modificará el estado de paso de luz que confirmará que han tenido lugar las condiciones precisas para ello. La magnitud de la rotación externa, estará, por tanto relacionada con la magnitud de la tensión aplicada a las placas de condensador, y el sentido de rotación se sabrá en función de cuales de los topes han sido tocados, teniendo en cuenta el sentido de la velocidad que se le estaba dando en ese momento al elemento conductor. Se pueden incluir simultáneamente sensores de este tipo en tres direcciones perpendiculares, lo que permite obtener el valor de cualquier rotación en el espacio. Sensor de gas. En el caso que el elemento conductor sea de un material capaz de reaccionar y/o absorber moléculas de un gas determinado (o tenga incorporado este material), se obtiene un elemento conductor de masa variable en función de la concentración de dicho gas. Este cambio de masa influye en la tensión de activa- ción, así como en el tiempo que tarda en desplazarse de un extremo a otro. De esta manera se puede determinar la concentración del gas.
En general, en todos los sensores citados anteriormente se puede determinar la magnitud correspondiente a base de detectar en cada caso cual es la mínima ten- sión necesaria para conmutar el dispositivo electroóptico, o detectar cual es el tiempo de conmutación para una tensión aplicada fija. En general es más simple detectar el tiempo de conmutación, ya que puede incrementarse de una forma sencilla con tecnología digital, mientras que generar tensiones variables implica emplear circuitos analógicos. Sin embargo en el caso de que se detecte la tensión que hace conmutar el dispositivo electroóptico, se tiene como ventaja de que el dispositivo electroóptico conmuta muchas menos veces, lo que reduce su desgaste y alarga su fiabilidad a largo plazo y su vida útil.
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 con dos placas de condensador en su segunda zona.
- Fig. 2, un esquema simplificado de un dispositivo electroóptico con dos placas de condensador, una en cada una de sus zonas. - Fig. 3, un esquema simplificado de un dispositivo electroóptico con tres placas de condensador.
- Fig. 4, una vista en perspectiva de una primera forma de realización de un dispositivo electroóptico de acuerdo con la invención, sin tapa. - Fig. 5, una vista en planta del dispositivo electroóptico de la Fig. 4.
- Fig. 6, una vista en planta de una primera variante del dispositivo electroóptico de la Fig. 4, con dos pares de puntos de e/s.
- Fig. 7, una vista en planta de una segunda variante del dispositivo electroóptico de la Fig. 4.
- Fig. 8, una vista en planta de una tercera variante del dispositivo electroóptico de la Fig. 4.
- Fig. 9, una vista en perspectiva de una segunda forma de realización de un dispositivo electroóptico de acuerdo con la invención. - Fig. 10, una vista en perspectiva del dispositivo electroóptico de la Fig. 9 al que se le han eliminado los componentes del extremo superior.
- Fig. 11 , una vista en perspectiva de los elementos inferiores del dispositivo electroóptico de la Fig. 9.
- Fig. 12, una vista en perspectiva de una tercera forma de realización de un dispo- sitivo electroóptico de acuerdo con la invención.
- Fig. 13, una vista en perspectiva de una cuarta forma de realización de un dispositivo electroóptico de acuerdo con la invención.
- Fig. 14, una vista en planta del dispositivo electroóptico de la Fig. 13.
- Fig. 15, una vista en planta de una variante del dispositivo electroóptíco de la Fig. 13.
- Fig. 16, una vista en perspectiva de una quinta forma de realización de un dispositivo electroóptico de acuerdo con la invención.
- Fig. 17, una vista en perspectiva de una sexta forma de realización de un dispositivo electroóptico de acuerdo con la invención. - Fig. 18, una esfera realizada mediante micromecanizado en superficie.
- Fig. 19, una vista en perspectiva de una séptima forma de realización de un dispositivo electroóptico de acuerdo con la invención.
- Fig. 20, una vista en planta, sin tapa, de una octava forma de realización de un dispositivo electroóptico de acuerdo con la invención.
Como podrá observarse a continuación, los modos preferentes de realización de la invención representados en las Figs. incluyen una combinación de las diversas alternativas y opciones explicadas anteriormente, si bien un experto en la materia podrá ver que son alternativas y opciones que pueden ser combinadas de diversas maneras entre sí.
Descripción detallada de unas formas de realización de la invención
En la Fig. 1 se muestra un primer modo básico de funcionamiento de un dispositivo electroóptico de acuerdo con la invención. El dispositivo electroóptico define un espacio intermedio 25 en el que se aloja un elemento conductor 7, que se puede mover libremente a lo largo del espacio intermedio 25, ya que es físicamente una pieza suelta que no está físicamente unida a las paredes que definen el espacio intermedio 25. El dispositivo electroóptico define también una primera zona, a la izquierda de la Fig. 1 , y una segunda zona, a la derecha de la Fig. 1. En la segunda zona están dispuestas una primera placa de condensador 3 y una segunda placa de condensador 9. En el ejemplo mostrado en la Fig. 1 ambas placas de condensádor 3 y 9 son de áreas diferentes, si bien podrían ser iguales entre sí. La primera placa de condensador 3 y la segunda placa de condensador 9 están conectadas a un circuito de control CC. Al aplicar un voltaje entre la primera placa de condensador 3 y la segunda placa de condensador 9, el elemento conductor es atraído siempre hacia la derecha de la Fig. 1 , hacia las placas de condensador 3 y 9. El ele- mentó conductor 7 se desplazará hacia la derecha hasta topar con unos primeros topes 13, momento en el que se modificará el estado de paso de luz de un circuito óptico no representado en este esquema.
En la Fig. 2 se muestra un segundo modo básico de funcionamiento de un disposi- tivo electroóptico de acuerdo con la invención. El dispositivo electroóptico define nuevamente un espacio intermedio 25 en el que se aloja un elemento conductor 7, que se puede mover libremente a lo largo del espacio intermedio 25, una primera zona, a la izquierda de la Fig. 2, y una segunda zona, a la derecha de la Fig. 2. En la segunda zona está dispuesta una segunda placa de condensador 9 mientras que en la primera zona está dispuesta una primera placa de condensador 3. La primera placa de condensador 3 y la segunda placa de condensador 9 están conectadas a un circuito de control CC. Al aplicar un voltaje entre la primera placa de condensador 3 y la segunda placa de condensador 9, el elemento conductor es atraído siem- pre hacia la derecha de la Fig. 2, hacia la placa de condensador más pequeña, es decir, hacia la segunda placa de condensador 9. Por ello, el hecho que en el ejemplo mostrado en la Fig. 2 ambas placas de condensador 3 y 9 sean de áreas diferentes es, en este caso, imprescindible que sea así, ya que en el caso de ser de áreas iguales, el elemento conductor 7, no se desplazaría en ningún sentido. El elemento conductor 7 se desplazará hacia la derecha hasta topar con unos primeros topes 13, momento en el que se modificará el estado de paso de luz de un circuito óptico no representado en este esquema. A la izquierda hay unos segundos topes 19, que no cumplen, en este caso, ninguna función de referencia para la modificación del estado de paso de luz de un circuito óptico sino que impiden que el elemento conductor 7 tope con la primera placa de condensador 3. En este caso los topes 19 podrían eliminarse, pues no hay ningún problema en que el elemento conductor 7 toque la primera placa de condensador 3. Esto es así porque solamente hay una placa de condensador en este lado, ya que si hubiera más, y éstas estuvie- ran a voltajes distintos, entonces los topes podrían ser necesarios para evitar un cortocircuito.
Las configuraciones de dispositivos electroópticos de las Figs. 1 y 2 son adecuadas para ser usadas como sensores, donde la magnitud a medir ejerce una fuerza que es la que será contrarrestada por la fuerza electrostática inducida en el elemento conductor 7. Tal como han sido representados, en ambos casos la magnitud a medir deberá ejercer una fuerza tendente a alejar el elemento conductor 7 de los primeros topes 13, mientras que la fuerza electrostática tenderá a acercarlo. Sin embargo, se puede diseñar el dispositivo electroóptico para que trabaje exactamente al revés: de manera que la magnitud a medir tienda a acercar al elemento conductor 7 hacia los primeros topes 13 mientras que la fuerza electrostática tienda a alejarlo. En este caso, se deberían posicionar los primeros topes 13 a la izquierda de las Figs.1 y 2. En la Fig. 1 se ha mostrado esta posibilidad con las referencias en trazos discontinuos. Si se ponen los topes en los dos lados, entonces el sensor podrá detectar la magnitud en los dos sentidos, si bien se deberá duplicar el circuito óptico y el circuito de control deberá cambiar el algoritmo, pasando de intentar acercar a intentar alejar, cuando detecte que ha habido un cambio de sentido, lo que sucederá cuando no consiga modificar el estado de paso de luz con la mínima tensión, que es cero. Debe recordarse que el signo del voltaje aplicado no afecta al sentido del movimiento del elemento conductor 7.
Para conseguir desplazar el elemento conductor 7 en ambos sentidos mediante fuerzas electrostáticas, es necesario disponer de una tercera placa de condensador 11 , tal como se muestra en la Fig. 3. Dado que el elemento conductor 7 se desplazará siempre hacia donde esté la placa de condensador más pequeña, es necesario, en este caso, que la tercera placa de condensador 11 sea menor que la primera placa de condensador 3, pero que las suma de áreas de la segunda placa de con- densador 9 y la tercera placa de condensador 11 sea mayor que la primera placa de condensador 3. De esta manera, activando la primera placa de condensador 3 y la segunda placa de condensador 9, conectándolas a voltajes distintos, pero no la tercera placa de condensador 11 , que quedaría en estado de alta impedancia se puede desplazar el elemento conductor 7 a la derecha, mientras que activando las tres placas de condensador 3, 9 y 11 se puede desplazar el elemento conductor 7 hacia la izquierda. En el último caso la segunda placa de condensador 9 y la tercera placa de condensador 11 están a un mismo voltaje, y la primera placa de condensador 3 está a otro voltaje distinto. El dispositivo electroóptico de la Fig. 3 tiene, además, unos segundos topes 19, de manera que estos segundos topes 19 permi- ten controlar la modificación del estado de paso de luz de un segundo circuito óptico.
En el caso de disponer dos placas de condensador en cada una de las primera y segunda zonas, se podría provocar el movimiento del elemento conductor 7 de dos maneras diferentes:
- aplicando un voltaje entre las dos placas de condensador de una misma zona, de manera que el elemento conductor sea atraído por ellas (funcionamiento equivalente al de la Fig. 1)
- aplicando un voltaje entre una placa de condensador de una zona y una (o las dos) placas de voltaje de la otra zona, de manera que el elemento conductor 7 sea atraído hacia la zona donde el área de condensador cargada eléctricamente sea menor (funcionamiento equivalente al de la Fig. 2).
A continuación se describirá como estos mecanismos pueden modificar el estado de paso de luz de un circuito óptico.
En la Fig. 4 se observa un dispositivo electroóptico diseñado para ser fabricado con tecnología EFAB. Esta tecnología de fabricación de micromecanismos mediante el depósito de capas es conocida por un experto en la materia, y permite la realización de muchas capas y tiene una gran flexibilidad en el diseño de estructuras tridimensionales. El dispositivo electroóptico está montado sobre un substrato 1 que cumple una función de soporte, y que en diversas Figs. no ha sido representado para mayor simplicidad de las mismas. El dispositivo electroóptico presenta una primera placa de condensador 3 y una cuarta placa de condensador 5 dispuestas a la iz- quierda (de acuerdo con la Fig. 2) de un elemento conductor 7, y una segunda placa de condensador 9 y una tercera placa de condensador 11 dispuestas a la derecha del elemento conductor 7. El dispositivo electroóptico tiene también dos primeros topes 13, y dos segundos topes 19. El dispositivo electroóptico está tapado por su parte superior si bien no se muestra esta tapa para poder apreciar los detalles del interior. Esta tapa se extiende entre las dos paredes laterales 29, por encima del elemento conductor 7.
El elemento conductor 7 presenta un espacio interno 27 hueco.
El dispositivo electroóptico se desplaza de izquierda a derecha, y viceversa, según la Fig. 5, a lo ancho del espacio intermedio 25. En la Fig. 5 ya se ha representado la tapa que evita que el elemento conductor 7 pueda salirse por el extremo superior. Como puede verse los primeros topes 13 y los segundos topes 19 son más próximos al elemento conductor 7 que las placas de condensador 3, 5, 9 y 11. De esta manera el elemento conductor 7 se puede mover de izquierda a derecha sin interferir con las placas de condensador 3, 5, 9 y 11 , y sus circuitos de control correspondientes. En la Fig. 5 se muestra cómo este movimiento permite modificar el estado de paso de luz de un haz de luz que se propague de un punto de e/s a otro punto de e/s de un circuito óptico. Efectivamente el dispositivo electroóptico es atravesado por un haz de luz que sale de un primer punto de e/s 15 hacia un segundo punto de e/s 17. Cuando el elemento conductor 7 está en contacto con los primeros topes 13 (que podría ser un solo tope si estuviese dispuesto en una posición central), se corta el paso del haz de luz, lo que puede ser detectado por el circuito correspondiente.
En la Fig. 6 se muestra una variante del dispositivo electroóptico anterior. En este caso se dispone de dos circuitos ópticos, de manera que hay cuatro puntos de e/s 15, 17, 21 y 23. En función de si el elemento conductor 7 está tocando los primeros topes 13 o los segundos topes 19 estará interrumpiendo el haz de luz de uno u otro de los dos circuitos ópticos.
En la variante mostrada en la Fig. 7 se observa que el elemento conductor 7 pre- senta un saliente 47 que se proyecta hacia el exterior de las paredes que encierran al elemento conductor 7. El saliente 47 es el responsable de modificar el estado de paso de luz entre el primer punto de e/s 15 y el segundo punto de e/s 17. Como puede verse, por tanto, el dispositivo electroóptico, tal como debe entender en la presente descripción y reivindicaciones, no es únicamente el receptáculo físico que contiene al elemento conductor 7 en su interior sino que incluye los puntos de e/s, tanto si estos están en la propia superficie del receptáculo como si están físicamente separados. Asimismo, no es necesario que el haz de luz sobre cuyo estado de paso se desea influir atraviese físicamente el receptáculo que contiene al elemento conductor 7, sino que también puede darse el caso que el haz de luz se pro- pague por el exterior del receptáculo.
Por otro lado, también es posible diseñar un elemento conductor 7 que tenga un saliente 47 aunque el haz de luz atraviese el receptáculo. Así, por ejemplo, es posible diseñar un elemento electroóptico como el de la Fig. 5 en el que el elemento conductor 7 tenga un saliente equivalente al saliente 47 pero más corto, de manera que su extremo libre quede alojado entre la segunda placa de condensador 9 y la tercera placa de condensador 11. Este saliente permite garantizar mejor la interrupción del haz de luz entre el primer punto de e/s 15 y el segundo punto de e/s 17. Tampoco es necesario que los topes estén físicamente en el interior del receptáculo que aloje al elemento conductor 7. Así, por ejemplo, en el dispositivo electroóptico de la Fig. 7, el primer tope 13 podría ser un único tope y estar físicamente junto al extremo libre del saliente 47.
En la Fig. 8 se muestra otra variante del dispositivo electroóptico. En este caso, el haz de luz no es simplemente interrumpido, sino que es desviado, por reflexión, hacia un tercer punto de e/s.
En las Figs. 9 a 11 se observa otro dispositivo electroóptico diseñado para ser fabricado con tecnología EFAB. En este caso el elemento conductor 7 se desplaza en sentido vertical, de acuerdo con las Figs. 9 a 11. El empleo de una u otra alternativa de movimiento del dispositivo electroóptico depende de criterios de diseño. La tec- nología de fabricación consiste en el depósito de diversas capas. En todas las Figs. las cotas en sentido vertical están muy exageradas, es decir los dispositivos físicos son mucho más planos de lo que se muestra en todas las Figs. En el caso de que interese obtener unas superficies de condensador grandes será preferible construir el dispositivo electroóptico de una forma similar a lo mostrado en las Fig. 9 a 11 (dispositivo electroóptico vertical), mientras se construirá un dispositivo electroóptico de una forma similar a la mostrada en las Figuras 4 a 8 (dispositivo electroóptico horizontal) cuando interese hacerlo con un número menor de capas. En el caso de emplear determinadas tecnologías (como las usualmente conocidas como po- lyMUMPS, Dalsa, SUMMIT, Tronic's, Qinetiq's, etc.), el número de capas está siempre muy limitado. La ventaja del dispositivo electroóptico vertical es que se obtienen superficies más grandes con menos área de chip, y esto implica tensiones de activación mucho menores (usando la misma área de chip).
Conceptualmente el dispositivo electroóptico de las Figs. 9 a 11 es muy similar al dispositivo electroóptico de las Figs. 4 a 8, y presenta la primera placa de condensador 3 y la cuarta placa de condensador 5 dispuestas en la parte inferior (Fig. 11 ), así como los segundos topes 19. Como puede verse los segundos topes 19 están por encima de las placas de condensador, de manera que el elemento conductor 7 puede apoyarse sobre los segundos topes 19 sin entrar en contacto con la primera y la cuarta placa de condensador 3, 5. En el extremo superior (Fig. 9) se encuentran la segunda placa de condensador 9, la tercera placa de condensador 11 y dos primeros topes 13.
Al igual que el dispositivo electroóptico de las Figs. 4 a 8, el dispositivo electroóptico de las Figs. 9 a 11 puede actuar de diversas maneras, que no se han representado en las propias Figs. 9 a 12 para mayor claridad de las mismas. Así, en la Fig. 12 se ha mostrado un dispositivo electroóptico que refleja el haz de luz que emite un pri- mer punto de e/s 15 y la reenvía hacia un segundo punto de e/s 17 cuando el elemento conductor 7 está, por ejemplo, tocando los primeros topes 13. Al desplazar al elemento conductor 7 hacia el otro extremo del espacio intermedio 25 es decir, cuando toque los segundos topes 19, el haz de luz será reflejado con el mismo ángulo que antes, pero hacia otra posición en el espacio. En esta nueva posición pue- de estar posicionado un tercer punto de e/s 21 que recogerá en este caso la luz reflejada.
En general, cuando se desee que el elemento conductor refleje un haz de luz, deberá incorporar la correspondiente superficie reflectante. Es posible generar super- ficies reflectantes con las tecnologías existentes en el mercado y conocidas por un experto en la materia, sin embargo, es preferible el diseño de dispositivos electroópticos verticales y que tengan las superficies reflectantes en su cara superior que el diseño de dispositivos electroópticos horizontales que requieran superficies reflectantes verticales.
Realmente el dispositivo electroóptico mostrado en la Fig. 12 no es idéntico al de las Figs. 9 a 11 sino que es una forma de realización ligeramente diferente en el sentido que tiene un elemento conductor 7 cilindrico en lugar de paralelepipédico. La Fig. 17 muestra otro dispositivo electroóptico que tiene el elemento conductor 7 cilindrico. En el caso del dispositivo electroóptico de la Fig. 12, las paredes laterales 29 que rodean al elemento conductor son paralelepipédicas, mientras que en el dispositivo electroóptico de la Fig. 17 las paredes laterales 29 que rodean al elemento conductor 7 son cilindricas. Por su parte, en la Fig. 18 se muestra una esfera fabricada mediante micromecanizado en superficie, observándose que está formada por una pluralidad de discos cilindricos de diámetros variables. Un dispositivo electroóptico con un elemento conductor 7 esférico como el de la Fig. 18 puede ser, por ejemplo, muy similar conceptualmente al de las Figs. 12 o 17 sustituyendo el elemento conductor 7 cilindrico por el esférico. Únicamente deben tenerse en cuenta unos ajustes geométricos en la disposición de las placas de condensador y de los topes para evitar que el elemento conductor 7 esférico toque primero las placas de condensador que los topes. Como ya se ha comentado anteriormente, el objetivo de estos elementos conductores con superficies externas redondeadas es reducir las fuerzas de rozamiento y los enganches.
En general, en la presente descripción y en las reivindicaciones se han citado las placas de condensador y los topes como si fuesen elementos físicos diferentes, y en determinados casos será así, ya que si entre las placas de condensador dis- puesta en una misma zona (primera placa de condensador 3 y cuarta placa de condensador 5 o segunda placa de condensador 9 y tercera placa de condensador 11 ) hay una tensión aplicada, el elemento conductor 7 no deberá tocarlas para no provocar un cortocircuito. Sin embargo, si las placas de condensador que están en una misma zona (primera placa de condensador 3 y cuarta placa de condensador 5 o segunda placa de condensador 9 y tercera placa de condensador 11 ) están a la misma tensión y, en particular si está a VCC o a GND, entonces no hay ningún inconveniente en que el elemento conductor 7 toque físicamente las placas de condensador. En este último caso, las funciones "placa de condensador" y "tope" pueden ser realizadas conjuntamente por el mismo elemento físico. Incluso en el caso en el que hay un voltaje aplicado entre las placas de condensador de una misma zona, se podría poner las placas de condensador no alineadas, de manera que el elemento conductor 7 solo toque una de ellas (o todas las que estén a un mismo voltaje). De esta manera también se evita el cortocircuito.
El dispositivo electroóptico de la Fig. 13 presenta una abertura 49 en su pared lateral 29 por la que se puede propagar un haz de luz cuando el elemento conductor 7 está en la parte superior. En la parte posterior hay otra abertura de manera que el haz de luz puede alcanzar el segundo punto de e/s correspondiente. En la Fig. 14 se muestra una vista en planta, en la que se aprecia como el haz de luz se propaga del primer punto de e/s 15 al segundo punto de e/s 17 atravesando las paredes 29. Asimismo, se podría interpretar que las propias aberturas 49 son los puntos de e/s citados en la presente descripción y reivindicaciones, ya que lo que ocurre más allá de la abertura 49 es irrelevante de cara a la presente invención.
Otra variante del dispositivo electroóptico de la Fig. 13 se obtiene en el caso que se incluya una segunda pareja de aberturas 49 en la parte superior de la pared lateral 29. En este caso se puede interactuar sobre dos circuitos ópticos simultáneamente, de una forma equivalente a la representada en la Fig. 6. La segunda pareja de aberturas 49 puede estar encima de la primera pareja de aberturas 49, de manera que los haces de luz sean paralelos, o puede estar dispuesta perpendicularménte a la primera pareja de aberturas 49, en cuyo caso los rayos de luz serán perpendiculares (Fig. 12).
Otra variante adicional se puede obtener a disponer de dos parejas de aberturas 49 en la parte inferior de la pared 29, dispuestas perpendiculares entre sí. De esta manera el elemento conductor 7 interrumpiría simultáneamente dos haces de luz. Una vista en planta de esta solución sería asimismo la Fig. 15.
El dispositivo electroóptico mostrado en la Fig. 16 está diseñado para ser fabricado con tecnología polyMUMPS. Como ya se ha dicho anteriormente, esta tecnología es conocida por un experto en la materia, y se caracteriza por ser un micromecani- zado en superficie de 3 capas estructurales y 2 sacrificiales. Sin embargo, concep- tualmente es similar al dispositivo electroóptico mostrado en las Figs. 4 a 8, si bien existen algunas diferencias. Así, en el dispositivo electroóptico de la Fig. 16, la primera placa de condensador 3 es igual a la tercera placa de condensador 11 , pero es diferente a la segunda placa de condensador 9 y a la cuarta placa de condensador 5, que son iguales entre sí y menores que las anteriores. Además presenta, adicionalmente, una quinta placa de condensador 35 y una sexta placa de condensador 37. En la Fig. 19 se observa una variante del dispositivo electroóptico mostrado en las Figs. 4 a 8. En este caso el elemento conductor 7 tiene unas protuberancias 39 en sus caras laterales 41.
En la Fig. 20 se observa una variante de un dispositivo electroóptico de acuerdo con la invención, específicamente diseñada para su uso como detector de fuerzas de Coriolis (giroscopio). En este caso se puede observar que el dispositivo electroóptico presenta una primera placa de condensador 3 y una cuarta placa de condensador 5 dispuestas a la izquierda (de acuerdo con la Fig. 20) de un elemento conductor 7, y una segunda placa de condensador 9 y una tercera placa de condensador 11 dispuestas a la derecha del elemento conductor 7. El dispositivo electroóptico tiene también dos primeros topes 13, en la parte superior de la Fig. 20, y dos segundos topes 19, en la parte inferior de la Fig. 20. El elemento conductor 7 se desplaza en zig-zag entre las placas de condensador gracias a unos voltajes aplicados entre las mismas. Si el dispositivo electroóptico está sometido a fuerzas de Coriolis el elemento conductor 7 se desplazará lateralmente, es decir, hacia arriba o hacia abajo según la Fig. 15 (suponiendo que el movimiento de rotación es perpendicular al papel). Al hacer contacto con los primeros topes 13 (o los segundos topes 19) se obtendrá una señal de interrupción del haz de luz, y en función de la velocidad con que realiza el movimiento de zig-zag (y de parámetros geométricos y de masas del dispositivo electroóptico), se puede determinar la fuerza de Coriolis y, en consecuencia, la velocidad de rotación. El relé presenta adicionalmente unos terceros topes 43 y unos cuartos topes 45 que pueden ser contactos eléctricos o pueden ser topes que definan el corte de dos haces de luz que se propaguen de arriba abajo en sentido del papel en la Fig. 20. Así, el final de carrera de cada movimiento de zig-zag es detectado por el circuito de control del dispositivo electroóptico. Alternativamente, la posición del elemento conductor 7 podría ser determinado por otros procedimientos conocidos por un experto en la materia.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Dispositivo electroóptico miniaturizado caracterizado porque comprende:
- una primera zona enfrentada a una segunda zona,
- una primera placa de condensador,
- una segunda placa de condensador dispuesta en dicha segunda zona, donde dicha segunda placa de condensador es menor o igual que dicha primera placa de condensador,
- un espacio intermedio dispuesto entre dicha primera zona y dicha segunda zona,
- un elemento conductor dispuesto en dicho espacio intermedio, dicho elemento conductor siendo mecánicamente independiente de dichas primera zona y segunda zona y siendo apto para efectuar un desplazamiento a través de dicho espacio in- termedio en función de unos voltajes presentes en dichas primera y segunda placas de condensador,
- un primer punto de entrada/salida de luz de un circuito óptico, un segundo punto de entrada/salida de dicho circuito óptico, dispuestos de tal manera que permiten el paso de luz entre ellos, - por lo menos un primer tope, donde dicho elemento conductor es apto para entrar en contacto con dicho primer tope y donde dicho elemento conductor modifica el estado de paso de luz entre dicho primer punto de entrada/salida y dicho segundo punto de entrada/salida cuando está en contacto con dicho primer tope.
2.- Dispositivo electroóptico según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha primera placa de condensador está en dicha segunda zona.
3.- Dispositivo electroóptico según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicha primera placa de condensador está en dicha primera zona.
4.- Dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicho primer tope está dispuesto entre dicha segunda zona y dicho elemento conductor.
5.- Dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 3 ó 4, caracterizado porque comprende, adicionalmente, una tercera placa de condensador dispuesta en dicha segunda zona, donde dicha tercera placa de condensador es me- ñor o igual que dicha primera placa de condensador, y donde dichas segunda y tercera placas de condensador son, juntas, mayores que dicha primera placa de condensador.
6.- Dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, caracte- rizado porque comprende, adicionalmente, una tercera placa de condensador dispuesta en dicha segunda zona y una cuarta placa de condensador dispuesta en dicha primera zona, donde dicha primera placa de condensador y dicha segunda placa de condensador son iguales entre sí, y dicha tercera placa de condensador y dicha cuarta placa de condensador son iguales entre sí.
7.- Dispositivo electroóptico según la reivindicación 6, caracterizado porque dichas primera, segunda, tercera y cuarta placas de condensador son todas iguales entre sí.
8.- Dispositivo electroóptico según una de las reivindicaciones 6 o 7, caracterizado porque comprende, adicionalmente, una quinta placa de condensador dispuesta en dicha primera zona y una sexta placa de condensador dispuesta en dicha segunda zona, donde dicha quinta placa de condensador y dicha sexta placa de condensador son iguales entre sí.
9.- Dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende por lo menos un segundo tope entre dicha primera zona y dicho elemento conductor.
10.- Dispositivo electroóptico según la reivindicación 9, caracterizado porque comprende un tercer punto de entrada/salida y un cuarto punto de entrada/salida dispuestos entre dicha primera zona y dicho elemento conductor, de manera que dicho elemento conductor modifica el estado de paso de luz de un segundo circuito óptico cuando está en contacto con dicho segundo tope.
11.- Dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, ca- racterizado porque cada uno de los conjuntos de dichas placas de condensador dispuestas en cada una de dichas primera zona y segunda zona tiene simetría central respecto de un centro de simetría, y donde dicho centro de simetría está superpuesto al centro de masas de dicho elemento conductor.
12.- Dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 , caracterizado porque el conjunto de dichas placas de condensador dispuestas en cada una de dichas primera zona y segunda zona tiene asimetría central, generando así un momento de fuerzas respecto al centro de masas de dicho elemento conductor.
13.- Dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque dicho elemento conductor tiene superficies externas redondeadas.
14.- Dispositivo electroóptico según la reivindicación 13, caracterizado porque dicho elemento conductor es cilindrico.
15.- Dispositivo electroóptico según la reivindicación 13, caracterizado porque dicho elemento conductor es esférico.
16.- Dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque dicho elemento conductor presenta una cara superior y una cara inferior, dichas caras superior e inferior siendo perpendiculares a dicho desplazamiento de dicho elemento conductor, y por lo menos una cara lateral, donde dicha cara lateral presenta unas breves protuberancias.
17.- Dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque dicho elemento conductor es hueco.
18.- Dispositivo electroóptico según la reivindicación 2, caracterizado porque dicha primera placa de condensador y dicha segunda placa de condensador tienen la misma superficie.
19.- Dispositivo electroóptico según la reivindicación 3, caracterizado porque dicha primera placa de condensador tiene una superficie que es igual al doble de la superficie de dicha segunda placa de condensador.
20.- Uso de un dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, como acelerómetro.
21.- Uso de un dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, como inclinómetro.
22.- Uso de un dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, como detector de fuerzas de Coriolis.
23.- Uso de un dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, como sensor de presión.
24.- Uso de un dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, como micrófono.
25.- Uso de un dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, como sensor de caudal.
26.- Uso de un dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, como sensor de temperatura.
27.- Uso de un dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, para aplicaciones acústicas.
28.- Uso de un dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, como sensor de gas.
29.- Uso de un dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, para la fabricación de una matriz de conmutación óptica.
30.- Uso de un dispositivo electroóptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, para la proyección de imágenes.
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