DE60105899T2

DE60105899T2 - Schaltvorrichtung, insbesondere zum optischen schalten

Info

Publication number: DE60105899T2
Application number: DE60105899T
Authority: DE
Inventors: Claude Bourgeois; Patrick Debergh; Stephan Gonseth; Gregoire Perregaux; Felix Rudolf; Appolonius Van Der Wiel
Original assignee: Colibrys SA
Current assignee: Safran Colibrys SA
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2021-02-24
Also published as: US20020118911A1; WO2001063337A1; DK1171792T3; EP1171792A1; US6798935B2; EP1128201A1; DE60105899D1; EP1171792B1

Description

Diese Erfindung ist eine Schaltvorrichtung, beinhaltend eine Zelle, welche eine Struktur umfasst, die sich hin und zurück zwischen zwei Endpositionen bewegen kann, und Treibelektroden, um die Struktur Anziehungskräften zu unterwerfen, um ihre Bewegung zu kontrollieren.
Vorrichtungen dieses Typs werden eingesetzt, insbesondere, um die Bahnlinie von optischen Balken in Systemen zu beeinflussen, welche Informationen auf pixelbasierenden Bildern kontrollieren, verarbeiten und speichern, zu beeinflussen oder unterbrechen. Eine besonders interessante Anwendung für diese Systeme ist für Druck- oder Hochdefinitionwiedergabe-Systeme.
Französisches Patent FR2726135 und verwandtes Patent US5794761 beschreiben eine solche Vorrichtung, welche in der Form einer mikro-mechanischen Struktur ausgeführt ist, und eine Installation für das optische Schalten unter Verwendung mehrerer angeordneter Vorrichtungen. Die bewegliche Struktur besteht aus einem flexiblen Auslegerbalken und einem damit verbundenen integralen Schirm. Ihre Bewegungen werden durch zwei auf jeder Seite des Schirms angebrachten Treibelektroden gesteuert. Ein Nachteil dieser Schaltvorrichtung ist, dass die Bewegungen der beweglichen Struktur nicht genügend regelmässig sind, und dass Letztere dazu neigt, zurück zu prallen, wenn sie eine Ihrer Endpositionen erreicht, was einen negativen Einfluss auf die Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Leistung der Vorrichtung hat.
Diese Erfindung zielt somit darauf hin, die Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Leistung der oben erwähnten Vorrichtung zu verbessern. Insbesondere ist es das Ziel der Erfindung, eine Schaltvorrichtung vorzuschlagen, in welcher die Zelle mit einer beweglichen Struktur ausgestattet ist, die sich auf eine regelmässige Weise auf einer einzigen Ebene bewegt, die nicht zurück prallt, wenn sie ihre Endpositionen erreicht, und wo kaum ein Risiko besteht, auf die Elektroden stecken zu bleiben.
Um diese Ziele zu erreichen, umfasst die Schaltvorrichtung gemäss der Erfindung mindestens eine Zelle, bestehend aus einer beweglichen Struktur, die sich zwischen zwei Endpositionen bewegen kann, und Treibelektroden, um diese Struktur Anziehungskräften zu unterwerfen, um ihre Bewegung zu kontrollieren, wobei die Elektroden auf jeder Seite der beweglichen Struktur auf eine solche Weise angeordnet sind, dass sie ihrer genauen Form folgen, wenn sie sich in einer ihrer zwei Endpositionen befindet, wobei die bewegliche Struktur einen flexiblen Auslegerbalken und einen mit dem Balken verbundenen integralen Schirm umfasst, wohingegen die Elektroden sich nur auf jeder Seite des flexiblen Balkens befinden.
Diese Vorrichtung zieht auch Nutzen aus einem oder mehreren der hiernach aufgelisteten Hauptmerkmale.

– Die bewegliche Struktur besteht aus einem flexiblen Auslegerbalken und einer mit dem Balken vollständig verbundenen schirmenden Klinge. In diesem Fall befinden sich die Elektroden nur auf jeder Seite des Balkens.
– Anliegend an jeder Elektrode befindet sich mindestens ein Stopper, welcher als Arretierung für den Balken dient und den Zweck hat, einen Kontakt des Balkens mit der Elektrode zu verhindern. Dieser Stopper befindet sich beispielsweise auf dem freien Ende des Auslegerbalkens, jenseits des Schirms. Ferner ist es vorteilhaft, mehrere Stopper vorzusehen, welche entlang der ganzen Länge der Elektroden verteilt sind.
– Die Seitenwände der beweglichen Struktur, der Stopper und der Elektroden werden mit einer Diamantschicht beschichtet, vorzugsweise leitend gemacht, oder mit jeglichem Material mit den gleichen Eigenschaften.
– Die Schaltvorrichtung wird auf einem Substrat realisiert, welcher eine Queröffnung aufweist, die auf eine solche Weise positioniert ist, dass sie vom Schirm geschlossen wird, wenn das System sich in einer seiner Endpositionen befindet. Diese Öffnung hat auf der Substratseite gegenüber dem Schirm eine Portion mit einem grösseren Durchmesser als die Portion, die sich auf der Schirmseite befindet. Diese Portion ist vorzugsweise konisch.
– Der Balken hat einen T-förmigen Schnitt oder irgendeine andere Schnittform, welche seine ausserhalb-der-Ebene Starrheit verstärkt.
– Jede mit einem Leiter verbundene Elektrode wird mit einem Steuerschaltkreis verbunden; die Verbindung der Elektrode mit diesem Leiter kann eine eingebaute Sicherung umfassen.

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung aufgezeigt, welche im Zusammenhang mit den beigelegten Figuren steht, in welchen:
1 eine Draufsicht einer Schaltzelle gemäss der Erfindung ist;
2 ein Querschnitt gemäss II-II der Zelle in 1 ist;
3 ein Querschnitt gemäss III-III der Zelle in 1 ist, und
4 eine schematische Darstellung einer Vierzellenanordnung mit ihren Zusammenschaltungen ist.
Die 1 bis 3 zeigen ein Substrat 10, vorzugsweise aus Silikon, auf welchem mittels einer Verankerungszone 12 ein elastischer Auslegerbalken 14 befestigt ist, in dieser besonderen Ausführungsform mit einem T-förmigen Querschnitt mit, auf seinem freien Ende, einem rechteckigen Schirm 16. Vorzugsweise bestehen der Balken 14 und der Schirm 16 aus Polysilizium, das durch Dotierung leitend gemacht wird.
Der Balken 14 und der Schirm 16 bilden eine bewegliche Struktur, wobei der Schirm abwechselnd zwischen den beiden Endpositionen A bzw. B, durch vollen und gestrichelten Linien dargestellt, bewegt werden kann. Diese Positionen werden von zwei Endstoppern 18 definiert, welche sich auf dem Substrat 10 befinden, und welche agieren, um den Balken 14 zu stoppen.
Der Schirm wird in diesen Endpositionen unter der Wirkung von elektrostatischen Kräften gebracht, die von einem Paar von Adressierungselektroden 20 erzeugt werden, welche aus dotiertem Polysilizium hergestellt sind und mit dem Substrat durch eine isolierende Schicht 22 auf beiden Seiten des Balkens 14 und entlang seiner Länge auf eine solche Weise verbunden sind, dass sie ihrer genauen Form so genau wie möglich folgen, ohne jedoch sie zu berühren, wenn der Schirm die Positionen A bzw. B einnimmt.
Vorzugsweise wird die isolierende Schicht 22 durch eine auf dem Substrat dotierte Siliziumdioxidschicht (SiO2) und durch eine auf der Siliziumdioxid-Schicht dotierte Siliziumnitridschicht (Si3N4) gebildet.
Die Elektroden 20 haben entlang ihrer Länge Zonen, in welchen sich Paaren von Stoppern 24 befinden, welche beispielsweise identisch mit den Endstoppern 18 sein können, ein von den fünf im angegebenen Beispiel, von den Elektroden elektrisch isoliert und dazu vorgesehen, die Bewegungen des Balkens einzuschränken, damit er mit den Elektroden nicht in Kontakt kommt.
Es ist vorteilhaft, wenn die Seitenwände des Balkens 14, der Stopper 18, 24 und der Elektroden 20 mit einer Diamantschicht beschichtet sind, welche mittels einer geeigneten Dotierungsverarbeitung hydrophob und leitend gemacht wird, wie es dem Fachmann bekannt ist. Nebst Diamant kann jedes andere Material mit den gleichen Eigenschaften oder mit solchen anderen im-Gebrauch-Antihafteigenschaften, insbesondere ein Polymer, selbstordnende Monoschichten, Teflon oder Ähnliches, für diese Schicht auch verwendet werden.
Im Zentrum der Portion, die durch den Schirm 16 geschlossen wird wenn in Position A, weist das Substrat 10 eine Queröffnung 26 auf, die auf der Schirmseite eine vorzugsweise zylindrische Portion 26a hat mit einem leicht kleineren Durchmesser als derjenigen der Schirmseite, und eine sich progressiv verbreitende Portion 26b, welche vorzugsweise konisch ist. Es muss notiert werden, dass, anstelle rechteckig zu sein, der Schirm irgendeine Form und Grösse haben kann, welche ihn dazu geeignet macht, die Öffnung zu decken, wenn sich der Balken in seiner geschlossenen Position befindet.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Substrat 10 aus durchsichtigem Material gemacht, beispielsweise aus Quarz.
In seiner zentralen Portion, über welcher sich der Balken 14 und der Schirm 16 bewegen, wird das Substrat mit einer dotierten Polysiliziumschicht 28 beschichtet, welche mit dem Balken, den Stoppern und dem Schirm auf eine solche Weise elektrisch verbunden ist, dass es das gleiche Potenzial hat und somit jegliche Anziehung zwischen ihnen verhindert.
Die beschriebene Zelle wird vorzugsweise nicht individuell verwendet, sondern in Assoziation mit anderen identischen Zellen, welche in Reihen und Spalten angeordnet sind und eine regelmässige Anordnung bilden, die – wie schon aus dem Stand der Technik bekannt – unter anderen Anordnungen rechteckig, wabenförmig oder hexagonal sein kann.
4 zeigt schematisch vier identische Zellen C1, C2, C3 und C4, welche sich in einer aus zwei Reihen und zwei Spalten bestehenden Anordnung befinden. Der Balken 14, der Schirm 16 und das Paar Elektroden 20 sind sichtbar.
Die Verankerungszonen 12 der Zellen C1 und C2 auf der oberen Reihe werden mit einer gemeinsamen Leitung 30 verbunden. Auf die gleiche Weise werden die Verankerungszonen 12 der Zellen C3 und C4 auf der unteren Reihe mit einem anderen gemeinsamen Leiter 32 verbunden.
Die rechtseitigen Elektroden 20 der rechtseitigen Zellen C2 und C4 sind mit einer gemeinsamen rechtseitigen Spaltenleitung 34 verbunden, während die linksseitigen Elektroden 20 dieser Zellen mit einer gemeinsamen linksseitigen Spaltenleitung 38 verbunden werden. Auf die gleiche Weise werden die rechtseitigen Elektroden 20 der linksseitigen Zellen C1 und C3 mit einer anderen gemeinsamen Spaltenleitung 36 verbunden, während die linksseitigen Elektroden 20 dieser Zellen mit einer anderen gemeinsamen Spaltenleitung 40 verbunden werden.
Für Details darüber, wie Zellen in dieser Art von Anordnung zu kontrollieren sind, wird Bezug auf das oben erwähnte Patent FR2726135 genommen.
Es ist bekannt, dass trotz getroffenen Massnahmen, und insbesondere trotz Anwesenheit von Stoppern 18, 24, ein Kurzschlussrisiko besteht, insbesondere dadurch verursacht, dass der Balken 14 in Kontakt mit einer Elektrode 20 kommt. Um zu verhindern, dass ein solcher Unfall den Ausfall aller Zellen in der gleichen Reihe und/oder Spalte verursacht, was in den bekannten Systemen passieren kann, wird vorgeschlagen, dass die Verbindung jeder der Elektroden 20 mit deren Spaltenleitung, wie in 4 dargestellt, durch eine Sicherung 42 geschieht, die beispielsweise in der Form eines engen Abschnitts der Verbindungsleitung realisiert werden kann.
Eine Schaltzelle wird somit hergestellt, für welche die Hauptvorteile im Vergleich zu bekannten Ausführungsformen, insbesondere wie sie in Patent FR2726135 beschrieben werden, hiernach aufgelistet werden:

– Wegen der Tatsache, dass auf der einen Seite die Elektroden auf eine solche Weise angeordnet sind, dass sie genau dem Balken entsprechen, wenn er sich in irgendeinem seiner beiden Endpositionen befindet, und dass auf der anderen Seite der Schirm selbst nicht der direkten Wirkung der Elektroden ausgesetzt ist, wird die Bewegung der beweglichen Struktur regelmässig, auf einer einzigen Ebene und frei von – oder zumindest nur mit eingeschränkten – Aufprallen.
– Die Anwesenheit von Stoppern, die entlang der Länge der Elektroden verteilt sind, leistet auf reibungslose Weise einen gleichwertigen Beitrag an dieser Operation, während gleichzeitig das Risiko des Haftens des Balkens mit den Stoppern vermindert wird.
– Der strukturierte Abschnitt des Balkens verhindert das Biegen ausserhalb-der-Ebene und trägt also auch dazu bei, dass sich das System immer parallel zum Substrat bewegt.
– Die Anwesenheit einer leitenden Diamantbeschichtung auf den Seitenwänden betreffend Balken, Elektroden und Stopper verhindert die Akkumulation von Ladungen, welche ein Haften des Balkens mit den Stoppern verursacht.
– Die zwischen jeder Elektrode und der Leitung der assoziierten Spalte und/oder Reihe angebrachte Sicherung wird die Folgen eines in einer Zelle stattfindenden Kurzschlusses verringern.
– Schlussendlich verhindert der konische Schnitt der Öffnung im Substrat Lichtverluste und verbessert wesentlich die optische Übermittlung der Vorrichtung.

Claims

Schaltvorrichtung, die mindestens eine Zelle (C1, C2, C3, C4) umfasst, welche aus einer beweglichen Struktur (14, 16), welche sich zwischen zwei Endpositionen (A, B) bewegen kann, und Treibelektroden (20), um diese Struktur Anziehungskräften zu unterwerfen, um ihre Bewegung zu kontrollieren, besteht, wobei besagte Elektroden auf jeder Seite der beweglichen Struktur auf eine solche Weise angeordnet sind, dass sie ihrer genauen Form folgen, wenn sie sich in einer ihrer zwei Endpositionen befindet, wobei besagte bewegliche Struktur einen flexiblen Auslegerbalken (14) und einen integralen Schirm (16), der mit besagtem Balken verbunden ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet dass besagte Elektroden (20) sich nur auf jeder Seite des besagten flexiblen Balkens (14) befinden.
Schaltvorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie auch mindestens einen mit jeder Elektrode (20) assoziierten Stopper (18) umfasst, welcher als Arretierung für den Balken dient und den Zweck hat, einen Kontakt mit besagtem Balken zu verhindern.
Schaltvorrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass besagter Stopper (18) sich auf dem freien Ende des Auslegerbalkens (14), jenseits des Schirms (16) befindet.
Schaltvorrichtung gemäss den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Mehrzahl von Stoppern (24) umfasst, welche entlang der Länge besagter Elektroden verteilt sind.
Schaltvorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände der sich bewegenden Struktur, der Stopper und der Elektroden mit einer Diamantschicht beschichtet sind.
Schaltvorrichtung gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Diamantschicht leitend ist.
Schaltvorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf einem Substrat (10) realisiert ist.
Schaltvorrichtung gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Substrat aus durchsichtigem Material besteht.
Schaltvorrichtung gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Queröffnung (26) aufweist, welche auf eine solche Weise positioniert ist, dass sie vom Schirm (16) geschlossen wird, wenn das System sich in einer seiner Endpositionen befindet.
Schaltvorrichtung gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Öffnung (26) auf der gegenüberstehenden Seite des Schirms eine Portion (26b) mit einem grösseren Durchmesser als die Portion auf der Seite des Schirms aufweist.
Schaltvorrichtung gemäss Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Portion mit dem grösseren Durchmesser konisch ist.
Schaltvorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass besagter Balken (14) einen T-förmigen Schnitt aufweist.
Schaltvorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 12, in welcher jede Elektrode (20) mit einem Leiter verbunden ist, der mit einem Steuerschaltkreis verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenverbindung mit dem oben erwähnten Leiter eine Sicherung (42) umfasst.