DE4235593A1 - Mikromechanische Ablenkeinrichtung für einen Spiegel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Ab­ lenkeinrichtung für einen Spiegel, die auf einem Chip angeordnet ist, in dem sich unterhalb des Spiegels ein freigeätzter Raum befindet, unter dem Leiterbahnen zur Ansteuerung der Spiegelkippung an­ geordnet sind.

Im Stand der Technik sind mikromechanische Ablenk­ einrichtungen bekannt, mit denen beispielsweise Lichtstrahlen um kleine Winkel abgelenkt werden können. Die Ansteuerung der Ablenkeinrichtung er­ folgt im allgemeinen durch gesonderte Ansteuerungs­ einrichtungen, wobei die Auslenkung des Spiegels durch elektrostatische Anziehungs- bzw. Abstoßungs­ kräfte bewirkt wird.

Bei der Auslenkung um zwei Achsen wird bei dem im Stand der Technik bekannten Einrichtungen entweder eine zusätzliche elektromechanische Einrichtung an­ gebracht oder der mikromechanische Spiegel durch eine Zusatzeinrichtung in Schwingung versetzt, be­ vorzugt im Resonanzbereich.

Bei den bekannten Ablenkeinrichtungen, die elektro­ mechanisch angesteuert werden, ist von Nachteil, daß aufgrund der relativ großen Massen der verwen­ deten Bauelemente das System träge reagiert und in­ folgedessen kurze Auslenkzeiten nicht realisiert werden können.

Bei den durch Zusatzeinrichtungen mit Ultraschall angeregten Ablenkeinrichtungen ist nachteilig, daß die beabsichtigten Auslenkungen zu undefinierten Taumelbewegungen führt, wobei eine definierte Bewe­ gung der Spiegel - insbesondere bei der Bewegung um mehrere Achsen - nicht erreicht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zweidimensional wirkende Ablenkvorrichtung zu schaffen, die sich durch geringe Abmessungen aus­ zeichnet und die mit hohen Frequenzen betrieben werden kann.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe da­ durch, daß der Spiegel mit einem Rahmen kardanisch aufgehängt ist, der Rahmen mittels zweier diametral angeordneter elastischer Leiterbahnen am Chip schwenkbar befestigt ist und der Spiegel mittels zweier weiterer diametral angeordneter Leiterbah­ nen am Rahmen befestigt ist, wobei die weiteren Leiterbahnen orthogonal zu den Leiterbahnen des Rahmens angeordnet sind.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß in dem freigeäzten Raum vier Elektroden an den Ecken der Grundfläche des Raumes angeordnet sind.

Ferner ist es möglich, daß die Elektroden im Be­ reich der Verbindungslinien zwischen den Ecken der Grundfläche angeordnet sind.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ent­ steht dadurch, daß der Rahmen vom Steuerstrom durchflossen wird, in dem freigeäzten Raum zwei Elektroden auf der Grundfläche des Raumes angeord­ net sind und zwei stromdurchflossene Leiter außer­ halb des Rahmens, vorzugsweise unterhalb desselben, angeordnet sind.

Ein besonderem Vorteil der erfindungsgemäßen Ab­ lenkeinrichtung ist, daß die Anordnung eine defi­ nierte Ansteuerung der Bewegung in zwei Koordinaten ermöglicht. Die geringe Masse der erfindungsgemäßen Anordnung und deren kleine Abmessungen hat eine sehr geringe Trägheit der Ablenkeinrichtung zur Folge. Dadurch wird es möglich, die Spiegelauslen­ kung mit sehr hohen Frequenzen zu betätigen.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Aus­ führungsbeispieles näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf die erfindungs­ gemäße Spiegelanordnung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der erfin­ dungsgemäßen Spiegelanordnung in Richtung A-A,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung der erfin­ dungsgemäßen Anordnung in Richtung B-B,

Fig. 4 die Elekrodenanordnung in den Ecken des freigeäzten Raumes,

Fig. 5 die Elektrodenanordnung im Bereich der Verbindungslinien der Ecken des freigeäzten Raumes,

Fig. 6 eine Anordnung bei der die Drehbewe­ gung um eine Koordinate durch elektromotorische Kräfte bewirkt wird,

Fig. 7 eine Anordnung bei der die Drehbewe­ gung um eine Koordinate durch außerhalb des Bauelementes erzeugte elektromotorische Kräfte bewirkt wird.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung, bei der ein kardanisch aufgehängter Spiegel 1 mittels eines Rahmens 2 und von Leiterbahnen 4.2 an einem Chip 3 befestigt ist. Die Spiegelfläche sowie die Achsen und der Rahmen 2 der Anordnung werden vor­ zugsweise durch mikromechanische Fertigungsverfah­ ren auf einem Substrat mit versenkten Leiterbahnen 4.1 hergestellt.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung in ei­ ner Schnittdarstellung. Sie stellt die mit mikrome­ chanischen Fertigungsverfahren hergestellte Un­ terätzung sowie das eigentliche Spiegelelement und die versenkten Leitbahnen dar. Unterhalb des Spiegels 1 sind Elektroden 5 angebracht. Wird nun an die Spiegelfläche ein elektrisches Potential ge­ genüber den unterhalb der Spiegelanordnung Elektro­ den 5 aufgebracht, so kann die Spiegelfläche gegen­ über den Elektroden 5 gekippt werden. Die Auslen­ kung des Spiegels 1 erfolgt dabei durch elektrostatische Kräfte. Die elektrostatischen Kräfte werden durch Anlegen eines elektrischen Po­ tentials, das beispielsweise in der Größenordnung von 400 Volt liegt, erzeugt.

Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung der erfin­ dungsgemäßen Anordnung. Hierbei sind die mit mikro­ mechanischen Fertigungsverfahren hergestellte Un­ terätzung sowie das eigentliche Spiegelelement und die Elektroden 5 ersichtlich.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei welcher die Elek­ troden 5 für die Auslenkung unter den Ecken des freigeätzten Raumes angeordnet sind. Die Steuerung erfolgt wiederum durch Anlegen eines Potentials in der Größenordnung von 400 Volt.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei welcher die Elek­ troden 5 für die Auslenkung unter den Wirkflächen des Spiegels 1 und des Rahmens 2 jeweils orthogonal zu den einzelnen Torsionsachsen angeordnet sind. Die Steuerung erfolgt auch hierbei durch Anlegen eines Potentials von ca. 400 Volt.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung, bei der die Auslen­ kung des Spiegels um Achse in der oben beschriebe­ nen Art erfolgt. Die Auslenkung um die zweite Achse erfolgt hier durch eine elektromotorische Kompo­ nente. Diese Kraftwirkung wird durch eine Potentialdifferenz über den Rahmen 2 und einen da­ mit verbundenen Stromfluß durch die Schenkel des Rahmens 2 in Wechselwirkung mit einem äußeren Magnetfeld, hier erzeugt durch stromdurchflossene Leiter 6, induziert.

Fig. 7 zeigt eine Anordnung, bei der ebenfalls die Auslenkung um die zweite Achse durch eine elektro­ motorische Komponente erfolgt. Diese Kraftwirkung wird auch hierbei durch eine Potentialdifferenz über den Rahmen 2 und einen damit verbundenen Stromfluß durch die Schenkel des Rahmens 2 in Wech­ selwirkung mit einem äußeren Magnetfeld induziert. Das Magnetfeld wird in diesem Fall jedoch durch eine außerhalb des mikromechanischen Elementes an­ geordnete Baugruppe 7 erzeugt.

Claims (4)

1. Mikromechanische Ablenkeinrichtung für einen Spiegel, die auf einem Chip angeordnet ist, in dem sich unterhalb des Spiegels ein freigeätzter Raum befindet, unter dem Leiterbahnen zur Ansteuerung der Spiegelkippung angeordnet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - der Spiegel (1) mit einem Rahmen (2) kardanisch aufgehängt ist,
• - der Rahmen (2) mittels zweier diametral angeord­ neter Leiterbahnen (4.2) am Chip (3) schwenkbar be­ festigt ist und
• - der Spiegel (1) mittels zweier weiterer diametral angeordneter Leiterbahnen (4.2) am Rahmen (2) be­ festigt ist, wobei die weiteren Leiterbahnen (4.2) orthogonal zu den Leiterbahnen des Rahmens (2) an­ geordnet sind.

2. Mikromechanische Ablenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem freigeäz­ ten Raum vier Elektroden (5) an den Ecken der Grundfläche des Raumes angeordnet sind.

3. Mikromechanische Ablenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5) im Bereich der Verbindungslinien zwischen den Ecken der Grundfläche angeordnet sind.

4. Mikromechanische Ablenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Rahmen (2) vom Steuerstrom durchflossen wird,
• - unter dem freigeäzten Raum zwei Elektroden (5) auf der Grundfläche des Raumes angeordnet sind und
• - stromdurchflossene Leiter (6) außerhalb des Rah­ mens (2), vorzugsweise unterhalb desselben, ange­ ordnet sind.