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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrostatisch betätigte Vorrichtungen
für mikroelektromechanische
Systeme (MEMS) und genauer auf optische Verzweigungen mit elektrostatisch
betätigten
MEMS-Vorrichtungen.
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Elektrostatisch
betätigte
MEMS-Vorrichtungen wurden für
eine Vielfalt von Anwendungen vorgeschlagen. Bei einer Anwendung
derartiger Vorrichtungen werden verstellbare, mittels Mikrotechnik
bearbeitete Spiegel als ein Umschaltelement verwendet, um ein optisches
Eingangssignal zu einem gewünschten
Ausgang zu lenken. Die Bewegung der mittels Mikrotechnik bearbeiteten
Spiegel wird durch elektrostatische Betätigung erreicht. Ein Beispiel
eines einfachen elektrostatisch betätigten faseroptischen Umschalters
ist in Chen, Richard T., u. a., "A Low
Voltage Micromachined Optical Switch by Stress-Induced Bending", IEEE (1999), beschrieben. Die in Chen
u. a. beschriebenen elektrostatisch betätigten faseroptischen Umschalter
besitzen einzelne, drehbar gelagerte Spiegel, die am Ende eines
Biegebalkens aus polykristallinem Silicium (Polysilicium) befestigt
sind. Der Biegebalken ist auf seiner Oberseite mit einer gespannten
Schicht aus Chrom und Gold beschichtet. Während des Betriebs wird an
den Biegebalken eine Spannung angelegt, die ihn zum geerdeten Substrat
hin anzieht. Der Spiegel wird in den Lichtweg und aus ihm heraus
bewegt, sodass das Licht zu einem gegebenen, voreingestellten Ausgang
umgelenkt wird.
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Einer
der Nachteile des in Chen u. a. beschriebenen Umschalters liegt
darin, dass er nur eine begrenzte Anzahl von Eingangs- und Ausgangssignalen
aufnehmen kann. Der von Chen u. a. beschriebene Umschalter besitzt
zwei Eingangsfasern und zwei Ausgangsfasern. Wegen der begrenzten
Anzahl von Eingängen
und Ausgängen,
die von dem in Chen u. a. beschriebenen Umschalter gehandhabt werden können, wird
dieser Umschalter als Umschalter mit geringer Dichte bezeichnet.
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Einer
der Gründe
für die
geringe Dichte einer Umschalterkonstruktion, die die in Chen u.
a. beschriebenen Umschaltelemente verwendet, ist der, dass die Anzahl
von Umschaltelementen in einer derartigen Konstruktion proportional
zum Quadrat der Anzahl der Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse ist.
Dadurch hat ein Umschalter mit einer hohen Anzahl von Anschlüssen eine
untragbare Größe. Außerdem werden
in einem großen
Umschalter, bei dem eine derartige Konstruktion genutzt wird, die
Länge des
Lichtwegs und die entsprechende Einfügungsdämpfung untragbar groß.
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Eine
optische MEMS-Verzweigung mit höherer
Dichte ist in Neilson, David T., u. a., "Fully Provisioned 112 × 112 Micro-Mechanical
Optical Crossconnect With 35.8 Tb/s Demonstrated Capacity", Optical Fiber Communication
Conference (8. März
2000), beschrieben. In der in Neilson u. a. beschriebenen Verzweigung
ist eine 16 × 16-Matrix
aus Spiegeln auf einem Substrat gebildet. Die Spiegel sind durch
eine drehbar gelagerte Unterstützungsstruktur über die Substratoberfläche angehoben.
Die drehbar gelagerte Unterstützungsstruktur
ist am Substrat befestigt. Eine elektrostatische Kraft bewegt die
Spiegel. Das Anlegen eines elektrischen Potenzials an unter den Spiegeln
angeordnete Elektroden erzeugt die elektrostatische Kraft. In dieser
Anordnung werden Spiegel in einem gewünschten Ausmaß gekippt,
um das auf sie einfallende Licht zu einem gewünschten Ausgang in der Matrix
von Ausgängen
zu lenken. Bei einer vollständig
ausgestatteten Verzweigung sind nur ein Spiegel pro Eingang und
ein Spiegel pro Ausgang erforderlich (d. h. die Anzahl von Anschlüssen ist
N, und die Anzahl von Spiegeln ist 2N). Dadurch steigt in dieser
Konstruktion die Anzahl von Spiegeln proportional zu N und nicht
zu N2 (wie in der Konstruktion, die Elemente
von Chen u. a. verwendet).
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In
der in Neilson u. a. beschriebenen Verzweigungsvorrichtung ist ein
einzelnes Spiegelelement an einer beweglichen Unterstützungsstruktur (d.
h. einem Kardanrahmen) über
Torsionselemente wie etwa Federn befestigt. Der Kardanrahmen ist, ebenfalls über Torsionselemente,
mit einem Rahmen gekoppelt. Zwei Torsionselemente koppeln den Spiegel
mit dem Kardanrahmen, und die zwei Spiegeltorsionselemente sind
an gegenüber
liegenden Seiten des Spiegelelements angebracht und definieren eine Achse
für die
Spiegeldrehung. Ähnlich
koppeln zwei Torsionselemente den Kardanrahmen mit dem Rahmen, und
die zwei Kardanrahmen-Torsionselemente sind an gegenüber liegenden
Seiten des Kardanrahmens angebracht und definieren eine Achse für die Kardanrahmendrehung.
Die Drehachse des Spiegels ist orthogonal zur Drehachse des Kardanrahmens.
In ihrem entspannten Zustand halten diese Torsionselemente den beweglichen
Spiegel und den Kardanrahmen in einer Ebene parallel zur Ebene der
Substratoberfläche.
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Unmittelbar
unter dem Spiegel und dem Kardanrahmen sind Elektroden angebracht.
Die Elektroden sind so konfiguriert, dass sie das Spiegelelement oder
den Kardanrahmen in jeder Richtung um seine Achse drehen können. Das
Spiegelelement oder der Kardanrahmen dreht sich in Reaktion auf
die elektrostatische Anziehungskraft zwischen dem Spiegelelement
oder dem Kardanrahmen und den fest angebrachten Elektroden. In einer
Gleichgewichtsposition bei einem gegebenen Winkel des Spiegels (null
Grad ist der Winkel in seinem entspannten, nicht gekippten Zustand)
wird die Anziehungskraft durch die Rückstellkraft der Torsionselemente
ausgeglichen. Das Ausmaß der
Drehung hängt
vom Betrag der an die Elektroden angelegten Spannung ab. Dadurch
steuert die Steuerung des Betrags der an die Elektrode angelegten
Spannung den Kippwinkel.
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Die
in Neilson u. a. beschriebene Verzweigung ist so konfiguriert, dass
jeder der 112 Eingänge mit
jedem der 112 Ausgänge
verbunden werden kann. Um diese Anzahl von Verbindungen bereitzustellen,
muss die Verzweigung (d. h. die Spiegelmatrix), in der Lage sein,
das Eingangssignal zum gewünschten
Ausgangsanschluss zu lenken. Die Steuerung des Kippwinkels des Spiegels,
um ein Eingangssignal zum gewünschten
Ausgangsanschluss zu lenken, ist von großer Bedeutung. Folglich muss der
Spiegel präzise
gekippt werden. Wie zuvor angemerkt wurde, definiert die Gleichgewichtsposition
des Spiegels (die elektrostatische Kraft zwischen den Elektroden
und dem Spiegel wird durch die Rückstellkraft
der Torsionselemente ausgeglichen) den Kippwinkel des Spiegels.
Daher sind Mechanismen zur richtigen und präzisen Steuerung der Spiegelneigung wünschenswert.
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Die
vorliegende Erfindung ist allgemein auf eine elektrostatisch betätigte MEMS-Vorrichtung
gerichtet. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung einen
Aktuator für
ein mikroelektromechanisches System (MEMS), der aufweist:
ein
betätigtes
Element, das mit einer Unterstützungsstruktur
drehbar gekoppelt ist, wobei die Unterstützungsstruktur das betätigte Element
in einer Ebene über
der Ebene einer Oberfläche
eines darunter liegenden Substrats hält und wobei der Abschnitt
der Oberfläche
des darunter liegenden Substrats, der direkt unter dem betätigten Element
liegt, einen Kippbereich auf dem darunter liegenden Substrat definiert;
eine
Elektrode, die auf der Oberfläche
des darunter liegenden Substrats gebildet ist, wobei die Elektrode so
konfiguriert ist, dass sie das betätigte Element dazu veranlasst,
sich zu drehen, wenn an die Elektrode ein elektrisches Potenzial
angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode wenigstens
drei Komponenten besitzt, eine erste Komponente und eine dritte Komponente,
die so beschaffen sind, dass sie eine Betätigungsspannung empfangen,
und eine zweite Komponente, die so beschaffen ist, dass sie auf
einem elektrischen Potenzial liegt, das im Wesentlichen gleich dem
elektrischen Potenzial des betätigten
Elements ist, wobei die erste Komponente und die zweite Komponente
sich wenigstens teilweise in dem Kippbereich des betätigten Elements
befinden, die dritte Komponente so konfiguriert und angeordnet ist,
dass sie eine nichtlineare Beziehung zwischen einer Kraft zwischen
dem betätigten
Element und der ersten Elektrode und Torsionselementen, die das
betätigte
Element mit der Unterstützungsstruktur verbinden,
kompensiert und sich außerhalb
des Kippbereichs des betätigen
Elements wenigstens in einem Teil eines Drehbereichs des betätigten Elements
befindet, und die zweite Komponente zwischen die erste Komponente
und die dritte Komponente eingefügt
ist.
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Die
MEMS-Aktuatorvorrichtung besitzt ein betätigtes Element (z. B. ein optisches
Element wie etwa einen Spiegel). Das betätigte Element ist an einer
Unterstützungsstruktur über Torsionselemente befestigt,
die eine Drehachse für
das optische Element definieren. Üblicherweise sind für diesen
Zweck zwei Torsionselemente vorgesehen, die an gegenüber liegenden
Seiten des optischen Elements angebracht sind. Die Unterstützungsstruktur
wird durch ein Substrat unterstützt.
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In
bestimmten Ausführungsformen
ist die Unterstützungsstruktur
an einem Unterstützungssubstrat
beweglich angebracht. Ein Beispiel einer beweglichen Unterstützungsstruktur
ist ein Kardanrahmenring. Die Kardanrahmenkonfiguration stattet das
betätigte
Element mit einer zweiten Drehachse aus und bietet folglich eine
größere Anzahl
von Spiegelpositionen. Die Substratoberfläche, die unter dem betätigten Element
bzw. unter der Unterstützungsstruktur
liegt, besitzt darauf gebildete, fest angebrachte Elektroden. Die
Kombination von Elektroden und dem betätigten Element bzw. der Unterstüt zungsstruktur
bilden den elektrostatischen Aktuator. Das betätigte Element bzw. die Unterstützungsstruktur
bewegt sich in Reaktion auf eine Differenz im elektrischen Potenzial
zwischen ihm bzw. ihr und der darunter liegenden Elektrode.
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Die
Elektrode ist so konfiguriert, dass sie eine elektrostatische Kraft
zwischen dem betätigten Element
und der darunter liegenden Elektrode erzeugt. Die elektrostatische
Kraft veranlasst das betätigte
Element dazu, sich um die von den Torsionselementen definierte Achse
zu drehen. In einer Ausführungsform
ist ein Elektrodenpaar vorgesehen, um eine Drehung des betätigten Elements
sowohl in Uhrzeigerrichtung als auch gegen die Uhrzeigerrichtung zu
bewirken.
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Die
Elektrode besitzt drei Komponenten. Die erste Komponente ist die
Elektrode, die eine Drehung um die Achse veranlasst, indem sie zwischen
dem betätigten
Element und der Elektrode eine elektrostatische Anziehungskraft
bereitstellt. Die zweite Komponente ist eine neutrale Elektrode.
So, wie sie hier verwendet wird, ist eine neutrale Elektrode eine
Elektrode, die in Bezug auf das betätigte Element neutral ist.
Das bedeutet, die neutrale Elektrode liegt auf der gleichen Spannung
oder dem gleichen Potenzial wie das betätigte Element. Die dritte Komponente
ist so konfiguriert, dass die das nichtlineare Charakteristikum
der elektrostatischen Kraft kompensiert, die das betätigte Element
dazu veranlasst, sich zu drehen.
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Die
elektrostatische Kraft ist nichtlinear, da die Kraft bei einer gegebenen
angelegten Spannung zunimmt, wenn sich das betätigte Element zur Elektrode
hin dreht. Bei einer festen angelegten Spannung (d. h. einer Spannung,
die größer ist
als die zum Bewegen des optischen Elements erforderliche Spannung)
und einem entsprechenden Ausmaß der Drehung
(gemessen als der Kippwinkel des optischen Elements aus dem ebenen
Zu stand) steigt die elektrostatische Kraft mit einer höheren Rate
als die Rückstellkraft
der Torsionselemente. An diesem Punkt ist das Ausmaß des Kippens
nicht mehr steuerbar. Daher wird das betätigte Element nur bis zu einem
gewissen endlichen Winkel steuerbar gedreht, nach dessen Überschreiten
die Drehung nicht mehr steuerbar ist.
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Die
dritte Komponente der Elektrode kompensiert diese nichtlineare Beziehung
zwischen der elektrostatischen Kraft und der Rückstellkraft der Torsionselemente.
Daher erweitert die dritte Komponente der Elektrode den Winkelbereich, über den
das betätigte
Element steuerbar gedreht wird (verglichen mit einem optischen Element,
das unter Verwendung einer Ein-Komponenten- oder einer Zwei-Komponenten-Elektrode
gedreht wird).
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Die
Konfiguration der Drei-Komponenten-Elektrode der vorliegenden Erfindung
wird hinsichtlich ihrer Anordnung relativ zu einem Kippbereich beschrieben,
der durch das betätigte
Element definiert ist. Für
Zwecke der vorliegenden Erfindung ist der Kippbereich des betätigten Elements
der Oberflächenbereich
des betätigten
Elements, wie er auf die Oberfläche
projiziert wird, die unter dem betätigten Element liegt. Bei einer
gegebenen Elementkonfiguration ändert
sich der Kippbereich in Abhängigkeit
vom Kippwinkel. Gewöhnlich
ist der Kippbereich größer, wenn
das betätigte
Element nahezu parallel zur darunter liegenden Oberfläche ist
(d. h. der Kippwinkel etwa null Grad beträgt), und kleiner, wenn das
betätigte
Element zur darunter liegenden Oberfläche hin kippt (d. h. der Kippwinkel
größer wird).
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Für Zwecke
der vorliegenden Erfindung befindet sich eine Elektrodenkomponente
innerhalb des Kippbereichs, wenn über die gesamte Kippweite wenigstens
ein Abschnitt dieser Komponente unter dem betätigten Element liegt. Umgekehrt
befindet sich eine Elektrodenkomponente außerhalb des Kippbereichs, wenn
sich über
we nigstens einen Teil der Kippweite die gesamte Elektrodenkomponente
außerhalb
des Kippbereichs befindet. Folglich befinden sich die erste und
die zweite Elektrodenkomponente innerhalb des Kippbereichs, da wenigstens
ein Abschnitt sowohl der ersten als auch der zweite Komponente über die
gesamte Kippweite unter dem optischen Element liegt. Die dritte
Elektrodenkomponente befindet sich außerhalb des Kippbereichs, da
sich über
wenigstens einen Teil der Kippweite die dritte Elektrodenkomponente
vollständig
außerhalb
des Kippbereichs des optischen Elements befindet. Es ist vorteilhaft,
wenn sich die dritte Komponente über
die gesamte Kippweite vollständig
außerhalb
des Kippbereichs des optischen Elements befindet.
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Die
Position der Elektrodenkomponente relativ zum Kippbereich des betätigten Elements
ist bedeutsam, da die Position der Elektrodenkomponente die Lage
des von der Elektrodenkomponente erzeugten elektrostatischen Feldes
definiert. Genauer gesagt, erhöht
die dritte Komponente der Elektrode bei einer gegebenen Spannung
die elektrostatische Kraft (verglichen mit der Kraft/Spannungs-Beziehung
bei einer Elektrode ohne die dritte Komponente), wenn das vom dritten
Element erzeugte elektrostatische Feld unter dem betätigten Element
stärker
ist als über dem
betätigten
Element. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden die
Winkel in dem Bereich, in dem sich das elektrostatische Feld hauptsächlich unter
dem betätigten
Element befindet, als die kleinen Kippwinkel bezeichnet. Die dritte
Komponente verringert bei einer gegebenen Spannung die elektrostatische
Kraft (wiederum verglichen mit der Kraft/Spannungs-Beziehung bei
einer Elektrode ohne die dritte Komponente), wenn das von der dritten
Komponente erzeugte elektrostatische Feld über dem betätigten Element stärker ist
als unter dem betätigten
Element. Dadurch wird die Unterseite des betätigten Elements von wenigstens
einem Teil des elektrostatischen Feldes ab geschirmt, das unter diesen
Bedingungen von der dritten Komponente erzeugt wird.
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Im
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden die Winkel in
dem Winkelbereich, in dem die Unterseite des betätigten Elements vom elektrostatischen
Feld abgeschirmt wird und das Oberteil des Spiegels dem elektrostatischen
Feld ausgesetzt ist, als die großen Kippwinkel bezeichnet. Für Zwecke
der vorliegenden Erfindung erstreckt sich der Kippwinkelbereich
von null Grad (definiert als der Kippwinkel des Spiegels in seinem
unbetätigten
Zustand) bis zu dem Winkelbereich, in dem die Drehung steuerbar
ist (d. h. dem maximalen Kippwinkel). Dadurch ist der Winkelbereich,
in dem die Drehung gesteuert ist, gegenüber einem Aktuator erweitert,
dessen Elektrode so konfiguriert ist, dass sich wenigstens ein Abschnitt
sämtlicher
Elektrodenkomponenten innerhalb des Kippbereichs der optischen Vorrichtung
befindet.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines optischen Elements, das elektrostatisch
betätigt
wird.
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2 ist
eine seitliche Teilschnittansicht, die schematisch entlang der Linie
2-2 einen Abschnitt des optischen Elements in 1 zeigt,
das durch eine Zwei-Komponenten-Elektrode
elektrostatisch betätigt
wird.
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3 ist
eine schematische Seitenansicht eines optischen Elements, das durch
die Drei-Komponenten-Elektrode der vorliegenden Erfindung elektrostatisch
betätigt
wird.
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4 ist
eine perspektivische Einzelteildarstellung, die eine Ausführungsform
eines elektrostatischen Aktuators der vorliegenden Erfindung und eine
darüber
liegende optische Vorrichtung veranschaulicht.
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5 ist
eine perspektivische Einzelteildarstellung, die eine Ausführungsform
eines elektrostatischen Aktuators der vorliegenden Erfindung und eine
darüber
liegende optische Vorrichtung veranschaulicht.
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6 veranschaulicht
in Abhängigkeit
von der Spannung den Kippwinkelbereich, der unter Verwendung des
Aktuators der vorliegenden Erfindung erzielt wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf einen elektrostatischen MEMS-Aktuator
gerichtet. Die elektrostatisch betätigte MEMS-Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung wird hierin hinsichtlich eines optischen Elements
und einer zugeordneten Elektrode beschrieben. Das optische Element
ist so konfiguriert, dass es sich in Reaktion auf das Einwirken
einer elektrostatischen Kraft dreht. Die zugeordnete Elektrode ist
so konfiguriert, dass sie die elektrostatische Kraft erzeugt, die
das optische Element dazu veranlasst, sich zu drehen.
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Ein
Beispiel eines drehbaren optischen Elements für ein MEMS wird unter Bezug
auf 1 beschrieben. Die Vorrichtung 10 besitzt
einen Reflektor 15, der an einem Unterstützungsring 20 drehbar
befestigt ist. Der Reflektor 15 ist über Federelemente 21 und 22 drehbar
befestigt. Federelemente 21 und 22 definieren
die Drehachse für
den Reflektor 15.
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Der
Unterstützungsring 20 ist
an einem Rahmen 25 drehbar befestigt. Der Unterstützungsring 20 ist über Federelemente 26 und 27 an
einem Rahmen 25 drehbar befestigt. Federelemente 26 und 27 definieren
die Drehachse für
den Unterstützungsring 20. Daher
ist der Unterstützungsring 20 ein
Kardanrahmen, der eine zweite Drehachse für den Reflektor 15 bereitstellt.
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Die
optische Vorrichtung ist auf einer Substratoberfläche 30 gebildet.
Der Reflektor 15, der Kardanrahmen 20 und der
Rahmen 25 werden über
die Oberfläche
des Sub strats 30 angehoben. Für diesen Zweck sind drehbar
gelagerte Seitenwände 35 und 36 vorgesehen.
Damit sich die Seitenwände 35 und 36 von
einer ersten (nicht gezeigten) Position zu der in 1 veranschaulichten
Position drehen können, sind
Scharniere 38 vorgesehen.
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Die
Seitenwände 35 und 36 besitzen
V-förmige
Nuten 41. Die Seitenwände 35 und 36 sind
an den Rahmen 25 gekoppelt. Der Rahmen besitzt abgeschrägte Abschnitte 40.
Die relative Position der V-förmigen
Nut 41 und des abgeschrägten
Abschnitts 40 ist so konfiguriert, dass die V-förmige Nut den
abgeschrägten
Abschnitt 40 aufnimmt. Dadurch wird der Rahmen 25 durch
die Seitenwände 35 und 36 in
der endgültigen
Position fixiert, wenn sich die Seitenwände 35 und 36 in
ihre aufrechte Position drehen und sich der Rahmen 25 mit
dem Unterstützungsring 20 und
dem Reflektor 15 in seine endgültige Position über der
Substratoberfläche
anhebt.
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Um
den Rahmen 25 über
die Oberfläche
des Substrats 30 anzuheben, sind Aktuatoren 70 vorgesehen.
Die Aktuatoren 70 sind an einem Ende am Substrat 30 befestigt
(nicht gezeigt). Das andere Ende 72 des Aktuators 70 ist
nicht am Substrat befestigt und biegt sich in Reaktion auf eine
Betätigungskraft
(z. B. eine Restspannung in der geschichteten Struktur) vom Substrat
nach oben ab. Derartige Aktuatoren sind dem Fachmann auf dem Gebiet
allgemein bekannt und werden hier nicht genau beschrieben. Geeignete
Aktuatoren sind in der gemeinsam übertragenen US-Serien-Nr. 09/390157,
eingereicht am 3. September 1999, beschrieben, die hier durch Literaturhinweis
eingefügt
ist.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung wird mittels mikrotechnischer
Verfahren gefertigt. Mikrotechnische Verfahren zum Bilden von MEMS-Vorrichtungen
sind dem Fachmann auf dem Gebiet allgemein bekannt. Ein derartiges
mikrotechnisches Verfahren wird als Oberflächenmikrobearbeitung bezeichnet.
Bei der Oberflächenmikrobear beitung
wird ein Element gezeichnet und in einer oder mehreren auf einem
Substrat definierten Schichten aus Werkstoff gebildet. Bei einem
Beispiel der Oberflächenmikrobearbeitung
befindet sich das Element in drehbarer Verbindung mit einer Unterstützungsschicht. Das
Verfahren ist in Pister u. a., "Micro-fabricated Hinges", Bd. 33, Sensors
and Actuators, S. 249–256 (1997),
beschrieben. Das Element wird dann vom Substrat gelöst, indem
eine Opferschicht (üblicherweise
Siliciumdioxid) entfernt wird, die sich zwischen dem Element und
dem Substrat befindet. Da sich das Element in drehbarer Verbindung
mit der Unterstützungsschicht
befindet, kann es aus der Ebene der Unterstützungsschicht heraus gedreht
werden, nachdem es gelöst
wurde. Nach dem Lösen
werden derartige Elemente daher aus der Ebene der Schicht, in der
sie gefertigt wurden, heraus gedreht, damit sie zu dreidimensionalen
Strukturen zusammentreten können.
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Mit
der Oberflächenmikrobearbeitung
ist eine höhere
Auflösung
(d. h. eine präzisere
Zeichnung und Definition) der Elemente, die die dreidimensionale
Struktur bilden, leichter zu erzielen, als wenn die dreidimensionale
Struktur mittels eines dreidimensionalen Fertigungsverfahrens hergestellt
würde.
Die höhere
Auflösung
ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass
eine hohe vertikale Auflösung
(d. h. eine Auflösung
in der zur Substratoberfläche
senkrechten Richtung) schwieriger zu erzielen ist als eine planare
Auflösung
(d. h. eine Auflösung
in der Schichtebene). Die Oberflächenmikrobearbeitung kombiniert
den Vorteil einer hohen planaren Auflösung der Elemente mit der Fähigkeit,
zu dreidimensionalen Strukturen von Elementen zusammenzutreten,
nachdem sie vom Substrat gelöst
wurden.
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Ein
Beispiel für
den Ansatz mit Oberflächenmikrobearbeitung
wird auch als Mehr-Benutzer-MEMS-Verfahren (MUMPs) bezeichnet. Das MUMPs-Verfahren
wird von einer kommerziellen MEMS-Gießerei, Cronos JDS Uniphase,
ange boten. Das MUMPs-Verfahren ist in Aksyuk, V., "Micro Electro Mechanical
Systems for Experimental Physics and Optical Telecommunication", Dissertation, New Brunswick,
NJ: Rutgers University (1999), allgemein beschrieben, die hiermit
durch Literaturhinweis eingefügt
ist.
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In 1 ist
der Reflektor 15 als um seine Achse 1-1 gekippt veranschaulicht.
Der Unterstützungsring 20 ist
als um seine Achse 2-2 gekippt veranschaulicht. Ein derartiges Kippen
wird erreicht, indem eine elektrostatische Kraft auf den Reflektor 15 oder
den Unterstützungsring 20 oder
beide ausgeübt wird.
Genauer gesagt, werden der Unterstützungsring 20 und
der Reflektor 15 durch Torsionselemente im Raum gehalten,
die als Federn 21, 22, 26 und 27 veranschaulicht
und linearelastische Aufhängungselemente
sind. Die Federn 21, 22, 26 und 27 sind
so konfiguriert, dass sich der Reflektor 15 und der Unterstützungsring 20 in
Bezug auf den festen Rahmen 25 mit einem oder mit mehreren
Freiheitsgraden bewegen können.
Die Federn 21, 22, 26 und 27 sind
außerdem
so konfiguriert, dass sie eine Rückstellkraft bereitstellen.
Die Federn sind so konfiguriert, dass sie eine Drehbewegung des
Reflektors gegenüber
einer Verschiebungsbewegung begünstigen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist eine Verschiebungsbewegung
eine Bewegung in der X-, der Y- und der Z-Richtung. Eine Drehbewegung
ist eine Drehung um die durch die Federn definierte Achse. Beispiele
von geeigneten Konfigurationen für die
Torsionselemente umfassen eine Serpentinenkonfiguration oder einen
geraden Balken mit rechteckigem Querschnitt. Eine vorteilhafte Konfiguration widersteht
einer Verschiebung in der z-Richtung und bietet die gewünschte Drehsteifigkeit
um die Achse des Torsionselements.
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Der
Fachmann auf dem Gebiet kann anhand dieser Gesichtspunkte eine geeignete
Konfiguration für
die Federn auswählen.
Eine Elektrodenstruktur nach dem Stand der Technik ist in 2.
veranschaulicht 2 ist eine Teilschnittansicht
einer Hälfte
des Reflektors 15 entlang der Linie 2-2 in 1. Die
eine Hälfte
des Reflektors 15 ist die Hälfte von seiner Drehachse entlang
der Linie 2-2 bis zu seinem Umfang. Die Linie 1-1 ist die Drehachse
des Reflektors 15. Diese Drehachse ist in 2 als
Punkt 75 veranschaulicht. Der Pfeil 76 zeigt die
Drehrichtung an.
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Die
Elektrode 80 hat zwei Komponenten 81 und 82.
Die Elektroden sind leitfähige
Elemente, die auf dem Substrat 30 gebildet sind. Die Elektrodenkomponente 81 ist
mit einer (nicht gezeigten) Spannungsquelle elektrisch verbunden.
Die Elektrodenkomponente 82 ist in Bezug auf den Reflektor 15 neutral
(d. h. die Potenzialdifferenz zwischen der Elektrodenkomponente 82 und
dem Reflektor 15 ist null). Folglich sind die Elektrodenkomponente 82 und der
Reflektor 15 entweder mit einer gemeinsamen Spannung oder
mit Masse verbunden. An die Elektrodenkomponente 81 wird
eine von null verschiedene Spannung angelegt, um den Reflektor 15 zu
drehen. Da der Reflektor 15 ebenfalls leitfähig ist,
wird zwischen dem Reflektor 15 und der Elektrodenkomponente 81 eine
elektrostatische Kraft erzeugt. Die Kraft erzeugt ein von null verschiedenes
Drehmoment um die Drehachse. In Reaktion auf das elektrostatische
Drehmoment dreht sich der Reflektor 15 aus seiner (durch
die gestrichelte Linie 85 angegebenen) Ruheposition um
einen Winkel α.
Für das
Reflektorelement 15 in seiner gedrehten Position, der Gleichgewichtsposition,
ist die Summe des elektrostatischen Drehmoments und des Rückstelldrehmoments
der Federn (21 und 22 in 1) gleich
null. In dieser Anordnung ist das elektrostatische Drehmoment bei
einer gegebenen, von null verschiedenen Spannung eine Funktion von α.
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Wegen
dieser Beziehung gibt es einen maximalen Winkel α, um den der Spiegel auf eine
stabile Weise gedreht werden kann. Über diesen maximalen Abstand
hinaus wird der Reflektor instabil (d. h. seine Position kann nicht
durch Steuern der angelegten Spannung gesteuert werden). Bei der
in 2 veranschaulichten Konfiguration ist der maximale
Winkel α durch
den Winkel definiert, bei dem der Reflektor 44 einen Punkt
A überschreitet,
der etwa vierundvierzig Prozent des gesamten Abstands von der Linie 85 zum
Ende der Elektrode 80 entspricht. Diese Linie ist in 2 als
Linie 74 veranschaulicht.
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Ein
Ausführungsform
einer Elektrode, die eine (verglichen mit der in 2 veranschaulichten Elektrodenkonfiguration
nach dem Stand der Technik) verbesserte Steuerung der Reflektorneigung
erzielt, ist in 3 veranschaulicht. Wie bei der
in 2 veranschaulichten Ausführungsform nach dem Stand der
Technik hat die Elektrode 80 zwei Komponenten 81 und 82.
Die Komponente 81 ist so beschaffen, dass sie eine Spannung
zum Erzeugen einer elektrostatischen Kraft zwischen der Komponente 81 und
dem Reflektor 15 empfängt.
Die Komponente 82 ist in Bezug auf den Reflektor 15 neutral.
Es ist anzumerken, dass die Elektrodenkomponente 82 nahe
an der Kante des Reflektors 15 endet. Dies sollte mit der
Komponente 82 in 2 verglichen
werden, die sich über
die Kante des Reflektors 15 hinaus erstreckt.
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Die
Elektrode 80 besitzt auch eine dritte Komponente 83.
Die Komponente 83 befindet sich außerhalb des Kippbereichs des
Reflektors 15. Die dritte Komponente 83 ist, wie
die Komponente 81, so beschaffen, dass sie eine Spannung
empfängt.
Die Elektroden 81 und 83 können elektrisch verbunden sein
oder unabhängig
voneinander mit Spannung versorgt werden. Die Komponente 83 dient
zwei Zwecken. Wie zuvor angemerkt wurde, ist in einem ersten (nicht
gezeigten) Kippwinkelbereich das elektrische Feld der Elektrode
zwischen der Unterseite des Reflektors und der Elektrode konzentriert.
Die Kraft ist daher anziehend, ungeachtet der Feldrichtung, die
willkürlich
ist (abhängig
vom Vorzeichen der Spannung). Daher stellt die Elektrode eine Zugkraft (d.
h. ein posi tives Drehmoment) bereit, wenn der Kippwinkel klein ist.
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In
einem zweiten Kippwinkelbereich (d. h. bei den großen Kippwinkeln,
wie sie zuvor definiert wurden und in 3 veranschaulicht
sind) erzeugt das elektrische Feld der Komponente 83 eine
Aufwärtskraft
auf den Reflektor 15. Diese Aufwärtskraft ist durch den Pfeil 87 veranschaulicht.
Die Aufwärtskraft rührt daher,
dass die Elektrodenkomponente 83 an der Seite des Reflektors 15 angeordnet
ist und dass die Elektrodenkomponente 82 vorhanden ist.
Ohne die Gegenwart der Elektrodenkomponente 82 würde die
Elektrodenkomponente 83 im Wesentlichen kein Drehmoment
auf den Reflektor 15 ausüben, da sich die Elektrodenkomponente 83 an
der Seite des Reflektors 15 befindet. Jedoch schirmt die
Elektrodenkomponente 82 das elektrische Feld der Komponente 83 an
der Unterseite des Reflektors 15 ab. Dadurch erzeugt das
elektrische Feld der Komponente 83 eine Aufwärtskraft
auf die Oberseite des Reflektors 15 und ein negatives Drehmoment
am Reflektor 15. Dieses elektrische Feld ist als Pfeil 88 veranschaulicht.
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Somit
verringert eine Elektrodenkomponente 83 bei Spannungen,
die kleine Kippwinkel bewirken, die erforderliche Betätigungsspannung
(verglichen mit einer Elektrode ohne eine Komponente 83).
Bei Spannungen, die große
Kippwinkel bewirken, verringert die Elektrodenkomponente 83 die
Rate, mit der die resultierende elektrostatische Abwärtskraft
bei steigendem Kippwinkel zunimmt (verglichen mit einer Elektrode
ohne eine Komponente 83). Somit erweitert die Elektrodenkomponente 83 den
Kippwinkel, bei dem der Reflektor eine stabile Reaktion zeigt (verglichen
mit einer Elektrode ohne eine Komponente 83).
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird davon ausgegangen, dass die zweite
Elektrodenkomponente sich über
den Kippbereich des darüber
liegenden Elements hinaus er streckt. Dem Fachmann auf dem Gebiet
ist bekannt, dass das elektrische Feld der dritten Elektrodenkomponente
eine Funktion der Abmessungen der dritten Elektrodenkomponente sowie der
Abmessungen und der Positionen sämtlicher
anderen Komponenten und des darüber
liegenden Elements ist. Das bedeutet, dass bei einer vorhandenen dritten
Elektrodenkomponente die Wirkung des Feldes auf das darüber liegende
optische Element mit zunehmendem Abstand zwischen der dritten Elektrodenkomponente
und dem darüber
liegenden optischen Element allgemein abnimmt. Weiterhin kann das
Feld der dritten Elektrodenkomponente, wenn sich die dritte Elektrodenkomponente
deutlich in den Kippbereich des darüber liegenden optischen Elements
hinein erstreckt, bewirken, dass das darüber liegende optische Element
während
des Kippens instabil wird.
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In
einer alternativen Ausführungsform
befindet sich die zweite Elektrodenkomponente unter der ersten und
der dritten Komponente. Diese Konfiguration ist leicht zu fertigen,
da die Substrate, auf denen die Elektroden gebildet werden, gewöhnlich leitfähig sind.
Daher kann die Substratoberfläche
selbst die zweite Elektrodenkomponente darstellen.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 4 beschrieben.
In 4 ist ein kardanisch aufgehängter Spiegel 100 als über einem
Elektrodensubstrat 110 liegend veranschaulicht. Das Spiegelelement 115 ist
rund und hat einen Durchmesser von 500 Mikrometern. Das Spiegelelement 115 ist über linearelastische
Federn 116 und 117 am Kardanrahmen 120 befestigt.
Das Kardanrahmenelement 120 hat einen Außendurchmesser
von 660 Mikrometern. Das Kardanrahmenelement 120 ist über linearelastische
Federn 120 und 121 am Rahmen 125 befestigt.
Die linearelastischen Elemente 116 und 117 definieren
die Drehachse für das
Spiegelelement 115. Linearelastische Elemente 121 und 122 definieren
die Drehachse für
das Kardanrahmenelement 120.
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Das
Elektrodensubstrat 110 befindet sich in einem Abstand von
50 Mikrometern unter dem kardanisch aufgehängten Spiegel 100 (in
dessen planarem Zustand). Es liegen zwei Sätze von Elektroden vor, jeweils
ein Satz an jeder Seite der Drehachse, die durch die linearelastischen
Elemente 121 und 122 definiert ist. Die Elektroden,
die den Kardanrahmen drehen, sind die Elektroden 132 und 132' sowie 133 und 133'. Um den Kardanrahmen
auf die in 4 beschriebene Weise zu drehen,
wird an die Elektroden 132' und 133' eine Spannung
angelegt. Die anderen Elektroden (130, 130'; 131, 132 und 133)
sind neutral (0 Volt). Es ist anzumerken, dass sich die Elektrode 133' außerhalb
des Kippbereichs des Kardanrahmenelements 120 befindet.
Dadurch ist in dieser Ausführungsform
die Elektrode 132' die
erste Elektrodenkomponente, die Elektrode 133' die dritte
Elektrodenkomponente und die Elektrode 131 die zweite Elektrodenkomponente.
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Um
den Spiegel 115 auf die in 5 beschriebene
weise zu drehen, wird an die Elektroden 130, 132 und 132' eine Spannung
angelegt, und an sämtliche
anderen Elektroden werden 0 Volt angelegt. Es ist anzumerken, dass
sich die Elektroden 132 und 132' außerhalb des Kippbereichs des
Spiegels 115 befinden. Dadurch ist in dieser Ausführungsform die
Elektrode 130 die erste Elektrodenkomponente, die Elektrode 131 ist
die zweite Elektrodenkomponente, und die Elektroden 132 und 132' sind die dritte Elektrodenkomponente.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch den in 6 veranschaulichten
Vergleich klar. 6 veranschaulicht für zwei Aktuatorkonfigurationen
den Drehwinkel als Funktion der Spannung. Die erste Konfiguration
besitzt eine Zwei-Komponenten-Elektrode, wobei sich ein Abschnitt
von beiden Komponenten innerhalb des Kippbereichs befindet. Die
Relation des Kippwinkels als Funktion der Spannung ist als Linie 200 veranschau licht.
Die zweite Konfiguration besitzt eine Drei-Komponenten-Elektrode
der vorliegenden Erfindung, wie in 5 veranschaulicht.
Die Relation des Kippwinkels als Funktion der Spannung beim Aktuator
der vorliegenden Erfindung ist als Linie 210 veranschaulicht.
Der Vergleich der Linie 210 mit der Linie 200 veranschaulicht
deutlich, dass der Aktuator der vorliegenden Erfindung einen größeren Kippwinkelbereich
aufweist als der Aktuator mit der Zwei-Komponenten-Elektrode.
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Die
vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich bestimmter Ausführungsformen
und Beispiele beschrieben. Diese Ausführungsformen und Beispiele sind
dazu bestimmt, die Erfindung näher
zu beschreiben. Der Fachmann auf dem Gebiet erkennt, dass Modifikationen
an den hierin vorgesehenen Ausführungsformen
und Beispielen möglich
sind, ohne dass vom Umfang der Ansprüche abgewichen wird. Genauer
gesagt, erkennt der Fachmann auf dem Gebiet eine Vielfalt von Anwendungen
des beschriebenen Aktuators, während
der elektrostatische Aktuator hinsichtlich eines optischen Umschalters
beschrieben wurde. Beispielsweise kann der Aktuator der vorliegenden
Erfindung ohne Weiteres auf die Verwendung als Sensor angepasst
werden, wobei das betätigte
Element mit einer Sondenspitze ausgestattet ist.