WO2007006299A1 - Mikroaktuator - Google Patents

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WO2007006299A1
WO2007006299A1 PCT/DE2006/001235 DE2006001235W WO2007006299A1 WO 2007006299 A1 WO2007006299 A1 WO 2007006299A1 DE 2006001235 W DE2006001235 W DE 2006001235W WO 2007006299 A1 WO2007006299 A1 WO 2007006299A1
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WO
WIPO (PCT)
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deflection
restoring
microactuator according
microactuator
force
Prior art date
Application number
PCT/DE2006/001235
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Dürr
Jan Schmidt
Andreas Gehner
Detlef Kunze
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO2007006299A1 publication Critical patent/WO2007006299A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/006—Electrostatic motors of the gap-closing type

Definitions

  • microactuators which are versatile, e.g. as a surface light modulator, scanner mirrors, optical cross connectors, microvalves, microswitches, micropumps and the like. may be formed and then also a small space required making can be arranged in large numbers in array form.
  • a single microactuator has dimensions that can be smaller than 1 mm.
  • a deflectable element is present, which can be deflected electrostatically, magnetically, electromagnetically, utilizing piezoelectric effects but also defined by thermal expansion.
  • the element can be moved translationally and / or pivoted about one or more axis (s).
  • the deflectable elements of microactuators are usually held by means of elastic return elements, preferably springs. For the deflection, a gap is provided within which the deflection can take place.
  • gap size can only be utilized to a small extent, generally about 25%. This is always the case when a deflection is to take place at least approximately or completely parallel to a field.
  • microactuators are often operated electrostatically or electromagnetically.
  • the deflection takes place in one direction, against the force of elastic return elements, which act on deflectable elements. Often these are feathers.
  • the achievable deflection can be limited or adjusted by means of mechanical stops or by setting a meta-stable balance of forces in one position.
  • the deflectable element reaches its initial position. Limiting the return movement can be achieved with mechanical stops.
  • the electrostatic force is proportional to the square of the applied electrical voltage divided by the respective instantaneous plate distance to E- electrodes.
  • the force component in the direction of deflection of a "comb drive" actuator is generated by the stray fields which are unaffected by the respective deflection, thereby significantly increasing the force required for deflection just before the tips of the comb fingers meet the base of the opposing comb
  • the deflection range can be greater than half the distance between the tips of comb elements and the opposing comb base.
  • the electrostatic forces are proportional to the square of the applied voltage, but the deflection is not linear when using linear characteristic springs.
  • the microactuator according to the invention can be designed in many ways like conventional microactuators and can also be driven in this way.
  • the deflection of the respective element can take place translationally or rotationally or a combination of these movements. But it can also be a tilt, especially if only a restoring element engages a deflectable element. In this case, deflectable elements which have a high rigidity and strength, especially in comparison to the respective restoring element, are to be preferred.
  • the deflectable element is held by means of at least one elastic return element, preferably a spring.
  • Essential to the invention is at least partially the progressive, preferably disproportionately increasing with the deflection restoring force characteristic (spring characteristic) with increasing deflection, so that act at higher deflections also disproportionately higher restoring forces. For smaller deflections, a linear increase may be allowed.
  • two such return elements engage a member to be deflected, which preferably engage diametrically opposite to the respective element.
  • Restoring elements can be bendable, compressible, expandable and / or compressible, wherein a selection is possible taking into account the respectively desired deflection movement.
  • One or more return Control element (s) may be deformable in different forms, for example in two different modes.
  • a microactuator according to the invention can be designed, for example, as a plano-plate capacitor actuator, and the electric field can be aligned substantially parallel to the direction of the deflection movement.
  • bar or leaf springs can be used which, by virtue of their design, have the spring force course desired according to the invention as a function of the respective deflection.
  • Such a spring force curve can be achieved by more complex geometries, e.g. kinked or curved rods or with T-shaped springs the Errrellsrnissen be fitted.
  • microactuators according to the invention can be designed so that a deflection over at least 1/3, preferably 40% and particularly preferably over 50% of an available gap dimension is possible. If an enlarged deflection is not required, by reducing the gap dimension, the electrical voltage required for the deflection (possibly electric current) can be reduced or, at a constant electrical voltage, the achievable force for the
  • Last mentioned effect can reduce the risk of breakage on reset elements with higher spring constants.
  • the pull-in X ⁇ effect either does not occur or only at a larger deflection.
  • the restoring elements can be varied and adapted in their dimensioning and design as well as the attachment to the element to be deflected.
  • FIG. 1 shows an exploded perspective view of an example of a microactuator according to the invention
  • FIG. 2 shows, in a schematic form, a clamped bending beam which is bent by a force according to Hooke's Law
  • Figure 3 shows in schematic form a clamped string, which is deflected by a force and unlike Figure 2 has no bending stiffness;
  • Figure 4 is a graph of restoring force curves as a function of the deflection for different springs
  • Figure 5 is a diagram of achievable electrostatic forces at different electrical voltages as a function of the deflection
  • FIG. 6 shows a diagram with electrostatic and restoring forces at different electrical voltages. conditions with different springs depending on the deflection
  • FIG. 7 shows a diagram with electrostatic and restoring forces at different electrical voltages and different springs as a function of the deflection, with a small gap at the beginning of a deflection of a deflectable element
  • Figure 8 is another diagram for return elements with a smaller width
  • Figure 9 is another diagram for return elements with a smaller thickness
  • Figure 10 is a diagram of the achievable deflection as a function of the electrical voltage at different springs
  • Figure 11 is a perspective view of a deflectable element with two springs acting thereon;
  • FIG. 12 shows a diagram of the relative stiffness as a function of buckling angles on an example according to FIGS. 11 and
  • FIG. 13 shows an exploded perspective view of elements of an example of a microactuator according to the invention.
  • FIG 1 elements for an example of a microactuator according to the invention in a perspective exploded view are shown, which is designed as an electrostatic parallel plate actuator with clamped bending beam, as return elements 2.
  • the deflectable element 1 is here plate-shaped.
  • the two springs are not only bent during operation, but also subjected to tensile forces, so also pulled when they have been dimensioned with respect to the respective desired deflection movement.
  • the deflectable element 1 is here at least on its upwardly facing surface reflective of electromagnetic radiation and thus forms a mirror.
  • the two outwardly facing parts of a clamped bending beam, as restoring elements 2 are wider here in the horizontal direction, as the inwardly facing and acting on the deflectable element 1 parts.
  • the outwardly facing parts rest on spacers 3, so that between deflectable element 1 and an electrode plate 4, a defined gap of less than 1 micron to a few microns gap is formed.
  • a stable equilibrium of forces can be maintained by influencing the electrostatic forces as a function of the respective deflection, in which electrical voltage is controlled as a function of the desired deflection.
  • the respective deflection of the element 1 can be set exactly and, if desired, at least temporarily maintained become.
  • FIG. 2 shows a simplified side view of the spring elements 2 without deflectable element 1.
  • the bending stiffness of the restoring elements 2 is at least approximately proportional to the deflection.
  • the spring force can be calculated taking into account the dimensioning of the restoring elements 2 according to FIG. 2 with formula (1) as a function of the respective deflection d.
  • the width b of the return elements 2 is directed into the plane of the drawing and consequently not shown in FIG.
  • the thickness a of the return elements 2 can not be neglected, taking into account the deflection, so that both approaches overlap and lead to progressively increasing restoring forces.
  • the diagram shown in FIG. 5 gives an overview of electrostatic forces as a function of the deflection at different constant applied electrical voltages in the range from 3 V to 24 V.
  • the rising force curve reflects the preceding versions again.
  • the positions of the force equilibrium of the microactuator are where the electrostatic forces in their absolute value coincide with the respective restoring force. These positions can be seen from FIG.
  • the force equilibrium positions are the points at which the electrostatic drive force curve intersects the restoring force curve with their respective absolute values.
  • the increase in the force-deflection curve is the essential parameter determining the stability of the respective operating point of the microactuator, ie the desired deflection position.
  • the position of the meta-stable balance of forces is determined by the fact that the increase in the restoring force curve is greater than the increase in the driving force curve. Areas in which the increase in the restoring force curve is smaller than the increase in the driving force curve are unstable and the pull-in ⁇ effect can occur there.
  • the stable region can be used up to 1.5 ⁇ m for a microactuator according to the invention, which accounts for 50% of the available gap dimension.
  • the decisive improvement that can be achieved with the invention is achievable by the combination of linear and nonlinear restoring force profile, which is influenced by the balance between restoring elements 2 and deflection force. Dimensioning or design and deflection and the strength of the attachment of the return elements 2 have an influence on the non-linear course.
  • Reset elements 2 with a linear restoring force curve are available at a voltage of 18 V for a selection kung to 1 ⁇ m, with non-linear reset elements requiring 21 V.
  • a microactuator according to the invention can utilize a larger range of an available gap dimension.
  • the output gap is reduced from 3 ⁇ m to 2.6 ⁇ m, so that the required electrical voltage for stable operation is also 18 V, ie the same voltage for return elements 2 with a linear restoring force curve with a gap of 3 ⁇ m (see FIG.
  • the deflection at this electrical voltage or the stability limit is 1.3 ⁇ m in contrast to 1 ⁇ m. It is thus possible to realize a greater deflection even with limited electrical voltage.
  • a return element 2 still has almost the same cross section.
  • the point of intersection of the force curves is reached with 18 V and the balance of power is at a deflection of 1.5 microns.
  • the stability limit is approximately 1.7 ⁇ m, which corresponds to more than 50% of the available gap. It is also noteworthy, however, that with increased deflection of a deflected element 1, a reduction of the distance and consequently also of the still existing gap dimension occurs.
  • the deflecting force increases with increasing deflection. This effect increases with increasing deflection, so that the course of a deflection and electrical voltage characteristic of a microactuator also increases steeply. This can then lead to an unstable operating state (pull-in).
  • the deflection is then strongly dependent on the currently applied electrical voltage, so that a precise control of the electrical voltage is required, which is not necessarily required for small deflections.
  • the adjustment behavior of the deflection improves, since this is closer to a linear relationship, as with springs with linear characteristic line.
  • the available space may not be sufficient to allow a sufficient length L of return elements 2 with the greatest possible deflections and maximum allowable tensile stress (see formula (3)).
  • the rigidity of restoring elements 2 would increase too much, so that a deflection is not possible or counterproductive only with very high driving forces and correspondingly increased performance.
  • FIG. 11 shows an example with twofold kinking with blunt kink angles.
  • a sinusoidal shape or slight deviations from a straight shape can increase the usable length without additional space / space being required. With such a configuration, the tensile stiffness can be reduced, as this allows an additional bending mode.
  • FIG. 12 shows that the bending angle only very little influences the linear component of the spring force curve for bending angles of less than 15 °, while the proportion which increases with the third power of the deflection is adjustable over a wider range.
  • return elements 2 there are also other geometries of return elements 2 possible with which the non-linear component of the spring stiffness can be reduced.
  • return elements 2 in T-shape be used.
  • the spring constant (linear portion) is not so sensitive to the residual stress of the spring layer.
  • arrays with sinking mirrors for wave front correction of electromagnetic radiation with a stroke of 2 ⁇ m and a pixel size of 40 ⁇ m can be produced.
  • a larger deflection range can be achieved with greater deflection force and with the same electrical voltage (possibly electrical current) or the same deflection force with lower electrical voltage (possibly electrical current).
  • FIG. 13 An example is shown in FIG. 13. Again, the non-linearity of the restoring elements 2 used improves the properties.
  • the return elements 2 do not engage close to the axis of rotation, so that an elongation again leads to a progressively increasing restoring force course.
  • the invention improves the properties of microactuators with high positive force feedback that limits the range for stable use. With a positive force feedback increases for the deflecting force at constant voltage with increasing deflection.
  • the invention makes it possible to produce improved microactuators which are operated electrostatically or electromagnetically.
  • the deflection can take place essentially parallel to the respective electrical or electromagnetic field.
  • the electronic control for the drive can be simplified.
  • microactuators according to the invention can be produced by means of conventional technologies.
  • the improved properties can be optimized by the design and dimensioning of the individual elements, in particular the return elements 2.

Landscapes

  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft Mikroaktuatoren mit einem durch Kraftwirkung auslenkbaren Element, die für vieIe Anwendungen einsetzbar sind. Es sollte gemäß der gestellten Aufgabe eine erhöhte Auslenkung innerhalb eines zur Verfügung stehenden Spaltes und/oder die Verringerung der für die Auslenkung erforderlichen Leistung, bei guter Einhaltbarkeit jeweils gewünschter Auslenkbewegungen und -positionen erreicht werden. Der Erfindungsgemäße Mikroaktuator weist heirfür ein oder mehrere Rückstellelemente mit zumindest bereichsweise progressiv, bevorzugt überproportional steigender Rückstellkraft kennlinie auf.

Description

Mikroaktuator
Die Erfindung betrifft Mikroaktuatoren, die vielfältig, z.B. als Flächenlichtmodulator, Scannerspiegel, optische Kreuzverbinder, Mikroventile, Mikroschalter, Mikropumpen u.a. ausgebildet sein können und dann auch einen geringen Raumbedarf erforderlich machend in großer Anzahl in Arrayform angeordnet werden können. Ein einzelner Mikroaktuator hat dabei Abmessun- gen die kleiner als 1 mm sein können.
An Mikroaktuatoren ist üblicherweise ein auslenkbares Element vorhanden, das elektrostatisch, magnetisch, elektromagnetisch, unter Ausnutzung piezoelektrischer Effekte aber auch durch thermische Ausdehnung definiert ausgelenkt werden kann.
Das Element kann dabei translatorisch bewegt und/oder um eine oder mehrere Achse (n) verschwenkt werden. Die auslenkbaren Elemente von Mikroaktuatoren sind dabei üblicherweise mittels elastischer Rückstellelemente, bevorzugt Federn gehalten. Für die Auslenkung ist ein Spalt, vorgesehen, innerhalb dessen die Aus- lenkung erfolgen kann. Das zur Verfügung stehende
Spaltmaß kann aber bei einer großen Klasse bekannter Lösungen lediglich zu einem kleinen Teil, in der Regel ca. 25%, ausgenutzt werden. Dies ist immer dann der Fall, wenn eine Auslenkung zumindest annähernd bzw. vollständig parallel zu einem Feld erfolgen soll .
Dies führt außerdem dazu, dass für die Ansteuerung der Auslenkung erhöhte Leistungen, insbesondere höhe- re elektrische Spannung und/oder Ströme erforderlich sind.
Herkömmliche Mikroaktuatoren werden oft elektrostatisch bzw. elektromagnetisch betrieben. Die Auslen- kung erfolgt in eine Richtung, gegen die Kraftwirkung elastischer Rückstellelemente, die an auslenkbaren Elementen angreifen. Häufig sind dies Federn. Die erreichbare Auslenkung kann mittels mechanischer Anschläge oder durch Einstellung eines meta-stabilen Kräftegleichgewichts in einer Position begrenzt bzw. eingestellt werden.
Im Anschluß an die zur Auslenkung ausgeübte Kraftwirkung gelangt das auslenkbare Element in seine Aus- gangsposition. Eine Begrenzung der Rückstellbewegung kann mit mechanischen Anschlägen erreicht werden.
Bestimmte Auslenkpositionen können aber auch durch Einstellung eines meta-stabilen Kräftegleichgewichts in einer vorgebbaren Auslenkposition eingehalten werden. Dieses Kräftegleichgewicht wird aber bei große- ren Auslenkungen immer weniger stabil und die resultierende Auslenkposition immer ungenauer.
Bei häufig eingesetzten Parallel-Platten-Kondensator Aktuatoren, verschwindet beispielsweise die Stabilität des Kräftegleichgewichtes bereits bei 33 % des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes. Der für die Auslenkung nutzbare Teil des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes liegt dabei unter Berücksichtigung des Si- cherheitsaspektes entsprechend unterhalb von 25 %. Dies führt zu einer erhöhten Baugröße und außerdem dazu, dass infolge des mindestens vierfach zu großen Spaltmaßes höhere elektrische Spannungen, ggf. elektrische Ströme zur Steuerung der Auslenkung erforder- lieh sind.
Zur Einhaltung des meta-stabilen Kräftegleichgewichts müssen entsprechend der jeweiligen Auslenkposition Kräfte auf das auszulenkende Element wirken. Dabei ist die elektrostatische Kraft proportional dem Quadrat der angelegten elektrischen Spannung geteilt durch den jeweiligen momentanen Plattenabstand zu E- lektroden.
Bei konstanter elektrischer Spannung und erhöhter
Auslenkung sowie verringertem Plattenabstand steigt die für die Auslenkung erforderliche Kraft umgekehrt zum Spaltmaß bei einer Auslenkung umgekehrt proportional unbegrenzt an.
Dagegen steigt die Rückstellkraft der Aufhängung des auslenkbaren Elementes unter Berücksichtigung des Hooke' sehen Gesetzes nur linear mit der jeweiligen Auslenkung und dadurch kann kein Kräfteausgleich bei großen Auslenkungen des Elementes erreicht werden. Dieser Effekt wird üblicherweise als „pull-in" be- zeichnet.
In Tanaka,H. K.; u.a. „Large displacement control system beyond pull-in limitation"; Electrostatic Mic- ro Cantilever"; IEEE 2002 wird zur Vermeidung des
"pull-in" eine elektronische Steuerung vorgeschlagen. Dies macht den Einsatz eines Positionssensors und eine schnellere Regelung des Aktuatorantriebssignals, als dessen mechanische Reaktionszeit, erforderlich. Eine solche Lösung ist sehr komplex und für größere Arrays mit Aktuatoren nicht geeignet.
In anderer Form wird bisher diesem Problem mit sogenannten „Kammantrieben" entgegengetreten, die elekt- rostatisch wirken. Dabei ist das elektrische Feld eines solchen „Kammantriebes" im wesentlich senkrecht zur Auslenkbewegung ausgerichtet. Im Gegensatz dazu ist die Ausrichtung des Feldes bei Parallel-Platten Aktuatoren parallel zur Auslenkbewegungsrichtung.
Die Kraftkomponente in Richtung der Auslenkung eines „Kammantrieb" Aktuators wird durch die Streufelder erzeugt, die von der jeweiligen Auslenkung unbeeinflußt bleiben. Dadurch tritt eine wesentliche Erhöhung der für die Auslenkung erforderlichen Kraft erst kurz bevor die Spitzen der Kammfinger die Basis des gegenüberliegenden Kamms treffen auf. Der für die Auslenkung nutzbare Bereich kann größer als die Hälfte des Abstandes der Spitzen von Kammelementen und der gegenüberliegenden Kammbasis sein. Die elektrostatischen Kräfte sind proportional dem Quadrat der angelegten elektrischen Spannung. Die Auslenkung ist bei Einsatz von Federn mit linearer Kennlinie aber nicht linear.
Aus WO 03/073597 Al ist die Verwendung gefalteter Fe- dern mit mehreren Abschnitten bekannt, die jeweils eine feste Federkonstante für kleine Auslenkungen und schrittweise erhöhter Federkonstante für größere Auslenkungen erreichen.
Auch dies führt nicht zu einer vollständigen Lineari- tät von Auslenkung und jeweiliger elektrischer Spannung bzw. wirkender Kraft. Der stabil für die Auslenkung nutzbare Bereich wird so nur unwesentlich ver- größert. Durch die schrittweise Erhöhung der Federkonstante ergibt sich ein komplizierter Rückstell- kraftverlauf, der empfindlich von Herstellungsparametern abhängt. Insbesondere wenn eine hochpräzise Auslenkung gewünscht ist, wirken sich diese Sprünge ne- gativ aus, da in bestimmten Auslenkungsbereichen bei sich sprunghaft wechselnder Federkonstante keine präzise Auslenkung erreichbar ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Mikroaktuatoren zur Verfügung zu stellen, die eine erhöhte Auslenkung innerhalb eines zur Verfügung stehenden Spaltes und/oder eine verringerte Leistung für die Auslenkung, bei guter Einhaltbarkeit jeweils gewünschter Auslenkbewegungen und -positionen, ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Mikroak- tuator, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst .
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Der erfindungsgemäße Mikroaktuator kann in vielen Punkten wie herkömmliche Mikroaktuatoren ausgebildet sein und auch so angetrieben werden. Dabei können die für die Auslenkung eines auslenkbaren Elementes erforderlichen Kräfte bevorzugt elektrostatisch oder elektromagnetisch, ggf. aber auch magnetisch aufgebracht werden, wobei im letztgenannten Fall eine Re- gelung der magnetischen Feldstärke durchführbar sein sollte.
Die Auslenkung des jeweiligen Elementes kann translatorisch oder rotatorisch oder einer Kombination die- ser Bewegungen erfolgen. Es kann aber auch eine Verkippung erfolgen, insbesondere dann, wenn lediglich ein Rückstellelement an einem auslenkbaren Element angreift. In diesem Fall sind auslenkbare Elemente, die eine hohe Steifigkeit und Festigkeit, besonders im Vergleich zum jeweiligen Rückstellelement aufweisen, zu bevorzugen.
Das auslenkbare Element ist mittels mindestens eines elastischen Rückstellelementes, bevorzugt einer Feder gehalten. Erfindungswesentlich ist dabei zumindest bereichsweise die progressiv, bevorzugt überproportional mit der Auslenkung ansteigende Rückstellkraft- kennlinie (Federkennlinie) bei steigender Auslenkung, so dass bei höheren Auslenkungen auch überproportlo- nal höhere Rückstellkräfte wirken. Bei kleineren Auslenkungen kann ein linearer Anstieg zugelassen sein.
Vorteilhaft greifen zwei solcher Rückstellelemente an einem auszulenkenden Element an, die bevorzugt sich diametral gegenüberliegend an dem jeweiligen Element angreifen.
Rückstellelemente können dabei biegbar, verdehbar, dehnbar und/oder komprimierbar sein, wobei eine Aus- wähl unter Berücksichtigung der jeweils gewünschten Auslenkbewegung möglich ist. Ein oder mehrere Rück- Stellelement (e) können in unterschiedlicher Form, beispielsweise in zwei unterschiedlichen Moden verformbar sein.
Werden mehr als ein solches Rückstellelement an einem auslenkbaren Element eingesetzt, sollten sie möglichst identisch sein, was insbesondere auf die Dimensionierung und die mechanischen Eigenschaften zutrifft.
Ein erfindungsgemäßer Mikroaktuator kann beispielsweise als Plan-Platten-Kondensator Aktuator ausgebildet und dabei das elektrische Feld im Wesentlichen parallel zur Richtung der Auslenkbewegung ausgerich- tet sein.
Als Rückstellelemente können Stab- oder Blattfedern eingesetzt werden, die durch ihre Gestaltung den erfindungsgemäß gewünschten Federkraftverlauf in Abhän- gigkeit von der jeweiligen Auslenkung aufweisen.
Ein solcher Federkraftverlauf kann durch komlexere Geometrien, wie z.B. geknickte bzw. gekrümmte Stäbe oder mit T-förmigen Federn den Erfordenrnissen ange- paßt werden.
Die erfindungsgemäßen Mikroaktuatoren können so ausgebildet werden, dass eine Auslenkung über mindestens 1/3, bevorzugt 40 % und besonders bevorzugt über 50 % eines zur Verfügung stehenden Spaltmaßes möglich ist. Ist eine vergrößerte Auslenkung nicht erforderlich, kann durch Verkleinerung des Spaltmaßes die für die Auslenkung erforderliche elektrische Spannung (ggf. elektrischen Strom) reduziert bzw. bei konstanter e- lektrischer Spannung die erreichbare Kraft für die
Auslenkung erhöht werden. Letztgenannter Effekt kann bei Rückstellelementen mit höherer Federkonstante die Bruchgefahr verringern.
Der „pull-inXλ Effekt tritt entweder nicht bzw. erst bei einer größeren Auslenkung auf.
Die Rückstellelemente (Federn) können in ihrer Dimensionierung und Gestaltung sowie der Befestigung am auszulenkenden Element variiert und angepasst werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Mikroaktua- tors;
Figur 2 in schematischer Form einen eingespannten Biegebalken, der durch eine Kraft nach dem Hoo- ke' sehen Gesetz verbogen ist;
Figur 3 in schematischer Form eine eingespannte Saite, die durch eine Kraft ausgelenkt ist und Gegensatz zu Figur 2 keine Biegesteifigkeit aufweist;
Figur 4 ein Diagramm von Rückstellkraftverläufen in Abhängigkeit von der Auslenkung für unterschiedliche Federn;
Figur 5 ein Diagramm erreichbarer elektrostatischer Kräfte bei unterschiedlichen elektrischen Spannungen in Abhängigkeit von der Auslenkung;
Figur 6 ein Diagramm mit elektrostatischen und Rückstellkräften bei verschiedenen elektrischen Spannun- gen mit unterschiedlichen Federn in Abhängigkeit von der Auslenkung;
Figur 7 ein Diagramm mit elektrostatischen und Rück- stellkräften bei verschiedenen elektrischen Spannungen und unterschiedlichen Federn in Abhängigkeit von der Auslenkung, bei kleinem Spaltmaß am Beginn einer Auslenkung eines auslenkbaren Elementes;
Figur 8 ein weiteres Diagramm für Rückstellelemente mit geringerer Breite ;
Figur 9 ein weiteres Diagramm für Rückstellelemente mit geringerer Dicke;
Figur 10 ein Diagramm der erreichbaren Auslenkung in Abhängigkeit der elektrischen Spannung bei unterschiedlichen Federn;
Figur 11 eine perspektivische Darstellung eines auslenkbaren Elementes mit zwei daran angreifenden Federn;
Figur 12 ein Diagramm der relativen Steifigkeit in Abhängigkeit von Knickwinkeln an einem Beispiel nach Figur 11 und
Figur 13 eine perspektivische Explosionsdarstellung von Elementen eines Beispieles für einen erfindungs- gemäßen Mikroaktuator .
In Figur 1 sind Elemente für ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Mikroaktuator in einer perspektivischen Explosionsdarstellung gezeigt, der als elektro- statischer Parallelplatten-Aktuator mit eingespanntem Biegebalken, als Rückstellelemente 2 ausgebildet ist. Das auslenkbare Element 1 ist hier plattenförmig. Die zwei Federn werden beim Betrieb nicht nur gebogen, sondern auch mit Zugkräften beaufschlagt, also auch gezogen, wenn sie bezüglich der jeweils gewünschten Auslenkbewegung dimensioniert worden sind.
Das auslenkbare Element 1 ist hier zumindest an seiner nach oben weisenden Oberfläche reflektierend für elektromagnetische Strahlung und bildet somit einen Spiegel.
Die beiden nach außen weisenden Teile eines eingespannten Biegebalkens, als Rückstellelemente 2 sind in hier horizontaler Richtung breiter, als die nach innen weisenden und an das auslenkbare Element 1 angreifenden Teile. Die nach außen weisenden Teile liegen auf Abstandshaltern 3 auf, so dass zwischen auslenkbarem Element 1 und einer Elektrodenplatte 4 ein definierter Spalt von unter 1 μm bis zu einigen μm Spaltmaß ausgebildet ist.
Wird nun eine elektrische Spannung zwischen auslenkbarem Element 1 und Elektrodenplatte 3 angelegt, wirkt eine steuerbare elektrostatische Kraft zwischen diesen beiden Elementen 1 und 3, die wiederum zu einer Auslenkung des auslenkbaren Elementes 1 führt, der die Rückstellkräfte der Rückstellelemente 2 entgegenwirken.
Ein stabiles Kräftegleichgewicht kann durch Beeinflussung der elektrostatischen Kräfte in Abhängigkeit der jeweiligen Auslenkung eingehalten werden, in dem elektrische Spannung in Abhängigkeit der gewünschten Auslenkung gesteuert werden. So kann die jeweilige Auslenkung des Elementes 1 exakt eingestellt und falls gewünscht auch zumindest temporär beibehalten werden.
In Figur 2 ist eine vereinfachte Seitenansicht der Federelemente 2, ohne auslenkbares Element 1 gezeigt. Bei kleinen Auslenkungen ist die Biegesteifigkeit der Rückstellelemente 2 zumindest annähernd proportional zur Auslenkung. Mit bekanntem E-Modul kann die Federkraft unter Berücksichtigung der Dimensionierung der Rückstellelemente 2 gemäß Figur 2 mit Formel (1) in Abhängigkeit der jeweiligen Auslenkung d berechnet werden. Die Breite b der Rückstellelemente 2 ist dabei in die Zeichnungsebene hinein gerichtet und demzufolge in Figur 2 nicht dargestellt.
Figure imgf000013_0001
Für größere Auslenkungen d, also solche die größer als die Dicke a der Rückstellelemente 2, kann die Biegesteifigkeit vernachlässigt werden. Das System verhält sich dann wie eine Saite (string) .Mit einer Eigenspannung ohne Auslenkung σo gilt in guter Näherung d « L kann die Federkraft für die Eigenspannung der nicht ausgelenkten Saite gemäß Formel (2) aus Figur 3 berechnet werden.
2σoαZ,_J + Eab
(2:
Somit wird der progressiv, hier überproportional steigende Kraftverlauf bei größeren Auslenkungen, in diesem Fall mit der dritten Potenz, erreicht.
In Realität kann die Dicke a der Rückstellelemente 2 unter Berücksichtigung der Auslenkung nicht ohne weiters vernachlässigt werden, so dass beide Annäherun- gen sich überlagern und zu progressiv steigenden Rückstellkräften führen.
Zum Beispiel bei einer Dicke a= 1 μm, einer Breite b= 4μm, eine Länge L= 80 μm, E-Modul E= 70 GN/m2 und einer Eigenspannung von „Null" zeigt Figur 4 die zwei begrenzenden Annäherungen für die Rückstellkräfte in Abhängigkeit der Auslenkung und zusätzlich auch deren Kombination.
Es wird deutlich, dass für große Auslenkungen die Gesamtkraft, wie auch der Anstieg deutlich größer als bei der linearen Annäherung sind.
Das in Figur 5 gezeigte Diagramm gibt einen Überblick über elektrostatische Kräfte in Abhängigkeit der Auslenkung bei unterschiedlichen konstanten angelegten elektrischen Spannungen im Bereich von 3 V bis 24 V. Der Spalt zwischen auslenkbarem Element 1 und Elekt- rodenplatte 3 hatte ein maximales Spaltmaß h= 3 μm. Der ansteigende Kraftverlauf spiegelt die vorangestellten Ausführungen wieder.
Die Positionen des Kräftegleichgewichts des Mikroak- tuators sind dort, wo die elektrostatischen Kräfte in ihrem absoluten Wert mit der jeweiligen Rückstellkraft übereinstimmen. Diese Positionen können aus Figur 6 entnommen werden. Die Kräftegleichgewichtspositionen sind die Punkte an denen der elektrostatische Antriebskraftverlauf den Rückstellkraftverlauf mit ihren jeweiligen absoluten Werten schneiden.
Dabei ist der Anstieg des Kraft-Auslenkungsverlaufes der wesentliche Parameter, der die Stabilität des je- weiligen Arbeitspunktes des Mikroaktuators, also die gewünschte Auslenkposition bestimmt. Die Position des meta-stabilen Kräftegleichgewichts wird dadurch bestimmt, dass der Anstieg des Rückstellkraftverlaufes größer, als der Anstieg des Antriebskraftverlaufes ist. Bereiche in denen der Anstieg des Rückstell- kraftverlaufs kleiner, als der Anstieg des Antriebskraftverlaufs ist, sind instabil und es kann dort der „pull-inλλ-Effekt auftreten.
Der stabile Bereich kann bis zu 1,5 μm für einen er- findungsgemäßen Mikroaktuator genutzt werden, was 50 % des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes ausmacht.
Ein Mikroaktuator mit Rückstellelementen 2 in Form eingespannter Biegebalken, die das Hooke'sche Gesetz erfüllen, erreicht diesen instabilen Bereich bereits bei 1 μm, also einem Drittel des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes.
Die entscheidende Verbesserung, die mit der Erfindung erreicht werden kann, ist durch die Kombination von linearem und nichtlinearem Rückstellkraftverlauf erreichbar, die vom Gleichgewicht zwischen Rückstellelementen 2 und Auslenkkraft beeinflusst ist. Dimensionierung bzw. -gestaltung und Auslenkung sowie die Festigkeit der Befestigung der Rückstellelemente 2 haben Einfluss auf den nichtlinearen Verlauf.
Bei den bekannten Lösungen sollen aber Nichtlineari- tät vermieden werden, da die erforderlichen Antriebs- kräfte für eine bestimmte Auslenkung größer sind, wenn alle anderen Parameter von Rückstellelementen 2 konstant bleiben.
Dies wird mit Figur 6 deutlich gemacht. Rückstellele- mente 2 mit linearem Rückstellkraftverlauf sind bei einer elektrischen Spannung von 18 V für eine Auslen- kung bis 1 μm geeignet, wobei nichtlineare Rückstell- elemente 21 V erfordern.
Ein erfindungsgemäßer Mikroaktuator kann einen größe- ren Bereich eines zur Verfügung stehenden Spaltmaßes nutzen Bei diesem Beispiel ist der Ausgangsspalt von 3 μm auf 2,6 μm reduziert, so dass auch die erforderliche elektrische Spannung für einen stabilen Betrieb auf 18 V, also die gleiche Spannung für Rückstellele- mente 2 mit linearem Rückstellkraftverlauf bei einem Spaltmaß von 3 μm (s. Figur 6), reduziert ist.
Man kann aber auch Figur 7 entnehmen, dass die Auslenkung bei dieser elektrischen Spannung oder die Stabilitätsgrenze bei 1,3 μm im Gegensatz zu 1 μm liegt. Es lässt sich also eine größere Auslenkung auch bei begrenzter elektrischer Spannung realisieren.
Beim Vergleich der Formeln (1) und (2) wird deutlich, dass die Nichtlinearität ansteigt, wenn das Verhältnis Breite zu Dicke (a/d) kleiner wird. Die vorab genannten Dimensionierungsparameter wurden so gewählt, dass der Unterschied für lineare und nichtlineare Rückstellelemente 2 klar in gleich dimensionierten Diagrammen herausgestellt werden kann.
Wählt man Beispielsweise eine Dicke a= 0,5 μm und eine Breite d= 7 μm hat ein Rückstellelement 2 noch fast den gleichen Querschnitt. Der Schnittpunkt der Kraftverläufe wird mit 18 V erreicht und das Kräftegleichgewicht liegt bei einer Auslenkung von 1,5 μm. Die Stabilitätsgrenze liegt bei ca. 1,7 μm, was mehr als 50 % des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes ent- spricht. Bemerkenswert ist es aber auch, dass mit vergrößerter Auslenkung eines ausgelenkten Elementes 1 eine Verringerung des Abstandes und demzufolge auch des noch vorhandenen Spaltmaßes auftritt. Dadurch steigt die auslenkende Kraft mit steigender Auslenkung an. Dieser Effekt verstärkt sich mit steigender Auslenkung, so dass der Verlauf einer Auslenkungs- und elektrischen Spannungskennlinie eines Mikroaktuators ebenfalls steil ansteigt. Dies kann dann bis zu einem in- stabilen Betriebszustand (pull-in) führen. Die Auslenkung ist dann stark von der momentan angelegten elektrischen Spannung abhängig, so dass eine präzise Steuerung der elektrischen Spannung erforderlich ist, was bei kleinen Auslenkungen nicht unbedingt erfor- derlich ist.
Mit der Erfindung verbessert sich das Einstellverhalten der Auslenkung, da diese näher an einem linearen Zusammenhang liegt, als bei Federn mit linearer Kenn- linie.
Mit dem in Figur 10 gezeigten Diagramm kann die Verbesserung des Einstellverhaltens eines eingespannten Biegebalkens nach Figur 4 im Vergleich zu einer nichtlinearen Feder nach Figur 9 verdeutlicht werden.
Für einige Anwendungen kann aber der zur Verfügung stehende Raum nicht ausreichen, um eine ausreichende Länge L von Rückstellelementen 2 bei möglichst großen Auslenkungen und maximal zulässiger Zugspannung zu ermöglichen (vgl. Formel (3)). Dabei würde sich die Steifigkeit von Rückstellelementen 2 zu sehr erhöhen, so dass eine Auslenkung nicht oder kontraproduktiv nur mit sehr hohen Antriebskräften und entsprechend erhöhter Leistung möglich ist.
Figure imgf000018_0001
Dem kann aber entgegengetreten werden, indem die nutzbare Länge von Rückstellelementen 2 vergrößert und die effektive Dehnsteifigkeit verringert wird. Dies kann durch eine nicht gerade Ausbildung von Rückstellelementen 2 erreicht werden. So kann an einem Rückstellelement 2 mindestens ein Knick oder eine Biegung ausgebildet sein.
In Figur 11 ist ein Beispiel mit jeweils zweifacher Abknickung mit stumpfen Knickwinkeln gezeigt. Alternativ können aber auch eine Sinusform oder geringe Abweichungen von einer geraden Gestalt die nutzbare Länge vergrößern, ohne dass zusätzlich Platz/Raum erforderlich wird. Mit einer solchen Ausgestaltung kann die Zugsteifigkeit reduziert werden, da dies einen zusätzlichen Biegemode ermöglicht.
In Figur 12 ist gezeigt, dass der Knickwinkel den linearen Anteil des Federkraftverlaufes für Knickwinkel kleiner als 15 ° nur sehr wenig beeinflusst, während der Anteil, der mit der dritten Potenz der Auslenkung anwächst, in einem weiterem Bereich einstellbar ist.
Mit dieser Gestaltungs- und Dimensionierungsmöglich- keit von Rückstellelementen 2 erschließen sich Möglichkeiten für den Einsatz der Erfindung, bei sehr kleinen zur Verfügung stehenden Abmessungen bzw. für eine weitere Miniaturisierung.
Es sind aber auch weitere Geometrien von Rückstellelementen 2 möglich, mit denen der nichtlineare Anteil der Federsteifigkeit reduziert werden kann. So können beispielsweise Rückstellelemente 2 in T-form eingesetzt werden.
Mit abgeknickten oder gebogenen Rückstellelementen 2 ist auch die Federkonstante (linearer Anteil) nicht so empfindlich von der Eigenspannung der Federschicht abhängig.
So können beispielsweise Arrays mit Senk-Spiegeln zur Wellenfrontkorrektur von elektromagnetischer Strah- lung mit einem Hub von 2 μm und einer Pixelgröße von 40 μm hergestellt werden.
Bei Mikroaktuatoren mit verschwenkbaren, auslenkbaren Elementen 1 ist es beispielsweise bekannt, dass eine stabile Auslenkung (gemessen am Rand eines solchen Elementes) über das gesamte zur Verfügung stehende Spaltmaß möglich ist. Bei diesen Lösungen sind aber große Elektroden und ungünstige Hebelverhältnisse erforderlich, so dass der effektiv für die Auslenkung genützte Bereich eines so ausgelenkten Elementes trotzdem lediglich eine kleinen begrenzten Bereich des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes nutzen kann
Mit der Erfindung können aber ein größerer Auslenkbe- reich bei größerer Auslenkkraft und bei gleicher e- lektrischer Spannung (ggf. elektrischem Strom) oder die gleiche Auslenkkraft bei geringerer elektrischer Spannung (ggf. elektrischem Strom) erreicht werden.
Ein Beispiel zeigt Figur 13. Dabei verbessert wieder die Nichtlinearität der eingesetzten Rückstellelemente 2 die Eigenschaften. Die Rückstellelemente 2 greifen nicht nahe an der Drehachse an, so dass wieder eine Dehnung zu einem progressiv steigenden Rück- stellkraftverlauf führt. Die Erfindung verbessert die Eigenschaften von Mikro- aktuatoren mit starker positiver Kraftrückkopplung, die den Bereich für eine stabile Nutzung begrenzt. Bei einer positiven Kraftrückkopplung nimmt die für die auslenkende Kraft bei konstanter elektrischer Spannung mit steigender Auslenkung zu.
Mit der Erfindung ist die Herstellung von verbesserten Mikroaktuatoren, die elektrostatisch oder elekt- romagnetisch betrieben werden, möglich. Die Auslenkung kann im Wesentlichen parallel zum jeweiligen e- lektrischen oder elektromagnetischen Feld erfolgen.
Es ist ein weitaus größerer Bereich zur Auslenkung des zur Verfügung stehenden Spaltes nutzbar.
Andererseits kann ein geforderter Auslenkbereich bei kleinerem zur Verfügung stehendem Spaltmaß mit erhöhter Stabilität und mit in einfacher Form hergestell- ten Mikroaktuatoren abgedeckt werden.
Durch ggf. reduzierte elektrische Spannung ggf. e- lektrischen Strom kann die elektronische Steuerung für den Antrieb vereinfacht werden.
Die erfindungsgemäßen Mikroaktuatoren können dabei mittels herkömmlicher Technologien hergestellt werden. Die verbesserten Eigenschaften können durch die Gestaltung und Dimensionierung der einzelnen Elemen- te, insbesondere der Rückstellelemente 2, optimiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Mikroaktuator mit einem durch Kraftwirkung auslenkbaren Element, das mit mindestens einem e- lastischen Rückstellelement gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder mehrere Rückstellelement (e) (2) zumindest bereichsweise eine progressiv steigende Rückstellkraft- kennlinie aufweist.
2. Mikroaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass das eine oder mehrere Rückstellelement (2) eine oder mehrere Feder (n) ist/sind.
3. Mikroaktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Rückstellelement (e) (2) in unterschiedlicher Form elastisch verformbar ist.
4. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder mehrere Rückstellelement (e) (2) zumindest bereichsweise eine überproportional steigende
Rückstellkraftkennlinie aufweist .
5. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Rückstellelement (e) (2) in mindestens eine Rich- tung verbiegbar, drehbar, komprimierbar und/oder dehnbar ist/sind.
β. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung des auslenkbaren Elementes (1) elektro- statisch, elektromagnetisch und/oder magnetisch erfolgt.
7. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung des auslenkbaren Elementes (1) parallel zu einem elektrischen, magnetischen oder elekt- romagnetischen Feld erfolgt.
8. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung translatorisch erfolgt.
9. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung rotatorisch erfolgt oder das auslenkbare Element (1) verkippbar ist.
10. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Rückstellelement (e) (2) als Stab- oder Blattfeder ausgebildet ist/sind.
11. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stab- oder Blattfeder (n) entlang ihrer Längsachse abge- knickt und/oder gebogen ist/sind.
12. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Rückstellelement (e) (2) als T-förmige Feder ausgebildet ist/sind.
13. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das auslenkbare Element (2) über mindestens 1/3 eines zur Verfügung stehenden Spaltmaßes metastabil auslenkbar ist.
14. Mikroaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am aus- lenkbaren Element (1) mindestens eine reflektierende Oberfläche vorhanden ist.
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