DE102011089514B4

DE102011089514B4 - Mikrospiegel und 2-Spiegelsystem

Info

Publication number: DE102011089514B4
Application number: DE102011089514.0A
Authority: DE
Inventors: Heiko Nitsche; Wolfram Schock; Zoltan Lestyan; Jörg Muchow; Frederic Njikam Njimonzie; Helmut Grutzeck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2022-09-01
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: CN104011583A; US10048487B2; KR101989646B1; KR20140104447A; WO2013091939A1; CN104011583B; DE102011089514A1; US20150036203A1

Abstract

Mikrospiegel mit einer ersten Schicht (200) mit einer ersten Haupterstreckungsebene, mit einer zweiten Schicht (300) mit einer zweiten Haupterstreckungsebene,
- wobei die erste Haupterstreckungsebene und die zweite Haupterstreckungsebene parallel zueinander angeordnet sind,
- wobei die erste Schicht (200) und die zweite Schicht (300) über wenigstens einen Verbindungsbereich (23) bereichsweise miteinander verbunden sind,
- wobei in der ersten Schicht (200) wenigstens ein Federelement (202) ausgebildet ist,
- wobei in der zweiten Schicht (300) eine beweglich aufgehängte Spiegelplatte (305) ausgebildet ist,
- wobei die Spiegelplatte (305) an einer ersten Seite (30) parallel zur Haupterstreckungsebene eine Spiegelfläche aufweist und an einer gegenüberliegenden zweiten Seite (20) über den Verbindungsbereich (23) mit einer Verankerung (210) des Federelements (202) verbunden ist,
- wobei ein Teil des Federelements (202) auf der zweiten Seite (20) der Spiegelplatte (305) beweglich gegenüber der Spiegelplatte (305) angeordnet ist , dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Schicht (200) ein erster Rahmen (205) ausgebildet ist und das Federelement (202) mit dem ersten Rahmen (205) verbunden ist, wobei das Federelement (202) mit dem ersten Rahmen (205) an zwei gegenüberliegenden Punkten des ersten Rahmens (205) mit dem ersten Rahmen (205) verbunden ist.

Description

Stand der Technik
Für einen Bildaufbau mittels zeilenweisem Beschreiben einer Projektionsfläche (engl. „flying spot“) ist zumindest in einer Achse eine Bewegung mit hoher Frequenz erforderlich. Um die geforderten Frequenzen oberhalb 10 kHz bis zu 50 kHz zu erreichen, kommen ausschließlich resonant oszillierende Anordnungen in Frage. In den letzten Jahren wurden eine große Vielzahl von Mikrospiegeln vorgestellt. Zum Teil wurden Spiegel realisiert, die in nur einer Achse schwingen, zum Teil wurden kardanisch aufgehängte Spiegel entwickelt, die entweder in beiden Achsenrichtungen resonant schwingen, oder in einer Richtung quasistatisch arbeiten.
In der Veröffentlichung MEMS Scanners for Display and Imaging Applications, Proc. of SPIE Vol. 5604, ist die Bedeutung des Produkts aus Spiegelgröße und Auslenkung, des sogenannten Theta-D-Produkts, und der Frequenz für die Bildqualität eines Microscanners beschrieben.
Zusätzlich zu den drei Parametern Spiegelgröße, Auslenkung und Frequenz darf die Spiegeldeformation eines bei hohen Frequenzen oszillierenden Mikrospiegels lediglich ca. 1/10 der Wellenlänge des verwendeten Laserlichtes betragen. Bei einer größeren Deformation würde der Spot aufgeweitet, was die Auflösung des Bildes verschlechtert. Wegen der Trägheit des Spiegels selbst und der auf die Spiegelplatte wirkenden Gegenkräfte, wie sie von den bei Auslenkung des Spiegels gespannten Federn ausgeübt werden, ist dies eine sehr schwer zu erfüllende Forderung. Durch Optimierung der Aufhängepunkte wurde bisher versucht, die Deformation durch Eigenträgheit der Platte und die Deformation durch den Federangriff bezüglich einer möglichst geringen dynamischen Verformung der Spiegelplatte zu optimieren.
Für die reflektierende Oberfläche von Mikrospiegeln wird im Allgemeinen eine Metallisierung, bevorzugt aus Silber oder Aluminium verwendet. Der Träger eines Mikrospiegels besteht dabei beispielsweise aus Silizium. Die gesamte Spiegelplatte stellt somit ein Bimetall dar. Dies führt zu einer temperaturabhängigen statischen Verformung des Spiegels.
Aus dem Dokument US 2007/ 0 159 025 A1 ist ein Mikrospiegel bekannt, welcher zumindest Teile des Oberbegriffs des Mikrospiegels gemäß Anspruch 1 umfasst.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es einen verbesserten resonanten Mikrospiegel mit einer Drehachse zu schaffen.
Für einen 2D Scanner, der aus zwei Spiegeln mit jeweils einer Drehachse, d.h. als sogenanntes 2x1D Konzept aufgebaut ist, wird ein resonanter Spiegel benötigt, der im Strahlengang als zweiter Spiegel nach einem ersten Spiegel platziert ist. Der Laserstrahl ist durch den ersten Spiegel bereits in einer ersten y-Richtung abgelenkt, bevor er auf den zweiten Spiegel trifft. Es wird ein zweiter Spiegel mit annähernd rechteckigem Querschnitt benötigt, wobei die Ausdehnung in y-Richtung (Dimension in Drehachsenrichtung) deutlich größer ist, als bei bislang vorgestellten Spiegeln im Stand der Technik. Dadurch dass der Strahl zuerst auf einen ersten quasistatischen Spiegel trifft, muss der Strahl so flach einfallen, dass er, nach der Reflexion am resonanten Spiegel trotz der dabei stattfindenden Aufweitung am äußeren Rand des quasistatischen Chips vorbei kommt. Dieser flache Einfall führt zu einer elliptischen Verformung des Laserspots auf dem resonanten Spiegel, die größer ist als die elliptische Verformung, mit der bei einem kardanisch aufgehängten 2D Spiegel gerechnet werden muss. Bei einem kardanisch aufgehängten Spiegel darf der Strahl ebenfalls nicht beliebig steil einfallen. Der ausfallende Strahl muss nach Reflexion unter Berücksichtigung aller Ablenkungen an dem einfallenden Strahl vorbeigeführt werden. Dies würde bei einer Laserspotgröße von 1 mm zu einem Spiegeldurchmesser von ca. 1,5 mm in die Richtung senkrecht zur Achse führen. Aus geometrischen Erfordernissen der optischen Anordnung eines 2xID Konzepts muss der Spiegel bei einem Spotdurchmesser von 1 mm eine im Wesentlichen rechteckige Fläche aufspannen, welche senkrecht zur Drehachse 1,8 mm bis 2,2 mm und parallel zur Drehachse ca. 2,4 mm Ausdehnung aufweist. Diese Randbedingungen, sowie die Forderung nach einem Spiegel mit einer Deformation von weniger λ/10 können nur mit einer sehr steifen, gleichzeitig aber sehr langen Feder erreicht werden, wie im Folgenden gezeigt: Die Resonanz eines mechanischen Oszillators ist gegeben durch $ƒ = 2 π \sqrt{\frac{k}{I}}$
wobei k die Federsteifigkeit und I die Trägheit des Oszillators bedeuten. Die Trägheit einer rechteckigen Platte beträgt $I = \frac{1}{12} m (x^{2} + y^{2})$
steigt also mit der dritten Potenz der Abmessung in die senkrecht zur Drehachse stehende Richtung.
Die Deformation eines runden Spiegels ist in der Veröffentlichung Fabrication and characterization of a dynamically flat high resolution micro-scanner Journal of Optics. A (2008), no. 10, Paper 044005, 8 p. gegeben durch $δ ≅ \frac{D^{5} ƒ^{2} Θ}{t^{2}}$
wobei D den Spiegeldurchmesser, f die Spiegelfrequenz, Θ den Auslenkwinkel, und t die Spiegeldicke bedeuten. Für einen quadratischen Spiegel ist schon eine ähnliche hohe Abhängigkeit der dynamischen Spiegeldeformation von der Spiegelgröße gezeigt worden.
Damit ein großer Spiegel, der bei hoher Resonanzfrequenz betrieben wird, keine zu große dynamische Verformung aufweist, sollte die Spiegelplatte eine hohe Dicke, bei den anvisierten Dimensionen >100 µm, bevorzugt 200 µm aufweisen.
Mit zunehmender Dicke steigt die Trägheit der Spiegelplatte mit der ersten Potenz, wie in Gleichung (2) gezeigt ist. Um eine Resonanzfrequenz > 10 kHz, bevorzugt eine Frequenz von 20 kHz zu erzielen, wird eine sehr steife Feder benötigt.
Die Steifigkeit einer Torsionsfeder mit rechteckigem Querschnitt ist gegeben durch: $K ≅ \frac{G b w^{3}}{l}$
wobei w die kleinere Dimension, b die größere Dimension des rechteckigen Querschnitts, I die Länge der Feder und G den Schermodul bezeichnen.
Die Steifigkeit einer Biegefeder mit rechteckigem Querschnitt ist gegeben durch: $K ≅ \frac{E b w^{3}}{l}$
wobei w die Dimension bezeichnet, in die gebogen wird, b die Dimension die quer zur Biegung liegt, I die Länge der Feder, und E den E-Modul. Egal, ob eine Torsionsfeder oder eine Biegefeder Verwendung findet, muss die Feder, um eine hohe Steifigkeit zu besitzen, in den Dimensionen des Querschnitts große Abmessungen besitzen.
Der Kippwinkel der Spiegelplatte sollte möglichst groß sein, mindestens jedoch 10°. Dies erfordert eine gewisse Federlänge, damit der Stress in der Feder nicht zu groß wird. Aus dem klassischen Fall einer Biegefeder ist bekannt, dass mit zunehmender Krümmung und zunehmendem Abstand der Oberfläche von der neutralen Faser der Stress an der Oberfläche der Feder steigt. Wenn ein großer Biegewinkel und eine hohe Steifigkeit gefordert ist, kann der Stress in der Feder nur durch eine größere Federlänge I verringert werden. Es ist also eine lange Feder mit großem Querschnitt erforderlich, um eine steife Feder zu realisieren, die bei großer Auslenkung nicht bricht. Gleichzeitig sollte die Chipfläche möglichst klein sein, da hierdurch die Kosten proportional ansteigen.
Die resonante Anordnung sollte eine hohe Robustheit gegen ungewollte Moden aufweisen. Die Störmoden sollten möglichst oberhalb der Nutzmode und in möglichst weiten Abstand davon liegen, damit auch bei Fertigungsschwankungen im Frequenzband keine Verschiebung der Moden gegeneinander vorkommt. Wünschenswert ist darüber hinaus, dass Designfreiheit besteht in der Wahl des Angriffspunktes der Federn an die Spiegelplatte, um dynamischen Deformationen gegeneinander kompensieren zu können.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Mikrospiegel mit einer ersten Schicht mit einer ersten Haupterstreckungsebene, mit einer zweiten Schicht mit einer zweiten Haupterstreckungsebene, wobei die erste Haupterstreckungsebene und die zweite Haupterstreckungsebene parallel zueinander angeordnet sind, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht über wenigstens einen Verbindungsbereich bereichsweise miteinander verbunden sind, wobei in der ersten Schicht wenigstens ein Federelement ausgebildet ist, wobei in der zweiten Schicht eine beweglich aufgehängte Spiegelplatte ausgebildet ist, wobei die Spiegelplatte an einer ersten Seite parallel zur Haupterstreckungsebene eine Spiegelfläche aufweist und an einer gegenüberliegenden zweiten Seite über den Verbindungsbereich mit einer Verankerung des Federelements verbunden ist, wobei ein Teil des Federelements auf der zweiten Seite der Spiegelplatte beweglich gegenüber der Spiegelplatte angeordnet ist. Vorteilhaft kann bei einem derartigen Mikrospiegel trotz der für eine bewegliche Aufhängung der Spiegelplatte benötigten Federlänge eine kompakte Bauweise erzielt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrospiegels sieht vor, dass der Verbindungsbereich aus einer Zwischenschicht zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht gebildet ist. Vorteilhaft kann ein solcher Mikrospiegel leicht aus einem mehrschichtigen Substrat, insbesondere aus einem SOI Substrat hergestellt werden.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrospiegels sieht vor, dass der Verbindungsbereich aus einem strukturierten Teilbereich der ersten Schicht oder auch der zweiten Schicht gebildet ist. Vorteilhaft kann ein derartiger Mikrospiegel besonders einfach, nämlich im Wesentlichen aus nur zwei Schichten aufgebaut werden. Vorteilhaft kann ein derartiger Verbindungsbereich besonders dick ausgeführt werden. Besonders vorteilhaft sind hierbei große Auslenkungswinkel der beweglichen Spiegelplatte möglich. Besonders vorteilhaft sind hierbei auch sehr große Spiegelplatten möglich, unter denen trotz Auslenkung ein großer Teil des Federelements angeordnet sein kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrospiegels sieht vor, dass die Verankerung unter dem Flächenschwerpunkt der Spiegelplatte angeordnet ist. Die Flächennormale durch den Flächenschwerpunkt verläuft dabei auch durch die Verankerung. Vorteilhaft ist, das an dieser Stelle die geringsten Momente in den Spiegel eingeleitet werden, weswegen eine Verformung des Spiegels durch Auslenkung vermieden wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrospiegels sieht vor, dass das Federelement eine erste Ausdehnung senkrecht zur ersten Haupterstreckungsebene und eine zweite Ausdehnung parallel zur ersten Haupterstreckungsebene aufweist, wobei die erste Ausdehnung um den Faktor 2, bevorzugt um den Faktor 10, größer ist als die zweite Ausdehnung. Vorteilhaft kann ein solches Federelement eine hohe Steifigkeit in Torsionsbeanspruchung erzielen, bei gleichzeitig geringem Flächenverbrauch in der Hauptebene. Vorteilhaft können hierbei mehrere Federelemente oder besonders lange oder auch viele Federstege bzw. gefaltete Federelemente vorgesehen werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrospiegels sieht vor, dass ein überwiegender Teil des Federelements auf der zweiten Seite der Spiegelplatte beweglich gegenüber der Spiegelplatte angeordnet ist. Vorteilhaft ist hierdurch eine besonders kompakte Bauform des Mikrospiegels möglich.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrospiegels sieht vor, dass die Spiegelplatte um eine Drehachse beweglich ist und das Federelement wenigstens einen Steg aufweist, welcher parallel zur Drehachse angeordnet ist. Vorteilhaft ist hierdurch eine Aufhängung der Spiegelplatte mit einer Torsionsfeder möglich. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrospiegels sieht dabei vor, dass das Federelement wenigstens drei Stege aufweist, welche parallel zur Drehachse angeordnet sind. Vorteilhaft kann hierdurch eine besonders lange Federlänge erzielt werden, was die Feder bei Torsion mechanisch weniger stark belastet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrospiegels sieht vor, dass der Mikrospiegel wenigstens zwei Federelemente aufweist, welche mit einer gemeinsamen Verankerung verbunden sind.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrospiegels sieht vor, dass der Mikrospiegel wenigstens zwei Federelemente aufweist, welche jeweils mit einer eigenen Verankerung verbunden sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrospiegels sieht vor, dass der Mikrospiegel wenigstens zwei Federelemente aufweist. Vorteilhaft kann hierdurch der Spiegel symmetrisch und ohne Biegebelastung der Feder senkrecht zur Hauptebene aufgehängt werden.
Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrospiegels sieht vor, dass in der ersten Schicht ein erster Rahmen ausgebildet ist und das Federelement mit dem ersten Rahmen verbunden ist. Vorteilhaft kann hierdurch das Federelement in der ersten Schicht aufgehängt werden, und der Mikrospiegel erhält hierdurch eine besonders flache Bauform. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrospiegels sieht dabei vor, dass in der zweiten Schicht ein zweiter Rahmen ausgebildet ist, welcher mit dem ersten Rahmen über den Verbindungsbereich verbunden ist. Vorteilhaft kann hierdurch der Rahmen verstärkt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein 2-Spiegelsystem mit einem ersten Spiegel und wenigstens mit einem zweiten Mikrospiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anordnung einen 2D-Scanner darstellt, wobei der erste Spiegel eine erste Drehachse aufweist und der zweite Mikrospiegel eine zweite Drehachse aufweist, die senkrecht zur ersten Drehachse liegt, wobei der zweite Mikrospiegel dem ersten Spiegels gegenüber angeordnet ist, derart dass ein beide Spiegel bestrahlender Laserstrahl in zwei Richtungen ablenkbar ist.
Figurenliste

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrospiegels.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrospiegels, bei der die Anbindung der ersten Federn an die Spiegelplatte zentrisch ausgeführt ist.
3 zeigt in der Querschnittszeichnung den erfindungsgemäßen Mikrospiegels im ausgelenkten Zustand.
Die 4 und 5 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Mikrospiegels mit Anordnungen mehrerer Federelemente, die parallel zu der Drehachse liegen.
Die 6 und 7 zeigen zwei weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mikrospiegels mit magnetischem Antrieb.
8 zeigt ein 2-Spiegelsystem mit einem erfindungsgemäßen Mikrospiegel.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrospiegels, bei dem die Federelemente unter dem Spiegel liegen.

Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrospiegels. Dargestellt ist ein Mikrospiegel mit einer ersten Schicht 200 mit einer ersten Haupterstreckungsebene, mit einer zweiten Schicht 300 mit einer zweiten Haupterstreckungsebene, wobei die erste Haupterstreckungsebene und die zweite Haupterstreckungsebene parallel zueinander angeordnet sind und wobei die erste Schicht 200 und die zweite Schicht 300 über wenigstens einen Verbindungsbereich 23 bereichsweise miteinander verbunden sind. In der ersten Schicht 200 ist wenigstens ein Federelement, in diesem Beispiel zwei Federelemente 202 ausgebildet. In der zweiten Schicht 300 ist eine beweglich aufgehängte Spiegelplatte 305 ausgebildet, wobei die Spiegelplatte 305 an einer ersten Seite 30 parallel zur Haupterstreckungsebene eine Spiegelfläche aufweist und an einer gegenüberliegenden zweiten Seite 20 über den Verbindungsbereich 23 mit einer Verankerung 210 des Federelements 202 verbunden ist. Ein Teil des Federelements 202 ist dabei, beabstandet durch den Verbindungsbereich 23, auf der zweiten Seite 20 der Spiegelplatte 305 beweglich gegenüber der Spiegelplatte 305 angeordnet ist. Der Mikrospiegel weist einen ersten Rahmen 205 auf, an dem das Federelement 202 ebenfalls verankert ist, derart, dass die Spiegelplatte 305 beweglich gegenüber dem ersten Rahmen 205 an diesem mittels des Federelements 202 befestigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist auch in der zweiten Schicht 300 ein zweiter Rahmen ausgebildet, welcher mit dem ersten Rahmen 205 über den Verbindungsbereich 23 verbunden ist.
Der vorgeschlagene Mikrospiegel besteht aus zwei strukturierten Schichten 200, 300, welche bevorzugt in Silizium gebildet werden und einer Zwischenschicht 250, welche die Elemente, die in den beiden Schichten realisiert sind, an den gewünschten Stellen verbindet. In der ersten Schicht 200 werden die Federelemente 202, welche die Spiegelplatte mit dem Rahmen 205 verbinden, zum Beispiel durch einen Trenchprozess realisiert. Die von der zweiten Schicht 300 abgewandte Oberfläche 201 dieser ersten Schicht 200 wird als Vorderseite 201 benannt. In der zweiten Schicht 300 wird die Spiegelfläche zum Beispiel durch einen Trenchprozess realisiert. Die Spiegeloberfläche befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite der Oberfläche der ersten Schicht 200 und wird als erste Seite 30 oder auch als Rückseite bezeichnet. Um „möglichst viel“ Feder bei gleichzeitig möglichst geringer Chipfläche zu erzeugen, wird die erste Schicht 200 möglichst dick ausgelegt. Das Verhältnis der Dicke dieser Schicht zur Breite des breitesten Federelements beträgt mindesten Faktor 2 bevorzugt Faktor 10. Das Federelement 202 weist also eine erste Ausdehnung senkrecht zur ersten Haupterstreckungsebene und eine zweite Ausdehnung parallel zur ersten Haupterstreckungsebene auf, wobei die erste Ausdehnung um den Faktor 2, bevorzugt um den Faktor 10, größer ist als die zweite Ausdehnung.
Alternativ zur Zwischenschicht 250 ist es auch möglich, dass der Verbindungsbereich 23 aus einem strukturierten Teilbereich der ersten Schicht 200 oder auch der zweiten Schicht 300 gebildet ist.
Federelemente 202 werden bereichsweise an den Stellen unter den Spiegel 305 gelegt, an denen die Verkippung des Spiegels dies zulässt. Dies ist im Bereich der Drehachse 50 der Fall. Zwischen Spiegel und Rahmen können weitere Federelemente-Bereiche platziert werden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Spiegel 305 über ein breites Anbindungsstück 210 mit der ersten Schicht 200, in der die Federelemente realisiert sind, verbunden. An diesem Anbindungsstück 210 greifen erste Bereiche der Federelemente an, die gleichzeitig die Verbindung zu dem restlichen Federsystem 202 darstellen. Durch Verkippen des Spiegels wird der erste Bereich und alle weiteren Bereiche der Federelemente, deren Achse parallel zur Drehachse 50 des Spiegels liegen, tordiert. Somit verteilt sich die Torsion auf die Gesamtlänge aller Bereiche der Federelemente 202, die parallel zu der Drehachse 50 der Spiegelplatte 305 liegen. Diese Bereiche werden als Stege bezeichnet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist eine erste Variante des erfindungsgemäßen Mikrospiegels gezeigt, bei der die zur Gesamttorsion benötigten Bereiche der Federelemente, die parallel zu der Drehachse 50 liegen durch zwei zur Drehachse parallel liegende Mäander realisiert sind. Gemäß der 1 bestehen die jeweiligen Mäander aus nur einer Schleife mit zwei Stegen, die parallel zu der Drehachse 50 liegen. Es ist aber auch eine beliebige Anzahl von Schleifen möglich. Um eine Unwucht zu vermeiden, sollte die Anordnung des Federsystems parallel zur Drehachse 50 ausgerichtet sein. Dies gilt auch für alle weiteren vorgeschlagenen Anordnungen. Unter dem Spiegel befinden sich sowohl freigestellte Federelemente 202, die zur Gesamttorsion der Anordnung taugen, als auch Anbindungselemente in Form von Verankerungen 210, bei denen die Zwischenschicht als Verbindungsbereich bestehen bleibt. Die Verankerungen 210 weisen von der Vorderseite 201 aus betrachtet breitere Dimensionen auf als die Federelemente, zumindest aber als die Bereiche der Federelemente, die sich unter dem Spiegel befinden. Dadurch ist es möglich, während eines Opferätzprozesses beide Bereiche der Federelemente gleichzeitig zu realisieren. Dadurch dass die Anbindungen an den äußeren Kanten der Spiegelplatte angreifen, kann die Anordnung bezüglich dynamischer Verformung der Spiegelplatte optimiert werden.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrospiegels, bei der die Anbindung der Federelemente an die Spiegelplatte zentral ausgeführt ist.
In 2a ist eine Variante ähnlich der in 1 dargestellten aber mit einer zentralen Spiegelaufhängung dargestellt. Die einzige zentrale Verankerung 210 befindet sich dabei unter dem Flächenschwerpunkt der Spiegelplatte 305. In 2b ist eine Variante des erfindungsgemäßen Mikrospiegels dargestellt, die zwei Spiegelaufhängungen aufweist, welche mittels eines Federelements miteinander verbunden sind. Die beiden Verankerungen 210 sind dabei symmetrisch zur Flächennormale durch den Flächenschwerpunkt der Spiegelplatte 305 und relativ nahe zu dieser Flächennormale angeordnet. Vorteilhaft ist bei der Variante 2b gegenüber 2a, dass mehr tordierbare Bereiche der Federelemente unter dem Spiegel angeordnet sind, wodurch eine insgesamt bessere Flächenausnutzung für die verfügbare Federlänge möglich ist. Vor allem weist die Zentralaufhängung bzgl. der dynamischen Spiegelverformung deutliche Vorteile auf, da das angreifende Moment an dieser Stelle minimal ist.
3 zeigt in der Querschnittszeichnung den erfindungsgemäßen Mikrospiegels im ausgelenkten Zustand. Dargestellt ist, wie sich allmählich von Federelement zu Federelement die Verkippung fortsetzt, so dass der Spiegel insgesamt um >10° verkippt werden kann, wobei jedes Federelement eine prozentuale Tordierung der Gesamttorsion erfährt. Es sind achsenparallel auf jeder Seite 2 Federelemente angeordnet und eine Feder unter dem Spiegel auf die sich die Torsion um einen Winkel von ca. 10° verteilt.
Die 4 und 5 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Mikrospiegels mit Anordnungen mehrerer Federelemente, die parallel zu der Drehachse 50 liegen. Diese Ausführungsbeispiele zeichnen sich dadurch aus, dass mindestens 3 Federelemente parallel zur Drehachse angeordnet sind, auf die sich im Fall einer Spiegelauslenkung die Gesamttorsion verteilt.
4 zeigt dabei eine Variante, bei der auf die vollständige Achsenparallelität verzichtet wurde. Bezüglich der Anforderung, möglichst viel Feder bei möglichst wenig Flächenverbrauch kann eine solche Anordnung Vorteile bieten. Allerdings müssten durch entsprechende Designmaßnahmen Unwuchten, Störmoden und Quadratureffekte eliminiert werden, die bei einer solchen Anordnung kritischer einzustufen sind.
5 zeigt dabei eine vollständig symmetrische Anordnung bezüglich der Drehachse. In diesem Fall existieren zwei Federelemente, die sich auf der Drehachse befinden. Neben den Federelementen unter dem Spiegel tordieren auch die beiden Elemente, die das gesamte Federsystem an den Rahmen anbinden, wenn der Spiegel ausgelenkt wird.
Der Antrieb des Mikrospiegels kann auf verschiedene Weise erfolgen, z.B. piezoelektrisch, magnetisch oder elektrostatisch. Bei einem magnetischen Antrieb werden in der ersten Ebene gleichzeitig mit den Federn Trägerelemente vorgesehen, auf denen Leiterbahnen gelegt sind, die bei geeigneter Bestromung in einem geeigneten B-Feld zu einer resonanten Anregung der Struktur führen.
Die 6 und 7 zeigen zwei weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mikrospiegels mit magnetischem Antrieb.
6 beruht auf der Anordnung der 5. Zusätzlich zum Federsystem ist in der ersten Ebene ein elektromagnetischer Antrieb realisiert. Der äußere Rahmen würde im Vergleich zu den Federelementen relativ steif ausgelegt, sodass auf ihm verlaufenden Leiterbahnen eine relativ geringe Verwindung erfahren. Die Pfeile zeigen die Stromrichtung an. In dieser ersten Ausführungsform handelt es sich um eine Leiterbahnschleife mit gleichsinniger Umlaufrichtung. Unter einem in der Chipebene senkrecht zur Drehachse verlaufenden unidirektionalen Magnetfeld wird der Spiegel aus der Ebene gekippt. Bei Anlegen eines Wechselstroms an die Spule, das der Eigenfrequenz des Spiegels entspricht, wird die Anordnung resonant angetrieben.
Neben einer elektromagnetischen Anregung kann die Anordnung auch piezoelektrisch, elektrostatisch, oder thermomechanisch angeregt werden. Insbesondere ist es auch möglich, eine externe Anregung zu verwenden, beispielsweise piezoelektrische Elemente, die an den Chip oder dessen Verkappung angekoppelt sind und bei Anregung ihre Energie auf die Schwingung des Spiegelsystems übertragen.
7 zeigt eine Anordnung, die bezüglich des Federsystems der 5 entspricht. Im Gegensatz zu 6 geht diese Struktur von einem axialsymmetrischen B-Feld aus, wie in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 062 591 A1 beschrieben ist. In diesem Fall werden 4 Windungen verwendet. Der Stromverlauf ist durch die Pfeilrichtungen angezeigt.
In der ersten Ebene befinden sich die Torsionsfedern und die Anbindung des Federsystems an die Spiegelplatte. Um beides mit dem gleichen Prozessschritt herstellen zu können, müssen die jeweiligen Elemente bestimmte Dimensionen aufweisen. Die Federn weisen eine Breite von zum Beispiel 50 µm im Bereich der Spiegelplatte auf. Diese Federn werden bei dem isotropen Entfernen der Zwischenschicht wie erforderlich freigestellt, auch wenn sich darunter in der zweiten Trägerschicht der Mikrospiegel befindet. Die Anbindung weist eine laterale Dimension von z.B. mehr als 100 µm auf. In diesem Bereich erfolgt die isotrope Ätzung nicht vollständig, so dass eine mechanisch stabile Anbindung stehen bleibt.
Wenn die Spiegeloberfläche eine möglichst hohe Reflektivität aufweisen soll, muss der Spiegel in einer Ebene möglichst geringer Rauhigkeit realisiert werden. Die Rückseite 30 kann bei dem hier beschriebenen erfindungsgemäßen Mikrospiegel im Prozessablauf poliert werden. Somit ist die Rückseite 30 hervorragend dafür geeignet, einen Spiegel hoher optischer Güte zu realisieren. Da der Spiegel in der Ebene der Rückseite der zweiten Schicht liegt, kann ein geringer Abstand zwischen einem ersten und einem zweiten Spiegel realisiert werden, dessen Kipprichtung z.B. senkrecht zu der Kipprichtung des ersten Spiegels liegt. Denkbar wäre es hingegen auch, den Spiegel auf der Rückseite der ersten Schicht 200 also auf oder unter der Zwischenschicht 250 zu realisieren. In diesem Fall ist der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Spiegel allerdings größer.
Als ein zusätzlicher Freiheitsgrad bei der Konstruktion existiert die Möglichkeit, Teile des Federsystems an der Oberfläche zu fixieren. Dies könnt durch anodisches Bonden realisiert werden. Durch eine entsprechende Strukturierung einer Glasplatte, wobei bestimmte Bereiche zumindest soweit geätzt werden, dass sich Vertiefungen ergeben, wird an den Stellen dieser Vertiefungen keine Verbindung stattfinden, wenn die Glasplatte mit der Vorderseite des Federsystems verbunden wird. An den Stellen, an denen die Glasplatte nicht tief geätzt wurde, wird das Federsystem an der Glasplatte fixiert.
8 zeigt ein 2-Spiegelsystem mit einem erfindungsgemäßen Mikrospiegel. Dargestellt ist ein 2-Spiegelsystem in Form eines2x1D Scanners mit einem ersten Spiegel 500 und wenigstens mit einem zweiten erfindungsgemäßen Mikrospiegel wie vorstehend beschrieben. Dabei weist der erste Spiegel eine erste Drehachse parallel zu Koordinatenachse x und der zweite Mikrospiegel 400 eine zweite Drehachse parallel zu Koordinatenachse y auf. Die zweite Drehachse y ist senkrecht zur ersten Drehachse x angeordnet. Der zweite Mikrospiegel 400 ist gegenüber dem ersten Spiegel 500 angeordnet, derart, dass ein beide Spiegel 400, 500 bestrahlender Laserstrahl 100 in zwei Richtungen x und y ablenkbar ist. Die Ausdehnung der rechteckigen Spiegelfläche des zweiten Mikrospiegels ist dabei so gewählt, dass in der Dimension x der elliptische Lichtfleck des schräg einfallenden Laserstrahls 100 genügend Fläche findet und dass in der Dimension y genügend Fläche für die verschiedenen Lagen des Lichtflecks auf dem zweiten Spiegel 400 infolge der Ablenkung durch den ersten Spiegel 500 zur Verfügung steht.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrospiegels, bei dem die Federelemente unter dem Spiegel liegen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in einer weiter verbesserten Flächenausnutzung. Die Verbindungsbereich 23 ist in diesem Beispiel soweit erhöht, dass Spiegel und Federn bei Verkippen des Spiegels nicht aneinanderstoßen.

Claims

Mikrospiegel mit einer ersten Schicht (200) mit einer ersten Haupterstreckungsebene, mit einer zweiten Schicht (300) mit einer zweiten Haupterstreckungsebene, - wobei die erste Haupterstreckungsebene und die zweite Haupterstreckungsebene parallel zueinander angeordnet sind, - wobei die erste Schicht (200) und die zweite Schicht (300) über wenigstens einen Verbindungsbereich (23) bereichsweise miteinander verbunden sind, - wobei in der ersten Schicht (200) wenigstens ein Federelement (202) ausgebildet ist, - wobei in der zweiten Schicht (300) eine beweglich aufgehängte Spiegelplatte (305) ausgebildet ist, - wobei die Spiegelplatte (305) an einer ersten Seite (30) parallel zur Haupterstreckungsebene eine Spiegelfläche aufweist und an einer gegenüberliegenden zweiten Seite (20) über den Verbindungsbereich (23) mit einer Verankerung (210) des Federelements (202) verbunden ist, - wobei ein Teil des Federelements (202) auf der zweiten Seite (20) der Spiegelplatte (305) beweglich gegenüber der Spiegelplatte (305) angeordnet ist , dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Schicht (200) ein erster Rahmen (205) ausgebildet ist und das Federelement (202) mit dem ersten Rahmen (205) verbunden ist, wobei das Federelement (202) mit dem ersten Rahmen (205) an zwei gegenüberliegenden Punkten des ersten Rahmens (205) mit dem ersten Rahmen (205) verbunden ist.
Mikrospiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (23) aus einer Zwischenschicht zwischen der ersten Schicht (200) und der zweiten Schicht (300) gebildet ist.
Mikrospiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (23) aus einem strukturierten Teilbereich der ersten Schicht (200) und/oder der zweiten Schicht (300) gebildet ist.
Mikrospiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verankerung (210) unter dem Flächenschwerpunkt der Spiegelplatte (305) angeordnet ist.
Mikrospiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (202) eine erste Ausdehnung senkrecht zur ersten Haupterstreckungsebene und eine zweite Ausdehnung parallel zur ersten Haupterstreckungsebene aufweist, wobei die erste Ausdehnung um den Faktor 2, bevorzugt um den Faktor 10, größer ist als die zweite Ausdehnung.
Mikrospiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein überwiegender Teil des Federelements (202) auf der zweiten Seite (20) der Spiegelplatte (305) beweglich gegenüber der Spiegelplatte (305) angeordnet ist.
Mikrospiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelplatte (305) um eine Drehachse (50) beweglich ist und das Federelement (202) wenigstens einen Steg (202a, b, c) aufweist, welcher parallel zur Drehachse (50) angeordnet ist.
Mikrospiegel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (202) wenigstens drei Stege (202a, b, c) aufweist, welche parallel zur Drehachse (50) angeordnet sind.
Mikrospiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrospiegel wenigstens zwei Federelemente (202) aufweist, welche mit einer gemeinsamen Verankerung (210) verbunden sind.
Mikrospiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrospiegel wenigstens zwei Federelemente (202) aufweist, welche jeweils mit einer eigenen Verankerung (210) verbunden sind.
Mikrospiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Schicht (300) ein zweiter Rahmen ausgebildet ist, welcher mit dem ersten Rahmen (205) über den Verbindungsbereich (23) verbunden ist.
2-Spiegelsystem mit einem ersten Spiegel (500) und wenigstens mit einem zweiten Mikrospiegel (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anordnung einen 2-D-Scanner darstellt, wobei der erste Spiegel eine erste Drehachse x aufweist und der zweite Mikrospiegel (400) eine zweite Drehachse y aufweist, die senkrecht zur ersten Drehachse des ersten Spiegels liegt, wobei der zweite Mikrospiegel (400) dem ersten Spiegel (500) gegenüber angeordnet ist, derart dass ein beide Spiegel (400, 500) bestrahlender Laserstrahl (100) in zwei Richtungen ablenkbar ist.