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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Filtereinrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Filtereinrichtung.
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Stand der Technik
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Zur Miniaturisierung von durchstimmbaren spektralen Filtern lassen sich Fabry-Perot Interferometer (FPI) vorteilhaft in MEMS-Technologie realisieren. Dabei wird ausgenutzt, dass eine Kavität bestehend aus zwei planparallelen, hochreflektierenden Spiegeln mit einem Abstand (Kavitätslänge) im Bereich optischer Wellenlängen eine starke Transmission nur für Wellenlängen zeigt, bei denen die Kavitätslänge einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Die Kavitätslänge lässt sich beispielsweise mittels elektrostatischer oder piezoelektrischer Aktuierung verändern, wodurch ein spektral durchstimmbares Filterelement entsteht. Ein Teil der bekannten FPIs verwendet eine elektrostatische Aktuierung der Spiegel, wobei die Spiegel oft als Membranen ausgelegt sind. Dabei wird eine Spannung zwischen zwei Elektroden angelegt, die sich auf der Ebene der beiden Spiegel befinden, sodass sich aufgrund der elektrostatischen Anziehung beide Spiegel aufeinander zu bewegen. Die Planparallelität der beiden Spiegel sollte möglichst hoch sein, damit zwischen den beiden Spiegeln
eine möglichst ideale Kavität entstehen kann. Hierzu ist es beispielsweise möglich, die Spiegel jeweils auf einem biegesteifen Substrat anzuordnen und die Substrate aufeinander anzuordnen, etwa durch ein Bondverfahren.
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In der
US 9,329,360 B2 wird ein Interferometer als Miniaturspektrometer beschrieben mit einem Substrat und einem Stößel im Substrat, welcher einen Spiegel aufweist und beweglich bezüglich eines Rahmens ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Filtereinrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Filtereinrichtung nach Anspruch 10.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, eine optische Filtereinrichtung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, bei welchem ein Arbeitsbereich der Filtereinrichtung über einen breiteren Wellenlängenbereich ausdehnbar ist, insbesondere auf kürzere Wellenlängen als von Silizium durchlässig. Die optische Filtereinrichtung zeichnet sich des Weiteren durch eine verbesserte Federaufhängung für die relativ zueinander bewegbaren Spiegel und somit durch eine verbesserte Einstellmöglichkeit der mechanischen Eigenschaften der Federaufhängung eines Spiegels aus.
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Erfindungsgemäß umfasst die optische Filtereinrichtung ein erstes Substrat und ein zweites Substrat, wobei das erste Substrat strukturiert ist und einen Aufhängebereich und einen Innenbereich umfasst, wobei der Aufhängebereich auf dem zweiten Substrat angeordnet ist und den Innenbereich lateral umläuft, und der Innenbereich lateral vollständig vom Aufhängebereich getrennt und durch einen Graben beabstandet ist und gegenüber dem zweiten Substrat vertikal zum zweiten Substrat beweglich angeordnet ist; eine Federschicht mit einem Federbereich, welche den Graben zumindest stellenweise überspannt und den Innenbereich am Aufhängebereich vertikal beweglich befestigt. Des Weiteren umfasst die optische Filtereinrichtung eine Aktuatoreinrichtung, welche zumindest stellenweise auf oder in dem Federbereich angeordnet ist und durch welche der Innenbereich gegenüber dem Aufhängebereich vertikal auslenkbar ist; und zumindest eine erste Spiegelschicht, welche auf dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat zugewandt angeordnet ist und eine zweite Spiegelschicht, welche auf dem zweiten Substrat und der ersten Spiegelschicht zugewandt angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Spiegelschicht und das erste und das zweite Substrat eine Transmissivität für ein Licht mit einem bestimmten Wellenlängenbereich aufweisen.
Die Substrate können die genannte Transmissivität im Innenbereich umfassen,
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Mit den zwei Spiegelschichten verkörpert die optische Filtereinrichtung vorteilhaft ein Interferometer, etwa ein Fabry-Perot-Interferometer (FPI).
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Die optische Apertur ist vorteilhaft jener Bereich, in welchem eine Transmission oder Reflexion von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen ist, wenn sich die Spiegeleinrichtung innerhalb einer Interferometereinrichtung befindet. Das Substrat dient vorteilhaft als Träger für die Spiegelschicht und vermittelt vorteilhaft eine ausreichende mechanische Stabilität und Trägereigenschaft. Die Spiegelschicht auf dem zweiten Substrat kann hingegen auch teilweise freigestellt sein. Vorteilhaft im Bereich einer optischen Apertur.
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Es ist des Weiteren durch die genannte Filtereinrichtung möglich einen Betrieb eines solchen FPIs auch in einem Spektralbereich zu erlauben, welcher energetisch außerhalb einer Absorption des ersten und zweiten Substrats liegt, vorteilhaft oberhalb der Durchlässigkeit von Silizium, also bei Wellenlängen oberhalb von 1050 nm.
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Die beschriebene erfindungsgemäße optische Filtereinrichtung erlaubt vorteilhaft eine Ausdehnung des Arbeitsbereichs (des FPIs) auf kürzere Wellenlängen, als von Silizium noch durchlässig sind. Des Weiteren kann eine höhere Flexibilität bei der Gestaltung der Federaufhängung durch die separate Federschicht erzielt werden. Gegenüber einem Interferometer mit Siliziumsubstrat kann auf einen Tieftrenchschritt in Silizium und die damit verbundenen lateralen Toleranzen verzichtet werden. Zudem muss der Spiegel nicht ggf. als Ätzstopp für einen solchen Tiefentrench fungieren, so dass die Spiegeloberfläche dabei nicht angegriffen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Filtereinrichtung ist diese als ein mikromechanisches Bauelement ausgeformt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Filtereinrichtung umfasst das erste Substrat ein Glassubstrat.
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Auch das zweite Substrat kann ein Glassubstrat umfassen. Das erste Glassubstrat kann als mikrostrukturierter Glaswafer mit Außen- und Innenbereich ausgeformt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Filtereinrichtung umläuft die Federschicht zumindest teilweise den Innenbereich lateral.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Filtereinrichtung umfasst die Aktuatoreinrichtung zumindest eine piezoelektrische Schicht, welche auf der Federschicht abgeschieden ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Filtereinrichtung umfasst die Aktuatoreinrichtung einen thermischen Bimorph, mit einem Heizelement und einer Schichtenfolge, deren Schichten unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten umfassen.
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Zusätzlich oder anstatt eines piezoelektrischen Aktors kann ein thermischer Bimorph verwendet werden, bei welchem beispielsweise eine resistive Heizerstruktur gefolgt von einer Schicht aus VO2 (Vanadiumoxid) auf dem Federbereich aufgebracht werden kann. Durch Bestromung des Heizelements kann aufgrund einer Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien in der Schichtenfolge eine Verbiegung im Federbereich und somit eine Auslenkung des Innenbereichs erzielt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Filtereinrichtung umfasst die Aktuatoreinrichtung einen Hairpin-Aktuator, wobei die Federschicht eine Mehrschichtenlage umfasst und der Hairpin-Aktuator in diese eingebettet ist, wobei der Hairpin-Aktuator mehrere übereinander angeordnete elektrisch leitende Schichten umfasst, welche jeweils einen Unterschied im Querschnitt aufweisen und bei einem Stromfluss unterschiedlich erwärmbar sind und der Hairpin-Aktuator vertikal verbiegbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Filtereinrichtung umfasst die Aktuatoreinrichtung einen elektrostatischen Biegeaktor mit zwei Elektroden, wobei der Biegeaktor durch ein Anlegen einer Spannung an den Elektroden verbiegbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Filtereinrichtung umfasst die Aktuatoreinrichtung eine Magnetfeldeinrichtung und eine Spuleneinrichtung, wobei mittels der Magnetfeldeinrichtung ein externes Magnetfeld am Innenbereich erzeugbar ist und die Spuleneinrichtung am Innenbereich und mit diesem mechanisch verbunden angeordnet ist, wobei mittels der Spuleneinrichtung eine Kraftwirkung vertikal auf den Innenbereich generierbar ist.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen einer optischen Filtereinrichtung ein Bereitstellen eines ersten Substrats; ein Strukturieren des ersten Substrats in einen Aufhängebereich und einen Innenbereich, so dass der Aufhängebereich den Innenbereich lateral umläuft; ein Trennen des Aufhängebereichs vom Innenbereich durch Ausformen eines Grabens zwischen dem Aufhängebereich und dem Innenbereich; ein Anordnen einer Federschicht auf dem ersten Substrat und Ausbilden eines strukturierten Federbereichs in der Federschicht, wobei das Strukturieren des ersten Substrats nach dem Anordnen der Federschicht und ein Ausformen des Grabens unterhalb des strukturierten Federbereichs erfolgt oder das Strukturieren des ersten Substrats und das Trennen vor dem Anordnen der Federschicht und dem Ausbilden des strukturierten Federbereichs über dem Graben erfolgt; ein Anordnen einer Aktuatoreinrichtung zumindest stellenweise auf oder in dem strukturierten Federbereich; ein Anordnen zumindest einer ersten Spiegelschicht auf dem Innenbereich an einer der Federschicht abgewandten Seite; ein Bereitstellen eines zweiten Substrats mit einer zweiten Spiegelschicht und Anordnen des ersten Substrats auf dem zweiten Substrat mit dem Aufhängebereich derart, dass die erste Spiegelschicht der zweiten Spiegelschicht zugewandt angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Spiegelschicht und das erste und das zweite Substrat eine Transmissivität für ein Licht mit einem bestimmten Wellenlängenbereich aufweisen.
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Das Verfahren kann sich vorteilhaft auch durch die bereits in Verbindung mit der optischen Filtereinrichtung genannten Merkmale und deren Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt das Strukturieren des ersten Substrats und das Trennen mit einem Lithographieverfahren und einem Ätzverfahren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die Federschicht als ein Wafer bereitgestellt und nach dem Anordnen auf dem ersten Substrat gedünnt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die Federschicht derart strukturiert dass der Federbereich ausgebildet wird und im Innenbereich eine optische Apertur in der Federschicht als eine Ausnehmung in der Federschicht erzeugt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt das Anordnen des ersten Substrats auf dem zweiten Substrat durch ein Bondverfahren.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen schematischen seitlichen Querschnitt einer optischen Filtereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 2 einen schematischen Querschnitt einer Aktuatoreinrichtung für eine optische Filtereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 3 einen schematischen Querschnitt einer Aktuatoreinrichtung für eine optische Filtereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 4 einen schematischen Querschnitt einer Aktuatoreinrichtung für eine optische Filtereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
- 5 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt einen schematischen seitlichen Querschnitt einer optischen Filtereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die Filtereinrichtung kann vorteilhaft als Fabry-Perot-Interferometer ausgeformt sein, und zwei gegeneinander zu deren planparalleler Anordnung senkrecht bewegliche Spiegel umfassen.
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Die optische Filtereinrichtung 1 umfasst ein erstes Substrat T1 und ein zweites Substrat T2, wobei das erste Substrat T1 strukturiert ist und einen Aufhängebereich AB und einen Innenbereich IB umfasst, wobei der Aufhängebereich AB auf dem zweiten Substrat T2 angeordnet ist und den Innenbereich IB lateral umläuft, und der Innenbereich IB lateral vollständig vom Aufhängebereich AB getrennt und durch einen Graben d beabstandet ist und gegenüber dem zweiten Substrat T2 vertikal zum zweiten Substrat T2 beweglich angeordnet ist. Die Filtereinrichtung 1 umfasst weiterhin eine Federschicht 4 mit einem Federbereich 4a, welche den Graben d zumindest stellenweise überspannt und den Innenbereich IB am Aufhängebereich AB vertikal beweglich befestigt; eine Aktuatoreinrichtung 6, welche zumindest stellenweise auf oder in dem Federbereich 4a angeordnet ist und durch welche der Innenbereich IB gegenüber dem Aufhängebereich AB vertikal auslenkbar ist; und zumindest eine erste Spiegelschicht SP1, welche auf dem ersten Substrat T1 und dem zweiten Substrat T2 zugewandt angeordnet ist und eine zweite Spiegelschicht SP2, welche auf dem zweiten Substrat T2 und der ersten Spiegelschicht SP1 zugewandt angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Spiegelschicht SP1; SP2 und das erste und das zweite Substrat T1; T2 eine Transmissivität für ein Licht L mit einem bestimmten Wellenlängenbereich W1 aufweisen. Die Fabry-Perot-Interferometereinrichtung kann als Resonator vorteilhaft für bestimmte Wellenlängen, abhängig vom Abstand der Spiegeleinrichtungen zueinander, durchlässig sein.
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Das erste und das zweite Substrat können jeweils einen Glaswafer umfassen, welcher vorteilhaft auch bei weiteren Wellenlängen durchlässig sein kann als übliche Si-Wafer (Silizium). Dadurch kann vorteilhaft der Arbeitsbereich der Filtereinrichtung 1 vorteilhaft auch auf solche Wellenlängen ausgedehnt werden, bei welchen die gängigen Si-Wafer nicht mehr durchlässig sind. Der Innenbereich IB kann vorteilhaft einen in Draufsicht auf das erste Substrat T1 kreisförmigen Stößel umfassen, wobei jedoch auch alle anderen geometrischen Formen möglich sind. Der Federbereich 4a kann vorteilhaft durch einen Strukturierungsprozess, etwa Lithographie und Ätzverfahren, vorteilhaft nur oberhalb des Grabens d ausgeformt sein. In der 1 ist eine optische Apertur OA im zweiten Substrat T2 gezeigt, durch welche ein Hauptteil des eingestrahlten Lichts einfallen kann. Alternativ kann im Bereich der optischen Apertur eine Ausnehmung im zweiten Substrat T2 vorhanden sein (nicht gezeigt). Die Ausnehmung im zweiten Substrat kann beispielsweise dann vorliegen, wenn das zweite Substrat für zu transmittierende Wellenlängen undurchlässig ist (etwa bei Silizium und einem Arbeitsbereich unterhalb von 1050 nm). Die erste Spiegeleinrichtung SP1 sowie die zweite Spiegeleinrichtung SP2 können vorteilhaft jeweils eine Spiegelschicht eines Spiegelmaterials umfassen. In diesem Fall kann die zweite Spiegeleinrichtung SP2 die Apertur freigestellt überspannen. Die Freistellung der zweiten Spiegeleinrichtung SP2 kann beispielsweise mit einem Ätzverfahren, z.B. einem Tieftrench, erfolgen (nicht gezeigt).
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Das erste Substrat T1 kann mit dem Aufhängebereich AB oder Teilen davon auf dem zweiten Substrat T2 aufgebracht werden, beispielsweise durch ein Bondverfahren mit einer Bondschicht BS auf dem zweiten Substrat T2 mechanisch fixiert werden. Der Innenbereich IB kann durch die Federschicht 4 in einer Ruhelage beispielsweise so gehalten werden, dass eine Oberseite des ersten Substrats T1, welche dem zweiten Substrat abgewandt ist, auf einer gleichen Höhe positioniert sein kann, wie die Oberseite des Aufhängebereichs AB. In dieser Position kann die erste Spiegeleinrichtung SP1 auf einer Höhe h0 über der zweiten Spiegeleinrichtung SP2 positioniert sein. Bei einer Auslenkung des Innenbereichs IB in vertikaler Richtung kann die Höhe h0 verringert oder vergrößert werden, der Abstand d des Grabens zwischen Innenbereich IB und Aufhängebereich AB kann vorteilhaft stets konstant bleiben.
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Die Aktuatoreinrichtung 6 kann beispielsweise eine piezoelektrische Schicht PZ umfassen; einen thermischen Bimorph TB mit einem Heizelement und einer Schichtenfolge, deren Schichten unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten umfassen (nicht gezeigt); einen Hairpin-Aktuator, wobei die Federschicht 4 eine Mehrschichtenlage umfassen kann und der Hairpin-Aktuator in diese eingebettet sein kann; und/oder einen elektrostatischen Biegeaktor mit zwei Elektroden umfassen, wobei der Biegeaktor durch ein Anlegen einer Spannung an den Elektroden verbiegbar sein kann.
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Die Aktuatoreinrichtung kann als eine piezoelektrische Schicht, etwa im Falle der Federschicht als umlaufender Scheibenfeder in Form von Kreisringen oder Kreisringsegmenten auf der Federschicht abgeschieden werden.
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Ein Licht L kann zumindest im Bereich des Innenbereichs IB auf das erste Substrat T1 auftreffen, und nach der Filterung das zweite Substrat T2 wieder passieren.
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Die Federschicht 4 kann beispielsweise ein amorphes, polykristallines oder monokristallines Silizium, beispielsweise ein dotiertes Material, umfassen. Die Federschicht und der Federbereich können entweder als Scheibenfeder umlaufend um den Innenbereich gestaltet sein oder durch einzelne Federn entlang des Umfangs des Innenbereichs geformt sein. Die Herstellung einer solchen Struktur kann durch Standardverfahren der Mikrosystemtechnik erzielt werden. Eine Ausnehmung eines Bereichs der Federschicht in der optischen Apertur über dem ersten Substrat kann vorteilhaft in einem gleichen Prozessschritt erfolgen, wie das Strukturieren des Federbereichs.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Aktuatoreinrichtung für eine optische Filtereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die Aktuatoreinrichtung 6 kann einen Hairpin-Aktuator umfassen, wobei die Federschicht 4 eine Mehrschichtenlage umfassen kann und der Hairpin-Aktuator in diese eingebettet sein kann, wobei der Hairpin-Aktuator mehrere übereinander angeordnete elektrisch leitende Schichten umfassen kann, welche jeweils einen Unterschied im Querschnitt aufweisen und bei einem Stromfluss unterschiedlich erwärmbar sind und der Hairpin-Aktuator dadurch vertikal verbiegbar sein kann. Die Anordnung der Schichten kann vorteilhaft derart am Federbereich erfolgen, dass der Innenbereich in einer vertikalen Richtung auslenkbar ist.
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Die Aktuatoreinrichtung 6 kann eine Aufhängung 6a umfassen, mit welcher die Aktuatoreinrichtung 6 an der Federschicht angeordnet sein kann. Die Aufhängung 6a kann auch in die Federschicht eingebettet sein. Der Hairpin-Aktuator kann eine erste Aktuationsschicht 6c, eine dazu senkrecht und am Ende der ersten Aktuationsschicht 6c angeordnete zweite Aktuationsschicht 6d und eine parallel zur ersten und mit nur der zweiten Aktuationsschicht 6d und der Aufhängung in direktem Kontakt stehende dritte Aktuationsschicht 6e umfassen, welche bei Stromfluss unterschiedliche Erwärmungen aufweisen können, sodass sich die Anordnung der 2 beispielsweise nach unten und parallel zur Aufhängung verbiegen kann. Dazu kann die erste Aktuationsschicht 6c beispielsweise eine starke Erwärmung, die zweite Aktuationsschicht 6d eine mittlere Erwärmung und die dritte Aktuationsschicht 6e eine geringe Erwärmung aufweisen (relativ zueinander). Die unterschiedlich starke Erwärmung kann beispielsweise jeweils durch einen unterschiedlichen Leiterquerschnitt der Aktuationsschicht erzielt werden. Die Erwärmungen und unterschiedliche Ausdehnungen resultieren also vorteilhaft auf resistivem Heizen der Leiter (Aktuationsschichten). Durch Verwenden eines Mehrschichtsystems in der Federebene kann eine Hairpin-Struktur auch für eine vertikale Aktuation verwendet werden. Eine Anbindung des Innenbereichs kann beispielsweise an einer der Aufhängung 6a gegenüberliegenden Seite erfolgen. Entlang eines Umfangs des Innenbereichs können mehrere solcher oder andere Aktuatoreinrichtungen angebracht werden.
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3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Aktuatoreinrichtung für eine optische Filtereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die Aktuatoreinrichtung 6 kann einen elektrostatischen Biegeaktor mit zwei Elektroden e1 und e2 umfassen, wobei der Biegeaktor durch ein Anlegen einer Spannung an den Elektroden verbiegbar ist. Zwischen den beiden Elektroden e1 und e2 kann ein Isolator INS, etwa in gleichen Abständen angeordnet sein. Der Biegeaktor kann sich zwischen einer Aufhängung 6a, welche in den Federbereich integriert sein kann und dem Innenbereich IB des ersten Substrats T1 erstrecken. Je nach Bestromung der Elektroden kann eine resultierende Aktuationskraft nach oben gerichtet sein. Nach einem Anlegen einer Spannung an den Elektroden (unterschiedliche Potentiale an den Elektroden), können sich diese anziehen, was in einer Verbiegung der Aktuatoreinrichtung resultieren kann. Der Biegeaktor kann bei Integration in die Federschicht auch als kombinierte Feder-Aktor Struktur ausgeprägt sein. Zusätzlich können noch weitere Federn und/oder Aktoren unterschiedlicher oder gleicher Typen vorhanden sein, sofern eine Anpassung der Systemsteifigkeit nötig ist. Beispielsweise kann eine vollständig den Innenbereich umlaufende, rotationssymmetrische Anordnung möglich sein.
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4 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Aktuatoreinrichtung für eine optische Filtereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die Aktuatoreinrichtung 6 kann eine Magnetfeldeinrichtung M und eine Spuleneinrichtung SP umfassen, wobei mittels der Magnetfeldeinrichtung M ein externes Magnetfeld B am Innenbereich IB erzeugbar ist und die Spuleneinrichtung SP am Innenbereich IB und mit diesem mechanisch verbunden angeordnet sein kann, wobei mittels der Spuleneinrichtung SP eine Kraftwirkung vertikal auf den Innenbereich IB generierbar ist. Bei einem Stromfluss durch die Spuleneinrichtung kann im externen Magnetfeld eine Lorentzkraft derart auf die Spuleneinrichtung wirken, dass eine vertikale Kraft auf die Federschicht und/oder den Innenbereich IB ausgelöst wird, je nach Stromrichtung nach oben oder unten.
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Die Magnetfeldeinrichtung M kann lateral um den Innenbereich IB herum an mehreren Stellen, etwa über dem Aufhängebereich AB angeordnet sein. Im Querschnitt der 4 sind die Magnetfeldeinrichtung M kreisförmig umlaufende Pfeile der externen Magnetfelder B mehrerer Magnetfeldeinrichtungen M gezeigt, welche über dem Innenbereich IB in einer horizontalen und vorzugsweise radialen Richtung verlaufen können.. Statt mehrerer umlaufender Magnetfeldeinrichtungen M ist auch die Verwendung eines einzelnen umlaufenden Ringmagneten denkbar. In der 4 ist des Weiteren gezeigt, dass die Federschicht 4 über einen Großteil des Innenbereichs IB, durch welchen das Licht L einstrahlen kann, eine Ausnehmung Aus, mit vorteilhaft offenliegendem Substrat T1, aufweisen kann. Hierdurch können Absorptionen von bestimmten Wellenlängen durch die Federschicht 4 in diesem Bereich vermieden werden. Die Spuleneinrichtungen SP können auf dem Federbereich 4a und mit diesem in mechanischem Wirkkontakt angeordnet sein, vorteilhaft derart lateral um den Innenbereich IB herum, dass eine symmetrische Kraftwirkung auf den Innenbereich IB erzielbar ist, wodurch die erste Spiegeleinrichtung SP1 als zu einem hohen Grade parallel zur zweiten Spiegeleinrichtung SP2 bewegbar sein kann. Mittels der Spuleneinrichtungen und der Magnetfeldeinrichtung kann ein elektrodynamischer Aktuator erzielt werden. Es kann dazu die Spuleneinrichtung vorteilhaft wahlweise auf der Ober- oder Unterseite des Innenbereichs aufgebracht (angeordnet) werden (etwa lateral an Außenbereichen des Innenbereichs, an welchen das externe Magnetfeld noch spürbar sein kann), sodass der Innenbereich bei Bestromung der Spuleneinrichtung in einem externen Magnetfeld auslenkbar sein kann. Die Magnetfeldeinrichtung M kann beispielsweise einen oder mehrere Ringmagneten umfassen. Des Weiteren können die Spuleneinrichtungen auch innerhalb oder oberhalb der Federschicht angeordnet werden. Das externe Magnetfeld durchdringt vorteilhaft den Innenbereich und den Feder- sowie Aktuationsbereich und kann eine Lorentzkraft auf die Felder der Spuleneinrichtungen bewirken. Es ist vorteilhaft eine derartige Anordnung der Spuleneinrichtungen möglich, dass diese an mehreren lateralen Stellen um den Innenbereich IB angeordnet sein können, um vorteilhaft mit der Aktuationswirkung eine symmetrische Auslenkung des Innenbereichs erzielen zu können.
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Des Weiteren ist es auch möglich, dass die Aktuatoreinrichtung als eine Formgedächtnislegierung ausgeformt sein kann und auf der Federschicht aufgebracht oder in diese integriert werden kann. Da das erste Substrat vorteilhaft eine planarisierende Wirkung auf die erste Spiegelschicht haben kann, mit anderen Worten kann das Substrat durch einen flächigen Kontakt mit der ersten Spiegelschicht deren Planarität begünstigen, ebenso das zweite Substrat mit der zweiten Spiegelschicht, kann vorteilhaft auch eine tensile Verspannung der Spiegel und der Substrate verzichtet werden. Des Weiteren kann die Filtereinrichtung noch eine kapazitive oder piezoresistive Positionsdetektionseinrichtung umfassen, um die Position der Spiegelschichten, vorteilhaft deren Abstand, bestimmen zu können. Der Abstand kann auch mittels Detektionselektroden bestimmt werden, welche die Filtereinrichtung an den Substraten umfassen kann (nicht gezeigt).
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5 zeigt eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zum Herstellen einer optischen Filtereinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 eines ersten Substrats; ein Strukturieren S2 des ersten Substrats in einen Aufhängebereich und einen Innenbereich, so dass der Aufhängebereich den Innenbereich lateral umläuft; ein Trennen S3 des Aufhängebereichs vom Innenbereich durch Ausformen eines Grabens zwischen dem Aufhängebereich und dem Innenbereich; ein Anordnen S4 einer Federschicht auf dem ersten Substrat und Ausbilden eines strukturierten Federbereichs in der Federschicht, wobei das Strukturieren S2 des ersten Substrats nach dem Anordnen S4 der Federschicht und ein Ausformen S3 des Grabens unterhalb des strukturierten Federbereichs erfolgt oder das Strukturieren S2 des ersten Substrats und das Trennen S3 vor dem Anordnen S4 der Federschicht und dem Ausbilden des strukturierten Federbereichs über dem Graben erfolgt; ein Anordnen S5 einer Aktuatoreinrichtung zumindest stellenweise auf oder in dem strukturierten Federbereich; ein Anordnen S6 zumindest einer ersten Spiegelschicht auf dem Innenbereich an einer der Federschicht abgewandten Seite; ein Bereitstellen S7a eines zweiten Substrats mit einer zweiten Spiegelschicht und ein Anordnen S7b des ersten Substrats auf dem zweiten Substrat mit dem Aufhängebereich derart, dass die erste Spiegelschicht der zweiten Spiegelschicht zugewandt angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Spiegelschicht und das erste und das zweite Substrat eine Transmissivität für ein Licht mit einem ersten Wellenlängenbereich aufweisen.
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Der Verfahrensschritt des Ausformens des Grabens kann demnach vorteilhaft vor dem Anordnen der Federschicht auf dem ersten Substrat oder danach erfolgen. Bei Letzterem kann der Graben durch einen Freistellungsprozess der Federschicht, insbesondere des Federbereichs, erfolgen, beispielweise durch ein Ätzverfahren, etwa durch Ätzlöcher im Federbereich hindurch oder von der Rückseite. Da der Federbereich auch selbst Ausnehmungen umfassen kann, die eine Federwirkung bewirken können, (falls der Federbereich selbst durch Strukturieren mit Löchern versehen wird), kann der Ätzvorgang des Grabens vorteilhaft durch diese Löcher hindurch wirken.
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Alternativ kann auch ein Federmaterial, etwa als Wafer auf ein bereits mit Graben ausgeformtes erste Substrat aufgebracht werden und danach zu einer Federschicht rückgedünnt werden, etwa durch Dünnschleifen. Die Federschicht kann beispielsweise durch ein Bondverfahren aufgebracht werden. Das Ausformen des Federbereichs kann nachträglich per Strukturierung erfolgen, also etwa durch eine Modifizierung des Materials im Federbereich oder durch das Einbringen von Strukturen oder Ausnehmungen.
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Das Anordnen einer ersten Spiegelschicht S6 kann zu unterschiedlichen Momenten des Herstellungsprozesses erfolgen, wie in 5 gezeigt.
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Beispielsweise nach dem Schritt S2, dem Schritt S4, dem Schritt S5, als Optionen.
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Die Glaswafer, insbesondere der Glaswafer des ersten Substrats, können ein mikrostrukturierbarer Glaswafer sein, beispielsweise ein technisches Glas wie Schott Foturan II umfassen, welches nach einem Belichtungsschritt eine hochgradig anisotrope Ätzung erlaubt, so dass die Strukturierung eines Innenbereichs und das Ausprägen eines Grabens möglich wird. Des Weiteren ist es auch möglich, einen Silizium-Wafer als erstes Substrat zu verwenden, welcher eingebettete Glasflächen umfassen kann, welche dann zur Strukturierung des Innenbereichs herausgeätzt werden können.
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Der Innenbereich und der Graben kann hierbei vorteilhaft durch Belichtung und Ätzen (Entwicklung) ausgeformt werden. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass eine Materialmodifikation und damit die Region, aus welcher das Substratmaterial entfernt werden kann, durch lithographische Strukturierung festgelegt
werden kann ohne die Anwendung eines Plasmaätzprozesses, der typischerweise eine große Streuung in Aufweitung und Versatz zwischen Vorder- und Rückseite des Substrats und in Glas nur sehr geringe Ätzraten aufweisen kann. Somit kann eine verbesserte relative Ausrichtung von Innenbereich, Feder und Aktuator zueinander erzielt werden, was eine reduzierte Verkippung bei der Bewegung des Innenbereichs ermöglichen kann. Zur Strukturierung des Glases und des Innenbereichs sind auch weitere Verfahren wie etwa Verfahren der Lasermaterialbearbeitung und/oder Nassätzen möglich. Somit ist das Verfahren auch nicht auf die Verwendung eines technischen Glases wie Foturan II beschränkt. Durch eine Anwendung eines massiven Innenbereichs kann die Notwendigkeit einer tensil verspannten Spiegelmembran vorteilhaft entfallen. Das zweite Substrat kann auch Silizium, Glas oder ein anderes Material umfassen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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