WO2015075222A1

WO2015075222A1 - Mikrospiegelanordnung

Info

Publication number: WO2015075222A1
Application number: PCT/EP2014/075380
Authority: WO
Inventors: Ulrich Hofmann; Frank Senger; Thomas VON WANTOCH; Christian MALLAS; Joachim Janes
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2015-05-28
Also published as: CN105849618A; CN105849618B; US20160299335A1; US9753280B2; DE102013223933A1; DE102013223933B4

Abstract

Es wird eine Mikrospiegelanordnung vorgeschlagen, die umfasst einen ersten Feder-Masse-Schwinger, der einen eine Spiegelplatte (1) bildenden Schwingkörper und erste Federelemente (2) aufweist, einen zweiten Feder-Masse-Schwinger, der eine Antriebsplatte (3) und zweite Federelemente (4) aufweist und der über die zweiten Federelemente (4) mit einer Trägeranordnung {5, 8, 9) verbunden ist, wobei der erste Feder-Masse-Schwinger über die ersten Federelemente (2) in dem zweiten Feder-Masse-Schwinger aufgehängt ist, und eine Antriebsanordnung (11), die der Antriebsplatte zugeordnet ist und ausgebildet ist, die Antriebsplatte (3) zum Schwingen anzuregen. Der Schwingkörper (1) ist zweiachsig beweglich über die ersten Federelemente (2) an der Antriebsplatte (3) aufgehängt und die Antriebsplatte (3) ist zweiachsig beweglich mit der Trägeranordnung (5, 8, 9) verbunden, wobei die Antriebsanordnung (11) als zweiachsiger Antrieb ausgeführt und ausgebildet ist, die Antriebsplatte (3) zweiachsig anzutreiben, derart, dass der Schwingkörper (1) zweiachsig mit jeweils einer seiner orthogonalen Eigenmoden oder nahe dieser Eigenmoden schwingt.

Description

Mikrospiegelanordnung

Die Erfindung betrifft eine Mikrospiegelanordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Für zahlreiche Applikationen von Mikrospiegelanordnungen ist gleichzeitig ein möglichst großer Spiegeldurchmesser, z. B. größer als 7 Millimeter, eine möglichst hohe Resonanzfrequenz, d. h. hohe Scanfrequenzen, z. B. größer als 7 Kilohertz, und ein möglichst großer Ablenkwinkel, z. B. größer als 10°, gewünscht.

Aus der US 5 543 956 ist eine Mikrospiegelanordnung bekannt, bei der ein einachsiger Feder-Masse-Schwinger in einem weiteren Feder-Masse- Schwinger aufgehängt ist. Dabei ist dem weiteren Feder-Masse-Schwinger eine Antriebseinheit zugeordnet, die den weiteren Feder-Masse-Schwinger zum Schwingen anregt, wodurch der aufgehängte einachsige Feder-Masse- Schwinger gleichfalls zum Schwingen angeregt wird. Der einachsige Feder- Masse-Schwinger weist einen als Spiegel ausgebildeten Schwingkörper auf, der über Torsionsfedern an einer Antriebsplatte des weiteren Feder-Masse- Schwingers aufgehängt ist, die wiederum über Torsionsfedern mit einem feststehenden Teil verbunden ist. Bei geeigneter Auslegung der Trägheits- momente und Federsteifigkeiten der Feder-Masse-Schwinger sowie einer geeigneten Wahl der Ansteuerfrequenz für den Antrieb des weiteren Feder- Masse-Schwingers lässt sich eine resonante Schwingung des als innerer Spiegel-Schwinger ausgebildeten einachsigen Feder-Masse-Schwingers realisieren, dessen Amplitude einen großen Ablenkwinkel aufweist und gegenüber der umgebenden Antriebsplatte deutlich verstärkt ist.

Solche aus dem Stand der Technik bekannten Mikrospiegelanordnungen, die als sogenannte MEMS-Scanner verwendet werden, sind allesamt nur auf einachsige Systeme limitiert. Doch für zahlreiche Aufgaben ist eine resonante Oszillation in zwei zueinander senkrechten Achsen gewünscht, z. B. für Lissajous-Laser-Projektionsdisplays.

Zweiachsige Resonanz-Scanner mit zweiachsiger Amplitudenverstärkung sind in der Literatur nur in geringem Umfang zu finden. Schenk et al. beschreiben in dem Artikel "Design and Modeling of Large Deflection Micromechanical 1D and 2D Scanning Mirrors", Proceedings of SPIE, vol. 4178 (2000), einen karda- nisch aufgehängten beidachsig resonanten 2D-Scanner mit einem Spiegeldurchmesser von weniger als 2 Millimetern. Für große Spiegel, beispielsweise für Spiegel mit 7 Millimetern und größer, würde dieser Ansatz, basierend auf elektrostatischen Kammantrieben, zu einem sehr unvorteilhaft ausgedehnten Bauelement führen, das wegen der Skalierung der elektrostatischen Kräfte nur sehr geringe Dynamik aufweisen würde.

Ein anderer Ansatz wird in der US 7 295 726 Bl beschrieben. Der daraus bekannte zweiachsige Scanner kommt ohne eine Kardanaufhängung aus und nutzt vier identische Hebelverbindungen zwischen dem Scanner-Chiprahmen und einer Spiegelplatte aus. Bei diesem zweiachsigen Scanner können die Elektrodenabstände klein gehalten werden, es tritt jedoch auch bei diesem Ansatz ein ungünstiges Skalierungsverhalten der elektrostatischen Kräfte in Erscheinung. Der Erfindung Hegt daher die Aufgabe zugrunde, eine zweiachsige Mikrospie- gelanordnung für die Verwendung in einem zweiachsigen Resonanzscanner zu schaffen, die es gestattet, in den beiden zueinander senkrechten Schwingungsachsen einen großen Ablenkwinkel, z. 8. größer als 10", zu schaffen, bei dem der als Spiegelplatte ausgebildete Schwingungskörper möglichst groß, d. h. mit einem Spiegeldurchmesser von > 7 mm ausgebildet sein kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Die erfindungsgemäße Mikrospiegeianordnung umfasst einen ersten Feder- Masse-Schwinger, der einen eine Spiegelplatte bildenden Schwingkörper und erste Federelemente aufweist, einen zweiten Feder-Masse-Schwinger, der eine Antriebsplatte und zweite Federelemente aufweist und der über die zweiten Federelemente mit einer Trägeranordnung verbunden ist. Dabei ist der erste Feder-Masse-Schwinger über die ersten Federelemente in dem zweiten Feder-Masse-Schwinger aufgehängt, und weiterhin ist eine Antriebsanordnung vorgesehen, die der Antriebsplatte zugeordnet ist und ausgebildet ist, die Antriebsplatte zu Schwingungen anzuregen. Der Schwingkörper ist zweiachsig beweglich über die ersten Federelemente an der Antriebsplatte aufgehängt, und die Antriebsplatte ist zweiachsig beweglich mit der Trägeranordnung verbunden, und die Antriebsanordnung ist als zweiachsiger Antrieb ausgeführt und ausgebildet ist die Antriebsplatte zweiachsig anzutreiben, derart, dass der Schwingkörper zweiachsig jeweils mit einer seiner Eigenmoden oder nahe dieser Eigenmoden (abhängig von der Resonanzfrequenz zwischen plus minus 1% - plus minus 10% der Resonanzfrequenz), d.h. mit zwei zueinander orthogonalen Eigenmoden bzw. nahe dieser Eigenmoden für jeweils eine Drehachse schwingt.

Dadurch, dass beide Achsen der erfindungsgemäßen Mikrospiegeianordnung durch ein kaskadiertes Feder-Masse-System, durch eine Anordnung Doppelresonator in Doppelresonator realisiert sind, ist es möglich, den Schwingkörper, d. h. die Spiegelplatte, durch die Antriebsanordnung über den äußeren, zweiten Feder-Masse-Schwinger in Schwingungen großer Amplitude zu versetzen, auch dann, wenn es sich um eine für MEMS-Resonatoren bzw. -Scanner üblicherweise nicht sinnvoll realisierbare große Schwingmasse und Trägheitsmoment des Schwingkörpers oder aber auch um sehr hohe Frequenzen handelt. Die Antriebsparameter der Antriebsanordnung für die zwei Achsen, wie Antriebsfrequenz und Antriebsamplitude, werden abgestimmt auf die Parameter des ersten und zweiten Feder-Masse-Schwingers, wie Trägheitsmoment und Federsteifigkeiten, so gewählt, dass die Antriebsplatte des zweiten Feder-Masse-Schwingers mit einer geringeren Anregungsampli- tude bewegt, aber eine große Amplitudenverstärkung bzw. Winkel- Amplitudenverstärkung in Bezug auf den Schwingkörper des ersten Feder-Masse- Schwingers in beiden Achsen erzielt wird. Mit der erfindungsgemäßen Mikrospiegelanordnung können bezogen auf

MEMS-Spiegel mit Durchmessern von oberhalb von 5mm und einer Resonanzfrequenz größer als 2 kHz Oszillationsamplituden in zueinander senkrechten Achsen erzielt werden, die um einen Faktor 10 bis 1000 größer sind, als mit den in der Mikrotechnik bisher bekannten Anordnungen realisierbar ist.

Besonders vorteilhaft ist, dass die Antriebsanordnung ausgebildet ist, die Antriebsplatte derart anzutreiben, dass der Schwingkörper und die Antriebsplatte gegenphasig schwingt, d. h., die zwei Achsen zueinander entkoppelt sind und mit zwei unterschiedlichen Frequenzen angesteuert werden. Dies ist insbesondere zur Erzielung von großen Amplituden bzw. großen Winkelamplituden vorteilhaft. Gegebenenfalls, z. B. bei einer Kreisabtastung, kann jedoch eine Kopplung zwischen den Achsen vorgesehen sein, und die Antriebsfrequenzen werden gleich bzw. ähnlich gewählt. Wie bereits erläutert bezieht sich die erfindungsgemäße Anordnung auf einen in zwei zueinander senkrechten Achsen realisierten Doppelresonator-Ansatz, bei dem jeweils ein äußerer Resonator (zweiter Feder-Masse-Schwinger) einen inneren Resonator {ersten Feder-Masse-Schwinger) zum Schwingen bringt. Dadurch, dass der innere Resonator keine eigenen Antriebsstrukturen aufweist, kann die Dämpfung des inneren Resonators, des Spiegel-Oszillators minimiert werden. Der Doppelresonator weist in jeder der beiden Schwin- gungsachsen zwei Resonanzfrequenzen auf. Die Resonatoren können so ausgelegt werden, dass bei einer ersten niedrigeren Resonanzfrequenz beide Resonatoren gleichphasig schwingen und bei einer höheren zweiten Resonanzfrequenz beide gegenphasig zueinander schwingen. Bei geeigneter Auslegung von Federstärken und Trägheitsmomenten wird eine gewünschte

Amplituden-Verstärkung des inneren Oszillators erhalten, d.h. der Spiegel weist eine viel größere Oszillationswinkel-Amplitude als der Antriebsrahmen auf. Der Verstärkungsfaktor liegt typischerweise zwischen 10 und 200. Je nach Aufgabenstellung kann es erforderlich sein, zwei möglichst vollständig ent- koppelte Schwingungsachsen zu realisieren oder aber zwei Achsen zu realisieren, die vorzugsweise eine gewisse Kopplung und wechselseitige Synchronisation aufweisen. Dafür seien zwei konkrete Anwendungs-Beispiele genannt:

Ist es bei einem ersten Beispiel das Ziel, mit Hilfe eines in zwei Achsen schwin- genden Resonanz-Scanners mit einem Durchmesser von 7mm oder größer eine Projektionsfläche flächenhaft rechteckig auszuleuchten, z.B. um damit einen leistungsstarken UV-Laser über eine Phosphor-Leuchtstoff-Schicht in einem Automobil-Projektions-Scheinwerfer zu lenken, dann wird hierbei eine Entkopplung der beiden Achsen angestrebt, um damit beispielsweise zuzulas- sen, dass die erste Achse z.B. bei 10,0 kHz schwingt und die zweite Achse bei

10,2 kHz. Auf diese Weise kann eine Wiederholrate der Lissajous-Trajektorie von 200Hz erzeugt werden (eine Frequenz, die das menschliche Auge nicht mehr aufzulösen vermag). Wären die Achsen hierbei zu stark gekoppelt, käme es zu einem ständigen Energie-Austausch, was sich in unerwünschten Schwe- bungen bemerkbar machen würde. Kopplung und Entkopplung der beiden

Achsen hängen stark von der Gestaltung der Federn ab. Besitzt die Federsteif- igkeit ein nichtlineares Verhalten, dann lässt sich eine Kopplung der Achsen meistens nicht vermeiden. Kann aber der Aktuator so betrieben werden, dass die Federn den Linear-Bereich nicht verlassen, dann kann eine Entkopplung der beiden Achsen hergestellt werden.

Ist es bei einem zweiten Beispiel das Ziel, mit Hilfe eines in zwei Achsen schwingenden Resonanz-Scanners eine kreisförmige Scan-Trajektorie zu erzeugen, beispielsweise um damit einen omnidirektionalen LIDAR- Abstandssensor zu realisieren oder um mit einem Hochleistungslaser eine kreisförmige Materialbearbeitungsaufgabe zu lösen, dann ist es erforderlich, zwei gleiche Resonanzfrequenzen zu realisieren und darüber hinaus sicherzustellen, dass die beiden Schwingungsachsen im eingeschwungenen Zustand dauerhaft bei gleicher Schwingungsfrequenz im richtigen Phasenverhältnis von 90° Phasendifferenz schwingen. Dies lässt sich erreichen, indem gezielt eine Kopplung zwischen den Achsen zugelassen wird, etwa indem eine Feder mit geringem Torsions- und hohem Biegeanteil verwendet wird. Biegefedem weisen häufig einen deutlich kleineren Linearbereich der Federsteifigkeit auf als Torsionsfedern. Beide Achsen haben gleiche Frequenzgänge von Antriebsplatte und Spiegel. Typisch für die nichtiineare Federsteifigkeit ist ein Ampli- tuden-Frequenzgang mit stark unsymmetrischem Resonanzverlauf.

In vorteilhafter Weise ist die Antriebsplatte des zweiten Feder-Masse- Schwingers als ein den Schwingkörper umgebender Ringrahmen ausgebildet, der entsprechend der gewünschten Konstruktion rund oder mehreckig reali- siert werden kann. Dies ergibt eine einfache und klare Realisierungsmög- lichkeit.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Antriebsplatte mehrere Antriebsplattenelemente bzw. -Segmente aufweisen, die gleichzeitig die zweiten Federelemente bilden. Eine solche Anordnung liefert eine sehr gute

Wärmeankopplung, die z.B. bei der Laser-Materialbearbeitung mit Laserleistungen bis zu mehreren Kilowatt benötigt wird. Dabei muss die in den Spiegel eingetragene absorbierte Laserenergie sollte möglichst gut an die Peripherie des MEMS-Chips abgeführt werden. Weiterhin können bei dieser Ausfüh- rungsform höheren Federsteifigkeiten realisiert werden, die für die Realisierung von Scannern mit sehr hohen Resonanzfrequenzen von Bedeutung sind. Durch die "Segmentierung" der Antriebsplatte ergibt sich eine bessere Trennung der Achsen. Bei nicht segmentierter Antriebsplatte kann es vorkommen, dass die eine Achse mit der anderen Achse über die Antriebsplatte koppelt und zwar umso stärker je größer die Auslenkung der Antriebsplatte ist und je weniger ringförmige Federrahmen (s.u.) zwischen Spiegelplatte und Antriebsplatte zwischengeschaltet sind.

Der Schwingkörper ist vorteilhafterweise über vier diskrete erste Federn an der Antriebsplatte bzw. den Antriebsplattensegmenten zur Realisierung der zwei Schwingungsachsen aufgehängt, es ist jedoch auch denkbar, dass nur drei diskrete erste Federelemente den Schwingkörper mit der Antriebsplatte verbinden und trotzdem der Schwingkörper zweiachsig schwingt. In entsprechender Weise kann die Antriebsachse mit der Trägeranordnung über mindestens zwei, vorzugsweise drei oder vier diskrete zweite Federelemente ver- bunden sein. Bei einem einzigen Paar lateraler einander gegenüberliegender zweiten Federn könnten diese z. B. eine Mäanderform haben, die sowohl eine Drehung der Antriebsplatte um die erste als auch eine Drehung um die zweite Achse zulässt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die ersten Federelemente als mindestens zwei ringförmige Federrahmen ausgebildet. Dabei können die mehreren, vorzugsweise drei oder vier oder noch mehr Federrahmen ineinander geschachtelt sein und umgeben zwischen Schwingkörper und Antriebsplatte den Schwingkörper wodurch eine kardanische Aufhängung gebildet wird. Sie sind an mindestens zwei gegenüberliegenden Verbindungsstellen jeweils mit dem Schwingkörper, untereinander und mit der Antriebsplatte verbunden, wobei die Verbindungsstellen vom Schwingkörper zur Antriebsplatte um einen Winkel zwischen 90 und 120°, vorzugsweise um 90° versetzt angeordnet sind. Durch diese Anordnung wird die dynamische De- formation des Schwingkörpers bzw. der Spiegelplatte reduziert, insbesondere bezüglich der Drehung um zwei zueinander senkrechte Drehachsen. Die Deformationen treten im Wesentlichen nur an dem umgebenden Federrahmen auf, und von Rahmen zu Rahmen, von außen nach innen betrachtet, kann durch die ineinander geschachtelte Struktur und durch die alternierend versetzte Anordnung der Verbindungsstellen die Deformation immer weiter reduziert werden. Es ergibt sich außerdem in vorteilhafter Weise eine sehr kompakte Struktur, die über diese kaskadäerten Federstrecken eine große Ausienkung der Spiegelplatten in beiden Achsen erlaubt. In einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Antriebsplatte über mindestens zwei, vorzugsweise 3 oder 4 oder noch mehr sie umgebende ringförmigen Federrahmen, die die zweiten Federelemente bilden, in Form einer kardanischen Aufhängung mit der Trägeranordnung verbunden. Dabei sind die Antriebsplatte mit dem sie direkt umgebenden Federrahmen, die Federrahmen untereinander und der äußerste Federrahmen mit der Trägeranordnung über jeweils um einen Winkel zwischen 90 und 120°, vorzugsweise um 90" versetzte Verbindungsstellen verbunden. Eine solche Anordnung erlaubt eine platzsparende Struktur und eine Anpassung an die gewünschten Schwingungseigenschaften. Durch diese Anordnung wird eine Kardan- Aufhängung geliefert. Bei Erhöhung der Anzahl der ringförmigen Federrahmen kann die Gesamt-Federlänge erhöht werden, damit die Feder weicher wird. So können beispielsweise für den zweiachsigen Spiegel auch vier ringförmige Federnrahmen verwendet werden.

Die kardantsche Aufhängung der ringförmigen Federrahmen bietet in beiden beschriebenen Fällen jeweils die positive Eigenschaft, dass die gekoppelten

Eigenschwingungen der beiden Achsen besser voneinander entkoppelt werden.

Die Antriebsanordnung kann je nach Auslegung der Mikrospiegelanordnung als zweiachsig elektrostatischer, piezoelektrischer und/oder elektromagnetischer Antrieb ausgebildet sein, wobei die Wahl der Art des Antriebs von den gewünschten Applikationen abhängt. Elektromagnetische Antriebe haben beispielsweise gegenüber den piezoelektrischen Antrieben den Vorteil, dass sie zusätzlich zu hohen erzeugbaren Kräften auch große Hübe, d. h. Stellwege bzw. Amplituden, ermöglichen. Die kleineren realisierbaren Stellwege von

Piezoaktoren sind in vielen Fällen jedoch vollkommen ausreichend, um den ersten Feder-Masse-Schwinger, abgestimmt auf die Eigenresonanz bzw. auf die Eigenresonanz der Spiegelplatte in ausreichend große Schwingungen zu versetzen. Die häufig größere Frequenzbandbreite von Piezoaktoren stellt insbesondere bei sehr hochfrequent anzusteuernden MEMS-Scannern, z. B. > 20 kHz, einen Vorteil gegenüber elektromagnetischen Antrieben dar.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die Trägeranordnung ein Substrat, vorzugsweise einen Elektrodenchip, einen über einen Abstands- halter fest verbundenen Aktuatorchip, bei dem an einem feststehenden Teil die Feder-Masse-Schwinger befestigt sind, auf, und in vorteilhafter Weise ist die Trägeranordnung von einer Abdeckung oder gegebenenfalls von einem Bodenwafer vakuumdicht zur Bildung eines vakuumverkapselten Mikrospie- gelchips abgedeckt, in dem vorzugsweise ein Getter eingebracht ist. Durch die Vakuumverkapselung wird eine minimale Dämpfung der zweiachsigen Mikro- spiegelanordnung erzielt, wobei der Getter vorzugsweise das Vakuum erzeugt und aufrechterhält.

Zur Erzielung einer kompakten Anordnung für die Mikrospiegelanordnung sind an der Trägeranordnung, der Antriebsplatte bzw. den Antriebsplattensegmenten mit Abstand gegenüberliegend und/oder an der Antriebsplatte bzw. an den Antriebsplattensegmenten Elektroden und/oder piezoelektrische Elemente und/oder Spulen und/oder magnetische Schichten ausgebildet, die Bestandteil der Antriebsanordnung sind. Vorteilhafterweise können an der Trägeranordnung, der Antriebsplatte bzw. den Antriebsplattensegmenten mit Abstand gegenüberliegend, und/oder an der Antriebspiatte bzw. den Antriebsplattensegmenten Elektroden angebracht sein, die als Positions- und Phasendetektionselemente verwendbar sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrospiegelanordnung,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Mikrospiegelanordnung in einer Schnittansicht,

Fig. 4 eine Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrospiegelanordnung,

Fig. 5 eine Schnittansicht des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 im ausgelenkten Zustand der Feder-Masse-Schwinger,

Fig. 6 eine Ansicht gemäß Fig. 5 im Ruhezustand der Feder-Masse-

Schwinger mit unterschiedlichen Antriebselementen,

Fig. 7 eine Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrospiegelanordnung, Fig. 8 eine Ansicht gemäß Fig. 6 mit einem anders ausgebildeten

Antrieb,

Fig. 9 eine Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrospiegelanordnung und

Fig. 10 eine schematische Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Mikrospiegelanordnung, bei der die Antriebsplatte als geteilte An- triebsplattenelemente bzw. Antriebsplattensegmente ausgebildet ist.

In Figur 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Mikrospiegelanordnung schema- täsch dargestellt. Dabei ist eine Spiegelplatte 1 über schematisch angedeutete Federelemente 2 zweiachsig beweglich in der Mitte einer sie umgebenden ringförmigen Antriebsplatte 3 aufgehängt, die ihrerseits über Federelemente, im vorliegenden Fall vier Federelemente 4, in einem feststehenden Teil 5 eines Aktuatorchips, der durch die genannten Elemente gebildet wird, aufgehängt ist. Eine Antriebsanordnung 11 für den zweiachsigen Antrieb der Antriebsplatte 3 ist nur schematisch angedeutet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl die Spiegelplatte 1 als auch die Antriebsplatte 3 kreisförmig ausgebildet; sie können jedoch auch eine andere Form, z. B. eine mehreckige Form, besitzen.

Die Federelemente 2 und 4 sind, wie angegeben, schematisch dargestellt und sie können unterschiedlichste Formen aufweisen. Sie können als diskrete, einer Achse zugeordnete Federelemente, aber auch als Ringfedern, wie später beschrieben, ausgebildet sein, die Antriebsplatte 3 kann auch mit nur zwei Federelemente 4 an dem feststehenden Teil 5 aufgehängt sein, die ein zweiachsiges Schwingen zulassen.

In Figur 2 ist ein Elektrodenchip 9 unterhalb des Aktuatorchips 50, der aus dem feststehenden Teil 5, Federelementen 4 und 2 und Antriebsplatte 3 und Spiegelplatte 1 besteht, angeordnet, der über Spacer bzw. Abstandshalter 8 mit dem Aktuatorchip 50 verbunden oder verbondet ist. Dabei sind auf dem Elektrodenchip 9 unterhalb der Antriebsp!atte 3 Elektroden 7 in einem E!ekt- rodenabstand 6 zu der Antriebsplatte 3 angeordnet, wodurch ein mindestens zweiachsiger elektrostatischer Antrieb realisiert werden kann. Der Elektrodenchip 9 weist eine Ausnehmung 10 auf, so dass die Spiegelplatte 1 Auslenkungen größer als der Elektrodenabstand 6 erzielen kann.

In einem anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass nicht jeweils vier diskrete Federelemente 2 bzw. 4 zwischen Spiegelplatte 1 und Antriebsplatte 3 bzw. Antriebsplatte 3 und feststehendem Teil 5 angeordnet sind, sondern nur jeweils drei Federelemente. Auch in diesem Fall kann ein zweiachsig beweglicher Mikrospiegel erzeugt werden.

Figur 3 zeigt eine gekapselte Mikrospiegelanordnung gemäß Figur 2, wobei über dem feststehenden Teil 5 des Aktuatorchips 50 Spacer bzw. Abstandshalter 12 so durch Bonden angebracht sind, dass ein für eine einfallende Strahlung optisch transparenter und vorzugsweise beidseitig entspiegelter Deckel 13 durch Kleben oder Bonden oder dergleichen angebracht werden kann. Dabei kann der Deckel 13 aus Glas, Quarzglas, Quarz, Saphir, Silizium, Zinkselenit oder Kunststoff bestehen, und er ist mit einem solchen Abstand zur Spiegelplatte 1 anzuordnen, dass sich die Spiegelplatte 1 in ausreichendem Maße auslenken kann. Die Ausnehmung 10 des Elektrodenchips 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht durchgehend, sondern der Elektrodenchip 9 bildet gleichzeitig den Boden der Mikrospiegelanordnung, und die Ausnehmung ist als Vertiefung in dem Chip 9 vorgesehen, derart, dass eine geschlossene Kavität 14 gebildet wird.

In einer anderen Ausführungsform mit einer durch den Elektrodenchip 9 hindurchgreifenden Ausnehmung 10 kann ein Boden in Form eines Bodenwafers oder Bodenchips auf die Unterseite des Elektrodenchips 9 durch Bonden oder Kleben oder dergleichen aufgebracht werden, so dass sich ein hermetisch dichtes Gehäuse ergibt. In die Kavität 14 kann ein nicht dargestellter Getter, z. B. als Metallschicht auf dem Elektrodenchip 9 oder dem separaten Boden oder als separate Getter-Pille, z. B. aus einer Zirkon-Titan-Zusammensetzung, vor dem Verkapseln eingebracht werden.

In Figur 4 ist die Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zweiachsigen Mikrospiegelanordnung für einen MEMS-Scanner dargestellt, wobei die Spiegelplatte 1 wiederum über Federelemente 2 im Zentrum der umgebenden Antriebsplatte 3 zweiachsig beweglich aufgehängt ist. Die Antriebsplatte 3 ist hier als Antriebsplattensegmente 3' ausgebildet, die ihrerseits Federeigenschaften besitzen und gleichzeitig Federeiemente entsprechend den Federelementen 4 bilden. Die Antriebsplattensegmente 3' münden direkt in den feststehenden Teil 5 des Aktuatorchips 50. Die Federelemente 2 zwischen Spiege!platte und Antriebspiattensegmenten 3' sind hier als konzentrisch ringförmig ausgelegte Federrahmen realisiert, die ineinander geschachtelt sind. Dabei ist die Spiegelplatte 1 an zwei gegenüberliegenden Verbin- dungssteilen mit dem innersten ringförmigen Federrahmen verbunden, der seinerseits mit dem nächsten ringförmigen Federrahmen an zwei im dargestellten Ausführungsbeispiel um 90° zu den vorherigen Verbindungsstellen versetzten Verbindungsstellen verbunden ist. in entsprechender Weise sind die nächsten ringförmigen Federrahmen miteinander verbunden, wobei der äußerste Federrahmen an die Antriebsplattensegmente 3' angekoppelt ist.

Unterhalb der Antriebsplattensegmente 3' befinden sich einzeln adressterbare Elektroden 7, die in diesem Ausführungsbeispiel etwas größer als die Segmente 3' sind, so dass sie diese seitlich überragen. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass zur Realisierung der zweiachsigen Mikrospiegelanordnung nur drei Antriebsplattensegmente 3' vorgesehen werden, die untereinander, z. B. um einen eingeschlossenen Winkel von 120°, gegeneinander verdreht sind. Figur 5 zeigt im Wesentlichen einen Querschnitt der Mikrospiegelanordnung nach Figur 4 in Bewegung. Für eine in dieser Figur dargestellte Bewegung der Spiegelplatte werden die in der Figur rechte Elektrode 7 oder in der Figur linke Elektrode 7 oder auch beide Elektroden, in letzterem Fall mit einem geeigneten Phasenversatz, mit einer Antriebsspannung, die eine der Resonanz- frequenz der Spiegelplatte 1 entsprechende Frequenz besitzt, angesteuert.

Der geeignete Phasenversatz ist beispielsweise 180°. Es werden daher z.B. alternierend an den beiden jeweils einander gegenüber liegenden Elektroden rechteckförmige Spannungs-Pulse {z.B. von OVolt bis 50Volt Amplitude) abgestimmt auf die Resonanzfrequenz der jeweiligen Achse erzeugt. Durch eine solche Ansteuerung bewegen sich die Antriebsplattensegmente 3', wie dargestellt, oszillierend mit einer zu der Spiegelplatte 1 geringeren Auslen- kung und erzeugen dabei eine zu den Antriebsplattensegmenten 3' gegenpha- sige, amplitudenverstärkte Bewegung der Spiegelplatte 1. Die Antriebsspannung wird jeweils den Elektroden zugeführt, wobei für eine Achse beispielsweise nur eine der beiden Elektroden zum Antreiben der Antriebsplattenseg- mente 3' und der Spiegelplatte 1 dienen kann, während die zweite Elektrode zur kapazitiven Positions- und Phasendetektion benutzt werden kann. Hierzu kann sich die abhängig vom variierenden Abstand zwischen Elektrode 7 und Antriebsplattensegment 3' ändernde Kapazität ausgewertet werden. Falls jedoch eine hohe Antriebskraft erzeugt werden soli, werden für eine Achse beide Elektroden 7 für den Antrieb eingesetzt.

Figur 6 zeigt eine erfindungsgemäße Mikrospiegelanordnung, die nicht nur durch elektrostatische Kräfte, sondern auch oder nur durch piezoelektrische Kräfte angetrieben wird. Dazu befinden sich auf den Antriebsplattensegmen- ten 3' Piezoaktuator-Schichten 15, die bei Anlegen einer Antriebsspannung verbiegen und dadurch die Antriebsplattensegmente 3' und damit indirekt auch die Spiegelplatte 1 in Bewegung versetzen. Die durch die Elektroden 7 und die Antriebsplattensegmente 3' gebildete Kapazität kann entweder zur zusätzlichen elektrostatischen Krafterzeugung genutzt werden oder aber wieder zum Auswerten der Position und Phasenlage der Antriebsplattensegmente 3'.

!n Figur 7 ist die Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrospiegelanordnung dargestellt, die der Ausführungsform nach Figur 4 entspricht, bei der aber eine andere Ausführungsform eines elektrostatischen Antriebs verwendet wird. In diesem Fall sind an den Antriebsplattensegmenten, die gleichzeitig als Federelemente dienen und die ausgeienkt werden, Kammelektroden 20 angebracht, die mit entsprechenden, an dem feststehenden Teil 5 des Aktuatorchips 50 angebrachten Elektroden einen elektrostatischen Kammantrieb bilden.

In Figur 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Mikrospiegelanordnung dargestellt, bei der ein elektromagnetischer Antrieb verwendet wird. Dieser Antrieb weist Permanentmagneten 19, die außerhalb der gekapselten An- Ordnung angebracht sind, und stromdurchflossene Planarspulen 18 auf, die jeweils auf einer der Antriebsplattensegmente 3' aufgebracht sind und einzeln ansteuerbar sind. Bei Stromfluss durch die Planarspulen kommt es im Zusammenspiel mit den Permanentmagneten 19 zu einer Krafterzeugung, die die Antriebsplattensegmente 3' aus ihrer Ebene heraus bewegt. Durch An- steuerung des Stromflusses durch die Planarspulen 18 mit einer den Eigenmoden der Spiegelpiatte 1 entsprechenden Frequenzen wird die Spiegelplatte schließlich wieder in Resonanz versetzt. Wie zuvor können die Elektroden 7 für eine zusätzliche Krafterzeugung oder für Detektionszwecke der Phase und Position der Antriebsplatten eingesetzt werden. in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden auf die Antriebspiat- te 3 oder die Antriebsplattensegmente 3' weich- oder hartmagnetische Schichten aufgebracht, und anstelle der Permanentmagneten 19 in Figur 8 werden ansteuerbare Elektromagneten verwendet, wobei die Ansteuerung in der Weise vorgenommen wird, dass ein zeitlich mit der Resonanzfrequenz der Spiegelplatte 1 moduliertes Magnetfeld erzeugt wird, welches die Antriebsplatten 3 bzw. die Antriebsplattensegmente 3' oszillieren lässt, so dass die Spiegelplatte 1 vorzugsweise gegenphasig zur Antriebsplatte schwingt und dabei eine Amplitudenverstärkung erfährt.

Bei dem Ausführungsbetspiel nach Figur 9, die die Aufsicht auf die Mikrospie- geianordnung zeigt, ist die Spiegelplatte wiederum über eine ineinander geschachtelte Federstruktur aus ringförmigen Federrahmen mit versetzten Verbindungsstellen an einer ringförmigen Antriebspiatte 3 befestigt. Diese ringförmige Antriebsplatte ist ihrerseits im dargestellten Ausführungsbeispiel über zwei Federrahmen oder -ringe 4 mit dem feststehenden Teil 5 des Aktuatorchips 50 um zwei Achsen beweglich aufgehängt. Über vier Ansteuerelektroden 7, die mit Abstand auf dem - nicht erkennbaren - Elektrodenchip angeordnet sind, kann die Antriebsplatte 3 in jeder der beiden Achsen gezielt in Schwingung versetzt werden. Durch Abstimmung der Ansteuerfrequenzen der Elektroden 7 auf zwei Eigenresonanz-Frequenzen der Spiegelpiatte 1 kann ein gegenphasiges Schwingen von Spiegelplatte 1 und Antriebsplatte 3 erzeugt werden und zur Amplitudenverstärkung ausgenutzt werden.

In Fig. 10 sind die Ausführungsbeispiel mit der zu Antriebsplattenelementen bzw. -Segmenten 3' geteilten Antriebsplatte 3 noch einmal schematisch dargestellt. Über Federverbindungen 3"sind die Antriebselemente noch stärker voneinander entkoppelt und über zweite Federelement 4 mit dem starren Rahmen 5 verbunden. Diese schematische Darstellung kann in Bezug auf die Fig. 1 so verstanden werden, als wäre die Antriebsplatte 3 in Fig. 1 in vier Segmente unterteilt, die untereinander keine starre Verbindung, sondern die Federverbindungen 3" besitzen. Eine Ausführung nach Fig. 10 führt zu einer besseren Trennung der Schwingungen der zwei Achsen.

In den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen sind jeweils teilweise unterschiedliche Ausführungsformen für Federelemente und Antrieb und der- gleichen beschrieben worden; diese sind jedoch nicht den speziellen Ausführungsbeispielen zugeordnet, sondern können auch bei den anderen Ausführungsbeispielen entsprechend verwendet werden.

Claims

Patentansprüche

Mikrospiegelanordnung, umfassend

einen ersten Feder-Masse-Schwinger, der einen eine Spiegel- platte (1) bildenden Schwingkörper und erste Federelemente (2) aufweist,

einen zweiten Feder-Masse-Schwinger, der eine Antriebsplatte (3) und zweite Federelemente (4) aufweist und der über die zweiten Federelemente (4) mit einer Trägeranordnung (5, 8, 9) verbunden ist, wobei der erste Feder-Masse-Schwinger über die ersten Federelemente (2) in dem zweiten Feder-Masse-Schwinger aufgehängt ist, und

eine Antriebsanordnung (11), die der Antriebsplatte zugeordnet ist und ausgebildet ist, die Antriebsplatte (3) zum Schwingen anzuregen,

dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkörper (1) zweiachsig beweglich über die ersten Federelemente

(2) an der Antriebsplatte (3) aufgehängt ist und die Antriebsplatte {3} zweiachsig beweglich mit der Trägeranordnung {5, 8, 9) verbunden ist, wobei die Antriebsanordnung (11) als zweiachsiger Antrieb ausgeführt und ausgebildet ist, die Antriebsplatte (3) zweiachsig anzutreiben, derart, dass der Schwingkörper (1) zweiachsig mit jeweils einer seiner orthogonalen Eigenmoden oder nahe dieser Eigenmoden schwingt.

Mikrospiegelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsplatte (3) als ein den Schwingkörper (1) umgebender Ringrahmen ausgebildet ist.

Mikrospiegelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsplatte

(3) mehrere Antriebsplattensegmente (3') aufweist, die gegebenenfalls gleichzeitig die zweiten Federelemente bilden.

4. Mikrospiegelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung (11) ausgebildet ist, die Antriebsplatte (3) derart anzutreiben, dass Schwingkörper (1) und Antriebsplatte (3) gegenphasig schwingen.

5. Mikrospiegelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkörper (1) über drei oder vier diskrete erste Federelemente (2) an der Antriebsplatte (3) aufgehängt ist,

Mikrospiegelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkörper (1) über mindestens zwei, vorzugsweise drei, vier oder mehr, als ringförmige Federrahmen ausgebildete Federelemente an der Antriebsplatte (3) aufgehängt ist, die eine kardanische Aufhängung bilden.

7, Mikrospiegelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsplatte (3) über mindestens zwei, vor- zugsweise drei oder vier diskrete zweite Federelemente (4) oder mindestens zwei, vorzugsweise mehr, als ringförmige Federrahmen ausgebildete Federelemente an der Trägeranordnung (5, 8, 9) aufgehängt ist.

Mikrospiegelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Federelemente als mehrere, vorzugsweise drei oder vier oder mehr, ineinander geschachtelte ringförmige Federrahmen ausgebildet sind, die den Schwingkörper (1) umgeben und an mindestens zwei Verbindungsstellen jeweils mit dem Schwingkörper (1), untereinander und mit der Antriebsplatte (3) verbunden sind, wobei die Verbindungsstellen vom Schwingkörper (1) zur Antriebsplatte (3) um einen Winkel zwischen 90 und 120 °, vorzugsweise um 90° versetzt angeordnet sind.

Mikrospiegelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsplatte (3) über mindestens zwei oder mehr sie umgebende ringförmigen Federrahmen mit der Trägeranordnung (5, 8, 9) verbunden ist, wobei die Antriebsplatte (3) mit dem sie direkt umgebenden Federrahmen, die Federrahmen untereinander und der äußerste Federrahmen mit der Trägeranordnung über jeweils um einen Winkel zwischen 90 und 120 °, vorzugsweise um 90° versetzte Verbindungsstellen verbunden sind.

Mikrospiegelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung (11) als zweiachsiger elektrostatischer, piezoelektrischer und/oder elektromagnetischer Antrieb ausgebildet ist.

Mikrospiegelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägeranordnung ein Substrat (9), vorzugsweise einen Elektrodenchip, einen über einen Abstandshalter (8) fest verbundenen Aktuatorchip, bei dem an einem feststehenden Teil (5) die Feder-Masse-Schwinger befestigt sind, aufweist und die Trägeranordnung (5, 8, 9) von einer Abdeckung (13) und gegebenenfalls von einem Boden vakuumdicht zur Bildung eines vakuumverkapselten Mik- rospiegelchips abgedeckt ist, wobei in den Mikrospiegelchip vorzugsweise ein Getter eingebracht ist.

Mikrospiegelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an der Trägeranordnung (5, 8, 9) der Antriebsplatte (3) bzw. den Antriebsplattensegmenten mit Abstand gegenüberliegend und/oder an der Antriebsplatte (3) bzw. den Antriebsplattensegmenten Elektroden (7) und/oder piezoelektrische Elemente (15) und/oder Spulen (18) und/oder magnetische Schichten angebracht sind.

Mikrospiegelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der Trägeranordnung (5, 8, 9) der Antriebsplatte (3) bzw. den Antriebsplattensegmenten mit Abstand gegenüberliegend Elektroden (7) angebracht sind, die als Positions- und Phasen- detektionselemente zur Feststellung der Phase und der Position der Antriebsplatte dienen.