WO2021259936A1 - Glassubstratbasierte mems-spiegelvorrichtung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

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WO2021259936A1
WO2021259936A1 PCT/EP2021/067010 EP2021067010W WO2021259936A1 WO 2021259936 A1 WO2021259936 A1 WO 2021259936A1 EP 2021067010 W EP2021067010 W EP 2021067010W WO 2021259936 A1 WO2021259936 A1 WO 2021259936A1
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mems mirror
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glass substrate
sub
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Stephan Marauska
Ulrich Hofmann
Thomas VON WANTOCH
Fabian SCHWARZ
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OQmented GmbH
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    • G02B6/3512—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements the optical element being reflective, e.g. mirror
    • G02B6/3518—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements the optical element being reflective, e.g. mirror the reflective optical element being an intrinsic part of a MEMS device, i.e. fabricated together with the MEMS device
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04—Optical MEMS
    • B81B2201/042—Micromirrors, not used as optical switches

Definitions

  • the present invention relates to a glass substrate-based MEMS mirror device and a method for its production.
  • MEMS mirror devices which are also known as “microscanners”, “MEMS scanners”, “MEMS mirrors” or “micromirrors”, are basically micromechanical systems for deflecting electromagnetic radiation For example, solve imaging sensory tasks or have display functionalities implemented.
  • MEMS mirror devices can also be used to irradiate materials in an advantageous manner and thus also to process them.
  • Other possible applications are in the area of lighting or illuminating certain open or closed rooms or areas of space with electromagnetic radiation, for example in the context of headlight applications.
  • MEMS mirror devices can in particular be used to deflect electromagnetic radiation in order to modulate an electromagnetic beam incident thereon with respect to its deflection direction by means of a deflection element (“mirror”). This can be used in particular to bring about a Lissajous projection of the beam into an observation field. For example, imaging sensory tasks can be solved or display functions can be implemented. In addition, such MEMS mirror devices can also be used to irradiate materials in an advantageous manner and thus also to process them. Other possible applications are in the area of lighting or illuminating certain open or closed rooms or areas of space with electromagnetic radiation, for example in the context of headlight applications.
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • microsystem microsystem
  • MEMS scanners with larger apertures leads to a significant increase in production costs if the MEMS silicon technologies known from the prior art are used.
  • the silicon-based production of MEMS components is particularly cost-effective when a large number of components can be accommodated on a silicon wafer. If the square or rectangular chips are small, then the chips can be placed so well on the wafer layout that the edge of the circular silicon wafer can be approximated well and little waste material occurs. However, if the individual chips are quite large relative to the wafer diameter, as can be the case in the case of MEMS scanners due to a large mirror diameter to be implemented, then the area of lost, unusable area on the wafer increases in a disproportionate manner. The yield of good chips is then very low, if only because of the poor approximation of the wafer format due to the arrangement of the individual large chips on the wafer.
  • the present invention is based on the object of specifying a MEMS mirror device which is further improved in comparison and an improved method for its production. A solution to this problem is achieved according to the teaching of the independent claims. Various embodiments and developments of the invention are the subject of the subclaims.
  • a first aspect of the invention relates to a MEMS mirror device for the variable deflection of an incident electromagnetic beam, in particular a light beam with at least one component in the visible range or in the infrared range of the electromagnetic spectrum.
  • the electromagnetic beam can in particular be a laser beam.
  • the MEMS mirror device has a disk-shaped first glass substrate structured into several partial areas with a partial mirror area formed at least partially as a MEMS mirror for reflecting electromagnetic radiation and a partial frame area surrounding the partial mirror area at least in sections.
  • the mirror sub-area is designed as a sub-area of the first glass substrate that is suspended in several dimensions and can vibrate in relation to the frame sub-area by means of at least one connecting element connecting the mirror sub-area and the frame sub-area, which can in particular be designed as a connecting web.
  • the disk-shaped glass substrate can thus in particular correspond to a glass plate structured at least into the sub-areas mentioned, wherein the mirror sub-area and optionally also one or more other sub-areas of the glass substrate can be coated or equipped with a material, in particular a metallic material.
  • a “MEMS mirror” within the meaning of the invention is to be understood as a part or a component of a MEMS mirror device that has an electromagnetic radiation-reflecting surface that is smooth enough that the reflected electromagnetic radiation is parallel according to the law of reflection retains at least predominantly and thus an image can arise.
  • the roughness of the mirror surface must be smaller than about half the wavelength of the radiation.
  • the diameter of such a MEMS mirror can in particular be 30 mm or less.
  • MEMS mirrors with larger diameters that can be produced in the context of a MEMS manufacturing process are conceivable.
  • the terms “comprises,” “includes,” “includes,” “has,” “has,” “with,” or any other variant thereof, are intended to cover non-exclusive inclusion.
  • a method or apparatus that includes or has a list of items is not necessarily limited to those items but may include other elements not specifically listed or inherent in such method or apparatus.
  • a condition A or B is met by one of the following conditions: A is true (or present) and B is false (or absent), A is false (or absent) and B is true (or present), and both A and B are true (or present).
  • Glass substrates are very inexpensive to manufacture in a wide variety of formats and thicknesses;
  • Glass substrates can be much larger than silicon wafers and therefore accommodate many more chips.
  • glass can be manufactured and structured in rectangular plates instead of round wafers. This eliminates the many waste regions on a wafer that arise when using circular wafers when they are approximated by rectangular chips;
  • the preferred methods for structuring glass substrates are mostly either laser-based, abrasive or wet-chemical and do not require expensive vacuum system technology.
  • a MEMS mirror device according to the aforementioned first aspect of the invention can thus provide the aforementioned advantages with regard to its manufacture.
  • Also functional advantages can be achieved, in particular on the basis of the preferred embodiments of the MEMS mirror device described below. Unless this is expressly excluded or would be technically impossible, in particular contradicting, these embodiments can be combined with one another and with the method aspect of the invention described below.
  • the MEMS mirror device furthermore has a second glass substrate which is connected to the first glass substrate directly or indirectly (for example via a bonding material or one or more intermediate substrates) in such a way that, together with it, the mirror subarea on at least one side of the Forms the cavity surrounding the first glass substrate, into which the sub-mirror area can perform an oscillating movement, in particular a multidimensional movement.
  • a second glass substrate which is connected to the first glass substrate directly or indirectly (for example via a bonding material or one or more intermediate substrates) in such a way that, together with it, the mirror subarea on at least one side of the Forms the cavity surrounding the first glass substrate, into which the sub-mirror area can perform an oscillating movement, in particular a multidimensional movement.
  • a "multi-dimensional oscillatory movement” in the sense of the invention is a movement of an object, here in particular the mirror subarea of the MEMS mirror device, in which the object undergoes an oscillatory movement, i.e. a movement in which repeated temporal fluctuations in the spatial position of the object occur, with respect to at least two different degrees of freedom.
  • the oscillatory movement can in particular be resonant, i. H. with respect to at least one of the degrees of freedom of a corresponding natural oscillation of the oscillatable system, in this case specifically the oscillatory movement of the mirror sub-area relative to the frame sub-area.
  • the second glass substrate can be shaped in particular as a cover for at least one-sided closure of the cavity.
  • the second glass substrate can be shaped such that an angle at which the incident radiation directed onto the MEMS mirror is partially reflected when it strikes the cover is a different angle than that at which the part of the radiation that reaches the MEMS -Mirror arrives and is reflected there, exits again through the cover. In this way, disturbing reflections in the image originating from the reflection on the cover can be avoided.
  • the cover can have a dome shape, at least in sections. The dome shape can thus form a boundary wall of the cavity.
  • the Electromagnetic radiation to be deflected mirror falls through the dome shape onto the MEMS mirror and / or the radiation reflected on the MEMS mirror leaves the MEMS mirror device again through the dome shape.
  • DE 10 2017213070 A1 describes an exemplary embodiment of such a second glass substrate, but in conjunction with a silicon wafer.
  • the dome shape can in particular have an arcuate or elliptical cross section, although other shapes are also possible as the dome shape which are at least partially arcuate, in particular those with only one apex. Instead of a dome shape, however, other cover shapes are also possible in which the annoying reflections in the image can be avoided.
  • the cover can have a planar surface for this purpose, which is provided to receive the incident radiation and at least partially let it pass, this surface being angled with respect to the mirror surface of the MEMS mirror, so that the desired different reflection angles result.
  • the contour of such a cover can in particular have a triangular shape.
  • the second glass substrate can be designed as a planar cover substrate which is indirectly connected to the first glass substrate via a spacer substrate.
  • planar constructions are particularly suitable for applications in which the radiated electromagnetic radiation from the radiation reflected on the cover substrate itself as well as the radiation deflected by the MEMS mirror is due to a different configuration, for example through one or more diaphragms or spatially variable refractive indices in the substrate material second glass substrate, can be separated.
  • cover shapes in particular also compared to a dome-shaped cover or substrate, they usually offer the advantage that the second glass substrate can be manufactured more simply and thus less complexly.
  • the MEMS mirror device furthermore has a third substrate which is directly or indirectly connected to the first glass substrate on its side opposite the second glass substrate in such a way that it forms the cavity together with the second glass substrate in such a way that it forms the partial mirror area surrounds on both sides in such a way that the partial mirror area can execute the oscillatory movement in the cavity.
  • the third substrate can in particular itself also be a glass substrate. Instead, it can also be made from one or more other materials, such as silicon in particular.
  • the third substrate can, in particular, be a bottom substrate of the MEMS mirror device form and close off the cavity formed on both sides of the first glass substrate on the bottom side.
  • the partial mirror area can thus dip into the cavity on both sides of the first glass substrate forming it during its oscillation movement, whereby it is protected physically and, depending on the filling of the cavity, also chemically by the boundary walls of the cavity, which are formed in particular by the second glass substrate and the third substrate .
  • the cavity is designed as a gas-tight cavity, in which a relative to normal conditions, i. H. 101.325 kPa (1013.25 mbar), lower gas pressure, especially a vacuum.
  • a relative to normal conditions i. H. 101.325 kPa (1013.25 mbar)
  • lower gas pressure especially a vacuum.
  • this can be implemented by means of a hermetic vacuum encapsulation within the substrate stack itself, in particular formed by the first, the second and the third substrate, or by means of a separate housing (second-level package) enclosing the substrate stack.
  • the condition of a gas is to be referred to here as "vacuum" when the pressure of the gas and thus the particle number density in a container (in this case: the encapsulation defining the cavity) is lower than outside or when the pressure of the gas is lower than 300 mbar, d. H. lower than the lowest atmospheric pressure on the earth's surface.
  • any energy losses that occur during the oscillating movement of the mirror sub-area can be reduced, in particular minimized or even essentially avoided, as a result of friction. Due to the reduced gas pressure or the vacuum, the oscillation movement of the mirror sub-area is at most slightly damped or almost not at all damped by the residual gas, and thus maximum oscillation amplitudes can be achieved. Furthermore, in addition to the physical protection, there is also chemical protection of the components located in the cavity, in particular the MEMS mirror. In particular in the case of non-resonant or quasi-static operating mode, the vacuum encapsulation of the cavity can be replaced by an inert gas filling of the hermetically sealed cavity. Vibration properties, such as damping behavior, can also be set in a targeted manner. This enables stable operation for certain operating modes, including quasi-static operation.
  • the MEMS mirror device further comprises at least one residual gas getter element containing a chemically reactive material, which is arranged in the cavity and configured to be in the To bind cavity existing gas particles chemically to the residual gas getter element.
  • the residual gas getter element can at the same time serve as an electrode, in particular a bottom electrode, for a capacitive position-determining device for determining a deflection position of the partial mirror region. This serves to simplify the structure and the required material and manufacturing costs.
  • the MEMS mirror device furthermore has one or more fourth substrates, which together form a spacer layer via which the respective indirect connection of the second glass substrate or the third substrate to the first glass substrate takes place.
  • the fourth substrate or substrates can in particular be formed from a glass material or from a semiconductor material such as silicon.
  • the or each of the fourth substrates can in particular fulfill the function of a spacer in that it is arranged between the first glass substrate and a bottom substrate, in particular the third substrate, and has a cavity which is at least partially between the first glass substrate and the soil substrate located part of the cavity defined.
  • the partial mirror area can thus dip into the cavity on both sides of the first glass substrate forming it during its oscillatory movement, whereby it is physically and ideally also chemically protected by the boundary walls of the cavity, which are partially formed by the inner wall of the cavity of the fourth substrate or substrates.
  • the partial mirror area is designed as a double-sided MEMS mirror. This makes it possible, on the one hand, to expand the scan area or projection area on both sides of the MEMS mirror device or the first glass substrate if the second mirror side is also used for scanning or projection. On the other hand, however, this also provides a further possibility for determining the position of the mirror sub-area by directing an electromagnetic measuring beam onto one of the two mirror surfaces and using its deflection on the mirror, in particular the deflection angle occurring in space, as a measure of the position of the mirror sub-area.
  • the third substrate has a dome shape, at least in sections, and the partial mirror area is designed as a MEMS mirror on both sides.
  • the cavity can thus each have a dome-shaped delimiting wall on both sides of the partial mirror area.
  • the combination of these features makes it possible to use the partial mirror area on both sides as a deflection mirror for electromagnetic radiation, and thus to expand the illuminable scan or projection area on both sides of the first glass substrate, in particular up to a scan or projection angle per oscillation axis of almost 360 °, per axis (i.e. only excluding the respective angular areas covered by the first glass substrate)
  • the first glass substrate or optionally one of the further glass substrates is made from a silicate-based glass material, a quartz glass, or from a glass material that contains two or more such glass materials.
  • a silicate-based glass material is in particular the following types of glass: SCHOTT Borofloat 33, CORNING EAGLE XG, CORNING PYREX 7740, SCHOTT AF32, SCHOTT BK7 or CORNING Quarzglas HPFS, Hereaus Conamic HSQ 900.
  • These glass materials have in common that they are silicate-based and high Have transmission in the electromagnetic wavelength range from 350 nm to 2500 nm, which makes them particularly suitable as a material for the production of a MEMS mirror device according to the invention.
  • Quartz glass is particularly preferable if the electromagnetic radiation has a relatively high intensity, as can be the case, for example, when using lasers with high laser power, e.g. above 200 W.
  • all substrates of the MEMS mirror device are ideally made from the same quartz glass in order to achieve an optimal thermal adaptation of the glass substrates to one another.
  • the MEMS mirror device furthermore has a position determination device for determining a current deflection position of the mirror sub-area, in particular relative to the frame sub-area.
  • a position determination device for determining a current deflection position of the mirror sub-area, in particular relative to the frame sub-area.
  • the position determining device is configured to use at least one of the following measuring principles for determining the position of the mirror sub-area: (i) magnetic induction due to a magnetic interaction between a permanent magnet and a magnetic field sensor, in particular a detection coil, the permanent magnet being arranged on or in the mirror sub-area , and the magnetic field sensor is arranged separately from the mirror sub-area, or vice versa; (ii) Generation of an electrical measurement voltage on a piezo element mechanically coupled to the mirror subarea or its suspension; (iii) optical position determination by means of an optical transmitter which sends electromagnetic radiation to the mirror subarea, in particular its side opposite the MEMS mirror, and an optical receiver which measures the radiation reflected by the mirror subarea; (iv) Electrical capacitance measurement between two electrodes which are arranged on the MEMS mirror device in such a way that the electrical capacitance that can be measured between the two electrodes depends on the current deflection position of the mirror sub-area State, in particular an expansion, of at least one connecting element.
  • the capacitive measurement according to variant (iv) is in particular simple and with the most varied of electrode configurations realizable. In particular, this also enables precise and non-contact real-time measurement of the deflection position.
  • At least one of the electrodes can in particular be designed in one of the following ways: (iv-1) as a metallic layer on or in the partial mirror area, which at least in sections at the same time forms the MEMS mirror for reflecting electromagnetic radiation; (iv-2) as a metallic layer on or in the partial mirror area, which is formed separately from the mirror surface forming the MEMS mirror; (iv-3) as a metallic layer on or in the frame portion of the first glass substrate; (iv-4) as at least one electrode element formed on one side of the third substrate; (vi-5) as an electrode structured into several separate electrode elements, at least two of the individual electrode elements being differentially interconnected.
  • variant (iv-1) is that an already existing metallic coating in the sense of “dual use” can be used at the same time for determining the position.
  • Variants (iv-2) and (iv-4) can be easily replaced, especially in combination, in order to determine the position by means of capacitance measurement in the spatial area that extends between the partial mirror area and the third substrate (which can in particular form a bottom substrate of the MEMS mirror device) , in particular the cavity region, to be carried out with high accuracy and independently of the geometry of the layer forming the MEMS mirror.
  • the metallic layer is preferably arranged on a bottom side of the partial mirror area which is opposite the MEMS mirror.
  • Variant (iv-3) is particularly suitable for providing a lateral capacitor for capacitance measurement on or in the first glass substrate, wherein the counter electrode can be produced as part of the same layer as the mirror layer or mirror electrode. In this way, the manufacturing complexity and manufacturing costs can in turn be reduced.
  • the electrode (bottom electrode) can be designed either in an electrically contacted form or as an electrically free-floating (“floating”) electrode. The latter has the advantage that it is possible to save the manufacturing costs associated with the production of such a contact, in particular with the production of vias and associated contact pads.
  • the variant (iv-5) in particular enables capacitance measurements with a high signal-to-noise ratio (SNR) and thus with particularly high robustness and accuracy.
  • Variant (v) also makes it possible, instead of the mirror sub-area itself, to consider its suspension (for example connecting webs) for determining the position, since its position, in particular expansion, corresponds to the position of the mirror sub-area.
  • the respective glass materials of at least two interconnected glass substrates preferably all of the existing glass substrates, have the same thermal expansion coefficient or a coefficient of thermal expansion that does not differ by more than 10 4 K 1. In this way, thermal stresses can largely be avoided, which in particular promotes the mechanical stability and the reliable functioning of the MEMS mirror arrangement.
  • the MEMS mirror device furthermore has a drive device which is set up to set the mirror sub-area into a multidimensional, in particular resonant, oscillating movement with respect to the frame sub-area.
  • the MEMS mirror device becomes an active component which itself has a drive for the mirror movement and can independently carry out the desired scanning function when appropriately controlled.
  • the mirror sub-area is suspended so that it can vibrate relative to the frame area that, when appropriately stimulated by means of the drive device, it executes the multidimensional vibratory movement in the form of a, in particular, resonant, Lissajous vibration movement.
  • the drive device can in particular have one or more piezo actuators for stimulating the oscillatory movement of the mirror sub-area.
  • the drive device has in particular a piezo actuator which is indirectly mechanically coupled to the first glass substrate via at least one of the other one or more glass substrates.
  • the piezo actuator (s) can "shake" the mirror device, in particular as part of a vibration movement generated by it, so that the vibration energy is transferred to the mirror subarea and stimulates it to vibrate, in particular to resonant or forced vibrations.
  • the drive device or a control for this can be configured in particular in such a way that the excitation of the oscillation of the mirror subarea is carried out by means of an excitation signal which contains the resonance frequencies with respect to the two oscillation dimensions, preferably as the dominant frequency components of the excitation signal.
  • the drive device has one or more piezo elements on the connecting elements in order to set the mirror sub-area in an oscillating movement relative to the frame sub-area by activating the piezo elements.
  • the energy can be supplied from the drive device to the mirror sub-area over a particularly short path and with particularly little damping.
  • individual oscillation axes of the oscillation of the mirror sub-area can thus be excited particularly well individually and with at least extensive avoidance of couplings between the axes.
  • the partial mirror area has a metallic layer, in particular in the form of a coating, which is designed at least in sections as a mirror surface for deflecting the electromagnetic beam.
  • the metallic layer contains one or more of the following metallic materials: aluminum (Al), gold (Au), silver (Ag). All these materials have in common that they form very durable layers on the one hand and can also provide very good mirror properties on the other. This makes these materials particularly suitable as materials for the said layer or coating on the first glass substrate.
  • At least one side of the first glass substrate in particular a side that has a mirror surface for deflecting radiated electromagnetic radiation, is coated with metal over the entire surface.
  • a process for structuring this metal layer can thus be dispensed with during manufacture, which can contribute to reducing the manufacturing complexity and effort, the manufacturing times and thus also the associated manufacturing costs.
  • the MEMS mirror device furthermore has a separate housing (so-called “second-level package”) for housing the connected Substrates (substrate stacks) of the MEMS mirror device.
  • a separate housing for housing the connected Substrates (substrate stacks) of the MEMS mirror device.
  • the separate housing is configured with soldering points (e.g. solder balls) or other connection elements for connection to a system component, such as a system circuit board.
  • the mirror sub-area or the frame sub-area is thickened in its thickness by connection (bonding) to at least one further substrate (“reinforcement substrate”).
  • the first glass substrate and the reinforcement substrate can in particular have different thicknesses, which can be used above all to build springs (e.g. connecting webs) and mirror subareas of different thicknesses from them, depending on the design and application.
  • the number of excitable degrees of freedom for the oscillatory movement of the mirror sub-area can be increased and the mirror sub-area or the frame sub-area can be mechanically stiffened.
  • a second aspect of the invention relates to a method for producing a MEMS mirror device, the method comprising: (i) simultaneous formation of a plurality of identical MEMS mirror devices according to the first aspect of the invention using at least one disk-shaped glass substrate common to all these MEMS mirror devices, which in particular can represent the respective first glass substrate of the MEMS mirror devices; and (ii) singulating the MEMS mirror devices after their simultaneous formation.
  • a glass substrate is used as the common, disk-shaped glass substrate, which, before the separation, has a right-angled disk shape having. In this way, compared to round wafers, while reducing or even avoiding unused loss areas on the glass substrate, a better approximation or area utilization and thus a higher area yield can be achieved for a given gross substrate area.
  • the respective first glass substrate of the individual MEMS mirror devices emerges from the common glass substrate by structuring it by means of at least one glass structuring process.
  • the mirror sub-area and the frame sub-area as well as the at least one connecting element, in particular connecting web can be formed in one piece from a single substrate.
  • the structuring of the common glass substrate or at least one other of the substrates present in each case in the MEMS mirror devices is carried out using a laser-based etching method.
  • a laser-induced chemical etching process which can in particular be a so-called laser-induced deep etching, LIDE, etching process.
  • LIDE laser-induced deep etching
  • a pulsed high-energy laser is used to damage the glass in the exposed areas and to change its structure so that it can be selectively removed in a subsequent wet-chemical etching process.
  • FIG. 1 schematically shows a first exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, including electrodes for capacitive position determination and a piezo actuator as a drive device;
  • FIG. 2 schematically shows the course of the radiation when the MEMS mirror device is encapsulated, in particular in the embodiment according to FIG. 1, by means of a dome-shaped encapsulation or an encapsulation in the form of a gable roof, in particular angled with respect to the rest position of the mirror subarea;
  • FIG. 3 schematically shows a second exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which one side of the first glass substrate is completely coated with metal;
  • FIG. 4 schematically shows a third exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which residual gas getter elements are provided to improve the vacuum in the cavity around the miniature mirror;
  • FIG. 5 schematically shows a fourth exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which a bottom electrode of a position determining device is arranged on the outside of the bottom substrate and thus outside the cavity;
  • FIG. 6 schematically shows a fifth exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which the electrodes of a position determining device are designed as different sections of the same metallization layer on the first glass substrate;
  • FIG. 7 schematically shows a sixth exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which a planar cover substrate, which is indirectly connected to the first glass substrate via a spacer substrate, is provided;
  • FIG. 8 schematically shows a seventh exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which a bottom electrode of a position determining device is designed as an electrically “floating” electrode; 9 schematically shows an eighth exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which the multilayer stack structure is encased by means of a separate housing (second-level package);
  • FIG. 10 schematically shows a ninth exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which the bottom electrode and the residual gas getter elements coincide;
  • FIG. 11 schematically shows a tenth exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which the mirror subarea is thickened in its thickness by connection (bonding) to at least one reinforcement substrate;
  • FIG. 12 schematically shows an eleventh exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which all glass substrates of the MEMS mirror device are made from a quartz glass material and a further spacer substrate is provided below the second glass substrate;
  • FIG. 13 schematically shows a twelfth exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which the bottom rear side of the partial mirror area is coated with an electrically highly conductive layer which forms a counter electrode (top electrode) to the bottom electrode;
  • FIG. 14 schematically shows a thirteenth exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which a piezo element is provided for determining the position and / or for driving the partial mirror area;
  • FIG. 15 schematically shows a fourteenth exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which a magnetic arrangement with at least one permanent magnet and a detection coil is provided for determining the position and / or for driving the partial mirror area;
  • 16 schematically shows a fifteenth exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which hermetic encapsulation is omitted; 17 schematically shows a sixteenth exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which an optical position determining device is provided;
  • FIG. 18 schematically shows a seventeenth exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which the first glass substrate is encapsulated on both sides by a dome-shaped glass substrate;
  • FIG. 19 schematically shows an eighteenth exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which a magnetic drive device is provided for driving the partial mirror area;
  • FIG. 20 schematically shows a nineteenth exemplary embodiment of a MEMS mirror device according to the invention, in which a piezo actuator external to the capsule is provided as a drive device for driving the mirror sub-area;
  • FIG. 22 shows a diagram to illustrate essential manufacturing steps of a method according to the invention according to a preferred embodiment.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment 100 of a MEMS mirror device.
  • 1 (a) illustrates a side sectional view of the MEMS mirror device 100
  • FIG. 1 (b) illustrates a plan view of a glass substrate 120, which forms a first glass substrate of the MEMS mirror device 100 and in FIG. 1 (a) is arranged horizontally aligned.
  • a corresponding division into sub-figures (a) and (b) is also used below to illustrate and explain various further embodiments of MEMS mirror devices.
  • the MEMS mirror device 100 has a piezo actuator 105 as a drive device, which at the same time forms a base plate of the MEMS mirror device 100.
  • a stacked, multilayer structure made of various substrates stacked one on top of the other.
  • the core of this multilayer structure is formed by a first substrate (glass substrate) 120 made of a glass material which, as shown in FIG. 1 (b), is structured into different, coherent partial areas.
  • These subareas include a frame subarea 125, a mirror subarea 130 and two connecting webs 135 each connecting the mirror subarea 130 to the frame subarea.
  • the mirror sub-area 130 is movably supported in the frame sub-area 125 via the connecting webs 135, which can twist, in such a way that the mirror sub-area 130 can execute a two-dimensional oscillating movement relative to the frame sub-area 125.
  • the connecting webs 135 thus represent a suspension of the mirror sub-area 130.
  • the mirror sub-area 130 is provided on one of its main surfaces with a metallic coating 140 such that this metallic layer 140 has a reflective surface for deflecting incident electromagnetic radiation, in particular a laser beam, e.g. in the visible or infrared Area of the electromagnetic spectrum.
  • the metal layer 140 can in particular contain one or more of the following materials: aluminum (Al), gold (Au), silver (Ag). These materials can have both high long-term durability and good mirror properties.
  • the mirror sub-area 130 or its mirrored reflection surface 140 thus represents a MEMS mirror, the diameter of which is typically less than 30 mm, for example 10 mm.
  • the shape of the mirrored reflection surface 140 can, in particular, as shown in FIG. 1 (b), be circular, without this, however, being to be understood as a restriction. In particular, rectangular shapes are also conceivable.
  • This multilayer structure also contains a second substrate (glass substrate) 145 made of a glass material, which can in particular correspond to that of the first glass substrate.
  • the second glass substrate has a dome shape and is secured by means of a substrate bonding material 150, e.g. B. a glass frit material, hermetically connected to the frame section 125 of the first glass substrate 120 in order to form a first (in FIG. 1 (a) "upper") section 175a of a cavity 175 surrounding the mirror section 130 on both sides.
  • a substrate bonding material 150 e.g. B. a glass frit material
  • a third substrate 110 serving as a base plate and between the first glass substrate and the third substrate a further, fourth substrate 115, which is designed as a spacer or (equivalent) spacer layer is.
  • the third and fourth substrates can each be made from a glass material or, for example, also from silicon or another semiconductor material. In particular, however, like the first and the second substrate, they can also be designed as a glass substrate. Ideally, all glass substrates are made from the same glass material and thus have the same material-dependent thermal expansion coefficient. In this way, thermal stresses in the multilayer stack structure of the MEMS mirror device 100 can be avoided.
  • the third substrate 110 and / or the fourth substrate 115 can in particular be made of a semiconductor material, for example silicon. This in turn has the advantage that as a result of the extensive opacity of such materials, the penetration of parasitic radiation into the cavity 175 and in particular to the mirror sub-area 130 can be countered.
  • the fourth substrate 115 is structured in such a way that it has a cavity which is arranged below the mirror sub-area 130 in such a way that, together with its bottom-side boundary given by the base plate 110, it forms a second ("lower" in FIG. 1 (a)) sub-area 175b of the cavity 175 forms.
  • the respectively adjacent individual substrates are hermetically sealed to one another, for example again by means of a substrate bonding material 155, e.g. B. in the case of two glass substrates to be connected by means of a glass frit material, so that the cavity 175 is hermetically sealed overall.
  • the first to fourth substrates 110, 115, 120, 145 each have the same basic shape, in particular a rectangular shape, although other shapes are also possible.
  • the piezo actuator 105 is configured to generate vibration movement when it is electrically actuated and to act on the stack structure and in particular on the Mirror sub-area 130 to be transferred.
  • the mirror sub-area 130 with its mirror surface 140 can be excited to execute an oscillating movement, in particular a resonant or forced multidimensional oscillating movement such as a Lissajous movement relative to the frame sub-area 125.
  • the mirror sub-area 130 can move out of the plane of the first glass substrate 120, in particular by tilting, and in the process dip into the sub-areas 175a and 175b of the cavity 175 on both sides. Due to the evacuation of the cavity 175, the remaining friction in the gas is very low, so that as a result only a low, in particular a negligibly low, damping occurs.
  • the MEMS mirror device 100 has a capacitive position determination device.
  • the position-determining device includes two electrodes, between which an electrical capacitance measurement is carried out for the purpose of determining the respective current deflection position, in particular the orientation, of the mirror sub-area 130.
  • a first of the two electrodes is formed by the metallic mirror surface 140, which is thus provided to perform a double function (deflecting incident electromagnetic radiation; electrode).
  • the second of the two electrodes is embodied on the inside of the base plate 110 in the cavity region 175 as a corresponding metallic coating 180 of the base plate 110.
  • this bottom electrode 180 is designed as a multi-part structured metal layer. As can be seen from Fig.
  • this bottom electrode 180 corresponds in type and preferably at least approximately also in size to essentially the shape of mirror sub-area 130, or of its reflective layer or of its reflective layer, lying parallel to it in the non-deflected resting state of mirror sub-area 130 Mirror surface 140.
  • the bottom electrode 180 is via one or more so-called vias 185 (especially “through glass vias”, TGV), ie with good electrically conductive (conductivity> 10 6 S / m), usually metallic, material-filled connection tunnels that extend from the The bottom electrode 180 extends through the bottom plate 110 to the corresponding connection pads 190 on the piezo actuator 105, making electrical contact.
  • the mirror electrode 140 is in turn electrically connected via a rewiring layer to a connection pad 165 arranged on the first glass substrate 120 outside the dome formed by the second glass substrate and from there electrically connected to a further connection pad 170 on the piezo actuator 105 by means of a bonding wire 160. So the mirror electrode is overall about that Connection pad 170 electrically contacted. Consequently, an electrical capacitance measurement used to determine the position of the mirror sub-area 130 can take place between the connection pads 190 and 170.
  • a segmentation of the bottom electrode 180 in FIG. 21 (alternatively or additionally also the mirror electrode 140) enables a differential reading and thus an improved signal quality (e.g. low sensitivity to temperature influences) in the capacitance measurement.
  • a segmentation of the bottom electrode 180 in connection with embodiments in which the rear side of the mirror sub-area facing the base plate 110 is also at least partially mirrored offer the advantage that this mirrored rear side area also without being obstructed by the floor electrode, with additional electromagnetic Radiation, in particular a laser beam, can be irradiated from the bottom side of the MEMS mirror device 100 in order, for example, to optically measure the position of the mirror sub-area 130 or to use the mirror sub-area functionally from its rear side, in particular for electromagnetic scanning or projection .
  • the bottom electrode is connected via 3D through contacts in the bottom wafer (Through Glass Vias, TGV), which enable an electrical vertical connection to the substrate contact.
  • TGV Through Glass Vias
  • a full-area metallization of the first glass substrate is just as good in order to realize the reflective layer on the one hand, but also the electrode for the position sensor to be read on the other.
  • the advantage of an unstructured metallization consists in the saving of a lithography level or some other structuring method, which can make the manufacturing process even more cost-effective.
  • other methods such as glass direct bonding, eutectic bonding or metal direct bonding can also be used.
  • FIG. 2 shows the simplified beam path of the incident and emergent electromagnetic radiation in the case of (a) a dome-shaped second glass substrate 145, as was previously described by way of example in connection with the embodiment according to FIG and a second glass substrate arranged in sections at an angle to the rest position of the mirror sub-area.
  • the structure of the MEMS mirror device 100 in FIG. 2 (a) corresponds to that from FIG. 1. The same also applies to the structure of the MEMS mirror device 100, with the exception of the different shape of the second glass substrate 145 in Fig. 2 (b).
  • electromagnetic radiation which is provided, for example, as a laser beam and in particular can contain light components in the visible or infrared range of the electromagnetic spectrum, is transmitted as a beam L1 through the respective second glass substrate 145 from FIGS. 2 (a) and 2 ( b) directed through onto the mirror surface 140 of the mirror sub-region 130 and reflected there in accordance with the law of reflection.
  • This results in a reflected beam L2 which leaves the MEMS mirror device 100 again through the second glass substrate 145.
  • a small portion of the incident radiation of the beam L1 does not fall on the mirror surface 140, but is already reflected on its surface when it hits the second glass substrate 145, so that a further beam L3 results for this reflected radiation.
  • the bundle of rays L3 is at least substantially deflected in one or more other directions than the bundle of rays L2, so that it does not noticeably overlap the bundle of rays L2 and thus interfere with it. This is particularly relevant in the event that the beam L1 / L2 is provided for projection purposes.
  • FIG. 3 shows a second embodiment 200 of a MEMS mirror device according to the invention, which is based on the first embodiment 100 from FIG. 1. It differs from the embodiment 100 in particular in that instead of only the partial mirror region 130 or even only a part thereof, the entire side of the first glass substrate 120 facing the second glass substrate 145 is provided with the metallic layer 140, although it is sufficient that only the mirror sub-area 130 or a part thereof is embodied in a mirrored manner.
  • a process for structuring the metal layer 140 can thus be dispensed with, which can contribute to reducing the production complexity and outlay, the production times and thus also the production costs associated therewith.
  • FIG. 4 shows a third embodiment 300 of a MEMS mirror device according to the invention, which in turn is based on the first embodiment 100 from FIG. 1, or alternatively (not shown) also on the second embodiment 200 from FIG. 2. It differs from the embodiments 100 and 200 in particular in that one or more residual gas getter elements 195 are additionally arranged in the cavity 175, in particular in its lower partial region 175b.
  • the residual gas getter elements 195 are material structures that contain a chemically reactive material (such as Ti) that is suitable for any in the cavity to bind existing gas particles, in particular nitrogen, oxygen, hydrogen or water molecules, chemically to the respective residual gas getter element and thus to improve the quality of the vacuum in the cavity 175, in particular the initial quality as well as the long-term maintenance of the vacuum. In this way, a low damping and thus high oscillation amplitudes of the oscillation movement of the mirror sub-region 130 and consequently high quality factors of the MEMS mirror device 300 can be achieved.
  • a chemically reactive material such as Ti
  • FIG. 5 shows a fourth embodiment 400 of a MEMS mirror device according to the invention, which in turn is based on the first embodiment 100 from FIG. 1, or alternatively (not shown) also on one of the other embodiments 200 or 300 already explained. It differs from the embodiment 100 in particular in that the bottom electrode 180 is arranged on the outside of the bottom substrate 110 and thus outside the cavity 175. This has the advantage that the vias 185 and the associated process steps in the production of the MEMS mirror device 400 compared to the MEMS mirror device 100 are omitted.
  • the bottom electrode 180 can in particular also be used as part of a metallization of a redistribution layer (RDL) on the underside of the bottom substrate 110 or on the top of a further layer below, such as a printed circuit board (PCB) or of the piezo actuator 105 , train.
  • RDL redistribution layer
  • PCB printed circuit board
  • the embodiments of FIGS. 3 and 5 can also be present in combination, so that a first glass substrate 120 coated over the entire surface with a metallic layer 140 is combined with the via-free variant of the bottom electrode 180, with the metal layer 140 at the same time as a top -Electrode is used.
  • FIG. 6 shows a fifth embodiment 500 of a MEMS mirror device according to the invention, which is based in particular on the fourth embodiment 400 from FIG. 4. It differs from the embodiment 400 in particular in that the bottom electrode 180 is omitted and is replaced by a counter electrode 205 for the mirror electrode 140, which is also arranged on the first glass substrate 120. In particular, it can be provided in a ring shape around the mirror sub-area 130 on the frame sub-area 125. Overall, this results in a lateral capacitor.
  • This has the advantage that the counter electrode 205 can be produced as part of the same layer as the mirror layer or mirror electrode 140. In this way, the manufacturing complexity and manufacturing costs can in turn be reduced.
  • FIG. 7 shows a sixth embodiment 600 of a MEMS mirror device according to the invention, which is based in particular on the first embodiment 100 from FIG. 1. It differs from embodiment 100 in particular in that, instead of dome-shaped second glass substrate 145, a planar cover substrate 215, which is indirectly connected to first glass substrate 120 via a spacer substrate 210, is provided. Planar cover substrates 215 are less complex to manufacture and therefore more cost-effective than three-dimensional, in particular dome-shaped cover substrates such as the second glass substrate 145.
  • planar constructions are particularly suitable for applications in which the radiation reflected on the cover substrate itself differs from that by the MEMS mirror deflected radiation can be separated by a different configuration, for example by one or more diaphragms or by spatially variable refractive indices in the substrate material.
  • FIG. 8 shows a seventh embodiment 700 of a MEMS mirror device according to the invention, which is based in particular on the sixth embodiment 600 from FIG. 7. It differs from the embodiment 600 in particular in that the bottom electrode 180 is designed as an electrically "floating" electrode, i.e. as an electrode that is not contacted and is therefore not set to an externally impressed electrical potential during operation.
  • This has the advantage that the production of such a contact, in particular the production of the vias 185 and the contact pads 190 underneath, can be saved, while a capacitance measurement, in particular a measurement of mirror position-dependent capacitance changes relevant to position determination, remains possible.
  • FIG. 9 shows an eighth embodiment 800 of a MEMS mirror device according to the invention, which can be implemented as a respective modification of each of the other embodiments described here, in particular also the seventh embodiment 700 from FIG. 8. It differs primarily in that the, in particular hermetic, encapsulation of the MEMS mirror device is not, at least not necessarily, by the multilayer stack structure itself, but by means of a separate housing ("second-level package"), for example from the well-known TO or CDIP type.
  • the housing has, in particular, side walls 220, which are preferably made of a metal or ceramic material, as well as an overlying one, as a window for the incident glass substrate 225 serving the radiation deflected at MEMS mirror 140, which in particular can have a planar shape.
  • the bottom electrode 180 and optionally, as shown, one or more residual gas getter elements 195, can be provided on the inside on the bottom of the housing (such as CDIP or TO packages), which can in particular be formed by the piezo actuator 105.
  • One advantage of this embodiment is that a housing that can be soldered (in particular by (through-hole technology, THT, or by surface-mount technology, SMT) solderable housing including the MEMS mirror device itself can be provided, which makes a simpler one Assembly in a system environment, for example in a projection system composed of several assemblies, results.
  • FIG. 10 shows a ninth embodiment 900 of a MEMS mirror device according to the invention, which is based in particular on the third embodiment 300 from FIG. 4. It differs from the embodiment 300 in particular in that the bottom electrode 180 and the residual gas getter elements 195 coincide.
  • the bottom electrode 180 at the same time has the property of chemically binding residual gas particles in order to increase or secure the quality of the vacuum in the cavity 175.
  • titanium or another titanium-containing material can be used as a suitable material that can fulfill this dual function. Due to the double function of the bottom electrode 180/195 according to this embodiment, the complexity of the structure of the MEMS mirror device and the manufacturing effort required for its manufacture and thus the associated manufacturing costs can be further reduced.
  • FIG. 11 shows a tenth embodiment 1000 of an inventive MEMS mirror device which can be based on any of the other embodiments described here, in particular on the first embodiment 100 from FIG. 1. It differs from the embodiment 100 in particular in that the mirror sub-area 130 is thickened in its thickness by connection (bonding) to at least one further substrate 230, which is to be referred to here as a reinforcing substrate.
  • the mirror sub-area thus has a total of at least two substrates, preferably glass substrates. These substrates can in particular have different thicknesses, which can be used above all to build springs (connecting webs 135) and mirror subareas of different thicknesses therefrom, depending on the design and application.
  • this embodiment allows 1000, the number of stimulable degrees of freedom for the To increase the oscillatory movement of the mirror sub-area, in particular through local changes in the mechanical rigidity. This also makes it possible, among other things, to optimally adapt the resonance frequency of the spring-mirror system and to reduce the dynamic deformation of the partial mirror region 130. This in turn can have a positive effect on the beam quality of the deflected electromagnetic radiation L2.
  • FIG. 12 shows an eleventh embodiment 1100 of an inventive MEMS mirror device which is based on any of the other embodiments described here, in particular on the first embodiment 100 from FIG. 1. It differs from embodiment 100 in particular in that all glass substrates are made from one, ideally from the same, quartz glass material.
  • a further spacer / spacer substrate 235 can be provided between the dome-shaped second glass substrate 145 and the first glass substrate 120 in order to increase the volume of the upper cavity region 175a.
  • This embodiment is particularly advantageous when high laser powers are used in which silicate glass, in particular borosilicate glass, can no longer be used. Because of the poor thermal adaptation of silicon or other semiconductor materials to glasses, the entire substrate stack in this construction consists of the substrates 110, 115, 120, 235 and 145 made of quartz glass.
  • An advantage of this embodiment 1100 is therefore in particular that this MEMS mirror device can be used very well in applications with high laser power, in particular laser-assisted material processing, since it is stable at high temperatures and its substrate material in particular has a high melting point.
  • the enlargement of the cavity 175, in particular the cavity region 175a above the mirror surface 140, also increases the thermal robustness of the structure.
  • quartz glasses are subject to particularly low aging compared to high laser radiation power.
  • FIG. 13 shows a twelfth embodiment 1200 of a MEMS mirror device according to the invention, which is based in particular on the first embodiment 100 from FIG. 1. It differs from embodiment 100 in particular in that the bottom rear side of mirror partial area 130 is coated with a highly electrically conductive (conductivity> 10 6 S / m) layer 240, in particular a metal layer, which acts as a counter electrode (top electrode) Bottom electrode 180 is used.
  • This rear electrode layer 240 can be used instead of or in addition to the Mirror surface 140 serve as a counter electrode.
  • the connection pad 165 is correspondingly formed in the same layer as the rear-side layer 240, so that it is arranged on the underside of the first glass substrate 120.
  • the reduced distance between the two electrodes 180 and 240 can be used to increase the detection sensitivity of the capacitive position determining device.
  • FIG. 14 shows a thirteenth embodiment 1300 of a MEMS mirror device according to the invention, which is based in particular on the fifth embodiment 500 from FIG. 6. It differs from embodiment 500 in particular in that, instead of the lateral capacitor, a piezo element is provided for determining the position of mirror sub-region 130.
  • the piezo element has a layer 250 made of a piezoelectric material, which is framed in the sense of a “sandwich” by a bottom electrode 245 and a top electrode 255 and with these forms a piezo element that is located on the edge sub-area 125 of the first glass substrate 120 in the area of the connecting webs 135 or is arranged adjacent to these.
  • 14 (b) shows in detail a possible geometry of the piezo element 260 including the bottom electrode 245 and the top electrode 255 with their leads and connection pads on the first glass substrate 120.
  • the partial mirror area 130 is deflected and thus changes its position, this movement is transmitted via the connecting webs 135 to the piezo element (s) 260, which leads to a deformation of the piezo material 250 and consequently due to the known Piezo effect for generating a measurable electrical voltage between the bottom electrode 245 and the top electrode 255 comes.
  • the position of the mirror sub-area 130 can thus be determined by measuring this voltage. In this way, even a particularly precise determination of the position is possible, in particular one with a good signal quality with a high signal-to-noise ratio (SNR).
  • SNR signal-to-noise ratio
  • each piezo element 260 can also be used as a drive device in that, by applying a suitable voltage and utilizing the inverse piezo effect, it is set into a vibration movement which, due to the mechanical coupling, is transmitted via the connecting webs 135 to the mirror sub-area 130 and in displaced an oscillatory movement.
  • the piezo element or elements 260 can thus combine several functionalities in the sense of “dual use”.
  • a further drive device in particular the piezo actuator 105 on the bottom, can be dispensed with in this case. The latter can in particular be replaced by a printed circuit board 265 or can be omitted entirely.
  • FIG. 15 shows a fourteenth embodiment 1400 of a MEMS mirror device according to the invention, which is based in particular on the fifth embodiment 500 from FIG. 6. It differs from the embodiment 500 in particular in that instead of the capacitive one, a magnetic position determination is provided for the mirror sub-region 130.
  • a magnetic position determination is provided for the mirror sub-region 130.
  • one or more permanent magnets 270 are provided on the mirror sub-area 130, preferably on its bottom rear side, and a detection coil 275 with connection pads 280 for contacting is provided on the frame sub-area 125.
  • the permanent magnetic material can also be embedded in the substrate of the mirror partial area 130 itself.
  • the sinking of magnetic material in glass pockets can be made possible, for example, by inserting sub-mm magnetic balls (e.g. from rare earth magnets SmCo), which are fixed in the holes using an "atomic layer deposition" process, for example.
  • the detection coil 280 can alternatively be arranged in or on the bottom substrate 110 or on an external substrate.
  • a separate drive of the mirror sub-area 130 in particular by means of the piezo actuator 105, can also be dispensed with here (cost savings), in that a force is exerted on the permanent magnets 270 through the temporary use of the detection coil 280 as an excitation coil via the known Lorenz force, which in turn an oscillatory movement of the mirror sub-region 130 can be brought about.
  • the piezo actuator 105 (shown here) can in particular again be replaced by a printed circuit board 265, as in FIG. 14, or can be omitted entirely.
  • FIG. 16 shows a fifteenth embodiment 1500 of a MEMS mirror device according to the invention, which in particular is based on the fourteenth embodiment 1400 from FIG. 15. It differs from the embodiment 1400 in particular in that the hermetic encapsulation, in particular by means of the second glass substrate 145, is omitted. Accordingly, no residual gas getter elements 195 are typically provided here either.
  • the first glass substrate 120 is attached to a base substrate via a spacer substrate 115, which in particular can again be a piezo actuator 105 or else a printed circuit board (PCB) or another carrier substrate.
  • PCB printed circuit board
  • the mirror sub-area 130 is driven magnetically here, for which purpose one or more permanent magnets 270 are arranged on the mirror sub-area 130, preferably - as shown - on its bottom rear side.
  • One or more drive and detection coils 285 are arranged opposite these permanent magnets 270.
  • these drive and detection coils 285 interact magnetically with the permanent magnets 270 electric current generates a - typically variable - magnetic field, which acts on the permanent magnets 270 and, via these, sets the mirror sub-area 130 into a desired oscillatory movement.
  • the drive and detection coils 285 serve as induction coils in which an electrical Voltage is induced, which can be measured for the purpose of determining the position.
  • the corresponding induction current or a quantity dependent on it can be measured.
  • FIG. 17 shows a sixteenth embodiment 1600 of a MEMS mirror device according to the invention, which is based in particular on the twelfth embodiment 1200 from FIG. 13. It differs from embodiment 1200 in particular in that the capacitive position determination is or can be eliminated and instead an optical position determination device is provided, which includes an optical transmitter 290 (e.g. laser diode) and an optical receiver 295 (e.g. photodiode) .
  • an optical transmitter 290 e.g. laser diode
  • an optical receiver 295 e.g. photodiode
  • the metal coating 240 on the rear side of the partial mirror region 130 is also designed as a MEMS mirror, so that it can reflect a measurement radiation 300 emitted by the transmitter 290 in the sense of an image and thereby deflect it towards the optical receiver 295.
  • the oscillating movement of the mirror sub-area 130 thus modulates the reflected measurement radiation 300 received at the optical receiver, so that the signal measured at the receiver 295 represents a measure of the current position of the mirror sub-area 130.
  • the bottom substrate 110 is designed as a glass substrate. If - as shown - a drive device, in particular a piezo actuator 105, is also provided on the bottom side, this is arranged or its shape is designed in such a way that the beam path of the measurement radiation 300 is not or only negligibly impaired by the drive device.
  • the advantages of this embodiment include in particular that no electrical substrate feedthroughs (e.g. TGVs) are required and the MEMS mirror device 1600 is particularly robust and can be manufactured inexpensively.
  • a particularly high level of accuracy in determining the position can be achieved by means of the above-mentioned optical measurement method.
  • FIG. 18 shows a seventeenth embodiment 1700 of a MEMS mirror device according to the invention, which is based in particular on the thirteenth embodiment 1300 from FIG. 14. It differs from the embodiment 1300 in particular in that the first glass substrate 120 is encapsulated not only on one side but on both sides by a dome-shaped glass substrate 145 or 305. In addition, the rear side of the mirror sub-area 130 is again also designed as a MEMS mirror.
  • the combination of these changes makes it possible to use the mirror sub-area 130 on both sides as a deflection mirror for electromagnetic radiation and thus significantly expand the illuminable scan area, in particular for one or more oscillation axes of the mirror sub-area each up to almost 360 °, with essentially only the first glass substrate itself covered angular areas limit the achievable scanning area angle.
  • the dome-shaped cavity sub-region 175b on the bottom side which is defined by the glass substrate 305, allows an additional spacer substrate 115 to be dispensed with.
  • the drive of the mirror sub-area 130 and the determination of its current position can, without being restricted thereto, in particular again take place by means of one or more piezo elements 260.
  • the connections of the piezo elements 260 are not explicitly shown in FIG. 18 for the sake of simplifying the drawing.
  • FIG. 19 shows an eighteenth embodiment 1800 of a MEMS mirror device according to the invention, which in particular is based on the seventeenth embodiment 1700 from FIG. It differs from the embodiment 1700 in particular in that a magnetic drive device is provided for driving the mirror partial area 130.
  • the magnetic drive device includes one or more permanent magnets 270, which are arranged on the partial mirror area, for example on its rear side.
  • This also includes a drive coil 310 arranged outside the encapsulation, which is configured in such a way that, when it is charged with a suitably selected alternating current, it generates a magnetic field which exerts a magnetic force on the permanent magnet or the permanent magnets 270 and thereby the mirror portion can set in a vibratory motion.
  • the piezo elements 260 can in particular be used again as position determination devices, optionally also as additional drive devices.
  • the advantages of the double-sided dome-shaped encapsulation of the embodiment 1700 from FIG. 18 are also retained here.
  • the permanent magnet (s) 270 can also alternatively or additionally be integrated again into the partial mirror region 130 of the first glass substrate 120, as was already explained above in connection with the embodiment 1400 from FIG. 15.
  • the connections of the piezo elements 260 are again not explicitly shown in FIG. 19 for the sake of simplifying the drawing.
  • FIG. 20 shows a nineteenth embodiment 1900 of a MEMS mirror device according to the invention, which in particular is based on the seventeenth embodiment 1700 from FIG. 18. It differs from the embodiment 1700 in particular in that a piezo actuator 315 external to the capsule is provided as a drive device for driving the mirror sub-area 130, which is coupled to the first glass substrate 120, in particular directly. In this way, high forces can be transmitted to the first glass substrate 120 particularly well, which can be used above all to to bring about higher deflection angles or oscillation amplitudes than would be possible with a weaker drive or a weaker force coupling.
  • the piezo elements 260 can here again be used as position determination devices, optionally also or instead as additional drive devices.
  • the advantages of the double-sided, dome-shaped encapsulation of the embodiment 1700 from FIG. 18 are also retained here.
  • the connections of the piezo elements 260 are again not explicitly shown in FIG. 20 for the sake of simplifying the drawing.
  • a segmentation of the electrode (s) allows, in particular, a differential connection to optimize the capacitance measurement.
  • MEMS mirror devices 100 according to FIG can also be used to produce further embodiments 200 to 1900, in particular those described in detail above.
  • step 2005 to 2045 and 2060 described in detail below each represent only one MEMS mirror device 100 or its preliminary products for the sake of clarity of chips on a single wafer is processed simultaneously) up to and including step 2050, simultaneous processing of a plurality of such MEMS mirror devices 100 or of their intermediate products on the basis of a common substrate or substrate stack instead (see. Step 2050, in which several such intermediate products are arranged side by side on the basis of common substrates).
  • a first method section with steps 2005 to 2030 relates to the production of a floor assembly carrying the first glass substrate 120.
  • This first method section begins with a step 2005 in which a disk-shaped substrate 115, which, depending on the design, can be made in particular from a glass material or from a semiconductor material such as silicon, and which can in particular have a round wafer shape or a right-angled panel shape, is provided will.
  • the substrate 115 is then structured as a spacer substrate 115 by means of a glass structuring process 2010, which can in particular be or include a laser-based etching process, such as a laser-induced deep etching (LIDE) etching process.
  • a cavity is formed in the substrate 115 for each MEMS mirror device 100 to be manufactured, which later defines a side wall of the respective cavity region 175b.
  • the disk-shaped substrate 115 from step 2005 is selected to be so large that a plurality of laterally adjacently arranged MEMS mirror devices 100 can be manufactured on its basis (cf. step 2050).
  • the substrate 115 can have an area of 100 cm 2 , preferably 1000 cm 2 or more.
  • electrical contact holes (vias) 185 for contacting the respective bottom electrode 180 of the later MEMS mirror device 100 are formed in a known manner in a further substrate 110, which will later form the respective base plates of the MEMS mirror devices 100, for which purpose FIG
  • a correspondingly suitable structuring process such as a dry etching process (for example reactive ion etching, RIE) or again, for example, a LIDE process, can be selected.
  • the vias 185 have been formed in the bottom substrate 110, this is connected to the spacer substrate 115 resulting from step 2010 by means of a suitable, usually material-dependent, substrate connection process, for example a wafer bonding process. If both substrates 110 and 115 are each glass substrates, a glass frit bonding process can in particular be used here.
  • a suitable, usually material-dependent, substrate connection process for example a wafer bonding process. If both substrates 110 and 115 are each glass substrates, a glass frit bonding process can in particular be used here.
  • one or more bottom electrodes 180 are formed within the cavities formed by spacer substrate 115 and on bottom substrate 110 for each MEMS mirror device to be manufactured, so that they are in electrical contact with at least one assigned via 185 and are in contact in this way will.
  • solder balls are formed at the ends of the vias 185 on the side of the bottom substrate 110 opposite or briefly from the bottom electrodes 180 in order to enable later contact, here specifically with a piezo actuator 105. This means that the floor assembly, which has not yet been isolated, is prefabricated as an intermediate product.
  • the first glass substrate 120 which in particular carries the MEMS mirror 140, is produced.
  • a suitable glass substrate 120 is provided, the dimensions of which can in particular correspond to those of the substrate 110 or 115.
  • a silicate glass such as a borosilicate glass, or a quartz glass come into consideration as the glass material.
  • a metal layer is selectively deposited on the glass substrate 120 at a suitable location for each MEMS mirror device 100 to be produced, for example on the basis of a lithography and structuring process, in order to provide a mirror surface 140 for the MEMS mirror on the one hand and one or more connection pads 165 on the other to create electrical contacting of the mirror surface 140.
  • the electrical contacting of the mirror surface 140 makes it possible at the same time to use the mirror surface 140 as a top electrode for the capacitive determination of the position of the MEMS mirror or of the mirror subarea 130 of the first glass substrate 120.
  • the mirror surface 140 can also be machined, in particular polished, in order to produce the desired mirror properties.
  • the first glass substrate 120 is then structured, which can in particular take place again by means of one or more of the aforementioned structuring processes, in particular a LIDE process.
  • a frame sub-area 125, a mirror sub-area 130, and one or more connecting webs 135 running between these two areas are formed in the glass substrate 120 (cf. shape of the glass substrate 120 in FIG. 1 (b)), so that Overall, a mirror sub-area 130 which can oscillate in at least two spatial dimensions is formed as a MEMS mirror.
  • the diameter of the mirror surface 140 is, for example, in the range from 5 to 50 mm, although other, in particular overlying dimensions, for example also in the case of non-circular mirror shapes, are also possible.
  • a third process section which is summarized as step 2050, the floor assembly with the substrates 110 and 115 produced in the first process section, the structured first glass substrate 120 produced in the second process section and a dome-shaped second glass substrate 145 for each MEMS mirror device 100 to be produced are stacked , as shown, placed one on top of the other and connected to one another, so that a hermetically encapsulated cavity 175 is created around each mirror sub-area 130.
  • this cavity 175 can in particular also be evacuated, for which purpose this method section can also take place in particular under corresponding vacuum conditions.
  • the result of the third method section 2050 is a plurality of intermediate products which are connected to one another within the framework of the same stack structure and are arranged next to one another and which essentially already correspond to one of the MEMS mirror devices 100 to be manufactured.
  • step 2055 these intermediate products are separated into individual assemblies.
  • a corresponding finished MEMS mirror device 100 is produced from one of the intermediate products, for which a piezo actuator 105 is added as a drive device for the mirror sub-area 130 with corresponding electrical connections, in particular on the bottom side corresponding electrical contacting of the bottom electrode (s) 180 as well as the top electrode, which also serves as a mirror surface 140, takes place.
  • substrate bonding material e.g. glass frit
  • substrate bonding material e.g. glass frit
  • back electrode layer in some embodiments back mirror

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine glassubstratbasierte MEMS-Spiegelvorrichtung zur variablen Ablenkung eines einfallenden elektromagnetischen Strahls, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Die MEMS-Spiegelvorrichtung weist ein scheibenförmiges und in mehrere Teilbereiche strukturiertes erstes Glassubstrat mit einem zumindest anteilig als MEMS- Spiegel zur Reflektion elektromagnetischer Strahlung ausgebildeten Spiegelteilbereich und einem den Spiegelteilbereich zumindest abschnittsweise umgebenden Rahmenteilbereich auf. Der Spiegelteilbereich ist als ein gegenüber dem Rahmenteilbereich mittels zumindest eines den Spiegelteilbereich und den Rahmenteilbereich verbindenden Verbindungselements, das insbesondere als Verbindungssteg bzw. mechanische Feder ausgebildet sein kann, in mehreren Dimensionen schwingungsfähig aufgehängter Teilbereich des ersten Glassubstrats ausgebildet.

Description

GLASSUBSTRATBASIERTE MEMS-SPIEGELVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine glassubstratbasierte MEMS-Spiegelvorrichtung sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Bei MEMS-Spiegelvorrichtungen, die in der Fachsprache auch als „Mikroscanner“, „MEMS-Scanner“, „MEMS-Spiegel“ oder auch „Mikrospiegel“ bezeichnet werden, handelt es sich grundsätzlich um mikromechanische Systeme zur Ablenkung elektromagnetischer Strahlung, mit deren Hilfe sich beispielsweise bildgebende sensorische Aufgaben lösen oder auch Display-Funktionalitäten realisieren lassen. Darüber hinaus können solche MEMS-Spiegelvorrichtungen auch dazu eingesetzt werden, Materialien in vorteilhafter Weise zu bestrahlen und so auch zu bearbeiten. Mögliche andere Anwendungen liegen im Bereich der Beleuchtung oder Ausleuchtung bestimmter offener oder geschlossener Räume oder Raumbereiche mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise im Rahmen von Scheinwerferanwendungen.
MEMS-Spiegelvorrichtungen können insbesondere zur Ablenkung von elektromagnetischer Strahlung eingesetzt werden, um mittels eines Ablenkelements („Spiegel“) einen darauf einfallenden elektromagnetischen Strahl bezüglich seiner Ablenkrichtung zu modulieren. Das kann insbesondere genutzt werden, um eine Lissajous-Projektion des Strahls in ein Beobachtungsfeld zu bewirken. So lassen sich beispielsweise bildgebende sensorische Aufgaben lösen oder auch Display- Funktionalitäten realisieren. Darüber hinaus können solche MEMS- Spiegelvorrichtungen auch dazu eingesetzt werden, Materialien in vorteilhafter Weise zu bestrahlen und so auch zu bearbeiten. Mögliche andere Anwendungen liegen im Bereich der Beleuchtung oder Ausleuchtung bestimmter offener oder geschlossener Räume oder Raumbereiche mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise im Rahmen von Scheinwerferanwendungen.
Das Akronym „MEMS“ steht hier wie üblich für den Begriff „Mikro-Elektro-Mechanisches System“ bzw. kurz „Mikrosystem“. Dabei handelt es sich regelmäßig um ein miniaturisiertes Gerät, eine Baugruppe oder ein Bauteil, dessen Komponenten kleinste Abmessungen im Bereich von 1 Mikrometer oder darunter haben und als System Zusammenwirken. Aus der US 8,711 ,456 B2 ist eine auf Basis eines Silizium-Wafers gefertigte MEMS- Spiegelvorrichtung bekannt, die zusammen mit einer entsprechenden Steuerung eine Ablenkvorrichtung für einen Scanner mit Lissajous-Abtastung bildet. Sie enthält einen Mikrospiegel, der um mindestens zwei Auslenkungsachsen oszilliert und der einen Rahmen und eine über eine Aufhängung beweglich angeordnete Spiegelplatte aufweist. Mittels der Steuerung kann der Spiegel in eine resonante zweidimensionale Schwingung versetzt werden, so dass sich bei Beleuchtung des Spiegels mit einem elektromagnetischen Strahl insgesamt eine Lissajous-Abtastung erzeugen lässt.
Die Fertigung von MEMS-Scannern mit größeren Aperturen (z.B. mit Spiegelplattendurchmessern > 5 mm) führt zu einer deutlichen Kostensteigerung bei der Herstellung, wenn dazu die aus dem Stand der Technik bekannten MEMS- Siliziumtechnologien genutzt werden. Die siliziumbasierte Fertigung von MEMS- Bauelementen ist besonders dann kostengünstig, wenn sehr viele Bauelemente auf einem Siliziumwafer untergebracht werden können. Sind die quadratischen oder rechteckigen Chips von kleiner Abmessung, dann lassen sich die Chips auf dem Wafer- Layout so gut platzieren, dass der Rand der kreisförmigen Siliziumscheibe (Wafer) gut approximiert werden kann und wenig Verlustmaterial entsteht. Werden die einzelnen Chips jedoch relativ zum Waferdurchmesser recht groß, wie dies im Falle von MEMS- Scannern bedingt durch einen großen zu realisierenden Spiegeldurchmesser der Fall sein kann, dann nimmt in unverhältnismäßiger Weise die Fläche verlorener, nicht nutzbarer Flächenbereiche auf dem Wafer zu. Die Ausbeute an guten Chips ist dann schon allein wegen der schlechten Approximation des Waferformats durch die Anordnung der einzelnen großen Chips auf dem Wafer sehr gering.
Da in der Siliziumtechnologie ein Großteil der Fertigungs-Equipments aus komplexen hochspezialisierten teuren Vakuum-Anlagen besteht, die ein langsames Be- und Entladen vorsehen und die zudem einer ständigen Wartung und Instandhaltung unterliegen müssen, ergibt sich ein verhältnismäßig sehr teures Fertigungsverfahren mit verhältnismäßig niedrigem Durchsatz, das bei geringer Anzahl von Bauelementen pro Wafer sowie zu großen nicht nutzbaren Abfallflächenbereichen auf dem Wafer an mangelnder Wirtschaftlichkeit leidet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber weiter verbesserte MEMS-Spiegelvorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben. Eine Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine MEMS-Spiegelvorrichtung zur variablen Ablenkung eines einfallenden elektromagnetischen Strahls, insbesondere eines Lichtstrahls mit zumindest einer Komponente im sichtbaren Bereich oder im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Der elektromagnetische Strahl kann insbesondere ein Laserstrahl sein. Die MEMS-Spiegelvorrichtung weist ein scheibenförmiges und in mehrere Teilbereiche strukturiertes erstes Glassubstrat mit einem zumindest anteilig als MEMS-Spiegel zur Reflektion elektromagnetischer Strahlung ausgebildeten Spiegelteilbereich und einem den Spiegelteilbereich zumindest abschnittsweise umgebenden Rahmenteilbereich auf. Der Spiegelteilbereich ist als ein gegenüber dem Rahmenteilbereich mittels zumindest eines den Spiegelteilbereich und den Rahmenteilbereich verbindenden Verbindungselements, das insbesondere als Verbindungssteg ausgebildet sein kann, in mehreren Dimensionen schwingungsfähig aufgehängter Teilbereich des ersten Glassubstrats ausgebildet.
Das scheibenförmige Glassubstrat kann somit insbesondere einer zumindest in die genannten Teilbereiche strukturierten Glasplatte entsprechen, wobei der Spiegelteilbereich sowie optional auch ein oder mehrere andere Teilbereiche des Glassubstrats mit einem, insbesondere metallischen Werkstoff, beschichtet oder bestückt sein können.
Unter einem „MEMS-Spiegel“ im Sinne der Erfindung ist ein Teil oder eine Komponente einer MEMS-Spiegelvorrichtung zu verstehen, das bzw. die eine elektromagnetische Strahlung reflektierende Fläche aufweist, die glatt genug ist, dass die reflektierte elektromagnetische Strahlung nach dem Reflexionsgesetz seine Parallelität zumindest überwiegend behält und somit ein Abbild entstehen kann. Die Rauheit der Spiegelfläche muss dafür kleiner sein als etwa die halbe Wellenlänge der Strahlung. Der Durchmesser eines solchen MEMS-Spiegels kann insbesondere bei 30 mm oder darunter liegen. Es sind jedoch MEMS-Spiegel mit größeren, im Rahmen eines MEMS- Fertigungsprozesses herstellbaren Durchmessern denkbar.
Die hier verwendeten Begriffe "umfasst", "beinhaltet", "schließt ein", "weist auf", "hat", "mit", oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind.
Ferner bezieht sich "oder", sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).
Die Begriffe "ein" oder "eine", wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe "ein anderer" und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen.
Der Begriff "Mehrzahl", wie er hier verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen.
Die Bearbeitung von Glassubtraten unter Verwendung geeigneter Glas-Strukturierungs- Methoden ermöglicht eine kostengünstige Herstellung insbesondere auch von großflächigen MEMS-Scannern. Dies hat verschiedene Gründe, insbesondere die folgenden: (1) Glassubstrate lassen sich sehr kostengünstig in vielen verschiedenen Formaten und Dicken hersteilen; (2) Glassubstrate können viel größer sein als Silizium- Wafer und dadurch viel mehr Chips aufnehmen. Beispielsweise kann Glas in rechteckigen Platten statt in runden Wafern gefertigt und strukturiert werden. Damit entfallen die vielen Abfallregionen auf einem Wafer, die bei Verwendung kreisrunder Wafer bei deren Approximierung durch rechteckige Chips entstehen; (3) Die bevorzugten Verfahren zur Strukturierung von Glassubstraten sind meist entweder laserbasiert, abrasiv oder nasschemisch und erfordern keine teure Vakuum- Anlagentechnik. Zum einem kann dadurch auf aufwendige fotolithographische Prozesse verzichtet werden und zum anderen ein Ein- und Ausschleusen der Zwischenprodukte oder Endprodukte aus den einzelnen Anlagen einer entsprechenden Fertigungslinie viel einfacher und schneller und somit auch kostengünstiger erfolgen, als bei der herkömmlichen Siliziumtechnik. Somit lassen sich ein signifikant erhöhter Durchsatz, eine entsprechende kürzere Gesamtprozesszeit, und damit auch eine deutlich erhöhte Wirtschaftlichkeit erreichen.
Eine MEMS-Spiegelvorrichtung gemäß dem vorgenannten ersten Aspekt der Erfindung kann somit bezüglich ihrer Herstellung die vorgenannten Vorteile liefern. Zudem lassen sich, insbesondere auf Basis der nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der MEMS-Spiegelvorrichtung weitere, auch funktionelle Vorteile erreichen. Diese Ausführungsformen können jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich, insbesondere widersprüchlich wäre, beliebig miteinander sowie mit dem im Weiteren beschriebenen Verfahrensaspekt der Erfindung kombiniert werden.
Bei einigen Ausführungsformen weist die MEMS-Spiegelvorrichtung des Weiteren ein zweites Glassubstrat auf, das mit dem ersten Glassubstrat unmittelbar oder mittelbar (etwa über ein Bondmaterial oder ein oder mehrere Zwischensubstrate) so verbunden ist, dass es zusammen damit einen den Spiegelteilbereich auf zumindest einer Seite des ersten Glassubstrats umgebenden Hohlraum ausbildet, in den hinein eintauchend der Spiegelteilbereich eine, insbesondere mehrdimensionale, Schwingungsbewegung ausführen kann. Mit Hilfe eines solchen Aufbaus lässt sich erreichen, dass insbesondere der Spiegelteilbereich sowie seine Schwingungsbewegung durch das zweite Glassubstrat physisch geschützt sind.
Unter einer „mehrdimensionalen Schwingungsbewegung“ im Sinne der Erfindung ist eine Bewegung eines Objekts, hier insbesondere des Spiegelteilbereichs der MEMS- Spiegelvorrichtung, zu verstehen, bei der das Objekt eine Schwingungsbewegung, also eine Bewegung bei der wiederholte zeitliche Schwankungen der räumlichen Lage des Objekts auftreten, bezüglich zumindest zweier verschiedener Freiheitsgrade ausführt. Die Schwingungsbewegung kann insbesondere resonant sein, d. h. bezüglich zumindest eines der Freiheitsgrade einer entsprechenden Eigenschwingung des schwingungsfähigen Systems, hier also speziell der Schwingungsbewegung des Spiegelteilbereichs relativ zum Rahmenteilbereich, entsprechen.
Das zweite Glassubstrat kann gemäß einer ersten Variante hierzu insbesondere als Deckel zum zumindest einseitigen Abschluss des Hohlraums ausgeformt sein. Insbesondere kann das zweite Glassubstrat so geformt sein, dass ein Winkel, unter dem die auf den MEMS-Spiegel gerichtete einfallende Strahlung beim Auftreffen auf den Deckel teilweise reflektiert wird ein anderer Winkel ist, als der unter dem der Teil der Strahlung, der bis zum MEMS-Spiegel gelangt und dort reflektiert wird, wieder durch den Deckel austritt. So können von der Reflektion am Deckel ausgehende störende Reflektionen im Bild vermieden werden. Insbesondere kann der Deckel zu diesem Zweck zumindest abschnittsweise, eine Kuppelform aufweisen. Die Kuppelform kann somit eine Begrenzungswand des Hohlraums bilden. Sie ist dabei vorzugsweise so angeordnet, dass beim Betrieb der MEMS-Spiegelvorrichtung die durch den MEMS- Spiegel abzulenkende elektromagnetische Strahlung durch die Kuppelform hindurch auf den MEMS-Spiegel fällt und/oder die am MEMS-Spiegel reflektierte Strahlung die MEMS-Spiegelvorrichtung durch die Kuppelform hindurch wieder verlässt. In der DE 10 2017213070 A1 ist eine beispielhafte Ausführung eines solchen zweiten Glassubstrats, jedoch im Zusammenspiel mit einem Siliziumwafer, beschrieben. Die Kuppelform kann insbesondere einen kreisbogenförmigen oder ellipsenbogenförmigen Querschnitt aufweisen, wenngleich als Kuppelform auch andere Formen, die zumindest abschnittsweise bogenförmig verlaufen, insbesondere solche mit nur einem Scheitelpunkt, möglich sind. Anstelle einer Kuppelform sind jedoch auch andere Deckelformen möglich, bei denen die störenden Reflektionen im Bild vermieden werden können. Insbesondere kann der Deckel dazu eine planare Fläche aufweisen, die dazu vorgesehen ist, die einfallende Strahlung zu empfangen und zumindest teilweise passieren zu lassen, wobei diese Fläche gegenüber der Spiegelfläche des MEMS- Spiegels angewinkelt ist, so dass sich die gewünschten unterschiedlichen Reflektionswinkel ergeben. Im Querschnitt kann die Kontur eines solchen Deckels insbesondere eine Dreiecksform aufweisen.
Alternativ kann das zweite Glassubstrat gemäß einer noch weiteren Variante hierzu als ein planares Deckelsubstrat ausgebildet sein, welches über ein Spacer-Substrat mittelbar mit dem ersten Glassubstrat verbunden ist. Solche planaren Konstruktionen eignen sich insbesondere für Anwendungen bei denen sich die eingestrahlte elektromagnetische Strahlung von der am Deckelsubstrat selbst reflektierten Strahlung sowie der durch den MEMS-Spiegel abgelenkten Strahlung durch eine anderweitige Konfiguration, beispielsweise durch eine oder mehrere Blenden oder durch räumlich veränderliche Brechzahlen im Substratmaterial des zweiten Glassubstrats, trennen lassen. Sie bieten gegenüber den vorgenannten Deckelformen, insbesondere auch gegenüber einem kuppelförmigen Deckel bzw. Substrat meist den Vorteil einer einfacheren und somit weniger aufwändigen Fertigbarkeit des zweiten Glassubstrats.
Bei einigen Ausführungsformen weist die MEMS-Spiegelvorrichtung des Weiteren ein drittes Substrat auf, das mit dem ersten Glassubstrat auf dessen dem zweiten Glassubstrat gegenüberliegenden Seite unmittelbar oder mittelbar so verbunden ist, dass es zusammen mit dem zweiten Glassubstrat den Hohlraum so ausbildet, dass er den Spiegelteilbereich beidseitig so umgibt, dass der Spiegelteilbereich in dem Hohlraum die Schwingungsbewegung ausführen kann. Das dritte Substrat kann insbesondere selbst ebenfalls ein Glassubstrat sein. Stattdessen kann es auch aus einem oder mehreren anderen Werkstoffen, wie insbesondere Silizium, ausgebildet sein. Das dritte Substrat kann insbesondere ein Bodensubstrat der MEMS-Spiegelvorrichtung bilden und den beidseitig des ersten Glassubstrats gebildeten Hohlraum bodenseitig abschließen. Der Spiegelteilbereich kann somit beidseitig des ihn ausbildenden ersten Glassubstrats bei seiner Schwingungsbewegung in den Hohlraum eintauchen, wobei er durch die Begrenzungswände des Hohlraums, die insbesondere durch das zweite Glassubstrat und das dritte Substrat gebildet werden, physisch und je nach Füllung des Hohlraums auch chemisch geschützt ist.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Hohlraum als gasdichter Hohlraum ausgebildet, in dem ein gegenüber Normalbedingungen, d. h. 101,325 kPa (1013,25 mbar), geringerer Gasdruck, insbesondere ein Vakuum herrscht. Insbesondere kann dies mittels einer hermetischen Vakuumverkapselung innerhalb des insbesondere durch das erste, das zweite und das dritte Substrat gebildeten Substratstapels selbst, oder mittels eines separaten, den Substratstapel einhäusenden Gehäuses (Second-Level Package) umgesetzt sein.
Als „Vakuum“ soll hier der Zustand eines Gases bezeichnet werden, wenn in einem Behälter (vorliegend: der den Hohlraum definierenden Verkapselung) der Druck des Gases und damit die Teilchenzahldichte niedriger ist als außerhalb oder wenn der Druck des Gases niedriger ist als 300 mbar, d. h. kleiner als der niedrigste auf der Erdoberfläche vorkommende Atmosphärendruck.
Bei diesen Ausführungsformen können etwaige bei der Schwingungsbewegung des Spiegelteilbereichs auftretende energetische Verluste durch Reibung verringert, insbesondere minimiert oder gar im Wesentlichen vermieden werden. Aufgrund des reduzierten Gasdrucks bzw. des Vakuums wird die Schwingungsbewegung des Spiegelteilbereichs durch das Restgas höchstens gering bis nahezu gar nicht gedämpft und so können maximale Schwingungsamplituden erreicht werden. Des Weiteren ergibt sich so zusätzlich zum physischen Schutz auch ein chemischer Schutz der im Hohlraum befindlichen Bauteile, insbesondere des MEMS-Spiegels. Insbesondere bei nicht- resonanter oder quasistatischer Betriebsart kann die Vakuumverkapselung des Hohlraums durch eine Inertgas-Füllung des hermetisch geschlossenen Hohlraums ersetzt sein. Darüber lassen sich Schwingungseigenschaften, wie Dämpfungsverhalten, gezielt einstellen. Somit kann ein stabiler Betrieb für bestimmte Betriebsarten, u.a. beim quasistatischen Betrieb, ermöglicht werden.
Bei einigen Ausführungsformen mit Hohlraum weist die MEMS-Spiegelvorrichtung des Weiteren zumindest ein Restgasgetterelement auf, das ein chemisch reaktives Material enthält, welches in dem Hohlraum angeordnet und dazu konfiguriert ist, etwaige in dem Hohlraum vorhandene Gasteilchen chemisch an das Restgasgetterelement zu binden. So lassen sich verbleibende Restgasmengen reduzieren und somit die Qualität des Vakuums weiter erhöhen. So können zum einen die die Schwingungsbewegung beeinflussende Reibungsdämpfung weiter reduziert und zum anderen auch der chemische Schutz der Bauteile, insbesondere des Spiegelteilbereichs, verstärkt werden. Das Restgasgetterelement kann bei einigen dieser Ausführungsformen zugleich als Elektrode, insbesondere Bodenelektrode, für eine kapazitive Lagebestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer Auslenkungslage des Spiegelteilbereichs dienen. Dies dient der Vereinfachung des Aufbaus und der erforderlichen Material- und Fertigungsaufwände.
Bei einigen Ausführungsformen weist die MEMS-Spiegelvorrichtung des Weiteren ein oder mehrere vierte Substrate auf, die insgesamt eine Spacer-Schicht bilden, über die die jeweilige mittelbare Verbindung des zweiten Glassubstrats oder des dritten Substrats zum ersten Glassubstrat erfolgt. Das bzw. die vierten Substrate kann bzw. können insbesondere aus einem Glaswerkstoff oder aus einem Halbleitermaterial, wie etwa Silizium, ausgebildet sein. Das bzw. jedes der vierten Substrate kann insbesondere die Funktion eines Abstandhalters oder „Spacers“ erfüllen, indem es zwischen dem ersten Glassubstrat und einem Bodensubstrat, insbesondere dem dritten Substrat, angeordnet ist und eine Kavität aufweist, die zumindest teilweise einen zwischen dem ersten Glassubstrat und dem Bodensubstrat gelegenen Teil des Hohlraums definiert. Der Spiegelteilbereich kann somit beidseitig des ihn ausbildenden ersten Glassubstrats bei seiner Schwingungsbewegung in den Hohlraum eintauchen, wobei er durch die Begrenzungswände des Hohlraums, die teilweise durch die Innenwand der Kavität des bzw. der vierten Substrate gebildet werden, physisch und idealerweise auch chemisch geschützt ist.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Spiegelteilbereich als beidseitiger MEMS-Spiegel ausgebildet. Dies ermöglicht es zum einen den Scanbereich bzw. Projektionsbereich auf beide Seiten der MEMS-Spiegelvorrichtung bzw. des ersten Glassubstrats hin zu erweitern, wenn auch die zweite Spiegelseite für ein Scannen bzw. eine Projektion genutzt wird. Zum anderen liefert dies jedoch auch eine weitere Möglichkeit zur Lagebestimmung bezüglich des Spiegelteilbereichs, indem ein elektromagnetischer Messstrahl auf eine der beiden Spiegelflächen gerichtet wird und dessen Ablenkung am Spiegel, insbesondere der dabei auftretende Ablenkwinkel im Raum, als Maß für die Lage des Spiegelteilbereichs herangezogen wird. Bei einigen Ausführungsformen weist das dritte Substrat zumindest abschnittsweise eine Kuppelform auf und der Spiegelteilbereich ist als beidseitiger MEMS-Spiegel ausgebildet. Insbesondere kann so der Hohlraum beidseitig des Spiegelteilbereichs je eine kuppelförmige Begrenzungswand aufweisen. Die Kombination dieser Merkmale erlaubt es, den Spiegelteilbereich beidseitig als Ablenkungsspiegel für elektromagnetische Strahlung zu nutzen, und so den ausleuchtbaren Scan- bzw. Projektionsbereich auf beide Seiten des ersten Glassubstrats hin zu erweitern, insbesondere bis hin zu einem Scan- bzw. Projektionswinkel je Schwingungsachse von nahezu 360°, je Achse (d.h. nur mit Ausschluss der durch das erste Glassubstrat abgedeckten jeweiligen Winkelbereiche)
Bei einigen Ausführungsformen ist das erste Glassubstrat oder gegebenenfalls eines der weiteren Glassubstrate aus einem silikatbasierten Glaswerkstoff, einem Quarzglas, oder aus einem Glaswerkstoff gefertigt, der zwei oder mehr solcher Glaswerkstoffe enthält. Besonders geeignete Beispiele für solche Glaswerkstoffe sind insbesondere die folgenden Glasarten: SCHOTT Borofloat 33, CORNING EAGLE XG, CORNING PYREX 7740, SCHOTT AF32, SCHOTT BK7 oder CORNING Quarzglas HPFS, Hereaus Conamic HSQ 900. Diesen Glaswerkstoffen ist gemein, dass die silikatbasiert sind und hohe Transmission im elektromagnetischen Wellenlängenbereich von 350 nm bis 2500 nm aufweisen, was sie als Werkstoff für die Herstellung einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung besonders geeignet macht. Ein Quarzglas ist insbesondere dann zu bevorzugen, wenn die elektromagnetische Strahlung eine relativ hohe Intensität aufweist, wie dies etwa bei Verwendung von Lasern mit hoher Laserleistung, z.B. oberhalb von 200 W, der Fall sein kann. Idealerweise sind in einem solchen Fall, sämtliche Substrate der MEMS-Spiegelvorrichtung aus demselben Quarzglas gefertigt, um eine optimale thermische Anpassung der Glassubstrate untereinander zu erreichen.
Bei einigen Ausführungsformen weist die MEMS-Spiegelvorrichtung des Weiteren eine Lagebestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer aktuellen Auslenkungslage des Spiegelteilbereichs, insbesondere relativ zum Rahmenteilbereich, auf. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn die MEMS-Spiegelvorrichtung so angetrieben bzw. betrieben wird, dass zu bestimmten Zeitpunkten oder kontinuierlich während des Betriebs eine Kenntnis der aktuellen Auslenkungslage, insbesondere der gegenwärtigen Orientierung, des Spiegelteilbereichs erforderlich ist. Dies kann etwa der Fall sein, wenn die MEMS- Spiegelvorrichtung als Projektionsvorrichtung eingesetzt wird und der zu projizierende Bildinhalt, der sich insbesondere in einer aktuellen Intensität oder Farbgebung der eingesetzten elektromagnetischen Strahlung widerspiegeln kann, in Abhängigkeit von der aktuellen Auslenkungslage gesteuert werden muss. Ähnliches gilt in Gegenrichtung beim Abtasten eines Sichtfelds, insbesondere wenn die Abtastung nicht rasterförmig erfolgt, wie das beispielsweise der Fall ist, wenn die mehrdimensionale Schwingungsbewegung in Form einer Lissajous-Schwingungsbewegung ausgeführt wird.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Lagebestimmungseinrichtung konfiguriert, zumindest eine der folgenden Messprinzipien zur Lagebestimmung des Spiegelteilbereichs zu nutzen: (i) magnetische Induktion aufgrund einer magnetischen Wechselwirkung zwischen einem Permanentmagnet und einem Magnetfeldsensor, insbesondere einer Detektionsspule, wobei der Permanentmagnet an oder in dem Spiegelteilbereich angeordnet ist, und der Magnetfeldsensor separat von dem Spiegelteilbereich angeordnet ist, oder umgekehrt; (ii) Erzeugung einer elektrischen Messspannung an einem mit dem Spiegelteilbereich oder seiner Aufhängung mechanisch gekoppelten Piezoelement; (iii) optische Lagebestimmung mittels eines optischen Senders, der elektromagnetische Strahlung auf den Spiegelteilbereich, insbesondere dessen dem MEMS-Spiegel gegenüberliegende Seite, sendet und eines optischen Empfängers, der die dabei vom Spiegelteilbereich reflektierte Strahlung misst; (iv) elektrische Kapazitätsmessung zwischen zwei Elektroden, die so an der MEMS- Spiegelvorrichtung angeordnet sind, dass die zwischen den beiden Elektroden messbare elektrische Kapazität von der aktuellen Auslenkungslage des Spiegelteilbereichs abhängt (v) Verwendung zumindest eines Dehnungsmessstreifens (z.B. piezoresistiver Art) zur Messung eines Zustands, insbesondere einer Dehnung, zumindest eines Verbindungselements.
Bei Nutzung der magnetischen Wechselwirkung gemäß Variante (i) lassen sich besonders gute Signal-Rausch-Verhältnisse (SNR) für die Lagebestimmung erzielen. Zudem kann auch hier auf einen separaten Antrieb des Spiegelteilbereichs, insbesondere mittels eines Piezoaktuators, verzichtet werden (Kosteneinsparung), etwa wenn durch temporäre Verwendung der Detektionsspule als Erregerspule über die bekannte Lorenz-Kraft eine Kraftwirkung auf den Permanentmagnet ausgeübt werden kann. Die Variante (ii) dagegen erlaubt besonders kleine Formfaktoren für die Lagebestimmungseinrichtung und dass das Piezoelement abwechselnd zur Lagebestimmung und zum Antrieb des Spiegelteilbereichs genutzt werden kann. Zudem ist eine Verwendung von multiplen Piezoelementen möglich, wobei ein Teil der Elemente zur Lagebestimmung und ein anderer Teil zum Antrieb genutzt werden. Mit der optischen Messung gemäß Variante (iii) ist insbesondere eine besonders hohe Genauigkeit für die Lagebestimmung realisierbar. Die kapazitive Messung gemäß Variante (iv) ist insbesondere einfach und in verschiedensten Konfigurationen der Elektroden realisierbar. Dies ermöglicht insbesondere auch eine genaue und berührungsfreie Echtzeitmessung der Auslenkungslage.
Bei Variante (iv) kann zumindest eine der Elektroden insbesondere auf eine der folgenden Arten ausgebildet sein: (iv-1) als eine metallische Schicht auf oder in dem Spiegelteilbereich, die zumindest abschnittsweise zugleich den MEMS-Spiegel zur Reflektion elektromagnetischer Strahlung bildet; (iv-2) als eine metallische Schicht auf oder in dem Spiegelteilbereich, die separat von der den MEMS-Spiegel bildenden Spiegelfläche ausgebildet ist; (iv-3) als eine metallische Schicht auf oder in dem Rahmenteilbereich des ersten Glassubstrats; (iv-4) als zumindest ein auf einer Seite des dritten Substrats ausgebildetes Elektrodenelement; (vi-5) als eine in mehrere separate Elektrodenelemente strukturierte Elektrode, wobei zumindest zwei der einzelnen Elektrodenelemente differenziell miteinander verschaltet sind.
Die Variante (iv-1) hat vor allem den Vorteil, dass eine sowieso bereits vorhandene metallische Beschichtung im Sinne von „Dual-use“ zugleich für die Lagebestimmung verwendet werden kann. Die Varianten (iv-2) und (iv-4) sind insbesondere auch in Kombination gut ersetzbar, um die Lagebestimmung mittels Kapazitätsmessung in dem sich zwischen dem Spiegelteilbereich und dem dritten Substrat (welches insbesondere ein Bodensubstrat der MEMS-Spiegelvorrichtung bilden kann) erstreckenden Raumbereich, insbesondere Hohlraumbereich, mit hoher Genauigkeit und unabhängig von der Geometrie der den MEMS-Spiegel formenden Schicht durchzuführen. Dazu ist die metallische Schicht vorzugsweise auf einer dem MEMS-Spiegel gegenüberliegenden, bodenseitigen Seite des Spiegelteilbereichs angeordnet. Die Variante (iv-3) eignet sich insbesondere dazu, einen lateralen Kondensator zur Kapazitätsmessung auf oder in dem ersten Glassubstrat bereitzustellen, wobei die Gegenelektrode als Teil derselben Schicht hergestellt werden kann wie die Spiegelschicht bzw. Spiegelelektrode. So lassen sich wiederum die Fertigungskomplexität und Fertigungsaufwände verringern. Bei der Variante (iv-4) kann die Elektrode (Bodenelektrode) entweder in elektrisch kontaktierter Form oder als elektrisch freischwebende („floating“) Elektrode ausgeführt sein. Letzteres hat den Vorteil, dass sich die mit der Herstellung einer solchen Kontaktierung, insbesondere mit der Herstellung von Vias und zugehörigen Kontaktpads, verbundenen Fertigungsaufwände einsparen lassen. Die Variante (iv-5) ermöglich insbesondere Kapazitätsmessungen mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und somit mit besonders hoher Robustheit und Genauigkeit. Die Variante (v) ermöglicht es zudem, zur Lagebestimmung anstelle des Spiegelteilbereichs selbst, seine Aufhängung (z.B. Verbindungstege) zu betrachten, da deren Lage, insbesondere Dehnung, zu der Lage des Spiegelteilbereichs korrespondiert.
Bei einigen Ausführungsformen weisen die jeweiligen Glaswerkstoffe von zumindest zwei miteinander verbundenen Glassubstrate, vorzugsweise sämtliche der vorhandenen Glassubstrate, einen gleichen oder einen sich um nicht mehr als 104 K 1 unterscheidenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. So lassen sich thermische Spannungen weitgehend vermeiden, was insbesondere die mechanische Stabilität und die zuverlässige Funktion der MEMS-Spiegelanordnung fördert.
Bei einigen Ausführungsformen weist die MEMS-Spiegelvorrichtung des Weiteren eine Antriebseinrichtung auf, die eingerichtet ist, den Spiegelteilbereich in eine mehrdimensionale, insbesondere resonante, Schwingungsbewegung gegenüber dem Rahmenteilbereich zu versetzen. Auf diese Weise wird die MEMS-Spiegelvorrichtung zu einem aktiven Bauelement, das selbst über einen Antrieb für die Spiegelbewegung verfügt und bei entsprechender Ansteuerung die gewünschte Abtastfunktion eigenständig ausführen kann.
Bei einigen dieser Ausführungsformen ist der Spiegelteilbereich so gegenüber dem Rahmenbereich schwingungsfähig aufgehängt, dass er bei entsprechender Anregung mittels der Antriebseinrichtung die mehrdimensionale Schwingungsbewegung in Form einer, insbesondere resonanten, Lissajous-Schwingungsbewegung ausführt. So lassen sich die Vorteile einer Lissajous-Abtastung gegenüber einer herkömmlichen Rasterabtastung auch bei der erfindungsgemäßen glassubstratbasierten MEMS- Spiegelvorrichtung nutzen. Die Antriebseinrichtung kann insbesondere einen oder mehrere Piezoaktuatoren zur Anregung der Schwingungsbewegung des Spiegelteilbereichs aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen weist die Antriebsvorrichtung insbesondere einen Piezoaktuator auf, der mittelbar über zumindest eines der anderen ein oder mehreren Glassubstrate mechanisch an das erste Glassubstrat gekoppelt ist. Der bzw. die Piezoaktuatoren können dabei gemäß einer ersten Varianten hierzu die Spiegelvorrichtung insbesondere im Rahmen einer durch sie erzeugten Vibrationsbewegung so "schütteln", dass sich die Vibrationsenergie auf den Spiegelteilbereich überträgt und diesen zu Schwingungen, insbesondere zu resonanten oder erzwungenen Schwingungen, anregt. Im Falle eines zweidimensional, insbesondere um zwei orthogonale Achsen, schwingfähigen Spiegelteilbereichs kann die Antriebseinrichtung bzw. eine Ansteuerung dafür insbesondere so konfiguriert sein, dass die Anregung der Schwingung des Spiegelteilbereichs mittels eines Anregungssignals erfolgt, welches die Resonanzfrequenzen bzgl. der beiden Schwingungsdimensionen enthält, bevorzugt als dominante Frequenzkomponenten des Anregungssignals.
Gemäß einer zweiten Variante hierzu die anstelle oder kumulativ mit einer der ersten Variante vorgesehen sein kann, weist die Antriebseinrichtung ein oder mehrere Piezoelemente auf den Verbindungselementen auf, um den Spiegelteilbereich mittels Aktivierung der Piezoelemente in eine Schwingungsbewegung relativ zum Rahmenteilbereich zu versetzen. Auf diese Weise kann die Energiezufuhr von der Antriebseinrichtung auf den Spiegelteilbereich auf besonders kurzem Wege und unter besonders geringer Dämpfung erfolgen. Zudem lassen sich so einzelne Schwingungsachsen der Schwingung des Spiegelteilbereichs besonders gut individuell und unter zumindest weitgehender Vermeidung von Kopplungen zwischen den Achsen anregen.
Bei einigen Ausführungsformen weist der Spiegelteilbereich eine metallische Schicht, insbesondere in Form einer Beschichtung, auf, die zumindest abschnittsweise als Spiegelfläche zur Ablenkung des elektromagnetischen Strahls ausgebildet ist. Die metallische Schicht enthält dabei einen oder mehrere der folgenden metallischen Werkstoffe: Aluminium (AI), Gold (Au), Silber (Ag). Allen diesen Werkstoffen ist gemein, dass sie zum einen sehr haltbare Schichten ausbilden und zum anderen auch sehr gute Spiegeleigenschaften liefern können. Dies macht diese Materialien besonders als Werkstoffe für die genannte Schicht bzw. Beschichtung auf dem ersten Glassubstrat geeignet.
Bei einigen Ausführungsformen ist zumindest eine Seite des ersten Glassubstrats, insbesondere eine Seite, die eine Spiegelfläche zur Ablenkung von eingestrahlter elektromagnetischer Strahlung aufweist, vollflächig metallisch beschichtet. Bei der Herstellung kann somit ein Prozess zur Strukturierung dieser Metallschicht entfallen, was dazu beitragen kann, die Fertigungskomplexität und -aufwände, die Fertigungszeiten und somit auch die damit in Zusammenhang stehenden Fertigungskosten zu reduzieren.
Bei einigen Ausführungsformen weist die MEMS-Spiegelvorrichtung des Weiteren ein separates Gehäuse (sog. „second-level package“) zur Einhäusung der verbundenen Substrate (Substratstapel) der MEMS-Spiegelvorrichtung auf. So lässt sich unter anderem eine gute Integrierbarkeit in übergeordnete Systeme erreichen, insbesondere dann, wenn das separate Gehäuse mit Lötstellen (z.B. Lötbällen) oder anderen Anschlusselementen zur Verbindung mit einer Systemkomponente, wie etwa einer System-Leiterplatte, konfiguriert ist.
Bei einigen Ausführungsformen sind der Spiegelteilbereich oder der Rahmenteilbereich durch Verbindung (Bonden) mit zumindest einem weiteren Substrat („Verstärkungssubstrat“) in seiner Stärke verdickt. Das erste Glassubstrat und das Verstärkungssubstrat können insbesondere unterschiedliche Stärken aufweisen, was vor allem dafür genutzt werden kann, um je nach Bauart und Applikation daraus Federn (z.B. Verbindungsstege) und Spiegelteilbereiche in unterschiedlichen Stärken zu bauen. So lässt sich insbesondere die Anzahl der anregbaren Freiheitsgrade für die Schwingungsbewegung des Spiegelteilbereichs erhöhen und der Spiegelteilbereich bzw. der Rahmenteilbereich mechanisch versteifen. Diese jeweiligen Verstärkungen des Spiegelteilbereichs bzw. des Rahmenteilbereichs liefern individuell und insbesondere auch kumulativ den Vorteil, dass beim Schwingen des Spiegelteilbereichs eine geringere Deformation des Spiegelteilbereichs (wenn dieser verdickt ist) bzw. des Rahmenteilbereichs (wenn dieser verdickt ist) auftritt. Somit kann können die Dämpfung der Schwingung sowie eine zumindest bessere mechanische Entkopplung der verschiedenen Schwingungsachsen (durch Reduktion einer etwaigen Kopplung der Schwingungsachsen über den Rahmenteilbereich) erreicht werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer MEMS- Spiegelvorrichtung, wobei das Verfahren aufweist: (i) Simultanes Ausbilden einer Mehrzahl gleichartiger MEMS-Spiegelvorrichtungen nach dem ersten Aspekt der Erfindung unter Verwendung zumindest eines allen diesen MEMS-Spiegelvorrichtungen gemeinsamen scheibenförmigen Glassubstrats, welches insbesondere das jeweilige ersten Glassubstrat der MEMS-Spiegelvorrichtungen darstellen kann; und (ii) Vereinzeln der MEMS-Spiegelvorrichtungen nach deren simultanen Ausbildung.
Nachfolgend werden einige bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens beschrieben. Diese Ausführungsformen können jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich, insbesondere widersprüchlich wäre, beliebig miteinander kombiniert werden.
Bei einigen Ausführungsformen wird als gemeinsames scheibenförmiges Glassubstrat ein Glassubstrat eingesetzt, das vor der Vereinzelung eine rechtwinklige Scheibenform aufweist. Auf diese Weise lässt sich gegenüber runden Wafern unter Verringerung oder gar Vermeidung von ungenutzten Verlustflächen auf dem Glassubstrat eine bessere Approximation bzw. Flächenausnutzung und somit eine höhere Flächenausbeute bei gegebener Bruttosubstratfläche erreichen.
Bevorzugt wird als das gemeinsame scheibenförmige Glassubstrat ein Glassubstrat eingesetzt, das eine Fläche von zumindest 100 cm2, bevorzugt von 1000 cm2 oder mehr, aufweist.
Bei einigen Ausführungsformen geht das jeweilige erste Glassubstrat der einzelnen MEMS-Spiegelvorrichtungen aus dem gemeinsamen Glassubstrat durch dessen Strukturierung mittels zumindest eines Glasstrukturierungsprozesses hervor. Auf diese Weise lässt lassen sich insbesondere der Spiegelteilbereich und der Rahmenteilbereich sowie das zumindest eine Verbindungselement, insbesondere Verbindungssteg, einstückig aus einem einzigen Substrat ausbilden.
Bei einigen Ausführungsformen erfolgt die Strukturierung des gemeinsamen Glassubstrats oder zumindest eines anderen der in den MEMS-Spiegelvorrichtungen jeweils vorhandenen Substrate unter Verwendung eines laserbasierten Ätzverfahrens. So lassen sich insbesondere besonders kurze Prozesszeiten und besonders präzise Strukturierungen erreichen. Bei einigen dieser Ausführungsformen erfolgt die Strukturierung des gemeinsamen Glassubstrats oder zumindest eines anderen der in den MEMS-Spiegelvorrichtungen jeweils vorhandenen Substrate unter Verwendung eines laserinduzierten chemischen Ätzverfahrens, bei dem es sich insbesondere um ein sogenanntes Laser Induced Deep Etching, LIDE, -Ätzverfahren handeln kann. Beim einem solchen LIDE-Ätzverfahren wird ein gepulster hochenergetischer Laser eingesetzt, um das Glas in den belichteten Bereichen zu schädigen und strukturell zu verändern, so dass es in einem nachfolgenden nasschemischen Ätzprozess selektiv entfernt werden kann.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend auch für den Verfahrensaspekt der Erfindung, insbesondere für die daraus resultierenden Produkte.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Dabei zeigt:
Fig. 1 schematisch eine erste beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, einschließlich von Elektroden zur kapazitiven Lagebestimmung und von einem Piezoaktuator als Antriebseinrichtung;
Fig. 2 schematisch den Strahlungsverlauf bei einer Verkapselung der MEMS- Spiegelvorrichtung, insbesondere bei der Ausführungsform nach Fig. 1, mittels einer kuppelförmigen oder einer gegenüber der Ruhestellung des Spiegelteilbereichs gewinkelt angeordneten, insbesondere satteldachförmigen Verkapselung;
Fig. 3 schematisch eine zweite beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der eine Seite des ersten Glassubstrats vollflächig metallisch beschichtet ist;
Fig. 4 schematisch eine dritte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der Restgasgetterelementen zur Verbesserung des Vakuums im Hohlraum um den Minitaturspiegel vorgesehen sind;
Fig. 5 schematisch eine vierte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der eine Bodenelektrode einer Lagebestimmungseinrichtung auf der Außenseite des Bodensubstrats und somit außerhalb des Hohlraums angeordnet ist;
Fig. 6 schematisch eine fünfte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der die Elektroden einer Lagebestimmungseinrichtung als verschiedene Abschnitte einer selben Metallisierungsschicht auf dem ersten Glassubstrat ausgebildet sind;
Fig. 7 schematisch eine sechste beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der ein planares Deckelsubstrat, welches über ein Spacer-Substrat mittelbar mit dem ersten Glassubstrat verbunden ist, vorgesehen ist;
Fig. 8 schematisch eine siebte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der eine Bodenelektrode einer Lagebestimmungseinrichtung als eine elektrisch „schwebende“ Elektrode ausgebildet ist; Fig. 9 schematisch eine achte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der der mehrschichtige Stapelaufbau mittels eines separaten Gehäuses (second-level package) eingehäust ist;
Fig. 10 schematisch eine neunte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der die Bodenelektrode und die Restgasgetterelemente zusammenfallen;
Fig. 11 schematisch eine zehnte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der der Spiegelteilbereich durch Verbindung (Bonden) mit zumindest einem Verstärkungssubstrat in seiner Stärke verdickt ist;
Fig. 12 schematisch eine elfte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der sämtliche Glassubstrate der MEMS- Spiegelvorrichtung aus einem Quarzglaswerkstoff hergestellt sind und unterhalb des zweiten Glassubstrats ein weiteres Spacer-Substrat vorgesehen ist;
Fig. 13 schematisch eine zwölfte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der die bodenseitige Rückseite des Spiegelteilbereichs mit einer elektrisch gut leitenden Schicht beschichtet ist, die eine Gegenelektrode (Top-Elektrode) zur Bodenelektrode bildet;
Fig. 14 schematisch eine dreizehnte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der ein Piezoelement zur Lagebestimmung und/oder zum Antrieb des Spiegelteilbereichs vorgesehen ist;
Fig. 15 schematisch eine vierzehnte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der eine magnetische Anordnung mit zumindest einem Permanentmagnet und einer Detektionsspule zur Lagebestimmung und/oder zum Antrieb des Spiegelteilbereichs vorgesehen ist;
Fig. 16 schematisch eine fünfzehnte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der eine hermetische Einkapselung entfällt; Fig. 17 schematisch eine sechzehnte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der eine optische Lagebestimmungseinrichtung vorgesehen ist;
Fig. 18 schematisch eine siebzehnte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der das erste Glassubstrat beidseitig jeweils durch ein kuppelförmiges Glassubstrat abgekapselt ist;
Fig. 19 schematisch eine achtzehnte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der eine magnetische Antriebseinrichtung für den Antrieb des Spiegelteilbereichs vorgesehen ist;
Fig. 20 schematisch eine neunzehnte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MEMS-Spiegelvorrichtung, bei der ein kapselexterner Piezoaktuator als Antriebseinrichtung für den Antrieb des Spiegelteilbereichs vorgesehen ist;
Fig. 21 zeigt verschiedene Ausführungsformen für Formgebungen der Bodenelektrode; und
Fig. 22 ein Diagramm zur Veranschaulichung von wesentlichen Fertigungsschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
In den Figuren werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechenden Elemente der Erfindung verwendet. Die Merkmale der nachfolgend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen können jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich, insbesondere widersprüchlich wäre, beliebig miteinander kombiniert werden.
Fig. 1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform 100 einer MEMS- Spiegelvorrichtung. Dabei illustriert Fig. 1 (a) eine seitliche Schnittansicht der MEMS- Spiegelvorrichtung 100, während Fig. 1 (b) eine Aufsicht auf ein Glassubstrat 120 illustriert, welches ein erstes Glassubstrat der MEMS-Spiegelvorrichtung 100 bildet und in Fig. 1 (a) horizontal ausgerichtet angeordnet ist. Eine entsprechende Aufteilung in Teilfiguren (a) und (b) wird nachfolgend auch für die Illustration und Erläuterung von verschiedenen weiteren Ausführungsformen von MEMS-Spiegelvorrichtungen verwendet. Die MEMS-Spiegelvorrichtung 100 weist als Antriebseinrichtung einen Piezoaktuator 105 auf, der zugleich eine Grundplatte der MEMS-Spiegelvorrichtung 100 bildet. Auf dem Piezoaktuator 105 ist ein stapelförmiger, mehrschichtiger Aufbau aus verschiedenen übereinandergestapelten Substraten angeordnet. Den Kern dieses mehrschichtigen Aufbaus bildet ein erstes Substrat (Glassubstrat) 120 aus einem Glaswerkstoff, das wie in Fig. 1 (b) dargestellt, in verschiedene, zusammenhängende Teilbereiche strukturiert ist. Zu diesen Teilbereichen gehören ein Rahmenteilbereich 125, ein Spiegelteilbereich 130 sowie zwei den Spiegelteilbereich 130 jeweils mit dem Rahmenteilbereich verbindende Verbindungsstege 135.
Der Spiegelteilbereich 130 ist über die Verbindungsstege 135, welche sich verwinden können, beweglich in dem Rahmenteilbereich 125 gelagert, und zwar so, dass der Spiegelteilbereich 130 relativ zum Rahmenteilbereich 125 eine zweidimensionale Schwingungsbewegung ausführen kann. Die Verbindungsstege 135 stellen somit eine Aufhängung des Spiegelteilbereichs 130 dar. Der Spiegelteilbereich 130 ist auf einer seiner Hauptflächen mit einer metallischen Beschichtung 140 so versehen, dass diese metallische Schicht 140 eine verspiegelte Reflexionsfläche zur Ablenkung einfallender elektromagnetische Strahlung, insbesondere eines Laserstrahls z.B. im sichtbaren oder infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, bildet.
Die Metallschicht 140 kann insbesondere einen oder mehrere der folgenden Werkstoffe enthalten: Aluminium (AI), Gold (Au), Silber (Ag). Diese Werkstoffe können sowohl eine hohe Langzeithaltbarkeit als auch gute Spiegeleigenschaften aufweisen. Der Spiegelteilbereich 130 bzw. seine verspiegelte Reflexionsfläche 140 stellt somit einen MEMS-Spiegel dar, dessen Durchmesser typischerweise weniger als 30 mm, beispielsweise 10 mm, beträgt. Die Form der verspiegelten Reflexionsfläche 140 kann insbesondere wie in Fig. 1 (b) gezeigt, kreisrund sein, ohne dass dies jedoch als Einschränkung zu verstehen wäre. Insbesondere sind auch rechteckige Formen denkbar.
Dieser mehrschichtige Aufbau enthält des Weiteren ein zweites Substrat (Glassubstrat) 145 aus einem Glaswerkstoff, der insbesondere dem des ersten Glassubstrats entsprechen kann. Das zweite Glassubstrat weist eine Kuppelform auf und ist mittels eines Substratbondmaterials 150, z. B. eines Glass-Frit-Materials, hermetisch mit dem Rahmenteilbereich 125 des ersten Glassubstrats 120 verbunden, um über diesem einen ersten (in Fig. 1 (a) „oberen“) Teilbereich 175a eines den Spiegelteilbereich 130 beidseitig umgebenden Hohlraums 175 auszubilden. Auf der dem zweiten Glassubstrat 145 gegenüberliegenden Seite des ersten Glassubstrats 120 befinden sich in dem mehrschichtigen Aufbau ein als Bodenplatte dienendes drittes Substrat 110 sowie zwischen dem ersten Glassubstrat und dem dritten Substrat ein weiteres, viertes Substrat 115, welches als Abstandshalter beziehungsweise (gleichbedeutend) Spacerschicht ausgebildet ist. Das dritte und das vierte Substrat können jeweils insbesondere aus einem Glaswerkstoff oder aber beispielsweise auch aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial gefertigt sein. Insbesondere können sie aber, wie das erste und das zweite Substrat, ebenfalls als Glassubstrat ausgebildet sein. Idealerweise sind sämtliche Glassubstrate aus demselben Glaswerkstoff gefertigt und weisen somit denselben materialabhängigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. So können thermische Spannungen in dem mehrschichtigen Stapelaufbau der MEMS-Spiegelvorrichtung 100 vermieden werden.
In anderen Varianten dieser und anderer nachfolgend beschriebener Ausführungsformen können das dritte Substrat 110 und/oder das vierte Substrat 115 insbesondere aus einem Halbleitermaterial, etwa aus Silizium, gefertigt sein. Dies hat wiederum den Vorteil, dass dadurch aufgrund der weitgehenden Lichtundurchlässigkeit solcher Materialien, dem Eindringen von parasitärer Strahlung in den Hohlraum 175 und insbesondere zum Spiegelteilbereich 130 begegnet werden kann.
Das vierte Substrat 115 ist so strukturiert, dass es eine Kavität aufweist, die unterhalb des Spiegelteilbereichs 130 so angeordnet ist, dass sie zusammen mit ihrer durch die Bodenplatte 110 gegebenen bodenseitigen Begrenzung einen zweiten (in Fig. 1 (a) „unteren“) Teilbereich 175b des Hohlraums 175 ausbildet.
Die jeweils benachbarten einzelnen Substrate sind untereinander hermetisch dicht verbunden, beispielsweise wiederum mittels eines Substratbondmaterials 155, z. B. im Falle zweier zu verbindender Glassubstrate mittels eines Glass-Frit-Materials, sodass der Hohlraum 175 insgesamt hermetisch dicht ausgebildet ist. Er ist vorzugsweise evakuiert, sodass in ihm ein, vorzugsweise deutlich, unter Normalbedingungen (101 ,325 kPa = 1013,25 mbar) liegender Restgasdruck herrscht, der bevorzugt unterhalb von10 kPa / 10+1 kPa (10_1 mbar), besonders bevorzugt bei 101 kPa (103 mbar) liegt. Typischerweise weisen die ersten bis vierten Substrate 110, 115, 120, 145 jeweils eine selbe Grundform, insbesondere eine rechtwinklige Form auf, wenngleich andere Formen ebenso möglich sind.
Der Piezoaktuator 105 ist dazu konfiguriert, bei seiner elektrischen Ansteuerung Vibrationsbewegung zu erzeugen und auf den Stapelaufbau und insbesondere auf den Spiegelteilbereich 130 zu übertragen. Auf diese Weise kann der Spiegelteilbereich 130 mit seiner Spiegelfläche 140 zur Ausführung einer Schwingungsbewegung, insbesondere einer resonanten oder erzwungenen mehrdimensionalen Schwingungsbewegung wie etwa einer Lissajous-Bewegung relativ zum Rahmenteilbereich 125 angeregt werden. Bei dieser Schwingungsbewegung kann sich der Spiegelteilbereich 130, insbesondere durch Verkippung, aus der Ebene des ersten Glassubstrats 120 heraus bewegen und dabei beidseitig in die Teilbereiche 175a und 175b des Hohlraums 175 eintauchen. Aufgrund der Evakuierung es Hohlraums 175 ist die verbleibende Reibung im Gas sehr gering, so dass dadurch nur eine geringe, insbesondere eine vernachlässigbar geringe, Dämpfung auftritt.
Des Weiteren weist die MEMS-Spiegelvorrichtung 100 eine kapazitive Lagebestimmungseinrichtung auf. Zu der Lagebestimmungseinrichtung gehören zwei Elektroden, zwischen denen zum Zwecke der Bestimmung der jeweiligen aktuellen Auslenkungslage, insbesondere Orientierung, des Spiegelteilbereichs 130 eine elektrische Kapazitätsmessung erfolgt. Eine erste der beiden Elektroden wird durch die metallische Spiegelfläche 140 gebildet, die somit dazu vorgesehen ist, eine Doppelfunktion (Ablenken einfallender elektromagnetischer Strahlung; Elektrode) auszuführen. Die zweite der beiden Elektroden ist auf der Innenseite der Bodenplatte 110 im Hohlraumbereich 175 als eine entsprechende metallische Beschichtung 180 der Bodenplatte 110 ausgeführt. Im vorliegenden Beispiel ist diese Bodenelektrode 180 als mehrteilig strukturierte Metallschicht ausgebildet. Wie sich aus Fig. 1 (b) entnehmen lässt, entspricht die Form dieser Bodenelektrode 180 ihrer Art und vorzugsweise zumindest näherungsweise auch der Größe nach im Wesentlichen der im nichtausgelenkten Ruhezustand des Spiegelteilbereichs 130 parallel dazu liegenden Form des Spiegelteilbereichs 130, beziehungsweise von dessen Reflexionsschicht bzw. Spiegelfläche 140.
Die Bodenelektrode 180 ist über ein oder mehrere sogenannte Vias 185 (speziell „Through Glas Vias“, TGV), also mit elektrisch gut leitendem (Leitfähigkeit >106 S/m), in der Regel metallischem, Material gefüllte Verbindungstunnel, die sich von der Bodenelektrode 180 durch die Bodenplatte 110 hindurch bis zu entsprechenden Anschlusspads 190 auf dem Piezoaktuator 105 erstrecken, elektrisch kontaktiert. Die Spiegelelektrode 140 wiederum ist über eine Umverdrahtungslage elektrisch mit einem auf dem ersten Glassubstrat 120 außerhalb der durch das zweite Glassubstrat gebildeten Kuppel angeordneten Anschlusspad 165 elektrisch verbunden und von dort aus mittels eines Bonddrahts 160 mit einem weiteren Anschlusspad 170 auf dem Piezoaktuator 105 elektrisch verbunden. So ist die Spiegelelektrode insgesamt über das Anschlusspad 170 elektrisch kontaktiert. Folglich kann eine zur Lagebestimmung des Spiegelteilbereichs 130 eingesetzte elektrische Kapazitätsmessung zwischen den Anschlusspads 190 und 170 erfolgen.
Eine Segmentierung der Bodenelektrode 180 in Fig. 21 (alternativ oder zusätzlich auch der Spiegelelektrode 140) ermöglicht ein differentielles Auslesen und somit eine verbesserte Signalqualität (z.B. geringer Empfindlichkeit gegenüber Temperatureinflüsse) bei der Kapazitätsmessung. Des Weiteren kann eine Segmentierung der Bodenelektrode 180 im Zusammenhang mit Ausführungsformen, bei denen auch die der Bodenplatte 110 zugewandte Rückseite des Spiegelteilbereichs zumindest teilweise verspiegelt ist, den Vorteil bieten, dass dieser verspiegelte Rückseitenbereich ebenfalls ohne dabei durch die Bodenelektrode behindert zu werden, mit zusätzlicher elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einem Laserstrahl, von der Bodenseite der MEMS-Spiegelvorrichtung 100 her bestrahlt werden kann, um beispielsweise die Lage des Spiegelteilbereichs 130 optisch zu messen oder aber um den Spiegelteilbereichs auch von seiner Rückseite her funktional, insbesondere zur elektromagnetischen Abtastung oder Projektion, zu nutzen.
Der Anschluss der Bodenelektrode erfolgt über 3D-Durchkontakte im Bodenwafer (Through Glass Vias, TGV), welche eine elektrische vertikale Verbindung zum Substratkontakt ermöglichen. Statt der hier strukturiert dargestellten Metallisierung des ersten Glassubstrats, ist ebenso gut eine ganzflächige Metallisierung des ersten Glassubstrats, um damit einerseits die Reflektionsschicht, andererseits aber auch die Elektrode für den auszulesenden Positionssensor zu realisieren. Der Vorteil einer unstrukturierten Metallisierung besteht in der Einsparung einer Lithographieebene oder einer anderweitigen Strukturierungsmethode, wodurch der Fertigungs-Prozess noch kostengünstiger werden kann. Neben bzw. anstelle einer Verwendung von Glass-Frit zum Verbinden der jeweils benachbarten Substrate lassen sich auch anderen Verfahren, wie Glas-Direkt-Bonden, eutektisches Bonden oder Metall-Direkt-Bonden, einsetzen.
In Fig. 2 ist der vereinfachte Strahlenverlauf der einfallenden und ausfallenden elektromagnetischen Strahlung im Falle (a) eines kuppelförmigen zweiten Glassubstrats 145, wie es vorausgehend im Zusammenhang mit der Ausführungsform gemäß Fig. 1 beispielhaft beschrieben wurde, und (b) im Falle einer abschnittsweise planaren und abschnittsweise gewinkelt zur Ruhestellung des Spiegelteilbereichs angeordneten zweiten Glassubstrats dargestellt. Der Aufbau der MEMS-Spiegelvorrichtung 100 in Fig. 2(a) entspricht derjenigen aus Fig. 1. Dasselbe gilt mit Ausnahme der anderen Form des zweiten Glassubstrats 145 auch für den Aufbau der MEMS-Spiegelvorrichtung 100 in Fig. 2(b). Beim Betrieb der MEMS-Spiegelvorrichtung 100 wird elektromagnetische Strahlung, die beispielsweise als Laserstrahl bereitgestellt werden und insbesondere Lichtkomponenten im sichtbaren oder Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums enthalten kann, als Strahlenbündel L1 durch das jeweilige zweite Glassubstrat 145 aus den Figuren 2(a) bzw. 2(b) hindurch auf die Spiegelfläche 140 des Spiegelteilbereichs 130 gelenkt und dort gemäß dem Reflexionsgesetz reflektiert. So ergibt sich ein reflektiertes Strahlenbündel L2, welches die MEMS-Spiegelvorrichtung 100 wieder durch das zweite Glassubstrat 145 verlässt. Ein kleiner Anteil der einfallenden Strahlung des Strahlenbündels L1 fällt jedoch nicht auf die Spiegelfläche 140, sondern wird bereits bei seinem Auftreffen auf das zweite Glassubstrat 145 an dessen Oberfläche reflektiert, sodass sich ein weiteres Strahlenbündel L3 für diese reflektierte Strahlung ergibt. Aufgrund der besonderen jeweiligen Geometrie bzw. Anordnung der Oberfläche des zweiten Glassubstrats 145 wird das Strahlenbündel L3 jedoch zumindest im Wesentlichen in eine oder mehrere andere Richtungen abgelenkt als das Strahlenbündel L2, sodass es das Strahlenbündel L2 nicht nennenswert überlagert und somit stört. Dies ist insbesondere in dem Fall relevant, dass das Strahlenbündel L1/L2 zu Projektionszwecken vorgesehen ist.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform 200 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die auf der ersten Ausführungsform 100 aus Fig. 1 aufbaut. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform 100 insbesondere dadurch, dass anstelle nur des Spiegelteilbereichs 130 oder sogar nur eines Teils davon die gesamte dem zweiten Glassubstrat 145 zugewandte Seite des ersten Glassubstrats 120 mit der metallischen Schicht 140 versehen ist, wenngleich es dabei ausreicht, dass weiterhin nur der Spiegelteilbereich 130 oder ein Teil davon verspiegelt ausgeführt ist. Bei der Herstellung kann somit ein Prozess zur Strukturierung der Metallschicht 140 entfallen, was dazu beitragen kann, die Fertigungskomplexität und -aufwände, die Fertigungszeiten und somit auch die damit in Zusammenhang stehenden Fertigungskosten zu reduzieren.
Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform 300 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die wiederum auf der ersten Ausführungsform 100 aus Fig. 1 , oder alternativ (nicht dargestellt) auch auf der zweiten Ausführungsform 200 aus Fig. 2, aufbaut. Sie unterscheidet sich von den Ausführungsformen 100 bzw. 200 insbesondere dadurch, dass zusätzlich ein oder mehrere Restgasgetterelemente 195 in dem Hohlraum 175, insbesondere in dessen unteren Teilbereich 175b angeordnet sind. Bei den Restgasgetterelementen 195 handelt es sich um materielle Strukturen, die ein chemisch reaktives Material (wie Ti) enthalten, das dazu geeignet ist, etwaige in dem Hohlraum vorhandene Gasteilchen, insbesondere Stickstoff-, Sauerstoff-, Wasserstoff- oder Wassermoleküle, chemisch an das jeweilige Restgasgetterelement zu binden und somit die Qualität des Vakuums in dem Hohlraum 175, insbesondere die initiale Qualität sowie die Langzeiterhaltung des Vakuums, zu verbessern. So können eine geringe Dämpfung und somit hohe Schwingungsamplituden der Schwingungsbewegung des Spiegelteilbereichs 130 und daraus folgend hohe Gütefaktoren der MEMS- Spiegelvorrichtung 300 erzielt werden.
Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform 400 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die wiederum auf der ersten Ausführungsform 100 aus Fig. 1 , oder alternativ (nicht dargestellt) auch auf einer der anderen bereits erläuterten Ausführungsformen 200 bzw. 300, aufbaut. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform 100 insbesondere dadurch, dass die Bodenelektrode 180 auf der Außenseite des Bodensubstrats 110 und somit außerhalb des Hohlraums 175 angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Vias 185 und die damit einhergehenden Prozessschritte bei der Fertigung der MEMS-Spiegelvorrichtung 400 gegenüber der MEMS-Spiegelvorrichtung 100 entfallen. Stattdessen lässt sich die Bodenelektrode 180 insbesondere auch als Teil einer Metallisierung einer Umverteilungsschicht (engl. Redistribution Layer, RDL) auf der Unterseite des Bodensubstrats 110 oder auf der Oberseite einer darunter liegenden weiteren Schicht, wie etwa einer Leiterplatte (PCB), oder des Piezoaktuators 105, ausbilden. Somit lassen sich insbesondere die Aufbaukomplexität der MEMS-Spiegelvorrichtung 400 und somit ihre Fertigungszeiten und Herstellungskosten entsprechend reduzieren. Gemäß einer Variante hierzu, können die Ausführungsformen der Figuren 3 und 5 auch in Kombination vorliegen, so dass ein vollflächig mit einer metallischen Schicht 140 beschichtetes erstes Glassubstrat 120 mit der Via-Iosen Variante der Bodenelektrode 180 kombiniert wird, wobei die Metallschicht 140 zugleich als Top-Elektrode dient.
Fig. 6 zeigt eine fünfte Ausführungsform 500 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die insbesondere auf der vierten Ausführungsform 400 aus Fig. 4 aufbaut. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform 400 insbesondere dadurch, dass die Bodenelektrode 180 entfällt und durch eine Gegenelektrode 205 zur Spiegelelektrode 140 ersetzt wird, die ebenfalls auf dem ersten Glassubstrat 120 angeordnet ist. Sie kann insbesondere in Ringform um den Spiegelteilbereich 130 herum verlaufend auf dem Rahmenteilbereich 125 vorgesehen sein. Insgesamt ergibt sich so ein lateraler Kondensator. Dies hat den Vorteil, dass die Gegenelektrode 205 als Teil derselben Schicht hergestellt werden kann wie die Spiegelschicht bzw. Spiegelelektrode 140. So lassen sich wiederum die Fertigungskomplexität und Fertigungsaufwände verringern.
Fig. 7 zeigt eine sechste Ausführungsform 600 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die insbesondere auf der ersten Ausführungsform 100 aus Fig. 1 aufbaut. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform 100 insbesondere dadurch, dass anstelle des kuppelförmigen zweiten Glassubstrats 145 ein planares Deckelsubstrat 215, welches über einen Spacer-Substrat 210 mittelbar mit dem ersten Glassubstrat 120 verbunden ist, vorgesehen ist. Planare Deckelsubstrate 215 sind in der Herstellung weniger komplex und somit kostengünstiger als dreidimensional, insbesondere kuppelförmig geformte Deckelsubstrate wie das zweite Glassubstrat 145. Solche planaren Konstruktionen eignen sich insbesondere für Anwendungen, bei denen sich die am Deckelsubstrat selbst reflektierten Strahlung von der durch den MEMS- Spiegel abgelenkten Strahlung durch eine anderweitige Konfiguration, beispielsweise durch eine oder mehrere Blenden oder durch räumlich veränderliche Brechzahlen im Substratmaterial, trennen lassen.
Fig. 8 zeigt eine siebte Ausführungsform 700 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die insbesondere auf der sechsten Ausführungsform 600 aus Fig. 7 aufbaut. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform 600 insbesondere dadurch, dass die Bodenelektrode 180 als eine elektrisch „schwebende“ (engl „floating“), d.h. als eine nicht kontaktierte und somit im Betrieb nicht auf ein extern aufgeprägtes elektrisches Potential gesetzte, Elektrode ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass sich die mit der Herstellung einer solchen Kontaktierung, insbesondere mit der Herstellung der Vias 185 und der darunterliegenden Kontaktpads 190 einsparen lässt, während eine Kapazitätsmessung, insbesondere eine zur Lagebestimmung relevante Messung von spiegellageabhängigen Kapazitätsänderungen, weiterhin möglich bleibt.
Fig. 9 zeigt eine achte Ausführungsform 800 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die als jeweilige Abwandlung jeder der anderen hier beschriebenen Ausführungsformen, insbesondere auch der siebten Ausführungsform 700 aus Fig. 8 umgesetzt werden kann. Sie unterscheidet sich vor allem dadurch, dass die, insbesondere hermetische, Einkapselung der MEMS-Spiegelvorrichtung nicht, jedenfalls nicht zwingend, schon durch den mehrschichtigen Stapelaufbau selbst, sondern mittels eines separaten Gehäuses (engl „second-level package“), beispielsweise vom bekannten TO oder CDIP Typ, erfolgt. Das Gehäuse weist insbesondere Seitenwände 220, die vorzugsweise aus einem Metall- oder Keramikwerkstoff gefertigt sind, sowie ein darüber liegendes, als Fenster für die einfallende und die am MEMS-Spiegel 140 abgelenkte Strahlung dienendes Glassubstrat 225 auf, welches insbesondere eine planare Form aufweisen kann.
Die Bodenelektrode 180 und optional auch, wie dargestellt, ein oder mehrere Restgasgetterelemente 195, können dabei innenseitig am Boden des Gehäuses (wie beispielsweise CDIP oder TO Packages), der insbesondere durch den Piezoaktuator 105 gebildet sein kann, vorgesehen sein. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass damit besonders einfach ein (insbesondere per (Through-Hole-Technologie, THT, oder per Surface-Mount-Technologie, SMT) lötfähiges Gehäuse einschließlich der MEMS-Spiegelvorrichtung selbst bereitgestellt werden kann, wodurch sich eine einfachere Montage in einer Systemumgebung, beispielsweise in einem aus mehreren Baugruppen aufgebauten Projektionssystem, ergibt.
Fig. 10 zeigt eine neunte Ausführungsform 900 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die insbesondere auf der dritten Ausführungsform 300 aus Fig. 4 aufbaut. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform 300 insbesondere dadurch, dass die Bodenelektrode 180 und die Restgasgetterelemente 195 zusammenfallen. Das bedeutet, dass die Bodenelektrode 180 zugleich die Eigenschaft aufweist, Restgasteilchen chemisch zu binden, um so die Qualität des Vakuums im Hohlraum 175 zu erhöhen bzw. zu sichern. Als geeignetes Material, das diese Doppelfunktion erfüllen kann, können insbesondere Titan oder ein anderer titanhaltiger Werkstoff zum Einsatz kommen. Aufgrund der Doppelfunktion der Bodenelektrode 180/195 gemäß dieser Ausführungsform lassen sich die Komplexität des Aufbaus der MEMS- Spiegelvorrichtung sowie der zu ihrer Herstellung erforderliche Fertigungsaufwand und somit die damit zusammenhängenden Fertigungskosten weiter senken.
Fig. 11 zeigt eine zehnte Ausführungsform 1000 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die auf einer beliebigen der anderen hier beschriebenen Ausführungsformen, insbesondere auf der ersten Ausführungsform 100 aus Fig. 1 aufbauen kann. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform 100 insbesondere dadurch, dass der Spiegelteilbereich 130 durch Verbindung (Bonden) mit zumindest einem weiteren Substrat 230, das hier als Verstärkungssubstrat bezeichnet werden soll, in seiner Stärke verdickt ist. Der Spiegelteilbereich weist somit insgesamt zumindest zwei Substrate, vorzugsweise Glassubstrate auf. Diese Substrate können insbesondere unterschiedliche Stärken aufweisen, was vor allem dazu genutzt werden kann, um je nach Bauart und Applikation daraus Federn (Verbindungsstege 135) und Spiegelteilbereiche in unterschiedlichen Stärken zu bauen. Insgesamt erlaubt es diese Ausführungsform 1000, die Anzahl der anregbaren Freiheitsgrade für die Schwingungsbewegung des Spiegelteilbereichs zu erhöhen, insbesondere durch lokale Änderungen der mechanischen Steifigkeit. Dies erlaubt es unter anderem auch, die Resonanzfrequenz des Feder-Spiegel-Systems optimal anzupassen sowie die dynamische Deformation des Spiegelteilbereichs 130 zu verringern. Dies wiederum kann sich positiv auf die Strahlqualität der abgelenkten elektromagnetischen Strahlung L2 auswirken.
Fig. 12 zeigt eine elfte Ausführungsform 1100 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die auf einer beliebigen der anderen hier beschriebenen Ausführungsformen, insbesondere auf der ersten Ausführungsform 100 aus Fig. 1 aufbaut. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform 100 insbesondere dadurch, dass sämtliche Glassubstrate aus einem, idealerweise aus demselben, Quarzglaswerkstoff hergestellt sind. Optional kann, wie dargestellt, zwischen dem kuppelförmigen zweiten Glassubstrat 145 und dem ersten Glassubstrat 120 ein weiteres Spacer/Abstandshalter-Substrat 235 vorgesehen sein, um das Volumen des oberen Hohlraumbereichs 175a zu erhöhen. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn hohe Laserleistungen verwendet werden, bei denen Silikatglas, insbesondere Borosilikatglas, nicht mehr nutzbar ist. Wegen der schlechteren thermischen Anpassung von Silizium oder anderen Halbleitermaterialien an Gläser besteht bei dieser Konstruktion der gesamte Substratstapel aus den Substraten 110, 115, 120, 235 und 145 aus Quarzglas.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform 1100 besteht somit insbesondere darin, dass diese MEMS-Spiegelvorrichtung sehr gut in Applikationen mit hoher Laserleistung, insbesondere der lasergestützten Materialbearbeitung, zum Einsatz kommen kann, da sie hochtemperaturstabil ist und ihr Substratmaterial insbesondere einen hohen Schmelzpunkt aufweist. Die Vergrößerung des Hohlraums 175, insbesondere des Hohlraumbereichs 175a oberhalb der Spiegelfläche 140, erhöht zudem die thermische Robustheit des Aufbaus. Des Weiteren unterliegen Quarzgläser einer besonders geringen Alterung gegenüber hoher Laserstrahlungsleistung.
Fig. 13 zeigt eine zwölfte Ausführungsform 1200 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die insbesondere auf der ersten Ausführungsform 100 aus Fig. 1 aufbaut. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform 100 insbesondere dadurch, dass die bodenseitige Rückseite des Spiegelteilbereichs 130 mit einer elektrisch gut leitenden (Leitfähigkeit >106 S/m) Schicht 240, insbesondere einer Metallschicht, beschichtet ist, die als Gegenelektrode (Top-Elektrode) zur Bodenelektrode 180 dient. Dabei kann diese rückseitige Elektrodenschicht 240 anstelle oder zusätzlich zur Spiegelfläche 140 als Gegenelektrode dienen. Idealerweise ist das Anschlusspad 165 entsprechend in derselben Schicht ausgebildet, wie die Rückseitenschicht 240, so dass es auf der Unterseite des ersten Glassubstrats 120 angeordnet ist. Der verringerte Abstand zwischen den beiden Elektroden 180 und 240 kann dazu genutzt werden, um die Detektionsempfindlichkeit der kapazitiven Lagebestimmungseinrichtung zu erhöhen.
Fig. 14 zeigt eine dreizehnte Ausführungsform 1300 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die insbesondere auf der fünften Ausführungsform 500 aus Fig. 6 aufbaut. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform 500 insbesondere dadurch, dass anstelle des lateralen Kondensators ein Piezoelement zur Lagebestimmung des Spiegelteilbereichs 130 vorgesehen ist. Das Piezoelement weist eine Schicht 250 aus einem piezoelektrischen Material auf, die im Sinne eines „Sandwichs“ von einer Bodenelektrode 245 und einer Topelektrode 255 eingefasst ist und mit diesen ein Piezoelement bildet, das auf dem Randteilbereich 125 des ersten Glassubstrats 120 im Bereich der Verbindungsstege 135 oder zu diesen benachbart angeordnet ist. Fig. 14 (b) zeigt im Detail eine mögliche Geometrie des Piezoelements 260 einschließlich der Bodenelektrode 245 und der Topelektrode 255 mit deren Zuleitungen und Anschlusspads auf dem ersten Glassubstrat 120.
Wenn beim Betrieb der MEMS-Spiegelvorrichtung 1300 der Spiegelteilbereich 130 ausgelenkt wird und somit seine Lage ändert, wird diese Bewegung über die Verbindungsstege 135 auf das bzw. die Piezoelemente 260 übertragen, wodurch es zu einer Deformation des Piezomaterials 250 und in der Folge aufgrund des bekannten Piezoeffekts zur Erzeugung einer messbaren elektrischen Spannung zwischen der Bodenelektrode 245 und der Topelektrode 255 kommt. Somit kann mittels Messung dieser Spannung die Lage des Spiegelteilbereichs 130 bestimmt werden. Auf diese Weise ist sogar eine besonders genaue Lagebestimmung möglich, insbesondere eine solche mit einer guten Signalqualität mit großem Signal-Rauschverhältnis (SNR).
Zudem kann das bzw. jedes Piezoelement 260 auch als Antriebseinrichtung eingesetzt werden, indem es durch Anlegen einer geeigneten Spannung unter Ausnutzung des inversen Piezoeffekts in eine Vibrationsbewegung versetzt wird, die sich aufgrund der mechanische Kopplung über die Verbindungsstege 135 auf den Spiegelteilbereich 130 überträgt und diesen in eine Schwingungsbewegung versetzt. Das bzw. die Piezoelemente 260 können somit im Sinne von „Dual-use“ mehrere Funktionalitäten in sich vereinen. Insbesondere kann in diesem Fall auf eine weitere Antriebseinrichtung, insbesondere den bodenseitigen Piezoaktuator 105 verzichtet werden. Letzterer kann insbesondere durch eine Leiterplatte 265 ersetzt sein oder ganz entfallen. Fig. 15 zeigt eine vierzehnte Ausführungsform 1400 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die insbesondere auf der fünften Ausführungsform 500 aus Fig. 6 aufbaut. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform 500 insbesondere dadurch, dass anstelle der kapazitiven eine magnetische Lagebestimmung für den Spiegelteilbereichs 130 vorgesehen ist. Dazu sind an dem Spiegelteilbereich 130, bevorzugt auf seiner bodenseitigen Rückseite, ein oder mehrere Permanentmagnete 270 und auf dem Rahmenteilbereich 125 eine Detektionsspule 275 mit Anschlusspads 280 zur Kontaktierung vorgesehen.
Zusätzlich oder alternativ kann das permanentmagnetische Material auch im Substrat des Spiegelteilbereichs 130 selbst eingebettet sein. Die Versenkung von magnetischem Material in Glastaschen kann beispielsweise über das Einbringen von sub-mm magnetischen Kugeln (z.B. aus seltenen Erdmagneten SmCo) ermöglicht werden, welche z.B. über einen „Atomic-Layer-Deposition“-Prozess in den Löchern fixiert werden.
Wenn der Spiegelteilbereich 130 ausgelenkt wird, insbesondere wenn er eine Schwingungsbewegung ausführt, entsteht in der Detektionsspule 280 aufgrund von Induktion eine elektrische Spannung, die gemessen werden kann, um eine zumindest relative Lagebestimmung für den Spiegelteilbereich 130 durchzuführen. Die Detektionsspule 280 kann alternativ im oder auf dem Bodensubstrat 110 oder auf einem externen Substrat angeordnet sein.
Durch Ausnutzung der magnetischen Wechselwirkung lassen sich besonders gute Signal-Rausch-Verhältnisse (SNR) für die Lagebestimmung erzielen. Zudem kann auch hier auf einen separaten Antrieb des Spiegelteilbereichs 130, insbesondere mittels des Piezoaktuators 105, verzichtet werden (Kosteneinsparung), indem durch temporäre Verwendung der Detektionsspule 280 als Erregerspule über die bekannte Lorenz-Kraft eine Kraftwirkung auf die Permanentmagnete 270 ausgeübt wird, wodurch wiederum eine Schwingungsbewegung des Spiegelteilbereichs 130 bewirkt werden kann. Der (hier dargestellte) Piezoaktuator 105 kann insbesondere wieder wie in Fig. 14 durch eine Leiterplatte 265 ersetzt sein oder ganz entfallen.
Neben der induktiven Detektion können auch Hall-, xMR, Fluxgate oder andere Magnetfeldsensoren verwendet werden, welche insbesondere auf dem ersten Glassubstrat 120, dem Bodensubstrat 110 oder einem externen Substrat angeordnet bzw. eingebracht werden können. Fig. 16 zeigt eine fünfzehnte Ausführungsform 1500 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die insbesondere auf der vierzehnten Ausführungsform 1400 aus Fig. 15 aufbaut. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform 1400 insbesondere dadurch, dass die hermetische Einkapselung, insbesondere mittels des zweiten Glassubstrats 145, entfällt. Entsprechend sind hier typischerweise auch keine Restgasgetterelemente 195 vorgesehen. Das erste Glassubstrat 120 ist über ein Spacersubstrat 115 auf einem Grundsubstrat befestigt, welches insbesondere wieder ein Piezoaktuator 105 oder aber auch eine Leiterplatte (PCB) oder ein anderes Trägersubstrat sein kann.
Der Antrieb des Spiegelteilbereichs 130 erfolgt hier magnetisch, wozu ein oder mehrere Permanentmagnete 270 an dem Spiegelteilbereich 130, bevorzugt - wie dargestellt - an seiner bodenseitigen Rückseite angeordnet sind. Diesen Permanentmagneten 270 gegenüberliegend sind ein oder mehrere Antriebs- und Detektionsspulen 285 angeordnet. Beim Betrieb der MEMS-Spiegelvorrichtung 1500 treten diese Antriebs- und Detektionsspulen 285 in magnetische Wechselwirkung mit den Permanentmagneten 270. Wird dabei diese magnetische Anordnung als Antriebseinrichtung für den Spiegelteilbereich 130 eingesetzt, so wird in den Antriebs- und Detektionsspulen 285 durch Beschickung mit einem geeignet definierten elektrischen Strom ein - typischerweise variables - Magnetfeld erzeugt, welches auf die Permanentmagnete 270 wirkt und über diese den Spiegelteilbereich 130 in eine gewünschte Schwingungsbewegung versetzt.
Wird dagegen, zu anderen Zeitpunkten, dieselbe Anordnung zur Detektion der jeweils aktuellen Lage des Spiegelteilbereichs 130 eingesetzt, so dienen die Antriebs- und Detektionsspulen 285 als Induktionsspulen, in denen aufgrund der magnetischen Wechselwirkung mit den aufgrund der Schwingungsbewegung des Spiegelteilbereichs 130 bewegten Permanentmagneten 270 eine elektrische Spannung induziert wird, welche zum Zwecke der Lagebestimmung gemessen werden kann. Alternativ können der entsprechende Induktionsstrom oder eine davon abhängige Größe gemessen werden.
Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere, aber nicht ausschließlich, für quasistatisch betriebene MEMS-Spiegelvorrichtungen. Sie ermöglicht insbesondere aufgrund des Wegfalls der Verkapselung auch alternative Projektionsprinzipien und somit zusätzliche Applikationen, wie etwa Laserschweißen, Laserschneiden und andere Arten von Laser-Mikroprozessierung (engl microprocessing). Fig. 17 zeigt eine sechzehnte Ausführungsform 1600 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die insbesondere auf der zwölften Ausführungsform 1200 aus Fig. 13 aufbaut. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform 1200 insbesondere dadurch, dass die kapazitive Lagebestimmung entfällt bzw. entfallen kann und stattdessen eine optische Lagebestimmungseinrichtung vorgesehen ist, zu der ein optischer Sender 290 (z. B. Laserdiode) und ein optischer Empfänger 295 (z.B. Fotodiode) gehören. Außerdem ist die rückseitige Metallbeschichtung 240 des Spiegelteilbereichs 130 ebenfalls als MEMS-Spiegel ausgebildet, so dass sie eine von dem Sender 290 ausgesandte Messstrahlung 300 im Sinne einer Abbildung reflektieren und dabei hin zum optischen Empfänger 295 ablenken kann. Die Schwingungsbewegung des Spiegelteilbereichs 130 moduliert somit die am optischen Empfänger empfangene reflektierte Messstrahlung 300, so dass das am Empfänger 295 gemessene Signal ein Maß für die aktuelle Lage des Spiegelteilbereichs 130 darstellt.
Damit die Messstrahlung den rückseitigen Spiegel 240 und nachfolgend den Empfänger 295 erreichen kann, ist das Bodensubstrat 110 als Glassubstrat ausgeführt. Soweit - wie dargestellt - bodenseitig auch eine Antriebseinrichtung, insbesondere ein Piezoaktuator 105, vorgesehen ist, so ist diese so angeordnet bzw. deren Form so gestaltet, dass der Strahlengang der Messstrahlung 300 durch die Antriebseinrichtung nicht oder nur vernachlässigbar beeinträchtigt wird. Zu den Vorteilen dieser Ausführungsform gehört insbesondere, dass keine elektrischen Substratdurchführungen (z.B. TGVs) erforderlich sind und die MEMS-Spiegelvorrichtung 1600 besonders robust ist und kostengünstig hergestellt werden kann. Zudem ist mittels des o.g. optischen Messverfahrens eine besonders hohe Genauigkeit bei der Lagebestimmung realisierbar.
Fig. 18 zeigt eine siebzehnte Ausführungsform 1700 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die insbesondere auf der dreizehnten Ausführungsform 1300 aus Fig. 14 aufbaut. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform 1300 insbesondere dadurch, dass das erste Glassubstrat 120 nicht nur einseitig, sondern beidseitig jeweils durch ein kuppelförmiges Glassubstrat 145 bzw. 305 abgekapselt wird. Zudem ist die Rückseite des Spiegelteilbereichs 130 wiederum ebenfalls als MEMS-Spiegel ausgebildet.
Die Kombination dieser Veränderungen erlaubt es, den Spiegelteilbereich 130 beidseitig als Ablenkungsspiegel für elektromagnetische Strahlung zu nutzen und so den ausleuchtbaren Scanbereich deutlich zu erweitern, insbesondere für eine oder mehrere Schwingungsachsen des Spiegelteilbereichs jeweils bis hin zu nahezu 360°, wobei im Wesentlichen nur die durch das erste Glassubstrat selbst abgedeckten Winkelbereiche den erreichbaren Scanbereichswinkel begrenzen. Des Weiteren erlaubt es der bodenseitige kuppelförmige Hohlraumteilbereich 175b, welcher durch das Glassubstrat 305 definiert wird, dass auf ein zusätzliches Spacer-Substrat 115 verzichtet werden kann. Der Antrieb des Spiegelteilbereichs 130 und die Bestimmung seiner aktuellen Lage können, ohne darauf beschränkt zu sein, insbesondere wieder mittels eines oder mehrerer Piezoelemente 260 erfolgen. Die Anschlüsse der Piezoelemente 260 sind in Fig. 18 aus Gründen der Vereinfachung der Zeichnung nicht explizit dargestellt.
Fig. 19 zeigt eine achtzehnte Ausführungsform 1800 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die insbesondere auf der siebzehnten Ausführungsform 1700 aus Fig. 18 aufbaut. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsformen 1700 insbesondere dadurch, dass eine magnetische Antriebseinrichtung für den Antrieb des Spiegelteilbereichs 130 vorgesehen ist. Zu der magnetischen Antriebseinrichtung gehören ein oder mehrere Permanentmagnete 270, die an dem Spiegelteilbereich, beispielsweise an seiner Rückseite, angeordnet sind. Außerdem gehört dazu eine außerhalb der Verkapselung angeordnete Antriebsspule 310, die so konfiguriert ist, das sie, wenn sie mit einem geeignet gewählten elektrischen Wechselstrom beschickt wird, ein Magnetfeld erzeugt, das auf den bzw. die Permanentmagnete 270 eine magnetische Kraft ausübt und dadurch den Spiegelteilbereich in eine Schwingungsbewegung versetzen kann.
Die Piezoelemente 260 können insbesondere wieder als Lagebestimmungseinrichtungen eingesetzt werden, wahlweise auch als zusätzliche Antriebseinrichtungen. Die Vorteile der doppelseitigen kuppelförmigen Verkapslung der Ausführungsform 1700 aus Fig. 18, bleiben hier auch erhalten. Der bzw. die Permanentmagnete 270 können auch wieder alternativ oder zusätzlich in den Spiegelteilbereich 130 des ersten Glassubstrats 120 integriert sein, wie vorausgehend im Zusammenhang mit der Ausführungsform 1400 aus Fig. 15 schon erläutert wurde. Die Anschlüsse der Piezoelemente 260 sind in Fig. 19 wieder aus Gründen der Vereinfachung der Zeichnung nicht explizit dargestellt.
Fig. 20 zeigt eine neunzehnte Ausführungsform 1900 einer erfindungsgemäßen MEMS- Spiegelvorrichtung, die insbesondere auf der siebzehnten Ausführungsform 1700 aus Fig. 18 aufbaut. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsformen 1700 insbesondere dadurch, dass ein kapselexterner Piezoaktuator 315 als Antriebseinrichtung für den Antrieb des Spiegelteilbereichs 130 vorgesehen ist, der an das erste Glassubstrat 120 gekoppelt ist, insbesondere unmittelbar. So können besonders gut hohe Kräfte auf das erste Glassubstrat 120 übertragen werden, was vor allem dazu genutzt werden kann, höhere Auslenkwinkel bzw. Schwingungsamplituden zu bewirken als dies bei einem schwächeren Antrieb oder einer schwächeren Kraftkopplung möglich wäre.
Die Piezoelemente 260 können hier wieder als Lagebestimmungseinrichtungen eingesetzt werden, wahlweise auch oder stattdessen als zusätzliche Antriebseinrichtungen. Die Vorteile der doppelseitigen kuppelförmigen Verkapslung der Ausführungsform 1700 aus Fig. 18, bleiben auch hier erhalten. Die Anschlüsse der Piezoelemente 260 sind in Fig. 20 wieder aus Gründen der Vereinfachung der Zeichnung nicht explizit dargestellt.
Fig. 21 zeigt verschiedene Ausführungsformen für Formen der Bodenelektrode 180:
(a) Vollflächig kreisförmig (einfache Prozessierung),
(b) Doppelsegmentierung Halbkreis (Differentielle Verschaltung, besseres SNR),
(c) Viertelsegmentierung Tortenform (Differentielle Verschaltung, besseres SNR),
(d) Doppelsegmentierung Ringform (Differentielle Verschaltung, besseres SNR),
(e) nicht segmentierte Ringform mit Loch (Optischer Durchlass für Spiegelteilbereichsrückseitennutzung mit Spiegelfläche 240) f) wie b) aber in rechteckiger Form (Abhängig von Kavitätsform und Spiegelgeometrie ermöglicht dies eine optimale Flächenbelegung).
Eine Segmentierung der Elektrode(n) erlaubt insbesondere eine differentielle Verschaltung zur Optimierung der Kapazitätsmessung.
Fig. 22 zeigtein Diagramm zur Veranschaulichung von wesentlichen Fertigungsschritten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform 2000 eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von MEMS-Spiegelvorrichtungen, insbesondere von MEMS- Spiegelvorrichtungen 100 gemäß Fig. 1. In jeweils entsprechend abgewandelter oder ergänzter Form können die Schritte oder Schrittfolgen dieses Verfahrens auch zur Herstellung weiterer, insbesondere der vorausgehend im einzelnen beschriebenen Ausführungsformen 200 bis 1900 verwendet werden.
Die nachfolgend im einzelnen beschriebenen Verfahrensschritte 2005 bis 2045 sowie 2060 stellen zum Zwecke der Übersichtlichkeit jeweils nur eine MEMS- Spiegelvorrichtung 100 bzw. deren Vorprodukte dar. Im Rahmen des Verfahrens 2000 findet jedoch tatsächlich (in Analogie zur Chipfertigung in der Halbleiterindustrie, bei der eine Vielzahl von Chips auf einem einzigen Wafer gleichzeitig prozessiert wird) bis einschließlich des Schritts 2050 ein simultanes Prozessieren mehrerer solcher MEMS- Spiegelvorrichtungen 100 bzw. von deren Zwischenprodukten auf Basis eines gemeinsamen Substrats bzw. Substratstapels statt (vgl. Schritt 2050, in dem mehrere solcher Zwischenprodukte nebeneinander auf Basis von gemeinsamen Substraten angeordnet sind).
Ein erster Verfahrensabschnitt mit den Schritten 2005 bis 2030 betrifft die Fertigung einer das erste Glassubstrat 120 tragenden Bodengruppe. Dieser erste Verfahrensabschnitt beginnt mit einem Schritt 2005, in dem ein scheibenförmiges Substrat 115, das je nach Bauform insbesondere aus einem Glaswerkstoff oder aus einem Halbleitermaterial, wie etwa Silizium, gefertigt sein kann und das insbesondere eine runde Waferform oder eine rechtwinklige Panelform aufweisen kann, bereitgestellt wird.
Sodann wird mittels eines Glasstrukturierungsprozesses 2010, der insbesondere ein laserbasiertes Ätzverfahren, wie etwa ein Laser Induced Deep Etching, (LIDE) - Ätzverfahren sein oder beinhalten kann, das Substrat 115 als Abstandssubstrat 115 strukturiert. Dabei wird in dem Substrat 115 je zu fertigender MEMS-Spiegelvorrichtung 100 eine Kavität ausgebildet, die später eine Seitenwand des jeweiligen Hohlraumbereichs 175b definiert. Das scheibenförmige Substrat 115 aus dem Schritt 2005 ist so groß gewählt, dass auf seiner Basis eine Mehrzahl von lateral benachbart angeordneten MEMS-Spiegelvorrichtungen 100 gefertigt werden können (vgl. Schritt 2050). Insbesondere kann das Substrat 115 eine Fläche von 100 cm2, bevorzugt von 1000 cm2 oder mehr, aufweisen.
In einem weiteren Schritt 2015 werden in einem weiteren Substrat 110, das später die jeweiligen Bodenplatten der MEMS-Spiegelvorrichtungen 100 bilden wird, elektrische Kontaktlöcher (Vias) 185 zur Kontaktierung der jeweiligen Bodenelektrode 180 der späteren MEMS-Spiegelvorrichtung 100 auf bekannte Weise ausgebildet, wozu in Abhängigkeit vom verwendeten Substratmaterial des Substrats 110 ein entsprechend geeigneter Strukturierungsprozess, wie etwa ein Trockenätzprozess (z.B. Reaktives lonenätzen, RIE) oder wieder auch etwa wieder ein LIDE-Verfahren gewählt werden können.
Nach dem Ausbilden der Vias 185 im Bodensubstrat 110 wird dieses mit dem aus Schritt 2010 resultierenden Abstands- bzw. Spacersubstrat 115 mittels eines geeigneten, in der Regel materialabhängigen, Substratverbindungsprozesses, beispielsweise eines Waferbondingprozesses, verbunden. Falls beide Substrate 110 und 115 jeweils Glassubstrate sind, kann hier insbesondere ein Glas-Frit-Bondingprozess zur Anwendung kommen. Sodann werden in einem weiteren Schritt 2025 innerhalb der durch das Abstandssubstrat 115 gebildeten Kavitäten und auf Bodensubstrat 110 je zu fertigender MEMS-Spiegelvorrichtung ein oder mehrere Bodenelektroden 180 ausgebildet, sodass diese mit jeweils zumindest einem zugeordneten Via 185 in elektrischem Kontakt stehen und auf diese Weise kontaktiert werden.
Schließlich werden in einem weiteren Schritt 2030 noch auf der der bzw. kurz den Bodenelektroden 180 gegenüberliegenden Seite des Bodensubstrats 110 Lötbälle (Lötbumps) an den Enden der Vias 185 ausgebildet, um eine spätere Kontaktierung, hier speziell mit einem Piezoaktuator 105, zu ermöglichen. Damit ist die, jedoch noch nicht vereinzelte, Bodengruppe als Zwischenprodukt vorgefertigt.
In einem zweiten Verfahrensabschnitt wird das erste Glassubstrat 120, welches insbesondere den MEMS-Spiegel 140 trägt, hergestellt. Zunächst wird dabei im Schritt 2035 ein geeignetes Glassubstrat 120 bereitgestellt, dessen Ausmaße insbesondere denen des Substrats 110 bzw. 115 entsprechen können. Als Glaswerkstoff kommen insbesondere ein Silikatglas, wie etwa ein Borosilikatglas, oder ein Quarzglas in Frage.
Auf dem Glassubstrat 120 wird an geeigneter Stelle je zu fertigender MEMS- Spiegelvorrichtung 100, beispielsweise auf Basis eines Lithographie- und Strukturierungsprozesses, selektiv eine Metallschicht abgeschieden, um zum einen eine Spiegelfläche 140 für den MEMS-Spiegel und zum anderen ein oder mehrere Anschlusspads 165 zur elektrischen Kontaktierung der Spiegelfläche 140 zu schaffen. Die elektrische Kontaktierung der Spiegelfläche 140 ermöglicht es, die Spiegelfläche 140 zugleich als Topelektrode für die kapazitiven Lagebestimmung des MEMS-Spiegels bzw. des Spiegelteilbereichs 130 des ersten Glassubstrats 120 zu verwenden. Als Teil dieses Metallisierungsprozesses kann auch die Spiegelfläche 140 bearbeitet werden, insbesondere poliert werden, um die gewünschten Spiegeleigenschaften hervorzubringen.
Sodann erfolgt eine Strukturierung des ersten Glassubstrats 120, die insbesondere wieder mittels eines oder mehrerer der vorgenannten Strukturierungsprozesse, insbesondere eines LIDE-Prozesses, erfolgen kann. Dabei werden in dem Glassubstrat 120 je zu fertigender MEMS-Spiegelvorrichtung 100 ein Rahmenteilbereich 125, ein Spiegelteilbereich 130, sowie ein oder mehrere zwischen diesen beiden Bereichen verlaufende Verbindungsstege 135 ausgebildet (vgl. Form des Glassubstrats 120 in Fig. 1 (b)), sodass sich insgesamt ein in zumindest zwei räumlichen Dimensionen schwingungsfähiger Spiegelteilbereich 130 als MEMS-Spiegel ausbildet. Ein typischer Durchmesser der Spiegelfläche 140 liegt, beispielsweise im Bereich von 5 bis 50 mm, wobei jedoch auch andere, insbesondere darüber liegende Ausdehnungen, etwa auch bei nicht kreisförmigen Spiegelformen, möglich sind.
In einem dritten Verfahrensabschnitt, der zusammenfassend als Schritt 2050 dargestellt ist, werden die im ersten Verfahrensabschnitt erzeugte Bodengruppe mit den Substraten 110 und 115, das im zweiten Verfahrensabschnitt erzeugte strukturierte erste Glassubstrat 120 sowie je zu fertigender MEMS-Spiegelvorrichtung 100 ein kuppelförmiges zweites Glassubstrat 145 stapelförmig, wie dargestellt, übereinander gesetzt und miteinander verbunden, sodass um jeden Spiegelteilbereich 130 herum ein hermetisch verkapselter Hohlraum 175 entsteht. Im Rahmen des dritten Verfahrensabschnitts 2050 kann dieser Hohlraum 175 insbesondere auch evakuiert werden, wozu dieser Verfahrensabschnitt insbesondere auch bei entsprechenden Vakuumbedingungen stattfinden kann. Als Ergebnis des dritten Verfahrensabschnitts 2050 resultiert eine Mehrzahl von miteinander im Rahmen des gleichen Stapelaufbaus verbundenen, nebeneinander angeordneten Zwischenprodukten, die im Wesentlichen bereits jeweils einer der zu fertigenden MEMS-Spiegelvorrichtungen 100 entsprechen.
In einem vierten Verfahrensabschnitt, der hier als Schritt 2055 dargestellt ist, erfolgt eine Vereinzelung dieser Zwischenprodukte in einzelne Baugruppen.
Schließlich wird in einem fünften Verfahrensabschnitt, der hier zusammenfassend als Schritt 2060 dargestellt ist, aus je einem der Zwischenprodukte eine entsprechende fertige MEMS Spiegelvorrichtung 100 gefertigt, wozu insbesondere bodenseitig noch ein Piezoaktuator 105 als Antriebsvorrichtung für den Spiegelteilbereich 130 mit entsprechenden elektrischen Anschlüssen hinzugefügt wird und die entsprechende elektrische Kontaktierung der Bodenelektrode(n) 180 sowie der zugleich als Spiegelfläche 140 dienenden Topelektrode erfolgt.
Während vorausgehend mehrere beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
BEZUGSZEICHENLISTE
100 erste Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
200 zweite Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
300 dritte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
400 vierte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
500 fünfte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
600 sechste Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
700 siebte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
800 achte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
900 neunte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
1000 zehnte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
1100 elfte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
1200 zwölfte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
1300 dreizehnte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
1400 vierzehnte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
1500 fünfzehnte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
1600 sechzehnte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
1700 siebzehnte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
1800 achtzehnte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
1900 neunzehnte Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung
2000 Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für MEMS-Spiegelvorrichtungen
105 Piezoaktuator
110 drittes Substrat, Bodenplatte
115 viertes Substrat, Spacerschicht
120 erstes (Glas-)substrat
125 Rahmenteilbereich
130 Spiegelteilbereich
135 Verbindungssteg
140 metallische Spiegelbeschichtung, Spiegelelektrode
145 zweites (Glas-)Substrat, kuppelförmig
150 Substratbondmaterial, z.B. Glass-Frit
155 weiteres Substratbondmaterial, z.B. Glass-Frit
160 Bonddraht
165 Anschlusspad auf erstem (Glas-)substrat 120 zum Anschluss der oberen Elektrode (Top-Elektrode) 140
170 Anschlusspad auf Piezoaktuator 105 zum Anschluss der oberen Elektrode 140 175a oberer Bereich des Hohlraums 175
175b unterer Bereich des Hohlraums 175
180 strukturierte, ggf. mehrteilige Bodenelektrode
185 Vias (Through-Glas Vias, TGVs) mit Lot-Bumps zur Kontaktierung des Piezoaktuators
190 Anschlusspads auf Piezoaktuator 105 zum Anschluss der Bodeneielektrode 180
195 Restgasgetterelemente
205 obere Elektrode auf Rahmenteilbereich
210 Spacer/Abstandshalter-Substrat
215 planares Deckelsubstrat
220 Seitenwände
225 planares Glassubstrat, Fenstersubstrat
230 Verstärkungssubstrat für Spiegelteilbereich
235 weiteres Spacer/Abstandshalter-Substrat
240 rückseitige Elektrodenschicht, bei einigen Ausführungsformen Rückseitenspiegel
245 Bodenelektrode für Piezomaterial 250
250 Piezomaterialschicht
255 Topelektrode für Piezomaterial 250
260 Piezoelement mit Piezomaterial 250, Bodenelektrode 245 und Topelektrode 255
265 Leiterplatte
270 Permanentmagnete
275 Detektionsspule
280 Anschlusspad für Detektionsspule
285 Detektions- und Antriebsspulen
290 optischer Sender
295 optischer Empfänger
300 Messstrahlung
305 kuppelförmiges (Boden-)glassubstrat
310 externe Antriebsspule
315 kapselexterner Piezoaktuator
320 Lötbumps
L1 einfallendes Lichtstrahlenbündel
L2 an Kuppel des zweiten Glassubstrats reflektiertes Lichtstrahlenbündel L3 am Spiegel reflektiertes Lichtstrahlenbündel

Claims

ANSPRÜCHE
1. MEMS-Spiegelvorrichtung (100) zur variablen Ablenkung eines einfallenden elektromagnetischen Strahls (L1), wobei die MEMS-Spiegelvorrichtung (100) ein scheibenförmiges und in mehrere Teilbereiche strukturiertes erstes Glassubstrat (120) mit einem zumindest anteilig als MEMS-Spiegel zur Reflektion elektromagnetischer Strahlung ausgebildeten Spiegelteilbereich (130) und einem den Spiegelteilbereich (130) zumindest abschnittsweise umgebenden Rahmenteilbereich (125) aufweist; wobei der Spiegelteilbereich (130) als ein gegenüber dem Rahmenteilbereich (125) mittels zumindest eines den Spiegelteilbereich (130) und den
Rahmenteilbereich (125) verbindenden Verbindungselements (135) in mehreren Dimensionen schwingungsfähig aufgehängter Teilbereich des ersten Glassubstrats (120) ausgebildet ist.
2. MEMS-Spiegelvorrichtung (100) nach Anspruch 1, des Weiteren aufweisend: ein zweites Glassubstrat (145), das mit dem ersten Glassubstrat (120) unmittelbar oder mittelbar so verbunden ist, dass es zusammen damit einen den Spiegelteilbereich (130) auf zumindest einer Seite des ersten Glassubstrats (120) umgebenden Hohlraum (175) ausbildet, in den hinein eintauchend der Spiegelteilbereich (130) eine Schwingungsbewegung ausführen kann. 3. MEMS-Spiegelvorrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei das zweite
Glassubstrat (145) zumindest abschnittsweise eine Kuppelform aufweist.
4. MEMS-Spiegelvorrichtung (100) nach Anspruch 2 oder 3, des Weiteren aufweisend: ein drittes Substrat (110; 305 ), das mit dem ersten Glassubstrat (120) auf dessen dem zweiten Glassubstrat (145) gegenüberliegenden Seite unmittelbar oder mittelbar so verbunden ist, dass es zusammen mit dem zweiten Glassubstrat (145) den Hohlraum (175) so ausbildet, dass er den Spiegelteilbereich (130) beidseitig so umgibt, dass der Spiegelteilbereich (130) in dem Hohlraum (175) die Schwingungsbewegung ausführen kann. 5. MEMS-Spiegelvorrichtung (100) nach Anspruch bis 4, wobei der Hohlraum (175) als gasdichter Hohlraum (175) ausgebildet ist, in dem ein gegenüber Normalbedingungen geringerer Gasdruck herrscht.
6. MEMS-Spiegelvorrichtung (200) nach Anspruch 5, des Weiteren aufweisend: ein Restgasgetterelement (195), enthaltend ein chemisch reaktives Material, das in dem Hohlraum (175) angeordnet und dazu konfiguriert ist, etwaige in dem Hohlraum (175) vorhandene Gasteilchen chemisch an das Restgasgetterelement (195) zu binden.
7. MEMS-Spiegelvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, des
Weiteren aufweisend ein oder mehrere vierte Substrate (115), die insgesamt eine Spacer-Schicht bilden, über die die jeweilige mittelbare Verbindung des zweiten Glassubstrats (145) oder des dritten Substrats (110) zum ersten Glassubstrat (120) erfolgt.
8. MEMS-Spiegelvorrichtung (1700) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Spiegelteilbereich (130) als beidseitiger MEMS-Spiegel (140, 240) ausgebildet ist.
9. MEMS-Spiegelvorrichtung (1700) nach Anspruch 8 und einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das dritte Substrat (305) zumindest abschnittsweise eine Kuppelform aufweist.
10. MEMS-Spiegelvorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das erste Glassubstrat oder gegebenenfalls eines der weiteren Glassubstrate aus einem silikat-basierten Glaswerkstoff, einem Quarzglas, oder aus einem Glaswerkstoff, der zwei oder mehr solcher Glaswerkstoffe enthält, gefertigt ist.
11. MEMS-Spiegelvorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend eine Lagebestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer aktuellen Auslenkungslage des Spiegelteilbereichs (130). 12. MEMS-Spiegelvorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei die
Lagebestimmungseinrichtung konfiguriert ist, zumindest eine der folgenden Messprinzipien zur Lagebestimmung des Spiegelteilbereichs (130) nutzen:
- magnetische Induktion aufgrund einer magnetischen Wechselwirkung zwischen einem Permanentmagnet (270) und einem Magnetfeldsensor (275), wobei der Permanentmagnet (270) an oder in dem Spiegelteilbereich
(130) angeordnet ist, und der Magnetfeldsensor (275) separat von dem Spiegelteilbereich (130) angeordnet ist, oder umgekehrt; - Erzeugung einer elektrischen Messspannung an einem mit dem Spiegelteilbereich (130) oder seiner Aufhängung (135) mechanisch gekoppelten Piezoelement (260);
- optische Lagebestimmung mittels eines optischen Senders (290), der elektromagnetische Strahlung auf den Spiegelteilbereich (130) sendet, und eines optischen Empfängers (295), der die dabei vom Spiegelteilbereich (130) reflektierte Strahlung misst;
- elektrische Kapazitätsmessung zwischen zwei Elektroden (140, 180), die so an der MEMS-Spiegelvorrichtung angeordnet sind, dass die zwischen den beiden Elektroden (140, 180) messbare elektrische Kapazität von der aktuellen Auslenkungslage des Spiegelteilbereichs (130) abhängt
- Verwendung zumindest eines Dehnungsmessstreifens zur Messung eines Zustands zumindest eines Verbindungselements (135).
13. MEMS-Spiegelvorrichtung (100) nach Anspruch 12, wobei im Falle der elektrischen Kapazitätsmessung eine der Elektroden auf eine der folgenden
Arten ausgebildet ist:
- als eine metallische Schicht (140) auf oder in dem Spiegelteilbereich (130), die zumindest abschnittsweise zugleich den MEMS-Spiegel zur Reflektion elektromagnetischer Strahlung (L1) bildet; - als eine metallische Schicht (240) auf oder in dem Spiegelteilbereich, die separat von der den MEMS-Spiegel bildenden Spiegelfläche ausgebildet ist;
- als eine metallische Schicht (205) auf oder in dem Rahmenteilbereich (125) des ersten Glassubstrats;
- als zumindest ein auf einer Seite des dritten Substrats (110) ausgebildetes Elektrodenelement (180);
- als eine in mehrere separate Elektrodenelemente strukturierte Elektrode (180), wobei zumindest zwei der einzelnen Elektrodenelemente differenziell miteinander verschaltet sind.
14. MEMS-Spiegelvorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Glaswerkstoffe von zumindest zwei miteinander verbundenen der Glassubstrate (120; 145) einen gleichen oder einen sich um nicht mehr als 104 K 1 unterscheidenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
15. MEMS-Spiegelvorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend Antriebseinrichtung (105; 260; 310; 315), die eingerichtet ist, den Spiegelteilbereich (130) in eine mehrdimensionale Schwingungsbewegung gegenüber dem Rahmenteilbereich (125) zu versetzen.
16. MEMS-Spiegelvorrichtung (100) nach Anspruch 15, wobei der Spiegelteilbereich (130) so gegenüber dem Rahmenbereich (125) schwingungsfähig aufgehängt ist, dass er bei entsprechender Anregung mittels der Antriebseinrichtung (105; 260; 315) die mehrdimensionale Schwingungsbewegung in Form einer Lissajous-Schwingungsbewegung ausführt.
17. MEMS-Spiegelvorrichtung (100; 1300; 1900) nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Antriebsvorrichtung einen Piezoaktuator (260; 315) aufweist, der mittelbar über zumindest eines der anderen ein oder mehreren Glassubstrate mechanisch an das erste Glassubstrat (120) gekoppelt ist.
18. MEMS-Spiegelvorrichtung (100; 1900) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei: der Spiegelteilbereich (130) eine metallische Schicht (140; 240) aufweist, die zumindest abschnittsweise als Spiegelfläche zur Ablenkung des elektromagnetischen Strahls ausgebildet ist; und die metallische Schicht (140; 240) einen oder mehrere der folgenden metallischen Werkstoffe enthält: Aluminium, Gold, Silber.
19. MEMS-Spiegelvorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 18, wobei zumindest eine Seite des zweiten Glassubstrats (120) vollflächig metallisch beschichtet ist.
20. MEMS-Spiegelvorrichtung (800) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend ein separates Gehäuse (220; 225) zur Einhäusung der verbundenen Substrate (120; 115) der MEMS-Spiegelvorrichtung aufweist.
21. MEMS-Spiegelvorrichtung (1000) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Spiegelteilbereich (130) oder der Rahmenteilbereich (125) durch Verbindung mit zumindest einem weiteren Substrat (230) in ihrer Stärke verdickt sind.
22. Verfahren (2000) zur Herstellung einer MEMS-Spiegelvorrichtung (100), wobei das Verfahren aufweist:
Simultanes Ausbilden (2005 bis 2050) einer Mehrzahl gleichartiger MEMS- Spiegelvorrichtungen (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche unter Verwendung zumindest eines allen diesen MEMS-Spiegelvorrichtungen (110) gemeinsamen scheibenförmigen Glassubstrats (120); und
Vereinzeln (2055) der MEMS-Spiegelvorrichtungen nach deren simultanen
Ausbildung. 23. Verfahren (2000) nach Anspruch 22, wobei als gemeinsames scheibenförmiges
Glassubstrat (120) ein Glassubstrat eingesetzt wird, das vor der Vereinzelung eine rechtwinklige Scheibenform aufweist.
24. Verfahren (2000) nach Anspruch 22 oder 23, wobei das jeweilige erste Glassubstrat (120) der einzelnen MEMS-Spiegelvorrichtungen (100) aus dem gemeinsamen Glassubstrat durch dessen Strukturierung mittels zumindest eines
Glasstrukturierungsprozesses hervorgeht.
25. Verfahren (2000) nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei eine Strukturierung des gemeinsamen Glassubstrats (120) oder zumindest eines anderen der in den MEMS-Spiegelvorrichtungen jeweils vorhandenen Substrate (110, 115, 145) unter Verwendung eines laserbasierten Ätzverfahrens erfolgt.
26. Verfahren (2000) nach Anspruch 25, wobei die Strukturierung des gemeinsamen Glassubstrats (120) oder zumindest eines anderen der in den MEMS- Spiegelvorrichtungen (100) jeweils vorhandenen Substrate (110, 115, 145) unter Verwendung eines laserinduzierten chemischen Ätzverfahrens erfolgt.
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