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Ein resonanter Mikroaktuator zur optischen Weglängenmodulation

Drabe, Christian

Ein monolithischer mikromechanischer Aktuator zur optischen Weglängenmodulation ist entworfen und mit Technologie der Volumen-Mikromechanik aus einkristallinem Silizium (BSOI) gefertigt worden. Eine 1,5 mm x 1,1 mm große verspiegelte Platte schwingt resonant parallel zur Flächennormalen. Unter einem Druck von 10 Pa bis 4000 Pa werden mit elektrostatischen Antriebspannungen zwischen 20 V und 140 V Amplituden von bis zu ± 100 µm erreicht. Die nichtlinearen Bauelemente haben Eigenfrequenzen zwischen 5 kHz und 10 kHz und zeigen eine maximale Güte von 25000. Die dynamische Deformation der Spiegelplatte bleibt unter 1 µm im Betrieb. Ein elektrostatischer Frequenzabgleich ergibt bei einer verwendeten Spannung von bis zu 225 V eine Frequenzverschiebung von ca. 10 Hz bei maximaler Amplitude. Dauertests mit über 1,5 x 10^9 Schwingungen haben die Stabilität der Bauelemente nachgewiesen. Während der Fertigung wurde der Effekt einer Feldverzerrung in einer Plasmaätzung nachgewiesen der zu einer Abweichung der geätzten Geometrie führt. Zur Berechnung der Güte wird ein aus der Literatur zitiertes molekulares Modell sowie eine Korrektur desselben vorgestellt. Mit dem Bauelement wurde zudem ein neuartiges Prinzip zur Erfassung von senkrecht zur Substratebene auftretenden Beschleunigungen untersucht. Die Schwerpunkte der Arbeit beziehen sich auf die Entwicklung des Fertigungsprozesses sowie auf die Charakterisierung der Bauelemente.

A monolithic micro mechanical actuator for optical path length modulation is presented. It is fabricated in bulk micro machining by means of single crystal BSOI material. A micro mirror of 1.5 mm x 1.1 mm size oscillates resonantly perpendicular to the device plane. At pressures between 10 Pa and 4000 Pa amplitudes up to ± 100 µm were achieved using electrostatic drive voltages between 20 V and 140 V. The nonlinear devices have resonance frequencies between 5 kHz and 10 kHz and show quality factors of up to 25000. The dynamic mirror deformation is below 1 µm in motion. An electrostatic frequency tuning at voltages of up to 225 V yields resonance frequency shifts in the range of 10 Hz. Long term test with more than 1.5 x 10^9 oscillations have proven the stability of the device. During fabrication the effects of a field distortion in plasma etch showed a deviation of the etched geometry. A model for quality factor calculation cited from literature is presented comprising a correction proposal. In addition a new method for measuring acceleration orthogonally applied to the substrate is presented. The main focus of the thesis lies on the development of the fabrication process and the device characterization.

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Drabe, Christian: Ein resonanter Mikroaktuator zur optischen Weglängenmodulation. 2006.

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