| A novel micro actuator for one and two dimensional deflection of light |
Schlüsselwörter:
Micromechanics, actuator, scanner, micromirror
Mikromechanik, Aktorik, Scannerspiegel, Mikrospiegel
Sachgruppe der DNBAbstract
In dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines neuartigen Mikroaktors zur ein- und zweidimensionalen Ablenkung von Licht beschrieben, der die Defizite vergleichbarer mikromechanischer Bauelemente behebt. Der elektrostatische Antrieb beruht auf einer speziellen Elektrodenkonfiguration, die es erlaubt, den Elektrodenabstand sehr klein zu gestalten, ohne den Auslenkwinkel der Spiegelplatte geometrisch einzuschränken. Der Aktor zur 2D-Ablenkung beruht auf einer kardanischen Aufhängung der Spiegelplatte, wobei eine voneinander unabhängige Anregung von beweglichem Rahmen und Spiegel ermöglicht wird.Im Rahmen der Modellbildung werden die mechanischen und elektrostatischen Eigenschaften des Aktors anhand von analytischen und numerischen Rechnungen untersucht. Zur Fertigung der Aktoren wurde ein CMOS-kompatibler Prozeß entwickelt, der es erlaubt die mechanischen Strukturen in einer einkristallinen Silizium-schicht definierter Dicke zu generieren. Mit Hilfe des anisotropen ASE-Prozesses werden dazu in den bis zu 30 um dicken Siliziumfilm 4 bzw. 5 um breite Gräben mit nahezu senkrechten Seitenwänden geätzt. Beim 2D-Aktor erfolgt die Isolation benachbarter Gebiete innerhalb des beweglichen Rahmens durch oxidierte und mit Polysilizium aufgefüllte 1 um breite Gräben. Für experimentelle Untersuchungen an 1D-Aktoren wurden 36 Varianten entworfen und gefertigt, deren Eigenfrequenzen den Bereich von 0.14 bis 32 kHz abdecken. Die Abmessungen der Spiegelplatten reichen von 0.5 x 0.5 mm2 bis 3.0 x 3.0 mm2. Bei Anregung mit vorgegebener Frequenz wird die Antwortkurve durchfahren, die eine Hysterese zeigt. Die Oszillationsfrequenz, bei der die größte Amplitude erreicht wird, stellt die niedrigste Frequenz mit signifikanter Schwingungsamplitude dar. Durch die Synchronisation der Anregung mit der Schwingung kann der Aktor stabil bei maximaler Torsions-amplitude betrieben werden. Diese hängt für große Winkel linear von der Antriebsspannung ab. Die Steigung der Kennlinie stimmt sowohl für Resonatoren hoher Güte als auch für Resonatoren mit großer Spiegelplatte sehr gut mit der analytisch berechneten Steigung überein, wenn die Kapazitätsänderung den Ergebnissen einer FEM-Simulation angepaßt wird. Die Abweichungen bei niedriger Güte bzw. kleinem Spiegel werden auf die anharmonische Anregung zurückgeführt. Die Torsionswinkel sind mit bis zu ±15°, entsprechend einem Scanbereich von 60°, bei einer Antriebsspannung von 20 V sehr groß, was die Effizienz des Antriebsprinzips nachweist. Die Funktion des 2D-Aktors wird anhand von drei Varianten nachgewiesen. Die Untersuchungen ergeben keinen Hinweis auf eine Kopplung der beiden Oszillationen über das umgebende Gas. Es wird außerdem keine Beeinflussung der Rahmenschwingung durch die Spiegelschwingung über die mechanischen Strukturen beobachtet. Dagegen ist umgekehrt eine geringfügige Beeinflussung der Spiegelschwingung durch die Rahmenbewegung festzustellen. Zur Demonstration der Funktionalität des 2D-Aktors wurden Lissajous-Figuren mit einem Frequenzverhältnis zwischen 1 : 1 und 13 : 1 dargestellt. Untersuchungen zur mechanischen Belastbarkeit zeigen, daß die Schockfestigkeit der Aktoren Werte von deutlich über 1000 g beträgt. Die Eigenschaften der Aktoren ändern sich auch bei Dauerbetrieb (> 10^9 Perioden) und Torsionsamplituden bis zu 15° nicht.
Aufgrund seiner Eigenschaften eignet sich der entwickelte Aktor dazu konventionelle Scannerspiegel in zahlreichen Applikationen zu ersetzen. Insbesondere steht im Vergleich zu diesen mit dem Mikroaktor ein Bauelement mit größeren Scanfrequenzen und einer geringeren Leistungsaufnahme zur Verfügung.
A novel electrostatically driven silicon Micro Scanning Mirror for one and two dimensional deflection of light is presented. A special configuration of the driving electrodes allows the use of small electrode gaps without restricting the deflection of the plate geometrically. Two dimensional deflection is obtained by a gimbal mounting of the mirror plate. The modelling of the actuator is done by analytical and numerical calculations. For the fabrication of the actuators a CMOS compatible process has been developed. The mechanical elements are patterned in a 30 um thick layer of single crystal silicon. Using the ASE process 4 - 5 um wide trenches are etched into this layer with almost perpendicular sidewalls. In the case of the 2D-Scanner filled isolation trenches are used which allow to excite the two oscillations independently.
36 1D-variants have been designed and characterized. The scanning frequencies cover the range from 0.14 kHz up to 32 kHz. The mirror plates are quadratic with a side length between 0.5 mm and 3.0 mm. Synchronizing the driving voltage with the mechanical oscillation it is possible to achieve a stable oscillation. For large deflection angles a linear dependence of the deflection angle on the driving voltage has been observed. A mechanical deflection angle of up to +/-15° is achieved at a driving voltage of 20 V only, proving the high effectiveness of the driving principle. The performance of the 2D-scanner is demonstrated by three variants. Various Lissajous patterns with a frequency ratio between 1:1 and 13:1 have been generated.
Investigations regarding the mechanical performance of the actuators have been carried out. The actuators have a shock resistance of more than 1000 g. Long run tests at a deflection angle of +/-15° mechanical with a duration of more than 10^9 have been performed. The characteristics of the devices did not change.
Because of its performance the novel actuator is suitable to replace conventional scanners in a large variety of applications.
| Betreuer | Zimmer, Günter, Prof. Dr. |
| Gutachter | Zimmer, Günter, Prof. Dr. |
| Gutachter | Kück, Heinz, Prof. Dr. |
| Upload: | 2000-12-21 |
| URL of Theses: | http://www.ub.uni-duisburg.de/diss/diss0101/schenk.pdf |