Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung piezoelektrischer Mikrospiegel E-Book

Shanshan Gu-Stoppel

• Herausgeber: Books on Demand
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 187

Veröffentlichungsjahr: 2016

Beschreibung

IIm Mittelpunkt der Arbeit stand die Entwicklung piezoelektrisch angetriebener Mikrospiegel. Dabei handelt es sich um miniaturisierte, optische Bauteile zur Ablenkung von Laserstrahlen, mit denen sich z. B. Bildprojektionen realisieren lassen. Die Arbeit umfasst die Design- und Technologieentwicklung derartiger Mikrospiegel, sowie die Entwicklung von Sensoren zur Spiegelpositionserfassung. Zudem bildet die eingehende Charakterisierung einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit. Insgesamt wurden 30 verschiedene 1D-Spiegel, elf verschiedene 2D-Spiegel sowie drei unterschiedliche Sensor-Typen entworfen, hergestellt und untersucht. Für die resonanten 1D-Spiegel stellen die erreichbaren Scanwinkel und Resonanzfrequenzen die charakteristischen Größen dar. Die hier hervorgegangenen 1D-Spiegel erreichen sehr große Scanwinkel von 106° und hohe Resonanzfrequenzen von 69 kHz. Bei den 2D-Spiegeln sind die Kombinationen verschiedener Spiegelbewegungsmoden für die Realisierung unterschiedlicher Laserstrahl-Trajektorien von großer Bedeutung. Dabei wurden zwei Designkonzepte für die 2D-Spiegel realisieret: Die sogenannten Quadpod-Designs und die kardanisch aufgehängten Spiegel. Die Quadpod-Spiegel realisieren zwei senkrechte Torsionsmoden, die nahestehende Eigenfrequenzen aufweisen. Somit lassen sich kreisförmige und rechteckige Ausleuchtungen durch die resultierenden Lissajous-Figuren erzeugen. Zusätzlich sind derartige Spiegel auch für Translationsbewegungen geeignet. An einem Spiegeltyp mit 7 mm Spiegeldurchmesser wurden translatorische Amplituden von bis zu 1600 m nachgewiesen, welche zu den höchsten vertikalen Amplituden von Spiegeln gehören. Die kardanisch aufgehängten 2D-Spiegel erlauben quasi-statisch und resonant angetriebene Torsionsbewegungen und somit die Realisierung eines kompletten, integrierten Rasterscanners. Die resonanten 1D- und 2D-Spiegel erfordern die Regelung zum Adressieren projizierter Punkte. Dafür wurden unterschiedliche Messprinzipien untersucht. Die kapazitiven und piezoelektrischen PZT-Sensoren zeigen die besten Signalqualitäten für die Positionserfassung dynamischer Bewegungen und können Messauflösung von mehr als 12 Bit erreichen. Statische Positionen des Spiegels lassen sich dagegen gut mit metallischen DMS erfassen. Auch wenn noch viele Herausforderungen und Aufgaben zu bewältigen sind, veranschaulichen die Ergebnisse der Arbeit das Potential piezoelektrischer Spiegel, in der nahen Zukunft in kommerziellen Produkten Eingang zu finden.

Leseprobe

1. Gutachter:

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Benecke

2. Gutachter:

Prof. Dr.-Ing. Walter Lang

Tag der mündlichen Prüfung:

26.01.2016

Inhaltsverzeichnis

Danksagung

Veröffentlichungsliste

Kurzfassung

Abkürzungen und Symbole

1 Einleitung

1.1 Anwendungsbeispiele

1.1.1 Torsionsmode: Konfokales Laser-Scanning-Mikroskop

1.1.2 Translatorische Mode: Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer

1.2 Gliederung

2 Stand der Technik

2.1 PZT-Grundlagen und Bauelemente

2.1.1 Piezoelektrische Eigenschaft

2.1.2 Ferroelektrische Eigenschaft

2.1.3 PZT-Bauelemente

2.2 Überblick über Mikrospiegel

2.2.1 Elektrostatische Mikrospiegel

2.2.2 Magnetische Mikrospiegel

2.2.3 Thermische Mikrospiegel

2.2.4 Piezoelektrische Mikrospiegel

2.2.5 Vergleich der verschiedenen Antriebskonzepte

3 Designentwicklung

3.1 1D-Spiegel

3.1.1 Resonante Mikrospiegel mit einfachen Torsionsfedern

3.1.2 Resonante Mikrospiegel mit doppelten Torsionsfedern

3.2 2D-Spiegel

3.2.1 Resonante 2D-Mikrospiegel mit vier PZT-Aktuatoren

3.2.2 Kardanisch aufgehängte 2D-Mikrospiegel

4 Funktionsprinzipien der Positionsdetektion

4.1 Optische Positionserfassung

4.2 Piezoresistiver Effekt

4.2.1 Halbleitende piezoresistive Sensoren

4.2.2 Metallische Dehnungsmessstreifen

4.3 Kapazitive Positionserfassung

4.3.1 Kammelektrode

4.3.2 Plattenelektrode

4.4 Direkter piezoelektrischer Effekt

4.5 Zusammenfassung

5 Herstellung

5.1 Überblick über PZT-Abscheidungstechnologien

5.2 Herstellungsprozess der PZT-Mikrospiegel

5.2.1 Mikrospiegel mit einer einheitlichen poly-Si-Schichtdicke

5.2.2 Mikrospiegel mit verschiedenen poly-Si-Schichtdicken

6 Charakterisierung

6.1 Messaufbau

6.2 1D-Mikrospiegel

6.2.1 Mikrospiegel mit einfachen Torsionsfedern

6.2.2 Mikrospiegel mit doppelten Torsionsfedern

6.3 2D-Mikrospiegel

6.3.1 2D-Mikrospiegel mit Quadpod-Designs

6.3.2 Kardanisch aufgehängte Mikrospiegel

6.4 Implementierte Sensorelemente

6.4.1 Kapazitive Messung

6.4.2 Metallische Dehnungsmessstreifen

6.4.3 Direkter piezoelektrischer Effekt

6.4.4 Gegenüberstellung

7 Abschlussbetrachtung

7.1 Zusammenfassung

7.1.1 1D-Mikrospiegel

7.1.2 2D-Mikrospiegel

7.1.3 Positionssensorelemente

7.2 Ausblick

Danksagung

Diese Arbeit wurde am Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) in den Jahren 2011 bis 2015 angefertigt. Für das hochinteressante Thema sowie meinen Arbeitsplatz möchte ich mich zuerst bei Herrn Professor Dr. Wolfgang Benecke, dem ersten Gutachter dieser Arbeit, herzlich bedanken. Diese Arbeit wurde von ihm stets aufmerksam begleitet und durch zahlreiche fachliche Diskussionen und seine Anregungen unterstützt.

Mein besonderer Dank gilt auch Herrn Professor Dr. Walter Lang, dem zweiten Gutachter dieser Arbeit. Genauso wie Herr Benecke hat Herr Lang während meines Diplomstudiums durch seine spannenden Vorlesungen mein Interesse an der Mikrosystemtechnik geweckt. Die Erfahrungen aus meiner Studienzeit inspirieren und motivieren mich bis heute.

Ich danke Herrn Benecke und Herrn Lang auch für die Übernahme der Verantwortung, die Arbeit zu begutachten.

Für die immer geduldige, hilfsbereite und sachkundige Betreuung bin ich Herrn Hans-Joachim Quenzer äußerst dankbar. Während der gesamten Arbeit konnte ich mir stets seiner fachlichen Unterstützung sicher sein, gleichzeitig gab er mir aber auch umfassende Freiheiten bei der Ausgestaltung und Umsetzung meiner Ideen. Diese hervorragende Betreuung hat sich sehr positiv auf meine Entwicklung ausgewirkt und stark zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen.

Auch meinen Kollegen am Fraunhofer ISIT möchte ich meinen speziellen Dank für die Hilfe und Zuarbeit aussprechen. Besonders hervorheben möchte ich dabei das Reinraum-Team, ohne dessen tatkräftige Unterstützung die Ergebnisse dieser Arbeit nicht möglich gewesen wären.

Zuletzt möchte ich mich ganz besonders bei meinem allerbesten Ehemann Fabian Stoppel bedanken. Als mein bester Freund und gleichzeitig bester Kollege hat er mir viele hilfreiche Ratschläge für die Arbeit gegeben und mich zu jeder Zeit geduldig seelisch unterstützt. Ich hoffe, dass auch ich ihm diese Unterstützung bieten kann und wünsche ihm viel Erfolg für seine Dissertation.

Veröffentlichungsliste

Im Rahmen dieser Arbeit sind viele Veröffentlichungen und Patente entstanden, die im Folgenden aufgelistet sind.

Bereits erschienene Veröffentlichungen:

S. Gu-Stoppel, D. Kaden, H. J. Quenzer, U. Hofmann, and W. Benecke, “High Speed Piezoelectric Microscanners with Large Deflection using Mechanical Leverage Amplification,”

Procedia Eng.

, vol. 47, pp. 56–59, 2012.

S. Gu-Stoppel, J. Janes, H. J. Quenzer, U. Hofmann, and W. Benecke, “Hocheffizienter piezoelektrischer Mikrospiegel mit hohen Frequenzen und Amplituden,”

Mikrosystemtechnik 2013

, 2013.

S. Gu-Stoppel, J. Janes, D. Kaden, H. J. Quenzer, U. Hofmann, and W. Benecke, “Piezoelectric resonant micromirror with high frequency and large deflection applying mechanical leverage amplification,”

SPIE Micromachining and Microfabrication Process Technology XVIII

, vol. 8612, pp. 86120I–86120I–8, 2013.

S. Gu-Stoppel, J. Janes, H. J. Quenzer, U. Hofmann, D. Kaden, B. Wagner, and W. Benecke, “Design, fabrication and characterization of low-voltage piezoelectric two-axis gimbal-less microscanners,”

2013 Transducers Eurosensors XXVII: The 17th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS EUROSENSORS XXVII)

, pp. 2489–2492, 2013.

S. Gu-Stoppel, J. Janes, H. J. Quenzer, C. Eisermann, F. Heinrich, and W. Benecke, “High Frequency 1D Piezoelectric Resonant Microscanners with Large Displacements,”

Procedia Eng.

, vol. 87, pp. 1593–1596, 2014.

S. Gu-Stoppel, J. Janes, H. J. Quenzer, U. Hofmann, and W. Benecke, “Two-dimensional scanning using two single-axis low-voltage PZT resonant micromirrors,”

SPIE MOEMS and Miniaturized Systems XIII,

vol. 8977, 2014, pp. 897706, 2014.

S. Gu-Stoppel, H. J. Quenzer, F. Heinrich, J. Janes, and W. Benecke, “A study of integrated position sensors for PZT resonant micromirrors,”

SPIE MOEMS and Miniaturized Systems XIV

, vol. 9375, pp. 93750B–93750B, 2015.

S. Gu-Stoppel, H. J. Quenzer and W. Benecke, “Design, fabrication and characterization of piezoelectrically actuated gimbal-mounted 2D micromirrors,”

2015 Transducers XXVIII: The 18th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems

, pp. 851-854, 2015.

S. Gu-Stoppel, H. J. Quenzer and W. Benecke, “Design, Fabrikation und Charakterisierung piezoelektrisch angetriebener 2D-Mikrospiegel für Rasterscanner,”

Mikrosystemtechnik 2015

, 2015.

D. Kaden, S. Gu-Stoppel, H. J. Quenzer, D. Kaltenbacher, B. Wagner, and R. Dudde, “Optimised piezoelectric PZT thin film production on 8” silicon wafers for micromechanical applications,”

Nanotechnology 2012: Electronics, Devices, Fabrication, MEMS, Fluidics and Computational

, vol. 2, pp. 176–179, 2012.

H. J. Quenzer, S. Gu-Stoppel, F. Stoppel, J. Janes, U. Hofmann, and W. Benecke, “Piezoelectrically driven translatory optical MEMS actuator with 7mm apertures and large displacements,”

SPIE MOEMS and Miniaturized Systems XIV

, vol. 9375, p. 93750O–93750O–7, 2015.

S. Rombach, M. Marx, Y. Manoli and S. Gu-Stoppel, “Low power closed-loop driving circuit for Piezoelectric Microscanners based on Tuneable Capacitive Position Sensors,”

Proceeding Eurosensors XXIX

, 2015.

S. Rombach, M. Marx, S. Gu-Stoppel and Y. Manoli, “Low-Power Elektronik für MEMS Mikrospiegel,”

Mikrosystemtechnik 2015

, 2015.

In Kürze erscheinende Veröffentlichungen:

S. Rombach, M. Marx, S. Gu-Stoppel and Y. Manoli, “Low power and highly precise closed-loop driving circuit for piezoelectric micromirrors with embedded capacitive position sensors,” SPIE MOEMS and Miniaturized Systems XV, vol. 9760, 2016.

T. v. Wantoch, S. Gu-Stoppel, F. Senger, C. Mallas, U. Hofmann, and W. Benecke, “Modelling of biaxial gimbal-less MEMS scanning mirrors,” SPIE MOEMS and Miniaturized Systems XV, vol. 9760, 2016.

Eingereichte Patente:

S. Gu-Stoppel, H. J. Quenzer und J. Janes, “Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element”, Veröffentlichungsnummer: DE102013209234A1, EP 2803633 A1, CN104166232A und US20140340726 A1.

S. Gu-Stoppel, H. J. Quenzer und U. Hofmann, “Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element und Verfahren zum Auslenken desselben”, Veröffentlichungsnummer: DE102013206788 A1 und WO 2014170155 A1.

S. Gu-Stoppel, H. J. Quenzer und U. Hofmann, “Vorrichtung mit einer Feder und einem daran aufgehängten Element und Verfahren zum Herstellen desselben”, Veröffentlichungsnummer: DE 102013209238 A1, EP2803635 A2, CN104167433 A und US20140339658 A1.

S. Gu-Stoppel, C. Eisermann und D. Kaden, “Vorrichtung mit einer Feder und einem daran aufgehängten optischen Element”, Veröffentlichungsnummer: DE 102013210059 A1, EP2808720 A1, CN104216110 A US20140355092 A1.

S. Gu-Stoppel, H. J. Quenzer, J. Janes und F. Heinrich, “Piezoelektrischer Positionssensor für Piezoelektrisch angetriebene resonante Mikrospiegel”, Einreichungsnummer: 800358106, Einreichungsdatum: 05. Sep. 2014.

Erteiltes Patent:

S. Gu-Stoppel, H. J. Quenzer und J. Janes, “Vorrichtung mit einem schwingfähig aufgehängten optischen Element”, Veröffentlichungsnummer: EP2803633 B1, Veröffentlichungsdatum: 19. Aug. 2015.

Kurzfassung

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Entwicklung piezoelektrisch angetriebener Mikrospiegel. Hierbei handelt es sich um miniaturisierte, optische Bauteile zur Ablenkung von Laserstrahlen, mit denen sich z. B. Bildprojektionen realisieren lassen. Die Arbeit umfasst die Design- und Technologieentwicklung derartiger Mikrospiegel, sowie die Entwicklung von Sensoren zur Spiegelpositionserfassung. Darüber hinaus bildet die eingehende Charakterisierung einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit. Insgesamt wurden 30 verschiedene 1D-Mikrospiegel, elf verschiedene 2D-Mikrospiegel sowie drei unterschiedliche Sensor-Typen entworfen, hergestellt und untersucht.

Für die resonanten 1D-Mikrospiegel stellen die erreichbaren Scanwinkel und Resonanzfrequenzen die charakteristischen Größen dar. Die aus dieser Arbeit hervorgegangenen 1D-Spiegel erreichen sehr große Scanwinkel von bis zu 106° und hohe Resonanzfrequenzen von über 60 kHz. Diese Werte gehören zu den höchsten Scanwinkeln und Frequenzen aller bislang realisierten Mikrospiegel.

Bei den 2D-Mikrospiegeln sind die Kombinationen verschiedener Spiegelbewegungsmoden für die Realisierung unterschiedlicher Laserstrahl-Trajektorien von besonders großer Bedeutung. Dabei wurden zwei Designkonzepte für die 2D-Mikrospiegel untersucht und realisieret: Die sogenannten Quadpod-Designs und die kardanisch aufgehängten Mikrospiegel. Die Quadpod-Mikrospiegel realisieren zwei lineare Torsionsmoden, die senkrecht zueinander orientiert sind und dicht beieinanderliegende Eigenfrequenzen aufweisen. Somit lassen sich kreisförmige und rechteckige Ausleuchtungen durch die resultierenden Lissajous-Figuren erzeugen. Darüber hinaus sind derartige Mikrospiegel auch für Translationsbewegungen geeignet. An einem Spiegeltyp mit 7 mm Spiegeldurchmesser wurden so z. B. translatorische Amplituden von bis zu 1600 µm nachgewiesen, welche zu den höchsten an Mikrospiegeln gemessenen vertikalen Amplituden gehören. Die kardanisch aufgehängten 2D-Mikrospiegel weisen dagegen Aktuatoren mit unterschiedlichen Substratdicken auf. Dabei erlauben die dünnen und weichen Aktuatoren des Mikrospiegels quasi-statisch angetriebene Torsionsbewegungen, sodass ein kompletter Rasterscanner auf einem Chip realisiert werden kann.

Die resonanten 1D- und 2D-Mikrospiegel erfordern die Regelung zum Adressieren jedes projizierten Punktes. Hierfür wurden unterschiedliche Messprinzipien untersucht. Dabei erwiesen sich die kapazitiven und piezoelektrischen PZT-Sensoren aufgrund der guten Signalqualität mit hohem Rauschabstand als am besten geeignet für die Positionserfassung dynamischer Bewegungen. Anhand der Messsignale wurde das Auflösungsvermögen von den PZT-Sensoren und den implementierten kapazitiven Messelementen auf mehr als 12 Bit abgeschätzt. Statische Positionen des Mikrospiegels lassen sich dagegen besonders gut mit metallischen DMS, z. B. aus Pt, erfassen.

Die Ergebnisse der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Mikrospiegel und Sensorelemente veranschaulichen das Potential piezoelektrischer Mikrospiegel und zeigen, dass sich PZT hervorragend als Antriebs- und Sensormaterial eignet. Durch die Verfolgung verschiedenster Designansätze konnten viele Erkenntnisse und Erfahrungen gewonnen werden, die die Entwicklung neuer Mikrospiegel und Sensorelemente für unterschiedlichste Anwendungen ermöglichen. Auch wenn noch viele Herausforderungen und Aufgaben, wie z. B. die Realisierung einer Reglung, zu bewältigen sind, haben piezoelektrische Mikrospiegel das Potential schon bald in kommerziellen Produkten Eingang zu finden.

Abkürzungen und Symbole

Abkürzungen

Al

Aluminium

Au

Gold

AU

Willkürliche Einheit (engl.: Arbitrary Unit)

Cr

Chrom

DMS

Dehnungsmessstreifen

DRIE

Reaktives Ionentiefenätzen (engl.: Deep Reactive-Ion Etching)

FEM

Finite-Elemente-Methode

FTIR

Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer

ICP

Induktiv gekoppeltes Plasma (engl.: Inductively Coupled Plasma)

MEMS

Mikroelektromechanisches System (engl.: Micro-electro-mechanical System)

MOCVD

Metallorganische Gasphasenepitaxie (engl.: Metalorganic Chemical Vapor Deposition)

LPCVD

Niederdruck Chemische Gasphasenabscheidung (engl.: Low Pressure Chemical Vapor Deposition)

LOCOS

Lokale Oxidation von Silizium (engl.: Local Oxidation of Silicon)

Ni

Nickel

Pb

Blei

PbZrO

3

Bleizirkonat

PbTiO

3

Bleititanat

PCB

Leiterplatte (engl.: Printed Circuit Board)

PMPG

Piezoelektrischer Mikropower Generator

PSD

Position Sensitive Device

Pt

Platin

PZT

Blei-Zirkonat-Titanat

Si

Silizium

SiO

2

Siliziumdioxid

Ti

Titan

W

Wolfram

Zr

Zirkon

ZrO

2

Zirkonoxid

Symbole

ρ

Dichte

[kg/m

3

]

ϑ

a

Winkel der Aktuatoren

[°]

ϑ

a

Winkel des Mikrospiegels

[°]

ϑ

mech

Mechanischer Scanwinkel eines Mikrospiegels

[°]

ϑ

mech ,x

Mechanischer Scanwinkel eines Mikrospiegels in x-Richtung

[°]

ϑ

mech ,y

Mechanischer Scanwinkel eines Mikrospiegels in y-Richtung

[°]

ϑ

opt

Totaler optischer Scanwinkel eines Mikrospiegels

[°]

ϑ

opt ,x

Optischer Scanwinkel eines Mikrospiegels in x-Richtung

[°]

ϑ

opt, y

Optischer Scanwinkel eines Mikrospiegels in y-Richtung

[°]

Winkelgeschwindigkeit

rad/s]

a

Winkelgeschwindigkeit der Aktuatoren

[rad/s]

s

Winkelgeschwindigkeit des Mikrospiegels

[rad/s]

ε

Permittivität

[A·s/V·m]

ϑ

Winkel

[°]

λ

Wellenlänge

[m]

τ

i

Piezoresistiver Koeffizient in der Richtung

i

[1/Pa]

σ

max

Maximale Biegespannung

[Pa]

τ

Abklingzeit

[s]

τ

max

Maximale Schubspannung

[Pa]

δ

max

Maximale dynamische Deformation der Spiegelplatte

[m]

ω

Winkelgeschwindigkeit

[rad/s]

Δd

Translatorische Bewegungsamplitude der Mikrospiegelplatte

[m]

Δd

e

(

t

)

Zeitabhängige Abstandsänderung zwischen elektrostatischen Fingerelektroden

[m]

Δl

Längenänderung einer piezoelektrischen Schicht, eines piezoresistiven Messstreifens oder eines Biegebalkens

[m]

A

Überdeckungsfläche des Kondensators

[m2]

B

Magnetische Flussdichte

[T]

b

t

Breite einer Torsionsfeder

[m]

b

v

Breite einer Verbindungsfeder

[m]

c

Dämpfung

[N·s/m]

C

Kapazität

[F]

C

a

1,2

Äquivalenter Kondenstator der Ersatzschaltung für die Darstellung des mechanischen Verhaltens eines Aktuators

[F]

C

f

Rückkopplungskapazität im Ladungsverstärker

[F]

C

f

1-3

Rückkopplungskapazität der Auslese-Schaltung für DMS

[F]

C

s

1,2

Kapazität 1 oder 2 des differentiellen kapazitiven Sensors

[F]

d

a

Auslenkung eines Aktuators

[m]

dd

x

Abstand zwischen den Torsionsfedern und dem Schwerpunkt eines halben Spiegels bei Designs mit doppelten Torsionsfedern

[m]

d

e

Abstand zwischen elektrostatischen Fingerelektroden

[m]

D

el

Elektrische Flussdichte

[C/m

2

]

d

ij

Piezoelektrischer Verzerrungskoeffizient

[m/V]

d

s

Auslenkung einer Spiegelplatte

[m]

D

s

Durchmesser der Spiegelplatte

[m]

d

x

Abstand zwischen Torsionsfeder und Torsionsachse

[m]

D

x

Länge der Spiegelplatte in x-Richtung

[m]

D

y

Länge der Spiegelplatte in y-Richtung

[m]

d

y

Abstand zwischen den Verbindungsfedern und der Spiegelplatte bei Designs mit doppelten Torsionsfedern

[m]

d

z

Auslenkung eines Biegebalkens in z-Richtung

[m]

e

Abstand einer DMS-Schicht zur neutralen Faser des Biegebalkens

[m]

E

Elektrische Feldstärke

[V/m]

E

C

Koerzitivfeldstärke

[V/m]

F

Kraft

[N]

f

Eigenfrequenz

[Hz]

f

a

Antriebssfrequenz eines Mikrospiegels

[Hz]

f

ana

Analytisch modellierte Eigenfrequenz

[Hz]

f

ax

Antriebssfrequenz der Torsionsmode eines Mikrospiegels in x-Richtung

[Hz]

f

ay

Antriebssfrequenz der Torsionsmode eines Mikrospiegels in y-Richtung

[Hz]

F

el

Elektrostatische Kraft

[N]

F

l

Lorenzkraft

[N]

f

mes

Gemessene Eigenfrequenz

[Hz]

f

sim

FEM-simulierte Eigenfrequenz

[Hz]

f

x

Eigenfrequenz der Torsionsmode eines Mikrospiegels in x-Richtung

[Hz]

f

y

Eigenfrequenz der Torsionsmode eines Mikrospiegels in y-Richtung

[Hz]

G

Schubmodul

[Pa]

GF

Ausdehnungsfaktor (engl.: Gauge Factor) eines piezoresistiven Sensors

[-]

h

e

Effektive Elektrodenhöhe eines elektrostatischen Aktuators

[m]

h

i

-1

Gesamtdicke eines Schichtstapels mit den Schichten 0 bis

i

-1

[m]

h

l

Abstand vom Mikrospiegel zur Laserstral-Trajektorie

[m]

I

Strom

[A]

I

cs

Durch den Sensorkondensator fließender Strom

[A]

I

effa

Effektives Trägheitsmoment der Aktuatoren

[kg·m

2

]

I

effs

Effektives Trägheitsmoment des Spiegels

[kg·m

2

]

I

effs,d

Effektives Trägheitsmoment des Spiegels bei Designs mit doppelten Torsionsfedern

[kg·m

2

]

I

f

Rückkopplungsstrom eines Ladungsverstärkers

[A]

I

s

Ausgangsstrom eines kapazitiven Sensors

[A]

I

s

1,2

Ausgangsstrom der differentiellen kapazitiven Sensoren 1 oder 2

[A]

J

t

Flächenträgheitsmoment der Torsionsfeder

[m

4

]

J

vy

Flächenträgheitsmoment der Verbindungsfeder um die y-Achse

[m

4

]

K

Geometrischer Anpassungsfaktor

[-]

k

Steifigkeit einer Feder

N/m]

k

1,2

Steifigkeit der Aktuatoren im Aktuator-Bereich I oder II (siehe

Anhang A.3.1

)

[N/m]

k

efft

Effektive Steifigkeit der gesamten Torsionsfeder

[N·m

2

]

k

efft,d

Effektive Steifigkeit der doppelten Torsionsfeder bei Designs mit doppelten Torsionsfedern

[N·m

2

]

k

t

Steifigkeit jeder einzelnen Torsionsfeder

[N·m

2

]

l

Länge einer piezoelektrischen Schicht, eines piezoresistiven Messstreifens oder eines Biegebalkens

[m]

L

Lagrange Funktion

[J]

L

a

Äquivalente Spule der Ersatzschaltung für die Darstellung des mechanischen Verhaltens eines Aktuators

[H]

l

l

Länge einer linearen Laserstrahl-Trajoktorie

[m]

L

s

Äquivalente Spule der Ersatzschaltung für die Darstellung des mechanischen Verhaltens eines Mikrospiegels

[H]

l

s

Länge der Spiegelfläche

[m]

l

t

Länge der Torsionsfeder

[m]

l

v

Länge der Verbindungsfeder

[m]

l

ve

Effektive Länge der Verbindungsfeder

[m]

m

1,2

Masse der Aktuatoren im Aktuator-Bereich I oder II (siehe

Anhang A.3.1

)

[kg]

M

a

Biegemoment der Aktuatoren

[N·m]

M

bie

Biegemoment

[N·m]

m

eff

Effektive Masse der Aktuatoren

[kg]

M

PZT

PZT-Drehmoment

[N·m]

m

s

Masse des Mikrospiegels

[kg]

M

s

Drehmoment des Mikrospiegels

[N·m]

M

tor

Drehmoment

[N·m]

n

Messauflösung des Mikrospiegels in Bit

[-]

n

g

Gesamte Messauflösung des Mikrospiegels in Bit

[-]

OO‘

Abstand zwischen dem Spiegelzentrum O und dem Schwerpunkt O‘ der halben Kreisscheibe

[m]

P

Polarisation

C/m

2

]

P

Leistung

Leistungsverbrauch eines Mikrospiegels

[W]

P

Messwert

Gemessener Leistungsverbrauch

[W]

P

Modell

Modellierter Leistungsverbrauch

[W]

P

R

Remanente Polarisation

C/m

2

]

P

S

Sättigungspolarisation

[C/m

2

]

Q

Gütefaktor

[-]

Q

f

Im Rückkoppelungskondensator eines Ladungsverstärkers gespeicherte Ladung

[C]

Q

in

Eingangsladung eines Ladungsverstärkers

[C]

R

Widerstand

Ω]

R

a

Äquivalenter Widerstand der Ersatzschaltung für die Darstellung des mechanischen Verhaltens eines Aktuators

[Ω]

R

b

Widerstand eines piezoresistiven Sensors für die Messung der Verbiegung der Feder

[Ω]

R

c

Krümmung

[-]

R

f

Rückkopplungswiderstand im Ladungsverstärker

[Ω]

R

f

4-6

Rückkopplungswiderstand der Auslese-Schaltung für DMS

[Ω]

R

m

Zu messender Widerstand eines DMS

[Ω]

R

r

Referenzwiderstand der wheatstoneschen Messbrücke

[Ω]

R

r

1-3

Referenzwiderstand der Auslese-Schaltung für DMS

[Ω]

R

s

Äquivalenter Widerstand der Ersatzschaltung für die Darstellung des mechanischen Verhaltens eines Mikrospiegels

[Ω]

R

t

1,2

Widerstand der piezoresistiven Sensoren 1 oder 2 für die Messung der Torsion der Feder

[Ω]

S

Mechanische Dehnung eines piezoelektrischen Körpers

[-]

s

Tensorielle Elastizitätskonstante

[1/Pa]

S

DMS

Sensitivität eines DMS

[Ω/m]

SNR

Signalrauschabstand

[dB]

t

Schichtdicke

[m]

T

Mechanische Spannung

[Pa]

tan

δ

Dielektrischen Verlustfaktor

[-]

t

e

Effektive Elektrodentiefe eines elektrostatischen Aktuators

[m]

T

i

Mechanische Spannung in der Richtung

i

[Pa]

T

kin

Kinetische Energie

[J]

T

kin,a

1,2

Kinetische Energie der Aktuatoren im Aktuator-Bereich I oder II (siehe

Anhang A.3.1

)

[J]

T

kin,b

Kinetische Energie eines Biegebalkens

[J]

T

kin,s

Kinetische Energie eines Mikrospiegels

[J]

t

s

Tiefe der Spiegelplatte

[m]

t

t

Tiefe der Torsionsfeder

[m]

u

Geschwindigkeit

[m/s]

U

b

Elektrische Bias-Spannung

[V]

U

dd

Versorgungsspannung des Verstärkers

[V]

U

gen

Generierte elektrische Spannung eines PZT-Mikrogenerators

[V]

U

in

Eingangsspannung einer wheastoneschen Messbrücke oder einer Auslese-Schaltung

[V]

U

in

1,2

Eingangsspannung der wheastoneschen Messbrücke 1 oder 2

[V]

U

offset

Elektrische Offset-Spannung

[V]

U

out

Ausgangsspannung einer wheastoneschen Messbrücke oder einer Auslese-Schaltung

[V]

U

out

1,2

Ausgangsspannung einer wheastoneschen Messbrücke 1 oder 2

[V]

U

pp

Spitze-Spitze-Wert einer elektrischen Spannung

[V]

U

ppx

Spitze-Spitze-Wert der Antriebsspannung für die Torsionsmode in x-Richtung

[V]

U

ppy

Spitze-Spitze-Wert der Antriebsspannung für die Torsionsmode in y-Richtung

[V]

U

rms

Quadratisches Mittel der elektrischen Antriebsspannung

[V]

U

s

Elektrisches Ausgangsspannung eines Sensors

[V]

U

s

1,2

Elektrisches Ausgangsspannung der Sensoren 1 oder 2

[V]

U

t

Elektrische Antriebsspannung

V]

U

t

1,2

Elektrische Antriebsspannung für Aktuator 1 oder 2

[V]

V

Potentielle Energie

[J]

V

a

1,2

Potentielle Energie der Aktuatoren im Aktuator-Bereich I oder II (siehe

Anhang A.3.1

)

[J]

V

s

Potentielle Energie eines Mikrospiegels

[J]

W

kond

Im Kondensator gespeicherte Energie

[J]

Y

Elastizitätsmodul

N/m

2

]

ΔR

Widerstandsänderung eines piezoresistiven Sensors

[Ω]

ΔR

1,2

Widerstandsänderung eines piezoresistiven Sensors 1 oder 2

[Ω]

ΔT

temp

Temperaturänderung

K]

1 Einleitung

Mikrospiegel, bei denen es sich um lichtablenkende mikroelektromechanische Systeme (MEMS) handelt, erregen heutzutage immer mehr Interesse für unterschiedliche Applikationen. Einerseits ist dies auf deren vielfältige Konstruktions- und Einsatzmöglichkeiten zurückzuführen, andererseits haben sich die Herstellungstechnologien für MEMS-Spiegel in den letzten Jahren ständig weiter entwickelt, wodurch die Mikrospiegel auch immer anspruchsvolleren Anwendungen gerecht werden können.

Zu den wesentlichen Technologieentwicklungen der letzten Jahre gehört auch die Herstellung leistungsfähiger, piezoelektrischer Dünnfilmschichten. Die Erforschung piezoelektrischer Materialien begann im Jahr 1880, als der direkte piezoelektrische Effekt von Jacques und Pierre Curie entdeckt wurde. Der direkte piezoelektrische Effekt bezeichnet die Ausbildung elektrischer Ladungen auf der Oberfläche spezifischer Kristalle aufgrund einwirkender mechanischer Belastungen. Daraufhin wurde im Jahr 1881 der inverse piezoelektrische Effekt von Gabriel Lippmann theoretisch vorhergesagt, welcher später von den Curies bestätigt wurde. Nach langjährigen Laboruntersuchungen erfuhren die piezoelektrischen Materialien erhöhte Aufmerksamkeit durch die Veröffentlichung des Werkes „Lehrbuch der Kristallphysik“ von Woldemar Voigt. In diesem Buch wurden die wichtigen Kristalleigenschaften einschließlich der piezoelektrischen Koeffizienten zum ersten Mal als Tensoren beschrieben, die das theoretische Fundament in der Kristallphysik bilden. Dazu wurden von Voigt mehr als 20 natürliche Kristalle identifiziert, die piezoelektrische Eigenschaften besitzen. Dies ermöglichte die weitere Entwicklung von piezoelektrischen Materialien für praktische Anwendungen. Im Jahr 1954 wurde Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) als ein besonders leistungsfähiges piezoelektrisches Material von Hans Jaffe und Bernard Jaffe, beide Mitarbeiter der Firma Clevite Corporation, entdeckt [1] [2]. Durch chemische Modifikationen erlangte das Material weitere Vorteile wie z. B. einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor, eine gute thermische Stabilität und eine geringe mechanische Dämpfung [3].

Insbesondere Dünnschicht-PZT eignet sich für Antriebe in MEMS-Bauteilen [4]. Am Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) wurde daher in den letzten Jahren die Entwicklung von Abscheideprozessen für PZT-Dünnschichten vorangetrieben. Daran schließt sich die Entwicklung und Konstruktion verschiedener MEMS-Bauelemente auf der Basis dieser dünnen PZT-Schichten an, wozu auch die piezoelektrischen Mikrospiegel gehören.

1.1 Anwendungsbeispiele

Mikrospiegel bestehen in den meisten Fällen aus einer lichtreflektierenden Fläche, umstehenden Aktuatoren, die die Spiegelfläche antreiben, und Federn, die die Spiegelfläche und die Aktuatoren verbinden [5] [6] [7] und [8]. Insgesamt unterscheidet man zwischen resonant und quasi-statisch angetriebenen Mikrospiegeln [9]. Während bei quasi-statischen Antrieben die Spiegel direkt der Bewegung der Aktuatoren folgen, können bei resonanten Mikrospiegeln vielfältige Bewegungsmoden durch die Anordnung der Aktuatoren und Federn realisiert werden. Je nach Anforderungen der jeweiligen Anwendung werden Mikrospiegel mit unterschiedlichen Moden eingesetzt, wofür im Folgenden Beispiele gegeben werden.

1.1.1 Torsionsmode: Konfokales Laser-Scanning-Mikroskop

Wenn ein Mikrospiegel resonant angetrieben wird, sodass die Spiegelfläche um eine feste Torsionsachse oszilliert, bildet sich die sogenannte Torsionsmode aus. Dieses feste Bewegungsmuster der Spiegelfläche lenkt die einfallenden Lichtstrahlen periodisch ab, wie Abbildung 1.1 skizziert.

Abbildung 1.1: Querschnitt eines tordierenden Mikrospiegels, der von zwei umliegenden Aktuatoren angetrieben wird, sowie die einfallenden und reflektierenden Lichtstrahlen.

Ein wichtiges Anwendungsbeispiel für derartige Mikrospiegel ist das konfokale Laser Scanning Mikroskop. In einem konfokalen Mikroskop gehen die Lichtstrahlen von einer Laserquelle aus und werden vom Strahlteiler zum zu beobachtenden Präparat geleitet. Die Strahlen werden dann von der Oberfläche des Präparates reflektiert und durch ein Linsensystem zum Detektor geführt (Abbildung 1.2 (a)