DE102006059091A1 - Mikrooptisches reflektierendes Bauelement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf aktive mikrooptische reflektierende Bauelemente zur Anpassung bzw. Änderung der Brennweite bzw. Fokuslage in optischen Systemen. Aufgabe der Erfindung ist es, ein miniaturisiertes reflektierendes mikrooptisches Bauelement zur Fokussierung bzw. Defokussierung einfallender elektromagnetischer Strahlung zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Variation der Brennweite einfach und mit geringem Aufwand erreichbar ist. Am erfindungsgemäßen Bauelement ist eine elastisch verformbare Membran, die zumindest mit einer reflektierenden Schicht aus einem ersten Stoff oder Stoffgemisch und mindestens einer weiteren Schicht oder Substrat, die/das aus einem zweiten Stoff oder Stoffgemisch gebildet ist, vorhanden. Erste und zweite Stoffe oder Stoffgemische weisen voneinander abweichende thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Außerdem ist eine Heiz- oder Temperiereinrichtung vorhanden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf aktive mikrooptische reflektierende Bauelemente zur Anpassung bzw. Änderung der Brennweite bzw. Fokuslage in optischen Systemen.
  • In der optischen Erfassung von Messgrößen bzw. Daten muss in vielen Fällen die Lage des Fokuspunkts variiert werden bzw. die fehlende Möglichkeit zur Variation schränkt die Leistung des Mess-Erfassungssystems ein. Beispielhaft sei im Folgenden das konfokale Messprinzip angeführt, bei dem eine Variation der Fokuslage genutzt wird, und das Lesen von Strichcode mit einem Laserscanner, bei dem das Fehlen einer Fokusvariation zu einer Leistungseinschränkung führt.
    • a) Messsystem, das auf einer Variation der Fokuslage beruht: Das konfokale Messprinzip wird vornehmlich für die Vermessung der Oberflächentopologie eines Gegenstandes genutzt. Dazu muss der Fokuspunkt senkrecht zur Oberfläche (z-Richtung) variiert werden. Dies wird häufig so realisiert, dass die optische Weglänge von der Punktlichtquelle bis zum Gegenstand kontinuierlich oder schrittweise geändert wird. Durch die geeignet im optischen Strahlengang angeordneten Linsen wird dadurch die Lage des Fokuspunktes variiert.
    • b) optisches System, bei dem das Fehlen einer Fokusvariation zu einer Leistungseinschränkung führt: Beim Lesen von Strichcode bestimmt die Lage des Fokuspunktes den Ort, an dem Strichcodes mit der höchsten Dichte gelesen werden können. Je größer der Abstand zwischen Strichcode und Fokuspunkt ist, umso geringer ist das Auflösungsvermögen des Scanners. Strichcodes hoher Dichte können also nur in einem sehr eingeschränkten Leseabstand erkannt werden. Die Leistung des Scanners ist damit limitiert.
  • Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
  • Um die Brennweite bzw. Lage des Fokuspunktes zu variieren unter der Randbedingung, dass sowohl das Messsystem als auch der zu messende/erfassende Gegenstand nicht bewegt werden, gibt es zwei prinzipielle Ansätze.
  • Der erste Ansatz beruht auf einer Verlängerung der optischen Weglänge zwischen Lichtquelle und Austrittsöffnung des Lichtstrahls aus dem Messsystem. Dazu wird im einfachsten Fall ein planarer Spiegel senkrecht zum einfal lenden Lichtstrahl bewegt. Die Bewegung des Spiegels erfordert einen Antrieb, der z. B. auf einem elektromagnetischen Prinzip beruhen kann. Bei feinmechanischer Herstellung eines solchen Spiegels mit Antrieb ergeben sich verhältnismäßig große Bauvolumina und hohe Kosten. Für mobile Anwendungen, wie Scannerpistolen, eignet sich dieses Verfahren daher nicht. Mikromechanisch gefertigte translatorische Spiegel zeichnen sich durch verhältnismäßig geringe Hübe aus, so dass die erreichbaren optischen Weglängenänderungen vergleichsweise gering sind. Um diese geringe Weglängenänderung in eine signifikante Änderung der Lage des Fokuspunktes zu überführen, wäre ein komplexes Linsensystem erforderlich, das sehr intolerant gegenüber Lageänderung der optischen Komponenten ist (Toleranzen im Aufbau, thermisch induzierte Lageänderungen etc.)
  • Der zweite Ansatz beruht auf der Verwendung von deformierbaren Spiegeln. Die Deformation wird dabei so gewählt, dass sich ein Hohlspiegel mit einstellbarer Brennweite ergibt. Die Spiegeldeformation wird über Aktuatoren realisiert, welche sich unterhalb des Spiegels befinden. Bei feinmechanisch gefertigten Systemen, wie sie in der Astronomie für adaptiv-optische Systeme zur Anwendung kommen, werden im Allgemeinen Piezoaktoren eingesetzt. Solche Systeme sind sehr komplex, teuer und besitzen ein großes Volumen. Mikromechanisch gefertigte, deformierbare Spiegel sind kleiner und kostengünstiger. Hier wird die statische bzw. quasistatische Deformation meist durch elektrostatische Kräfte generiert. Entweder werden hier Arrays aus einzelnen, translatorisch und gegebenenfalls zusätzlich rotatorisch verstellbaren Spiegeln oder Membranspiegel verwendet. Die Arrays besitzen den Nachteil, dass durch die Segmentierung der spiegelnden Fläche Beugungseffekte auftreten, welche die Strahlqualität signifikant vermindern. Die Membranspiegel bestehen aus einer kontinuierlichen Spiegelmembran, die im Allgemeinen durch unter der Membran in einem Array angeordnete Aktoren deformiert wird. Hierfür werden fast ausnahmslos elektrostatische oder piezoelektrische Aktoren verwendet. Beide Varianten weisen den Nachteil auf, dass zur Deformation der Membran hohe elektrische Spannungen benötigt werden.
  • So ist in US 2005/0063038 A1 ein oszillierender Mikrospiegel beschrieben, der ein bewegliches Teil mit einem reflektierenden Bereich, ein starres Teil, zwei Torsionsarme gebildet ist. Die oszillierende Auslenkung des beweglichen Teils soll dabei mit Hilfe bimorpher Aktuatoren erreicht werden. Eine Beeinflussung der Brennweite erfolgt dabei aber nicht.
  • Die WO 2004/099629 A2 betrifft eine Vorrichtung für eine vertikale Auslenkung an mikroelektromechanischen Systemen. Die Auslenkung einer Mikrolinse, eines Mikrospiegels oder Gitters soll dabei immer parallel zu einer Basis erfolgen. Für die Auslenkung kann ein thermischer Aktuator eingesetzt werden.
  • Aus „Thermisch aktivierte Bauelemente für die adaptive Optik" Schriftenreihe „Forschungsprogramm optische Technologien" der Landesstiftung, Baden-Württemberg, Sept. 2005, S. 56 u. 57, ISSN 1610-4269 ist es bekannt, eine thermisch induzierte Veränderung der Brechzahl vorzunehmen.
  • Problemstellung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung ein miniaturisiertes reflektierendes mikrooptisches Bauelement zur Fokussierung bzw. Defokussierung einfallender elektromagnetischer Strahlung zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Variation der Brennweite einfach und mit geringem Aufwand erreichbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Bauelementen, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen, gelöst. Vorteilhafte Verwendungen ergeben sich gemäß Anspruch 18.
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen deformierbaren „Membranspiegel" unter Nutzung von thermisch induzierten mechanischen Spannungen. Im einfachsten Fall wird eine Membran eingesetzt, welche mit mindestens zwei Schichten oder einer Schicht und einem Substrat gebildet ist, die aus Stoffen oder Stoffgemischen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet sind (Bimorph). Im Folgenden wird angenommen, dass das Schichtsystem bei einer vorgegebenen Temperatur, z.B. Raumtemperatur eine plane ebene Oberfläche besitzt. Bei Temperaturänderung, die mit einer Heiz- oder Temperiereinrichtung erreicht werden kann, dehnen sich die beiden Schichten oder die Schicht und Substrat unterschiedlich stark aus, was zu einer Änderung der Krümmung der Membran führt. Die Temperaturänderung kann entweder über eine integrierte oder externe elektrische Heizung erreicht werden. Dies ist aber auch mit elektromagnetischer Strahlung möglich. Abhängig von der Heizleistung, der Umgebungstemperatur und der thermischen Kopplung der Membran zur Umgebung kann somit die Krümmung deren eingestellt werden. Zumindest in einem begrenzten Gebiet der Membran kann die entstehende Deformation in sehr guter Näherung als sphä risch beschrieben werden. Dieser Teil der Membran kann optisch als konkaver bzw. konvexer Spiegel wirken und so in optischen Systemen als aktives Element zur Brennweitenänderung eingesetzt werden.
  • Bei der Erfindung kann die Membran, wie bereits ausgeführt mit mindestens zwei Schichten aus unterschiedlichen Stoffen oder Stoffgemischen mit jeweils unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet sein. Es kann aber auch ein anders ausgebildeter Verbund dieser unterschiedlichen Stoffe oder Stoffgemische eingesetzt werden, wobei lediglich eine Schicht eingesetzt ist und der weitere Stoff oder Stoffgemisch dann abweichend von einer Schichtform mit dieser einen Schicht an einer Seite, bevorzugt stoffschlüssig verbunden ist.
  • So kann bei einer Erwärmung der Membran mit einer reflektierenden Schicht, die aus einem Stoff oder Stoffgemisch gebildet ist, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient kleiner ist, als der einer zweiten Schicht oder dem des Substrats auf der/dem die reflektierende Schicht ausgebildet ist, eine konkave und im entgegen gesetzten Fall, also bei größerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine konvexe Krümmung initiert werden.
  • Die erfindungsgemäß einzusetzende Membran sollte am radial äußeren Rand in geeigneter Form, beispielsweise mit Federelementen aufgehangen oder fest eingespannt sein. Dabei kann eine umlaufend wirkende Aufhängung oder Einspannung vorhanden sein. Dies ist a ber nicht in jedem Fall erforderlich. So kann beispielsweise eine Aufhängung oder Einspannung an zwei sich gegenüberliegenden Außenseiten angreifen und bei einer Verformung der Membran ein Hohlzylinderspiegel gebildet sein.
  • Eine elastisch verformbare Membran kann aber bei der Verformung auch diskontinuierlich gekrümmt werden. Dies ist mit geeigneter Strukturierung der Membran möglich. Hierfür können Strukturelemente, wie z.B. Vertiefungen oder Erhebungen an einer Membran lokal definiert ausgebildet sein. Es können aber auch Strukturelemente in eine Membran aufgenommen oder daran angebracht werden, die aus einem anderen weiteren Werkstoff gebildet sein können. So können bestimmte Deformationsprofile erreicht werden.
  • Vorteilhaft kann mindestens ein Element zur Bestimmung der jeweiligen Verformung der Membran, bevorzugt in diese integriert, vorhanden sein. Dies kann ein piezoresistiver, ein kapazitiver, magnetostriktiver, optischer, elektromagnetischer, resistiver oder ein Hall-Effekt Sensor sein.
  • Entgegen den Darstellungen für die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen, besteht auch die Möglichkeit, dass die Oberfläche an der elektromagnetische Strahlung reflektiert werden kann, bei einer üblichen Umgebungstemperatur bereits gekrümmt ist und der Grad bzw. die Richtung der Krümmung dann gezielt durch eine Erwärmung zu verändert werden kann.
  • Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
  • Dabei zeigen:
  • 1 ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem die verformbare Membranmit reflektierender Schicht und einem Bereich eines Substrates gebildet ist;
  • 2 ein zweites Beispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem eine zusätzliche isolierende Zwischenschicht vorhanden ist;
  • 3 ein drittes Beispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem eine zusätzliche elektrisch leitende Schicht vorhanden ist;
  • 4 ein viertes Beispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem eine zusätzliche elektrisch leitende Schicht und eine isolierende Zwischenschicht vorhanden sind;
  • 5 ein fünftes Beispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem eine Absorptionsschicht vorhanden ist;
  • 6 ein sechstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements mit Strukturelementen;
  • 7 ein siebentes Beispiel eines erfindungsgemä ßen Bauelements mit Aufhängungen und Strukturelementen;
  • 8 ein achtes Beispiel mit Federelementen;
  • 9 ein Beispiel mit ringförmigem Heizleiter;
  • 10 ein Beispiel mit mäanderförmigem Heizleiter;
  • 11 ein Beispiel mit spiralförmigem Heizleiter;
  • 12 ein Beispiel mit isolierender Zwischenschicht und Strukturelementen an einem beheizbarem Substrat;
  • 13 und 14 Beispiele mit einem Hohlraum unterhalb der verformbaren Membran;
  • 15 und 16 Beispiele mit zusätzlichen für eine Verformung der Membran aktiv wirkenden Elementen und
  • 17 ein Beispiel mit zusätzlicher mittels Stempel an der verformbaren Membran befestigter reflektierender Schicht.
  • 1 zeigt den Querschnitt eines in Mikrosystemtechnik hergestellten Bauelements. Das Substrat 1, welches aus Silizium besteht, wurde von der Rückseite her so bearbeitet, dass sich eine Membran ausbildet. Die bimorphen Eigenschaften werden durch Abscheiden der reflektierenden Schicht 2 erreicht. Die Kontaktstellen 3a, 3b sind an den beiden Seiten angeordnet.
  • Bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen diesen Kontaktstellen 3a, 3b fließt ein elektrischer Strom über sie durch das Substrat 1 und erwärmt die Membran. Durch die auftretende Temperaturerhöhung ändert sich die Krümmung der Membran.
  • 2 zeigt denselben prinzipiellen Aufbau, jedoch ist hier das Substrat 1 durch eine elektrisch und thermisch isolierende Zwischenschicht 4 getrennt. Die Zwischenschicht 4 dient zum einen bei der Herstellung des Bauelements als Ätzstop und zum anderen wird dadurch die Wärmeleitung von der Membran zum abgetrennten Substratbereich verringert. Außerdem bietet die Verwendung dieser dritten Schicht – zusätzlich zu Substrat 1 und Schicht 2 – für die thermomechanischen Eigenschaften der Membran einen zusätzlichen Freiheitsgrad.
  • 3 zeigt wiederum den Querschnitt eines in Mikrosystemtechnik hergestellten Bauelements, bei dem auf dem Substrat 1 eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 4 und darauf eine elektrisch leitende Schicht 3 aufgebracht ist. Die leitende Schicht 3 wird dabei zum einen als Heizelement genutzt und über die Öffnungen in Schicht 2 auch zur Kontaktierung der elektrischen Zuführungen (Kontakstellen 3a und 3b).
  • Die elektrisch isolierende Zwischenschicht 4, ist hier so ausgebildet, dass auch eine signifikante thermische Isolierung zwischen der elektrisch leitenden Schicht 3 und dem Substrat 1 auftritt. Dadurch wird die thermische Kapazität des Gesamtsystems ver ringert, was zum einen eine geringere Heizleistung und zum anderen eine höhere Dynamik ermöglicht.
  • In 4 ist der Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des in Mikrosystemtechnik hergestellten Bauelements dargestellt, bei dem zur weiteren Reduzierung der thermischen Kapazität des Gesamtsystems im aktiven Bereich des Membranspiegels das Siliziumsubstrat 1 vollständig entfernt ist. Somit wird der auslenkbare Teil der Membran aus der elektrisch und thermisch isolierenden Schicht 4, der elektrisch leitenden Schicht 3 des Heizelementes und der optisch wirkenden reflektierenden Schicht 2 gebildet, wobei die Schichten 2 und 3 identisch sein können, was den Stoff oder das Stoffgemisch aus dem sie gebildet sind betrifft.
  • In 5 ist der Querschnitt eines Bauelements gezeigt, das eine bimorphe Membran, die mit dem Substrat 1 und reflektierender Schicht 2 gebildet ist, aufweist. Das Bauelement ist auf einen Träger 5 aufgebracht, z.B. eine gedruckte Leiterplatte, auf dem ein Heizelement 6 befestigt ist. Das Heizelement 6 kann ebenso in der gedruckten Leiterplatte als Leitbahnsystem integriert sein. Zur effizienten Wärmeübertragung ist auf der Rückseite der Membran eine Absorberschicht 7 aufgebracht.
  • 6 zeigt den Querschnitt eines Bauelements bei dem der innere Teil der Membran elektrisch durch vertikal die Membran durchdringende Strukturen 8 vom restlichen Substrat 1 getrennt ist. Die bimorphen Ei genschaften werden wie in 1 durch die Kombination mit reflektierender Schicht 2 erreicht. Die Zuführung des elektrischen Heizstroms erfolgt über die Kontaktstellen 3a und 3b. Der Stromfluss zwischen 3a und 3b erfolgt über den inneren Teil des Substrats 1. Die elektrisch isolierende Struktur 8 wirkt auch thermisch isolierend gegenüber dem Großteil des Substrats 1. Dadurch werden zum einen die erforderliche Heizleistung und zum anderen die thermische Kapazität reduziert. Gegebenenfalls kann zusätzlich zu Trennung des Substrats 1 eine weitere isolierende Schicht verwendet werden (in Analogie zu 6).
  • 7 zeigt ein Bauelement in Aufsicht. Die als Bimorph ausgebildete kreisförmige Membran ist über vier Arme/Aufhängungen 9a–d aufgehängt. Durch die segmentierte Aufhängung wird im Vergleich zu einer unstrukturierten Membran ein größerer Bereich näherungsweise sphärisch deformiert. Die elektrische Kontaktierung erfolgt über vier Kontaktstellen 3a–d, die z.B. abwechselnd mit Anode und Kathode einer Stromquelle verbunden werden. Aufgrund des Stromflusses heizt sich der Teil des Substrates 1 auf, der über die vertikalen Isolierungsstrukturen 8 – siehe auch 6 – vom restlichen Substrat 1 elektrisch und thermisch isolierend getrennt ist. Die gestrichelte Linie 10 ist zur Verdeutlichung eingezeichnet und markiert den Bereich, in dem das Substrat 1 von der Rückseite her so strukturiert ist, dass sich eine Membran ausbildet.
  • Die elektrischen Kontaktstellen 3a–d können auch au ßerhalb des Membranbereiches realisiert werden, wenn über eine Zuleitung die Gebiete innerhalb des Membranbereiches kontaktiert werden. Diese Variante kann für die Aufbau- und Verbindungstechnik Vorteile bieten. Auch können die Wärmewiderstände, die sich durch die Aufhängungen 9a–d ergeben, gegebenenfalls über zusätzliche gute thermische Leiter (Schicht/en) auf den Aufhängungen 9a–d kurz geschlossen werden. Damit wird die Wärme vornehmlich dort erzeugt, wo eine Temperaturerhöhung/-änderung gewollt ist.
  • 8 zeigt eine spezielle Aufhängung für den inneren als Reflektor wirkenden Teil der Membran. Die Federn 11 sind so ausgebildet, dass mechanische Spannungen – insbesondere Zug und Druck – sehr gut aufgenommen werden können. Insgesamt acht solcher Federelemente wurden in diesem Beispiel verwendet.
  • In 9 bis 12 sind spezielle Varianten der elektrischen Heizungeinrichtung dargestellt.
  • Beim in 9 gezeigten Beispiel verläuft der Heizleiter 12 von rechts startend über die Aufhängung und bildet auf der kreisförmigen bimorphen Membran einen Kreis am äußeren Rand und verläuft dann über die linke Aufhängung. Der elektrische Leiter kann entweder auf der reflektierenden Schicht 2 angebracht werden oder darunter verlaufen. Auch die planare Integration des elektrischen Heizleiters 12 in die Schicht 2 ist möglich. Gegebenenfalls kann eine dritte hochreflektierende Schicht so abgeschieden werden, dass sich eine einheitliche und plane Oberfläche für die opti sche Anwendung ergibt. Des Weiteren kann durch eine zusätzliche isolierende Schicht die reflektierende Schicht 2 vom Heizleiter 12 elektrisch isoliert werden.
  • In 10 und 11 sind weitere Varianten der elektrischen Heizung dargestellt, bei denen durch eine geeignete Strukturierung des Heizleiters 12 eine Homogenisierung der Temperaturverteilung und hierdurch eine gleichförmigere sphärische Krümmung der Membran erreicht werden kann. So kann eine Temperaturhomogenisierung, z.B. durch eine mäander- (siehe 10) oder spiralförmige (siehe 11) Strukturierung in Spulenform des Heizleiters 12 erzielt werden. Zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses des Heizleiters 12 ist dieser vorzugsweise durch eine zusätzliche Isolationsschicht von der reflektierenden Schicht 2 zu trennen.
  • In 12 ist der Querschnitt eines mikrooptischen Bauelementes mit einer weiteren Variante der elektrischen Heizungeinrichtung dargestellt, bei der das elektrische Heizelement von einer speziell ausgeführten Siliziummembran gebildet wird. Zur Gewährleistung einer vorteilhaften homogenen Temperaturverteilung ist das von der Siliziummembran gebildete Heizelement entsprechend strukturiert, wobei zur lateralen Isolation benachbarter Bereiche des Heizleiters 12 vertikale isolierende Strukturelemente 8 verwandt werden. Zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses des Heizelementes ist dieses durch eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 4 von der reflektierenden Schicht 2 getrennt.
  • Des Weiteren lässt sich ein definiertes, von einfachen sphärischen Geometrien abweichendes Oberflächenprofil der Membran durch eine geeignete Form und spezifische Anordnung des Heizelemente im aktiven Bereich der Membran zur Erzeugung einen definierten lokalen Temperatur- und Deformationsverteilung der Membran erreichen. Dabei kann das Heizelement auch aus mehreren, lokal getrennten und separat regelbaren Heizleitern z.B. als Array-Struktur ausgeführt sein. Zusätzlich zum Heizelement 12 können auf der Membran ein oder mehrere Temperatursensoren zur Messung der zeitlichen und lokalen Membrantemperatur integriert sein. Mit Hilfe der Messung und Regelung der Membrantemperatur kann die Auslenkung der Membran geregelt werden.
  • 13 zeigt den Querschnitt eines Bauelementes, das in Oberflächenmikromechanik hergestellt worden ist. Auf dem Substrat 1 ist eine bimorphe Membran aus den beiden Schichten 13 und 14 aufgebracht und zwar derart, dass sich unter dem zentralen Teil dieser Schichten 13 und 14 ein Hohlraum 16 ergibt. Technologisch kann dies z.B. mittels einer Opferschicht realisiert werden. Die elektrisch leitende Schicht 14, die als elektrische Heizung fungiert und die Schicht 13 sind so strukturiert, dass sich die Kontaktstellen 15a und 15b ergeben. Wird ein großer Bereich der Krümmung für die konkrete Anwendung gefordert, so muss sichergestellt sein, dass der Hohlraum 16 genügend groß ist. Alternativ kann die bimorphe Membran auch so gewählt werden, dass sich bei Temperaturerhöhung ein konvexer Hohlspiegel ergibt.
  • Zur Erhöhung der Heizeffizienz kann auf dem Substrat 1 im Hohlraum 16 eine Schicht aufgebracht werden, welche die Strahlungswärme zurückreflektiert.
  • Neben den bisherigen Ausführungsformen des in Mikrosystemtechnik gefertigten Bauelementes nach 1 bis 13, bei denen die Auslenkung der Membran ausschließlich durch eine thermische Aktuation der Bimorph-Membran erfolgt, lassen sich zusätzliche Varianten eines Bauelements realisieren, indem das Prinzip des thermischen Bimorph-Aktors mit weiteren physikalischen Aktuatorwirkprinzipien kombiniert wird. Durch eine Beaufschlagung der thermisch vorausgelenkten bimorphen Membran mit zusätzlichen mechanischen Kräften bzw. Momenten, die über ein weiteres Aktuatorprinzip erzeugt werden, lässt sich eine größere Auslenkung der Membran realisieren. Des Weiteren kann durch eine gezielte lokale Einleitung dieser zusätzlichen in die Spiegelmembran eingeleiteten Kräfte bzw. Momente ein definiertes Deformationsprofil höherer Ordnung der Membran eingestellt werden. Als zusätzliche Antriebsprinzipien sind insbesondere das elektrostatische, das magnetische sowie das piezoelektrische Wirkprinzip geeignet.
  • In 14 ist ein Ausführungsbeispiel eines in Oberflächenmikromechanik gefertigten Bauelementes mit zusätzlichem kapazitiven Antrieb der Membran gezeigt. Auf dem Substrat 1 ist die mit den beiden Schichten 13 und 14 gebildete bimorphe Membran so aufgebracht, dass sich unter dem zentralen Teil dieser Schichten 13 und 14 ein Hohlraum 16 ergibt. Im Hohlraum ist unterhalb der thermisch aktuierbaren bimorphen Membran eine Elektrodenstruktur 20 auf dem Substrat 1 angeordnet, wobei die Elektrodenstruktur 20 mit der elektrisch leitfähigen Schicht 14 eine elektrische Kapazität bildet. Wird zwischen der Elektrodenstruktur 20 und der Schicht 14 eine elektrische Spannung angelegt, so wirkt auf die bimorphe Membran eine elektrostatische Kraft ein, welche einen zusätzlichen Beitrag zur Membranverkrümmung liefert. Wird die Elektrode 20 zusätzlich strukturiert (z.B. als Waben- oder Ringelektroden-Array), wobei jede Einzelelektrode elektrisch individuell ansteuerbar ist, so lassen sich lokale Deformationsprofile höherer Ordnung der Membran realisieren.
  • In 15 ist der Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispieles eines in Mikrosystemtechnik gefertigten Bauelementes mit zusätzlichem kapazitivem Antrieb der Membran dargestellt. Membran mit Substrat 1 sind auf einem zusätzlichen Trägersubstrat 22 angeordnet. Dabei besitzt das Trägersubstrat 22 in Analogie zum Beispiel nach 14 eine Elektrodenanordnung 20, über die eine zusätzliche Aktuation der thermisch verkrümmten bimorphen Membran erfolgen kann.
  • In 16 ist ein Ausführungsbeispiel mit einer thermisch aktuierten bimorphen Membran mit zusätzlichem magnetischem Antrieb der Membran dargestellt.
  • Bei diesem ist das Membranspiegel-Bauelement auf einem Magneten 21 (Permanent- oder Elektromagnet) angeordnet. Das Heizelement 12 der Membran ist spulenförmig ausgelegt (siehe 11). Die Zuführung des elektrischen Heizstroms erfolgt über die Kontaktstellen 3a und 3b. Der Stromfluss zwischen 3a und 3b verursacht zum einen eine Erwärmung der bimorphen Membran, die sich infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Membranschichten verkrümmt. Zusätzlich zur thermisch Aktuation erfolgt eine elektromagnetische verursachte Auslenkung der Membran, da der im spulenförmigen Heizleiter 12 fließende elektrische Strom mit dem vom Magneten 21 erzeugten Magnetfeld wechselwirkt, so dass die Lorenzkraft als weitere Kraftkomponente auf die Membran einwirkt und selbige auslenkt.
  • Neben der bisher erörterten Anwendung des Bauelementes zur Fokussierung bzw. Defokussierung lässt sich das Prinzip der thermisch aktuierten bimorphen Membran auch zur Modulation einer optischen Weglänge, z.B. zur Korrektur einer optischen Wellenfront oder für konfokale Systeme, nutzen.
  • In 17 ist ein Ausführungsbeispiel eines modifizierten Bauelements zur optischen Weglängenmodulation dargestellt. Über der thermisch aktuierte bimorphe Membran ist die optisch wirksame Schicht 2' als räumlich getrennter Bestandteil des Bauelementes angeordnet. Dabei ist die Schicht 2' über einen Stempel 23 mit der thermisch ausgelenkten bimorphen Membran mechanisch verbunden. Dabei ist der Stempel 23 im Zent rum der bimorphen Membran angeordnet, so dass bei Verkrümmung der bimorphen Membran eine reine Translationsbewegung der Schicht 2' erfolgt, die eine Änderung der optischen Weglänge bewirkt. Ein modifiziertes Bauelement zur Wellenfrontkorrektur (siehe 17) ist in Analogie zu 14 bis 16 mit anderen Aktuatorwirkprinzipien kombinierbar.
  • Des Weiteren lassen sich mehrere einzelne Bauelemente in einer Array-Struktur anordnen. Hierbei ist eine monolytische, d.h. integrierte Array-Anordnung mehrerer elastisch verformbarer Membranen, als auch eine hybride Array-Anordnung, bestehend aus einer Vielzahl diskreter Bauelemente, möglich.

Claims (18)

  1. Mikrooptisches reflektierendes Bauelement mit veränderbarer Brennweite, bei dem eine elastisch verformbare Membran, die zumindest mit einer elektromagnetische Strahlung reflektierenden Schicht (2, 13) aus einem ersten Stoff oder Stoffgemisch und mindestens einer weiteren Schicht (3, 14) oder einem Substrat (1) aus einem zweiten Stoff oder Stoffgemisch gebildet ist; dabei der erste und zweite Stoff oder die Stoffgemische voneinander abweichende thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen; und eine Heiz- oder Temperiereinrichtung (6, 12) vorhanden ist.
  2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran mit mindestens drei Schichten (2, 3, 4, 7, 13, 14) oder mindestens zwei Schichten (2, 3, 4, 7, 13, 14) und dem Substrat (1) gebildet ist.
  3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran an ihrem radial äußeren Rand mittels einer Aufhängung (9a–d, 11) gehalten oder eingespannt ist.
  4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizeinrichtung (12) als elektrische Widerstandsheizeinrichtung ausgebildet ist.
  5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizeinrichtung (12) in die Membran integriert ist.
  6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor für eine Temperaturregelung vorhanden ist.
  7. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein integriertes Element zur Bestimmung der Verformung der Membran, vorhanden ist.
  8. Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das integrierte Element ein piezoresistiver Sensor, kapazativer Sensor, magnetostriktiver Sensor, optischer Sensor, elektromagnetischer Sensor, resistiver Sensor oder Hall-Effekt Sensor ist.
  9. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine isolierende Schicht (4) Bestandteil der Membran ist.
  10. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Seite der Membran, die der reflektierenden Schicht (2) gegenüber liegt, ein Heizelement (6) und/oder eine absorbierende Schicht (5) angeordnet ist/sind.
  11. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung oder Temperierung der Membran mittels Wärmestrahlung, die auf die Membran gerichtet ist, erreichbar ist.
  12. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass an einer Seite der Membran weitere zur elastischen Verformung der Membran nutzbare Elemente (20, 21) angeordnet sind.
  13. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Elemente Kontakte (20), Magnete (21) oder Elektromagnete angeordnet sind.
  14. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einer elektromagnetische Strahlung reflektierender Oberfläche versehenes Element (2') mit einem Stempel (22) mit der Membran verbunden ist.
  15. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Membran Strukturelemente (8) lokal definiert ausgebildet und/oder darin/daran angebracht sind.
  16. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran an zwei sich diametral gegenüberliegenden Außenseiten auf gehangen oder eingespannt ist.
  17. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere deformierbare Membranen vorhanden sind, mit denen eine Brennweitenvariation mehrerer Strahlen elektromagnetischer Strahlung erreichbar ist.
  18. Verwendung eines Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei konfokalen Mikroskopen, bei Systemen zur Erfassung von Strichcode oder 2D-Codes, in adaptiv optischen Systemen, zur Fokusnachführung in CD/DVD Lese-/Schreibgeräten.
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