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Die
Erfindung bezieht sich auf aktive mikrooptische reflektierende Bauelemente
zur Anpassung bzw. Änderung
der Brennweite bzw. Fokuslage in optischen Systemen.
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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.
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Charakteristik
der bekannten technischen Lösungen
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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.
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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.)
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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.
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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.
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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.
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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.
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Problemstellung
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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.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit Bauelementen, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen,
gelöst.
Vorteilhafte Verwendungen ergeben sich gemäß Anspruch 18.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nachfolgend
soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei
zeigen:
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1 ein
erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem die
verformbare Membranmit reflektierender Schicht und einem Bereich
eines Substrates gebildet ist;
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2 ein
zweites Beispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem eine
zusätzliche isolierende
Zwischenschicht vorhanden ist;
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3 ein
drittes Beispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem eine
zusätzliche elektrisch
leitende Schicht vorhanden ist;
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4 ein
viertes Beispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem eine
zusätzliche elektrisch
leitende Schicht und eine isolierende Zwischenschicht vorhanden
sind;
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5 ein
fünftes
Beispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements,
bei dem eine Absorptionsschicht vorhanden ist;
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6 ein
sechstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements mit Strukturelementen;
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7 ein
siebentes Beispiel eines erfindungsgemä ßen Bauelements mit Aufhängungen
und Strukturelementen;
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8 ein
achtes Beispiel mit Federelementen;
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9 ein
Beispiel mit ringförmigem
Heizleiter;
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10 ein
Beispiel mit mäanderförmigem Heizleiter;
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11 ein
Beispiel mit spiralförmigem
Heizleiter;
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12 ein
Beispiel mit isolierender Zwischenschicht und Strukturelementen
an einem beheizbarem Substrat;
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13 und 14 Beispiele
mit einem Hohlraum unterhalb der verformbaren Membran;
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15 und 16 Beispiele
mit zusätzlichen
für eine
Verformung der Membran aktiv wirkenden Elementen und
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17 ein
Beispiel mit zusätzlicher
mittels Stempel an der verformbaren Membran befestigter reflektierender
Schicht.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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In 9 bis 12 sind
spezielle Varianten der elektrischen Heizungeinrichtung dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zur
Erhöhung
der Heizeffizienz kann auf dem Substrat 1 im Hohlraum 16 eine
Schicht aufgebracht werden, welche die Strahlungswärme zurückreflektiert.
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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.
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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.
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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.
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In 16 ist
ein Ausführungsbeispiel
mit einer thermisch aktuierten bimorphen Membran mit zusätzlichem
magnetischem Antrieb der Membran dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.