DE102013220787A1 - Mikromechanisches Bauelement mit integrierter Photodiode und Mikroprojektor - Google Patents

Mikromechanisches Bauelement mit integrierter Photodiode und Mikroprojektor Download PDF

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement (500) mit wenigstens einem Mikrospiegel (510). Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das mikromechanische Bauelement (500) eine integrierte Photodiode (550) aufweist. Die Erfindung betrifft auch einen Mikroprojektor mit einer Lichtquelle und mit einem mikromechanischen Bauelement (500) mit wenigstens einem Mikrospiegel (510), wobei das mikromechanische Bauelement (500) eine integrierte Photodiode (550) zum Empfang von Licht der Lichtquelle aufweist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit wenigstens einem Mikrospiegel. Die Erfindung geht auch aus von einem Mikroprojektor mit einer Lichtquelle und mit einem mikromechanischen Bauelement mit wenigstens einem Mikrospiegel.
  • Laserdioden werden in Verbindung mit scannenden mikromechanischen Spiegeln zur Bilderzeugung in Pico-Projektoren und Laserdruckern verwendet. Zur Abdeckung eines großen Farbspektrums kommen üblicherweise rote, grüne und blaue Dioden zum Einsatz. Die bei gegebenem Antriebsstrom emittierte optische Ausgangsleistung wird durch die Dioden-Temperatur sowie Alterungseffekte beeinflusst. Diese Effekte können für verschiedene Dioden sehr unterschiedlich ausgeprägt sein, dadurch kann sich die erzielte Farbe deutlich von der gewünschten Farbe unterscheiden. Kompensation dieser Effekte ist durch Regelung des Dioden-Antriebsstroms abhängig vom Signal eines Photo-Detektors möglich, der die optische Ausgangsleistung überwacht. Eine gängige Umsetzungsform in Laserscannern und Laserdruckern ist die Überwachung jeder Laserdiode mit je einem Detektor, typischerweise einer Photo-Diode. Durch bauliche Trennung kann sichergestellt werden, dass jeder Detektor nur von einer Laserdiode beleuchtet wird. Alternativ können Farbfilter oder wellenlängensensitive Detektoren verwendet werden, die als einzelnes Bauelement entweder im Lasermodul oder an einer geeigneten anderen Stelle im Scanner-Modul platziert werden.
  • Allen oben genannten Vorrichtungen im Stand der Technik ist gemeinsam, dass als Detektoren zusätzliche Elemente verwendet werden, für die Zusatzkosten entstehen und zusätzlicher Bauraum aufgewendet werden muss.
  • Die Schrift US20070252806 offenbart eine Schaltung mit drei Laserdioden und Treibern, sowie einer Photodiode zur Überwachung und Regelung der Lichtintensität. Die Schrift US20090160833 offenbart einen Laserprojektor mit drei Laserdioden, drei Strahlteilern und drei Photodioden, sowie einem Spiegel in einem diskreten Aufbau.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit wenigstens einem Mikrospiegel. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das mikromechanische Bauelement eine integrierte Photodiode aufweist. Optische Aufbauten benötigen in vielen Fällen einen Lichtdetektor. Vorteilhaft kann die Photodiode in das mikromechanische Bauelement technisch leicht integriert und somit ohne große Mehrkosten ein Lichtdetektor zur Verfügung gestellt werden. Vorteilhaft wird hierzu ohnehin verfügbarer Bauraum in dem mikromechanischen Bauelement genutzt.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass der Mikrospiegel und die integrierte Photodiode an einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Vorteilhaft können hierdurch der Mikrospiegel und die Photodiode in einem gemeinsamen Herstellungsprozess gefertigt werden. Vorteilhaft haben hierdurch der Mikrospiegel und die Photodiode eine feste Ortsbeziehung und Ausrichtung zueinander, was für optische Vorrichtungen und Bauelemente in deren Strahlengang besonders wichtig ist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass eine Spiegelfläche des Mikrospiegels an einer ersten Substratseite angeordnet ist und dass eine Photodiode an der ersten Substratseite angeordnet ist, derart, dass der Mikrospiegel und die Photodiode innerhalb eines gemeinsamen Einfallsbereichs für einfallendes Licht angeordnet sind. Vorteilhaft kann mit einer solchen Vorrichtung besonders einfach und zuverlässig die auf den Spiegel einfallende Lichtleistung bestimmt werden.
  • Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass eine Spiegelfläche des Mikrospiegels an einer ersten Substratseite angeordnet ist, eine Kappe an einer zweiten Substratseite angeordnet ist, wobei die zweite Substratseite der ersten Substratseite gegenüberliegend angeordnet ist, und eine Photodiode an der zweiten Substratseite in einem von der Kappe überdeckten Bereich angeordnet ist, derart, dass der Mikrospiegel und die Kappe innerhalb eines gemeinsamen Einfallsbereichs für einfallendes Licht angeordnet sind und dass die Photodiode zum Empfang von Streulicht, welches von der Kappe ausgeht, eingerichtet ist. Vorteilhaft lässt sich hierdurch die Photodiode besonders platzsparend anordnen, beispielsweise ohne den Bauraum für den Mikrospiegel zu beschränken.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass das Substrat eine Kontaktierungsebene aufweist und die Photodiode in der Kontaktierungsebene oder in einer angrenzenden Ebene angeordnet ist. Vorteilhaft lässt sich so die integrierte Photodiode einfach und billig elektrisch kontaktieren.
  • Vorteilhaft ist auch, dass das Substrat wenigstens eine dotierte Halbleiterschicht, aufweist und die Photodiode in der dotierten Halbleiterschicht angeordnet ist. Vorteilhaft läßt sich hierbei die Photodiode ohne zusätzliche Prozesse, bzw. mit wenigen zusätzlichen Herstellungsschritten in das mikromechanische Bauelement integrieren. Besonders vorteilhaft ist das Substrat ein Siliziumsubstrat, oder das Substrat ist ein mehrschichtiges Substrat und weist wenigstens eine Siliziumschicht auf. Vorteilhft ist hierbei, dass zur Herstellung des mikromechanischen Bauelements und insbesondere der integrierten Photodiode eingeführte Prozesse der Silizium-Halbleitertechnik verwendet werden können.
  • Die Erfindung geht auch aus von einem Mikroprojektor mit einer Lichtquelle und mit einem mikromechanischen Bauelement mit wenigstens einem Mikrospiegel. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das mikromechanische Bauelement eine integrierte Photodiode zum Empfang von Licht der Lichtquelle aufweist.
  • Vorteilhaft lässt sich so der Mikroprojektor mit einer Photodiode ausstatten, ohne zusätzlichen nennenswerten Bauraum hierfür.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroprojektors sieht vor, dass die Lichtquelle eine Laserlichtquelle, insbesondere mit einem Halbleiter-Lasermedium, ist. Vorteilhaft kann eine Laserlichtquelle aufgrund der Lichtintensitätsmessung mittels Photodiode mittels Ansteuerstrom gut leistungsgeregelt werden.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroprojektors sieht vor, dass die Laserlichtquelle wenigstens einer erste Laserwellenlänge und wenigstens eine zweite Laserwellenlänge aufweist, und die Strahlengänge des emittierten Lichts der ersten Laserwellenlänge und der zweiten Laserwellenlänge wenigstens teilweise überdeckend sind. Vorteilhaft können mit einer Photodiode Leistungsmessungen für mehrere Laserwellenlängen vorgenommen werden, weil die Lichtempfindlichkeit der Photodiode relativ breitbandig ist und weil mit überdeckenden Strahlengängen dieselbe Photodiode ohne zusätzlichen Aufwand mit Licht bestrahlt werden kann.
  • Vorteilhaft ist auch, dass die Laserlichtquelle wenigstens einen ersten Laser mit einer ersten Laserwellenlänge und wenigstens einen zweiten Laser mit einer zweiten Laserwellenlänge aufweist. Eine andere vorteilhfte Ausgestaltung sieht vor, dass die Laserlichtquelle einen Laser aufweist, welcher Licht mit einer ersten und mit einer zweiten Wellenlänge aussendet.
  • Die Erfindung ermöglicht die Überwachung der optischen Ausgangsleistung einer oder mehrerer Laserdioden mit einer Photo-Diode, um Temperatur- und Alterungseffekte zu kompensieren. Durch Integration der Photo-Diode in ein als Scanner dienendes mikromechanisches Modul (MEMS) wird die Bestückung eines oder mehrerer zusätzlicher Bauelemente vermieden, so dass im Gesamtsystem Bauraum und Kosten gespart werden können.
  • Der Herstellungsprozess von Mikro-Spiegeln in Form von mikromechanischen Modulen (MEMS) für scannende optische Anwendungen wie Laserscannern oder Laserprojektoren erlaubt auch die Herstellung von Photo-Dioden als Bestandteil des MEMS. Durch geeignete Wahl der Prozessfolge und Platzierung der Photo-Diode im MEMS können der dafür aufzuwendende Bauraum und die Kosten reduziert werden, im Idealfall kann die Photo-Diode Kosten- und Bauraum-neutral integriert werden.
  • Für eine korrekte Überwachung der optischen Ausgangsleistung muss sichergestellt sein, dass die Photo-Diode ausreichend gut beleuchtet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dafür innerhalb des MEMS gestreutes Licht aus dem Randbereich des Primärstrahles genutzt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das Licht direkt aus dem Primärstrahl detektiert.
  • Zeichnung
  • 1 zeigt eine Laserlichtquelle im Stand der Technik mit drei Lasern und einer Photodiode.
  • 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Mikroprojektor mit einer Laserlichtquelle und mit einem mikromechanischen Bauelement mit einem Mikrospiegel und einer integrierten Photodiode.
  • 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements mit einem Mikrospiegel und einer integrierten Photodiode.
  • 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements mit einem Mikrospiegel und einer integrierten Photodiode.
  • Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt eine Laserlichtquelle im Stand der Technik mit drei Lasern und einer Photodiode. Dargestellt ist ein Lasermodul 200 mit Überwachung von drei Laserdioden 211, 212, 213 mit einer Photodiode 230. Drei Laserstrahlen werden mittels Strahlteilern 221, 222, 223, zu einem Strahl kombiniert. Ein Anteil des kombinierten Strahls wird auf die Photodiode 230 gelenkt, welche ebenfalls innerhalb des Lasermoduls 200 angeordnet ist. Die Photodiode 230 wird als gemeinsamer Detektor für die Strahlungsleistung aller drei Laserdioden verwendet. Dieser Detektor kann typischerweise mit Farbfiltern zur selektiven Überwachung der einzelnen Laserdioden realisiert werden.
  • 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Mikroprojektor mit einer Laserlichtquelle und mit einem mikromechanischen Bauelement mit einem Mikrospiegel und einer integrierten Photodiode. Dargestellt ist ein Mikroprojektor 200 mit einer Lichtquelle 400 und mit einem mikromechanischen Bauelement 500. Die Lichtquelle 400 weist drei Laserdioden 411, 412, 413 auf, deren ausgesendetes Licht in Form von drei Laserstrahlen mittels Strahlteilern 421, 422, 423, zu einem Strahl kombiniert wird. Der Kombinierte Strahl tritt an der Apertur 440 aus der Lichtquelle 400 aus. Das mikromechanische Bauelement 500 weist einen beweglichen Mikrospiegel 510 und erfindungsgemäß eine integrierte Photodiode 550 auf. Das mikromechanische Bauelement 500 ist derart im Strahlengang der Lichtquelle 400 angeordnet, dass der kombinierte Strahl auf den Mikrospiegel 510 trifft und von diesem zur Darstellung eines Projektorbildes abgelenkt werden kann. Die Photodiode 550 wird als gemeinsamer Detektor für die Strahlungsleistung aller drei Laserdioden verwendet. Die Erfindung nutzt den im mikromechanischen Bauelement (MEMS) vorhandenen Bauraum zur Platzierung der Photodiode 550. In der Figur ist schematisch eine Position der Photodiode 550 neben dem Mikrospiegel 510 skizziert. An dieser Stelle tritt Streulicht des Primärstrahls auf.
  • 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements mit einem Mikrospiegel und einer integrierten Photodiode. Dargestellt ist ein mikromechanisches Bauelement 500 mit einem Substrat 505 und einer Kappe 540. Aus dem Substrat 505 ist ein Mikrospiegel 510 und ein Chiprahmen 530 herausstrukturiert. Erfindungsgemäß ist in das mikromechanische Bauelement 500 eine Photodiode 550 integriert. Die Photodiode 550 ist ebenfalls am Substrat 505 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Spiegelfläche des Mikrospiegels 510 an einer ersten Substratseite angeordnet und eine Kappe an einer zweiten Substratseite angeordnet, wobei die zweite Substratseite der ersten Substratseite gegenüberliegend, d.h. durch das Substrat hindurch gesehen auf der anderen Seite des Substrats, angeordnet ist. Die Photodiode 550 ist an der zweiten Substratseite in einem von der Kappe 540 überdeckten Bereich angeordnet. Der Mikrospiegel 510 und die Kappe 540 sind innerhalb eines gemeinsamen Einfallsbereichs für einfallendes Licht 560 z.B. in Form eines Laserstrahls angeordnet.
  • Die Photodiode 550 ist derart eingerichtet, dass sie Streulicht 580, welches von der Kappe ausgeht, empfangen kann. Der Mikrospiegel 510 ist mittels eines Federsystems beweglich aufgehängt und mit dem festen Chiprahmen 520 verbunden. Der Mikrospiegel 510 weist eine Kontaktierungsebene 530 auf. Die Kontaktierungsebene 530 dient dazu einen Spiegelantrieb anzubinden und elektrisch von außen kontaktierbar zu gestalten. Die Kontaktierungsebene 530 wird auch für die Positionierung und Kontaktierung der Photodiode 550 genutzt.Die Photodiode 550 ist in der Kontaktierungsebene 530 oder auch in einer angrenzenden Ebene angeordnet und mit der Kontaktierungsebene 530 verbunden. Zum Schutz vor äußerlichen Beschädigungen und Schmutz weist das mikromechanische Bauelement 500 die Kappe 540 auf. Auf den Mikrospiegel 510 einfallendes Licht 560, z.B. ein Laserstrahl, hat nach der Apertur ein Gauß-Profil 570, d.h. die Intensität konzentriert sich auf einen Kernbereich und fällt dann nach außen exponentiell ab. Der um eine oder mehrere Drehachsen bewegliche Mikrospiegel 510 ist so positioniert, dass er den Kernbereich des Laserstrahls reflektiert. Seitlich vom Spiegel liegt aber immer eine Restintensität vor. Dieses Restlicht 580 breitet sich am Mikrospiegel vorbei aus, trifft auf die Kappe 540, wird von der Kappe 540 gestreut und trifft dann auf die Photodiode 550. Der Anteil des gestreuten Lichts ist bauteilabhängig. Das Signal der Photodiode wird daher im Neuzustand für jedes Bauteil kalibriert. Die in der 3 gezeigte und beschriebene Positionierung der Photodiode 550 ist vorteilhaft, weil an dieser Stelle ungenutzter Bauraum zur Verfügung steht, eine elektrische Kontaktierung leicht möglich ist und die Herstellung der Diode gut in die Prozessfolge zur Herstellung des mikromechanischen Bauelements 500 integrierbar ist.
  • 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements mit einem Mikrospiegel und einer integrierten Photodiode. Dargestellt ist ein mikromechanisches Bauelement 500 mit einem Substrat 505. Aus dem Substrat 505 ist ein Mikrospiegel 510 und ein Chiprahmen 530 herausstrukturiert. Erfindungsgemäß ist in das mikromechanische Bauelement 500 eine Photodiode 550 integriert. Die Photodiode 550 ist ebenfalls am Substrat 505 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Spiegelfläche des Mikrospiegels 510 und die Photodiode 550 an einer ersten Substratseite angeordnet. An der ersten Substratseite ist auch eine Kontaktierungsebene 530 angeordnet, mit der die Photodiode 550 elektrisch verbunden ist, bzw. in der die Photodiode 550 ebenfalls angeordnet ist. In dieser Ausführungsform werden der Mikrospiegel 510 und die Photodiode 550 gleichermaßen von einem einfallenden Licht 560 getroffen, weil sie innerhalb eines Einfallsbereichs für einfallendes Licht angeordnet sind. Dabei fällt das Intensitätsmaximum auf den Mikrospiegel 510, und Restlicht aus Randbereichen des einfallenden Lichtstrahls trifft die Photodiode 550.
  • Zur Herstellung einer Photo-Diode in einem mikromechanischen (MEMS) Bauelement mit Halbleitersubstrat sind p- und n-Dotierungen erforderlich. Eine kostenneutrale Darstellung einer im MEMS integrierten Photodiode ist möglich, wenn für deren Herstellung keine zusätzlichen Prozessschritte erforderlich sind. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das möglich, wenn Implantierungen zur Halbleiter-Dotierung bereits für andere Elemente des MEMS genutzt werden. Solche Elemente sind beispielsweise Piezo-Widerstände auf Federstrukturen zur Aufhängung des Mikrospiegels. Diese Piezo-Widerstände werden beispielsweise genutzt um eine elektrische Erkennung und nachfolgende Regelung der Spiegelposition zu ermöglichen.
  • Die Erfindung kann Anwendung in einem Laserprojektor oder Mikroprojektor mit einem oder mehreren scannenden Mikrospiegeln finden. Eine Anwendung in einem Laserdrucker mit scannendem Mikrospiegel ist ebenfalls möglich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 20070252806 [0004]
    • US 20090160833 [0004]

Claims (10)

  1. Mikromechanisches Bauelement (500) mit wenigstens einem Mikrospiegel (510), dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauelement (500) eine integrierte Photodiode (550) aufweist. (4)
  2. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrospiegel (510) und die integrierte Photodiode (550) an einem gemeinsamen Substrat (505) angeordnet sind.
  3. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spiegelfläche des Mikrospiegels (510) an einer ersten Substratseite angeordnet ist und dass eine Photodiode (550) an der ersten Substratseite angeordnet ist, derart, dass der Mikrospiegel (510) und die Photodiode (550) innerhalb eines gemeinsamen Einfallsbereichs für einfallendes Licht angeordnet sind. (6)
  4. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spiegelfläche des Mikrospiegels (510) an einer ersten Substratseite angeordnet ist, eine Kappe (540) an einer zweiten Substratseite angeordnet ist, wobei die zweite Substratseite der ersten Substratseite gegenüberliegend angeordnet ist, und eine Photodiode (550) an der zweiten Substratseite in einem von der Kappe (540) überdeckten Bereich angeordnet ist, derart, dass der Mikrospiegel (510) und die Kappe (540) innerhalb eines gemeinsamen Einfallsbereichs für einfallendes Licht (560) angeordnet sind und dass die Photodiode zum Empfang von Streulicht, welches von der Kappe (540) ausgeht, eingerichtet ist. (5)
  5. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (505) eine Kontaktierungsebene aufweist und die Photodiode (550) in der Kontaktierungsebene (530) oder in einer angrenzenden Ebene angeordnet ist.
  6. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (505) wenigstens eine dotierte Halbleiterschicht, aufweist und die Photodiode (550) in der dotierten Halbleiterschicht angeordnet ist.
  7. Mikroprojektor mit einer Lichtquelle und mit einem mikromechanischen Bauelement (500) mit wenigstens einem Mikrospiegel (510), dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauelement (500) eine integrierte Photodiode (550) zum Empfang von Licht der Lichtquelle aufweist.
  8. Mikroprojektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine Laserlichtquelle, insbesondere mit einem Halbleiter-Lasermedium, ist.
  9. Mikroprojektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle wenigstens einer erste Laserwellenlänge und wenigstens eine zweite Laserwellenlänge aufweist, und die Strahlengänge des emittierten Lichts der ersten Laserwellenlänge und der zweiten Laserwellenlänge wenigstens teilweise überdeckend sind.
  10. Mikroprojektor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle wenigstens einen ersten Laser mit einer ersten Laserwellenlänge und wenigstens einen zweiten Laser mit einer zweiten Laserwellenlänge aufweist.
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