DE102016208926A1

DE102016208926A1 - MOEMS-Vorrichtung sowie entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102016208926A1
Application number: DE102016208926.9A
Authority: DE
Inventors: Robert Kakonyi; Balazs Jatekos
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-24
Filing date: 2016-05-24
Publication date: 2017-11-30
Also published as: WO2017202519A1

Abstract

Die Erfindung schafft eine MOEMS-Vorrichtung sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die MOEMS-Vorrichtung umfasst ein Substrat (5), in dem eine Kavität (C) ausgebildet ist; einen in der Kavität (C) elastisch aufgehängten Trägerbereich (3), welcher zumindest entlang einer ersten Achse (x) elastisch auslenkbar ist; eine in der Kavität (C) vorgesehenen Antriebseinrichtung (D) zum Auslenken des Trägerbereichs (3); eine auf oder in dem Trägerbereich (3) vorgesehenen Lasereinrichtung (1‘), welche ausgebildet ist, einen ersten Laserstrahl (B) entlang einer zweiten Achse (y) zu emittieren, welche im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse (x) verläuft; eine Linseneinrichtung (15), welche oberhalb der Lasereinrichtung (1‘) derart am Substrat (5) angebracht ist, dass sie die Kavität (C) verkappt, und welche derart gestaltet ist, dass sie den ersten Laserstrahl (B) in einen zweiten Laserstrahl (B0) transformiert, welcher einen Winkel (α) mit der zweiten Achse (y) bildet, der abhängig von einer Auslenkung des Trägerbereichs (3) entlang der ersten Achse (x) ist; und eine Anschlusseinrichtung (A) zum Anschließen einer externen Steuereinrichtung (CU).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine MOEMS-Vorrichtung sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Stand der Technik
Obwohl auch beliebige optische Vorrichtungen und Systeme anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von optischen Vorrichtungen zur Entfernungsmessung erläutert.
MOEMS-Vorrichtungen sind mikro-opto-elektro-mechanische Vorrichtungen, welche optische Komponenten, z.B. Laserquellen, und mikromechanische Komponenten, z.B. Mikrospielgel aufweisen.
In jüngerer Zeit werden optische Systeme zur Entfernungsmessung unter Verwendung des Zeilenbildabtastverfahrens entwickelt. Das Messprinzip basiert auf der Bestimmung der Länge des Lichtweges von einer Laserquelle zu einem Objekt mit einer optischen Reflexionsfläche. Bekannte optische Systeme zur Entfernungsmessung umfassen einen um eine Achse verkippbaren Mikrospiegel, welcher den Laserstrahl ablenkt und ermöglicht, die Entfernung eines zu erfassenden Objekts entlang einer Zeile zu scannen. Seit Kurzem wird auch an optischen Systemen zur Entfernungsmessung mit zweidimensionaler Abtastung gearbeitet.
Am schwierigsten gestaltet sich dabei die Entwicklung eines geeigneten Mikrospiegels mit entsprechendem Aufhängungs- und Antriebsmechanismus sowie dessen Verpackung. Aufgrund derartiger Anforderungen liegen die Größen üblicher optischer Systeme zur Entfernungsmessung mit Mikrospiegel im Bereich von einigen bis einigen 10 mm. Dies beschränkt ihre Anwendbarkeit in tragbaren Geräten.
Die US 2013/0063718 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur optischen Messung eines physikalischen Parameters mit einer Laserlichtquelle zum Erzeugen eines Messstrahls in Richtung eines Objekts und zum Empfangen des durch das Objekt reflektierten Messstrahls, wobei der Messstrahl entlang eines optischen Wegs verläuft, dessen Variation von dem zu erfassenden physikalischen Parameter abhängt. Die Laserlichtquelle hat eine optische Kavität. Weiterhin vorgesehen sind ein Bewegungssensor für die Laserlichtquelle sowie Elemente zum Berechnen des physikalischen Parameters aus einem an der Laserlichtquelle gemessenen Signal und einem von dem Bewegungssensor gemessenen Signal.
G. Giuliani et al., „Laser diode self-mixing technique for sensing applications", J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 4 (2002), Seiten 283 bis 294 beschreiben die Grundlagen der Laserdioden-Selbstmischtechnik sowie deren mögliche Anwendungen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine MOEMS-Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 10.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee beruht darauf, dass eine einzelne quasi-ideale Linse in achsenparalleler Anordnung die Achsenbewegung der Laserquelle mit einer gewissen Divergenz in eine Winkelablenkung eines kollimierten Laserstrahls umwandelt.
Die vorliegende Erfindung schafft eine MOEMS-Vorrichtung mit einer Laserquelle, bei der die Laserquelle zumindest entlang einer Achse elastisch auslenkbar ist, wobei oberhalb der Laserquelle eine Linseneinrichtung angeordnet ist, welche den von der Laserquelle emittierten Laserstrahl in einen im Wesentlichen parallelen Laserstrahl umwandelt, wobei ein Ablenkwinkel des umgewandelten Laserstrahls von einer Auslenkung der Laserquelle entlang der Achse abhängt. Da die Winkelablenkung des Laserstrahls durch die Bewegung der Laserquelle entlang der Achse durch die Linseneinrichtung erzielt wird, kann auf einen Mikrospiegel mit aufwendiger Aufhängung und Verpackung verzichtet werden. Insbesondere ist der Platzbedarf reduziert, da die Kippbewegung des bekannten Mikrospiegels wegfällt, sodass die gesamte Vorrichtung wesentlich kleiner gestaltet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Trägerbereich über eine Federeinrichtung an gegenüberliegenden Seitenwänden des Substrats aufgehängt. So lässt sich eine elastische und gleichzeitig stabile Aufhängung realisieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die Antriebseinrichtung einen kapazitiven Antrieb. Derartige Antriebe sind mittels mikromechanischer Standardprozesse einfach herstellbar und energiesparend.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Lasereinrichtung eine Empfängereinrichtung, beispielsweise eine Photodiode, zum Empfangen eines von einem externen Objekt reflektierten zweiten Laserstrahls aufweist. So lässt sich eine einfache Anordnung für das Selbstmischverfahren integriert herstellen, bei der der Empfänger nahe dem Sender ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist an der Linseneinrichtung eine Strahlteilereinrichtung zum Teilen des zweiten Laserstrahls in zwei Komponenten angebracht ist. So lässt sich eine einfache Anordnung für das Selbstmischverfahren integriert herstellen, bei der der Empfänger extern vorgesehen wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Linseneinrichtung derart gestaltet ist, dass sie den ersten Laserstrahl in einen im Wesentlichen kollimierten zweiten Laserstrahl transformiert. Dies erhöht die Auflösung beim Scannen. Bei bestimmten Anwendungen ist es auch möglich, dass der Laserstrahl nicht kollimiert wird, sondern eine Kollimierung erst in einem bestimmten Abstand von der MOEMS-Vorrichtung durchgeführt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der in der Kavität elastisch aufgehängte Trägerbereich entlang einer dritten Achse elastisch auslenkbar ist, welche im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Achse verläuft, wobei die Linseneinrichtung derart gestaltet ist, dass sie den ersten Laserstrahl in einen zweiten Laserstrahl transformiert, welcher einen Winkel mit der zweiten Achse bildet, der abhängig von einer Auslenkung des Trägerbereichs entlang der ersten Achse und der dritten Achse ist, so dass ein Flächenbereich durch den zweiten Laserstrahl abtastbar ist. So lässt sich der Scanbereich vergrößern, ohne dass sich der Platzbedarf erheblich vergrößert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Lasereinrichtung eine Laserdiode auf. Derartige Laserdioden sind mit sehr kleinen Dimensionen herstellbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Lasereinrichtung in dem Trägerbereich integriert. Somit entfällt die Notwendigkeit der Montage eines weiteren Bauteils, und der Platzbedarf verringert sich weiter.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Funktionsprinzips;
2a), b) schematische Querschnittsansichten einer MOEMS-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Querschnittsansicht einer MOEMS-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 eine schematische Querschnittsansicht einer MOEMS-Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung des der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Funktionsprinzips.
In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Laserquelle, welche in einem x/y-Koordinatensystem angeordnet ist. Eine quasi-ideale Linse 10 ist achsenparallel zur y-Achse und symmetrisch zur x-Achse angeordnet. Die Laserquelle 1 befindet sich um die Brennweite f der Linse 10 in negativer x-Richtung versetzt und um eine Entfernung Δy = h in y-Richtung versetzt. Durch die Linseneinrichtung 10 wird ein von der Laserquelle 1 erzeugter Laserstrahl B in einen parallelen Laserstrahl B' umgewandelt, welcher einen Winkel α mit der x-Achse bildet. Der Winkel α ist dabei proportional zur Auslenkung Δy in positiver bzw. negativer y-Richtung. Ist Δy = 0, so ist auch der Winkel α = 0°. Gemäß diesem Funktionsprinzip kann eine variable Winkelablenkung des Laserstrahls B' dadurch erzielt werden, dass eine variable Auslenkung Δy der Laserquelle 1 in y-Richtung erzeugt wird.
2a), b) sind schematische Querschnittsansichten einer MOEMS-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 2a), b) bezeichnet Bezugszeichen 5 ein Substrat, beispielsweise ein Wafersubstrat, welches eine Kavität C aufweist, die von den Seitenwänden 5a, 5b und der Bodenwand 5c des Substrats 5 umschlossen ist. An der Oberseite der Seitenwände 5a, 5b ist eine Linseneinrichtung 15 angebracht, beispielsweise durch eine Verklebung K, wodurch die Kavität C verschlossen wird.
In der Kavität C ist eine Laserquelle 1' auf einem Trägerbereich 3 angebracht, welcher entlang der x-Achse eindimensional elastisch durch einen (nur schematisch dargestellten) Antrieb D auslenkbar ist. Der Trägerbereich 3 ist über Federeinrichtungen 2a, 2b mit Aufhängungsbereichen 4a, 4b an den Seitenwänden 5a bzw. 5b verbunden. Die Abstrahlrichtung der Laserquelle 1' verläuft entlang der y-Achse.
Der (nur schematisch dargestellte) Antrieb D ist beispielsweise mittels außerhalb der Zeichenebene gebildeter Kammelektrodeneinrichtungen oder Plattenelektrodeneinrichtungen realisiert.
Der von der Laserquelle 1' in y-Richtung emittierte Laserstrahl B0 wird durch die Linseneinrichtung 15 in einen im Wesentlichen parallelen Laserstrahl B0 umgewandelt, welcher aus der Linseneinrichtung 15 austritt.
Gemäß 2a) befindet sich der Trägerbereich 3 mit der Laserquelle 1' im unausgelenkten Zustand x = 0, sodass der Ablenkwinkel α von der y-Achse α = 0° ist.
Gemäß 2b) ist die Auslenkung des Trägerbereichs 3 x = x1 in negativer x-Richtung, sodass der Ablenkwinkel α des Laserstrahls B0 α = α1 ist. Durch eine periodische oder aperiodische Auslenkung in positiver und negativer x-Richtung lässt sich somit ein vorgegebener Winkelbereich durch den Laserstrahl B0 abtasten.
Zur Steuerung des (nur schematisch dargestellten) Antriebs D und der Laserquelle 1‘ ist die MOEMS-Vorrichtung 100 über eine Anschlusseinrichtung A mittels einer externen Leitungseinrichtung L mit einer externen Steuereinheit CU verbunden. Innerhalb des Substrats 5 verläuft die Anschlusseinrichtung A über integrierte Leiterbahnen, welche aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt sind. Zum Trägerbereich 3 und der Laserquelle 1' sind diese integrierten Leiterbahnen beispielsweise über die Federeinrichtungen 2a, 2b geführt.
Die Herstellung der MOEMS-Vorrichtung 100 erfolgt mittels üblicher mikromechanischer Standardprozesse, wobei der Trägerbereich 3, der Antrieb D und die Federeinrichtungen 2a, 2b beispielsweise durch einen Opferschichtprozess aus einer mikromechanischen Funktionsschicht aus Polysilizium geätzt werden.
Die Laserquelle 1' kann entweder in den Trägerbereich 3 durch einen entsprechenden Schichtaufbau integriert werden oder auf diesen als separates Bauteil angebracht werden. Ebenfalls kann die Linseneinrichtung 15 entweder durch einen Verschließprozess mit einem anschließenden Strukturierungsprozess gebildet werden oder als separates Bauteil auf die Seitenwände 5a, 5b des Substrats 5 mittels der dargestellten Verklebung K aufgeklebt werden.
Der (nur schematisch dargestellte) Antrieb D kann entweder resonant mit niedriger Leistungsaufnahme oder quasi-statisch je nach Anwendung sein. Falls ein zwei-achsiger Antrieb verwendet wird, beispielsweise mit zusätzlicher Aufhängung und zusätzlichen Elektroden in z-Richtung, kann z.B. ein Lissajous-Muster auf einen zu scannenden Gegenstand gezeichnet werden. Das Lissajous-Muster verhüllt das zugängliche rechteckige Scanintervall besser, falls die Frequenzen der zwei Oszillationen nah beieinander liegen. Dementsprechend können die Antriebsmechanismen in den zwei Richtungen sehr ähnlich bzw. identisch sein. Für einen quasi-statischen Antrieb D ist ein reguläres Muster, z.B. Zick-Zack-Muster, bevorzugt.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer MOEMS-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die in 3 dargestellte MOEMS-Vorrichtung 200 unterscheidet sich von der in 2a), b) dargestellten Ausführungsform darin, dass sie ein System zur Abstandsmessung bildet. Dementsprechend empfängt die MOEMS-System 200 den von einem Gegenstand G reflektierten Laserstrahl B0' mit einer Empfangseinrichtung, beispielsweise einer Fotodiode. Bei der zweiten Ausführungsform gemäß 3 ist diese Fotodiode in die Laserquelle 1'' integriert. Eine entsprechende Auswertung der empfangenen Lichtsignale B0‘ vom einem Objekt G in Relation zu den ausgesandten Lichtsignalen B findet in der Steuereinheit CU' statt, beispielsweise mittels des Selbstmischverfahrens.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer MOEMS-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die MOEMS-Vorrichtung 300 gemäß der dritten Ausführungsform basiert auf der ersten Ausführungsform gemäß 2a), b), weist aber zusätzlich eine Strahlteilereinrichtung 50 auf, welche auf der Linseneinrichtung 15 angebracht ist. Die Strahlteilereinrichtung 50 arbeitet nach dem Michelson-Prinzip und lässt den aus der Linseneinrichtung 15 austretenden Laserstrahl B0 teilweise auf das zu erfassende Objekt G und teilweise auf eine Empfängereinrichtung PD in Form einer Fotodiode treten, welche mit der Steuereinheit CU'' verbunden ist. Der von dem Gegenstand G reflektierte Laserstrahl B0' wird durch die Strahlablenkeinrichtung 50 ebenfalls auf die Empfängereinrichtung PD gelenkt, sodass ebenfalls eine Auswertung mittels der Selbstmischtechnik durchgeführt werden kann.
Die Verbindung zwischen der Strahlablenkeinrichtung 50 und der Linseneinrichtung 15 kann beispielsweise mittels eines Klebeprozesses erfolgen. Ebenfalls ist es vorstellbar, die Strahlablenkeinrichtung 50 mittels eines mikromechanischen Prozesses auf der Linseneinrichtung 15 direkt herzustellen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen insbesondere auf eine optische Vorrichtung zur Abstandsbestimmung Bezug genommen wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern für beliebige Anwendungen einsetzbar, bei denen ein gescannter Laserstrahl erzeugt und ggf. auch ein reflektierter Laserstrahl erfasst werden muss.
Das Substrat kann sowohl ein Lasersubstrat sein, wie oben beschrieben, als auch ein Chipsubstrat, wobei beispielsweise auf einem Laser eine Vielzahl von Chips mit einer entsprechenden MOEMS-Vorrichtung hergestellt wird.
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 2013/0063718 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

G. Giuliani et al., „Laser diode self-mixing technique for sensing applications“, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 4 (2002), Seiten 283 bis 294 [0007]

Claims

MOEMS-Vorrichtung mit: einem Substrat (5), in dem eine Kavität (C) ausgebildet ist; einem in der Kavität (C) elastisch aufgehängten Trägerbereich (3), welcher zumindest entlang einer ersten Achse (x) elastisch auslenkbar ist; einer in der Kavität (C) vorgesehenen Antriebseinrichtung (D) zum Auslenken des Trägerbereichs (3); einer auf oder in dem Trägerbereich (3) vorgesehenen Lasereinrichtung (1‘; 1‘‘), welche ausgebildet ist, einen ersten Laserstrahl (B) entlang einer zweiten Achse (y) zu emittieren, welche im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse (x) verläuft; einer Linseneinrichtung (15), welche oberhalb der Lasereinrichtung (1‘; 1‘‘) derart am Substrat (5) angebracht ist, dass sie die Kavität (C) verkappt, und welche derart gestaltet ist, dass sie den ersten Laserstrahl (B) in einen zweiten Laserstrahl (B0) transformiert, welcher einen Winkel (α) mit der zweiten Achse (y) bildet, der abhängig von einer Auslenkung des Trägerbereichs (3) entlang der ersten Achse (x) ist; und einer Anschlusseinrichtung (A) zum Anschließen einer externen Steuereinrichtung (CU; CU‘; CU‘‘).
MOEMS-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Trägerbereich (3) über eine Federeinrichtung (2a, 2b) an gegenüberliegenden Seitenwänden (5a, 5b) des Substrats (5) aufgehängt ist.
MOEMS-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Antriebseinrichtung (D) einen kapazitiven Antrieb umfasst.
MOEMS-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lasereinrichtung (1‘‘) eine Empfängereinrichtung, beispielsweise eine Photodiode, zum Empfangen eines von einem externen Objekt (G) reflektierten zweiten Laserstrahls (B0‘) aufweist.
MOEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei an der Linseneinrichtung (15) eine Strahlteilereinrichtung (50) zum Teilen des zweiten Laserstrahls (B0‘) in zwei Komponenten angebracht ist.
MOEMS-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linseneinrichtung (15) derart gestaltet ist, dass sie den ersten Laserstrahl (B) in einen im Wesentlichen kollimierten zweiten Laserstrahl (B0) transformiert.
MOEMS-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der in der Kavität (C) elastisch aufgehängte Trägerbereich (3) entlang einer dritten Achse (z) elastisch auslenkbar ist, welche im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Achse (y) verläuft, und wobei die Linseneinrichtung (15) derart gestaltet ist, dass sie den ersten Laserstrahl (B) in einen zweiten Laserstrahl (B0) transformiert, welcher einen Winkel (α) mit der zweiten Achse (y) bildet, der abhängig von einer Auslenkung des Trägerbereichs (3) entlang der ersten Achse (x) und der dritten Achse (z) ist, so dass ein Flächenbereich durch den zweiten Laserstrahl (B0‘) abtastbar ist.
MOEMS-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lasereinrichtung (1‘; 1‘‘) eine Laserdiode aufweist.
MOEMS-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lasereinrichtung (1‘; 1‘‘) in dem Trägerbereich (3) integriert ist.
Verfahren zum Herstellen einer MOEMS-Vorrichtung mit den Schritten: Bereitstellen von einem Substrat (5), in dem eine Kavität (C) ausgebildet ist; Vorsehen von einem in der Kavität (C) elastisch aufgehängten Trägerbereich (3), welcher zumindest entlang einer ersten Achse (x) elastisch auslenkbar ist; Vorsehen einer in der Kavität (C) vorgesehenen Antriebseinrichtung (D) zum Auslenken des Trägerbereichs (3); Vorsehen einer Lasereinrichtung (1‘; 1‘‘) auf oder in dem Trägerbereich (3), welche ausgebildet ist, einen ersten Laserstrahl (B) entlang einer zweiten Achse (y) zu emittieren, welche im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse (x) verläuft; Anbringen einer Linseneinrichtung (15) oberhalb der Lasereinrichtung (1‘; 1‘‘) derart am Substrat (5), dass sie die Kavität (C) verkappt, und welche derart gestaltet ist, dass sie den ersten Laserstrahl (B) in einen zweiten Laserstrahl (B0) transformiert, welcher einen Winkel (α) mit der zweiten Achse (y) bildet, der abhängig von einer Auslenkung des Trägerbereichs (3) entlang der ersten Achse (x) ist; und Ausbilden einer Anschlusseinrichtung (A) zum Anschließen einer externen Steuereinrichtung (CU; CU‘; CU‘‘).