DE102017222404A1 - SECONDARY MIRROR - Google Patents
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Abstract
Ein Spiegel (150) umfasst eine Spiegelvorderseite (151), die eine reflektierende Schicht umfasst. Der Spiegel (150) umfasst ebenfalls eine Spiegelrückseite (152). Die Spiegelrückseite (152) umfasst eine Rahmenstruktur (157) mit Rippen (158) und Hohlräumen (159). Die Spiegelvorderseite (151) und die Spiegelrückseite (152) sind nicht einstückig ausgebildet.A mirror (150) includes a mirror front side (151) that includes a reflective layer. The mirror (150) also includes a mirror backside (152). The mirror backside (152) comprises a frame structure (157) with ribs (158) and cavities (159). The mirror front side (151) and the mirror back side (152) are not formed in one piece.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung betreffen Techniken zum Herstellen eines Spiegels, z.B. für ein Abtastmodul, das zum resonanten Abtasten von Licht, z.B. zur Verwendung durch ein LIDAR-System, konfiguriert ist. Verschiedene Beispiele der Erfindung beziehen sich speziell auf einen zweiteiligen Produktionsprozess, bei dem eine Spiegelvorderseite und eine Spiegelrückseite getrennt erzeugt und anschließend gekoppelt werden.Various embodiments of the invention relate to techniques for producing a mirror, e.g. for a scanning module suitable for resonant scanning of light, e.g. for use by a LIDAR system. Various examples of the invention relate specifically to a two-part production process in which a mirror front side and a mirror back side are separately produced and subsequently coupled.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Spiegel zum Abtasten von Licht (Abtastspiegel) sind in verschiedenen Verwendungsfällen erforderlich. Ein beispielhafter Verwendungsfall ist Abstandsmessung unter Verwendung von Licht (light detection and ranging; LIDAR). Gepulstes oder Dauerstrich-Laserlicht wird übertragen und nach Reflexion an einem Objekt erfasst. Zum Bereitstellen einer lateralen Auflösung kann das Licht unter Verwendung eines Abtastspiegels abgetastet werden.Mirrors for scanning light (scanning mirrors) are required in various applications. An exemplary use case is distance measurement using light (light detection and ranging; LIDAR). Pulsed or continuous laser light is transmitted and detected after reflection on an object. To provide lateral resolution, the light may be scanned using a scanning mirror.
Techniken zum Herstellen von Abtastspiegeln sind z.B. aus
Herkömmliche Techniken zum Herstellen eines Abtastspiegels unter Verwendung von MEMS-Techniken sehen sich bestimmten Einschränkungen und Nachteilen konfrontiert. Beispielsweise kann es in einigen Szenarien wünschenswert sein, einen Spiegel mit einem vergleichsweisen großen Durchmesser der jeweiligen reflektierenden Schicht herzustellen. Im Einzelnen kann dies die Implementierung von großen Emitteraperturen und/oder Detektoraperturen für die jeweilige Optik erleichtern. Dann ist es typischerweise erforderlich, wenn MEMS-Techniken benutzt werden, eine erhebliche Menge an Wafermaterial unter Verwendung von Ätzen zu entfernen. Eine typische MEMS-Technik stützt sich auf reaktives Ionentiefenätzen (DRIE = deep reactive ion beam etching). Ein beispielhafter DRIE-Prozess wird durch
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Daher existiert ein Bedarf an fortgeschrittenen Techniken zum Herstellen von Spiegeln unter Verwendung von MEMS-Techniken. Im Einzelnen existiert ein Bedarf an fortgeschrittenen Techniken zum Herstellen von MEMS-Spiegeln mit einem vergleichsweisen großen Durchmesser des jeweiligen reflektierenden Materials.Therefore, there exists a need for advanced techniques for producing mirrors using MEMS techniques. In particular, there is a need for advanced techniques for fabricating MEMS mirrors having a comparatively large diameter of the respective reflective material.
Diesem Bedarf wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche entsprochen. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen.This need is met by the features of the independent claims. The features of the dependent claims define embodiments.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Spiegels umfasst das Herstellen einer Spiegelvorderseite und das Herstellen einer Spiegelrückseite. Die Spiegelrückseite umfasst eine Rahmenstruktur. Die Rahmenstruktur umfasst Rippen und Hohlräume. Das Verfahren umfasst ebenfalls das Koppeln der Spiegelvorderseite und der Spiegelrückseite, um den Spiegel zu erhalten.A method of manufacturing a mirror includes forming a mirror front surface and forming a mirror back surface. The mirror back comprises a frame structure. The frame structure includes ribs and cavities. The method also includes coupling the mirror front and the mirror back to obtain the mirror.
MEMS-Techniken können zum Herstellen des Spiegels benutzt werden. Die Spiegelvorderseite und die Spiegelrückseite können durch einen oder mehrere Wafers definiert werden. Beispielsweise kann eine Glas-MEMS-Technik benutzt werden.MEMS techniques can be used to make the mirror. The mirror front and mirror back can be defined by one or more wafers. For example, a glass MEMS technique can be used.
Beispielsweise kann die Rahmenstruktur eine Bahnstruktur implementieren. Beispielsweise kann ein Bereich der Rahmenstruktur nicht weniger als 50 % des Bereiches der Spiegelvorderseite, optional nicht weniger als 80 %, ferner optional nicht weniger als 95 % abdecken. Dadurch kann eine Struktursteifigkeit der Spiegelvorderseite durch die Rahmenstruktur bereitgestellt werden.For example, the frame structure may implement a track structure. For example, an area of the frame structure may cover not less than 50% of the area of the front of the mirror, optionally not less than 80%, further optionally not less than 95%. This can be a Structural rigidity of the mirror front side are provided by the frame structure.
Ein Spiegel umfasst eine Spiegelvorderseite und eine Spiegelrückseite. Die Spiegelvorderseite umfasst eine reflektierende Schicht. Die Spiegelrückseite umfasst eine Rahmenstruktur. Die Rahmenstruktur umfasst Rippen und Hohlräume. Die Spiegelvorderseite und die Spiegelrückseite sind nicht einstückig ausgebildet.A mirror includes a mirror front and a mirror back. The mirror front comprises a reflective layer. The mirror back comprises a frame structure. The frame structure includes ribs and cavities. The mirror front and the mirror back are not formed in one piece.
Die Spiegelvorderseite und die Spiegelrückseite können somit zwei Teile sein, die miteinander gekoppelt sind.The mirror front and the mirror back can thus be two parts that are coupled together.
Das Verfahren kann ferner ein Isolieren der Spiegel von umgebenden Wafermaterial nach dem Koppeln umfassen. Die Spiegelvorderseite und die Spiegelrückseite können aus mindestens einem Wafer einschließlich dem umgebenden Wafermaterial hergestellt werden.The method may further comprise isolating the mirrors of surrounding wafer material after coupling. The mirror front side and the mirror back side can be made from at least one wafer including the surrounding wafer material.
Das Verfahren kann ferner ein Isolieren des Spiegels von umgebenden Wafermaterial nach dem Koppeln umfassen. In anderen Beispielen kann das Verfahren ein Isolieren der Spiegelvorderseite von umgebenden Wafermaterial und ein Isolieren der Spiegelrückseite von umgebenden Wafermaterial vor dem Koppeln umfassen.The method may further comprise isolating the mirror from surrounding wafer material after coupling. In other examples, the method may include insulating the mirror front side from surrounding wafer material and insulating the mirror backside from surrounding wafer material prior to coupling.
Ein Spiegel umfasst eine Spiegelvorderseite und eine Spiegelrückseite. Die Spiegelvorderseite umfasst eine reflektierende Schicht. Die Spiegelrückseite umfasst eine Rahmenstruktur. Die Rahmenstruktur umfasst Rippen und Hohlräume. Mindestens eine Rippe der Rippen erstreckt sich über einen Außenumfang der Spiegelvorderseite hinaus.A mirror includes a mirror front and a mirror back. The mirror front comprises a reflective layer. The mirror back comprises a frame structure. The frame structure includes ribs and cavities. At least one rib of the ribs extends beyond an outer periphery of the mirror front side.
Im Einzelnen würde es möglich sein, dass sich die mindestens eine Rippe über einen Außenumfang der reflektierenden Schicht hinaus erstreckt.In particular, it would be possible for the at least one rib to extend beyond an outer circumference of the reflective layer.
Der Spiegel kann ein mesoskopischer Spiegel sein. Der Spiegel kann einen Durchmesser nicht kleiner als 4 Millimeter, optional nicht kleiner als 6 Millimeter, ferner optional nicht kleiner als 8 Millimeter aufweisen.The mirror can be a mesoscopic mirror. The mirror may have a diameter not smaller than 4 millimeters, optionally not smaller than 6 millimeters, further optionally not smaller than 8 millimeters.
Eine Abtasteinheit umfasst den Spiegel und eine elastische Halterung. Die Abtasteinheit kann ferner einen Aktuator umfassen, der konfiguriert ist, um den Spiegel durch Anregen eines Eigenmodus der elastischen Halterung resonant abzutasten. Beispielsweise kann ein Torsionseigenmodus der elastischen Halterung resonant angeregt werden.A scanning unit includes the mirror and an elastic mount. The scanning unit may further include an actuator configured to resonantly scan the mirror by exciting a self-mode of the resilient mount. For example, a torsion eigenmode of the elastic mount may be resonantly excited.
Ein LIDAR-System umfasst eine derartige Abtasteinheit. Das LIDAR-System kann konfiguriert sein, um den Abstand zu einem Zielobjekt beispielsweise durch Implementieren der Zeit von Lichtmessungen von Laserlicht zu bestimmen.A LIDAR system comprises such a scanning unit. The LIDAR system may be configured to determine the distance to a target object, for example, by implementing the time of light measurements of laser light.
Es versteht sich, dass die oben erwähnten Merkmale und diejenigen, die noch nachstehend zu erläutern sind, nicht nur in den jeweiligen angegebenen Kombinationen, sondern ebenfalls in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendet werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.It is understood that the above-mentioned features and those to be explained below can be used not only in the respective combinations indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the invention.
Figurenlistelist of figures
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1 veranschaulicht schematisch eine Abtasteinheit, die einen Spiegel und eine elastische Halterung gemäß verschiedenen Beispielen umfasst.1 schematically illustrates a scanning unit that includes a mirror and an elastic mount according to various examples. -
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Abtasteinheit gemäß verschiedenen Beispielen.2 FIG. 12 is a perspective view of a scanner unit according to various examples. FIG. -
3 ist eine weitere perspektivische Ansicht der Abtasteinheit gemäß2 .3 is another perspective view of the scanning unit according to2 , -
4 ist eine weitere perspektivische Ansicht der Abtasteinheit gemäß2 .4 is another perspective view of the scanning unit according to2 , -
5 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Spiegels und einer elastischen Halterung einer Abtasteinheit gemäß verschiedenen Beispielen.5 FIG. 10 is a flowchart of a method of manufacturing a mirror and resilient mount of a scanner unit according to various examples. FIG. -
6 veranschaulicht einen Prozessschritt zum Herstellen einer Spiegelrückseite gemäß verschiedenen Beispielen.6 FIG. 12 illustrates a process step of producing a mirror back according to various examples. FIG. -
7 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen der Spiegelrückseite, der dem Prozessschritt von6 folgt.7 schematically illustrates a process step for producing the mirror back, the process step of6 follows. -
8 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen der Spiegelrückseite, der dem Prozessschritt von7 folgt.8th schematically illustrates a process step for producing the mirror back, the process step of7 follows. -
9 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Anfertigen der Spiegelrückseite, der dem Prozessschritt von8 folgt.9 schematically illustrates a process step for making the mirror back, the process step of8th follows. -
10 veranschaulicht eine Anordnung von Spiegelrückseiten auf Waferebene gemäß verschiedenen Beispielen.10 FIG. 12 illustrates an array of wafer-level mirror backs according to various examples. FIG. -
11 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen einer Spiegelvorderseite gemäß verschiedenen Beispielen.11 schematically illustrates a process step for producing a mirror front according to various examples. -
12 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen der Spiegelvorderseite, der dem Prozessschritt gemäß11 folgt.12 schematically illustrates a process step for producing the mirror front, the process step according to11 follows. -
13 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen der Spiegelvorderseite, der dem Prozessschritt gemäß12 folgt.13 schematically illustrates a process step for producing the mirror front, the process step according to12 follows. -
14 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen der Spiegelvorderseite, der dem Prozessschritt gemäß13 folgt.14 schematically illustrates a process step for producing the mirror front, the process step according to13 follows. -
15 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen eines Spiegels durch Koppeln einer Spiegelvorderseite und einer Spiegelrückseite, wobei der Prozessschritt gemäß15 den Prozessschritten gemäß9 und14 folgt.15 schematically illustrates a process step for producing a mirror by coupling a mirror front side and a mirror back, wherein the process step according to15 according to the process steps9 and14 follows. -
16 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen des Spiegels, der dem Prozessschritt gemäß15 folgt.16 schematically illustrates a process step for producing the mirror, the process step according to15 follows. -
17 veranschaulicht schematisch den Spiegel, der von dem Prozessschritt gemäß16 erhalten wird.17 schematically illustrates the mirror obtained from the process step according to16 is obtained. -
18 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen eines Spiegels, wobei der Prozessschritt gemäß18 den Prozessschritten gemäß9 und11 folgt.18 schematically illustrates a process step for producing a mirror, wherein the process step according to18 according to the process steps9 and11 follows. -
19 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen des Spiegels, wobei der Prozessschritt gemäß19 dem Prozessschritt gemäß18 folgt.19 schematically illustrates a process step for producing the mirror, wherein the process step according to19 according to the process step18 follows. -
20 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen des Spiegels, der dem Prozessschritt von19 folgt.20 schematically illustrates a process step for producing the mirror, the process step of19 follows. -
21 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen des Spiegels, der dem Prozessschritt gemäß20 folgt.21 schematically illustrates a process step for producing the mirror, the process step according to20 follows. -
22 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen des Spiegels, der dem Prozessschritt gemäß21 folgt.22 schematically illustrates a process step for producing the mirror, the process step according to21 follows. -
23 veranschaulicht schematisch einen Spiegel, der von dem Prozessschritt gemäß22 erhalten wird.23 schematically illustrates a mirror derived from the process step according to22 is obtained. -
24 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen einer Spiegelrückseite gemäß verschiedenen Beispielen.24 schematically illustrates a process step for producing a mirror back according to various examples. -
25 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen der Spiegelrückseite, der dem Prozessschritt von24 folgt.25 schematically illustrates a process step for producing the mirror back, the process step of24 follows. -
26 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen der Spiegelrückseite, der dem Prozessschritt von25 folgt.26 schematically illustrates a process step for producing the mirror back, the process step of25 follows. -
27 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen der Spiegelrückseite, der dem Prozessschritt von26 folgt.27 schematically illustrates a process step for producing the mirror back, the process step of26 follows. -
28 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen der Spiegelrückseite, der dem Prozessschritt von27 folgt.28 schematically illustrates a process step for producing the mirror back, the process step of27 follows. -
29 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen einer Spiegelvorderseite gemäß verschiedenen Beispielen.29 schematically illustrates a process step for producing a mirror front according to various examples. -
30 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen der Spiegelvorderseite, der dem Prozessschritt von29 folgt.30 schematically illustrates a process step for producing the mirror front, the process step of29 follows. -
31 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen eines Spiegels, der den Prozessschritten von28 und30 folgt.31 schematically illustrates a process step for producing a mirror, the process steps of28 and30 follows. -
32 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen des Spiegels, der dem Prozessschritt von31 folgt.32 schematically illustrates a process step for producing the mirror, the process step of31 follows. -
33 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen des Spiegels, der dem Prozessschritt von32 folgt.33 schematically illustrates a process step for producing the mirror, the process step of32 follows. -
34 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen des Spiegels, der dem Prozessschritt von33 folgt.34 schematically illustrates a process step for producing the mirror, the process step of33 follows. -
35 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen des Spiegels, der dem Prozessschritt von34 folgt.35 schematically illustrates a process step for producing the mirror, the process step of34 follows. -
36 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen des Spiegels, der dem Prozessschritt von35 folgt.36 schematically illustrates a process step for producing the mirror, the process step of35 follows. -
37 veranschaulicht schematisch einen Prozessschritt zum Herstellen des Spiegels, der dem Prozessschritt von36 folgt.37 schematically illustrates a process step for producing the mirror, the process step of36 follows. -
38 veranschaulicht schematisch den Spiegel, der von dem Prozessschritt von37 erhalten wird.38 schematically illustrates the mirror derived from the process step of37 is obtained.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung ausführlich mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es versteht sich, dass die folgende Beschreibung von Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinne zu nehmen ist. Der Umfang der Erfindung ist nicht bestimmt, durch die hier nachstehend beschriebenen Ausführungsformen oder durch die Zeichnungen eingeschränkt zu werden, die lediglich als veranschaulichend aufzufassen sind.Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood that the following description of embodiments is not to be taken in a limiting sense. The scope of the invention is not intended to be limited by the embodiments described hereinafter or by the drawings, which are to be considered as illustrative only.
Die Zeichnungen sind als schematische Darstellungen zu betrachten und in den Zeichnungen veranschaulichte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Stattdessen werden die verschiedenen Elemente derart dargestellt, dass ihre Funktion und allgemeiner Zweck einem Fachmann ersichtlich werden. Jede Verbindung oder Koppelung zwischen Funktionsblöcken, Vorrichtungen, Komponenten oder anderen physikalischen oder funktionellen Einheiten, die in den Zeichnungen gezeigt oder hier beschrieben werden, können ebenfalls durch eine indirekte Verbindung oder Koppeln implementiert werden. Eine Kopplung zwischen Komponenten kann ebenfalls über eine drahtlose Verbindung aufgebaut werden. Funktionsblöcke können in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination davon implementiert werden.The drawings are to be considered as schematic representations and elements illustrated in the drawings are not necessarily to scale. Instead, the various elements are presented in such a way that their function and general purpose will become apparent to a person skilled in the art. Any connection or coupling between functional blocks, devices, components or other physical or functional units shown in the drawings or described herein may also be implemented by indirect connection or coupling. A coupling between components can also be established via a wireless connection. Function blocks can be implemented in hardware, firmware, software or a combination thereof.
Hier werden nachstehend Techniken mit Bezug auf Spiegel beschrieben. Die Spiegel können verwendet werden, um Licht, beispielsweise Laserlicht, abzulenken. Die Spiegel können beispielsweise durch eine elastische Halterung bewegt werden. Dadurch kann das Licht abgetastet werden. Folglich können sich die hier beschriebenen Techniken auf Abtastspiegel beziehen. Hereinafter, techniques related to mirrors will be described. The mirrors can be used to deflect light, such as laser light. The mirrors can be moved, for example, by an elastic holder. This allows the light to be scanned. Thus, the techniques described herein may refer to scanning mirrors.
Die hier beschriebenen Spiegel können in verschiedenen Verwendungsfällen Anwendung finden. Beispielfälle umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf: LIDAR mit lateraler Auflösung; Spektrometer; Projektoren; Endoskope; usw.The mirrors described herein may find application in a variety of applications. Example cases include, but are not limited to: LIDAR with lateral resolution; Spectrometer; projectors; endoscopes; etc.
Die hier beschriebenen Techniken können die Produktion von mesoskopischen Spiegeln erleichtern, d.h. von Spiegeln mit einem Durchmesser der jeweiligen reflektierenden Fläche, die an einem Übergangregime zwischen Mikrospiegeln (typischerweise mit Durchmessern im Submillimeter-Bereich) und makroskopischen Spiegeln (typischerweise mit Durchmessern der jeweiligen reflektierenden Schicht im Zentimeterregime, beispielsweise für Multi-Facetten-Polygonspiegel) gelegen ist.The techniques described herein may facilitate the production of mesoscopic mirrors, i. mirrors having a diameter of the respective reflective surface located at a transition regime between micromirrors (typically of sub-millimeter diameter diameter) and macroscopic mirrors (typically of the centimeter regime of each reflective layer, for example for multi-faceted polygon mirrors).
Die hier beschriebenen Techniken können die Produktion von großen Spiegeln erleichtern, die vergleichsweise leichtgewichtig sind. Im Einzelnen helfen die hier beschriebenen Techniken, Spiegel mit einer bahnartigen Rahmenstruktur von niedrigem Füllfaktor - folglich eine Struktursteifigkeit zu erzeugen -, die eine leichtgewichtige Struktur bereitstellt.The techniques described herein can facilitate the production of large mirrors that are relatively lightweight. Specifically, the techniques described herein help to provide mirrors with a web-like framing structure of low fill factor, thus creating structural rigidity, which provides a lightweight structure.
Derartige mesoskopische Spiegel können bestimmte Vorteile aufweisen: erstens können sie hinreichend leichtgewichtig gebaut werden- insbesondere im Vergleich mit einem makroskopischen Spiegel -, um unter Verwendung einer elastischen Spiegelhalterung resonant betätigt zu werden. Dies erleichtert resonantes Abtasten bei vergleichsweisen hohen Frequenzen, beispielsweise oberhalb 100 Hz bis zu kHz. Resonantes Abtasten durch elastische Verformung ist reibungslos und daher weisen jeweilige Abtastvorrichtungen typischerweise eine höhere mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF = mean time between failure) im Vergleich mit Abtastvorrichtungen unter Verwendung von Drehlagerungen usw. auf. Zweitens können mesoskopische Spiegel klein genug sein, um unter Verwendung von MEMS-Prozessen auf einem oder mehreren Wafern hergestellt zu werden. Beispielsweise können derartige mesoskopische Spiegel aus Silizium unter Verwendung von Standard-MEMS-Prozessen hergestellt werden. Im Einzelnen hilft dies im Vergleich mit makroskopischen Spiegeln eine automatisierte Produktion zu erleichtern und Produktionskosten zu verringern. Drittens können mesoskopische Spiegel vergleichsweise große Emitteraperturen und/oder Detektoraperturen der entsprechenden Optik unterstützen. Dies kann helfen, einen hohen Messsignalpegel beispielsweise durch Sammeln einer großen Anzahl von Photonen, die von einem Zielobjekt reflektiert werden, bei Anwendung in einem LIDAR-Verwendungsfall zu implementieren. Dies findet insbesondere im Vergleich mit Mikrospiegeln Anwendung.Such mesoscopic mirrors may have certain advantages: first, they may be made sufficiently lightweight, particularly in comparison with a macroscopic mirror, to be resonantly actuated using an elastic mirror mount. This facilitates resonant sampling at comparatively high frequencies, for example above 100 Hz up to kHz. Resonant strain detection by elastic deformation is smooth, and therefore, respective sensing devices typically have a higher mean time between failure (MTBF) as compared to sensing devices using pivot bearings, etc. Second, mesoscopic mirrors may be small enough to be fabricated using MEMS processes on one or more wafers. For example, such mesoscopic mirrors may be made of silicon using standard MEMS processes. Specifically, this helps to facilitate automated production and reduce production costs compared to macroscopic mirrors. Third, mesoscopic mirrors can support comparatively large emitter apertures and / or detector apertures of the corresponding optics. This may help to implement a high measurement signal level, for example, by collecting a large number of photons reflected from a target object when used in a LIDAR use case. This applies in particular in comparison with micromirrors application.
Gemäß einigen Beispielen werden Techniken zum Herstellen von Spiegeln, genauer gesagt mesoskopischen Spiegeln, beschrieben. Gemäß Beispielen wird ein zweistufiger Produktionsprozess bereitgestellt. Hier können eine Spiegelvorderseite und eine Spiegelrückseite einzeln, z.B. auf unterschiedlichen Wafern, erzeugt werden. Dann werden die Spiegelvorderseite und die Spiegelrückseite gekoppelt, um den Spiegel zu erhalten. Ein derartiger zweistufiger Prozess kann bestimmte Vorteile gegenüber einem einstufigen Prozess bereitstellen, bei dem die Spiegelvorderseite und die Spiegelrückseite insitu erzeugt werden. Beispielsweise kann in einem derartigen zweistufigen Produktionsprozess die Menge an Material, die entfernt werden muss, durch Trockenätzen, wie beispielsweise DRIE, verringert werden. Dies kann durch Kombinieren des Trockenätzens mit Freisetzungsprozessen und nicht durch Ätzen des Materials erreicht werden. Häufig bieten insitu Produktionsprozesse nicht die Möglichkeit, Freisetzungsprozesse zu implementieren.According to some examples, techniques for producing mirrors, more specifically mesoscopic mirrors, are described. According to examples, a two-stage production process is provided. Here, a mirror front and a mirror back can be individually, e.g. on different wafers. Then, the mirror front side and the mirror back side are coupled to obtain the mirror. Such a two-step process can provide certain advantages over a one-step process in which the mirror front and the mirror back are created in-situ. For example, in such a two-stage production process, the amount of material that needs to be removed can be reduced by dry etching, such as DRIE. This can be achieved by combining dry etching with release processes rather than by etching the material. Frequently, insitu production processes do not offer the possibility to implement release processes.
Im Einzelnen hilft der zweistufige Produktionsprozess, den Spiegel mit einer Spiegelrückseite mit einer Rahmenstruktur zu versehen. Die Rahmenstruktur umfasst Rippen - manchmal auch als Stege bezeichnet - und entsprechende Hohlräume zwischen den Rippen. Im Einzelnen kann die Rahmenstruktur bei einem vergleichsweise niedrigen Füllfaktor erzeugt werden: der Füllfaktor definiert den Bereich der Rippen mit Bezug auf den Gesamtbereich, der durch die Rahmenstruktur abgedeckt wird. Bei niedrigen Füllfaktoren belegen die Rippen lediglich einen kleinen Bereich der Rahmenstruktur. In particular, the two-stage production process helps to provide the mirror with a mirror back with a frame structure. The frame structure includes ribs - sometimes referred to as webs - and corresponding cavities between the ribs. Specifically, the frame structure can be created at a comparatively low fill factor: the fill factor defines the area of the ribs with respect to the total area covered by the frame structure. At low fill factors, the ribs occupy only a small area of the frame structure.
Der durch die hier beschriebenen Techniken erzeugte Spiegel kann einen Füllfaktor der Rahmenstruktur aufweisen, der nicht größer als 20%, optional nicht größer als 5%, ferner optional nicht größer als 2% ist. Dies kann bei einem Durchmesser der reflektierenden Schicht des Spiegels - die typischerweise vollständig oder vorwiegend durch die Rahmenstruktur abgedeckt wird - nicht kleiner als 4 mm, optional nicht kleiner als 6 mm, ferner optional nicht kleiner als 8 mm sein. Dies trifft Vorsorge für eine große Apertur der entsprechenden Optik.The mirror produced by the techniques described herein may have a frame structure fill factor not greater than 20%, optionally not greater than 5%, and optionally not greater than 2%. This may not be less than 4 mm, optionally not less than 6 mm, further optionally not less than 8 mm, for a mirror reflecting layer diameter which is typically completely or predominantly covered by the frame structure. This makes provision for a large aperture of the corresponding optics.
Die Rahmenstruktur, die durch die Spiegelrückfläche bereitgestellt wird, trägt die Spiegelvorderfläche und das reflektierende Material. Dadurch kann der Spiegel schnell beschleunigt werden, wie es typischerweise der Fall für resonantes Abtasten ist, wobei der Spiegel zwischen Anschlagpositionen pendelt und daher eine periodische Beschleunigung aufweist. Im Einzelnen kann die Rahmenstruktur der Spiegelvorderseite Steifigkeit verleihen, um dadurch die Verformung der reflektierenden Schicht der Spiegelvorderseite beim Beschleunigen zu verringern. Dies verleiht der entsprechenden Optik Stabilität; unerwünschte Ablenkung oder Divergenz des Lichtes wird vermieden. Zur gleichen Zeit ist, wo der Füllfaktor der Rahmenstruktur begrenzt ist, das Massenträgheitsmoment der Spiegelrückseite begrenzt. Dies erleichtert, dass die hohe Resonanz der Eigenmoden des Spiegels resonant angetrieben wird. Abhängig von den zum Abtasten verwendeten Eigenmoden können unterschiedliche Bewegungsmuster des Spiegels implementiert werden. Folglich können die hier beschriebenen Techniken eindimensionales oder zweidimensionales Abtasten erleichtern. Das Abtasten kann sich auf die wiederholte Übertragung von Licht bei unterschiedlichen Emitterwinkeln beziehen.The frame structure provided by the mirror back surface supports the mirror front surface and the reflective material. This allows the mirror to be accelerated rapidly, as is typically the case for resonant scanning, with the mirror in between Stop positions oscillates and therefore has a periodic acceleration. More specifically, the frame structure can impart rigidity to the mirror front surface, thereby reducing the deformation of the mirror front reflective layer during acceleration. This gives the corresponding optics stability; unwanted deflection or divergence of the light is avoided. At the same time, where the fill factor of the frame structure is limited, the mass moment of inertia of the mirror backside is limited. This facilitates that the high resonance of the eigenmodes of the mirror is resonantly driven. Depending on the eigenmodes used for scanning, different motion patterns of the mirror can be implemented. Thus, the techniques described herein may facilitate one-dimensional or two-dimensional scanning. The scanning may refer to the repeated transmission of light at different emitter angles.
In verschiedenen Beispielen kann Laserlicht abgetastet werden. Beispielsweise kann kohärentes oder inkohärentes Laserlicht verwendet werden. Polarisiertes oder unpolarisiertes Laserlicht kann verwendet werden. Gepulstes Laserlicht kann verwendet werden. Laserimpulse mit einer vollen Breite bei halbem Maximum im Bereich von Femtosekunden oder Pikosekunden oder Nanosekunden können verwendet werden. Beispielsweise kann eine Impulsdauer im Bereich von 0,5 - 3 Nanosekunden verwendet werden. Das Laserlicht kann eine Wellenlänge im Bereich von
In den hier beschriebenen verschiedenen Beispielen kann Licht unter Verwendung eines Spiegels abgetastet werden, der auf einer elastischen Halterung angebracht ist. Die elastische Halterung kann ein oder mehrere Federelemente umfassen. Das eine oder mehrere Federelemente können eine Form-induzierte und/oder Material-induzierte Elastizität bereitstellen und können daher nicht biegesteif implementiert werden. Daher können das eine oder mehrere Federelemente ebenfalls als Trägerelemente bezeichnet werden. Der Spiegel kann mit einem beweglichen Ende von mindestens einem des einen oder mehrerer Federelemente gekoppelt sein. Torsion und/oder transversale Bewegung des einen oder mehrerer Federelemente kann Drehung und/oder Neigung, d.h. im Allgemeinen Ablenkung, des Spiegels auslösen. Dadurch können unterschiedliche Abtastwinkel implementiert werden. Resonanzbewegung, d.h. oszillierende Bewegung, des einen oder mehrerer Federelemente ist möglich.In the various examples described herein, light may be scanned using a mirror mounted on an elastic mount. The elastic holder may comprise one or more spring elements. The one or more spring elements can provide shape-induced and / or material-induced elasticity and therefore can not be rigidly implemented. Therefore, the one or more spring elements may also be referred to as support elements. The mirror may be coupled to a moveable end of at least one of the one or more spring members. Twist and / or transverse movement of the one or more spring elements may include rotation and / or inclination, i. generally distraction, trigger the mirror. As a result, different scanning angles can be implemented. Resonant motion, i. oscillating movement of the one or more spring elements is possible.
Es ist möglich, dass das eine oder mehrere Federelemente eine Länge im Bereich von 2 Millimeter - 8 Millimeter, z.B. im Bereich von 3 Millimeter - 6 Millimeter aufweisen. Das eine oder mehrere Federelemente können von linearer Form in einer Ruheposition sein. Das eine oder mehrere Federelemente können einen Durchmesser von z.B. 50 - 250 Mikrometer aufweisen. Das eine oder mehrere Federelemente können aus Silizium hergestellt werden.It is possible that the one or more spring elements have a length in the range of 2 millimeters - 8 millimeters, e.g. ranging from 3 millimeters to 6 millimeters. The one or more spring elements may be of linear shape in a rest position. The one or more spring elements may have a diameter of e.g. 50-250 microns. The one or more spring elements may be made of silicon.
In verschiedenen Beispielen würde es möglich sein, dass das eine oder mehrere Federelemente durch MEMS-Techniken erzeugt werden. Folglich kann Lithographie und/oder Ätzen auf einen Wafer angewendet werden, um das eine oder mehrere Federelemente herzustellen. Beispielsweise kann ein DRIE-Prozess verwendet werden. Silizium-auf-Isolator-Wafers (SOI-Wafers) können verwendet werden, um Stopps zum Ätzen zu definieren.In various examples, it would be possible for the one or more spring elements to be produced by MEMS techniques. Thus, lithography and / or etching may be applied to a wafer to produce the one or more spring elements. For example, a DRIE process may be used. Silicon on insulator wafers (SOI wafers) can be used to define stops for etching.
In den hier beschriebenen verschiedenen Beispielen können sich das eine oder mehrere Federelemente von der Spiegelrückseite erstrecken. Folglich können das eine oder mehrere Federelemente einen signifikanten Winkel mit einer reflektierenden Schicht auf der Spiegelvorderseite, z.B. im Bereich von 30° - 90°, optional 45°, einschließen. In anderen Beispielen würde es ebenfalls möglich sein, dass das eine oder mehrere Federelemente in der Ebene angeordnet sind, die durch die reflektierende Schicht von der Spiegelvorderseite definiert wird.In the various examples described herein, the one or more spring elements may extend from the mirror back. Thus, the one or more spring elements may have a significant angle with a reflecting layer on the front of the mirror, e.g. in the range of 30 ° - 90 °, optionally 45 °. In other examples, it would also be possible for the one or more spring elements to be disposed in the plane defined by the reflective layer from the front of the mirror.
Bei Anwendung in Verbindung mit einer LIDAR-Technik kann eine jeweilige Abtastvorrichtung einen Spiegel umfassen, der sowohl zum Emittieren von Laserlicht als auch zum Erfassen von reflektiertem Laserlicht verwendet werden kann. Folglich kann die Detektorapertur durch den Spiegel definiert werden. Derartige Techniken werden manchmal als räumliches Filtern bezeichnet: mittels räumlichen Filterns kann ein besonders großes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht werden, weil Licht für die bestimmte Richtung selektiv erfasst wird, in die Laserlicht emittiert wurde. Dadurch wird Hintergrundrauschen von anderen Bereichen unterdrückt. Mittels des großen Signal-Rausch-Verhältnisses werden Fernbereichsmessungen möglich.When used in conjunction with a LIDAR technique, a particular scanning device may include a mirror that can be used both to emit laser light and to detect reflected laser light. Consequently, the detector aperture can be defined by the mirror. Such techniques are sometimes referred to as spatial filtering: by means of spatial filtering, a particularly large signal-to-noise ratio can be achieved because light is selectively detected for the particular direction in which laser light was emitted. This suppresses background noise from other areas. By means of the large signal-to-noise ratio, long range measurements become possible.
Beispielsweise kann die elastische Halterung
Eine Steuereinheit
In dem Beispiel von
In dem Beispiel von
Die Basis
Der Winkel zwischen der Flächennormale
Hier kann, wenn Torsion auf die elastische Halterung
Von
Die Gesamtlänge
Der Außenumfang
Wie in
Die in
Des Weiteren erstrecken sich von den mehreren Rippen
Typische Siliziumwafers, die in den Prozessen verwendet werden, können 500 µm dick und 200 mm oder 300 mm im lateralen Durchmesser sein.Typical silicon wafers used in the processes may be 500 μm thick and 200 mm or 300 mm in lateral diameter.
Als Nächstes werden bei Block
Im Einzelnen kann die Spiegelvorderseite eine reflektierende Schicht aufweisen, um dadurch konfiguriert zu sein, Licht abzulenken. Andererseits kann die Spiegelrückseite eine Rahmenstruktur mit Rippen und Hohlräumen aufweisen, um dadurch der Spiegelvorderseite eine Strukturfestigkeit zu verleihen, was beim resonanten Abtasten des Spiegels in einer oszillierenden Bewegung hilfreich ist.Specifically, the mirror front side may have a reflective layer to thereby be configured to deflect light. on the other hand For example, the mirror back may have a frame structure with ribs and cavities to provide structural rigidity to the mirror front, which aids in resonantly scanning the mirror in an oscillatory motion.
In Block
Gleichermaßen können eine oder mehrere derartige MEMS-Techniken im Block
In Block
Als allgemeine Regel sind verschiedene Optionen verfügbar, um die Freisetzung zu implementieren. Dies beruht auf der hohen Flexibilität, die von dem zweistufigen Produktionsprozess erhalten wird. In einem Szenario wird die Freisetzung unter Verwendung von Aussparungen in einem Glaswafer implementiert, auf dem der Wafer, der die Spiegelvorderseite und/oder die Spiegelrückseite definiert, getragen wird. In einem anderen Szenario wird die Freisetzung unter Verwendung von Waferschleifen implementiert. Schleifen, wie hier verwendet, kann Dünnermachen und/oder Polieren umfassen.As a general rule, various options are available to implement the release. This is due to the high flexibility that is obtained from the two-stage production process. In one scenario, the release is implemented using recesses in a glass wafer on which the wafer defining the mirror front and / or mirror back is supported. In another scenario, the release is implemented using wafer loops. Grinding, as used herein, may involve thinning and / or polishing.
Typischerweise wird bei Block
Als allgemeine Regel kann die Waferebenen-Verarbeitung im Allgemeinen jedem Prozessschritt entsprechen, der beginnend von einem Szenario ausgeführt wird, bei dem mehreren Vorrichtungen auf einem Wafer, z.B. in einer Anordnung, angeordnet sind. Es gibt eine Tendenz, dass die Waferebenen-Verarbeitung eine Parallelverarbeitung der mehreren Vorrichtungen ausnutzt. In unterschiedlicher Weise kann die Vorrichtungsebenen-Verarbeitung einer einzelnen Verarbeitung einzelner Vorrichtungen entsprechen, d.h. beginnend von einem Szenario, bei dem mehrere Vorrichtungen nicht auf einem Wafer angeordnet sind. Es gibt eine Tendenz, dass sich die Vorrichtungsebenen-Verarbeitung auf eine serielle Verarbeitung der mehreren Vorrichtungen stützt. Der Übergang von Waferebenen-Verarbeitung auf Vorrichtungsebenen-Verarbeitung wird typischerweise durch Isolieren einer Vorrichtung von umgebenden Wafermaterial markiert.As a general rule, wafer level processing may generally correspond to any process step performed starting from a scenario where multiple devices on a wafer, e.g. in an arrangement, are arranged. There is a tendency that the wafer-level processing utilizes parallel processing of the plurality of devices. In various ways, the device level processing may correspond to a single processing of individual devices, i. starting from a scenario where multiple devices are not located on a wafer. There is a tendency that device level processing relies on serial processing of the multiple devices. The transition from wafer level processing to device level processing is typically marked by isolating a device from surrounding wafer material.
Das Isolieren des Spiegels auf Waferebene nach der Kopplung der Spiegelvorderseite und der Spiegelrückseite weist den Vorteil auf, dass die Kopplung der Spiegelvorderseite und der Spiegelrückseite effizient für eine große Zahl von Spiegeln parallel implementiert werden kann, und durch Ausnutzen von Positionierungsmarken, die bei einem großen Abstand mit Bezug zueinander angeordnet sind, wird eine hochgenaue Ausrichtung der Spiegelvorderseite mit der Spiegelrückseite möglich.Isolating the wafer-level mirror after coupling the mirror front side and the mirror back side has the advantage that the coupling of the mirror front side and the mirror back side can be efficiently implemented in parallel for a large number of mirrors, and by utilizing positioning marks at a large distance With respect to each other, a highly accurate alignment of the mirror front with the mirror back side is possible.
Im Allgemeinen können unterschiedliche Techniken zur Kopplung bei Block
Beispielsweise kann direktes Waferbonden durch Verwenden eines oder mehrerer Glaswafers unterstützt werden, an denen die Wafers, welche die Spiegelvorderseite und/oder die Spiegelrückseite definieren, befestigt sind.For example, direct wafer bonding may be assisted by using one or more glass wafers on which the wafers which support the wafer Mirror front and / or define the mirror back, are attached.
Der Gebrauch von Epoxidklebstoff weist den Vorteil auf, nicht auf hohe Verarbeitungstemperaturen angewiesen zu sein, was im Allgemeinen hilft, die Integrität beispielsweise von einer reflektierenden Schicht des Spiegels zu schützen. Der Epoxidklebstoff kann auf bestimmte Kontaktoberflächen der Spiegelvorderseite und der Spiegelrückseite angeordnet werden.The use of epoxy adhesive has the advantage of not having to rely on high processing temperatures, which generally helps to protect the integrity of, for example, a reflective layer of the mirror. The epoxy adhesive may be placed on certain contact surfaces of the mirror front and back of the mirror.
Eine oder mehrere der Spiegelvorderseite und der Spiegelrückseite können auf einem Handhabungswafer zum Ausführen der Kopplung bei Block
Um die Abtasteinheit herzustellen, wird bei Block
Schließlich werden bei einem optionalen Block
Mit Bezug auf die folgenden FIGUREN werden Beispielimplementierungen des Verfahrens zum Herstellen eines Spiegels beschrieben.With reference to the following FIGURES, example implementations of the method for producing a mirror will be described.
Im Einzelnen wird links in
Derartiges Ätzen der Gräben hilft, das Material zu beschränken, das durch Ätzen entfernt werden muss. Dies begrenzt seinerseits den erforderlichen Ätzgasdurchdatz, wobei eine inhomogene Verteilung des Ätzgases entlang unterschiedlicher lateraler Positionen des Wafers
In
Wie in
Als Nächstes wird in
Wie oben erwähnt, können die Wafer
Wie von dem obigen zu erkennen ist, kann die Kopplung, wie durch der Prozessschritt von
Im Allgemeinen ist es nicht erforderlich, alle radiale Rippen
In den Beispielen von
Im Einzelnen kann in dem Beispiel von
In
Der Wafer
In
In
Wie jedoch von der linken Seite von
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, werden Äquivalente und Modifikationen anderen Fachleuten beim Lesen und Verstehen der Spezifikation in den Sinn kommen. Die vorliegende Erfindung umfasst alle derartige Äquivalente und Modifikationen und wird lediglich durch den Umfang der beigefügten Ansprüche begrenzt.Although the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments, equivalents and modifications will occur to others skilled in the art upon reading and understanding the specification. The present invention includes all such equivalents and modifications, and is limited only by the scope of the appended claims.
Zur Veranschaulichung wurden verschiedene Beispiele beschrieben, in denen sich eine oder mehrere verlängerte Rippen über den Außenumfang der Spiegelvorderseite hinaus erstrecken. Dies ist jedoch im Allgemeinen optional. In anderen Beispielen kann es keine verlängerten Rippen geben. Beispielsweise können fest zugeordnete tragende Strukturen bereitgestellt werden, um den Spiegel oder Teile des Spiegels mit dem umgebenden Wafermaterial zu verbinden, bis der Spiegel oder die jeweiligen Spiegelteile von dem umgebenden Wafermaterial durch Schneiden der tragenden Strukturen isoliert sind. Die tragenden Strukturen können von den verlängerten Rippen unterschiedlich sein.By way of illustration, various examples have been described in which one or more extended ribs extend beyond the outer periphery of the mirror front. However, this is generally optional. In other examples, there may be no elongated ribs. For example, dedicated load-bearing structures may be provided to secure the mirror or portions thereof Mirror to connect with the surrounding wafer material until the mirror or the respective mirror parts are isolated from the surrounding wafer material by cutting the supporting structures. The carrying structures may be different from the extended ribs.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- US 5501893 A [0004]US 5501893 A [0004]
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