DE102021116165B3

DE102021116165B3 - Lissajous-mikroscanner mit zentraler spiegelaufhängung und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE102021116165B3
Application number: DE102021116165.7A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Hofmann; Thomas von Wantoch; Stephan Marauska; Oleg Petrak; Marcel Metschulat; Leon Pohl
Original assignee: Oqmented GmbH
Current assignee: Oqmented GmbH
Priority date: 2021-06-22
Filing date: 2021-06-22
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2041-06-23
Also published as: WO2022268778A1; EP4359842A1; CN117940823A

Abstract

Ein Mikroscanner weist auf: ein Ablenkelement zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls; eine Tragestruktur; und eine Federeinrichtung mit einer oder mehreren Federn, mittels derer das Ablenkelement so an der Tragestruktur schwingfähig aufgehängt ist, dass es relativ zur Tragestruktur simultan eine erste rotatorische Oszillation um eine erste Schwingungsachse sowie eine zweite rotatorische Oszillation um eine dazu orthogonale zweite Schwingungsachse ausführen kann, um durch Ablenken eines während der simultanen Oszillationen auf das Ablenkelement einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Lissajous-Projektion zu bewirken. Die Tragestruktur weist eine Federträgerstruktur auf und die Federeinrichtung weist eine Anzahl N erster Federn auf, wobei N ≥ 1 gilt und jede der N ersten Federn an zumindest einem zugeordneten Ansatzpunkt an der Federträgerstruktur ansetzt, an zumindest einem zugeordneten Kopplungspunkt an das Ablenkelement gekoppelt ist und sich zwischen diesem Ansatzpunkt und diesem Kopplungspunkt erstreckt. Es gibt dabei drei Punkte auf dem Ablenkelement, die in dessen Ruhelage eine euklidische Hilfsebene definieren und darin einen durch die Verbindungsgeraden zwischen den Punkten eingeschlossenen Flächen- oder Geradenabschnitt aufspannen, auf dem jeder der Ansatzpunkte oder dessen jeweilige lotrechte Projektion auf die Hilfsebene liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der mikrotechnisch hergestellten Strahlablenksysteme und betrifft einen Mikroscanner zur Erzeugung einer Lissajous-Projektion in ein Beobachtungsfeld sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikroscanners.
Bei Mikroscannern, die in der Fachsprache insbesondere auch als „MEMS-Scanner“, „MEMS-Spiegel“ oder auch „Mikrospiegel“ oder im Englischen insbesondere als „microscanner“ bzw. „micro-scanning mirror“ oder „MEMS mirror“ bezeichnet werden, handelt es sich um mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) oder genauer um mikro-optoelektro-mechanische Systeme (MOEMS) aus der Klasse der Mikrospiegelaktoren zur dynamischen Modulation von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von sichtbarem Licht. Je nach Bauart kann die modulierend wirkende Bewegung eines Einzelspiegels translatorisch oder um zumindest eine Achse rotatorisch erfolgen. Im ersten Fall wird eine phasenschiebende Wirkung, im zweiten Fall die Ablenkung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung erzielt. Im Weiteren werden Mikroscanner betrachtet, bei denen die modulierend wirkende Bewegung eines Einzelspiegels rotatorisch erfolgt. Bei Mikroscannern wird die Modulation, in Abgrenzung gegenüber Spiegelarrays, bei denen die Modulation von einfallendem Licht über das Zusammenwirken mehrerer Spiegel erfolgt, über einen einzelnen Spiegel erzeugt.
Mikroscanner können insbesondere zur Ablenkung von elektromagnetischer Strahlung eingesetzt werden, um mittels eines Ablenkelements („Spiegel“) einen darauf einfallenden elektromagnetischen Strahl bezüglich seiner Ablenkrichtung zu modulieren. Das kann insbesondere genutzt werden, um eine Lissajous-Projektion des Strahls in ein Beobachtungsfeld bzw. Projektionsfeld zu bewirken. So lassen sich beispielsweise bildgebende sensorische Aufgaben lösen oder auch Display-Funktionalitäten realisieren. Darüber hinaus können solche Mikroscanner auch dazu eingesetzt werden, Materialien in vorteilhafter Weise zu bestrahlen und so auch zu bearbeiten. Mögliche andere Anwendungen liegen im Bereich der Beleuchtung oder Ausleuchtung bestimmter offener oder geschlossener Räume oder Raumbereiche mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise im Rahmen von Scheinwerferanwendungen.
Mikroscanner bestehen in vielen Fällen aus einer Spiegelplatte (Ablenkplatte), die seitlich an elastisch dehnbaren Federn aufgehängt ist. Man unterscheidet einachsige Spiegel, die vorzugsweise nur um eine einzige Achse beweglich aufgehängt sein sollen, von zweiachsigen und mehrachsigen Spiegeln.
und DE 10 2019 207 073 A1 offenbaren jeweils einen Mikroscanner gemäß diesem Prinzip.
US 7,388,700 B1 beschreibt dagegen eine andere Bauart eines Mikroscanners, wo eine Spiegelbaugruppe mittels eines schwenkbaren Kugelgelenks anstelle einer Federaufhängung gelagert ist. Die Spiegelbaugruppe ist mit einer Aktuatorbaugruppe (z. B. Elektromagneten oder Aktuatoren auf piezoelektrischer Basis) funktionsfähig gekoppelt. Wenn eine Steuerspannung an die Aktuatorbaugruppe angelegt wird, bewegt sich das Kugelgelenk, wodurch die integral angebrachte Spiegelbaugruppe bewegt wird.
DE 10 2012 222 988 A1 beschreibt eine noch weitere Bauart in Form einer mikromechanischen Resonatoranordnung, insbesondere in Form eines Mikrospiegel-Scanners, mit einem inneren Aktuator, der einen über mindestens eine Achse schwingfähigen Schwingkörper aufweist, und einem äußeren Aktuator mit einem schwingenden Teil. Innerer und äußerer Aktuator bilden ein gekoppeltes Schwingungssystem und der äußere Aktuator wird von einem externen Antrieb angetrieben. Der innere Aktuator ist als mindestens ein vakuumgekapselter Mikroaktuator-Chip ausgebildet, der auf dem schwingenden Teil des äußeren Aktuators befestigt ist.
Sowohl im Falle bildgebender Sensorik als auch im Falle einer Display-Funktion dient ein Mikroscanner dazu, elektromagnetische Strahlung wie z.B. einen Laserstrahl oder aber einen geformten Strahl einer beliebigen anderen Quelle elektromagnetischer Strahlung mindestens zweidimensional, z.B. horizontal und vertikal, abzulenken, um damit eine Objektoberfläche innerhalb eines Beobachtungsfeldes abzutasten bzw. auszuleuchten. Insbesondere kann dies so erfolgen, dass der gescannte Laserstrahl eine rechteckige Fläche auf einer Projektionsfläche im Projektionsfeld überstreicht. Somit kommen bei diesen Anwendungsfällen Mikroscanner mit zumindest zweiachsigem Spiegel oder im optischen Pfad hintereinandergeschaltete einachsige Spiegel zum Einsatz. Der Wellenlängenbereich der abzulenkenden Strahlung kann grundsätzlich aus dem gesamten Spektrum von kurzwelliger UV-Strahlung, über den VIS-Bereich, NIR-Bereich, IR-Bereich, FIR-Bereich bis hin zu langwelliger Terraherz- und Radarstrahlung ausgewählt sein.
Häufig werden Mikroscanner mit den Methoden der Siliziumtechnologie hergestellt. Basierend auf Silizium-Wafer-Substraten dienen Schichtabscheidung, Fotolithographie und Ätztechniken dazu, Mikrostrukturen im Silizium auszubilden und dadurch Mikroscanner mit beweglichem MEMS-Spiegel zu realisieren.
Als Antriebe werden typischerweise elektrostatische, elektromagnetische, piezoelektrische, thermische und andere Aktuatorprinzipien eingesetzt. Die Spiegelbewegung kann dabei insbesondere quasistatisch (= nichtresonant) oder resonant erfolgen, letzteres insbesondere um größere Schwingungsamplituden, größere Auslenkungen und höhere optische Auflösungen zu erreichen. Außerdem lassen sich im resonanten Betrieb grundsätzlich auch der Energieverbrauch minimieren oder Vorteile insbesondere in Bezug auf Stabilität, Robustheit, Fertigungsausbeute, etc. erzielen. Typisch sind Scanfrequenzen von 0 Hz (quasistatisch) bis hin zu über 100 kHz (in Resonanz).
Obwohl die hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Mikroscanner grundsätzlich in vielen verschiedenen Bereichen sinnvoll und erfolgreich eingesetzt werden können, wird nachfolgend insbesondere auf ihre Anwendung im Bereich der Laser-Projektions-Displays eingegangen.
In vielen bekannten Fällen handelt es sich bei Mikroscanner-basierten Laser-Projektions-Displays um sogenannte Rasterscan-Displays, bei denen eine erste Strahlablenkachse bei hoher Frequenz in Resonanz (typisch 15 kHz bis 30 kHz) betrieben wird (schnelle Achse), um die Horizontalablenkung zu erzeugen und eine zweite Achse bei niedriger Frequenz (typisch 30 Hz bis 60 Hz) quasistatisch betrieben wird, um die Vertikalablenkung zu erzeugen. Ein fest vorgegebenes rasterförmiges Linienmuster (Trajektorie) wird dabei typischerweise 30 bis 60-mal pro Sekunde reproduziert.
Ein anderer Ansatz wird in den sogenannten Lissajous-Mikroscannern, insbesondere auch bei Lissajous-Scan-Displays verwendet. Dort werden beide Achsen üblicherweise in Resonanz betrieben und dabei ein Scanpfad in Form einer Lissajousfigur erzeugt. Auf diese Weise lassen sich in beiden Achsen große Amplituden erreichen. Insbesondere die Vertikalablenkung kann daher sehr viel größer sein als bei einem Rasterscanner. Entsprechend kann bei einem Lissajous-Mikroscanner, insbesondere einem Lissajous-Scan-Display, meist eine deutlich höhere optische Auflösung erzielt werden als bei einem Raster-Scan-Display, insbesondere in vertikaler Richtung.
Verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Architekturen für Lissajous-Mikroscanner, insbesondere für deren Mikrospiegel einschließlich von dessen Aufhängung, sind insbesondere aus den Druckschriften DE 102009058762 A1 bzw. EP 2 514 211 B1 und US 8,711,456 B2 bekannt und werden im Weiteren unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben. Diesen Architekturen ist gemein, dass bei ihnen die Spiegelaufhängung stets ausschließlich anhand einer Mehrzahl von Federn ausgebildet ist, die jeweils zwischen einer Außenkante des plattenförmigen Spiegels und einem den Spiegel umgebenden, geschlossenen feststehenden Rahmen verlaufen.
Eine oder mehrere der folgenden Anforderungen werden typischerweise an ein Mikroscanner-basiertes Lissajous-Laserstrahl-Ablenksystem gestellt:

- hohe Scanfrequenzen, z.B. zwischen minimal 10 kHz und maximal 80 kHz, um insbesondere möglichst viele Zeilen pro Sekunde projizieren und hohe Bildwiederholraten realisieren zu können;
- vorzugsweise sollten sich beide Strahlablenk-Achsen (Schwingungsachsen) hinsichtlich ihrer Scanfrequenzen nicht zu stark unterscheiden und somit zwei schnelle Achsen darstellen, um auf diese Weise insbesondere sehr günstige Trajektorien, eine gute und sehr schnelle Abdeckung des Projektions-Gebietes und im Falle von Displays möglichst wenige oder nur gering ausgeprägte Flacker-Artefakte beim Betrachter zu erzeugen. Die Begriffe „schnell“ und „langsam“ in Bezug auf eine jeweilige (Schwingungs-)achse beziehen sich hierin jeweils auf die Schwingungsfrequenz, mit der das Ablenkelement (Spiegel) des Mikroscanners bei dessen Betrieb um eine zugehörige Achse schwingt. Die Begriffe werden insbesondere relativ benutzt, um eine „schnellere“ Achse von einer „langsameren“ Achse zu unterscheiden.
- große Spiegeldurchmesser, insbesondere um kleine Spotgrößen und hohe optische Bildpunktauflösung realisieren zu können. Speziell im Zusammenspiel mit optischen Wellenleitern (engl. wave guides) sind große Spiegeldurchmesser von großem Vorteil, um dadurch eine große sog. „Eyebox“ (Augenboxe) und geringe diffraktive Verluste und möglichst wenig Artefakte erzielen zu können;
- große Strahlablenkwinkel, insbesondere um damit möglichst hohe Bildpunktauflösung und ein großes Projektions- bzw. Beobachtungsfeld (Field-of-View, FoV) zu ermöglichen;
- möglichst geringer Bauraum bzw. geringe Chipgröße, insbesondere um zu ermöglichen, dass der Mikroscanner-basierte Laser-Projektor von elektronischen Endgeräten, beispielsweise von Smart-Brillen (z.B. Augmented Reality (AR)-Brillen, Smartphones oder Tablet-Computern, nahezu unsichtbar in den Brillenbügeln bzw. im Gehäuse des Smartphones oder Tablets verschwinden kann, aber zugleich auch, um geringe Fertigungs-Kosten ermöglichen zu können;
- minimale Leistungsaufnahme, insbesondere um eine geringe Wärmeentwicklung der des Endgeräts und eine möglichst lange Batterielaufzeit zu ermöglichen.

Es handelt sich dabei jedoch häufig um einander entgegengesetzt wirkende Anforderungen, wie folgende Beispiele zeigen:

- Ein Mikroscanner, der in seiner Bauform reduziert wird, um Kompaktheitsanforderungen besser bedienen zu können, verliert in der Regel an Aktuatorfläche, damit an Antriebskraft bzw. -drehmoment und dadurch an (Bildpunkt-)Auflösung und Performanz (z.B. Bildfeldgröße, erreichbarer Bildwiederholrate).
- Ein Mikroscanner, der in seiner Bauform reduziert wird, verliert in der Regel an Fläche, die der Unterbringung von Federaufhängungen zur Verfügung steht. Damit erhöht sich der Stress in den Aufhängungen und reduziert sich die mechanische Auslenkung und damit zugleich auch die optische Auflösung und Performanz.
- Ein Mikroscanner, dessen Leistungsaufnahme zu Gunsten einer längeren Funktionsdauer eines mobilen Gerätes bzw. einer darauf ablaufenden Applikation reduziert wird, verliert in der Regel an Antriebskraft bzw. -drehmoment, dadurch an Auflösung und Performanz.
- Eine Spiegelplatte, die aus Gründen kleinerer Spots und dadurch höherer optischer Auflösung vergrößert wird, nimmt in der Regel an Masse und Trägheitsmoment zu und verringert daher die erreichbare Dynamik und Geschwindigkeit.
- Eine Spiegelplatte, die aus Gründen höherer optischer Auflösung vergrößert wird, zeigt dadurch in der Regel größere dynamische Deformationen, wodurch sich die Strahldivergenz und die Spotgröße vergrößern und sich die Auflösung teilweise verringert.
- Eine Federaufhängung, die zu Gunsten höherer Scangeschwindigkeiten und höherer Bildwiederholrate versteift wird, erzielt in der Regel geringere Auslenkungen und verringert darüber die erreichbare optische Auflösung.

Insgesamt ergeben sich somit beim Entwurf von Mikroscannern in der Regel herausfordernde Optimierungsprobleme, zu deren Lösung oftmals nicht nur einer oder mehrere der oben genannten Parameter, sondern darüber hinaus noch viele andere Eigenschaften und Randbedingungen mitberücksichtigt werden müssen. Solche zusätzlichen Eigenschaften und Randbedingungen können insbesondere die Herstellbarkeit, Herstellungskosten, Ausbeute, elektronische Ansteuerbarkeit, Reproduzierbarkeit, verfügbare Modulationsbandbreite von Laserquellen und Treibern und vieles andere mehr betreffen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten, zumindest zweiachsigen, insbesondere resonant betreibbaren, Mikroscanner zur Lissajousfigurförmigen Abtastung eines Beobachtungsfeldes bzw. (gleichbedeutend) Projektionsfeldes bereitzustellen, der eine Verbesserung bezüglich zumindest einer der vorgenannten Problemstellungen ermöglicht. Außerdem soll ein zur Herstellung eines solchen Mikroscanners geeignetes Herstellungsverfahren angegeben werden.
Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Mikroscanner zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld (Projektionsfeld), wobei der Mikroscanner aufweist: (i) ein Ablenkelement, insbesondere einen Spiegel, zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls; (ii) eine Tragestruktur; und (iii) eine Federeinrichtung mit einer oder mehreren Federn, mittels derer das Ablenkelement so an der Tragestruktur schwingfähig aufgehängt ist, dass es relativ zur Tragestruktur simultan eine erste rotatorische Oszillation um eine erste Schwingungsachse sowie eine zweite rotatorische Oszillation um eine dazu orthogonale zweite Schwingungsachse ausführen kann, um durch Ablenken eines während der simultanen Oszillationen auf das Ablenkelement einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Lissajous-Projektion in ein Beobachtungsfeld zu bewirken.
Die Tragestruktur weist eine Federträgerstruktur auf und die Federeinrichtung weist eine Anzahl N erster Federn auf, wobei N ≥ 1 gilt und jede der N ersten Feder an zumindest einem zugeordneten Ansatzpunkt an der Federträgerstruktur ansetzt, an zumindest einem zugeordneten Kopplungspunkt an das Ablenkelement gekoppelt ist und sich zwischen diesem Ansatzpunkt und diesem Kopplungspunkt erstreckt. Es gibt dabei drei Punkte auf dem Ablenkelement, die in dessen Ruhelage eine euklidische, insbesondere virtuelle, Hilfsebene definieren und in der Hilfsebene einen durch die Verbindungsgeraden zwischen den drei Punkten eingeschlossenen Flächen- oder Geradenabschnitt aufspannen, auf dem jeder dieser Ansatzpunkte, oder dessen jeweilige lotrechte Projektion auf die Hilfsebene, liegt (Die Verbindungsgeraden selbst zählen hier zu dem Flächen- oder Geradenabschnitt hinzu. Es muss zudem nicht zwingend genau drei Punkte geben, welche die o.g. Bedingung erfüllen. Vielmehr kann es eine beliebige, insbesondere sogar eine unendliche Anzahl von Punktetripeln aus solchen Punkten geben).
Unter einer „Feder“ im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein elastischer Körper, insbesondere ein Maschinenelement, zur Aufnahme und Speicherung mechanischer (potentieller) Energie zu verstehen, der bzw. das sich unter Belastung im Lastbereich unterhalb einer Elastizitätsgrenze gezielt verformt und bei Entlastung wieder seine ursprüngliche Gestalt annimmt. Die Belastung kann dabei insbesondere mittels Torsion oder Biegung erfolgen. Dementsprechend kann eine Feder insbesondere eine Biegefeder oder eine Torsionsfeder sein.
Unter einem „Ablenkelement“ im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein Körper zu verstehen, der eine reflektierende Fläche (Spiegelfläche) aufweist, die glatt genug ist, dass reflektierte elektromagnetische Strahlung, z.B. sichtbares Licht, nach dem Reflexionsgesetz seine Parallelität behält und somit ein Abbild entstehen kann. Die Rauheit der Spiegelfläche muss dafür kleiner sein als etwa die halbe Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Das Ablenkelement kann insbesondere als Spiegelplatte mit zumindest einer Spiegelfläche ausgebildet sein oder eine solche aufweisen. Insbesondere kann die Spiegelfläche selbst aus einem anderen Material bestehen, z.B. aus einem, insbesondere abgeschiedenen, Metall, als der sonstige Körper des Ablenkelements.
Unter einem „Ansatzpunkt“ einer Feder ist im Sinne der Erfindung insbesondere ein Punkt an oder in der Federträgerstruktur zu verstehen, an dem die Feder an der Federträgerstruktur befestigt ist oder im Falle, dass sie einstückig mit der Tragestruktur oder einem Teil davon ausgebildet ist, in diese bzw. dieses übergeht, und der bei den Oszillationen des Ablenkelements einen Fixpunkt der dabei auftretenden Federbewegung bildet. Die Feder kann dabei insbesondere auch an einer Mehrzahl von zusammenhängenden oder separaten Ansatzpunkten an der Federträgerstruktur ansetzen.
Unter einem „Kopplungspunkt“ einer Feder ist im Sinne der Erfindung insbesondere ein Punkt an oder in der Feder zu verstehen, von dem aus sie unmittelbar, oder mittelbar über einen oder mehrere Zwischenkörper, an dem Ablenkelement befestigt ist oder im Falle, dass sie einstückig mit Ablenkelement oder einem Teil davon ausgebildet ist, in dieses übergeht. Die Feder kann dabei insbesondere auch von einer Mehrzahl von zusammenhängenden oder separaten Kopplungspunkten aus an das Ablenkelement gekoppelt sein. Die Begriffe „Kopplung“, „koppeln“, „gekoppelt“ und Abwandlungen davon beziehen sich hierin entsprechend auf eine unmittelbare oder mittelbare, insbesondere mechanische, Kraftkopplung zwischen zumindest zwei Körpern, wie beispielsweise dem Ablenkelement oder der Tragestruktur einerseits und einer Feder andererseits.
Unter einer „Schwingungsachse“ bzw. gleichbedeutend „Achse“ im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Drehachse (Rotationsachse) einer rotatorischen Bewegung zu verstehen. Sie ist eine Gerade, die eine Rotation oder Drehung definiert oder beschreibt.
Unter einer „Lissajous-Projektion“ im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Abtastung (Scanning) eines Beobachtungsfelds mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung zu verstehen, die durch zumindest zwei zueinander orthogonale und zumindest im Wesentlichen sinusförmige Schwingungen (Oszillationen) eines die Strahlung in das Beobachtungsfeld ablenkenden Ablenkelements bewirkt wird.
Unter einer euklidischen „Hilfsebene“ ist, dem üblichen Sprachgebrauch in der Mathematik folgend, insbesondere eine euklidische Ebene im dreidimensionalen Raum zu verstehen, die nicht, jedenfalls nicht zwingend, materiell (etwa durch entsprechende ebene Flächen eines realen Körpers) realisiert sein muss, sondern in der Regel nur als abstraktes (virtuelles) mathematisches Hilfsmittel, insbesondere zur Lösung oder Beschreibung eines geometrischen Problems oder Zustands definiert ist.
Die hierein gegebenenfalls verwendeten Begriffe „umfasst“, „beinhaltet“, „schließt ein“, „weist auf“, „hat“, „mit“, oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind.
Ferner bezieht sich „oder“, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).
Die Begriffe „ein“ oder „eine“, wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe „ein anderer“ und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen.
Der Begriff „Mehrzahl“, wie er hier verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen.
Unter „konfiguriert“ oder „Konfiguration“ bzw. Abwandlungen dieser Begriffe ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die entsprechende Vorrichtung bereits eingerichtet ist oder einstellbar - d.h. konfigurierbar - ist, eine bestimmte Funktion zu erfüllen. Die Konfiguration kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Einstellung von Parametern eines Prozessablaufs oder von hardware- oder softwareimplementierten Schaltern oder ähnlichem zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Funktionalitäten bzw. Einstellungen erfolgen. Insbesondere kann die Vorrichtung mehrere vorbestimmte Konfigurationen oder Betriebsmodi aufweisen, so dass das Konfigurieren mittels einer Auswahl einer dieser Konfigurationen bzw. Betriebsmodi erfolgen kann.
Bei dem Mikroscanner nach dem ersten Aspekt erstrecken sich folglich die (ersten) Federn, an denen das Ablenkelement, welches insbesondere als Spiegelplatte ausgebildet oder eine solche aufweisen kann, aufgehängt ist, anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nicht von dem Ablenkelement nach außen gerichtet zu einem Chiprahmen hin. Stattdessen erstrecken sie sich nach innen gerichtet hin zu ihrem jeweiligen, entsprechend positionierten Ansatzpunkt an dem Federträgerelement, das somit eine zentrale, jedoch nicht zwingend mittige, Aufhängung der ersten Federn und somit mittelbar auch des Ablenkelements bereitstellt.
Dies ermöglicht insbesondere ein geringeres Massenträgheitsmoment der schwingenden Teile, also des Ablenkelements in Kombination mit den Federn, und in der Folge große Scanwinkel und/oder hohe Scanfrequenzen für beide Achsen, eine kompakte Bauweise und daraus folgend meist auch geringere Fertigungskosten und/oder geringeren Federstress aufgrund geringeren Hubs. Zudem ermöglichen es die nach innen gerichteten (ersten) Federn wegen der geringeren erforderlichen Maximalauslenkungen, Oszillationsbewegungen, die bezüglich der Federbiegung oder -torsion in nichtlineare Federbetriebsbereiche hineinführen, zu reduzieren oder gar zu vermeiden, was von Vorteil für die Bauelement-Performanz ist.
Einsatzgebiete für derartige Mikroscanner können insbesondere sein: Augmented- und Virtual-Reality-Brillen-Displays, Head-Up-Displays, Pico-Projektoren, Kino-Projektoren, Laser-TV, 3D-Kameras, LIDAR-Sensoren, Gestenerkennungssysteme, Hyperspektral-Kameras, Fotolackbelichter, Lasermaterialbearbeitungs-Systeme, Radar-Scanner, OCT-Scanner (OCT = optische Kohärenztomographie bzw. engl.: Optical Coherence tomography).
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Mikroscanners nach dem ersten Aspekt beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder sie sich gegenseitig ausschließen, beliebig miteinander kombiniert werden können.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Ablenkelement in seiner Ruhelage eine Rotationssymmetrie bezüglich einer (ersten) Symmetrieachse auf und ist so angeordnet, dass die (erste) Symmetrieachse durch den von der Federträgerstruktur aufgespannten Raumbereich verläuft. Die Rotationssymmetrie kann insbesondere n-zählig (n = 2, 3, 4, ...) oder sogar eine Kreissymmetrie sein. Insbesondere können die Federträgerstruktur als Ganzes, ein die Ansatzpunkte der ersten Federn enthaltender Abschnitt der Federträgerstruktur oder die Anordnung der Ansatzpunkte der ersten Federn ebenfalls eine Rotationssymmetrie bezüglich einer zweiten Symmetrieachse aufweisen und so angeordnet sein, dass die ersten und zweiten Symmetrieachsen zusammenfallen.
Allen diesen Ausführungsformen ist gemein, dass sie eine, zumindest im Wesentlichen, zentrale Aufhängung des Ablenkelements an einer zentral angeordneten Federträgerstruktur aufweisen, was insbesondere eine entsprechend rotationssymmetrische Spiegelbewegung fördert. Insbesondere ist es so möglich, die ersten Federn gleich lang oder sogar insgesamt oder paarweise gleichartig zu wählen und so eine zumindest bezüglich einer Richtung näherungsweise symmetrische Aufhängung und somit symmetrische Bewegung zu ermöglichen. Es können sich so auch Vorteile im Hinblick auf einen aufgrund der Symmetrie besonders einfachen Aufbau sowie eine entsprechend vereinfachte Justage ergeben.
Der Begriff „aufgespannter Raumbereich“ (bzw. sprachliche Abwandlungen hiervon) ist dabei so zu verstehen, dass zu dem von der Federträgerstruktur „aufgespannten Raumbereich“ alle Raumpunkte gehören, die auf irgendeiner von je zwei Punkten als dazwischenliegende geradlinige Verbindung aufgespannten Strecke liegen, wobei diese aufspannenden Punkte jeweils an der Oberfläche oder im Inneren der Federträgerstruktur selbst liegen. Auch alle diese den Raumbereich insgesamt „aufspannenden“ Punkte selbst gehören zu dem aufgespannten Raumbereich. Beispielsweise beinhaltet der von einem zylinderförmigen Rohr aufgespannte Raumbereich neben dem durch die von dem materiellen Rohr selbst eingenommenen Raumbereich auch den von der rohrförmigen Zylinderwand eingeschlossenen Hohlraum im Inneren des Rohrs.
Bei einigen Ausführungsformen setzen die N ersten Federn jeweils ausschließlich an der Federträgerstruktur an die Tragestruktur an und das Ablenkelement ist ausschließlich an diesen ersten Federn aufgehängt. Auf diese Weise lassen sich insbesondere besonders kleine Bauformen erzielen. Nachdem hier ausschließlich die ersten Federn für die Aufhängung des Ablenkelements vorgesehen sind, können zudem ein besonders geringes Massenträgheitsmoment und/oder dadurch bedingt hohe Scangeschwindigkeiten und große Scanwinkel erreicht werden. Auch der vorgenannte Vorteil, dass die Schwingungen des Ablenkelements weniger stark durch potentielle Nichtlinearitäten der Federn beeinflusst werden, die typischerweise insbesondere bei großen Auslenkungen auftreten, kann hier vorteilhaft genutzt werden.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Ablenkelement eine Ablenkplatte (Mikrospiegel, Spiegelplatte) mit einer darin ausgebildeten Aussparung auf. Aufgrund der Aussparung kann auf diese Weise das Massenträgheitsmoment der Ablenkplatte weiter verringert werden. Entsprechend können die Federn leichter beziehungsweise schlanker ausgelegt werden, wodurch sich auch Vorteile im Hinblick auf Gewicht, Bauformgröße und Scangeschwindigkeit erreichen lassen. Insbesondere sind in dieser Hinsicht Bauformen für die Ablenkplatte mit einer Rotationssymmetrie (z.B. n-zählig oder kreissymmetrisch) vorteilhaft. So kann die Ablenkplatte insbesondere eine rotationssymmetrische Ringform, wie etwa eine Kreisringform, aufweisen, bei der das außerhalb des Ablenkelementkörpers liegende Ringinnere die Aussparung bildet.
Bei einigen dieser Ausführungsformen verläuft zumindest eine, bzw. verlaufen insbesondere sämtliche, der ersten Federn zumindest abschnittsweise innerhalb der Aussparung, dies lässt besonders raumsparende Implementierungen des Mikroscanners zu. Insbesondere lassen sich so auch besonders flache Implementierungen erreichen, vor allem dann, wenn sämtliche Federn innerhalb der Aussparung verlaufen und die Ablenkplatte und die Federn im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene (genauer gesagt: in einem „plattenförmigen“ Raumbereich geringer Dicke) liegen.
Bei einigen der Ausführungsformen mit einer Aussparung in der Ablenkplatte weist der Mikroscanner des Weiteren eine Optik zur Umformung von einfallender elektromagnetischer Strahlung in einen ausfallenden, auf das Ablenkelement gerichteten elektromagnetischen Strahl auf, dessen radialer Intensitätsverlauf beim seinem Auftreffen auf das Ablenkelement so auftritt, das dabei ein radiales Intensitätsmaximum des Strahls die Aussparung auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Aussparung, insbesondere ringförmig, umgibt.
Die Optik kann insbesondere ein Axicon aufweisen. Axicons sind konische Linsen, welche ein ringförmiges radiales Strahlprofil erzeugen. Insbesondere Ringspiegel lassen sich besonders vorteilhaft für Laser-Projektions-Aufgaben einsetzen, wenn man einen einfallenden Laserstrahl mit rundem, insbesondere kreisrundem, Strahlprofil zuvor mit Hilfe eines brechenden, beugenden oder reflektierenden Axicons in einen ringförmigen Strahl umwandelt, der dann als ringförmiger Strahl auf die ringförmige Spiegelplatte fällt und von dieser zweiachsig auch als ringförmiger Strahl abgelenkt wird. Wählt man gleichzeitig Fokussier-Optiken im Zusammenspiel mit dem Axicon und dem Ringspiegel so, dass die ringförmigen Strahlen einander in einem Fokus treffen, dann kann es sogar zur Interferenz der Strahlen kommen, die im Fall von Besselstrahlen vorteilhaft kleine Fokusdurchmesser und eine sehr hohe erreichbare optische Auflösung des projizierenden Systems ermöglichen.
Bei einigen Ausführungsformen ist zumindest eine der N ersten Federn so geformt, insbesondere jeweils in Bogenform, dass in ihrer Ruhelage ihre effektive Federlänge zwischen dem Ablenkelement und der Federträgerstruktur größer ist als der minimale vorkommende Abstand zwischen einem, insbesondere jedem, ihrer Kopplungspunkte am Ablenkelement einerseits und einem, insbesondere jedem, ihrer Ansatzpunkte an der Federträgerstruktur andererseits. So lassen sich insbesondere mehrbeinige Aufhängungen mit großem Federweg (Hub) und somit großen Auslenkungen und damit wiederum großen Beobachtungsfelder erreichen. Insbesondere kann die Anordnung der ersten Federn eine Spiralform (insbesondere ähnlich der Spiralform einer Spiralgalaxie) aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen weist die Federeinrichtung genau N = 2 erste Federn auf, die zusammen eine Zweibeinaufhängung des Ablenkelements an der Federträgerstruktur bilden. Insbesondere kann die Anordnung der zwei Federn wieder eine Rotationssymmetrie aufweisen. Die Verwendung von genau zwei Federn hat neben dem besonders einfachen Aufbau den Vorteil, dass sich hier die genauen Lagen und Scanfrequenzen (Schwingungsfrequenzen) der ersten und zweiten Schwingungsachsen besonders einfach und genau vorbestimmen lassen. Zudem lassen sich mit symmetrischen Zweibeinaufhängungen, insbesondere mit symmetrischen Zweibeinaufhängungen, besonders gut rechtwinklige Beobachtungsfelder realisieren.
Bei einigen dazu alternativen Ausführungsformen weist die Federeinrichtung dagegen N = 4 erste Federn auf, wobei diese vier ersten Federn zusammen eine kreuzförmige, Insbesondere orthogonale, Aufhängung des Ablenkelements an der Federträgerstruktur bilden. Auch hier sind ein relativ einfacher Aufbau und eine leichte und genaue Bestimmbarkeit der Lagen und Scanfrequenzen der ersten und zweiten Schwingungsachsen von Vorteil.
Bei einigen Varianten dieser Ausführungsformen bilden je zwei beliebige der kreuzförmig angeordneten (ersten) Federn, wobei es sich insbesondere um je zwei sich im Rahmen der kreuzförmigen Aufhängung gegenüberliegende der vier ersten Federn handeln kann, ein jeweiliges Federpaar aus Federn gleicher Federsteifigkeit, während sich die jeweiligen Federsteifigkeiten für die ersten Federn der beiden Federpaare unterscheiden. So lassen sich besonders einfach, insbesondere bei rotationssymmetrischer Aufhängung, verschiedene Scanfrequenzen für die erste Schwingungsachse einerseits und die zweite Schwingungsachse andererseits realisieren.
Bei einigen Ausführungsformen weist die Tragestruktur des Weiteren eine das Ablenkelement zumindest zweiseitig umgebende und bezüglich der ersten und zweiten rotatorischen Oszillationen des Ablenkelements feststehende Rahmenstruktur auf, an der das Ablenkelement mittels einer Anzahl M zweiter Federn zusätzlich aufgehängt ist, wobei M ≥ 1 gilt. Das Ablenkelement ist somit einerseits mittels der N ersten Federn an der Federträgerstruktur und andererseits mittels der M zweiten Federn an der Rahmenstruktur aufgehängt. M kann insbesondere gleich N sein (M = N).
Diese Ausführungsformen können insbesondere eine weitere Differenzierung der verschiedenen effektiven Federsteifigkeiten für die erste und zweite Schwingungssachse und somit von ihrer jeweiliger Scanfrequenz und deren Aufrechterhaltung während des Scanvorgangs erleichtern. Durch die Kombination der ersten und zweiten Federn ist es insbesondere möglich die effektive Gesamtsteifigkeit der Federaufhängung bezüglich der betroffenen Schwingungsachse unter Beibehaltung des Betriebs im linearen Bereich zu vergrößern und somit insbesondere noch höherer Scanfrequenzen auf dieser Schwingungsachse zu erreichen. Dabei ist es insbesondere auch vorteilhaft möglich, die Steifigkeit der zweiten Federn geringer zu wählen als die der ersten Federn. Insbesondere ist die Aufrechterhaltung eines bestimmten Frequenzabstands zwischen den Scanfrequenzen der beiden Schwingungsachsen erforderlich, um eine rechteckige Ausleuchtung, d. h. eine, insbesondere annähernd homogene, Ausleuchtung von im Querschnitt zur optischen Achse gesehen rechteckigen Projektionsfeldern realisieren zu können.
Trotz der zusätzlichen Rahmenstruktur und der zweiten Federn lassen sich somit besonders kleine Bauformen realisieren, da die zweiten Federn kürzer und/oder weniger steif ausgebildet sein können als bei den bekannten Lösungen aus dem Stand der Technik.
Bei einigen dieser Ausführungsformen definiert die Aufhängung des Ablenkelements an der Federträgerstruktur mittels der N ersten Federn die erste Schwingungsachse und die Aufhängung des Ablenkelements mittels der M zweiten Federn an der Rahmenstruktur definiert die zweite Schwingungsachse, jedenfalls jeweils überwiegend. So lassen sich durch entsprechende Wahl der jeweiligen Federeigenschaften der ersten Federn einerseits und der zweiten Federn andererseits die Federsteifigkeiten und somit die Scanfrequenzen für jede der beiden Achsen besonders leicht einstellen bzw. festlegen. Außerdem lassen sich somit besonders leicht achsenspezifische Antriebe mit einem oder mehreren separaten zugeordneten Aktuatoren je Achse realisieren. Gleiches gilt für Sensoren zur Lagebestimmung des Ablenkelements.
Bei einigen Ausführungsformen gilt N ≥ 2 und das Ablenkelement erstreckt sich zwischen den jeweiligen Kopplungspunkten der N ersten Federn, so, dass es dabei die Federträgerstruktur zumindest teilweise überbrückt. Die Kopplungspunkte können insbesondere zugleich Endpunkte der jeweiligen Federn sein. Auf diese Weise lassen sich insbesondere besonders kompakte Bauformen des Mikroscanners und ein besonders günstiges (d.h. großes) Verhältnis von verfügbarer Spiegelfläche (zur Reflexion elektromagnetischen Strahlung) zur Gesamtfläche (insbesondere Chipfläche) des Mikroscanners erreichen. Das Ablenkelement kann insbesondere auch ohne Aussparung ausgebildet sein, da eine Aufnahme der Federn in die Aussparung nicht erforderlich ist, um eine kompakte Bauform zu erreichen.
Bei einigen dieser Ausführungsformen weist das Ablenkelement ein als Ablenkplatte zum Ablenken des einfallenden elektromagnetischen Strahls ausgebildetes Substrat auf, das mittels zumindest einer Bondverbindung mit einer oder mehreren der ersten Federn oder mit einem zwischen einer oder mehreren der ersten Federn einerseits und der Ablenkplatte andererseits angeordneten Zwischenkörper verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass bei der Herstellung die Ablenkplatte separat von dem zur Herstellung der ersten Federn und gegebenenfalls des Zwischenkörpers verwendeten Substrat gefertigt werden und erst nachfolgend mittels der Bondverbindung an die Federaufhängung gekoppelt werden kann. Die Bondverbindung kann insbesondere sein: (i) eine anodisch erzeugte Bondverbindung, was insbesondere infrage kommt, wenn Glas und Silizium miteinander verbunden werden können; (ii) eine eutektische Bondverbindung (z.B. Au-Au); (iii) eine mittels Thermokompression hergestellte Verbindung; (iv) eine unmittelbare (direkte) Bondverbindung, insbesondere eine lasergestützte Direktbondverbindung; oder (v) eine Glasfrit-Bondverbindung, insbesondere bei großen Spiegeldurchmessern.
Bei einigen der vorgenannten Ausführungsformen mit Rahmenstruktur und einem die Federträgerstruktur überbrückendem Ablenkelement weist die Federeinrichtung des Weiteren eine Anzahl K dritter Federn auf, wobei K ≥ 1 gilt. Dabei ist jede dritte Feder einerseits an den jeweiligen Kopplungspunkt einer zugeordneten ersten Feder oder gegebenenfalls den Zwischenkörper und andererseits an die Rahmenstruktur gekoppelt ist. Insbesondere sind die Fälle K = M und/oder K = N möglich. Die Aufhängung des Ablenkelements an der Rahmenstruktur wird somit einerseits durch die zweiten Federn und andererseits durch die dritten Federn erreicht. So lässt sich insbesondere eine noch weitere Erhöhung der effektiven Federsteifigkeit für die erste und zweite Schwingungsachse, insbesondere für den Betrieb im Hook'schen (linearen) Bereich, erreichen. Auch erweitern diese Ausführungsformen die verfügbare Designfreiheit und Konfigurationsmöglichkeit beim Entwurf des Mikroscanners aufgrund der zusätzlichen Freiheitsgrade (z.B. Anzahl, Art und Lage der zusätzlichen dritten Federn) noch weiter. Zudem sind Varianten möglich, bei denen die zweiten Federn entfallen und insbesondere solche bei denen ausschließlich die ersten und die dritten Federn die Federeinrichtung bilden.
Bei einigen Ausführungsformen weist der Mikroscanner des Weiteren eine Verkapselung auf, mittels der zumindest das Ablenkelement und die Federn der Federeinrichtung hermetisch abgeschlossen so eingekapselt sind, dass das Ablenkelement in der Verkapselung zur Ausführung der Oszillationen befähigt an der Federeinrichtung schwingfähig aufgehängt ist. Dabei weist die Verkapselung einen das Ablenkelement überbrückenden Kapselabschnitt auf, durch den die abzulenkende Strahlung in den von der Verkapselung eingekapselten Raumbereich eingestrahlt und nach ihrer Ablenkung am Ablenkelement daraus wieder ausgestrahlt werden kann. Die Verkapselung bzw. der Kapselabschnitt kann insbesondere aus einem Glasmaterial bestehen oder ein solches enthalten, welches in einem für den Einsatz des Mikroscanners relevanten Spektralbereich für elektromagnetische Strahlung zumindest überwiegend, bevorzugt weitgehend, transparent ist.
Die Verwendung einer solchen Verkapselung ermöglicht es insbesondere, den Druck in dem hermetisch abgeschlossenen eingekapselten Raumbereich zu reduzieren, insbesondere diesen Raumbereich zu evakuieren, um so Gasreibungsverluste, insbesondere Luftreibungsverluste, oder andere Störungen der Oszillationen des Ablenkelements zu verringern oder sogar weitgehend auszuschließen. Besonders vorteilhaft ist dies im Falle der Verwendung des Mikroscanners für Lissajous-Display-Anwendungen, wenn das Ablenkelement und seine Federaufhängung nicht an Umgebungsluft, sondern bei reduziertem Druck, insbesondere im Vakuum, betrieben werden, weil dadurch auf sehr effiziente Weise die Reibungsverluste durch die Luftdämpfung umgangen werden können und der Mikroscanner in Folge dessen beispielsweise bis 100 mal größere Schwingungsamplituden erreichen kann als an Luft unter Atmosphärendruck. Entsprechend kann damit auch die erreichbare optische Auflösung entsprechend, beispielsweise auf das bis zu 100-fache, in einer oder jeder der ersten und zweiten Schwingungsachsen gesteigert werden.
Bei einigen dieser Ausführungsformen weist der Kapselabschnitt eine domförmige (kuppelförmige), eine planare oder eine im Querschnitt rechtwinklig U-förmige Gestalt auf. Die domförmige Gestalt hat insbesondere den Vorteil, dass einfallende und ausfallende elektromagnetische Strahlen, insbesondere Laserstrahlen, durch die Verkabelung kaum abgelenkt werden. Soweit einfallende Strahlen an dem domförmigen Kapselabschnitt reflektiert werden, erfolgt dies regelmäßig in eine andere Richtung als die Richtung des am Ablenkelement reflektierten ausfallenden Strahls, sodass hier unerwünschte Wechselwirkungen bzw. Überlagerungen der Strahlen effektiv vermieden werden können. Die planare Gestalt und die im Querschnitt rechtwinklig U-förmige Gestalt zeichnen sich dagegen jeweils durch ihre besonders einfache Herstellbarkeit und Handhabung bei der Fertigung des Mikroscanners aus. Die im Querschnitt rechtwinklig U-förmige Gestalt kann zusätzlich den Vorteil bieten, dass etwaige andernfalls zusätzlich erforderliche Zwischenschichten (Spacerschichten) im Unterbau der Verkapselung für die Ausbildung eines für die Bewegung des Ablenkelements ausreichend großen, von der Verkapselung eingeschlossenen Raumbereichs vermieden oder in ihrer Anzahl oder Dicke reduziert werden können.
Bei einigen dieser Ausführungsformen mit Verkapselung ist der Kapselabschnitt auf einem ersten Schichtstapel gelagert, der eine erste Schichtfolge enthält, die im Hinblick auf die Reihenfolge, das Material und/oder die Dicke der einzelnen Schichten der ersten Schichtfolge einer zweiten Schichtfolge eines zweiten Schichtstapels entspricht, aus dem die Kombination aus dem Ablenkelement, der Federeinrichtung (zumindest der ersten Federn) und der Federträgerstruktur gefertigt ist. Dies erlaubt einen besonders effizienten Herstellungsprozess, da der erste Schichtstapel und der zweite Schichtstapel als Abschnitte eines einzigen gemeinsamen Schichtstapels gefertigt werden können und erst im Rahmen der Strukturierung des gemeinsamen Schichtstapels ihre jeweilige Form und damit einhergehend ihre jeweilige Funktionalität erhalten können.
Bei einigen Ausführungsformen beträgt der Gütefaktor, d.h. Q-Faktor, des Mikroscanners bezüglich zumindest einer der der beiden Oszillationen wenigstens 1000. Dies kann insbesondere im Zusammenhang mit Ausführungsformen mit einer Verkapselung, insbesondere bei gegenüber dem Atmosphärendruck reduziertem Gasdruck oder Vakuum innerhalb des durch die Verkapselung eingekapselten Innenraums erreicht werden. Dadurch lässt sich insbesondere eine weitere Performanz-Verbesserung erreichen.
Bei einigen Ausführungsformen weist der Mikroscanner des Weiteren auf: (i) ein Trägersubstrat, das die Federträgerstruktur trägt; und (ii) einen Aktuator zum Antrieb der ersten Oszillation und/oder der zweiten Oszillation des Ablenkelements. Dabei ist der Aktuator mechanisch an das Trägersubstrat gekoppelt, um auf dieses beim Betrieb des Mikroscanners mechanisch einzuwirken und dabei mittelbar zumindest über die Federträgerstruktur und die ersten Federn eine Antriebswirkung auf das Ablenkelement zum Antrieb von dessen ersten und/oder zweiten Oszillationen zu bewirken. Diese Ausführungsformen ermöglichen es insbesondere, auf schwingungsachsenspezifische Aktuatoren zum Antrieb der Oszillationen des Mikroscanners zu verzichten und somit die schwingungsfähigen Bauteile bzw. Abschnitte des Mikroscanners (Ablenkelement, Federn) als rein passive Bauteile auszubilden, die dann insbesondere keiner Strom- oder Signalversorgung bedürfen.
Bei einigen dieser Ausführungsformen ist der Aktuator so benachbart zu einer Kavität in dem Trägersubstrat oder einem anderen mit dem Aktuator verbundenen Substrat, insbesondere einem Träger- bzw. Bodensubstrat des Mikroscanners, angeordnet, dass er bei seinem Betrieb zumindest abschnittsweise eine sich in die Kavität hineinerstreckende Bewegung ausführen kann. So lassen sich besonders raumsparende, kompakte Bauformen unter Aufrechterhaltung einer hohen effektiven Antriebsleistung des Aktuators bezüglich des Ablenkelements und großen möglichen Auslenkungen verwirklichen.
Bei einigen der vorgenannten Ausführungsformen mit Aktuator ist dieser zugleich als Sensorvorrichtung zur sensorischen Erfassung der momentanen Lage des Ablenkelements oder als ein Teil einer solchen Sensorvorrichtung ausgebildet.
Insbesondere kann der Aktuator einen Piezoaktuator aufweisen, der zugleich als Elektrode einer auf elektrischer Kapazitätsmessung beruhenden Sensoranordnung dient.
Bei einigen Ausführungsformen sind an der Federträgerstruktur oder der Federeinrichtung ein oder mehrere Aktuatoren oder Sensoren vorgesehen, die an eine oder mehrere Signal- oder Stromversorgungsleitungen angeschlossen sind, die insgesamt zumindest abschnittsweise durch eine oder mehrere in der Federträgerstruktur vorgesehene Öffnungen (Kanäle) hindurch verlaufen.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Mikroscanner so konfiguriert, dass für das Frequenzverhältnis der Resonanzfrequenz f₁ bezüglich der schnelleren der beiden Schwingungsachsen zur Resonanzfrequenz f₂ bezüglich der langsameren der beiden Schwingungsachsen gilt: f₁/f₂ = F + v, wobei F eine natürliche Zahl ist (F = 1,2,3,...) ist und für die Verstimmung v gilt: v = (f₁-f₂)/f₂ mit (f₁-f₂) < 200 Hz, wobei v nicht ganzzahlig ist.
Bei einigen Ausführungsformen weist der Mikroscanner eine Aktuatorik mit einem oder mehreren Aktuatoren zum Antrieb der ersten und zweiten Oszillationen auf, wobei die Aktuatorik so konfiguriert ist, dass sie das Ablenkelement in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachse versetzen kann. Die Aktuatorik kann insbesondere einen oder mehrere der in vorausgehenden Ausführungsformen beschriebenen Aktuatoren aufweisen oder daraus bestehen.
Bei einigen dieser Ausführungsformen ist die Aktuatorik so konfiguriert, dass sie das Ablenkelement derart in simultane Schwingungen bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachse versetzen kann, dass für das Frequenzverhältnis der Schwingungsfrequenz f₁ bezüglich der schnelleren der beiden Schwingungsachsen zur Schwingungsfrequenz f₂ bezüglich der langsameren der beiden Schwingungsachsen gilt: f₁/f₂ = F + v, wobei F eine natürliche Zahl ist (F = 1,2,3,...) und für die Verstimmung v gilt: v = (f₁-f₂)/f₂ mit (f₁-f₂) < 200 Hz, wobei v nicht ganzzahlig ist. Es ergibt sich somit hier ein Frequenzverhältnis f₁/f₂ nahe bei 1, 2, 3, bzw. 4, usw.
Die Verstimmung v kann in den o.g. Fällen mit Verstimmung v insbesondere so erreicht werden, dass sich nur eine der beiden Schwingungsfrequenzen oder aber beide jeweils von der jeweiligen Resonanzfrequenz zur zugehörigen Schwingungsachse unterscheidet bzw. unterscheiden. Dabei spielt die Verstimmung v gegenüber einem ganzzahligen Frequenzverhältnis eine große Rolle, denn diese Verstimmung der Frequenz legt fest, wie schnell die Lissajous-Trajektorie sich räumlich weiterbewegt. Bei einem ganzzahligen Verhältnis ist die Verstimmung gleich Null und die Trajektorie ist ortsfest und reproduziert sich in dieser Form unentwegt neu. Bei einer nichtganzzahligen Verstimmung v > 0 beginnt die Trajektorie dagegen zu wandern und zwar innerhalb eines bestimmten Intervalls umso schneller, je größer die Verstimmung v gegenüber dem ganzzahligen Verhältnis ist. Die Fortschrittsgeschwindigkeit mit der sich die Trajektorie weiterbewegt, kann vorteilhaft so gewählt werden, dass sich eine bestimmte Trajektorienwiederholrate (vollständige Phasendurchläufe/Zeit), z.B. aus dem Frequenzbereich von 30 Hz bis 100 Hz einstellt, mit der sich die Trajektorie reproduziert bzw. unter idealen ungestörten Bedingungen reproduziert. (Zur Erläuterung: Insbesondere beim Einsatz von Phasenregelkreisen oder anderen Regelkreisen ist häufig keine exakte Reproduktion möglich. Dennoch bleiben die Vorteile einer günstig gewählten Verstimmung und einer damit einhergehenden günstigen Fortschrittsgeschwindigkeit der Trajektorie bestehen). Auf Basis einer derart gewählten Verstimmung v lässt sich insbesondere auch eine verbesserte, d.h. zumindest im zeitlichen Mittel, erhöhte Liniendichte erreichen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Mikroscanners nach dem ersten Aspekt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte bzw. Prozesse auf: (i) Bereitstellen eines plattenförmigen Substrats, insbesondere eines Halbleitersubstrats, mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptflächen; (ii) Strukturieren des Substrats von einer ersten der Hauptflächen aus zur zumindest anteiligen Ausbildung des Ablenkelements, der Tragestruktur und der Federeinrichtung; (iii) Selektives, zumindest anteiliges Freilegen der jeweils mittels des Strukturierens ausgebildeten Ablenkelements und der Federeinrichtung von der anderen Hauptfläche aus; und (iv) Befestigen der aus dem Freilegen resultierenden Microscanneranordnung auf einem Trägersubstrat.
Das Strukturieren und Freilegen kann, insbesondere im Falle eines Halbleitersubstrats, unter Verwendung bekannter MEMS-Fertigungstechnologien, insbesondere Halbleiterchipfertigungstechnologien, unter Einsatz von (Foto-)Lithographie im Zusammenspiel mit einem geeigneten Ätzverfahren erfolgen.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Verfahren des Weiteren zumindest einen der folgenden Schritte bzw. Prozesse aufweisen: (v) Aufbringen einer Reflektionsschicht auf einem zur Ausbildung des Ablenkelements vorgesehenen Oberflächenabschnitt auf einer Hauptseite des Substrats, insbesondere auf der ersten Hauptseite; (vi) Hermetisches Einkapseln der auf dem Trägersubstrat befestigten Microscanneranordnung mittels einer Verkapselung; (vii) Bonden von zumindest zwei benachbarten Substraten innerhalb eines zum Aufbau des Mikroscanners dienenden Schichtenstapels mittels eines anodischen, eutektischen oder direkten Bondverfahrens oder eines Thermokompressionsverfahrens; (viii) Erzeugen von einem oder mehreren Aktuatoren oder Sensoren an der Federträgerstruktur oder der Federeinrichtung und Erzeugen von einer oder mehreren Signal- oder Stromversorgungsleitungen, die insgesamt zumindest abschnittsweise durch eine oder mehrere in der Federträgerstruktur vorgesehene Öffnungen hindurch verlaufen und and denen die Aktuatoren bzw. Sensoren angeschlossen sind. Die hier angegebene Reihenfolge der Prozesse (v) bis (viii) ist dabei nicht als zwingende tatsächliche Prozessreihenfolge zu verstehen. Vielmehr können die einzelnen Prozesse, soweit vorhanden, in anderer Reihenfolge umgesetzt werden. Beispielsweise ist es zweckmäßig, den Prozess (v) bereits vor Prozess (i) und den Prozess (viii) vor dem Prozess (vi) auszuführen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Dabei zeigt:

1 schematisch eine Aufsicht auf einen zweiachsigen, kardanisch (d.h. mit Gimbal) aufgehängten Mikrospiegel mit Kammantrieben gemäß einer aus der EP 2 514 211 B1 bekannten Mikroscanner-Architektur;
2 schematisch eine Aufsicht auf einen zweiachsigen gimballos aufgehängten Mikrospiegel gemäß einer ersten aus der US 8,711,456 B2 bekannten Mikroscanner-Architektur;
3 schematisch eine Aufsicht auf einen weiteren zweiachsigen gimballos aufgehängten Mikrospiegel gemäß einer zweiten aus der US 8,711,456 B2 bekannten Mikroscanner-Architektur;
4 schematisch eine Aufsicht auf einen noch weiteren zweiachsigen gimballos aufgehängten Mikrospiegel gemäß einer dritten aus der US 8,711,456 B2 bekannten Mikroscanner-Architektur;
5 schematisch einen Mikroscanner gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
5A schematisch eine Variante des Mikroscanners aus 5, bei der insbesondere die ersten Federn nicht entlang der Hilfsebene verlaufen;
6 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere eine einzige erste Feder vorgesehen ist;
7 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere mehrere erste Federn mit vergrößerter Federlänge und aufgebrachtem Aktuator vorgesehen sind;
8 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere eine Dreibeinaufhängung aus ersten Federn in Spiralform vorgesehen ist;
9 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere eine Zweibeinaufhängung aus ersten Federn in Spiralform vorgesehen ist;
10 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere zwei gekreuzte Federpaare aus ersten Federn vorgesehen sind, wobei sich die Federsteifigkeiten der beiden Federpaare unterscheiden;
11 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere zusätzlich ein äußerer Rahmen und zwischen dem Rahmen und dem Ablenkelement verlaufende zweite Federn vorgesehen sind;
12 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere die ersten Federn die Federsteifigkeit für eine erste Schwingungsachse und die zweiten Federn die Federsteifigkeit für eine zweite, orthogonale Schwingungsachse zumindest überwiegend definieren;
13 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der das Ablenkelement als die ersten Federn überbrückendes separates Substrat ausgebildet ist;
13A den Mikroscanner aus 13 zu einem Zeitpunkt während seines Betriebs;
14 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere zusätzlich ein weiterer äußerer Rahmen und zwischen diesem weiteren Rahmen und dem die ersten Federn überbrückenden Ablenkelement verlaufende dritte Federn vorgesehen sind;
14A den Mikroscanner aus 14 zu einem Zeitpunkt während seines Betriebs;
15 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere eine mittels eines kuppelförmigen Kapselabschnitts ausgebildete Verkapselung vorgesehen ist;
16 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere im Trägersubstrat eine oder mehrere Kavitäten zur Vergrößerung des für die Oszillationen des Ablenkelements verfügbaren Raumbereichs vorgesehen sind;
17 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere zur weiteren Vergrößerung des für die Oszillationen des Ablenkelements verfügbaren Raumbereichs eine zusätzliche Stützstruktur als Spacer in dem den Kapselabschnitt tragenden Schichtaufbau vorgesehen ist;
18 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere eine mittels eines planaren Kapselabschnitts ausgebildete Verkapselung vorgesehen ist;
19 bis 23 jeweils einen Mikroscanner gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung, bei denen insbesondere eine mittels eines im Querschnitt U-förmigen Kapselabschnitts mit planarer Deckelplatte ausgebildete Verkapselung vorgesehen ist;
24 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere auf der dem Ablenkelement abgewandten Hauptseite des Trägersubstrats ein auf einem weiteren Substrat befestigter Aktuator zum Antrieb des Mikroscanners und eine dem Aktuator benachbarte Kavität in dem weiteren Substrat vorgesehen sind;
25 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere auf der dem Ablenkelement abgewandten Hauptseite des Trägersubstrats ein auf einem weiteren Substrat befestigter Aktuator zum Antrieb des Mikroscanners und eine dem Aktuator benachbarte Kavität in dem Trägersubstrat vorgesehen sind;
26 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere auf der dem Ablenkelement abgewandten Hauptseite des Trägersubstrats ein auf einem weiteren Substrat befestigter Aktuator zum Antrieb des Mikroscanners und eine dem Aktuator benachbarte Kavität in dem Trägersubstrat vorgesehen sind, wobei sich die Kavität abschnittsweise über das Ende des Aktuators hinaus erstreckt;
27 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere ein oder mehrere Aktuatoren innerhalb des durch einen Kapselabschnitt eingekapselten Raumbereichs vorgesehen sind;
28 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die Federträgerstrukur zugleich eine Antriebseinrichtung des Mikroscanners darstellt;
29 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere eine Optik zur Strahlaufspaltung ein einen Strahl mit ringförmigem Intensitätsprofil vorgesehen ist;
30 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Mikroscanners; und
31 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Mikroscanners mit elektrischen Anschlüssen für elektrische Bauteile, insbesondere Aktuatoren oder Sensoren.

Zunächst werden nun unmittelbar nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Mikroscanner-Architekturen bezüglich ihrer Spiegelaufhängung kurz beschrieben, um einen kurzen Überblick über eine technische Ausgangslage zu liefern, von der die vorliegende Erfindung ausgeht.
In 1 ist in einer schematischen Draufsicht eine aus der EP 2 514 211 B1 bekannte Mikroscanner-Architektur 100 mit einem zweiachsigen (orthogonale Schwingungsachsen A₁ und A₂), kardanisch aufgehängten Mikrospiegel 105 (Spiegelplatte) illustriert. Es sind zudem elektrostatische achsenferne Kammantriebe 110 und achsennahe Kammantriebe 115 dargestellt, die auch als Sensorelektroden verwendet werden können. Die Spiegelplatte 105 ist über innere Torsionsfedern 120 in einem beweglichen Rahmen 125 aufgehängt, der durch externe Torsionsfedern 130 in einem festen Chiprahmen 135 aufgehängt ist. Der Rahmen 125 kann durch elektrostatische Kammantriebe 140 in Resonanz versetzt werden, wobei auf die Darstellung von ebenfalls vorhandenen achsennahen Kammelektroden zu Antriebs- oder Sensorzwecken des beweglichen Rahmens 125 der Übersichtlichkeit wegen verzichtet wurde. Die dargestellten Schwingungsachsen A1 und A2 wurden zur besseren Veranschaulichung der aus der EP 2 514 211 B1 entnommenen Figur (vgl. dort 3) hinzugefügt und die Bezugszeichen wurden angepasst.
In 2 ist in einer schematischen Draufsicht eine aus der US 8,711,456 B2 bekannte weitere Mikroscanner-Architektur 200 illustriert, die eine Variante vom sogenannten „MiniFaros“-Typ für einen Mikrospiegel dargestellt. Dabei ist die Aufhängung der Spiegelplatte 205 in Form einer Dreibeinaufhängung durch drei Bogenfedern 210 realisiert, die jeweils an einem ihrer jeweiligen Enden 215 mit der Spiegelplatte 205 und an ihrem jeweiligen anderen Ende 220 mit dem verwindungssteifen, massiven Chiprahmen 225 verbunden sind. Zusätzlich ist jede der Federn 210 an einer um 120° gegenüber einer entsprechenden Lage der Nachbarfedern um die Mitte der Spiegelplatte 205 gedrehten Lage angebracht. Kammantriebe 230 sind zum Antrieb der Spiegelbewegung vorgesehen und wirken auf die Federn 210, um diese auszulenken. Zwischen den Federn und dem Chiprahmen 225 und der Spiegelplatte 205 befinden sich Freiräume 235, die es den Federn 210 ermöglichen, zu schwingen. Zur besseren Veranschaulichung der aus der US 8,711,456 B2 entnommenen Figur (vgl. dort 2) wurden in 2 die Bezugszeichen angepasst und ergänzt.
In 3 ist in einer schematischen Draufsicht eine weitere aus der US 8,711,456 B2 bekannte Mikroscanner-Architektur 300, die eine weitere Variante vom „MiniFaros“-Typ für einen Mikrospiegel darstellt. Dabei ist die Aufhängung der Spiegelplatte 305 in Form einer Zweibeinaufhängung durch zwei Bogenfedern 310 realisiert, die jeweils an einem ihrer jeweiligen Enden 315 mit der Spiegelplatte 305 und an ihrem jeweiligen anderen Ende 320 mit dem verwindungssteifen, massiven Chiprahmen 325 verbunden sind. Zusätzlich ist jede der Federn 310 an einer um 180° gegenüber der entsprechenden Lage der anderen Feder 310 um die Mitte der Spiegelplatte 305 gedrehten Lage angebracht. Kammantriebe 330 sind zum Antrieb der Spiegelbewegung vorgesehen und wirken auf die Federn 210, um diese auszulenken. Zwischen den Federn 310 und dem Chiprahmen 325 und der Spiegelplatte 305 befinden sich Freiräume 335, die es den Federn 310 ermöglichen zu schwingen. Zur besseren Veranschaulichung der aus der US 8,711,456 B2 entnommenen Figur (vgl. dort 3) wurden die Bezugszeichen angepasst und ergänzt.
In 4 ist in einer schematischen Draufsicht eine weitere aus der US 8,711,456 B2 bekannte Mikroscanner-Architektur 400 illustriert, die eine Variante vom „KOLA“-Typ für einen Mikrospiegel darstellt. Dabei ist die Aufhängung der Spiegelplatte 405 in Form einer Zweibeinaufhängung durch mehrere, im Beispiel vier, Bogenfedern 410 realisiert, die jeweils an einem ihrer jeweiligen Enden 415 mit der Spiegelplatte 405 und an ihrem jeweiligen anderen Ende 420 mit dem verwindungssteifen, massiven Chiprahmen 425 verbunden sind. Zusätzlich ist jede der Federn 410 in einer um 90° gegenüber einer entsprechenden Lage der Nachbarfedern um die Mitte der Spiegelplatte 405 gedrehten Lage angebracht. Zur besseren Veranschaulichung der aus der US 8,711,456 B2 entnommenen Figur (vgl. dort 4) wurden die Bezugszeichen angepasst und ergänzt.
Sämtlichen dieser vorbekannten Mikroscanner-Architekturen 100 bis 400 ist gemein, dass die Aufhängung der jeweiligen Mikrospiegelplatte 105, 205, 305 bzw. 405 ausschließlich von außen her durch zwischen einem externen verwindungssteifen Chiprahmen 125, 225, 325 bzw. 425 und der Mikrospiegelplatte 105, 205, 305 bzw. 405 verlaufenden Federn 110, 210, 310 bzw. 410 erfolgt. Es gibt daher bei keiner dieser vorbekannten Mikroscanner-Architekturen drei Punkte auf dem Ablenkelement 105, 205, 305 bzw. 405, die in dessen Ruhelage eine euklidische Hilfsebene definieren und in der Hilfsebene einen durch die Verbindungsgeraden zwischen den drei Punkten eingeschlossenen Flächen- oder Geradenabschnitt aufspannen, auf dem jeder der Ansatzpunkte (z.B. 215, 315 bzw. 415) der Federn, oder dessen jeweilige lotrechte Projektion auf die Hilfsebene, liegt.
Folglich ist der Raum- bzw. Flächenbedarf des Mikroscanners 100, 200, 300 bzw. 400 in der Spiegelebene signifikant höher als der Raum- bzw. Flächenbedarf für die jeweiligen Mikrospiegelplatte 105, 205, 305 bzw. 405 selbst. Zudem müssen die Federn hier bei mittleren und größeren Spiegeldurchmessern an der Außenseite der Spiegelplatte sehr große Amplituden aus der Chip-Ebene heraus durchführen, was zur Erreichung der genannten Performanz-Ziele hohe Stresswerten in der Aufhängung bedingen und daher leicht zu einer Überbeanspruchung des Materials, insbesondere des Federmaterials, führen kann.
Nun werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 5 bis 28 verschiedene beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsformen von Mikroscanner-Architekturen erläutert. Dabei enthalten einige dieser Figuren jeweils zwei Teilfiguren (A) und (B), wobei die jeweilige Teilfigur (A) eine Draufsicht und die jeweilige zugehörige Teilfigur (B) (außer bei 28) eine Querschnittsansicht senkrecht zur Bildebene und entlang der Achse A₁ der in der jeweiligen Figur dargestellten Ausführungsform darstellen. Die regelmäßig zum Antrieb des jeweiligen Mikroscanners dienenden Aktuatoren 545 sind nur in einigen der Figuren dargestellt, insbesondere dann, wenn ihre Lage oder Form für das Design des jeweiligen Mikroscanners besondere Relevanz hat.
5 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform 500 eines Mikroscanners. Der Mikroscanner 500 weist eine kreisringförmige Spiegelplatte als Ablenkelement 505 auf, die über - hier beispielhaft gewählt - N=4 (erste) Federn 510 an einem als Federträgerstruktur 515 dienenden, zentral angeordneten und von einem Trägersubstrat 530 getragenen Pfosten aufgehängt ist, der insbesondere eine höherer Verwindungs- und Biegesteifigkeit aufweist als die Federn 510. Die Federträgerstruktur 515 kann hier bereits eine vollständige Tragestruktur für das Ablenkelement 505 darstellen. Der Pfosten 515 weist zwei verschiedenen Schichten 515a und 515b auf, wobei die Schicht 515a aus demselben Substrat gefertigt ist wie die ersten Federn 510 und die Spiegelplatte 505. Jede der (ersten) Federn 510 erstreckt sich zwischen einem zugeordneten Ansatzpunkt 520 (jeweils mittels einer Raute markiert dargestellt) an der Federträgerstruktur 515 einerseits und einem zugeordneten Kopplungspunkt 525 (jeweils mittels eines kleinen Kreisrings markiert dargestellt) am Innenrand des kreisringförmigen Ablenkelements 505. Der durch den Kreisring des Ablenkelements 505 definierte kreisförmige Innenraum 505c des Ablenkelements 505 stellt im Sinne der Erfindung eine „Aussparung“ im Ablenkelement 505 dar. Sie kann insbesondere als durchgängige Öffnung oder auch nur als Vertiefung ausgebildet sein.
Je zwei der sich bezüglich der Federträgerstruktur 515 gegenüberliegenden Fehlern 510 bilden ein Federpaar, welches insbesondere die Richtung und die Schwingungsfrequenz und somit Scanfrequenz einer zugeordneten Schwingungsachse A₁ bzw. A₂ des Ablenkelements 505 festlegt. Im gezeigten Beispiel der 5 sind die beiden Federpaare orthogonal zueinander angeordnet, sodass in der Ruhelage des Ablenkelements 505, in der außer der Schwerkraft und den Federkräften der Federn 510 keine nennenswerten weiteren Kräfte auf das Ablenkelement wirken und sich dieses in Ruhe befindet, zwischen je zwei benachbarten Federn ein Winkel von, zumindest im Wesentlichen, 90° auftritt. Es sind jedoch auch andere Anordnungen der Federn 510 möglich, bei denen stattdessen zwischen jeweils benachbarten Federn andere Winkel auftreten.
Zur besseren Erläuterung des Mikroscanners 500 sind in der Teilfigur (A) der 5 des Weiteren drei beispielhafte, jeweils auf dem Ablenkelement 505 liegende Punkte 535a bis 535c mittels gefühlter schwarzer Kreise markiert. Die Punkte 535a bis 535c spannen eine Hilfsebene H (vgl. 5A zur weiteren Erläuterung) auf, die insbesondere mit einer Oberfläche des Ablenkelements 505 bzw. in 5 mit Zeichnungsebene zusammenfallen kann. In dieser Hilfsebene H spannen die Punkte 535a bis 535c zudem mittels ihrer jeweiligen geradlinigen, jeweils zwei der Punkte verbindenden Verbindunglinien 540 eine Dreiecksfläche D als Flächenabschnitt auf der Hilfsebene H auf. Sämtliche Ansatzpunkte 520 (oder deren lotrechte Projektionen auf die Hilfsebene H) liegen innerhalb dieses Flächenabschnitts D, sodass sich die vorausgehend beschriebene zentrale Aufhängung des Ablenkelements 505 an der Federträgerstruktur 515 ergibt. Auch eine andere Wahl von drei Punkten 535a bis 535c auf dem Ablenkelement 505, welche die vorgenannte Bedingung erfüllen, ist möglich.
Insbesondere erstrecken sich beim Mikroscanner 500 die Federn 510 (bzw. deren lotrechte Projektion auf die Hilfsebene H) hier innerhalb der kreisförmigen Aussparung 505c in dem Ablenkelement 505, die dessen Kreisringform innenseitig definiert (bzw. innerhalb von deren lotrechte Projektion auf die Hilfsebene H). Während in 5 sowohl das Ablenkelement 505 als auch die pfostenförmige Federträgerstruktur 515 jeweils eine Rotationssymmetrie, hier sogar Kreissymmetrie, aufweisen und die Federträgerstruktur 515 zudem relativ zu dem Ablenkelement 505 mittig angeordnet ist, so dass die jeweiligen Symmetrieachsen zumindest des Ablenkelements 505 und der Federträgerstruktur 515 zusammenfallen, sind auch andere Varianten ohne oder mit einer anderen, insbesondere geringeren Anzahl solcher Symmetrien möglich.
Die weiteren nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen eines Mikroscanners gehen von dem Mikroscanner 500 aus 5 durch Ergänzung oder Modifikation hervor, sodass im Folgenden schwerpunktmäßig nur noch auf solche Unterschiede im Einzelnen eingegangen werden wird, während ansonsten weitgehend auf die vorausgehende Beschreibung zu 5 verwiesen wird. Dabei werden in den Figuren ab 5 durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechenden Elemente der verschiedenen in diesen Figuren illustrierten Ausführungsformen verwendet, so dass sich wiederholende Beschreibungen einander gleicher oder entsprechender Elemente meist erübrigen. Soweit sie sich gegenseitig nicht ausschließen, können je zwei oder mehr der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen bzw. deren jeweils differenzierende technischen Aspekte (z.B. Verkapselung, Aktuatoranordnung, Abbildungsoptik usw.) auch kombiniert werden.
5A illustriert in einer schematischen Querschnittsansicht eine mit dem Mikroscanner 500 verwandte Ausführungsform, bei der die ersten Federn 510, insbesondere deren Ansatzpunkte 520 an der Federträgerstruktur 515, nicht in der durch die drei Punkte 535a,b,c auf dem Ablenkelement 505 aufgespannten Hilfsebene H liegen. Im vorliegenden Beispiel ergibt sich im Querschnitt stattdessen eine Y-förmige Anordnung der Kombination aus Federträgerstruktur 515 und den ersten Federn 510. Die lotrechte Projektion P der Ansatzpunkte 520 auf die Hilfsebene H liegt jedoch wiederum in dem von den Punkten 535a,b,c in der Hilfsebene H aufgespannten Flächenabschnitt D, wie in 5, Teilfigur (A), dargestellt.
In 6 ist eine weitere Ausführungsform 600 eines Mikroscanners illustriert, bei dem im Unterschied zu Mikroscanner 500 aus 5 nur eine einzige (erste) Feder 510 zur Aufhängung des Ablenkelements 505 an der von einem Trägersubstrat 530 getragenen Federträgerstruktur 515 vorgesehen ist. Die einzige Feder 510 erstreckt sich wiederum zwischen einem Ansatzpunkt 520 an der zwei gestapelte Schichten 515a und 515b aufweisenden Federträgerstruktur 515 und einem Kopplungspunkt 525 an der Innenseite des kreisringförmigen Ablenkelements 505. Das Ablenkelement 505 weist zumindest auf einer seiner Ringflächen eine zusätzliche Spiegelschicht 505a als Reflexionsfläche auf, die insbesondere als abgeschiedene Metallschicht, beispielsweise aus Aluminium oder Chrom, ausgebildet sein kann. Die Feder 510 wirkt bezüglich der Schwingungsachse A₁ vor allem als Biegefeder und bezüglich der zweiten Schwingungsachse A₂ vor allem als Torsionsfeder. Durch drei Punkte 535a bis 535c wird wiederum eine Hilfsebene H und darin durch die geradlinigen Verbindungslinien 540 zwischen den Punkten 535a bis 535c ein dreieckförmiger Flächenabschnitt D aufgespannt, in dem der Ansatzpunkt 520 bzw. dessen Projektion auf die Hilfsfläche H (vgl. 5A) liegt.
Während in 5 keine Aktuatoren zum Antrieb der Oszillationen des Ablenkelements dargestellt wurden, sind in 6 zwei streifenförmige Piezoaktuatoren 545 dargestellt, die auf der Feder 510 platziert sind. Sie können die Feder 510 bei entsprechender Aktivierung der Piezoaktuatoren in eine zweidimensionale Schwingung versetzen, um simultane Oszillationen des Ablenkelements 505 einerseits um die erste Schwingungsachse A₁ und andererseits um die zweite Schwingungsachse A₂ mit jeweils zugeordneten individuellen Schwingungs- bzw. Scanfrequenzen zu versetzen. So wird eine Lissajous-Projektion eines auf das Ablenkelement 505, genauer auf seine Spiegelfläche 505a, fallenden elektromagnetischen Strahls, insbesondere Lichtstrahls, in ein Beobachtungsfeld ermöglicht.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform 700 eines Mikroscanners, der eine Spiegelaufhängung aufweist, bei der das einen Ringspiegel 505 aufweisende Ablenkelement 505 nach innen gerichtet mit zwei zunächst abschnittsweise separaten Federnschenkeln an der Federträgerstruktur 515 aufgehängt ist. Unmittelbar bevor die beiden Federnschenkel in den zentralen Pfosten der Federträgerstruktur 515 übergehen, verbinden sie sich zu einer einzigen (ersten) Feder 510. Das Beispiel veranschaulicht insbesondere die Möglichkeit, den zentralen Bereich (Aussparung) im Zentrum des Ablenkelements 505 effizient für die Federaufhängungen nutzen zu können.
Die Möglichkeit, die Federn um den zentralen Pfosten 515 herumführen zu können, erlaubt es insbesondere, relativ lange und breite Federn 510 zu realisieren, die in vorteilhafter Weise sowohl hohe Federsteifigkeit und dadurch hohe Resonanzfrequenzen, als auch gleichzeitig große Auslenkungen ermöglichen, was für viele Display-Lösungen sehr vorteilhaft ist. Die beiden separierten Feder-Schenkel sind in diesem Beispiel mit je einem Piezo-Biege-Aktuator 545 belegt, so dass die Federn 510 und somit auch das Ablenkelement 505 zum Schwingen angeregt werden können. Jeder Piezo-Biege-Aktuator 545 weist dabei einen Schichtstapel aus einer zwischen zwei Elektroden 555 und 565 liegenden piezokeramischen Schicht 560 auf und ist mittels eines geeigneten Bondmaterials 550 an der zugehörigen Feder 510 befestigt.
In den 8 und 9 sind zwei weitere Ausführungsformen 800 bzw. 900 eines Mikroscanners illustriert, bei dem im Unterschied zu Mikroscanner 500 aus 5 mehrere spiralförmig angeordnete (erste) Federn 510 zur Aufhängung des Ablenkelements 505 an der vom Trägersubstrat 530 getragenen Federträgerstruktur 515 vorgesehen sind. Beim Mikroscanner 800 liegt eine aus drei rotationssymmetrisch angeordneten und gleichartigen (ersten) Federn 510 aufgebaute Dreibeinaufhängung, bei Mikroscanner 900 dagegen eine aus nur zwei rotationssymmetrisch angeordneten gleichartigen (ersten) Federn 510 aufgebaute Zweibeinaufhängung vor.
Beide Ausführungsformen 800 und 900 zeichnen sich durch Federlängen aus, die deutlich länger sind, als die jeweilige geradlinige Distanz zwischen den jeweiligen Ansatzpunkten 520 und Kopplungspunkten 525 der Federn 510. Dies erleichtert es insbesondere, die Federn auch bei großen Spiegelauslenkungen in ihrem linearen (Hook'schen) Betriebsbereich zu halten, wenn der Mikroscanner 800 bzw. 900 in Betrieb ist. Der Mikroscanner 900 weist zudem den Vorteil auf, dass sich hier die genauen Lagen der Schwingungsachsen A1 und A2 leicht vorab bestimmen lassen und sie im Wesentlichen unabhängig von den verwendeten Schwingungsfrequenzen sind.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform 1000 eines Mikroscanners, der weitgehend dem Mikroscanner 500 aus 5 entspricht, sich davon jedoch dadurch unterscheidet, dass eines der beiden Federpaare, hier beispielhaft das Federpaar 510b, eine andere Federsteifigkeit aufweist als das andere Federpaar 510a. Die beiden Federn je eines Federpaars 510a bzw. 510b sind dagegen bezüglich ihrer Federsteifigkeit, insbesondere insgesamt, vorzugsweise gleich. Bei dieser Ausführungsform lassen sich mittels gezielter Auswahl der verschiedenen Federsteifigkeiten besonders leicht verschiedene Schwingung- bzw. Scanfrequenzen für die beiden Achsen A1 und A2 festlegen, ohne dass dazu das Design des Scanners jenseits der Federn 510a bzw. 510b unbedingt modifiziert werden müsste.
11 zeigt eine weitere Ausführungsform 1100 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 1000 aus 10 dadurch hervorgegangen ist, dass als zusätzliches Element der Tragestruktur eine Rahmenstruktur mit einem (ersten) starren äußeren Rahmen 575 vorgesehen ist, an dem das Ablenkelement 505 zusätzlich, insbesondere - wie hier gezeigt - entlang einer Schwingungsachse A1, mit zweiten Federn 570 aufgehängt ist. Der (erste) äußere Rahmen 575 kann dabei insbesondere von einer Stützstruktur 580 getragen werden, die aus demselben Substrat gefertigt ist wie die Schicht 515b der Federträgerstruktur 515. Diese Ausführungsform 1100 erlaubt insbesondere eine weitere Differenzierung der verfügbaren Federsteifigkeiten und somit Scanfrequenzen. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine rechtwinklige Ausleuchtung des Beobachtungsfeldes von Relevanz, wo es besonders darauf ankommt, dass ein eingestellter Frequenzabstand zwischen den Scanfrequenzen der beiden Schwingungssachsen A1 und A2 während des Betriebs des Mikroscanners aufrechterhalten wird.
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Mikroscannern mit Spiegelaufhängungen ausschließlich an einem äußerem Rahmen lassen sich für den Mikroscanner 1100 trotz des hier ebenfalls vorhandenen (ersten) äußeren Rahmens 575 kleinere Bauformen realisieren, da die Linearitätsanforderungen und Anforderungen an eine hohe Federsteifigkeit bereits zum großen Teil durch die innenliegenden ersten Federn 510 realisiert werden können. Somit können die zweiten Federn 570 kürzer gewählt werden und müssen nicht selbst zwingend stets im linearen Bereich betrieben werden, um dennoch einen zuverlässigen und hochfrequenten Betrieb des Mikroscanners zu ermöglichen. Vielmehr ergänzen sich die Federwirkungen der ersten Federn 510a und der zweiten Federn 570 insbesondere dann zu einer kombinierten Federwirkung, wenn die Federn 510a und 570, wie hier dargestellt, im Wesentlichen entlang einer gleichen Richtung, insbesondere Schwingungsachse, verlaufen, sodass die resultierenden effektiven Federeigenschaften zwar weiterhin überwiegend durch die innenliegenden ersten Federn 510a bestimmt, zusätzlich aber durch die Federeigenschaften der außen liegenden zweiten Federn 570 beeinflusst werden. Dies erlaubt insbesondere einen Zugewinn an Designfreiheit gegenüber einer Lösung mit ausschließlich ersten Federn 510a, b.
12 zeigt eine weitere Ausführungsform 1200 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 1100 aus 11 dadurch hervorgegangen ist, dass einerseits anstelle der in Form eines Kreuzes angeordneten ersten Federn 510a und 510b des Mikroscanners 1100 nun N = 4 erste Federn 510 vorgesehen sind, die in zwei nebeneinander verlaufenden Federpaaren angeordnet sind, wobei die Federpaare im Wesentlichen entlang einer ersten der beiden Schwingungsachsen, hier der Achse A₂, verlaufen. Auf ähnliche Weise sind die zweiten Federn 570 des Mikroscanners 1100 bei Mikroscanner 1200 durch zwei Federpaare ersetzt, die nebeneinander zumindest im Wesentlichen entlang der anderen der beiden Schwingungsachsen, hier der Achse A₁, verlaufen. Die Federpaare aus den ersten Federn 510 verlaufen hier somit, zumindest näherungsweise, orthogonal zu den Federpaaren aus den zweiten Federn 570.
Anstelle der hier dargestellten Anordnung der Federpaare sind insbesondere auch nichtparallele Anordnungen der Federpaare der ersten Federn 510 oder der Federpaare der zweiten Federn 570 denkbar, wobei die jeweilige Anordnung vorzugsweise so gestaltet ist, dass die jeweilige zugeordnete Schwingungsachse eine Symmetrieachse für die Anordnung der ersten Federn 510 bzw. der zweiten Federn 570 darstellt.
Bei Mikroscanner 1200 ist es insbesondere möglich, wie illustriert, für den Antrieb der beiden Schwingungsachsen A₁ und A₂ jeweils separate Aktuatoren oder Aktuatorengruppen 545a bzw. 545b vorzusehen, sodass jede Schwingungsachse besonders einfach individuell angesteuert werden kann.
13 zeigt eine weitere Ausführungsform 1300 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 1100 aus 11 dadurch hervorgegangen ist, dass anstelle eines ringförmigen Ablenkelements 505, das beim Mikroscanner 1100 in derselben Schicht angeordnet ist wie die ersten Federn 510 und die zweiten Federn 570, eine separate Spiegelplatte in einer dazu parallelen weiteren Schicht als Ablenkelement 515 vorgesehen ist. Die Spiegelplatte 515 kann insbesondere eine Kreisflächenform oder eine andere aussparungsfreie Form aufweisen. Vorzugsweise ist sie von den ersten Federn 510 durch zumindest eine Zwischenschicht 505b separiert, sodass die ersten Federn 510 genügend Raum für ihre Schwingungen zur Verfügung haben, ohne dabei an die Spiegelplatte 505 anzustoßen. Die Zwischenschicht 505b kann insbesondere als Bestandteil des Ablenkelements 515 betrachtet werden und an einem zwischen den ersten Federn 510 und den zweiten Federn 570 vorgesehenen Befestigungsabschnitt 585 aufliegen.
Der Mikroscanner 1300 zeichnet sich insbesondere durch einen weiterhin kompakten Formfaktor aus, bei dem das Größenverhältnis seiner Reflexionsfläche zur Gesamtfläche des Mikroscanners besonders günstig gestaltet werden kann. Die verschiedenen Schichten dieser Mikroscanner-Architektur können insbesondere jeweils durch einen Halbleiterwafer oder ein anderes Substrat bereitgestellt werden, wobei die verschiedenen, strukturierten, Substrate sodann insbesondere mittels einer oder mehrerer Bondverbindungen zu der Mikroscanner-Architektur verbunden werden können.
Die 13A zeigt dieselbe Ausführungsform 1300 eines Mikroscanners nochmals, allerdings, insbesondere in Teilfigur (B), während dessen Betriebs, sodass die verschiedenen dabei auftretenden Federauslegungen erkennbar werden. Insbesondere ist zu erkennen, dass gemäß bevorzugter Varianten die Federsteifigkeit der ersten Federn 510 höher sein kann als die der zweiten Federn 570.
14 zeigt eine weitere Ausführungsform 1400 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 1300 aus 13 dadurch hervorgegangen ist, dass zusätzlich dritte Federn 605 vorgesehen sind, die sich in derselben Schicht wie die Ablenk- bzw. Spiegelplatte 505 von dieser aus zu einem weiteren (zweiten) äußeren Rahmen 595 der Rahmenstruktur erstrecken, der insbesondere über ein Zwischenelement 590 in einer Zwischenschicht auf dem (ersten) äußeren Rahmen 575 befestigt sein kann. Die dritten Federn 605 verlaufen vorzugsweise, zumindest in der Ruhelage des Mikroscanners 1400, parallel zu den zweiten Federn 570, ohne dass dies jedoch zwingend der Fall sein muss.
Die Hinzufügung der dritten Federn 605 ermöglicht insbesondere eine noch weitere Erhöhung der durch die Kombination der ersten, zweiten und dritten Federn bewirkten Gesamtfedersteifigkeit der Aufhängung des Ablenkelements 505, insbesondere im linearen Federbereich, und ermöglicht darüber hinaus eine noch größere Designfreiheit beim Entwurf des Mikroscanners. Dies kann insbesondere dazu genutzt werden, verschiedenste effektive Gesamtfedersteifigkeiten durch die Kombination der verschiedenen Federn 510, 570 und 605 zu erzeugen und somit insbesondere die für viele Anwendungen gewünschten hohen Scanfrequenzen oberhalb von in der Regel zumindest 20 kHz, oftmals bis zu 100 kHz und darüber, für den Mikroscanner 1400 zu erzielen. In einigen - hier nicht dargestellten - Varianten können auch die zweiten Federn 570 zugunsten der dritten Federn 605 entfallen (vgl. 19).
Die 14A zeigt dieselbe Ausführungsform 1400 eines Mikroscanners nochmals, allerdings, insbesondere in Teilfigur (B), während dessen Betriebs, sodass die verschiedenen dabei auftretenden Federauslegungen erkennbar werden. Insbesondere ist zu erkennen, dass gemäß bevorzugter Varianten die Federsteifigkeit der ersten Federn 510 höher sein kann als die der zweiten Federn 570 und der dritten Federn 605.
15 zeigt eine weitere Ausführungsform 1500 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 1400 aus 14 dadurch hervorgegangen ist, dass zusätzlich durch Aufsetzen eines dorn- bzw. kuppelförmigen Kapselbauteils 610 („Kapselabschnitt“) auf den zweiten äußeren Rahmen 595 eine hermetisch verschlossene Verkapselung erzeugt wurde. Die Verkapselung schließt einen evakuierten Raumbereich 615 ein, in dem sich das an der Tragestruktur federnd aufgehängte Ablenkelement 505 befindet und seine Oszillationen, aufgrund der Evakuierung nahezu luftreibungslos, ausführen kann. Der Kapselabschnitt 610 ist für einfallende elektromagnetische Strahlung in einem zum gewünschten Arbeitsbereich des Mikroscanners 1500 korrespondieren Wellenlängenbereich zumindest abschnittsweise weitgehend transparent und kann insbesondere einen Glaswerkstoff aufweisen oder vollständig daraus gebildet sein. So können einfallende elektromagnetische Strahlen L₁ im Wesentlichen ungestört und aufgrund der Kuppelform des Kapselabschnitts 610 auch mit nur geringen Ablenkungen durch den Kapselabschnitt 610 hindurch auf das Ablenkelement 505 gelangen und dort im Sinne einer optischen Abbildung durch Reflexion am Ablenkelement 505 in korrespondierende ausfallende Strahlen L₂ gewandelt werden, die den Mikroscanner 1500 wiederum durch den Kapselabschnitt 610 in Richtung des gewünschten Beobachtungsfelds verlassen können.
16 zeigt eine weitere Ausführungsform 1600 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 500 aus 5 dadurch hervorgegangen ist, dass eine hermetische Verkapselung anhand eines Kapselabschnitts 610 hinzugefügt wurde und zudem Kavitäten 620 im Trägersubstrat 530 erzeugt wurden, die es dem Ablenkelement 505 ermöglichen, ohne an das Trägersubstrats 530 anzustoßen, besonders große Schwingungsamplituden (Auslenkungen) im Rahmen der Oszillationen auszuführen. Der Kapselabschnitt 610 kann dazu insbesondere auf einer Basis aufsetzen, die aus denselben Schichten als Schichtenstapel ausgebildet ist wie der Schichtenstapel aus zum einen der Schicht 515b der Federträgerstruktur 515 und zum anderen der Schicht, welche den Schichtabschnitt 515a der Federträgerstruktur 515, das Ablenkelement 505 und die ersten Federn 510 enthält.
17 zeigt eine weitere Ausführungsform 1700 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 1600 aus 16 dadurch hervorgegangen ist, dass - insbesondere mit dem Zweck der weiteren Vergrößerung des für die Schwingungen des Ablenkelements zur Verfügung stehenden Freiraums im Raumbereich 615 unterhalb des Kapselabschnitts 610 - eine weitere Zwischenschicht 625 erzeugt wurde. Die Zwischenschicht 625 kann insbesondere zwischen dem Trägersubstrat 530 und der Schicht 515b des Federträgerelements 515 bzw. der Stützstruktur 580 angeordnet sein.
Anstelle einer domförmigen Verkapselung sind auch andere Kapselformen möglich, insbesondere planare Deckel. Verschiedene Ausführungsformen 1800 bis 2300 eines Mikroscanners mit planarem Deckel als Kapselabschnitt 610 sind in den 18 bis 23 in Kombination mit verschiedenen der bereits vorausgehend erläuterten Ausführungsformen 500 bis 1400 illustriert.
Bei der Ausführungsform 1800 aus 18 besteht der planare Deckel 610 allein aus einer planaren Platte, wie etwa einer Glasplatte. Um genügend Bewegungsfreiheit für das Oszillierenden des Ablenkelements 505 zu schaffen, ist eine weitere Spacerschicht 630 zwischen dem Deckel 610 und dem weiteren äußeren Rahmen 595 vorgesehen.
Weitere Ausführungsformen 1900 bis 2300 aus den 19 bis 23 mit verschiedenen Aufhängungen unterscheiden sich von der Ausführungsform 1800 insbesondere dadurch, dass anstelle der Spacerschicht 630, die somit entfallen kann, der Kapselabschnitt 610 selbst neben einer planaren Deckelplatte eine entsprechenden Stützring 610a aufweist, insbesondere in einstückiger Ausbildung mit der planaren Deckelplatte. Im Falle einer kreisförmigen Deckelplatte kann der Stützring 610a insbesondere eine Kreisringform aufweisen. Im Querschnitt ergibt sich somit eine „U“-Form des Kapselabschnitts 610 einschließlich seines Stützrings 610a.
Weitere Ausführungsformen 2400 bis 2600 aus den 24 bis 26 unterscheiden sich von der Ausführungsform 2300 insbesondere dadurch, dass an der dem Ablenkelement 505 abgewandten (in den Figuren: unteren) Hauptseite des Trägersubstrats 530 ein, insbesondere plattenförmiger, Aktuator (z.B. Piezoaktuator) 545 zum Antrieb der Oszillationen des Ablenkelements 505 angeordnet ist, der wiederum vorzugsweise zumindest punktweise auf einem zusätzlichen Sockelsubstrat 625 befestigt ist. Der Aktuator 545 kann dabei insbesondere simultan mit den jeweiligen Resonanzfrequenzen der zwei Schwingungssachsen A₁ und A₂ angesteuert werden, um den Mikroscanner als Lissajous-Scanner zu betreiben. Diese Anordnung hat insbesondere den Vorteil, dass der Aktuator separat von den schwingenden Teilen, insbesondere den Federn und der Federaufhängung, und im Falle von verkapselten Mikroscannern sogar außerhalb des eingekapselten Raumbereichs 615 angeordnet sein kann, was insbesondere dessen elektrische Kontaktierung zur Signal- und Stromversorgung erleichtert. Die schwingenden Teile, insbesondere das Ablenkelement 505 und die Federn des Mikroscanners und deren Tragestruktur können somit rein passiv ausgeführt werden.
An zumindest einer Hauptseite des Aktuators 545 ist dieser zumindest abschnittsweise von einer Kavität 630 umgeben, die ihm einen Freiraum zur Durchführung seiner Bewegungen, insbesondere Vibrationen bzw. Schwingungen, bietet. Im Falle der Ausführungsform 2400 aus 24 ist diese Kavität 630 als Aussparung in dem Sockelsubstrat 625 ausgebildet und liegt zwischen dem Trägersubstrat 530 und dem Aktuator 545. Bei der Ausführungsform 2500 aus 25 ist die Kavität 630 dagegen als Aussparung in der dem Aktuator 545 zugewandten Hauptseite des Trägersubstrats 530 ausgebildet. Bei beiden Ausführungsformen 2400 und 2500 ist der Aktuator 545 beidseitig der Kavität 630 durch den Schichtenstapel zwischen den Substraten 530 und 625 fixiert. Bei der Ausführungsform 2600 aus 26, die von der Ausführungsform 2500 abgeleitet ist, ist dagegen ein Endbereich des Aktuators 545 nicht durch die Substrate 530 und 625 eingeschlossen, sodass sich bei seinem Betrieb Schwingungen in Form von Kippbewegungen auf den darüber liegenden Mikroscanneraufbau mit den schwingenden Teilen übertragen lassen.
Die Ausführungsformen 2400 bis 2600, die hier exemplarisch mit der Mikroscanner-Architektur gemäß der Ausführungsform 2300 illustriert sind, lassen sich ohne weiteres insbesondere auch mit anderen Ausführungsformen kombinieren, wie etwa solchen, die keine weiteren Aktuatoren zum Antrieb des Ablenkelements 505 aufweisen, und solchen, die einen äußeren Rahmen 575 oder 595 oder eine domförmige oder anders geformte Verkapselung aufweisen.
Eine weitere Ausführungsform 2700 aus 27 unterscheidet sich von der Ausführungsform 2300 insbesondere dadurch, dass ein oder mehrere Aktuatoren 545 zum Antrieb des Mikroscanners 2700 auf der dem Ablenkelements 605 zugewandten Seite des Trägersubstrats 530 und somit, soweit eine Verkapselung vorhanden ist, innerhalb des eingekapselten Raumbereichs 615 angeordnet sind. Diese Anordnung kann insbesondere dazu genutzt werden, den bzw. die Aktuatoren 545 zugleich als Sensorik oder Teil davon (insbesondere als Elektrode für eine kapazitive Messung) zu nutzen, wobei die Sensorik insbesondere zur Bestimmung einer momentanen Lage des Ablenkelements 505 vorgesehen sein kann.
28 zeigt eine weitere Ausführungsform 2800 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 500 aus 5 dadurch hervorgegangen ist, dass die Federträgerstrukur 515 zugleich als eine Antriebseinrichtung 545 für den Mikroscanners 2800 ausgebildet ist. Dazu ist die, insbesondere pfostenförmige, Federträgerstruktur 515 zugleich als Aktuator, insbesondere als Piezoaktuator ausgebildet. Die Federträgerstruktur 515 kann insbesondere vier Piezoaktuatoren aufweisen, die im Querschnitt zur Längsachse der Federträgerstruktur bzw. des Pfostens gesehen, vier jeweils quadrantenförmige Piezosegmente 515c bis 525f bilden. Durch geeignete Ansteuerung dieser vier Piezoaktuatoren kann die Auslenkung des Ablenkelements 505 bezüglich seiner beiden Schwingungsachsen A₁ und A₂ gesteuert werden und insbesondere jeweils eine resonante, bzw. insgesamt eine doppeltresonante Schwingung des Ablenkelements 505 erreicht werden. Aufgrund dieser „Dual-use“ Funktion der Federträgerstruktur kann von dem Vorsehen weiterer Aktuatoren abgesehen werden und insbesondere eine Befestigung von Aktuatoren auf den Federn wegfallen, so dass sich auf diese Weise besonders kompakte und robuste Bauformen implementieren lassen.
Die Herstellung eines Mikroscanners gemäß einer dieser Ausführungsformen kann insbesondere so erfolgen, dass die Federträgerstruktur 515 auf das Trägersubstrat 530, insbesondere ein Halbleitersubstrat wie beispielsweise ein Si-Substrat, aufgesetzt und dort fixiert wird. Dies kann insbesondere mittels Aufklebens oder Auflötens erfolgen. Das Ablenkelement kann sodann auf der fixierten Federträgerstruktur 515 angebracht werden, was insbesondere wiederum mittels Aufklebens oder Auflötens erfolgen kann.
29 zeigt in ihrer Teilfigur (A) eine Ausführungsform 2900 eines Mikroscanners, die insbesondere im Zusammenhang mit ringförmigen Ablenkeinheiten 505, insbesondere Ringspiegeln, vorteilhaft eingesetzt werden kann und eine spezielle Optik zur Ausformung eines ringförmigen Strahlquerschnitts für die auf das Ablenkelement 505 einfallende elektromagnetische Strahlung L₁ aufweist. Teilfigur (B) zeigt dagegen zum Vergleich eine weitere Ausführungsform 2901 ohne eine solche Optik, die insbesondere im Zusammenspiel mit ganzflächigen (aussparungsfreien) Ablenkeinheiten 505, beispielsweise solchen gemäß den Ausführungsformen 1800 bis 2200, geeignet ist.
Bei der Ausführungsform 2901 gemäß Teilfigur (B) fällt die einfallende elektromagnetische Strahlung L₁ auf das Ablenkelement 505, wo sie reflektiert und als ausfallender Strahl L₂ in ein Beobachtungsfeld projiziert wird, das im vorliegenden Beispiel eine Projektionsfläche 645, wie etwa eine Leinwand, eine Hauswand oder eine Straßenoberfläche enthält. Der Strahl L₂ hat bei seinem Auftreffen auf die Projektionsfläche vorzugsweise einen im Wesentlichen punktförmigen bzw. einer kleinen Kreisfläche entsprechenden Querschnitt (z.B. als Laserstrahl) und erzeugt somit auf einer im Fokus stehenden Projektionsfläche 645 ein im Wesentlichen punktförmiges Intensitätsmaximum (Lichtpunkt) 650 (in 29 übergroß als schwarzer Kreis dargestellt). Aufgrund der ersten und zweiten Oszillationen des Ablenkelements 505 bei dessen Betrieb als Lissajous-Scanner entsteht auf der Projektionsfläche 645 durch die dazu korrespondierende Bewegung des Lichtpunkts eine Lissajous-Figur 655, die bei geeigneter Wahl der Scanfrequenzen der beiden Schwingungsachsen A₁ und A₂ einen ausgewählten Ausschnitt des Beobachtungs- bzw. Projektionsfelds und somit der Projektionsfläche 645 ausleuchtet.
Bei der Ausführungsform 2900 gemäß Teilfigur (A) ist dagegen im Strahlengang die vorgenannte spezielle Optik angeordnet, die insbesondere ein Axicon 635 sowie eine Sammellinse 640 aufweist. Beim Betrieb dieser Anordnung wird einfallende elektromagnetische Strahlung L₃, beispielsweise ein Laserstrahl mit kreisförmigem Querschnitt, zunächst auf das Axicon 635 gelenkt, welches den Strahl in einen Strahl L₄ mit ringförmigem, insbesondere kreisringförmigen Strahlquerschnitt aufspaltet. Auch eine Aufspaltung in mehrere konzentrischen Ringe (im Strahlenquerschnitt) ist möglich (ähnlich zu oder wie Besselstrahlen). Der Strahl L₄ wird dabei auf die Sammellinse 640 abgebildet, die ihn wiederum als Lichtstrahl L₁ mit ringförmigen Strahlungsquerschnitt auf das Ablenkelement 505 des jeweiligen Mikroscanners abbildet, welches im vorliegenden Beispiel eine kreisringförmige Ablenk- bzw. Spiegelplatte aufweist. Das Ablenkelement 505 bildet wiederum den einfallenden Lichtstrahl L₁ durch Reflektion mittels eines ausfallenden Lichtstrahls L₂ als Lissajous-Projektion in das Beobachtungsfeld bzw. auf die Projektionsfläche 645 ab.
Nachfolgend werden nun noch unter Bezugnahme auf die 30 bzw. 31 zwei beispielhafte Ausführungsformen 3000 bzw. 3100 eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Mikroscanners, insbesondere eines Mikroscanners mit Verkapselung erläutert.
Bei der in 30 dargestellten Ausführungsform 3000 des Verfahrens werden in einem ersten Prozess, wie in 30(a) illustriert, ein plattenförmiges Substrat 660, insbesondere ein Halbleitersubstrat wie etwa ein Siliziumsubstrat bereitgestellt und auf einer Hauptseite des Substrats an dem zumindest einen Oberflächenabschnitt, an dem eine Reflexionsfläche des Ablenkelements 505 entstehen soll, eine Reflektionsschicht (Spiegelschicht) 505a aufgebracht. Letzteres kann insbesondere mittels Abscheidung (beispielsweise durch Sputtern mit anschließendem Polieren) eines geeigneten Materials, insbesondere Metalls, wie etwa Aluminium erfolgen.
Sodann wird in einem weiteren Prozess, wie in 30(b) illustriert, das Substrat 660 von einer seiner Hauptseiten aus strukturiert, bevorzugt von der Hauptseite aus, auf der zuvor die Reflexionsschicht ausgebildet wurde. Dadurch werden das Ablenkelement 505, die Tragestruktur, insbesondere die Federträgerstruktur 515, und die Federeinrichtung, insbesondere die ersten Federn 510 zumindest abschnittsweise ausgebildet. Dies kann insbesondere mittels eines oder mehrerer Ätzverfahren im Zusammenspiel mit Lithographie unter Ausbildung einer Mehrzahl von Gräben (Trenches) im Substrat 660 zur abschnittsweisen Separierung der einzelnen Mikroscannerbauteile voneinander erfolgen.
In einem weiteren Prozess werden von der gegenüberliegenden Hauptseite aus, wie in 30 (c) illustriert, am Substrat 660 selektiv die jeweils zuvor mittels der Strukturierung bereits teilweise ausgebildeten Elemente des Mikroscanners, insbesondere das Ablenkelement 505, die ersten Federn 510 und die Federträgerstruktur 515 freigelegt bzw. fertig strukturiert. „Selektiv“ bedeutet hier, dass das Substrat 660 im Rahmen des Freilegens nicht ganzflächig abgetragen bzw. gedünnt wird, sondern das Freilegen gezielt (und somit selektiv) an denjenigen Abschnitten des Substrats 660 erfolgt, die entfernt werden müssen, um das Ablenkelement 505 und seine Federaufhängung vollständig freizulegen.
Es folgt ein weiterer Prozess, in dem, wie in 30 (d) illustriert, die zuvor entstandene Struktur auf ein Trägersubstrat 530 aufgebracht und dort fixiert wird, insbesondere mittels eines oder mehrerer geeigneter Verbindungsprozesse. Grundsätzlich sind insbesondere anodische, eutektische oder direkte Bondverfahren oder Thermokompressionsverfahren als Verbindungsprozesse dafür geeignet.
Nun wird in einem noch weiteren Prozess, wie in 30 (e) illustriert, noch ein Kapselabschnitt 610 zur Herstellung einer hermetischen Verkapselung hinzugefügt. Dies erfolgt vorzugsweise so, dass sich ein gegenüber Atmosphärendruck geringerer Gasdruck, (z.B. Luftdruck) oder sogar ein Vakuum in dem eingekapselten Innenraum 615 ausbildet, sodass Gasreibungseffekte (z.B. Luftreibungseffekte) beim nachfolgenden Betrieb des Mikroscanners zumindest reduziert oder sogar im Wesentlichen vermieden werden können.
Die in 31 dargestellte Ausführungsform 3100 des Verfahrens stellt eine Weiterbildung des Verfahrens 3000 aus 30 dar, bei der zusätzlich elektrische Anschlüsse für an der Federträgerstruktur 515, der Federaufhängung (insbesondere den ersten Federn 510) oder dem Ablenkelement 505 vorgesehene elektrische Bauelemente, insbesondere Aktuatoren 545 oder Sensoren, ausgebildet werden. Dazu wird, wie in 31 (a) zusätzlich illustriert, an geeigneten Stellen jeweils eine durch das Substrat 635 reichende elektrische Verbindung 660a zwischen den beiden gegenüberliegenden Hauptseiten des Substrats 660 ausgebildet, beispielsweise mittels geeigneter Ätzprozesse und nachfolgender Füllung der entstandenen Hohlräume mit elektrisch leitenden Material.
Im Falle eines Halbleitersubstrats, insbesondere aus Silizium, sind hier insbesondere aus der Halbleiterprozesstechnik bekannte Verfahren zur Herstellung von sogenannten „Through-Silicon-Vias“ (TSV) anwendbar. Die elektrischen Verbindungen 660a laufen bevorzugt durch einen Abschnitt des Substrats 635, der im Rahmen des Verfahrens 3000 zur Federträgerstruktur 515 ausgebildet wird. Die Prozesse gemäß den 31 (b) und 31 (c) entsprechen denen aus den 30(b) bzw. 30(c) des Verfahrens 2900.
Des Weiteren werden bei den Verfahren 3000, wie in 31 (d) zusätzlich illustriert, zu den elektrischen Verbindungen 660a korrespondierende elektrisch leitende Kanäle 530a in dem Trägersubstrat 530 ausgebildet, um die elektrische Verbindung der Aktuatoren 545 bzw. Sensoren bis zur Außenseite der Mikroscanner-Architektur, insbesondere zur Außenseite des Trägersubstrats 530, zu führen und dort eine Anschlussmöglichkeit bereitzustellen. Wenn das Substrat 530 vom gleichen Materialtyp ist, wie das Substrat 660, können zur Herstellung der elektrischen Kanäle 530a in der Regel dieselben oder verwandte Prozesse verwendet werden. Andernfalls, beispielsweise wenn das Substrat 530 als Leiterplatte (PCB) ausgebildet ist, können andere entsprechend geeignete, bekannte Prozesse zur Herstellung der das Substrat 530 durchziehenden elektrischen Kanäle 530a zum Einsatz kommen.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

100: bekannte Mikroscanner-Architektur mit kardanischer Aufhängung
105: Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte
110: Achsenferner Kammantrieb für Schwingungsachse A₁
115: Achsennaher Kammantrieb für Schwingungsachse A₁
120: interne Torsionsfeder
125: beweglicher Rahmen
130: externe Torsionsfeder
135: Chiprahmen
140: äußerer Kammantrieb für Schwingungsachse A₂
200: bekannte Mikroscanner-Architektur vom dreibeinigen „MiniFaros“-Typ
205: Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte
210: Bogenfeder
215: inneres Ende der Bogenfedern, Kopplungspunkt am Ablenkelement
220: äußeres Ende der Bogenfedern, Ansatzpunkt am Chiprahmen
225: Chiprahmen
230: Kammantrieb
235: schlitzförmige Freiräume
300: bekannte Mikroscanner-Architektur vom zweibeinigen „MiniFaros“-Typ
305: Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte
310: Bogenfeder
315: inneres Ende der Bogenfedern, Kopplungspunkt am Ablenkelement
320: äußeres Ende der Bogenfedern, Ansatzpunkt am Chiprahmen
325: Chiprahmen
330: Kammantrieb
335: schlitzförmiger Freiraum
400: bekannte Mikroscanner-Architektur vom zweibeinigen „MiniFaros“-Typ
405: Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte
410: Bogenfeder
415: inneres Ende der Bogenfeder, Kopplungspunkt am Ablenkelement
420: äußeres Ende der Bogenfeder, Ansatzpunkt am Chiprahmen
425: Chiprahmen
500: Ausführungsform eines Mikroscanners
501: Variante der Ausführungsform 500
505: Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte
505a: Reflexions- bzw. Spiegelschicht auf dem Ablenkelement 505
505b: Zwischenschicht des Ablenkelements
505c: Aussparung des Ablenkelements
510: erste Feder
510a: erste Feder mit niedrigerer Federsteifigkeit
510b: erste Feder mit höherer Federsteifigkeit
515: Federträgerstruktur, insbesondere Pfosten
515a: erste Schicht der Federträgerstruktur 515
515b: zweite Schicht der Federträgerstruktur 515
515c-f: Piezosegmente
520: inneres Ende einer ersten Feder, Ansatzpunkt an der Federträgerstruktur
525: äußeres Ende einer ersten Feder, Kopplungspunkt am Ablenkelement 505
530: Trägersubstrat
530a: elektrischer Kanal
535a, b, c: Punkte auf dem Ablenkelement 505, die einen Flächenabschnitt auf einer Hilfsebene aufspannen
540: geradlinige Verbindungslinien/-geraden zwischen je zwei Punkten 535a-c
545: Aktuator, insbesondere Piezoaktuator, zum Antrieb des Mikroscanners
550: Bondmaterial bzw. Bondschicht
555: erste Elektrode des Piezoaktuators 545
560: Piezokeramische Schicht des Piezoaktuators 545
565: zweite Elektrode des Piezoaktuators 545
570: zweite Feder
575: (erster) äußerer Rahmen der Rahmenstruktur
580: Stützstruktur
585: Befestigungsabschnitt, Zwischenkörper
590: Zwischenelement
595: weiterer äußerer Rahmen der Rahmenstruktur
605: dritte Feder
610: Kapselabschnitt, bzw. Verkapselung
610a: Stützring
615: eingekapselter Raumbereich bzw. Innenraum
620: Kavität im Trägersubstrat 530
625: Zwischenschicht
630: (weitere) Spacerschicht
635: Axicon
640: Sammellinse
645: Projektionsfläche
650: Intensitätsmaximum (Lichtpunkt)
655: Lissajous-Figur
660: (Ausgangs-)Substrat, insbesondere Halbleitersubstrat
660a: elektrische Verbindung, insbesondere Through-Silicon-Via (TSV)
600,... ,2900: weitere Ausführungsformen eines Mikroscanners
3000, 3100: Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung eines Mikroscanners
A1, A2: Schwingungsachsen
D: (dreieckiger) Flächenabschnitt auf der Hilfsebene H
L1,..., L4: elektromagnetische Strahlen, insbesondere Laserstrahlen
H: Hilfsebene
P: lotrechte Projektion

Claims

Mikroscanner (500; 600; ...; 2800) zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld (645), wobei der Mikroscanner aufweist: ein Ablenkelement (505) zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls (L₁); eine Tragestruktur (515; 575; 595); und eine Federeinrichtung (510, 570, 605) mit einer oder mehreren Federn (510, 570, 605), mittels derer das Ablenkelement (505) so an der Tragestruktur (515; 575; 595) schwingfähig aufgehängt ist, dass es relativ zur Tragestruktur (515; 575; 595) simultan eine erste rotatorische Oszillation um eine erste Schwingungsachse (A₁) sowie eine zweite rotatorische Oszillation um eine dazu orthogonale zweite Schwingungsachse (A₂) ausführen kann, um durch Ablenken eines während der simultanen Oszillationen auf das Ablenkelement (505) einfallenden elektromagnetischen Strahls (L₁) eine Lissajous-Projektion (655) in ein Beobachtungsfeld (645) zu bewirken; wobei die Tragestruktur (515; 575; 595) eine Federträgerstruktur (515) aufweist und die Federeinrichtung eine Anzahl N erster Federn (510) aufweist, wobei N ≥ 1 gilt und jede der N ersten Federn (510) an zumindest einem zugeordneten Ansatzpunkt (520) an der Federträgerstruktur (515) ansetzt, an zumindest einem zugeordneten Kopplungspunkt (525) an das Ablenkelement (505) gekoppelt ist und sich zwischen diesem Ansatzpunkt (520) und diesem Kopplungspunkt (525) erstreckt; und wobei es drei Punkte (535a,b,c) auf dem Ablenkelement (505) gibt, die in dessen Ruhelage eine euklidische Hilfsebene (H) definieren und in der Hilfsebene (H) einen durch die Verbindungsgeraden (540) zwischen den drei Punkten (535a,b,c) eingeschlossenen Flächen- oder Geradenabschnitt aufspannen, auf dem jeder dieser Ansatzpunkte (520), oder dessen jeweilige lotrechte Projektion (P) auf die Hilfsebene (H), liegt.
Mikroscanner (500) nach Anspruch 1, wobei das Ablenkelement (505) in seiner Ruhelage eine Rotationssymmetrie bezüglich einer Symmetrieachse aufweist und so angeordnet ist, dass die Symmetrieachse durch den von der Federträgerstruktur (515) aufgespannten Raumbereich verläuft.
Mikroscanner (500) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die N ersten Federn (510) jeweils ausschließlich an der Federträgerstruktur (515) an der Tragestruktur ansetzen und das Ablenkelement (505) ausschließlich an diesen ersten Federn (510) aufgehängt ist.
Mikroscanner (500) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Ablenkelement (505) eine Ablenkplatte mit einer darin ausgebildeten Aussparung aufweist.
Mikroscanner (500) nach Anspruch 4, wobei zumindest eine der ersten Federn (510) zumindest abschnittsweise innerhalb der Aussparung verläuft.
Mikroscanner (500, 2800) nach Anspruch 4 oder 5, des Weiteren aufweisend eine Optik (635, 640) zur Umformung von einfallender elektromagnetischer Strahlung in einen ausfallenden, auf das Ablenkelement (505) gerichteten elektromagnetischen Strahl (L₁), dessen radialer Intensitätsverlauf beim seinem Auftreffen auf das Ablenkelement (505) so auftritt, das dabei ein radiales Intensitätsmaximum des Strahls (L₁) die Aussparung auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Aussparung umgibt.
Mikroscanner (500, 700, 800, 900) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der N ersten Federn (510) so geformt ist, dass in ihrer Ruhelage ihre effektive Federlänge zwischen dem Ablenkelement (505) und der Federträgerstruktur (515) größer ist als der minimale vorkommende Abstand zwischen einem ihrer Kopplungspunkte (525) am Ablenkelement (505) einerseits und einem ihrer Ansatzpunkte (520) an der Federträgerstruktur (515) andererseits.
Mikroscanner (700; 900) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Federeinrichtung genau N = 2 erste Federn (510) aufweist, die zusammen eine Zweibeinaufhängung des Ablenkelements (505) an der Federträgerstruktur (515) bilden.
Mikroscanner (500; 1000; 1200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Federeinrichtung N = 4 erste Federn (510) aufweist, wobei diese vier ersten Federn (510) zusammen eine kreuzförmige Aufhängung des Ablenkelements (505) an der Federträgerstruktur (515) bilden.
Mikroscanner (1000) nach Anspruch 9, wobei je zwei der vier ersten Federn (510) ein jeweiliges Federpaar aus Federn gleicher Federsteifigkeit bilden, während sich die jeweiligen Federsteifigkeiten für die ersten Federn (510) der beiden Federpaare unterscheiden.
Mikroscanner (1100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Tragestruktur des Weiteren eine das Ablenkelement (505) zumindest zweiseitig umgebende und bezüglich der ersten und zweiten rotatorischen Oszillationen des Ablenkelements (505) feststehende Rahmenstruktur (575) aufweist, an der das Ablenkelement (505) mittels einer Anzahl M zweiter Federn (570) zusätzlich aufgehängt ist, wobei M ≥ 1 gilt.
Mikroscanner (1100) nach Anspruch 11, wobei die Aufhängung des Ablenkelements (505) an der Federträgerstruktur (515) mittels der N ersten Federn (510) die erste Schwingungsachse definiert und die Aufhängung des Ablenkelements (505) mittels der M zweiten Federn an der Rahmenstruktur (575) die zweite Schwingungsachse definiert.
Mikroscanner (1300) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei N ≥ 2 und das Ablenkelement (505) sich zwischen den jeweiligen Kopplungspunkten (525) der N ersten Federn (510) so erstreckt, dass es dabei die Federträgerstruktur (515) zumindest teilweise überbrückt.
Mikroscanner (1300;1400) nach Anspruch 13, wobei das Ablenkelement (505) ein als Ablenkplatte zum Ablenken des einfallenden elektromagnetischen Strahls ausgebildetes Substrat aufweist, das mittels zumindest einer Bondverbindung mit einer oder mehreren der ersten Federn (510) oder mit einem zwischen einer oder mehreren der ersten Federn (510) einerseits und der Ablenkplatte andererseits angeordneten Zwischenkörper (585) verbunden ist.
Mikroscanner (1400) nach Anspruch 13 oder 14, jeweils soweit rückbezogen auf Anspruch 11 oder 12, wobei die Federeinrichtung des Weiteren eine Anzahl K dritter Federn (605) aufweist, wobei K ≥ 1 gilt; wobei jede dritte Feder (605) einerseits an den jeweiligen Kopplungspunkt (525) einer zugeordneten ersten Feder (510) oder gegebenenfalls den Zwischenkörper (585) und andererseits an die Rahmenstruktur (575, 595) gekoppelt ist.
Mikroscanner (1500; 1800; 1900) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend eine Verkapselung, mittels der zumindest das Ablenkelement (505) und die Federn (510, 570, 605) der Federeinrichtung hermetisch abgeschlossen so eingekapselt sind, dass das Ablenkelement (505) in der Verkapselung zur Ausführung der Oszillationen befähigt an der Federeinrichtung schwingfähig aufgehängt ist; wobei die Verkapselung einen das Ablenkelement (505) überbrückenden Kapselabschnitt (610) aufweist, durch den die abzulenkende Strahlung in den von der Verkapselung eingekapselten Raumbereich (615) eingestrahlt und nach ihrer Ablenkung am Ablenkelement (505) daraus wieder ausgestrahlt werden kann.
Mikroscanner (1500; 1800; 1900) nach Anspruch 16, wobei der Kapselabschnitt (610) eine domförmige, eine planare oder eine im Querschnitt rechtwinklig U-förmige Gestalt aufweist.
Mikroscanner (1500; 1800; 1900) nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Kapselabschnitt (610) auf einem ersten Schichtstapel gelagert ist, der eine erste Schichtfolge (580, 575,590,595) enthält, die im Hinblick auf die Reihenfolge, das Material und/oder die Dicke der einzelnen Schichten der ersten Schichtfolge einer zweiten Schichtfolge eines zweiten Schichtstapels (515b, 515a, 505b, 505) entspricht, aus dem die Kombination aus dem Ablenkelement (505, 505b), der Federeinrichtung (510, 570, 605) und der Federträgerstruktur (515) gefertigt ist.
Mikroscanner (1500; 1800; 1900), nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Gütefaktor des Mikroscanners bezüglich zumindest einer der beiden Oszillationen wenigstens 1000 beträgt.
Mikroscanner (2400) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend: ein Trägersubstrat (530), das die Federträgerstruktur (515) trägt; und einen Aktuator (545) zum Antrieb der ersten Oszillation und/oder der zweiten Oszillation des Ablenkelements (505); wobei der Aktuator (545) mechanisch an das Trägersubstrat (530) gekoppelt ist, um auf dieses beim Betrieb des Mikroscanners (500) mechanisch einzuwirken und dabei mittelbar zumindest über die Federträgerstruktur (515) und die ersten Federn (510) eine Antriebswirkung auf das Ablenkelement (505) zum Antrieb von dessen ersten und/oder zweiten Oszillationen zu bewirken.
Mikroscanner (2400; 2500) nach Anspruch 20, wobei der Aktuator (545) so benachbart zu einer Kavität (620) in dem Trägersubstrat (530) oder einem anderen mit dem Aktuator (545) verbundenen Substrat (625) angeordnet ist, dass er bei seinem Betrieb zumindest abschnittsweise eine sich in die Kavität (620) hineinerstreckende Bewegung ausführen kann.
Mikroscanner (2400; 2500) nach Anspruch 20 oder 21, wobei der Aktuator (545) zugleich als Sensorvorrichtung zur sensorischen Erfassung der momentanen Lage des Ablenkelements (505) oder als ein Teil einer solchen Sensorvorrichtung ausgebildet ist.
Mikroscanner (800; 1200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei an der Federträgerstruktur (515) oder der Federeinrichtung (510) ein oder mehrere Aktuatoren (545) oder Sensoren vorgesehen sind, die an eine oder mehrere Signal- oder Stromversorgungsleitungen (660a, 530a) angeschlossen sind, welche insgesamt zumindest abschnittsweise durch eine oder mehrere in der Federträgerstruktur (515) vorgesehene Öffnungen hindurch verlaufen.
Mikroscanner (800; 1200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Mikroscanner (800; 1200) so konfiguriert ist, dass für das Frequenzverhältnis der Resonanzfrequenz f₁ bezüglich der schnelleren der beiden Schwingungsachsen zur Resonanzfrequenz f₂ bezüglich der langsameren der beiden Schwingungsachsen gilt: f₁/f₂ = F + v, wobei F eine natürliche Zahl ist (F = 1,2,3,...) ist und für die Verstimmung v gilt: v = (f₁-f₂)/f₂ mit (f₁-f₂) < 200 Hz, wobei v nicht ganzzahlig ist.
Mikroscanner (800; 1200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, aufweisend eine Aktuatorik mit einem oder mehreren Aktuatoren (545) zum Antrieb der ersten und zweiten Oszillationen, wobei die Aktuatorik so konfiguriert ist, dass sie das Ablenkelement in eine doppelresonante Schwingung bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachse versetzen kann.
Mikroscanner (800; 1200) nach Anspruch 25, wobei die Aktuatorik so konfiguriert ist, dass sie das Ablenkelement derart in simultane Schwingungen bezüglich der ersten und zweiten Schwingungsachse versetzen kann, dass für das Frequenzverhältnis der Schwingungsfrequenz f₁ bezüglich der schnelleren der beiden Schwingungsachsen zur Schwingungsfrequenz f₂ bezüglich der langsameren der beiden Schwingungsachsen gilt: f₁/f₂ = F + v, wobei F eine natürliche Zahl ist (F = 1,2,3,...) ist und für die Verstimmung v gilt: v = (f₁-f₂)/f₂ mit (f₁-f₂) < 200 Hz, wobei v nicht ganzzahlig ist.
Verfahren zum Herstellen eines Mikroscanners (500) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines plattenförmigen Substrats (660) mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptflächen; Strukturieren des Substrats (660) von einer ersten der Hauptflächen aus zur zumindest anteiligen Ausbildung des Ablenkelements (505), der Tragestruktur (515) und der Federeinrichtung (510); Selektives, zumindest anteiliges Freilegen der jeweils mittels des Strukturierens ausgebildeten Ablenkelements (505) und der Federeinrichtung (510) von der anderen Hauptfläche aus; und Befestigen der aus dem Freilegen resultierenden Mikroscanner-Anordnung (505, 510, 515) auf einem Trägersubstrat (530).
Verfahren nach Anspruch 27, des Weiteren aufweisend zumindest einen der folgenden Prozesse: - Aufbringen einer Reflektionsschicht (505a) auf einem zur Ausbildung des Ablenkelements (505) vorgesehenen Oberflächenabschnitt auf einer Hauptseite des Substrats (660); - Hermetisches Einkapseln der auf dem Trägersubstrat (530) befestigten Mikroscanneranordnung mittels einer Verkapselung (610); - Bonden von zumindest zwei benachbarten Substraten (530, 545, 575, 580, 590, 595, 610, 625) innerhalb eines zum Aufbau des Mikroscanners (500) dienenden Schichtenstapels mittels eines anodischen, eutektischen oder direkten Bondverfahrens oder eines Thermokompressionsverfahrens; - Erzeugen von einem oder mehreren Aktuatoren (545) oder Sensoren an der Federträgerstruktur (515) oder der Federeinrichtung (510) und Erzeugen von einer oder mehreren Signal- oder Stromversorgungsleitungen (660a) die insgesamt zumindest abschnittsweise durch eine oder mehrere in der Federträgerstruktur (515) vorgesehene Öffnungen hindurch verlaufen und and denen die Aktuatoren (545) bzw. Sensoren angeschlossen sind.