DE102022108801B3

DE102022108801B3 - Mikroscanner mit verschiedenartigen piezoelementen und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE102022108801B3
Application number: DE102022108801.4A
Authority: DE
Inventors: Frank Senger; Stephan Marauska; Ulrich Hofmann; Thomas von Wantoch; Jan Rende
Original assignee: Oqmented GmbH
Current assignee: Oqmented GmbH
Priority date: 2022-04-11
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2023-04-27
Anticipated expiration: 2042-04-12
Also published as: WO2023198340A1

Abstract

Ein Mikroscanner zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld weist auf: eine Tragestruktur mit einem daran aufgehängten Ablenkelement zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls, wobei das Ablenkelement an der Tragestruktur derart schwingfähig aufgehängt ist, dass es relativ zur Tragestruktur eine rotatorische Oszillation um zumindest eine Schwingungsachse ausführen kann, um durch Reflektion eines während der Oszillation auf das Ablenkelement einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Projektion des Strahls in ein Beobachtungsfeld zu bewirken; eine Antriebseinrichtung mit zumindest einem ersten, als Piezoaktor wirkenden Piezoelement zum Antrieb der Oszillation des Ablenkelements, wobei das erste Piezoelement ein erstes piezoelektrisches Material mit einem ersten für den Antrieb der Oszillation relevanten piezoelektrischen Koeffizienten PK mit einem Wert PK1 aufweist; und eine Sensoreinrichtung mit zumindest einem zweiten, als Piezosensor wirkenden Piezoelement zum Detektieren einer zeitabhängigen Lage des Ablenkelements während dessen Oszillation, wobei das zweite Piezoelement ein von dem ersten piezoelektrischen Material verschiedenes zweites piezoelektrisches Material aufweist, das bezüglich des Piezoeffekts hysteresefrei ist oder eine geringere Hysterese aufweist als das erste Piezomaterial, und für das der piezoelektrischen Koeffizienten PK einen Wert PK2aufweist, so dass |PK21| < |PK1| gilt. Insbesondere kann |PK2| << |PK1| gelten, beispielsweise 10 · |PK2| < |PK1| oder sogar 100 · |PK2| < |PK1|.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikroscanner zur Projektion, insbesondere zur Lissajous-Projektion, von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Bei dem Mikroscanner kommen verschiedenartige Piezoelemente zum Einsatz. Die Erfindung betrifft des Weiteren 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 einem Ablenkelement (Spiegel bzw. Spiegelplatte), das 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.
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 eindimensional, z.B. horizontal und/oder vertikal, abzulenken, um damit eine Objektoberfläche innerhalb eines Beobachtungsfeldes zumindest abschnittsweise 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 Halbleitertechnologie hergestellt. Basierend auf Halbleiterwafer-Substraten, insbesondere Siliziumwafer-Substraten, dienen Schichtabscheidung, Fotolithografie und Ätztechniken dazu, Mikrostrukturen im Substrat auszubilden und dadurch Mikroscanner mit beweglichem MEMS-Spiegel zu realisieren, insbesondere als ein Chip. Außer Silizium sind auch andere Halbleitermaterialien möglich.
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 (=nichtresonant) 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, d.h. durch Anregung mit zumindest einer Resonanzfrequenz des Spiegels, betrieben und dabei ein Scanpfad in Form einer Lissajous-Figur 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.
Als Antriebe werden typischerweise elektrostatische, elektromagnetische, piezoelektrische, thermische und andere Aktuatorprinzipien eingesetzt. Die Spiegelbewegung kann dabei insbesondere quasistatisch oder resonant erfolgen. Letzteres kann insbesondere dazu genutzt werden, 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).
Im Hinblick auf den Betrieb eines Microscanners, insbesondere sowohl im Falle bildgebender Sensorik als auch im Falle einer Display-Funktion, ist es neben einem geeigneten Antrieb der oszillierenden Bewegung des Spiegels auch meist erforderlich, die jeweilige räumliche Lage, insbesondere Orientierung, des Spiegels, zu bestimmen. Diese Lage, kann insbesondere anhand der Phasenlage der Oszillation oder deren achsenbezogenen einzelnen zueinander orthogonalen eindimensionalen Teiloszillationen, als Funktion der Zeit bestimmt und/oder ausgedrückt werden. Insbesondere kann daraus eine Zuordnung der zu einem jeweiligen Zeitpunkt der Spiegelbewegung auftretenden Abtast- bzw. Projektionsrichtung zu diesem Zeitpunkt bestimmt werden, um so die Messergebnisse bzw. eine zu projizierende Modulation des Projektionsstrahls entsprechend zeitabhängig erfassen bzw. steuern zu können.
Aus der EP 2 514 211 B1 ist eine Ablenkeinrichtung für ein Projektionssystem zum Projizieren von Lissajous-Figuren auf ein Beobachtungsfeld bekannt, die ausgebildet ist, einen Lichtstrahl um mindestens eine erste und eine zweite Ablenkachse zur Erzeugung der Lissajous-Figuren umzulenken. Insbesondere kann die Phasenlage des Spiegels der Ablenkeinrichtung dabei mittels einer piezobasierten Sensorik erfasst werden.
US 2009/0185 253 A1 beschreibt einen optischen Deflektor mit einem Spiegel mit einer reflektierenden Ebene. Der Deflektor weist auf: einen Torsionsstab, der sich von einem Ende des Spiegels nach außen erstreckt und eine Halterung, die den Spiegel umgibt. Des Weiteren weist der Deflektor ein erstes piezoelektrisches Element auf, wobei ein Ende des ersten piezoelektrischen Elements mit dem Torsionsstab verbunden ist, das andere Ende des ersten piezoelektrischen Elements mit dem Träger verbunden ist und von diesem getragen wird, wobei das erste piezoelektrische Element mindestens einen piezoelektrischen Ausleger aufweist und der Ausleger einen Trägerkörper und einen auf dem Trägerkörper ausgebildeten piezoelektrischen Körper umfasst, um eine Biegeverformung aufgrund von Piezoelektrizität zu zeigen, wenn eine Antriebsspannung an den piezoelektrischen Körper angelegt wird, wobei das piezoelektrische Element den Spiegel durch den Torsionsstab rotierend antreibt, wenn die Antriebsspannung angelegt wird. Darüber hinaus weist der Deflektor ein zweites piezoelektrisches Element auf, wobei ein Ende des zweiten piezoelektrischen Elements mit dem Torsionsstab verbunden ist und das andere Ende des zweiten piezoelektrischen Elements mit dem Spiegel verbunden ist und von diesem getragen wird.
US 2020/0 013 852 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Metall-Isolator-Metall (MIM)-Struktur, das Folgendes umfasst: Herstellen einer ersten und einer zweiten Trennschicht, die gegeneinander angeordnet sind, auf einem ersten Substrat; Herstellen, auf der zweiten Trennschicht, einer Isolatorschicht, die ein Material mit Perowskitstruktur enthält; Herstellen einer ersten Gold- und/oder Kupferschicht, die mindestens einen Teil einer ersten Elektrode bildet, auf der Isolatorschicht; Herstellen der ersten Gold- und/oder Kupferschicht integral mit einem zweiten Substrat; und Ausbilden einer mechanischen Trennung an einer Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Trennschicht, wobei die erste Trennschicht fest mit dem ersten Substrat verbunden bleibt und die zweite Trennschicht fest mit der Isolatorschicht verbunden bleibt, wobei die Isolatorschicht zwischen der ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode mit mindestens einer Metallschicht angeordnet ist.
F. Xu, et al. „Piezoelectric films for MEMS applications,“ Proceedings, 11th International Symposium on Electrets, IEEE, 2002, S. 386 - 396 beschreibt verschiedene piezoelektrische Schichten für MEMS-Anwendungen einschließlich ausgewählter Eigenschaften solcher Schichten.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Mikroscanner und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, wobei sowohl große Scanwinkel der Spiegeloszillation als auch eine genaue Messung der Spiegellage, insbesondere der Orientierung bzw. Phasenlage, ermöglicht sind bzw. 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 hier vorgestellten Lösung betrifft einen Mikroscanner zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld. Der Mikroscanner weist auf:

(i) eine Tragestruktur mit einem daran aufgehängten Ablenkelement zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls, wobei das Ablenkelement an der Tragestruktur derart schwingfähig aufgehängt ist, dass es relativ zur Tragestruktur eine rotatorische Oszillation um zumindest eine Schwingungsachse ausführen kann, um durch Reflektion eines während der Oszillation auf das Ablenkelement einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Projektion, insbesondere eine Lissajous-Projektion, des Strahls in ein Beobachtungsfeld zu bewirken;
(ii) eine Antriebseinrichtung mit zumindest einem ersten, als Piezoaktor wirkenden Piezoelement zum Antrieb der Oszillation des Ablenkelements, wobei das erste Piezoelement ein erstes piezoelektrisches Material mit einem ersten für den Antrieb der Oszillation relevanten piezoelektrischen Koeffizienten PK mit einem Wert PK1 aufweist; und
(iii) eine Sensoreinrichtung mit zumindest einem zweiten, als Piezosensor wirkenden Piezoelement zum Detektieren einer zeitabhängigen Lage des Ablenkelements während dessen Oszillation, wobei das zweite Piezoelement ein von dem ersten piezoelektrischen Material verschiedenes zweites piezoelektrisches Material aufweist, das (iii-1) bezüglich des Piezoeffekts hysteresefrei ist oder eine geringere Hysterese aufweist als das erste Piezomaterial, und (iii-2) für das der piezoelektrische Koeffizient PK einen Wert PK₂ aufweist, so dass |PK₂| < |PK₁| gilt. Insbesondere kann |PK₂| << |PK₁| gelten, beispielsweise 10 · |PK₂| < |PK₁| oder sogar 100 · |PK₂| < |PK₁|.

Unter dem Begriff „Ablenkelement“, wie hier verwendet, 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. Insbesondere sind Rauheiten mit einem Mittenrauhwert R_a ≤ 1000 nm, bevorzugt R_a ≤ 100 nm, besonderes bevorzugt R_a < 5 nm geeignet. Der Mittenrauwert, gibt dabei den mittleren Abstand eines Messpunktes auf der Oberfläche zur Mittellinie an. Der Mittenrauwert entspricht also dem arithmetischen Mittel der betragsmäßigen Abweichung von der Mittellinie und ist insbesondere in der Norm DIN EN ISO 4287:2010 definiert.
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 dem Begriff „Schwingungsachse“ bzw. gleichbedeutend „Achse“, wie hierin verwendet, ist insbesondere eine Drehachse (Rotationsachse) einer rotatorischen Bewegung zu verstehen. Sie ist eine Gerade, die eine Rotation oder Drehung definiert oder beschreibt.
Unter dem Begriff „Lissajous-Projektion“ (und Abwandlungen davon), wie hierin verwendet, ist insbesondere eine Abtastung (Scanning) eines Beobachtungsfelds mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung zu verstehen, die durch zumindest zwei zueinander orthogonale harmonische Schwingungen (Oszillationen) einer die Strahlung in das Beobachtungsfeld ablenkenden Ablenkeinrichtung, insbesondere eines einzelnen Ablenkelements oder einer Kombination von zumindest zwei Ablenkelementen, bewirkt wird.
Unter dem Begriff „Piezoelement“ (und Abwandlungen davon), wie hierin verwendet, ist ein Bauteil zu verstehen, das den (direkten) Piezoeffekt ausnutzt, um bei Einwirkung einer mechanischen Kraft eine elektrische Spannung zu produzieren („Piezosensor“), oder den inversen Piezoeffekt ausnutzt, um durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Bewegung auszuführen („Piezoaktor“ bzw. gleichbedeutend „Piezoaktuator“). Insbesondere sind auch ferroelektrische Materialien stets zugleich piezoelektrisch.
Unter dem Begriff „piezoelektrischer Koeffizient“ (und Abwandlungen davon), wie hierin verwendet, ist ein piezoelektrischer Koeffizient d_ij (gemäß einer in der Literatur üblichen Notation auf dem Gebiet der Piezotechnik) für ein Piezomaterial (bzw. Piezoelement) zu verstehen, der eine Stärke eines piezoelektrischen Effekts charakterisiert. Dabei gibt der Index „i“ in d_ij diejenige Raumrichtung in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem an , die der Polarisationsrichtung des Piezomaterials beim Anlegen bzw. Abgreifen einer elektrischen Spannung an das bzw. dem Piezomaterial entspricht und der Index „j“ in d_ij diejenige Raumrichtung in dem Koordinatensystem angibt, entlang der die Wirkung des Piezoeffekts im Piezomaterial auftritt. Beispielsweise setzt der Koeffizient d₃₃ eine entlang der Achse „3“ des Koordinatensystems angelegte elektrische Spannung in Bezug zu der dadurch ebenfalls entlang der Achse „3“ bewirkten mechanischen Spannung. Der Koeffizient d₃₁ setzt dagegen die entlang der Achse „3“ des Koordinatensystems angelegte elektrische Spannung in Bezug zu der dadurch entlang einer orthogonal stehenden Achse „1“ des Koordinatensystems bewirkten mechanischen Spannung. Eine Definition für den piezoelektrischen Koeffizienten d_ij ist insbesondere in der deutschsprachigen Ausgabe des Online-Lexikons Wikipedia unter https://de.wikipedia.org/wiki/Piezoelektrizität oder unter dem weiteren Internet-Link https://www.ctscorp.com/resource-center/tutorials/piezo-basics/ oder im Lehrbuch Erturk, A., Inman, D.L., „Piezoelectric Energy Harvesting“, Wiley, New York, 2011. zu finden. Der lösungsgemäße piezoelektrische Koeffizient „PK“ kann insbesondere einem der piezoelektrischen Koeffizienten d₃₁ und d₃₃ entsprechen.
Unter dem Begriff „Hysterese“ (und Abwandlungen davon), wie hierin verwendet, ist im Hinblick auf den ferroelektrischen Effekt ein Verhalten eines Piezoelements zu verstehen, bei dem die Ausgangsgröße nicht allein von der unabhängig veränderlichen Eingangsgröße (insbesondere mechanische oder elektrische Spannung), sondern auch vom vorherigen Zustand der Ausgangsgröße abhängt. Ferroelektrizität kann nur bei Festkörpern auftreten, in deren Kristallgittern mindestens eine polare Achse vorhanden ist. Somit sind alle ferroelektrischen Werkstoffe auch Piezoelektrika. Ein ferroelektrisches Piezoelement kann also - abhängig von der Vorgeschichte - bei gleicher Eingangsgröße einen von mehreren möglichen Zuständen einnehmen. Beim direkten Piezoeffekt dient kann dabei eine im Piezoelement erzeugte mechanische Spannung als Eingangsgröße und eine daraus gemäß dem Piezoeffekt resultierende elektrische Spannung als Ausgangsgröße dienen und beim inversen Piezoeffekt umgekehrt. Ein quantitatives Maß für die Hysterese ist das Verhältnis aus (i) dem maximal auftretenden Unterschied der Werte der Ausgangsgröße zur selben Eingangsgröße und (ii) dem maximalen Wert der Ausgangsgröße. Ein anderes mögliches Maß ist die Stärke der Koerzitivfeldstärke, beim inversen Piezoeffekt also der elektrischen Feldstärke, die notwendig ist, um eine zuvor bis zur Sättigungsflussdichte aufgeladene, ferroelektrische Substanz vollständig zu entpolarisieren, so dass der resultierende Gesamtfluss bzw. die lokale Flussdichte gleich null 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 gegebenenfalls verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen.
Bei dem Mikroscanner nach dem ersten Aspekt werden für den Antrieb des Ablenkelements und die Bestimmung von dessen Lage verschiedene Piezoelemente eingesetzt. Für den Antrieb werden dabei ein oder mehrere erste Piezoelemente eingesetzt, die sich besonders durch ihren gegenüber den zur Lagebestimmung verwendeten zweiten Piezoelementen durch einen stärkeren (inversen) Piezoeffekt auszeichnen. So kann die Oszillation des Ablenkelements besonderes effektiv angetrieben werden, insbesondere zur Erzeugung großer Auslenk- und somit Scanwinkel. Zwar können die (ersten) Piezomaterialien solcher ersten Piezoelemente, insbesondere im Falle von Piezokeramiken, auch insbesondere im Hinblick auf eine Messung der Lage des Ablenkelements während seiner Oszillation unerwünschte Effekte aufweisen, wie etwa eine signifikante Hysterese oder Domänenrauschen. Im Hinblick auf die gewünschte Antriebswirkung sind diese Nachteile jedoch in der Regel tolerabel.
Das bzw. jedes zweite Piezoelement zeichnen sich dagegen durch seine fehlende oder jedenfalls gegenüber derjenigen der ersten Piezoelemente geringere Hysterese aus, so dass mittels des direkten Piezoeffekts eine genauere Positionsmessung möglich wird als es bei Verwendung der ersten Piezoelemente zu diesem Zweck der Fall wäre. Insbesondere sind für die zweiten Piezoelemente solche Piezomaterialien vorteilhaft einsetzbar, die über den für die Lagebestimmung relevanten Bereich der elektrischen Messspannung als Funktion der mechanischen Spannung im Piezoelement (und somit der Lage des Ablenkelements) eine zumindest näherungsweise lineare Kennlinie bzw. Antwortfunktion aufweisen.
Die hier vorgeschlagene Lösung macht sich somit durch die vorgenannte Kombination verschiedener Arten von Piezomaterialien bzw. zugehörigen Piezoelementen gezielt die jeweiligen Vorteile einerseits für den Antrieb und andererseits für die Bestimmung (Messung) der Lage des Ablenkelements zunutze. So lassen sich die Vorteile hoher Antriebskrafterzeugung und genauer Lagebestimmung gleichzeitig verwirklichen.
Nachfolgend werden verschiedene beispielhafte Ausführungsformen des Mikroscanners beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit dem im weiteren beschriebenen zweiten Aspekt der Lösung kombiniert werden können.
Bei einigen Ausführungsformen ist das erste Piezomaterial ein piezoelektrisches Keramikmaterial (Piezokeramik) und das zweite Piezomaterial ein piezoelektrisches kristallines oder polymeres Material. Piezokeramische Materialien zeichnen sich gegenüber kristallinen und polymeren Piezomaterialien insbesondere durch in der Regel (betragsmäßig) höhere korrespondierende piezoelektrische Koeffizienten aus und lassen sich leichter fertigen insbesondere bezüglich einer breiten Vielfalt möglicher Formgebungen, da hierzu keinen Kristallrichtungen zu beachten sind. Kristalline Piezomaterialien haben regelmäßig den Vorteil einer geringen oder sogar im Wesentlichen fehlenden Hysterese und die Kristallstruktur kann vorteilhaft beim Aufwachsen auf kristallinen Basissubstraten sein.
Das erste Piezomaterial kann gemäß einiger Ausführungsformen insbesondere Polyvinylidenfluorid (PVDF), Blei-Magnesium-Niobat/Blei-Titanat (PMN-PT) und/oder eine Piezokeramik auf Basis von Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), aufweisen. Mit 0 ≤ x ≤ 1 sind die Summenformeln für PZT: Pb[Zr_xTi_1-x]O₃ und für PMN-PT: (1-x)[Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O_3]-x[PbTiO₃]. PZT ist zugleich ein ferroelektrisches Material. Das erste Piezomaterial kann insbesondere reines PZT selbst oder ein mit Niob (Nb) dotiertes PZT sein oder enthalten. Diese Piezomaterialen haben den Vorteil, dass sie eine besonders starke Kraftwirkung entfalten und somit besonderes gut als Piezoaktormaterial geeignet sind.
Das zweite Piezomaterial kann gemäß einiger Ausführungsformen insbesondere einen kristallinen Werkstoff auf Basis von Aluminiumnitrit, AIN, Aluminium-Scandium-Nitrid, auf, und/oder Zinkoxid (ZnO) auf. Eine Summenformel für Aluminium-Scandium-Nitrid ist Al_1-xSc_xN, mit 0 ≤ x ≤ 1. Diese Piezomaterialen haben den Vorteil, dass sie im Wesentlichen hysteresefrei sind und eine in weiten Bereichen annähernd lineare Kennlinie bzw. Antwortfunktion aufweisen und somit besonderes gut als Piezosensormaterial geeignet sind.
Insbesondere AIN und PZT eignen sich besonders gut für den Einsatz in MEMS-Bauelementen, wie insbesondere Mikroscannern, da diese Piezomaterialien sich über gängige Sputter-Abscheideverfahren im µm -Bereich herstellen und mittels nass- oder trockenchemischer Ätzverfahren strukturieren lassen und zudem hinsichtlich der Gesamtprozessintegration (inkl. der Herstellung von Boden- und Topelektrode der zugehörigen Piezoelemente) kompatibel mit herkömmlicher Siliziumprozesstechnologie sind.
Bei einigen Ausführungsformen ist das Ablenkelement mittels zumindest eines Federelements an der Tragestruktur aufgehängt. Unter dem Begriff „Federelement“ bzw. „Feder“, wie hier verwendet, ist insbesondere ein elastischer Körper, insbesondere ein Maschinenelement, zur Aufnahme und Speicherung mechanischer (potenzieller) Energie zu verstehen, der bzw. das sich unter Belastung im Lastbereich unterhalb einer Elastizitätsgrenze gezielt verformt und bei Entlastung wieder seine ursprüngliche Gestalt annimmt. Insbesondere sind vorliegend, beispielsweise streifen- oder meanderförmige, Federn, die aus demselben Substrat wie die Tragestruktur und das Ablenkelement gefertigt sind und beide verbinden, als Federelemente möglich.
Bei einigen Ausführungsformen ist zumindest ein erstes Piezoelement der Antriebseinrichtung an dem oder einem der Federelemente (insbesondere darauf oder darin) angeordnet, um dieses zum Antrieb der Oszillation des Ablenkelements in Abhängigkeit von einer Ansteuerung des zumindest einen ersten Piezoelements zu verformen. Das erste Piezoelement kann dabei insbesondere einen auf einer Oberfläche des Federelements aufgebrachten, insbesondere abgeschiedenen oder aufgeklebten, stapelförmigen Schichtaufbau mit zwei Elektrodenschichten und einer dazwischen liegenden Schicht aus dem ersten Piezomaterial aufweisen. Eine solche Anordnung hat den Vorteil einer direkteren und somit effizienteren Energieübertragung auf das Ablenkelement, insbesondere gegenüber anderen Antriebslösungen, bei denen die Antriebsenergie zunächst nur unmittelbar oder mittelbar auf die Tragestruktur und erst von dort über das bzw. die Federelemente auf das Ablenkelement gekoppelt wird. Auch Mehrfachstapel, bei denen mehr als ein Piezoelement übereinander gestapelt an dem bzw. einem der Federelemente angeordnet sind, sind möglich, insbesondere in der Schichtfolge Elektrode-Piezomaterial-Elektrode-Piezomaterial-Elektrode, usw.
Bei einigen Ausführungsformen ist zumindest ein zweites Piezoelement der Sensoreinrichtung an dem oder einem der Federelemente angeordnet, um eine zeitabhängige Lage des Ablenkelements während dessen Oszillation allein oder im Zusammenspiel mit weiteren zweiten Piezoelementen der Sensoreinrichtung zu detektieren. Diese Anordnung hat insbesondere den Vorteil, dass die momentane Lage, insbesondere Orientierung, des Ablenkelements während seiner Oszillation stark mit einer entsprechenden Verformung des bzw. der Federelemente korreliert ist, was insbesondere sogar im Sinne einer eindeutigen Zuordnung auftreten kann, so dass ein Messen dieser Verformung eine zuverlässige Lagebestimmung ermöglicht.
Bei einigen Ausführungsformen ist zumindest ein zweites Piezoelement der Sensoreinrichtung an, insbesondere auf oder in, einem Federelement angeordnet, an dem keines der ersten Piezoelemente angeordnet ist. Eine solche Trennung der Anordnung des bzw. der ersten und des bzw. der zweiten Piezoelemente kann insbesondere dahingehend vorteilhaft sein, dass die Verformung eines jeweiligen Federelements durch ein erstes Piezoelement nicht durch das gleichzeitige Vorhandensein eines dafür nicht erforderlichen zweiten Piezoelements am selben Federelement beeinträchtigt werden kann, etwa im Sinne einer Begrenzung der Biegsamkeit oder Scherbarkeit des Federelements.
Bei einigen Ausführungsformen („Dual-use“ Varianten) sind zumindest ein erstes Piezoelement und zumindest ein zweites Piezoelement an einem selben Federelement angeordnet. Diese Lösung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn nur eine kleine Federfläche zur Verfügung steht und/oder wenn nur eine geringe Anzahl von Federelementen vorhanden ist, etwa nur eines oder nur zwei oder drei, so dass eine besonders effiziente Raumausnutzung für die Anordnung der ersten und zweiten Piezoelemente geboten ist. Vorteilhaft ist diese Lösung auch im Falle einer eng begrenzten zur Verfügung stehenden Fläche oder wenn, etwa zu Zwecke eines besonders starken oder symmetrischen Antriebs und/oder einer auf verschiedenen Messstellen beruhenden möglichst genauen Lagebestimmung, jeweils eine Mehrzahl von ersten und zweiten Piezoelementen eingesetzt werden sollen, so dass eine isolierte Anordnung von nur einer Art von Piezoelement je Federelement nicht zielführend ist.
Bei einigen dieser Dual-use Varianten sind das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement auf demselben Federelement lateral nebeneinander auf einer selben Oberfläche des Federelements angeordnet. Das hat den Vorteil einer leichten Herstellbarkeit und den Vorteil, dass eine Verformung des ersten Piezoelements keinen oder nur einen sehr geringen Einfluss auf eine Verformung des zweiten Piezoelements nehmen kann, und umgekehrt.
Bei einigen anderen Dual-use Varianten sind dagegen das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement auf demselben Federelement übereinander gestapelt auf einer selben Oberfläche des Federelements oder auf gegenüberliegenden Seiten des Federelements angeordnet. Dies erlaubt eine besonders platzsparende Anordnung, die insbesondere bei Verwendung sehr kurzer Federelemente vorteilhaft einsetzbar ist, wenn eine laterale Anordnung der ersten und zweiten Piezoelement ausscheidet oder nachteilig wäre. Bei der Anordnung des ersten und zweiten Piezoelements auf gegenüberliegenden Seiten des Federelements kann vorteilhaft eine besonders günstige Signaltrennung von Aktorik und Sensorik erzielt werden. Ein Übersprechen der unabhängigen Signalpfade bzw. - Leitungen kann somit auf ein minimales unterdrückt werden.
Bei einigen Ausführungsformen sind eine Elektrode eines (d.h. zumindest eines) ersten Piezoelements und eine Elektrode eines (d.h. zumindest eines) zweiten Piezoelements als verschiedene, miteinander verbundene oder unverbundene, Abschnitte einer selben an einem oder mehreren der Federelemente aufgebrachten Elektrodenschicht ausgebildet. Das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement weisen dabei jeweils einen stapelförmigen Schichtaufbau auf, in dem der dem jeweiligen Piezoelement zugehörige Abschnitt der Elektrodenschicht und das Piezomaterial des jeweiligen Piezoelements als zwei in Stapelrichtung benachbarte Schichten vorhanden sind. Die Elektrodenschicht kann insbesondere eine unmittelbar oder mittelbar über eine oder mehrere Zwischenschichten auf das jeweilige Federelement aufgebrachte elektrisch leitfähige, insbesondere metallische, Schicht sein, die im jeweiligen Abschnitt als (dem jeweiligen Federelement näher als die andere Elektrode liegende) Bodenelektrode des jeweiligen in dem Abschnitt vorhandenen Piezoelements dient. Die Verwendung einer solchen selben Elektrodenschicht für mehrere Piezoelemente hat den Vorteil einer leichteren und weniger komplexen Herstellbarkeit des Mikroscanners, da die aus der Elektrodenschicht gebildeten Elektroden der verschiedenen Piezoelemente somit im Rahmen eine selben Prozessführung, insbesondere simultan ausgebildet werden können.
Unter dem Begriff „elektrische Leitfähigkeit“ (und Abwandlungen hiervon), wie hier verwendet, ist eine physikalische Größe zu verstehen, die angibt, wie stark die Fähigkeit eines Stoffes ist, den elektrischen Strom zu leiten. Der Begriff „elektrisch leitfähig“ bezieht sich demnach insbesondere auf eine elektrische Leitfähigkeit, die (bei 25 °C) mindestens 10^-8 S/m beträgt, bevorzugt mindestens 1 S/m, besonderes bevorzugt mindestens 10² S/m.
Bei einigen Ausführungsformen weist die Elektrodenschicht in den die jeweilige Elektrode des ersten Piezoelements oder des zweiten Piezoelements bildenden Abschnitten ein Kristallgitter, insbesondere Metallgitter, gleicher Gitterart auf, welches sich jedoch bezüglich zumindest einer Gitterkonstante zwischen dem ersten Piezoelement und dem zweiten Piezoelement unterscheidet, so dass in jedem Abschnitt eine gegenüber dem Kristallgitter der Elektrodenschicht im jeweils anderen Abschnitt verbesserte Anpassung des Kristallgitters der Elektrodenschicht an ein Kristallgitter des in diesem Abschnitt im Schichtaufbau benachbarten ersten Piezomaterials oder zweiten Piezomaterials vorliegt. Die Anpassung kann insbesondere mittels einer selektiven, die Gitterkonstanten beeinflussenden Dotierung der Elektrodenschicht erfolgen. Auf diese Weise kann in allen Abschnitten trotz der Verwendung von unterschiedlichen Piezomaterialen je nach Piezoelement, ein besonders gutes und zuverlässiges kristallographisches Aufwachsen auf die Elektrodenschicht des jeweiligen Piezomaterial erreicht werden. Dies gilt insbesondere auch entsprechen im Falle eines epitaktischen Aufwachsens des jeweiligen Piezomaterials auf der Elektrodenschicht im jeweiligen Abschnitt.
Bei einigen Ausführungsformen weist die Kristallstruktur der Elektrodenschicht als Gitterart ein Grundgitter auf, das einem Grundgitter des ersten und/oder zweiten Piezomaterials entspricht. Insbesondere kann die Kristallstruktur der Elektrodenschicht als Gitterart ein hexagonales Grundgitter aufweisen. Dies ist insbesondere bei Verwendung von AIN als Piezomaterial vorteilhaft, da diese (gleichen) Kristallstrukturen ein gutes Aufwachsen dieses Piezomaterials ermöglichen. Die Kristallstruktur der Elektrodenschicht kann jedoch als Gitterart, insbesondere stattdessen ein kubisches, insbesondere ein kubisch-flächenzentriertes Grundgitter oder ein orthorombisches Grundgitter, insbesondere mit Perowskit-Struktur, aufweisen. Dies ist insbesondere bei Verwendung von PZT als Piezomaterial vorteilhaft, um ein gutes Aufwachsen dieses Piezomaterials auf der Elektrodenschicht zu ermöglichen.
Bei einigen Ausführungsformen ist das Ablenkelement mittels eines Satzes aus mehreren gleichartigen und bezüglich des Ablenkelements, insbesondere bezüglich dessen geometrischen Mittelpunkt oder Masseschwerpunkt, rotationssymmetrisch angeordneten Federelementen an der Tragestruktur aufgehängt, wobei an jedem der Federelemente des Satzes jeweils ein oder mehrere erste Piezoelemente und/oder ein oder mehrere zweite Piezoelemente angeordnet sind. Die Art und Anordnung der ersten Piezoelemente und/oder der zweiten Piezoelemente an den Federelementen ist dabei bezüglich aller Federelemente des Satzes gleichartig ausgebildet, so dass auch im Hinblick auf die Art und die Anordnung der Piezoelemente eine bezüglich des Ablenkelements (entsprechende) rotationssymmetrische Anordnung vorliegt. Eine derartige symmetrische Anordnung hat den Vorteil, dass sich auch ohne diesbezügliche Korrekturmaßnahmen, wie etwa eine korrigierende Ansteuerung der Antriebseinrichtung, ein hochsymmetrisches Schwingen des Ablenkelements und, damit optimale Abbildungseigenschaften, erreichen lassen. Der Begriff „rotationssymmetrisch“ bezieht sich hier insbesondere auf eine n-zählige Rotationssymmetrie, wobei die Anzahl der Federelemente insbesondere der Zähligkeit n oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entsprechen kann.
Bei einigen Ausführungsformen ist zumindest eines der Federelemente mittelbar über eine zwischen dem Federelement und der Tragestruktur des Mikroscanners angeordnete Piezoträgerstruktur („Paddle“) mechanisch an die Tragestruktur gekoppelt, wobei auf oder in der Piezoträgerstruktur zumindest ein erstes Piezoelement der Antriebseinrichtung angeordnet ist, um das daran gekoppelte Federelement zum Antrieb der Oszillation des Ablenkelements in Abhängigkeit von einer Ansteuerung des zumindest einen ersten Piezoelements zu verformen. Das Federelement und die Piezoträgerstruktur können insbesondere integral (einstückig) ausgebildet sein, sogar einschließlich der Tragestruktur des Mikroscanners. Die Piezoträgerstruktur und das Federelement unterscheiden sich jedoch durch ihren Querschnitt und/oder ihre Dicke (senkrecht zur Bildfläche in 6), so dass sie einzeln betrachtet in der Regel auch verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen. Wenn sich das erste Piezoelement beim Anlegen einer elektrischen Spannung verformt, wird dadurch auch die Piezoträgerstruktur verformt und diese Verformung bewirkt wiederum eine Verformung des Federelements, sodass durch periodischen Antrieb des Piezoelements die Oszillation des an das Federelement gekoppelte Ablenkelements angetrieben werden kann. Diese Ausführungsformen haben den Vorteil, dass das Federelement und das erste Piezoelement nicht aufeinandergestapelt angeordnet sind, so dass das Schwingungsvermögen und die Resonanzfrequenz der Feder durch die Anwesenheit des ersten Piezoelements nicht oder nur geringfügig beeinflusst werden. Auch kann diese Bauweise Vorteile im Hinblick auf die mechanische Robustheit und Lebensdauer aufweisen, da anders als bei gestapelten Varianten keine Verformungen auf Verbindungsflächen zwischen verschiedenen Stapellagen wirken. Zudem lassen sich bei diesen Bauformen relativ leicht große (optische) Scanwinkel erreichen, da die Piezoträgerstrukturen so ausgelegt werden können, dass sie große Auslenkungen aufweisen können.
Bei den vorgenannten „Paddle“-Ausführungsformen, kann insbesondere zumindest ein zweites Piezoelement auf der dem zumindest einen ersten Piezoelement gegenüberliegenden Seite der Piezoträgerstruktur angeordnet sein, so dass die Piezoträgerstruktur sowohl zumindest ein erstes Piezoelement und zumindest ein zweites Piezoelement trägt.
Bei einigen Ausführungsformen entspricht der piezoelektrische Koeffizient PK einem der piezoelektrischen Koeffizienten d₃₁ und d₃₃. Speziell in dem Fall, dass die Piezoelemente als stapelförmiger Schichtaufbau auf einem jeweiligen Federelement mit einer orthogonal zu der den Schichtaufbau tragenden Oberfläche des jeweiligen Federelements verlaufenden Stapelrichtung ausgebildet sind, ist PK = d₃₁ eine günstige Wahl. Die Polarisationsrichtung läuft dann entlang der Stapelrichtung (Achse „3“ des Koordinatensystems zur Bestimmung von d_ij) und die mechanische Spannung orthogonal dazu.
Bei einigen Ausführungsformen weist der Mikroscanner des Weiteren eine Verkapselung auf, mittels der zumindest das Ablenkelement einschließlich seiner Aufhängung an der Tragestruktur hermetisch abgeschlossen so eingekapselt ist, dass es innerhalb der Verkapselung zur Ausführung der Oszillation befähigt, 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 Aufhängung mittels des bzw. der Federelemente 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 (insbesondere 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 Verkapselung 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. Speziell bei einer symmetrischen (sphärischen) Kuppelform sind deren optischen Eigenschaften, zumindest im Wesentlichen, unabhängig vom Einfallswinkel. Somit ist, falls erforderliche, eine „globale“ Kompensation des Reflektionsverhaltens des Ablenkelements durch entsprechende Ansteuerung möglich. Darüber hinaus kann so die Anzahl der verfügbaren Freiheitsgrade für die Strahlführung maximiert werden.
Die planare Gestalt und die im Querschnitt rechtwinklig U-förmige Gestalt zeichnen sich 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.
Ein zweiter Aspekt der Lösung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mikroscanners zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld, insbesondere eines Mikroscanners dem ersten Aspekt. Das Verfahren weist auf:

(i) Erzeugen oder Anbringen, unmittelbar oder mittelbar an einem plattenförmigen Substrat, einer Antriebseinrichtung mit zumindest einem ersten Piezoelement, wobei das erste Piezoelement ein erstes piezoelektrisches Material mit einem ersten für den Antrieb der Oszillation relevanten piezoelektrischen Koeffizienten PK mit einem Wert PK1 aufweist;
(ii) Erzeugen oder Anbringen, unmittelbar oder mittelbar an dem Substrat, einer Sensoreinrichtung mit zumindest einem zweiten Piezoelement wobei das zweite Piezoelement ein von dem ersten piezoelektrischen Material verschiedenes zweites piezoelektrisches Material aufweist, das (ii-1) bezüglich des Piezoeffekts hysteresefrei ist oder eine geringere Hysterese aufweist als das erste Piezomaterial, und (ii-2) für das der piezoelektrischen Koeffizienten PK einen Wert PK2 aufweist, so dass |PK2| < |PK1| gilt; und
(iii) Strukturieren des plattenförmigen Substrats (205, 210) derart, dass dadurch:
- (iii-1) eine Tragestruktur mit einem daran aufgehängten Ablenkelement zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls ausgebildet wird,
- (iii-1) das Ablenkelement an der Tragestruktur des strukturierten Substrats derart schwingfähig aufgehängt ist, dass es relativ zur Tragestruktur eine rotatorische Oszillation um zumindest eine Schwingungsachse ausführen kann, um durch Reflektion eines während der Oszillation auf das Ablenkelement oder auf eine darauf unmittelbar oder mittelbar angeordneten Spiegelschicht einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Projektion des Strahls in ein Beobachtungsfeld zu bewirken;
- (iii-2) die Antriebseinrichtung derart auf dem strukturierten Substrat positioniert ist, dass sie als Piezoaktor zum Antrieb der Oszillation des Ablenkelements wirken kann; und
- (iii-3) die Sensoreinrichtung derart auf dem strukturierten Substrat positioniert ist, dass sie als Piezosensor zum Detektieren einer zeitabhängigen Lage des Ablenkelements während dessen Oszillation wirken kann.

Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend auch für den zweiten Aspekt der Erfindung.
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 Draufsicht auf eine beispielhafte erste Ausführungsform eines Mikroscanners gemäß der vorliegenden Lösung;
2 eine Querschnittsansicht des Mikroscanners aus 1;
3 schematisch eine Querschnittsansicht einer beispielhaften zweiten Ausführungsform eines Mikroscanners gemäß der vorliegenden Lösung;
4 schematisch eine Querschnittsansicht einer beispielhaften dritten Ausführungsform eines Mikroscanners gemäß der vorliegenden Lösung;
5 schematisch eine Querschnittsansicht einer beispielhaften vierten Ausführungsform eines Mikroscanners gemäß der vorliegenden Lösung; und
6 schematisch eine Querschnittsansicht einer beispielhaften fünften Ausführungsform eines Mikroscanners gemäß der vorliegenden Lösung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche, ähnliche oder einander entsprechende Elemente. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich werden.
Der in den 1 illustrierte Mikroscanner 100 weist eine aus einem Halbleitersubstrat gefertigte Tragestruktur 105 in Form eines Rahmens auf (Chiprahmen), der ein Ablenkelement (Spiegel) 110 allseitig umgibt, dessen Basis aus demselben Halbleitersubstrat gefertigt ist wie die Tragestruktur 105. Das Ablenkelement 110 ist mittels einer oder mehrerer Federelemente, im vorliegenden Beispiel sind dies die beiden an gegenüberliegenden Seiten des Ablenkelements 110 ansetzenden Federelemente 115a und 115b, an der Tragestruktur 105 aufgehängt. Diese Aufhängung ist so ausgebildet, dass das Ablenkelement 105 zumindest um eine Schwingungsachse rotatorisch oszillieren kann. Diese Schwingungsachse verläuft dabei entlang der (im Bild der 1 vertikal verlaufenden) Gerade durch die beiden Ansatzpunkte der Federelemente 115a und 115b am Ablenkelement 110. Bei geeigneter Anregung ist es auch möglich, eine Schwingung um eine zweite, zur ersten Schwingungsachse orthogonale, im Bild der 1 also horizontale, Schwingungsachse anzuregen. Insbesondere zur Förderung einer solchen zweidimensionalen Oszillation können anstelle der hier dargestellten Aufhängung mit zwei gegenüberliegenden meanderförmigen Federelementen auch andersartig geformte und angeordnete Federelemente vorgesehen sein, insbesondere mehrere spiralförmige.
Auf jedem der Federelemente 115a und 115b befindet sich ein Piezoelement 120 bzw. 125, wobei sich diese Piezoelemente bezüglich ihres Piezomaterials und ihrer Aufgaben unterscheiden.
Das erste Piezoelement 120 dient als Piezoaktor zum Antrieb der Oszillationsbewegung des Ablenkelements 110 und ist daher auf Basis eines ersten Piezomaterials 220 (vgl. 2), wie etwa PZT, ausgebildet, welches einen besonders starken Piezoeffekt und dabei insbesondere einen großen piezoelektrischen Koeffizienten d₃₁ aufweist. Das erste Piezoelement 120 ist somit bei geeigneter Wahl der Federstärken der Federelemente 115a und 115b geeignet, insbesondere auch große Auslenkungen und somit Scanwinkel des Mikroscanners 100, insbesondere bis hin zu ± 90° (optischer Scanwinkel) oder sogar mehr, zu ermöglichen.
Das zweite Piezoelement 125 dient dagegen als Piezosensor zur Messung und somit Bestimmung der zeitabhängigen Lage, d. h. konkret der Orientierung bzw. Phasenlage der Oszillation, des Ablenkelements 110. Da es hierbei anders als beim ersten Piezoelement 120 nicht auf eine besonders große Kraftwirkung ankommt, sondern vielmehr auf eine möglichst genaue und einfach durchführbare Messung, nutzt das zweite Piezoelement 125 ein zweites Piezomaterial 225 (vgl. 2), das sich von dem ersten Piezoelement 120 unterscheidet. Idealerweise ist das zweite Piezomaterial 225 so ausgewählt, dass es im Hinblick auf den Piezoeffekt zumindest annähernd hysteresefrei ist und näherungsweise eine lineare Antwortfunktion, d.h. insbesondere Kraft-Spannungskennlinie, aufweist. Als ein solches Material kommt insbesondere Aluminiumnitrit (AlN) infrage.
in 1 sind zudem für beide Piezoelemente 120 und 125 die entsprechenden Anschlussleitungen 135a,b bzw. 145a,b sowie daran gekoppelte Anschlusspads (Bondpads) 130a,b bzw. 140a,b zur Herstellung einer jeweiligen elektrischen Verbindung mit einer externen Antriebs- bzw. Messelektronik, z.B. via Drahtbonds, eingezeichnet. Es ist auch denkbar, dass neben den beiden dargestellten weitere Piezoelemente als Piezoaktoren oder Piezosensoren vorgesehen sind.
Als Basis dient ein SOI (Silicon-on-Insulator) Substrat. Auf diesem Substrat wird ein SiO₂ oder eine anderweitige elektrische Passivierung erzeugt, auf welcher die piezoelektrischen Schichtstapel aufgebracht werden. Die piezoelektrischen Schichtstapel bestehen dabei aus einer Bodenelektrode, meist Metall, dem piezoelektrischen Material, und einer Topelektrode, meist Metall. Zusätzlich kommt eine weitere elektrische Passivierung zum Einsatz zwischen Top- und Bodenelektrode zum Einsatz, um ein elektrisches Kurzschließen zu verhindern.
In 2 ist ein Verfahren 200 zur Herstellung des Mikroscanners 100 aus 1 anhand verschiedener aufeinanderfolgender, jeweils im Querschnitt dargestellten Zwischenprodukte des Herstellungsverfahrens 200 illustriert. Die 2 (j) zeigt dabei einen Querschnitt durch den fertig gestellten Mikroscanner 100, wobei jedoch zum Zwecke der besseren Illustration des Ablenkelements einsetzen dessen Verbindung mit der Tragestruktur 105 mittels der Federelemente 115a und 115b nicht durchgängig dargestellt ist.
2 (a) illustriert einen ersten Schritt bzw. Zwischenzustand, bei dem ausgehend von einem Silicon-on-Insulator (SOI)-Substrat 205 auf diesem eine Passivierungsschicht 210 aufgebracht, insbesondere abgeschieden, wird. Die Passivierungsschicht kann insbesondere durch Abscheidung eines Passivierungsmaterials, z.B. mittels PECVD-Technik, erfolgen. Das SOI-Substrat205 selbst kann insbesondere von unten nach oben geschichtet bestehen aus: (i) einer unteren Passivierung Schicht 205a, (ii) einem Trägersubstrat (Bulk-Substrat) 205b, das z.B. aus kristallinem Silizium bestehen kann, (iii) einer weiteren Passivierungsschicht 205c sowie (iv) einer Halbleiterschicht 205d, typischerweise mit einer Dicke im Bereich von 5 bis 300 µm, die ebenfalls aus kristallinem Silizium oder Polysilizium bestehen kann. Die Passivierungsschichten 205a, 205c und 210 können jeweils insbesondere SiO₂ oder Si₃N₄ enthalten oder gänzlich daraus bestehen, sodass sie als elektrische Isolationsschichten wirken können.
2 (b) illustriert einen nachfolgenden weiteren Zwischenschritt bzw. Zwischenzustand, bei dem auf die Passivierungsschicht 210 eine Schicht aus einem geeigneten Elektrodenmaterial (Elektrodenschicht) aufgebracht und, insbesondere lithographisch und ätztechnisch (z.B. unter Verwendung von lonenstrahlätzen oder Lift Off), strukturiert wird, um zwei voneinander separierte Bodenelektroden 215a und 215b für die beiden zu fertigenden Piezoelemente 120 und 125 auszubilden. Die Elektrodenschicht und somit die Bodenelektroden 215a, b können insbesondere Platin (Pt), das aufgrund seiner kubisch-flächenzentrierten Metallgitterstruktur besonders gut als Basissubstrat für das Aufwachsen sowohl von einerseits PZT als auch andererseits AIN geeignet ist, enthalten oder daraus gefertigt sein. Beispielsweise kann die Elektrodenschicht mittels Sputterns von Ti/Pt erzeugt werden.
Die Wahl des Bodenelektrodenaufbaus ist an dieser Stelle entscheidend, denn sie hat direkten Einfluss auf die resultierenden piezoelektrischen Koeffizienten. Eine mögliche Integration der Bodenelektroden in die gesamte Fertigungssequenz des Verfahrens 200 muss hierbei gewährleistet sein. Vorzugsweise werden für die Bodenelektroden 215a,b Materialien verwendet die ähnliche Gitterkonstanten aufweisen wie das darauf aufzuwachsende Piezomaterial. Einkristalle wie z.B. Al₂O₃, MgO, SrO, SrTiO₃ eignen sich daher gut als Elektrodenmaterial für kristalline Piezomaterialien wie AIN. Zudem muss zur elektrischen Kontaktierung die Bodenelektrode eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Auch weitere Faktoren, wie etwa Haftfestigkeiten, können von Bedeutung sein. Auch Diffusionseigenschaften des Piezomaterials, wie etwa PZT, in das darunterliegende Elektrodenmaterial können eine Rolle spielen und es kann vorteilhaft sein diese zu unterdrücken.
2 (c) illustriert einen nachfolgenden weiteren Zwischenschritt bzw. Zwischenzustand, bei dem auf der Bodenelektrode 215a bereits das erste Piezomaterial 220 aufgebracht und, insbesondere lithographisch und ätztechnisch, strukturiert ist, z.B. unter Verwendung von reaktiven oder physikalischen Plasmaätzen oder durch eine nasschemische Ätzung. Dabei bleibt erste Piezomaterial 220 auf den später aus dem SOI-Substrat erzeugten Federelementen zurück.
2 (d) illustriert einen nachfolgenden weiteren Zwischenschritt bzw. Zwischenzustand, bei dem auf der weiteren Bodenelektrode 215b das zweite Piezomaterial 225 aufgebracht und, wie bei 2 (c), insbesondere lithographisch und ätztechnisch, strukturiert ist.
2 (e) illustriert einen nachfolgenden weiteren Zwischenschritt bzw. Zwischenzustand, bei dem die Seitenwände der bislang jeweils aus einer Bodenelektrode 215a bzw. 215b und einem darauf aufgebrachten Piezomaterial 220 bzw. 225 geformten Piezostrukturen mit einer Passivierungsschicht 230, beispielsweise aus PECVD SiO₂, isoliert werden. Auch die dem Trägersubstrat abgewandte Oberseite kann dabei teilweise mit passiviert werden. Die Form der verbleibenden Passivierungsschicht kann dabei wiederum lithographisch und ätztechnisch definiert werden (z.B. unter Verwendung von reaktiven Plasmaätzen oder nachchemischen Ätzen).
2 (f) illustriert einen nachfolgenden weiteren Zwischenschritt bzw. Zwischenzustand, bei dem auf Teile der Passivierungsschicht 230 eine elektrisch leitende Schicht 235, insbesondere Metallschicht (z.B. aus Al) aufgebracht wird, z.B. mittels Abscheidens, um durch nachfolgende Strukturierung (z.B. unter Verwendung eine nasschemischen Phosphor-Salpetersäure-Ätzmischung) eine Topelektrode für das jeweilige Piezoelement 120 bzw. 125 sowie deren elektrische Kontaktierung zu schaffen. Insgesamt weist somit jedes der resultierenden Piezoelemente 120 bzw. 125 eine Sandwichstruktur auf, bei der das Piezomaterial 220 bzw. 225 als Zwischenschicht zwischen einer schichtförmigen Bodenelektrode 215a bzw. 215b und einer durch die elektrisch leitende Schicht 235 gebildete Topelektrode ausgebildet ist. Die Topelektroden können dabei insbesondere so erzeugt werden, dass sie in einem zuvor geöffneten Bereich der Passivierungsschicht 230 unmittelbar das erste bzw. zweite Piezomaterial 220 bzw. 225 kontaktieren (wie in 2 illustriert). Es ist jedoch alternativ dazu auch denkbar, dass die Passivierungsschicht 230 stattdessen im Bereich der Topelektroden geschlossen bleibt und die Topelektrode (i) unmittelbar oder (ii) mittelbar über zumindest eine Zwischenschicht auf der Passivierungsschicht 230 angeordnet wird. Das beim Betrieb des Mikroscanners erzeugte elektrische Feld zwischen der jeweiligen Topelektrode und der jeweiligen Bodenelektrode der Piezoelemente 120 bzw. 125 wirkt dann durch die Passivierungsschicht 230 hindurch auf das jeweilige Piezomaterial 220 bzw. 225.
Des Weiteren wird im Bereich zwischen den beiden Piezoelementen eine Spiegelschicht 240 aufgebracht und strukturiert, die als reflektierende Spiegelfläche des späteren Ablenkelements 110 dienen soll. Sie kann insbesondere aus demselben Material bestehen und im Rahmen derselben Schichtabscheidung und nachfolgenden Strukturierung hergestellt werden wie die Schicht 235. Alternativ ist es jedoch auch möglich, ein anderes Material für die reflektierende Spiegelbeschichtung zu verwenden (z.B. Ag statt Al).
2 (g) illustriert einen nachfolgenden weiteren Zwischenschritt bzw. Zwischenzustand, bei dem die Passivierungsschicht 210, insbesondere lithographisch und ätztechnisch, selektiv geöffnet wird, um das Herausbilden des Ablenkelements 110 aus dem bisherigen Zwischenzustand aus 2 (f) zu beginnen. Dabei kann, insbesondere im Falle einer Passivierungsschicht 210 aus SiO₂, das Oxid beispielsweise mittels einer trockenchemischen oder nasschemischen Ätzung unter Verwendung einer Lithographiemaske entfernt werden.
2 (h) illustriert einen nachfolgenden weiteren Zwischenschritt bzw. Zwischenzustand, bei dem die Strukturierung des Ablenkelements 110 und der Federelemente in die Halbleiterschicht 205d bis hinunter zur Passivierungsschicht 205c (Ätzstoppschicht) fortgesetzt wird. Dazu kann insbesondere ein Hochratenätzprozess Prozess, wie Reaktives lonentiefenätzen (engl. Deep Reactive Ion Etching, DRIE) verwendet werden.
2 (i) illustriert einen nachfolgenden weiteren Zwischenzustand, bei dem die untere Passivierungsschicht 205a in ihrem Mittelbereich, insbesondere lithographisch über eine Rückseitenlithographie und ätztechnisch (z.B. durch reaktives lonenätzen), entfernt wird. Alternativ kann die untere Passivierungsschicht 205a auch vollständig, insbesondere sogar einschließlich von Anteilen des Bulk-Substrats 205b entfernt werden. Hierzu kann neben Ätztechniken auch ein Schleif- oder Polierprozess zum Einsatz kommen.
Die abschließende 2 (j) illustriert einen abschließenden Schritt bzw. einen Endzustand des Verfahrens 200, bei dem nun auch das Trägersubstrat (Bulk-Substrat) 205b sowie die darüber liegende weitere Passivierungsschicht 205c entsprechend der Struktur der unteren Passivierungsschicht 205a, insbesondere lithographisch und ätztechnisch (z.B. durch reaktives lonenätzen), strukturiert wird, um die Spiegelstrukturen (insbesondere das Ablenkelement) freizulegen. So befindet bzw. bildet sich unter dem nunmehr freigelegten Ablenkelement ein Hohlraum, der das Positionieren des Ablenkelements 110 ermöglicht und einen Bewegungsraum für das Ablenkelements 110 bildet.
Insgesamt ergibt sich somit aus dem Verfahren 200 der Mikroscanner 100 gemäß 1, der eine laterale Anordnung der beiden Piezoelemente 120 und 125 aufweist.
Bei der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsform 300 eines Mikroscanners wird dagegen ein Ansatz mit vertikaler Integration der verschiedenen Piezoelemente verfolgt, bei dem die ersten Piezoelemente 120 und die zweiten Piezoelemente 125 übereinandergestapelt angeordnet sind.
Der Grundaufbau des Mikroscanners 300 einschließlich der in 3 unteren Piezoelemente entspricht dabei demjenigen aus 2, mit der Ausnahme, dass hier beide (unteren, ersten) Piezoelemente vom selben Typ, insbesondere Piezoaktuatoren sind. Darüber sind jeweils zweite Piezoelemente als Piezosensoren angeordnet, wobei deren Herstellung, abgesehen von der Wahl des zweiten Piezomaterials 225 anstelle des ersten Piezomaterials 220, im Wesentlichen derjenigen der (unteren), ersten Piezoelemente entspricht. Dementsprechend sind auch hier eine seitliche Passivierung 245 sowie die Ausbildung einer als Topelektrode einschließlich deren Anschluss dienenden leitenden Schicht 250 vorhanden.
So lässt sich insbesondere eine Erhöhung der aktiven Flächen zum Antrieb und zur Detektion erreichen, was eine weitere Krafterhöhung für den Spiegelantrieb und ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bei der Messung ermöglicht.
Der symmetrische Aufbau ist insbesondere im Hinblick darauf vorteilhaft, dass in vielen Fällen auf eine elektronische Stabilisierung der Oszillation des Ablenkelements 110 verzichtet werden kann. Auch lassen sich aufgrund des Stapels der ersten und zweiten Piezoelemente besonders platzsparende Designs verwirklichen, insbesondere solche mit sehr kurzen Federelementen.
Bei der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsform 400 eines Mikroscanners, die hier beispielhaft auf den Mikroscanner 100 aus den 1 und 2 aufbaut, wird eine besonders hohe Güte angestrebt. Daher ist das Ablenkelement 110 beidseitig verkapselt und der somit definierte, das Ablenkelement 110 umgebende Hohlraum evakuiert, um eine möglichst gasreibungsfreie Oszillation zu ermöglichen. Bodenseitig wird die Verkapselung durch das Hinzufügen eines Bodensubstrats 255 erreicht, welches sich an die untere Passivierungsschicht 205a anschließt und damit hermetisch dicht verbunden ist, beispielsweise mittels einer Glas-Frit-Verbindung.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Mikroscanners 400 ist dagegen eine domartige, insbesondere halbkugelförmige Glaskuppel 265 angeordnet, die insbesondere mittels einer Klebeschicht, beispielsweise im sogenannten Glass-Frit-Verfahren, mit dem Schichtaufbau des Mikroscanners 400 verbunden ist, wobei sie insbesondere auf der Metallschicht 235 aufsetzen kann.
Des Weiteren kann optional, insbesondere im bodenseitigen Bereich des entstandenen Hohlraums wie z.B. unmittelbar auf dem Bodensubstrat 225, ein Restgasgetterelement 270 vorgesehen sein. Es kann beispielsweise Titan (Ti) enthalten oder ausgefertigt sein, und dient dazu, etwaige trotz der Evakuierung verbliebene Restgasteilchen zumindest teilweise einzufangen und zu binden und somit eine hohe Vakuumqualität zu sichern.
Bei einer weiteren, in 5 dargestellten Ausführungsform eines Mikroscanners sind die ersten Piezoelemente 120 auf einer ersten Hauptfläche des Substrats 205d und die zweiten Piezoelemente 125 auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Hauptfläche des Substrats 205d angeordnet. Das Substrat 205d kann insbesondere ein reiner Halbleiterwafer, etwa aus Silizium, oder ein daraus abgetrennter Abschnitt (Chip) eines solchen Wafers sein, oder wie bei den vorausgehenden Figuren, wiederum ein Silizium-Siliziumoxid-Siliziumwafer (SOI). Um an die bodenseitig liegenden Elektrodenkontakte zu kommen, können beispielweise Through-Silicon-Vias 275 oder aber Through-Glas-Vias bzw. zu deren Herstellung entsprechende Through-Silicon-Via-Technologien bzw. Through-Glas-Via-Technologien verwendet werden.
In 6 ist eine weitere, beispielhafte Ausführungsform 600 eines Mikroscanners Illustriert (Beispiel einer „Paddle“-Ausführungsform). Hier ist das Ablenkelement 110 über zumindest ein, meist jedoch mehrere Federelemente 115, und eine entsprechende Anzahl von zwischen dem jeweiligen Federelement 115 und der Tragestruktur 105 des Mikroscanners 600 angeordneten plattenförmigen Piezoträgerstrukturen 150 an die Tragestruktur 105 gekoppelt. Insbesondere können die Tragestruktur 105, die Piezoträgerstruktur(en) 150 und das bzw. die Federelemente 115 integral als ein gemeinsamer Körper ausgebildet sein, etwa als entsprechend strukturiertes, plattenförmiges Substrat, insbesondere Glas- oder Halbleitersubstrat. Jede Piezoträgerstruktur 150 kann relativ zur Tragestruktur 105 zumindest eindimensional schwingen und diese Schwingung auf das an sie gekoppelte Federelement 115 übertragen, von wo die Schwingung weiter auf das Ablenkelement gekoppelt wird, so dass dessen Schwingung insgesamt von den von den einzelnen Federelementen übertragenen Schwingungen abhängt.
Auf den Piezoträgerstrukturen 150 befindet sich jeweils auf einer ersten Hauptfläche ein erstes Piezoelement 120, das als Aktor zum Verformen der Piezoträgerstruktur 150 und damit indirekt über das daran gekoppelte Federelement 115 auch des Ablenkelements 110 dient. Zusätzlich befindet sich auf zumindest einer, insbesondere jeder, der Piezoträgerstrukturen 150 auf einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche ein zweite Piezoelement 125, das wie vorausgehend beschrieben, als Piezosensor wirkt.
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: Mikroscanner, erste Ausführungsform
105: Tragestruktur (Chiprahmen)
110: Ablenkelement (Spiegel)
115: Federelement
115a: erstes Federelement
115b: zweites Federelement
120: erstes Piezoelement, Piezoaktor
125: zweites Piezoelement, Piezosensor
130a, b: Anschlusspads für das erste Piezoelement
135a, b: Anschlussleitungen für das erste Piezoelement
140a, b: Anschlusspads für das zweite Piezoelement
145a, b: Anschlussleitungen für das zweite Piezoelement
150: Piezoträgerstruktur (Paddle)
200: Herstellungsverfahren
205: SOI-Substrat
205a: Passivierungsschicht, z.B. aus SiO₂
205b: Bulk-Substrat, z.B. Si-Substrat
205c: Passivierungsschicht, z.B. aus SiO₂
205d: Si-Schicht (Device-Schicht)
210: Passivierungsschicht, z.B. aus SiO₂ oder Si₃N₄
215a,b: aus Elektrodenschicht gefertigte Bodenelektroden, z.B. aus Pt
220: erstes Piezomaterial, z. B. PZT
225: zweites Piezomaterial, z. B. AlN
230: Passivierungsschicht, z.B. aus SiO₂ oder Si₃N₄
235: Metall, z.B. Al
240: Spiegelschicht, z.B. aus Al
245: Passivierungsschicht, z.B. aus SiO₂ oder Si₃N₄
250: Metall, z.B. Al
255: Bodensubstrat, z.B. aus Si
260: Klebeschicht für Befestigung der Glaskuppel 265
265: Glaskuppel
270: Restgasgetterelement, z.B. aus oder mit Ti
275: Through-Via-Kontakt (Durchkontaktierung zu einem Elektrodenkontakt)
300: Mikroscanner, zweite Ausführungsform
400: Mikroscanner, dritte Ausführungsform
500: Mikroscanner, vierte Ausführungsform
600: Mikroscanner, fünfte Ausführungsform

Claims

Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld, wobei der Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) aufweist: eine Tragestruktur (105) mit einem daran aufgehängten Ablenkelement (110) zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls, wobei das Ablenkelement (110) an der Tragestruktur (105) derart schwingfähig aufgehängt ist, dass es relativ zur Tragestruktur (105) eine rotatorische Oszillation um zumindest eine Schwingungsachse ausführen kann, um durch Reflektion eines während der Oszillation auf das Ablenkelement (110) einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Projektion des Strahls in ein Beobachtungsfeld zu bewirken; eine Antriebseinrichtung mit zumindest einem ersten, als Piezoaktuator wirkenden Piezoelement (120) zum Antrieb der Oszillation des Ablenkelements, wobei das erste Piezoelement (120) ein erstes piezoelektrisches Material (220) mit einem ersten für den Antrieb der Oszillation relevanten piezoelektrischen Koeffizienten PK mit einem Wert PK₁ aufweist; und eine Sensoreinrichtung mit zumindest einem zweiten, als Piezosensor wirkenden Piezoelement (125) zum Detektieren einer zeitabhängigen Lage des Ablenkelements (110) während dessen Oszillation, wobei das zweite Piezoelement (125) ein von dem ersten piezoelektrischen Material verschiedenes zweites piezoelektrisches Material (225) aufweist, das bezüglich des Piezoeffekts hysteresefrei ist oder eine geringere Hysterese aufweist als das erste Piezomaterial (220), und für das der piezoelektrische Koeffizient PK einen Wert PK₂ aufweist, so dass |PK₂| < |PK₁| gilt.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 1, wobei das erste Piezomaterial (220) ein piezoelektrisches Keramikmaterial ist und das zweite Piezomaterial (225) ein piezoelektrisches poly-kristallines oder polymeres Material ist.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 1, wobei das erste Piezomaterial (220) aufweist: - Blei-Magnesium-Niobat/Blei-Titanat, PMN-PT; - Polyvinylidenfluorid, PVDF; und/oder - eine Piezokeramik auf Basis von Blei-Zirkonat-Titanat, PZT.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 1 oder 3, wobei das zweite Piezomaterial (225) einen kristallinen Werkstoff auf Basis von Aluminiumnitrit, AIN, Aluminium-Scandium-Nitrid und/oder Zinkoxid (ZnO), aufweist.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Ablenkelement (110) mittels zumindest eines Federelements (115, 115a, 115b) an der Tragestruktur (105) aufgehängt ist.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 5, wobei zumindest ein erstes Piezoelement (120) der Antriebseinrichtung an dem oder einem der Federelemente (115a, 115b) angeordnet ist, um dieses zum Antrieb der Oszillation des Ablenkelements in Abhängigkeit von einer Ansteuerung des zumindest einen ersten Piezoelements zu verformen.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 5 oder 6, wobei zumindest ein zweites Piezoelement (125) der Sensoreinrichtung an dem oder einem der Federelemente (115, 115a, 115b) angeordnet ist, um eine zeitabhängige Lage des Ablenkelements (110) während dessen Oszillation allein oder im Zusammenspiel mit weiteren zweiten Piezoelementen (125) der Sensoreinrichtung zu detektieren.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 7, wobei zumindest ein zweites Piezoelement (125) der Sensoreinrichtung an einem Federelement (105b) angeordnet ist, an dem keines der ersten Piezoelemente (120) angeordnet ist.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 6 oder 7, wobei zumindest ein erstes Piezoelement (120) und zumindest ein zweites Piezoelement (125) an einem selben Federelement (115a, 115b) angeordnet sind.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 9, wobei das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement auf demselben Federelement (115a, 115b) lateral nebeneinander auf einer selben Oberfläche des Federelements (115a, 115b) angeordnet sind.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500) nach Anspruch 9, wobei das erste Piezoelement (120) und das zweite Piezoelement (125) auf demselben Federelement (115a, 115b) übereinander gestapelt auf einer selben Oberfläche des Federelements (115a, 115b) oder auf gegenüberliegenden Seiten des Federelements (115a, 115b) angeordnet sind.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei: eine Elektrode (215a) eines ersten Piezoelements (120) und eine Elektrode (215b) eines zweiten Piezoelements (125) als verschiedene Abschnitte einer selben an einem oder mehreren der Federelemente (115a, 115b) aufgebrachten Elektrodenschicht (215a, 215b) ausgebildet sind; und das erste Piezoelement (120) und das zweite Piezoelement (125) jeweils einen stapelförmigen Schichtaufbau aufweisen, in dem der dem jeweiligen Piezoelement (120; 125) zugehörige Abschnitt der Elektrodenschicht (215a, 215b) und das Piezomaterial (220; 225) des jeweiligen Piezoelements (120; 125) als zwei in Stapelrichtung benachbarte Schichten vorhanden sind.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 12, wobei die Elektrodenschicht (215a, 215b) in den die jeweilige Elektrode des ersten Piezoelements (120) oder des zweiten Piezoelements (125) bildenden Abschnitten ein Kristallgitter gleicher Gitterart aufweist, welches sich jedoch bezüglich zumindest einer Gitterkonstante zwischen dem ersten Piezoelement und dem zweiten Piezoelement unterscheidet, so dass in jedem Abschnitt eine gegenüber dem Kristallgitter der Elektrodenschicht (215a, 215b) im jeweils anderen Abschnitt verbesserte Anpassung des Kristallgitters der Elektrodenschicht (215a, 215b) an ein Kristallgitter des in diesem Abschnitt im Schichtaufbau benachbarten ersten Piezomaterials (220) oder zweiten Piezomaterials (225) vorliegt.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Kristallstruktur der Elektrodenschicht (215a, 215b) als Gitterart ein Grundgitter aufweist, das einem Grundgitter des ersten und/oder zweiten Piezomaterials entspricht.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach einem der Ansprüche 5 bis 14, wobei: das Ablenkelement (110) mittels eines Satzes aus mehreren gleichartigen und bezüglich des Ablenkelements rotationssymmetrisch angeordneten Federelementen (115a, 115b) an der Tragestruktur (105) aufgehängt ist, wobei an jedem der Federelemente (115a, 115b) des Satzes jeweils ein oder mehrere erste Piezoelemente (120) und/oder ein oder mehrere zweite Piezoelemente (125) angeordnet sind; und die Art und Anordnung der ersten Piezoelemente (120) und/oder der zweiten Piezoelemente (125) an den Federelementen (115a, 115b) bezüglich aller Federelemente (115a, 115b) des Satzes gleichartig ausgebildet ist, so dass auch im Hinblick auf die Art und die Anordnung der Piezoelemente (120; 125) eine bezüglich des Ablenkelements rotationssymmetrische Anordnung vorliegt.
Mikroscanner (600) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Federelemente (115) mittelbar über eine zwischen dem Federelement (115) und der Tragestruktur (105) des Mikroscanners (600) angeordnete Piezoträgerstruktur (150) mechanisch an die der Tragestruktur (105) gekoppelt ist, wobei auf oder in der Piezoträgerstruktur (150) zumindest ein erstes Piezoelement (120) der Antriebseinrichtung angeordnet ist, um das daran gekoppelte Federelement (115) zum Antrieb der Oszillation des Ablenkelements (110) in Abhängigkeit von einer Ansteuerung des zumindest einen ersten Piezoelements (120) zu verformen.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei PK einem der piezoelektrischen Koeffizienten d₃₁ und d₃₃ entspricht.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend eine Verkapselung (255, 265), mittels der zumindest das Ablenkelement (110) einschließlich seiner Aufhängung an der Tragstruktur hermetisch abgeschlossen so eingekapselt ist, dass es innerhalb der Verkapselung (255, 265) zur Ausführung der Oszillation befähigt, schwingfähig aufgehängt ist; wobei die Verkapselung einen das Ablenkelement (110) überbrückenden Kapselabschnitt (265) aufweist, durch den die abzulenkende Strahlung in den von der Verkapselung eingekapselten Raumbereich eingestrahlt und nach ihrer Ablenkung am Ablenkelement (110) daraus wieder ausgestrahlt werden kann.
Mikroscanner (100; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 18, wobei der Kapselabschnitt (265) eine domförmige, eine planare oder eine im Querschnitt rechtwinklig U-förmige Gestalt aufweist.
Verfahren (200) zur Herstellung eines Mikroscanners zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf ein Beobachtungsfeld, insbesondere eines Mikroscanners (100; 300; 400; 500; 600) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (200) aufweist: Erzeugen oder Anbringen, unmittelbar oder mittelbar an einem plattenförmigen Substrat (205, 210), einer Antriebseinrichtung mit zumindest einem ersten Piezoelement (120), wobei das erste Piezoelement (120) ein erstes piezoelektrisches Material (220) mit einem ersten für den Antrieb der Oszillation relevanten piezoelektrischen Koeffizienten PK mit einem Wert PK₁ aufweist; Erzeugen oder Anbringen, unmittelbar oder mittelbar an dem Substrat (205, 210), einer Sensoreinrichtung mit zumindest einem zweiten Piezoelement (125) wobei das zweite Piezoelement (125) ein von dem ersten piezoelektrischen Material (220) verschiedenes zweites piezoelektrisches Material (225) aufweist, das bezüglich des Piezoeffekts hysteresefrei ist oder eine geringere Hysterese aufweist als das erste Piezomaterial (220), und für das der piezoelektrischen Koeffizienten PK einen Wert PK₂ aufweist, so dass |PK₂| < |PK₁| gilt; und Strukturieren des plattenförmigen Substrats (205, 210) derart, dass dadurch: eine Tragestruktur (105) mit einem daran aufgehängten Ablenkelement (110) zum Ablenken eines einfallenden elektromagnetischen Strahls ausgebildet wird, das Ablenkelement (110) an der Tragestruktur (105) des strukturierten Substrats derart schwingfähig aufgehängt ist, dass es relativ zur Tragestruktur (105) eine rotatorische Oszillation um zumindest eine Schwingungsachse ausführen kann, um durch Reflektion eines während der Oszillation auf das Ablenkelement (110) oder auf eine darauf unmittelbar oder mittelbar angeordneten Spiegelschicht einfallenden elektromagnetischen Strahls eine Projektion des Strahls in ein Beobachtungsfeld zu bewirken; die Antriebseinrichtung derart auf dem strukturierten Substrat positioniert ist, dass sie als Piezoaktor zum Antrieb der Oszillation des Ablenkelements (110) wirken kann; und die Sensoreinrichtung derart auf dem strukturierten Substrat positioniert ist, dass sie als Piezosensor zum Detektieren einer zeitabhängigen Lage des Ablenkelements (110) während dessen Oszillation wirken kann.