EP4359842A1 - Lissajous microscanner having central mirror mount and method for production thereof - Google Patents

Lissajous microscanner having central mirror mount and method for production thereof

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Publication number
EP4359842A1
EP4359842A1 EP22734307.6A EP22734307A EP4359842A1 EP 4359842 A1 EP4359842 A1 EP 4359842A1 EP 22734307 A EP22734307 A EP 22734307A EP 4359842 A1 EP4359842 A1 EP 4359842A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
microscanner
springs
deflection element
spring
support structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22734307.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ulrich Hofmann
Thomas VON WANTOCH
Stephan Marauska
Oleg PETRAK
Marcel Metschulat
Leon POHL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oqmented GmbH
Original Assignee
Oqmented GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Oqmented GmbH filed Critical Oqmented GmbH
Publication of EP4359842A1 publication Critical patent/EP4359842A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G02B26/0858Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting means being moved or deformed by piezoelectric means
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G02B26/0841Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting element being moved or deformed by electrostatic means
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10Scanning systems
    • G02B26/101Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners

Definitions

  • the present invention is in the field of beam deflection systems produced using microtechnology and relates to a microscanner for generating a Lissajous projection in an observation field and a method for producing such a microscanner.
  • micro scanners which are also referred to in technical jargon as “MEMS scanners”, “MEMS mirrors” or “micro mirrors” or in English as “micro scanners” or “micro-scanning mirrors” or “MEMS mirrors”.
  • MEMS micro-electro-mechanical systems
  • MOEMS micro-opto-electro-mechanical systems
  • microscanners are considered, in which the modulating movement of a single mirror is rotational.
  • the modulation is generated via a single mirror, in contrast to mirror arrays, in which the modulation of incident light takes place via the interaction of several mirrors.
  • Microscanners can be used in particular for the deflection of electromagnetic radiation in order to use a deflection element (“mirror”) to modulate an electromagnetic beam incident on it with respect to its deflection direction. This can be used in particular to bring about a Lissajous projection of the beam in an observation field or projection field. For example, imaging sensory tasks can be solved or display functionalities can be implemented. In addition, such microscanners can also be used to advantageously irradiate and thus also process materials. Other possible applications are in the area of lighting or illuminating certain open or closed spaces or areas of space with electromagnetic radiation, for example in the context of spotlight applications.
  • microscanners consist of a mirror plate (deflection plate) that is suspended laterally on elastically expandable springs.
  • a microscanner is used to deflect electromagnetic radiation such as a laser beam or a shaped beam from any other source of electromagnetic radiation at least two-dimensionally, e.g. horizontally and vertically, in order to scan an object surface within scan or illuminate an observation field. In particular, this can be done in such a way that the scanned laser beam sweeps over a rectangular area on a projection area in the projection field.
  • Microscanners with at least a two-axis mirror or single-axis mirrors connected in series in the optical path are therefore used in these applications.
  • the wavelength range of the radiation to be deflected can in principle be selected from the entire spectrum from short-wave UV radiation, via the VIS range, NIR range, IR range, FIR range to long-wave Terraherz and radar radiation.
  • microscanner-based laser projection displays are so-called raster scan displays in which a first beam deflection axis is operated at high frequency (typically 15 kHz to 30 kHz) in resonance (fast axis) around the horizontal deflection and a second axis is operated quasi-statically at a low frequency (typically 30 Hz to 60 Hz) in order to generate the vertical deflection.
  • a fixed grid-like line pattern (trajectory) is typically reproduced 30 to 60 times per second.
  • Lissajous microscanners in particular also in Lissajous scan displays.
  • both axes are usually operated in resonance and a scan path is generated in the form of a Lissajous figure.
  • large amplitudes can be achieved in both axes.
  • the vertical deflection in particular can therefore be much larger than with a raster scanner. Accordingly, a significantly higher optical resolution can usually be achieved with a Lissajous microscanner, in particular a Lissajous scan display, than with a raster scan display, in particular in the vertical direction.
  • a microscanner-based Lissajous laser beam deflection system high scanning frequencies, for example between a minimum of 10 kHz and a maximum of 80 kHz, in particular in order to be able to project as many lines per second as possible and to be able to realize high frame rates; preferably, both beam deflection axes (oscillation axes) should not differ too much in terms of their scan frequencies and thus represent two fast axes in order to achieve particularly favorable trajectories, good and very fast coverage of the projection area and, in the case of displays, as few or only slightly pronounced flickering produce artifacts in the viewer.
  • fast and slow in relation to a respective (oscillation) axis refer here to the oscillation frequency at which the deflection element (mirror) of the microscanner oscillates about an associated axis during its operation.
  • the terms are used relatively to distinguish a "faster” axle from a “slower” axle. large mirror diameters, in particular to be able to realize small spot sizes and high optical pixel resolution.
  • large mirror diameters are of great advantage in order to be able to achieve a large so-called "eye box” and low diffractive losses and as few artefacts as possible; large beam deflection angles, in particular to enable the highest possible pixel resolution and a large projection or observation field (field-of-view, FoV);
  • the smallest possible installation space or small chip size in particular to enable the microscanner-based laser projector of electronic devices, such as smart glasses (e.g.
  • AR augmented reality
  • smartphones or tablet computers to be almost invisible in the eyeglass temples or in the housing of the smartphone or tablet, but at the same time to be able to enable low production costs; minimum power consumption, in particular to enable low heat development of the end device and the longest possible battery life.
  • a microscanner whose design is reduced in order to be able to better meet compactness requirements usually loses actuator surface area, and thus driving force or torque and thus (pixel) resolution and performance (e.g. image field size, achievable frame rate).
  • a microscanner that is reduced in its design usually loses the area available for accommodating spring suspensions. This increases the stress in the suspensions and reduces the mechanical deflection and thus the optical resolution and performance at the same time.
  • a mirror plate that is enlarged for the sake of smaller spots and thus higher optical resolution usually increases in mass and moment of inertia and therefore reduces the achievable dynamics and speed.
  • a mirror plate that is enlarged for reasons of higher optical resolution usually shows larger dynamic deformations, which increases the beam divergence and the spot size and sometimes reduces the resolution.
  • a spring suspension that is stiffened in favor of higher scanning speeds and higher frame rates usually achieves lower deflections and thus reduces the achievable optical resolution.
  • microscanners usually results in challenging optimization problems, the solution of which often requires not only one or more of the parameters mentioned above, but also many other properties and boundary conditions.
  • additional properties and boundary conditions can relate in particular to manufacturability, manufacturing costs, yield, electronic controllability, reproducibility, available modulation bandwidth of laser sources and drivers and much more.
  • the present invention is based on the object of providing an improved, at least two-axis, in particular resonantly operable, microscanner for Lissajous figure-shaped scanning of an observation field or (equivalently) projection field, which enables an improvement with regard to at least one of the aforementioned problems.
  • a manufacturing method suitable for manufacturing such a microscanner is to be specified.
  • a first aspect of the invention relates to a microscanner for projecting electromagnetic radiation onto an observation field (projection field), the microscanner having: (i) a deflection element, in particular a mirror, for deflecting an incident electromagnetic beam; (ii) a support structure; and (iii) a spring device with one or more springs, by means of which the deflection element is oscillatingly suspended on the support structure in such a way that, relative to the support structure, it can simultaneously perform a first rotary oscillation about a first axis of oscillation and a second rotary oscillation about a second axis of oscillation orthogonal thereto to cause a Lissajous projection in an observation field by deflecting an electromagnetic beam incident on the deflection element during the simultaneous oscillations.
  • the support structure has a spring support structure and the spring device has a number N of first springs, where N > 1 applies and each of the N first springs attaches to at least one associated attachment point on the spring support structure, is coupled to at least one associated coupling point on the deflection element and extends between this attachment point and this coupling point.
  • There are three points on the deflection element which define a Euclidean, in particular virtual, auxiliary plane in its rest position and span a surface or straight line section enclosed by the connecting line between the three points in the auxiliary plane, on which each of these starting points or its respective vertical Projection onto the auxiliary plane (the connecting straight lines themselves count here as part of the surface or straight line section.
  • a "spring” within the meaning of the invention is understood to mean, in particular, an elastic body, in particular a machine element, for absorbing and storing mechanical (potential) energy, which deforms in a targeted manner under load in the load range below an elasticity limit and regains its shape when relieved takes on its original shape.
  • the loading can take place in particular by means of torsion or bending.
  • a spring can in particular be a bending spring or a torsion spring.
  • a “deflection element” within the meaning of the invention is to be understood in particular as a body that has a reflecting surface (mirror surface) that is smooth enough that reflected electromagnetic radiation, e.g. visible light, retains its parallelism according to the law of reflection and thus creates an image can.
  • the roughness of the mirror surface must be less than about half the wavelength of the electromagnetic radiation.
  • the deflection element can in particular be designed as a mirror plate with at least one mirror surface or such exhibit.
  • the mirror surface itself can consist of a different material, for example a metal, in particular a deposited metal, than the rest of the body of the deflection element.
  • a “point of attachment” of a spring is to be understood in particular as a point on or in the spring support structure at which the spring is attached to the spring support structure or, if it is formed in one piece with the support structure or a part thereof, in this or this passes, and which forms a fixed point of the occurring spring movement during the oscillations of the deflection element.
  • the spring can also attach to a plurality of connected or separate attachment points on the spring support structure.
  • a “coupling point” of a spring is to be understood in particular as a point on or in the spring from which it is attached directly, or indirectly via one or more intermediate bodies, to the deflection element or, if it is integral with Is formed deflection element or part thereof, merges into this.
  • the spring can also be coupled to the deflection element from a plurality of connected or separate coupling points.
  • the terms “coupling”, “coupling”, “coupled” and modifications thereof refer accordingly to a direct or indirect, in particular mechanical, force coupling between at least two bodies, such as the deflection element or the support structure on the one hand and a spring on the other.
  • a “vibration axis” or equivalently “axis” within the meaning of the invention is to be understood in particular as an axis of rotation (rotational axis) of a rotational movement. It is a straight line that defines or describes a rotation or rotation.
  • a "Lissajous projection" within the meaning of the invention is to be understood in particular as a scanning of an observation field with the aid of electromagnetic radiation, which is deflected by at least two mutually orthogonal and at least essentially sinusoidal oscillations (oscillations) of the radiation into the observation field Deflection element is effected.
  • auxiliary level is, following the usual usage in mathematics, to be understood in particular as a Euclidean level in three-dimensional space that is not, at least not necessarily, material (e.g. by corresponding flat surfaces of a real body) must be realized, but is usually only defined as an abstract (virtual) mathematical tool, in particular for solving or describing a geometric problem or state.
  • the terms “comprises,” “includes,” “includes,” “has,” “has,” “having,” or any other variant thereof, as appropriate, are intended to cover non-exclusive inclusion.
  • a method or apparatus that includes or has a list of elements is not necessarily limited to those elements, but may include other elements that are not expressly listed or that are inherent in such method or apparatus.
  • a condition A or B is satisfied by one of the following conditions: A is true (or present) and B is false (or absent), A is false (or absent) and B is true (or present), and both A and B are true (or present).
  • “configured” or “configuration” or modifications of these terms is to be understood as meaning that the corresponding device is already set up or can be set - i.e. can be configured - to fulfill a specific function.
  • the configuration can take place, for example, via a corresponding setting of parameters of a process flow or of hardware or software-implemented switches or the like for activating or deactivating functionalities or settings.
  • the device can have a plurality of predetermined configurations or operating modes, so that the configuration can be carried out by selecting one of these configurations or operating modes.
  • this enables a lower mass moment of inertia of the oscillating parts, i.e. the deflection element in combination with the springs, and as a result large scan angles and/or high scan frequencies for both axes, a compact design and, as a result, usually lower manufacturing costs and/or lower spring stress lower hubs.
  • the inwardly directed (first) springs make it possible to reduce or even avoid oscillating movements, which lead to nonlinear spring operating ranges with regard to spring bending or torsion, due to the lower maximum deflections required, which is advantageous for the component performance.
  • the deflection element has rotational symmetry in its rest position with respect to a (first) axis of symmetry and is arranged such that the (first) axis of symmetry runs through the spatial area spanned by the spring support structure.
  • the spring support structure as a whole, a section of the spring support structure containing the starting points of the first springs or the arrangement of the starting points of the first springs can also have rotational symmetry with respect to a second axis of symmetry and be arranged such that the first and second axes of symmetry coincide.
  • these embodiments have in common is that they have, at least essentially, a central suspension of the deflection element on a centrally arranged spring support structure, which in particular promotes a correspondingly rotationally symmetrical mirror movement.
  • spanned spatial area (or linguistic modifications thereof) is to be understood in such a way that the "spatial area spanned" by the spring support structure includes all spatial points that lie on any stretch spanned by any two points as an intermediate rectilinear connection, with these spanning points are each on the surface or inside the spring support structure itself.
  • the spatial area spanned by a cylindrical tube contains, in addition to the spatial area occupied by the material tube itself, also the cavity enclosed by the tubular cylinder wall inside the tube.
  • the N first springs each attach to the support structure solely at the spring support structure and the deflection element is suspended solely from these first springs. In this way, particularly small designs can be achieved. Since only the first springs are provided here for the suspension of the deflection element, a particularly low mass moment of inertia and/or high scanning speeds and large scanning angles resulting therefrom can also be achieved.
  • the previously mentioned advantage that the vibrations of the deflection element are less strongly influenced by potential non-linearities of the springs, which typically occur in particular in the case of large deflections, can be used to advantage here.
  • the deflection element comprises a deflection plate (micromirror, mirror plate) with a recess formed therein. Due to the recess, the mass moment of inertia of the deflection plate can be further reduced in this way. Accordingly, the springs can be designed to be lighter or slimmer, which also results in advantages in terms of weight, Design size and scanning speed can be achieved.
  • designs for the deflection plate with a rotational symmetry eg n-fold or circularly symmetrical
  • the deflection plate can have a rotationally symmetrical ring shape, such as a circular ring shape, in which the interior of the ring lying outside of the deflection element body forms the recess.
  • At least one, or in particular all, of the first springs runs at least in sections within the cutout. This allows particularly space-saving implementations of the microscanner. In particular, particularly flat implementations can also be achieved in this way, especially when all the springs run within the recess and the deflection plate and the springs lie essentially in a common plane (more precisely: in a “plate-shaped” spatial area of low thickness).
  • the microscanner also has optics for converting incident electromagnetic radiation into an emerging electromagnetic beam directed at the deflection element, the radial intensity profile of which occurs when it strikes the deflection element in such a way that a radial intensity maximum of the beam surrounds the recess on two opposite sides of the recess, in particular annularly.
  • the optics can have an axicon.
  • Axicons are conical lenses that produce an annular radial beam profile.
  • Ring mirrors in particular can be used particularly advantageously for laser projection tasks if an incident laser beam with a round, in particular circular, beam profile is first converted into a ring-shaped beam with the aid of a refracting, diffracting or reflecting axicon mirror plate falls and is also deflected biaxially as a ring-shaped beam.
  • At least one of the N first springs is shaped in such a way, in particular in the form of an arc, that in its rest position its effective spring length between the deflection element and the spring support structure is greater than the minimum occurring distance between one, in particular each, of their coupling points on the deflection element on the one hand and one, in particular each, of their attachment points on the spring support structure on the other hand.
  • multi-leg suspensions with a large spring deflection (stroke) and thus large deflections and thus in turn large observation fields can be achieved.
  • the arrangement of the first springs can have a spiral shape (in particular similar to the spiral shape of a spiral galaxy).
  • Form spring support structure In particular, the arrangement of the two springs can again have a rotational symmetry.
  • the use of exactly two springs has the advantage that the precise positions and scanning frequencies (vibration frequencies) of the first and second vibration axes can be predetermined in a particularly simple and precise manner.
  • right-angled observation fields can be realized particularly well with symmetrical bipod mounts, in particular with symmetrical bipod mounts.
  • any two of the (first) springs arranged in the shape of a cross which can in particular be two of the four first springs located opposite one another within the framework of the cross-shaped suspension, form a respective spring pair of springs of the same spring stiffness, while the respective Distinguish spring stiffness for the first springs of the two pairs of springs.
  • different scanning frequencies for the first axis of vibration on the one hand and the second axis of vibration on the other hand can be implemented particularly easily, in particular in the case of a rotationally symmetrical suspension.
  • the support structure also has a support structure surrounding the deflection element at least on two sides and with respect to the first and second rotational oscillations of the deflection element, on which the deflection element is additionally suspended by means of a number M of second springs, where M>1 applies.
  • these embodiments can facilitate a further differentiation of the different effective spring stiffnesses for the first and second axis of vibration and thus of their respective scanning frequency and their maintenance during the scanning process.
  • the combination of the first and second springs makes it possible in particular to increase the effective overall stiffness of the spring suspension with respect to the affected axis of vibration while maintaining operation in the linear range and thus in particular to achieve even higher scanning frequencies on this axis of vibration. It is also advantageously possible, in particular, to choose the stiffness of the second springs to be lower than that of the first springs. In particular, it is necessary to maintain a certain frequency spacing between the scanning frequencies of the two vibration axes in order to achieve rectangular illumination, i.e. H.
  • the suspension of the deflection element on the spring support structure by means of the N first springs defines the first axis of oscillation and the suspension of the deflection element by means of the M second springs on the frame structure defines the second axis of oscillation, at least predominantly in each case.
  • the spring rigidities and thus the scanning frequencies for each of the two axes can be set or defined particularly easily by appropriate selection of the respective spring properties of the first springs on the one hand and the second springs on the other hand.
  • N > 2 and the deflection element extends between the respective coupling points of the N first springs such that it at least partially bridges the spring support structure.
  • the coupling points can in particular also be end points of the respective springs.
  • the deflection element can also be designed without a recess, since it is not necessary to accommodate the springs in the recess in order to achieve a compact design.
  • the deflection element has a substrate designed as a deflection plate for deflecting the incident electromagnetic beam, which is connected by means of at least one bonded connection to one or more of the first springs or to an intermediate body arranged between one or more of the first springs on the one hand and the deflection plate on the other hand is.
  • the bond connection can be: (i) an anodically produced bond connection, which is particularly suitable if glass and silicon can be connected to one another; (ii) a eutectic bond (e.g. Au-Au); (iii) a thermocompression bond; (iv) an immediate (direct) bond connection, in particular a laser-assisted direct bond connection; or (v) a glass frit bond, especially for large mirror diameters.
  • the spring device also has a number K of third springs, where K>1 applies.
  • every third spring is coupled on the one hand to the respective coupling point of an associated first spring or optionally to the intermediate body and on the other hand to the frame structure.
  • the suspension of the deflection element on the frame structure is thus achieved on the one hand by the second springs and on the other hand by the third springs. In this way, in particular, an even further increase in the effective spring stiffness for the first and second vibration axis can be achieved, in particular for operation in Hook's (linear) range.
  • these embodiments expand the available design freedom and Configuration options when designing the microscanner due to the additional degrees of freedom (e.g. number, type and position of the additional third springs) even further.
  • additional degrees of freedom e.g. number, type and position of the additional third springs
  • variants are possible in which the second springs are omitted and in particular those in which only the first and the third springs form the spring device.
  • the microscanner also has an encapsulation, by means of which at least the deflection element and the springs of the spring device are encapsulated in a hermetically sealed manner such that the deflection element in the encapsulation is capable of performing the oscillations and is oscillatingly suspended on the spring device.
  • the encapsulation has an encapsulation section bridging the deflection element, through which the radiation to be deflected can be radiated into the spatial region encapsulated by the encapsulation and can be emitted again therefrom after it has been deflected at the deflection element.
  • the encapsulation or the capsule section can in particular consist of a glass material or contain such a material which is relevant for the use of the microscanner
  • Spectral range for electromagnetic radiation is at least predominantly, preferably largely, transparent.
  • the use of such an encapsulation makes it possible in particular to reduce the pressure in the hermetically sealed, encapsulated spatial area, in particular to evacuate this spatial area in order to reduce or even largely eliminate gas friction losses, in particular air friction losses, or other disturbances in the oscillations of the deflection element.
  • This is particularly advantageous when using the microscanner for Lissajous display applications when the deflection element and its spring suspension are not operated in ambient air but at reduced pressure, especially in a vacuum, because this reduces the friction losses due to the air damping in a very efficient manner can be circumvented and as a result the microscanner can, for example, achieve vibration amplitudes that are up to 100 times greater than in air at atmospheric pressure. Accordingly, the achievable optical resolution can also be correspondingly increased, for example by a factor of up to 100, in one or each of the first and second vibration axes.
  • the capsule portion has a dome (dome) shape, a planar shape, or a right-angle U-shaped cross-section.
  • the dome-shaped shape has the particular advantage that incident and emerging electromagnetic radiation, especially laser beams, through the Wiring hardly be distracted. Insofar as incident beams are reflected on the dome-shaped capsule section, this usually takes place in a different direction than the direction of the emerging beam reflected on the deflection element, so that unwanted interactions or superimposition of the beams can be effectively avoided here.
  • the planar shape and the cross-sectionally U-shaped shape are distinguished in each case by their particularly simple manufacturability and handling during production of the microscanner.
  • the rectangular U-shaped cross-section can also offer the advantage that any intermediate layers (spacer layers) that would otherwise be required in the substructure of the encapsulation for the formation of a spatial area enclosed by the encapsulation that is large enough for the movement of the deflection element are avoided or in number or Thickness can be reduced.
  • the capsule section is mounted on a first layer stack that contains a first layer sequence that corresponds to a second layer sequence of a second layer stack in terms of the order, the material and/or the thickness of the individual layers of the first layer sequence which the combination of the deflection element, the spring means (at least the first springs) and the spring support structure is manufactured.
  • the quality factor, ie Q-factor, of the microscanner with regard to at least one of the two oscillations is at least 1000. This can be done in particular in connection with embodiments with an encapsulation, in particular with a gas pressure or vacuum within the encapsulated by the encapsulation that is reduced compared to the atmospheric pressure can be achieved indoors. In this way, in particular, a further improvement in performance can be achieved.
  • the microscanner further includes: (i) a support substrate supporting the cantilever structure; and (ii) an actuator for driving the first oscillation and/or the second oscillation of the deflection element.
  • the actuator is mechanically coupled to the carrier substrate in order to mechanically act on it during operation of the microscanner and thereby indirectly drive the deflection element at least via the spring carrier structure and the first springs for driving its first and/or second oscillations.
  • these embodiments make it possible to dispense with actuators specific to the oscillation axis for driving the oscillations of the microscanner and thus to design the oscillatable components or sections of the microscanner (deflection element, springs) as purely passive components, which then in particular do not require any power or signal supply.
  • the actuator is arranged so adjacent to a cavity in the carrier substrate or another substrate connected to the actuator, in particular a carrier or base substrate of the microscanner, that during its operation it at least partially moves into the cavity can execute.
  • the actuator is also designed as a sensor device for detecting the instantaneous position of the deflection element using sensors, or as part of such a sensor device.
  • the actuator can have a piezoelectric actuator, which also serves as an electrode of a sensor arrangement based on electrical capacitance measurement.
  • one or more actuators or sensors are provided on the spring support structure or the spring device, which are connected to one or more signal or power supply lines, which run at least in sections through one or more openings (channels) provided in the spring support structure.
  • the microscanner has an actuator system with one or more actuators for driving the first and second oscillations, the actuator system being configured such that it can set the deflection element into a double-resonant oscillation with respect to the first and second oscillation axis.
  • the actuator system can in particular have or consist of one or more of the actuators described in the previous embodiments.
  • the result here is a frequency ratio fi/f2 close to 1, 2, 3 or 4, etc.
  • the detuning v can be achieved with detuning v in particular in such a way that only one of the two oscillation frequencies or both each of the respective resonant frequency to the associated vibration axis differs or differ.
  • the detuning v compared to an integer frequency ratio plays a major role, because this detuning of the frequency determines how fast the Lissajous trajectory moves spatially. With an integer ratio, the detuning is equal to zero and the trajectory is stationary and reproduces itself in this form constantly. In the case of a non-integer detuning v > 0, on the other hand, the trajectory begins to wander, and within a certain interval the faster the larger the detuning v is compared to the integer ratio.
  • the speed at which the trajectory moves can advantageously be chosen so that a certain trajectory repetition rate (complete phase cycles/time), for example from the frequency range from 30 Hz to 100 Hz, is set with which the trajectory is reproduced or under ideal undisturbed conditions conditions reproduced.
  • a certain trajectory repetition rate complete phase cycles/time
  • Exact reproduction is often not possible, especially when using phase-locked loops or other control loops. Nevertheless, the advantages of a favorably selected detuning and an associated favorable rate of advance of the trajectory remain).
  • a detuning v selected in this way it is also possible in particular to achieve an improved line density, ie an increased line density at least on average over time.
  • a second aspect of the invention relates to a method for producing a microscanner according to the first aspect.
  • the method has the following steps or processes: (i) providing a plate-shaped substrate, in particular a semiconductor substrate, with two opposite main surfaces; (ii) structuring the substrate from a first of the main surfaces to at least partially form the deflection element, the support structure and the spring device; (iii) Selective, at least partial exposure of the deflection element formed by means of the structuring and the spring device from the other main surface; and (iv) fastening the microscanner arrangement resulting from the exposure to a carrier substrate.
  • the structuring and exposure can take place using known MEMS production technologies, in particular semiconductor chip production technologies, using (photo)lithography in conjunction with a suitable etching process.
  • the method can also have at least one of the following steps or processes: (v) applying a reflective layer to a surface section provided for forming the deflection element on a main side of the substrate, in particular on the first main side; (vi) hermetically encapsulating the microscanner assembly mounted on the carrier substrate by means of an encapsulation; (vii) bonding of at least two adjacent substrates within a layer stack used to build up the microscanner by means of an anodic, eutectic or direct bonding method or a thermocompression method; (viii) Creation of one or more actuators or sensors on the spring support structure or the spring device and creation of one or more signal or power supply lines, which run at least in sections through one or more openings provided in the spring support structure and to which the actuators or sensors are connected.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a two-axis, gimballed (i.e. with a gimbal) suspended micromirror with comb drives according to a microscanner architecture known from EP 2 514211 B1;
  • FIG. 2 shows a schematic top view of a two-axis micromirror suspended without gimballs according to a first microscanner architecture known from US Pat. No. 8,711,456 B2;
  • FIG. 3 shows a schematic top view of a further two-axis micromirror suspended without gimballs according to a second microscanner architecture known from US Pat. No. 8,711,456 B2;
  • FIG. 4 shows a schematic top view of yet another two-axis micromirror suspended without gimballs according to a third microscanner architecture known from US Pat. No. 8,711,456 B2;
  • FIG. 5 schematically shows a microscanner according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 5A shows a schematic of a variant of the microscanner from FIG. 5, in which, in particular, the first springs do not run along the auxiliary plane;
  • FIG. 6 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular a single first spring is provided;
  • FIG. 7 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which, in particular, a plurality of first springs with an increased spring length and applied actuator are provided;
  • FIG. 8 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which, in particular, a tripod suspension made of first springs in a spiral form is provided; 9 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular a bipod suspension made of first springs in spiral form is provided;
  • FIG. 10 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular two crossed pairs of springs made up of first springs are provided, with the spring stiffnesses of the two pairs of springs differing;
  • 11 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular an outer frame and second springs running between the frame and the deflection element are additionally provided; 12 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular the first springs at least predominantly define the spring stiffness for a first axis of vibration and the second springs at least predominantly define the spring stiffness for a second, orthogonal axis of vibration;
  • FIG. 13 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which the deflection element is designed as a separate substrate bridging the first springs;
  • FIG. 13A shows the microscanner of FIG. 13 at a point in time during its operation
  • FIG. 14 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular a further outer frame and third springs running between this further frame and the deflection element bridging the first springs are additionally provided;
  • FIG. 14A shows the microscanner of FIG. 14 at a point in time during its operation
  • FIG. 15 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular an encapsulation formed by means of a dome-shaped capsule section is provided;
  • 16 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which one or more cavities are provided in particular in the carrier substrate to enlarge the spatial area available for the oscillations of the deflection element; 17 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which an additional support structure is provided as a spacer in the layer structure carrying the capsule section, in particular to further increase the spatial area available for the oscillations of the deflection element; 18 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular an encapsulation formed by means of a planar capsule section is provided;
  • 19 to 23 each show a microscanner according to further embodiments of the invention, in which in particular an encapsulation designed by means of a capsule section with a U-shaped cross section and a planar cover plate is provided;
  • FIG. 24 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which, in particular, on the main side of the
  • an actuator mounted on a further substrate for driving the microscanner and a cavity adjacent to the actuator are provided in the further substrate;
  • 25 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which, in particular, on the main side of the
  • an actuator fastened on a further substrate for driving the microscanner and a cavity adjacent to the actuator are provided in the carrier substrate;
  • 26 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which, in particular, on the main side of the
  • an actuator mounted on a further substrate for driving the microscanner and a cavity adjacent to the actuator are provided in the carrier substrate, the cavity extending in sections beyond the end of the actuator;
  • Fig. 27 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular one or more actuators within the by a
  • Capsule section encapsulated space area are provided; 28 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which the spring support structure also represents a drive device of the microscanner;
  • FIG. 29 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which, in particular, optics are provided for beam splitting into a beam with a ring-shaped intensity profile;
  • FIG. 30 shows a first embodiment of a method according to the invention for producing a microscanner
  • 31 shows a second embodiment of a method according to the invention for producing a microscanner with electrical connections for electrical components, in particular actuators or sensors.
  • FIG. 1 shows a schematic top view of a microscanner architecture 100 known from EP 2 514211 B1 with a two-axis (orthogonal vibration axes Ai and A2), cardanically suspended micromirror 105 (mirror plate). Electrostatic off-axis comb drives 110 and on-axis comb drives 115 are also shown, which can also be used as sensor electrodes.
  • the mirror plate 105 is suspended in a movable frame 125 by internal torsion springs 120 , which is suspended in a fixed chip frame 135 by external torsion springs 130 .
  • the frame 125 can be made to resonate by electrostatic comb drives 140, the representation of comb electrodes that are also present close to the axis for driving or sensor purposes of the movable frame 125 being omitted for the sake of clarity.
  • the vibration axes A1 and A2 shown were added to the figure taken from EP 2 514 211 B1 (cf. FIG. 3 there) for better illustration, and the reference numbers were adapted.
  • a further microscanner architecture 200 known from US Pat. No. 8,711,456 B2 is illustrated in a schematic plan view in FIG. 2, which represents a variant of the so-called “MiniFaros” type for a micromirror.
  • the suspension is the Mirror plate 205 realized in the form of a tripod suspension by three arc springs 210, which are each connected at one of their respective ends 215 to the mirror plate 205 and at their respective other end 220 to the torsion-resistant, solid chip frame 225.
  • each of the springs 210 is attached to a position rotated 120° from a corresponding position of the adjacent springs about the center of the mirror plate 205.
  • Comb drives 230 are provided to drive mirror movement and act on the springs 210 to deflect them. Between the springs and the chip frame 225 and the mirror plate 205 there are clearances 235 which allow the springs 210 to oscillate.
  • the reference numbers in FIG. 2 have been adapted and supplemented.
  • FIG. 3 shows a schematic top view of another microscanner architecture 300 known from US Pat. No. 8,711,456 B2, which represents another variant of the “MiniFaros” type for a micromirror.
  • the suspension of the mirror plate 305 is implemented in the form of a bipod suspension by two arc springs 310, which are each connected to the mirror plate 305 at one of their respective ends 315 and to the torsion-resistant, solid chip frame 325 at their respective other end 320.
  • each of the springs 310 is attached to a position rotated 180° from the corresponding position of the other spring 310 about the center of the mirror plate 305 .
  • Comb drives 330 are provided to drive mirror movement and act on the springs 210 to deflect them.
  • the suspension of the mirror plate 405 is implemented in the form of a two-leg suspension by a plurality of arc springs 410, in the example four, which are each connected at one of their respective ends 415 to the mirror plate 405 and at their respective other end 420 to the torsion-resistant, solid chip frame 425 .
  • each of the springs 410 is mounted in a position rotated 90° about the center of the mirror plate 405 from a corresponding position of the neighboring springs.
  • the space or surface requirement of the microscanner 100, 200, 300 or 400 in the mirror plane is significantly higher than the space or surface requirement for the respective micromirror plate 105, 205, 305 or 405 itself medium and larger mirror diameters on the outside of the mirror plate carry out very large amplitudes from the chip level, which in order to achieve the performance goals mentioned require high stress values in the suspension and can therefore easily lead to overstressing of the material, especially the spring material.
  • Some of these figures each contain two sub-figures (A) and (B), with the respective sub-figure (A) being a top view and the respective associated sub-figure (B) (except for Figure 28) being a cross-sectional view perpendicular to the plane of the image and along the axis Ai of the represent the embodiment shown in the respective figure.
  • the actuators 545 which are regularly used to drive the respective microscanner, are only shown in some of the figures, in particular when their position or shape is particularly relevant for the design of the respective microscanner.
  • the spring support structure 515 can already represent a complete support structure for the deflection element 505 here.
  • the Post 515 has two different layers 515a and 515b, with layer 515a being fabricated from the same substrate as first springs 510 and mirror plate 505.
  • Each of the (first) springs 510 extends between an associated attachment point 520 (each marked by a diamond). shown) on the spring support structure 515 on the one hand and an associated coupling point 525 (each marked by a small annulus) on the inner edge of the annular deflection element 505 ” in the deflection element 505. It can in particular be designed as a continuous opening or just as a depression.
  • Two of the faults 510 lying opposite one another with respect to the spring support structure 515 form a pair of springs, which in particular defines the direction and the oscillation frequency and thus the scanning frequency of an associated oscillation axis Ai or A2 of the deflection element 505 .
  • the two pairs of springs are arranged orthogonally to one another, so that when deflection element 505 is in the rest position, in which no significant other forces act on the deflection element apart from gravity and the spring forces of springs 510 and the latter is at rest, between an angle of, at least essentially, 90° occurs for every two adjacent springs.
  • other arrangements of the springs 510 are also possible, in which instead other angles occur between respectively adjacent springs.
  • exemplary points 535a to 535c are also marked in subfigure (A) of FIG. 5 by means of felt black circles.
  • the points 535a to 535c span an auxiliary plane H (cf. FIG. 5A for further explanation), which can in particular coincide with a surface of the deflection element 505 or in FIG. 5 with the plane of the drawing.
  • the points 535a to 535c also span a triangular surface D as a surface section on the auxiliary plane H by means of their respective straight connecting lines 540, which in each case connect two of the points.
  • All attachment points 520 lie within this surface section D, so that the previously described central suspension of the deflection element 505 on the spring support structure 515 results.
  • the springs 510 (or their perpendicular projection onto the auxiliary plane H) extend here within the circular recess 505c in the deflection element 505, which defines its annular shape on the inside (or within its perpendicular projection onto the auxiliary plane H). While in Fig.
  • both the deflection element 505 and the post-shaped spring support structure 515 each have rotational symmetry, here even circular symmetry, and the spring support structure 515 is also arranged centrally relative to the deflection element 505, so that the respective symmetry axes of at least the deflection element 505 and the spring support structure 515 coincide, other variants are also possible without or with a different, in particular smaller, number of such symmetries.
  • microscanner 500 The further embodiments of a microscanner described below are derived from the microscanner 500 from FIG. 5 by addition or modification, so that in the following only such differences will be discussed in detail, while otherwise reference is largely made to the previous description of FIG.
  • the same reference numbers are used throughout for the same or corresponding elements of the various embodiments illustrated in these figures, so that repeated descriptions of identical or corresponding elements are usually unnecessary.
  • two or more of the embodiments described below or their respective differentiating technical aspects e.g. encapsulation, actuator arrangement, imaging optics, etc.
  • Fig. 5A illustrates a schematic cross-sectional view of an embodiment related to the microscanner 500, in which the first springs 510, in particular their attachment points 520 on the spring support structure 515, are not in the auxiliary plane spanned by the three points 535a, b, c on the deflection element 505 H lie.
  • a Y-shaped arrangement of the combination of spring support structure 515 and the first springs 510 results in cross section instead Auxiliary plane H spanned surface section D, as shown in Fig. 5, sub-figure (A).
  • FIG. 6 illustrates a further embodiment 600 of a microscanner, in which, in contrast to microscanner 500 from FIG.
  • the single spring 510 in turn extends between an attachment point 520 on the spring support structure 515, which has two stacked layers 515a and 515b, and a coupling point 525 on the inside of the circular ring-shaped deflection element 505.
  • the deflection element 505 has at least one of its ring surfaces on an additional mirror layer 505a as a reflection surface, which in particular as a deposited metal layer, for example aluminum or chromium.
  • the spring 510 acts primarily as a bending spring with respect to the axis of oscillation Ai and primarily as a torsion spring with respect to the second axis of oscillation A2.
  • An auxiliary plane H is in turn spanned by three points 535a to 535c and a triangular surface section D is spanned therein by the straight connecting lines 540 between the points 535a to 535c, in which the starting point 520 or its projection onto the auxiliary surface H (cf. Fig. 5A) located.
  • FIG. 5 While no actuators for driving the oscillations of the deflection element were shown in FIG. 5 , two strip-shaped piezo actuators 545 placed on the spring 510 are shown in FIG. You can cause the spring 510 to oscillate two-dimensionally when the piezo actuators are activated accordingly, in order to cause simultaneous oscillations of the deflection element 505 around the first axis of oscillation Ai on the one hand and around the second axis of oscillation A2 on the other with assigned individual oscillation or scanning frequencies. This enables a Lissajous projection of an electromagnetic beam, in particular a light beam, falling on the deflection element 505, more precisely on its mirror surface 505a, into an observation field.
  • FIG. 7 shows a further embodiment 700 of a microscanner that has a mirror suspension in which the deflection element 505 that has a ring mirror 505 is oriented inward and suspended from the spring support structure 515 with two spring legs that are initially separate in sections. Immediately before the two spring legs merge into the central post of the spring support structure 515, they combine to form a single (first) spring 510.
  • the example particularly illustrates the possibility of using the central area (recess) in the center of the deflection element 505 efficiently for the spring suspensions can.
  • each piezo bending actuator 545 has a layer stack made up of a piezoceramic layer 560 located between two electrodes 555 and 565 and is attached to the associated spring 510 by means of a suitable bonding material 550 .
  • FIGs 8 and 9 two further embodiments 800 and 900 of a microscanner are illustrated, in which, in contrast to microscanner 500 from Fig. 5, a plurality of spirally arranged (first) springs 510 for suspending the deflection element 505 on the spring support structure 515 carried by the support substrate 530 are provided.
  • Microscanner 800 has a tripod suspension made up of three rotationally symmetrically arranged and similar (first) springs 510
  • microscanner 900 has a two-leg suspension made up of only two rotationally symmetrically arranged similar (first) springs 510 .
  • Both embodiments 800 and 900 are characterized by spring lengths that are significantly longer than the respective straight-line distance between the respective attachment points 520 and coupling points 525 of the springs 510. This makes it particularly easier to move the springs in their linear (hook' schen) operating range when the microscanner 800 or 900 is in operation.
  • the microscanner 900 also has the advantage that the exact positions of the vibration axes A1 and A2 can be easily determined in advance and they are essentially independent of the vibration frequencies used.
  • FIG. 10 shows a further embodiment 1000 of a microscanner, which largely corresponds to the microscanner 500 from FIG. 5, but differs therefrom in that one of the two spring pairs, here for example the spring pair 510b, has a different spring stiffness than the other spring pair 510a.
  • the two springs of each pair of springs 510a and 510b are preferably the same with regard to their spring stiffness, in particular overall.
  • different oscillation or scanning frequencies for the two axes A1 and A2 can be defined particularly easily by means of targeted selection of the different spring stiffnesses, without the design of the scanner beyond the springs 510a and 510b necessarily having to be modified.
  • FIG. 11 shows a further embodiment 1100 of a microscanner, which has emerged from the microscanner 1000 from FIG. 10 in that, as an additional Element of the support structure, a frame structure is provided with a (first) rigid outer frame 575, on which the deflection element 505 is additionally, in particular - suspended along a vibration axis A1, with second springs 570 - as shown here.
  • the (first) outer frame 575 can in particular be carried by a support structure 580 which is made from the same substrate as the layer 515b of the spring support structure 515.
  • This embodiment 1100 in particular allows a further differentiation of the available spring rigidities and thus scanning frequencies. This is relevant in particular with regard to a right-angled illumination of the observation field, where it is particularly important that a set frequency spacing between the scanning frequencies of the two vibration axes A1 and A2 is maintained during operation of the microscanner.
  • microscanner 1100 Compared to the microscanners known from the prior art with mirror suspensions exclusively on an outer frame, smaller designs can be implemented for the microscanner 1100 despite the (first) outer frame 575 also being present here, since the linearity requirements and requirements for high spring stiffness are already largely met can be realized by the internal first springs 510.
  • the second springs 570 can thus be selected to be shorter and do not always have to be operated in the linear range themselves in order to still enable reliable and high-frequency operation of the microscanner.
  • Fig. 12 shows a further embodiment 1200 of a microscanner, which has emerged from the microscanner 1100 from Fig.
  • first springs 510 are now provided , which are arranged in two pairs of springs running side by side, the pairs of springs running essentially along a first of the two axes of vibration, here the axis A2.
  • the second springs 570 of the micro scanner 1100 are at micro scanner 1200 replaced by two pairs of springs, which run side by side at least substantially along the other of the two axes of vibration, here the axis Ai.
  • the pairs of springs from the first springs 510 thus run, at least approximately, orthogonally to the pairs of springs from the second springs 570.
  • the respective arrangement is preferably designed in such a way that the respective assigned axis of vibration represents an axis of symmetry for the arrangement of the first springs 510 and the second springs 570.
  • microscanner 1200 it is particularly possible, as illustrated, to provide separate actuators or actuator groups 545a and 545b for driving the two vibration axes Ai and A2, so that each vibration axis can be controlled individually in a particularly simple manner.
  • Fig. 13 shows a further embodiment 1300 of a microscanner, which has emerged from the microscanner 1100 from Fig. 11 in that instead of a ring-shaped deflection element 505, which is arranged in the microscanner 1100 in the same layer as the first springs 510 and the second springs 570 , a separate mirror plate is provided as a deflection element 515 in a further layer parallel thereto.
  • the mirror plate 515 can in particular have the shape of a circular area or another shape without cutouts. It is preferably separated from the first springs 510 by at least one intermediate layer 505b, so that the first springs 510 have sufficient space available for their oscillations without hitting the mirror plate 505 in the process.
  • the intermediate layer 505b can in particular be regarded as a component of the deflection element 515 and can rest on a fastening section 585 provided between the first springs 510 and the second springs 570 .
  • the microscanner 1300 is characterized in particular by a further compact form factor, in which the size ratio of its reflection surface to the overall surface of the microscanner can be designed particularly favourably.
  • the various layers of this microscanner architecture can in particular each be provided by a semiconductor wafer or another substrate, in which case the various structured substrates can then be connected in particular by means of one or more bond connections to form the microscanner architecture.
  • FIG. 13A shows the same embodiment 1300 of a microscanner again, however, in particular in partial figure (B), during its operation, so that the different spring designs that occur can be seen.
  • the spring stiffness of the first springs 510 can be higher than that of the second springs 570.
  • Fig. 14 shows a further embodiment 1400 of a micro-scanner, which has emerged from the micro-scanner 1300 of FIG further (second) outer frame 595 of the frame structure, which can be fastened in particular via an intermediate element 590 in an intermediate layer on the (first) outer frame 575.
  • the third springs 605 preferably run parallel to the second springs 570, at least when the microscanner 1400 is in the rest position, although this does not necessarily have to be the case.
  • the addition of the third springs 605 enables an even further increase in the overall spring stiffness of the suspension of the deflection element 505 caused by the combination of the first, second and third springs, in particular in the linear spring range, and also enables even greater design freedom when designing the microscanner.
  • the second springs 570 can also be omitted in favor of the third springs 605 (cf. FIG. 19).
  • FIG. 14A shows the same embodiment 1400 of a microscanner again, however, in particular in sub-figure (B), during its operation, so that the different spring designs that occur can be seen.
  • the spring stiffness of the first springs 510 can be higher than that of the second springs 570 and the third springs 605.
  • Fig. 15 shows a further embodiment 1500 of a microscanner, which has emerged from the microscanner 1400 from Fig. 14 in that a dome or dome-shaped capsule component 610 (“capsule section”) is additionally placed on the second outer frame 595 and a hermetically sealed encapsulation was generated.
  • the encapsulation encloses an evacuated spatial area 615 in which the deflection element 505 suspended resiliently on the support structure is located and can carry out its oscillations almost without air friction due to the evacuation.
  • the capsule section 610 is largely transparent, at least in sections, to incident electromagnetic radiation in a wavelength range corresponding to the desired working range of the microscanner 1500 and can in particular have a glass material or be formed entirely from it.
  • FIG. 16 shows a further embodiment 1600 of a microscanner, which has emerged from the microscanner 500 from FIG , without hitting the carrier substrate 530 to perform particularly large oscillation amplitudes (deflections) within the scope of the oscillations.
  • the capsule section 610 can be placed in particular on a base that is formed from the same layers as a stack of layers as the stack of layers consisting of layer 515b of the spring support structure 515 on the one hand and the layer on the other hand which comprises the layer section 515a of the spring support structure 515, the deflection element 505 and the first springs 510 includes.
  • Fig. 17 shows a further embodiment 1700 of a microscanner, which emerged from the microscanner 1600 from Fig. 16 in that - in particular with the purpose of further increasing the free space available for the oscillations of the deflection element in the spatial region 615 below the capsule section 610 - another intermediate layer 625 was produced.
  • the intermediate layer 625 can in particular be arranged between the carrier substrate 530 and the layer 515b of the spring carrier element 515 or the support structure 580 .
  • FIGS 23 Various embodiments 1800 to 2300 of a microscanner with a planar cover as a capsule section 610 are shown in FIGS 23 in combination with various of the embodiments 500 to 1400 already explained above.
  • the planar lid 610 consists solely of a planar plate, such as a glass plate.
  • a further spacer layer 630 is provided between the cover 610 and the further outer frame 595.
  • FIG. 1 For embodiments 1900 to 2300 from Figures 19 to 23 with different suspensions differ from embodiment 1800 in particular in that instead of the spacer layer 630, which can thus be omitted, the capsule section 610 itself has a corresponding support ring 610a in addition to a planar cover plate, in particular in integral formation with the planar top panel.
  • the support ring 610a can in particular have the shape of a circular ring.
  • a “U” shape of the capsule section 610 including its support ring 610a thus results in cross section.
  • FIG. 24 to 26 differ from the embodiment 2300 in particular in that on the main side of the carrier substrate 530 facing away from the deflection element 505 (in the figures: lower side) there is an actuator (e.g. piezo actuator) 545, in particular a plate-shaped one Driving the oscillations of the deflection element 505 is arranged, which in turn is preferably attached at least in places to an additional base substrate 625.
  • the actuator 545 can in particular be controlled simultaneously with the respective resonant frequencies of the two vibration axes Ai and A2 in order to operate the microscanner as a Lissajous scanner.
  • This arrangement has the particular advantage that the actuator can be arranged separately from the oscillating parts, in particular the springs and the spring suspension, and in the case of encapsulated microscanners even outside of the encapsulated spatial area 615, which in particular facilitates its electrical contacting for signal and power supply .
  • the oscillating parts, in particular the deflection element 505 and the springs of the microscanner and their supporting structure, can thus be designed to be purely passive.
  • the actuator 545 On at least one main side of the actuator 545, it is surrounded at least in sections by a cavity 630, which offers it free space to carry out its movements, in particular vibrations or oscillations.
  • this cavity 630 is a recess in the Socket substrate 625 is formed and lies between the carrier substrate 530 and the actuator 545.
  • the actuator 545 is fixed on both sides of the cavity 630 by the layer stack between the substrates 530 and 625.
  • an end area of the actuator 545 is not enclosed by the substrates 530 and 625, so that during its operation vibrations in the form of tilting movements affect the overlying microscanner structure with the can be transmitted to vibrating parts.
  • the embodiments 2400 to 2600 which are illustrated here as an example with the microscanner architecture according to the embodiment 2300, can also be easily combined in particular with other embodiments, such as those that have no further actuators for driving the deflection element 505, and those that have an outer frame 575 or 595 or a dome-shaped or other shaped encapsulation.
  • a further embodiment 2700 from Fig. 27 differs from the embodiment 2300 in particular in that one or more actuators 545 for driving the microscanner 2700 on the side of the carrier substrate 530 facing the deflection element 605 and thus, if an encapsulation is present, within the encapsulated Space area 615 are arranged.
  • This arrangement can be used in particular to use the actuator(s) 545 at the same time as a sensor or part thereof (in particular as an electrode for a capacitive measurement), in which case the sensor can be provided in particular for determining a current position of the deflection element 505 .
  • FIG. 28 shows a further embodiment 2800 of a microscanner, which emerged from the microscanner 500 from FIG.
  • the spring carrier structure 515 which is in particular in the form of a post, is also designed as an actuator, in particular as a piezoelectric actuator.
  • the spring support structure 515 can in particular have four piezo actuators which form four quadrant-shaped piezo segments 515c to 525f when viewed in cross section relative to the longitudinal axis of the spring support structure or the post.
  • the deflection of the deflection element 505 can be controlled with respect to its two vibration axes Ai and A2, and in particular one in each case resonant, or overall a double-resonant oscillation of the deflection element 505 can be achieved. Due to this "dual-use" function of the spring carrier structure, the provision of further actuators can be dispensed with and in particular the attachment of actuators to the springs can be dispensed with, so that particularly compact and robust designs can be implemented in this way.
  • a microscanner according to one of these embodiments can be produced in particular by placing the spring carrier structure 515 on the carrier substrate 530, in particular a semiconductor substrate such as an Si substrate, and fixing it there. This can be done in particular by gluing or soldering. The deflection element can then be attached to the fixed spring support structure 515, which in turn can be done in particular by means of gluing or soldering.
  • Fig. 29 shows an embodiment 2900 of a microscanner, which can be advantageously used in particular in connection with ring-shaped deflection units 505, in particular ring mirrors, and special optics for forming a ring-shaped beam cross-section for the electromagnetic radiation incident on the deflection element 505 Li has.
  • Partial figure (B) shows for comparison a further embodiment 2901 without such an optical system, which is particularly suitable in combination with full-area (recess-free) deflection units 505, for example those according to embodiments 1800 to 2200.
  • the incident electromagnetic radiation Li falls on the deflection element 505, where it is reflected and projected as an emerging beam l_2 into an observation field, which in the present example is a projection surface 645, such as a screen, a house wall or contains a road surface.
  • the beam L2 preferably has a cross-section that is essentially punctiform or corresponds to a small circular area (e.g. as a laser beam) and thus generates an essentially punctiform maximum intensity (light point) 650 (in Fig. 29 shown oversized as a black circle).
  • a Lissajous figure 655 is created on the projection surface 645 through the corresponding movement of the point of light, which, with a suitable choice of the scanning frequencies of the two oscillation axes Ai and A2, shows a selected section of the Observation or projection field and thus the projection surface 645 illuminated.
  • the aforementioned special optics which in particular have an axicon 635 and a converging lens 640, are arranged in the beam path.
  • incident electromagnetic radiation L_3 for example a laser beam with a circular cross section
  • the axicon 635 which splits the beam into a beam L4 with an annular, in particular circular, beam cross section.
  • a splitting into several concentric rings (in the beam cross-section) is also possible (similar to or like Bessel rays).
  • the beam L4 is imaged onto the converging lens 640, which in turn images it as a light beam Li with an annular radiation cross section onto the deflection element 505 of the respective microscanner, which in the present example has an annular deflection or mirror plate.
  • the deflection element 505 in turn forms the incident light beam Li by reflection using an emerging light beam L2 as a Lissajous projection into the observation field or onto the projection surface 645 .
  • Two exemplary embodiments 3000 and 3100, respectively, of a method according to the invention for producing a microscanner, in particular a microscanner with encapsulation, are now explained below with reference to FIGS.
  • a plate-shaped substrate 660 in particular a semiconductor substrate such as a silicon substrate, is provided in a first process, as illustrated in sub-figure 30(a), and on a main side of the substrate on the at least one surface section , on which a reflection surface of the deflection element 505 is to be formed, a reflection layer (mirror layer) 505a is applied.
  • the latter can take place in particular by means of deposition (for example by sputtering with subsequent polishing) of a suitable material, in particular metal such as aluminum.
  • the substrate 660 is structured from one of its main sides, preferably from the main side on which the reflection layer was previously formed.
  • the deflection element 505 the support structure, in particular the spring support structure 515, and the
  • Spring device in particular the first springs 510 formed at least in sections. This can be done in particular by means of one or more etching processes in combination with lithography, with the formation of a plurality of trenches in the substrate 660 for separating the individual microscanner components from one another in sections.
  • the elements of the microscanner that have already been partially formed by means of the structuring, in particular the deflection element 505, the first springs 510 and the spring carrier structure 515 are selectively attached to the substrate 660 exposed or completely structured.
  • “Selective” here means that the substrate 660 is not removed or thinned over the entire surface as part of the exposure, but rather that the exposure takes place in a targeted (and thus selective) manner on those sections of the substrate 660 that have to be removed in order to protect the deflection element 505 and its Completely expose the spring suspension.
  • a further process follows in which, as illustrated in partial figure 30 (d), the previously created structure is applied to a carrier substrate 530 and fixed there, in particular by means of one or more suitable connection processes. In principle, anodic, eutectic or direct bonding processes or thermocompression processes are particularly suitable as connection processes for this.
  • a capsule section 610 is added to produce a hermetic encapsulation. This is preferably done in such a way that a gas pressure lower than atmospheric pressure (e.g. air pressure) or even a vacuum forms in the encapsulated interior 615, so that gas friction effects (e.g. air friction effects) during subsequent operation of the microscanner are at least reduced or even eliminated
  • the embodiment 3100 of the method shown in FIG. 31 represents a further development of the method 3000 from FIG. 30, in which additional electrical connections for electrical
  • Components in particular actuators 545 or sensors, are formed.
  • an electrical connection 660a extending through the substrate 635 is formed at suitable points between the two opposite main sides of the substrate 660, for example by means of suitable etching processes and subsequent filling of the resulting cavities with electrically conductive material .
  • TSV through-silicon vias
  • the electrical connections 660a run preferably by a portion of the substrate 635 formed as part of the method 3000 to form the spring support structure 515.
  • the processes according to sub-figures 31 (b) and 31 (c) correspond to those from sub-figures 30 (b) and 30 (c) of the method 2900.
  • electrically conductive channels 530a corresponding to the electrical connections 660a are formed in the carrier substrate 530 in order to route the electrical connection of the actuators 545 or sensors to the outside of the microscanner architecture, in particular to the outside of the carrier substrate 530, and to provide a connection option there.
  • substrate 530 is of the same type of material as substrate 660, the same or related processes can typically be used to fabricate electrical channels 530a. Otherwise, for example if the substrate 530 is in the form of a printed circuit board (PCB), other correspondingly suitable, known processes for producing the electrical channels 530a running through the substrate 530 can be used.
  • PCB printed circuit board
  • deflection element in particular mirror plate 310 arc spring 315 inner end of the arc springs, coupling point on the deflection element 320 outer end of the arc springs, starting point on the chip frame 325 chip frame
  • 505 Deflection element, in particular mirror plate 505a Reflection or mirror layer on the deflection element 505 505b Intermediate layer of the deflection element 505c recess of the deflection element
  • actuator in particular piezo actuator, for driving the microscanner
  • Lissajous figure 660 (initial) substrate, in particular semiconductor substrate
  • TSV Through-Silicon-Via
  • microscanner 3000 further embodiments of a microscanner 3000, 3100 embodiments of a method for producing a microscanner

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Abstract

A microscanner comprises: a deflecting element for deflecting an incident electromagnetic beam, a support structure, and a spring device having one or more springs, by means of which the deflecting element is mounted so as to be capable of swinging on the support structure such that it can simultaneously carry out a first rotational oscillation about a first swing axis and a second rotational oscillation about a second swing axis orthogonal to the first swing axis relative to the support structure, in order during the simultaneous oscillation to cause a Lissajous projection by deflecting an electromagnetic beam incident on the deflecting element. The support structure has a spring support structure and the spring device has a number N of first springs, where N ≥ 1, and each of the N first springs contacts at least one associated contact point on the spring support, is coupled to at least one associated coupling point on the deflecting element and extends between this contact point and this coupling point. There are three points on the deflecting element which, in the rest position of said element, define a Euclidian auxiliary plane and therein span a surface portion or straight line portion which is enclosed by the connecting straight lines between the points and on which each of the contact points or the vertical projection thereof lies on the auxiliary plane.

Description

LISSAJOUS-MIKROSCANNER MIT ZENTRALER SPIEGELAUFHÄNGUNG UND VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG LISSAJOUS MICROSCANNER WITH MIRROR CENTRAL SUSPENSION AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE
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. The present invention is in the field of beam deflection systems produced using microtechnology and relates to a microscanner for generating a Lissajous projection in an observation field and a method for producing such a microscanner.
Bei Mikroscannern, die in der Fachsprache insbesondere auch als „MEMS-Scanner“, „MEMS-Spiegel“ oder auch „Mikrospiegel“ oder im Englischen insbesondere als „micro- scanner“ bzw. „micro-scanning mirror“ oder „MEMS mirror“ bezeichnet werden, handelt es sich um mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) oder genauer um mikro-opto- elektro-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. In the case of micro scanners, which are also referred to in technical jargon as “MEMS scanners”, “MEMS mirrors” or “micro mirrors” or in English as “micro scanners” or “micro-scanning mirrors” or “MEMS mirrors”. are micro-electro-mechanical systems (MEMS) or, more precisely, micro-opto-electro-mechanical systems (MOEMS) from the class of micro-mirror actuators for the dynamic modulation of electromagnetic radiation, in particular visible light. Depending on the design, the modulating movement of an individual mirror can be translational or rotational about at least one axis. In the first case, a phase-shifting effect is achieved, in the second case, the deflection of the incident electromagnetic radiation. In the following, microscanners are considered, in which the modulating movement of a single mirror is rotational. In the case of microscanners, the modulation is generated via a single mirror, in contrast to mirror arrays, in which the modulation of incident light takes place via the interaction of several mirrors.
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. Microscanners can be used in particular for the deflection of electromagnetic radiation in order to use a deflection element (“mirror”) to modulate an electromagnetic beam incident on it with respect to its deflection direction. This can be used in particular to bring about a Lissajous projection of the beam in an observation field or projection field. For example, imaging sensory tasks can be solved or display functionalities can be implemented. In addition, such microscanners can also be used to advantageously irradiate and thus also process materials. Other possible applications are in the area of lighting or illuminating certain open or closed spaces or areas of space with electromagnetic radiation, for example in the context of spotlight applications.
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. In many cases, microscanners consist of a mirror plate (deflection plate) that is suspended laterally on elastically expandable springs. A distinction is made between uniaxial Mirrors that should preferably only be suspended so that they can move around a single axis, from two-axis and multi-axis mirrors.
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. Both in the case of imaging sensors and in the case of a display function, a microscanner is used to deflect electromagnetic radiation such as a laser beam or a shaped beam from any other source of electromagnetic radiation at least two-dimensionally, e.g. horizontally and vertically, in order to scan an object surface within scan or illuminate an observation field. In particular, this can be done in such a way that the scanned laser beam sweeps over a rectangular area on a projection area in the projection field. Microscanners with at least a two-axis mirror or single-axis mirrors connected in series in the optical path are therefore used in these applications. The wavelength range of the radiation to be deflected can in principle be selected from the entire spectrum from short-wave UV radiation, via the VIS range, NIR range, IR range, FIR range to long-wave Terraherz and radar radiation.
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). Microscanners are often manufactured using silicon technology methods. Based on silicon wafer substrates, layer deposition, photolithography and etching techniques are used to form microstructures in silicon and thus to realize microscanners with movable MEMS mirrors. Electrostatic, electromagnetic, piezoelectric, thermal and other actuator principles are typically used as drives. The mirror movement can in particular take place in a quasi-static (=non-resonant) or resonant manner, the latter in particular in order to achieve larger oscillation amplitudes, larger deflections and higher optical resolutions. In addition, in principle, the energy consumption can also be minimized in resonant operation or advantages can be achieved, in particular with regard to stability, robustness, production yield, etc. Scanning frequencies from 0 Hz (quasi-static) to over 100 kHz (in resonance) are typical.
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. Although the microscanners according to the invention described herein can in principle be used sensibly and successfully in many different areas, their application in the area of laser projection displays will be discussed in particular below. In many known cases, microscanner-based laser projection displays are so-called raster scan displays in which a first beam deflection axis is operated at high frequency (typically 15 kHz to 30 kHz) in resonance (fast axis) around the horizontal deflection and a second axis is operated quasi-statically at a low frequency (typically 30 Hz to 60 Hz) in order to generate the vertical deflection. A fixed grid-like line pattern (trajectory) is typically reproduced 30 to 60 times per second.
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. Another approach is used in the so-called Lissajous microscanners, in particular also in Lissajous scan displays. There, both axes are usually operated in resonance and a scan path is generated in the form of a Lissajous figure. In this way, large amplitudes can be achieved in both axes. The vertical deflection in particular can therefore be much larger than with a raster scanner. Accordingly, a significantly higher optical resolution can usually be achieved with a Lissajous microscanner, in particular a Lissajous scan display, than with a raster scan display, in particular in the vertical direction.
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 Figuren 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. Various architectures known from the prior art for Lissajous microscanners, in particular for their micromirrors including its suspension, are known in particular from the publications DE 102009058762 A1 and EP 2 514 211 B1 and US 8,711,456 B2 and are described below with reference to Figures 1 to 4 described. What these architectures have in common is that the mirror suspension is always formed exclusively by means of a plurality of springs, each of which runs between an outer edge of the plate-shaped mirror and a closed, fixed frame surrounding the mirror.
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. One or more of the following requirements are typically placed on a microscanner-based Lissajous laser beam deflection system: high scanning frequencies, for example between a minimum of 10 kHz and a maximum of 80 kHz, in particular in order to be able to project as many lines per second as possible and to be able to realize high frame rates; preferably, both beam deflection axes (oscillation axes) should not differ too much in terms of their scan frequencies and thus represent two fast axes in order to achieve particularly favorable trajectories, good and very fast coverage of the projection area and, in the case of displays, as few or only slightly pronounced flickering produce artifacts in the viewer. The terms “fast” and “slow” in relation to a respective (oscillation) axis refer here to the oscillation frequency at which the deflection element (mirror) of the microscanner oscillates about an associated axis during its operation. In particular, the terms are used relatively to distinguish a "faster" axle from a "slower" axle. large mirror diameters, in particular to be able to realize small spot sizes and high optical pixel resolution. Especially in combination with optical waveguides, large mirror diameters are of great advantage in order to be able to achieve a large so-called "eye box" and low diffractive losses and as few artefacts as possible; large beam deflection angles, in particular to enable the highest possible pixel resolution and a large projection or observation field (field-of-view, FoV); The smallest possible installation space or small chip size, in particular to enable the microscanner-based laser projector of electronic devices, such as smart glasses (e.g. augmented reality (AR) glasses, smartphones or tablet computers, to be almost invisible in the eyeglass temples or in the housing of the smartphone or tablet, but at the same time to be able to enable low production costs; minimum power consumption, in particular to enable low heat development of the end device and the longest possible battery life.
Es handelt sich dabei jedoch häufig um einander entgegengesetzt wirkende Anforderungen, wie folgende Beispiele zeigen: However, these are often conflicting requirements, as the following examples show:
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). A microscanner whose design is reduced in order to be able to better meet compactness requirements usually loses actuator surface area, and thus driving force or torque and thus (pixel) resolution and performance (e.g. image field size, achievable frame rate).
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.A microscanner that is reduced in its design usually loses the area available for accommodating spring suspensions. This increases the stress in the suspensions and reduces the mechanical deflection and thus the optical resolution and performance at the same time.
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. A microscanner whose power consumption benefits a longer service life of a mobile device or an application running on it is reduced, usually loses driving force or torque, and thus resolution and performance.
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. A mirror plate that is enlarged for the sake of smaller spots and thus higher optical resolution usually increases in mass and moment of inertia and therefore reduces the achievable dynamics and speed.
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. A mirror plate that is enlarged for reasons of higher optical resolution usually shows larger dynamic deformations, which increases the beam divergence and the spot size and sometimes reduces the resolution.
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. A spring suspension that is stiffened in favor of higher scanning speeds and higher frame rates usually achieves lower deflections and thus reduces the achievable optical resolution.
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. All in all, the design of microscanners usually results in challenging optimization problems, the solution of which often requires not only one or more of the parameters mentioned above, but also many other properties and boundary conditions. Such additional properties and boundary conditions can relate in particular to manufacturability, manufacturing costs, yield, electronic controllability, reproducibility, available modulation bandwidth of laser sources and drivers and much more.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten, zumindest zweiachsigen, insbesondere resonant betreibbaren, Mikroscanner zur Lissajousfigur- förmigen 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. The present invention is based on the object of providing an improved, at least two-axis, in particular resonantly operable, microscanner for Lissajous figure-shaped scanning of an observation field or (equivalently) projection field, which enables an improvement with regard to at least one of the aforementioned problems. In addition, a manufacturing method suitable for manufacturing such a microscanner is to be specified.
Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. The solution to this problem is achieved according to the teaching of the independent claims. Various embodiments and developments of the invention are the subject matter of the dependent claims.
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. A first aspect of the invention relates to a microscanner for projecting electromagnetic radiation onto an observation field (projection field), the microscanner having: (i) a deflection element, in particular a mirror, for deflecting an incident electromagnetic beam; (ii) a support structure; and (iii) a spring device with one or more springs, by means of which the deflection element is oscillatingly suspended on the support structure in such a way that, relative to the support structure, it can simultaneously perform a first rotary oscillation about a first axis of oscillation and a second rotary oscillation about a second axis of oscillation orthogonal thereto to cause a Lissajous projection in an observation field by deflecting an electromagnetic beam incident on the deflection element during the simultaneous oscillations.
Die T ragestruktur 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). The support structure has a spring support structure and the spring device has a number N of first springs, where N > 1 applies and each of the N first springs attaches to at least one associated attachment point on the spring support structure, is coupled to at least one associated coupling point on the deflection element and extends between this attachment point and this coupling point. There are three points on the deflection element, which define a Euclidean, in particular virtual, auxiliary plane in its rest position and span a surface or straight line section enclosed by the connecting line between the three points in the auxiliary plane, on which each of these starting points or its respective vertical Projection onto the auxiliary plane (the connecting straight lines themselves count here as part of the surface or straight line section. In addition, there does not necessarily have to be exactly three points that fulfill the above-mentioned condition. Rather, there can be any, in particular even an infinite number of triplets of points give such points).
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. A "spring" within the meaning of the invention is understood to mean, in particular, an elastic body, in particular a machine element, for absorbing and storing mechanical (potential) energy, which deforms in a targeted manner under load in the load range below an elasticity limit and regains its shape when relieved takes on its original shape. The loading can take place in particular by means of torsion or bending. Accordingly, a spring can in particular be a bending spring or a torsion spring.
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. A "deflection element" within the meaning of the invention is to be understood in particular as a body that has a reflecting surface (mirror surface) that is smooth enough that reflected electromagnetic radiation, e.g. visible light, retains its parallelism according to the law of reflection and thus creates an image can. The roughness of the mirror surface must be less than about half the wavelength of the electromagnetic radiation. The deflection element can in particular be designed as a mirror plate with at least one mirror surface or such exhibit. In particular, the mirror surface itself can consist of a different material, for example a metal, in particular a deposited metal, than the rest of the body of the deflection element.
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. For the purposes of the invention, a “point of attachment” of a spring is to be understood in particular as a point on or in the spring support structure at which the spring is attached to the spring support structure or, if it is formed in one piece with the support structure or a part thereof, in this or this passes, and which forms a fixed point of the occurring spring movement during the oscillations of the deflection element. In particular, the spring can also attach to a plurality of connected or separate attachment points on the spring support structure.
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. In the context of the invention, a “coupling point” of a spring is to be understood in particular as a point on or in the spring from which it is attached directly, or indirectly via one or more intermediate bodies, to the deflection element or, if it is integral with Is formed deflection element or part thereof, merges into this. In particular, the spring can also be coupled to the deflection element from a plurality of connected or separate coupling points. The terms “coupling”, “coupling”, “coupled” and modifications thereof refer accordingly to a direct or indirect, in particular mechanical, force coupling between at least two bodies, such as the deflection element or the support structure on the one hand and a spring on the other.
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. A “vibration axis” or equivalently “axis” within the meaning of the invention is to be understood in particular as an axis of rotation (rotational axis) of a rotational movement. It is a straight line that defines or describes a rotation or rotation.
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. A "Lissajous projection" within the meaning of the invention is to be understood in particular as a scanning of an observation field with the aid of electromagnetic radiation, which is deflected by at least two mutually orthogonal and at least essentially sinusoidal oscillations (oscillations) of the radiation into the observation field Deflection element is effected.
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. A Euclidean "auxiliary level" is, following the usual usage in mathematics, to be understood in particular as a Euclidean level in three-dimensional space that is not, at least not necessarily, material (e.g. by corresponding flat surfaces of a real body) must be realized, but is usually only defined as an abstract (virtual) mathematical tool, in particular for solving or describing a geometric problem or state.
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. As used herein, the terms "comprises," "includes," "includes," "has," "has," "having," or any other variant thereof, as appropriate, are intended to cover non-exclusive inclusion. For example, a method or apparatus that includes or has a list of elements is not necessarily limited to those elements, but may include other elements that are not expressly listed or that are inherent in such method or apparatus.
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). Further, unless expressly stated to the contrary, "or" refers to an inclusive or and not to an exclusive "or". For example, a condition A or B is satisfied by one of the following conditions: A is true (or present) and B is false (or absent), A is false (or absent) and B is true (or present), and both A and B are true (or present).
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. As used herein, the terms "a" or "an" are defined to mean "one or more". The terms "another" and "another" and any other variant thereof shall be construed to mean "at least one other".
Der Begriff "Mehrzahl", wie er hier verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen. The term "plurality" as used herein means "two or more".
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. In the context of the invention, "configured" or "configuration" or modifications of these terms is to be understood as meaning that the corresponding device is already set up or can be set - i.e. can be configured - to fulfill a specific function. The configuration can take place, for example, via a corresponding setting of parameters of a process flow or of hardware or software-implemented switches or the like for activating or deactivating functionalities or settings. In particular, the device can have a plurality of predetermined configurations or operating modes, so that the configuration can be carried out by selecting one of these configurations or operating modes.
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. In the case of the microscanner according to the first aspect, the (first) springs on which the deflection element, which is designed in particular as a mirror plate or can have one, are suspended, consequently extend differently than in the case of the FIG solutions known from the prior art are not directed outwards from the deflection element towards a chip frame. Instead, they extend inwardly towards their respective, correspondingly positioned attachment point on the spring carrier element, which thus provides a central, but not necessarily central, suspension of the first springs and thus indirectly also of the deflection element.
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). In particular, this enables a lower mass moment of inertia of the oscillating parts, i.e. the deflection element in combination with the springs, and as a result large scan angles and/or high scan frequencies for both axes, a compact design and, as a result, usually lower manufacturing costs and/or lower spring stress lower hubs. In addition, the inwardly directed (first) springs make it possible to reduce or even avoid oscillating movements, which lead to nonlinear spring operating ranges with regard to spring bending or torsion, due to the lower maximum deflections required, which is advantageous for the component performance. Areas of application for such microscanners can be in particular: augmented and virtual reality glasses displays, head-up displays, pico projectors, cinema projectors, laser TV, 3D cameras, LIDAR sensors, gesture recognition systems, hyperspectral cameras , photoresist imagesetters, laser material processing systems, radar scanners, OCT scanners (OCT = 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. Preferred embodiments of the microscanner according to the first aspect are described below, which can be combined with one another as desired, unless this is expressly excluded or they are mutually exclusive. In some embodiments, the deflection element has rotational symmetry in its rest position with respect to a (first) axis of symmetry and is arranged such that the (first) axis of symmetry runs through the spatial area spanned by the spring support structure. The rotational symmetry can in particular be n-fold (n=2, 3, 4, . . . ) or even circular symmetry. In particular, the spring support structure as a whole, a section of the spring support structure containing the starting points of the first springs or the arrangement of the starting points of the first springs can also have rotational symmetry with respect to a second axis of symmetry and be arranged such that the first and second axes of symmetry coincide. What all of these embodiments have in common is that they have, at least essentially, a central suspension of the deflection element on a centrally arranged spring support structure, which in particular promotes a correspondingly rotationally symmetrical mirror movement. In particular, it is possible to select the first springs of the same length or even in total or in pairs of the same type and thus to enable a suspension that is approximately symmetrical at least with respect to one direction and thus a symmetrical movement. This can also result in advantages with regard to a particularly simple structure due to the symmetry and a correspondingly simplified adjustment. The term "spanned spatial area" (or linguistic modifications thereof) is to be understood in such a way that the "spatial area spanned" by the spring support structure includes all spatial points that lie on any stretch spanned by any two points as an intermediate rectilinear connection, with these spanning points are each on the surface or inside the spring support structure itself. All of these points that “spann” the spatial area as a whole also belong to the spanned spatial area. For example, the spatial area spanned by a cylindrical tube contains, in addition to the spatial area occupied by the material tube itself, also the cavity enclosed by the tubular cylinder wall inside the tube.
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. In some embodiments, the N first springs each attach to the support structure solely at the spring support structure and the deflection element is suspended solely from these first springs. In this way, particularly small designs can be achieved. Since only the first springs are provided here for the suspension of the deflection element, a particularly low mass moment of inertia and/or high scanning speeds and large scanning angles resulting therefrom can also be achieved. The previously mentioned advantage that the vibrations of the deflection element are less strongly influenced by potential non-linearities of the springs, which typically occur in particular in the case of large deflections, can be used to advantage here.
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. In some embodiments, the deflection element comprises a deflection plate (micromirror, mirror plate) with a recess formed therein. Due to the recess, the mass moment of inertia of the deflection plate can be further reduced in this way. Accordingly, the springs can be designed to be lighter or slimmer, which also results in advantages in terms of weight, Design size and scanning speed can be achieved. In this regard, designs for the deflection plate with a rotational symmetry (eg n-fold or circularly symmetrical) are particularly advantageous. In particular, the deflection plate can have a rotationally symmetrical ring shape, such as a circular ring shape, in which the interior of the ring lying outside of the deflection element body forms the recess.
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. In some of these embodiments, at least one, or in particular all, of the first springs runs at least in sections within the cutout. This allows particularly space-saving implementations of the microscanner. In particular, particularly flat implementations can also be achieved in this way, especially when all the springs run within the recess and the deflection plate and the springs lie essentially in a common plane (more precisely: in a “plate-shaped” spatial area of low thickness).
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. In some of the embodiments with a recess in the deflection plate, the microscanner also has optics for converting incident electromagnetic radiation into an emerging electromagnetic beam directed at the deflection element, the radial intensity profile of which occurs when it strikes the deflection element in such a way that a radial intensity maximum of the beam surrounds the recess on two opposite sides of the recess, in particular annularly.
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. In particular, the optics can have an axicon. Axicons are conical lenses that produce an annular radial beam profile. Ring mirrors in particular can be used particularly advantageously for laser projection tasks if an incident laser beam with a round, in particular circular, beam profile is first converted into a ring-shaped beam with the aid of a refracting, diffracting or reflecting axicon mirror plate falls and is also deflected biaxially as a ring-shaped beam. If you choose focusing optics in combination with the axicon and the ring mirror in such a way that the ring-shaped beams meet each other in a focus, then the beams can even interfere, which in the case of Bessel beams has the advantage of small focus diameters and a very high achievable optical Allow resolution of the projecting system.
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. In some embodiments, at least one of the N first springs is shaped in such a way, in particular in the form of an arc, that in its rest position its effective spring length between the deflection element and the spring support structure is greater than the minimum occurring distance between one, in particular each, of their coupling points on the deflection element on the one hand and one, in particular each, of their attachment points on the spring support structure on the other hand. In particular, multi-leg suspensions with a large spring deflection (stroke) and thus large deflections and thus in turn large observation fields can be achieved. In particular, the arrangement of the first springs can have a spiral shape (in particular similar to the spiral shape of a spiral galaxy).
Bei einigen Ausführungsformen weist die Federeinrichtung genau N = 2 erste Federn auf, die zusammen eine Zweibeinaufhängung des Ablenkelements an derIn some embodiments, the spring device has exactly N=2 first springs, which together form a bipod suspension of the deflection element on the
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. Form spring support structure. In particular, the arrangement of the two springs can again have a rotational symmetry. In addition to the particularly simple structure, the use of exactly two springs has the advantage that the precise positions and scanning frequencies (vibration frequencies) of the first and second vibration axes can be predetermined in a particularly simple and precise manner. In addition, right-angled observation fields can be realized particularly well with symmetrical bipod mounts, in particular with symmetrical bipod mounts.
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 zweitenIn some alternative embodiments, however, the spring device has N=4 first springs, these four first springs together forming a cross-shaped, in particular orthogonal, suspension of the deflection element on the spring support structure. Here, too, a relatively simple structure and an easy and precise determinability of the positions and scanning frequencies of the first and second
Schwingungsachsen von Vorteil. Vibration axes an advantage.
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. In some variants of these embodiments, any two of the (first) springs arranged in the shape of a cross, which can in particular be two of the four first springs located opposite one another within the framework of the cross-shaped suspension, form a respective spring pair of springs of the same spring stiffness, while the respective Distinguish spring stiffness for the first springs of the two pairs of springs. In this way, different scanning frequencies for the first axis of vibration on the one hand and the second axis of vibration on the other hand can be implemented particularly easily, in particular in the case of a rotationally symmetrical suspension.
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). In some embodiments, the support structure also has a support structure surrounding the deflection element at least on two sides and with respect to the first and second rotational oscillations of the deflection element, on which the deflection element is additionally suspended by means of a number M of second springs, where M>1 applies. The deflection element is thus suspended on the one hand by means of the N first springs on the spring support structure and on the other hand by means of the M second springs on the frame structure. In particular, M can be equal to N (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. In particular, these embodiments can facilitate a further differentiation of the different effective spring stiffnesses for the first and second axis of vibration and thus of their respective scanning frequency and their maintenance during the scanning process. The combination of the first and second springs makes it possible in particular to increase the effective overall stiffness of the spring suspension with respect to the affected axis of vibration while maintaining operation in the linear range and thus in particular to achieve even higher scanning frequencies on this axis of vibration. It is also advantageously possible, in particular, to choose the stiffness of the second springs to be lower than that of the first springs. In particular, it is necessary to maintain a certain frequency spacing between the scanning frequencies of the two vibration axes in order to achieve rectangular illumination, i.e. H. to be able to realize an, in particular approximately homogeneous, illumination of projection fields which are rectangular when viewed in cross-section relative to the optical axis. Despite the additional frame structure and the second springs, particularly small designs can be realized because the second springs can be shorter and/or less stiff than in the known solutions from the prior art.
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. In some of these embodiments, the suspension of the deflection element on the spring support structure by means of the N first springs defines the first axis of oscillation and the suspension of the deflection element by means of the M second springs on the frame structure defines the second axis of oscillation, at least predominantly in each case. The spring rigidities and thus the scanning frequencies for each of the two axes can be set or defined particularly easily by appropriate selection of the respective spring properties of the first springs on the one hand and the second springs on the other hand. In addition, it is particularly easy to implement axis-specific drives with one or more separate, assigned actuators per axis. The same applies to sensors for determining the position of the deflection element. In some embodiments, N > 2 and the deflection element extends between the respective coupling points of the N first springs such that it at least partially bridges the spring support structure. The coupling points can in particular also be end points of the respective springs. In this way, particularly compact designs of the microscanner and a particularly favorable (ie large) ratio of the available mirror area (for reflecting electromagnetic radiation) to the total area (in particular chip area) of the microscanner can be achieved. In particular, the deflection element can also be designed without a recess, since it is not necessary to accommodate the springs in the recess in order to achieve a compact design.
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. In some of these embodiments, the deflection element has a substrate designed as a deflection plate for deflecting the incident electromagnetic beam, which is connected by means of at least one bonded connection to one or more of the first springs or to an intermediate body arranged between one or more of the first springs on the one hand and the deflection plate on the other hand is. This has the advantage that during manufacture the deflection plate is manufactured separately from the substrate used to manufacture the first springs and, if applicable, the intermediate body, and can only subsequently be coupled to the spring suspension by means of the bonded connection. In particular, the bond connection can be: (i) an anodically produced bond connection, which is particularly suitable if glass and silicon can be connected to one another; (ii) a eutectic bond (e.g. Au-Au); (iii) a thermocompression bond; (iv) an immediate (direct) bond connection, in particular a laser-assisted direct bond connection; or (v) a glass frit bond, especially for large mirror diameters.
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. In some of the aforementioned embodiments with a frame structure and a deflection element bridging the spring support structure, the spring device also has a number K of third springs, where K>1 applies. In this case, every third spring is coupled on the one hand to the respective coupling point of an associated first spring or optionally to the intermediate body and on the other hand to the frame structure. In particular, the cases K=M and/or K=N are possible. The suspension of the deflection element on the frame structure is thus achieved on the one hand by the second springs and on the other hand by the third springs. In this way, in particular, an even further increase in the effective spring stiffness for the first and second vibration axis can be achieved, in particular for operation in Hook's (linear) range. Also, these embodiments expand the available design freedom and Configuration options when designing the microscanner due to the additional degrees of freedom (e.g. number, type and position of the additional third springs) even further. In addition, variants are possible in which the second springs are omitted and in particular those in which only the first and the third springs form the spring device.
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 relevantenIn some embodiments, the microscanner also has an encapsulation, by means of which at least the deflection element and the springs of the spring device are encapsulated in a hermetically sealed manner such that the deflection element in the encapsulation is capable of performing the oscillations and is oscillatingly suspended on the spring device. The encapsulation has an encapsulation section bridging the deflection element, through which the radiation to be deflected can be radiated into the spatial region encapsulated by the encapsulation and can be emitted again therefrom after it has been deflected at the deflection element. The encapsulation or the capsule section can in particular consist of a glass material or contain such a material which is relevant for the use of the microscanner
Spektralbereich für elektromagnetische Strahlung zumindest überwiegend, bevorzugt weitgehend, transparent ist. Spectral range for electromagnetic radiation is at least predominantly, preferably largely, transparent.
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. The use of such an encapsulation makes it possible in particular to reduce the pressure in the hermetically sealed, encapsulated spatial area, in particular to evacuate this spatial area in order to reduce or even largely eliminate gas friction losses, in particular air friction losses, or other disturbances in the oscillations of the deflection element. This is particularly advantageous when using the microscanner for Lissajous display applications when the deflection element and its spring suspension are not operated in ambient air but at reduced pressure, especially in a vacuum, because this reduces the friction losses due to the air damping in a very efficient manner can be circumvented and as a result the microscanner can, for example, achieve vibration amplitudes that are up to 100 times greater than in air at atmospheric pressure. Accordingly, the achievable optical resolution can also be correspondingly increased, for example by a factor of up to 100, in one or each of the first and second vibration axes.
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. In some of these embodiments, the capsule portion has a dome (dome) shape, a planar shape, or a right-angle U-shaped cross-section. The dome-shaped shape has the particular advantage that incident and emerging electromagnetic radiation, especially laser beams, through the Wiring hardly be distracted. Insofar as incident beams are reflected on the dome-shaped capsule section, this usually takes place in a different direction than the direction of the emerging beam reflected on the deflection element, so that unwanted interactions or superimposition of the beams can be effectively avoided here. The planar shape and the cross-sectionally U-shaped shape, on the other hand, are distinguished in each case by their particularly simple manufacturability and handling during production of the microscanner. The rectangular U-shaped cross-section can also offer the advantage that any intermediate layers (spacer layers) that would otherwise be required in the substructure of the encapsulation for the formation of a spatial area enclosed by the encapsulation that is large enough for the movement of the deflection element are avoided or in number or Thickness can be reduced.
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. In some of these embodiments with encapsulation, the capsule section is mounted on a first layer stack that contains a first layer sequence that corresponds to a second layer sequence of a second layer stack in terms of the order, the material and/or the thickness of the individual layers of the first layer sequence which the combination of the deflection element, the spring means (at least the first springs) and the spring support structure is manufactured. This allows a particularly efficient manufacturing process, since the first layer stack and the second layer stack can be manufactured as sections of a single common layer stack and can only receive their respective form and associated functionality as part of the structuring of the common layer stack.
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 T rägersubstrat, 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. In some embodiments, the quality factor, ie Q-factor, of the microscanner with regard to at least one of the two oscillations is at least 1000. This can be done in particular in connection with embodiments with an encapsulation, in particular with a gas pressure or vacuum within the encapsulated by the encapsulation that is reduced compared to the atmospheric pressure can be achieved indoors. In this way, in particular, a further improvement in performance can be achieved. In some embodiments, the microscanner further includes: (i) a support substrate supporting the cantilever structure; and (ii) an actuator for driving the first oscillation and/or the second oscillation of the deflection element. In this case, the actuator is mechanically coupled to the carrier substrate in order to mechanically act on it during operation of the microscanner and thereby indirectly drive the deflection element at least via the spring carrier structure and the first springs for driving its first and/or second oscillations. In particular, these embodiments make it possible to dispense with actuators specific to the oscillation axis for driving the oscillations of the microscanner and thus to design the oscillatable components or sections of the microscanner (deflection element, springs) as purely passive components, which then in particular do not require any power or signal supply.
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. In some of these embodiments, the actuator is arranged so adjacent to a cavity in the carrier substrate or another substrate connected to the actuator, in particular a carrier or base substrate of the microscanner, that during its operation it at least partially moves into the cavity can execute. In this way, particularly space-saving, compact designs can be implemented while maintaining a high effective drive power of the actuator with respect to the deflection element and large possible deflections. In some of the aforementioned embodiments with an actuator, the latter is also designed as a sensor device for detecting the instantaneous position of the deflection element using sensors, or as part of such a sensor device. In particular, the actuator can have a piezoelectric actuator, which also serves as an electrode of a sensor arrangement based on electrical capacitance measurement.
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. In some embodiments, one or more actuators or sensors are provided on the spring support structure or the spring device, which are connected to one or more signal or power supply lines, which run at least in sections through one or more openings (channels) provided in the spring support structure.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Mikroscanner so konfiguriert, dass für das Frequenzverhältnis der Resonanzfrequenz T bezüglich der schnelleren der beiden Schwingungsachsen zur Resonanzfrequenz f2 bezüglich der langsameren der beiden Schwingungsachsen gilt: fi/f2 = F + v, wobei F eine natürliche Zahl ist (F = 1,2,3,...) ist und für die Verstimmung v gilt: v = (T-f2)/f2 mit (f 1 -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. In some embodiments, the microscanner is configured such that the frequency ratio of the resonant frequency T with respect to the faster of the two vibration axes to the resonant frequency f2 with respect to the slower of the two vibration axes is: fi/f2 = F + v, where F is a natural number (F = 1,2,3,...) and for the detuning v the following applies: v = (T-f2)/f2 with (f 1 -f2) < 200 Hz, where v is not an integer. In some embodiments, the microscanner has an actuator system with one or more actuators for driving the first and second oscillations, the actuator system being configured such that it can set the deflection element into a double-resonant oscillation with respect to the first and second oscillation axis. The actuator system can in particular have or consist of one or more of the actuators described in the previous embodiments.
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 fi bezüglich der schnelleren der beiden Schwingungsachsen zur Schwingungsfrequenz f2 bezüglich der langsameren der beiden Schwingungsachsen gilt: fi/f2 = F + v, wobei F eine natürliche Zahl ist (F = 1,2,3,...) und für die Verstimmung v gilt: v = (fi-f2)/f2 mit (f 1 -f2) < 200 Hz, wobei v nicht ganzzahlig ist. Es ergibt sich somit hier ein Frequenzverhältnis fi/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. In some of these embodiments, the actuator system is configured in such a way that it can cause the deflection element to oscillate simultaneously with respect to the first and second axis of oscillation in such a way that the frequency ratio of the oscillation frequency fi with respect to the faster of the two axes of oscillation to the oscillation frequency f2 with respect to the slower of the two axes of oscillation applies : fi/f2 = F + v, where F is a natural number (F = 1,2,3,...) and for the detuning v applies: v = (fi-f2)/f2 with (f 1 -f2 ) < 200 Hz, where v is not an integer. The result here is a frequency ratio fi/f2 close to 1, 2, 3 or 4, etc. In the above cases, the detuning v can be achieved with detuning v in particular in such a way that only one of the two oscillation frequencies or both each of the respective resonant frequency to the associated vibration axis differs or differ. The detuning v compared to an integer frequency ratio plays a major role, because this detuning of the frequency determines how fast the Lissajous trajectory moves spatially. With an integer ratio, the detuning is equal to zero and the trajectory is stationary and reproduces itself in this form constantly. In the case of a non-integer detuning v > 0, on the other hand, the trajectory begins to wander, and within a certain interval the faster the larger the detuning v is compared to the integer ratio. The speed at which the trajectory moves can advantageously be chosen so that a certain trajectory repetition rate (complete phase cycles/time), for example from the frequency range from 30 Hz to 100 Hz, is set with which the trajectory is reproduced or under ideal undisturbed conditions conditions reproduced. (As an explanation: Exact reproduction is often not possible, especially when using phase-locked loops or other control loops. Nevertheless, the advantages of a favorably selected detuning and an associated favorable rate of advance of the trajectory remain). On the basis of a detuning v selected in this way, it is also possible in particular to achieve an improved line density, ie an increased line density at least on average over time. A second aspect of the invention relates to a method for producing a microscanner according to the first aspect. The method has the following steps or processes: (i) providing a plate-shaped substrate, in particular a semiconductor substrate, with two opposite main surfaces; (ii) structuring the substrate from a first of the main surfaces to at least partially form the deflection element, the support structure and the spring device; (iii) Selective, at least partial exposure of the deflection element formed by means of the structuring and the spring device from the other main surface; and (iv) fastening the microscanner arrangement resulting from the exposure to a carrier substrate.
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. In particular in the case of a semiconductor substrate, the structuring and exposure can take place using known MEMS production technologies, in particular semiconductor chip production technologies, using (photo)lithography in conjunction with a suitable etching process.
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. In some embodiments, the method can also have at least one of the following steps or processes: (v) applying a reflective layer to a surface section provided for forming the deflection element on a main side of the substrate, in particular on the first main side; (vi) hermetically encapsulating the microscanner assembly mounted on the carrier substrate by means of an encapsulation; (vii) bonding of at least two adjacent substrates within a layer stack used to build up the microscanner by means of an anodic, eutectic or direct bonding method or a thermocompression method; (viii) Creation of one or more actuators or sensors on the spring support structure or the spring device and creation of one or more signal or power supply lines, which run at least in sections through one or more openings provided in the spring support structure and to which the actuators or sensors are connected. The sequence of processes (v) to (viii) specified here is not to be understood as a mandatory actual process sequence. Rather, the individual processes, if any, can be implemented in a different order. For example, it is appropriate to run process (v) before process (i) and process (viii) before process (vi). Further advantages, features and application possibilities of the present invention result from the following detailed description in connection with the figures.
Dabei zeigt: Fig. 1 schematisch eine Aufsicht auf einen zweiachsigen, kardanisch (d.h. mit Gimbal) aufgehängten Mikrospiegel mit Kammantrieben gemäß einer aus der EP 2 514211 B1 bekannten Mikroscanner-Architektur; 1 shows a schematic plan view of a two-axis, gimballed (i.e. with a gimbal) suspended micromirror with comb drives according to a microscanner architecture known from EP 2 514211 B1;
Fig. 2 schematisch eine Aufsicht auf einen zweiachsigen gimballos aufgehängten Mikrospiegel gemäß einer ersten aus der US 8,711,456 B2 bekannten Mikroscanner- Architektur; 2 shows a schematic top view of a two-axis micromirror suspended without gimballs according to a first microscanner architecture known from US Pat. No. 8,711,456 B2;
Fig. 3 schematisch eine Aufsicht auf einen weiteren zweiachsigen gimballos aufgehängten Mikrospiegel gemäß einer zweiten aus der US 8,711,456 B2 bekannten Mikroscanner-Architektur; 3 shows a schematic top view of a further two-axis micromirror suspended without gimballs according to a second microscanner architecture known from US Pat. No. 8,711,456 B2;
Fig. 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; 4 shows a schematic top view of yet another two-axis micromirror suspended without gimballs according to a third microscanner architecture known from US Pat. No. 8,711,456 B2;
Fig. 5 schematisch einen Mikroscanner gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; 5 schematically shows a microscanner according to a first embodiment of the invention;
Fig. 5A schematisch eine Variante des Mikroscanners aus Fig. 5, bei der insbesondere die ersten Federn nicht entlang der Hilfsebene verlaufen; FIG. 5A shows a schematic of a variant of the microscanner from FIG. 5, in which, in particular, the first springs do not run along the auxiliary plane;
Fig. 6 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere eine einzige erste Feder vorgesehen ist; 6 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular a single first spring is provided;
Fig. 7 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere mehrere erste Federn mit vergrößerter Federlänge und aufgebrachtem Aktuator vorgesehen sind; 7 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which, in particular, a plurality of first springs with an increased spring length and applied actuator are provided;
Fig. 8 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere eine Dreibeinaufhängung aus ersten Federn in Spiralform vorgesehen ist; Fig. 9 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere eine Zweibeinaufhängung aus ersten Federn in Spiralform vorgesehen ist; 8 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which, in particular, a tripod suspension made of first springs in a spiral form is provided; 9 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular a bipod suspension made of first springs in spiral form is provided;
Fig. 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; 10 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular two crossed pairs of springs made up of first springs are provided, with the spring stiffnesses of the two pairs of springs differing;
Fig. 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; Fig. 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; 11 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular an outer frame and second springs running between the frame and the deflection element are additionally provided; 12 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular the first springs at least predominantly define the spring stiffness for a first axis of vibration and the second springs at least predominantly define the spring stiffness for a second, orthogonal axis of vibration;
Fig. 13 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der das Ablenkelement als die ersten Federn überbrückendes separates Substrat ausgebildet ist; 13 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which the deflection element is designed as a separate substrate bridging the first springs;
Fig. 13A den Mikroscanner aus Fig. 13 zu einem Zeitpunkt während seines Betriebs; FIG. 13A shows the microscanner of FIG. 13 at a point in time during its operation;
Fig. 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; 14 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular a further outer frame and third springs running between this further frame and the deflection element bridging the first springs are additionally provided;
Fig. 14A den Mikroscanner aus Fig. 14 zu einem Zeitpunkt während seines Betriebs; FIG. 14A shows the microscanner of FIG. 14 at a point in time during its operation;
Fig. 15 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere eine mittels eines kuppelförmigen Kapselabschnitts ausgebildete Verkapselung vorgesehen ist; 15 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular an encapsulation formed by means of a dome-shaped capsule section is provided;
Fig. 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; Fig. 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; Fig. 18 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere eine mittels eines planaren Kapselabschnitts ausgebildete Verkapselung vorgesehen ist; 16 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which one or more cavities are provided in particular in the carrier substrate to enlarge the spatial area available for the oscillations of the deflection element; 17 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which an additional support structure is provided as a spacer in the layer structure carrying the capsule section, in particular to further increase the spatial area available for the oscillations of the deflection element; 18 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular an encapsulation formed by means of a planar capsule section is provided;
Fig. 19 bis Fig. 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; 19 to 23 each show a microscanner according to further embodiments of the invention, in which in particular an encapsulation designed by means of a capsule section with a U-shaped cross section and a planar cover plate is provided;
Fig. 24 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere auf der dem Ablenkelement abgewandten Hauptseite des24 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which, in particular, on the main side of the
Trägersubstrats ein auf einem weiteren Substrat befestigter Aktuator zum Antrieb des Mikroscanners und eine dem Aktuator benachbarte Kavität in dem weiteren Substrat vorgesehen sind; carrier substrate, an actuator mounted on a further substrate for driving the microscanner and a cavity adjacent to the actuator are provided in the further substrate;
Fig. 25 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere auf der dem Ablenkelement abgewandten Hauptseite des25 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which, in particular, on the main side of the
Trägersubstrats ein auf einem weiteren Substrat befestigter Aktuator zum Antrieb des Mikroscanners und eine dem Aktuator benachbarte Kavität in dem Trägersubstrat vorgesehen sind; carrier substrate, an actuator fastened on a further substrate for driving the microscanner and a cavity adjacent to the actuator are provided in the carrier substrate;
Fig. 26 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere auf der dem Ablenkelement abgewandten Hauptseite des26 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which, in particular, on the main side of the
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; carrier substrate, an actuator mounted on a further substrate for driving the microscanner and a cavity adjacent to the actuator are provided in the carrier substrate, the cavity extending in sections beyond the end of the actuator;
Fig. 27 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere ein oder mehrere Aktuatoren innerhalb des durch einenFig. 27 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which in particular one or more actuators within the by a
Kapselabschnitt eingekapselten Raumbereichs vorgesehen sind; Fig. 28 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die Federträgerstrukur zugleich eine Antriebseinrichtung des Mikroscanners darstellt; Capsule section encapsulated space area are provided; 28 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which the spring support structure also represents a drive device of the microscanner;
Fig. 29 einen Mikroscanner gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere eine Optik zur Strahlaufspaltung ein einen Strahl mit ringförmigem Intensitätsprofil vorgesehen ist; 29 shows a microscanner according to a further embodiment of the invention, in which, in particular, optics are provided for beam splitting into a beam with a ring-shaped intensity profile;
Fig. 30 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Mikroscanners; und 30 shows a first embodiment of a method according to the invention for producing a microscanner; and
Fig. 31 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Mikroscanners mit elektrischen Anschlüssen für elektrische Bauteile, insbesondere Aktuatoren oder Sensoren. 31 shows a second embodiment of a method according to the invention for producing a microscanner with electrical connections for electrical components, in particular actuators or sensors.
Zunächst werden nun unmittelbar nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 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. First of all, various microscanner architectures known from the prior art are briefly described below with reference to FIGS.
In Fig. 1 ist in einer schematischen Draufsicht eine aus der EP 2 514211 B1 bekannte Mikroscanner-Architektur 100 mit einem zweiachsigen (orthogonale Schwingungsachsen Ai 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 Fig. 3) hinzugefügt und die Bezugszeichen wurden angepasst. In Fig. 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 Fig. 2) wurden in Fig. 2 die Bezugszeichen angepasst und ergänzt. 1 shows a schematic top view of a microscanner architecture 100 known from EP 2 514211 B1 with a two-axis (orthogonal vibration axes Ai and A2), cardanically suspended micromirror 105 (mirror plate). Electrostatic off-axis comb drives 110 and on-axis comb drives 115 are also shown, which can also be used as sensor electrodes. The mirror plate 105 is suspended in a movable frame 125 by internal torsion springs 120 , which is suspended in a fixed chip frame 135 by external torsion springs 130 . The frame 125 can be made to resonate by electrostatic comb drives 140, the representation of comb electrodes that are also present close to the axis for driving or sensor purposes of the movable frame 125 being omitted for the sake of clarity. The vibration axes A1 and A2 shown were added to the figure taken from EP 2 514 211 B1 (cf. FIG. 3 there) for better illustration, and the reference numbers were adapted. A further microscanner architecture 200 known from US Pat. No. 8,711,456 B2 is illustrated in a schematic plan view in FIG. 2, which represents a variant of the so-called “MiniFaros” type for a micromirror. The suspension is the Mirror plate 205 realized in the form of a tripod suspension by three arc springs 210, which are each connected at one of their respective ends 215 to the mirror plate 205 and at their respective other end 220 to the torsion-resistant, solid chip frame 225. In addition, each of the springs 210 is attached to a position rotated 120° from a corresponding position of the adjacent springs about the center of the mirror plate 205. Comb drives 230 are provided to drive mirror movement and act on the springs 210 to deflect them. Between the springs and the chip frame 225 and the mirror plate 205 there are clearances 235 which allow the springs 210 to oscillate. For better illustration of the figure taken from US Pat. No. 8,711,456 B2 (cf. FIG. 2 there), the reference numbers in FIG. 2 have been adapted and supplemented.
In Fig. 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 Fig. 3) wurden die Bezugszeichen angepasst und ergänzt. 3 shows a schematic top view of another microscanner architecture 300 known from US Pat. No. 8,711,456 B2, which represents another variant of the “MiniFaros” type for a micromirror. The suspension of the mirror plate 305 is implemented in the form of a bipod suspension by two arc springs 310, which are each connected to the mirror plate 305 at one of their respective ends 315 and to the torsion-resistant, solid chip frame 325 at their respective other end 320. In addition, each of the springs 310 is attached to a position rotated 180° from the corresponding position of the other spring 310 about the center of the mirror plate 305 . Comb drives 330 are provided to drive mirror movement and act on the springs 210 to deflect them. Between the springs 310 and the chip frame 325 and the mirror plate 305 there are clearances 335 which allow the springs 310 to oscillate. For better illustration of the figure taken from US Pat. No. 8,711,456 B2 (cf. FIG. 3 there), the reference numbers have been adapted and supplemented.
In Fig. 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 Fig. 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. A further microscanner architecture 400 known from US Pat. No. 8,711,456 B2, which represents a variant of the “KOLA” type for a micromirror, is illustrated in a schematic plan view in FIG. The suspension of the mirror plate 405 is implemented in the form of a two-leg suspension by a plurality of arc springs 410, in the example four, which are each connected at one of their respective ends 415 to the mirror plate 405 and at their respective other end 420 to the torsion-resistant, solid chip frame 425 . In addition, each of the springs 410 is mounted in a position rotated 90° about the center of the mirror plate 405 from a corresponding position of the neighboring springs. For better illustration of the figure taken from US Pat. No. 8,711,456 B2 (cf. FIG. 4 there), the reference numbers have been adapted and supplemented. All of these previously known microscanner architectures 100 to 400 have in common that the respective micromirror plate 105, 205, 305 or 405 is suspended exclusively from the outside by between an external torsion-resistant chip frame 125, 225, 325 or 425 and the micromirror plate 105, 205 , 305 and 405 running springs 110, 210, 310 and 410 takes place. Therefore, in none of these previously known microscanner architectures are there three points on the deflection element 105, 205, 305 or 405 that define a Euclidean auxiliary plane in its rest position and span a surface or straight line section enclosed by the connecting straight line between the three points in the auxiliary plane , on which each of the attachment points (e.g. 215, 315 or 415) of the springs, or its respective perpendicular projection onto the auxiliary plane, lies.
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 Figuren 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 Figur 28) eine Querschnittsansicht senkrecht zur Bildebene und entlang der Achse Ai 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. Consequently, the space or surface requirement of the microscanner 100, 200, 300 or 400 in the mirror plane is significantly higher than the space or surface requirement for the respective micromirror plate 105, 205, 305 or 405 itself medium and larger mirror diameters on the outside of the mirror plate carry out very large amplitudes from the chip level, which in order to achieve the performance goals mentioned require high stress values in the suspension and can therefore easily lead to overstressing of the material, especially the spring material. Various exemplary embodiments of microscanner architectures according to the invention are now explained below with reference to FIGS. Some of these figures each contain two sub-figures (A) and (B), with the respective sub-figure (A) being a top view and the respective associated sub-figure (B) (except for Figure 28) being a cross-sectional view perpendicular to the plane of the image and along the axis Ai of the represent the embodiment shown in the respective figure. The actuators 545, which are regularly used to drive the respective microscanner, are only shown in some of the figures, in particular when their position or shape is particularly relevant for the design of the respective microscanner.
Fig. 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. 5 shows a first exemplary embodiment 500 of a microscanner. Microscanner 500 has an annular mirror plate as deflection element 505, which is suspended via N=4 (first) springs 510—chosen here as an example—on a centrally arranged post that serves as spring support structure 515 and is supported by a support substrate 530, which in particular is a higher Has torsional and bending stiffness than the springs 510. The spring support structure 515 can already represent a complete support structure for the deflection element 505 here. Of the Post 515 has two different layers 515a and 515b, with layer 515a being fabricated from the same substrate as first springs 510 and mirror plate 505. Each of the (first) springs 510 extends between an associated attachment point 520 (each marked by a diamond). shown) on the spring support structure 515 on the one hand and an associated coupling point 525 (each marked by a small annulus) on the inner edge of the annular deflection element 505 ” in the deflection element 505. It can in particular be designed as a continuous opening or just as a depression.
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 Ai bzw. A2 des Ablenkelements 505 festlegt. Im gezeigten Beispiel der Fig. 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. Two of the faults 510 lying opposite one another with respect to the spring support structure 515 form a pair of springs, which in particular defines the direction and the oscillation frequency and thus the scanning frequency of an associated oscillation axis Ai or A2 of the deflection element 505 . In the example shown in Fig. 5, the two pairs of springs are arranged orthogonally to one another, so that when deflection element 505 is in the rest position, in which no significant other forces act on the deflection element apart from gravity and the spring forces of springs 510 and the latter is at rest, between an angle of, at least essentially, 90° occurs for every two adjacent springs. However, other arrangements of the springs 510 are also possible, in which instead other angles occur between respectively adjacent springs.
Zur besseren Erläuterung des Mikroscanners 500 sind in der Teilfigur (A) der Fig. 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. Fig. 5A zur weiteren Erläuterung) auf, die insbesondere mit einer Oberfläche des Ablenkelements 505 bzw. in Fig. 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 Fig. 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. For a better explanation of the microscanner 500, three exemplary points 535a to 535c, each located on the deflection element 505, are also marked in subfigure (A) of FIG. 5 by means of felt black circles. The points 535a to 535c span an auxiliary plane H (cf. FIG. 5A for further explanation), which can in particular coincide with a surface of the deflection element 505 or in FIG. 5 with the plane of the drawing. In this auxiliary plane H, the points 535a to 535c also span a triangular surface D as a surface section on the auxiliary plane H by means of their respective straight connecting lines 540, which in each case connect two of the points. All attachment points 520 (or their perpendicular projections onto the auxiliary plane H) lie within this surface section D, so that the previously described central suspension of the deflection element 505 on the spring support structure 515 results. A different choice of three points 535a to 535c on the deflection element 505, which fulfill the aforementioned condition, is also possible. In particular, in the microscanner 500 the springs 510 (or their perpendicular projection onto the auxiliary plane H) extend here within the circular recess 505c in the deflection element 505, which defines its annular shape on the inside (or within its perpendicular projection onto the auxiliary plane H). While in Fig. 5 both the deflection element 505 and the post-shaped spring support structure 515 each have rotational symmetry, here even circular symmetry, and the spring support structure 515 is also arranged centrally relative to the deflection element 505, so that the respective symmetry axes of at least the deflection element 505 and the spring support structure 515 coincide, other variants are also possible without or with a different, in particular smaller, number of such symmetries.
Die weiteren nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen eines Mikroscanners gehen von dem Mikroscanner 500 aus Fig. 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 Figur 5 verwiesen wird. Dabei werden in den Figuren ab Figur 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. The further embodiments of a microscanner described below are derived from the microscanner 500 from FIG. 5 by addition or modification, so that in the following only such differences will be discussed in detail, while otherwise reference is largely made to the previous description of FIG. In the figures from FIG. 5, the same reference numbers are used throughout for the same or corresponding elements of the various embodiments illustrated in these figures, so that repeated descriptions of identical or corresponding elements are usually unnecessary. Insofar as they are not mutually exclusive, two or more of the embodiments described below or their respective differentiating technical aspects (e.g. encapsulation, actuator arrangement, imaging optics, etc.) can also be combined.
Fig. 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 Fig. 5, Teilfigur (A), dargestellt. Fig. 5A illustrates a schematic cross-sectional view of an embodiment related to the microscanner 500, in which the first springs 510, in particular their attachment points 520 on the spring support structure 515, are not in the auxiliary plane spanned by the three points 535a, b, c on the deflection element 505 H lie. In the present example, a Y-shaped arrangement of the combination of spring support structure 515 and the first springs 510 results in cross section instead Auxiliary plane H spanned surface section D, as shown in Fig. 5, sub-figure (A).
In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform 600 eines Mikroscanners illustriert, bei dem im Unterschied zu Mikroscanner 500 aus Fig. 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 Ai 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. Fig. 5A) liegt. 6 illustrates a further embodiment 600 of a microscanner, in which, in contrast to microscanner 500 from FIG. The single spring 510 in turn extends between an attachment point 520 on the spring support structure 515, which has two stacked layers 515a and 515b, and a coupling point 525 on the inside of the circular ring-shaped deflection element 505. The deflection element 505 has at least one of its ring surfaces on an additional mirror layer 505a as a reflection surface, which in particular as a deposited metal layer, for example aluminum or chromium. The spring 510 acts primarily as a bending spring with respect to the axis of oscillation Ai and primarily as a torsion spring with respect to the second axis of oscillation A2. An auxiliary plane H is in turn spanned by three points 535a to 535c and a triangular surface section D is spanned therein by the straight connecting lines 540 between the points 535a to 535c, in which the starting point 520 or its projection onto the auxiliary surface H (cf. Fig. 5A) located.
Während in Fig. 5 keine Aktuatoren zum Antrieb der Oszillationen des Ablenkelements dargestellt wurden, sind in Fig. 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 Ai 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. While no actuators for driving the oscillations of the deflection element were shown in FIG. 5 , two strip-shaped piezo actuators 545 placed on the spring 510 are shown in FIG. You can cause the spring 510 to oscillate two-dimensionally when the piezo actuators are activated accordingly, in order to cause simultaneous oscillations of the deflection element 505 around the first axis of oscillation Ai on the one hand and around the second axis of oscillation A2 on the other with assigned individual oscillation or scanning frequencies. This enables a Lissajous projection of an electromagnetic beam, in particular a light beam, falling on the deflection element 505, more precisely on its mirror surface 505a, into an observation field.
Fig. 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. 7 shows a further embodiment 700 of a microscanner that has a mirror suspension in which the deflection element 505 that has a ring mirror 505 is oriented inward and suspended from the spring support structure 515 with two spring legs that are initially separate in sections. Immediately before the two spring legs merge into the central post of the spring support structure 515, they combine to form a single (first) spring 510. The example particularly illustrates the possibility of using the central area (recess) in the center of the deflection element 505 efficiently for the spring suspensions can.
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. The possibility of being able to guide the springs around the central post 515 makes it possible, in particular, to realize relatively long and wide springs 510, which advantageously allow both high spring stiffness and thus high resonance frequencies, as well as large deflections at the same time, what for many display solutions is very beneficial. In this example, the two separate spring legs are each fitted with a piezo bending actuator 545, so that the springs 510 and thus also the deflection element 505 can be excited to oscillate. Each piezo bending actuator 545 has a layer stack made up of a piezoceramic layer 560 located between two electrodes 555 and 565 and is attached to the associated spring 510 by means of a suitable bonding material 550 .
In den Figuren 8 und 9 sind zwei weitere Ausführungsformen 800 bzw. 900 eines Mikroscanners illustriert, bei dem im Unterschied zu Mikroscanner 500 aus Fig. 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. In Figures 8 and 9, two further embodiments 800 and 900 of a microscanner are illustrated, in which, in contrast to microscanner 500 from Fig. 5, a plurality of spirally arranged (first) springs 510 for suspending the deflection element 505 on the spring support structure 515 carried by the support substrate 530 are provided. Microscanner 800 has a tripod suspension made up of three rotationally symmetrically arranged and similar (first) springs 510 , while microscanner 900 has a two-leg suspension made up of only two rotationally symmetrically arranged similar (first) springs 510 . Both embodiments 800 and 900 are characterized by spring lengths that are significantly longer than the respective straight-line distance between the respective attachment points 520 and coupling points 525 of the springs 510. This makes it particularly easier to move the springs in their linear (hook' schen) operating range when the microscanner 800 or 900 is in operation. The microscanner 900 also has the advantage that the exact positions of the vibration axes A1 and A2 can be easily determined in advance and they are essentially independent of the vibration frequencies used.
Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform 1000 eines Mikroscanners, der weitgehend dem Mikroscanner 500 aus Fig. 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. FIG. 10 shows a further embodiment 1000 of a microscanner, which largely corresponds to the microscanner 500 from FIG. 5, but differs therefrom in that one of the two spring pairs, here for example the spring pair 510b, has a different spring stiffness than the other spring pair 510a. The two springs of each pair of springs 510a and 510b, on the other hand, are preferably the same with regard to their spring stiffness, in particular overall. In this embodiment, different oscillation or scanning frequencies for the two axes A1 and A2 can be defined particularly easily by means of targeted selection of the different spring stiffnesses, without the design of the scanner beyond the springs 510a and 510b necessarily having to be modified.
Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform 1100 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 1000 aus Fig. 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. FIG. 11 shows a further embodiment 1100 of a microscanner, which has emerged from the microscanner 1000 from FIG. 10 in that, as an additional Element of the support structure, a frame structure is provided with a (first) rigid outer frame 575, on which the deflection element 505 is additionally, in particular - suspended along a vibration axis A1, with second springs 570 - as shown here. The (first) outer frame 575 can in particular be carried by a support structure 580 which is made from the same substrate as the layer 515b of the spring support structure 515. This embodiment 1100 in particular allows a further differentiation of the available spring rigidities and thus scanning frequencies. This is relevant in particular with regard to a right-angled illumination of the observation field, where it is particularly important that a set frequency spacing between the scanning frequencies of the two vibration axes A1 and A2 is maintained during operation of the microscanner.
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. Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform 1200 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 1100 aus Fig. 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 Ai, 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 Ai und A2 jeweils separate Aktuatoren oder Aktuatorengruppen 545a bzw. 545b vorzusehen, sodass jede Schwingungsachse besonders einfach individuell angesteuert werden kann. Compared to the microscanners known from the prior art with mirror suspensions exclusively on an outer frame, smaller designs can be implemented for the microscanner 1100 despite the (first) outer frame 575 also being present here, since the linearity requirements and requirements for high spring stiffness are already largely met can be realized by the internal first springs 510. The second springs 570 can thus be selected to be shorter and do not always have to be operated in the linear range themselves in order to still enable reliable and high-frequency operation of the microscanner. Rather, the spring effects of the first springs 510a and the second springs 570 complement each other to form a combined spring effect, in particular when the springs 510a and 570, as shown here, run essentially along the same direction, in particular the axis of oscillation, so that the resulting effective spring properties continue to be predominantly determined by the inner first springs 510a, but are also influenced by the spring properties of the outer second springs 570. This allows in particular an increase in design freedom compared to a solution with only first springs 510a, b. Fig. 12 shows a further embodiment 1200 of a microscanner, which has emerged from the microscanner 1100 from Fig. 11 in that, on the one hand, instead of the first springs 510a and 510b of the microscanner 1100 arranged in the form of a cross, N=4 first springs 510 are now provided , which are arranged in two pairs of springs running side by side, the pairs of springs running essentially along a first of the two axes of vibration, here the axis A2. Similarly, the second springs 570 of the micro scanner 1100 are at micro scanner 1200 replaced by two pairs of springs, which run side by side at least substantially along the other of the two axes of vibration, here the axis Ai. The pairs of springs from the first springs 510 thus run, at least approximately, orthogonally to the pairs of springs from the second springs 570. Instead of the arrangement of the pairs of springs shown here, non-parallel arrangements of the pairs of springs of the first springs 510 or the pairs of springs of the second springs 570 are also conceivable , The respective arrangement is preferably designed in such a way that the respective assigned axis of vibration represents an axis of symmetry for the arrangement of the first springs 510 and the second springs 570. With microscanner 1200, it is particularly possible, as illustrated, to provide separate actuators or actuator groups 545a and 545b for driving the two vibration axes Ai and A2, so that each vibration axis can be controlled individually in a particularly simple manner.
Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform 1300 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 1100 aus Fig. 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. Fig. 13 shows a further embodiment 1300 of a microscanner, which has emerged from the microscanner 1100 from Fig. 11 in that instead of a ring-shaped deflection element 505, which is arranged in the microscanner 1100 in the same layer as the first springs 510 and the second springs 570 , a separate mirror plate is provided as a deflection element 515 in a further layer parallel thereto. The mirror plate 515 can in particular have the shape of a circular area or another shape without cutouts. It is preferably separated from the first springs 510 by at least one intermediate layer 505b, so that the first springs 510 have sufficient space available for their oscillations without hitting the mirror plate 505 in the process. The intermediate layer 505b can in particular be regarded as a component of the deflection element 515 and can rest on a fastening section 585 provided between the first springs 510 and the second springs 570 .
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 Figur 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. The microscanner 1300 is characterized in particular by a further compact form factor, in which the size ratio of its reflection surface to the overall surface of the microscanner can be designed particularly favourably. The various layers of this microscanner architecture can in particular each be provided by a semiconductor wafer or another substrate, in which case the various structured substrates can then be connected in particular by means of one or more bond connections to form the microscanner architecture. FIG. 13A shows the same embodiment 1300 of a microscanner again, however, in particular in partial figure (B), during its operation, so that the different spring designs that occur can be seen. In particular, it can be seen that, according to preferred variants, the spring stiffness of the first springs 510 can be higher than that of the second springs 570.
Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform 1400 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 1300 aus Fig. 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. Fig. 19). Fig. 14 shows a further embodiment 1400 of a micro-scanner, which has emerged from the micro-scanner 1300 of FIG further (second) outer frame 595 of the frame structure, which can be fastened in particular via an intermediate element 590 in an intermediate layer on the (first) outer frame 575. The third springs 605 preferably run parallel to the second springs 570, at least when the microscanner 1400 is in the rest position, although this does not necessarily have to be the case. In particular, the addition of the third springs 605 enables an even further increase in the overall spring stiffness of the suspension of the deflection element 505 caused by the combination of the first, second and third springs, in particular in the linear spring range, and also enables even greater design freedom when designing the microscanner. This can be used in particular to generate a wide variety of effective total spring stiffnesses through the combination of the different springs 510, 570 and 605 and thus in particular the high scanning frequencies above, as a rule, at least 20 kHz, often up to 100 kHz and above, which are desired for many applications. for the microscanner 1400 to achieve. In some variants—not shown here—the second springs 570 can also be omitted in favor of the third springs 605 (cf. FIG. 19).
Die Figur 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. FIG. 14A shows the same embodiment 1400 of a microscanner again, however, in particular in sub-figure (B), during its operation, so that the different spring designs that occur can be seen. In particular, it can be seen that, according to preferred variants, the spring stiffness of the first springs 510 can be higher than that of the second springs 570 and the third springs 605.
Fig. 15 zeigt eine weitere Ausführungsform 1500 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 1400 aus Fig. 14 dadurch hervorgegangen ist, dass zusätzlich durch Aufsetzen eines dom- 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 Li 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 l_2 gewandelt werden, die den Mikroscanner 1500 wiederum durch den Kapselabschnitt 610 in Richtung des gewünschten Beobachtungsfelds verlassen können. Fig. 16 zeigt eine weitere Ausführungsform 1600 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 500 aus Fig. 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. Fig. 15 shows a further embodiment 1500 of a microscanner, which has emerged from the microscanner 1400 from Fig. 14 in that a dome or dome-shaped capsule component 610 (“capsule section”) is additionally placed on the second outer frame 595 and a hermetically sealed encapsulation was generated. The encapsulation encloses an evacuated spatial area 615 in which the deflection element 505 suspended resiliently on the support structure is located and can carry out its oscillations almost without air friction due to the evacuation. The capsule section 610 is largely transparent, at least in sections, to incident electromagnetic radiation in a wavelength range corresponding to the desired working range of the microscanner 1500 and can in particular have a glass material or be formed entirely from it. In this way, incident electromagnetic rays Li can reach the deflection element 505 essentially undisturbed and, due to the dome shape of the capsule section 610, also with only slight deflections, through the capsule section 610 and can be converted there in terms of optical imaging by reflection at the deflection element 505 into corresponding emerging rays l_2 , which in turn can leave the microscanner 1500 through the capsule section 610 in the direction of the desired field of view. FIG. 16 shows a further embodiment 1600 of a microscanner, which has emerged from the microscanner 500 from FIG , without hitting the carrier substrate 530 to perform particularly large oscillation amplitudes (deflections) within the scope of the oscillations. For this purpose, the capsule section 610 can be placed in particular on a base that is formed from the same layers as a stack of layers as the stack of layers consisting of layer 515b of the spring support structure 515 on the one hand and the layer on the other hand which comprises the layer section 515a of the spring support structure 515, the deflection element 505 and the first springs 510 includes.
Fig. 17 zeigt eine weitere Ausführungsform 1700 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 1600 aus Fig. 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. Fig. 17 shows a further embodiment 1700 of a microscanner, which emerged from the microscanner 1600 from Fig. 16 in that - in particular with the purpose of further increasing the free space available for the oscillations of the deflection element in the spatial region 615 below the capsule section 610 - another intermediate layer 625 was produced. The intermediate layer 625 can in particular be arranged between the carrier substrate 530 and the layer 515b of the spring carrier element 515 or the support structure 580 .
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 Figuren 18 bis 23 in Kombination mit verschiedenen der bereits vorausgehend erläuterten Ausführungsformen 500 bis 1400 illustriert. Instead of a dome-shaped encapsulation, other capsule shapes are also possible, in particular planar lids. Various embodiments 1800 to 2300 of a microscanner with a planar cover as a capsule section 610 are shown in FIGS 23 in combination with various of the embodiments 500 to 1400 already explained above.
Bei der Ausführungsform 1800 aus Figur 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. In the embodiment 1800 of Figure 18, the planar lid 610 consists solely of a planar plate, such as a glass plate. In order to create sufficient freedom of movement for the oscillating part of the deflection element 505, a further spacer layer 630 is provided between the cover 610 and the further outer frame 595.
Weitere Ausführungsformen 1900 bis 2300 aus den Figuren 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 Figuren 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 Ai 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. Further embodiments 1900 to 2300 from Figures 19 to 23 with different suspensions differ from embodiment 1800 in particular in that instead of the spacer layer 630, which can thus be omitted, the capsule section 610 itself has a corresponding support ring 610a in addition to a planar cover plate, in particular in integral formation with the planar top panel. In the case of a circular cover plate, the support ring 610a can in particular have the shape of a circular ring. A “U” shape of the capsule section 610 including its support ring 610a thus results in cross section. Further embodiments 2400 to 2600 from Figures 24 to 26 differ from the embodiment 2300 in particular in that on the main side of the carrier substrate 530 facing away from the deflection element 505 (in the figures: lower side) there is an actuator (e.g. piezo actuator) 545, in particular a plate-shaped one Driving the oscillations of the deflection element 505 is arranged, which in turn is preferably attached at least in places to an additional base substrate 625. The actuator 545 can in particular be controlled simultaneously with the respective resonant frequencies of the two vibration axes Ai and A2 in order to operate the microscanner as a Lissajous scanner. This arrangement has the particular advantage that the actuator can be arranged separately from the oscillating parts, in particular the springs and the spring suspension, and in the case of encapsulated microscanners even outside of the encapsulated spatial area 615, which in particular facilitates its electrical contacting for signal and power supply . The oscillating parts, in particular the deflection element 505 and the springs of the microscanner and their supporting structure, can thus be designed to be purely passive.
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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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. On at least one main side of the actuator 545, it is surrounded at least in sections by a cavity 630, which offers it free space to carry out its movements, in particular vibrations or oscillations. In the case of the embodiment 2400 from FIG. 24, this cavity 630 is a recess in the Socket substrate 625 is formed and lies between the carrier substrate 530 and the actuator 545. In the embodiment 2500 from FIG. In both embodiments 2400 and 2500, the actuator 545 is fixed on both sides of the cavity 630 by the layer stack between the substrates 530 and 625. In the embodiment 2600 from FIG. 26, which is derived from the embodiment 2500, an end area of the actuator 545 is not enclosed by the substrates 530 and 625, so that during its operation vibrations in the form of tilting movements affect the overlying microscanner structure with the can be transmitted to vibrating parts.
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. The embodiments 2400 to 2600, which are illustrated here as an example with the microscanner architecture according to the embodiment 2300, can also be easily combined in particular with other embodiments, such as those that have no further actuators for driving the deflection element 505, and those that have an outer frame 575 or 595 or a dome-shaped or other shaped encapsulation.
Eine weitere Ausführungsform 2700 aus Fig. 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. A further embodiment 2700 from Fig. 27 differs from the embodiment 2300 in particular in that one or more actuators 545 for driving the microscanner 2700 on the side of the carrier substrate 530 facing the deflection element 605 and thus, if an encapsulation is present, within the encapsulated Space area 615 are arranged. This arrangement can be used in particular to use the actuator(s) 545 at the same time as a sensor or part thereof (in particular as an electrode for a capacitive measurement), in which case the sensor can be provided in particular for determining a current position of the deflection element 505 .
Fig. 28 zeigt eine weitere Ausführungsform 2800 eines Mikroscanners, die aus dem Mikroscanner 500 aus Fig. 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 Ai 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. FIG. 28 shows a further embodiment 2800 of a microscanner, which emerged from the microscanner 500 from FIG. For this purpose, the spring carrier structure 515, which is in particular in the form of a post, is also designed as an actuator, in particular as a piezoelectric actuator. The spring support structure 515 can in particular have four piezo actuators which form four quadrant-shaped piezo segments 515c to 525f when viewed in cross section relative to the longitudinal axis of the spring support structure or the post. By suitably controlling these four piezo actuators, the deflection of the deflection element 505 can be controlled with respect to its two vibration axes Ai and A2, and in particular one in each case resonant, or overall a double-resonant oscillation of the deflection element 505 can be achieved. Due to this "dual-use" function of the spring carrier structure, the provision of further actuators can be dispensed with and in particular the attachment of actuators to the springs can be dispensed with, so that particularly compact and robust designs can be implemented in this way.
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. A microscanner according to one of these embodiments can be produced in particular by placing the spring carrier structure 515 on the carrier substrate 530, in particular a semiconductor substrate such as an Si substrate, and fixing it there. This can be done in particular by gluing or soldering. The deflection element can then be attached to the fixed spring support structure 515, which in turn can be done in particular by means of gluing or soldering.
Fig. 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 Li 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 Li auf das Ablenkelement 505, wo sie reflektiert und als ausfallender Strahl l_2 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 Fig. 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 Ai 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 l_3, 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 Li 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 Li 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 Figuren 30 bzw. 31 zwei beispielhafte Ausführungsformen 3000 bzw. 3100 eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Mikroscanners, insbesondere eines Mikroscanners mit Verkapselung erläutert. In its partial figure (A), Fig. 29 shows an embodiment 2900 of a microscanner, which can be advantageously used in particular in connection with ring-shaped deflection units 505, in particular ring mirrors, and special optics for forming a ring-shaped beam cross-section for the electromagnetic radiation incident on the deflection element 505 Li has. Partial figure (B), on the other hand, shows for comparison a further embodiment 2901 without such an optical system, which is particularly suitable in combination with full-area (recess-free) deflection units 505, for example those according to embodiments 1800 to 2200. In the embodiment 2901 according to sub-figure (B), the incident electromagnetic radiation Li falls on the deflection element 505, where it is reflected and projected as an emerging beam l_2 into an observation field, which in the present example is a projection surface 645, such as a screen, a house wall or contains a road surface. When it strikes the projection surface, the beam L2 preferably has a cross-section that is essentially punctiform or corresponds to a small circular area (e.g. as a laser beam) and thus generates an essentially punctiform maximum intensity (light point) 650 (in Fig. 29 shown oversized as a black circle). Due to the first and second oscillations of the deflection element 505 when it is operated as a Lissajous scanner, a Lissajous figure 655 is created on the projection surface 645 through the corresponding movement of the point of light, which, with a suitable choice of the scanning frequencies of the two oscillation axes Ai and A2, shows a selected section of the Observation or projection field and thus the projection surface 645 illuminated. In contrast, in the embodiment 2900 according to subfigure (A), the aforementioned special optics, which in particular have an axicon 635 and a converging lens 640, are arranged in the beam path. During the operation of this arrangement, incident electromagnetic radiation L_3, for example a laser beam with a circular cross section, is first directed onto the axicon 635, which splits the beam into a beam L4 with an annular, in particular circular, beam cross section. A splitting into several concentric rings (in the beam cross-section) is also possible (similar to or like Bessel rays). The beam L4 is imaged onto the converging lens 640, which in turn images it as a light beam Li with an annular radiation cross section onto the deflection element 505 of the respective microscanner, which in the present example has an annular deflection or mirror plate. The deflection element 505 in turn forms the incident light beam Li by reflection using an emerging light beam L2 as a Lissajous projection into the observation field or onto the projection surface 645 . Two exemplary embodiments 3000 and 3100, respectively, of a method according to the invention for producing a microscanner, in particular a microscanner with encapsulation, are now explained below with reference to FIGS.
Bei der in Fig. 30 dargestellten Ausführungsform 3000 des Verfahrens werden in einem ersten Prozess, wie in Teilfigur 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. In the embodiment 3000 of the method shown in Fig. 30, a plate-shaped substrate 660, in particular a semiconductor substrate such as a silicon substrate, is provided in a first process, as illustrated in sub-figure 30(a), and on a main side of the substrate on the at least one surface section , on which a reflection surface of the deflection element 505 is to be formed, a reflection layer (mirror layer) 505a is applied. The latter can take place in particular by means of deposition (for example by sputtering with subsequent polishing) of a suitable material, in particular metal such as aluminum.
Sodann wird in einem weiteren Prozess, wie in Teilfigur 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 dieThen, in a further process, as illustrated in partial figure 30(b), the substrate 660 is structured from one of its main sides, preferably from the main side on which the reflection layer was previously formed. As a result, the deflection element 505, the support structure, in particular the spring support structure 515, and the
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 Teilfigur 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 Teilfigur 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 Teilfigur 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 imSpring device, in particular the first springs 510 formed at least in sections. This can be done in particular by means of one or more etching processes in combination with lithography, with the formation of a plurality of trenches in the substrate 660 for separating the individual microscanner components from one another in sections. In a further process, starting from the opposite main side, as illustrated in partial figure 30 (c), the elements of the microscanner that have already been partially formed by means of the structuring, in particular the deflection element 505, the first springs 510 and the spring carrier structure 515, are selectively attached to the substrate 660 exposed or completely structured. "Selective" here means that the substrate 660 is not removed or thinned over the entire surface as part of the exposure, but rather that the exposure takes place in a targeted (and thus selective) manner on those sections of the substrate 660 that have to be removed in order to protect the deflection element 505 and its Completely expose the spring suspension. A further process follows in which, as illustrated in partial figure 30 (d), the previously created structure is applied to a carrier substrate 530 and fixed there, in particular by means of one or more suitable connection processes. In principle, anodic, eutectic or direct bonding processes or thermocompression processes are particularly suitable as connection processes for this. Now, in yet another process, as illustrated in sub-figure 30(e), a capsule section 610 is added to produce a hermetic encapsulation. This is preferably done in such a way that a gas pressure lower than atmospheric pressure (e.g. air pressure) or even a vacuum forms in the encapsulated interior 615, so that gas friction effects (e.g. air friction effects) during subsequent operation of the microscanner are at least reduced or even eliminated
Wesentlichen vermieden werden können. essentially can be avoided.
Die in Fig. 31 dargestellte Ausführungsform 3100 des Verfahrens stellt eine Weiterbildung des Verfahrens 3000 aus Fig. 30 dar, bei der zusätzlich elektrische Anschlüsse für an der Federträgerstruktur 515, der Federaufhängung (insbesondere den ersten Federn 510) oder dem Ablenkelement 505 vorgesehene elektrischeThe embodiment 3100 of the method shown in FIG. 31 represents a further development of the method 3000 from FIG. 30, in which additional electrical connections for electrical
Bauelemente, insbesondere Aktuatoren 545 oder Sensoren, ausgebildet werden. Dazu wird, wie in Teilfigur 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. Components, in particular actuators 545 or sensors, are formed. For this purpose, as additionally illustrated in sub-figure 31 (a), an electrical connection 660a extending through the substrate 635 is formed at suitable points between the two opposite main sides of the substrate 660, for example by means of suitable etching processes and subsequent filling of the resulting cavities with electrically conductive 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 Teilfiguren 31 (b) und 31 (c) entsprechen denen aus den Teilfiguren 30(b) bzw. 30(c) des Verfahrens 2900. Des Weiteren werden bei den Verfahren 3000, wie in Teilfigur 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. In the case of a semiconductor substrate, in particular made of silicon, methods for producing so-called “through-silicon vias” (TSV) known in particular from semiconductor process technology can be used here. The electrical connections 660a run preferably by a portion of the substrate 635 formed as part of the method 3000 to form the spring support structure 515. The processes according to sub-figures 31 (b) and 31 (c) correspond to those from sub-figures 30 (b) and 30 (c) of the method 2900. Furthermore, in the method 3000, as in sub-figure 31 (d) are additionally illustrated , electrically conductive channels 530a corresponding to the electrical connections 660a are formed in the carrier substrate 530 in order to route the electrical connection of the actuators 545 or sensors to the outside of the microscanner architecture, in particular to the outside of the carrier substrate 530, and to provide a connection option there. When substrate 530 is of the same type of material as substrate 660, the same or related processes can typically be used to fabricate electrical channels 530a. Otherwise, for example if the substrate 530 is in the form of a printed circuit board (PCB), other correspondingly suitable, known processes for producing the electrical channels 530a running through the substrate 530 can be used.
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. While at least one exemplary embodiment has been described above, it should be appreciated that a large number of variations thereon exist. It should also be noted that the example embodiments described are intended to be non-limiting examples only, and are not intended to limit the scope, applicability, or configuration of the devices and methods described herein. Rather, the foregoing description will provide those skilled in the art with guidance for implementing at least one example embodiment, while understanding that various changes in the operation and arrangement of elements described in an example embodiment may be made without departing from the scope of the appended claims the specified object and its legal equivalents are deviated from.
BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE LIST
100 bekannte Mikroscanner-Architektur mit kardanischer Aufhängung 105 Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte 110 Achsenferner Kammantrieb für Schwingungsachse Ai 100 known microscanner architecture with cardanic suspension 105 deflection element, in particular mirror plate 110 axis-distant comb drive for oscillation axis Ai
115 Achsennaher Kammantrieb für Schwingungsachse Ai 120 interne Torsionsfeder 125 beweglicher Rahmen 130 externe Torsionsfeder 135 Chiprahmen 115 near-axis comb drive for vibration axis Ai 120 internal torsion spring 125 movable frame 130 external torsion spring 135 chip frame
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 Ablenkelement140 outer comb drive for vibration axis A2 200 known microscanner architecture of the three-legged "MiniFaros" type 205 deflection element, in particular mirror plate 210 arc spring 215 inner end of the arc springs, coupling point on the deflection element
220 äußeres Ende der Bogenfedern, Ansatzpunkt am Chiprahmen 225 Chiprahmen 230 Kammantrieb 235 schlitzförmige Freiräume 300 bekannte Mikroscanner-Architektur vom zweibeinigen „MiniFaros“-Typ220 outer end of the arc springs, starting point on the chip frame 225 chip frame 230 comb drive 235 slot-shaped free spaces 300 known microscanner architecture of the two-legged "MiniFaros" type
305 Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte 310 Bogenfeder 315 inneres Ende der Bogenfedern, Kopplungspunkt am Ablenkelement 320 äußeres Ende der Bogenfedern, Ansatzpunkt am Chiprahmen 325 Chiprahmen 305 deflection element, in particular mirror plate 310 arc spring 315 inner end of the arc springs, coupling point on the deflection element 320 outer end of the arc springs, starting point on the chip frame 325 chip frame
330 Kammantrieb 335 schlitzförmiger Freiraum 400 bekannte Mikroscanner-Architektur vom zweibeinigen „MiniFaros“-Typ 405 Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte 410 Bogenfeder 330 comb drive 335 slot-shaped free space 400 known microscanner architecture of the two-legged "MiniFaros" type 405 deflection element, in particular mirror plate 410 arc spring
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 500 415 inner end of the arc spring, coupling point on the deflection element 420 outer end of the arc spring, attachment point on the chip frame 425 chip frame 500 embodiment of a microscanner 501 variant of the embodiment 500
505 Ablenkelement, insbesondere Spiegelplatte 505a Reflexions- bzw. Spiegelschicht auf dem Ablenkelement 505 505b Zwischenschicht des Ablenkelements 505c Aussparung des Ablenkelements 505 Deflection element, in particular mirror plate 505a Reflection or mirror layer on the deflection element 505 505b Intermediate layer of the deflection element 505c recess of the deflection element
510 erste Feder 510 first spring
510a erste Feder mit niedrigerer Federsteifigkeit 510a first spring with lower spring stiffness
510b erste Feder mit höherer Federsteifigkeit 510b first spring with higher spring stiffness
515 Federträgerstruktur, insbesondere Pfosten 515 spring support structure, especially post
515a erste Schicht der Federträgerstruktur 515 515a first layer of spring support structure 515
515b zweite Schicht der Federträgerstruktur 515 515b second layer of spring support structure 515
515c-f Piezosegmente 515c-f piezo segments
520 inneres Ende einer ersten Feder, Ansatzpunkt an der Federträgerstruktur520 inner end of a first spring, attachment point to the spring support structure
525 äußeres Ende einer ersten Feder, Kopplungspunkt am Ablenkelement 505525 outer end of a first spring, coupling point on the deflection element 505
530 Trägersubstrat 530 carrier substrate
530a elektrischer Kanal 530a electrical channel
535a, b, c Punkte auf dem Ablenkelement 505, die einen Flächenabschnitt auf einer Hilfsebene aufspannen 535a, b, c points on the deflection element 505, which span a surface section on an auxiliary plane
540 geradlinige Verbindungslinien/-geraden zwischen je zwei Punkten 535a-c540 straight connecting lines/straight lines between each two points 535a-c
545 Aktuator, insbesondere Piezoaktuator, zum Antrieb des Mikroscanners545 actuator, in particular piezo actuator, for driving the microscanner
550 Bondmaterial bzw. Bondschicht 550 bonding material or bonding layer
555 erste Elektrode des Piezoaktuators 545 555 first electrode of the piezo actuator 545
560 Piezokeramische Schicht des Piezoaktuators 545 560 Piezo ceramic layer of the piezo actuator 545
565 zweite Elektrode des Piezoaktuators 545 565 second electrode of the piezo actuator 545
570 zweite Feder 570 second spring
575 (erster) äußerer Rahmen der Rahmenstruktur 575 (first) outer frame of the frame structure
580 Stützstruktur 580 support structure
585 Befestigungsabschnitt, Zwischenkörper 585 attachment section, intermediate body
590 Zwischenelement 590 intermediate element
595 weiterer äußerer Rahmen der Rahmenstruktur 595 further outer frame of the frame structure
605 dritte Feder 605 third spring
610 Kapselabschnitt, bzw. Verkapselung 610 capsule section, or encapsulation
610a Stützring 610a support ring
615 eingekapselter Raumbereich bzw. Innenraum 615 encapsulated space or interior
620 Kavität im Trägersubstrat 530 620 cavity in the carrier substrate 530
625 Zwischenschicht 625 intermediate layer
630 (weitere) Spacerschicht 630 (further) spacer layer
635 Axicon 635 Axicon
640 Sammellinse 640 converging lens
645 Projektionsfläche 645 projection surface
650 Intensitätsmaximum (Lichtpunkt) 650 maximum intensity (point of light)
655 Lissajous-Figur 660 (Ausgangs-)Substrat, insbesondere Halbleitersubstrat655 Lissajous figure 660 (initial) substrate, in particular semiconductor substrate
660a elektrische Verbindung, insbesondere Through-Silicon-Via (TSV) 660a electrical connection, in particular Through-Silicon-Via (TSV)
600, ... ,2900 weitere Ausführungsformen eines Mikroscanners 3000, 3100 Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung eines Mikroscanners 600,...,2900 further embodiments of a microscanner 3000, 3100 embodiments of a method for producing a microscanner
Ai, A2 Schwingungsachsen Ai, A 2 axes of vibration
D (dreieckiger) Flächenabschnitt auf der Hilfsebene H D (triangular) surface section on the auxiliary plane H
Li . L4 elektromagnetische Strahlen, insbesondere Laserstrahlen H Hilfsebene P lotrechte Projektion Li . L 4 electromagnetic rays, in particular laser beams H auxiliary plane P perpendicular projection

Claims

ANSPRÜCHE EXPECTATIONS
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 ( ); 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 (Ai) 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 ( ) 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. A microscanner (500; 600; ...; 2800) for projecting electromagnetic radiation onto a field of view (645), the microscanner comprising: a deflection element (505) for deflecting an incident electromagnetic beam (12); a support structure (515; 575; 595); and a spring device (510, 570, 605) with one or more springs (510, 570, 605) by means of which the deflection element (505) is suspended on the support structure (515; 575; 595) so that it can swing relative to the support structure (515; 575; 595) can simultaneously perform a first rotary oscillation about a first axis of oscillation (Ai) and a second rotary oscillation about a second axis of oscillation orthogonal thereto (A2), in order to deflect one during the simultaneous oscillations onto the deflection element (505) causing an incident electromagnetic beam (12) to have a Lissajous projection (655) into a field of view (645); wherein the support structure (515; 575; 595) has a spring support structure (515) and the spring device has a number N of first springs (510), where N > 1 applies and each of the N first springs (510) is attached to at least one associated attachment point (520 ) attaches to the spring support structure (515), is coupled to the deflection element (505) at at least one associated coupling point (525) and extends between this coupling point (520) and this coupling point (525); and wherein there are three points (535a,b,c) on the deflection element (505) which in its rest position define a Euclidean auxiliary plane (H) and in the auxiliary plane (H) a connecting line (540) between the three points ( 535a, b, c) enclosed area or straight line section on which each of these starting points (520) or its respective vertical projection (P) on the auxiliary plane (H) lies.
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. Microscanner (500) according to claim 1, wherein the deflection element (505) has rotational symmetry in its rest position with respect to an axis of symmetry and is arranged such that the axis of symmetry runs through the spatial area spanned by the spring support structure (515).
3. 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. 4. Mikroscanner (500) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das3. Microscanner (500) according to one of the preceding claims, wherein the N first springs (510) each attach exclusively to the spring support structure (515) on the support structure and the deflection element (505) is suspended exclusively from these first springs (510). 4. Microscanner (500) according to any one of the preceding claims, wherein the
Ablenkelement (505) eine Ablenkplatte mit einer darin ausgebildeten Aussparung aufweist. Baffle member (505) comprises a baffle plate having a recess formed therein.
5. Mikroscanner (500) nach Anspruch 4, wobei zumindest eine der ersten Federn (510) zumindest abschnittsweise innerhalb der Aussparung verläuft. 6. 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 ( ), dessen radialer Intensitätsverlauf beim seinem Auftreffen auf das Ablenkelement (505) so auftritt, das dabei ein radiales Intensitätsmaximum des Strahls ( ) die Aussparung auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Aussparung umgibt. 5. Microscanner (500) according to claim 4, wherein at least one of the first springs (510) runs at least in sections within the recess. 6. Microscanner (500, 2800) according to claim 4 or 5, further comprising an optics (635, 640) for converting incident electromagnetic radiation into a falling, on the deflection element (505) directed electromagnetic beam () whose radial intensity profile at its impingement on the deflection element (505) in such a way that a radial intensity maximum of the beam (12) surrounds the recess on two opposite sides of the recess.
7. 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. 7. Microscanner (500, 700, 800, 900) according to one of the preceding claims, wherein at least one of the N first springs (510) is shaped such that in its rest position its effective spring length is between the deflection element (505) and the spring support structure (515 ) is greater than the minimum occurring distance between one of its coupling points (525) on the deflection element (505) on the one hand and one of its attachment points (520) on the spring support structure (515) on the other.
8. Mikroscanner (700; 900) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Federeinrichtung genau N = 2 erste Federn (510) aufweist, die zusammen eine8. microscanner (700; 900) according to any one of the preceding claims, wherein the spring means exactly N = 2 first springs (510) having together a
Zweibeinaufhängung des Ablenkelements (505) an der Federträgerstruktur (515) bilden. Form bipod suspension of the deflection element (505) on the spring support structure (515).
9. 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 Ablenkelements9. Microscanner (500; 1000; 1200) according to one of claims 1 to 7, wherein the spring device has N=4 first springs (510), these four first springs (510) together forming a cross-shaped suspension of the deflection element
(505) an der Federträgerstruktur (515) bilden. (505) on the spring support structure (515).
10. 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. 11. Mikroscanner (1100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die10. Microscanner (1000) according to claim 9, wherein two of the four first springs (510) form a respective spring pair of springs of the same spring stiffness, while the respective spring stiffnesses for the first springs (510) of the two spring pairs differ. 11. Microscanner (1100) according to any one of the preceding claims, wherein the
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. Support structure also has a frame structure (575) surrounding the deflection element (505) at least on two sides and stationary with respect to the first and second rotational oscillations of the deflection element (505), on which the deflection element (505) is additionally suspended by means of a number M of second springs (570). where M > 1.
12. 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. 12. Microscanner (1100) according to claim 11, wherein the suspension of the deflection element (505) on the spring support structure (515) by means of the N first springs (510) defines the first oscillation axis and the suspension of the deflection element (505) by means of the M second springs the frame structure (575) defines the second vibration axis.
13. 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. 14. 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. 13. Microscanner (1300) according to any one of the preceding claims, wherein N > 2 and the deflection element (505) extends between the respective coupling points (525) of the N first springs (510) in such a way that the spring support structure (515) is at least partially bridged. 14. Microscanner (1300; 1400) according to claim 13, wherein the deflection element (505) has a substrate designed as a deflection plate for deflecting the incident electromagnetic beam, which is connected by means of at least one bond connection to one or more of the first springs (510) or to an intermediate one or more of the first springs (510) on the one hand and the deflection plate on the other hand arranged intermediate body (585).
15. 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. 15. Microscanner (1400) according to claim 13 or 14, in each case dependent on claim 11 or 12, wherein the spring means further comprises a number K of third springs (605), where K > 1 applies; each third spring (605) being coupled on the one hand to the respective coupling point (525) of an associated first spring (510) or optionally to the intermediate body (585) and on the other hand to the frame structure (575, 595).
16. 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 der16. Microscanner (1500; 1800; 1900) according to one of the preceding claims, further comprising an encapsulation, by means of which at least the deflection element (505) and the springs (510, 570, 605) of the spring device are encapsulated in a hermetically sealed manner such that the Deflection element (505) in the encapsulation for performing the oscillations enabled at the
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. Spring device is suspended so that it can swing; wherein the encapsulation has a encapsulation section (610) bridging the deflection element (505), through which the radiation to be deflected can be radiated into the spatial region (615) encapsulated by the encapsulation and, after being deflected at the deflection element (505), emitted again therefrom.
17. Mikroscanner (1500; 1800; 1900) nach Anspruch 16, wobei der Kapselabschnitt (610) eine domförmige, eine planare oder eine im Querschnitt rechtwinklig U- förmige Gestalt aufweist. 18. Mikroscanner (1500; 1800; 1900) nach Anspruch 16 oder 17, wobei der17. The microscanner (1500; 1800; 1900) of claim 16, wherein the capsule portion (610) has a dome-shaped, a planar, or a rectangular U-shaped cross-section shape. 18. Microscanner (1500; 1800; 1900) according to claim 16 or 17, wherein the
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), derCapsule section (610) is mounted on a first layer stack, which contains a first layer sequence (580, 575,590,595) which, with regard to the order, the material and/or the thickness of the individual layers of the first layer sequence, is a second layer sequence of a second layer stack (515b , 515a, 505b, 505), from which the combination of the deflection element (505, 505b), the
Federeinrichtung (510, 570, 605) und der Federträgerstruktur (515) gefertigt ist. Spring device (510, 570, 605) and the spring support structure (515) is manufactured.
19. Strahlablenksystem, einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Gütefaktor des Mikroscanners bezüglich zumindest einer der der beiden Oszillationen wenigstens 1000 beträgt. 20. 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 zweiten19. Beam deflection system according to one of the preceding claims, wherein the quality factor of the microscanner is at least 1000 with respect to at least one of the two oscillations. The microscanner (2400) of any preceding claim, further comprising: a support substrate (530) supporting the spring support structure (515); and an actuator (545) for driving the first oscillation and/or the second
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. oscillation of the deflection element (505); wherein the actuator (545) is mechanically coupled to the carrier substrate (530) in order to act on it mechanically during operation of the microscanner (500) and thereby indirectly drive the deflection element at least via the spring carrier structure (515) and the first springs (510). (505) for driving its first and/or second oscillations.
21. 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. 21. Microscanner (2400; 2500) according to claim 20, wherein the actuator (545) is arranged adjacent to a cavity (620) in the carrier substrate (530) or another substrate (625) connected to the actuator (545) that during its operation, it can execute a movement extending into the cavity (620) at least in sections.
22. 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. 23. 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. 22. Microscanner (2400; 2500) according to claim 20 or 21, wherein the actuator (545) is also designed as a sensor device for sensory detection of the current position of the deflection element (505) or as part of such a sensor device. 23. Microscanner (800; 1200) according to one of the preceding claims, wherein one or more actuators (545) or sensors are provided on the spring support structure (515) or the spring device (510), which are connected to one or more signal or power supply lines (660a , 530a) which run at least in sections through one or more openings provided in the spring support structure (515).
24. Mikroscanner (800; 1200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Mikroscanner (800; 1200) so konfiguriert ist, dass für das Frequenzverhältnis der Resonanzfrequenz T bezüglich der schnelleren der beiden Schwingungsachsen zur Resonanzfrequenz f2 bezüglich der langsameren der beiden Schwingungsachsen gilt: T/f2 = F + v, wobei F eine natürliche Zahl ist (F24. Microscanner (800; 1200) according to one of the preceding claims, wherein the microscanner (800; 1200) is configured such that the frequency ratio of the resonant frequency T with regard to the faster of the two vibration axes to the resonant frequency f2 with regard to the slower of the two vibration axes applies: T/f2 = F + v, where F is a natural number (F
= 1,2,3,...) ist und für die Verstimmung v gilt: v = (f 1 -f2)/f2 mit (fi-f2) < 200 Hz, wobei v nicht ganzzahlig ist. = 1,2,3,...) and for the detuning v applies: v = (f 1 -f2)/f2 with (fi-f2) < 200 Hz, where v is not an integer.
25. 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. 25. Microscanner (800; 1200) according to any one of the preceding claims, having an actuator with one or more actuators (545) for driving the first and second oscillations, wherein the actuator is configured so that it converts the deflection element into a double-resonant oscillation with respect to the first and second vibration axis can move.
26. 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 das26. Microscanner (800; 1200) according to claim 25, wherein the actuator system is configured such that it can set the deflection element into simultaneous oscillations with respect to the first and second oscillation axes in such a way that for the
Frequenzverhältnis der Schwingungsfrequenz T bezüglich der schnelleren der beiden Schwingungsachsen zur Schwingungsfrequenz f2 bezüglich der langsameren der beiden Schwingungsachsen gilt: T/f2 = F + v, wobei F eine natürliche Zahl ist (F = 1 ,2,3, ... ) ist und für die Verstimmung v gilt: v = (f 1 -f2)/f2 mit (f 1 -f2) < 200 Hz, wobei v nicht ganzzahlig ist. Frequency ratio of the vibration frequency T with regard to the faster of the two vibration axes to the vibration frequency f2 with regard to the slower of the two vibration axes applies: T/f2 = F + v, where F is a is a natural number (F=1,2,3,...) and the detuning v applies: v=(f 1 -f2)/f2 with (f 1 -f2) <200 Hz, where v is not an integer .
27. 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; 27. A method for manufacturing a microscanner (500) according to any one of the preceding claims, the method comprising: providing a disc-shaped substrate (660) having two opposing main surfaces;
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 Structuring of the substrate (660) from a first of the main surfaces to at least partially form the deflection element (505), the support structure (515) and the spring device (510); Selective, at least partial exposure of the deflection element (505) formed by means of the structuring and the spring device (510) from the other main surface; and
Befestigen der aus dem Freilegen resultierenden Mikroscanner-Anordnung (505, 510, 515) auf einem Trägersubstrat (530). 28. Verfahren nach Anspruch 27, des Weiteren aufweisend zumindest einen der folgenden Prozesse: Fastening the microscanner arrangement (505, 510, 515) resulting from the exposure on a carrier substrate (530). 28. The method of claim 27, further comprising at least one of the following processes:
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) befestigtendepositing a reflection layer (505a) on a surface portion provided for forming the deflection element (505) on a main side of the substrate (660); - Hermetic encapsulation of those fixed on the supporting substrate (530).
Mikroscanneranordnung mittels einer Verkapselung (610); micro scanner arrangement by means of an encapsulation (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; Bonding of at least two adjacent substrates (530, 545, 575, 580, 590, 595, 610, 625) within a layer stack used to build up the microscanner (500) by means of an anodic, eutectic or direct bonding method or a thermocompression method;
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. Creation of one or more actuators (545) or sensors on the spring support structure (515) or the spring device (510) and creation of one or more signal or power supply lines (660a) which, overall, are at least partially connected by one or more in the spring support structure (515) provided openings pass through and to which the actuators (545) or sensors are connected.
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