WO2011003404A1 - Reduzierung der dynamischen deformation von translationsspiegeln mit hilfe von trägen massen - Google Patents

Reduzierung der dynamischen deformation von translationsspiegeln mit hilfe von trägen massen Download PDF

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WO2011003404A1
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mirror
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Holger Conrad
Thomas Grasshoff
Denis Jung
Thilo Sandner
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B81B2203/051—Translation according to an axis parallel to the substrate

Definitions

  • the present invention relates to micromechanical mirror arrangements with translation mirrors according to the preamble of the independent claims.
  • the present invention also relates to methods of operating such micromechanical mirror assemblies and to their use.
  • Micromechanically produced translation mirrors are described, for example, as a phase-shifting component in Fourier transform spectrometers (FT) and the like. used for the infrared wavelength range (FTIR). Moreover, the use of resonant and electrostatically driven translation mirrors as an acceleration sensor is known.
  • FT Fourier transform spectrometers
  • FTIR infrared wavelength range
  • FIG. 1a shows the basic structure of such a plan view of the translation mirror plane Translation mirror:
  • a mirror plate 1 forming the translation mirror is connected to a frame structure 3 via a plurality of (here: two) holding elements 2, wherein the mirror plate 1 is then translationally movable perpendicular to the plane shown relative to the stationary frame structure 3.
  • the two retaining elements 2 are hereinafter referred to alternatively as a hinge or hinge; They can be realized, for example, as bending beams, as meandering springs or as pantograph suspension.
  • the thickness of the mirror plate could now be increased and thus the structure of the mirror plate stiffened.
  • an increase in thickness is not unlimited: On the one hand, due to technological constraints the
  • the thickness of a mirror plate at the same time also increases its mass, which has a negative effect on the shock resistance of the microcomponent.
  • flexibly designed holding elements or holding structures for example, bar springs, torsion bars or profiles
  • Stiffened retaining elements and / or an increased mass of the mirror plate also cause a change in the mechanical natural frequencies of the translational vibration in resonant micromirrors.
  • a center eg, a mirror plate or else an inertia element
  • a geometric center of the corresponding element for example, a circular mirror plate with point-symmetrical projections
  • a center of mass of the corresponding one Element ie the center of gravity of the element
  • a mirror plate used in a mirror arrangement according to the invention can be shaped regularly, in particular symmetrically (for example, point-symmetrical with respect to the center), but it can also be an irregular or arbitrarily shaped mirror plate. Under the mirror plate while the entire body is understood, which is connected via the holding elements with the frame structure, that is translationally deflected relative to the frame structure.
  • mirror plate or translucent mirror thus includes not only the generally regularly shaped base structure (e.g., circular or rectangular structure) hereafter, but also the cantilevered inertial elements attached to such base structure.
  • such a mirror plate can be embodied in a single-layered or multi-layered manner, it can consist of a single material or have several individual sections made of different materials.
  • the term mirror plate thus encompasses all sections of an arbitrarily shaped mirror body which are present in the plane of the plate and which are connected to one another and which are relative to the frame structure
  • the view used in the individual embodiments or in the general description of the invention always refers to the translation mirror plane or the position of the translation mirror (or the mirror plate) in its rest position: For example, from a mean distance of Outer edge of the Mirror plate from its center, so all these sizes in the translation mirror plane or by a parallel projection perpendicular to this translation mirror plane (which usually coincides with the drawing plane in the figures) and to determine this translation mirror plane.
  • the basic idea of the present invention is the reduction of the inertia-related deformation with the help of additional, beyond the edge of the basic structure or the base structure of the mirror plate (hereinafter alternatively referred to as the center of the mirror plate and / or center near portion of the mirror plate) also attached - projecting inertial masses (hereinafter also referred to as outer edge near sections and / or as inertial elements of the mirror plate).
  • the inertial forces act in the same direction on these additionally externally near-edge sections or inertia elements of the mirror plate as on the center-near section of the mirror plate.
  • the connecting region between the retaining elements (for example: joints or hinges) and the mirror plate is arranged offset inwards, ie directly in the edge region of the center near section of the mirror plate, the inertial forces of the outer edge near sections or the inertial elements lead to torques in Area of said connection areas, ie at the edge of the center near section of the mirror plate.
  • connection region of the holding elements with the mirror plate can be arranged offset inwards from the outer edge of the mirror plate toward the center of the mirror plate.
  • the view here refers to the translation mirror plane or rest position as described above.
  • connection areas are always the attachment locations of the retaining elements on the mirror plate.
  • the mirror plate can have a plurality of preferred inertial elements arranged preferably point-symmetrically with respect to its center, which are arranged projecting outwardly with respect to the holding elements and / or their prescribed connection regions from the center of the mirror plate.
  • the mirror plate can have a plurality of inertial elements, preferably point-symmetrically arranged relative to the center of the mirror plate, such that the perpendicular projection of the center of the inertia elements on a straight line passing through the center of the mirror plate comes to rest farther from the center of the mirror plate than the perpendicular projection of the above Connecting areas on this line.
  • a projection is a projection in the translation mirror plane.
  • an arrangement of inert masses or inertial elements outside of the actually used optical surface of the translationally moving mirror plate can be realized such that the moments or forces coupled into the mirror plate by the mechanical inertia of the additional masses counteract the inertia-related dynamic deformations of the mirror plate and compensate for this.
  • the integration of the additional masses may occur at the outer edge of the near-center portion or base structure of the mirror plate, i. take place outside the actual used mirror surface of a translatory movable mirror plate.
  • the balancing weights that is to say the additional masses, can be spatially separated from the mirror mass by further structures (for example via frame elements).
  • micromechanical mirror arrangement can be used for resonant or non-resonantly oscillating translation mirrors, the translation mirrors being electrostatic, electromagnetic, piezoelectric, piezomagnetic, electrostrictive, magnetostrictive, thermal or pneumatic can be driven.
  • a rectangular, a round or an elliptical contour (in conjunction with the holding elements mounted in this inner region of the mirror plate and the inertia elements mounted outside this inner region) can be realized.
  • the inertia elements can be formed arbitrarily or cantilever in any form.
  • the inertia elements can be connected to each other via inertia element holding elements or to the inner section or the region of the mirror plate near the center.
  • inertia element holding elements for these inertia element holding elements and for the above-described holding elements for connecting the translation mirror to the frame structure, various continuous or discrete holding elements can be used:
  • free contours for example, free contours, beam springs, meandering spring elements or also
  • frame elements When connecting the inertia elements to the center-near section of the mirror plate via separate frame elements, such frame elements can be designed as round frame or ring structures or else as polygon-shaped frame or ring structures, which then have a plurality of inner and outer connecting pieces on the inner portion of the mirror plate and / or attached to the inertia elements. According to the invention, different structural heights can be used for the individual elements of the mirror arrangement
  • the realization of the mirror plate can be realized in one or more layers, with or without tension-stressed layers, with or without back or front side stiffening structures and / or with different combinations of the aforementioned elements. This will also be described in detail below.
  • the mirror plate 1 can be realized in the form of lamellar grid components, in which preferably bar-shaped structures have laterally projecting grid fingers.
  • the inertia elements themselves can also be designed as a lamellar grid.
  • the micromechanical mirror arrangement in a Fourier transform spectrometer a
  • Interferometer a lamellar grating interferometer, a confocal microscope, an optical path length modulator, or an acceleration sensor.
  • FIG. 1 shows a micromechanical mirror arrangement according to the prior art.
  • Figure 2 shows a first embodiment of the present invention.
  • FIGS. 3 to 8 further exemplary embodiments of the present invention with simply structured base structures or center-near sections of the mirror plate.
  • Sections or basic structures of the mirror plate are Sections or basic structures of the mirror plate.
  • the mirror plate 1 forms a translation mirror, which has four symmetrically about the origin or center 6 of the mirror plate 1 arranged holding elements 2 with a
  • Frame structure 3 is connected. As described above, the mirror plate 1 is deflected relative to the frame structure 3 in a direction perpendicular to the translation mirror plane by movement of the frame structure 3 perpendicular to the translation mirror plane shown above in FIG. 2 (cf., in FIG. 2, center and bottom cross-sections perpendicular to FIG Translation mirror plane).
  • the mirror plate 1 consists of a near-center portion 11, which is in the form of a round, concentrically arranged around the center 6 of the mirror plate 1 plate. At the outer edge of this round, near the center section 11 of the mirror plate 1 (this edge is shown in dashed lines) are on the circumference of this round central portion Seen at a distance of 90 °, the four holding elements 2 distributed in the form of bar springs arranged symmetrically to the center 6 of the mirror plate 1 and connected to the section 11 and the mirror plate 1.
  • the mirror plate 1 in each case an inertia element 7;
  • a total of four inertia elements 7 are formed as outwardly standing sections of the mirror plate 1.
  • These four inertia elements 7 are formed, shaped and arranged so that a point-symmetrical arrangement to the center 6 of the mirror plate 1 is made.
  • the inertia elements 7 are arranged on the outer edge (dashed lines) of the center near the section 11 or connected to this in the form of a one-piece design).
  • the outer edge 5 of the mirror plate 1 (consisting of the inertia elements 7 and the center-near section 11) is farther from the center 6 the mirror plate 1 arranged and formed as the connecting portions 4 (or the contact point 4) between the near-center ends of the support members 2 and the mirror plate 1 and the near-center portion 11 of this mirror plate.
  • the four inertia elements 7 thus protrude.
  • the protruding or protruding inertia Elements 7 are fixed at 45 ° to the holding elements 2 at the central portion 11 near the center.
  • the average distance E (ie, the inner portion 11 together with the projecting inertia elements 7) the average distance E (not shown here, see Fig. 3, in which this distance is shown in sections) of the outer edge 5 of the mirror plate 1 from its center 6, so this mean distance E is greater than the distance between the connection areas 4 between the holding elements 2 and the mirror plate 1 from this center 6.
  • the mirror plate 1 has four point-symmetrically arranged to its center 6 inertia elements 7, which seen in relation to the holding elements 2 and their connection areas 4 to the mirror plate 1 seen from the center 6 of the mirror plate 1 outwardly projecting outwardly.
  • Fig. 2 shows in the lower half the resulting dynamic deformation in a downward movement of the frame structure (above) and in an upward movement of the frame structure (below).
  • the inertial forces act on the inertia elements 7 in the same direction as on the inner portion 11 of the mirror plate 1.
  • the holding elements 2 are attached directly to the edge of the inner mirror plate portion 11, the inertial forces of the inertia elements 7 result in moments of torque Mi at the edge of the mirror inner portion 11 (dashed circle in Fig. 2 at the top).
  • the center near section 11 of the mirror plate 1 and the additionally mounted inertia elements 7 have the same thickness (perpendicular to the translation mirror plane) and are made of the same material.
  • the structural heights of the inner mirror plate section 11, inertia elements 7 and / or holding elements 2 are executed differently and / or that individual or complete regions of the near-center mirror plate section 11, the inertia elements 7 and / or the holding elements 2 consist of different materials.
  • It can e.g. amorphous, monocrystalline or polycrystalline silicon, silica, aluminum, alumina,
  • Fig. 3 shows a further embodiment, which is basically constructed as the embodiment shown in Fig. 2, so that only the differences are described:
  • the mirror plate 1 has adjacent to and adjacent to the Ardsbe- 4 between the holding elements 2 and mirror plate
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment, which has a similar configuration to that shown in FIG.
  • the center-near section 11 is connected to the inertia elements 7 via a set-off, annular frame element 12 ,
  • the inertia elements 7 are thus not integrally formed with the center near the section 11, but offset thereof connected via the frame member 12 with the near-center portion 11.
  • This connection PLEg done via outer peripheral side of the central portion 11 and the inner peripheral side of the inertia elements 7 over the entire circumference at regular intervals arranged connectors 13.
  • the outer peripheral side of the frame member 12 arranged connecting pieces 13 thus connect the frame member 12 with the inertia elements 7, the inner peripheral side of the frame member 12 arranged connecting pieces 13 connect the frame member 12 with the arranged in the interior of the frame member 12 near the center portion 11 of the mirror plate 1.
  • the inertia elements 7 are each HaI- te elements 2 in the connection region 4 with its inner (ie the center 6 facing) end attached to the annular frame member 12. They thus hold the elements 7 and 11 of the mirror plate 1 on the frame member 12 and the connecting pieces 13th
  • the inertia elements 7 are connected by means of the connecting pieces 13 via the annular frame element 12 to the center-near section 11 of the mirror plate 1.
  • This has the advantage that the bending moment Mi (see Fig. 2) locally coupled in by the inertia elements 7 can be distributed more uniformly in the mirror plate.
  • the influence of the holding elements 2 is reduced to the deformation of the mirror plate 1, and the mirror plate is partially mechanically decoupled from the holding elements.
  • the number and the position of the connecting pieces 13 can be made variable.
  • the (in relation to the annular frame member 12 inside or outside) connecting pieces 13 may be referred to in conjunction with this frame member 12 as a "distributed holding element".
  • the principle according to the invention makes it possible to reduce the dynamic deformation of translationally moving micromirrors in absolute terms and in terms of both the mean value of the deformation and also what concerns the so-called peak-to-valley value (that is, maxima minus minima) of the deformation.
  • the principle of the invention optimizes the dynamic deformation profile, especially in the central region of the mirror center 11, where the requirements for the flatness are highest. This is particularly due to the fact that micromirrors are often used for deflecting approximately Gaussian-distributed intensity profiles of the incident laser light, whereby the deformation of the mirror center 11 has a greater influence on aberrations and resolution limits than the deformation at the edge of the mirror.
  • the principle according to the invention also works without structuring the mirror plate 1 with additional reinforcing structures on the front or rear side 14, 15 (see below) without additional thinning of the central region of the mirror plate 11 and without increasing the thickness of the entire mirror plate 1.
  • This has in particular the advantage that the micromechanical mirror arrangements according to the invention can be produced technologically without additional expenditure.
  • the Fign. 5-8 show further embodiments according to the invention; the configuration is basically as shown in FIG. 2, the individual figures show projections on a plane perpendicular to the translation mirror plane, which extends along the longitudinal axis of two holding elements 2 arranged opposite one another.
  • the mirror plate 1 or the elements 7, 11 are designed with one and the same structural height (extension perpendicular to the translation mirror plane, hereinafter referred to as D).
  • insulator of a BSOI wafer or the like, e.g. B. epitaxially grown, vapor-deposited and by means of CVD or PVD method deposited mechanical functional layers.
  • FIG. 5 a shows an exemplary embodiment in which the thickness or the height of the center-near section 11 of the mirror plate 1 (thickness D 1) is half the thickness D 2 of the outer edge-near sections 7 or of the inertia elements 7 of the mirror plate 1 are made with identical thickness D2 as the inertia elements 7.
  • FIG. 5 b shows a further exemplary embodiment, which is formed as shown in FIG. 5 a, with the only difference that the thickness of the holding elements 2 here corresponds to the thickness D 1 of the center-near section 11.
  • FIG. 5 c shows a further embodiment in which the inertia elements 7, the holding elements 2 and the center-near section 11 are formed with the same thickness D and the inertia sections 7 on the underside 15 of the mirror plate 1 have additional inertia sections 16 or inertial elements 16 exhibit.
  • the additional inertia sections 16 can also be formed on the upper side 14 of the mirror plate 1 or both on the upper side 14 and on the underside 15 of the mirror plate 1.
  • FIG. 5 d shows a case similar to that shown in FIG. 5 c, but (as a single difference) the near-centroid portion 11 of the mirror plate 1 has been thinned by about two-thirds (etching) with respect to the inertia elements 7 and the holding elements 2.
  • FIG. 5e shows a further case in which, instead of the center-near section 11 (cf., FIG. 5d), the holding elements 2 have been thinned to approximately one third.
  • inertia elements 7 or their inert mass can be realized by inertia sections 16 in the form of an additionally structured layer.
  • This layer can, for example, be produced from the volume of a substrate (eg the bulk silicon used for the mirror plate 1) by means of suitable etching methods (eg DRIE).
  • the mirror plate 1 can be monolithically made of a material (material of the so-called device level), but it is also possible to realize the mirror plate from an additionally applied layer (for example thin layer with or without tensile stress).
  • FIG. 6 shows such an embodiment (ie, the bulk material here forms only the inertia elements 7 and the holding elements 2, the former being arranged on said thin film and together with this thin layer forming the mirror plate). Again, this is basically a combination with the additional inertia sections 16 possible (not shown).
  • Fig. 7 shows three further embodiments according to the invention as well in projection supervision as in Figs. 5 and 6.
  • the center-near section 11 of the mirror plate 1, the inertia elements 7 and / or the holding elements 2 as a whole have been thinned or made thicker than adjacent elements.
  • Reduce mirror plate 1 A reduced total mass is desirable in terms of the shock resistance of the micromirror.
  • FIG. 7 a shows an example in which rib-shaped stiffening structures 17 are mounted on the rear side 15 of the central portion 11.
  • These surface stiffening structures 17, which are here designed as bar-shaped ribs projecting beyond the lower surface 15 and arranged parallel to one another and at a distance from one another, can be implemented by an additionally structured layer, similar to the additional inertia portions 16 (see FIGS. 5 and 6) ,
  • This layer may be, for example, the volume of a substrate (eg bulk silicon). be worked out by means of suitable etching.
  • the lateral geometry of the surface stiffening structure 17 can be of any desired design. Instead of individual ribs running parallel to one another, a honeycomb surface stiffening structure can also be formed.
  • Fig. 7b shows an embodiment which is basically the same as that shown in Fig. 7a, but in this case the surface stiffening structure 17 is formed as a recessed structure recessed into the underside 15 (here: several recesses parallel to each other and spaced apart from each other in the form of straight trenches ).
  • the rear side structure 17 is thus integrated into the functional layer of the component 11.
  • FIG. 7 c shows an embodiment in which the surface stiffening structure 17 of the case shown in FIG. 7 a is realized in combination with the additional inertia sections 16 as described with reference to FIG. 5.
  • Fig. 8 shows two cases in which the near-center portion 11 of the mirror plate 1 is formed multi-layered, wherein at least one of the plurality of layers is formed as a tensile-stressed layer.
  • FIG. 8a the section 11 close to the center is formed in two layers, the upper layer 18a facing the upper side 14 being a tension-strained layer is formed and the underside 15 facing lower layer 18c is formed as a non-tensioned layer.
  • Fig. 8b shows a three-layer structure in which the center near section 11 is formed as a sandwich structure, the upper, the top 14 facing layer 18a and the lower, the bottom 15 facing layer 18b are respectively zugverspannt and its middle layer 18c between the two Layers 18a and 18b is formed non-tensioned.
  • the central portion 11 of the mirror plate is thus stiffened by means of tensile stresses in order to further reduce the dynamic deformation.
  • Such (internal) tensile stress can be applied to the manufacturing processes (in PVD processes, in CVD processes) by means of suitable process parameter controls
  • FIG. 8 shows possible combinations of mirror plate central sections 11 tensioned by means of additional thin layers 18a, 18b with the inertia elements 7. If the tension-stressed layers 18a, 18b are applied only on one side of the mirror plate (FIG. 8a) a static curvature of the mirror plate. When mounting on both sides (Fig. 8b) or symmetrical tension, there is no static initial curvature.
  • FIGS. 5-8 have the following advantages in particular:
  • the mass of the mirror plate can be reduced (which in turn has a positive effect on the shock resistance).
  • the present invention is also in the context of translationally moving lamellar
  • FIG. 9 shows a first such exemplary embodiment, in which the mirror plate 1 is designed as a lamellar grid in the form of a comb structure 19.
  • the mirror plate 1 an elongated, straight bar 20 with a plurality of spaced apart from each other perpendicular to the longitudinal axis of the beam projecting comb fingers 21 of the comb structure.
  • the beam longitudinal axis of the beam 20 is designated here by the reference numeral 9.
  • the symmetry center (point symmetry center) 1) of the mirror plate 1 as well as the entire mirror plate 1 (which comprises the elements 7, 20 and 21 described below) in the translation mirror plane is denoted by 6 as in the preceding embodiments ,
  • the beam 20 has at its two ends 25a, 25b respectively an inertia element 7 projecting (with respect to the position of the retaining elements 2, see below).
  • the design of the mirror plate 1, the support members 2 and the frame structure 3 is here designed so that, along the longitudinal axis of the beam 9 and from the center 6 outwardly to the two ends 25a, 25b of
  • This section with a plurality of cantilevered comb fingers 21 of the mirror plate 1 is followed by a section in which viewed in relation to the longitudinal axis 9 projecting perpendicularly on both sides of the longitudinal axis 9 is a holding element 2 is formed (towards each end, the beam
  • the arrangement of the outer inertial elements 7, the connecting regions 4 of the holding elements 2 with the mirror plate 1 or the beam 20 and the center 6 of the mirror plate 1 is thus such that with a vertical projection (in the translation mirror plane) of these elements on the longitudinal axis 9 of the inertia elements 7 (projection P8) further away from the center 6 on the projection straight line 9 or the longitudinal axis of the beam 9 comes to lie as the projection of the centers of the holding elements 2 or the connecting areas 4 (projection location P4 on the longitudinal axis 9).
  • the frame structure 3 has on the inner side 22 facing the mirror plate 1 a plurality of comb fingers 23 of a comb structure 24 projecting perpendicular to the surface of these inner sides 22, spaced apart from one another and parallel to one another.
  • the comb fingers 23 of the comb structure 24 are offset with respect to the comb fingers 21 of the comb structure 19 of the mirror plate 1 to each other and formed intermittently interlocking (in the translation mirror plane) and arranged.
  • the comb structure 19 of the mirror plate 1 and the comb structure 24 of the frame structure 3 can additionally be used as an electroprostatic comb drive.
  • FIG. 9 thus shows a schematic representation of a mirror plate 1 in the form of a lamellar lattice component with cantilevered inertia elements.
  • This lattice component substantially comprises four functional elements: On a bar-like structure 20, the lamellar combs 21 are fastened, which are provided with a mirroring layer.
  • the beam-like structure 20 is connected to or fastened to holding elements 2, which can be regarded as hinges or hinges.
  • the holding elements are here bending beam, but can also be designed as a meandering spring elements or pantograph suspension.
  • the holding elements 2 are then on the (non-movable) frame structure 3, which likewise has lamellar combs 23 or a comb-like structure which engages in the comb structure 19 of the mirror plate 1 in the manner of a zipper. Also on the comb elements 23 and the comb structure 24 is a mirroring layer.
  • the lamellar comb structures 19 and 24 form the optically active surface and constitute a lamellar grating interferometer.
  • alternative drive mechanisms are also conceivable.
  • the beam-like structure or the center near section 11 undergoes an inertial dynamic deformation, which is also here in the middle of the bar-like structure maximum.
  • an inertial dynamic deformation which is also here in the middle of the bar-like structure maximum.
  • the dynamic deformation of the beam-like structure can be reduced. Since the inner lamellar comb 19 is fixed to the beam-like structure 20, the reduction of the dynamic deformation of the beam-like structure at the same time also leads to a reduction of the dynamic deformation of the inner lamellar comb 19 and thus to a improved planarity of the optically effective surfaces of the lamellar grid.
  • FIG. 10 shows a further exemplary embodiment which comprises a mirror plate 1 designed as a simple cross-beam structure:
  • the mirror plate 1 has two beam elements 20a, 20b arranged perpendicular to one another with respect to their longitudinal axes, wherein the beam element 20a as described above (FIG has a comb structure 19 projecting perpendicular to the longitudinal axis of the beam 9a projecting comb finger 21.
  • the beam element 20b has no such comb fingers along its longitudinal axis. In the case shown in FIG.
  • the holding elements 2 or the connecting regions 4 are offset inwards relative to the inertia elements 7 or to the center of the crossbar structure 20a, 20b (here again indicated by the reference numeral 6).
  • a second beam-shaped element 20b is mounted in the center of the first beam-shaped element 20a, the second beam element 20b stiffening the center of the first beam element 20a and thus further reducing the dynamic deformation.
  • Inertial elements 7 are arranged at the ends on both the first and the second beam element, which not only leads to a stiffening of the first beam element, but also to an active reduction of the dynamic deformation of the two beam elements 20a, 20b and thus of the lamellar grid.
  • the mirror plate 1 thus has a first bar 20a and two further second bars 20b, 20c spaced apart from one another and parallel to each other, the first bar 20a being vertical is arranged to the two beams 20b, 20c and wherein the first beam 20a with a plurality of perpendicular to the beam longitudinal axis (not shown here) projecting comb fingers 21 of a comb structure 19 is provided.
  • the opposing structure of the frame structure 3 is also formed as a comb structure 24 with individual fingers 23.
  • the two comb structures 19 and 24 intermittently engage each other as described for FIG.
  • FIG. 11 thus shows that the basic idea (crossbar) shown in FIG. 10 can also be used several times in order to reduce the dynamic deformation.
  • any number of orthogonal additional bars (without comb fingers) are possible.

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Abstract

Mikromechanische Spiegelanordnung umfassend eine einen Translationsspiegel ausbildende Spiegelplatte (1), die über mindestens ein, bevorzugt über zwei oder mehr Halteelement (e) (2) mit einer Rahmenstruktur (3) verbunden und relativ zu dieser Rahmenstruktur translatorisch bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (4) mindestens eines, bevorzugt mehrerer, besonders bevorzugt aller Halteelemente (s) (2) mit der Spiegelplatte (1) vom Außenrand (5) der Spiegelplatte zum Zentrum (6) der Spiegelplatte hin gesehen nach innen versetzt angeordnet ist.

Description

Reduzierung der dynamischen Deformation von Translationsspiegeln mit Hilfe von trägen Massen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mikrome- chanische Spiegelanordnungen mit Translationsspiegeln gemäß des Oberbegriffs der unabhängigen Ansprüche. Die vorliegende Erfindung bezieht sich darüberhinaus auf Verfahren zum Betrieb von solchen mikromechani- schen Spiegelanordnungen sowie auf deren Verwendung.
Mikromechanisch gefertigte Translationsspiegel werden beispielsweise als phasenschiebehdes Bauelement in Fourier-Transform-Spektrometern (FT) u.a. für den infraroten Wellenlängenbereich (FTIR) eingesetzt. Darüberhinaus ist die Verwendung von resonant und elektrostatisch angetriebenen Translationsspiegeln als Beschleunigungssensor bekannt.
Figur Ia) zeigt in Aufsicht auf die Translationsspie- gelebene den grundlegenden Aufbau eines solchen Translationsspiegels: Eine den Translationsspiegel ausbildende Spiegelplatte 1 ist über mehrere (hier: zwei) Halteelemente 2 mit einer Rahmenstruktur 3 verbunden, wobei die Spiegelplatte 1 dann senkrecht zur gezeigten Ebene relativ zu der feststehenden Rahmenstruktur 3 translatorisch bewegbar ist. Die beiden Halteelemente 2 werden nachfolgend alternativ auch als Gelenk oder Scharnier bezeichnet; sie können beispielsweise als Biegebalken, als mäanderförmige Fe- dern oder als Pantographenaufhängung realisiert sein.
Ist die Spiegelplatte 1 in ihrer Ruhelage (vgl. Figur Ic; die Figuren Ib bis Id zeigen Querschnitte durch die in Figur Ia gezeigte Spiegelanordnung senkrecht zur Translationsspiegelebene bzw. der in Figur Ia gezeigte Ebene, wobei die Querschnittsebene durch die Längsachse der Halteelemente 2 verläuft) , so wirken auf die Spiegelplatte 1 keine Trägheitskräfte. Die Spiegelplatte ist demnach eben. Bewegt sich die Spie- gelplatte 1 nun aufgrund eines Antriebsimpulses mit einer Komponente senkrecht zur Translationsspiegelebene aus der Ruhelage heraus, wirken der bewegten Spiegelmasse die elastomechanischen Reaktionskräfte der Halteelemente 2 entgegen. Diese Reaktionskräfte führen zu Verformungen der Spiegelplatte (Figuren Ib und Id). Im Umkehrpunkt der Bewegung, d.h., wenn die kinetische Energie vollständig in Verformungsenergie umgewandelt ist, werden die Reaktionskräfte maximal. Bei einer Aufwärtsbewegung der Rahmenstruktur 3 (samt der Spiegelplatte 1 und der Halteelemente 2) wird die Spiegelplatte 1 relativ zur Rahmenstruktur abwärts bewegt, es ergibt sich so durch die Trägheitskräfte der Spiegelplatte 1 eine schüsseiförmige Deformation der Spiegelplatte 1 (Figur Id) . Wird die Spiegel- platte 1 in entgegengesetzte Richtung (aufwärts) be- wegt, so führen die Trägheitskräfte zu einer helmför- migen Deformation der Spiegelplatte 1 (Figur Ib) .
Zur Reduzierung der dynamischen Deformation von translatorisch bewegten Mikrospiegeln könnte nun die Dicke der Spiegelplatte erhöht werden und somit die Struktur der Spiegelplatte versteift werden. Gerade für mikromechanische Spiegelplatten ist aber eine Dickenerhöhung nicht unbegrenzt möglich: Zum einen kann aufgrund von technologischen Randbedingungen die
Herstellbarkeit des Mikrobauteils mit vergrößerter Spiegelplattendicke nur mit erhöhtem technologischen Aufwand gewährleistet werden; zum anderen erhöht die Dicke einer Spiegelplatte zugleich auch deren Masse, was sich negativ auf die Schockfestigkeit des Mikrobauteils auswirkt. Zusätzlich werden auch flexibel ausgeführte Halteelemente bzw. Haltestrukturen (beispielsweise Balkenfedern, Torsionsstäbe oder - profile) unerwünscht versteift, wenn sie die gleiche Strukturhöhe bzw. Dicke wie die der Spiegelplatte besitzen. Versteifte Halteelemente und/oder eine erhöhte Masse der Spiegelplatte bewirken zudem eine Änderung der mechanischen Eigenfrequenzen der Translationsschwingung in resonant betriebenen Mikrospiegeln.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mikromechanische Spiegelanordnungen mit Translationsspiegeln zur Verfügung zu stellen, bei denen trägheitsbedingte, dyna- mische Deformationen der translatorisch bewegten Spiegelplatte reduziert sind.
Die Reduktion solcher Trägheitskräfte, die der Bewegungsrichtung gleichgerichtet sind und die aus dem Stand der Technik bekannten Spiegelplatten deformieren (z.B. verwölben), sind beispielsweise beim Ein- satz einer Spiegelplatte in einem Fourier-Transform- Spektrometer wichtig, da die dynamische Deformation der phasenschiebenden Spiegelplatte eine Zunahme der Strahldivergenz des Interferometers verursacht, in- folge deren sich eine Reduzierung der spektralen Auflösung des Fourier-Transform-Spektrometers ergibt. Jedoch ist eine Reduktion der trägheitsbedingten, dynamischen Deformationen der Spiegelplatte auch ganz allgemein erwünscht (beispielsweise auch in Aktoren, in denen die Spiegelplatte das ablenkende Element darstellt) , da die Nutzung von Translationsspiegeln in adaptiv-optischen Systemen zu Abbildungsfehlern des reflektierten Lichts führt, wenn eine dynamische Deformation der Spiegelplatte vorliegt.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei müssen die bei einem Ausführungsbeispiel in Kombination miteinander verwirklichten Merkmale der vorliegenden Erfindung nicht in genau der gezeigten Kombination verwirklicht werden, sondern können im Rahmen des durch die Patentansprüche realisierten Schutzumfangs auch in anderen Kombinationen realisiert sein. Insbesondere können einzelne der gezeigten Merkmale eines Ausführungsbeispiels auch weggelassen werden oder auf andere Art und Weise mit weiteren Einzelmerkmalen des gezeigten Ausführungsbeispiels oder anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem Zentrum (z.B. einer Spiegelplatte oder auch eines Trägheitselements) ein geometrisches Zentrum des entsprechenden Elements (beispielsweise einer kreisför- migen Spiegelplatte mit punktsymmetrischen Auskragungen) und/oder ein Massezentrum des entsprechenden Elementes (also der Schwerpunkt des Elementes) verstanden. Eine in einer erfindungsgemäßen Spiegelanordnung eingesetzte Spiegelplatte kann regelmäßig, insbesondere symmetrisch (z.B. punktsymmetrisch zum Zentrum) geformt sein, es kann sich jedoch auch um eine unregelmäßig bzw. beliebig geformte Spiegelplatte handeln. Unter der Spiegelplatte wird dabei der gesamte Körper verstanden, der über die Halteelemente mit der Rahmenstruktur verbunden ist, also relativ zur Rahmenstruktur translatorisch auslenkbar ist.
Insbesondere schließt der Begriff der Spiegelplatte bzw. des Translationsspiegels nachfolgend somit nicht nur die in der Regel regelmäßig geformte Basisstruktur (z.B. kreisförmige oder rechteckige Struktur) ein, sondern auch die an einer solchen Basisstruktur angebrachten, auskragenden Trägheitselemente.
Dabei kann eine solche Spiegelplatte einschichtig oder mehrschichtig ausgeführt sein, sie kann aus ei- nem einzelnen Material bestehen oder mehrere Einzelabschnitte aus unterschiedlichen Materialien aufweisen. Der Begriff der Spiegelplatte umfasst somit alle in der Plattenebene vorhandenen und miteinander verbundenen Abschnitte eines beliebig geformten Spiegel- körpers, die relativ zur Rahmenstruktur
translatorisch auslenkbar sind (und durch die Halteelemente in ihrer translatorischen Bewegung relativ zur Rahmenstruktur beschränkt werden) . Soweit nachfolgend nicht anders gesagt, bezieht sich die in den einzelnen Ausführungsbeispielen bzw. in der generellen Beschreibung der Erfindung verwendete Sichtweise immer auf die Translationsspiegelebene bzw. die Lage des Translationsspiegels (bzw. der Spiegelplatte) in seiner Ruhelage: Ist beispielsweise von einer mittleren Entfernung des Außenrandes der Spiegelplatte von ihrem Zentrum die Rede, so sind all diese Größen in der Translationsspiegelebene bzw. durch eine Parallelprojektion senkrecht zu dieser Translationsspiegelebene (die i.d.R. mit der Zeich- nungsebene in den Figuren übereinstimmt) und auf diese Translationsspiegelebene zu bestimmen.
Die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung ist die Reduzierung der trägheitsbedingten Deformation mit Hilfe zusätzlicher, über den Rand der Grundstruktur bzw. Basisstruktur der Spiegelplatte (nachfolgend alternativ auch als dem Zentrum der Spiegelplatte zugewandter und/oder zentrumsnaher Abschnitt der Spiegelplatte bezeichnet) hinaus befestigter bzw. hinaus- ragender Trägheitsmassen (nachfolgend auch als außen- randnahe Abschnitte und/oder als Trägheitselemente der Spiegelplatte bezeichnet) .
Erfindungsgemäß wirken somit zunächst auf diese zu- sätzlich angebrachten, außenrandnahen Abschnitte bzw. Trägheitselemente der Spiegelplatte die Trägheitskräfte in die gleiche Richtung, wie auf den zentrumsnahen Abschnitt der Spiegelplatte. Da jedoch der Verbindungsbereich zwischen den Halteelementen (bei- spielsweise: Gelenken oder Scharnieren) und der Spiegelplatte nach innen versetzt angeordnet ist, also unmittelbar im Randbereich des zentrumsnahen Abschnitts der Spiegelplatte angebracht ist, führen die Trägheitskräfte der außenrandnahen Abschnitte bzw. der Trägheitselemente zu Drehmomenten im Bereich der genannten Verbindungsbereiche, also am Rand des zentrumsnahen Abschnitts der Spiegelplatte. Diese
eingekoppelten Drehmomente induzieren in der Spiegelplatte zusätzliche Biegemomente, die den Biegemomen- ten der trägen Masse des zentrumsnahen Bereichs der
Spiegelplatte entgegenwirken. Dadurch verringert sich die trägheitsbedingte dynamische Deformation der Spiegelplatte im Zentrum bzw. im zentrumnahen Abschnitt. Der zentrumsnahe Bereich wird somit gerade gezogen.
Um diese physikalischen Verhältnisse zu realisieren, kann der Verbindungsbereich der Halteelemente mit der Spiegelplatte vom Außenrand der Spiegelplatte zum Zentrum der Spiegelplatte hin gesehen nach innen ver- setzt angeordnet sein. Die Sichtweise bezieht sich hierbei wie vorbeschrieben auf die Translationsspiegelebene bzw. Ruhelage.
Die mittlere Entfernung des Außenrandes der Spiegel- platte von dem Zentrum der Spiegelplatte kann größer sein als der Abstand der Verbindungsbereiche von diesem Zentrum. (Die "Verbindungsbereiche" sind dabei hier wie in den anderen Konfigurationen immer die Befestigungsorte der Halteelemente an der Spiegelplat- te.)
Die Spiegelplatte kann mehrere bevorzugt punktsymmetrisch zu ihrem Zentrum angeordnete zusätzliche Trägheitselemente aufweisen, die in Bezug auf die Halte- elemente und/oder deren vorbeschriebene Verbindungsbereiche vom Zentrum der Spiegelplatte nach außen gesehen auskragend angeordnet sind.
Die Spiegelplatte kann mehrere bevorzugt punktsymmet- risch zum Zentrum der Spiegelplatte angeordnete Trägheitselemente so aufweisen, dass die senkrechte Projektion des Zentrums der Trägheitselemente auf eine durch das Zentrum der Spiegelplatte verlaufende Gerade weiter entfernt vom Zentrum der Spiegelplatte zum Liegen kommt, als die senkrechte Projektion der vorbeschriebenen Verbindungsbereiche auf diese Gerade. Bei einer solchen Projektion handelt es sich um eine Projektion in der Translationsspiegelebene.
Erfindungsgemäß kann somit eine Anordnung von trägen Massen bzw. Trägheitselementen außerhalb der eigentlich genutzten optischen Fläche der translatorisch bewegten Spiegelplatte derart realisiert werden, dass die durch die mechanische Trägheit der zusätzlichen Massen in die Spiegelplatte eingekoppelten Momente bzw. Kräfte den trägheitsbedingten dynamischen Deformationen der Spiegelplatte entgegenwirken und diese kompensieren. Die Integration der zusätzlichen Massen kann am äußeren Rand des zentrumsnahen Abschnitts bzw. der Basisstruktur der Spiegelplatte, d.h. außer- halb der eigentlichen genutzten Spiegelfläche einer translatorisch bewegbaren Spiegelplatte erfolgen. Dabei können, wie nachfolgend noch näher beschrieben, die Ausgleichsmassen, also die zusätzlichen Massen, durch weitere Strukturen von der Spiegelmasse räum- lieh abgetrennt werden (z.B. über Rahmenelemente).
Es ist somit möglich, dass die tatsächlich optisch genutzte Fläche des Spiegelelements von den zusätzlichen Massen bzw. Trägheitselementen begrenzt wird.
Es ist jedoch auch möglich, dass die zusätzlichen Massen bzw. die Trägheitselemente eine
Verspiegelungsschicht aufweisen und ebenso optisch genutzt werden.
Die mikromechanische Spiegelanordnung gemäß der Erfindung kann für resonante oder nicht-resonant schwingende Translationsspiegel eingesetzt werden, wobei die Translationsspiegel elektrostatisch, elekt- romagnetisch, piezoelektrisch, piezomagnetisch, elektrostriktiv, magnetostriktiv, thermisch oder pneumatisch angetrieben werden können.
Für den zentrumsnahen Bereich (Basisstruktur) der Spiegelplatte kann eine rechteckige, eine runde oder eine elliptische Kontur (in Verbindung mit den in diesem inneren Bereich der Spiegelplatte angebrachten Halteelementen und den außerhalb dieses inneren Bereichs angebrachten Trägheitselementen) realisiert werden. Die Trägheitselemente können beliebig ausgeformt werden bzw. in beliebiger Form auskragen.
Die Trägheitselemente können über Trägheitselement- Halteelemente miteinander oder mit dem inneren Ab- schnitt bzw. dem zentrumsnahen Bereich der Spiegelplatte verbunden sein. Für diese Trägheitselement- Halteelemente und für die vorbeschriebenen Halteelemente zur Verbindung des Translationsspiegels mit der Rahmenstruktur können verschiedenartige kontinuierli- che oder diskrete Halteelemente verwendet werden:
Beispielsweise Freikonturen, Balkenfedern, mäander- förmig ausgebildete Federelemente oder auch
Pantographenaufhängungen. Wie solche Halteelemente im Einzelnen ausgeführt sein können, ist dem Fachmann bekannt.
Bei der Verbindung der Trägheitselemente mit dem zentrumsnahen Abschnitt der Spiegelplatte über separate Rahmenelemente können solche Rahmenelemente als runde Rahmen- oder Ringstrukturen oder auch als poly- gonförmige Rahmen- oder Ringstrukturen ausgeführt werden, die dann mit mehreren inneren und äußeren Verbindungsstücken an dem inneren Abschnitt der Spiegelplatte und/oder an den Trägheitselementen befes- tigt sind. Erfindungsgemäß können für die einzelnen Elemente der Spiegelanordnung unterschiedliche Strukturhöhen
(senkrecht zur Translationsspiegelebene gesehen) realisiert werden. Die Realisierung der Spiegelplatte kann einschichtig oder mehrschichtig, mit oder ohne zugverspannten Schichten, mit oder ohne Rück- oder Vorderseiten-Versteifungsstrukturen und/oder mit unterschiedlichen Kombinationen der vorgenannten Elemente verwirklicht werden. Auch dies wird nachfolgend noch im Detail beschrieben.
Die Spiegelplatte 1 kann in Form von lamellenartigen Gitterbauelementen realisiert werden, bei denen bevorzugt balkenförmige Strukturen seitlich auskragende Gitterfinger aufweisen. Auch die Trägheitselemente selbst können als lamellenförmiges Gitter ausgeführt werden.
Erfindungsgemäß kann die mikromechanische Spiegelan- Ordnung in ein Fourier-Transform-Spektrometer, ein
Interferometer, ein lamellares Gitter-Interferometer ein konfokales Mikroskop, einen optischen Weglängenmodulator oder einen Beschleunigungssensor eingebaut werden.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowie weitere Abwandlungen dieser Ausführungsformen werden nachfolgend anhand von einzelnen Ausführungsbeispielen beschrieben.
Dabei zeigen:
Figur 1 eine mikromechanische Spiegelanordnung gemäß dem Stand der Technik. Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung.
Figuren
3 bis 8 weitere Ausführungsbeispiele für die vorliegende Erfindung mit einfach strukturierten Basisstrukturen bzw. zentrumsnahen Abschnitten der Spiegelplatte.
Figuren
9 bis 11 drei weitere Ausführungsbeispiele mit Ia- mellar strukturierten zentrumsnahen
Abschnitten bzw. Basisstrukturen der Spiegelplatte .
Fig. 2 zeigt eine erste erfindungsgemäße mikromechanische Spiegelanordnung. Die Spiegelplatte 1 bildet dabei einen Translationsspiegel aus, der über vier symmetrisch zum Ursprung bzw. Zentrum 6 der Spiegelplatte 1 angeordnete Halteelemente 2 mit einer
Rahmenstruktur 3 verbunden ist. Durch diese Halteelemente wird wie vorbeschrieben bei Bewegung der Rahmenstruktur 3 senkrecht zur in der Fig. 2 oben gezeigten Translationsspiegelebene die Spiegelplatte 1 relativ zur Rahmenstruktur 3 in einer Richtung senkrecht zur Translationsspiegelebene ausgelenkt (vgl. in Fig. 2, Mitte und unten die Querschnitte senkrecht zur Translationsspiegelebene) .
Die Spiegelplatte 1 besteht aus einem zentrumsnahen Abschnitt 11, der in Form einer runden, konzentrisch um das Zentrum 6 der Spiegelplatte 1 angeordneten Platte ausgebildet ist. Am äußeren Rand dieses runden, zentrumsnahen Abschnittes 11 der Spiegelplatte 1 (dieser Rand ist gestrichelt eingezeichnet) sind über den Umfang dieses runden Zentralabschnittes 11 gesehen im Abstand von jeweils 90° verteilt die vier Halteelemente 2 in Form von Balkenfedern symmetrisch zum Zentrum 6 der Spiegelplatte 1 angeordnet und mit dem Abschnitt 11 bzw. der Spiegelplatte 1 verbunden.
Zwischen zwei benachbarten Halteelementen 2 weist die Spiegelplatte 1 jeweils ein Trägheitselement 7 auf; somit sind insgesamt vier Trägheitselemente 7 als nach außen stehende Teilabschnitte der Spiegelplatte 1 ausgebildet. Diese vier Trägheitselemente 7 sind so ausgebildet, ausgeformt und angeordnet, dass eine punktsymmetrische Anordnung zum Zentrum 6 der Spiegelplatte 1 besteht. Auch die Trägheitselemente 7 sind am äußeren Rand (gestrichelt) des zentrumsnahen Abschnitts 11 angeordnet bzw. mit diesem in Form einer einstückigen Ausbildung) verbunden.
Durch die in Bezug auf den inneren, zentrumsnahen Ab- schnitt 11 der Spiegelplatte 1 nach außen auskragend angeordneten Trägheitselemente 7 bzw. deren endliche Flächenausdehnung ist der Außenrand 5 der (aus den Trägheitselementen 7 sowie dem zentrumsnahen Abschnitt 11 bestehenden) Spiegelplatte 1 weiter vom Zentrum 6 der Spiegelplatte 1 entfernt angeordnet und ausgebildet als die Verbindungsbereiche 4 (bzw. die Kontaktstelle 4) zwischen den zentrumsnahen Enden der Halteelemente 2 und der Spiegelplatte 1 bzw. dem zentrumsnahen Abschnitt 11 dieser Spiegelplatte.
In Bezug auf die Lage der Verbindungsbereiche 4 zwischen den Halteelementen 2 und der Spiegelplatte 1 und vom Zentrum 6 der Spiegelplatte 1 nach außen gesehen stehen die vier Trägheitselemente 7 somit her- vor. Die auskragenden bzw. hervorstehenden Trägheits- elemente 7 sind dabei um 45° versetzt zu den Halteelementen 2 an zentrumsnahen Abschnitt 11 befestigt.
Die gezeigte erfindungsgemäße Konfiguration einer mikromechanischen Spiegelanordnung lässt sich somit wie folgt beschreiben:
- Die Verbindungsbereiche 4 der Halteelemente 2 mit der Spiegelplatte 1 sind, vom Außenrand 5 der Spiegelplatte 1 zum Zentrum 6 der Spiegelplatte 1 hin gesehen, nach innen versetzt angeordnet.
- Bildet man über den Umfang der Spiegelplatte 1
(also des inneren Abschnitts 11 samt der aus- kragenden Trägheitselemente 7) die gemittelte Entfernung E (hier nicht gezeigt, vgl. Fig. 3, in der diese Entfernung ausschnittsweise gezeigt ist) des Außenrandes 5 der Spiegelplatte 1 von ihrem Zentrum 6, so ist diese mittlere Entfernung E größer als der Abstand der Verbindungsbereiche 4 zwischen den Halteelementen 2 und der Spiegelplatte 1 von diesem Zentrum 6.
- Die Spiegelplatte 1 weist vier punktsymmetrisch zu ihrem Zentrum 6 angeordnete Trägheitselemente 7 auf, die in Bezug auf die Halteelemente 2 bzw. deren Verbindungsbereiche 4 zur Spiegelplatte 1 gesehen vom Zentrum 6 der Spiegelplatte 1 nach außen gesehen auskragend angeordnet sind.
- Es existiert somit eine durch das Zentrum 6 der Spiegelplatte verlaufende Gerade 9 (dies ist in der Fig. 2 eine Diagonale durch die gezeigte punktsymmetrische Anordnung) , wobei für senkrechte AufProjektionen in der Translationsspiegelebene auf diese Gerade das Folgende gilt: Die senkrech- ten Projektionen P8 der Zentren 8 der Trägheitselemente 7 (hier ist nur das Zentrum 8 des Trägheitselementes 7 links unten gezeigt) fallen so auf die Gerade 9, dass sie weiter vom Zentrum 6 der Spiegelplatte 1 entfernt zu liegen kommen als die senkrechten AufProjektionen P4 der Verbindungsbereiche 4 der Halteelemente 2 mit der Spiegelplatte 1 (hier ebenfalls nur für ein Halteelement 2 — hier links im Bild — gezeigt) .
Fig. 2 zeigt in der unteren Hälfte die sich ergebende dynamische Deformation bei einer Abwärtsbewegung der Rahmenstruktur (oben) sowie bei einer Aufwärtsbewegung der Rahmenstruktur (unten) . Wie vorbeschrieben wirken auf die Trägheitselemente 7 die Trägheitskräfte in die gleiche Richtung wie auf den inneren Abschnitt 11 der Spiegelplatte 1. Da jedoch die Halteelemente 2 unmittelbar am Rand des inneren Spiegelplattenabschnitts 11 angebracht sind, führen die Trägheitskräfte der Trägheitselemente 7 zu Drehmomenten Mi am Rand des inneren Abschnitts 11 (gestrichelter Kreis in Fig. 2 ganz oben) . Diese eingekoppelten Drehmomente induzieren im zentrumsnahen Abschnitt 11 zusätzlich Biegemomente in die Spiegelplatte 1, die den durch die trägheitsbedingten dynamischen Deformation erzeugten Biegemomenten der zentrumsnahen Spiegelplatte 11 entgegenwirken. Dadurch verringert sich die trägheitsbedingte dynamische Deformation der Spiegelplatte 1; sie wird somit quasi geradegezogen.
Im gezeigten Beispiel besitzen der zentrumsnahe Abschnitt 11 der Spiegelplatte 1 und die zusätzlich angebrachten Trägheitselemente 7 die gleiche Dicke (senkrecht zur Translationsspiegelebene) und sind aus dem gleichen Material gefertigt. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich (s. nachfolgende Beispiele), dass die Strukturhöhen von innerem Spiegelplattenabschnitt 11, Trägheitselementen 7 und/oder Halteelementen 2 unterschiedlich ausgeführt werden und/oder dass einzelne oder komplette Bereiche des zentrumsnahen Spie- gelplattenabschnitts 11, der Trägheitselemente 7 und/oder der Halteelemente 2 aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Es können z.B. amorphes, ein- oder polykristallines Silizium, Siliziumoxid, Aluminium, Aluminiumoxid,
Aluminiumnitrid, Titan, Titanaluminid oder Titanoxid oder auch andere halbleiterkompatible Materialien im Dickenbereich von 10 nm bis 500 μm verwendet werden. Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt insgesamt vier Halteelemente 2; zum Halten der Spiegelplatte 1 in der Rahmenstruktur 3 bzw. zum beschränkten Auslenken dieser Spiegelplatte 1 senkrecht zur Translationsspiegelebene 1 und relativ zur Rah- menstruktur 3 ist es jedoch grundsätzlich auch ausreichend, zwei gegenüberliegend am Außenrand des inneren Spiegelplattenbereiches 11 (gestrichelt) angeordnete Halteelemente 2 vorzusehen. Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das grundsätzlich wie das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel aufgebaut ist, so dass hier nur die Unterschiede beschrieben werden: Die Spiegelplatte 1 weist benachbart zu und angrenzend an die Verbindungsbe- reiche 4 zwischen Halteelementen 2 und Spiegelplatte
I jeweils Schlitze 10 auf, die zwischen den außen liegenden Abschnitten 7 der Spiegelplatte 1 bzw. den Trägheitselementen 7 und dem zentrumsnahen Abschnitt
II der Spiegelplatte 1 entlang Abschnitten des Außen- randes des zentrumsnahen Abschnitts 11 der Spiegelplatte 1 eingebracht sind. Die Trägheitselemente 7 sind somit (wenn man den Verbindungsbereich zwischen den Halteelementen und der Spiegelplatte 1 einmal vernachlässigt) nicht über den gesamten Umfang des inneren Spiegelplattenabschnitts 11 an letzterem befestigt, sondern die in Bezug auf das Zentrum der Trägheitselemente 7 gesehen (vgl. hierzu Bezugszeichen 8 in Fig. 2) außen liegenden bzw. halteelementnahen Abschnitte der Befestigung sind jeweils durch Schlitzabschnitte ersetzt. Die trägheitsbedingte Deformation wird hierdurch im Vergleich zum in Fig. 2 gezeigten Fall weiter vermindert. Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das eine ähnliche Konfiguration wie das in Fig. 2 gezeigte aufweist, so dass hier ebenfalls nur die Unterschiede beschrieben sind: Der zentrumsnahe Abschnitt 11 ist mit den Trägheitselementen 7 über ein abge- setztes, ringförmiges Rahmenelement 12 verbunden. Die Trägheitselemente 7 sind somit nicht einstückig mit dem zentrumsnahen Abschnitt 11 ausgebildet, sondern abgesetzt davon über das Rahmenelement 12 mit dem zentrumsnahen Abschnitt 11 verbunden. Diese Verbin- düng geschieht über außenumfangsseitig des zentrumsnahen Abschnitts 11 bzw. innenumfangsseitig der Trägheitselemente 7 über den gesamten Umfang in regelmäßigen Abständen angeordnete Verbindungsstücke 13. Die außenumfangsseitig des Rahmenelements 12 angeordneten Verbindungsstücke 13 verbinden somit das Rahmenelement 12 mit den Trägheitselementen 7, die innenumfangsseitig des Rahmenelements 12 angeordneten Verbindungsstücke 13 verbinden das Rahmenelement 12 mit dem im Inneren des Rahmenelements 12 angeordneten zentrumsnahen Abschnitt 11 der Spiegelplatte 1. Zwischen den Trägheitselementen 7 sind jeweils die HaI- teelemente 2 im Verbindungsbereich 4 mit ihrem innen liegenden (d. h. dem Zentrum 6 zugewandten) Ende an dem ringförmigen Rahmenelement 12 befestigt. Sie halten somit die Elemente 7 und 11 der Spiegelplatte 1 über das Rahmenelement 12 und die Verbindungsstücke 13.
Im gezeigten Fall bilden somit die Trägheitselemente 7, die Verbindungsstücke 13, das ringförmige Rahmen- element 12 und der zentrumsnahe Abschnitt 11 die
Spiegelplatte 1. Die Trägheitselemente 7 sind mithil- fe der Verbindungsstücke 13 über das ringförmige Rahmenelement 12 mit dem zentrumsnahen Abschnitt 11 der Spiegelplatte 1 verbunden. Dies hat den Vorteil, dass das durch die Trägheitselemente 7 lokal eingekoppelte Biegemoment Mi (vgl. Fig. 2) gleichmäßiger in der Spiegelplatte verteilt werden kann. Zudem wird der Einfluss der Halteelemente 2 auf die Deformation der Spiegelplatte 1 verringert, und die Spiegelplatte wird von den Halteelementen teilweise mechanisch entkoppelt. Die Anzahl und die Lage der Verbindungsstücke 13 kann variabel gestaltet werden. Die (in Bezug auf das ringförmige Rahmenelement 12 innen bzw. außen liegenden) Verbindungsstücke 13 können im Zusammen- spiel mit diesem Rahmenelement 12 auch als "verteiltes Halteelement" bezeichnet werden.
Das in den Fign. 2—4 skizzierte Grundprinzip der vorliegenden Erfindung hat gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten mikromechanischen Spiegelanordnungen insbesondere die folgenden Vorteile:
- Das erfindungsgemäße Prinzip ermöglicht die Reduzierung der dynamischen Deformation von trans- latorisch bewegten Mikrospiegeln absolut und sowohl was den Mittelwert der Verformung als auch was den sogenannten Peak-to-Valley-Wert (das heißt: Maxima minus Minima) der Verformung betrifft. - Das erfindungsgemäße Prinzip optimiert das dynamische Deformationsprofil besonders im zentrumsnahen Bereich der Spiegelmitte 11, wo die Anforderungen an die Ebenheit am höchsten sind. Dies kommt insbesondere dadurch zustande, dass Mikrospiegel oft zur Ablenkung von näherungsweise gaußförmig verteilten Intensitätsprofilen des eingestrahlten Laserlichtes verwendet werden, wodurch die Deformation der Spiegelmitte 11 einen größeren Einfluss auf Abbildungsfehler und Auflösungsgrenzen hat als die Deformation am Spiegelrand.
- Das vorgestellte erfindungsgemäße Prinzip funktioniert auch ohne Strukturierung der Spiegelplatte 1 mit zusätzlichen Verstärkungsstrukturen auf der Vorder- oder Rückseite 14, 15 (vgl. nachfolgend) ohne zusätzliche Abdünnung des zentrumsnahen Bereiches der Spiegelplatte 11 und ohne Erhöhung der Dicke der gesamten Spiegelplatte 1. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die erfindungsgemäßen mikromechanischen Spiegelanordnungen technologisch ohne Mehraufwand hergestellt werden können.
Die Fign. 5—8 zeigen weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele; die Konfiguration ist hier grund- sätzlich wie in Fig. 2 gezeigt, die einzelnen Figuren zeigen AufProjektionen auf eine Ebene senkrecht zur Translationsspiegelebene, die entlang der Längsachse zweier gegenüberliegend voneinander angeordneter Halteelemente 2 verläuft. In den Ausführungsbeispielen von Fig. 2—4 wurde davon ausgegangen, dass die Spiegelplatte 1 bzw. die Elemente 7, 11 mit ein und derselben Strukturhöhe (Ausdehnung senkrecht zur Translationsspiegelebene, nach- folgend mit D bezeichnet) ausgeführt sind. Die Translationsspiegelebene ist beispielsweise die sogenannte Device-Ebene (SOI-Schicht = semiconductor on
insulator) eines BSOI-Wafers oder ähnlicher, z. B. epitaktisch aufgewachsener, aufgedampfter und mithil- fe von CVD- oder PVD-Verfahren abgeschiedener mechanischer Funktionsschichten.
Die nun beschriebenen Ausführungsbeispiele mit unterschiedlichen Strukturhöhen D können mithilfe zusätz- licher Ätzschritte realisiert werden.
Fig. 5a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Dicke bzw. die Höhe des zentrumsnahen Abschnitts 11 der Spiegelplatte 1 (Dicke Dl) halb so groß ist wie die Dicke D2 der außenrandnahen Abschnitte 7 bzw. der Trägheitselemente 7 der Spiegelplatte 1. Die Halteelemente 2 sind mit identischer Dicke D2 wie die Trägheitselemente 7 gefertigt. Fig. 5b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das wie das in Fig. 5a gezeigte ausgebildet ist, mit dem einzigen Unterschied, dass die Dicke der Halteelemente 2 hier der Dicke Dl des zentrumsnahen Abschnitts 11 entspricht.
Fig. 5c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Trägheitselemente 7, die Halteelemente 2 und der zentrumsnahe Abschnitt 11 mit ein und derselben Dicke D ausgebildet sind und die Trägheitsabschnitte 7 auf der Unterseite 15 der Spiegelplatte 1 zusätzliche Trägheitsabschnitte 16 bzw. Trägheitskörper 16 aufweisen. Alternativ dazu (hier nicht gezeigt) können die zusätzlichen Trägheitsabschnitte 16 auch auf der Oberseite 14 der Spiegelplatte 1 oder sowohl auf der Oberseite 14 wie auch auf der Unterseite 15 der Spiegelplatte 1 ausgebildet werden.
Fig. 5d zeigt einen Fall ähnlich dem in Fig. 5c gezeigten, wobei jedoch (als einziger Unterschied) der zentruxnsnahe Abschnitt 11 der Spiegelplatte 1 gegen- über den Trägheitselementen 7 und den Halteelementen 2 um etwa zwei Drittel abgedünnt wurde (Ätzung) .
Fig. 5e zeigt einen weiteren Fall, bei dem anstelle des zentrumsnahen Abschnitts 11 (vgl. Fig. 5d) die Halteelemente 2 auf etwa ein Drittel abgedünnt wurden.
Die Erhöhung der Trägheitselemente 7 bzw. deren träger Masse kann durch Trägheitsabschnitte 16 in Form einer zusätzlich strukturierten Schicht realisiert werden. Diese Schicht kann beispielsweise aus dem Volumen eines Substrats (z. B. des für die Spiegelplatte 1 verwendeten Bulk-Siliziums) mithilfe geeigneter Ätzverfahren (z. B. DRIE) herausgearbeitet werden.
Die Spiegelplatte 1 kann monolithisch aus einem Material (Material der sogenannten Device-Ebene) gefertigt sein, es ist jedoch auch möglich, die Spiegelplatte aus einer zusätzlich aufgebrachten Schicht (beispielsweise Dünnschicht mit oder ohne Zugspannung) zu realisieren. Die Fig. 6 zeigt eine solche Ausführung (d. h., das Bulk-Material bildet hier lediglich die Trägheitselemente 7 und die Halteelemente 2, wobei erstere auf der besagten Dünnschicht und zu- sammen mit dieser Dünnschicht die Spiegelplatte ausbildend angeordnet sind) . Auch hier ist grundsätzlich eine Kombination mit den zusätzlichen Trägheitsabschnitten 16 möglich (nicht gezeigt) .
Fig. 7 zeigt drei weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung ebenso in Projektionsaufsicht wie in den Fign. 5 und 6.
In den Ausführungsbeispielen der Fign. 5 und 6 wurden der zentrumsnahe Abschnitt 11 der Spiegelplatte 1, die Trägheitselemente 7 und/oder die Halteelemente 2 im Ganzen abgedünnt oder dicker als benachbarte Elemente ausgeführt. Alternativ hierzu oder auch in Kombination hiermit ist es möglich, die dynamische Deformation der erfindungsgemäßen Spiegelplatte 1 bzw. des inneren Abschnitts 11 in Kombination mit den Trägheitselementen 7 und einer Rückseitenversteifungsstruktur bzw. einer Flächenversteifungsstruktur 17 zu minimieren. Dies hat den Vorteil, dass die Spiegelplatte 1 abschnittsweise (insbesondere bezüg- lieh ihres Zentralabschnitts 11) dünner ausgeführt werden kann und sich somit die Gesamtmasse der
Spiegelplatte 1 reduzieren lässt. Eine reduzierte Gesamtmasse ist bezüglich der Schockfestigkeit des Mik- rospiegels wünschenswert.
Fig. 7a zeigt ein Beispiel, bei dem auf der Rückseite 15 des Zentralabschnitts 11 rippenförmige Versteifungsstrukturen 17 angebracht sind. Diese Flächenversteifungsstrukturen 17, die hier als über die untere Oberfläche 15 hinausragende, parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordnete, balkenförmige Rippen ausgebildet sind, können ähnlich den zusätzlichen Trägheitsabschnitten 16 (s. Fign. 5 und 6) durch eine zusätzlich strukturierte Schicht ausge- führt werden. Diese Schicht kann beispielsweise aus dem Volumen eines Substrats (z. B. Bulk-Silizium) mithilfe geeigneter Ätzverfahren herausgearbeitet werden. Die laterale Geometrie der Flächenversteifungsstruktur 17 kann beliebig ausgebildet sein: Anstelle von parallel zueinander verlaufenden Einzel- rippen kann auch eine wabenförmige Flächenversteifungsstruktur ausgebildet werden.
Fig. 7b zeigt ein Ausführungsbeispiel, das grundsätzlich wie das in Fig. 7a ausgebildet ist, in diesem Fall ist die Flächenversteifungsstruktur 17 jedoch als in die Unterseite 15 eingelassene Vertiefungsstruktur ausgebildet (hier: mehrere parallel zueinander und beabstandet voneinander verlaufende Vertiefungen in Form von geraden Gräben) . Hier ist die Rückseitenstruktur 17 somit in die Funktionsschicht des Bauelements 11 integriert.
Fig. 7c zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Flächenversteifungsstruktur 17 des in Fig. 7a ge- zeigten Falles in Kombination mit den zusätzlichen Trägheitsabschnitten 16 wie in Bezug auf Fig. 5 beschrieben realisiert ist.
Selbstverständlich können die zusätzlichen Trägheits- abschnitte 16 und/oder die Flächenversteifungsstrukturen 17 nahezu beliebig mit denen in Fig. 5 gezeigten Variationen der Dicke realisiert werden.
Fig. 8 zeigt zwei Fälle, bei denen der zentrumsnahe Abschnitt 11 der Spiegelplatte 1 mehrschichtig ausgebildet ist, wobei mindestens eine der mehreren Schichten als zugverspannte Schicht ausgebildet ist.
In Fig. 8a ist der zentrumsnahe Abschnitt 11 zwei- schichtig ausgebildet, wobei die der Oberseite 14 zugewandte obere Schicht 18a als zugverspannte Schicht ausgebildet ist und die der Unterseite 15 zugewandte untere Schicht 18c als nichtzugverspannte Schicht ausgebildet ist. Fig. 8b zeigt einen dreischichtigen Aufbau, bei dem der zentrumsnahe Abschnitt 11 als Sandwichstruktur ausgebildet ist, dessen obere, der Oberseite 14 zugewandte Schicht 18a und dessen untere, der Unterseite 15 zugewandt angeordnete Schicht 18b jeweils zugverspannt sind und dessen mittlere Schicht 18c zwischen den beiden Schichten 18a und 18b nicht-zugverspannt ausgebildet ist.
In den gezeigten Fällen ist somit der zentrale Abschnitt 11 der Spiegelplatte mithilfe von Zugverspannungen versteift, um die dynamische Deformation weiter zu reduzieren. Eine solche (innere) Zugverspannung lässt sich mithilfe geeigneter Verfahrensparametersteuerungen bei den Herstellungsverfahren (bei PVD-Verfahren, bei CVD-Verfahren, bei
Epitaxieverfahren oder bei Verdampfungsverfahren) der Funktionsschicht bzw. der Spiegelplatte 1 einstellen. Die Vorgehensweise hierbei ist dem Fachmann bekannt. Solche zugverspannten Schichtsysteme können selbstverständlich mit zusätzlichen Trägheitsabschnitten 16, Flächenversteifungsstrukturen 17 oder Abdünnungen wie vorbeschrieben kombiniert werden.
Häufig werden für mikromechanisch gefertigte Translationsspiegel einiger dutzend Mikrometer Dicke SOI- Schichten als mechanische Funktionsschicht bzw. für die Spiegelplattenschicht 1 verwendet. Die Erzeugung dieser Strukturdicken mithilfe von Dünnschichttechnologien (z. B. Epitaxie, CVD, PVD) ist sehr zeitaufwendig und meist nicht wünschenswert. Da das SOI (einkristallines Silizium) spannungsfrei vorliegt, kann eine Zugspannung in der Regel nur mithilfe zusätzlicher Dünnschichten in die Spiegelplatte 1 ein- gebracht werden. Die Fig. 8 zeigt mögliche Kombinationen von mithilfe von zusätzlichen Dünnschichten 18a, 18b zugverspannten Spiegelplatten-Zentralabschitten 11 mit den Trägheitselementen 7. Bringt man die zug- verspannten Schichten 18a, 18b nur auf einer Seite der Spiegelplatte an (Fig. 8a) , so erhält man eine statische Verkrümmung der Spiegelplatte. Bei beidseitiger Anbringung (Fig. 8b) bzw. symmetrischer Zugverspannung entsteht keine statische AnfangsVerkrümmung.
Die Ausführungsformen nach den Fign. 5-8 haben insbesondere folgende Vorteile:
- Der Effekt (der Reduzierung der dynamischen Deformation durch die trägen Massen) wird weiter ver- stärkt und/oder
- Mithilfe eines im Vergleich zur monolithischen
Spiegelplatte gleich großen Effektes kann die Masse der Spiegelplatte reduziert werden (was sich wiederum positiv auf die Schockfestigkeit aus- wirkt) .
Wie die weiteren drei Ausführungsbeispiele der Fign. 9—11 zeigen, ist die vorliegende Erfindung auch im Rahmen von translatorisch bewegten lamellaren
Gittern, welche insbesondere innerhalb eines FTIR eingesetzt werden können, realisierbar.
Fig. 9 zeigt ein erstes solches Ausführungsbeispiel, bei dem die Spiegelplatte 1 als lamellares Gitter in Form einer Kammstruktur 19 ausgebildet ist. Hierzu weist die Spiegelplatte 1 einen langgestreckten, geraden Balken 20 mit mehreren beabstandet voneinander senkrecht zur Balkenlängsachse auskragenden Kammfingern 21 der Kammstruktur auf. Die Balkenlängsachse des Balkens 20 ist hier mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet. Das Symmetriezentrum (Punktsymmetriezent- rum) des Balkens 20, des diesen umfassenden zent'rums- nahen Abschnitts 11 der Spiegelplatte 1 sowie auch der gesamten Spiegelplatte 1 (die die nachfolgend beschriebenen Elemente 7, 20 und 21 umfasst) in der Translationsspiegelebene ist wie in den vorausgehenden Ausführungsbeispielen mit 6 bezeichnet.
Entlang der Längsachse 9 gesehen weist der Balken 20 an seinen beiden Enden 25a, 25b jeweils ein (in Bezug auf die Lage der Halteelemente 2 gesehen, s. nachfolgend) auskragendes Trägheitselement 7 auf. Die Ausbildung der Spiegelplatte 1, der Halteelemente 2 und der Rahmenstruktur 3 ist hier so ausgeführt, dass, entlang der Balkenlängsachse 9 und vom Zentrum 6 nach außen hin zu den beiden Enden 25a, 25b des
Balkens 20 gesehen, zunächst ein Balkenabschnitt mit mehreren senkrecht zur Balkenlängsachse in der Translationsspiegelebene auskragenden, parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordneten Kammfingern 21 ausgebildet ist. Diesem Abschnitt mit mehreren auskragenden Kammfingern 21 der Spiegelplatte 1 schließt sich ein Abschnitt an, in dem in Bezug auf die Längsachse 9 gesehen senkrecht auskragend beidseitig der Längsachse 9 jeweils ein Halteelement 2 ausgebildet ist (zu jedem Ende hin weist der Balken
20 somit zwei Halteelemente 2 auf) . Schließlich folgt an den beiden äußeren Enden 25a, 25b des Balkens 20 jeweils ein in Richtung der Balkenlängsachse 9 auskragendes Trägheitselement 7.
Die Anordnung der außen liegenden Trägheitselemente 7, der Verbindungsbereiche 4 der Halteelemente 2 mit der Spiegelplatte 1 bzw. dem Balken 20 sowie des Zentrums 6 der Spiegelplatte 1 ist somit dergestalt, dass bei einer senkrechten Projektion (in der Translationsspiegelebene) dieser Elemente auf die Längs- achse 9 das Zentrum 8 der Trägheitselemente 7 (Projektion P8) weiter entfernt vom Zentrum 6 auf der Projektionsgeraden 9 bzw. der Balkenlängsachse 9 zu liegen kommt als die Projektion der Zentren der HaI- teelemente 2 bzw. der Verbindungsbereiche 4 (Projektionsort P4 auf der Längsachse 9) .
Im gezeigten Fall weist auch die Rahmenstruktur 3 auf den der Spiegelplatte 1 zugewandten Innenseiten 22 mehrere senkrecht zur Oberfläche dieser Innenseiten 22 auskragende, beabstandet voneinander und parallel zueinander ausgebildete Kammfinger 23 einer Kammstruktur 24 auf. Die Kammfinger 23 der Kammstruktur 24 sind bezüglich der Kammfinger 21 der Kammstruktur 19 der Spiegelplatte 1 versetzt zueinander und intermittierend ineinandergreifend (in der Translationsspiegelebene) ausgebildet und angeordnet. Die Kammstruktur 19 der Spiegelplatte 1 und die Kammstruktur 24 der Rahmenstruktur 3 können zusätzlich als elekt- rostatisch funktionierender Kammantrieb genutzt werden.
Fig. 9 zeigt somit eine schematische Darstellung einer Spiegelplatte 1 in Form eines lamellaren Gitter- bauelements mit auskragenden Trägheitselementen. Dieses Gitterbauelement umfasst im Wesentlichen vier Funktionselemente: An einer balkenartigen Struktur 20 sind die lamellenförmigen Kämme 21 befestigt, welche mit einer Verspiegelungsschicht versehen sind. Die balkenartige Struktur 20 ist mit Halteelementen 2 verbunden bzw. an diesen befestigt, die als Gelenk oder Scharnier angesehen werden können. Die Halteelemente sind hier Biegebalken, können jedoch auch als mäanderförmige Federelemente oder als Panto- graphenaufhängung ausgeführt sein. Die Halteelemente 2 sind dann an der (nicht beweglichen) Rahmenstruktur 3 befestigt, die ebenfalls lamellenförmige Kämme 23 bzw. eine reißverschlussförmig in die Kammstruktur 19 der Spiegelplatte 1 eingreifende Kammstruktur 24 aufweist. Auch auf den Kammelementen 23 bzw. der Kamm- struktur 24 befindet sich eine Verspiegelungsschicht . Die lamellenförmigen Kammstrukturen 19 und 24 bilden die optisch wirksame Fläche und stellen ein lamella- res Gitterinterferometer dar. Wie vorbeschrieben ist es auch möglich, die lamellenförmigen Kämme als Antriebselektroden innerhalb eines elektrostatischen Scannerantriebs (Kammantrieb) zu nutzen. Durch Anlegen einer geeigneten Wechselspannung zwischen den Antriebselektroden wird die balken- artige Struktur 20 samt dem inneren lamellenförmigen Kamm 19 aus der gezeigten Translationsspiegelebene bzw. Translationsebene heraus translatorisch bewegt. Es sind jedoch auch alternative Antriebsmechanismen denkbar.
Auch hier erfährt die balkenartige Struktur bzw. der zentrumsnahe Abschnitt 11 (samt den auskragenden Fingern 21) eine trägheitsbedingte dynamische Deformation, die auch hier in der Mitte der balkenartigen Struktur maximal ist. Da jedoch an den beiden Enden
25a, 25b der Balkenstruktur über diese (bzw. über die Halteelemente 2 und die Verbindungsbereiche 4) hinausstehende Trägheitselemente 7 vorgesehen sind, kann die dynamische Deformation der balkenartigen Struktur reduziert werden. Da der innere lamellenförmige Kamm 19 an der balkenartigen Struktur 20 befestigt ist, führt die Reduzierung der dynamischen Deformation der balkenartigen Struktur zugleich auch zu einer Reduzierung der dynamischen Deformation des in- neren lamellenförmigen Kammes 19 und somit zu einer verbesserten Planarität der optisch wirksamen Flächen des lamellenförmigen Gitters.
Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das eine als einfache Kreuzbalkenstruktur ausgebildete Spiegelplatte 1 umfasst: Die Spiegelplatte 1 weist zwei in Bezug auf ihre Längsachsen gesehen senkrecht zueinander angeordnete Balkenelemente 20a, 20b auf, wobei das Balkenelement 20a wie vorbeschrieben (Fig. 9) mehrere senkrecht zur Balkenlängsachse 9a auskragende Kammfinger 21 einer Kammstruktur 19 aufweist. Das Balkenelement 20b weist entlang seiner Längsachse keine solchen Kammfinger auf. Im in Fig. 10 gezeigten Fall sind bei jeder der beiden Balkenstrukturen jeweils (in Bezug auf die jeweilige Balkenlängsachse gesehen) die Halteelemente 2 bzw. die Verbindungsbereiche 4 relativ zu den Trägheitselementen 7 nach innen versetzt bzw. zum Zentrum der Kreuzbalkenstruktur 20a, 20b (hier wieder mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet) hin angeordnet.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist somit in der Mitte des ersten balkenförmigen Elements 20a ein zweites balkenförmiges Element 20b angebracht, wobei das zweite Balkenelement 20b die Mitte des ersten Balkenelements 20a versteift und somit die dynamische Deformation weiter reduziert. Sowohl am ersten als auch am zweiten Balkenelement sind jeweils endseitig Trägheitselemente 7 angeordnet, was nicht nur zu einer Versteifung des ersten Balkenelements führt, sondern auch zu einer aktiven Reduktion der dynamischen Deformation der beiden Balkenelemente 20a, 20b und somit des lamellaren Gitters. Fig. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem doppelten Kreuzbalken als Spiegelplatte 1: Die Spiegelplatte 1 weist somit einen ersten Balken 20a und zwei weitere, beabstandet voneinander und paral- IeI und zueinander angeordnete zweite Balken 20b, 20c auf, wobei der erste Balken 20a senkrecht zu den beiden Balken 20b, 20c angeordnet ist und wobei der erste Balken 20a mit mehreren senkrecht zur Balkenlängsachse (hier nicht gezeigt) auskragenden Kammfingern 21 einer Kammstruktur 19 versehen ist. Auch hier (wie auch im in Fig. 10 gezeigten Fall) ist die gegenüberliegende Struktur der Rahmenstruktur 3 ebenfalls als Kammstruktur 24 mit einzelnen Fingern 23 ausgebildet: Die beiden Kammstrukturen 19 und 24 greifen, wie für Fig. 9 beschrieben, intermittierend ineinander.
Fig. 11 zeigt somit, dass die in Fig. 10 gezeigte Grundidee (Kreuzbalken) auch mehrfach angewendet werden kann, um die dynamische Deformation zu reduzie- ren. Es sind somit beliebig viele orthogonale Zusatzbalken (ohne Kammfinger) möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Mikromechanische Spiegelanordnung umfassend eine einen Translationsspiegel ausbildende Spiegelplatte (1), die über mindestens zwei Halte- elemente (2) mit einer Rahmenstruktur (3) verbunden und relativ zu dieser Rahmenstruktur translatorisch bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (4) der Halteelemente (2) mit der Spiegelplatte (1) vom Außenrand (5) der
Spiegelplatte zum Zentrum (6) der Spiegelplatte hin gesehen nach innen versetzt angeordnet ist und
die Spiegelplatte (1) punktsymmetrisch zum Zent- rum (6) der Spiegelplatte (1) angeordnete Trägheitselemente (7) aufweist, die in Bezug auf mindestens eines der Halteelemente (2) und/oder mindestens einen Verbindungsbereich (4) von einem Halteelement (2) mit der Spiegelplatte (1) vom Zentrum (6) der Spiegelplatte (1) nach außen gesehen auskragend angeordnet sind.
2. Mikromechanische Spiegelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Entfernung (E) des Außenrandes (5) der Spiegelplatte (1) von ihrem Zentrum (6) grö- ßer ist, als dgr Abstand der Verbindungsbereiche (4) der Halteelemente (2) der Spiegelplatte (1) von diesem Zentrum (6).
3. Mikromechanische Spiegelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitselemente (7) so angeordnet sind, dass die senkrechte Projektion (P8) des Zentrums (8) dieser Trägheitselemente (7) auf eine durch das Zentrum (6) der Spiegelplatte (1) verlaufende Gerade (9) weiter entfernt vom Zentrum (6) der Spiegelplatte (1) liegt, als die senkrechte "Projektion (P4) der Verbindungsbereiche (4) eines Halteelements (2) mit der Spiegelplatte (1) .
4. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu und/oder angrenzend an mindestens einen Verbindungsbereich (4) zwischen Halteele- ment (2) und Spiegelplatte (1) ein Schlitz (10) angeordnet ist, der vom Außenrand (5) der Spiegelplatte nach innen zu ihrem Zentrum (6) hin gesehen, zwischen einem außen liegenden Abschnitt (7) der Spiegelplatte (1) und/oder einem der Trägheitselemente (7) der Spiegelplatte (1) und einem innen liegenden Abschnitt und/oder dem Zentrum (6) zugewandten und/oder zentrumsnahen Abschnitt (11) der Spiegelplatte (1) eingebracht ist.
5. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Zentrum (6) zugewandter und/oder zentrumsnaher Abschnitt (11) der Spiegelplatte mit den Trägheitselementen (7) der Spiegelplatte (1) über ein abgesetztes Rahmenelement (12) verbunden ist, wobei das Rahmenelement (12) in der Plattenebene der Spiegelplatte (1) gesehen auf seiner dem Zentrum (6) zugewandten Seite und seiner dem Zentrum (6) abgewandten Seite mit mehreren Verbindungsstücken (13) versehen ist, über die das Rahmenelement (12) sowohl mit dem dem Zentrum (6) zugewandten und/oder zentrumsnahen Abschnitt (11), als auch mit den Trägheitselementen (7) verbunden ist.
6. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelplatte (1) senkrecht zu ihrer Plattenebene gesehen überall dieselbe Dicke (D) auf- weist, wobei diese Dicke (D) größer gleich 10 nm und/oder kleiner gleich 500 μm ist.
7. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Ausnahme des unmittelbar vorangehenden Anspruchs dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelplatte (1) senkrecht zu ihrer Plattenebene gesehen abschnittsweise unterschiedliche Dicken (Dl, D2) aufweist, wobei mindestens eine dieser Dicken (Dl, D2) größer gleich 10 nm und/oder kleiner gleich 500 μm ist.
8. Mikromechanische Spiegelanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Zentrum (6) zugewandter und/oder zent- rumsnaher Abschnitt (11) der Spiegelplatte (1) eine erste Dicke (Dl) aufweist und die Trägheitselemente (7) der Spiegelplatte eine zweite Dicke (D2) aufweisen, wobei die erste Dicke (Dl) kleiner als die zweite Dicke (D2) ist.
9. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass senkrecht zu der Plattenebene der Spiegelplatte
(I) gesehen mindestens eines der Halteelemente (2) dieselbe Dicke aufweist, wie ein dem Zentrum
(6) zugewandter und/oder zentrumsnaher Abschnitt
(II) der Spiegelplatte und/oder dieselbe Dicke aufweist wie die Trägheitselemente (7) der Spiegelplatte (1) .
10. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitselemente (7) der Spiegelplatte (1) in Richtung senkrecht zur Plattenebene der Spie- gelplatte (1) gesehen auf der Oberseite (14) und/oder der Unterseite (15) mindestens einen zusätzlichen Trägheitsabschnitt (16) aufweisen. .
11. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Zentrum (6) zugewandter und/oder zentrumsnaher Abschnitt (11) der Spiegelplatte (1) in Richtung senkrecht zur Plattenebene der Spie- gelplatte (1) gesehen auf seiner Oberseite (14) und/oder seiner Unterseite (15) mindestens eine Flächenversteifungsstruktur (17) aufweist.
12. Mikromechanische Spiegelanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenversteifungsstruktur (17) zumindest abschnittsweise als in die Oberseite (14) und/oder die Unterseite (15) eingelassene Vertiefung ausgebildet ist und/oder dass die Flächenversteifungsstruktur (17) zumindest abschnittsweise als über die Oberseite (14) und/oder die Unterseite (15) hinausragende Erhöhung ausgebildet ist und/oder dass die Flächenversteifungsstruktur (17) mehrere bevorzugt parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordnete Versteifungsrippen um- fasst und/oder zumindest abschnittsweise als wa- benförmige Struktur ausgebildet ist.
13. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein dem Zentrum (6) zugewandter Abschnitt der Spiegelplatte (1) oder zentrumsnaher Abschnitt (11) der Spiegelplatte (1), oder die ganze Spiegelplatte (1) als zugverspannte (r) und/oder als mehrschichtige (r) Platte (nabschnitt) ausgebildet ist.
14. Mikromechanische Spiegelanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Zugverspannung durch in Richtung senkrecht zur Plattenebene der Spiegelplatte gesehen auf der Oberseite (14) und/oder der Unterseite (15) der Spiegelplatte (1) aufgebrachte Zugverspan- nungsschichten (18a, 18b) realisiert ist.
15. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelplatte (1) mit lamellarem Gitter und/oder einer Kammstruktur (19) ausgebildet ist und/oder mindestens einen Balken (20) mit mehreren senkrecht zur Balkenlängsachse auskragenden Kammfingern (21) einer Kammstruktur (19) umfasst und/oder dass die Rahmenstruktur (3) auf mindestens einer der Spiegelplatte (1) zugewandten Innenseite
(22) mehrere senkrecht zur Oberfläche dieser Innenseite (22) auskragende Kammfinger (23) einer Kammstruktur (24) aufweist, wobei die Kammfinger (21) der Kammstruktur (19) der Spiegelplatte (1) und die Kammfinger (23) der Kammstruktur (24) der Rahmenstruktur (3) versetzt zueinander angeordnet sind und intermittierend ineinander greifen.
16. Mikromechanische Spiegelanordnung nach dem vor- hergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelplatte (1) zwei in Bezug auf ihre Längsachsen gesehen- senkrecht zueinander angeordnete Balken (20a, 20b), die jeweils mit meh- reren senkrecht zur jeweiligen Balkenlängsachse auskragenden Kammfingern (21) einer Kammstruktur (19) versehen sind, umfasst.
17. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelplatte (1) einen ersten Balken (20a) und zwei weitere, beabstandet voneinander und parallel zueinander angeordnete zweite Balken (20b, 20c) umfasst, wobei der erste Balken (20a) senkrecht zu den beiden zweiten Balken (20b,
20c) angeordnet ist, und wobei mindestens ein Balken (20a, 20b, 20c) mit mehreren senkrecht zur jeweiligen Balkenlängsachse auskragenden Kammfingern (21) einer Kammstruktur (19) verse- hen ist.
18. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in die jeweilige Balkenlängsachsrichtung gesehen an beiden Enden (25a, 25b) mindestens eines BaI- kens (20, 20a, 20b, 20c) mindestens ein auskragendes Trägheitselement (7) der Spiegelplatte (1) angeordnet ist.
19. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kammstruktur (19) der Spiegelplatte (1) und die Kammstruktur (24) der Rahmenstruktur (3) als Kammantrieb ausgebildet sind.
20. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die vom Zentrum (6) der Spiegelplatte (1) gesehen außen liegend und/oder am Außenrand (5) an- geordneten Trägheitselemente (7) der Spiegelplatte (1) aus einem ersten Material gebildet sind und ein dem Zentrum (6) zugewandter
und/oder zentrumsnaher Abschnitt (11) der Spiegelplatte (1) aus einem zweiten Material gebil- det ist.
21. Mikromechanische Spiegelanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Material amorphes, ein- oder polykristallines Silizium,
Siliziumoxid, Aluminium, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Titan, Titanaluminid oder Titanoxid enthält oder daraus besteht.
22. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine monolithische Spiegelplatte (1) .
23. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein vom Zentrum (6) der Spiegelplatte (1) gesehen außen liegendes und/oder am Außen- rand (5) angeordnetes Trägheitselement (7) der
Spiegelplatte (1) nicht verspiegelt ausgebildet ist und dass ein dem Zentrum (6) zugewandter und/oder zentrumsnaher Abschnitt (11) der Spiegelplatte (1) verspiegelt ausgebildet ist.
24. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein vom Zentrum (6) der Spiegelplatte (1) gesehen außen liegend und/oder am Außenrand (5) angeordnetes Trägheitselement (7) der Spiegelplatte (1) verspiegelt und als lamellares Gitter und/oder als Kammstruktur ausgebildet ist/sind und dass ein dem Zentrum (6) zugewandter und/oder zentrumsnaher Abschnitt (11) der Spiegelplatte (1) verspiegelt ausgebildet ist.
25. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Halteelemente (2) als Biegebalken, als mäander- förmiges oder balkenförmiges Federelement oder als Pantographenaufhängung ausgebildet sind.
26. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein dem Zentrum (6) zugewandter und/oder zentrumsnaher Abschnitt (11) der Spiegelplatte (1) als runder, elliptischer, recht- eckiger, quadratischer Plattenabschnitt oder punkt- oder unsymmetrische Freiformfläche ausgebildet ist.
27. Mikromechanische Spiegelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Translationsspiegel oder das lamellare Gitter als elektrostatisch, elektromagnetisch, piezoelektrisch, piezomagnetisch,
elektrostriktiv, magnetostriktiv, thermisch oder pneumatisch antreibbarer Translationsspiegel oder lamellares Gitter ausgebildet ist und/oder dass die Spiegel- oder Gitteranordnung als Sensor oder als Aktor ausgebildet ist.
28. Verwendung einer mikromechanischen Spiegelanord- nung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Fourier-Transform-Spektrometer, in einem Interferometer, insbesondere in einem lamellaren Gitter-Interferometer, in einem konfokalen Mikroskop, in einem optischen Weglängenmodulator oder in einem Beschleunigungssensor.
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