MEMS-Bausteine Beweglicher Spiegel mit 4,2 mm Durchmesser

Mirrorcle Technologies, Inc., hat die Baureihe seiner MEMS-Spiegelaktoren nach oben erweitert; der größte Spiegeldurchmesser, der von den Aktoren bewegt werden kann, beträgt nun 4,2 mm. Die Spiegel in den Mir-rorcle-Bausteinen sind nicht kardanisch aufgehängt, sondern werden über eine spezielle, in MEMS-Technologie gefertigte Struktur bewegt.

Der mikromechanische Aktor des Unternehmens Mirrorcle (MIT), dessen Funktionsprinzip als „Tip Tilt“-Mechanismus bezeichnet wird, bewegt den angebondeten Spiegel in beiden Achsen mit einer Auslenkung von etwa ±5°. Die Bewegungsmechanik besteht aus vier Rotationsaktoren, die über mikromechanisch gefertigte Stege mit der Plattform verbunden sind, auf der der Spiegel befestigt wird (Bild 1). Die Anordnung erhält ihre Beweglichkeit über die vier mit den Stegen ausgebildeten Verbindern [1], mit denen die Kippbewegungen aufgenommen werden (Bild 2).

Die Mikromechanik wurde in einem Forschungsprojekt in Zusammenarbeit mit dem Adriatic Research Institute, Berkeley, (www.adriaticresearch.org) entwickelt. Anders als bei den Micromirror Devices kann der Ablenkwinkel des Spiegels hier kontinuierlich im gesamten Schwenkbereich bewegt werden. Die hier vorgestellten MEMS-Bausteine sind so konzipiert, dass eine bestimmte Ansteuerspannung einem Auslenkungswinkel des Spiegels entspricht. Die Wiederholgenauigkeit auf eine bestimmte Position ist dabei nach Angaben des Herstellers bei Zimmertemperatur besser als 0,0005 Grad.

 

 

 

Kombination von MEMS und Spiegel

Da der Spiegel auf den MEMS-Bewegungsmechanismus gebondet wird, kann sich der Kunde verschiedene Kombinationen von Spiegel und MEMS-Baustein zusammenstellen. Der kleinste Spiegeldurchmesser beträgt 0,8 mm, der größte jetzt 4,2 mm. Bei den Aktoren variiert die Größe des Die von 4,2 mm × 4,2 mm bis hin zu 8,0 mm × 8,0 mm, dabei bieten die größeren MEMS-Elemente wegen der höheren elektrostatischen Kräfte bessere Kenndaten. Einige Chips erreichen bei vergleichsweise niedrigen Ansteuerspannungen sehr große Auslenkungen; dort ist etwa für einen Schwenkbereich von –8° bis +8° eine Spannungsdifferenz von 100 V erforderlich. Bei anderen Ausführungen wird ein Schwenkbereich von –4° bis +4° mit weitaus höheren Spannungen durchfahren. Diese erreichen dabei weitaus höhere Geschwindigkeiten bei der mechanischen Bewegung des Spiegels.

Den größten Vorteil ihrer Konzeption sehen die Entwickler darin, dass der Spiegel unabhängig voneinander in der x- und y-Richtung bewegt werden kann. Dabei erreicht eine typische Ausführung mit einem Spiegel von 0,8 mm Durchmesser eine Winkelgeschwindigkeit von 500 rad/s, die erste Resonanzfrequenz liegt für beide Achsen bei etwa 4 kHz. Es konnte an diesen 0,8-mm-MEMS-Systemen experimentell gezeigt werden, dass auch für große Schritte die Zeiten bis zum Anfahren und Einstellen der neuen Spiegelposition unterhalb von 100 µs lagen. Bei Spiegeln mit 2 mm Durchmesser lagen diese Zeiten unter 1 ms. Schließlich lassen sich die MEMS-Spiegel in einem Resonanz-Modus betreiben. In der Nähe der mechanischen Eigenresonanz genügen kleine Ansteuerspannungen, um große Schwenkamplituden (etwa –16° bis +16°) zu erreichen. Dabei erstrecken sich die Resonanzfrequenzen je nach Ausführung von einigen kHz bis zu 21 kHz; damit lassen sich dann auch Displays realisieren.

Mirrorcle Technologies betreibt am Firmensitz in Kalifornien ein eigenes Forschungslabor und hat sich darüber hinaus bei verschiedenen Fertigungsdienstleistern einen umfassenden Zugang zu Fertigungslinien für CMOS- und MEMS-Chips gesichert. Die Herstellung der Mikrospiegel und die Wafer-Tests erfolgen in einer Reinraum-Umgebung.

 

[1]    Milanovic Veljko: Linearized Gimbal-less Two-Axis MEMS Mirrors. 2009 Optical Fiber Communication Conference and Exposition, San Diego, CA, Mar. 25, 2009.