Piezoelektrisch angetriebener MEMS-Scanner

Mithilfe vom piezoelektrischen Material AlScN angetriebene Mikrospiegel ensteht eine hohe Antriebkraft, gute Linearität, gute Langzeitstabilität bei niedrigem Leistungsverbrauch.

© Fraunhofer ISIT / photocompany, Itzehoe
Spad-Arrays

Die Entwicklung wurde in den letzten Jahren am ISIT vorangetrieben. Unterschiedliche 1D-, 2D-Mikrospiegel sowie die entsprechenden Positionssensoren wurden am ISIT entworfen und hergestellt.

Während die 1D-PZT-Mikrospiegel sehr große optische Scanwinkel (bis zu 106°) erreichen und breiten Frequenzbereich (quasi-statisch bis 69 kHz) aufweisen, eignen sich die 2D-Mikrospiegel für Lissajous-, Raster- und zirkulare Scanner. Zudem wurden auch translatorische Bewegungen mit großen Amplituden (bis zu 1600 µm) durch die PZT-Mikrospiegel realisiert. Positionserfassung der Mikrospiegel wurde durch kapazitive, piezoelektrische Sensorelemente und metallische Dehnungsmessstreifen ermöglicht und diese liefern Messsignale mit hoher Auflösung bis zu 14 Bit.

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Piezoelektrische MEMS-Mikrospiegel (links) und Modul für eine 3D-Kamera (rechts)

Das neu entwickelte piezoelektrische Material AlScN mit hohem Scandium-Gehalt eignet sich als exzelletnes Antriebsmaterial, weil es neben der hohen Antriebskraft noch gute mechanische Linearität und Langzeitstabilität besitzt. Darauf basierend werden verschiedene 2D quasi-statische Mikrospiegeln mit großen Auslenkungswinkeln, kurzer Reaktionszeit und hochmechanischer Robustheit entwickelt. Darüber hinaus verfügt das Fraunhofer ISIT über produktiontaugliches Equipment für derartige MEMS-Spiegel, so dass die Forschungsergebnisse am selben Standort zusammen mit den Kunden und Partnern in die Kleinserienproduktion überführt werden können.

Unsere piezoelektrisch mit AlN/AlScN angesteuerten Spiegel können nicht nur Kipp- sondern auch translatorische Mischbewegungen ausführen. Der Film zeigt eine mit einem Laservibrometer durchgeführte reale Messung, die durch die Messsoftware mit zusätzlichen Hilfslinien versehen wurde. Eine Extrapolation zeigt, dass mit einer Spannung von +/- 100 V ein Hub von über 10 µm erreicht werden kann, wobei das nicht optimierte Design noch viel Spielraum für weitaus größere Hübe von einigen 100 µm zulässt. Zudem ist die Translationsbewegung sehr sortenrein, d.h. es ist keine ungewollte Kippbewegung erkennbar. Mit diesem neuen Spiegeltyp lassen sich zahlreiche neue Anwendungen z.B. in der Spektroskopie oder im Quantensensing und -computing, z.B. für steuerbare optische Pinzetten realisieren.

Angebot

Sowohl für die Designentwicklung der Mikrospiegel und der Positionssensorelemente, als auch für deren Herstellung stellt das ISIT mehrere Patente zur Verfügung. Darüber hinaus werden Weiterentwicklungen der individuellen Herstellungsschritte basierend auf der bestehenden Technologie vom ISIT angeboten.

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