Quasistatische Torsionsspiegel auf Basis von AlN-Festkörpergelenken

Weinberger, Stefan

Micromirrors belong to the most known Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS). The first publication was done by Peterson (IBM), 1980 and up to now, a lot of research activities have been triggered through this publication. Nevertheless, there is still a lack of micromirrors which enable a quasistatically mirror movement with high dynamic and an angle range more than ±10°, as well as a mirror plate size >Ø1 mm which can be used for deflecting a measurement beam.The goal of this work is to make progress on the development of quasistatically driven micromirrors for measurement purposes. The target application is beam deflection for free-space interferometry in an optical microtracker system. Thin film springs with a thickness between 400 and 600 nm are tested. In this work, Aluminum Nitride (AlN) is used for the first time as torsion spring material because of its nanocrystalline structure, which is very beneficial for mechanical properties. Life-cycle and breaking-strength tests show the suitability of AlN as torsion spring material. It has been investigated even if the torsion to bending relation can be increased by the use of a three dimensional shape of springs. The soft torsion springs make possible a large quasistatically movement by the use of a plate actuator. For gimbal mounted mirrors, a quasistatically deflection in an angle range between -7.3° and +9.3° for the mirror plate and an angle range between -10.9° and +6.2° for the gimbal have been performed before reaching instabilities (pull-in-effect). By actuating the gimbal and the mirror plate, a cross-influence reduces the possible deflection. The reached quasistatically mirror plate deflections of uniaxial micromirrors are around ±12°. The used plate actuators enable a compact construction, are good producible with MEMS-technology and have high dynamics. The normally high nonlinearity of the angle vs. driving voltage curve is overcome by novel actuation methods which allow a nearly linear characteristic curve of the uniaxial micromirrors. Considering a reflectivity about 90% (lambda = 632.8 nm) and a radius of curvature R >0.8 m for a plate thickness between 55 and 70 µm, the mirror plates have a high optical quality.

Mikrospiegel gehören zu den bekanntesten Mikrosystemen überhaupt. Die erste Veröffentlichung über Mikrospiegel geschah durch Peterson (IBM) im Jahr 1980 und löste zahlreiche Forschungsaktivitäten aus, die bis heute anhalten. Trotz all dieser Aktivitäten besteht der Bedarf an Mikrospiegeln, die eine quasistatische Strahlablenkung mit hoher Dynamik über einen großen Winkelbereich von mehr als ±10° ermöglichen und dabei eine Spiegelplattengröße >Ø1 mm aufweisen, die sich zur Ablenkung eines Messstrahls eignet. Diese Arbeit hat das Ziel, einen Beitrag zur Entwicklung von quasistatischen Mikrospiegeln für messtechnische Zwecke zu liefern. Die vorgesehene Anwendung besteht in der Strahlablenkung für Freistrahlinterferometrie in einem optischen Mikrotrackersystem. Es werden Dünnschichttorsionsfedern mit einer Dicke zwischen 400 bis 600 nm erprobt. Aluminiumnitrid (AlN) wird auf Grund seiner nanokristallinen Struktur, die zu hervorragenden mechanischen Eigenschaften führt, in dieser Arbeit erstmals als Torsionsfedermaterial eingesetzt. Lebensdauer- und Bruchfestigkeitsuntersuchungen bestätigen die Eignung von AlN als Torsionsfedermaterial. Es ist untersucht worden, ob durch eine dreidimensionale Formgebung das Torsions- zu Biegesteifigkeitsverhältnis erhöht werden kann. Die torsionsweichen Federn ermöglichen große quasistatische Auslenkungen bei Verwendung von einem elektrostatischen Plattenaktor. Bei kardanisch aufgehängten Spiegeln sind quasistatische Auslenkungen der Spiegelplatten in einem Bereich von -7,3° bis +9,3° und der Rahmen im Bereich von -10,9° bis +6,2° erreicht worden, bevor es zur Instabilität (Pull-In-Effekt) kommt. Das Auslenken von Rahmen und Spiegelplatte führt zu einer Querbeeinflussung, wodurch die mögliche Auslenkung reduziert wird. Die erreichten quasistatischen Spiegelauslenkungen von uniaxialen Mikrospiegeln betragen etwa ±12°. Die verwendeten Plattenaktoren ermöglichen einen kompakten Aufbau, sind gut mit den Technologien der Mikrosystemtechnik herstellbar und haben eine hohe Dynamik. Die übliche hohe Nichtlinearität der Winkel-Antriebsspannungs-Kennlinie wird durch neuartige Ansteuerungsverfahren überwunden, die eine nahezu lineare Kennlinie bei den uniaxialen Mikrospiegeln ermöglichen. Die Spiegelplatten weisen mit einem Reflexionsgrad von ca. 90% (lambda = 632,8 nm) und einem Krümmungsradius R >0,8 m, für eine Plattendicke zwischen 55 bis 70 µm, eine hohe optische Qualität auf.

Zitieren

Zitierform:

Weinberger, Stefan: Quasistatische Torsionsspiegel auf Basis von AlN-Festkörpergelenken. 2015.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Export