Mikromechanischer, elektrostatischer Schrittaktor für die hyperspektrale Bildgebung

Endrődy, Csaba

Es wird ein zweiachsiger, mikromechanischer Schrittaktor für die diskrete Positionierung eines Blenden-Arrays entwickelt. Die Anwendung liegt dabei in der hyperspektralen Bildgebung. Basierend auf dem chromatisch-konfokalen Prinzip kann eine spektrale Filterung mittels einer Lochblende, eines Hyperchromaten, eines Bildsensors und einer softwareseitigen Nachbearbeitung des abgebildeten Punktes erfolgen. Wenn anstelle der Lochblende ein Blenden-Array eingesetzt wird, können mehrere Objektpunkte gleichzeitig erfasst werden. Die Objektebene kann mit dem Scannen des Blenden-Arrays vollständig abgetastet werden. Für diese Aufgabe wird ein mikromechanisches System entwickelt, das hohes Integrationspotential bietet. Abgeleitet von den optischen Anforderungen wird ein Bewegungsbereich von ±100 [my]m mit einer minimalen Schrittgröße von 10 [my]m benötigt. Das Blenden-Array wird aus 200 [my]m dünnem Glas hergestellt, hat eine Größe von 5,5×7 mm^2 und eine Masse von 17–20 mg. Das reaktive Ionentiefenätzen von Silicium (DRIE) spielt eine zentrale Rolle bei der Fertigung der Aktorchips auf einem Silicon-on-Insulator (SOI) Wafer und wird für eine bessere Strukturtreue optimiert. Es werden zwei Aktorsysteme entworfen und umgesetzt. Im ersten Teil der Arbeit wird ein linearer Mikroschrittaktor mit elektrostatischer Aktuierung und inch-worm Schrittmechanismus realisiert. Basierend auf den Ergebnissen aus dem ersten Teil, wird im zweiten Teil ein zweiachsiger Mikroschrittaktor entwickelt. Der entworfene zweiachsige Mikroschrittaktor hat eine Größe von 14×10,7×1 mm^3. Die Antriebsspannungen liegen unter 200 V. Das zweiachsige System erreicht die angestrebten Entwurfswerte mit einer Schrittgröße von 8,4–18,1 [my]m (abhängig vom DRIE-Prozess) und einem Bewegungsbereich von 217–236 [my]m. Die Wiederholgenauigkeit der Schrittgrößen liegt bei etwa ±1,2 [my]m. Mit der resonanten Ansteuerung kann eine Schrittfrequenz von 13,5 Hz erreicht werden. Die unübliche Kombination von realisierter Schrittgröße, Bewegungsbereich und Traglast übertreffen die bekannten, siliciumbasierten Mikropositioniersysteme. Die umgesetzten Schrittaktoren können in das hyperspektrale System problemlos integriert werden. Weitere Anwendungsfelder sind in der Optik und spektralen Abbildung vorstellbar: Farbfilter-Arrays oder segmentierte Linsen können diskret positioniert werden, um dabei die resultierende Bildqualität zu steigern.

A micromechanical stepping drive for discrete positioning of a pinhole array is developed. The application for the system is hyperspectral imaging. Based on the chromatic-confocal principle, optical spectral filtering can be carried out by using a pinhole, a hyperchromat, an image sensor and digital post processing of the imaged spot. By changing the pinhole to an array of pinholes, multiple object points can be imaged simultaneously. With the scanning motion of the pinhole array the complete object plane can be sampled. For this task a micromechanical system is developed offering a high integration potential. The needed stepping performance is deduced from the optical requirements: The displacement range of ±100 µm has to be scanned with a minimum step size of 10 µm. The pinhole array is fabricated from a 200 µm thin glass wafer, has a surface area of 5.5±7 mm^2 and weighs about 17-20 mg. The deep reactive-ion etch (DRIE) process is crucial for the functionality of the system and is optimized for high structure fidelity. Two microactuation systems are designed and implemented. In the first part of this work, a linear micromechanical stepping drive with electrostatic actuation is realized. The stepping mechanism is inspired by the inch-worm motion. Based on the results of the first part, the second part presents the development a two-axis stepping microdrive. The designed two-axis microdrive has a size of 14×10.7×1mm^3. The operating voltages are below 200 V. The two-axis system achieves the design goals with a step size of 8.4-18.1 µm (depending on the DRIE-process) and a displacement range of 217-236 µm. An average step size repeatability of ±1.2 µm is measured (optimized DRIE-process). With the resonant control sequence, a stepping frequency of up to 13.5 Hz is achieved. The unusual combination of step size, displacement range and carried payload exceeds the known, silicon-based micropositioning systems. The implemented stepping drives can be easily integrated into the hyperspectral imaging system. Further potential applications are possible in the field of optics: discrete positioning of color filter arrays or segmented lens arrays to increase the resulting image quality.

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Endrödy, Csaba: Mikromechanischer, elektrostatischer Schrittaktor für die hyperspektrale Bildgebung. Ilmenau 2018.

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