A Novel Indirect Actuation Concept for MEMS Micromirrors

Scannende MEMS-Mikrospiegel stellen eine vielversprechende technologische Entwicklung mit potentiellen Anwendungen im Bereich der miniaturisierten Bildprojektion und Umgebungssensierung dar. Im Regelfall oszilliert das Spiegelelement hierbei resonant um die horizontale Achse, während die vertikale Achse statisch ausgelenkt wird. Somit ergibt sich ein sogenannter Raster-Scan. Während eine resonante Aktuierung in MEMS-Technologie im Frequenzbereich mehrerer kHz effizient umgesetzt werden kann, stellt die Implementierung statischer Antriebe eine Herausforderung dar. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Aktuierungskonzept vorgestellt, das effizientere quasi-statische Auslenkung ermöglicht. Hierfür wird der Drehimpuls, der durch die hochfrequente horizontale Schwingung erzeugt wird, durch eine weitere resonante Oszillation ähnlicher Frequenz gestört, wodurch sich ein für die quasi-statische Auslenkung nutzbares Drehmoment ergibt. Da gyroskopische Effekte ausgenutzt werden, die nicht in aktuellen auf Modalanalyse basierenden Simulationsmethoden berücksichtigt sind, werden Starrkörper- und transiente FEM-Modelle entwickelt, um die Realisierbarkeit des Antriebskonzepts simulatorisch zu verifizieren. Im Rahmen der durch den genutzten Prozess gegebenen Randbedingungen werden daraufhin Aktuierungselemente für die resonanten Achsen erarbeitet und mit diesen zwei Designvarianten eines 2D-Mikrospiegels erstellt. Nach modellbasierter Verifikation werden diese in einer MEMS-Fertigungslinie prozessiert. Mit den generierten Mustern wird dann eine vollständige experimentelle Charakterisierung unter Nutzung eines speziell erstellten FPGA-basierten Evaluations-Boards durchgeführt. Beide Design-Varianten zeigen hierbei voll funktionsfähige Sensierungs- und Aktuierungselemente. Es kann ein erfolgreicher Nachweis der Funktionsfähigkeit des neuartigen Antriebskonzepts vollbracht werden. Die dabei gezeigte 2D-Projektion erreicht Winkel von 12° x 1.8°Scanning MEMS micromirrors are an emergent technology for compact form factor image projection and environment sensing applications. Commonly the mirror element oscillates resonantly along the horizontal axis, whereas it is deflected statically along the vertical axis, performing a so called raster scan. While resonant actuation can be implemented efficiently in MEMS, static deflection however remains challenging. In this thesis a novel actuation concept for 2D MEMS micromirrors is introduced that potentially enables efficient quasi-static actuation. Therefore the angular momentum that is generated by the high frequency resonant axis is disturbed by an orthogonal resonant oscillation of similar frequency, leading to a torque that can be utilized to achieve an indirect quasi-static deflection. As in this case gyroscopic effects are exploited that are usually not considered in state of the art modal finite element based MEMS simulation, in order to validate the feasibility of the actuation concept rigid body and transient finite element based models are developed and simulation studies conducted. Using an existing manufacturing process as a framework, actuation schemes for the resonant axes are introduced and two distinct micromirror designs are developed and verified by simulation. These are processed in a MEMS manufacturing line. A thorough characterization study is then carried out using a custom FPGA based evaluation board with closed loop control capabilities. Both design variants are functional with regard to all actuation and tilt angle detection elements. A successful implementation of the proposed actuation concept is shown achieving 2D projection of a laser beam with tilt angles of 12 ◦ × 1.8 ◦ in frequency and amplitude controlled operation