DE102024206030A1

DE102024206030A1 - Micromechanical device with a semiconductor arrangement for the emission and detection of electromagnetic radiation

Info

Publication number: DE102024206030A1
Application number: DE102024206030.5A
Authority: DE
Inventors: Jörg Martin; Chris Stöckel; Katja Meinel; Jörn Langenickel; Martin Möbius
Original assignee: Technische Univ Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Technische Univ Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2024-06-27
Filing date: 2024-06-27
Publication date: 2025-12-31
Also published as: WO2026002678A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine mikromechanische Einrichtung, mit einer Sendeanordnung zur Sendung von Signalen und mit einer Empfangsanordnung zum Empfang von Signalen, mit einer an einem Rahmen (1) gehaltenen Trägerplatte (4) und mit einer Antriebseinrichtung (2a, 2b, 2c, 2d, 11a, 11b, 11c, 11d), die dazu eingerichtet ist, die Trägerplatte relativ zu dem Rahmen in einer, zwei oder drei Dimensionen anzutreiben, wobei die Trägerplatte eine Sendeanordnung (20, 30) zum Senden von Signalen und/oder eine Empfangsanordnung (20, 30) zur Detektion von Signalen aufweist. The invention relates to a micromechanical device comprising a transmitting arrangement for sending signals and a receiving arrangement for receiving signals, a carrier plate (4) held on a frame (1), and a drive device (2a, 2b, 2c, 2d, 11a, 11b, 11c, 11d) configured to drive the carrier plate relative to the frame in one, two, or three dimensions, wherein the carrier plate comprises a transmitting arrangement (20, 30) for sending signals and/or a receiving arrangement (20, 30) for detecting signals.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Mikromechanik und der Elektrotechnik sowie der bildgebenden Verfahren und ist mit besonderem Vorteil beim Aufbau von Fluoreszenzmikroskopen verwendbar.The invention lies in the field of micromechanics and electrical engineering as well as imaging techniques and is particularly advantageous for use in the construction of fluorescence microscopes.

Es sind in der Halbleitertechnologie und der Mikromechanik integrierte Aufbauten von verschiedenen Funktionselementen bekannt, darunter integrierte Strahlungsquellen, Detektoren für elektromagnetische Strahlung und, im Rahmen der Mikromechanik, auch gezielt bewegbare Elemente. Damit lassen sich verschiedene, in der Form von Halbleiterstrukturen gestaltbare Funktionselemente integriert herstellen.Integrated assemblies of various functional elements are known in semiconductor technology and micromechanics, including integrated radiation sources, detectors for electromagnetic radiation, and, in the context of micromechanics, also precisely movable elements. This allows for the integrated production of various functional elements that can be designed in the form of semiconductor structures.

Bei bildgebenden Verfahren und für diese Verfahren geeigneten Einrichtungen spielt die Ortsauflösung eine besondere Rolle. Dies ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, auch bei der Fluoreszenzmikroskopie der Fall, die als Bildgebungsverfahren beispielsweise in der biologischen Zellforschung eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren werden fluoreszierende Moleküle oder Makromoleküle wie beispielsweise Proteine verwendet, um spezifische Strukturen in Zellen oder Gewebe sichtbar zu machen.Spatial resolution plays a crucial role in imaging techniques and the equipment used for these techniques. This is particularly true, but not exclusively, for fluorescence microscopy, an imaging technique used, for example, in biological cell research. This technique uses fluorescent molecules or macromolecules, such as proteins, to visualize specific structures within cells or tissues.

Die Fluoreszenzmikroskopie wird dadurch ermöglicht, dass bestimmte Moleküle im Rahmen ihrer Fluoreszenzeigenschaft Licht absorbieren und später Licht einer längeren Wellenlänge abstrahlen können. Mit Fluoreszenzfarbstoffen können Stoffe oder Gewebestrukturen auch in einem lebenden Organismus markiert und visualisierbar gemacht werden. Dabei kann die zu visualisierende Struktur insgesamt beleuchtet und das erzeugte Fluoreszenzmuster im Ganzen abgebildet werden, jedoch ist auch eine scannende Abbildung möglich und an sich bekannt. Die laterale und axiale Auflösung können dabei beispielsweise durch konfokale oder zwei-Photonen- Mikroskopie verbessert werden.Fluorescence microscopy is made possible by the fact that certain molecules, due to their fluorescence properties, absorb light and subsequently emit light of a longer wavelength. Fluorescent dyes can be used to label and visualize substances or tissue structures, even in living organisms. The entire structure to be visualized can be illuminated, and the resulting fluorescence pattern imaged in its entirety. However, scanning imaging is also possible and well-established. Lateral and axial resolution can be improved, for example, by confocal or two-photon microscopy.

Fluoreszenzmikroskope und ähnlich aufgebaute bildgebende Vorrichtungen sind aufwändige Geräte, die oft komplex und großvolumig aufgebaut sind. In solchen Geräten sind Lichtquellen und Detektoren gemeinsam mit Filtern und Strahlführungselementen miteinander verbunden und müssen aufeinander abgestimmt und justiert werden. Dies bringt oft auch einen hohen Wartungsaufwand mit sich.Fluorescence microscopes and similarly designed imaging devices are complex and often bulky instruments. In such devices, light sources and detectors are interconnected with filters and beam guidance elements and must be coordinated and aligned. This often results in significant maintenance requirements.

Aus dem Stand der Technik sind bereits einzelne Funktionseinheiten bekannt, die in mikromechanische Einrichtungen integriert sind.Individual functional units that are integrated into micromechanical devices are already known from the prior art.

Beispielsweise ist aus dem Dokument WO 2017/076861A2 eine Leuchtvorrichtung bekannt, bei dem eine Farbkonvertierungsmatrix punktuell mit einem Laserstrahl aktiviert wird, um eine elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge zu erzeugen, wobei die Konvertierungsmatrix mittels eines Piezo-Antriebs oder eines elektromagnetischen Antriebs relativ zu dem Laserstrahl antreibbar ist, um verschiedene Stellen der Konvertierungsmatrix anzuregen.For example, the document WO 2017/076861A2 A known lighting device in which a color conversion matrix is activated at specific points with a laser beam to generate electromagnetic radiation of a specific wavelength, wherein the conversion matrix can be driven relative to the laser beam by means of a piezoelectric drive or an electromagnetic drive to excite different points of the conversion matrix.

Aus dem Dokument US2014/0036536A1 ist eine Matrix mit sogenannten Quantum-dots bekannt, die als Farbkonvertierungselemente dienen und zur Anregung beleuchtbar sind. Ein mikromechanisches, antreibbares Shuttergitter macht die Beleuchtung einzelner Quantum-dots steuerbar, so dass die abgegebene Strahlung gestaltet werden kann. Eine ähnliche Lösung ist aus dem Dokument US2019/0086660A1 bekannt.From the document US2014/0036536A1 A matrix with so-called quantum dots is known, which serve as color conversion elements and can be illuminated for excitation. A micromechanical, driveable shutter grid makes the illumination of individual quantum dots controllable, so that the emitted radiation can be shaped. A similar solution is described in the document US2019/0086660A1 known.

Aus der Europäischen Patentanmeldung EP2181358B1 ist eine Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung von Licht gewünschter Wellenlängen bekannt, die eine Lichtquelle sowie eine Platte mit einem Material zur Konvertierung von Strahlung bezüglich ihrer Wellenlänge aufweist, wobei die Platte drehbar oder oszillierend gestaltet ist, um verschiedene Bereiche der Platte der Lichtquelle auszusetzen.From the European patent application EP2181358B1 A lighting device for generating light of desired wavelengths is known, comprising a light source and a plate with a material for converting radiation with respect to its wavelength, wherein the plate is designed to be rotatable or oscillating in order to expose different areas of the plate to the light source.

Vor dem Hintergrund des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Senden und Empfangen von Signalen, beispielsweise zur Emission und zur Detektion von Strahlung, zu schaffen, die besonders platzsparend hergestellt werden können und effizient arbeiten.In light of the prior art, the present invention aims to create a device for sending and receiving signals, for example for the emission and detection of radiation, which can be manufactured in a particularly space-saving manner and operate efficiently.

Die Aufgabe wird durch eine mikromechanische Einrichtung gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche stellen mögliche Implementierungen einer solchen Einrichtung vor. Weiter wird die Aufgabe durch eine bildgebende Einrichtung gelöst, die eine derartige mikromechanische Einrichtung enthält.The problem is solved by a micromechanical device according to claim 1. The dependent claims present possible implementations of such a device. Furthermore, the problem is solved by an imaging device that incorporates such a micromechanical device.

Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine mikromechanische Einrichtung, mit einer Sendeanordnung zur Sendung von Signalen und mit einer Empfangsanordnung zum Empfang von Signalen, mit einer an einem Rahmen gehaltenen Trägerplatte und mit einer Antriebseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Trägerplatte relativ zu dem Rahmen in einer, zwei oder drei Dimensionen anzutreiben, wobei die Träger-platte eine Sendeanordnung zum Senden von Signalen und/oder eine Empfangsanordnung zur Detektion von Signalen aufweist.Accordingly, the invention relates to a micromechanical device comprising a transmitting arrangement for transmitting signals and a receiving arrangement for receiving signals, a carrier plate held on a frame, and a drive device configured to drive the carrier plate relative to the frame in one, two, or three dimensions, wherein the carrier plate comprises a transmitting arrangement for transmitting signals and/or a receiving arrangement for detecting signals.

Dadurch, dass sowohl die Sendeanordnung als auch die Empfangsanordnung in eine einzige mikromechanische Einrichtung integriert sind, können diese mit einem sehr geringen Platzbedarf und mit prozessual geringem Aufwand beispielsweise in einem kombinierten Epitaxieverfahren, gegebenenfalls kombiniert mit einem abtragenden Verfahren und weiteren industriellen Verfahren, hergestellt werden. Zudem sind die Sendeanordnung und die Empfangsanordnung relativ zueinander schon im Rahmend er Herstellung genau und zuverlässig positioniert und orientiert, so dass notwendige Justagemaßnahmen minimiert oder gänzlich eliminiert werden. Die mikromechanische Einrichtung kann als ganze auf der Basis eines Handlingwafers hergestellt sein.Because both the transmitting and receiving arrangements are integrated into a single micromechanical device, These devices can be manufactured with very little space and minimal process effort, for example, using a combined epitaxy process, possibly combined with a subtractive manufacturing process and other industrial processes. Furthermore, the transmitting and receiving arrangements are precisely and reliably positioned and oriented relative to each other during manufacturing, minimizing or completely eliminating necessary adjustments. The entire micromechanical device can be manufactured on a handling wafer.

Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Sendeanordnung und/oder die Empfangsanordnung als Ultraschallwandler in Form einer mikromechanischen Membran oder als Metallanordnung in Form einer metallischen oder metallisierten, beispielsweise metallbedampften Fläche zur Realisierung einer Antenne ausgebildet ist.It may be provided that the transmitting arrangement and/or the receiving arrangement is designed as an ultrasonic transducer in the form of a micromechanical membrane or as a metal arrangement in the form of a metallic or metallized, for example metallized, surface to realize an antenna.

In dem ersten Fall lässt sich somit mit der mikromechanischen Einrichtung eine bildgebende Ultraschalleinrichtung aufbauen, während sich im zweiten Fall bei geeigneter Wahl der Wellenlänge einer erzeugten elektromagnetischen Strahlung sowie der Form und Größe der Antenne beispielsweise eine Radareinrichtung realisieren lässt.In the first case, an imaging ultrasound device can be built using the micromechanical device, while in the second case, with a suitable choice of the wavelength of a generated electromagnetic radiation as well as the shape and size of the antenna, a radar device, for example, can be realized.

Im Fall einer mikromechanischen Membran, die zur Erzeugung oder Detektion von Ultraschallsignalen geeignet sein kann soll unter dem Begriff der Membran auch ein Array aus verschiedenen Membranen verstanden werden, die gleich groß oder in manchen Fällen auch unterschiedlich gestaltet sein können.In the case of a micromechanical membrane that may be suitable for generating or detecting ultrasound signals, the term membrane shall also be understood to mean an array of different membranes, which may be the same size or, in some cases, may have different designs.

Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine mikromechanische Einrichtung mit einer Halbleiteranordnung zur Emission elektromagnetischer Strahlung und mit einer Halbleiteranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, mit einer an einem Rahmen gehaltenen Trägerplatte und mit einer Antriebseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Trägerplatte relativ zu dem Rahmen in einer, zwei oder drei Dimensionen anzutreiben, wobei die Trägerplatte eine Halbleiteranordnung zur Emission und/oder eine Halbleiteranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung aufweist.The invention further relates to a micromechanical device comprising a semiconductor arrangement for emitting electromagnetic radiation and a semiconductor arrangement for detecting electromagnetic radiation, a carrier plate held on a frame, and a drive device configured to drive the carrier plate relative to the frame in one, two, or three dimensions, wherein the carrier plate comprises a semiconductor arrangement for emitting and/or a semiconductor arrangement for detecting electromagnetic radiation.

Bei dieser Realisierung ist die Sendeanordnung und auch die Empfangsanordnung als Halbleiteranordnung ausgebildet und zum Senden oder Empfangen von elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise sichtbarem oder UV- Licht, ausgebildet. Dadurch, dass sowohl die Halbleiteranordnung zur Emission elektromagnetischer Strahlung als auch die Halbleiteranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung in eine einzige mikromechanische Einrichtung integriert sind, können diese mit einem sehr geringen Platzbedarf und mit prozessual geringem Aufwand beispielsweise in einem kombinierten Epitaxieverfahren, gegebenenfalls kombiniert mit einem abtragenden Verfahren, hergestellt werden. Zudem sind die beiden genannten Halbleiteranordnungen relativ zueinander genau und zuverlässig positioniert und orientiert, so dass notwendige Justagemaßnahmen minimiert oder gänzlich eiminiert werden. Die mikromechanische Einrichtung kann als ganze auf der Basis eines Handlingwafers hergestellt sein. Die Halbleiteranordnung zur Emission elektromagnetischer Strahlung ist dazu eingerichtet, Strahlung beispielsweise auf ein Objekt zu richten, das abgebildet werden soll. Dieses kann beispielsweise fluoreszierende Stoffe/Moleküle enthalten. Zum Beispiel können bestimmte Strukturen in einem biologischen Gewebe mittels fluoreszierender Markierungsstoffe oder Kontrastmittel markiert sein. Diese Stoffe, die die Struktur markieren, die sichtbar gemacht werden soll, emittieren nach der Anregung durch die ausgesandte Strahlung eine Fluoreszenzstrahlung mit einer bestimmten Wellenlänge. Diese Strahlung kann selektiv durch die Halbleiteranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung detektiert werden. Diese kann beispielsweise so eingerichtet sein, dass sie ausschließlich den Wellenlängenbereich der Fluoreszenzstrahlung nachweist, so dass die Störungen durch die Anregestrahlung und sonstige Strahlung minimiert werden können. Eine Ortsauflösung ist dadurch möglich, dass entweder die Halbleiteranordnung zur Emission elektromagnetischer Strahlung oder die Halbleiteranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung oder beide Halbleiteranordnungen eine räumlich genau ausrichtbare Abstrahl- oder Detektionscharakteristik aufweisen. Dies kann durch eine Strahlformungsoptik gewährleistet werden.In this implementation, both the transmitting and receiving arrangements are designed as semiconductor arrays for transmitting or receiving electromagnetic radiation, such as visible or ultraviolet light. Because both the emission and detection semiconductor arrays are integrated into a single micromechanical device, they can be fabricated with minimal space requirements and process complexity, for example, using a combined epitaxy process, possibly combined with subtractive manufacturing. Furthermore, the two semiconductor arrays are precisely and reliably positioned and oriented relative to each other, minimizing or completely eliminating the need for adjustments. The entire micromechanical device can be fabricated on a handling wafer. The emission semiconductor array is configured to direct radiation, for example, onto an object to be imaged. This object might contain fluorescent substances/molecules. For instance, specific structures in biological tissue could be labeled using fluorescent markers or contrast agents. These substances, which mark the structure to be visualized, emit fluorescence radiation of a specific wavelength after excitation by the emitted radiation. This radiation can be selectively detected by the semiconductor array for electromagnetic radiation detection. This array can, for example, be configured to detect only the wavelength range of the fluorescence radiation, thus minimizing interference from the excitation radiation and other sources. Spatial resolution is achieved by ensuring that either the semiconductor array for electromagnetic radiation emission, the semiconductor array for electromagnetic radiation detection, or both arrays have a spatially precisely directional emission or detection characteristic. This can be achieved using beam-shaping optics.

Es kann auch beispielsweise bei der Emission die Strahlung in ihrer Intensität moduliert werden und die Modulationsfrequenz kann bei der Detektion durch einen Lock-in -Verstärker selektiert werden, um Störungen durch weitere Strahlung zu minimieren.For example, the intensity of the radiation can be modulated during emission, and the modulation frequency can be selected during detection by a lock-in amplifier to minimize interference from further radiation.

Eine mögliche Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Trägerplatte mittels eines oder mehrerer Federelemente an dem Rahmen gehalten ist.One possible design provides that the support plate is held to the frame by means of one or more spring elements.

Durch diese Konstruktion kann die Trägerplatte gegenüber dem feststehenden Rahmen ausgerichtet werden, um die ausgesandte Strahlung oder die Detektionskeule, das heißt die Richtung, aus der Strahlung nachgewiesen werden kann, auszurichten. Wenn diese Ausrichtung der Trägerplatte laufend durch einen Antrieb und eine Antriebssteuerung gezielt steuerbar ist, kann somit ein Target abgescannt werden und somit eine Abbildung des Targets erzeugt werden. Die Antriebseinrichtung kann so gestaltet sein, dass sie die Trägerplatte in einer einzigen Dimension antreibt. Die Antriebseinrichtung kann auch so gestaltet sein, dass sie die Trägerplatte in zwei Dimensionen antreiben oder so, dass sie die Trägerplatte in drei Dimensionen antreiben kann.This design allows the carrier plate to be aligned relative to the stationary frame in order to direct the emitted radiation or the detection beam—that is, the direction from which radiation can be detected. If this alignment of the carrier plate can be continuously and precisely controlled by a drive and drive control system, a target can be scanned and an image of the target generated. The drive unit The drive unit can be designed to drive the carrier plate in a single dimension. It can also be designed to drive the carrier plate in two dimensions or in three dimensions.

Zur Steuerung der Ausrichtung kann nicht nur der Antrieb dienen, der die Trägerplatte gegen die rückstellende Kraft der Federelemente bewegt, sondern zudem auch Winkelsensoren, die die Information ermitteln, wie weit die Federelemente verformt und die Trägerplatte ausgelenkt ist.To control the alignment, not only the drive that moves the carrier plate against the restoring force of the spring elements can be used, but also angle sensors that determine the information on how far the spring elements are deformed and the carrier plate is deflected.

Die Winkelsensoren können dazu Auslenkwinkel in der Ebene der Trägerplatte, jedoch in einer Ausführungsform auch Winkel in einer Richtung quer zur Ebene der Trägerplatte erfassen, um eine Auslenkung der Trägerplatte aus ihrer Ebene zu erfassen. Die Winkelsensoren können auch unmittelbar mit den Antriebselementen gekoppelt oder als zusätzliche Halbleiterschicht verbunden sein, um die Auslenkung direkt an der Stelle, an der sie durch die Antriebselemente erzeugt wird, zu erfassen. Die Winkelsensoren können beispielsweise als eine Halbleiterschicht ausgebildet sein, die auf einer Halbleiterschicht aufgebracht sind, die als Antriebselement dient. In einigen Fällen können die Antriebselemente und die Winkelsensoren als deckungsgleiche Schichten übereinanderliegen. Eine Auslenkung der Trägerplatte und ihre Kontrolle durch Winkelsensoren kann dazu dienen, einen Lichtstrahl, der durch die Halbleiteranordnung emittiert wird, zum Scannen eines Targets gezielt zu bewegen oder die Ausrichtung einer als Detektionselement dienenden Halbleiteranordnung zu steuern.The angle sensors can detect deflection angles in the plane of the carrier plate, but in one embodiment, they can also detect angles in a direction perpendicular to the plane of the carrier plate in order to detect a deflection of the carrier plate out of its plane. The angle sensors can also be directly coupled to the drive elements or connected as an additional semiconductor layer to detect the deflection directly at the point where it is generated by the drive elements. For example, the angle sensors can be designed as a semiconductor layer applied to a semiconductor layer that serves as the drive element. In some cases, the drive elements and the angle sensors can be superimposed as identical layers. A deflection of the carrier plate and its control by angle sensors can be used to precisely move a light beam emitted by the semiconductor arrangement to scan a target or to control the orientation of a semiconductor arrangement serving as a detection element.

Dazu kann beispielsweise an jedem Federelement oder in der Umgebung jedes der Federelemente ein Winkelsensor angeordnet sein.For example, an angle sensor can be arranged on or around each spring element.

Eine weitere mögliche Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Antriebseinrichtung ein oder mehrere Federelemente sowie ein oder mehrere Antriebselemente aufweist, die als piezoelektrische, elektromagnetische, elektrostatische oder thermoelektrische Antriebselemente ausgebildet sind, wobei im Fall eines piezoelektrischen Antriebs insbesondere die piezoelektrischen Antriebselemente jeweils einen Schichtstapel enthalten können, der wenigstens teilweise aus Blei-Zirkonat-Titanat, Aluminiumnitrid oder Aluminium- Scandium-Nitrid besteht.Another possible embodiment may provide that the drive device has one or more spring elements and one or more drive elements designed as piezoelectric, electromagnetic, electrostatic or thermoelectric drive elements, wherein in the case of a piezoelectric drive the piezoelectric drive elements in particular may each contain a layer stack consisting at least partially of lead zirconate titanate, aluminum nitride or aluminum scandium nitride.

Vorteilhaft kann dazu jedem der Federelemente, die die Trägerplatte mit dem Rahmen verbinden, ein Antriebselement zugeordnet sein. Es kann auch nur jedem Freiheitsgrad der Bewegung der Trägerplatte ein Antriebselement zugeordnet sein. Die Antriebselemente können die Trägerplatte und eine auf dieser angeordnete Halbleiteranordnung in der Ebene der Trägerplatte bewegen. Im Zusammenhang beispielsweise mit einer nicht mitbewegten Strahlformungsoptik kann dadurch ein Strahl- oder Detektionswinkel gezielt verändert werden. Die Antriebselemente können auch eine Bewegung der Trägerplatte in Richtungen senkrecht zu ihrer Ebene bewirken, beispielsweise eine Kippung oder ein Schwenken der Trägerplatte, um einen Strahl- oder Detektionswinkel zu steuern.Advantageously, each of the spring elements connecting the carrier plate to the frame can be assigned a drive element. Alternatively, each degree of freedom of movement of the carrier plate can be assigned a drive element. The drive elements can move the carrier plate and any semiconductor arrangement mounted on it within the plane of the carrier plate. In conjunction with, for example, a stationary beam-shaping optic, this allows for the targeted modification of a beam or detection angle. The drive elements can also cause movement of the carrier plate in directions perpendicular to its plane, such as tilting or pivoting the carrier plate, to control a beam or detection angle.

Die Antriebselemente können jeweils mit Winkelsensoren gekoppelt oder unmittelbar verbunden sein, um eine Scanbewegung gut steuern oder für die Steuerung einer Scanbewegung einen Regelkreis aufbauen zu können. Die Winkelsensoren können als Schicht oder Schichtstapel auf oder unter den Antriebselementen, insbesondere unmittelbar auf oder unter diesen, angeordnet sein, die ebenfalls als Schicht oder Schichtstapel gestaltet sein können. Damit ergibt sich eine unmittelbare und störungsarme Erfassung der Auslenkung der Trägerplatte durch die Winkelsensoren.The drive elements can each be coupled to or directly connected to angle sensors to precisely control a scanning movement or to establish a control loop for controlling a scanning movement. The angle sensors can be arranged as a layer or stack of layers on or beneath the drive elements, particularly directly on or beneath them, which can also be designed as a layer or stack of layers. This results in direct and interference-free detection of the deflection of the carrier plate by the angle sensors.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Trägerplatte in einem Stressreduktionselement gehalten ist, das mittels der Antriebseinrichtung antreibbar ist.It can also be provided that the carrier plate is held in a stress reduction element which can be driven by means of the drive device.

Beispielsweise kann das Stressreduktionselement die Trägerplatte innerhalb einer Ausnehmung des Rahmens mit einem Zwischenraum allseitig umgeben und die Trägerplatte kann an wenigstens einer, insbesondere wenigstens zwei, wenigstens vier oder genau vier Brücken gehalten sein, die das Stressreduktionselement jeweils mit der Trägerplatte verbinden. Die Trägerplatte und das Stressreduktionselement können aus einem gemeinsamen Rohling durch Ätzen hergestellt sein. Beispielsweise kann die Trägerplatte als Kreisscheibe und das Stressreduktionselement als ein diese umgebender Kreisring ausgestaltet sein.For example, the stress reduction element can surround the support plate on all sides within a recess in the frame, with a gap between the plates. The support plate can be held by at least one, in particular at least two, at least four, or exactly four bridges, each connecting the stress reduction element to the support plate. The support plate and the stress reduction element can be manufactured from a single blank by etching. For example, the support plate can be designed as a circular disk and the stress reduction element as a circular ring surrounding it.

Das Stressreduktionselement kann die Form einer ebenen Platte aufweisen, die in derselben Ebene liegt wie die Trägerplatte.The stress reduction element can take the form of a flat plate lying in the same plane as the support plate.

Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Trägerplatte eine Verformungseinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet sein kann, durch die Antriebseinrichtung verursachte Antriebsbewegungen wenigstens teilweise zu kompensieren und/oder eine Fokussierung von emittierter oder detektierter Strahlung zu beeinflussen.It may further be provided that the carrier plate has a deformation device which may be configured to at least partially compensate for drive movements caused by the drive device and/or to influence the focusing of emitted or detected radiation.

Die Verformungseinrichtung kann als eine Aktorschicht, beispielsweise als eine oder mehrere Piezoschichten ausgebildet sein, die beispielsweise unmittelbar auf der Oberseite und/oder der Unterseite der Trägerplatte angeordnet sein und mit dieser verbunden sein kann/können. Durch eine Kraftwirkung auf die Trägerplatte kann diese infolge der entstehenden Spannungen verformt werden. Derartige Verformungen können andere Verformungen, die durch eine Kraftwirkung bei der Auslenkung der Trägerplatte entstehen, ergänzen oder Kompensieren. Eine Verformung der Trägerplatte durch ein Verformungselement kann auch die Fokussierung von ausgesandter oder Detektierter Strahlung verbessern.The deformation device can be designed as an actuator layer, for example as one or more piezoelectric layers, which can be arranged directly on the top and/or bottom of the carrier plate and connected to it. A force is applied to the deformation device. When a force is applied to the support plate, it can deform as a result of the resulting stresses. Such deformations can complement or compensate for other deformations caused by a force acting during the deflection of the support plate. Deformation of the support plate by a deformation element can also improve the focusing of emitted or detected radiation.

Eine weitere mögliche Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Antriebseinrichtung eine vierzählige Symmetrie mit vier Antriebselementen aufweist.Another possible design can provide that the drive unit has fourfold symmetry with four drive elements.

Eine solche Anordnung von Antriebselementen ist besonders einfach zu steuern und die Bewegung kann in einem einfachen Koordinatensystem, beispielsweise einem Polar-Koordinatensystem, geplant und umgesetzt werden.Such an arrangement of drive elements is particularly easy to control, and the movement can be planned and implemented in a simple coordinate system, for example a polar coordinate system.

Weiter kann vorgesehen sein, dass die Trägerplatte kreisrund ist.Furthermore, it may be provided that the carrier plate is circular.

Eine solche Gestaltung der Trägerplatte schafft einfache Antriebsbedingungen und ist in der Herstellung einfach umsetzbar.Such a design of the carrier plate creates simple drive conditions and is easy to implement in manufacturing.

Es kann zudem vorgesehen sein, dass der Rahmen als ebene Platte ausgebildet ist und eine Ausnehmung aufweist, in der die Trägerplatte angeordnet ist. It may also be provided that the frame is designed as a flat plate and has a recess in which the support plate is arranged.

Somit können der Rahmen und die Trägerplatte und in einer besonderen Ausführungsform auch das Stressreduktionselement aus einer einzigen Platte durch ein abtragendes Bearbeitungsverfahren hergestellt werden.Thus, the frame and the support plate, and in a special embodiment also the stress reduction element, can be manufactured from a single plate using a subtractive machining process.

Eine weitere mögliche Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Trägerplatte und/oder der Rahmen und/oder die Federelemente und /oder ein zwischen der Trägerplatte und dem Rahmen angeordnetes Stressreduktionselement eine oder mehrere Strahler in der Form von Halbleiteranordnungen zur Emission von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere in der Form von Laserelementen oder ersten Quantum dots und/oder einen oder mehrere Detektoren in der Form von Halbleiteranordnungen zur Detektion von Licht, insbesondere in der Form von zweiten Quantum dots aufweist/aufweisen.Another possible embodiment may provide that the carrier plate and/or the frame and/or the spring elements and/or a stress reduction element arranged between the carrier plate and the frame has one or more emitters in the form of semiconductor arrangements for the emission of electromagnetic radiation, in particular in the form of laser elements or first quantum dots, and/or one or more detectors in the form of semiconductor arrangements for the detection of light, in particular in the form of second quantum dots.

Falls die Trägerplatte einen oder mehrere als Halbleiteranordnungen ausgebildete Strahler aufweist, können damit die zur Verfügung stehenden Flächen effizient ausgenutzt werden, um ein Target zu beleuchten. In eine Halbleiteranordnung auf der Trägerplatte können zu diesem Zweck erste Quantum dots mit integriert sein, um eine Strahlung zu emittieren, die dazu geeignet ist, einen vorbestimmten fluoreszierenden Farbstoff zur Fluoreszenz anzuregen. Dazu können die Quantum dots in einem bestimmten Wellenlängenbereich eine Strahlung, beispielsweise sichtbares Licht oder UV-Licht, aussenden. Durch eine steuerbare Ausrichtung der Trägerplatte kann der Strahler scannend nacheinander auf verschiedene Bereiche des Targets gerichtet werden, um Bildelemente aufzunehmen. Auf dem Rahmen, den Federelementen und in einigen Fällen auch auf einem die Trägerplatte umgebenden Stressreduktionselement können dann ein oder mehrere durch eine Halbleiteranordnung gebildete Sensoren/Detektoren angeordnet sein, die nacheinander entsprechend der Beleuchtung von verschiedenen Bereichen des Targets die reflektierte oder durch Fluoreszenz angeregte Strahlung aufnehmen. Wird dabei Fluoreszenzlicht aufgenommen, so kann der Detektor wellenlängenselektiv ausgebildet sein, beispielsweise mit zweiten Quantum dots als Detektionselemente oder mit andersartigen, breitbandigeren Sensoren in Verbindung mit Wellenlängenfiltern.If the substrate has one or more emitters designed as semiconductor arrays, the available surface area can be used efficiently to illuminate a target. For this purpose, initial quantum dots can be integrated into a semiconductor array on the substrate to emit radiation suitable for exciting a predetermined fluorescent dye to fluorescence. The quantum dots can emit radiation, such as visible or ultraviolet light, within a specific wavelength range. By controlling the orientation of the substrate, the emitter can be directed sequentially at different areas of the target to capture image elements. One or more sensors/detectors formed by semiconductor arrays can then be arranged on the frame, the spring elements, and in some cases also on a stress-reduction element surrounding the substrate. These sensors/detectors sequentially capture the reflected or fluorescence-excited radiation, corresponding to the illumination of different areas of the target. If fluorescence light is detected, the detector can be wavelength-selective, for example with second quantum dots as detection elements or with different, broadband sensors in conjunction with wavelength filters.

Werden für die Emission von anregender Strahlung erste Quantum dots und für die Detektion der von dem abzubildenden Target zurückgesandten Fluoreszenzstrahlung zweite Quantum dots verwendet, so können diese aufeinander und auf den im Target verwendeten Fluoreszenzwerkstoff abgestimmt sein.If first quantum dots are used for the emission of excitation radiation and second quantum dots are used for the detection of the fluorescence radiation returned by the target to be imaged, these can be matched to each other and to the fluorescent material used in the target.

Auf dem Rahmen, den Federelementen und in manchen Fällen alternativ oder zusätzlich auf dem Stressreduktionselement können eine oder mehrere Halbleiteranordnungen zur Emission von Strahlung und zur Beleuchtung eines Targets und/oder zur Detektion von Strahlung vorgesehen sein. Auf der Trägerplatte kann dann ein durch eine Halbleiteranordnung gebildeter Sensor/Detektor angeordnet sein, der durch Ausrichtung der Trägerplatte scannend nacheinander auf verschiedene Bereiche des Targets gerichtet werden kann, um Bildelemente aufzunehmen.On the frame, the spring elements, and in some cases alternatively or additionally on the stress reduction element, one or more semiconductor arrays for emitting radiation and illuminating a target and/or for detecting radiation can be provided. A sensor/detector formed by a semiconductor array can then be arranged on the carrier plate, which, by orienting the carrier plate, can be successively directed at different areas of the target to capture image elements.

Somit kann in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Detektoren als breitbandig strahlungssensitive und mit einer Wellenlängenfiltereinrichtung verbundene Elemente oder als wellenlängensensitive Sensoren, insbesondere als zweite Quantum dots, ausgebildet sind.In a further embodiment, it may be provided that one or more detectors are designed as broadband radiation-sensitive elements connected with a wavelength filter device or as wavelength-sensitive sensors, in particular as second quantum dots.

Werden Quantum dots, das heißt Nanostrukturen mit quantenmechanischen Effekten, verwendet, so können diese beispielsweise aus Halbleitern, Metallen und organischen Molekülen, im Falle von Halbleitern aus InGaAs, CdSe oder auch GalnP/InP bestehen. Die Quantum dots können in Form von kleinen Partikeln bereitgestellt und verarbeitet werden.When quantum dots, i.e., nanostructures with quantum mechanical effects, are used, they can consist of materials such as semiconductors, metals, and organic molecules; in the case of semiconductors, these could be InGaAs, CdSe, or GalnP/InP. The quantum dots can be provided and processed in the form of small particles.

Es kann außerdem vorgesehen sein, dass die Halbleiteranordnung zur Emission von elektromagnetischer Strahlung als LED oder OLED oder als eine Halbleiteranordnung mit ersten Quantum dots ausgebildet ist. Die LED oder OLED können breitbandig oder, beispielsweise in der Form von Halbleiterlasern, auch als schmalbandige Strahler ausgebildet sein.It may also be provided that the semiconductor arrangement is designed to emit electromagnetic radiation as an LED or OLED or as a semiconductor arrangement with first quantum dots. The LED or OLED can be broadband or, for example in the form of semiconductor lasers, also as narrowband emitters.

Im Falle breitbandiger Strahler können diese auch mit Wellenlängenfiltern kombiniert sein. Bei Verwendung von ersten Quantum dots kann durch Auswahl der verwendeten Quantum dots passende Wellenlängenbereiche selektiert werden.In the case of broadband emitters, these can also be combined with wavelength filters. When using first quantum dots, suitable wavelength ranges can be selected by choosing the specific quantum dots used.

Es kann auch vorgesehen sein, dass in die Einrichtung eine Strahlformungsoptik integriert ist, die unmittelbar auf oder unter einer Halbleiteranordnung zur Emission und/oder zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung oder mit Abstand zu einer solchen Halbleiteranordnung vorgesehen ist.It may also be provided that a beam shaping optic is integrated into the device, which is provided directly on or under a semiconductor arrangement for the emission and/or detection of electromagnetic radiation or at a distance from such a semiconductor arrangement.

Ist die Strahlformungsoptik unmittelbar mit der Halbleiteranordnung zur Emission und/oder zur Detektion verbunden, so kann sie mit der Halbleiteranordnung auf der Trägerplatte auch bewegt werden. Ist die Strahlformungsoptik mit Abstand zu der Halbleiteranordnung zur Emission und/oder zur Detektion angeordnet, so kann sie auch mechanisch von dieser entkoppelt sein. Durch eine Relativbewegung der jeweiligen Halbleiteranordnung gegenüber der Strahlformungsoptik kann dann auch eine Lenkung des ausgesandten Lichtstrahls oder der Detektionskeule, das heißt des Raumwinkelbereichs, aus dem Strahlung detektiert wird, erfolgen.If the beam shaping optics are directly connected to the semiconductor array for emission and/or detection, they can be moved along with the semiconductor array on the substrate. If the beam shaping optics are positioned at a distance from the semiconductor array for emission and/or detection, they can also be mechanically decoupled from it. By moving the respective semiconductor array relative to the beam shaping optics, the emitted light beam or the detection lobe—that is, the solid angle region from which radiation is detected—can then be directed.

Die Strahlformungsoptik kann grundsätzlich die Form einer Linse oder eines Beugungselementes oder beispielsweise die Form eines Bragg- Resonators, aufweisen.Beam shaping optics can, in principle, have the shape of a lens or a diffraction element, or, for example, the shape of a Bragg resonator.

In diesem Fall kann auch ein unterhalb einer Halbleiteranordnung angeordnetes Gitter durch Wechselwirkung mit einer erzeugten stehenden optischen Welle die Ausbreitungsrichtung des Lichts beeinflussen und so eine Ausrichtung eines Strahls ermöglichen.In this case, a grating arranged below a semiconductor array can also influence the direction of propagation of the light by interacting with a generated standing optical wave, thus enabling the alignment of a beam.

Weiter kann vorgesehen sein, dass eine oder mehrere oder alle Halbleiteranordnungen zur Emission und/oder zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung jeweils als Dünnschichtstapel von Halbleiterelementen ausgebildet sind. In der Dünnschichttechnik lassen sich eine Vielzahl von Funktionselementen integriert und platzsparend sowie zuverlässig und genau relativ zueinander positioniert herstellen.Furthermore, it can be provided that one, more, or all semiconductor arrangements for the emission and/or detection of electromagnetic radiation are each designed as thin-film stacks of semiconductor elements. Thin-film technology allows for the integrated and space-saving fabrication of a large number of functional elements, positioned reliably and precisely relative to one another.

Eine weitere mögliche Ausgestaltung kann vorsehen, dass zwischen wenigstens zwei benachbarten Dünnschichten eine Schirmungsschicht vorgesehen ist, die dem Übersprechen zwischen den benachbarten Schichten entgegenwirkt, wobei insbesondere wenigstens eine Schirmungsschicht zwischen einer Schicht vorgesehen ist, die eine Versorgungsspannung für ein Antriebselement führt und einer Schicht, die einen Sensor bildet oder die zu erfassende elektrische Signale führt.Another possible embodiment may provide that a shielding layer is provided between at least two adjacent thin films, which counteracts crosstalk between the adjacent films, wherein in particular at least one shielding layer is provided between a film that carries a supply voltage for a drive element and a film that forms a sensor or carries electrical signals to be detected.

Schirmungsschichten können auf diese Weise störungsmindernd eingesetzt werden, ohne einen Platzbedarf wesentlich zu erhöhen.Shielding layers can thus be used to reduce interference without significantly increasing the space required.

Die Erfindung bezieht sich außer auf eine mikromechanische Einrichtung der oben beschriebenen Art auch auf eine bildgebende Einrichtung, insbesondere Fluoreszenzmikroskop, mit einer mikromechanischen Einrichtung der oben beschriebenen Art, wobei durch den Antrieb der Trägerplatte eine Scaneinrichtung zur Lenkung der emittierten Strahlung und/oder der detektierten Strahlung gebildet ist.The invention relates not only to a micromechanical device of the type described above, but also to an imaging device, in particular a fluorescence microscope, with a micromechanical device of the type described above, wherein a scanning device for directing the emitted radiation and/or the detected radiation is formed by the drive of the carrier plate.

Soll beispielsweise ein Mikroskop aufgebaut werden, so kann vorteilhaft als Strahlungsquelle ein Laserelement gewählt werden, dessen Strahl gut fokussierbar ist. Die Strahlformungsoptik kann Elemente zur Kollimation und Fokussierung aufweisen. Die mikromechanische Einrichtung kann einschließlich der Strahlformungsoptik oder ohne diese in einem Epitaxieverfahren, gegebenenfalls kombiniert mit Ätzverfahren oder einem anderen abtragenden Bearbeitungsverfahren in integrierter Form hergestellt werden. Sie kann eine Verarbeitungseinrichtung für die erfassten Daten mit umfassen, ebenso wie eine Steuereinrichtung. Damit kann eine funktionsfähige Einheit einfach und kostengünstig hergestellt werden.For example, if a microscope is to be built, a laser element with a readily focusable beam can be advantageously chosen as the radiation source. The beam-shaping optics can include collimation and focusing elements. The micromechanical device, including or excluding the beam-shaping optics, can be manufactured in an integrated form using an epitaxial process, optionally combined with etching or another subtractive machining process. It can also include a data processing unit for the acquired data, as well as a control unit. This allows for the simple and cost-effective production of a fully functional unit.

Im Folgenden wird die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert.The invention is shown in various embodiments in figures of a drawing and explained below.

Dabei zeigen

1 und 2: eine Trägerplatte mit einer Halbleiteranordnung zur Strahlemission in einem Rahmen,
3 und 4: eine Trägerplatte in einem Rahmen mit einer Halbleiteranordnung zur Strahlemission auf der Trägerplatte sowie einer Halbleiteranordnung zur Strahldetektion auf den Federelementen und dem Rahmen,
5 und 6: eine Trägerplatte in einem Rahmen mit einer Halbleiteranordnung zur Strahlemission sowie einer Halbleiteranordnung zur Strahldetektion auf der Trägerplatte,
7 und 8: eine Trägerplatte in einem Rahmen, wobei zwischen Trägerplatte und Rahmen ein Stresskompensationselement in Form eines Kreisrings eingefügt ist,
9 und 10: eine Trägerplatte in einem Rahmen, wobei als Antriebselemente Dünnschichtstapel an den Federelementen gezeigt sind,
11: im Querschnitt eine Trägerplatte in einem Rahmen, wobei eine piezoelektrische Schicht auf der Unterseite der Trägerplatte angeordnet ist,
12: im Querschnitt eine Trägerplatte in einem Rahmen, wobei eine piezoelektrische Schicht auf der Oberseite der Trägerplatte angeordnet ist,
13: im Querschnitt eine Trägerplatte in einem Rahmen, wobei eine Strahlformoptik auf der Trägerplatte angeordnet ist,
14: im Querschnitt eine Trägerplatte in einem Rahmen, wobei eine Strahlformoptik oberhalb der Trägerplatte mit Abstand zu dieser angeordnet ist,
15: im Querschnitt eine Trägerplatte in einem Rahmen, wobei eine Strahlformoptik auf der Trägerplatte unterhalb eines optischen Schichtstapels angeordnet ist,
16, 17 eine mikromechanische Anordnung mit Sende- und/oder Empfangsanordnungen, die als Antennen ausgebildet sind, sowie
18, 19 eine mikromechanische Anordnung mit Sende- und/oder Empfangsanordnungen, die als Ultraschallwandler ausgebildet sind.

This shows

1 and 2 : a carrier plate with a semiconductor arrangement for radiation emission in a frame,
3 and 4 : a carrier plate in a frame with a semiconductor arrangement for beam emission on the carrier plate and a semiconductor arrangement for beam detection on the spring elements and the frame,
5 and 6 : a carrier plate in a frame with a semiconductor arrangement for beam emission and a semiconductor arrangement for beam detection on the carrier plate,
7 and 8 : a support plate in a frame, wherein a stress compensation element in the form of a circular ring is inserted between the support plate and the frame,
9 and 10 : a carrier plate in a frame, wherein thin-film stacks are shown on the spring elements as drive elements,
11 : in cross-section a carrier plate in a frame, wherein a piezoelectric layer is arranged on the underside of the carrier plate,
12 : in cross-section a carrier plate in a frame, wherein a piezoelectric layer is arranged on the top side of the carrier plate,
13 : in cross-section a carrier plate in a frame, wherein a beam-shaping optic is arranged on the carrier plate,
14 : in cross-section a carrier plate in a frame, wherein a beam-shaping optic is arranged above the carrier plate at a distance from it,
15 : in cross-section a carrier plate in a frame, wherein a beam-shaping optic is arranged on the carrier plate below an optical layer stack,
16 , 17 a micromechanical arrangement with transmitting and/or receiving arrangements designed as antennas, as well as
18 , 19 a micromechanical arrangement with transmitting and/or receiving arrangements designed as ultrasonic transducers.

Die 1 zeigt eine Trägerplatte 4 in Form einer ebenen Kreisscheibe, die gemeinsam mit anderen Elementen der mikromechanischen Einrichtung aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist. Die Trägerplatte kann dabei einstückig mit einem Rahmen 1 und Federelementen 2a, 2b, 2c, 2d hergestellt sein. Die Federelemente verbinden den Rahmen 1 mit der Trägerplatte 4, die in einer Ausnehmung 1a des Rahmens mit Abstand zu diesem angeordnet ist.The 1 Figure 1 shows a support plate 4 in the form of a flat circular disk, which, together with other elements of the micromechanical device, is made of a semiconductor material. The support plate can be manufactured in one piece with a frame 1 and spring elements 2a, 2b, 2c, 2d. The spring elements connect the frame 1 to the support plate 4, which is arranged in a recess 1a of the frame at a distance from it.

Dabei können sowohl der Rahmen als auch die Trägerplatte als ebene Platten gestaltet und beispielsweise aus einer zusammenhängenden Platte durch abtragende Bearbeitung und Einbringen einer umlaufenden Ausnehmung hergestellt sein. Die Federelemente bilden Arme, die jeweils an einem ihrer Enden mit dem Rahmen und an dem jeweils gegenüberliegenden Ende mit der Trägerplatte verbunden sind. Die Verbindungsstellen 3a, 3b, 3c, 3d der Federelemente 2a, 2b, 2c, 2d mit der Trägerplatte sind jeweils als dünne Verbindungsstege ausgebildet, die eine erhöhte Nachgiebigkeit aufweisen und einen für eine Scanbewegung der Trägerplatte benötigten Federweg zulassen. Dazu sind zwischen der Trägerplatte und den Antriebselementen sichelförmige Ausnehmungen vorgesehen, die die Beweglichkeit der Antriebselemente erhöhen. Die Federelemente 2a, 2b, 2c, 2d selbst können jeweils die Form eines Segments eines Kreisrings aufweisen, der konzentrisch die Trägerplatte umgibt. Dadurch kann eine verhältnismäßig große Länge der Federelemente realisiert werden.Both the frame and the carrier plate can be designed as flat plates and, for example, manufactured from a single, continuous plate by machining and creating a circumferential recess. The spring elements form arms, each connected to the frame at one end and to the carrier plate at the opposite end. The connection points 3a, 3b, 3c, 3d of the spring elements 2a, 2b, 2c, 2d to the carrier plate are each designed as thin connecting webs that exhibit increased compliance and allow the necessary spring travel for scanning the carrier plate. For this purpose, crescent-shaped recesses are provided between the carrier plate and the drive elements, increasing the mobility of the drive elements. The spring elements 2a, 2b, 2c, 2d themselves can each have the shape of a segment of a circular ring that concentrically surrounds the carrier plate. This allows for a relatively long length of the spring elements.

Entweder im Bereich der Verbindungsstellen 3a, 3b, 3c, 3d oder in den Bereichen, in denen die Federelemente mit dem Rahmen 1 verbunden sind, oder auch entlang den Federelementen können Winkelsensoren 21 vorgesehen sein, die die Auslenkung der Federelemente und/oder indirekt die Auslenkung der Trägerplatte erfassen.Angle sensors 21 can be provided either in the area of the connection points 3a, 3b, 3c, 3d or in the areas where the spring elements are connected to the frame 1, or also along the spring elements, which detect the deflection of the spring elements and/or indirectly the deflection of the support plate.

Eines oder mehrere oder alle Federelemente können jeweils an demjenigen ihrer Enden, das mit dem Rahmen verbunden ist, ein Antriebselement aufweisen. Die Antriebselemente können in einer anderen Ausführungsform auch jeweils an denjenigen der Enden der Federelemente angeordnet sein, die mit der Trägerplatte verbunden sind. Die Antriebselemente können als Halbleiterelemente, beispielsweise in Schichtform, gestaltet und als Piezoelemente ausgebildet sein. In diesem Fall können sie als Schichtstruktur mit jeweils einen Schichtstapel ausgebildet sein, der wenigstens teilweise aus Blei-Zirkonat-Titanat, Aluminiumnitrid oder Aluminium- Scandium-Nitrid besteht.One, more, or all of the spring elements can each have a drive element at the end connected to the frame. Alternatively, the drive elements can be arranged at the ends of the spring elements connected to the carrier plate. The drive elements can be designed as semiconductor elements, for example, in layered form, and as piezoelectric elements. In this case, they can be structured as a layered structure with a stack of layers, each consisting at least partially of lead zirconate titanate, aluminum nitride, or aluminum scandium nitride.

Die Antriebselemente können auch als elektromagnetische, elektrostatische oder thermoelektrische Antriebe ausgebildet sein.The drive elements can also be designed as electromagnetic, electrostatic or thermoelectric drives.

Generell können alle genannten Halbleiterelemente im Rahmen der mikromechanischen Einrichtung in Dünnschichttechnik als Schichtstapel platzsparend ausgebildet sein. Zwischen zwei Schichten kann dabei jeweils auch eine Schirmschicht vorgesehen sein, die die ungewollte elektrische Beeinflussung einander benachbarter Schichten reduziert.In general, all the semiconductor elements mentioned can be designed as space-saving layer stacks within the micromechanical setup using thin-film technology. A shielding layer can also be provided between each pair of layers to reduce unwanted electrical interference between adjacent layers.

Im Beispiel der 1 ist auf der zentral angeordneten Trägerplatte 4 ein optischer Dünnschichtstapel 5 angeordnet, der eine Halbleiteranordnung 20 zur Emission von elektromagnetischer Strahlung 22, insbesondere sichtbarem oder UV-Licht bildet. Mit 8 ist eine elektrische Zuleitung zur Energieversorgung des Dünnschichtstapels 5 bezeichnet und mit 9 eine Kontaktelektrode.In the example of the 1 An optical thin-film stack 5 is arranged on the centrally positioned support plate 4, forming a semiconductor arrangement 20 for the emission of electromagnetic radiation 22, in particular visible or UV light. Reference numeral 8 denotes an electrical supply line for the energy supply of the thin-film stack 5, and reference numeral 9 denotes a contact electrode.

Die Zuleitung 8 und die Kontaktelektrode 9 sind typisch als dünne Metallschichten ausgebildet du können beispielsweise auf eine Halbleiteranordnung aufgedampft sein.The lead 8 and the contact electrode 9 are typically designed as thin metal layers and can, for example, be vapor-deposited onto a semiconductor arrangement.

Die 2 zeigt die Anordnung aus der 1 in einem Querschnitt. Mit 14 ist dort ein sogenannter Handle-wafer bezeichnet, der als Basis der mikromechanischen Einrichtung dient und die Handhabung der mikromechanischen Einrichtung erlaubt und 13 bezeichnet eine elektrisch isolierende Oxidschicht.The 2 shows the arrangement from the 1 in a cross-section. Number 14 there designates a so-called handle wafer, which serves as the basis of the micromechanical device and facilitates handling. the micromechanical device is permitted and 13 designates an electrically insulating oxide layer.

Die 3 zeigt eine Anordnung, bei der die mechanischen Elemente ebenso aufgebaut sind wie bei der in den 1 und 2 gezeigten Anordnung. Zusätzlich zu dem Dünnschichtstapel 5 auf der Trägerplatte 4, der eine Halbleiteranordnung 20 zur Emission von Strahlung 22 bildet, sind auf den Federelementen 2a, 2b, 2c, 2d sowie auf dem Rahmen 1 Halbleiteranordnungen 30 in Form von Dünnschichtstapeln angeordnet, die der Detektion von Strahlung 23 dienen, die von einem nicht dargestellten beleuchteten Target infolge der Beleuchtung durch die Halbleiteranordnung 20 ausgeht.The 3 shows an arrangement in which the mechanical elements are constructed in the same way as in the 1 and 2 arrangement shown. In addition to the thin-film stack 5 on the carrier plate 4, which forms a semiconductor arrangement 20 for the emission of radiation 22, semiconductor arrangements 30 in the form of thin-film stacks are arranged on the spring elements 2a, 2b, 2c, 2d and on the frame 1, which serve to detect radiation 23 emanating from an illuminated target (not shown) as a result of illumination by the semiconductor arrangement 20.

Die 4 zeigt die Anordnung aus der 3 in einem Querschnitt, wobei unterhalb der Trägerplatte 4 durch Pfeile 40 die Schwenkrichtungen der Trägerplatte angedeutet sind.The 4 shows the arrangement from the 3 in a cross-section, wherein the pivot directions of the support plate are indicated by arrows 40 below the support plate 4.

Dadurch, dass relativ großen Flächen der Federelemente und des Rahmens 1 zur Detektion genutzt werden können, kann eine hohe Sensitivität beim Nachweis von Strahlung erreicht werden, Die Halbleiteranordnungen 30 können beispielsweise Quantum dots aufweisen, die wellenlängensensitiv Strahlung nachweisen können oder es können auf den Halbleiteranordnungen zusätzliche Schichten vorgesehen sein, die als Wellenlängenfilter wirken.Because relatively large areas of the spring elements and the frame 1 can be used for detection, a high sensitivity in the detection of radiation can be achieved. The semiconductor arrangements 30 can, for example, have quantum dots that can detect wavelength-sensitive radiation, or additional layers can be provided on the semiconductor arrangements that act as wavelength filters.

In den 5 und 6 ist dargestellt, dass auch die gesamte Fläche der Trägerplatte, der Federelemente und des Rahmens mit optischen Dünnschichtstapeln belegt sein kann, wobei in dem dargestellten Beispiel auf den Federelementen 2a, 2b, 2c, 2d Halbleiteranordnungen 7 zur Detektion von Strahlung vorgesehen sind, während die Trägerplatte 4 sowohl eine als Dünnschichtstapel 6 ausgebildete Halbleiteranordnung zur Detektion von Strahlung als auch- beispielsweise im zentralen Bereich, eine als Dünnschichtstapel 5 ausgebildete Halbleiteranordnung zur Emission von Strahlung aufweist.In the 5 and 6 It is shown that the entire surface of the carrier plate, the spring elements and the frame can also be covered with optical thin-film stacks, wherein in the illustrated example semiconductor arrangements 7 for the detection of radiation are provided on the spring elements 2a, 2b, 2c, 2d, while the carrier plate 4 has both a semiconductor arrangement designed as a thin-film stack 6 for the detection of radiation and - for example in the central area, a semiconductor arrangement designed as a thin-film stack 5 for the emission of radiation.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 7 und 8 ist zunächst zur Reduzierung von mechanischen Spannungen, die durch den Antrieb auf die Trägerplatte 4 wirken können, ein Stressreduktionselement 10 in der Form eines Stresskompensationsrings vorgesehen, der mittels Verbindungsarmen 10a mit den Federelementen 2a, 2b, 2c, 2d verbunden ist und mit dem seinerseits die Trägerplatte 4 über vier Verbindungsarme 10b verbunden ist.According to the exemplary embodiment of the 7 and 8 To reduce mechanical stresses that can act on the carrier plate 4 through the drive, a stress reduction element 10 in the form of a stress compensation ring is provided, which is connected to the spring elements 2a, 2b, 2c, 2d by means of connecting arms 10a and to which the carrier plate 4 is in turn connected via four connecting arms 10b.

Auch das Stressreduktionselement 10 kann optische Dünnschichtstapel tragen, die zur Detektion von Strahlung dienen können.The stress reduction element 10 can also carry optical thin-film stacks that can be used for the detection of radiation.

Die 9 und 10 zeigen eine mikromechanische Anordnung, bei der die Dünnschichtstapel 11a, 11b, 11c, 11d detaillierter auch im Querschnitt dargestellt sind, die als Piezoelemente ausgebildet sind und jeweils die Antriebselemente der Federelemente 2a, 2b, 2c, 2d bilden. Auch in diesem Fall trägt die Trägerplatte eine als Dünnschichtstapel 5 ausgebildete Halbleiteranordnung zur Emission von Strahlung und die Federarme tragen auf den Piezo- Schichten eine als Dünnschichtstapel 6 ausgebildete Halbleiteranordnung zur Detektion von Strahlung. Beide Halbleiteranordnungen sind als optische Dünnschichtstapel ausgebildet, in denen jeweils auch wellenlängenselektive Filterschichten vorgesehen sein können. Auf einem, mehreren oder allen der Dünnschichtstapeln 11a, 11b, 11c, 11d der Antriebselemente können jeweils schichtförmige Elemente, beispielsweise Dehnungsmessstreifen oder Piezoelemente, angeordnet sein, die als Winkelsensoren 21 dienen, wie beispielsweise auch in 13 ersichtlich.The 9 and 10 Figure 1 shows a micromechanical arrangement in which the thin-film stacks 11a, 11b, 11c, 11d are shown in more detail, including cross-sectional views. These stacks are designed as piezoelectric elements and each forms the drive elements of the spring elements 2a, 2b, 2c, 2d. In this case as well, the carrier plate carries a semiconductor arrangement designed as a thin-film stack 5 for emitting radiation, and the spring arms carry a semiconductor arrangement designed as a thin-film stack 6 for detecting radiation on the piezoelectric layers. Both semiconductor arrangements are designed as optical thin-film stacks, in each of which wavelength-selective filter layers can also be provided. Layer-shaped elements, for example strain gauges or piezoelectric elements, can be arranged on one, several, or all of the thin-film stacks 11a, 11b, 11c, 11d of the drive elements. These elements serve as angle sensors 21, as is also shown, for example, in [reference missing]. 13 visible.

In der 11 ist im Querschnitt eine mikromechanische Anordnung gezeigt, bei der auf der Unterseite der Trägerplatte 4, dem Dünnschichtstapel 5 gegenüberliegend, ein Schichtstapel 11e angeordnet ist, der beispielsweise mit einem oder mehreren Piezoelementen dazu eingerichtet ist, eine Kraft zu erzeugen, die die Trägerplatte verformt. Durch die Verformung kann Verzerrungen der Trägerplatte durch ihre Auslenkung durch die Antriebseinrichtung entgegengewirkt werden. In einigen Fällen kann in der Kombinationswirkung durch die Schicht 11e und die Antriebselemente 3a, 3b, 3c, 3e eine gewünschte Verformung und Auslenkung der Trägerplatte erreicht werden, durch die die Ausrichtung und Fokussierung von Strahlung optimiert wird, die durch eine auf der Trägerplatte 4 angeordnete Halbleiteranordnung 5 erzeugt wird.In the 11 The cross-sectional view shows a micromechanical arrangement in which a layer stack 11e is arranged on the underside of the carrier plate 4, opposite the thin-film stack 5. This layer stack is equipped, for example, with one or more piezoelectric elements to generate a force that deforms the carrier plate. This deformation counteracts distortions of the carrier plate caused by its deflection by the drive unit. In some cases, the combined action of layer 11e and the drive elements 3a, 3b, 3c, 3e can achieve a desired deformation and deflection of the carrier plate, thereby optimizing the alignment and focusing of radiation generated by a semiconductor arrangement 5 located on the carrier plate 4.

Bei einer ähnlichen Ausgestaltung einer mikromechanischen Einrichtung, die in der 12 gezeigt ist, ist die krafterzeugende Schicht 11e zwischen der Trägerplatte und der Halbleiteranordnung 5 vorgesehen. Die Schicht 11e kann in den Beispielen der 11 und 12 als piezoelektrische Schicht oder als piezoelektrischer Schichtstapel ausgebildet sein.In a similar design of a micromechanical device, which is located in the 12 As shown, the force-generating layer 11e is provided between the substrate and the semiconductor arrangement 5. The layer 11e can be seen in the examples of 11 and 12 be designed as a piezoelectric layer or as a piezoelectric layer stack.

In den 13, 14 und 15 ist bei den dort dargestellten mikromechanischen Einrichtungen jeweils ein Strahlformungselement 15 dargestellt. Die Halbleiteranordnung ist in diesen Beispielen jeweils als ein optischer Dünnschichtstapel 5 ausgebildet, der Licht oder allgemein eine Strahlung emittiert.In the 13 , 14 and 15 In each of the micromechanical devices shown there, a beam shaping element 15 is depicted. In these examples, the semiconductor arrangement is designed as an optical thin-film stack 5 that emits light or, more generally, radiation.

Die 13 zeigt ein Strahlformungselement 15, das oberhalb des Dünnschichtstapels 5 unmittelbar auf dieser aufliegend gebildet ist.The 13 Figure 15 shows a beam shaping element 15 which is formed above the thin-film stack 5, directly resting on it.

Gemäß der 14 ist das Strahlformungselement 15 mit Abstand oberhalb der Trägerplatte und des Dünnschichtstapels 5 angeordnet und kann unabhängig von diesen befestigt sein, beispielsweise am Rahmen 1. In diesem Fall kann eine Steuerung des Winkels der ausgesandten Strahlung auch bereits durch eine rein laterale Bewegung der Trägerplatte erfolgen, dadurch dass diese sich gegenüber einer optischen Achse des Strahlformungselements 15 verschiebt.According to the 14 The beam shaping element 15 is positioned at a distance above the support plate. and the thin-film stack 5 and can be attached independently of these, for example to the frame 1. In this case, the angle of the emitted radiation can also be controlled by a purely lateral movement of the carrier plate, by shifting it relative to an optical axis of the beam shaping element 15.

Gemäß dem Beispiel der 15 ist das Strahlformungselement 15 als Schicht zwischen der Trägerplatte 4 und dem Dünnschichtstapel 5 angeordnet.According to the example of 15 The beam shaping element 15 is arranged as a layer between the carrier plate 4 and the thin-film stack 5.

Das Strahlformungselement 15 kann in den gezeigten Beispielen in Form einer Linse, beispielsweise auch einer Fresnelllinse oder in Form einer planen oder gekrümmten Schicht gebildet sein, wobei die Schicht beispielsweise einen Gradienten des Brechungsindex in Radialrichtung bezüglich der Trägerplatte aufweisen kann.The beam shaping element 15 can be formed in the examples shown in the form of a lens, for example a Fresnel lens, or in the form of a planar or curved layer, wherein the layer can, for example, have a gradient of the refractive index in the radial direction with respect to the support plate.

In den 16 und 17 ist eine mikromechanische Einrichtung dargestellt, die zum Empfang und/oder zur Emission von Radarstrahlung eingerichtet ist. In the 16 and 17 Figure 1 shows a micromechanical device designed to receive and/or emit radar radiation.

Zu diesem Zweck sind dann die Elemente 50, 51 auf der Trägerplatte 4 als Antennen aus einem Metall oder einer Metallbeschichtung hergestellt. Die Zuleitungen der Antennen sind beispielhaft mit 52, 53 bezeichnet und die Anschlusskontakte mit 9, 9'. Es können auch zusätzliche, ähnlich aufgebaute Antennenelemente mit gleicher Funktion zusätzlich zu der Trägerplatte auf den Federelementen 2, einem Stressreduktionselement oder auf dem Rahmen 1 angeordnet sein.For this purpose, elements 50 and 51 on the carrier plate 4 are manufactured as antennas from a metal or a metal coating. The antenna leads are designated 52 and 53, and the connection contacts 9 and 9'. Additional, similarly constructed antenna elements with the same function can also be arranged on the spring elements 2, a stress reduction element, or on the frame 1, in addition to the carrier plate.

Die 17 zeigt einen Querschnitt durch eine mikromechanische Einrichtung, die in der 16 dargestellt ist. Dort ist gezeigt, dass die Antennen 50, 51 auf der Trägerplatte 4 aufgebaut sind und dass dieser als Teil eines Devicewavers 12 hergestellt ist. Der Device-waver ist unter Zwischenfügung einer isolierenden Oxidschicht 13 auf einem Handling-waver 14 angeordnet.The 17 shows a cross-section through a micromechanical device that is located in the 16 The figure shows that the antennas 50, 51 are mounted on the carrier plate 4 and that this plate is manufactured as part of a device waver 12. The device waver is arranged on a handling waver 14 with an insulating oxide layer 13 in between.

In den 18 und 19 ist eine mikromechanische Einrichtung dargestellt, die zum Empfang und/oder zur Emission von Ultraschallsignalen eingerichtet ist. Zu diesem Zweck ist in dem Beispiel in 18 eine Ultraschall- Sende- und/oder Empfangseinrichtung 54 dargestellt, die eine oder mehrere Mikromembranen aufweist, wobei eine Mehrzahl von Membranen als Membran-array ausgebildet sein kann mit mehreren Einzelmembranen, die beispielsweise unterschiedliche Frequenzcharakteristiken aufweisen können. Die Zuleitungen sind, wie in den vorangegangenen 16 und 17, mit 52, 53 bezeichnet und die Anschlusskontakte mit 9, 9'.In the 18 and 19 Figure 1 shows a micromechanical device designed to receive and/or emit ultrasound signals. For this purpose, the example in Figure 2 includes a micromechanical device designed to receive and/or emit ultrasound signals. 18 An ultrasonic transmitting and/or receiving device 54 is shown, comprising one or more micromembranes, wherein a plurality of membranes can be configured as a membrane array with several individual membranes that may, for example, exhibit different frequency characteristics. The leads are, as in the preceding 16 and 17 , labelled 52, 53 and the connecting contacts labelled 9, 9'.

In der 19 ist die mikromechanische Einrichtung aus der 18 in einem Querschnitt dargestellt, in dem die Mikromembranen 55, 56, 57 einzeln dargestellt sind, die jeweils Transducer für die Wandlung von Ultraschallsignalen in elektrische Signale und/oder umgekehrt bilden können.In the 19 is the micromechanical device from the 18 shown in a cross-section in which the micromembranes 55, 56, 57 are shown individually, each of which can form transducers for the conversion of ultrasound signals into electrical signals and/or vice versa.

Durch die beschriebene mikromechanische Einrichtung und eine mit dieser gebildete bildgebende Einrichtung kann platzsparend und kostengünstig eine hochauflösende Bildgebung erreicht werden. Eine solche Einrichtung lässt sich mit den bekannten Verfahren der Halbleiterfertigung zuverlässig und kostengünstig herstellen.The described micromechanical device and the imaging device formed with it enable space-saving and cost-effective high-resolution imaging. Such a device can be reliably and cost-effectively manufactured using known semiconductor manufacturing processes.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2017/076861A2 [0007]
US 2014/0036536A1 [0008]
US 2019/0086660A1 [0008]
EP 2181358B1 [0009]

Claims

Micromechanical device comprising a transmitting arrangement (20, 50) for transmitting signals and a receiving arrangement (30, 50) for receiving signals, comprising a carrier plate (4) held on a frame (1) and a drive device (2a, 2b, 2c, 2d, 11a, 11b, 11c, 11d) configured to drive the carrier plate relative to the frame in one, two or three dimensions, wherein the carrier plate comprises a transmitting arrangement (20, 30, 50) for transmitting signals and/or a receiving arrangement (20, 30, 50) for detecting signals.

Micromechanical device according to Claim 1 , characterized in that the transmitting arrangement (20, 50) and/or the receiving arrangement (30, 50) is designed as an ultrasonic transducer in the form of a micromechanical membrane or as a metal arrangement in the form of a metallic or metallized surface to realize an antenna.

Micromechanical device according to Claim 1 or 2 with a semiconductor arrangement (20) for emitting electromagnetic radiation and with a semiconductor arrangement (30) for detecting electromagnetic radiation, with a carrier plate (4) held on a frame (1) and with a drive device (2a, 2b, 2c, 2d, 11a, 11b, 11c, 11d) configured to drive the carrier plate relative to the frame in one, two or three dimensions, wherein the carrier plate has a semiconductor arrangement (20, 30) for emitting and/or a semiconductor arrangement (20, 30) for detecting electromagnetic radiation.

Micromechanical device according to Claim 1 , 2 or 3 , characterized in that the support plate (4) is held on the frame (1) by means of one or more spring elements (2a, 2b, 2c, 2d).

Micromechanical device according to Claim 1 , 2 , 3 or 4 , characterized in that the drive device (2a, 2b, 2c, 2d, 11a, 11b, 11c, 11d) has one or more spring elements (2a, 2b, 2c, 2d) and one or more drive elements (11a, 11b, 11c, 11d) which are designed as piezoelectric, electromagnetic, electrostatic or thermoelectric drive elements, wherein in the case of a piezoelectric drive the piezoelectric drive elements in particular each contain a layer stack which consists at least partially of lead zirconate titanate, aluminum nitride or aluminum scandium nitride .

Micromechanical device according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the carrier plate (4) is held in a stress reduction element (10) which can be driven by means of the drive device (2a, 2b, 2c, 2d, 11a, 11b, 11c, 11d).

Micromechanical device according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the carrier plate (4) has a deformation device (11e) which is in particular designed to at least partially compensate for drive movements caused by the drive device (2a, 2b, 2c, 2d, 11a, 11b, 11c, 11d) and/or to influence the focusing of emitted or detected radiation.

Micromechanical device according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the drive device (2a, 2b, 2c, 2d, 11a, 11b, 11c, 11d) has a fourfold symmetry with four drive elements (11a, 11b, 11c, 11d) and/or that the carrier plate (4) is circular.

Micromechanical device according to one of the Claims 1 until 8 , characterized in that the frame (1) is designed as a flat plate and has a recess (1a) in which the support plate (4) is arranged.

Micromechanical device according to one of the Claims 3 until 9 , characterized in that the carrier plate (4) and/or the frame (1) and/or the spring elements (2a, 2b, 2c, 2d) and/or a stress reduction element (10) arranged between the carrier plate and the frame has one or more emitters in the form of semiconductor arrangements (20) for the emission of electromagnetic radiation, in particular in the form of laser elements or first quantum dots and/or one or more detectors in the form of semiconductor arrangements (30) for the detection of light, in particular in the form of second quantum dots.

Micromechanical device according to Claim 10 , characterized in that one or more detectors are configured as broadband radiation-sensitive elements connected with a wavelength filter device or as wavelength-sensitive sensors, in particular as second quantum dots and/or that the semiconductor arrangement (20) for emission of electromagnetic radiation is configured as an LED or OLED or as a semiconductor arrangement with first quantum dots.

Micromechanical device according to one of the Claims 3 until 11 characterized in that a beam shaping optic is incorporated into the device (15) is integrated, which is provided directly on or below a semiconductor arrangement (20, 30) for the emission and/or detection of electromagnetic radiation or at a distance from such a semiconductor arrangement.

Micromechanical device according to one of the Claims 3 until 12 , characterized in that one or more or all semiconductor arrangements (20, 30) for emission and/or detection of electromagnetic radiation are each designed as thin-film stacks of semiconductor elements.

Micromechanical device according to Claim 13 , characterized in that a shielding layer is provided between at least two adjacent thin films, which counteracts crosstalk between the adjacent films, wherein in particular at least one shielding layer is provided between a film that carries a supply voltage for a drive element (11a, 11b, 11c, 11d) and a film that forms a sensor or carries electrical signals to be detected.

Imaging device, in particular a fluorescence microscope with a micromechanical device according to one of the Claims 1 until 14 , wherein the drive (2a, 2b, 2c, 2d, 11a, 11b, 11c, 11d) of the carrier plate (4) forms a scanning device for directing the emitted radiation and/or the detected radiation.