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DE102023005475B4 - Microelectromechanical mirror, method for operating a microelectromechanical mirror, projection device and use of a microelectromechanical mirror - Google Patents

Microelectromechanical mirror, method for operating a microelectromechanical mirror, projection device and use of a microelectromechanical mirror

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Publication number
DE102023005475B4
DE102023005475B4 DE102023005475.5A DE102023005475A DE102023005475B4 DE 102023005475 B4 DE102023005475 B4 DE 102023005475B4 DE 102023005475 A DE102023005475 A DE 102023005475A DE 102023005475 B4 DE102023005475 B4 DE 102023005475B4
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DE
Germany
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mirror
suspension
microelectromechanical
torsion
mirror element
Prior art date
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Active
Application number
DE102023005475.5A
Other languages
German (de)
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Inventor
Matthias Wulf
Franz Rinner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
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Publication date
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Publication of DE102023005475B4 publication Critical patent/DE102023005475B4/en
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Abstract

Mikroelektromechanischer Spiegel (1), aufweisend:
- ein Spiegelelement (2), und
- eine Torsionsaufhängung (3), die das Spiegelelement (2) umschließt und über zwei erste Torsionsfederelemente (41) mit dem Spiegelelement (2) verbunden ist, wobei
- die Torsionsaufhängung (3) eine elliptische Ringform oder die Form eines eingedrückten Ovalrings aufweist, und
- die Torsionsaufhängung (3) keine piezoelektrischen Antriebselemente aufweist.
Microelectromechanical mirror (1) comprising:
- a mirror element (2), and
- a torsion suspension (3) that surrounds the mirror element (2) and is connected to the mirror element (2) via two first torsion spring elements (41), wherein
- the torsion suspension (3) has an elliptical ring shape or the shape of a depressed oval ring, and
- the torsion suspension (3) does not have any piezoelectric drive elements.

Description

Es werden ein mikroelektromechanischer Spiegel, ein Verfahren zum Betrieb eines mikroelektromechanischen Spiegels und eine Projektionsvorrichtung angegeben.A microelectromechanical mirror, a method for operating a microelectromechanical mirror, and a projection device are described.

Die Druckschrift JP 6 506 212 B2 beschreibt einen optischen Deflektor mit einer um zwei Rotationsachsen beweglichen Spiegeleinheit.The printed matter JP 6 506 212 B2 describes an optical deflector with a mirror unit movable about two axes of rotation.

Die Druckschrift US 10 371 940 B2 beschreibt eine Vorrichtung zum Treiben eines Spiegels und ein zugehöriges Betriebsverfahren.The printed matter US 10 371 940 B2 describes a device for driving a mirror and an associated operating procedure.

Die Druckschrift JP 2008 - 020 701 A beschreibt einen zweidimensionalen optischen Scanner.The printed matter JP 2008 - 020 701 A describes a two-dimensional optical scanner.

Die Druckschrift DE 10 2021 116 165 B3 beschreibt einen Lissajous-Mikroscanner.The printed matter DE 10 2021 116 165 B3 describes a Lissajous microscanner.

Mikroelektromechanische Spiegel werden zum Beispiel in Laserprojektoren zur gezielten Ablenkung eines Laserstrahls verwendet, um statische oder bewegte Bilder darzustellen. Beispielsweise werden Laserprojektoren im Automotivbereich zur Projektion von Informationen auf eine Straßenoberfläche, in HUD Anzeigesystemen (Englisch: „head up display“, Kopfoben Anzeige) für Matrixausleuchtungen oder für LIDAR Anwendungen (Englisch: „light detection and ranging“, Lichtdetektion und Abstandsmessung) eingesetzt. Dafür wird insbesondere eine hohe Tiefenschärfe benötigt, die Laserprojektoren liefern können. Des Weiteren werden Laserprojektoren zum Beispiel als Hologrammprojektoren, in VR-Brillen (Englisch: „virtual reality“, virtuelle Realität) oder AR-Brillen (Englisch: „augmented reality“, erweiterte Realität) verwendet. Hier wird der abgelenkte Laserstrahl beispielsweise in ein Wellenleiter-Brillenglas eingekoppelt. Dabei bestimmt die Richtung und nicht die Position des Laserstrahls die Position des Bildpunkts für den Betrachter, so dass keine weitere Optik benötigt wird.Microelectromechanical mirrors are used, for example, in laser projectors to selectively deflect a laser beam in order to display static or moving images. Laser projectors are used, for instance, in the automotive sector to project information onto a road surface, in HUD (head-up display) systems for matrix illumination, or for LIDAR (light detection and ranging) applications. These applications require a high depth of field, which laser projectors can provide. Furthermore, laser projectors are used, for example, as hologram projectors, in VR (virtual reality) glasses, or AR (augmented reality) glasses. Here, the deflected laser beam is coupled, for example, into a waveguide lens. The direction, and not the position, of the laser beam determines the position of the image point for the viewer, so no additional optics are required.

Insbesondere für mobile Anwendungen, beispielsweise im Automotivbereich sowie für VR- oder AR-Brillen, sind Laserprojektoren vorteilhaft, die unempfindlich gegenüber Erschütterungen und kostengünstig herstellbar sind. Ein Laserprojektor weist beispielsweise einen mikroelektromechanischen Spiegel auf, der in zwei Richtungen drehbar ist und einen zeitlich modulierten Laserstrahl ablenkt, um ein Bild im Fernfeld zu erzeugen. Insbesondere befindet sich das projizierte Bild immer im Fokus für einen Betrachter und ein Auge des Betrachters muss nicht akkommodiert werden. Die Druckschrift JP 2008-20701 A beschreibt beispielsweise einen zweidimensionalen optischen Scanner.Laser projectors are particularly advantageous for mobile applications, such as in the automotive sector and for VR or AR glasses, as they are insensitive to vibrations and inexpensive to manufacture. A laser projector, for example, features a microelectromechanical mirror that can rotate in two directions and deflects a time-modulated laser beam to create a far-field image. In particular, the projected image is always in focus for the viewer, and the viewer's eye does not need to accommodate. JP 2008-20701 A For example, it describes a two-dimensional optical scanner.

Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, einen mikroelektromechanischen Spiegel anzugeben, der eine besonders kompakte Bauform aufweist. Zumindest eine weitere Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen mikroelektromechanischen Spiegels anzugeben. Zumindest eine weitere Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Projektionsvorrichtung mit einem mikroelektromechanischen Spiegel anzugeben, der eine besonders kompakte Bauform aufweist.At least one objective of certain embodiments is to provide a microelectromechanical mirror having a particularly compact design. At least one further objective of certain embodiments is to provide a method for operating such a microelectromechanical mirror. At least one further objective of certain embodiments is to provide a projection device with a microelectromechanical mirror having a particularly compact design.

Diese Aufgaben werden durch einen mikroelektromechanischen Spiegel, ein Verfahren zum Betrieb eines mikroelektromechanischen Spiegels und eine Projektionsvorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des mikroelektromechanischen Spiegels, des Verfahrens zum Betrieb eines mikroelektromechanischen Spiegels und der Projektionsvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.These problems are solved by a microelectromechanical mirror, a method for operating a microelectromechanical mirror, and a projection device according to the independent claims. Advantageous embodiments and further developments of the microelectromechanical mirror, the method for operating a microelectromechanical mirror, and the projection device are specified in the dependent claims and are further described in the following description and drawings.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der mikroelektromechanische Spiegel ein Spiegelelement auf. Das Spiegelelement weist insbesondere eine Haupterstreckungsebene auf. Beispielsweise weist das Spiegelelement in Draufsicht auf die Haupterstreckungsebene eine kreisförmige, ovale, quadratische, rechteckige oder polygonale Form auf. Das Spiegelelement umfasst beispielsweise ein Substrat mit einer darauf aufgebrachten reflektierenden Schicht. Zum Beispiel weist das Substrat Silizium auf oder besteht aus Silizium. Alternativ oder zusätzlich kann das Substrat Diamant, kubisches Bor-Nitrid (BN), Silizium-Nitrid (SiN), oder Bor aufweisen, oder aus zumindest einem dieser Materialien bestehen. Zum Beispiel weist die reflektierende Schicht ein Metall auf oder besteht aus einem Metall.According to at least one embodiment, the microelectromechanical mirror comprises a mirror element. The mirror element, in particular, has a principal extent plane. For example, the mirror element, viewed from above, has a circular, oval, square, rectangular, or polygonal shape. The mirror element comprises, for example, a substrate with a reflective layer deposited thereon. For example, the substrate comprises or consists of silicon. Alternatively or additionally, the substrate may comprise or consist of diamond, cubic boron nitride (BN), silicon nitride (SiN), or boron. For example, the reflective layer comprises or consists of a metal.

Insbesondere ist die reflektierende Schicht zur Reflexion und/oder zur Umlenkung elektromagnetischer Strahlung in einem Spektralbereich zwischen infrarotem und ultraviolettem Licht eingerichtet. Die reflektierende Schicht erstreckt sich insbesondere in einer Ebene, die der Haupterstreckungsebene des Spiegelelements entspricht. Hier und im Folgenden ist die Haupterstreckungsebene in Bezug auf eine Ruheposition des Spiegelelements definiert.In particular, the reflective layer is configured for the reflection and/or deflection of electromagnetic radiation in a spectral range between infrared and ultraviolet light. The reflective layer extends in a plane corresponding to the principal plane of extension of the mirror element. Here and in the following, the principal plane of extension is defined with respect to a rest position of the mirror element.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist der mikroelektromechanische Spiegel eine Torsionsaufhängung auf, die das Spiegelelement umschließt und über zwei erste Torsionsfederelemente mit dem Spiegelelement verbunden ist. Beispielsweise ist das Spiegelelement in einem Zentrum der Torsionsaufhängung angeordnet. Insbesondere umschließt die Torsionsaufhängung das Spiegelelement in der Haupterstreckungsebene des Spiegelelements in einem Ruhezustand des Spiegelelements. Die Torsionsaufhängung umfasst beispielsweise ein in der Haupterstreckungsebene ringförmig ausgebildetes Substrat, in dessen Zentrum das Spiegelelement angeordnet ist. Zum Beispiel weist das Substrat Silizium auf oder besteht aus Silizium. Im Betrieb des mikroelektromechanischen Spiegels, bei dem insbesondere das Spiegelelement bewegt wird, kann die Haupterstreckungsebene des Spiegelelements im Verhältnis zur Torsionsaufhängung verdreht sein.According to at least one further embodiment, the microelectromechanical mirror has a torsion suspension that surrounds the mirror element and is connected to the mirror element via two first torsion spring elements. The mirror element is bound. For example, the mirror element is arranged at the center of the torsion suspension. In particular, the torsion suspension surrounds the mirror element in its principal plane of extension when the mirror element is at rest. The torsion suspension comprises, for example, a substrate formed in a ring shape in its principal plane of extension, at the center of which the mirror element is arranged. For example, the substrate contains or consists of silicon. During operation of the microelectromechanical mirror, in which the mirror element is moved, the principal plane of extension of the mirror element can be rotated relative to the torsion suspension.

Jedes der ersten Torsionsfederelemente umfasst insbesondere einen Torsionsbalken oder besteht aus einem Torsionsbalken. Zum Beispiel umfassen die Torsionsfederelemente ein Substrat, das beispielsweise Silizium aufweist oder aus Silizium besteht. Die Torsionsfederelemente weisen beispielsweise jeweils eine langgestreckte, balkenartige Form mit einer Drehachse auf, die insbesondere einer Längsrichtung des jeweiligen Torsionsfederelements entspricht. Im Betrieb wirkt auf die Torsionsfederelemente beispielsweise ein Torsionsmoment in Bezug auf die Drehachse, wodurch sich die Torsionsfederelemente um ihre jeweilige Drehachse verwinden. Dabei baut sich in den Torsionsfederelementen insbesondere ein rückstellendes Torsionsmoment auf.Each of the first torsion spring elements comprises, in particular, a torsion beam or consists of a torsion beam. For example, the torsion spring elements comprise a substrate that, for instance, contains or consists of silicon. The torsion spring elements each have, for example, an elongated, beam-like shape with an axis of rotation that corresponds, in particular, to a longitudinal direction of the respective torsion spring element. During operation, a torsional moment acts on the torsion spring elements with respect to the axis of rotation, causing the torsion spring elements to twist about their respective axis of rotation. In this process, a restoring torsional moment builds up, in particular, in the torsion spring elements.

Die Drehachsen der zwei ersten Torsionsfederelemente sind bevorzugt entlang einer gemeinsamen ersten Drehachse ausgerichtet. In anderen Worten weisen die zwei ersten Torsionsfederelemente eine gemeinsame erste Drehachse auf, um die sie sich während des Betriebs verwinden. Insbesondere, ist das Spiegelelement zumindest innerhalb eines ersten Winkelbereichs um die erste Drehachse relativ zur Torsionsaufhängung drehbar.The axes of rotation of the first two torsion spring elements are preferably aligned along a common first axis of rotation. In other words, the two first torsion spring elements have a common first axis of rotation about which they twist during operation. In particular, the mirror element is rotatable about the first axis of rotation relative to the torsion suspension, at least within a first angular range.

Beispielsweise weisen das Spiegelelement, die Torsionsaufhängung und die ersten Torsionsfederelemente das gleiche Substrat auf. In anderen Worten sind die vorgenannten Elemente einstückig ausgebildet und/oder monolithisch integriert.For example, the mirror element, the torsion suspension, and the first torsion spring elements share the same substrate. In other words, the aforementioned elements are formed in one piece and/or monolithically integrated.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist der mikroelektromechanische Spiegel einen piezoelektrischen Antriebsring auf, der die Torsionsaufhängung umgibt über zwei zweite Torsionsfederelemente mit der Torsionsaufhängung verbunden ist. Beispielsweise ist die Torsionsaufhängung im Zentrum des Antriebsrings angeordnet. Der Antriebsring ist insbesondere dazu eingerichtet, das Spiegelelement im Betrieb des mikroelektromechanischen Spiegels aus seiner Ruheposition auszulenken. Dabei wird die Torsionsaufhängung und/oder das Spiegelelement bevorzugt relativ zum Antriebsring verdreht. Beispielsweise werden im Antriebsring mechanische Verspannungen erzeugt, die über die zweiten Torsionsfederelemente ein Biegemoment und/oder ein Drehmoment auf die Torsionsaufhängung übertragen.According to at least one further embodiment, the microelectromechanical mirror has a piezoelectric drive ring that surrounds the torsion suspension and is connected to it via two secondary torsion spring elements. For example, the torsion suspension is arranged in the center of the drive ring. The drive ring is specifically designed to deflect the mirror element from its rest position during operation of the microelectromechanical mirror. In doing so, the torsion suspension and/or the mirror element are preferably rotated relative to the drive ring. For example, mechanical stresses are generated in the drive ring, which transmit a bending moment and/or a torque to the torsion suspension via the secondary torsion spring elements.

Der Antriebsring umfasst beispielsweise ein Substrat, das Silizium aufweist oder aus Silizium besteht, auf dem zumindest stellenweise eine piezoelektrische Schicht aufgebracht ist. Die piezoelektrische Schicht ist insbesondere parallel zur Haupterstreckungsebene des Spiegelelements angeordnet.The drive ring comprises, for example, a substrate containing or consisting of silicon, on which at least partially a piezoelectric layer is applied. The piezoelectric layer is, in particular, arranged parallel to the main plane of extension of the mirror element.

Die piezoelektrische Schicht ist zum Beispiel zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode angeordnet. Die piezoelektrische Schicht kann ein oder mehrere piezoelektrische Materialien aufweisen. Beispielweise weist die piezoelektrische Schicht ein piezoelektrisches Material auf, wie zum Beispiel Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), AluminiumNitrid (AlN), oder Bismut-Ferrat Barium-Titanat (BFO-BT), oder besteht aus einem solchen Material. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden erzeugt die piezoelektrische Schicht insbesondere die mechanischen Verspannungen im Antriebsring.The piezoelectric layer is positioned, for example, between a first electrode and a second electrode. The piezoelectric layer can consist of one or more piezoelectric materials. For example, the piezoelectric layer may contain or be composed of a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT), aluminum nitride (AlN), or bismuth ferrate barium titanate (BFO-BT). By applying an electrical voltage to the electrodes, the piezoelectric layer generates, in particular, the mechanical stresses in the drive ring.

Jedes der zweiten Torsionsfederelemente umfasst insbesondere einen Torsionsbalken oder besteht aus einem Torsionsbalken. Zum Beispiel umfassen die Torsionsfederelemente ein Substrat, das beispielsweise Silizium aufweist oder aus Silizium besteht. Die Torsionsfederelemente weisen beispielsweise jeweils eine langgestreckte, balkenartige Form mit einer Drehachse auf, die insbesondere einer Längsrichtung des jeweiligen Torsionsfederelements entspricht. Im Betrieb wirkt auf die Torsionsfederelemente beispielsweise ein Torsionsmoment in Bezug auf die Drehachse, wodurch sich die Torsionsfederelemente um ihre jeweilige Drehachse verwinden. Dabei baut sich in den Torsionsfederelementen insbesondere ein rückstellendes Torsionsmoment auf.Each of the second torsion spring elements comprises, in particular, a torsion beam or consists of a torsion beam. For example, the torsion spring elements comprise a substrate that, for instance, contains or consists of silicon. The torsion spring elements each have, for example, an elongated, beam-like shape with an axis of rotation that corresponds, in particular, to a longitudinal direction of the respective torsion spring element. During operation, a torsional moment acts on the torsion spring elements with respect to the axis of rotation, causing the torsion spring elements to twist about their respective axis of rotation. In this process, a restoring torsional moment builds up, in particular, in the torsion spring elements.

Die Drehachsen der zwei zweiten Torsionsfederelemente sind bevorzugt entlang einer gemeinsamen zweiten Drehachse ausgerichtet. In anderen Worten weisen die zwei zweiten Torsionsfederelemente eine gemeinsame zweite Drehachse auf, um die sie sich während des Betriebs verwinden. Insbesondere, ist die Torsionsaufhängung und somit das Spiegelelement zumindest innerhalb eines zweiten Winkelbereichs um die zweite Drehachse relativ zum Antriebsring drehbar. Die zweite Drehachse ist beispielsweise quer oder orthogonal zur ersten Drehachse.The axes of rotation of the two second torsion spring elements are preferably aligned along a common second axis of rotation. In other words, the two second torsion spring elements have a common second axis of rotation about which they twist during operation. In particular, the torsion suspension, and thus the mirror element, is rotatable around the second axis of rotation relative to the drive ring, at least within a second angular range. The second axis of rotation is, for example, transverse or orthogonal to the first axis of rotation.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels weist die Torsionsaufhängung eine langgestreckte Form mit einer langen Achse und einer dazu senkrechten kurzen Achse auf. Die lange Achse und die kurze Achse sind beispielsweise Symmetrieachsen der Torsionsaufhängung. Insbesondere weist die Torsionsaufhängung in Richtung der langen Achse eine größere räumliche Ausdehnung auf als in Richtung der kurzen Achse auf. In anderen Worten ist ein Durchmesser der Torsionsaufhängung in Richtung der langen Achse größer als ein Durchmesser der Torsionsaufhängung in Richtung der kurzen Achse. Beispielsweise ist der Durchmesser der Torsionsaufhängung in Richtung der langen Achse um zumindest 5% größer, bevorzugt um zumindest 20% größer, und besonders bevorzugt um zumindest 40% größer, als der Durchmesser in Richtung der kurzen Achse. Die lange Achse und die kurze Achse liegen beispielsweise in der Haupterstreckungsebene des Spiegelelements.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror The torsion suspension has an elongated shape with a long axis and a short axis perpendicular to it. The long axis and the short axis are, for example, axes of symmetry of the torsion suspension. In particular, the torsion suspension has a larger spatial extent in the direction of the long axis than in the direction of the short axis. In other words, the diameter of the torsion suspension in the direction of the long axis is larger than the diameter of the torsion suspension in the direction of the short axis. For example, the diameter of the torsion suspension in the direction of the long axis is at least 5% larger, preferably at least 20% larger, and most preferably at least 40% larger than the diameter in the direction of the short axis. The long axis and the short axis lie, for example, in the principal plane of extension of the mirror element.

Die erste Drehachse stimmt beispielsweise mit der langen Achse überein, während die zweite Drehachse beispielsweise mit der kurzen Achse übereinstimmt. Das Spiegelelement ist im Betrieb des mikroelektromechanischen Spiegels daher insbesondere bezüglich der kurzen Achse und bezüglich der langen Achse relativ zum Antriebsring zumindest teilweise drehbar.The first axis of rotation coincides with the long axis, while the second axis of rotation coincides with the short axis. Therefore, in operation of the microelectromechanical mirror, the mirror element is at least partially rotatable relative to the drive ring, particularly with respect to the short and long axes.

Durch die langestreckte Form der Torsionsaufhängung weist zumindest eine Schwingungsmode des Spiegelelements und/oder der Torsionsaufhängung insbesondere eine geringere Anharmonizität auf als eine entsprechende Schwingungsmode einer Torsionsaufhängung, die keine langestreckte Form aufweist. Hier und im Folgenden beschreibt die Anharmonizität insbesondere eine Abhängigkeit einer Resonanzfrequenz der Schwingungsmode von einer Amplitude der Schwingungsmode. In anderen Worten ist die Anharmonizität umso größer, je größer eine Verschiebung der Resonanzfrequenz ist, wenn die Amplitude der Schwingungsmode erhöht wird.Due to the elongated shape of the torsion suspension, at least one vibration mode of the mirror element and/or the torsion suspension exhibits, in particular, lower anharmonicity than a corresponding vibration mode of a torsion suspension that does not have an elongated shape. Here and in the following, anharmonicity describes, in particular, the dependence of a vibration mode's resonant frequency on its amplitude. In other words, the greater the shift in the resonant frequency when the vibration mode's amplitude is increased, the greater the anharmonicity.

Der mikroelektromechanische Spiegel umfasst:

  • - das Spiegelelement,
  • - die Torsionsaufhängung, die das Spiegelelement umschließt und über die zwei ersten Torsionsfederelemente mit dem Spiegelelement verbunden ist, wobei
  • - die Torsionsaufhängung eine elliptische Ringform oder die Form eines eingedrückten Ovalrings aufweist, und
  • - die Torsionsaufhängung keine piezoelektrischen Antriebselemente aufweist.
The microelectromechanical mirror includes:
  • - the mirror element,
  • - the torsion suspension that surrounds the mirror element and is connected to the mirror element via the two first torsion spring elements, wherein
  • - the torsion suspension has an elliptical ring shape or the shape of a pressed-in oval ring, and
  • - the torsion suspension does not contain any piezoelectric drive elements.

Dem hier beschriebenen mikroelektromechanischen Spiegel liegt insbesondere die Idee zugrunde, zwei unterschiedliche Schwingungsmoden bei denen sich das Spiegelelement um jeweils eine der zwei Drehachsen dreht, über nur einen einzelnen Antriebsring anzuregen. Dadurch ist der mikroelektromechanische Spiegel besonders kompakt. Des Weiteren weist eine Schwingungsmode, bei der sich das Spiegelelement um die lange Achse dreht, durch die langgestreckte Form der Torsionsaufhängung vorteilhaft eine besonders geringe Anharmonizität auf.The microelectromechanical mirror described here is based on the fundamental idea of exciting two different vibration modes, in which the mirror element rotates about one of its two axes, using only a single drive ring. This makes the microelectromechanical mirror particularly compact. Furthermore, the elongated shape of the torsional suspension advantageously results in a particularly low anharmonicity in the vibration mode in which the mirror element rotates about its longer axis.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels sind die ersten Torsionsfederelemente entlang der langen Achse angeordnet. Insbesondere ist die erste Drehachse oder eine Verwindungsachse der ersten Torsionsfederelemente entlang der langen Achse der Torsionsaufhängung ausgerichtet.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the first torsion spring elements are arranged along the long axis. In particular, the first axis of rotation or a twisting axis of the first torsion spring elements is aligned along the long axis of the torsion suspension.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels sind die zweiten Torsionsfederelemente entlang der kurzen Achse angeordnet. Insbesondere ist die zweite Drehachse oder eine Verwindungsachse der zweiten Torsionsfederelemente entlang der kurzen Achse der Torsionsaufhängung ausgerichtet.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the second torsion spring elements are arranged along the short axis. In particular, the second axis of rotation or a twisting axis of the second torsion spring elements is aligned along the short axis of the torsion suspension.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels sind die zwei ersten Torsionsfederelemente auf gegenüberliegenden Seiten des Spiegelelements angeordnet. Dadurch wird beispielsweise eine mechanische Stabilität der Aufhängung des Spiegelelements verbessert.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the first two torsion spring elements are arranged on opposite sides of the mirror element. This improves, for example, the mechanical stability of the mirror element's suspension.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels sind die zwei zweiten Torsionsfederelemente auf gegenüberliegenden Seiten der Torsionsaufhängung angeordnet. Dadurch wird beispielsweise eine mechanische Stabilität der Aufhängung der Torsionsaufhängung verbessert.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the two second torsion spring elements are arranged on opposite sides of the torsion suspension. This improves, for example, the mechanical stability of the torsion suspension.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels weist die Torsionsaufhängung eine elliptische Ringform oder die Form eines eingedrückten Ovalrings auf. Beispielsweise hat ein äußerer Umfang der Torsionsaufhängung die Form einer Ellipse oder eines eingedrückten Ovals. Zum Beispiel entspricht eine große Halbachse der Ellipse der langen Achse der Torsionsaufhängung, während eine kleine Halbachse der Ellipse der kurzen Achse der Torsionsaufhängung entspricht. Zum Beispiel entsprechen die lange Achse und die kurze Achse der Torsionsaufhängung zwei Symmetrieachsen des eingedrückten Ovals.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the torsion suspension has an elliptical ring shape or the shape of an indented oval ring. For example, an outer circumference of the torsion suspension has the shape of an ellipse or an indented oval. For example, a major semi-axis of the ellipse corresponds to the long axis of the torsion suspension, while a minor semi-axis of the ellipse corresponds to the short axis of the torsion suspension. For example, the long axis and the short axis of the torsion suspension correspond to two axes of symmetry of the indented oval.

Beim eingedrückten Oval weist beispielsweise ein Abstand zwischen dem Umfang der Torsionsaufhängung und der langen Achse ein lokales Minimum an der kurzen Achse auf. Dabei entspricht der Abstand von der langen Achse insbesondere einem Abstand in einer Richtung senkrecht zur langen Achse. In anderen Worten weist der Umfang der Torsionsaufhängung an der kurzen Achse eine Einschnürung auf. Zum Beispiel hat der Umfang der Torsionsaufhängung die Form einer Cassinischen Kurve.In the case of a compressed oval, for example, the distance between the circumference of the torsion suspension and the long axis exhibits a local minimum at the short axis. Specifically, this distance from the long axis corresponds to a distance in a direction perpendicular to the long axis. In other words, the circumference of the torsion suspension shows a constriction at the short axis. For example, the circumference of the torsion suspension has the shape of a Cassini curve.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels sind das Spiegelelement und die ersten Torsionsfederelemente über ein Verbindungselement miteinander verbunden. Das Verbindungselement ist insbesondere zu einer mechanischen Verbindung des Spiegelelements mit den ersten Torsionsfederelementen eingerichtet. Insbesondere ist das Verbindungselement derart gestaltet, dass sich die Haupterstreckungsebene des Spiegelelements bei einer Schwingung des Spiegelelements um die zwei Drehachsen so wenig als möglich verbiegt oder verformt. Dadurch können im Betrieb des mikroelektromechanischen Spiegels zum Beispiel Abbildungsfehler verringert werden. Beispielsweise reduziert das Verbindungselement die Übertragung einer Verwindung der ersten Torsionsfederelemente auf das Spiegelelement. Das Verbindungselement umfasst insbesondere ein Substrat, das beispielsweise Silizium aufweist oder aus Silizium besteht.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the mirror element and the first torsion spring elements are connected to each other via a connecting element. The connecting element is specifically designed to mechanically connect the mirror element to the first torsion spring elements. In particular, the connecting element is designed such that the principal plane of extension of the mirror element bends or deforms as little as possible when the mirror element oscillates about its two axes of rotation. This can, for example, reduce imaging errors during operation of the microelectromechanical mirror. For instance, the connecting element reduces the transmission of any twisting of the first torsion spring elements to the mirror element. The connecting element particularly comprises a substrate that, for example, contains or consists of silicon.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels ist das Verbindungselement kreisringförmig ausgebildet und über zwei Aufhängungspunkte mit dem Spiegelelement verbunden. Insbesondere ist das Spiegelelement im Zentrum des Verbindungselements angeordnet. Das Verbindungselement erstreckt sich zum Beispiel in der Haupterstreckungsebene des Spiegelelements.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the connecting element is annular in shape and connected to the mirror element via two suspension points. In particular, the mirror element is arranged at the center of the connecting element. The connecting element extends, for example, in the principal plane of extension of the mirror element.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels sind die zwei Aufhängungspunkte auf gegenüberliegenden Seiten des Spiegelelements entlang der kurzen Achse angeordnet. Insbesondere sind die Aufhängungspunkte um 90° relativ zur ersten Drehachse der ersten Torsionsfederelemente verdreht.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the two suspension points are arranged on opposite sides of the mirror element along the short axis. In particular, the suspension points are rotated by 90° relative to the first axis of rotation of the first torsion spring elements.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels weist das Verbindungselement zwei voneinander getrennte kreisbogenförmige Segmente auf, die jeweils mit einem der zwei ersten Torsionsfederelemente verbunden sind.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the connecting element has two separate circular arc-shaped segments, each of which is connected to one of the two first torsion spring elements.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels ist jedes der kreisbogenförmigen Segmente über zwei Aufhängungspunkte mit dem Spiegelelement verbunden. Die Aufhängungspunkte sind beispielsweise an den jeweiligen Enden der kreisbogenförmigen Segmente angeordnet. Die ersten Torsionsfederelemente sind zum Beispiel zwischen den beiden Aufhängungspunkten mit dem jeweiligen kreisbogenförmigen Segment verbunden.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, each of the arc-shaped segments is connected to the mirror element via two suspension points. The suspension points are, for example, arranged at the respective ends of the arc-shaped segments. The first torsion spring elements are connected, for example, to the respective arc-shaped segment between the two suspension points.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels ist der Antriebsring kreisringförmig ausgebildet und in der Haupterstreckungsebene des Spiegelelements in Ruhelage angeordnet. Insbesondere sind die Torsionsaufhängung und das Spiegelelement im Zentrum des Antriebsringes angeordnet.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the drive ring is annular in shape and arranged in its rest position in the main plane of extension of the mirror element. In particular, the torsion suspension and the mirror element are arranged in the center of the drive ring.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels ist der Antriebsring über zwei dritte Torsionsfederelemente mit einem Rahmen verbunden. Beispielsweise umschließt der Rahmen den Antriebsring in der Haupterstreckungsebene des Spiegelelements vollständig. Der Rahmen umfasst insbesondere ein Substrat, das beispielsweise Silizium aufweist oder aus Silizium besteht. Die dritten Torsionsfederelemente weisen beispielsweise eine ähnliche oder gleiche Struktur wie die zweiten Torsionsfederelemente auf, oder sind gleich oder ähnlich zu den zweiten Torsionsfederelementen ausgebildet.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the drive ring is connected to a frame via two third torsion spring elements. For example, the frame completely encloses the drive ring in the principal plane of extension of the mirror element. The frame particularly includes a substrate that, for example, comprises or consists of silicon. The third torsion spring elements, for example, have a similar or identical structure to the second torsion spring elements, or are identical or similar in design to the second torsion spring elements.

Beispielsweise sind auf dem Rahmen elektrische Kontaktstellen zu einer externen elektrischen Kontaktierung des mikroelektromechanischen Spiegels angeordnet. Die elektrischen Kontaktstellen sind beispielsweise über Leiterbahnen mit dem piezoelektrischen Antriebsring elektrisch verbunden. Die Leiterbahnen sind insbesondere auf den dritten Torsionsfederelementen angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann der piezoelektrische Antriebsring über Bonddrähte mit den elektrischen Kontaktstellen elektrisch verbunden sein. Durch die geringe Bewegung des Antriebsringes ist insbesondere eine mechanische Belastung der Bonddrähte gering.For example, electrical contact points for external electrical contacting of the microelectromechanical mirror are arranged on the frame. These electrical contact points are connected to the piezoelectric drive ring via conductive traces. These conductive traces are located, in particular, on the third torsion spring element. Alternatively or additionally, the piezoelectric drive ring can be electrically connected to the electrical contact points via bond wires. Due to the minimal movement of the drive ring, the mechanical stress on the bond wires is particularly low.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels sind die zwei dritten Torsionsfederelemente auf gegenüberliegenden Seiten des Antriebsringes entlang der kurzen Achse angeordnet. Beispielsweise sind sowohl die zweiten Torsionsfederelemente als auch die dritten Torsionsfederelemente entlang der kurzen Achse ausgerichtet.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the two third torsion spring elements are arranged on opposite sides of the drive ring along the short axis. For example, both the second and third torsion spring elements are aligned along the short axis.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels sind das Spiegelelement, die Torsionsaufhängung, der Antriebsring, der Rahmen und die Torsionsfederelemente als einstückiges Bauteil ausgebildet. In anderen Worten sind das Spiegelelement, die Torsionsaufhängung, der Antriebsring, der Rahmen und die Torsionsfederelemente monolithisch integriert und/oder aus einem gemeinsamen Substrat gebildet. Beispielsweise ist das Substrat monokristallin. Darüber hinaus kann auch das Verbindungselement zwischen den ersten Torsionsfederelementen und dem Spiegelelement mit den oben genannten Elementen einstückig ausgebildet sein. Beispielsweise wird bei der Herstellung des mikroelektromechanischen Spiegels das gemeinsame Substrat derart strukturiert, dass die oben genannten Elemente in dem gemeinsamen Substrat ausgebildet werden.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the mirror element, the torsion suspension, the drive ring, the frame and the torsion spring are The elements are formed as a single component. In other words, the mirror element, the torsion suspension, the drive ring, the frame, and the torsion spring elements are monolithically integrated and/or formed from a common substrate. For example, the substrate is monocrystalline. Furthermore, the connecting element between the first torsion spring elements and the mirror element can also be formed as a single piece with the aforementioned elements. For example, in the manufacture of the microelectromechanical mirror, the common substrate is structured such that the aforementioned elements are formed within the common substrate.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels weisen alle Elemente des einstückigen Bauteils ein gemeinsames Substrat auf, das eine konstante Dicke hat. Hier und im Folgenden beschreibt die Dicke eine räumliche Ausdehnung des Substrats in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene. Dadurch wird insbesondere ein Herstellungsprozess des mikroelektromechanischen Spiegels vereinfacht. Beispielsweise beträgt eine Dicke des Substrats zwischen 20 µm und 500 µm. Alternativ kann das Substrat auch Bereiche mit unterschiedlichen Dicken aufweisen. Beispielsweise kann das Substrat im Bereich des Rahmens eine größere Dicke aufweisen, um eine mechanische Stabilität des mikroelektromechanischen Spiegels zu verbessern, während das Substrat im Bereich des Antriebsrings zum Beispiel eine geringere Dicke und somit eine höhere Flexibilität und/oder eine geringere Trägheit aufweist. Das Substrat im Bereich des Spiegelelements kann im Vergleich zum Antriebsring eine größere Dicke aufweisen, um beispielsweise Verformungen des Spiegelelements während des Betriebs zu verringern.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, all elements of the one-piece component share a common substrate of constant thickness. Here and in the following, thickness describes the spatial extent of the substrate in a direction perpendicular to the principal plane of extension. This simplifies the manufacturing process of the microelectromechanical mirror. For example, the substrate thickness may range from 20 µm to 500 µm. Alternatively, the substrate may have regions of varying thickness. For instance, the substrate in the frame region may be thicker to improve the mechanical stability of the microelectromechanical mirror, while the substrate in the drive ring region may be thinner, thus providing greater flexibility and/or lower inertia. The substrate in the mirror element region may be thicker than that in the drive ring to, for example, reduce deformation of the mirror element during operation.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels ist auf dem Antriebsring eine piezoelektrische Schicht aufgebracht, die zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode angeordnet ist. Insbesondere ist die piezoelektrische Schicht zumindest stellenweise auf einer Hauptfläche des Antriebsringes aufgebracht, die parallel zur Haupterstreckungsebene des Spiegelelements angeordnet ist. Die piezoelektrische Schicht weist beispielsweise PZT, AlN oder BFO-BT auf, oder besteht aus einem dieser Materialien. Beispielsweise weist die piezoelektrische Schicht eine Dicke zwischen 0,5 µm und 5 µm auf.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, a piezoelectric layer is applied to the drive ring, positioned between a first electrode and a second electrode. In particular, the piezoelectric layer is applied at least partially to a main surface of the drive ring that is parallel to the main extension plane of the mirror element. The piezoelectric layer comprises, for example, PZT, AlN, or BFO-BT, or consists of one of these materials. For example, the piezoelectric layer has a thickness between 0.5 µm and 5 µm.

Die erste und zweite Elektrode sind insbesondere zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezoelektrische Schicht eingerichtet. Durch Anlegen der elektrischen Spannung im Betrieb werden im Antriebsring insbesondere mechanische Verspannungen erzeugt. Die mechanischen Verspannungen induzieren beispielsweise Torsionsmomente und/oder Biegemomente, die über die zweiten Torsionsfederelemente auf die Torsionsaufhängung und/oder auf das Spiegelelement übertragen werden.The first and second electrodes are specifically designed to apply an electrical voltage to the piezoelectric layer. Applying this voltage during operation generates mechanical stresses in the drive ring. These mechanical stresses induce, for example, torsional moments and/or bending moments, which are transmitted via the second torsion spring elements to the torsion suspension and/or the mirror element.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels weist die zweite Elektrode eine Mehrzahl von Ansteuerbereichen auf, die voneinander getrennt sind. Beispielsweise ist die zweite Elektrode segmentiert. Insbesondere sind die Ansteuerbereiche unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar. Durch Anlegen von elektrischen Spannungen an verschiedene Ansteuerbereiche können im Antriebsring beispielsweise unterschiedliche Torsions- und/oder Biegemomente erzeugt werden, um insbesondere unterschiedliche Schwingungsmoden der Torsionsaufhängung und/oder des Spiegelelements anzuregen.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the second electrode has a plurality of control areas that are separate from one another. For example, the second electrode is segmented. In particular, the control areas can be electrically controlled independently of one another. By applying electrical voltages to different control areas, different torsional and/or bending moments can be generated in the drive ring, for example, in order to excite different vibration modes of the torsional suspension and/or the mirror element.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels ist auf der Torsionsaufhängung zumindest ein Sensorelement zur Bestimmung einer Auslenkung und/oder einer Frequenz einer Schwingung des Spiegelelements angeordnet. Insbesondere kann durch das zumindest eine Sensorelement im Betrieb eine Ausrichtung des Spiegelelements relativ zur Torsionsaufhängung, zum Antriebsring und/oder zum Rahmen bestimmt werden. Das Sensorelement erzeugt beispielsweise ein zeitabhängiges elektrisches Signal, das zum Beispiel proportional zu einem momentanen Auslenkwinkel des Spiegelelements ist. According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, at least one sensor element is arranged on the torsion suspension for determining a deflection and/or a frequency of an oscillation of the mirror element. In particular, the at least one sensor element can determine the orientation of the mirror element relative to the torsion suspension, the drive ring, and/or the frame during operation. The sensor element generates, for example, a time-dependent electrical signal that is proportional to an instantaneous deflection angle of the mirror element.

Beispielsweise kann das elektrische Signal des Sensorelements zu einer Regelung und/oder zu einer Feinjustage von Schwingungsfrequenzen des Spiegelelements um die zwei Drehachsen verwendet werden. In anderen Worten kann ein Ansteuersignal des Antriebsringes in Abhängigkeit der ermittelten Messwerte des Sensorelements angepasst werden.For example, the electrical signal from the sensor element can be used to control and/or fine-tune the vibration frequencies of the mirror element around its two axes of rotation. In other words, a control signal for the drive ring can be adjusted based on the measured values from the sensor element.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels umfasst das zumindest eine Sensorelement eine piezoelektrische Schicht, die zwischen zwei Elektroden angeordnet ist. Die piezoelektrische Schicht ist beispielsweise auf einer Fläche der Torsionsaufhängung aufgebracht, die parallel zur Haupterstreckungsebene des Spiegelelements angeordnet ist. Eine Auslenkung des Spiegelelements erzeugt beispielsweise eine mechanische Verspannung in der Torsionsaufhängung. Dadurch wird die piezoelektrische Schicht insbesondere verformt und erzeugt eine elektrische Spannung. Diese elektrische Spannung kann beispielsweise als elektrisches Signal des Sensorelements ausgelesen werden.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the at least one sensor element comprises a piezoelectric layer arranged between two electrodes. The piezoelectric layer is, for example, applied to a surface of the torsion suspension that is arranged parallel to the principal plane of extension of the mirror element. A deflection of the mirror element, for example, generates a mechanical stress in the torsion suspension. This, in particular, deforms the piezoelectric layer and generates an electrical voltage. This electrical voltage The signal can, for example, be read out as an electrical signal from the sensor element.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des mikroelektromechanischen Spiegels ist die Torsionsaufhängung zu einer Linearisierung einer Schwingungsmode um die lange Achse eingerichtet. In anderen Worten weist die Schwingungsmode um die lange Achse aufgrund der Form der Torsionsaufhängung eine geringere Anharmonizität auf. Beispielsweise führt die langgestreckte Form der Torsionsaufhängung zu einer Linearisierung der Schwingungsmode um die lange Achse. Insbesondere ist die Schwingungsmode um die lange Achse eine Kombination aus einer Torsionsbewegung des Spiegelelements, wobei sich die ersten Torsionsfederelemente verwinden, und einer Verbiegungsbewegung der Torsionsaufhängung.According to at least one further embodiment of the microelectromechanical mirror, the torsion suspension is configured to linearize a vibration mode about the long axis. In other words, the vibration mode about the long axis exhibits lower anharmonicity due to the shape of the torsion suspension. For example, the elongated shape of the torsion suspension leads to a linearization of the vibration mode about the long axis. In particular, the vibration mode about the long axis is a combination of a torsional motion of the mirror element, in which the first torsion spring elements twist, and a bending motion of the torsion suspension.

Dem hier beschriebenen mikroelektromechanischen Spiegel liegen insbesondere folgende Ideen zugrunde. Drehschwingungen des Spiegelelements um die erste und zweite Drehachse werden beispielsweise resonant angeregt. Dadurch ergibt sich zum Beispiel ein sogenanntes Lissajous Abrastern (Englisch: Lissajous scanning), bei dem ein vom Spiegelelement umgelenkter Laserstrahl im Betrieb des mikroelektromechanischen Spiegels eine Lissajous-Figur auf einer Projektionsfläche beschreibt. Durch zeitliche Modulation des Laserstrahls kann beispielsweise ein statisches oder bewegtes Bild auf der Projektionsfläche erzeugt werden. Für eine vorgegebene Bildwiederholfrequenz und eine vorgegebene Bildauflösung stellen sich dadurch insbesondere folgende Anforderungen an den mikroelektromechanischen Spiegel:

  • - ein Durchmesser des Spiegelelements bestimmt eine Apertur und somit eine beugungsbegrenzte Auflösung einzelner Bildpunkte;
  • - ein maximaler Ablenkwinkel des Spiegelelements um die erste und zweite Drehachse bestimmt gemeinsam mit dem Durchmesser des Spiegelelements eine Bildauflösung, also eine Anzahl von Bildpunkten je Richtung. Beispielsweise soll der mikroelektromechanische Spiegel eine Bildauflösung von zumindest 1024 × 768 Pixel, bevorzugt von zumindest 720p erreichen;
  • - Resonanzfrequenzen von Schwingungsmoden, bei denen das Spiegelelement um die erste Drehachse beziehungsweise um die zweite Drehachse schwingt, bestimmen insbesondere eine Bildwiederholrate und beeinflussen auch die Bildauflösung;
  • - die Schwingungsmoden sollten das Spiegelelement während des Betriebs so wenig als möglich verbiegen, damit die reflektierenden Schicht möglichst eben bleibt, um Abbildungsfehler, eine Pixelverschmierung und/oder Specklemuster zu vermeiden;
  • - das Spiegelelement sollte harmonisch um die erste und zweite Drehachse schwingen, um ein stabiles Frequenzverhältnis zwischen den Frequenzen der Schwingungen um die beiden Drehachsen zu gewährleisten;
  • - die Resonanzen der Schwingungsmoden sollten eine nicht zu geringe Bandbreite aufweisen, um eine Feinjustage der Frequenzen der Schwingungen um die erste und zweite Drehachse während des Betriebs zu ermöglichen;
  • - der mikroelektromechanische Spiegel sollte eine möglichst kompakte Bauform aufweisen;
  • - der mikroelektromechanische Spiegel sollte möglichst resistent gegenüber Erschütterungen während des Betriebs sein; und/oder
  • - der mikroelektromechanische Spiegel sollte eine möglichst geringe Leistungsaufnahme aufweisen, zum Beispiel höchstens 200 mW, bevorzugt höchstens 100 mW, und besonders bevorzugt höchstens 50 mW.
The microelectromechanical mirror described here is based on the following ideas in particular. Rotational vibrations of the mirror element around the first and second axes of rotation are excited resonantly. This results, for example, in a so-called Lissajous scanning, in which a laser beam deflected by the mirror element describes a Lissajous figure on a projection surface during operation of the microelectromechanical mirror. By temporally modulating the laser beam, a static or moving image can be generated on the projection surface. For a given refresh rate and image resolution, the following requirements arise for the microelectromechanical mirror:
  • - The diameter of the mirror element determines an aperture and thus a diffraction-limited resolution of individual pixels;
  • - A maximum deflection angle of the mirror element around the first and second axes of rotation, together with the diameter of the mirror element, determines the image resolution, i.e., the number of pixels per direction. For example, the microelectromechanical mirror should achieve an image resolution of at least 1024 × 768 pixels, preferably at least 720p;
  • - Resonance frequencies of vibration modes, in which the mirror element oscillates around the first axis of rotation or around the second axis of rotation, determine in particular a refresh rate and also influence the image resolution;
  • - the vibration modes should bend the mirror element as little as possible during operation so that the reflective layer remains as flat as possible to avoid image defects, pixel smearing and/or speckle patterns;
  • - the mirror element should oscillate harmoniously around the first and second axes of rotation to ensure a stable frequency ratio between the frequencies of the oscillations around the two axes of rotation;
  • - the resonances of the vibration modes should have a sufficiently wide bandwidth to allow fine-tuning of the frequencies of the vibrations around the first and second axes of rotation during operation;
  • - the microelectromechanical mirror should have the most compact design possible;
  • - The microelectromechanical mirror should be as resistant as possible to vibrations during operation; and/or
  • - the microelectromechanical mirror should have the lowest possible power consumption, for example, at most 200 mW, preferably at most 100 mW, and most preferably at most 50 mW.

Der hier beschriebene mikroelektromechanische Spiegel erfüllt zumindest eine, bevorzugt mehrere und besonders bevorzugt alle der oben genannten Anforderungen beispielsweise aufgrund zumindest einem, bevorzugt mehreren, und besonders bevorzugt allen der folgenden Merkmale:

  • - die Schwingung um die kurze Achse ist insbesondere eine reine Torsionsschwingungsmode, während die Schwingung um die lange Achse aufgrund der langgestreckten Form der Torsionsaufhängung beispielsweise eine modifizierte „Rocking“-Mode ist, die eine Kombination einer Torsionsbewegung des Spiegelelements und einer Verbiegungsbewegung der Torsionsaufhängung ist. Dadurch wird insbesondere die Anharmonizität der Rocking-Mode verringert;
  • - alle Elemente des mikroelektromechanischen Spiegels weisen beispielsweise ein gemeinsames Substrat mit konstanter Dicke auf. In anderen Worten weisen alle Elemente des mikroelektromechanischen Spiegels ein Substrat mit der gleichen Dicke auf. Dadurch vereinfacht sich ein Herstellungsverfahren des mikroelektromechanischen Spiegels. Alternativ kann das Substrat auch mehrere Bereiche mit unterschiedlichen Dicken aufweisen;
  • - die Resonanzfrequenzen der beiden Schwingungsmoden sind deutlich unterschiedlich und insbesondere außerhalb eines hörbaren Frequenzbereichs. Dadurch kann die Aufhängung des Spiegels für eine Richtung optimiert werden, wodurch beispielsweise auch die Dicke des Substrats reduziert werden kann;
  • - ein gewünschter Spiegeldurchmesser, die Form der Torsionsaufhängung, die gewünschten Resonanzfrequenzen und die geforderte Ebenheit des Spiegelelements bestimmen in Kombination mit dem Material des Substrats die Dicke des Substrats;
  • - eine Form und Größe der Torsionsaufhängung sowie eine Dimensionierung der ersten Torsionsfederelemente ergibt sich aus einem gewünschten Winkelbereich für die Drehung um die erste Drehachse, einer erlaubten mechanischen Spannung, einer gewünschten Resonanzfrequenz, sowie einer gewünschten Linearität bzw. Harmonizität der Schwingungsmode um die erste Drehachse;
  • - die zweiten Torsionsfederelemente sind für die Drehung um die zweite Drehachse sind innerhalb des Antriebsringes angeordnet und um 90° zur langen Achse der Torsionsaufhängung gedreht. Dadurch weist der mikroelektromechanische Spiegel eine besonders kompakte Bauform auf. Eine Dimensionierung der zweiten Torsionsfederelemente ergibt sich aus einem gewünschten Winkelbereich für die Drehung um die zweite Drehachse, einer erlaubten mechanischen Spannung, sowie einer gewünschten Resonanzfrequenz der Schwingungsmode um die zweite Drehachse;
  • - Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Schicht des Antriebsringes können auf den dritten Torsionsfederelementen angeordnet werden, die sich während des Betriebs nicht oder nur kaum bewegen.
The microelectromechanical mirror described here fulfills at least one, preferably several, and particularly preferably all of the above-mentioned requirements, for example, due to at least one, preferably several, and particularly preferably all of the following features:
  • - The oscillation about the short axis is, in particular, a pure torsional oscillation mode, while the oscillation about the long axis, due to the elongated shape of the torsional suspension, is, for example, a modified "rocking" mode, which is a combination of a torsional motion of the mirror element and a bending motion of the torsional suspension. This reduces, in particular, the anharmonicity of the rocking mode;
  • - All elements of the microelectromechanical mirror, for example, share a common substrate of constant thickness. In other words, all elements of the microelectromechanical mirror have a substrate of the same thickness. This simplifies the manufacturing process of the microelectromechanical mirror. Alternatively, the substrate can also have several areas with different thicknesses;
  • - The resonant frequencies of the two vibration modes are significantly different and, in particular, outside the audible frequency range. This allows the mirror's suspension to be optimized for one direction. which, for example, also allows the thickness of the substrate to be reduced;
  • - The desired mirror diameter, the shape of the torsion suspension, the desired resonance frequencies and the required flatness of the mirror element, in combination with the material of the substrate, determine the thickness of the substrate;
  • - The shape and size of the torsion suspension as well as the dimensioning of the first torsion spring elements result from a desired angular range for the rotation about the first axis of rotation, a permissible mechanical stress, a desired resonance frequency, and a desired linearity or harmonicity of the vibration mode about the first axis of rotation;
  • The second torsion spring elements, responsible for rotation around the second axis, are located within the drive ring and rotated 90° relative to the long axis of the torsion suspension. This results in a particularly compact design for the microelectromechanical mirror. The dimensions of the second torsion spring elements are determined by the desired angular range for rotation around the second axis, the permissible mechanical stress, and the desired resonant frequency of the oscillation mode around the second axis.
  • - Conductor tracks for electrical contacting the piezoelectric layer of the drive ring can be arranged on the third torsion spring elements, which do not move or hardly move during operation.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der mikroelektromechanische Spiegel für die Projektion von Informationen auf eine Oberfläche, für head-up Displays, für Matrixausleuchtungen, für LIDAR Anwendungen, für Hologrammprojektoren, für VR-Brillen, oder für AR-Brillen verwendet.According to at least one embodiment, the microelectromechanical mirror is used for projecting information onto a surface, for head-up displays, for matrix illumination, for LIDAR applications, for hologram projectors, for VR glasses, or for AR glasses.

Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb eines mikroelektromechanischen Spiegels angegeben. Das Verfahren ist insbesondere zum Betrieb des hier beschriebenen mikroelektromechanischen Spiegels anwendbar. Alle Merkmale des mikroelektromechanischen Spiegels sind auch für das Verfahren zum Betrieb eines mikroelektromechanischen Spiegels offenbart, und umgekehrt.Furthermore, a method for operating a microelectromechanical mirror is disclosed. This method is particularly applicable to the operation of the microelectromechanical mirror described herein. All features of the microelectromechanical mirror are also disclosed for the method of operating a microelectromechanical mirror, and vice versa.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines mikroelektromechanischen Spiegels wird das Spiegelelement mittels eines ersten elektrischen Wechselstromsignals mit einer ersten Frequenz, das auf erste Ansteuerbereiche des Antriebsringes wirkt, in eine erste Schwingungsmode versetzt, und die Torsionsaufhängung wird mittels eines zweiten elektrischen Wechselstromsignals mit einer zweiten Frequenz, das auf zweite Ansteuerbereiche des Antriebsringes wirkt, in eine zweite Schwingungsmode versetzt. Insbesondere schwingt in der zweiten Schwingungsmode die Torsionsaufhängung gemeinsam mit dem Spiegelelement. Die ersten und zweiten Ansteuerbereiche entsprechen insbesondere Ansteuerbereichen der zweiten Elektrode, die zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Schicht des Antriebsringes eingerichtet ist.According to at least one embodiment of the method for operating a microelectromechanical mirror, the mirror element is set into a first vibration mode by means of a first alternating current electrical signal with a first frequency acting on first control areas of the drive ring, and the torsional suspension is set into a second vibration mode by means of a second alternating current electrical signal with a second frequency acting on second control areas of the drive ring. In particular, in the second vibration mode, the torsional suspension vibrates together with the mirror element. The first and second control areas correspond, in particular, to control areas of the second electrode, which is configured for electrical contacting the piezoelectric layer of the drive ring.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst die erste Schwingungsmode eine Drehung des Spiegelelements um die lange Achse.According to at least one further embodiment of the method, the first vibration mode comprises a rotation of the mirror element about the long axis.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst die zweite Schwingungsmode eine Drehung des Spiegelelements um die kurze Achse. Insbesondere dreht sich die Torsionsaufhängung in der zweiten Schwingungsmode gemeinsam mit dem Spiegelelement um die kurze Achse.According to at least one further embodiment of the method, the second vibration mode includes a rotation of the mirror element about the short axis. In particular, in the second vibration mode, the torsional suspension rotates together with the mirror element about the short axis.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die erste Schwingungsmode und die zweite Schwingungsmode resonant angeregt. Insbesondere werden die erste Schwingungsmode und die zweite Schwingungsmode simultan angeregt und überlagern sich während des Betriebs des mikroelektromechanischen Spiegels. Die erste Frequenz entspricht beispielsweise einer Resonanzfrequenz der ersten Schwingungsmode, oder weicht höchstens um eine Bandbreite einer Resonanz der ersten Schwingungsmode von der Resonanzfrequenz der ersten Schwingungsmode ab. Die zweite Frequenz entspricht beispielsweise einer Resonanzfrequenz der zweiten Schwingungsmode, oder weicht höchstens um eine Bandbreite einer Resonanz der zweiten Schwingungsmode von der Resonanzfrequenz der zweiten Schwingungsmode ab.According to at least one further embodiment of the method, the first and second vibration modes are excited resonantly. In particular, the first and second vibration modes are excited simultaneously and superimpose during operation of the microelectromechanical mirror. The first frequency corresponds, for example, to a resonance frequency of the first vibration mode, or deviates from the resonance frequency of the first vibration mode by at most a bandwidth of a resonance of the first vibration mode. The second frequency corresponds, for example, to a resonance frequency of the second vibration mode, or deviates from the resonance frequency of the second vibration mode by at most a bandwidth of a resonance of the second vibration mode.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist eine Bewegung des Antriebsrings in der ersten Schwingungsmode und in der zweiten Schwingungsmode eine Amplitude auf, die höchstens ein Fünftel, bevorzugt höchstens ein Zehntel einer Amplitude einer Bewegung des Spiegelelements beträgt. In anderen Worten bewegt sich der Antriebsring in der ersten Schwingungsmode und in der zweiten Schwingungsmode kaum. Beispielsweise ist die Bewegung des Antriebsringes im Vergleich zum Spiegelelement vernachlässigbar klein. Dadurch wird beispielsweise eine Dämpfung der Schwingungsmoden aufgrund eines Luftwiderstands verringert und/oder eine Anregungseffizienz erhöht. Beispielsweise wird durch eine mechanische Verstärkung eine kleine Verbiegung des Antriebsringes in eine große Auslenkung des Spiegelelements umgewandelt. Des Weiteren verwinden sich die dritten Torsionsfederelemente in der ersten Schwingungsmode und in der zweiten Schwingungsmode wenig oder kaum.According to at least one further embodiment of the method, the movement of the drive ring in the first and second vibration modes has an amplitude that is at most one-fifth, preferably at most one-tenth, of the amplitude of a movement of the mirror element. In other words, the drive ring hardly moves in the first and second vibration modes. For example, the movement of the drive ring is negligibly small compared to the mirror element. This reduces, for example, damping of the vibration modes due to air resistance and/or increases excitation efficiency. For example, by A mechanical reinforcement converts a small bending of the drive ring into a large deflection of the mirror element. Furthermore, the third torsion spring elements twist little or not at all in the first and second vibration modes.

Leiterbahnen, die beispielsweise zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden des Antriebsrings über die dritten Torsionsfederelemente geführt werden, werden aufgrund der geringen Bewegung des Antriebsrings kaum oder so gering als möglich mechanisch belastet. Dadurch wird beispielsweise eine Lebensdauer des mikroelektromechanischen Spiegels erhöht. Die Elektroden des Antriebsrings können alternativ oder zusätzlich über Bonddrähte elektrisch kontaktiert werden.Conductor tracks, such as those used for electrical contact with the electrodes of the drive ring via the third torsion spring elements, are subjected to minimal or no mechanical stress due to the low movement of the drive ring. This increases, for example, the service life of the microelectromechanical mirror. Alternatively or additionally, the electrodes of the drive ring can be electrically contacted via bond wires.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist eine Resonanzfrequenz der ersten Schwingungsmode um zumindest einen Faktor 1,3 größer, als eine Resonanzfrequenz der zweiten Schwingungsmode. Durch den deutlichen Unterschied der beiden Resonanzfrequenzen kann die Aufhängung des Spiegelelements beispielsweise für die Bewegung um die zwei Drehachsen unabhängig voneinander optimiert werden.According to at least one further embodiment of the method, the resonant frequency of the first vibration mode is at least 1.3 times greater than the resonant frequency of the second vibration mode. Due to the significant difference between the two resonant frequencies, the suspension of the mirror element can be optimized independently for movement around the two axes of rotation.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Resonanzfrequenz der zweiten Schwingungsmode zumindest 16 kHz, bevorzugt zumindest 20 kHz. Insbesondere liegen die Resonanzfrequenzen der ersten und zweiten Schwingungsmode nicht im hörbaren Bereich, wodurch der mikroelektromechanische Spiegel im Betrieb beispielsweise kein störendes Hintergrundgeräusch erzeugt. Des Weiteren erlauben höhere Resonanzfrequenzen beispielsweise eine Steigerung der Bildauflösung für Projektionsanwendungen.According to at least one further embodiment of the method, the resonant frequency of the second vibration mode is at least 16 kHz, preferably at least 20 kHz. In particular, the resonant frequencies of the first and second vibration modes are not in the audible range, meaning that the microelectromechanical mirror does not generate any disturbing background noise during operation, for example. Furthermore, higher resonant frequencies allow, for example, an increase in image resolution for projection applications.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die erste Schwingungsmode und die zweite Schwingungsmode in einem harmonischen Bereich betrieben. In anderen Worten weisen die erste Schwingungsmode und die zweite Schwingungsmode eine geringe Anharmonizität auf. Somit ändert sich ein Frequenzverhältnis zwischen der ersten Schwingungsmode und der zweiten Schwingungsmode während des Betriebs nicht oder nur gering. In anderen Worten bleibt das Frequenzverhältnis während des Betriebs vorteilhaft stabil. Beispielsweise ändert sich das Frequenzverhältnis zwischen der ersten Schwingungsmode und der zweiten Schwingungsmode während des Betriebs um höchstens 5%, bevorzugt um höchstens 1%, besonders bevorzugt um höchstens 0,1%.According to at least one further embodiment of the method, the first and second vibration modes are operated in a harmonic range. In other words, the first and second vibration modes exhibit low anharmonicity. Thus, the frequency ratio between the first and second vibration modes does not change, or changes only slightly, during operation. In other words, the frequency ratio advantageously remains stable during operation. For example, the frequency ratio between the first and second vibration modes changes by at most 5%, preferably by at most 1%, and most preferably by at most 0.1% during operation.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist die zweite Schwingungsmode eine Torsionsschwingung der Torsionsaufhängung mit dem Spiegelelement um die kurze Achse, während die erste Schwingungsmode eine Kombination aus einer Torsionsschwingung des Spiegelelements um die lange Achse und einer Verbiegungsbewegung der Torsionsaufhängung ist. Insbesondere ist die erste Schwingungsmode eine sogenannte „Rocking“-Mode, bei der beispielsweise eines der zwei zweiten Torsionsfederelemente periodisch in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Spiegelelements bewegt wird, während das andere der zwei zweiten Torsionsfederelemente beispielsweise gegenphasig dazu bewegt wird. Dadurch wird insbesondere eine Schwingung des Spiegelelements um die lange Achse angeregt.According to at least one further embodiment of the method, the second vibration mode is a torsional vibration of the torsion suspension with the mirror element about the short axis, while the first vibration mode is a combination of a torsional vibration of the mirror element about the long axis and a bending movement of the torsion suspension. In particular, the first vibration mode is a so-called "rocking" mode, in which, for example, one of the two second torsion spring elements is periodically moved in a direction perpendicular to the principal extension plane of the mirror element, while the other of the two second torsion spring elements is moved, for example, in the opposite phase. This, in particular, excites a vibration of the mirror element about the long axis.

Des Weiteren wird eine Projektionsvorrichtung angegeben. Die Projektionsvorrichtung umfasst insbesondere den hier beschriebenen mikroelektromechanischen Spiegel. Alle Merkmale des mikroelektromechanischen Spiegels sind auch für die Projektionsvorrichtung offenbart, und umgekehrt.Furthermore, a projection device is specified. The projection device includes, in particular, the microelectromechanical mirror described herein. All features of the microelectromechanical mirror are also disclosed for the projection device, and vice versa.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Projektionsvorrichtung eine Laserlichtquelle und einen hier beschriebenen mikroelektromechanischen Spiegel. Der mikroelektromechanischen Spiegel lenkt im Betrieb beispielsweise von der Laserlichtquelle emittiertes Laserlicht um. Durch die vorher beschriebenen Schwingungsmoden des Spiegelelements kann durch das abgelenkte Laserlicht insbesondere ein von einem Betrachter wahrnehmbarer Bildbereich abgerastert werden. Insbesondere ist der mikroelektromechanische Spiegel zu einem Lissajous-Abrastern des Bildbereichs eingerichtet.According to at least one embodiment, the projection device comprises a laser light source and a microelectromechanical mirror described herein. During operation, the microelectromechanical mirror deflects, for example, laser light emitted by the laser light source. Due to the previously described vibration modes of the mirror element, the deflected laser light can be used to scan, in particular, an image area perceptible to an observer. Specifically, the microelectromechanical mirror is configured for Lissajous scanning of the image area.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des mikroelektromechanischen Spiegels, des Verfahrens zum Betrieb eines mikroelektromechanischen Spiegels, sowie der Projektionsvorrichtung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

  • 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen mikroelektromechanischen Spiegel gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
  • 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen mikroelektromechanischen Spiegel gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • Die 3A bis 3J zeigen schematische Darstellungen von Schwingungsmoden eines mikroelektromechanischen Spiegels gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Die 4A und 4B zeigen schematische Darstellungen einer zweiten Schwingungsmode eines mikroelektromechanischen Spiegels gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Die 5A und 5B zeigen schematische Darstellungen einer ersten Schwingungsmode eines mikroelektromechanischen Spiegels gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Auslenkung eines Spiegelelements sowie einer mechanischen Verspannung eines mikroelektromechanischen Spiegels gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Auslenkung eines Spiegelelements eines mikroelektromechanischen Spiegels gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Die 8A bis 8J zeigen schematische Darstellungen von Schwingungsmoden eines mikroelektromechanischen Spiegels gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • Die 9A und 9B zeigen schematische Darstellungen einer zweiten Schwingungsmode eines mikroelektromechanischen Spiegels gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • Die 10A und 10B zeigen schematische Darstellungen einer ersten Schwingungsmode eines mikroelektromechanischen Spiegels gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 11 zeigt eine schematische Darstellung einer Auslenkung eines Spiegelelements sowie einer mechanischen Verspannung eines mikroelektromechanischen Spiegels gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 12 zeigt eine schematische Darstellung einer Auslenkung eines Spiegelelements eines mikroelektromechanischen Spiegels gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 13 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines mikroelektromechanischen Spiegels gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 14 zeigt eine schematische Darstellung einer Projektionsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Further advantageous embodiments and developments of the microelectromechanical mirror, the method for operating a microelectromechanical mirror, and the projection device result from the exemplary embodiments described below in conjunction with the figures.
  • 1 shows a schematic top view of a microelectromechanical mirror according to a first embodiment.
  • 2 shows a schematic top view of a microelectromechanical mirror according to a second embodiment.
  • The 3A to 3J show schematic representations of vibration modes of a microelectromechanical mirror according to the first embodiment.
  • The 4A and 4B show schematic representations of a second vibration mode of a microelectromechanical mirror according to the first embodiment.
  • The 5A and 5B show schematic representations of a first vibration mode of a microelectromechanical mirror according to the first embodiment.
  • 6 Figure 1 shows a schematic representation of a deflection of a mirror element and a mechanical tension of a microelectromechanical mirror according to the first embodiment.
  • 7 Figure 1 shows a schematic representation of a deflection of a mirror element of a microelectromechanical mirror according to the first embodiment.
  • The 8A to 8J show schematic representations of vibration modes of a microelectromechanical mirror according to the second embodiment.
  • The 9A and 9B show schematic representations of a second vibration mode of a microelectromechanical mirror according to the second embodiment.
  • The 10A and 10B show schematic representations of a first vibration mode of a microelectromechanical mirror according to the second embodiment.
  • 11 Figure 1 shows a schematic representation of a deflection of a mirror element and a mechanical tension of a microelectromechanical mirror according to the second embodiment.
  • 12 Figure 1 shows a schematic representation of a deflection of a mirror element of a microelectromechanical mirror according to the second embodiment.
  • 13 shows a schematic sectional view of a microelectromechanical mirror according to the second embodiment.
  • 14 shows a schematic representation of a projection device according to an exemplary embodiment.

Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß oder klein dargestellt sein.Identical, similar, or equivalent elements in the figures are marked with the same reference symbols. The figures and the relative sizes of the elements depicted within them are not to be considered to scale. Rather, individual elements may be exaggeratedly large or small for clarity and/or better understanding.

Der mikroelektromechanische Spiegel 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in 1 weist ein Spiegelelement 2, ein Verbindungselement 6, eine Torsionsaufhängung 3, einen Antriebsring 5, einen Rahmen 7, sowie jeweils zwei erste, zweite und dritte Torsionsfederelemente 41, 42, 43 auf, die aus einem gemeinsamen Silizium Substrat 8 einstückig ausgebildet sind. Insbesondere zeigt 1 eine Draufsicht auf die Haupterstreckungsebene 21 des Spiegelelements 2.The microelectromechanical mirror 1 according to the first embodiment in 1 The device comprises a mirror element 2, a connecting element 6, a torsion suspension 3, a drive ring 5, a frame 7, and two first, second, and third torsion spring elements 41, 42, 43, respectively, which are formed in one piece from a common silicon substrate 8. In particular, it shows 1 a top view of the principal extension plane 21 of the mirror element 2.

Das Spiegelelement 2 ist kreisförmig oder ellipsenförmig und weist beispielsweise einen Durchmesser zwischen 1 mm und 2 mm auf. Auf der Hauptfläche 21 des Spiegelelements 2 ist eine reflektierende Schicht 22 aufgebracht (nicht gezeigt), die ein Metall, einen dielektrischen Spiegel oder eine nanostrukturierte Oberfläche aufweist und zur Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in einem Spektralbereich zwischen infrarotem und ultraviolettem Licht eingerichtet ist.The mirror element 2 is circular or elliptical and has, for example, a diameter between 1 mm and 2 mm. A reflective layer 22 (not shown) is applied to the main surface 21 of the mirror element 2. This layer may be a metal, a dielectric mirror, or a nanostructured surface and is designed to reflect electromagnetic radiation in a spectral range between infrared and ultraviolet light.

Ein Verbindungselement 6 verbindet das Spiegelelement 2 mechanisch mit zwei ersten Torsionsfederelementen 41, die auf gegenüberliegenden Seiten des Spiegelelements 2 angeordnet sind. Das Verbindungselement 6 umfasst zwei kreisbogenförmige Segmente 62, die jeweils über zwei Aufhängungspunkte 61 an deren Enden mit dem Spiegelelement 2 mechanisch verbunden sind. Die zwei ersten Torsionsfederelemente 41 sind jeweils mit einem der Segmente 61 in der Mitte zwischen den zwei Aufhängungspunkten 61 mechanisch verbunden.A connecting element 6 mechanically connects the mirror element 2 to two first torsion spring elements 41, which are arranged on opposite sides of the mirror element 2. The connecting element 6 comprises two arc-shaped segments 62, each of which is mechanically connected to the mirror element 2 via two suspension points 61 at its ends. The two first torsion spring elements 41 are each mechanically connected to one of the segments 61 at the midpoint between the two suspension points 61.

Die zwei ersten Torsionsfederelemente 41 verbinden das Verbindungselement 6 mit der Torsionsaufhängung 3 mechanisch. Die Torsionsaufhängung 3 umschließt das Spiegelelement 2 und das Verbindungselement 6 in der Haupterstreckungsebene 21 vollständig, sodass das Spiegelelement 2 im Zentrum der Torsionsaufhängung 3 angeordnet ist. Die Torsionsaufhängung 3 hat eine langestreckte Form mit einer langen Achse 31 und einer kurzen Achse 32, die jeweils Symmetrieachsen der Torsionsaufhängung 3 sind. Der Durchmesser der Torsionsaufhängung 3 entlang der langen Achse 31 ist um ungefähr 50% größer als der Durchmesser der Torsionsaufhängung 3 entlang der kurzen Achse 32. Ein Umfang der Torsionsaufhängung 3 hat die Form eines eingedrückten oder eingeschnürten Ovals. Die zwei ersten Torsionsfederelemente 41 sind entlang der langen Achse 31 angeordnet.The first two torsion spring elements 41 mechanically connect the connecting element 6 to the torsion suspension 3. The torsion suspension 3 completely encloses the mirror element 2 and the connecting element 6 in the principal extension plane 21, such that the mirror element 2 is located at the center of the torsion suspension 3. The torsion suspension 3 has an elongated shape with a long axis 31 and a short axis 32, which are each axes of symmetry of the torsion suspension 3. The diameter of the torsion suspension 3 along the long axis 31 is approximately 50% larger than the diameter of the torsion suspension 3 along the short axis 32. One circumference of the torsion suspension 3 has the shape of a compressed or constricted oval. The first two torsion spring elements 41 are arranged along the long axis 31.

Die zwei zweiten Torsionsfederelemente 42 verbinden die Torsionsaufhängung 3 mit dem Antriebsring 5 mechanisch. Die zwei zweiten Torsionsfederelemente 42 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Torsionsaufhängung 3 entlang der kurzen Achse 32 angeordnet.The two second torsion spring elements 42 mechanically connect the torsion suspension 3 to the drive ring 5. The two second torsion spring elements 42 are arranged on opposite sides of the torsion suspension 3 along the short axis 32.

Der Antriebsring 5 ist kreisförmig oder ellipsenförmig und über zwei dritte Torsionsfederelemente 43 mit dem Rahmen 7 mechanisch verbunden. Die Torsionsaufhängung 3 ist im Zentrum des Antriebsringes 5 angeordnet. Der Rahmen 7 umschließt den Antriebsring 5 in der Haupterstreckungsebene 21 vollständig. Auf einer Hauptfläche des Antriebsringes 5, die parallel zur Haupterstreckungsebene 21 angeordnet ist, ist eine piezoelektrische Schicht 50 aus PZT (nicht gezeigt) aufgebracht, die zwischen einer ersten Elektrode 51 (nicht gezeigt) und einer zweiten Elektrode 52 angeordnet ist. Die zweite Elektrode 52 weist voneinander getrennte erste Ansteuerbereiche 521a, 521b und zweite Ansteuerbereiche 522a, 522b auf.The drive ring 5 is circular or elliptical and mechanically connected to the frame 7 via two third torsion spring elements 43. The torsion suspension 3 is located in the center of the The drive ring 5 is arranged within the frame 7. The frame completely encloses the drive ring 5 in the main extension plane 21. A piezoelectric layer 50 made of PZT (not shown) is applied to a main surface of the drive ring 5, which is arranged parallel to the main extension plane 21. This layer is positioned between a first electrode 51 (not shown) and a second electrode 52. The second electrode 52 has separate first control areas 521a, 521b and second control areas 522a, 522b.

Durch Anlegen einer zeitlich oszillierenden elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrode 51 und den ersten Ansteuerbereichen 521a, 521b der zweiten Elektrode 52 kann eine erste Schwingungsmode 11 des mikroelektromechanischen Spiegels 1 angeregt werden. Durch Anlegen einer zeitlich oszillierenden elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrode 51 und den zweiten Ansteuerbereichen 522a, 522b der zweiten Elektrode 52 kann eine zweite Schwingungsmode 12 des mikroelektromechanischen Spiegels 1 angeregt werden. Dabei umfasst die erste Schwingungsmode 11 insbesondere eine Drehschwingung des Spiegelelements 2 um die lange Achse 31, während die zweite Schwingungsmode 12 insbesondere eine Drehschwingung des Spiegelelements 2 um die kurze Achse 32 umfasst. Die elektrische Spannung wird in den ersten Ansteuerbereichen 521a und 521b insbesondere mit entgegengesetzter Phase angelegt. Ebenso wird die elektrische Spannung in den zweiten Ansteuerbereichen 522a und 522b insbesondere mit entgegengesetzter Phase angelegt.By applying a time-oscillating electrical voltage between the first electrode 51 and the first control areas 521a, 521b of the second electrode 52, a first oscillation mode 11 of the microelectromechanical mirror 1 can be excited. By applying a time-oscillating electrical voltage between the first electrode 51 and the second control areas 522a, 522b of the second electrode 52, a second oscillation mode 12 of the microelectromechanical mirror 1 can be excited. The first oscillation mode 11 includes, in particular, a torsional oscillation of the mirror element 2 about the long axis 31, while the second oscillation mode 12 includes, in particular, a torsional oscillation of the mirror element 2 about the short axis 32. The electrical voltage is applied in the first control areas 521a and 521b, in particular, with opposite phase. Similarly, the electrical voltage in the second control areas 522a and 522b is applied, in particular with the opposite phase.

Sowohl auf dem Antriebsring 5, als auch auf dem Rahmen 7 sind Sensorelemente 9 zur Bestimmung einer Auslenkung und/oder einer Frequenz der Schwingung des Spiegelelements 2 während des Betriebs des mikroelektromechanischen Spiegels 1 angeordnet. Die Sensorelemente 9 umfassen eine piezoelektrische Schicht 90 (nicht gezeigt), die zwischen einer ersten Elektrode 91 (nicht gezeigt) und einer zweiten Elektrode 92 angeordnet ist. Die Sensorelemente 9 erfassen insbesondere mechanische Verspannungen des mikroelektromechanischen Spiegels 2, die während einer Schwingung des Spiegelelements 2 im Betrieb des mikroelektromechanischen Spiegels 1 auftreten.Sensor elements 9 are arranged on both the drive ring 5 and the frame 7 for determining the displacement and/or frequency of the vibration of the mirror element 2 during operation of the microelectromechanical mirror 1. The sensor elements 9 comprise a piezoelectric layer 90 (not shown) arranged between a first electrode 91 (not shown) and a second electrode 92. The sensor elements 9 detect, in particular, mechanical stresses of the microelectromechanical mirror 2 that occur during vibration of the mirror element 2 in operation of the microelectromechanical mirror 1.

Der mikroelektromechanische Spiegel 1 des ersten Ausführungsbeispiels weist insbesondere folgende Merkmale auf:

  • - Dicke der piezoelektrischen Schicht 50, 90: 1,7 µm;
  • - Dicke des Si Substrats 8: 150 µm, wobei die kurze Achse 32 entlang einer Kristallrichtung <100> ausgerichtet ist und die lange Achse 31 entlang einer Kristallrichtung <010> ausgerichtet ist;
  • - Abmessungen des mikroelektromechanischen Spiegels 1 in der Haupterstreckungsebene 21: 7,65 mm × 9,35 mm;
  • - Resonanzfrequenz der ersten Schwingungsmode 11: 30,8 kHz;
  • - Resonanzfrequenz der zweiten Schwingungsmode 12: 20,9 kHz;
  • - maximaler Auslenkungswinkel des Spiegelelements 2 in der ersten Schwingungsmode 11: 16,5°;
  • - maximaler Auslenkungswinkel des Spiegelelements 2 in der zweiten Schwingungsmode 12: 11°;
  • - Q-Faktor der Schwingungsmoden: 103;
  • - Anharmonizität der ersten Schwingungsmode 11:
    • Frequenzverschiebung von 6 Hz bei einem Auslenkungswinkel von 1° bis 16,5°;
  • - Anharmonizität der zweiten Schwingungsmode 12:
    • Frequenzverschiebung von -1,4 Hz bei einem Auslenkungswinkel von 1° bis 11°;
  • - Sensitivität des Sensorelements 9 für die erste Schwingungsmode 11: 0,5 µA/° bis 15,0 µA/°;
  • - Sensitivität des Sensorelements 9 für die zweite Schwingungsmode 12: 0,2 µA/° bis 1,5 µA/°;
The microelectromechanical mirror 1 of the first embodiment has in particular the following features:
  • - Thickness of the piezoelectric layer 50, 90: 1.7 µm;
  • - Thickness of the Si substrate 8: 150 µm, wherein the short axis 32 is aligned along a crystal direction <100> and the long axis 31 is aligned along a crystal direction <010>;
  • - Dimensions of the microelectromechanical mirror 1 in the principal extension plane 21: 7.65 mm × 9.35 mm;
  • - Resonance frequency of the first oscillation mode 11: 30.8 kHz;
  • - Resonance frequency of the second oscillation mode 12: 20.9 kHz;
  • - maximum deflection angle of the mirror element 2 in the first vibration mode 11: 16.5°;
  • - maximum deflection angle of the mirror element 2 in the second vibration mode 12: 11°;
  • - Q-factor of the vibration modes: 10 3 ;
  • - Anharmonicity of the first vibrational mode 11:
    • Frequency shift of 6 Hz at a deflection angle of 1° to 16.5°;
  • - Anharmonicity of the second mode of vibration 12:
    • Frequency shift of -1.4 Hz at a deflection angle of 1° to 11°;
  • - Sensitivity of sensor element 9 for the first vibration mode 11: 0.5 µA/° to 15.0 µA/°;
  • - Sensitivity of sensor element 9 for the second vibration mode 12: 0.2 µA/° to 1.5 µA/°;

Der mikroelektromechanische Spiegel 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in 2 umfasst im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel eine Torsionsaufhängung 3 mit einer elliptischen Ringform. Des Weiteren sind auf einer Hauptfläche der Torsionsaufhängung 3, die parallel zur Haupterstreckungsebene 21 angeordnet ist, weitere Sensorelemente 9 angeordnet. Die Sensorelemente 9 umfassen eine piezoelektrische Schicht 90 (nicht gezeigt), die zwischen einer ersten Elektrode 91 (nicht gezeigt) und einer zweiten Elektrode 92 angeordnet ist. Die zweite Elektrode 92 ist segmentiert, so dass das Sensorelement 9 auf der Torsionsaufhängung 3 mehrere Auslesebereiche aufweist. Durch die weiteren Sensorelemente 9 auf der Torsionsaufhängung 3 kann beispielsweise eine Messgenauigkeit der Sensorelemente verbessert werden.The microelectromechanical mirror 1 according to the second embodiment in 2 In contrast to the first embodiment, this embodiment comprises a torsion suspension 3 with an elliptical ring shape. Furthermore, additional sensor elements 9 are arranged on a main surface of the torsion suspension 3, which is arranged parallel to the main extension plane 21. The sensor elements 9 comprise a piezoelectric layer 90 (not shown) located between a first electrode 91 (not shown) and a second electrode 92. The second electrode 92 is segmented, so that the sensor element 9 on the torsion suspension 3 has multiple readout areas. The additional sensor elements 9 on the torsion suspension 3 can, for example, improve the measurement accuracy of the sensor elements.

Darüber hinaus ist das Verbindungselement 6 im zweiten Ausführungsbeispiel kreisringförmig ausgebildet und weist zwei Aufhängungspunkte 61 für das Spiegelelement 2 entlang der kurzen Achse 32 auf.Furthermore, in the second embodiment, the connecting element 6 is designed in an annular shape and has two suspension points 61 for the mirror element 2 along the short axis 32.

Der mikroelektromechanische Spiegel 1 des zweiten Ausführungsbeispiels weist insbesondere folgende Merkmale auf:

  • - Dicke der piezoelektrischen Schicht 50, 90: 1,7 µm;
  • - Dicke des Si Substrats 8: 50 µm, wobei die kurze Achse 32 entlang einer Kristallrichtung <100> ausgerichtet ist und die lange Achse 31 entlang einer Kristallrichtung <010> ausgerichtet ist;
  • - Abmessungen des mikroelektromechanischen Spiegels 1 in der Haupterstreckungsebene 21: 7,65 mm × 9,35 mm;
  • - Resonanzfrequenz der ersten Schwingungsmode 11: 20,3 kHz;
  • - Resonanzfrequenz der zweiten Schwingungsmode 12: 9,2 kHz;
  • - maximaler Auslenkungswinkel des Spiegelelements 2 in der ersten Schwingungsmode 11: 16,5°;
  • - maximaler Auslenkungswinkel des Spiegelelements 2 in der zweiten Schwingungsmode 12: 11°;
  • - Q-Faktor der Schwingungsmoden: 103;
  • - Anharmonizität der ersten Schwingungsmode 11:
    • Frequenzverschiebung von 184,6 Hz bei einem Auslenkungswinkel von 1° bis 16,5°;
  • - Anharmonizität der zweiten Schwingungsmode 12:
    • Frequenzverschiebung von 21,2 Hz bei einem Auslenkungswinkel von 1° bis 11°;
  • - Sensitivität des Sensorelements 9 für die erste Schwingungsmode 11: 0,5 µA/° bis 45,2 µA/°;
  • - Sensitivität des Sensorelements 9 für die zweite Schwingungsmode 12: 0,04 µA/° bis 19,2 µA/°;
The microelectromechanical mirror 1 of the second embodiment has in particular the following features:
  • - Thickness of the piezoelectric layer 50, 90: 1.7 µm;
  • - Thickness of the Si substrate 8: 50 µm, wherein the short axis 32 is aligned along a crystal direction <100> and the long axis 31 is aligned along a crystal direction <010>;
  • - Dimensions of the microelectromechanical mirror 1 in the principal extension plane 21: 7.65 mm × 9.35 mm;
  • - Resonance frequency of the first oscillation mode 11: 20.3 kHz;
  • - Resonance frequency of the second oscillation mode 12: 9.2 kHz;
  • - maximum deflection angle of the mirror element 2 in the first vibration mode 11: 16.5°;
  • - maximum deflection angle of the mirror element 2 in the second vibration mode 12: 11°;
  • - Q-factor of the vibration modes: 10 3 ;
  • - Anharmonicity of the first vibration mode 11:
    • Frequency shift of 184.6 Hz at a deflection angle of 1° to 16.5°;
  • - Anharmonicity of the second mode of vibration 12:
    • Frequency shift of 21.2 Hz at a deflection angle of 1° to 11°;
  • - Sensitivity of sensor element 9 for the first vibration mode 11: 0.5 µA/° to 45.2 µA/°;
  • - Sensitivity of sensor element 9 for the second vibration mode 12: 0.04 µA/° to 19.2 µA/°;

Die 3A bis 3J zeigen numerische Simulationen verschiedener Schwingungsmoden eines mikroelektromechanischen Spiegels 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist eine Auslenkung unterschiedlicher Elemente des mikroelektromechanischen Spiegels 1 zu einem bestimmten Zeitpunkt zur besseren Darstellbarkeit übertrieben groß dargestellt. Die Resonanzfrequenzen fR der dargestellten Schwingungsmoden sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:The 3A to 3J Figure 1 shows numerical simulations of various vibration modes of a microelectromechanical mirror 1 according to the first embodiment. In particular, the displacement of different elements of the microelectromechanical mirror 1 at a specific time is exaggerated for clarity. The resonance frequencies fR of the depicted vibration modes are listed in the following table:

Fig.Fig. 3A3A 3B3B 3C3C 3D3D 3E3E fR [kHz]fR [kHz] 8, 668, 66 10,7410.74 17,2217.22 20, 8620, 86 27,4727.47 Fig.Fig. 3F3F 3G3G 3H3H 3I3I 3J3 years fR [kHz]fR [kHz] 30,8130.81 37,4537.45 40, 7340, 73 47,3247.32 49,1049.10

Die Schwingungsmode in 3D entspricht der zweiten Schwingungsmode 12 des ersten Ausführungsbeispiels, bei dem das Spiegelelement 2 gemeinsam mit der Torsionsaufhängung 3 eine Drehschwingung um die kurze Achse 32 ausführt.The vibration mode in 3D corresponds to the second vibration mode 12 of the first embodiment, in which the mirror element 2 together with the torsional suspension 3 performs a rotational vibration about the short axis 32.

Die Schwingungsmode in 3F entspricht der ersten Schwingungsmode 11 des ersten Ausführungsbeispiels, bei dem das Spiegelelement 2 eine Drehschwingung um die lange Achse 31 ausführt, während die Torsionsaufhängung 3 insbesondere eine Biegebewegung ausführt.The vibration mode in 3F corresponds to the first vibration mode 11 of the first embodiment, in which the mirror element 2 performs a torsional vibration about the long axis 31, while the torsional suspension 3 in particular performs a bending movement.

Die Resonanzfrequenzen der verschiedenen Schwingungsmoden weisen insbesondere einen großen Frequenzabstand auf, so dass die erste und zweite Schwingungsmode 11 und 12 gezielt angeregt werden können, ohne dabei weitere parasitäre Schwingungsmoden anzuregen.The resonant frequencies of the different vibration modes exhibit a particularly large frequency difference, so that the first and second vibration modes 11 and 12 can be specifically excited without exciting further parasitic vibration modes.

Die 4A zeigt eine schematische Darstellung einer Zugspannung in einem Material eines mikroelektromechanischen Spiegels 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist die Zugspannung innerhalb des mikroelektromechanischen Spiegels 1 bei einem maximalen Auslenkungswinkel des Spiegelelements 2 von 11° um die kurze Achse 32 in der zweiten Schwingungsmode 12 dargestellt. Eine maximale Zugspannung beträgt dabei etwa 1,7 GPa.The 4A Figure 1 shows a schematic representation of tensile stress in the material of a microelectromechanical mirror 1 according to the first embodiment. In particular, the tensile stress within the microelectromechanical mirror 1 is shown at a maximum deflection angle of the mirror element 2 of 11° about the short axis 32 in the second vibration mode 12. The maximum tensile stress is approximately 1.7 GPa.

Die 4B zeigt eine schematische Darstellung einer Deformation der Haupterstreckungsebene 21 des Spiegelelements 2 eines mikroelektromechanischen Spiegels 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist die Deformation in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene 21 bei einem maximalen Auslenkungswinkel des Spiegelelements 2 von 11° um die kurze Achse 32 in der zweiten Schwingungsmode 12 dargestellt. Eine maximale Deformation beträgt dabei etwa ±250 nm am Rand des Spiegelelements 2.The 4B Figure 1 shows a schematic representation of a deformation of the principal extension plane 21 of the mirror element 2 of a microelectromechanical mirror 1 according to the first embodiment. In particular, the deformation in a direction perpendicular to the principal extension plane 21 is shown at a maximum deflection angle of the mirror element 2 of 11° about the short axis 32 in the second vibration mode 12. The maximum deformation is approximately ±250 nm at the edge of the mirror element 2.

Die 5A zeigt eine schematische Darstellung einer Zugspannung in einem Material eines mikroelektromechanischen Spiegels 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist die Zugspannung bei einem maximalen Auslenkungswinkel des Spiegelelements 2 von 16,5° um die lange Achse 31 in der ersten Schwingungsmode 11 dargestellt. Eine maximale Zugspannung beträgt dabei etwa 2,4 GPa.The 5A Figure 1 shows a schematic representation of tensile stress in the material of a microelectromechanical mirror 1 according to the first embodiment. In particular, the tensile stress is shown at a maximum deflection angle of the mirror element 2 of 16.5° about the long axis 31 in the first vibration mode 11. The maximum tensile stress is approximately 2.4 GPa.

Die 5B zeigt eine schematische Darstellung einer Deformation der Haupterstreckungsebene 21 des Spiegelelements 2 eines mikroelektromechanischen Spiegels 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist die Deformation in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene 21 bei einem maximalen Auslenkungswinkel des Spiegelelements 2 von 16,5° um die lange Achse 31 in der ersten Schwingungsmode 11 dargestellt. Eine maximale Deformation beträgt dabei etwa ±310 nm am Rand des Spiegelelements 2.The 5B Figure 1 shows a schematic representation of a deformation of the principal extension plane 21 of the mirror element 2 of a microelectromechanical mirror 1 according to the first embodiment. In particular, the deformation in a direction perpendicular to the principal extension plane 21 is shown at a maximum deflection angle of the mirror element 2 of 16.5° about the long axis 31 in the first vibration mode 11. The maximum deformation is approximately ±310 nm at the edge of the mirror element 2.

6 zeigt Auslenkungswinkel φ1, φ2 eines Spiegelelements 2 um die lange Achse 31 beziehungsweise um die kurze Achse 32, sowie eine maximale Zugspannung Z im Material eines mikroelektromechanischen Spiegels 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel während einer Schwingung des Spiegelelements 2 entsprechend der ersten und zweiten Schwingungsmode 11, 12 als Funktion der Zeit t. 6 shows the deflection angles φ1, φ2 of a mirror element 2 about the long axis 31 and about the short axis 32 respectively, as well as a maximum tensile stress Z in the material of a microelectromechanical mirror 1 according to the first embodiment during an oscillation of the mirror element 2 according to the first and second oscillation modes 11, 12 as a function of time t.

7 zeigt Auslenkungswinkel φ1, φ2 eines Spiegelelements 2 um die lange Achse 31 und um die kurze Achse 32 eines mikroelektromechanischen Spiegels 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem gleichzeitig die erste Schwingungsmode 11 und die zweite Schwingungsmode 12 getrieben wird. Insbesondere beschreibt die Auslenkung des Spiegels als Funktion der Zeit eine Lissajous Figur. 7 Figure 1 shows the deflection angles φ1, φ2 of a mirror element 2 about the long axis 31 and about the short axis 32 of a microelectromechanical mirror 1 according to the first embodiment, in which the first vibration mode 11 and the second vibration mode 12 are driven simultaneously. In particular, the deflection of the mirror as a function of time is described by a Lissajous figure.

Die 8A bis 8J zeigen numerische Simulationen verschiedener Schwingungsmoden eines mikroelektromechanischen Spiegels 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist die Auslenkung unterschiedlicher Elemente des mikroelektromechanischen Spiegels 1 zu einem bestimmten Zeitpunkt zur besseren Darstellbarkeit übertrieben groß dargestellt. Die Resonanzfrequenzen fR der dargestellten Schwingungsmoden sind in der folgenden Tabelle aufgeführt: Fig. 8A 8B 8C 8D 8E fR [kHz] 3,08 3, 85 7, 67 9,20 12,99 Fig. 8F 8G 8H 8I 8J fR [kHz] 14,27 18,76 20,29 23,31 29,37 The 8A to 8J Figure 1 shows numerical simulations of various vibration modes of a microelectromechanical mirror 1 according to the second embodiment. In particular, the displacement of different elements of the microelectromechanical mirror 1 at a specific time is exaggerated for clarity. The resonance frequencies fR of the depicted vibration modes are listed in the following table: Fig. 8A 8B 8C 8D 8E fR [kHz] 3.08 3.85 7.67 9.20 12.99 Fig. 8F 8G 8H 8I 8J fR [kHz] 14.27 18.76 20.29 23.31 29.37

Die Schwingungsmode in 8D entspricht der zweiten Schwingungsmode 12 des zweiten Ausführungsbeispiels, bei dem das Spiegelelement 2 gemeinsam mit der Torsionsaufhängung 3 eine Drehschwingung um die kurze Achse 32 ausführt.The vibration mode in 8D corresponds to the second vibration mode 12 of the second embodiment, in which the mirror element 2 together with the torsional suspension 3 performs a rotational vibration about the short axis 32.

Die Schwingungsmode in 8H entspricht der ersten Schwingungsmode 11 des zweiten Ausführungsbeispiels, bei dem das Spiegelelement 2 eine Drehschwingung um die lange Achse 31 ausführt, während die Torsionsaufhängung 3 insbesondere eine Biegebewegung ausführt.The vibration mode in 8H corresponds to the first vibration mode 11 of the second embodiment, in which the mirror element 2 performs a torsional vibration about the long axis 31, while the torsional suspension 3 in particular performs a bending movement.

Die 9A zeigt eine schematische Darstellung einer Zugspannung in einem Material eines mikroelektromechanischen Spiegels 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist die Zugspannung bei einem maximalen Auslenkungswinkel des Spiegelelements 2 von 11° um die kurze Achse 32 in der zweiten Schwingungsmode 12 dargestellt. Eine maximale Zugspannung beträgt dabei etwa 1,0 GPa.The 9A Figure 1 shows a schematic representation of tensile stress in the material of a microelectromechanical mirror 1 according to the second embodiment. In particular, the tensile stress is shown at a maximum deflection angle of the mirror element 2 of 11° about the short axis 32 in the second vibration mode 12. The maximum tensile stress is approximately 1.0 GPa.

Die 9B zeigt eine schematische Darstellung einer Deformation der Haupterstreckungsebene 21 des Spiegelelements 2 eines mikroelektromechanischen Spiegels 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist die Deformation in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene 21 bei einem maximalen Auslenkungswinkel des Spiegelelements 2 von 11° um die kurze Achse 32 in der zweiten Schwingungsmode 12 dargestellt. Eine maximale Deformation beträgt dabei etwa ±230 nm am Rand des Spiegelelements 2.The 9B Figure 1 shows a schematic representation of a deformation of the principal extension plane 21 of the mirror element 2 of a microelectromechanical mirror 1 according to the second embodiment. In particular, the deformation in a direction perpendicular to the principal extension plane 21 is shown at a maximum deflection angle of the mirror element 2 of 11° about the short axis 32 in the second vibration mode 12. The maximum deformation is approximately ±230 nm at the edge of the mirror element 2.

Die 10A zeigt eine schematische Darstellung einer Zugspannung in einem Material eines mikroelektromechanischen Spiegels 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist die Zugspannung bei einem maximalen Auslenkungswinkel des Spiegelelements 2 von 16,5° um die lange Achse 31 in der ersten Schwingungsmode 11 dargestellt. Eine maximale Zugspannung beträgt dabei etwa 1,5 GPa.The 10A Figure 1 shows a schematic representation of tensile stress in the material of a microelectromechanical mirror 1 according to the second embodiment. In particular, the tensile stress is shown at a maximum deflection angle of the mirror element 2 of 16.5° about the long axis 31 in the first vibration mode 11. The maximum tensile stress is approximately 1.5 GPa.

Die 10B zeigt eine schematische Darstellung einer Deformation der Haupterstreckungsebene 21 des Spiegelelements 2 eines mikroelektromechanischen Spiegels 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist die Deformation in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene 21 bei einem maximalen Auslenkungswinkel des Spiegelelements 2 von 16,5° um die lange Achse 31 in der ersten Schwingungsmode 11 dargestellt. Eine maximale Deformation beträgt dabei etwa ±430 nm am Rand des Spiegelelements 2.The 10B Figure 1 shows a schematic representation of a deformation of the principal extension plane 21 of the mirror element 2 of a microelectromechanical mirror 1 according to the second embodiment. In particular, the deformation in a direction perpendicular to the principal extension plane 21 is shown at a maximum deflection angle of the mirror element 2 of 16.5° about the long axis 31 in the first vibration mode 11. The maximum deformation is approximately ±430 nm at the edge of the mirror element 2.

11 zeigt Auslenkungswinkel φ1, φ2 eines Spiegelelements 2 um die lange Achse 31 beziehungsweise um die kurze Achse 32, sowie eine maximale Zugspannung Z im Material eines mikroelektromechanischen Spiegels 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel während einer Schwingung des Spiegelelements 2 entsprechend der ersten und zweiten Schwingungsmode 11, 12 als Funktion der Zeit t. 11 shows the deflection angles φ1, φ2 of a mirror element 2 about the long axis 31 and about the short axis 32 respectively, as well as a maximum tensile stress Z in the material of a microelectromechanical mirror 1 according to the second embodiment during an oscillation of the mirror element 2 according to the first and second oscillation modes 11, 12 as a function of time t.

12 zeigt Auslenkungswinkel φ1, φ2 eines Spiegelelements 2 um die lange Achse 31 und um die kurze Achse 32 eines mikroelektromechanischen Spiegels 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem gleichzeitig die erste Schwingungsmode 11 und die zweite Schwingungsmode 12 getrieben wird. Insbesondere beschreibt die Auslenkung des Spiegels als Funktion der Zeit eine Lissajous Figur. 12 shows the deflection angles φ1, φ2 of a mirror element 2 about the long axis 31 and about the short axis 32 of a microelectrome A mechanical mirror 1 according to the second embodiment, in which the first vibration mode 11 and the second vibration mode 12 are driven simultaneously. In particular, the deflection of the mirror as a function of time describes a Lissajous figure.

13 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines mikroelektromechanischen Spiegels 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist ein Querschnitt parallel und versetzt zur kurzen Achse 32 gezeigt. Das Spiegelelement 2, das Verbindungselement 6, die Torsionsaufhängung 3, der Antriebsring 5 und der Rahmen 7 weisen ein gemeinsames Substrat 8 auf und sind einstückig ausgebildet. Das Substrat 8 weist eine konstante Dicke auf. Auf der Hauptfläche 21 des Spiegelelements 2 ist eine metallische reflektierende Schicht 22 angeordnet. 13 Figure 1 shows a schematic cross-sectional view of a microelectromechanical mirror 1 according to the second embodiment. In particular, a cross-section parallel to and offset from the short axis 32 is shown. The mirror element 2, the connecting element 6, the torsion suspension 3, the drive ring 5, and the frame 7 share a common substrate 8 and are formed in one piece. The substrate 8 has a constant thickness. A metallic reflective layer 22 is arranged on the main surface 21 of the mirror element 2.

Auf dem Antriebsring 5 ist die piezoelektrische Schicht 50 zwischen einer ersten Elektrode 51 und einer zweiten Elektrode 52 angeordnet. Auf der Torsionsaufhängung 3 ist ein Sensorelement 9 angeordnet, das eine piezoelektrische Schicht 90 zwischen einer ersten Elektrode 91 und einer zweiten Elektrode 92 umfasst.On the drive ring 5, the piezoelectric layer 50 is arranged between a first electrode 51 and a second electrode 52. On the torsion suspension 3, a sensor element 9 is arranged, which comprises a piezoelectric layer 90 between a first electrode 91 and a second electrode 92.

In 14 ist eine schematische Darstellung einer Projektionsvorrichtung 1000 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt, die einen mikroelektromechanischen Spiegel 1 gemäß der vorherigen Beschreibung aufweist. Weiterhin weist die Projektionsvorrichtung eine Laserlichtquelle 200 auf, die im Betrieb Laserlicht 201 abstrahlt.In 14 Figure 1 shows a schematic representation of a projection device 1000 according to an exemplary embodiment, which has a microelectromechanical mirror 1 as described above. Furthermore, the projection device has a laser light source 200 which emits laser light 201 during operation.

Beispielsweise kann es sich bei der Laserlichtquelle 200 um eine so genannte RGB-Lichtquelle handeln, die rotes, grünes und blaues Laserlicht abstrahlen kann. Hierzu kann die Laserlichtquelle 200 beispielsweise drei entsprechend modulierbare Laserdioden oder Laserdiodengruppen aufweisen. Die Laserlichtstrahlen können beispielsweise in einem Strahlkombinierer 202 überlagert werden, so dass ein Strahl von kombiniertem Laserlicht 201' auf das piezoelektrische Spiegelbauelement 100 eingestrahlt und von diesem in den gewünschten Bildbereich reflektiert werden kann. Die Laserlichtquelle 200 kann beispielsweise über eine Lasersteuerelektronik 206 angesteuert werden, beispielsweise um das Laserlicht 201, 201' zeitlich in der Amplitude zu modulieren.For example, the laser light source 200 can be a so-called RGB light source, capable of emitting red, green, and blue laser light. For this purpose, the laser light source 200 can, for instance, have three correspondingly modulatable laser diodes or laser diode groups. The laser light beams can be superimposed, for example, in a beam combiner 202, so that a beam of combined laser light 201' can be directed onto the piezoelectric mirror element 100 and reflected by it into the desired image area. The laser light source 200 can, for example, be controlled by laser control electronics 206, for instance, to modulate the amplitude of the laser light 201, 201' over time.

Der mikroelektromechanische Spiegel 1 kann über eine Spiegel-Steuerelektronik 203 angesteuert werden, um beispielsweise die gewünschte Lissajous-Figur zu erzeugen, mit der der gewünschte Bildbereich abgescannt werden kann. Weiterhin kann eine Sensorelektronik 204 vorgesehen sein, um die Position und/oder die Frequenzen des Spiegelelements 2 des mikroelektromechanischen Spiegels 1 bevorzugt in Echtzeit zu detektieren. Darüber hinaus kann eine Bildprozessierungselektronik 205 vorhanden sein, die beispielsweise die ganze Bilddarstellung steuert. Dies kann insbesondere der Konvertierung von Bild- beziehungsweise Filminformationen in Steuersignale für die Laserlichtquelle 200 und den mikroelektromechanischen Spiegel 1 einschließlich der zeitlichen Synchronisierung zwischen der Position des Spiegelelements 2 und den Amplituden des Laserlichtes 201, 201' entsprechen.The microelectromechanical mirror 1 can be controlled via mirror control electronics 203 to, for example, generate the desired Lissajous figure with which the desired image area can be scanned. Furthermore, sensor electronics 204 can be provided to detect the position and/or frequencies of the mirror element 2 of the microelectromechanical mirror 1, preferably in real time. In addition, image processing electronics 205 can be present, which, for example, controls the entire image display. This can, in particular, correspond to the conversion of image or film information into control signals for the laser light source 200 and the microelectromechanical mirror 1, including the temporal synchronization between the position of the mirror element 2 and the amplitudes of the laser light 201, 201'.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention is not limited to the description provided by means of the exemplary embodiments. Rather, the invention encompasses every new feature as well as every combination of features, which in particular includes every combination of features in the claims, even if that feature or combination itself is not explicitly stated in the claims or exemplary embodiments.

BezugszeichenReference sign

11
mikroelektromechanischer Spiegelmicroelectromechanical mirror
1111
erste Schwingungsmodefirst mode of vibration
1212
zweite Schwingungsmodesecond mode of vibration
22
SpiegelelementMirror element
2121
HaupterstreckungsebeneMain extent plane
2222
reflektierende Schichtreflective layer
33
TorsionsaufhängungTorsion suspension
3131
lange Achselong axis
3232
kurze Achseshort axis
4141
erste Torsionsfederelementefirst torsion spring elements
4242
zweite Torsionsfederelementesecond torsion spring elements
4343
dritte Torsionsfederelementethird torsion spring elements
55
Antriebsringdrive ring
5050
piezoelektrische Schichtpiezoelectric layer
5151
erste Elektrodefirst electrode
5252
zweite Elektrodesecond electrode
521a, 521b521a, 521b
erster Ansteuerbereichfirst control area
522a, 522b522a, 522b
zweiter Ansteuerbereichsecond control area
66
VerbindungselementConnecting element
6161
AufhängungspunkteSuspension points
6262
Segmentsegment
77
RahmenFrame
88
Substratsubstrate
99
SensorelementSensor element
9090
piezoelektrische Schichtpiezoelectric layer
9191
erste Elektrodefirst electrode
9292
zweite Elektrodesecond electrode
200200
LaserlichtquelleLaser light source
201, 201'201, 201'
Laserlichtlaser light
202202
StrahlkombiniererBeam combiner
203203
Spiegel-SteuerelektronikMirror control electronics
204204
SensorelektronikSensor electronics
205205
BildprozessierungselektronikImage processing electronics
206206
LasersteuerelektronikLaser control electronics
10001000
ProjektionsvorrichtungProjection device
tt
ZeitTime
ZZ
ZugspannungTensile stress
φ1φ1
Auslenkungswinkel um die lange AchseDeflection angle about the long axis
φ2φ2
Auslenkungswinkel um die kurze AchseDeflection angle about the short axis

Claims (31)

Mikroelektromechanischer Spiegel (1), aufweisend: - ein Spiegelelement (2), und - eine Torsionsaufhängung (3), die das Spiegelelement (2) umschließt und über zwei erste Torsionsfederelemente (41) mit dem Spiegelelement (2) verbunden ist, wobei - die Torsionsaufhängung (3) eine elliptische Ringform oder die Form eines eingedrückten Ovalrings aufweist, und - die Torsionsaufhängung (3) keine piezoelektrischen Antriebselemente aufweist.Microelectromechanical mirror (1) comprising: - a mirror element (2), and - a torsion suspension (3) enclosing the mirror element (2) and connected to the mirror element (2) via two first torsion spring elements (41), wherein - the torsion suspension (3) has an elliptical ring shape or the shape of an indented oval ring, and - the torsion suspension (3) does not have any piezoelectric drive elements. Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, zusätzlich aufweisend einen piezoelektrischen Antriebsring (5), der die Torsionsaufhängung (3) umgibt und über zwei zweite Torsionsfederelemente (42) mit der Torsionsaufhängung (3) verbunden ist.Microelectromechanical mirror (1) according to the preceding claim, additionally comprising a piezoelectric drive ring (5) surrounding the torsion suspension (3) and connected to the torsion suspension (3) via two second torsion spring elements (42). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Torsionsfederelemente (41) entlang einer langen Achse (31) der Torsionsaufhängung (3) angeordnet sind.Microelectromechanical mirror (1) according to one of the preceding claims, wherein the first torsion spring elements (41) are arranged along a long axis (31) of the torsion suspension (3). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die zweiten Torsionsfederelemente (42) entlang einer kurzen Achse (32) der Torsionsaufhängung (3) angeordnet sind.Microelectromechanical mirror (1) according to one of the Claims 2 or 3 , wherein the second torsion spring elements (42) are arranged along a short axis (32) of the torsion suspension (3). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zwei ersten Torsionsfederelemente (41) auf gegenüberliegenden Seiten des Spiegelelements (2) angeordnet sind.Microelectromechanical mirror (1) according to one of the preceding claims, wherein the two first torsion spring elements (41) are arranged on opposite sides of the mirror element (2). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die zwei zweiten Torsionsfederelemente (42) auf gegenüberliegenden Seiten der Torsionsaufhängung (3) angeordnet sind.Microelectromechanical mirror (1) according to one of the Claims 2 until 5 , wherein the two second torsion spring elements (42) are arranged on opposite sides of the torsion suspension (3). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spiegelelement (2) und die ersten Torsionsfederelemente (41) über ein Verbindungselement (6) miteinander verbunden sind.Microelectromechanical mirror (1) according to one of the preceding claims, wherein the mirror element (2) and the first torsion spring elements (41) are connected to each other via a connecting element (6). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach Anspruch 7, wobei das Verbindungselement (6) kreisringförmig ausgebildet und über zwei Aufhängungspunkte (61) mit dem Spiegelelement (2) verbunden ist.Microelectromechanical mirror (1) according to Claim 7 , wherein the connecting element (6) is formed in an annular shape and is connected to the mirror element (2) via two suspension points (61). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach Anspruch 8, wobei die zwei Aufhängungspunkte (61) auf gegenüberliegenden Seiten des Spiegelelements (2) entlang der kurzen Achse (32) der Torsionsaufhängung (3) angeordnet sind.Microelectromechanical mirror (1) according to Claim 8 , wherein the two suspension points (61) are arranged on opposite sides of the mirror element (2) along the short axis (32) of the torsion suspension (3). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach Anspruch 7, wobei das Verbindungselement (6) zwei voneinander getrennte kreisbogenförmige Segmente (62) aufweist, die jeweils mit einem der zwei ersten Torsionsfederelemente (41) verbunden sind.Microelectromechanical mirror (1) according to Claim 7 , wherein the connecting element (6) has two separate arc-shaped segments (62) which are each connected to one of the two first torsion spring elements (41). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach Anspruch 10, wobei jedes der kreisbogenförmigen Segmente (62) über zwei Aufhängungspunkte (61) mit dem Spiegelelement (2) verbunden ist.Microelectromechanical mirror (1) according to Claim 10 , wherein each of the arc-shaped segments (62) is connected to the mirror element (2) via two suspension points (61). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei der Antriebsring (5) kreisringförmig ausgebildet und in einer Haupterstreckungsebene (21) des Spiegelelements (2) in Ruhelage angeordnet ist.Microelectromechanical mirror (1) according to one of the Claims 2 until 11 , wherein the drive ring (5) is designed in an annular shape and is arranged in a rest position in a principal extension plane (21) of the mirror element (2). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei der Antriebsring (5) über zwei dritte Torsionsfederelemente (43) mit einem Rahmen (7) verbunden ist.Microelectromechanical mirror (1) according to one of the Claims 2 until 12 , wherein the drive ring (5) is connected to a frame (7) via two third torsion spring elements (43). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die zwei dritten Torsionsfederelemente (43) auf gegenüberliegenden Seiten des Antriebsringes (5) entlang der kurzen Achse (32) der Torsionsaufhängung (3) angeordnet sind.Microelectromechanical mirror (1) according to the previous claim, wherein the two third torsion spring elements (43) are arranged on opposite sides of the drive ring (5) along the short axis (32) of the torsion suspension (3). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei das Spiegelelement (2), die Torsionsaufhängung (3), der Antriebsring (5), der Rahmen (7) und die Torsionsfederelemente (41, 42, 43) als einstückiges Bauteil ausgebildet sind.Microelectromechanical mirror (1) according to one of the Claims 13 or 14 , wherein the mirror element (2), the torsion suspension (3), the drive ring (5), the frame (7) and the torsion spring elements (41, 42, 43) are designed as a single-piece component. Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei alle Elemente (2, 3, 41, 42, 43, 5, 7) des einstückigen Bauteils ein gemeinsames Substrat (8) aufweisen, das eine konstante Dicke hat.Microelectromechanical mirror (1) according to the previous claim, wherein all elements (2, 3, 41, 42, 43, 5, 7) of the one-piece component have a common substrate (8) which has a constant thickness. Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 16, wobei auf dem Antriebsring (5) eine piezoelektrische Schicht (50) aufgebracht ist, die zwischen einer ersten Elektrode (51) und einer zweiten Elektrode (52) angeordnet ist.Microelectromechanical mirror (1) according to one of the Claims 2 until 16 , wherein a piezoelectric layer (50) is applied to the drive ring (5) and is arranged between a first electrode (51) and a second electrode (52). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zweite Elektrode (52) eine Mehrzahl von Ansteuerbereichen (521a, 521b, 522a, 522b) aufweist, die voneinander getrennt sind.Microelectromechanical mirror (1) according to the preceding claim, wherein the second electrode (52) has a plurality of control areas (521a, 521b, 522a, 522b) which are separated from each other. Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei auf dem Antriebsring (5) und auf dem Rahmen (7) Sensorelemente (9) zur Bestimmung einer Auslenkung und/oder einer Frequenz einer Schwingung des Spiegelelements (2) angeordnet sind.Microelectromechanical mirror (1) according to one of the Claims 13 until 18 , wherein sensor elements (9) for determining a deflection and/or a frequency of a vibration of the mirror element (2) are arranged on the drive ring (5) and on the frame (7). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Torsionsaufhängung (3) zumindest ein Sensorelement (9) zur Bestimmung einer Auslenkung und/oder einer Frequenz einer Schwingung des Spiegelelements (2) angeordnet ist.Microelectromechanical mirror (1) according to one of the preceding claims, wherein at least one sensor element (9) for determining a deflection and/or a frequency of an oscillation of the mirror element (2) is arranged on the torsion suspension (3). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach Anspruch 20, wobei das zumindest eine Sensorelement (9) eine piezoelektrische Schicht (90) umfasst, die zwischen zwei Elektroden (91, 92) angeordnet ist.Microelectromechanical mirror (1) according to Claim 20 , wherein the at least one sensor element (9) comprises a piezoelectric layer (90) arranged between two electrodes (91, 92). Mikroelektromechanischer Spiegel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem die Torsionsaufhängung (3) zu einer Linearisierung einer Schwingungsmode um die lange Achse (31) der Torsionsaufhängung (3) eingerichtet ist.Microelectromechanical mirror (1) according to one of the Claims 1 until 21 , in which the torsional suspension (3) is configured to linearize a vibration mode about the long axis (31) of the torsional suspension (3). Verfahren zum Betrieb eines mikroelektromechanischen Spiegels (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 22, bei dem das Spiegelelement (2) mittels eines ersten elektrischen Wechselstromsignals mit einer ersten Frequenz, das auf erste Ansteuerbereiche (521a, 521b) des Antriebsringes (5) wirkt, in eine erste Schwingungsmode (11) versetzt wird, und die Torsionsaufhängung (3) mittels eines zweiten elektrischen Wechselstromsignals mit einer zweiten Frequenz, das auf zweite Ansteuerbereiche (522a, 522b) des Antriebsringes (5) wirkt, in eine zweite Schwingungsmode (12) versetzt wird.Method for operating a microelectromechanical mirror (1) according to one of the Claims 2 until 22 , in which the mirror element (2) is set into a first vibration mode (11) by means of a first alternating current electrical signal with a first frequency, which acts on first control areas (521a, 521b) of the drive ring (5), and the torsional suspension (3) is set into a second vibration mode (12) by means of a second alternating current electrical signal with a second frequency, which acts on second control areas (522a, 522b) of the drive ring (5). Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem - die erste Schwingungsmode (11) eine Drehung des Spiegelelements (2) um eine lange Achse (31) der Torsionsaufhängung (3) umfasst, und - die zweite Schwingungsmode (12) eine Drehung des Spiegelelements (2) um eine kurze Achse (32) der Torsionsaufhängung (3) umfasst.Method according to the previous claim, wherein - the first vibration mode (11) comprises a rotation of the mirror element (2) about a long axis (31) of the torsion suspension (3), and - the second vibration mode (12) comprises a rotation of the mirror element (2) about a short axis (32) of the torsion suspension (3). Verfahren nach einem der Ansprüche 23 oder 24, bei dem die erste Schwingungsmode (11) und die zweite Schwingungsmode (12) resonant angeregt werden.Procedure according to one of the Claims 23 or 24 , in which the first vibration mode (11) and the second vibration mode (12) are excited resonantly. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, bei dem eine Bewegung des Antriebsrings (5) in der ersten Schwingungsmode (11) und in der zweiten Schwingungsmode (12) eine Amplitude aufweist, die höchstens ein Fünftel einer Amplitude einer Bewegung des Spiegelelements (2) beträgt.Procedure according to one of the Claims 23 until 25 , in which a movement of the drive ring (5) in the first vibration mode (11) and in the second vibration mode (12) has an amplitude that is at most one fifth of an amplitude of a movement of the mirror element (2). Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, bei dem eine Resonanzfrequenz der ersten Schwingungsmode (11) um zumindest einen Faktor 1,3 größer ist, als eine Resonanzfrequenz der zweiten Schwingungsmode (12).Procedure according to one of the Claims 23 until 26 , in which a resonance frequency of the first mode of vibration (11) is at least a factor of 1.3 greater than a resonance frequency of the second mode of vibration (12). Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, bei dem die erste Schwingungsmode (11) und die zweite Schwingungsmode (12) in einem harmonischen Bereich betrieben werden.Procedure according to one of the Claims 23 until 27 , in which the first mode of oscillation (11) and the second mode of oscillation (12) are operated in a harmonic range. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, bei dem die zweite Schwingungsmode (12) eine Torsionsschwingung der Torsionsaufhängung (3) mit dem Spiegelelement (2) um die kurze Achse (32) der Torsionsaufhängung (3) ist, während die erste Schwingungsmode (11) eine Kombination aus einer Torsionsschwingung des Spiegelelements (2) um die lange Achse (31) der Torsionsaufhängung (3) und einer Verbiegungsbewegung der Torsionsaufhängung (3) ist.Procedure according to one of the Claims 23 until 28 , in which the second vibration mode (12) is a torsional vibration of the torsional suspension (3) with the mirror element (2) about the short axis (32) of the torsional suspension (3), while the first vibration mode (11) is a combination of a torsional vibration of the mirror element (2) about the long axis (31) of the torsional suspension (3) and a bending movement of the torsional suspension (3). Projektionsvorrichtung (1000), aufweisend eine Laserlichtquelle (200) und einen mikroelektromechanischen Spiegel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 22.Projection device (1000) comprising a laser light source (200) and a microelectromechanical mirror (1) according to one of the Claims 1 until 22 . Verwendung eines mikroelektromechanischen Spiegels (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 22 für die Projektion von Informationen auf eine Oberfläche, für head-up Displays, für Matrixausleuchtungen, für LIDAR Anwendungen, für Hologrammprojektoren, für VR-Brillen, oder für AR-Brillen.Use of a microelectromechanical mirror (1) according to one of the Claims 1 until 22 for projecting information onto a surface, for head-up displays, for matrix illumination, for LiDAR applications, for holographic displays Grammar projectors, for VR glasses, or for AR glasses.
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