Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung piezoelektrischer Mikrospiegel
von Shanshan Gu-StoppelIIm Mittelpunkt der Arbeit stand die Entwicklung piezoelektrisch angetriebener Mikrospiegel. Dabei handelt es sich um miniaturisierte, optische Bauteile zur Ablenkung von Laserstrahlen, mit denen sich z. B. Bildprojektionen realisieren lassen. Die Arbeit umfasst die Design- und Technologieentwicklung derartiger Mikrospiegel, sowie die Entwicklung von Sensoren zur Spiegelpositionserfassung. Zudem bildet die eingehende Charakterisierung einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit. Insgesamt wurden 30 verschiedene 1D-Spiegel, elf verschiedene 2D-Spiegel sowie drei unterschiedliche Sensor-Typen entworfen, hergestellt und untersucht.
Für die resonanten 1D-Spiegel stellen die erreichbaren Scanwinkel und Resonanzfrequenzen die charakteristischen Größen dar. Die hier hervorgegangenen 1D-Spiegel erreichen sehr große Scanwinkel von 106° und hohe Resonanzfrequenzen von 69 kHz. Bei den 2D-Spiegeln sind die Kombinationen verschiedener Spiegelbewegungsmoden für die Realisierung unterschiedlicher Laserstrahl-Trajektorien von großer Bedeutung. Dabei wurden zwei Designkonzepte für die 2D-Spiegel realisieret: Die sogenannten Quadpod-Designs und die kardanisch aufgehängten Spiegel. Die Quadpod-Spiegel realisieren zwei senkrechte Torsionsmoden, die nahestehende Eigenfrequenzen aufweisen. Somit lassen sich kreisförmige und rechteckige Ausleuchtungen durch die resultierenden Lissajous-Figuren erzeugen. Zusätzlich sind derartige Spiegel auch für Translationsbewegungen geeignet. An einem Spiegeltyp mit 7 mm Spiegeldurchmesser wurden translatorische Amplituden von bis zu 1600 m nachgewiesen, welche zu den höchsten vertikalen Amplituden von Spiegeln gehören. Die kardanisch aufgehängten 2D-Spiegel erlauben quasi-statisch und resonant angetriebene Torsionsbewegungen und somit die Realisierung eines kompletten, integrierten Rasterscanners.
Die resonanten 1D- und 2D-Spiegel erfordern die Regelung zum Adressieren projizierter Punkte. Dafür wurden unterschiedliche Messprinzipien untersucht. Die kapazitiven und piezoelektrischen PZT-Sensoren zeigen die besten Signalqualitäten für die Positionserfassung dynamischer Bewegungen und können Messauflösung von mehr als 12 Bit erreichen. Statische Positionen des Spiegels lassen sich dagegen gut mit metallischen DMS erfassen.
Auch wenn noch viele Herausforderungen und Aufgaben zu bewältigen sind, veranschaulichen die Ergebnisse der Arbeit das Potential piezoelektrischer Spiegel, in der nahen Zukunft in kommerziellen Produkten Eingang zu finden.
