Design und technologische Realisierung eines Mikrospiegelmoduls für Anwendungen in der Telekommunikation

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Mikrospiegelmodul mit einem elektromagnetischen Aktuator als kompakter optischer Schalter entwickelt. Das realisierte Mikrospiegelmodul besteht aus drei Chips, Spiegel-, Spulen- und Spacer-Chip. Die drei Chips werden im Waferverbund mit BCB (Benzocylobutene) verbunden. Die Mikrospiegelstruktur ist an zwei Torsionsfedern aufgehängt und wird mit Hilfe eines Doppelspulensystems auf dem Spulen-Chip und einem Ni-Ring auf der Rückseite der Spiegelstruktur ausgelenkt. Neben dem Design des Mikrospiegelmoduls, das auf den Ergebnissen umfangreicher Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) basiert, wird die technologische Realisierung diskutiert. Ferner werden die messtechnische Charakterisierung des Mikrospiegelmoduls und ein Vorschlag für ein zukünftiges Design vorgestellt. Mit Hilfe der FE-Simulationen wurde das Verhalten verschiedener Mikrospiegelmodelle für unterschiedliche Kräfte analysiert. Verschiedene Spiegelgeometrien wurden bezüglich ihrer Auslenkung, ihrer Überlastfestigkeit und ihrer Verformung numerisch untersucht. Die Spiegelstruktur mit einem Durchmesser von 500µm wird einschließlich der Torsionsfedern aus LPCVD-Polysilizium hergestellt. Die Polysiliziumschicht wird mit Phosphor dotiert und bei einer Temperatur von 1050°C getempert. Die Spiegelstruktur ist 2µm dick und weitgehend spannungsfrei. Sie ist damit hervorragend für MOEMS-Anwendungen geeignet. Die Ni-Schicht weist Zugspannungen auf, die eine nachteilige Spiegelverformung hervorrufen. Die Torsionsfedern sind 156,5µm lang und haben einen rechteckigen Querschnitt (Breite 4µm, Höhe 2µm). Das Spulensystem hat insgesamt 4 Spulen, die zweilagig mit je 10 Windungen ausgeführt sind. Das hergestellte Modul wird vermessen und charakterisiert. Das System hat die Abmessungen von 1500µm x 1100µm x 900µm. Die Spiegelstruktur mit Ni-Ring weist eine relativ große Verformung von ca. 5µm auf. Zur Verifikation wird eine Spiegelstruktur ohne Ni-Ring hergestellt und charakterisiert. Die Verformung ist in diesem Fall kleiner als 200nm. Die Spiegelstruktur erreicht bei einem Spulenstrom von 100mA eine maximale Auslenkung von 4,2°. Mit Zugversuchen wird die mechanische Stabilität der BCB-Schicht untersucht. Bei 250°C ausgehärtete BCB-Proben zeigen eine sehr gute Festigkeit (1241N/6x6mm2, entspr. 34,5N/mm2). Um den Temperatureinfluss des Aushärte-prozesses auf die Struktur zu minimieren, wird die Temperatur auf 150 °C reduziert. Die Proben, die bei dieser Temperatur ausgehärtet werden, weisen eine maximale Festigkeit von ca. 550N/6x6mm2 auf und zeigen eine ausreichende mechanische Stabilität. Das hergestellte System ist sehr interessant für die Anwendung als optischer Schalter in Telekommukationssystemen. Es könnte auch als Frame-Scanner in Projektoren eingesetzt werden. Bei dem Design mit vier Mikrospulen ist es möglich, Magnete für einen Latch-Mechanismus zu integrieren.