MEMS Mikro-Scanner basieren auf mechanischen Strukturen, typischerweise aus Silizium, welche um Torsionsachsen schwingen. Im Zentrum des Mikro-Scanners befindet sich dabei ein kontrolliert bewegter, reflektierender Bereich, mit dem ein Laserstrahl über eine Fläche oder Linie gescannt wird. Traditionell wird diese Bewegung über elektrostatische Anregung realisiert; als wegweisende Alternative erforscht ASSIC im Rahmen der strategischen Forschung piezo-elektrisch angetriebene MEMS-Komponenten (piezo-MEMS), im Speziellen piezo-MEMS Mikrospiegeln.

Nachdem die Vorteile einer piezoelektrischen Anregung für eine 1D Scanner erfolgreich demonstriert wurden, lag der Fokus nun darauf, einen vollständigen 2D Scan mit nur einem Mikrospiegel zu ermöglichen. 2D Scans können mechanisch über bestimmte Strukturen z.B. in Form von Hundeknochen oder Mäandern lisiert werden. Eine besondere Form der piezoelektrischen Anregung ermöglicht ein unabhängiges Schwingen des Spiegel in beide Richtungen, womit ein 2D-Scannen mit nur einem Spiegel möglich wird. Im Vergleich zu Standardlösungen mit zwei 1D Spiegeln werden dadurch die Systemkomplexität reduziert und Probleme mit der optischen Justierung minimiert.

Eine spezielle, bei SAL entwickelt Designmethode, die Finite-Elemente (FEM) Simulationen mit einem analytischen Algorithmus kombiniert, ermöglicht das Design der nötigen komplexen Mechanismen für piezo-elektrische Anregungen mehrdimensionaler Systeme. Dieses einzigartige Werkzeug ermöglicht uns, effiziente 2D-Mikrospiegel mit einem einzigartig geringen Stromverbrauch und hohen optischen Abtastwinkeln entlang zweier verschiedener Drehachsen zu realisieren. Die Mikrospiegel wurden in Kollaboration mit dem Zentrum für Mikro- und Nanofabrikation der EPFL, Lausanne realisiert. Diese gute Partnerschaft und die Unterstützung durch die FFG haben zu einem erfolgreichen Ergebnis dieses Projekts beigetragen.

Wirkungen und Effekte

Zahlreiche Unternehmen melden Bedarf an hoch-integrierbaren Pico-Projektoren. Marktverfügbare 2D-Scansysteme sind eher groß, wenig energieeffizient und vergleichsweise teuer. Unser 2D-Mikrospiegel hat das Potential, kosteneffiziente, kleinere und zuverlässigere Produkte zu ermöglichen. Ein erster Systemdemonstrator, bestehend auf einem piezo-2D-Mikrospiegel und Steuerelektronik, kann bereits farbige Formen anzeigen und dient dazu, Durchführbarkeit und Grenzen für eine Reihe potenzieller Anwendungen zu bewerten. Bald könnten solche Systeme in Smartphones, Fahrzeugen oder Brillen implementiert werden.

Die Arbeit wurde auf der MEMS2021 vorgestellt, der renommiertesten Konferenz für Mikrosysteme. Erste Unternehmenspartner haben bereits ihr Interesse an unseren fortschrittlichen Technologien bekundet, und kürzlich wurden erste SAL-Kooperationsprojekte auf Grundlage dieser Forschung gestartet. Darüber hinaus wurde eine strategische Partnerschaft mit Evatec AG (CH) abgeschlossen, um in der SAL-Reinraumanlage in Villach gemeinsam einzigartige Hochleistungs-Piezo-Dünnschichten zu erforschen und zu entwickeln. Dies ermöglicht es dem Zentrum, international führend in der Entwicklung und Realisierung von Piezo-Dünnschichtmaterialien als Lösungen für die nächste Generation integrierbarer intelligenter Geräte zu werden.

ASSIC Austrian Smart Systems Integration research Center
COMET Competence Centers for Excellent Technologies - COMET Centre (K1)
Projekt: Advanced MEMS Sensors and Transducers
Fokus: APMM – Advanced 2D Piezo Micro Mirrors, 1.1.2019-31.12.2022, strategic research

Projektkoordination: Dr. Mohssen Moridi, Research Unit Head Microsystem Technologies Silicon Austria Labs GmbH