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Ein '''Mikroscanner''' ({{enS|''micro-scanner''}} bzw. {{lang|en|''micro-scanning mirror''}}) ist ein [[MOEMS|mikro-opto-elektro-mechanisches System]] (MOEMS) aus der Klasse der [[Mikrospiegelaktor]]en zur dynamischen Modulation von [[Licht]]. Je nach Bauart kann die modulierend wirkende Bewegung eines Einzel[[spiegel]]s translatorisch oder um eine bzw. zwei Achsen rotatorisch erfolgen. Im ersten Fall wird eine phasenschiebende Wirkung, im zweiten Fall, die Ablenkung der einfallenden Lichtwelle erzielt.

[[Datei:Translatmsm.jpg|mini|Resonanter Translationsspiegel im [[Pantograph]]en-Design mit einer Auslenkung von ±500 µm]]

Bei Mikroscannern wird die Modulation über einen einzelnen Spiegel erzeugt. Sie sind daher von anderen Mikrospiegelaktoren, die in ihrer Wirkungsweise eine Matrix von einzeln adressierbaren Spiegeln benötigen, den [[Flächenlichtmodulator]]en zu unterscheiden. Um ein [[Mikroscanner-Array]] handelt es sich hingegen, wenn die Wirkung eines einzelnen Array-Spiegels die Funktion bereits erfüllt aber beispielsweise zur Erhöhung der Lichtausbeute mehrere Spiegel in einem Array parallel geschaltet werden.

== Eigenschaften ==

Übliche Chipabmessungen liegen bei 4 mm × 5 mm für Spiegeldurchmesser zwischen 1–3 mm<ref>''[http://www.ipms.fraunhofer.de/content/dam/ipms/common/products/AMS/varios-d.pdf VarioS–Mikroscanner-Baukasten] (PDF; 256 kB).'' Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS (Produktbeschreibung).</ref>. Jedoch können auch größere Spiegelaperturen mit Kantenabmaßen von bis zu ca. 10 mm × 3 mm gefertigt werden<ref name="Sandner75940C">{{Literatur|Autor= T. Sandner, T. Grasshoff, M. Wildenhain, H. Schenk, |Titel= Synchronized micro scanner array for large aperture receiver optics of LIDAR systems|Sammelwerk= Proc. SPIE 7594 – MOEMS and Miniaturized Systems IX|Jahr=2010|Seiten= 75940C|DOI= 10.1117/12.844923}}</ref>. Scanfrequenzen liegen je nach Bauart und Spiegelgröße bis zu 50 kHz. Bei Mikroscannern, die eine kippende Bewegung ausführen, kann das Licht streifend über eine Projektionsfläche geführt bzw. „gescannt“ werden. Mechanische Ablenkwinkel können dabei bis zu ±30°<ref name="Drabe759404">{{Literatur|Autor= C. Drabe, R. James, H. Schenk, T. Sandner |Titel= MEMS-Devices for Laser Camera Systems for Endoscopic Applications |Sammelwerk= Proc. SPIE 7594 – MOEMS and Miniaturized Systems IX|Jahr=2010|Seiten=759404|DOI=10.1117/12.846855}}</ref> erreichen. Bei translatorisch arbeitenden Mikroscannern kann ein mechanischer Hub von bis zu ca. ±500 µm erreicht werden<ref>{{Literatur|Autor=T. Sandner, T. Grasshoff, H. Schenk, A. Kenda|Titel=Out-Of-Plane Translatory MEMS actuator with extraordinary large stroke for optical path length modulation|Sammelwerk=Proc. SPIE|Band=7930 – MOEMS and Miniaturized Systems X|Jahr=2011|Seiten=79300I|DOI=10.1117/12.879069}}</ref>.

== Antriebsprinzipien ==
Die zur Bewegung der Spiegelplatte erforderlichen Antriebskräfte können durch verschiedene physikalische Wirkprinzipien bereitgestellt werden. In der Praxis relevant sind hier insbesondere das [[elektromagnetisch]]e, [[elektrostatisch]]e, [[thermoelektrisch]]e und [[piezoelektrisch]]e Wirkprinzip.

Da sich die Wirkprinzipien in ihren Vor- und Nachteilen unterscheiden ist ein geeignetes Antriebsprinzip applikationsspezifisch zu wählen. Elektromagnetische Antriebe weisen sich durch große Stellkräfte aus jedoch ist die hohe Leistungsaufnahme für [[Mobilgerät]]e nachteilig. Außerdem sind die erforderlichen hohen magnetischen Feldstärken nur unter Verwendung externer [[Dauermagnet]]e erzielbar, so dass die Miniaturisierbarkeit des Mikroscanners eingeschränkt ist.

Elektrostatische Antriebe bieten ähnlich große Antriebskräfte wie elektromagnetische, verbrauchen jedoch 2–3 Größenordnungen weniger [[Leistung (Physik)|Leistung]]. Anders als bei einem elektromagnetischen Antrieb, lässt sich die zwischen den Antriebsstrukturen resultierende Kraftwirkung nicht umpolen. Für die Realisierung von [[quasistatisch]]en Bauteilen mit positiver und negativer Wirkrichtung sind daher zwei entgegengesetzt wirkende Antriebe notwendig<ref>{{Literatur|Autor= D. Jung, T. Sandner, D. Kallweit, T. Grasshoff, H. Schenk |Titel= Vertical comb drive microscanners for beam steering, linear scanning and laser projection applications|Sammelwerk= MOEMS and Miniaturized Systems XI |Jahr=2012|Seiten= 82520U-1-10}}</ref>. Hierzu kommen in der Regel vertikale [[Kammantrieb]]e zum Einsatz. Bei der Steuerung bzw. Regelung elektrostatisch-quasistatischer Antriebe wirkt jedoch prinzipbedingt der oft in Teilen des Auslenkungsbereichs stark nichtlineare Antriebscharakter hinderlich. Viele hochentwickelte elektrostatische Mikroscanner setzen daher heute auf einen [[resonant]]en Betriebsmodus bei dem eine mechanische [[Eigenmode]] (hier, die Schwingungsmode) angeregt wird. Der resonante Betrieb ist energetisch besonders günstig. Für die Strahlpositionierung und Applikationen, bei denen statisch aktuiert oder linearisiert gescannt werden soll, sind quasistatische Antriebe jedoch weiterhin von großem Interesse.

Thermoelektrische Antriebe erzeugen große Antriebskräfte haben jedoch prinzipbedingt einige technische Nachteile. So ist die erforderliche Heizleistung für die Erwärmung der thermischen [[Bimorph]]-Aktoren vergleichsweise hoch. Gleichzeitig müssen Bauteile thermisch gut von der Umgebung isoliert sein und vorgeheizt werden um thermischen Drift auf Grund von Umgebungseinflüssen zu verhindern. Ein weiterer Nachteil sind die geringen Stellwege die nur über die Nutzung der Hebelwirkung zu nutzbaren Auslenkungen übersetzt werden können. Diese Strukturen sind insbesondere für hochfrequente Bauteile wegen zusätzlicher auftretender Eigenmoden ungeeignet. Nicht zu vernachlässigen ist auch das [[Tiefpass]]-Verhalten thermischer Aktoren bei schnellen Schaltzyklen.

Piezoelektrische Antriebe erzeugen im Vergleich zu elektromagnetischen und elektrostatischen Antrieben ebenfalls kleine Auslenkungen, so dass sie diesbezüglich die Nachteile elektrothermischer Aktoren teilen. Jedoch sind sie weniger anfällig für thermische Umgebungseinflüsse und können auch hochfrequente Antriebssignale gut übertragen.

== Anwendungsfelder ==
<gallery class="float-right">
File:Fraunhofer IPMS 1D-Mikroscanner-Module.jpg|LDC-Modul mit 1D-Mikroscanner und rückseitig integrierter optischer Positionserkennung
File:Fraunhofer IPMS 2D-Mikroscanner-Modul.jpg|Ein elektrostatischer 2D-Mikroscanner in einem DIL20-Gehäuse
File:Fraunhofer IPMS 3D-Mikroscanner-Modul.jpg|MEMS-Scannermodul für die 3D-Entfernungsmessung (LIDAR) mit einzelnem Sendespiegel (Spiegelabmaße ca. (9,5×2,5) mm²) und einem synchronisierten Mikroscanner-Array (2×7) als Empfangseinheit.
</gallery>

Die Einsatzmöglichkeiten von kippend arbeitenden Mikroscannern sind vielfältig und umfassen Projektionsdisplays<ref>{{Literatur|Autor= Arda D. Yalcinkaya, Hakan Urey, Dean Brown, Tom Montague, Randy Sprague|Titel= Two-Axis Electromagnetic Microscanner for High Resolution Displays |Sammelwerk= Journal of Microelectromechanical Systems|Band= 15|Nummer=4 |Jahr=2006|Seiten= 786–794|DOI=10.1109/JMEMS.2006.879380}}</ref><ref>{{Literatur|Autor=Michael Scholles, Andreas Bräuer, Klaus Frommhagen, Christian Gerwig, Hubert Lakner, Harald Schenk, Markus Schwarzenberg|Titel=Ultracompact laser projection systems based on two-dimensional resonant microscanning mirrors|Sammelwerk=Journal of Micro/Nanolithography, MEMS and MOEMS|Band=7|Nummer=2|Jahr=2008|Seiten=021001|DOI=10.1117/1.2911643}}</ref>, Bildaufnahme z. B. für technische und medizinische Endoskope<ref name="Drabe759404" />, Strichcodelesen<ref>{{Literatur|Autor=A. Wolter, H. Schenk, E. Gaumont, H. Lakner|Titel= MEMS microscanning mirror for barcode reading: from development to production |Sammelwerk = Proc. SPIE |Band=5348 – MOEMS Display and Imaging Systems II|Jahr=2004|Seiten= 32–39|DOI=10.1117/12.530795}}</ref>, Spektroskopie, Lasermarkierung und Bearbeitung von Materialien, Objektvermessung / Triangulation<ref name="Sandner75940C" />, 3D-Kameras, Objekterkennung, 1D- und 2D-Lichtvorhang, konfokale Mikroskopie / OCT, Fluoreszenzmikroskopie und Laserwellenlängenmodulation.

Zu den Anwendungen von translatorischen Mikroscannern gehören [[Fourier-Transform-Infrarotspektrometer]], Konfokale Mikroskopie und die Fokusvariation.
== Herstellung ==
<gallery class="float-right">
File:Fraunhofer IPMS Im AME75-Prozess gefertigte Mikroscanner auf einem BSOI-Wafer.jpg|Mit dem Fraunhofer AME75-Prozess fertig prozessierte Mikroscanner bei designspezifischer Strukturierung ausgehend von einem blanken BSOI-Wafer.
File:Fraunhofer IPMS VarioS-Mikroscanner auf einem BSOI-Wafer.jpg|Mit dem Fraunhofer AME75-Prozess fertig prozessierte Mikroscanner aus dem VarioS-Baukastensystem basierend auf vorprozessierten BSOI-Wafern.
</gallery>
Mikroscanner werden üblicherweise durch oberflächen- bzw. volumenmikromechanische Verfahren gefertigt. Hierbei kommen in der Regel [[Silizium]] bzw. BSOI-Substrate (engl. {{lang|en|''Bonded [[Silicon on Insulator]]''}}) zum Einsatz.

== Vor- und Nachteile von Mikroscannern ==
Die Vorteile von Mikroscannern gegenüber makroskopischen Lichtmodulatoren wie z. B [[Galvanometer-Scanner]]n liegen in einem sehr geringen Formfaktor, niedrigem Gewicht und minimaler Leistungsaufnahme. Weitere Vorteile entstehen durch die Möglichkeiten zur Integration von Positions[[Sensorik (Technik)|sensorik]]<ref>{{Literatur|Autor= J. Grahmann, T. Grasshoff, H. Conrad, T. Sandner, H. Schenk |Titel= Integrated piezoresistive position detection for electrostatic driven micro scanning mirrors |Sammelwerk=Proc. SPIE|Band= 7930 – MOEMS and Miniaturized Systems X |Jahr=2011|Seiten= 79300V|DOI=10.1117/12.874979}}</ref> und Auswerteelektronik in das Bauteil. Außerdem zeichnen sich Mikroscanner durch eine hohe Robustheit gegenüber Umgebungseinflüssen aus. So besitzen beispielsweise die am Fraunhofer IPMS entwickelten Mikroscanner eine Shockfestigkeit von mindestens 2500 g. Unter der Voraussetzung einer entsprechenden staub- und feuchtedichten Verkapselung sind sie wartungsfrei und können bei Temperaturen von −20 bis 80 °C betrieben werden.

Zu den fertigungsbedingten Nachteilen gehören die hohen Kosten für Einzelbauteile und lange Lieferzeiten. Um diesem Problem zu begegnen, stellen Forscher des Fraunhofer IPMS mit dem VarioS genannten MEMS-[[Baukasten]] eine Plattformtechnologie zur Verfügung die dieses Problem minimiert.

== Weblinks ==
{{Commonscat|Microscanner|Mikroscanner}}
* ''[http://www.ipms.fraunhofer.de/de/applications/mems-scanners.html MEMS-Scanner].'' Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme
* ''[https://www.adriaticresearch.org/demos.htm ARI MEMS Micromirror Demonstration Devices].'' Adriatic Research Institute
* ''[http://focus.ti.com/analog/docs/memstoplevel.tsp?sectionId=623&tabId=2458&familyId=1744 Getting Started with Analog Mirrors].'' Texas Instruments (Produktseite)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Mikrosystemtechnik]],

Mikroscanner - Versionsgeschichte

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