Kenntnisstand bei der letzten Antragstellung und Ausgangsfragestellung

Mikrotechnische Ablenkeinheiten für Laserstrahlen haben sich zu einem international viel beachteten Forschungsgegenstand entwickelt. Mögliche Applikationsfelder erstrecken sich von bildgebenden Verfahren (z.B. für Video-Großprojektionen [1]) über Vermittlungseinheiten in der optischen Nachrichtentechnik [2] bis hin zu Verarbeitungseinheiten und Speichern in optischen Rechnern [3], [4], wobei die verschiedensten physikalischen Effekte zur Strahlablenkung genutzt werden: photorefraktive Materialien [5], Flüssigkristalle [6], magneto-optische Lichtmodulatoren, Mikrolinsenarrays und holographische Beugungszellen. Beispiele für mikromechanische Ablenkeinheiten sind u. a. das Digital Micromirror Device (DMD) der Fa. Texas Instruments [7], das $32 \times 32$-Mikrospiegelarray des Institutes für Mikrotechnologien der Universität Neuchâtel/Schweiz [8] sowie das 1D-Mikrospiegelarray, welches im SFB 379 entwickelt und präpariert wurde.

Charakteristisch für alle genannten Beispiele ist die Verbindung vielfältigster funktionaler und technologischer (Mikro-) Komponenten zu einem funktionierenden Ganzen. Der Entwurf von Mikrosystemen erfordert daher die gemeinsame Simulation von Systemteilen mehrerer technologischer Gebiete, wie z. B. Mikromechanik, analoge und digitale Elektronik und (Mikro-) Optik. Ausgereifte Entwurfsmethoden, durchgängige Entwurfsumgebungen, umfangreiche Bibliotheken und standardisierte Beschreibungsmittel existierten zu Projektbeginn nur für den digitalen Systementwurf und in Ansätzen auch für den analogen Schaltungs- und Systementwurf [9], [10], nicht aber für den Mikrosystementwurf. In mehreren vorangegangenen Forschungsprojekten zur Mikrosystemtechnik wurde als Entwurfsmethodik die ,,Meet-in-the-Middle``-Strategie propagiert, die besonders für heterogene Systeme einen effektiven Entwurfsablauf gestattet [11], [12]. Sie enthält sowohl einen Top-Down-Ansatz als auch einen gleichberechtigten Bottom-Up-Ansatz, da der Entwurf von Mikrosystemen ein hierarchischer und iterativer Prozeß ist. Die ,,Meet-in-the-Middle``-Strategie ist die derzeit erfolgversprechendste Methode beim Entwurf von heterogenen bzw. Mikrosystemen und wurde auch innerhalb des Teilprojektes A2 für den Systementwurf angewendet.

Der Schwerpunkt der Arbeiten im Teilprojekt A2 ,,Systementwurf`` lag in der Modellierung, Simulation und Optimierung von Mikrosystemen auf Systemniveau. Am Beispiel der Laserstrahlablenkung mit mikromechanischen Spiegelarrays wurden die Untersuchungen zur Modellentwicklung und Simulation heterogener Systeme ausgeführt. Die Anwendung von Spiegelarrays zur Laserstrahlablenkung erforderte weitere Komponenten, welche unter dem Begriff Demonstrator ,,Scannerarray`` zusammengefaßt wurden. Der Demonstrator besteht im wesentlichen aus den Komponenten ,1D-Spiegelarrayäls konstruktives mikrotechnisches Kernstück, ,,Ansteuerelektronik``, ,,Laseründ ,,Strahlzielflächen``. Das Spiegelarray selbst ist damit Teil eines Gesamtsystems, dessen Funktionalität nur durch aufeinander abgestimmte Komponenten zu erreichen ist. Daher umfaßt die Modellentwicklung auf Systemniveau mit dem Ziel der gemeinsamen Simulation der genannten Systemkomponenten einen großen Teil des Arbeitsprogramms des Teilprojektes A2.

Die heterogene Struktur sowohl des Demonstrators insgesamt als auch der einzelnen Komponenten erforderte zu Beginn des Bearbeitungszeitraumes die Evaluierung der im Teilprojekt verfügbaren Werkzeuge und Beschreibungsmittel zur Systemsimulation. Durch schrittweise Kombination der Komponentenmodelle zu Teilsystemen sollte die Möglichkeit der gemeinsamen Simulation von Komponenten untersucht werden, die unterschiedlichen physikalischen Domänen entstammen. Für die Komponente ,,Ansteuerelektronik`` waren innerhalb des Teilprojektes A2 spezielle Ansteuerverstärker zu entwickeln und zu realisieren (Abb. 15). Im Abschnitt ,,Ergebnisse`` wird auf den Entwurf von der Systemebene bis zur Transistorebene eingegangen und die Realisierung des Hochspannungsverstärkers als diskrete Schaltung beschrieben. Als Schnittstelle zwischen Mikromechanik und Ansteuerelektronik war ferner eine geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) zu entwerfen und für die präparierten Arrays zur Verfügung zu stellen. Parallel dazu waren die elektrischen Eigenschaften des Spiegelarrays, wie Spiegelkapazitäten und deren Änderung bei Auslenkung, zu untersuchen und mit den Simulationsergebnissen zu vergleichen. Die Anwendung des Spiegelarrays zur Laserstrahlablenkung erforderte neben der Modellierung des elektrischen und mechanischen Verhaltens auch die Betrachtung des Arrays aus strahlenoptischer Sicht. Sowohl für das Array als auch für den Laser und weitere optische Komponenten, wie z. B. im Strahlweg liegende Reflexions- und Projektionsflächen, wurden entsprechende Modelle entwickelt.