Diffraktive Mikrospiegelarrays sind eine seit Jahren etablierte innovative Lösung zur ortsaufgelösten Beleuchtungsmodulation im UV-Spektralbereich. Sie werden hauptsächlich als Schlüsselbauelement in mikrolithografischen Industrieanlagen eingesetzt. Gegenwärtige Untersuchungen befassen sich mit der Erweiterung der Technologie hin zu multispektralen Anwendungen, beispielsweise in der Mikroskopie zur strukturierten Objektausleuchtung. Aufgrund des diffraktiven Arbeitsprinzips mit Phasenmodulationen im Nanometerbereich sowie der Vielzahl von Einzelspiegeln mit individuellem Auslenkverhalten stellt die präzise Ansteuerung der Bauelemente eine wesentliche Herausforderung dar. In diesem Kontext steht die Entwicklung und Validierung eines Verfahrens im Fokus dieser Arbeit, das die Gesamtheit von mehreren Tausend oder auch Millionen Mikrospiegeln abhängig von gewünschtem Beleuchtungsmuster und -wellenlänge auf korrekte Kippwinkel einstellen kann. Der gewählte Ansatz liegt in einem Mess- und Korrekturverfahren aller Einzelspiegelverkippungen. Die als Kalibrierung bezeichnete Methode nutzt ein Weißlichtinterferometer zur profilometrischen Charakterisierung der elektro-mechanischen Übertragungsfunktionen der Aktuatoren, wodurch erstmalig auf diesem Themengebiet der multispektrale Bauelementeinsatz gewährleistet werden kann. Zentrales Ergebnis der Kalibrierroutine ist eine Reduzierung der Streuung der Spiegelverkippungen um einen Faktor größer fünf. Direkte Folge sind erheblich verbesserte optische Projektionsmuster, aufgenommen an einem parallel entwickelten optischen Lasermessplatz mit spektral verschiedenen Quellen. Nachgewiesen wurden im Vergleich zum unkalibrierten Ausgangszustand Kontrastverdoppelungen, Homogenitätssteigerungen und die Sicherstellung der Abbildung von mindestens 64 Graustufen. Die Ergebnisse dokumentieren einerseits die Leistungsfähigkeit von diffraktiven Mikrospiegelarrays in multispektralen Umgebungen mit sehr guten Abbildungseigenschaften. Gleichzeitig konnte die wesentliche Grundlage für einen deutlich erweiterten Einsatz optischer Mikrosysteme im stark wachsenden Anwendungsbereich der diffraktiven Optik bzw. der Ultrapräzisionsoptik geschaffen werden.

Resonante Mikrobauelemente mit elektrostatischem Antrieb finden seit einigen Jahren vermehrt Anwendung in vielen Bereichen der Technik. So beruhen beispielsweise Drehraten- oder Beschleunigungssensoren, die im Automobilbau eingesetzt werden auf diesem Prinzip. Neue Anwendungsfelder ergeben sich vor allem für Aktoren, beispielsweise für die am Fraunhofer IPMS entwickelten Mikroscannerspiegel mit Out-of-plane-comb-Antrieb. Sie dienen zur geometrischen Ablenkung von Licht und können zur Realisierung von hochintegrierten Systemen zur Ausgabe (Laser-Projektor) oder Aufnahme (Laser-Imager) von Daten genutzt werden. Zum Entwurf von Mikroaktoren gibt es eine Reihe von Arbeiten, die sich meist auf ein konkretes Antriebsprinzip beziehen oder den Entwurf im Allgemeinen behandeln. Die vorliegende Arbeit verfolgt daher das Ziel, speziell die Randbedingungen beim Entwurf resonanter Mikroaktoren mit Out-of-plane-comb-Antrieb zu identifizieren bzw. zu systematisieren sowie die gewonnenen Erkenntnisse in einem effizienten Entwurfsprozess umzusetzen. Dabei sollen möglichst auch relevante nichtlineare Effekte berücksichtigt werden, sodass sich neue Möglichkeiten zur Optimierung der Bauelemente und damit zur Erweiterung des Entwurfsraums ergeben. / Electrostatically driven microsystems are utilized in technical systems for several years. For instance, they are used in automotive applications as acceleration sensors or angular rate sensors. New fields of applications appear especially for actuators. The scanning micromirror of the Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems is such an actuator. It is a micro-­optical-­electrical microsystem (MOEMS) which is driven resonantly by an electrostatic comb drive and can be used in scanning laser imaging systems or laser projectors. Several technical and scientific publications occupy with the design and the simulation of microactuators, which refer usually to a concrete drive principle or to the issues of design in general. The intention of this thesis is to identify and systematize particularly the boundary conditions of design regarding to resonant micro actuators with out-­of-­plane­comb drive. The findings are implemented in efficient design tools and design processes. One emphasis thereby is the investigation of nonlinear properties and effects. This includes geometrically non-­linearities of suspensions as well as non-linearities caused by fluid damping and the electrostatic comb drive. The findings are utilized in an analytical, nonlinear stability analysis of the device's equation of motion as well as in an object oriented software library for the MATLAB environment, which can be used to create nonlinear reduced order models of scanning micromirrors. With the developed techniques for design and optimization the available parameter range of scanning micromirrors can be extended. By that means, it is possible to improve the properties of existing devices as well as create new devices with outreaching performance.

We investigate the implementation of nontraditional open-loop and closed-loop control techniques to systems at the micro and macro scales. At the macro level, we consider a quay-side container crane. It is known that the United States relies on ocean transportation for 95% of cargo tonnage that moves in and out of the country. Each year over six million loaded marine containers enter U.S. ports. Current growth predictions indicate that container cargo will quadruple in the next twenty years. To cope with this rapid growth, we develop a novel open-loop input-shaping control technique to mitigate payload oscillations on quay-side container cranes. The proposed approach is suitable for automated crane operations, does not require any alterations to the existing crane structure, uses the maximum crane capabilities, and is based on an accurate two-dimensional four-bar-mechanism model of a container crane. The shaped commands are based on a nonlinear approximation of the two-dimensional model frequency and, unlike traditional input-shaping techniques, our approach can account for large hoisting operations. For operator-in-the-loop crane operations, we develop a closed-loop nonlinear delayed-position feedback controller. Key features of this controller are that it: does not require major modifications to the existing crane structure, accounts for motion inversion delays, rejects external disturbances, and is superimposed on the crane operator commands. To validate the controllers, we construct a 1:10 scale model of a 65-ton quay-side container crane. The facility consists of a 7-meter track, 3.5-meter hoisting cables, a trolley, a traverse motor, two hoisting motors, and a 50-pound payload. Using this setup, we demonstrated the effectiveness of the controllers in mitigating payload oscillations in both of the open-loop and closed-loop modes of operation. At the micro level, we consider a micro optical device known as the torsional micromirror. This device has a tremendous number of industrial and consumer market applications including optical switching, light scanning, digital displays, etc. To analyze this device, we develop a comprehensive model of an electrically actuated torsional mirror. Using a Galerkin expansion, we develop a reduced-order model of the mirror and verify it against experimental data. We investigate the accuracy of representing the mirror using a two-degrees-of-freedom lumped-mass model. We conclude that, under normal operating conditions, the statics and dynamics of the mirror can be accurately represented by the simplified lumped-mass system. We utilize the lumped-mass model to study and analyze the nonlinear dynamics of torsional micromirrors subjected to combined DC and resonant AC excitations. The analysis is aimed at enhancing the performance of micromirrors used for scanning applications by providing better insight into the effects of system parameters on the microscanner's optimal design and performance. Examining the characteristics of the mirror response, we found that, for a certain DC voltage range, a two-to-one internal resonance might be activated between the first two modes. Due to this internal resonance, the mirror exhibits complex dynamic behavior. This behavior results in undesirable vibrations that can be detrimental to the scanner performance. Torsional micromirrors are currently being implemented to provide all-optical switching in fiber optic networks. Traditional switching techniques are based on converting the optical signal into electrical signal and back into optical signal before it can be switched into another fiber. This reduces the rate of data transfer substantially. To realize fast all-optical switching, we enhance the transient dynamic characteristics and performance of torsional micromirrors by developing a novel technique for preshaping the voltage commands applied to activate the mirror. This new approach is the first to effectively account for inherent nonlinearities, damping effects, and the energy of the significant higher modes. Using this technique, we are able to realize very fast switching operations with minimal settling time and almost zero overshoot. / Ph. D.

<p> In recent years, deformable micromirror arrays have become the focus of several attempts to create cost efficient adaptive optics systems for vision science. Conversely, the Digital Micromirror Device™ (DMD™) has been overlooked by several applications, including adaptive optics, due to its inherent bistability. As a means of addressing this limitation, this thesis suggests multiple methods to demonstrate the feasibility of analog operation of the DMD™. The first step in this process involves the characterization of the DMD™ by means of an automated, optical measurement system. This system was developed to actively monitor the angular deflection of individual micromirrors in the MEMS array. Two key mechanical properties of the microstructure - the natural frequency and the quality factor - are determined through analysis of the micromirrors' recorded dynamic behaviour. Further, through automation of the characterization setup, an investigation of device uniformity is presented exposing a clear trend in the measured micromirror properties over 160 tested mirrors in the DMD™ array. This linear trend is attributed to the variation in thickness of the torsional hinges as a result of the sputtering deposition process. Using the DMD™ characteristics discovered through experimentation, a computationally inexpensive, one-dimensional model based on the fourth order Runge-Kutta numerical method is constructed to simulate the response of the DMD™ micromirrors to user defined input voltage waveforms. Simulations are initially used to exhibit the validity of the model for existing DMD™ voltage patterns through a comparison with measured micromirror responses, and subsequently used to demonstrate two proposed methods of analog operation. The first method creates a limited form of analog control by varying the amplitude of 16 analog bias voltage lines, whereas the second method provides complete analog operation of the DMD™ using high frequency pulse width modulation of the underlying address circuitry.</p> / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

The focus of this work involves optical and RF (radio frequency) applications of novel microactuation and self-assembly techniques in MEMS (Microelectromechanical systems). The scaling of physical forces into the micro domain is favorably used to design several types of actuators that can provide large forces and large static displacements at low operation voltages. A self-assembly method based on thermally induced localized plastic deformation of microstructures has been developed to obtain truly three-dimensional structures from a planar fabrication process. RF applications include variable discrete components such as capacitors and inductors as well as tunable coupling circuits. Optical applications include scanning micromirrors with large scan angles (>90 degrees), low operation voltages (<10 Volts), and multiple degrees of freedom. One and two-dimensional periodic structures with variable periods and orientations (with respect to an incident wave) are investigated as well, and analyzed using optical phased array concepts. Throughout the research, permanent tuning via plastic deformation and power-off latching techniques are used in order to demonstrate that the optical and RF devices can exhibit zero quiescent power consumption once their geometry is set.

The focus of this work involves optical and RF (radio frequency) applications of novel microactuation and self-assembly techniques in MEMS (Microelectromechanical systems). The scaling of physical forces into the micro domain is favorably used to design several types of actuators that can provide large forces and large static displacements at low operation voltages. A self-assembly method based on thermally induced localized plastic deformation of microstructures has been developed to obtain truly three-dimensional structures from a planar fabrication process. RF applications include variable discrete components such as capacitors and inductors as well as tunable coupling circuits. Optical applications include scanning micromirrors with large scan angles (>90 degrees), low operation voltages (<10 Volts), and multiple degrees of freedom. One and two-dimensional periodic structures with variable periods and orientations (with respect to an incident wave) are investigated as well, and analyzed using optical phased array concepts. Throughout the research, permanent tuning via plastic deformation and power-off latching techniques are used in order to demonstrate that the optical and RF devices can exhibit zero quiescent power consumption once their geometry is set.

Micromirror scanners are the most significant of the micro-optical actuator elements with applications in portable digital displays, automotive head-up displays, barcode scanners, optical switches and scanning optical devices in the health care arena for external scanning diagnostics and in vivo scanning diagnostics. Recent development in microscanning technology has seen a shift from conventional electrostatic actuation to electromagnetic actuation mechanisms with major advantages in the ability to produce large scan angles with low voltages, remote actuation, the absence of the pull-in failure mode and the acceptable electrical safety compared to their electrostatic counterparts. Although attempts have been made to employ silicon substrate based MEMS deposition techniques for magnetic materials, the quality and performance of the magnets are poor compared to commercial magnets. In this project, we have developed novel low-cost single and dual-axis polymer hard magnetic micromirror scanners with large scan angles and low power consumption by employing the hybrid fabrication technique of squeegee coating to combine the flexibility of polydimethylsiloxane (PDMS) and the superior magnetic performance of fine particle isotropic NdFeB micropowders. PCB coils produce the Lorentz force required to actuate the mirror for scanning applications. The problem of high surface roughness, low radius of curvature and the magnetic field interaction between the gimbal frame and the mirror have been solved by a part PDMS-part composite fabrication process. Optimum magnetic, electrical and time dependent parameters have been characterized for the high performance operating conditions of the micromirror scanner. The experimental results have been demonstrated to verify the large scan angle actuation of the micromirror scanners at low power consumption.

In this thesis, studies on the applications of digital micro-mirror devices (DMD) to enhancement of digital optical microscope images are presented. This involves adaptation of the fast switching capability and high optical efficiency of DMD to control the spatial illumination of the specimen. The first study focuses on a method of using DMD to enhance the dynamic range of a digital optical microscope. Our adaptive feedback illumination control method generates a high dynamic range image through an algorithm that combines the DMD-to-camera pixel geometrical mapping and a feedback operation. The feedback process automatically generates an illumination pattern in an iterative fashion that spatially modulates the DMD array elements on a pixel-by-pixel level. Via experiment, we demonstrate a transmitted-light microscope system that uses precise DMD control of a DMD-based projector to enhance the dynamic range ideally by a factor of 573. Results are presented showing approximately 5 times the camera dynamic range, enabling visualization over a wide range of specimen characteristics. The second study presents a technique for programming the source of the spherical reference illumination in a digital in-line holographic microscope using DMD. The programmable point source is achieved by individually addressing the elements of a DMD to spatially control the illumination of the object located at some distance from the source of the spherical reference field. Translation of the ON-state DMD mirror element changes the spatial location of the point source and consequently generates a sequence of translated holograms of the object. The experimental results obtained through numerical reconstruction of translated holograms of Latex microspheres shows the possibility of expanding the field of view by about 263% and also extracting depth information between features in an object volume. The common challenges associated with the use of DMD in coherent and broadband illumination control in both studies are discussed.

Resonante Mikrobauelemente mit elektrostatischem Antrieb finden seit einigen Jahren vermehrt Anwendung in vielen Bereichen der Technik. So beruhen beispielsweise Drehraten- oder Beschleunigungssensoren, die im Automobilbau eingesetzt werden auf diesem Prinzip. Neue Anwendungsfelder ergeben sich vor allem für Aktoren, beispielsweise für die am Fraunhofer IPMS entwickelten Mikroscannerspiegel mit Out-of-plane-comb-Antrieb. Sie dienen zur geometrischen Ablenkung von Licht und können zur Realisierung von hochintegrierten Systemen zur Ausgabe (Laser-Projektor) oder Aufnahme (Laser-Imager) von Daten genutzt werden. Zum Entwurf von Mikroaktoren gibt es eine Reihe von Arbeiten, die sich meist auf ein konkretes Antriebsprinzip beziehen oder den Entwurf im Allgemeinen behandeln. Die vorliegende Arbeit verfolgt daher das Ziel, speziell die Randbedingungen beim Entwurf resonanter Mikroaktoren mit Out-of-plane-comb-Antrieb zu identifizieren bzw. zu systematisieren sowie die gewonnenen Erkenntnisse in einem effizienten Entwurfsprozess umzusetzen. Dabei sollen möglichst auch relevante nichtlineare Effekte berücksichtigt werden, sodass sich neue Möglichkeiten zur Optimierung der Bauelemente und damit zur Erweiterung des Entwurfsraums ergeben.:1 Einordnung und Ziele der Arbeit 2 Grundlagen und Stand der Technik 2.1 Herstellungstechnologien 2.2 MEMS-Aktoren 2.2.1 Antriebsprinzipien 2.2.2 Elektrostatische Antriebe 2.3 Der Fraunhofer IPMS Mikroscannerspiegel 2.3.1 Synchronisierte Anregung 2.3.2 Parametrische Anregung 2.3.3 Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen 2.4 Motivationen der Arbeit 3 Randbedingungen beim Entwurf 3.1 Vereinbarungen und Definitionen 3.1.1 Material- und Strukturvereinfachungen 3.1.2 Koordinatensysteme 3.1.3 Mathematische Vereinfachungen und Definitionen 3.2 Strukturmechanische Randbedingungen 3.2.1 Richtungsabhängige Materialeigenschaften 3.2.2 Geometrische Nichtlinearitäten 3.2.3 Strukturmechanische Spannungen 3.2.4 Eigenschwingungen 3.2.5 Fertigungstoleranzen 3.2.6 Dynamische Deformation 3.2.7 Strukturdämpfung 3.3 Fluidmechanische Randbedingungen 3.3.1 Näherungen zur Slip-Korrektur 3.3.2 Gültigkeit der quasistatischen Näherung 3.3.3 Dämpfungsmechanismen innerhalb der Kammstruktur 3.3.4 Dämpfungsmechanismen der bewegten Spiegelplatte 3.4 Randbedingungen der Elektrik bzw. Elektrostatik 3.4.1 Antriebskapazitäten und Randfelder 3.4.2 Spannungsfestigkeit 3.4.3 Leistungsaufnahme 3.4.4 Elektromechanische Stabilität 3.5 Optische Randbedingungen 4 Nichtlineare Dynamik 4.1 Stabilitätsanalyse 4.1.1 Fixpunkte und Grenzzyklen 4.1.2 Stabilität 4.1.3 Bifurkationen 4.1.4 Diskussion 4.2 Geometrische Nichtlinearitäten 4.2.1 Einfluss auf die Dynamik 4.2.2 Diskussion 4.2.3 Möglichkeiten zur Beeinflussung 5 Werkzeuge für den Entwurf 5.1 Anforderungen an Entwurfswerkzeuge 5.1.1 Kopplung physikalischer Domänen 5.1.2 Spezielle Anforderungen an FEM-Werkzeuge 5.1.3 Ordnungsreduktion 5.1.4 Spezielle Anforderungen an Optimierungswerkzeuge 5.2 Relevante Entwurfswerkzeuge 5.2.1 MOSCITO Optimierungsumgebung 5.2.2 MATLAB-Toolbox SUGAR 5.3 Klassenbibliothek IMtk 5.3.1 Programmierparadigmen 5.3.2 Vererbungsstrategie 5.3.3 Ordnungsreduktion 5.3.4 Verifikation der Modelle 5.3.5 Gültigkeitsbedingungen 6 Entwurfsprozess 6.1 Strategie des Bauelemententwurfs 6.2 Entwurfsbeispiel 6.2.1 Anforderungen und Randbedingungen 6.2.2 Vorauslegung 6.2.3 Eigenwertanalyse 6.2.4 Statische nichtlineare Analysen 6.2.5 Deformationsanalyse 6.2.6 Statische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.2.7 Dynamische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.3 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Listings Anlagenverzeichnis A Materialeigenschaften A.1 Einkristallines Silizium A.2 Umgebungsluft B MEMS-Prozess des Fraunhofer IPMS B.1 Prozessablaufplan AME1 B.2 Prozessabh ̈angige Materialeigenschaften C Strukturmechanische FE-Analysen C.1 FEM-Werkzeuge am Fraunhofer IPMS C.1.1 ANSYS C.1.2 COMSOL Multiphysics TM C.2 Nichtlinearitäten prismatischer Torsionsstäbe C.3 Typische Eigenformen von Mikroscannerspiegeln C.4 Mechanische Spannungen in Torsionsfedern C.5 Dynamische Deformation der Spiegelplatte C.6 Konvergenzeigenschaften von FE-Netzen D Dämpfungsmechanismen D.1 Slide-film-Dämpfung D.2 Squeeze-film-Dämpfung E Bewegungs-Dgl. des IPMS Mikroscannerspiegels E.1 Fixpunkte E.2 Stabilität E.3 Bifurkationen E.4 Phasenportraits F IMtk-Klassenbibliothek F.1 Klassenübersicht F.2 Funktionen F.3 Datenstruktur IMTK F.4 Eigenschaften und Methoden der Basisklasse imtk element F.5 Implementation F.6 Beispiele G Experimentelle Ergebnisse (Entwurfsbeispiel) G.1 Charakterisierung G.1.1 Synchronisierte Anregung G.1.2 Parametrische Anregung G.2 Dynamische Deformation / Electrostatically driven microsystems are utilized in technical systems for several years. For instance, they are used in automotive applications as acceleration sensors or angular rate sensors. New fields of applications appear especially for actuators. The scanning micromirror of the Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems is such an actuator. It is a micro-­optical-­electrical microsystem (MOEMS) which is driven resonantly by an electrostatic comb drive and can be used in scanning laser imaging systems or laser projectors. Several technical and scientific publications occupy with the design and the simulation of microactuators, which refer usually to a concrete drive principle or to the issues of design in general. The intention of this thesis is to identify and systematize particularly the boundary conditions of design regarding to resonant micro actuators with out-­of-­plane­comb drive. The findings are implemented in efficient design tools and design processes. One emphasis thereby is the investigation of nonlinear properties and effects. This includes geometrically non-­linearities of suspensions as well as non-linearities caused by fluid damping and the electrostatic comb drive. The findings are utilized in an analytical, nonlinear stability analysis of the device's equation of motion as well as in an object oriented software library for the MATLAB environment, which can be used to create nonlinear reduced order models of scanning micromirrors. With the developed techniques for design and optimization the available parameter range of scanning micromirrors can be extended. By that means, it is possible to improve the properties of existing devices as well as create new devices with outreaching performance.:1 Einordnung und Ziele der Arbeit 2 Grundlagen und Stand der Technik 2.1 Herstellungstechnologien 2.2 MEMS-Aktoren 2.2.1 Antriebsprinzipien 2.2.2 Elektrostatische Antriebe 2.3 Der Fraunhofer IPMS Mikroscannerspiegel 2.3.1 Synchronisierte Anregung 2.3.2 Parametrische Anregung 2.3.3 Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen 2.4 Motivationen der Arbeit 3 Randbedingungen beim Entwurf 3.1 Vereinbarungen und Definitionen 3.1.1 Material- und Strukturvereinfachungen 3.1.2 Koordinatensysteme 3.1.3 Mathematische Vereinfachungen und Definitionen 3.2 Strukturmechanische Randbedingungen 3.2.1 Richtungsabhängige Materialeigenschaften 3.2.2 Geometrische Nichtlinearitäten 3.2.3 Strukturmechanische Spannungen 3.2.4 Eigenschwingungen 3.2.5 Fertigungstoleranzen 3.2.6 Dynamische Deformation 3.2.7 Strukturdämpfung 3.3 Fluidmechanische Randbedingungen 3.3.1 Näherungen zur Slip-Korrektur 3.3.2 Gültigkeit der quasistatischen Näherung 3.3.3 Dämpfungsmechanismen innerhalb der Kammstruktur 3.3.4 Dämpfungsmechanismen der bewegten Spiegelplatte 3.4 Randbedingungen der Elektrik bzw. Elektrostatik 3.4.1 Antriebskapazitäten und Randfelder 3.4.2 Spannungsfestigkeit 3.4.3 Leistungsaufnahme 3.4.4 Elektromechanische Stabilität 3.5 Optische Randbedingungen 4 Nichtlineare Dynamik 4.1 Stabilitätsanalyse 4.1.1 Fixpunkte und Grenzzyklen 4.1.2 Stabilität 4.1.3 Bifurkationen 4.1.4 Diskussion 4.2 Geometrische Nichtlinearitäten 4.2.1 Einfluss auf die Dynamik 4.2.2 Diskussion 4.2.3 Möglichkeiten zur Beeinflussung 5 Werkzeuge für den Entwurf 5.1 Anforderungen an Entwurfswerkzeuge 5.1.1 Kopplung physikalischer Domänen 5.1.2 Spezielle Anforderungen an FEM-Werkzeuge 5.1.3 Ordnungsreduktion 5.1.4 Spezielle Anforderungen an Optimierungswerkzeuge 5.2 Relevante Entwurfswerkzeuge 5.2.1 MOSCITO Optimierungsumgebung 5.2.2 MATLAB-Toolbox SUGAR 5.3 Klassenbibliothek IMtk 5.3.1 Programmierparadigmen 5.3.2 Vererbungsstrategie 5.3.3 Ordnungsreduktion 5.3.4 Verifikation der Modelle 5.3.5 Gültigkeitsbedingungen 6 Entwurfsprozess 6.1 Strategie des Bauelemententwurfs 6.2 Entwurfsbeispiel 6.2.1 Anforderungen und Randbedingungen 6.2.2 Vorauslegung 6.2.3 Eigenwertanalyse 6.2.4 Statische nichtlineare Analysen 6.2.5 Deformationsanalyse 6.2.6 Statische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.2.7 Dynamische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.3 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Listings Anlagenverzeichnis A Materialeigenschaften A.1 Einkristallines Silizium A.2 Umgebungsluft B MEMS-Prozess des Fraunhofer IPMS B.1 Prozessablaufplan AME1 B.2 Prozessabh ̈angige Materialeigenschaften C Strukturmechanische FE-Analysen C.1 FEM-Werkzeuge am Fraunhofer IPMS C.1.1 ANSYS C.1.2 COMSOL Multiphysics TM C.2 Nichtlinearitäten prismatischer Torsionsstäbe C.3 Typische Eigenformen von Mikroscannerspiegeln C.4 Mechanische Spannungen in Torsionsfedern C.5 Dynamische Deformation der Spiegelplatte C.6 Konvergenzeigenschaften von FE-Netzen D Dämpfungsmechanismen D.1 Slide-film-Dämpfung D.2 Squeeze-film-Dämpfung E Bewegungs-Dgl. des IPMS Mikroscannerspiegels E.1 Fixpunkte E.2 Stabilität E.3 Bifurkationen E.4 Phasenportraits F IMtk-Klassenbibliothek F.1 Klassenübersicht F.2 Funktionen F.3 Datenstruktur IMTK F.4 Eigenschaften und Methoden der Basisklasse imtk element F.5 Implementation F.6 Beispiele G Experimentelle Ergebnisse (Entwurfsbeispiel) G.1 Charakterisierung G.1.1 Synchronisierte Anregung G.1.2 Parametrische Anregung G.2 Dynamische Deformation

Le développement des senseurs protéiques et des outils optogénétiques au cours des dernières années a donné une place particulière à la microscopie pour l’étude des processus moléculaires in-vivo. L’équipe « Nano-optique et physiologie intégrée » développe des montages optiques originaux pour exploiter ces nouveaux outils chez le petit animal vivant en collaboration avec des neurobiologistes. Nous nous intéressons en particulier à l’organisation cellulaire et à l’activité des réseaux neuronaux impliqués dans la mémorisation associative olfactive de la drosophile. En amont, mon travail de thèse a été de mettre en place un microscope grand champ, basé sur le principe de la microscopie à HiLo, permettant l’acquisition rapide de sections optiques et la reconstruction tridimensionnelle de réseaux neuronaux. Après avoir prouvé la pertinence de l’approche choisie lorsqu’elle est associée aux outils génétiques permettant un marquage sélectif des neurones, le cœur de mon travail fut le développement d’un montage original permettant d’atteindre les objectifs de résolution spatiale et de vitesse. Son originalité se situe dans l’utilisation de la technologie des matrices de micro-miroirs (DLP) pour structurer l’illumination. Ce système de micro-miroirs pilotables peut moduler le faisceau d’une source LED haute puissance à haute cadence. Dans une seconde partie, j’ai caractérisé ce microscope et réalisé de premières expériences in-vivo avec les développements spécifiques nécessaires à ces expériences. En particulier, en utilisant un rapporteur protéique calcique fluorescent, GCamP3, j’ai montré que l’on pouvait suivre, dans des régions ciblées du cerveau, la réponse à des stimulations physiologiques à cadence vidéo. / In the last decades, optogenetic and protein reporter development have given a special place to optical microscopy for in-vivo investigation of biological molecular processes. Our team, “Nano-optics and integrated physiology”, develops optical set-ups to take advantage of these tools on small living animals, in collaboration with neurobiologists. We are particularly interested both in the cellular organization and neural activity involved in the olfactory memory formation in drosophila. Upstream to these investigations, my PhD research aimed at developing a new implementation for wide-field microscopy based on the HiLo concept. The new design took advantage of the micro-mirror array technology (DLP) to structure the illumination. This system can modulate the beam made by a high power LED illumination with high acquisition rates. I characterized this microscope and realized preliminary in-vivo experiments with specific developments made for physiological experiments under the microscope. Thus, I demonstrated both high spatial resolution imaging and a tenfold increase of speed with respect to confocal microscopy. I reached acquisition rates compatible with 3D monitoring of specific neural networks.