title: 2D-Actuated Micromirror Arrays for Smart Windows: Design of Vertically Standing Planar
Mirrors via Localized Stress Compensation, Technological Fabrication, and Experimental
Characterization
Creators: name: Hasan, Md Kamrul
Publisher: name: Universität Kassel
Year: 2024
Subjects: subject: MEMS Smart Windows
subject: Mikrospiegel-Array
subject: Planarisierung
subject: Stresskompensation
subject: aktive Lichtlenkung
subject: maximale Transmission
subject: großflächige Herstellung
subject: Skalierbarkeit
subject: FTO-Ätzen
subject: Torsion-Scharnier
subject: Kippwinkel
subject: Torsionswinkel
subject: MEMS Smart Window
subject: micromirror arrays
subject: planarization
subject: stress compensation
subject: active light steering
subject: maximum transmission
subject: large-area fabrication
subject: process up-scaling
subject: FTO etching
subject: torsion spring-like hinge
subject: tilt angle
subject: torsion angle
classificationCode: 600
subject: 600
classificationCode: MEMS
subject: MEMS
classificationCode: Zweidimensionales Material
subject: Zweidimensionales Material
classificationCode: Fenster
subject: Fenster
classificationCode: Array
subject: Array
classificationCode: Spiegel
subject: Spiegel

description: <p>In this work, an extensive overview on the state-of-the-art daylighting technologies is conducted. Planarization of the micromirror planes via localized stress compensation along with a scalable technological fabrication process and the implementation of 2D actuation in micromirror arrays are presented as a continuation of the research and development in this field.
Due to residual stress of thin metal layers only curled micromirrors could be fabricated prior to this thesis which allows light modulation (behaves only as a daylight shading system) but no efficient light steering. The light steering capacity and maximum transmission are addressed in this work by planarization of the micromirror plane via localized stress compensation. Since several additional process steps are required, process parameters related to deposition, lithography, and lift-off processes are required to be optimized with minimum deviation in the existing technological fabrication process and materials. As a reference, the optimization process (lithography and deposition parameters) of planar micromirror is executed on a 10 cm × 10 cm substrate using Bi-layered Photomask (BLP) process. Due to the limited up-scaling possibility of processes including bi-layered photomasks, a novel fabrication process of planar micromirror based on conventional Single Layer Photomask (SLP) is developed with required process optimizations. In addition, considering the production throughput and the unavailability of large area directional evaporation process for metal deposition leads to the requirement of developing a Double Etching (DE) process that can be upscaled to a real window-size substrate. The experimental characterization of planarized micromirrors is executed to identify the actuation voltage, maximum transmission, and light steering capacity. Finally, the technological fabrication is transferred to a substrate size of 30 cm × 30 cm—a proof of concept towards the large area implementation of micromirror arrays.
The current actuation mechanism of micromirrors (1D actuation) can be actuated only in one direction – towards the substrate (parallel to the substrate) from an open position (90° to the substrate) generating only tilt angles (Φ) while applying a potential difference between the top and bottom electrode. This limits the light steering capacity when the sun position is low in the sky (e.g. early morning and late afternoon for a south-oriented window) and user movement sideways. Therefore, a new concept of micromirror having two degrees of freedom (2D actuation) – tilt Φ and torsion angle θ in actuation is developed to allow daylight guiding throughout the day independent of the sun position in the sky and user movement inside the room. A flexible torsion-like hinge is integrated into the existing micromirror design to achieve free movement of the mirror. The bottom is segregated into two fields to allow variation of electrostatic force by applying potential differences between micromirror and FTO fields. The design and fabrication process parameters (micromirror and FTO) are investigated and detailed. The discussion on the executed experimental characterization of the micromirror with two degrees of freedom to identify the range of torsion angles is presented.</p>
description: <p>In dieser Arbeit wird ein umfassender Überblick über den Stand der Technik in der Tageslichtbeleuchtung gegeben. Die Planarisierung der Mikrospiegelebenen mittels lokaler Spannungskompensation sowie ein skalierbarer technologischer Herstellungsprozess und die Implementierung von 2D-Aktuation in Mikrospiegelarrays werden als Fortsetzung der Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet vorgestellt. Aufgrund von Eigenspannungen der dünnen Metallschichten konnten bisher nur gekrümmte Mikrospiegel hergestellt werden, die keine effiziente Lichtlenkung, sondern nur eine Lichtmodulation ermöglichen. Die Lichtlenkungsfunktionalität und die maximale Transmission werden in dieser Arbeit durch Planarisierung der Mikrospiegelebene mittels lokalisierter Spannungskompensation erreicht. Dafür sind mehrere zusätzliche Prozessschritte erforderlich, und die Prozessparameter bei der Deposition, Lithografie, und dem Lift-Off, mit minimaler Abweichung von den bestehenden technologischen Herstellungsverfahren und Materialien müssen optimiert werden. Als Referenz wird der Optimierungsprozess des planar Mikrospiegels auf einem Substrat (10 cm × 10 cm) unter Verwendung der doppelschichtigen Fotomaske (BLP) durchgeführt. Aufgrund der beschränkten Skalierbarkeit von BLP-Prozessen wird ein neuartiger Herstellungsprozess für planare Mikrospiegel auf der Basis einer Standardfotomaske (SLP) entwickelt. Die Berücksichtigung des Produktionsdurchsatzes und die Nichtverfügbarkeit eines großflächigen gerichteten Verdampfungsprozesses für die Metallabscheidung führt zusätzlich zu der Entwicklung eines Doppelätzprozesses, der für Standardfenstergröße hochskalierbar ist. Die Charakterisierung von planarisierten Mikrospiegeln wird zur Bestimmung der Ansteuerspannung, Transmission und die Lichtlenkung durchgeführt. Schließlich wird die technologische Herstellung auf eine 30 cm × 30 cm-Substratgröße als Proof-of-Concept für die großflächige Herstellung der Mikrospiegel-Arrays übertragen. Der aktuellen Aktuiermechanismus (1D-Aktuation) kann nur in eine Richtung ausgelöst werden—in Richtung des Substrats aus einer offenen Position (90° zum Substrat). Die angelegte Potentialdifferenz führt nur zur Erzeugung von Kippwinkel (Φ). Dadurch wird die Lichtlenkungsfunktionalität eingeschränkt, wenn die Sonne tief steht (z. B. am frühen Morgen und am späten Nachmittag bei einem Fenster mit Südausrichtung) und der Benutzer sich seitlich bewegt. Daher wird ein neues Konzept eines Mikrospiegels mit zwei Freiheitsgraden entwickelt (Neigung Φ und Torsionswinkel θ), das eine Tageslichtlenkung über den ganzen Tag ermöglicht, unabhängig vom Sonnenstand und von der Nutzerbewegung. Ein flexibles torsionsähnliches Scharnier wird im Mikrospiegeldesign integriert, um eine freie Bewegung des Spiegels zu ermöglichen. Die untere Elektrode (FTO-Schicht) wird in zwei Felder aufgeteilt, um eine Variation der elektrostatischen Kraft über die angelegte Potenzialdifferenz zu ermöglichen. Der Entwurf und Herstellungsparameter werden untersucht und detailliert beschrieben. Die Diskussion über die durchgeführte experimentelle Charakterisierung des Mikrospiegels mit zwei Freiheitsgraden zur Ermittlung des Bereichs der Torsionswinkel wird vorgestellt.</p>