CN108027505A - 微机械构件、基于微镜的激光系统以及用于监控基于微镜的激光系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于基于微镜的激光系统的微机械构件，所述微机械构件用于探测入射的激光射束。为此，在微机械构件中，将两个传感器二极管布置在共同的衬底上，其中，两个传感器二极管中的仅一个实施成光电二极管。另外的传感器二极管提供与光入射无关的输出信号。通过比较两个二极管的两个输出信号可以推断出微机械构件中的光入射。

Description

微机械构件、基于微镜的激光系统以及用于监控基于微镜的 激光系统的方法

技术领域

本发明涉及一种微机械构件、以及一种具有微机械构件的基于微镜的激光系统。本发明还涉及一种用于监控基于微镜的激光系统的方法。

背景技术

德国专利申请DE 10 2013 222 585 A1公开一种微型投影机，其具有激光源以及用于偏转激光射束的可运动的微镜。该微型投影机包括激光源，其中，与连续运行中的最大可能功率相比，在脉冲运行中可以以更大功率运行激光。

具有微镜的激光系统被广泛应用于众多领域。在此，将激光偏转到可运动的微机械镜上。该镜与其操控装置共同构成微机电系统(MEMS)。具有高功率等级的激光源也被用于这种激光系统。这可能会带来巨大的潜在危险。因此，必须在运行期间检查激光系统的正常功能能力。在此，尤其应该确保，激光射束不能例如由于壳体的意外损坏而不受控制地射出。此外，应该能够探测通过打开壳体等而造成的激光系统的可能的误用。如果激光系统不能正常运行，则必须中断激光源的运行。

因此，需要一种基于微镜的激光系统，并且尤其需要用于这种激光系统的微机械构件，该微机械构件能够以简单和高效的方式实现功能能力的检查。

发明内容

为此，根据第一方面，本发明提供一种具有独立权利要求1的特征的微机械构件。

因此，本发明提供一种具有微镜、第一传感器二极管以及第二传感器二极管的微机械构件。在此，该微镜与载体衬底耦合。第一传感器二极管设计用于提供第一输出信号，该第一输出信号对应于第一传感器二极管处的温度。第二传感器二极管设计用于提供第二输出信号，该第二输出信号对应于入射到第二传感器二极管上的光强度。在此，第一传感器二极管和第二传感器二极管共同布置在载体衬底中。

根据另一方面，本发明提供一种具有权利要求6的特征的用于监控基于微镜的激光系统的方法。

因此，本发明提供一种用于监控基于微镜的激光系统的方法，该方法具有提供第一输出信号和提供第二输出信号的步骤，该第一输出信号对应于第一传感器二极管处的温度，该第二输出信号对应于入射到第二传感器二极管上的光强度。所述方法还包括用于将第一输出信号与第二输出信号进行比较的步骤，以及用于基于第一输出信号与第二输出信号的比较来求取基于微镜的激光系统的功能故障的步骤。

本发明以及以下构思——通过如下方式校验激光系统的功能：在这种激光系统的微机械构件中，两个传感器二极管布置在共同的载体衬底上。在此，两个传感器二极管中的一个实施成光电二极管，并且提供对应于光入射的输出信号。因此，可以通过该光电二极管探测微机械构件中的可能的光入射。为了在此补偿可能的干扰影响，将光电二极管的输出信号与另一传感器二极管的输出信号进行比较。在此，另一传感器二极管与微机械构件内部的光入射无关，并且提供对应于温度的输出信号。以这种方式，可以补偿光电二极管上的可能的温度影响。因为为了进行温度监控，所述光电二极管和另一二极管被布置在共同的载体衬底上，所以可以实现特别简单和成本有利的结构方式。

通常，用于激光系统的微机械构件已经具有用于温度补偿的二极管。因此，可以以简单的方式将用于光探测的另一二极管补充到这种二极管结构。可以在共同的工作步骤中在共同的载体衬底中实现光电二极管和用于温度检测的另一二极管。

以这种方式，可以实现对微机械构件中的散射光的可靠并且同时非常高效的监控。如果由光电二极管不能在微机械构件中探测到散射光，则由此可以推断出激光系统功能故障。在这种情况下，出于安全性原因可以完全或部分地中断激光系统的进一步运行。

根据另一实施方式，第一传感器二极管包括不透光的覆盖层。通过将不透光的覆盖层施加到第一传感器二极管上，可以使该传感器二极管的输出信号与可能的光入射无关。以这种方式，第一传感器二极管提供与微机械构件中的光入射无关的输出信号。然后，该输出信号一方面可以用于监控微机械构件中的温度，另一方面可以用于补偿光电二极管的输出信号中的可能的干扰影响。

根据另一实施方式，微机械构件包括反射器。该反射器设计用于偏转微机械构件中的光。该反射器尤其可以将微机械构件中的光偏转到第二传感器二极管的方向上。以这种方式，可以增加第二传感器二极管、即光电二极管上的光浓度。因此，该光电二极管可以提供更强的输出信号。

根据另一实施方式，微机械构件的微镜包括开口。在此，该开口布置在微镜的镜面与和镜面相对置的面之间。以这种方式，也可以将由激光源照射到镜面的光引导通过微镜中的开口。因此，也可以将用于光探测的第二传感器二极管布置在微镜后面、即布置在背向微镜的镜面的区域中。

根据另一实施方式，微镜的镜面包括反射元件。在此，微镜的镜面上的该反射元件可以将入射的光偏转到预确定的方向上。如此偏转的光的方向可以与通过镜面的光偏转方向不同。以这种方式，可以通过镜面上的反射元件将光有针对性地偏转到微机械构件的预确定的区域中。然后，如此通过反射元件偏转的光可以通过第二传感器二极管用于探测。

根据另一实施方式，第二传感器二极管布置在载体衬底的与微镜的镜面指向相同方向的一侧上。此外，第一传感器二极管也可以布置在载体衬底的与微镜的镜面指向相同方向的该侧上。因此，可以由第二传感器二极管检测微机械构件中的特别大部分的散射光。

替代地，第二传感器二极管和/或第一传感器二极管可以布置在载体衬底的与微镜的镜面指向相反方向的一侧上。

根据另一实施方式，第一传感器二极管和第二传感器二极管包括共同的掺杂的半导体层。在所述共同的掺杂的半导体层中，随后可以通过引入两个另外的掺杂的半导体区域来实现具有第一传感器二极管和第二传感器二极管的半导体结构。

根据一种替代实施方式，第一传感器二极管和第二传感器二极管可以作为独立的半导体层构造在共同的载体衬底中。

根据另一方面，本发明提供一种基于微镜的激光系统，该激光系统具有激光源、根据本发明的微机械构件以及监控装置。该激光源设计用于提供激光射束。该监控装置设计用于基于由第一传感器二极管提供的第一传感器信号以及由第二传感器二极管提供的第二输出信号来确定基于微镜的激光系统的功能故障。尤其可以通过第一传感器信号与第二传感器信号的比较来实现所述功能故障的确定。在探测到功能故障的情况下，基于微镜的激光系统可以禁用激光源。

根据另一实施方式，基于微镜的激光系统包括调制源。该调制源设计用于提供调制信号。激光源设计用于基于调制信号对所提供的激光射束进行调制。监控装置设计用于基于该调制信号对由第二传感器二极管提供的输出信号进行分析处理。

本发明的其他实施方式和优点从以下参照附图的描述中得出。

附图说明

在此示出：

图1示出根据一种实施方式的基于微镜的激光系统的示意图；

图2-8示出根据不同实施方式的微机械构件的示意图；

图9示出基于一种实施方式的用于监控基于微镜的激光系统的方法的流程图的示意图。

具体实施方式

图1示出根据一种实施方式的基于微镜的激光系统的示意图。在此，激光源2发射激光射束20。随后，激光射束20可以由一个或多个微机械构件1和1′偏转。在此，微机械构件1和1′如此偏转该激光射束，使得例如在荧光屏4上成像预给定的图案。此外，荧光屏4例如也可以用于将激光的波长转换为另一波长的光。例如可以通过合适的操控电子器件来实现对微机械构件的操控。该操控电子器件尤其也可以包括监控设备3，该监控设备检查激光系统的正常状态，并且在探测到功能故障的情况下禁用激光源2。为此，监控装置3例如可以探测照射在微机械构件1中的散射光。只要在微机械构件1中探测到由激光射束20引起的散射光，则可以认为激光系统功能正常，并且激光射束20的射束路径正确地从激光源2延伸直至微机械构件1。相反地，尽管由激光源2发射激光射束20，当如果在微机械构件1中未探测到足够数量的散射光，则存在以下风险：激光射束20的射束路径发生不期望的延伸并且对周围环境可能造成危险。在这种情况下，监控装置3可以禁用激光源2。

在图1中示出的实施例中，在激光射束20的从激光源2出发的射束路径中布置有两个微机械构件1和1′。然而，这仅仅是为了便于理解的示例性实施方式。此外，用于偏转激光射束20的更多或更少的微机械构件1、1′也是可能的。优选地，在一个以上微机械构件1、1′的情况下，探测最后的微机械构件1、1′中的散射光，即以从激光源2出发为基准来看的射束路径的延伸中的最后一个微机械构件中的散射光。

这种基于微镜的激光系统可以使用在任意的应用领域中，其中，应该由微机械构件1实现对激光射束20的偏转。图2示出根据一种实施方式的微机械构件1的示意图。微机械构件1包括微镜10、第一传感器二极管11以及第二传感器二极管12。在此，两个传感器二极管11和12布置在共同的载体衬底13中。在此，载体衬底13例如由硅构成。载体衬底13例如尤其是载体硅、例如可以由p掺杂的硅构成。在载体衬底13中可以引入掺杂的半导体层14。例如可以在p衬底13中引入n掺杂的槽14。在该掺杂的半导体层14中，又可以引入与半导体层14相反掺杂的两个区域。在当前示例中，这两个区域例如可以是p掺杂的。以这种方式，由共同的半导体层14以及具有相反掺杂的两个引入的区域构成两个二极管11和12。替代地，也可以将两个传感器二极管11和12以两个独立掺杂的槽的形式实现在载体衬底13中。如果将两个传感器二极管11和12构造在独立的槽中，则可以由此实现电路结构中的较大灵活性。另一方面，用于两个传感器二极管11和12的共同的槽导致更紧凑的结构和更小的空间需求。

两个二极管11中的一个尤其可以以不透光的覆盖层15覆盖。以这种方式，将两个传感器二极管11和12构造在载体衬底13中，其中，具有覆盖层15的第一传感器二极管11提供与环境光无关的输出信号。相反地，没有覆盖层的第二传感器二极管12提供与入射到第二二极管12上的光相关的输出信号。因此，第二二极管12的输出信号既与环境光相关，也与载体衬底13中的温度相关，而第一传感器二极管11的输出信号由于覆盖层15而仅受到温度效应的影响，并且与散射光无关。

在此，微机械构件1的微镜10可以通过在此未示出的元件与载体衬底13可运动地耦合。微机械构件1的微镜10尤其具有镜面101。由微镜10的镜面101反射照射到微镜10上的光射束20、例如激光源2的激光射束。为了更好地进行保护，微机械构件1可以以透光片16覆盖。

如果以激光射束20加载微机械构件1的微镜10，则在微机械构件1的内部产生散射光，该散射光还照射到第二传感器二极管12上。因此，第二传感器二极管12的输出信号可以实现对微机械构件1的内部空间中的散射光的探测。

通过将第一传感器二极管11的输出信号与第二传感器二极管12的第二输出信号进行比较(该第一传感器二极管由于覆盖层15而提供与散射光无关的输出信号，该第二传感器二极管的输出信号与微机械构件1的内部空间中的散射光相关)，则因此可以确定，激光射束20是否照射到微机械构件1上，并且尤其是否照射到微镜10上。为此，也可以由一个共同的或两个独立的电流源(在此未示出)以外部电流给第一传感器二极管11和第二传感器二极管12供电。如果激光射束20照射到微机械构件1上，并且因此在微机械构件1的内部空间中产生散射光，则在第一传感器二极管11与第二传感器二极管12之间产生电压差。由此可以探测激光射束20。

图3示出根据另一实施方式的微机械构件的示意图。该实施方式与根据图2的实施方式的不同之处在于，第一传感器二极管11和第二传感器二极管12不指向与微镜100的镜面101相同的方向。更确切的说，第一传感器二极管11和第二传感器二极管12指向相反的方向、即指向以微镜10的镜面110为基准来看的相反的方向。在此，微机械构件1在微镜10与载体衬底13以及与微机械构件1的底部之间具有间隙。在该实施方式中，散射光在此可以穿过载体衬底13与微镜10之间的侧向空隙，该散射光穿透到微机械构件1的底部空隙中。然后可以由第二传感器二极管12探测该光。

图4示出微机械构件1的另一实施方式。在此，第一传感器二极管11和第二传感器二极管12布置在载体衬底13的相对置的侧上。在此，第一传感器二极管11指向以微镜10的镜面101为基准来看的相反的方向，而第二传感器二极管12指向相同的方向，其中，镜面101布置在微镜10上。因此，与可以通过第一传感器二极管11的检测相比，通过第二传感器二极管12检测到散射光的显著较大的部分。如果现在激光射束20照射到微机械构件1的微镜10上，则在该实施方式中，第一传感器二极管11和第二传感器二极管12也提供不同大小的输出信号。因此，可以探测激光射束20的入射。

图5示出微机械构件1的另一实施方式。该实施方式与根据图2的实施方式的不同之处在于：在微镜10的镜面101上布置有反射元件17。反射元件17优选小于激光射束20的直径。反射元件17尤其可以具有仅几毫米的宽度。在此，反射元件17可以将激光射束20的一部分偏转到微机械构件1的预确定的区域上。在微机械构件1的所述预确定的区域中，要么可以布置有用于探测光信号的第二传感器二极管12。替代地，在该预确定的区域中——反射元件17将激光射束20的一部分偏转到该区域中，也可以布置有反射器18。然后反射器18可以将激光射束20的由反射元件17所偏转的光偏转到第二传感器二极管12的方向上。替代地，反射器18也可以将微机械构件1的内部空间中的散射光偏转到第二传感器二极管12上。在此，反射器18必要时也可以如此构型，使得该反射器将光聚焦到第二传感器二极管12上。

图6示出微机械构件的另一实施方式。在此，根据图6的微机械构件与根据图3的实施方式的不同之处在于：在微机械构件1的下部区域中、即在背向微镜10的镜面101的区域中布置有一个或多个反射器18a、18b。反射器18a、18b可以将通过载体衬底13与微镜10之间的空隙穿透到微机械构件1的底部区域中的散射光进一步偏转到第二传感器二极管12上。在此，这种镜面18a、18b例如可以特别简单地通过湿法化学蚀刻、例如借助氢氧化钾(KOH)溶液在硅晶片中的蚀刻、或其他的合适的方式制成。

图7示出微机械构件1的另一实施方式。该实施方式在很大程度上相应于根据之前所述的图6的实施方式。此外，在该实施方式中，微镜1具有开口19。开口19使微镜10的布置有镜面101的上侧与微镜10的与镜面101相对置的底侧连接。以这种方式，来自激光射束20的一部分光可以穿过开口19，并且到达微机械构件1的底部区域。然后，必要时可以通过一个或多个反射器18a、18b将激光射束20的穿过开口19的光引导到第二传感器二极管12上。替代地，第二传感器二极管12也可以在没有其他反射器18a、18b的情况下仅检测通过开口19穿透到底部区域中的散射光。

最后，图8示出用于微机械构件1的另一实施例。根据该图的实施例与之前的图7的实施例的不同之处在于，第二传感器二极管12在微镜10下方直接布置在微镜10的开口19的延伸处。以这种方式，激光射束20的通过开口19穿透的光可以直接照射到第二传感器二极管12上。

替代地，也可设想的是，将第二传感器二极管12在微机械构件1的下部区域中布置在微镜10与载体衬底13之间的空隙的直接延伸处。

必要时，在第一传感器二极管11和第二传感器二极管12布置在微机械构件1的下部区域中的实施方式中，如果第二传感器二极管12布置在接收高份额的散射光的位置中，而第一传感器二极管11仅接收较小份额的散射光，则也可以省去第一传感器二极管1的覆盖15。这例如可以通过如下方式实现：将第二传感器二极管12直接布置在微镜10中的开口19的下方，或布置在微镜10与载体衬底13之间的空隙中的相应位置处，而将第一传感器二极管11布置在该位置旁边。

在此，基于微镜的激光系统的监控装置3例如可以同时检测第一传感器二极管11和第二二极管传感器12的输出信号并且将它们进行比较。如果第一传感器二极管11的传感器信号与第二传感器二极管12的传感器信号之间的差超过预给定的阈值，则监控装置3确定，激光射束20也照射到微机械构件1上。否则，可以探测到激光射束20缺失。

替代地，也可以实现，例如由共同的电流源(在此未示出)给第一传感器二极管11和第二传感器二极管12交替供电。以这种方式可以确保，基于构件公差，在对两个传感器二极管11和12的供电中不会产生显著的偏差。在这种情况下，监控装置3可以依次检测第一传感器二极管11和第二传感器二极管12的传感器信号，并且随后也对所述两个传感器信号之间的差进行分析处理。

此外还可以实现，基于调制信号对由激光源2发射的激光射束20进行调制。该调制信号例如可以由监控装置3中的调制源提供。然而，用于调制激光射束20的其他可能性也是可能的。在这种情况下，监控装置3也可以基于相应的调制信号实施对第二传感器二极管12的传感器信号的分析处理。

在此，第一传感器二极管11和第二传感器二极管12例如可以具有相同的二极管面积，使得在相同供电的情况下，两个二极管11和12在不照明的状态下提供几乎相同的输出电压。替代地还可以实现，与用于探测温度的第一传感器二极管11相比，将用于探测光的第二传感器二极管12的尺寸设定得更大。由于这种非对称性，在不照明状态中，第二传感器二极管12的正向电压较低。通过照射第二传感器二极管12，第二传感器二极管12的正向电压增加，因此，第二传感器二极管12的电压信号大于第一传感器二极管11的电压信号。以这种方式，可以通过简单的比较电路来探测在微机械构件1上是否存在激光射束20。

最后，图9示出基于根据一种实施方式的用于监控基于微镜的激光系统的方法的流程图的示意图。在步骤S1中，提供第一输出信号，该第一输出信号对应于第一传感器二极管处的温度。在步骤S2中，提供第二输出信号，该第二输出信号对应于照射到第二传感器二极管上的光强度。在步骤S3中，将第一输出信号与第二输出信号进行比较。在此，步骤S1至S3、即提供两个输出信号和比较两个输出信号尤其可以同时进行。然后在步骤S4中可以求取基于微镜的激光系统的功能故障。在此，所述求取基于第一输出信号与第二输出信号的比较。如果第二传感器二极管的输出信号由于入射的光强度大于第一传感器二极管的输出信号，则尤其可以确定，该基于微镜的激光系统是功能正常的。

总之，本发明涉及一种用于基于微镜的激光系统的微机械构件，该微机械构件用于探测入射的激光射束。为此，在微机械构件中，将两个传感器二极管布置在共同的衬底上，其中，两个传感器二极管中的仅一个实施成光电二极管。另外的传感器二极管提供与光入射无关的输出信号。通过比较两个二极管的两个输出信号可以推断出微机械构件中的光入射。

Claims (11)

1.一种微机械构件(1)，其具有：

微镜(10)，其与载体衬底(13)耦合；

第一传感器二极管(11)，其设计用于提供第一输出信号，所述第一输出信号对应于所述第一传感器二极管(11)处的温度；

第二传感器二极管(12)，其设计用于提供第二输出信号，所述第二输出信号对应于入射到所述第二传感器二极管(12)上的光强度；

其中，所述第一传感器二极管(11)和所述第二传感器二极管(12)布置在所述载体衬底(13)中。

2.根据权利要求1所述的微机械构件(1)，其中，所述第一传感器二极管(11)包括不透光的覆盖层(15)。

3.根据权利要求1或2所述的微机械构件(1)，其具有反射器(18，18a，18b)，所述反射器设计用于将所述微机械构件(1)中的光偏转到所述第二传感器二极管(12)的方向上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的微机械构件(1)，其中，所述微镜(10)包括开口(19)，所述开口处于所述微镜(10)的镜面(101)与和所述镜面(101)相对置的面之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的微机械构件(1)，其中，所述微镜(10)包括反射元件(18)，所述反射元件布置在所述微镜(10)的镜面(101)上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的微机械构件(1)，其中，所述第二传感器二极管(12)布置在所述载体衬底(13)的与所述微镜(10)的镜面(101)指向相同方向的一侧上。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的微机械构件(1)，其中，所述第一传感器二极管(11)和所述第二传感器二极管(12)包括共同的掺杂的半导体层(14)。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的微机械构件(1)，其中，所述第一传感器二极管(11)和所述第二传感器二极管(12)在共同载体衬底(13)中包括独立的半导体层。

9.一种基于微镜的激光系统，其具有：

激光源(20)，其设计用于提供激光射束(20)；

根据权利要求1至8中任一项所述的微机械构件(1)；

监控装置(3)，其设计用于基于由所述第一传感器二极管(11)提供的第一传感器信号(11)以及由所述第二传感器二极管(12)提供的第二输出信号确定所述基于微镜的激光系统的功能故障。

10.根据权利要求9所述的基于微镜的激光系统，其具有调制源，所述调制源设计用于提供调制信号，其中，所述激光源(2)设计用于基于所述调制信号对所提供的激光射束(20)进行调制，其中，所述监控装置(3)设计用于基于所述调制信号对由所述第二传感器二极管(12)提供的第二输出信号进行分析处理。

11.一种用于监控基于微镜的激光系统的方法，所述方法具有以下步骤：

提供(S1)第一输出信号，所述第一输出信号对应于第一传感器二极管处的温度；

提供(S2)第二输出信号，所述第二输出信号对应于入射到第二传感器二极管上的光强度；

将所述第一输出信号与所述第二输出信号进行比较(S3)；

基于所述第一输出信号与所述第二输出信号的比较求取(S4)所述基于微镜的激光系统的功能故障。