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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement, sowie ein Mikrospiegel-basiertes Lasersystem mit einem mikromechanischen Bauelement. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Überwachung eines Mikrospiegel-basierten Lasersystems.
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Stand der Technik
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Die Deutsche Patentanmeldung
DE 10 2013 222 585 A1 offenbart einen Mikroprojektor mit einer Laserlichtquelle und einem beweglichen Mikrospiegel zur Ablenkung eines Laserstrahls. Der Mikroprojektor umfasst eine Laserlichtquelle, wobei ein Laser in einem Pulsbetrieb mit einer Leistung betrieben werden kann, die größer ist als die größtmögliche Leistung in einem Dauer-Betrieb.
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Lasersysteme mit Mikrospiegeln finden in zahlreichen Einsatzgebieten Anwendung. Dabei wird ein Laser auf einen beweglichen mikromechanischen Spiegel gelenkt. Dieser Spiegel stellt zusammen mit seiner Ansteuerung ein mikroelektromechanisches System (MEMS) dar. Für derartige Lasersysteme werden unter anderem auch Laserquellen mit hohen Leistungsklassen eingesetzt. Diese können ein großes Gefahrenpotential darstellen. Daher muss die ordnungsgemäße Funktionsfähigkeit des Lasersystems während des Betriebs überprüft werden. Insbesondere soll dabei sichergestellt werden, dass beispielsweise aufgrund einer unfallbedingten Zerstörung des Gehäuses ein Laserstrahl nicht unkontrolliert austreten kann. Ferner soll auch eine mögliche Zweckentfremdung des Lasersystems durch Öffnen des Gehäuses oder ähnliches detektiert werden können. Ist kein ordnungsgemäßer Betrieb eines Lasersystems möglich, so muss der Betrieb der Laserquelle unterbunden werden.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einem Mikrospiegel-basierten Lasersystem und insbesondere einem mikromechanischen Bauelement für ein solches Lasersystem, das auf einfache und effiziente Weise eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Hierzu schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein mikromechanisches Bauelement mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein mikromechanisches Bauelement mit einem Mikrospiegel, einer ersten Sensordiode und einer zweiten Sensordiode. Der Mikrospiegel ist dabei mit einem Trägersubstrat gekoppelt. Die erste Sensordiode ist dazu ausgelegt, ein erstes Ausgangssignal bereitzustellen, das zu einer Temperatur an der ersten Sensordiode korrespondiert. Die zweite Sensordiode ist dazu ausgelegt, ein zweites Ausgangssignal bereitzustellen, das zu einer Lichtintensität korrespondiert, die auf die zweite Sensordiode einfällt. Die erste Sensordiode und die zweite Sensordiode sind dabei gemeinsam in dem Trägersubstrat angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Mikrospiegel-basierten Lasersystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
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Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Mikrospiegel-basierten Lasersystems mit den Schritten des Bereitstellens eines ersten Ausgangssignals, das zu einer Temperatur an einer ersten Sensordiode korrespondiert und des Bereitstellens eines zweiten Ausgangssignals, das zu einer auf eine zweite Sensordiode einfallenden Lichtintensität korrespondiert. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt zum Vergleichen des ersten Ausgangssignals mit dem zweiten Ausgangssignal, und einen Schritt zum Ermitteln einer Fehlfunktion des Mikrospiegel-basierten Lasersystems basierend auf dem Vergleich des ersten Ausgangssignals mit dem zweiten Ausgangssignal.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Funktionsfähigkeit eines Lasersystems dadurch zu verifizieren, dass in einem mikromechanischen Bauelement eines solchen Lasersystems zwei Sensordioden auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sind. Eine der beiden Sensordioden ist dabei als Photodiode ausgeführt und stellt ein Ausgangssignal bereit, das zu einem Lichteinfall korrespondiert. Somit kann durch diese Photodiode ein möglicher Lichteinfall in dem mikromechanischen Bauelement detektiert werden. Um dabei mögliche Störeinflüsse zu kompensieren, wird das Ausgangssignal der Photodiode mit einem Ausgangssignal einer weiteren Sensordiode verglichen. Die weitere Sensordiode ist dabei von einem Lichteinfall innerhalb des mikromechanischen Bauelements unabhängig und liefert ein zu einer Temperatur korrespondierendes Ausgangssignal. Auf diese Weise können mögliche Temperatureinflüsse an der Photodiode kompensiert werden. Da die Photodiode und die weitere Diode zur Temperaturüberwachung auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sind, kann eine besonders einfache und kostengünstige Bauweise realisiert werden.
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In der Regel verfügen mikromechanische Bauelemente für Lasersysteme bereits über eine Diode zur Temperaturkompensation. Daher kann diese Diodenstruktur auf einfache Weise um eine weitere Diode zur Lichtdetektion ergänzt werden. Photodiode und weitere Diode zur Temperaturerfassung können in einem gemeinsamen Arbeitsschritt auf einem gemeinsamen Trägersubstrat realisiert werden.
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Auf diese Weise kann eine zuverlässige und gleichzeitig sehr effiziente Überwachung des Streulichts in dem mikromechanischen Bauelement erreicht werden. Kann in dem mikromechanischen Bauelement durch die Photodiode kein Streulicht detektiert werden, so kann hieraus auf eine Fehlfunktion des Lasersystems geschlossen werden. In einem solchen Fall kann der weitere Betrieb des Lasersystems aus Sicherheitsgründen ganz oder teilweise unterbunden werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die erste Sensordiode eine lichtundurchlässige Abdeckschicht. Durch Anbringen einer lichtundurchlässigen Abdeckschicht auf der ersten Sensordiode, kann das Ausgangssignal dieser Sensordiode gegen einen möglichen Lichteinfall unabhängig gemacht werden. Auf diese Weise liefert die erste Sensordiode ein von dem Lichteinfall innerhalb des mikromechanischen Bauelements unabhängiges Ausgangssignal. Dieses Ausgangssignal kann daraufhin einerseits zur Überwachung der Temperatur in dem mikromechanischen Bauelement und andererseits zur Kompensation möglicher Störeinflüsse in dem Ausgangssignal der Photodiode verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das mikromechanische Bauelement einen Reflektor. Der Reflektor ist dazu ausgelegt, Licht in dem mikromechanischen Bauelement abzulenken. Insbesondere kann der Reflektor das Licht in dem mikromechanischen Bauelement in die Richtung der zweiten Sensordiode ablenken. Auf diese Weise kann die Lichtkonzentration an der zweiten Sensordiode, also der Photodiode, erhöht werden. Somit kann die Photodiode ein stärkeres Ausgangssignal liefern.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Mikrospiegel des mikromechanischen Bauelements eine Öffnung. Die Öffnung ist dabei zwischen einer Spiegelfläche des Mikrospiegels und einer der Spiegelfläche gegenüberliegenden Fläche angeordnet. Auf diese Weise kann Licht von einer Laserquelle, das auf die Spiegelfläche auftrifft, auch durch die Öffnung in dem Mikrospiegel hindurchgeleitet werden. Somit ist es auch möglich, die zweite Sensordiode zur Lichtdetektion hinter dem Mikrospiegel, also in einem von der Spiegelfläche des Mikrospiegels abgewandten Bereich, anzuordnen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Spiegelfläche des Mikrospiegels ein Reflexionselement. Das Reflexionselement auf der Spiegelfläche des Mikrospiegels kann dabei einfallendes Licht in eine vorbestimmte Richtung ablenken. Die Richtung des so abgelenkten Lichts kann sich von der Richtung der Lichtablenkung durch die Spiegelfläche unterscheiden. Auf diese Weise kann Licht durch das Reflexionselement auf der Spiegelfläche gezielt auf einen vorbestimmten Bereich des mikromechanischen Bauelements abgelenkt werden. Das so durch das Reflexionselement abgelenkte Licht kann daraufhin zur Detektion durch die zweite Sensordiode genutzt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Sensordiode auf einer Seite des Trägersubstrats angeordnet, das in die gleiche Richtung weist, wie eine Spiegelfläche des Mikrospiegels. Weiterhin kann auch die erste Sensordiode ebenfalls auf dieser Seite des Trägersubstrats angeordnet sein, die in die gleiche Richtung weist, wie die Spiegelfläche des Mikrospiegels. Somit kann ein besonders großer Teil des Streulichts in dem mikromechanischen Bauelement durch die zweite Sensordiode erfasst werden.
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Alternativ können auch die zweite Sensordiode und/oder die erste Sensordiode, auf einer Seite des Trägersubstrats angeordnet sein, die in die gegenüberliegende Richtung weist, wie die Spiegelfläche des Mikrospiegels.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die erste Sensordiode und die zweite Sensordiode eine gemeinsame dotierte Halbleiterschicht. In dieser gemeinsamen dotierten Halbleiterschicht kann daraufhin durch Einbringen von zwei weiteren dotierten Halbleiterbereichen eine Halbleiterstruktur mit einer ersten Sensordiode und einer zweiten Sensordiode realisiert werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform können die erste Sensordiode und die zweite Sensordiode als separate Halbleiterschichten in einem gemeinsamen Trägersubstrat ausgebildet sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Mikrospiegel-basiertes Lasersystem mit einer Laserquelle, einem erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelement und einer Überwachungseinrichtung. Die Laserquelle ist dazu ausgelegt, einen Laserstrahl bereitzustellen. Die Überwachungseinrichtung ist dazu ausgelegt, basierend auf dem von der ersten Sensordiode bereitgestellten ersten Sensorsignal und dem von der zweiten Sensordiode bereitgestellten zweiten Ausgangssignal eine Fehlfunktion des Mikrospiegel-basierten Lasersystems zu bestimmen. Insbesondere kann die Fehlfunktion durch Vergleich des ersten Sensorsignals mit dem zweiten Sensorsignal erfolgen. Bei Detektion einer Fehlfunktion kann das Mikrospiegel-basierte Lasersystem die Laserquelle deaktivieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Mikrospiegel-basierte Lasersystem eine Modulationsquelle. Die Modulationsquelle ist dazu ausgelegt, ein Modulationssignal bereitzustellen. Die Laserquelle ist dazu ausgelegt, den bereitgestellten Laserstrahl basierten auf dem Modulationssignal zu modulieren. Die Überwachungseinrichtung ist dazu ausgelegt, das von der zweiten Sensordiode bereitgestellte Ausgangssignal basierend auf dem Modulationssignal auszuwerten.
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Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Dabei zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines Mikrospiegel-basierten Lasersystems gemäß einer Ausführungsform;
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2–8: schematische Darstellungen mikromechanischer Bauelemente gemäß verschiedener Ausführungsformen; und
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9: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für ein Verfahren zur Überwachung eines Mikrospiegel-basierten Lasersystems, wie es einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikrospiegel-basierten Lasersystems gemäß einer Ausführungsform. Eine Laserquelle 2 emittiert dabei einen Laserstrahl 20. Der Laserstrahl 20 kann daraufhin von einem oder mehreren mikromechanischen Bauelementen 1 und 1’ abgelenkt werden. Die mikromechanischen Bauelemente 1 und 1’ lenken den Laserstrahl dabei derart ab, dass beispielsweise auf einem Leuchtstoffschirm 4 ein vorgegebenes Muster abgebildet wird. Der Leuchtstoffschirm 4 kann darüber hinaus auch beispielsweise zur Konversion der Wellenlänge des Laserlichts in Licht einer anderen Wellenlänge dienen. Die Ansteuerung der mikromechanischen Bauelemente kann beispielsweise über eine geeignete Ansteuerelektronik erfolgen. Insbesondere kann diese Ansteuerelektronik auch eine Überwachungsvorrichtung 3 umfassen, die den ordnungsgemäßen Zustand des Lasersystems überprüft und bei der Detektion einer Fehlfunktion die Laserquelle 2 deaktiviert. Hierzu kann die Überwachungseinrichtung 3 beispielsweise das in dem mikromechanischen Bauelement 1 auftretende Streulicht detektieren. Solange in dem mikromechanischen Bauelement 1 Streulicht durch den Laserstrahl 20 detektiert wird, kann davon ausgegangen werden, dass das Lasersystem intakt ist und der Strahlengang des Laserstrahls 20 von der Laserquelle 2 bis zu dem mikromechanischen Bauelement 1 richtig verläuft. Wird dagegen in dem mikromechanischen Bauelement 1 keine ausreichende Menge von Streulicht detektiert, obwohl durch die Laserquelle 2 ein Laserstrahl 20 emittiert wird, so besteht die Gefahr, dass der Strahlengang des Laserstrahls 20 einen unerwünschten Verlauf nimmt und eine mögliche Gefahr für die Umgebung darstellt. In diesem Fall kann die Überwachungseinrichtung 3 die Laserquelle 2 deaktivieren.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in dem Strahlengang des Laserstrahls 20 von der Laserquelle 2 zwei mikromechanische Bauelemente 1 und 1’ angeordnet. Dies stellt jedoch nur eine exemplarische Ausführungsform zum besseren Verständnis dar. Darüber hinaus sind auch mehr oder weniger mikromechanische Bauelemente 1, 1’ zur Ablenkung des Laserstrahls 20 möglich. Vorzugsweise wird bei mehr als einem mikromechanischen Bauelement 1, 1’ das Streulicht in dem letzten mikromechanischen Bauelement 1, 1’ detektiert, das heißt in demjenigen Bauelement, das im Verlauf des Strahlengangs von der Laserquelle 2 aus gesehen das letzte mikromechanische Bauelement darstellt.
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Derartige Mikrospiegel-basierte Lasersysteme können in beliebigen Anwendungsgebieten eingesetzt werden, bei denen eine Ablenkung eines Laserstrahls 20 durch ein mikromechanisches Bauelement 1 erfolgen soll. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß einer Ausführungsform. Das mikromechanische Bauelement 1 umfasst einen Mikrospiegel 10, eine erste Sensordiode 11 und eine zweite Sensordiode 12. Die beiden Sensordioden 11 und 12 sind dabei in einem gemeinsamen Trägersubstrat 13 angeordnet. Dabei kann das Trägersubstrat 13 beispielsweise aus Silizium gebildet werden. Insbesondere ist zum Beispiel das Trägersubstrat 13 ein Trägersilizium, zum Beispiel aus p-dotiertem Silizium möglich. In dieses Trägersubstrat 13 kann eine dotierte Halbleiterschicht 14 eingelassen sein. Beispielsweise kann in ein p-Substrat 13 eine n-dotierte Wanne 14 eingelassen sein. In diese dotierte Halbleiterschicht 14 wiederum können zwei entgegengesetzt zu der Halbleiterschicht 14 dotierte Bereiche eingelassen werden. In dem vorliegenden Beispiel können diese beiden Bereiche beispielsweise p-dotiert werden. Auf diese Weise wird durch die gemeinsame Halbleiterschicht 14 und die beiden eingelassenen Bereiche mit entgegengesetzter Dotierung zwei Dioden 11 und 12 gebildet. Alternativ ist es auch möglich, die beiden Sensordioden 11 und 12 in Form von zwei separaten dotierten Wannen in dem Trägersubstrat 13 zu realisieren. Werden die beiden Sensordioden 11 und 12 in getrennten Wannen ausgebildet, so kann hierdurch eine größere Flexibilität beim Schaltungsaufbau erreicht werden. Andererseits führt eine gemeinsame Wanne für die beiden Sensordioden 11 und 12 zu einem kompakteren Aufbau und geringerem Platzbedarf.
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Eine dieser beiden Dioden 11 kann insbesondere mit einer lichtundurchlässigen Abdeckschicht 15 überdeckt werden. Auf diese Weise werden in dem Trägersubstrat 13 zwei Sensordioden 11 und 12 gebildet, wobei eine erste Sensordiode 11 mit der Abdeckschicht 15 ein von dem Umgebungslicht unabhängiges Ausgangssignal bereitstellt. Die zweite Sensordiode 12 ohne Abdeckschicht dagegen stellt ein zweites Ausgangssignal bereit, das von dem auf die zweite Diode 12 einfallenden Licht abhängiges Ausgangssignal bereitstellt. Das Ausgangssignal der zweiten Diode 12 ist somit sowohl von dem Umgebungslicht, als auch von der Temperatur in dem Trägersubstrat 13 abhängig, während das Ausgangssignal der ersten Sensordiode 11 aufgrund der Abdeckschicht 15 nur von einem Temperatureffekt beeinflusst wird und nicht vom Streulicht abhängt.
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Der Mikrospiegel 10 des mikromechanischen Bauelements 1 kann dabei über hier nicht dargestellte Elemente mit dem Trägersubstrat 13 beweglich gekoppelt sein. Insbesondere weist der Mikrospiegel 10 des mikromechanischen Bauelements 1 eine Spiegelfläche 101 auf. Ein auf den Mikrospiegel 10 auftreffender Lichtstrahl 20, beispielsweise der Laserstrahl der Laserquelle 2, wird von der Spiegelfläche 101 des Mikrospiegels 10 reflektiert. Zum besseren Schutz kann das mikromechanische Bauelement 1 mit einer lichtdurchlässigen Scheibe 16 abgedeckt sein.
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Wird der Mikrospiegel 10 des mikromechanischen Bauelements 1 mit dem Laserstrahl 20 beaufschlagt, so entsteht im Inneren des mikromechanischen Bauelements 1 Streulicht, das unter anderem auch auf die zweite Sensordiode 12 auftritt. Das Ausgangssignal der zweiten Sensordiode 12 ermöglicht somit eine Detektion des Streulichts im Innenraum des mikromechanischen Bauelements 1.
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Durch den Vergleich der beiden Ausgangssignale von der ersten Sensordiode 11, die aufgrund der Abdeckschicht 15 ein von dem Streulicht unabhängiges Ausgangssignal liefert mit dem zweiten Ausgangssignal der zweiten Sensordiode 12, deren Ausgangssignal von dem Streulicht im Innenraum des mikromechanischen Bauelements 1 abhängt, kann somit festgestellt werden, ob der Laserstrahl 20 auf das mikromechanische Bauelement 1 und insbesondere auf den Mikrospiegel 10 auftritt. Hierzu können die erste Sensordiode 11 und die zweite Sensordiode 12 auch von einer gemeinsamen oder zwei separaten Stromquellen (hier nicht dargestellt) mit einem externen elektrischen Strom bestromt werden. Trifft der Laserstrahl 20 auf das mikromechanische Bauelement 1 und erzeugt somit im Innenraum des mikromechanischen Bauelements 1 Streulicht, so stellt sich zwischen der ersten Sensordiode 11 und der zweiten Sensordiode 12 eine Spannungsdifferenz ein. Hierdurch kann der Laserstrahl 20 detektiert werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 2 darin, dass die erste Sensordiode 11 und die zweite Sensordiode 12 nicht in die gleiche Richtung weisen, wie die Spiegelfläche 101 des Mikrospiegels 100. Vielmehr weisen die erste Sensordiode 11 und die zweite Sensordiode 12 in die entgegengesetzte Richtung, das heißt in die bezüglich der Spiegelfläche 110 des Mikrospiegels 10 gesehen entgegengesetzte Richtung. Dabei weist das mikromechanische Bauelement 1 zwischen dem Mikrospiegel 10 und dem Trägersubstrat 13 und einem Boden des mikromechanischen Bauelements 1 einen Zwischenraum auf. Durch die seitlichen Spalte zwischen dem Trägersubstrat 13 und dem Mikrospiegel 10 kann dabei in dieser Ausführungsform Streulicht hindurchdringen, das in den unteren Spalt des mikromechanischen Bauelements 1 dringt. Dieses Licht kann daraufhin von der zweiten Sensordiode 12 detektiert werden.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines mikromechanischen Bauelements 1. Dabei sind die erste Sensordiode 11 und die zweite Sensordiode 12 auf gegenüberliegenden Seiten des Trägersubstrats 13 angeordnet. Die erste Sensordiode 11 weist dabei in bezüglich der Spiegelfläche 101 des Mikrospiegels 10 gesehen entgegengesetzte Richtung, während die zweite Sensordiode 12 in die gleiche Richtung weist, in der die Spiegelfläche 101 auf dem Mikrospiegel 10 angeordnet ist. Somit wird durch die zweite Sensordiode 12 ein wesentlich größerer Anteil des Streulichts erfasst, als dieser durch die erste Sensordiode 11 erfasst werden kann. Trifft nun der Laserstrahl 20 auf den Mikrospiegel 10 des mikromechanischen Bauelements 1, so stellen auch in dieser Ausführungsform die erste Sensordiode 11 und die zweite Sensordiode 12 verschieden große Ausgangssignale bereit. Somit kann ein Einfall des Laserstrahls 20 detektiert werden.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines mikromechanischen Bauelements 1. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 2 dahingehend, dass auf der Spiegelfläche 101 des Mikrospiegels 10 ein Reflexionselement 17 angeordnet ist. Dieses Reflexionselement 17 ist vorzugsweise kleiner als der Durchmesser des Laserstrahls 20. Insbesondere kann das Reflexionselement 17 eine Breite von nur wenigen Mikrometern aufweisen. Das Reflexionselement 17 kann dabei einen Teil des Laserstrahls 20 auf einen vorbestimmten Bereich des mikromechanischen Bauelements 1 ablenken. In diesem vorbestimmten Bereich des mikromechanischen Bauelements 1 kann entweder die zweite Sensordiode 12 zur Detektion des Lichtsignals angeordnet sein. Alternativ kann in dem vorbestimmten Bereich, auf den das Reflexionselement 17 einen Teil des Laserstrahls 20 ablenkt, auch ein Reflektor 18 angeordnet sein. Dieser Reflektor 18 kann daraufhin das von dem Reflexionselement 17 abgelenkte Licht des Laserstrahls 20 in Richtung der zweiten Sensordiode 12 ablenken. Alternativ kann der Reflektor 18 auch das Streulicht im Innenraum des mikromechanischen Bauelements 1 auf die zweite Sensordiode 12 ablenken. Der Reflektor 18 kann dabei gegebenenfalls auch derart ausgestaltet sein, dass er das Licht auf die zweite Sensordiode 12 fokussiert.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines mikromechanischen Bauelements. Das mikromechanische Bauelement gemäß 6 unterscheidet sich dabei von der Ausführungsform gemäß 3 dahingehend, dass in dem unteren Bereich des mikromechanischen Bauelements 1, also in dem Bereich, der von der Spiegelfläche 101 des Mikrospiegels 10 abgewandt ist, ein oder mehrere Reflektoren 18a, 18b angeordnet sind. Diese Reflektoren 18a, 18b können Streulicht, das durch einen Spalt zwischen Trägersubstrat 13 und Mikrospiegel 10 in den unteren Bereich des mikromechanischen Bauelements 1 dringt, weiter auf die zweite Sensordiode 12 abgelenkt wird. Derartige Spiegelflächen 18a, 18b können dabei beispielsweise besonders einfach durch Nasschemisches Ätzen, wie zum Beispiel Ätzen mit einer Kaliumhydroxid (KOH) Lösung in einem Siliziumwafer oder eine geeignete andere Weise hergestellt werden.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines mikromechanischen Bauelements 1. Diese Ausführungsform entspricht weitestgehend der Ausführungsform gemäß der zuvor beschriebenen 6. Darüber hinaus weist der Mikrospiegel 1 in diesem Ausführungsbeispiel eine Öffnung 19 auf. Diese Öffnung 19 verbindet die Oberseite des Mikrospiegels 10, auf der die Spiegelfläche 101 angeordnet ist, mit der der Spiegelfläche 101 gegenüberliegenden Unterseite des Mikrospiegels 10. Auf diese Weise kann ein Teil des Lichts von dem Laserstrahl 20 durch die Öffnung 19 hindurchdringen und den unteren Bereich des mikromechanischen Bauelements 1 erreichen. Das durch die Öffnung 19 hindurchdringende Licht des Laserstrahls 20 kann daraufhin gegebenenfalls über einen oder mehrere Reflektoren 18a, 18b auf die zweite Sensordiode 12 geleitet werden. Alternativ kann die zweite Sensordiode 12 auch nur das durch diese Öffnung 19 in den unteren Bereich dringende Streulicht ohne weitere Reflektoren 18a, 18b erfassen.
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8 zeigt schließlich ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein mikromechanisches Bauelement 1. Das Ausführungsbeispiel gemäß dieser Figur unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der vorausgegangenen 7 dahingehend, dass die zweite Sensordiode 12 unterhalb des Mikrospiegels 10 in direkter Fortführung der Öffnung 19 in dem Mikrospiegel 10 angeordnet ist. Auf diese Weise kann das durch die Öffnung 19 dringende Licht des Laserstrahls 20 direkt auf die zweite Sensordiode 12 treffen.
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Alternativ ist es auch denkbar, die zweite Sensordiode 12 in direkter Fortführung eines Spalts zwischen dem Mikrospiegel 10 und dem Trägersubstrat 13 im unteren Bereich des mikromechanischen Bauelements 1 anzuordnen.
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Gegebenenfalls kann bei den Ausführungsformen, bei denen die erste Sensordiode 11 und die zweite Sensordiode 12 im unteren Bereich des mikromechanischen Bauelements 1 angeordnet sind auch die Abdeckung 15 der ersten Sensordiode 1 entfallen, wenn die zweite Sensordiode 12 an einer Position angeordnet ist, die einen hohen Anteil von Streulicht empfängt, während die erste Sensordiode 11 nur einen geringeren Anteil von Streulicht empfängt. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die zweite Sensordiode 12 direkt unterhalb der Öffnung 19 in dem Mikrospiegel 10 oder an einer entsprechenden Position eines Spalts zwischen Mikrospiegel 10 und Trägersubstrat 13 angeordnet ist, während die erste Sensordiode 11 abseits hiervon angeordnet wird.
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Die Überwachungseinrichtung 3 des Mikrospiegel-basierten Lasersystems kann dabei beispielsweise die Ausgangssignale der ersten Sensordiode 11 und der zweiten Sensordiode 12 gleichzeitig erfassen und miteinander vergleichen. Überschreitet die Differenz zwischen dem Sensorsignal und der ersten Sensordiode 11 und der zweiten Sensordiode 12 einen vorgegebenen Schwellwert, so stellt die Überwachungseinrichtung 3 fest, dass ein Laserstrahl 20 auch das mikromechanische Bauelement 1 trifft. Andernfalls kann das Fehlen eines Laserstrahls 20 detektiert werden.
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Alternativ ist es auch möglich, dass beispielsweise die erste Sensordiode 11 und die zweite Sensordiode 12 alternierend von einer gemeinsamen Stromquelle (hier nicht dargestellt) bestromt werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass aufgrund von Bauteiltoleranzen keine signifikanten Abweichungen in der Bestromung der beiden Sensordioden 11 und 12 auftreten. Die Überwachungseinrichtung 3 kann in diesem Fall nacheinander das Sensorsignal von der ersten Sensordiode 11 und der zweiten Sensordiode 12 erfassen und daraufhin ebenfalls eine Differenz zwischen den beiden Sensorsignalen auswerten.
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Weiterhin ist es auch möglich, dass der von der Laserquelle 2 emittierte Laserstrahl 20 basierend auf einem Modulationssignal moduliert wird. Dieses Modulationssignal kann beispielsweise von einer Modulationsquelle in der Überwachungseinrichtung 3 bereitgestellt werden. Aber auch weitere Möglichkeiten zur Modulation des Laserstrahls 20 sind möglich. In diesem Fall kann die Überwachungseinrichtung 3 die Auswertung des Sensorsignals von der zweiten Sensordiode 12 auch basierend auf dem entsprechenden Modulationssignal ausführen.
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Die erste Sensordiode 11 und die zweite Sensordiode 12 können dabei beispielsweise eine gleiche Diodenfläche aufweisen, so dass die beiden Dioden 11 und 12 bei gleicher Bestromung im unbeleuchteten Zustand eine annähernd gleiche Ausgangsspannung liefern. Alternativ ist es auch möglich, die zweite Sensordiode 12 zur Detektion des Lichts größer zu dimensionieren als die erste Sensordiode 11, die die Temperatur detektiert. Durch eine derartige Asymmetrie ist im unbeleuchteten Zustand die Flussspannung der zweiten Sensordiode 12 niedriger. Durch eine Bestrahlung der zweiten Sensordiode 12 erhöht sich die Flussspannung der zweiten Sensordiode 12, und das Spannungssignal der zweiten Sensordiode 12 ist somit größer als das Spannungssignal der ersten Sensordiode 11. Auf diese Weise kann durch eine einfache Komparatorschaltung die Anwesenheit bzw. Abwesenheit des Laserstrahls 20 auf dem mikromechanischen Bauelement 1 detektiert werden.
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9 schließlich zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Überwachung eines Mikrospiegel-basierten Lasersystems gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. In Schritt S1 wird ein erstes Ausgangssignal bereitgestellt, das zu einer Temperatur an einer ersten Sensordiode korrespondiert. In Schritt S2 wird ein zweites Ausgangssignal bereitgestellt, das zu einer auf eine zweite Sensordiode einfallenden Lichtintensität korrespondiert. In Schritt S3 wird das erste Ausgangssignal und mit dem zweiten Ausgangssignal verglichen. Sie Schritte S1 bis S3, also das Bereitstellen der beiden Ausgangsignale und der Vergleich der Ausgangssignale kann dabei insbesondere gleichzeitig erfolgen. In Schritt S4 kann daraufhin eine Fehlfunktion des Mikrospiegel-basierten Lasersystems ermittelt werden. Die Ermittlung basiert dabei auf dem Vergleich des ersten Ausgangssignals mit dem zweiten Ausgangssignal. Insbesondere kann festgestellt werden, dass das Mikrospiegel-basierte Lasersystem intakt ist, wenn das Ausgangssignal der zweiten Sensordiode aufgrund der einfallenden Lichtintensität größer ist als das Ausgangssignal der ersten Sensordiode.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein mikromechanisches Bauelement für ein Mikrospiegel-basiertes Lasersystem zur Detektion eines einfallenden Laserstrahls. Hierzu werden in dem mikromechanischen Bauelement zwei Sensordioden auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet, wobei nur eine der beiden Sensordioden als Photodiode ausgeführt ist. Die weitere Sensordiode liefert ein von einem Lichteinfall unabhängiges Ausgangssignal. Durch Vergleichen der beiden Ausgangssignale beider Dioden kann auf einen Lichteinfall in dem mikromechanischen Bauelement geschlossen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013222585 A1 [0002]
