Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.The invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.
Mikroelektromechanische Antriebe weisen einen geringen Verstellbereich auf. Der Verstellbereich kann kleiner sein, als ein gewünschter Verstellbereich eines Resonatorspalts eines Interferometers.Microelectromechanical drives have a small adjustment range. The adjustment range may be smaller than a desired adjustment range of a resonator gap of an interferometer.
In der US2013279005A1 wird ein FPI-Spektrometer beschrieben, bei dem mit zwei elektrostatischen voneinander unabhängig ansteuerbaren Aktuierungsmechanismen der Resonatorspalt eingestellt wird. Beide Aktuierungsmechanismen wirken dabei in dieselbe Richtung und auf dieselbe Feder, d. h., der durchstimmbare Bereich bleibt wegen des Schnapprisikos eingeschränkt.In the US2013279005A1 An FPI spectrometer is described in which the resonator gap is adjusted by means of two electrostatic actuation mechanisms which can be controlled independently of one another. Both Aktuierungsmechanismen act in the same direction and on the same spring, ie, the tunable area remains limited because of the Schnapprisikos.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Interferometer, ein Verfahren zum Betreiben eines Interferometers, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, an interferometer, a method for operating an interferometer, and finally a corresponding computer program according to the main claims are presented with the approach presented here. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim device are possible.
Ein großer Verstellbereich kann durch eine kombinierte Verwendung zumindest zweier Antriebe erreicht werden. Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird eine Spalthöhe durch eine Addition von Verstellwegen zumindest zweier Antriebe verstellt. Dadurch kann die Spalthöhe über einen weiten Bereich mit einer hohen Genauigkeit eingestellt werden.A large adjustment range can be achieved by a combined use of at least two drives. In the approach presented here, a gap height is adjusted by an addition of adjustment paths of at least two drives. As a result, the gap height can be adjusted over a wide range with high accuracy.
Es wird ein Interferometer mit einem ersten Spiegelelement und einem durch einen einstellbaren Resonatorspalt von dem ersten Spiegelelement beabstandeten zweiten Spiegelelement vorgestellt, wobei das Interferometer die folgenden Merkmale aufweist:
eine erste Antriebseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Spalthöhe des Resonatorspalts einzustellen, wobei die erste Antriebseinrichtung einen ersten Einstellbereich aufweist; und
eine zweite Antriebseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Spalthöhe einzustellen, wobei die zweite Antriebseinrichtung einen, den ersten Einstellbereich ergänzenden und/oder erweiternden zweiten Einstellbereich aufweist.An interferometer having a first mirror element and a second mirror element spaced from the first mirror element by an adjustable resonator gap is presented, the interferometer having the following features:
a first drive device configured to set a gap height of the resonator gap, the first drive device having a first adjustment range; and
a second drive means is adapted to adjust the gap height, wherein the second drive means has a, the first adjustment range complementary and / or expanding second adjustment range.
Unter einem Interferometer kann ein Fabry-Perot-Interferometer verstanden werden, das dazu ausgebildet ist, in einem als Resonator ausgebildeten Spalt zwischen zwei gegenüberliegenden Spiegelelementen einen von einer Spalthöhe des Spalts abhängigen Wellenlängenbereich elektromagnetischer Wellen aus einem Wellenlängenspektrum herauszufiltern und durchzulassen. Dabei kann anschließend an das Interferometer eine Strahlungsintensität des Wellenlängenbereichs erfasst werden. Durch eine Veränderung der Spalthöhe können verschiedene Wellenlängenbereiche gefiltert werden und so das Wellenlängenspektrum durch eine Mehrzahl an erfassten Strahlungsintensitäten aufgezeichnet werden. Unter der Spalthöhe kann ein Abstand der beiden Spiegelelemente voneinander verstanden werden. Eine Antriebseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, zumindest eines der Spiegelelemente ansprechend auf ein elektrisches Stellsignal zu bewegen und/oder in einer durch das Stellsignal vorgegebenen Position zu halten. An interferometer may be understood to mean a Fabry-Perot interferometer which is designed to filter out and pass a wavelength range of electromagnetic waves, which is dependent on a gap height of the gap, in a gap formed as a resonator between two opposing mirror elements. In this case, a radiation intensity of the wavelength range can be detected subsequent to the interferometer. By changing the gap height, different wavelength ranges can be filtered and thus the wavelength spectrum can be recorded by a plurality of detected radiation intensities. Under the gap height, a distance of the two mirror elements from each other can be understood. A drive device may be designed to move at least one of the mirror elements in response to an electrical actuating signal and / or to hold it in a position predetermined by the actuating signal.
Der erste Einstellbereich kann zumindest eine diskrete Endlage aufweisen. Eine diskrete Endlage kann beispielsweise durch eine Ruhelage zumindest eines der Spiegelelemente bestimmt sein. In der Ruhelage können die Antriebseinrichtungen beispielsweise deaktiviert sein. Die Ruhelage kann durch zumindest ein Federsystem definiert sein.The first adjustment range can have at least one discrete end position. A discrete end position can be determined for example by a rest position of at least one of the mirror elements. In the rest position, the drive means may be deactivated, for example. The rest position can be defined by at least one spring system.
Die Endlage kann durch eine Anschlageinrichtung bestimmt sein. Die Anschlageinrichtung kann mit der ersten Antriebseinrichtung gekoppelt sein. Durch einen mechanischen Anschlag an ein gegenüberliegendes Element kann eine sehr präzise Positionierung erreicht werden. Die Anschlageinrichtung kann beispielsweise Säulen und/oder Wände umfassen, die im Wesentlichen quer zu einer Haupterstreckungsebene eines Spiegelelements ausgerichtet sind.The end position can be determined by a stop device. The stop device can be coupled to the first drive device. By a mechanical stop on an opposing element a very precise positioning can be achieved. The stop device may, for example, comprise columns and / or walls, which are aligned substantially transversely to a main extension plane of a mirror element.
Zwischen der Anschlageinrichtung und einem Substrat des Interferometers kann eine erste Federeinrichtung angeordnet sein. Eine Federeinrichtung kann als Federsystem bezeichnet werden. Durch die Federeinrichtung kann die Anschlageinrichtung von der Antriebseinrichtung gegen eine Rückstellkraft ausgelenkt werden, bis die Anschlageinrichtung anschlägt. Wenn die Antriebseinrichtung deaktiviert wird, wird die Anschlageinrichtung durch die Rückstellkraft in die Ruhelage gezogen.A first spring device can be arranged between the stop device and a substrate of the interferometer. A spring device may be referred to as a spring system. By the spring means, the stop means can be deflected by the drive means against a restoring force until the stop means abuts. When the drive device is deactivated, the stop device is pulled by the restoring force in the rest position.
Zwischen der Anschlageinrichtung und dem ersten Spiegelelement kann eine zweite Federeinrichtung angeordnet sein. Durch die zweite Federeinrichtung kann das Spiegelelement gegen eine Rückstellkraft aus der Endlage der Anschlageinrichtung ausgelenkt werden und nach dem Auslenken durch die Rückstellkraft wieder in die Endlage bewegt werden.A second spring device can be arranged between the stop device and the first mirror element. By the second spring means, the mirror element can be deflected against a restoring force from the end position of the stop means and moved to the deflection by the restoring force back to the end position.
Die erste Antriebseinrichtung kann mit dem ersten Spiegelelement gekoppelt sein. Das erste Spiegelelement kann über eine erste Federeinrichtung mit einem Substrat des Interferometers gekoppelt sein. Das Spiegelelement kann über die Federeinrichtung direkt mit dem Substrat verbunden sein. Die erste Antriebseinrichtung kann das erste Spiegelelement antreiben. The first drive device may be coupled to the first mirror element. The first mirror element can be coupled to a substrate of the interferometer via a first spring device. The mirror element can be connected directly to the substrate via the spring device. The first drive device can drive the first mirror element.
Die zweite Antriebseinrichtung kann mit dem zweiten Spiegelelement gekoppelt sein. Die zweite Antriebseinrichtung kann das zweite Spiegelelement antreiben. The second drive device may be coupled to the second mirror element. The second drive device can drive the second mirror element.
Das zweite Spiegelelement kann ebenso über eine Federeinrichtung mit dem Substrat gekoppelt sein. The second mirror element may also be coupled to the substrate via a spring device.
Die zweite Antriebseinrichtung kann ferner mit dem ersten Spiegelelement gekoppelt sein. Die zweite Antriebseinrichtung kann auf beide Spiegelelemente wirken und diese aufeinander zu oder voneinander weg bewegen.The second drive device can furthermore be coupled to the first mirror element. The second drive device can act on both mirror elements and move them toward or away from each other.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines Interferometers vorgestellt, wobei in einem Schritt des Einstellens eine Spaltweite eines Resonatorspalts des Interferometers zwischen einem ersten Spiegelelement des Interferometers und einem zweiten Spiegelelement des Interferometers unter Verwendung einer ersten Antriebseinrichtung und/oder einer zweiten Antriebseinrichtung eingestellt wird.Furthermore, a method for operating an interferometer is presented, wherein in a step of adjusting a gap width of a resonator gap of the interferometer between a first mirror element of the interferometer and a second mirror element of the interferometer using a first drive means and / or a second drive means is set.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, especially when the program product or program is executed on a computer or a device.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the approach presented here are shown in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows:
1 eine Darstellung eines Steuerschemas für ein Interferometer gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 an illustration of a control scheme for an interferometer according to an embodiment;
2 ein Blockschaltbild eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; 2 a block diagram of an interferometer according to an embodiment;
3 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; 3 a schematic representation of an interferometer according to an embodiment;
4 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; 4 a schematic representation of an interferometer according to an embodiment;
5 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; 5 a schematic representation of an interferometer according to an embodiment;
6 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; 6 a schematic representation of an interferometer according to an embodiment;
7 eine schematische Darstellung von Antriebseinrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel; 7 a schematic representation of drive means according to an embodiment;
8 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; 8th a schematic representation of an interferometer according to an embodiment;
9 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; 9 a schematic representation of an interferometer according to an embodiment;
10 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; und 10 a schematic representation of an interferometer according to an embodiment; and
11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel. 11 a flowchart of a method for operating an interferometer according to an embodiment.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted.
1 zeigt eine Darstellung eines Steuerschemas für ein Interferometer gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Steuerschema kann für ein Interferometer mit zwei unabhängig voneinander ansteuerbaren Antriebseinrichtungen 100, 102 zum Einstellen einer Spalthöhe 104 eines Resonatorspalts verwendet werden. Bei dem hier dargestellten Steuerschema wird die erste Antriebseinrichtung 100 dazu verwendet, zwischen einem ersten Spalthöhenbereich 106 und einem zweiten Spalthöhenbereich 108 umzuschalten. Die zweite Antriebseinrichtung 102 wird dazu verwendet, die Spalthöhe 104 innerhalb der Spalthöhenbereiche 106, 108 einzustellen. Hier überlappen sich die Spalthöhenbereiche 106, 108 in einem Überlappungsbereich 110. Dadurch können Spalthöhen 104 innerhalb des Überlappungsbereichs 110 aus beiden Spalthöhenbereichen 106, 108 eingestellt werden. 1 shows an illustration of a control scheme for an interferometer according to an embodiment. The control scheme may be for an interferometer with two independently controllable drive means 100 . 102 to set a gap height 104 a resonator gap can be used. In the control scheme shown here, the first drive means 100 used between a first gap height area 106 and a second gap height area 108 switch. The second drive device 102 is used to the gap height 104 within the gap height ranges 106 . 108 adjust. Here the gap height areas overlap 106 . 108 in an overlap area 110 , This can cause gap heights 104 within the overlap area 110 from both gap height areas 106 . 108 be set.
Die erste Antriebseinrichtung 100 weist hier zwei definierte Endlagen auf und verändert die Spalthöhe 104 ohne Zwischenpositionen zwischen den Endlagen. Die zweite Antriebseinrichtung 102 ist hier stufenlos ausgeführt und verändert die Spalthöhe 104 proportional zu einem Steuersignal 112.The first drive device 100 here has two defined end positions and changes the gap height 104 without intermediate positions between the end positions. The second drive device 102 is infinitely variable here and alters the gap height 104 proportional to a control signal 112 ,
In 1 ist eine Überlappung 110 der Messbereiche 106, 108 dargestellt. Hier erfolgt die Grobaktuierung zu zwei Ruhepositionen 106, 108, um diese Ruhepositionen 106, 108 mittels des zweiten Aktuierungsmechanismus 102 feinzustimmen. In 1 is an overlap 110 the measuring ranges 106 . 108 shown. Here the rough calculation takes place to two rest positions 106 . 108 to these resting positions 106 . 108 by means of the second actuation mechanism 102 feinzustimmen.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Interferometer 200 weist ein erstes Spiegelelement 202, ein durch einen einstellbaren Resonatorspalt 204 von dem ersten Spiegelelement 202 beabstandetes zweites Spiegelelement 206, eine erste Antriebseinrichtung 100 und eine zweite Antriebseinrichtung 102 auf. Das Interferometer 200 kann unter Verwendung des in 1 dargestellten Steuerschemas angesteuert werden. 2 shows a block diagram of an interferometer 200 according to an embodiment. The interferometer 200 has a first mirror element 202 , through an adjustable resonator gap 204 from the first mirror element 202 spaced second mirror element 206 , a first drive device 100 and a second drive device 102 on. The interferometer 200 can be done using the in 1 Control schemes are controlled.
Das erste Spiegelelement 202 wird hier von beiden Antriebseinrichtungen 100, 102 angetrieben, wobei die Antriebseinrichtungen 100, 102 in Reihe geschaltet sind. Das zweite Spiegelelement 206 ist hier feststehend. Die erste Antriebseinrichtung 100 ist dazu ausgebildet, eine Spalthöhe 104 des Resonatorspalts 204 zwischen dem ersten Spalthöhenbereich 106 und dem zweiten Spalthöhenbereich 108 einzustellen. Die erste Antriebseinrichtung 100 weist einen ersten Einstellbereich 208 auf. Die zweite Antriebseinrichtung 102 ist ebenfalls dazu ausgebildet, die Spalthöhe 104 einzustellen. Die zweite Antriebseinrichtung 102 weist einen, den ersten Einstellbereich 208 ergänzenden zweiten Einstellbereich 210 auf. The first mirror element 202 is here by both drive devices 100 . 102 driven, the drive means 100 . 102 are connected in series. The second mirror element 206 is fixed here. The first drive device 100 is designed to be a gap height 104 of the resonator gap 204 between the first gap height area 106 and the second gap height area 108 adjust. The first drive device 100 has a first adjustment range 208 on. The second drive device 102 is also trained to the gap height 104 adjust. The second drive device 102 has one, the first adjustment range 208 additional second adjustment range 210 on.
Mit anderen Worten wird ein Fabry-Pérot-Interferometer (FPI)-Bauelement 200 mit mehrstufiger Aktuierung vorgestellt. Es ist eine schematische Darstellung der Antriebsanordnung gezeigt. In der Skizze sind die Positionen 106 und 108 zwei einnehmbare Positionen des ersten Spiegelelements 202, die durch ein digitales Schalten der Grobansteuerung 100 erfolgt. Genauso gut könnte jedoch die Grobaktuierung 100 und/oder die Feinaktuierung 102 auf das zweite Spiegelelement 206 wirken. Dabei können die Spiegelelemente 200, 206 gleichsinnig oder gegensinnig aktuiert werden. Ebenso kann die Aktuierung einseitig oder beidseitig erfolgen.In other words, it becomes a Fabry-Pérot Interferometer (FPI) device 200 presented with multi-stage actuation. It is shown a schematic representation of the drive assembly. In the sketch are the positions 106 and 108 two receivable positions of the first mirror element 202 caused by a digital switching of coarse control 100 he follows. Just as well, however, could be the rough aging 100 and / or fine-tuning 102 on the second mirror element 206 Act. The mirror elements can 200 . 206 Acting in the same direction or in opposite directions. Likewise, the actuation can be unilateral or bilateral.
Herkömmliche mikromechanische Fabry-Pérot-Interferometer (FPI) werden in ihrem Funktionsbereich durch das Auftreten höherer Ordnungen in ihrem Betriebsbereich zu niedrigen Wellenlängen hin prinzipbedingt begrenzt. Für analytische Fragestellungen ist ein Betrieb über einen möglichst großen Wellenlängenbereich wünschenswert.Conventional micromechanical Fabry-Pérot interferometers (FPI) are inherently limited in their functional range by the appearance of higher orders in their operating range towards low wavelengths. For analytical questions, operation over the widest possible wavelength range is desirable.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ein mikromechanisches Fabry-Pérot-Interferometer 200 mit einem erweiterten, nicht durch Pull-in begrenzten, spektralen Messbereich 104 und einer feinen Auflösung auch bei kürzeren Wellenlängen.The approach presented here creates a micromechanical Fabry-Pérot interferometer 200 with an extended, not by pull-in limited, spectral measuring range 104 and a fine resolution even at shorter wavelengths.
Bei Fabry-Perot-Interferometern 200 wird die Resonanzbedingung für maximale Transmission bei einem Spaltabstand 104, der gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge ist, erfüllt.For Fabry-Perot interferometers 200 becomes the resonance condition for maximum transmission at a gap distance 104 , which is equal to an integer multiple of half the wavelength, satisfies.
Beim Durchstimmen eines kapazitiv angesteuerten Fabry-Perot-Interferometers 200 ist es wünschenswert, möglichst niedrige Steuerspannungen einsetzen zu können, da dies einerseits stromsparenderen Betrieb erlaubt, andererseits aber auch den Einsatz einfacherer und günstigerer Ansteuerelektronik ermöglicht. Der Spaltabstand 104 sollte sich zudem über den Messbereich möglichst linear verhalten. Insbesondere wäre es wünschenswert für eine optimale spektrale Abtastung wegen der geringeren Halbwertsbreite der Resonanzen bei kürzeren Wellenlängen, also kleinen Spaltabständen, die Spannungsinkremente zu kleineren Spaltabstandsänderungen führen als bei größeren Spaltabständen. Eine einfache kapazitive Ansteuerung, bei dem die Spiegelelemente 202, 206 aufeinander zubewegt werden, läuft dem jedoch zuwider. Je kleiner der Spalt 104, desto größer die Kraftzunahme und damit die Spaltänderung beim selben Steuerspannungsinkrement. Wird eine Kraftschwelle überschritten, kann es zum Schnappen kommen und die Elektroden berühren sich.By tuning a capacitively controlled Fabry-Perot interferometer 200 It is desirable to be able to use the lowest possible control voltages, as this allows on the one hand power-saving operation, but on the other hand also allows the use of simpler and cheaper control electronics. The gap distance 104 should also behave as linearly as possible over the measuring range. In particular, it would be desirable for optimal spectral scanning because of the lower half-width of the resonances at shorter wavelengths, ie small gap distances, the voltage increments lead to smaller gap spacing changes than at larger gap distances. A simple capacitive control in which the mirror elements 202 . 206 moving towards each other, runs counter to that. The smaller the gap 104 , the greater the increase in force and thus the gap change at the same Steuererspannungsinkrement. If a force threshold is exceeded, it can come to a snap and the electrodes touch each other.
Die Spiegel des Fabry-Perot-Interferometers 200 sollen für eine maximale Auflösung über den gesamten Durchstimmbereich möglichst planparallel zueinander sein und dies auch bei Aktuierung bleiben. Herkömmlicherweise können die Spiegelschichten 202, 206 dazu beispielsweise schon in der Nulllage eine mechanische Zugspannung aufweisen. Beim Anlegen einer Auslenkspannung nimmt die mechanische Spannung in den Spiegelschichten 202, 206 weiter zu. In Summe begrenzt dies die maximale Größe herkömmlicher Fabry-Perot-Spiegel, zu große Spiegel würden reißen.The mirrors of the Fabry-Perot interferometer 200 should be as plane-parallel as possible to each other for a maximum resolution over the entire tuning range and this should also remain at Aktuierung. Conventionally, the mirror layers 202 . 206 For example, even in the zero position have a mechanical tensile stress. When a deflection voltage is applied, the mechanical stress in the mirror layers decreases 202 . 206 further to. In sum, this limits the maximum size of conventional Fabry-Perot mirrors, too large mirrors would break.
Eine vorteilhafte Ansteuerungsmethode ist eine Grobansteuerung des ersten Aktuierungsmechanismus 100 mittels derer eines oder beide Spiegelelemente 202, 206 in eine von mindestens zwei oder mehr definierten Positionen 106, 108 beziehungsweise Messpositionen gebracht wird. Die zwei oder mehr Grobpositionen 106, 108 können dabei entweder über mechanische Anschläge definiert sein oder über diskrete Steuersignale realisiert werden, deren Höhe in Abhängigkeit der Messaufgabe gewählt werden kann. Über die kontinuierliche oder quasikontinuierliche Feinsteuerung eines zweiten Aktuierungsmechanismus 102 wird dann die Größe des optischen Spalts 104 durchgestimmt.An advantageous driving method is a coarse control of the first actuation mechanism 100 by means of which one or both mirror elements 202 . 206 in one of at least two or more defined positions 106 . 108 or measuring positions is brought. The two or more rough positions 106 . 108 can be either defined by mechanical stops or realized via discrete control signals, the amount of which can be selected depending on the measurement task. About the continuous or quasi-continuous fine control of a second actuation mechanism 102 then becomes the size of the optical gap 104 tuned.
Die Anschlagspositionen der Grobsteuerung können so gewählt werden, dass sich die mit der Feinsteuerung ergebenden Messbereiche überlappen, damit sich ein kontinuierliches Spektrum zusammensetzen lässt.The stop positions of the coarse control can be selected so that the resulting with the fine control ranges overlap so that a continuous spectrum can be composed.
Mittels einer/mehrerer schmalbandigen/r Lichtquellen/Spektrallinien kann eine Autokalibration der beiden Aktuierungsmechanismen 100, 102 gegeneinander erfolgen.By means of one / more narrowband light sources / spectral lines, an autocalibration of the two actuation mechanisms 100 . 102 against each other.
3 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Interferometer 200 entspricht im Wesentlichen dem Interferometer in 2. Im Gegensatz dazu wirkt die erste Antriebseinrichtung 100 hier auf das erste Spiegelelement 202, während die zweite Antriebseinrichtung 102 auf das zweite Spiegelelement 206 wirkt. Mit anderen Worten sind hier also beide Spiegelelemente 202, 206 angetrieben und beweglich. 3 shows a cross-sectional view of an interferometer 200 according to an embodiment. The interferometer 200 corresponds essentially to the interferometer in 2 , In contrast, the first drive device acts 100 here on the first mirror element 202 while the second drive means 102 on the second mirror element 206 acts. In other words, here are both mirror elements 202 . 206 powered and mobile.
Das Interferometer 200 ist als schichtweiser Aufbau auf einem Substrat 300 ausgeführt. Die beiden Spiegelelemente 202, 206 sind dabei Teilbereiche von parallel zum Substrat 300 angeordneten Spiegelschichten 302. Die Spiegelelemente 202, 206 sind über einer Kaverne 304 des Substrats 300 angeordnet. Seitlich der Spiegelelemente 202, 206 sind die Spiegelschichten 302 durch Federperforationen 306 perforiert, um Federsysteme 308, 310 auszubilden. Die Federsysteme 308, 310 ermöglichen die Beweglichkeit der Spiegelelemente 202, 206 zum Einstellen der Spalthöhe 104 des Resonatorspalts 204. Außerhalb der Spiegelelemente 202, 206 und Federsysteme 308, 310 sind die Spiegelschichten 302 durch Distanzschichten 312 von dem Substrat 300 und voneinander beabstandet. The interferometer 200 is as a layered construction on a substrate 300 executed. The two mirror elements 202 . 206 are subregions of parallel to the substrate 300 arranged mirror layers 302 , The mirror elements 202 . 206 are over a cavern 304 of the substrate 300 arranged. Side of the mirror elements 202 . 206 are the mirror layers 302 by spring perforations 306 perforated to spring systems 308 . 310 train. The spring systems 308 . 310 allow the mobility of the mirror elements 202 . 206 for adjusting the gap height 104 of the resonator gap 204 , Outside the mirror elements 202 . 206 and spring systems 308 . 310 are the mirror layers 302 through distance layers 312 from the substrate 300 and spaced apart.
Die erste Antriebseinrichtung 100 ist im Bereich des ersten Federsystems 308 angeordnet. Die erste Antriebseinrichtung 100 ist als kapazitiver Aktor 100 ausgebildet. Erste Elektroden des kapazitiven Aktors 100 sind dabei auf dem Substrat 300 angeordnet, während zweite Elektroden des kapazitiven Aktors 100 auf Federelementen des ersten Federsystems 308 angeordnet sind. Wenn eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt wird, resultiert eine Anziehungskraft zwischen den Elektroden und das erste Spiegelelement 202 wird durch die Federelemente des ersten Federsystems 308 aus einer Ruhelage in Richtung des Substrats 300 gezogen. Dabei wird das erste Spiegelelement 202 bewegt, bis Anschlagelemente 314 des ersten Spiegelelements 202 an das Substrat 300 anschlagen und eine ausgelenkte Lage des ersten Spiegelelements 202 definieren. Mit anderen Worten wird das erste Spiegelelement 202 durch die erste Antriebseinrichtung 100 zwischen der Ruhelage und der ausgelenkten Lage hin- und herbewegt, um die Spalthöhe 104 zwischen dem ersten Einstellbereich und dem zweiten Einstellbereich zu verändern.The first drive device 100 is in the range of the first spring system 308 arranged. The first drive device 100 is as a capacitive actor 100 educated. First electrodes of the capacitive actuator 100 are on the substrate 300 arranged while second electrodes of the capacitive actuator 100 on spring elements of the first spring system 308 are arranged. When an electric voltage is applied to the electrodes, an attractive force results between the electrodes and the first mirror element 202 is due to the spring elements of the first spring system 308 from a rest position in the direction of the substrate 300 drawn. In this case, the first mirror element 202 moves until stop elements 314 of the first mirror element 202 to the substrate 300 strike and a deflected position of the first mirror element 202 define. In other words, the first mirror element becomes 202 through the first drive device 100 between the rest position and the deflected position back and forth to the gap height 104 between the first adjustment range and the second adjustment range.
Die zweite Antriebseinrichtung 102 ist im Bereich des zweiten Federsystems 310 angeordnet. Dabei ist die zweite Antriebseinrichtung 102 als Piezoaktor 102 ausgebildet. Zumindest eine piezoelektrische Schicht des Piezoaktors 102 ist dabei auf Federelementen des zweiten Federsystems 310 angeordnet. Wenn eine elektrische Spannung an die piezoelektrische Schicht angelegt wird, ändert sich eine Länge der Schicht. Dadurch werden die Federelemente gebogen und das zweite Spiegelelement 206 wird abhängig von einem Spannungswert und einer Spannungsrichtung durch die Federelemente aus einer Ruhelage bewegt. In Richtung des ersten Spiegelelements 202 kann das zweite Spiegelelement 206 dabei so weit bewegt werden, bis Antihaftnoppen 316 beziehungsweise Antistiction-Bumps 316 das erste Spiegelelement 202 berühren. Die Antihaftnoppen 316 verhindern dabei eine Adhäsion der glatten spiegelnden Oberflächen der Spiegelelemente 202, 206. Die zweite Antriebseinrichtung 102 ist dabei dazu ausgebildet, das zweite Spiegelelement 206 innerhalb des zweiten Spalthöhenbereichs stufenlos zu bewegen.The second drive device 102 is in the range of the second spring system 310 arranged. In this case, the second drive device 102 as a piezoelectric actuator 102 educated. At least one piezoelectric layer of the piezoelectric actuator 102 is on spring elements of the second spring system 310 arranged. When an electric voltage is applied to the piezoelectric layer, a length of the layer changes. As a result, the spring elements are bent and the second mirror element 206 is moved depending on a voltage value and a voltage direction by the spring elements from a rest position. In the direction of the first mirror element 202 can the second mirror element 206 to be moved so far, to non-stick nubs 316 or antistiction bumps 316 the first mirror element 202 touch. The non-stick nubs 316 prevent adhesion of the smooth reflective surfaces of the mirror elements 202 . 206 , The second drive device 102 is designed to the second mirror element 206 to move continuously within the second gap height range.
Das hier vorgestellte mikromechanische Interferometer-Bauelement 200 besteht aus mindestens einem Substrat 300, wenigstens zwei durch einen Spalt 204 voneinander beabstandeten, übereinander angeordneten Spiegelelementen 202, 206, flexiblen Aufhängungen 308, 310, über die wenigstens eines der Spiegelelemente 202, 206 am Substrat 300 aufgehängt ist, wenigstens zwei voneinander unabhängig ansteuerbaren Aktuierungsmechanismen 100, 102 zur Durchstimmung der Spaltgröße 104, wobei zu jedem Aktuierungsmechanismus 100, 102 ein unabhängig ansteuerbares Federsystem 308, 310 in einem der Spiegelelemente 202, 206 existiert.The micromechanical interferometer component presented here 200 consists of at least one substrate 300 , at least two through a gap 204 spaced from each other, superimposed mirror elements 202 . 206 , flexible suspensions 308 . 310 , about the at least one of the mirror elements 202 . 206 on the substrate 300 is suspended, at least two independently controllable Aktuierungsmechanismen 100 . 102 to tune the gap size 104 , with each actuation mechanism 100 . 102 an independently controllable spring system 308 . 310 in one of the mirror elements 202 . 206 exist.
Die Federsysteme 308, 310 können entweder als Membranen, Ringmembranen oder als diskret strukturierte Federelemente ausgeprägt sein. Die Aktuierungsmechanismen 100, 102 können entweder alle auf eines der Spiegelelemente 202, 206, auf mehrere Spiegelelemente 202, 206 oder nur auf je ein Spiegelelement 202, 206 wirken. Die Aktuierungsmechanismen 100, 102 können entweder ein oder mehrere Spiegelelemente 202, 206 relativ zum Substrat 300, oder relativ zueinander bewegen. Wenigstens eines der Spiegelelemente 202, 206 und/oder das Substrat 300 weist Anschläge 314 in Richtung eines der anderen Spiegelelemente 202, 206 und/oder des Substrats 300 auf, wobei die Anschläge 314 als eindimensionale Säulen oder als zweidimensionale Wände ausgebildet sein können.The spring systems 308 . 310 can be pronounced either as membranes, ring membranes or as discretely structured spring elements. The actuation mechanisms 100 . 102 can either all of them on one of the mirror elements 202 . 206 , on several mirror elements 202 . 206 or only one mirror element each 202 . 206 Act. The actuation mechanisms 100 . 102 can either have one or more mirror elements 202 . 206 relative to the substrate 300 , or move relative to each other. At least one of the mirror elements 202 . 206 and / or the substrate 300 has attacks 314 in the direction of one of the other mirror elements 202 . 206 and / or the substrate 300 on, with the stops 314 can be designed as one-dimensional columns or as two-dimensional walls.
Die Aktuierungsmechanismen 100, 102 können kapazitiv beziehungsweise elektrostatisch und/oder piezoelektrisch und/oder thermisch ausgeführt sein.The actuation mechanisms 100 . 102 can be designed capacitive or electrostatic and / or piezoelectric and / or thermal.
Durch den hier vorgestellten Ansatz sind kleinere elektrische Spannungen für das Durchstimmen notwendig, als bei einem vollständig analog durchstimmbaren Fabry-Pérot-Interferometer. Es ergibt sich eine linearere Steuerung. Weiterhin resultieren geringere mechanische Schichtspannungen in den Spiegelschichten 302 beim Durchstimmen. Das hier vorgestellte Interferometer 200 weist zwei definierte optische Resonanzlängen auf, die gegebenenfalls zur Kalibrierung des Fabry-Pérot-Interferometers 200 nutzbar sind, da der Abstand sehr definiert ist. Ebenso besteht eine Selbstkalibrationsmöglichkeit durch die zwei voneinander unabhängigen Steuerkreise mit einer kapazitiven oder piezoelektrischen Detektion über den zweiten Steuerkreis. Die Selbstkalibration kann zur Temperaturkompensation und/oder Driftkompensation verwendet werden. Das hier vorgestellte Interferometer 200 kann kostengünstig hergestellt werden, da gegebenenfalls nur eine Kavität 304 erforderlich ist, im Vergleich etwa zu einem Bauelement mit zwei elektrostatischen Spalten. The approach presented here requires smaller electrical voltages for tuning than for a fully analog tunable Fabry-Pérot interferometer. This results in a more linear control. Furthermore, lower mechanical layer stresses result in the mirror layers 302 in tuning. The here presented interferometer 200 has two defined optical resonance lengths, which may be used to calibrate the Fabry-Pérot interferometer 200 are usable, since the distance is very defined. Likewise, there is a Selbstkalibrationsmöglichkeit by the two independent control circuits with a capacitive or piezoelectric detection via the second control circuit. The self-calibration can be used for temperature compensation and / or drift compensation. The here presented interferometer 200 can be produced inexpensively, as possibly only one cavity 304 is required, as compared to a device with two electrostatic gaps.
4 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Interferometer 200 entspricht im Wesentlichen den Interferometern in den 2 und 3. Im Gegensatz dazu ist hier die zweite Spiegelschicht 302 des zweiten Spiegelelements 206 direkt auf dem Substrat 300 angeordnet und das zweite Spiegelelement 206 ist unbeweglich. Die erste Spiegelschicht 302 des ersten Spiegelelements 202 ist durch eine Distanzschicht 312 mit hoher Schichtdicke von der zweiten Spiegelschicht 302 beabstandet. Zum Ausbilden der Federsysteme 308, 310 ist die erste Spiegelschicht 302 außerhalb des ersten Spiegelelements 202 in Abschnitten 400 ausgedünnt. Das erste Federsystem 308 und das zweite Federsystem 310 sind dabei hintereinander in Reihe geschaltet. Die Antriebseinrichtungen 100, 102 sind im Bereich der Federsysteme 308, 310 angeordnet. Beide Antriebseinrichtungen 100, 102 sind hier als kapazitive Aktoren ausgebildet. Die ersten Elektroden sind dabei in den ausgedünnten Abschnitten der ersten Spiegelschicht 302 angeordnet. Die zweiten Elektroden sind auf der zweiten Spiegelschicht 302 angeordnet. Zwischen den Federsystemen 308, 310 ist die erste Spiegelschicht zu einem Anschlagbereich für die Anschlagelemente 314 ausgebildet. 4 shows a cross-sectional view of an interferometer 200 according to an embodiment. The interferometer 200 corresponds essentially to the interferometers in the 2 and 3 , In contrast, here is the second mirror layer 302 of the second mirror element 206 directly on the substrate 300 arranged and the second mirror element 206 is immobile. The first mirror layer 302 of the first mirror element 202 is through a distance layer 312 with high layer thickness of the second mirror layer 302 spaced. For forming the spring systems 308 . 310 is the first mirror layer 302 outside the first mirror element 202 in sections 400 thinned. The first spring system 308 and the second spring system 310 are connected consecutively in series. The drive devices 100 . 102 are in the field of spring systems 308 . 310 arranged. Both drive devices 100 . 102 are designed here as capacitive actuators. The first electrodes are in the thinned portions of the first mirror layer 302 arranged. The second electrodes are on the second mirror layer 302 arranged. Between the spring systems 308 . 310 is the first mirror layer to a stop area for the stop elements 314 educated.
Die erste Antriebseinrichtung 100 bewegt den Anschlagbereich, das zweite Federsystem 310 und das erste Spiegelelement 202 zwischen der Ruhelage und der durch das Anschlagelement 314 definierten ausgelenkten Lage. Die zweite Antriebseinrichtung 102 bewegt das erste Spiegelelement 202 unabhängig von der ersten Antriebseinrichtung 100 aus der Ruhelage oder der ausgelenkten Lage heraus.The first drive device 100 moves the stop area, the second spring system 310 and the first mirror element 202 between the rest position and by the stop element 314 defined deflected position. The second drive device 102 moves the first mirror element 202 independent of the first drive device 100 from the rest position or the deflected position out.
Mit anderen Worten zeigt 4 einen Querschnitt durch ein Fabry-Perot-Interferometer 200, bei dem ausgedünnte Membranbereiche 400 als Federsysteme 308, 310 wirken.In other words shows 4 a cross section through a Fabry-Perot interferometer 200 in which thinned membrane areas 400 as spring systems 308 . 310 Act.
5 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Interferometer 200 entspricht im Wesentlichen dem in 4 dargestellten Interferometer. Im Gegensatz dazu sind die Federsysteme 308, 310 wie in 3 durch Federperforationen 306 ausgebildet. Zusätzlich weist das hier dargestellte Interferometer 200 ein drittes Federsystem 500 auf. Das dritte Federsystem 500 ist durch Federperforationen 306 durch die zweite Spiegelschicht 302 ausgebildet. Dadurch ist das zweite Spiegelelement 206 ebenfalls beweglich. Das dritte Federsystem 500 ist gegenüberliegend zu dem zweiten Federsystem 310 angeordnet und die zweiten Elektroden der zweiten Antriebseinrichtung 102 sind auf den Federelementen des dritten Federsystems 500 angeordnet. Das dritte Federsystem 500 ist dadurch parallel zu dem zweiten Federsystem 310 geschaltet. Die zweite Antriebseinrichtung 102 kann so das erste Spiegelelement 202 und das zweite Spiegelelement 206 aufeinander zubewegen. Um die gleiche Änderung der Spalthöhe 104 zu erreichen, wie in 4 ist eine geringere Anziehungskraft zwischen den Elektroden der zweiten Antriebseinrichtung erforderlich, da die Anziehungskraft gleichmäßig auf das zweite Federsystem 310 und das dritte Federsystem 500 wirkt. 5 shows a cross-sectional view of an interferometer 200 according to an embodiment. The interferometer 200 is essentially the same as in 4 illustrated interferometer. In contrast, the spring systems 308 . 310 as in 3 by spring perforations 306 educated. In addition, the interferometer shown here has 200 a third spring system 500 on. The third spring system 500 is by spring perforations 306 through the second mirror layer 302 educated. This is the second mirror element 206 also movable. The third spring system 500 is opposite to the second spring system 310 arranged and the second electrodes of the second drive means 102 are on the spring elements of the third spring system 500 arranged. The third spring system 500 is thus parallel to the second spring system 310 connected. The second drive device 102 so can the first mirror element 202 and the second mirror element 206 move towards each other. To the same change in the gap height 104 to reach, as in 4 a lower attractive force between the electrodes of the second drive means is required, since the attraction force evenly on the second spring system 310 and the third spring system 500 acts.
Das Interferometer 200 ist in einer Ruhelage ohne Krafteinwirkung durch die Antriebseinrichtungen 100, 102 dargestellt.The interferometer 200 is in a rest position without force by the drive means 100 . 102 shown.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Interferometer 200 ein viertes Federsystem auf, das analog zu dem dritten Federsystem 500 parallel zu dem ersten Federsystem 308 angeordnet ist.In an embodiment not shown, the interferometer 200 a fourth spring system, which is analogous to the third spring system 500 parallel to the first spring system 308 is arranged.
Mit anderen Worten ist in 5 ein Fabry-Perot-Interferometer 200 im Nullzustand mit kapazitiven Steuerelektroden und Anschlägen 314 sowie separaten Federsystemen 308, 310 für die beiden voneinander unabhängig ansteuerbaren elektrostatischen Aktuierungsmechanismen 100, 102 dargestellt.In other words, in 5 a Fabry-Perot interferometer 200 in zero state with capacitive control electrodes and stops 314 as well as separate spring systems 308 . 310 for the two independently controllable electrostatic actuation mechanisms 100 . 102 shown.
6 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Interferometer 200 entspricht dem Interferometer 200 in 5. Hier ist das Interferometer 200 in näherungsweise maximal ausgelenktem Zustand dargestellt. Das erste Federsystem 108 ist durch die erste Antriebseinrichtung 100 so weit ausgelenkt, dass die Anschlageinrichtung 314 an der zweiten Spiegelschicht 302 in der ausgelenkten Lage anliegt. Das zweite Federsystem 310 und das dritte Federsystem 500 sind durch die zweite Antriebseinrichtung 102 so weit ausgelenkt, bis sich die Elektroden beinahe berühren. Dabei sind die Federsysteme 310, 500 gegensinnig ausgelenkt. Eine direkte Berührung des ersten Spiegelelements 202 mit dem zweiten Spiegelelement 206 wird durch die Antihaftnoppen 316 verhindert. 6 shows a cross-sectional view of an interferometer 200 according to an embodiment. The interferometer 200 corresponds to the interferometer 200 in 5 , Here is the interferometer 200 shown in approximately maximum deflected state. The first spring system 108 is through the first drive means 100 deflected so far that the anchor device 314 at the second mirror layer 302 in the deflected position. The second spring system 310 and the third spring system 500 are through the second driving means 102 deflected until the electrodes are almost touching. Here are the spring systems 310 . 500 deflected in opposite directions. A direct contact of the first mirror element 202 with the second mirror element 206 gets through the non-stick nubs 316 prevented.
7 zeigt eine Draufsichtdarstellung von Antriebseinrichtungen 100, 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Antriebseinrichtungen 100, 102 entsprechen dabei im Wesentlichen den Antriebseinrichtungen in den 1 bis 6. Wie in den 5 und 6 sind die Antriebseinrichtungen 100, 102 in Reihe hintereinander angeordnet. Die erste Antriebseinrichtung 100 ist auf Federelementen 700 des ersten Federsystems 308 angeordnet. Die zweite Antriebseinrichtung ist auf Federelementen 702 des zweiten Federsystems 310 angeordnet. Das erste Spiegelelement 202 ist rund. Das zweite Federsystem 310 umschließt das erste Spiegelelement 202. Der Anschlagbereich umschließt das zweite Federsystem ringförmig. Die Federelemente 702 sind S-förmig gebogen und verbinden das Spiegelelement 202 mit dem Anschlagbereich. Im Anschlagbereich sind die Anschläge 314 angeordnet. Das erste Federsystem 308 umschließt den Anschlagbereich ringförmig. Die Federelemente 700 sind entgegengesetzt zu den Federelementen 702 S-förmig gebogen und verbinden den Anschlagbereich mit der umgebenden Spiegelschicht 302. 7 shows a plan view of drive means 100 . 102 according to an embodiment. The drive devices 100 . 102 essentially correspond to the drive devices in the 1 to 6 , As in the 5 and 6 are the drive devices 100 . 102 arranged in series one behind the other. The first drive device 100 is on spring elements 700 of the first spring system 308 arranged. The second drive device is on spring elements 702 of the second spring system 310 arranged. The first mirror element 202 is round. The second spring system 310 encloses the first mirror element 202 , The stop area encloses the second spring system annular. The spring elements 702 are bent in an S-shape and connect the mirror element 202 with the stop area. In the attack area are the attacks 314 arranged. The first spring system 308 encloses the stop area annularly. The spring elements 700 are opposite to the spring elements 702 Bent S-shaped and connect the stop area with the surrounding mirror layer 302 ,
8 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Interferometer 200 entspricht im Wesentlichen den vorhergehenden Darstellungen. Im Gegensatz dazu weist das Interferometer einen Steg 800 auf, der das erste Spiegelelement 202 mit dem Substrat 300 verbindet. Der Steg 800 ist flexibel und bringt einer Verformung eine vernachlässigbare Federkraft entgegen. Der Steg 800 repräsentiert das erste Federsystem 308. Der Steg 800 weist elektrische Leitungen 802 zum Versorgen der Antriebseinrichtungen 100, 102 auf. Dabei weist die zweite Antriebseinrichtung 102 eine ringförmige Elektrode 804 auf, die kreisförmig um das erste Spiegelelement 202 umläuft. Die Elektrode 804 ist ringförmig von dem zweiten Federsystem 310 umschlossen. Die Federelemente des zweiten Federsystems 310 überbrücken einen Spalt 806 beziehungsweise eine Kaverne zwischen der ersten Antriebseinrichtung 100 und der zweiten Antriebseinrichtung 102. Die erste Antriebseinrichtung 100 weist ebenso eine ringförmige Elektrode 808 auf, die das zweite Federsystem 310 kreisförmig umschließt. Durch den Steg 800 ist die Einheit aus dem ersten Spiegelelement 202, der Elektrode 804, dem zweiten Federsystem 310 und der Elektrode 808 kellenförmig. 8th shows a cross-sectional view of an interferometer 200 according to an embodiment. The interferometer 200 essentially corresponds to the previous illustrations. In contrast, the interferometer has a bridge 800 on, the first mirror element 202 with the substrate 300 combines. The jetty 800 is flexible and provides deformation with negligible spring force. The jetty 800 represents the first spring system 308 , The jetty 800 has electrical lines 802 for supplying the drive means 100 . 102 on. In this case, the second drive means 102 an annular electrode 804 on, the circular around the first mirror element 202 circulates. The electrode 804 is annular from the second spring system 310 enclosed. The spring elements of the second spring system 310 bridge a gap 806 or a cavern between the first drive device 100 and the second drive means 102 , The first drive device 100 also has an annular electrode 808 on that the second spring system 310 encloses circular. Through the jetty 800 is the unit of the first mirror element 202 , the electrode 804 , the second spring system 310 and the electrode 808 trowel-shaped.
Mit anderen Worten zeigt 8 eine Detaildraufsicht der Aufhängung 800 eines Fabry-Perot-Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann eines der Spiegelelemente 202 kellenförmig ausgebildet sein. Es besitzt keine Rückstellkraft und kann zwischen zwei Positionen hin- und hergeschaltet werden. Dies ist insbesondere im Falle elektrostatischer Aktuierung vorteilhaft, weil kleinere Flächen ausreichen. Zusätzlich hat dieser Aufbau den Vorzug, dass durch äußere Einflüsse entstehende mechanische Zugspannungen in den Schichten des Spiegelelements 202 keine Auswirkung haben, was die Driftstabilität des Bauelements 200 erhöht.In other words shows 8th a detailed top view of the suspension 800 a Fabry-Perot interferometer 200 according to an embodiment. In this case, one of the mirror elements 202 be formed kelly. It has no restoring force and can be switched back and forth between two positions. This is particularly advantageous in the case of electrostatic actuation because smaller areas are sufficient. In addition, this construction has the advantage that mechanical tensile stresses arising in the layers of the mirror element due to external influences 202 have no effect what the drift stability of the device 200 elevated.
9 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wie in 3 sind zwei Spiegelschichten 302 durch Distanzschichten 312 von dem Substrat 300 und voneinander beabstandet. Die erste Spiegelschicht 302 ist dabei zwischen der zweiten Spiegelschicht 302 und dem Substrat 300 angeordnet. Das erste Spiegelelement 202 ist wie in 8 kellenförmig an einem biegsamen Steg 800 aufgehängt und kann als freischwebende Spiegelkelle bezeichnet werden. Die erste Antriebseinrichtung 100 weist hier drei Elektroden auf. Eine Elektrode ist auf dem Substrat 300 angeordnet. Die andere Elektrode ist an der zweiten Spiegelschicht 302 angeordnet. Die mittlere Elektrode 808 ist zwischen beiden anderen Elektroden angeordnet. So kann die mittlere Elektrode 808 in Richtung der zweiten Spiegelschicht 302 gezogen werden oder in Richtung des Substrats 300 gezogen werden. Die mittlere Elektrode 808 ist starr mit der Anschlageinrichtung 314 verbunden. Die Anschlageinrichtung 314 weist dabei einen Anschlag in Richtung des Substrats 300 und einen Anschlag in Richtung der zweiten Spiegelschicht 302 auf. Durch den biegsamen Steg 800 weist das erste Spiegelelement 202 keine definierte stabile Ruhelage auf. Aufgrund der Anschlageinrichtung 314 weist das erste Spiegelelement 202 zwei definierte ausgelenkte Positionen auf. Hier ist das erste Spiegelelement 202 in Richtung der zweiten Spiegelschicht 302 ausgelenkt dargestellt. Die Spalthöhe 104 ist dabei gering. 9 shows a cross-sectional view of an interferometer 200 according to an embodiment. As in 3 are two mirror layers 302 through distance layers 312 from the substrate 300 and spaced apart. The first mirror layer 302 is between the second mirror layer 302 and the substrate 300 arranged. The first mirror element 202 is like in 8th kellenförmig on a bendable footbridge 800 suspended and can be referred to as free-floating mirror trowel. The first drive device 100 has three electrodes here. An electrode is on the substrate 300 arranged. The other electrode is on the second mirror layer 302 arranged. The middle electrode 808 is located between the two other electrodes. So can the middle electrode 808 in the direction of the second mirror layer 302 be pulled or towards the substrate 300 to be pulled. The middle electrode 808 is rigid with the anchor device 314 connected. The stop device 314 has a stop in the direction of the substrate 300 and a stop in the direction of the second mirror layer 302 on. Through the flexible bridge 800 has the first mirror element 202 no defined stable resting position. Due to the anchor device 314 has the first mirror element 202 two defined deflected positions. Here is the first mirror element 202 in the direction of the second mirror layer 302 deflected shown. The gap height 104 is low.
Die zweite Antriebseinrichtung 102 weist zwei gegenüberliegende Elektroden auf. Eine der Elektroden ist hier direkt mit dem ersten Spiegelelement 202 gekoppelt und innerhalb des zweiten Federsystems 310 angeordnet. Die andere Elektrode ist in der Ebene der zweiten Spiegelschicht 302 angeordnet.The second drive device 102 has two opposing electrodes. One of the electrodes is here directly with the first mirror element 202 coupled and within the second spring system 310 arranged. The other electrode is in the plane of the second mirror layer 302 arranged.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Interferometer 200 wie in den 5 und 6 ein in die zweite Spiegelschicht 302 integriertes drittes Federsystem 500 auf. Das dritte Federsystem 500 entkoppelt dabei das zweite Spiegelelement 206 von der Ebene der zweiten Spiegelschicht 302.In one embodiment, the interferometer has 200 like in the 5 and 6 one in the second mirror layer 302 integrated third spring system 500 on. The third spring system 500 decouples the second mirror element 206 from the plane of the second mirror layer 302 ,
10 zeigt eine Darstellung eines Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Interferometer entspricht dabei dem in 9 dargestellte Interferometer. Hier ist das erste Spiegelelement 202 in der zweiten ausgelenkten, definierten Position dargestellt. Die Spalthöhe 104 ist dabei maximal. 10 shows a representation of an interferometer 200 according to an embodiment. The interferometer corresponds to the in 9 illustrated interferometer. Here is the first mirror element 202 shown in the second deflected, defined position. The gap height 104 is maximum.
Die 3 bis 10 zeigen in erster Linie Ausführungsbeispiele mit zweifach kapazitiven beziehungsweise elektrostatischen Ansteuerungen 100, 102. Analoge Ausführungsbeispiele mit piezoelektrischer, thermischer und/oder kapazitiver Ansteuerung in beliebiger Kombination, beispielsweise elektrostatisch und piezoelektrisch, sind jedoch ebenfalls denkbar. Die Auslenkung wenigstens eines der Spiegelelemente 202, 206 kann über die Ansteuerungen 100, 102 sowohl in die gleiche Richtung, in die entgegengesetzte Richtung oder aber sowohl in die gleiche als auch die entgegengesetzte Richtung bewirkt werden. Auf diese Weise können Nichtlinearitäten in der Ansteuerung kompensiert werden.The 3 to 10 show in the first place embodiments with dual capacitive or electrostatic actuators 100 . 102 , Analogous embodiments with piezoelectric, thermal and / or capacitive control in any combination, such as electrostatic and piezoelectric, however, are also conceivable. The deflection of at least one of the mirror elements 202 . 206 can over the controls 100 . 102 be effected in the same direction, in the opposite direction or in both the same and the opposite direction. In this way, nonlinearities in the drive can be compensated.
Insbesondere können in einem Ausführungsbeispiel die Spiegelelemente 202, 206 sowohl aufeinander zubewegt, als auch voneinander wegbewegt werden. Dies schafft beispielsweise bei kapazitiver Ansteuerung einen insgesamt größeren durchstimmbaren Messbereich durch eine Vergrößerung des ersten elektrostatischen Spalts um 30% und zusätzlich des zweiten elektrostatischen Spalts um weitere 30%.In particular, in one embodiment, the mirror elements 202 . 206 both moved towards each other, as well as moved away from each other. For example, this creates an overall larger tunable measuring range for capacitive driving by increasing the first electrostatic gap by 30% and additionally the second electrostatic gap by a further 30%.
Bei einer Ausführung mit zwei voneinander unabhängigen elektrostatischen Aktuierungsmechanismen 100, 102 kann es sinnvoll sein, für die Grobansteuerung einen kleineren elektrostatischen Spalt als für die Feinansteuerung zu verwenden, um über die Grobansteuerung einen der Spiegel 202, 206 einfacher, also mit weniger Steuerspannung in seine Messposition anschnappen lassen zu können.In a version with two independent electrostatic actuation mechanisms 100 . 102 it may be useful to use a smaller electrostatic gap for the coarse control than for the fine control to the coarse control of the mirror 202 . 206 easier to be able to snap into its measuring position with less control voltage.
Für jeden Aktuierungsmechanismus 100, 102 existiert ein korrespondierendes Federsystem 308, 310 in wenigstens einem der Spiegelelemente 202, 206, sodass die Federung beispielsweise bezüglich einer Rückstellkraft passend zum Aktuierungsmechanismus 100, 102 ausgelegt werden kann. For every actuation mechanism 100 . 102 exists a corresponding spring system 308 . 310 in at least one of the mirror elements 202 . 206 so that the suspension, for example, with respect to a restoring force matching the Aktuierungsmechanismus 100 . 102 can be designed.
11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1100 zum Betreiben eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1100 weist einen Schritt 1102 des Einstellens auf, in dem eine Spaltweite eines Resonatorspalts des Interferometers zwischen einem ersten Spiegelelement des Interferometers und einem zweiten Spiegelelement des Interferometers unter Verwendung einer ersten Antriebseinrichtung und/oder einer zweiten Antriebseinrichtung eingestellt wird. 11 shows a flowchart of a method 1100 for operating an interferometer according to an embodiment. The procedure 1100 has a step 1102 adjusting, in which a gap width of a resonator gap of the interferometer is adjusted between a first mirror element of the interferometer and a second mirror element of the interferometer using a first drive device and / or a second drive device.
Mit anderen Worten zeigt 11 ein Ablaufdiagramm einer Methode zum Durchstimmen eines Fabry-Perot-Interferometers mit wenigstens zwei voneinander unabhängig aktuierbaren Verstellsystemen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein erstes digitales Verstellsystem dazu verwendet wird, ein erstes Element oder Spiegelelement durch eine diskrete Aktuierung in eine von zwei oder mehreren definierten Positionen zu bringen, während ein zweites, analoges Verstellsystem dazu verwendet wird, den Abstand zwischen den Spiegelelementen quasikontinuierlich zu verändern. Es werden Abstandshalter benutzt, um die diskreten Positionen des ersten Spiegelelements zu definieren. Der Aktuierungsmechanismus kann piezoelektrisch, kapazitiv oder thermisch sein.In other words shows 11 a flow chart of a method for tuning a Fabry-Perot interferometer with at least two independently actuatable adjustment systems, which is characterized in that a first digital adjustment system is used to a first element or mirror element by a discrete actuation in one of two or more defined Positions while a second, analog adjustment system is used to change the distance between the mirror elements quasi-continuously. Spacers are used to define the discrete positions of the first mirror element. The actuation mechanism may be piezoelectric, capacitive or thermal.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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US 2013279005 A1 [0003] US 2013279005 A1 [0003]
