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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Durchstimmbare spektrale Filter mit der Möglichkeit der Miniaturisierung lassen sich beispielsweise mittels MEMS-Technologie als Fabry- Pérot-Interferometer realisieren. Dabei wird ausgenutzt, dass eine Kavität bestehend aus zwei planparallelen, hochreflektierenden Spiegeln mit einem Abstand (Kavitätslänge) im Bereich optischer Wellenlängen eine starke Transmission nur für diejenigen Wellenlängen zeigt, für die der Gangunterschied zwischen interfererierenden transmittierten Teilstrahlen einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge entspricht. Dieser Gangunterschied hängt wesentlich von der Kavitätslänge ab. Die Kavitätslänge lässt sich beispielsweise mittels elektrostatischer oder piezoelektrischer Aktuierung verändern, wodurch ein spektral durchstimmbares Filterelement entsteht. Ein kritischer Einflussfaktor auf die Auflösung eines solchen Spektrometers ist die (Ko-)Planarität der beiden Spiegel. Diese sollte möglichst hoch sein, sodass zwischen den beiden Spiegeln eine definierte Kavität mit einer möglichst hohen Finesse entsteht. Eine Möglichkeit ist die Verwendung zweier möglichst spannungsfreier Spiegel, die auf zwei massiven, biegesteifen Substraten aufgebracht werden, die später aneinander verbunden werden, wie beispielsweise in der Druckschrift
JP 2015-165266 A beschrieben.
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Des Weiteren beschreibt das Patent
US 9,329,360 B2 eine Struktur, die als Miniaturspektrometer verwendet werden kann. Diese besteht aus einem steifen Element, einem sogenannten Stößel oder englisch Piston, das mithilfe piezoelektrischer Aktuatoren relativ zu einem ortsfesten Rahmen verfahren werden kann. Durch Aufbringen eines Spiegels auf das steife Element und Verbinden eines zweiten Substrats, auf dem ebenfalls ein Spiegel angebracht ist, wird ein durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer gebildet.
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In der Druckschrift
US 2016/0054179 A1 ist ein durchstimmbares, integriertes Fabry-Perot-Interferometer beschrieben, das zwei Spiegel umfasst, die jeweils auf einem SOI-Wafer bzw. auf einer Mikroplattform angeordnet sind, wobei letztere Strahlungsdetektoren umfassen kann. Licht fällt durch den Wafer auf den ersten Spiegel ein.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Interferometer, ein Verfahren zum Herstellen eines Interferometers, eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, und 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.
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Es wird ein Interferometer mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
- einem optischen Resonator mit einem ersten Spiegelelement und einem gegenüber dem ersten Spiegelelement angeordneten zweiten Spiegelelement;
- einem Stößelelement mit einer durchgehenden Stößelöffnung oder Ausnehmung, die als Lichteintrittsöffnung des Interferometers fungiert, wobei das erste Spiegelelement gegenüber und/oder in der Stößelöffnung oder gegenüber und/oder in der Ausnehmung liegend an dem Stößelelement angeordnet und gegen Durchhängen planarisiert ist;
- einem Rahmen; und
- einem Federelement, das ausgebildet ist, um das Stößelelement und den Rahmen zum Ändern eines Abstands zwischen dem ersten Spiegelelement und dem zweiten Spiegelelement beweglich miteinander zu koppeln.
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Unter einem Interferometer kann ein Messgerät zum Überlagern elektromagnetischer Wellen zu einem Interferenzmuster verstanden werden. Insbesondere kann es sich bei dem Interferometer um ein Fabry-Perot-Interferometer handeln. Das Interferometer kann beispielsweise als miniaturisiertes Bauteil in MEMS-Technologie gefertigt sein. Unter einem ersten oder zweiten Spiegelelement kann ein teildurchlässiges reflektierendes Element verstanden werden. Unter einem Stößelelement kann ein steifes, beispielsweise hohlzylinderförmiges Element verstanden werden. Die Stößelöffnung kann beispielsweise durch einen Hohlraum des hohlzylinderförmigen Elements gebildet sein. Unter einer Lichteintrittsöffnung kann eine Öffnung verstanden werden, durch die elektromagnetische Strahlung auf das erste Spiegelelement einfallen kann, bevor sie auf das zweite Spiegelelement trifft. Das erste Spiegelelement kann beispielsweise die Stößelöffnung abdecken und damit als Boden des Stößelelements fungieren, während ein dem Boden gegenüberliegendes Ende der Stößelöffnung unbedeckt sein kann. Alternativ kann das erste Spiegelelement auch innerhalb der Stößelöffnung platziert sein. Das erste Spiegelelement kann derart an dem Stößelelement befestigt oder ausgeformt sein, dass es unter Zugspannung steht und somit ein Durchbiegen des ersten Spiegelelements aufgrund dessen Eigengewichts vermieden oder zumindest minimiert wird.
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Unter einem Federelement kann beispielsweise eine elastisch verformbare Membranfeder, die das Stößelelement umläuft, zum Aufhängen des Stößelelements am Rahmen verstanden werden. Insbesondere kann das Federelement beispielsweise mittels zumindest eines Aktors wie einem Piezoaktor, einem elektrostatischen und/oder thermischen Aktor kontrolliert verformbar sein, um ein Anheben oder Absenken des Stößelelements relativ zum zweiten Spiegelelement zu bewirken.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der das Spiegelelement durch eine Zugverspannung in Spannung versetzt ist. Hierdurch kann eine deutliche Stabilisierung des Spiegelelementes erreicht werden, wodurch sich eine präzisere Einstellung einer gewünschten Ausrichtung des Spiegels realisieren lässt.
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Günstig ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei dem das Interferometer ein Stabilisierungselement zum Stabilisieren des Stößelelements gegen eine durch das erste Spiegelelement auf das Stößelelement ausgeübte Verwindungskraft aufweist. Auch eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil einer besonders präzisen Ausrichtungsmöglichkeit des Spiegelelementes, um die optischen Eingeschaften des Interferometers weiter zu optimieren.
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Unter einem Stabilisierungselement kann ein Zusatzfederelement, beispielsweise in Form einer weiteren elastisch verformbaren Membranfeder, die das Stößelelement zumindest abschnittsweise umläuft und mit dem Rahmen beweglich gekoppelt ist, einer Kompensationsschicht oder eines sonstigen geeigneten Federelements zum Beaufschlagen des Stößelelements mit einer der Verwindungskraft entgegenwirkenden Kraft verstanden werden. Das Stabilisierungselement kann beispielsweise auch durch einen über einen Umriss des Stößelelements hinausragenden Teilabschnitt des ersten Spiegelelements gebildet sein.
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Besonders günstige Ausführungsformen des hier vorgestellten Ansatzes beruhen auf der Erkenntnis, dass eine Verhinderung der Substratabsorption durch Materialausnahme aus dem Stößel möglich ist. Im Falle einer durchgehenden Stößelöffnung kann des Weiteren eine Verbesserung der Spiegelkoplanarität durch tensile Vorspannung erreicht werden. Die Verwendung eines solchen Stößelelements ermöglicht die Freistellung des Spiegelelements, sodass die Absorption der einfallenden elektromagnetischen Strahlung durch Stößelmaterial vermieden oder zumindest reduziert wird und der spektrale Arbeitsbereich des Interferometers auf kürzere Wellenlängen erweitert wird, beispielsweise auf Wellenlängen von kleiner 1050 nm, für die beispielsweise Silizium als Substratmaterial nicht mehr transparent ist. Hierbei ist eine Vorspannung des Spiegelelements vorteilhaft, um ein Durchhängen des Spiegelelements zu verhindern. Probleme, die sich aus der Vorspannung des Spiegelelements ergeben, können durch Anordnen eines entsprechenden Stabilisierungselementes, etwa in Form von Zusatzfedern, mit verhältnismäßig geringem Zusatzaufwand gelöst werden.
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Kern des hier vorgestellten Ansatzes ist ein Interferometer, beispielsweise ein MEMS-Fabry-Perot-Filter, bestehend aus zwei Spiegeln, die auf zwei Substraten aufgebracht sind, die aneinandergebondet werden. Beispielsweise wird zur Bildung der Stößelöffnung ein zentraler Bereich des Stößelelements nach Aufbringen einer durchgehenden Spiegelschicht als erstes Spiegelelement entfernt. Durch die Entfernung des Materials wird der mögliche spektrale Arbeitsbereich des Interferometers signifikant vergrößert, da eine störende optische Absorption durch das Stößelelement verhindert wird. Gegebenenfalls kann der entstandene Hohlraum zu einem späteren Zeitpunkt erneut mit einem anderen, im relevanten Spektralbereich transparenten Material aufgefüllt werden, was der mechanischen Stabilisierung der Struktur dient.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Stabilisierungselement als mindestens eine den Rahmen und das Stößelelement miteinander verbindende Zugfeder ausgeführt sein. Dadurch kann das Stößelelement mit geringem Aufwand mit einer der Verwindung entgegenwirkenden Zugkraft beaufschlagt werden.
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Dabei kann die Zugfeder durch einen Teilabschnitt des ersten Spiegelelements gebildet sein. Bei dem Teilabschnitt kann es sich beispielsweise um einen über einen äußeren Umriss des Stößelelements hinausragenden und mit dem Rahmen verbundenen Abschnitt des ersten Spiegelelements handeln. Dadurch kann die Fertigung des Interferometers vereinfacht werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Stabilisierungselement benachbart zum ersten Spiegelelement angeordnet sein. Dadurch kann die Stabilisierung des Stößelelements besonders effizient erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Stabilisierungselement als eine gegenüber der Stößelöffnung angeordnete lichtdurchlässige Kompensationsschicht ausgeführt sein. Auch durch diese Ausführungsform kann die Verwindung des Stößelelements wirksam unterbunden werden.
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Das erste Spiegelelement kann beispielsweise einen Boden des Stößelelements bilden. Das Stabilisierungselement kann dabei einen dem Boden gegenüberliegenden Deckel des Stößelelements bilden. Dadurch kann die Verwindung des Stößelelements auf ein Minimum reduziert werden.
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Das Weiteren kann das Interferometer eine Aktoreinrichtung zum Bewegen des Stößelelements oder, zusätzlich oder alternativ, zumindest eine Messeinrichtung zum direkten und/oder indirekten Messen des Abstands zwischen dem ersten Spiegelelement und dem zweiten Spiegelelement aufweisen. Die Aktoreinrichtung kann beispielsweise zumindest einen Piezoaktor, der beispielsweise an dem Federelement angebracht sein kann, oder zumindest einen elektrostatischen Aktor, der an dem ersten und zweiten Spiegelelement angebracht sein, umfassen. Unter einer Messeinrichtung können beispielsweise Elektroden zur kapazitiven Positionsdetektion verstanden werden. Beispielsweise kann die Messeinrichtung im Falle einer elektrostatischen Aktuierung in die Aktoreinrichtung integriert sein. Durch diese Ausführungsform kann der Abstand zwischen den beiden Spiegelelementen kontrolliert geändert werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Interferometers, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Bilden eines Stößelelements mit einer durchgehenden Stößelöffnung oder einer Ausnehmung, die als Lichteintrittsöffnung des Interferometers fungiert, wobei ein erstes Spiegelelement gegenüber und/oder in der Stößelöffnung oder gegenüber und/oder in der Ausnehmung liegend an dem Stößelelement angeordnet wird und gegen Durchhängen planarisiert, insbesondere unter Verwendung einer Zugverspannung planarisiert wird;
- Anordnen eines zweiten Spiegelelements gegenüber dem ersten Spiegelelement, um einen optischen Resonator zu bilden; und
- Koppeln des Stößelelements mit einem Rahmen mittels eines Federelements zum Ändern eines Abstands zwischen dem ersten Spiegelelement und dem zweiten Spiegelelement.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren, das im Schritt des Bildens einen Teilschritt des Stabilisierens des Stößelelements gegen eine durch das erste Spiegelelement auf das Stößelelement ausgeübte Verwindungskraft mittels eines Stabilisierungselementes aufweist. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren bietet den Vorteil einer sehr präzisen optischen Einstellungsmöglichkeit für das herzustellende Interferometer.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte des hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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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.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 5 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 6 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 7 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 8 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 9 eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 10 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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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.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Interferometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielhaft gezeigt ist eine ein erstes Spiegelelement 102 umfassende obere Hälfte des Interferometers 100. Das Spiegelelement 102 ist Teil eines optischen Resonators zum Filtern einer einfallenden elektromagnetischen Strahlung 103. Dabei ist das erste Spiegelelement 102, hier beispielhaft als Spiegelschicht ausgeführt, an einem Stößelelement 104 (welches beispielsweise zylindrische, insbesondere hohlzylindrisch ausgeformt ist) angebracht. Das Stößelelement 104 weist eine durchgehende Stößelöffnung 106 auf, auch Durchloch genannt, die an einer ersten Seite durch das erste Spiegelelement 102 abgedeckt ist und an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite offen ist. Das erste Spiegelelement 102 bildet somit einen Boden des Stößelelements 104. Durch die offene zweite Seite der Stößelöffnung 106 tritt die elektromagnetische Strahlung 103 in das Interferometer 100 ein und trifft somit möglichst ungehindert auf das erste Spiegelelement 102. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das erste Spiegelelement 102 innerhalb der Stößelöffnung 106 platziert.
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Das erste Spiegelelement 102 wird planarisiert, beispielsweise durch eine Zugspannung, sodass eine schwerkraftbedingte Verwölbung des ersten Spiegelelements 102 größtenteils vermieden wird. Typische auftretende Zugspannungen liegen hierbei unterhalb von 500 MPa.
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Das Stößelelement 104 ist mittels eines Federelements 108 federnd an einem Rahmen 110, beispielsweise in Form eines Chips, aufgehängt. Das Federelement 108 ermöglicht ein Absenken und Anheben des Stößelelements 104 und somit des ersten Spiegelelements 102 (beispielsweise unter Verwendung eines Aktors). Dadurch kann eine Kavitätslänge des optischen Resonators geändert werden. Beispielhaft ist das Federelement 108 in 1 an einer dem ersten Spiegelelement 102 gegenüberliegenden Stirnfläche des Stößelelements 104 befestigt.
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Um zu verhindern, dass das Stößelelement 104 als Folge der Verspannung des ersten Spiegelelements 102 verzogen wird, weist das Interferometer 100 ein Stabilisierungselement 112 zur mechanischen Stabilisierung des Stößelelements 104 auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Stabilisierungselement 112 als eine das Stößelelement 104 umlaufende Zusatzfeder ausgeführt, beispielsweise in Form einer federnden Membran, die den Rahmen 110 und das Stößelelement 104 miteinander verbindet und dabei auf Zug belastet wird. Eine Ausführung mit mehreren Einzelfedern ist ebenfalls denkbar. Denkbar ist ferner auch die Verwendung von einer oder mehrerer Performationsöffnungen oder Perforationsausnehmungen (die in den Figuren jedoch nicht explizit gezeigt sind) in einem Randbereich oder im Rahmenbereich des ersten Spiegelelementes 102. Auf diese Weise kann eine definiertere Federwirkung erreicht werden. Das Stabilisierungselement 112 ist etwa auf gleicher Höhe mit dem ersten Spiegelelement 102 angeordnet, um die durch das Stabilisierungselement 112 bewirkte Zugkraft an einer mechanisch günstigen Stelle in das Stößelelement 104 einzuleiten. Um der Verwindung des Stößelelements 104 entgegenzuwirken, ist das Stabilisierungselement 112 beispielsweise in Form einer separaten Zusatzfeder von außen an der Unterseite des Stößelelements 104 angebracht. Diese wird dann einer Zugbelastung ausgesetzt und verringert durch die auftretende Rückstellkraft die Verwindung.
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Das Interferometer 100 ist beispielsweise rotationssymmetrisch aufgebaut. Dementsprechend kann das Stößelelement 104 als Hohlzylinder und das erste Spiegelelement 102 scheibenförmig ausgeführt sein. Auch kann eine deutlich unterschiedliche Dickenskala von Stößel (im Bereich Hunderte µm) und Spiegel (im Bereich < 1 µm) vorgesehen werden. Das Federelement 108 und das Stabilisierungselement 112 können beispielsweise je als ringförmige Membranfeder ausgestaltet sein. Ebenso kann der Rahmen 110 ringförmig ausgestaltet sein. Die Grundfläche des Prismenkörpers (in diesem Fall der Hohlstößel) kann auch ein allgemeiner geschlossener Polygonzug sein.
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Zusätzlich weist das Interferometer 100 eine optionale Aktoreinrichtung 114 zum kontrollierten Anheben oder Absenken des Federelements 108 auf. Beispielhaft umfasst die Aktoreinrichtung 114 hierzu zwei konzentrisch an dem Federelement 108 angeordnete Piezoaktorringe 116, 118.
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Bei dem Stößelelement 104 handelt es sich beispielsweise um einen freigestellten Siliziumzylinder, der an einer Membranfeder als Federelement 108 aufgehängt ist. Eine SiO2-Schicht dient dabei als Ätzstoppschicht. Durch Anlegen einer Spannung an die Piezoaktorringe 116, 118 ist das Stößelelement 104 in zwei Richtungen verfahrbar, je nachdem, ob die Spannung am äußeren Piezoaktorring 118 oder am inneren Piezoaktorring116 anliegt. Als piezoelektrisches Material wird beispielsweise Bleizirkonattitanat verwendet. Dieses ist allerdings nur exemplarisch für piezoelektrische Materialien im Allgemeinen. Prinzipiell ist der Betrieb auch mit nur einem Piezoaktorring möglich. Der Verfahrweg ist dann entsprechend eingeschränkt und nur in einer Richtung möglich.
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Aus Symmetriegründen ist es vorteilhaft, wenn das Stößelelement 104 zylinderförmig, insbesondere hohlzylinderförmig, also rund in der Draufsicht, und die Piezoaktoren ringförmig ausgeführt sind. Durch eine geeignete laterale Segmentierung der Ringelektroden 116, 118 in Kreissegmente kann eine unerwünschte Verkippung des Stößelelements 104 korrigiert werden.
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In einem Abscheideprozess wird daraufhin das erste Spiegelelement 102 abgeschieden. Dieses ist beispielsweise in Form eines metallischen oder dielektrischen Spiegels realisiert. Ebenso sind nanostrukturierte Oberflächen als Reflektoren denkbar, wie sie beispielsweise in beschrieben sind. In einem weiteren Prozessschritt wird die Reflektorstruktur in der Mitte des Stößelelements 104 freigestellt, sodass keine störende Absorption durch das Substrat mehr auftritt. Durch das Entfernen des Siliziums aus der Mitte der Struktur kann ein Fabry-Perot-Interferometer realisiert werden, das für Wellenlängen unterhalb der Absorptionskante von Silizium transparent ist. Um einen Durchhang unter Gravitation der Struktur zu vermeiden, ist es sinnvoll, wenn das erste Spiegelelement 102 zugverspannt aufgebracht wird. Prozesstechnisch ist es von Vorteil, das erste Spiegelelement 102 zuvor auf einer Ätzstoppschicht aufzubringen, um ein späteres, definiertes Freistellen des Spiegelelements 102, beispielsweise durch Trenchen, zu ermöglichen. 1 zeigt die fertige Struktur des oberen Teils des Interferometers 100. Denkbar ist auch eine Herstellungsweise, bei der die Freistellung des Stößels erst als letzter Verfahrensschritt erfolgt, bzw. die Ausbildung der Spiegel vor der Freistellung des Stößels erfolgt. Auf diese Weise kann eine mechanische Belastung des Stößels bei der Fertigung der Spiegelelemente vermieden oder zumindest reduziert werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Interferometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 1 ist das Stabilisierungselement 112 hier durch einen das Stößelelement 104 umgebenden Teilabschnitt des ersten Spiegelelements 102 gebildet. Das erste Spiegelelement 102 ist beispielsweise als einteilige, flexible Scheibe ausgeführt, die den Rahmen 110 und das Stößelelement 104 mechanisch miteinander koppelt. Um der Verwindung des Hohlzylinders des Stößelelements 104 entgegenzuwirken, ist das erste Spiegelelement 102 beispielsweise durchgehend an der Unterseite des Stößelelements 104 angebracht. Diese wird dann einer Zugbelastung ausgesetzt und verringert durch die auftretende Rückstellkraft die Verwindung. Denkbar ist jedoch auch, dass das Interferometer 100 ohne die Federelemente bzw. Zusatzfedern zur Stabilisation des Stößelelements ausgeführt wird, wie dies beispielsweise in der 5 näher dargestellt ist. Auch durch eine solche Variante kann eine gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Interferometer realisiert werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Interferometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu den 1 und 2 ist das Stabilisierungselement 112 gemäß diesem Ausführungsbeispiel als eine lichtdurchlässige Kompensationsschicht ausgeführt, die die dem ersten Spiegelelement 102 gegenüberliegende zweite Seite der Stößelöffnung 106 abdeckt und dabei mit dem Federelement 108 verbunden ist. Das Gegenmoment zur Verwindung durch das erste Spiegelelement 102 wird somit durch die oben aufgebrachte Kompensationsschicht aufgebracht.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Interferometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Darin ist das Stößelelement 104 in einem noch nicht freigestellten Zustand gezeigt.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Interferometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Interferometer 100 ist mit einem zweiten Spiegelelement 500 gezeigt, das dem ersten Spiegelelement 102 gegenüberliegt und mit diesem den optischen Resonator bildet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das zweite Spiegelelement 500 an einer Substratlage 502 angebracht. Die Substratlage 502 weist ein optionales Durchloch 504 auf, wobei das zweite Spiegelelement 500 gegenüber dem Durchloch 504 angeordnet ist. Zwischen dem Rahmen 110 und der Substratlage 502 ist ein Abstandhalter 506 angeordnet.
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Durch das Anbonden der Substratlage 502, auf der das zweite Spiegelelement 500 aufgebracht ist, wird das Interferometer 100 fertiggestellt. Die Substratlage 502 ist mit dem Durchloch 504 versehen, falls diese aus einem nicht transparenten Material besteht. Vorteilhafterweise ist die Substratlage 502 jedoch aus einem transparenten Material wie beispielsweise Glas gefertigt. Durch das Anlegen der elektrischen Spannung an die Piezoaktorringe 116, 118 kann nun der Abstand der beiden Spiegelelemente zueinander verändert werden und damit die Durchlasswellenlänge des Interferometers 100 kontinuierlich variiert werden.
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Des Weiteren ist es möglich, den gegenseitigen Abstand der Spiegelelemente 102, 500 zu detektieren, sodass dem detektierten Licht auch eine definierte Wellenlänge zugeordnet werden kann. Diese Positionsdetektion kann kapazitiv geschehen, wie in 6 gezeigt. Dies wird beispielsweise durch die Strukturierung zweier Elektroden um die Spiegelelemente 102, 500 herum realisiert.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Interferometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 5 ist das Interferometer 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit einer optionalen Messeinrichtung 600 ausgeführt, hier beispielhaft in Form von an den beiden Spiegelelementen 102, 500 angebrachten Positionsdetektionselektroden zur kapazitiven Positionsdetektion. Bei Variation des Spiegelabstands verändert sich die messbare Kapazität zwischen den Positionsdetektionselektroden. Die Elektroden können alternativ oder zusätzlich auch als Aktorelektroden zum elektrostatischen Ändern des Spiegelabstands ausgebildet sein. Alternativ sind in das Federelement 108 Piezoresistoren eingebracht, sodass eine indirekte Messung des Spiegelabstands ermöglicht wird, wie es in 7 gezeigt ist. Generell kann eine solche Anordnung mit dedizierten Elektroden auch für eine elektrostatische Aktuation verwendet werden, hierbei können dann die Piezoringe eingespart werden.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Interferometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 6 ist die Messeinrichtung 600 hier in Form von Piezoresistoren zur piezoresistiven Positionsdetektion in die am Federelement 108 angebrachte Aktoreinrichtung 114 integriert. Auch können in einem nicht explizit in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel dedizierte Piezoresistoren verwendet werden, die nicht in die Aktoreinrichtung, wie sie in den Figuren dargestellt ist, integriert sind. Die bei der Aktuation auftretende Dehnung an der Aufhängung verändert den Widerstand der Piezoresistoren und lässt damit Rückschlüsse auf die Spiegelposition zu.
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8 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Interferometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist eine statische Verwindung des Hohlzylinders des Stößelelements 104 bei Verwendung einer Spiegelmembran als erstes Spiegelelement 102. Die Spiegelmembran selbst bleibt eben, während allerdings ein späterer Spiegelabstand durch die Verwindung beeinflusst wird. Das durch die Vorspannung der Spiegelmembran resultierende Biegemoment bewirkt eine Verwindung des aufgehängten Hohlzylinders, wie es in 8 prinzipiell anhand einer Simulation einer Viertelstruktur gezeigt ist. Dabei ist zu beachten, dass die Spiegelmembran trotz der Verwindung des Hohlzylinders plan und somit das Interferometer funktional bleibt. Diese Verwindung wird durch Einbringen eines entsprechenden Gegenmoments mittels des Stabilisierungselementes verringert, etwa durch Verwendung einer zusätzlichen Federschicht, die im Siliziumwafer integriert wird, oder durch Ausführung des ersten Spiegelelements 102 als flächige Schicht, wie in den 1 und 2 gezeigt. Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Verhinderung der Verwindung des Stößelelements 104 ist in 3 gezeigt. Hier wird das notwendige Gegenmoment durch eine weitere zugverspannte und transparente Kompensationsschicht ausgeübt, die in der oberen Ebene der Struktur angebracht ist.
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9 zeigt eine Vorrichtung 900 zum Herstellen eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa eines vorangehend anhand der 1 bis 8 beschriebenen Interferometers. Die Vorrichtung 900 umfasst eine erste Einheit 910 zum Bilden des Stößelelements mit dem ersten Spiegelelement, eine zweite Einheit 920 zum Anordnen des zweiten Spiegelelements gegenüber dem ersten Spiegelelement, eine dritte Einheit 930 zum Koppeln des Stößelelements mit dem Rahmen mittels des Federelements und eine vierte Einheit 940 zum Stabilisieren des Stößelelements mittels des Stabilisierungselementes.
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10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Herstellen eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1000 kann beispielsweise unter Verwendung der anhand von 9 beschriebenen Vorrichtung ausgeführt werden. Dabei wird in einem Schritt 1010 das Stößelelement mit dem ersten Spiegelelement gebildet, in einem weiteren Schritt 1020 das zweite Spiegelelement gegenüber dem ersten Spiegelelement angeordnet und in einem zusätzlichen Schritt 1030 das Stößelelement mit dem Rahmen mittels des Federelements gekoppelt. Ferner kann im Schritt des Bildens 1010 ein Teilschritt 1040 ausgeführt werden, in dem das Stößelelement mittels des Stabilisierungselementes stabilisiert wird.
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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. Ferner können hier vorgestellte Schritte eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden, als dies in der vorliegenden Beschreibung offenbart ist. Beispielsweise kann der Schritt des Bildens zusammen mit dem Schritt des Koppelns und/oder dem Schritt des Stabilisierens ausgeführt werden, insbesondere nach dem Schritt des Anordnens.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2015165266 A [0002]
- US 9329360 B2 [0003]
- US 2016/0054179 A1 [0004]
