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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Interferometereinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Interferometereinrichtung.
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Stand der Technik
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Aus Fabry-Perot Interferometern (FPI) ist es vorteilhaft möglich in Wellenlängen durchstimmbare spektrale Filter mit einem hohen Grad einer Miniaturisierung zu erzielen. Hierzu kann sich vorteilhaft MEMS-Technologie eignen (mikroelektromechanische Bauteile). Es kann dabei ausgenutzt werden, dass eine Kavität bestehend aus zwei planparallelen, hochreflektierenden Spiegeln mit einem Abstand (Kavitätslänge) im Bereich optischer Wellenlängen eine starke Transmission nur für Wellenlängen zeigt, für welche die Kavitätslänge einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Durch die Anwendung beispielsweise elektrostatischer oder piezoelektrischer Aktoren kann die Kavitätslänge verändert werden. Somit kann ein die Wellenlängen der Transmission veränderliches (spektral durchstimmbares) Filterelement bereitgestellt werden. Die Funktion eines solchen Spektrometers kann dabei stark von der Parallelität der beiden Spiegel abhängen, wobei diese möglichst hoch sein sollte, sodass zwischen den beiden Spiegeln eine definierte Kavität mit einer möglichst hohen Finesse (Verhältnis des Abstands zweier benachbarter Interferenzmaxima und der Halbwertsbreite eines einzelnen Interferenzmaximums) entsteht. Es ist hierzu die Anwendung zweier Spiegel möglich, die auf zwei massiven, biegesteifen Substraten aufgebracht werden, die später aneinander gebondet werden können.
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Eine Messung der Größe des Abstands zwischen den Spiegeln bei üblichen FPIs erfolgt meist durch eine Rückmessung des optischen Spiegelabstands über die Aktuierungselektroden oder separate Elektroden, wobei üblicherweise alle Elektroden den gleichen oder einen unterschiedlichen Abstand aufweisen können, die Charakteristik ist jedoch immer die gleiche:
- In der US2014/0022643 A1 wird ein wellenlängenvariables Interferenzfilter mit einem beweglichen Substrat und einem stationären Substrat beschrieben, wobei die beiden Substrate unterschiedliche Kapazitäten sowie Abstände bilden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Interferometereinrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Interferometereinrichtung nach Anspruch 9.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, eine Interferometereinrichtung mit einer verbesserten Möglichkeit zur Abstandsbestimmung zwischen den beiden Spiegeln bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß umfasst die Interferometereinrichtung ein Substrat mit einer Randstruktur, welche auf dem Substrat angeordnet ist, und in Draufsicht auf eine Oberseite des Substrats einen optischen Bereich über dem Substrat zumindest teilweise lateral umläuft; eine erste Spiegeleinrichtung, welche sich zumindest im optischen Bereich über dem Substrat und dieses überspannend erstreckt und welche an der Randstruktur verankert ist; eine zweite Spiegeleinrichtung, welche sich zumindest im optischen Bereich über dem Substrat und über der ersten Spiegeleinrichtung und diese überspannend erstreckt und welche an der Randstruktur verankert ist, wobei die erste und zweite Spiegeleinrichtung im optischen Bereich freigestellt sind; eine Aktuierungselektrode, welche auf dem Substrat angeordnet ist und einen Mittelbereich des optischen Bereichs zumindest teilweise lateral umläuft, und wobei erste Spiegeleinrichtung zumindest über der Aktuierungselektrode einen ersten elektrisch leitenden Bereich umfasst und die zweite Spiegeleinrichtung zumindest einen zweiten elektrisch leitenden Bereich über dem ersten elektrisch leitenden Bereich umfasst; und eine Steuereinrichtung, welche mit der Aktuierungselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich und mit dem zweiten elektrisch leitenden Bereich elektrisch verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Aktuationsspannung zwischen der Aktuierungselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich anzulegen und eine Auswertungsspannung zwischen zumindest dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich anzulegen und bei einem Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung aus einer Kapazitätsänderung zumindest zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich einen ersten Abstand zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und der zweiten Spiegeleinrichtung zu bestimmen.
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Die Aktuationsspannung kann an die Aktuationselektrode angelegt werden, mit anderen Worten kann eine entsprechende Potentialdifferenz zum Aktuieren zwischen der Aktuationselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich angelegt werden. Zwischen dem ersten und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich kann die Änderung der Kapazität, welche der erste und der zweite leitende Bereich bilden, ermittelt werden, vorteilhaft durch eine Auswerteschaltung. Des Weiteren kann auch die Änderung der Kapazität zwischen den ersten leitenden Bereich und der Aktuierungselektrode ermittelt werden, vorteilhaft auch durch eine oder dieselbe Auswerteschaltung. Es ist möglich die Kapazitäten selbst zu messen, vorteilhaft über die Zeit, oder lediglich deren Änderungen zu ermitteln. Die Änderungen können auch vorteilhaft in Relation zu einander ermittelt werden. Wenn sich der erste Abstand zwischen den Spiegeleinrichtungen vergrößert, dann kann sich ein zweiter Abstand zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und dem Substrat verkleinern. Es können sich demnach eine erste Kapazität zwischen den beiden Spiegeleinrichtungen und eine zweite Kapazität zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und der Aktuierungselektrode indirekt (umgekehrt) proportional zueinander verändern. Aus Relationen zwischen dem Wert der Kapazität und dem Abstand kann gegenüber einem bekannten ersten und/oder zweiten Abstand bei einer Ruhelage der ersten Spiegeleinrichtung (nicht ausgelenkt) ein Rückschluss auf den ersten und/oder zweiten Abstand bei ausgelenkter erster Spiegeleinrichtung ermittelt werden. Dies kann aus einer Messung nur einer Kapazität (erste oder zweite) erfolgen oder aus Änderungen beider Kapazitäten zueinander.
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Die Interferometereinrichtung kann als ein mikroelektromechanisches Bauteil ausgeformt sein (MEMS).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst die Steuereinrichtung eine Auswerteschaltung, durch welche zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich eine erste Auswertungsspannung und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der Aktuierungselektrode über eine Referenzkapazität eine zweite Auswertungsspannung anlegbar ist, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung zur zweiten Auswertungsspannung gegengepolt ist.
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Bei einer Bewegung der Spiegeleinrichtung können Veränderungen in den Kapazitäten zwischen den elektrisch leitenden Bereichen und der Aktuierungselektrode vorteilhaft getrennt betrachtet werden. Gegengepolte und vorteilhaft im Betrag gleiche Auswertungsspannungen können sich in einem unausgelenkten Zustand der Spiegeleinrichtung kompensieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst die Steuereinrichtung eine Auswerteschaltung, durch welche zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich eine erste Auswertungsspannung und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der Aktuierungselektrode eine zweite Auswertungsspannung anlegbar ist, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung zur zweiten Auswertungsspannung gegengepolt ist.
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Falls in einer der Auswertungsspannungen Störungen durch elektrisch eingekoppelte Signale vorhanden sind, können diese durch die Differenz der Signale ausgeglichen werden, vorteilhaft sich durch differentielle Auswertung aufheben. Da beide Kapazitäten direkt gemessen werden können, kann auf eine zusätzliche Referenzkapazität verzichtet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung ist die Auswerteschaltung dazu eingerichtet, eine Differenz einer Änderung einer ersten Kapazität und einer Änderung einer zweiten Kapazität zu ermitteln, wobei der erste elektrisch leitende Bereich und der zweite elektrisch leitende Bereich die erste Kapazität bilden und der erste elektrisch leitende Bereich und die Aktuierungselektrode die zweite Kapazität bilden.
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Aus einer Bewegung der Spiegeleinrichtung und somit einer Änderung der ersten und zweiten Kapazität kann mittels der Auswerteschaltung direkt ein differentielles Signal erzeugt werden, was ein verbessertes Signal-RauschVerhältnis im Vergleich zu einer einzelnen Messung der Kapazitäten aufweisen kann.
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Durch die Vermessung einer Änderung der beiden Kapazitäten kann eine differentielle Messung der Kapazitäten (erste und zweite) und eine differentielle Messung von deren Änderungen erfolgen. Alle Kapazitäten können mit sich verringerndem Abstand ansteigen. Eine vorteilhafte differentielle Messung, bei der sich die Kapazitäten idealerweise gegenläufig verändern, wie dies bei mikromechanischen Beschleunigungs- oder Drehratensensoren erfolgen kann, ist bei üblichen Interferometereinrichtungen nicht bekannt. Mit einer Vermessung der ersten und zweiten Kapazität kann bei Aktuierung die eine Kapazität steigen und die andere sich verringern, vorteilhaft in gleichem Grad (Größenordnung). Somit kann eine differentielle Auswertung beider Kapazitäten relativ zueinander erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung ist die Auswerteschaltung dazu eingerichtet, die zweite Auswertungsspannung mit der Aktuationsspannung zu überlagern.
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Die Auswertungsspannung kann auf eine Aktuationsspannung aufmoduliert werden. Auf diese Weise kann vorteilhaft auf einen separaten Spannungsanschluss für eine Auswertungsspannung an der Aktuierungselektrode verzichtet werden.
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Die Auswertungsspannungen können jeweils eine Wechselspannung umfassen, wobei eine Frequenz dieser oberhalb zumindest einer ersten mechanischen Resonanzfrequenz der Spiegeleinrichtung sein, an welcher die Auswertungsspannung angelegt werden kann (erste und/oder zweite). Dadurch kann es vorteilhaft verhindert werden, zumindest größtenteils, dass die Auswertungsspannungen zu unerwünschten Aktuierungen (Bewegungen etwa senkrecht zur Spiegeloberfläche) führen können. Hierbei kann die Interferometereinrichtung, insbesondere die Spiegeleinrichtungen, derart ausgelegt werden, dass sich die Interferometereinrichtung oder zumindest eine oder beide Spiegeleinrichtungen in einem mechanisch aperiodisch oder überkritisch gedämpften Zustand befindet. Dadurch kann eine mechanische Schwingung durch die Auswertungsspannung als mechanische Störung weiter verringert werden. Die Auswertungsspannung kann bei einer Überlagerung der Aktuationsspannung eine aufmodulierte Detektionsspannung an der Aktuierungselektrode (oder zwischen der Aktuierungselektrode und dem ersten leitfähigen Bereich) darstellen. Durch eine entsprechende Wahl der Größe der Auswertungsspannungen, vorteilhaft möglichst gering, kann eine durch die Auswertungsspannungen an den Spiegeleinrichtungen ausgelöste elektrostatische Kraft vorteilhaft möglichst gering gehalten werden. Hierbei kann vorteilhaft ein Kompromiss zwischen gewünschter Signalamplitude der Auswertungsspannungen und somit eines Messsignals für die Kapazität oder deren Änderung und dem ungewünschten elektromechanischen Effekt eingenommen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung ist die Aktuationsspannung eine, vorteilhaft sich nur langsam ändernde, Gleichspannung.
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Durch eine sich verhältnismäßig langsam ändernde Aktuationsspannung können bestimmte Abstände der Spiegeleinrichtung für einen bestimmten Zeitabschnitt konstant gehalten werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst der erste elektrisch leitende Bereich und/oder der zweite elektrisch leitende Bereich einen Kreisring oder entspricht der gesamten Ausdehnung der zugehörigen Spiegeleinrichtung.
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Der Kreisring kann jeweils in einem Bereich vertikal über der Aktuierungselektrode ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass der gesamte Spiegelbereich, also die gesamte Fläche der ersten und/oder zweiten Spiegeleinrichtung leitfähig ist und dadurch sowohl aktuierbar ist und bei angelegter Auswertungsspannung vorteilhaft im gesamten Spiegelbereich eine Kapazität zur anderen Spiegeleinrichtung bilden kann. Auf diese Weise kann hier die gesamte Fläche der Spiegel zur kapazitiven Sensierung verwendet werden. Dies kann somit eine rauschärmere Messung ermöglichen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst die Aktuierungselektrode mehrere Teilsegmente, welche jeweils an die gleiche oder an unterschiedliche Aktuationsspannungen anlegbar sind.
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Durch Teilsegmente können Unebenheiten in der Lage der Spiegeleinrichtung oder in der Spiegeleinrichtung selbst erkannt und/oder kompensiert werden, etwa beim Aktuieren. Durch die Teilsegmente können beim Ermitteln der zugehörigen Teilkapazitäten auch Unterschiede in den Kapazitätsänderungen erkannt werden, was beispielsweise auf Schieflagen oder Unebenheiten in der Spiegeleinrichtung oder der Aktuierungselektrode schließen lässt.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben einer Interferometereinrichtung ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Interferometereinrichtung; ein Anlegen einer Aktuationsspannung zwischen der Aktuierungselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich durch die Steuereinrichtung und ein Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung; ein Anlegen einer Auswertungsspannung zwischen zumindest dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich durch die Steuereinrichtung; ein Bestimmen einer Kapazitätsänderung zumindest zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich durch die Steuereinrichtung; und ein Bestimmen des ersten Abstands zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und der zweiten Spiegeleinrichtung aus der Kapazitätsänderung gegenüber einem unausgelenkten Zustand der beiden Spiegeleinrichtungen.
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Das Verfahren kann sich vorteilhaft auch durch die bereits in Verbindung mit der Interferometereinrichtung genannten Merkmale und deren Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich eine erste Auswertungsspannung und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der Aktuierungselektrode eine zweite Auswertungsspannung über eine Referenzkapazität angelegt, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung zur zweiten Auswertungsspannung gegengepolt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich eine erste Auswertungsspannung und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der Aktuierungselektrode eine zweite Auswertungsspannung angelegt, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung zur zweiten Auswertungsspannung gegengepolt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Differenz einer Änderung einer ersten Kapazität und einer Änderung einer zweiten Kapazität ermittelt, wobei der erste elektrisch leitende Bereich und der zweite elektrisch leitende Bereich die erste Kapazität bilden und der erste elektrisch leitende Bereich und die Aktuierungselektrode die zweite Kapazität bilden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden unterschiedliche Aktuationsspannungen an Teilsegmente der Aktuierungselektrode angelegt und Unebenheiten in der ersten Spiegeleinrichtung derart beim Aktuieren kompensiert, so dass unter Aktuierung die erste Spiegeleinrichtung im Mittelbereich parallel zur zweiten Spiegeleinrichtung ausgelenkt und positioniert wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1a eine schematische Seitenansicht der Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 1b eine schematische Draufsicht auf eine Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine elektronische Schaltung zur Auswertung von Kapazitäten;
- 3 eine elektronische Schaltung zur Auswertung der Kapazität zwischen den Spiegeleinrichtungen und der Aktuierungselektrode für eine Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine schematische Draufsicht auf eine Interferometereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 5 eine elektronische Schaltung zur Auswertung der Kapazität zwischen den Spiegeleinrichtungen und der Aktuierungselektrode für eine Interferometereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
- 6 ein schematisches Blockschaltbild von Verfahrensschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1a zeigt eine schematische Seitenansicht der Interferometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Interferometereinrichtung 1 umfasst ein Substrat 2 mit einer Randstruktur RS, welche auf dem Substrat 2 angeordnet ist, und in Draufsicht auf eine Oberseite O des Substrats 2 einen optischen Bereich OB über dem Substrat 2 zumindest teilweise lateral umläuft; eine erste Spiegeleinrichtung SP1, welche sich zumindest im optischen Bereich OB über dem Substrat 2 und dieses überspannend erstreckt und welche an der Randstruktur RS verankert ist; eine zweite Spiegeleinrichtung SP2, welche sich zumindest im optischen Bereich OB über dem Substrat 2 und über der ersten Spiegeleinrichtung SP1 und diese überspannend erstreckt und welche an der Randstruktur RS verankert ist, wobei die erste und zweite Spiegeleinrichtung (SP1; SP2) im optischen Bereich OB freigestellt sind. Des Weiteren umfasst die Interferometereinrichtung 1 eine Aktuierungselektrode AL, welche auf dem Substrat 2 angeordnet ist und einen Mittelbereich MB des optischen Bereichs OB zumindest teilweise lateral umläuft, und wobei die erste Spiegeleinrichtung SP1 zumindest über der Aktuierungselektrode AL einen ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 umfasst und die zweite Spiegeleinrichtung SP2 zumindest einen zweiten elektrisch leitenden Bereich EL2 über dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 umfasst; und eine Steuereinrichtung SE, welche mit der Aktuierungselektrode AL und dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 und mit dem zweiten elektrisch leitenden Bereich EL2 elektrisch verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung SE dazu eingerichtet ist, eine Aktuationsspannung UAkt zwischen der Aktuierungselektrode AL und dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 anzulegen und eine Auswertungsspannung UAus zwischen zumindest dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich EL2 anzulegen und bei einem Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung SP1 aus einer Kapazitätsänderung zumindest zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich EL2 einen ersten Abstand d12 zwischen der ersten Spiegeleinrichtung SP1 und der zweiten Spiegeleinrichtung SP2 zu bestimmen. Die Aktuierungselektrode AL und der erste leitende Bereich EL1 oder das Substrat 2 und der erste leitende Bereich EL1 können um einen zweiten Abstand d22 voneinander entfernt sein, welcher sich bei Aktuierung verändern kann.
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Zumindest eine oder beide Spiegeleinrichtungen können selbst auch mehrere Spiegelteilschichten umfassen, wenn sie bspw. als Bragg-Spiegel ausgelegt sind.
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Die Randstruktur RS kann zumindest eine oder mehrere Schichten umfassen, in welche zumindest die erste Spiegeleinrichtung SP1 oder auch die zweite Spiegeleinrichtung SP2 an deren lateralen Rändern eingefasst sein kann.
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Der erste elektrisch leitende Bereich EL1 und der zweite elektrisch leitende Bereich EL2 können die erste Kapazität C1 bilden und der erste elektrisch leitende Bereich EL1 und die Aktuierungselektrode AL können die zweite Kapazität C2 bilden. Hierbei können der erste elektrisch leitende Bereich EL1 und/oder der zweite elektrisch leitende Bereich EL2 einen Kreisring oder eine andere in Draufsicht geschlossene Form umfassen oder der gesamten Ausdehnung der zugehörigen Spiegeleinrichtung entsprechen, also der gesamte (freigestellte oder ganze) Spiegel kann elektrisch leitfähig sein. Beispielsweise können beide Spiegeleinrichtungen über deren gesamte Fläche leitfähig sein und somit beide Spiegelflächen zur Kapazitätsmessung oder deren Änderung genutzt werden. Durch die große (gesamte) Spiegelfläche zur Messung der Kapazität oder deren Änderung kann die Messung vorteilhaft rauschärmer werden. Durch eine vorteilhafte Auslegung des ersten und/oder zweiten elektrisch leitenden Bereichs EL1 oder EL2 können etwaige elektrostatische Anziehungen F durch die Auswertungsspannung zwischen den Spiegeleinrichtungen, insbesondere deren leitender Bereiche, verringert werden falls die Fläche der leitenden Bereiche in den Spiegeleinrichtungen gegenüber der Gesamtfläche der Spiegeleinrichtungen verringert wird. Hierbei kann eine Kreisringform einen geeigneten Kompromiss zwischen gewünschter Signalamplitude der Auswertungsspannungen und somit eines Messsignals für die Kapazität oder deren Änderung und dem ungewünschten elektrostatischen Effekt eingenommen werden.
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Für eine Auslegung der leitenden Bereiche EL1 und EL2 abweichend von einer Gesamtfläche (freigestellten Fläche) der Spiegel SP1; Sp2 kann sich der erste leitende Bereich EL1 zumindest über der Aktuierungselektrode AL befinden und der zweite leitende Bereich EL2 zumindest über dem ersten leitenden Bereich EL1 befinden.
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1b zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Interferometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Interferometereinrichtung 1 kann in Draufsicht auf eine Ebene der Spiegeleinrichtungen (SP1; SP2) als eine kreisrunde Interferometereinrichtung 1 mit kreisrunden Spiegeleinrichtungen SP1; SP2, einem kreisrunden Substratausschnitt mit einer Oberseite O und mit einer kreisrunden Aktuierungselektrode AL ausgestaltet sein. Das Substrat kann dabei vorteilhaft rechteckig sein (hier nur ein kreisrunder Ausschnitt gezeigt). Hierbei können auch die freigestellten Bereiche der Spiegeleinrichtungen, insbesondere der optische Bereich und der für eine Lichttransmission oder Lichtfilterung vorgesehen Mittelbereich MB kreisrund sein und von einer kreisrunden Randstruktur RS lateral vollständig umlaufen werden. Die Aktuierungselektrode AL kann durchgehend ohne Unterbrechungen und mit einer gleichen radialen Dicke über einen azimutalen Winkel φ ausgeformt sein.
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2 zeigt eine elektronische Schaltung zur Auswertung von Kapazitäten.
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Zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich ELlund dem zweiten elektrisch leitenden Bereich EL2 kann eine erste Auswertungsspannung UAus1 durch die Steuereinrichtung angelegt werden und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 und der Aktuierungselektrode AL kann eine zweite Auswertungsspannung UAus2 über eine Referenzkapazität durch die Steuereinrichtung angelegt werden, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung UAus1 zur zweiten Auswertungsspannung UAus2 gegengepolt sein kann und beispielsweise beide Auswertungsspannungen mit deren Absolutwert identisch sein können.
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Der erste elektrisch leitende Bereich EL1 und der zweite elektrisch leitende Bereich EL2 können die erste Kapazität C1 bilden und der erste elektrisch leitende Bereich EL1 und die Aktuierungselektrode AL können die zweite Kapazität C2 bilden. Die Aktuierungselektrode AL kann an einen Gleichspannung, insbesondere an die Aktuationsspannung UAkt angelegt werden. Bei einer Veränderung der Abstände zwischen den Spiegeleinrichtungen und der Aktuierungselektrode können sich die erste Kapazität C1 und die zweite Kapazität C2 umgekehrt proportional zueinander verändern. Die Messung der ersten Kapazität C1 oder deren Änderung kann durch die angelegten Auswertungsspannungen UAus1 und UAus2 erfolgen, wobei der erste Bereich EL1 zwischen erster und zweiter Kapazität an einen negativen Eingang eines Operationsverstärkers geschaltet werden kann, und durch diesen vorteilhaft auf ein Masse-Potential gelegt werden kann. Diese Schaltung stellt einen CU Wandler dar (Kapazität zu Spannung Wandler, etwa wie eine Auswertung bei Beschleunigungssensoren). Die zweite Auswertungsspannung UAus2 kann über einen Referenzkondensator Cref dann zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 und der Aktuierungselektrode invertiert zur ersten Auswertungsspannung UAus1 angelegt werden. Das am Ausgang erhaltene Ausgangssignal Vout kann eine Wechselspannung sein, welche proportional zur Differenz der beiden Kapazitäten C1 und Cref sein kann. Die Cref ist typischerweise in der Steuereinrichtung (welche einen ASIC, Application specific integrated circuit umfassen kann) umfasst. Verglichen mit einem bekannten unausgelenkten Ruhezustand kann die Änderung des ersten Abstands und dann des tatsächlichen Abstands zwischen den beiden Spiegeleinrichtungen ermittelt werden. Der Referenzkondensator Cref kann vorteilhaft einen gleichen Wert aufweisen wie die erste Kapazität im unausgelenkten Zustand.
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Durch das Anlegen der Auswertungsspannungen an der ersten Kapazität kann eine weitestgehende Entkopplung zwischen dem Aktuieren und dem Messen des ersten Abstands erfolgen. Die Auswertung selbst kann alternativ zur in 2 gezeigten Schaltung auch weiterhin durch verschiedene Schaltungskonzepte realisiert werden, beispielsweise durch Verwendung der ersten oder zweiten Kapazität als ein frequenzbestimmendes Element in einem Oszillator oder durch eine Brückenschaltung mit einem hochfrequenten Signal.
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3 zeigt eine elektronische Schaltung zur Auswertung der Kapazität zwischen den Spiegeleinrichtungen und der Aktuierungselektrode für eine Interferometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ohne die Verwendung einer Referenzkapazität Cref.
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Zur Ermittlung einer Differenz der Änderung der ersten und der zweiten Kapazität C1 und C2 zueinander kann hierbei zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich EL2 eine erste Auswertungsspannung UAus1 und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 und der Aktuierungselektrode AL eine zweite Auswertungsspannung UAus2 angelegt werden, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung UAus1 zur zweiten Auswertungsspannung UAus2 gegengepolt ist. Die zweite Auswertungsspannung UAus2 kann der Aktuationsspannung UAkt aufmoduliert werden. Aus einer Bewegung der ersten Spiegeleinrichtung und somit Änderung der Kapazitäten C1 und C2 kann mittels der Auswerteschaltung direkt ein differentielles Signal Vout erzeugt werden, was ein verbessertes Signal-RauschVerhältnis zur einzelnen Messung der ersten Kapazität nach 2 aufweisen kann. Eventuell in der Auswertungsspannung UAus1 und/oder UAus2 vorhandene Störungen durch elektrisch eingekoppelte Signale können durch die Differenz der Signale ausgeglichen werden, vorteilhaft sich durch differentielle Auswertung aufheben. Da beide Kapazitäten C1 und C2 gemessen werden, kann auf eine zusätzliche Referenzkapazität verzichtet werden. Der erste Bereich EL1 kann wiederum auf ein Massepotential am Operationsverstärker Op gezogen werden. Das am Ausgang erhaltenen Ausgangssignal Vout kann eine Wechselspannung sein, welche proportional zur Differenz der beiden Kapazitäten C1 und C2 sein kann. Die erste und zweite Kapazität C1 und C2 können in Ruhelage durch eine geeignete geometrische Auslegung vorteilhaft gleich sein, können jedoch auch verschieden sein. Der Unterschied kann über eine Asymmetrie der beiden Auswertungsspannungen kompensiert werden. Die Amplitude der ersten Auswertungsspannung UAus1 kann sich von der Amplitude der zweiten Auswertungsspannung UAus2 entsprechend unterscheiden.
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Zwar kann in dieser Auswerteschaltung die vollständige Trennung von Aktuierung und Messung des ersten Abstands entfallen, da der erste Bereich EL1 aktiv getrieben wird. Es ergibt sich dennoch ein immenser Vorteil durch die differenzielle Auswertung, insbesondere in der störungsärmeren Auswertung des kapazitiven Ausgangssignals. Zwar kann sich das Rauschen um 3 dB (durch die Differenzbildung) erhöhen, der Signalhub kann sich allerdings verdoppeln (etwa um 6dB, was zu einem effektiven Gewinn von ca. 3 dB im Signal-zu-RauschVerhältnis führen kann. Darüber hinaus kann das Auswertesystem unempfindlicher gegenüber eingekoppelten elektrischen Störungen werden. Diese können im Idealfall vollständig unterdrückt werden.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Interferometereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Interferometereinrichtung 1 kann in Draufsicht auf eine Ebene der Spiegeleinrichtungen (SP1; SP2) als eine kreisrunde Interferometereinrichtung 1 mit kreisrunden Spiegeleinrichtungen SP1; SP2, einem kreisrunden Substratausschnitt mit einer Oberseite O und mit einer kreisrunden Aktuierungselektrode AL ausgestaltet sein. Hierbei können auch die freigestellten Bereiche der Spiegeleinrichtungen, insbesondere der optische Bereich und der für eine Lichttransmission oder Lichtfilterung vorgesehen Mittelbereich MB kreisrund sein und von einer kreisrunden Randstruktur RS lateral vollständig umlaufen werden. Die Aktuierungselektrode AL kann durchgehend ohne Unterbrechungen und mit einer gleichen radialen Dicke über einen azimuthalen Winkel φ ausgeformt sein.
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Im Unterschied zu 1b kann die Aktuierungselektrode AL in mehrere Teilsegmente (ALa; ALb; ...; AL2n) unterteilt sein, welche voneinander beabstandet sein können oder aneinander angrenzen können (nicht gezeigt). Die Teilsegmente ALa; ALb; ...; AL2n können jeweils an die gleiche oder an unterschiedliche Aktuationsspannungen anlegbar sein. Bei Unebenheiten der ersten oder zweiten Spiegeleinrichtung können unterschiedliche Aktuationsspannungen an Teilsegmente ALa; ALb; ...; ALn der Aktuierungselektrode AL angelegt werden und Unebenheiten in der ersten Spiegeleinrichtung SP1 oder zweiten Spiegeleinrichtung SP2 derart beim Aktuieren kompensiert werden, so dass unter Aktuierung die erste Spiegeleinrichtung SP1 im Mittelbereich MB parallel zur zweiten Spiegeleinrichtung SP2 ausgelenkt und positioniert werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch der erste und/oder zweite leitende Bereich EL1, EL2 Teilsegmente umfassen.
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5 zeigt eine elektronische Schaltung zur Auswertung der Kapazität zwischen den Spiegeleinrichtungen und der Aktuierungselektrode für eine Interferometereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Auswerteschaltung der 5 entspricht im Wesentlichen jener der 3 jedoch mit einer Erweiterung auf drei Teilsegmente ALa, ALb und ALc der Aktuierungselektrode. An das erste Teilsegment ALa und den ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 kann eine erste Aktuationsspannung UAkt1 angelegt werden, an das zweite Teilsegment ALb kann eine zweite Aktuierungsspannung UAkt2 angelegt werden und an das dritte Teilsegment ALc kann eine dritte Aktuierungsspannung UAkt3 angelegt werden. Bei Bedarf können sich diese drei Aktuierungsspannungen voneinander unterscheiden oder gleich sein. Die zweite Auswertungsspannung UAus2 kann durch Schalter an die drei Teilsegmente ALa, ALb und ALc gleichzeitig oder nach Bedarf unterschiedlich (zeitlich oder im Wert) angelegt werden. Mit dem ersten leitenden Bereich EL1 bilden die Teilsegmente vorteilhaft eine zweite Teilkapazität C2a, eine zweite Teilkapazität C2b und eine dritte Teilkapazität C2c, welche über die Auswerteschaltung ein differentielles Ausgangssignal gegenüber der ersten Kapazität C1 entsprechend der Schaltung aus der 3 ergeben können. Der erste Bereich EL1 kann wiederum auf den Operationsverstärker Op geschaltet werden. Beim Auswerten der differentiellen Signale mit unterschiedlich geschalteten Teilsegmenten kann eine Unebenheit (asymmetrische Veränderung des Differenzsignals gegenüber anderen Teilsegmenten) erkannt werden. Durch die entsprechend angepassten Aktuierungsspannungen kann danach die Unebenheit ausgeglichen werden.
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6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild von Verfahrensschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Interferometereinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 einer erfindungsgemäßen Interferometereinrichtung; ein Anlegen S2 einer Aktuationsspannung zwischen der Aktuierungselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich durch die Steuereinrichtung und ein Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung; ein Anlegen S3 einer Auswertungsspannung zwischen zumindest dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich durch die Steuereinrichtung; ein Bestimmen S4 einer Kapazitätsänderung zumindest zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich durch die Steuereinrichtung; und Bestimmen S5 des ersten Abstands zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und der zweiten Spiegeleinrichtung aus der Kapazitätsänderung gegenüber einem unausgelenkten Zustand der beiden Spiegeleinrichtungen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0022643 A1 [0003]
