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Die Erfindung betrifft ein Fabry-Perot-Interferometer.
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Stand der Technik
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Durchstimmbare Spektralfilter mit der Möglichkeit der Miniaturisierung lassen sich mittels der Mikrosystem-Technologie (engl. „microelectromechanical system technology“ oder „MEMS technology“) beispielsweise als Fabry-Perot-Interferometer (FPI) realisieren. Dabei wird ausgenutzt, dass eine Kavität bestehend aus zwei planparallelen, hochreflektierenden Spiegeln mit einem Abstand (also einer Kavitätslänge) im Bereich optischer Wellenlängen eine starke Transmission nur für diejenigen Wellenlängen zeigt, bei denen die Kavitätslänge einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Die Kavitätslänge lässt sich beispielsweise mittels elektrostatischer oder piezoelektrischer Aktuierung verändern, wodurch ein spektral durchstimmbares Filterelement entsteht.
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Ein kritischer Einflussfaktor auf die Leistung eines solchen Spektrometers ist die Einkopplung von externen mechanischen Spannungen, beispielsweise durch die Verpackung des Fabry-Pérot-Interferometers in einem Gehäuse, die Montage dieses auf einer Leiterplatte, durch externe Kräfte in Form von z.B. Stößen und/oder Vibrationen oder durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen von verschiedenen Materialien. Dies kann zur Schädigung von Bauteilen des Fabry-Perot-Interferometers in Form von z.B. Rissen führen. Außerdem könnten Einbußen an wichtigen Kenngrößen des Fabry-Pérot-Interferometers entstehen, beispielsweise die Reduktion der spektralen Auflösung durch Verbiegungen in den optischen Schichten und die damit verbundene Variation des Spaltes zwischen den Spiegeln des Fabry-Pérot-Interferometers.
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Die Druckschriften
US 2015/0092274 A1 und
US 2014/0285895 A1 offenbaren jeweils ein Verfahren zur Reduzierung von Stresseinkopplungen für Fabry-Perot-Interferometer beim Verpacken.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2017 203 384 B3 ist ein mikromechanischer Drucksensor mit Stressentkopplung bekannt.
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Die Druckschrift
DE 10 2016 214 565 A1 beschreibt ein Fabry-Perot-Interferometer und ein Verfahren zum Betreiben desselben. Das Fabry-Perot-Interferometer weist ein erstes Spiegelelement und ein durch einen einstellbaren Resonatorspalt von dem ersten Spiegelelement beabstandetes zweites Spiegelelement auf. Das Fabry-Perot-Interferometer weist zudem die folgenden Merkmale auf: eine erste Antriebseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Spalthöhe des Resonatorspalts einzustellen, wobei die erste Antriebseinrichtung einen ersten Einstellbereich aufweist; und eine zweite Antriebseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Spalthöhe einzustellen, wobei die zweite Antriebseinrichtung einen, den ersten Einstellbereich ergänzenden und/oder erweiternden zweiten Einstellbereich aufweist. Der erste Einstellbereich weist zumindest eine diskrete Endlage auf, welche durch eine Anschlageinrichtung bestimmt ist, wobei die Anschlageinrichtung mit der ersten Antriebseinrichtung gekoppelt ist. Zwischen der Anschlageinrichtung und einem Substrat des Fabry-Pérot-Interferometers ist eine erste Federeinrichtung angeordnet, und zwischen der Anschlageinrichtung und dem ersten Spiegelelement ist eine zweite Federeinrichtung angeordnet. Die erste Antriebseinrichtung ist mit dem ersten Spiegelelement gekoppelt, und das erste Spiegelelement ist über eine erste Federeinrichtung mit einem Substrat des Interferometers gekoppelt.
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Die Druckschrift
DE 696 27 541 T2 beschreibt ein Interferometer
10, das eine Basis oder Gehäuse
12, eine erste und eine zweite optische Einheit
14 und
16, eine erste und eine zweite Befestigungsbaugruppe
20 und
22, und ein Verstellteil
24 aufweist. Vorzugsweise enthält die erste Befestigungseinheit einen Rahmen
26 und ein Verbindungsteil
30, und der Rahmen
26 enthält ein oberes und ein unteres Rahmenteil
32 und
34. Die zweite Befestigungseinheit
22 enthält einen Rahmen
36 und ein Verbindungsteil
40 und dieser Rahmen enthält ebenfalls ein oberes und ein unteres Rahmenteil
42 und
44. Zusätzlich enthält das Verstellteil
24 vorzugsweise eine Mehrzahl von Höhenausgleichsträgern
46,
50 und
52; und jede dieser Baugruppen
46,
50 und
52 enthält eine Bewegungseinheit
54, eine Abstands-Untereinheit
56, eine Vorspann-Untereinheit
60 und eine Aufhängungs-Untereinheit
62,
64 oder
66. Spezieller enthält in jeder dieser Baugruppen
46,
50 und
52 die Bewegungseinheit
54 einen oberen Zylinder
70 und einen unteren Zylinder
72, die Abstands-Untereinheit
56 enthält einen groben Höhenausgleichsträger
74 und einen feinen Höhenausgleichsträger
76, und die Vorspann-Untereinheit
60 enthält einen Haltestecker
80 und eine Sprungfeder
82.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Fabry-Pérot-Interferometer nach Anspruch 1.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Fabry-Perot-Interferometer, umfassend einen Fabry-Perot-Interferometer-Kern mit mindestens zwei voneinander beabstandeten Spiegeln und einem Träger zum Tragen der Spiegel, mindestens einen Rahmen und mindestens ein Federelement zur mechanischen Anbindung des Trägers an den Rahmen. Zur Veränderung des Abstands zwischen den Spiegeln weist das Federelement mindestens eine elektrische Zuleitung auf.
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Erfindungsgemäß wird ein mikromechanisches Fabry-Perot-Interferometer bereitgestellt, bei dem wegen des Einsatzes des Federelementes zwischen dem Träger und dem Rahmen, welches als Puffer dient, der optisch funktionale Bereich von Bauteilen, also des Fabry-Pérot-Interferometer-Kerns, von externen Stresseinwirkungen möglichst entkoppelt wird.
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Dadurch können Schäden und Leistungseinbußen des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers möglichst verhindert bzw. reduziert werden, und eine mechanische Robustheit des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers wird gegenüber äußeren Einflüssen maximiert.
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Darüber hinaus ist ein einfaches und kostengünstiges Verpacken des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers möglich. Zusätzliche Hilfselemente für das sorgfältige Verpacken eines herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometers sind nicht mehr erforderlich.
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Um ein durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer zu ermöglichen, wird mindestens einer der Spiegel durch z.B. einen Aktor elektrisch angetrieben, und der Abstand zwischen den Spiegeln wird dadurch verändert. Erfindungsgemäß weist das Federelement für den elektrischen Antrieb mindestens eine elektrische Zuleitung auf. So lässt sich die elektrische Zuleitung auch vor Schäden schützen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers ist es vorgesehen, dass der Träger und/oder das Federelement mindestens teilweise perforiert ist bzw. sind. Dadurch lässt bzw. lassen sich gegebenenfalls der Träger und/oder das Federelement bei einem Opferschichtätzprozess einfach von einem Substrat des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers freistellen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers ist es vorgesehen, dass zwischen dem Träger und einem Substrat substratseitig oder trägerseitig ein Anschlag angeordnet ist. So kann eine Bewegung des Trägers eingeschränkt werden und damit die Robustheit des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers erhöht werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers ist es vorgesehen, dass der Träger und der Rahmen auf dem Substrat angeordnet ist. So lassen sich der Fabry-Perot-Interferometer-Kern und der Rahmen gut unterstützen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers ist es vorgesehen, dass zwischen dem Rahmen und dem Substrat ein Abstandshalter angeordnet ist. Dadurch ist eine Veränderung des Abstands zwischen den Spiegeln bzw. zwischen dem Träger und dem Substrat möglich.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers ist es vorgesehen, dass ein erster Teil des Substrates der Träger ist, dass ein zweiter Teil des Substrates der Rahmen ist, und dass das Federelement den ersten Teil des Substrates mit dem zweiten Teil des Substrates verbindet. Dabei ist das Substrat selbst strukturiert, um einen Träger und einen Rahmen zu bilden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers ist es vorgesehen, dass in einem optischen Bereich des Fabry-Pérot-Interferometers, der sich über den Bereich zwischen den Spiegeln und substratseitig angrenzend zu den Spiegeln erstreckt, das Substrat und/oder der Träger eine Ausnehmung aufweist bzw. aufweisen. So lässt sich im optischen Bereich eine Absorption von Licht in bestimmten Wellenlängenbereichen verringern.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers ist es vorgesehen, dass auf der Trägerseite und/oder dem Träger gegenüberliegenden Seite des Substrates mindestens eine Kappe angeordnet ist. Mit der erfindungsgemäßen Kappe können Umgebungseinflüsse verringert werden. Außerdem kann mit der Kappe ein bestimmter Druck, wie z.B. ein Unterdruck oder Überdruck, eingeschlossen und/oder eine Dämpfung einstellt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers ist es vorgesehen, dass der Träger oberhalb eines Hohlraums des Substrats angeordnet ist, und dass das Federelement in Form einer umlaufenden, durchgehenden Scheibenfeder ausgebildet ist. Dadurch ist ein Druckeinschluss im Hohlraum des Substrats möglich, was das erfindungsgemäße Fabry-Perot-Interferometer versteifen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers ist es vorgesehen, dass die Kappe oberhalb des oberen Spiegels der Spiegel angeordnet ist und mit dessen einen geschlossenen Raum bildet, in dem ein Unterdruck vorgesehen ist. Dadurch ist ein schneller Verfahrbetrieb des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers möglich.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematisch dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers, in Draufsicht und im Querschnitt;
- 2 eine schematisch dargestellte weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers, im Querschnitt;
- 3 eine schematisch dargestellte weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers, im Querschnitt;
- 4 eine schematisch dargestellte weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers, im Querschnitt;
- 5 eine schematisch dargestellte weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers, im Querschnitt;
- 6 eine schematisch dargestellte weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers, im Querschnitt;
- 7 eine schematisch dargestellte weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers, in Draufsicht;
- 8 eine schematisch dargestellte weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers, in Draufsicht;
- 9 eine schematisch dargestellte weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers, in Draufsicht;
- 10 eine schematisch dargestellte weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers, in Draufsicht; und
- 11 eine schematisch dargestellte weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers, im Querschnitt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 weist einen oberen Teil und einen unteren Teil auf. Der obere Teil von 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers 100 in Draufsicht, während der untere Teil von 1 einen durch die Linie 1 erzeugten Querschnitt dieser Ausführungsform zeigt.
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Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers 100 weist zwei planparallele, hochreflektierende Spiegel 10, 20, die zumindest im optischen Bereich 16 durch einen Spalt getrennt sind, einen Träger 4 zum Tragen der Spiegel 10, 20, einen Rahmen 6, der außerhalb des Trägers 4 angeordnet ist, und ein Federelement 2 zur mechanischen Anbindung des Trägers 4 an den Rahmen 6 auf.
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Durch die Aufhängung des Trägers 4 durch das Federelement 2 werden äußerer mechanischer Stress und mechanische Momente nicht oder nur gering auf das Fabry-Pérot-Interferometers 100 eingekoppelt. Dabei kann das Federelement 2 als Anbindungselement zur Verbesserung der Robustheit und der Stressentkopplung hinsichtlich des Materials und der Abmessungen optimiert werden.
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Unterhalb des Trägers 4 und des Rahmens 6 ist ein Substrat 8 angeordnet, das die Spiegel 10, 20, den Träger 4 und den Rahmen 6 gut unterstützt. Durch einen Abstandshalter 12 ist der Träger 4 vom Substrat 8 beabstandet.
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Der Abstand zwischen den Spiegeln 10, 20 kann mittels eines in 1 nicht gezeigten Aktors verändert werden, wodurch ein durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer 100 entsteht. Dabei sind die notwendigen elektrischen Zuführungen bzw. Zuleitungen auf und/oder in dem Federelement 2 positioniert. Unterhalb des Trägers 4 sind zwei Anschläge 15 vorgesehen, die auf dem Substrat 8 angeordnet sind und eine Bewegung des Trägers 4 einschränken können. Damit wird die Robustheit des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers 100 erhöht.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers 100 kommt mindestens ein Teil des Trägers 4 als Aktuationselektrode des Aktors zum Einsatz.
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Das Substrat 8 und der Träger 4 weisen jeweils im optischen Bereich 16 eine durchgehende Ausnehmung 3 auf, um beim Einsatz des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers 100 eine Absorption von Licht in bestimmten Wellenlängenbereichen zu verringern.
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Das Substrat 8 und der Träger 4 der in 1 gezeigten Ausführungsform bestehen aus Silizium, und der Abstandshalter 12 besteht aus Siliziumoxid. Die Freistellung des Trägers 4 vom Substrat 8 kann beispielsweise mittels von Opferschichtätzen des Siliziumoxids geschehen. Der Ätzzugang kann beispielsweise durch die Ausnehmung 3 in dem Träger 4 und/oder einen Zugang an der Rückseite des Substrates 8 erfolgen.
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In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers 100 sind der Träger 4 und das Federelement 2 teilweise perforiert. Die Perforationen werden als Ätzzugänge zur Freistellung des Trägers 4 vom Substrat 8 verwendet.
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In der in 2 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers 100 ragen die Anschläge 15 von außen in den Abstandshalter 12 hinein.
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In der in 3 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers 100 dient der innere Teil des Substrats 8 als Träger 4. Dabei ist das Substrat 8 selbst mit einer Ausnehmung 7 für das Federelement 2 strukturiert, sodass ein Träger 4 und ein Rahmen 6 (also der äußere Teil des Substrats 8) gebildet werden. Im optischen Bereich 16 ist ebenfalls eine Ausnehmung 3 zur Reduzierung der Absorption von Licht in bestimmten Wellenlängenbereichen vorgesehen.
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4 zeigt eine Abwandlung der in 3 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers 100, wobei das Substrat 8 nicht vollständig durchgeätzt ist, sondern der stressempfindliche optische Bereich von Stressentkopplungsvertiefungen 7 umgeben ist. Je breiter und tiefer die Vertiefungen 7 und je schmäler die verbleibenden umlaufenden Wände des Substrats 8 sind, desto besser ist die Stressentkopplungswirkung.
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5 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers 100, in der der Träger 4 aus einer Platte gebildet ist, die sich oberhalb eines Hohlraums 18 im Substrat 8 befindet. Eine solche Struktur lässt sich beispielsweise mittels eines porösen Siliziumprozesses schaffen. Es handelt sich bei dem Federelement 2 dieser Ausführungsform um eine durchgehende Federschicht in Form einer Scheibenfeder, die einen Druckeinschluss in dem Hohlraum 18 ermöglicht. Hierdurch kann vorteilhaft im Hohlraum 18 eine Gasdruckfeder eingeschlossen werden, welche das erfindungsgemäße Fabry-Pérot-Interferometer 100 versteift. Der Träger 4 ist im Bereich der Feder 2 nicht vollständig entfernt, sondern nur erweicht, zum Beispiel durch Reduzierung der Dicke des Trägers 4.
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6 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometers 100, in der sich oberhalb und unterhalb des Substrates 8 zwei Kappen 22 befinden. Die Kappen 22 dienen beispielsweise dazu, Umgebungseinflüsse zu verringern und/oder einen bestimmten Druck einzuschließen bzw. eine Dämpfung einzustellen. Die Kappen 22 sind via Kappenverbindungen 24 mit dem Substrat 8 verbunden und werden mit den Anschlägen 15 kombiniert, die an den Oberflächen der Kappen 24 angeordnet sind.
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7-10 zeigen beispielhafte alternative Ausführungsformen der Anbindungsstruktur(en) bzw. des Federelements 2. In 8 und 9 sind jeweils ein zweites Federelement 2a außerhalb des Rahmens 6 und ein zweiter Rahmen 6a außerhalb des zweiten Federelements 2a vorgesehen. In 10 sind ein zweites Federelement 2a außerhalb des Rahmens 6, ein zweiter Rahmen 6a außerhalb des zweiten Federelements 2a, ein drittes Federelement 2b außerhalb des zweiten Rahmens 6a und ein dritter Rahmen 6b außerhalb des dritten Federelements 2b vorgesehen.
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Die in 10 zeigte diagonale Anbindung des Trägers 4 führt dazu, dass externer Stresseintrag auf die Rahmen 6, 6a, 6b entkoppelt wird, indem sich der Träger 4 lediglich rotiert.
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In der in 11 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers 100 wird die in 5 gezeigte Ausführungsform zusätzlich mit einer Kappe 22 versehen, welche im Bereich des Interferometers und des eingeschlossenen Hohlraums 18 die Einstellung zweier verschiedener Drücke erlaubt. So wird zum einen eine Versteifung der Gesamtstruktur des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Interferometers 100 ermöglicht und gleichzeitig zum anderen ein schneller Verfahrbetrieb des Interferometers durch Unterdruckbetrieb realisiert.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Beispielsweise können alle erwähnten Ausführungsformen vorteilhaft kombiniert werden Die vorliegende Erfindung kann vorteilhaft zur Herstellung von Mikrospektrometern eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0092274 A1 [0004]
- US 2014/0285895 A1 [0004]
- DE 102017203384 B3 [0005]
- DE 102016214565 A1 [0006]
- DE 69627541 T2 [0007]
