DE19962078B4

DE19962078B4 - Verfahren und Vorrichtung zur interferentiellen Abstandsmessung

Info

Publication number: DE19962078B4
Application number: DE19962078A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr.rer.nat. Klapper; Dieter Dipl.-Ing. Römhild; Hans Georg Dr. Ortlepp; Arndt Dipl.-Ing. Steinke
Original assignee: CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Current assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik De GmbH
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: DE19962078A1

Abstract

Verfahren zur hoch auflösenden interferentiellen Messung des Abstandes zu einem Spiegel, dessen Hub ein Maß für die den Hub auslösende Größe ist, durch fotoelektrische Elemente, bestehend aus einem Lichtsender und Lichtempfänger, die ein Signal erzeugen, das in einer Signalverarbeitungselektronik ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender in einem Fotodiodenarray integriert ist und sich auf der Vorderseite einer transparenten Platte aus Glas befindet, wobei von dem vom Lichtsender ausgehenden und von der teilweise verspiegelten Rückseite der Glasplatte sowie dem Spiegel reflektierten Licht der Wellenlänge λ Interferenzen erzeugt werden, deren von einem Fotodiodenarray aufgenommene Hell-Dunkel-Perioden der Periodenlänge λ/2 ein Maß für die veränderte Spiegelposition sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Vorrichtung zur hochauflösenden interferentiellen Messung des Abstandes eines Spiegels zu einem fotoelektrischen Element, welches einen Lichtsensor und mindestens einen Lichtempfänger enthält, wobei der Lichtempfänger ein Signal erzeugt, das von einer Signalverarbeitungseinheit ausgewertet wird.
Die Erfindung ist für vielfältige Anwendungsfälle einsetzbar. Sie ist insbesondere für die Kraft- und Druckmessung bei höchster Auflösung geeignet.
Im Stand der Technik ist nach DE 44 26 272 eine Druckmeßdose zur Messung des Druckes eines Mediums bekannt, mit der in einem Gehäuse vorgesehenen Membran die Meßeinrichtung von einem Spiegelelement und von einer optoelektrischen Einheit gebildet ist, der Lichtsender und/oder der Lichtempfänger so justiert sind, daß die auf den Lichtempfänger auftreffende Lichtmenge eine Funktion der Auslenkung der Membrane ist.
Nachteilig ist dabei, daß mit dieser Anordnung kein hohes Auflösungsvermögen erreicht werden kann.
In DE 40 18 998 ist ein faseroptischer Drucksensor beschrieben, mit einer als Druckaufnehmer fungierende, unter Druckbeaufschlagung eine Hubbewegung ausführende Membran, deren Membraninnenseite mit einer hochreflektierenden Verspiegelung versehen ist, und mit einem Lichtwellenleiter durch die hochreflektierende Verspiegelung der Membraninnenseite und durch die teilreflektierende Stirnfläche des Lichtwellenleiters ein Fabry-Perot-Resonator ausgebildet wird, und daß das aus dem Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelte und in den Lichtwellenleitern transmittierte Licht eine zeitliche Intensitätsverteilung aufweist, welche durch den zeitlichen Verlauf der Hubbewegung der Membran bestimmt wird.
Ferner sind in DE 36 21 862 A1 und in DE 41 29 359 C2 Interferometer zur Druck- und Kraftmessung angegeben, die mehrere optische Bauelemente und externe Lichtquellen enthalten.
Ferner ist aus US 45 93 368 A eine Anordnung zur Messung geringer Abstände bekannt, bei der der Abstand zwischen einem magnetischen Schreibkopf und einem Datenträger ermittelt wird, wobei ausgesendetes und reflektiertes Licht unterschiedlicher Wellenlängen ausgewertet wird.
Mit diesen Anordnungen lassen sich zwar hohe Auflösungen erreichen. Die Anordnung ist aber sehr aufwendig und störanfällig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, daß eine hochauflösende interferometrische Messung bei kompakter miniaturisierter Bauweise ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patenansprüche 1 und 7.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung ermöglicht durch Anwendung der aus der Mikroelektronik bekanten Chipintegration den Bau eines kompakten hochauflösenen Interferometers. Die lösung wird insbesondere dadurch ermöglicht, daß die Anordnung als Hauptbetsandteil ein Silizium-Chip enthält, das sowohl die Strahlungsquelle als auch Empfänger in Form von Fotodiodenarrays enthält.
Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 erläutert den Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Schnittdarstellung. Die Vorrichtung besteht aus einem Silizium-Chip, der auf einer Glasplatte als Träger angeordnet ist, und einem Spiegel, dessen Position SP ein Maß für die zu messende Größe ist. Der Spiegel ist dabei starr verbunden mit dem Übertrager dieser Größe. Als zu messende Größen kommen vorzugsweise eine Kraft oder ein Druck in Betracht, die Anordnung kann aber darüber hinaus in einem breiten Anwendungsfeld zum Einsatz kommen. Weitere bevorzugte Einsatzgebiete sind digitale Waagen und Einrichtungen zur Messung von Drücken in Gasen und Flüssigkeiten, wenn der Spiegel mit einer Druckmembran verbunden oder selbst Bestandteil dieser ist.
Das Silizium-Chip enthält in einer Grube abgesenkt die Lichtquelle als LED- oder Laserdiodenchip. In der Schnittbezeichnung nicht dargestellt sind die einzelnen Fotodioden, die zweckmäßigerweise als Segmente in einem Ringstreifen angeordnet sind, der konzentrisch zur Lichtquelle liegt.
Die Glasplatte GP dient neben ihrer optischen Funktion als Träger für das Silizium-Chip Ch, welches in Flip-Chip-Technik mit der Glasplatte GP verbunden ist. Die Glasplatte enthält außerdem alle Versorungs- und Signalleitungen. An den Lötpads LP wird das Chip nach außen angeschlossen. Auf dem Chip selbst können neben Sensorarry und der Strahlungsquelle Teile der Signalverarbeitung untergebracht werden. Außerdem können weitere Chips für die Signalverarbeitung auf der Glasplatte platziert werden. Bei der Verwendung einer LED als Strahlungsquelle befinden sich auf der Glasplatte vor dem jeweiligen Fotodioden-Segment ein Interferenzfilter, das aus dem LED-Licht kohärentes Licht ausfiltert. Die andere Seite der Glasplatte ist teilweise verspiegelt, um dort ein Teil des Lichtes S zu reflektieren. Der andere Teil des Lichtes wird am Spiegel reflektiert und kommt als Strahl S + nλ mit dem Anteil S zur Interferenz. In einem Teilbereich enthält die Glasoberfläche eine Vollverspiegelung VV für die Reflexion eines Referenzstrahls RS, von dem in der Fotodiode R-FD ein Signal zur Kompensation von Schwankungen der Strahlleistung der Lichtquelle erzeugt wird.
Durch die Dicke der Glasplatte wird im wesentlichen bestimmt, welcher Anteil des Lichtes der beiden Strahlen S und S + nλ zur Interferenz kommt.
Die in einem Segment des Spiegels aufgebrachte, in der Figur nicht dargestellte, Spiegelstufe sorgt dafür, daß ein zweites Signal entsteht, welches zu dem ersten um ¼ Periodenlänge verschoben ist. Diese beiden Signale sind erforderlich, um einen Vor- und Rückwärtshub des Spiegels unterscheiden zu können. Die beiden Signale sind auch zur Erhöhung der Meßauflösung durch Interpolation erforderlich, durch die eine Periodenlänge um einen bestimmten Faktor unterteilt wird.
Eine Absolutbestimmung der Spiegelposition wird möglich, wenn zusätzlich zum Messen des Spiegelabstandes Licht mit einer zweiten Wellenlänge λ₂ benutzt wird.
In einem Meßbereich der Größe
(Größe einer Schwebungsperiode) gilt die Messung der Spiegelposition als absolut kodiert. Aus der Phasendifferenz der beiden aus λ₁ und λ₂ entstehenden Interferenzsignale kann dann innerhalb einer Schwebungsperiode die Position des Spiegels absolut bestimmt werden. Je nach angestrebter Wellenlängendifferenz Δλ = λ₂ – λ₁ kann man wegen der Breitbandigkeit einer LED die beiden Wellenlängen durch entsprechende Interferenzfilter von einer LED ableiten. Durch geeignete Wahl der Größe Δλ oder Strahlung mit mindestens einer weiteren Wellenlänge kann der absolut kodierte Meßbereich beliebig erweitert werden.

Ch: Si-Chip
GP: Glasplatte
S: Spiegel
LED: LED
FD: Fotodiode
R-FD: Referenz-Fotodiode
S: Lichtstrahl
Δλ: Wellenlängendifferenz
RS: Referenzstrahl
VV: Vollverspiegelung
TV: Teilverspiegelung
SP: Spiegelposition
a: Spiegelabstand

Claims

Verfahren zur hoch auflösenden interferentiellen Messung des Abstandes zu einem Spiegel, dessen Hub ein Maß für die den Hub auslösende Größe ist, durch fotoelektrische Elemente, bestehend aus einem Lichtsender und Lichtempfänger, die ein Signal erzeugen, das in einer Signalverarbeitungselektronik ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender in einem Fotodiodenarray integriert ist und sich auf der Vorderseite einer transparenten Platte aus Glas befindet, wobei von dem vom Lichtsender ausgehenden und von der teilweise verspiegelten Rückseite der Glasplatte sowie dem Spiegel reflektierten Licht der Wellenlänge λ Interferenzen erzeugt werden, deren von einem Fotodiodenarray aufgenommene Hell-Dunkel-Perioden der Periodenlänge λ/2 ein Maß für die veränderte Spiegelposition sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in das Fotodiodenarray mindestens ein Lichtsender in Form einer LED oder eines Diodenlasers integriert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei Einsatz einer LED als Lichtsender auf der Glasplatte mindestens ein Interferenzschichtsystem befindet, das aus dem inkohärenten LED-Licht interferenzfähiges Licht erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterteilung (Interpolation) einer Signalperiode zur Erreichung einer höheren Positionsauflösung und zur Erkennung der Richtung der Positionsänderung der Spiegel eine Stufe enthält, damit ein zweites Signal erzeugt wird, dessen Phase um ¼ Signalperiode also um λ/8 gegenüber dem ersten Signal versetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur absoluten Bestimmung der Spiegelposition Strahlung mit mindestens zwei Wellenlängen benutzt wird, wobei durch die Phasendifferenz zwischen den einzelnen so entstehenden Interferenzsignalen die Spiegelposition eindeutig bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge vorzugsweise von mindestens einer in dem Fotodiodenarray integrierten LED mit Hilfe unterschiedlicher Interferenzfilter abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Lichtsender ausgehende Licht die Glasplatte passiert, die in einem Teilbereich voll transparent ist, dort reflektiert wird und im Fotodiodenarray ein Referenzsignal erzeugt, welches zur Kompensation von Intensitätsschwankungen der Lichtsender dient.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung bereits an einem voll verspiegelten Teilbereich der Glasplatte reflektiert wird und dann in Analogie zum Anspruch 7 das Referenzsignal erzeugt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein in das Fotodiodenarray integriertes Strahlungsquellenchip mit seiner Rückseite so weit in das Sensorchip abgesenkt ist, dass seine Vorderseite nicht über die Oberfläche des Sensorchips hinausragt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Chip mit dem Fotodiodenarray und der Lichtsender zusätzliche Funktionselemente zur Signalverarbeitung enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorarray in Flip-Chip-Technik angebracht ist und weitere Signalverarbeitungsfunktionen enthaltende Chip auf der Glasplatte befestigt sind und sich alle Versorgungs- und Signalleitungen sowie die Lötpads auf der Glasplatte befinden.