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Title:
INTERFEROMETER AND METHOD FOR OPERATING SAME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/024543
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an interferometer (200) having a first reflector element (202) and a second reflector element (206) spaced apart from the first reflector element (202) by an adjustable resonator gap (204), wherein the interferometer (200) has a first driving device (100) and a second driving device (102), wherein the first driving device (100) is designed to adjust a gap height (104) of the resonator gap (204), wherein the first driving device (100) has a first adjustment range (208), wherein the second driving device (102) is also designed to adjust the gap height (104), wherein the second driving device (102) has a second adjustment range (210) which supplements the first adjustment range (208).

Inventors:
MERZ, Andreas (Flattichstr. 30, Freiberg Am Neckar, 71691, DE)
HUSNIK, Martin (Hasenbergstrasse 88, Stuttgart, 70176, DE)
SCHMID, Marc (Sattelaecker 1, Stuttgart, 70565, DE)
STEIN, Benedikt (Hauptmannsreute 164, Stuttgart, 70193, DE)
SCHELLING, Christoph (Schafgaerten 23, Stuttgart, 70619, DE)
Application Number:
EP2017/068769
Publication Date:
February 08, 2018
Filing Date:
July 25, 2017
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
G02B26/00; G01J3/26
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Claims:
Ansprüche

1. Interferometer (200) mit einem ersten Spiegelelement (202) und einem durch einen einstellbaren Resonatorspalt (204) von dem ersten

Spiegelelement (202) beabstandeten zweiten Spiegelelement (206), wobei das Interferometer (200) die folgenden Merkmale aufweist: eine erste Antriebseinrichtung (100), die dazu ausgebildet ist, eine Spalthöhe (104) des Resonatorspalts (204) einzustellen, wobei die erste Antriebseinrichtung (100) einen ersten Einstellbereich (208) aufweist; und eine zweite Antriebseinrichtung (102), die dazu ausgebildet ist, eine Spalthöhe (104) einzustellen, wobei die zweite Antriebseinrichtung (102) einen, den ersten Einstellbereich (208) ergänzenden und/oder erweiternden zweiten Einstellbereich (210) aufweist.

2. Interferometer (200) gemäß Anspruch 1, bei dem der erste

Einstellbereich (208) zumindest eine diskrete Endlage aufweist.

Interferometer (200) gemäß Anspruch 2, bei dem die Endlage durch eine Anschlageinrichtung (314) bestimmt ist, wobei die Anschlageinrichtung (314) mit der ersten Antriebseinrichtung (100) gekoppelt ist.

Interferometer (200) gemäß Anspruch 3, bei dem zwischen der

Anschlageinrichtung (314) und einem Substrat (300) des Interferometers (200) eine erste Federeinrichtung (308) angeordnet ist.

Interferometer (200) gemäß Anspruch 4, bei dem zwischen der

Anschlageinrichtung (314) und dem ersten Spiegelelement (202) eine zweite Federeinrichtung (310) angeordnet ist. Interferometer (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die erste Antriebseinrichtung (100) mit dem ersten

Spiegelelement (202) gekoppelt ist, wobei das erste Spiegelelement (202) über eine erste Federeinrichtung (308) mit einem Substrat (300) des Interferometers (200) gekoppelt ist.

Interferometer (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die zweite Antriebseinrichtung (102) mit dem zweiten

Spiegelelement (206) gekoppelt ist.

Interferometer (200) gemäß Anspruch 7, bei dem die zweite

Antriebseinrichtung (102) ferner mit dem ersten Spiegelelement (202) gekoppelt ist.

Verfahren (1100) zum Betreiben eines Interferometers (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 8, wobei in einem Schritt (1102) des Einstellens eine Spaltweite (104) eines Resonatorspalts (204) des Interferometers (200) zwischen einem ersten Spiegelelement (202) des Interferometers (200) und einem zweiten Spiegelelement (206) des Interferometers (200) unter Verwendung einer ersten Antriebseinrichtung (100) und/oder einer zweiten Antriebseinrichtung (102) eingestellt wird.

Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren (1100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen.

Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.

Description:
Beschreibung

Titel

Interferometer und Verfahren zum Betreiben desselben Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.

Mikroelektromechanische Antriebe weisen einen geringen Verstellbereich auf. Der Verstellbereich kann kleiner sein, als ein gewünschter Verstellbereich eines Resonatorspalts eines Interferometers. In der US2013279005A1 wird ein FPI-Spektrometer beschrieben, bei dem mit zwei elektrostatischen voneinander unabhängig ansteuerbaren

Aktuierungsmechanismen der Resonatorspalt eingestellt wird. Beide

Aktuierungsmechanismen wirken dabei in dieselbe Richtung und auf dieselbe Feder, d. h., der durchstimmbare Bereich bleibt wegen des Schnapprisikos eingeschränkt.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein

Interferometer, ein Verfahren zum Betreiben eines Interferometers, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den

Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Ein großer Verstellbereich kann durch eine kombinierte Verwendung zumindest zweier Antriebe erreicht werden. Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird eine Spalthöhe durch eine Addition von Verstellwegen zumindest zweier Antriebe verstellt. Dadurch kann die Spalthöhe über einen weiten Bereich mit einer hohen Genauigkeit eingestellt werden.

Es wird ein Interferometer mit einem ersten Spiegelelement und einem durch einen einstellbaren Resonatorspalt von dem ersten Spiegelelement

beabstandeten zweiten Spiegelelement vorgestellt, wobei das Interferometer die folgenden Merkmale aufweist: eine erste Antriebseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Spalthöhe des Resonatorspalts einzustellen, wobei die erste Antriebseinrichtung einen ersten Einstellbereich aufweist; und eine zweite Antriebseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Spalthöhe einzustellen, wobei die zweite Antriebseinrichtung einen, den ersten Einstellbereich ergänzenden und/oder erweiternden zweiten Einstellbereich aufweist.

Unter einem Interferometer kann ein Fabry-Perot-Interferometer verstanden werden, das dazu ausgebildet ist, in einem als Resonator ausgebildeten Spalt zwischen zwei gegenüberliegenden Spiegelelementen einen von einer Spalthöhe des Spalts abhängigen Wellenlängenbereich elektromagnetischer Wellen aus einem Wellenlängenspektrum herauszufiltern und durchzulassen. Dabei kann anschließend an das Interferometer eine Strahlungsintensität des

Wellenlängenbereichs erfasst werden. Durch eine Veränderung der Spalthöhe können verschiedene Wellenlängenbereiche gefiltert werden und so das

Wellenlängenspektrum durch eine Mehrzahl an erfassten Strahlungsintensitäten aufgezeichnet werden. Unter der Spalthöhe kann ein Abstand der beiden Spiegelelemente voneinander verstanden werden. Eine Antriebseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, zumindest eines der Spiegelelemente ansprechend auf ein elektrisches Stellsignal zu bewegen und/oder in einer durch das Stellsignal vorgegebenen Position zu halten. Der erste Einstellbereich kann zumindest eine diskrete Endlage aufweisen. Eine diskrete Endlage kann beispielsweise durch eine Ruhelage zumindest eines der Spiegelelemente bestimmt sein. In der Ruhelage können die

Antriebseinrichtungen beispielsweise deaktiviert sein. Die Ruhelage kann durch zumindest ein Federsystem definiert sein.

Die Endlage kann durch eine Anschlageinrichtung bestimmt sein. Die

Anschlageinrichtung kann mit der ersten Antriebseinrichtung gekoppelt sein. Durch einen mechanischen Anschlag an ein gegenüberliegendes Element kann eine sehr präzise Positionierung erreicht werden. Die Anschlageinrichtung kann beispielsweise Säulen und/oder Wände umfassen, die im Wesentlichen quer zu einer Haupterstreckungsebene eines Spiegelelements ausgerichtet sind.

Zwischen der Anschlageinrichtung und einem Substrat des Interferometers kann eine erste Federeinrichtung angeordnet sein. Eine Federeinrichtung kann als Federsystem bezeichnet werden. Durch die Federeinrichtung kann die

Anschlageinrichtung von der Antriebseinrichtung gegen eine Rückstellkraft ausgelenkt werden, bis die Anschlageinrichtung anschlägt. Wenn die

Antriebseinrichtung deaktiviert wird, wird die Anschlageinrichtung durch die Rückstellkraft in die Ruhelage gezogen.

Zwischen der Anschlageinrichtung und dem ersten Spiegelelement kann eine zweite Federeinrichtung angeordnet sein. Durch die zweite Federeinrichtung kann das Spiegelelement gegen eine Rückstellkraft aus der Endlage der Anschlageinrichtung ausgelenkt werden und nach dem Auslenken durch die Rückstellkraft wieder in die Endlage bewegt werden.

Die erste Antriebseinrichtung kann mit dem ersten Spiegelelement gekoppelt sein. Das erste Spiegelelement kann über eine erste Federeinrichtung mit einem Substrat des Interferometers gekoppelt sein. Das Spiegelelement kann über die Federeinrichtung direkt mit dem Substrat verbunden sein. Die erste

Antriebseinrichtung kann das erste Spiegelelement antreiben.

Die zweite Antriebseinrichtung kann mit dem zweiten Spiegelelement gekoppelt sein. Die zweite Antriebseinrichtung kann das zweite Spiegelelement antreiben. Das zweite Spiegelelement kann ebenso über eine Federeinrichtung mit dem Substrat gekoppelt sein.

Die zweite Antriebseinrichtung kann ferner mit dem ersten Spiegelelement gekoppelt sein. Die zweite Antriebseinrichtung kann auf beide Spiegelelemente wirken und diese aufeinander zu oder voneinander weg bewegen.

Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines Interferometers vorgestellt, wobei in einem Schritt des Einstellens eine Spaltweite eines Resonatorspalts des Interferometers zwischen einem ersten Spiegelelement des Interferometers und einem zweiten Spiegelelement des Interferometers unter Verwendung einer ersten Antriebseinrichtung und/oder einer zweiten Antriebseinrichtung eingestellt wird.

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.

Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung eines Steuerschemas für ein Interferometer gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Interferometers gemäß einem

Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 7 eine schematische Darstellung von Antriebseinrichtungen gemäß einem

Ausführungsbeispiel;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; und

Fig. 11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines

Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel. 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.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Steuerschemas für ein Interferometer gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Steuerschema kann für ein Interferometer mit zwei unabhängig voneinander ansteuerbaren Antriebseinrichtungen 100, 102 zum Einstellen einer Spalthöhe 104 eines Resonatorspalts verwendet werden. Bei dem hier dargestellten Steuerschema wird die erste Antriebseinrichtung 100 dazu verwendet, zwischen einem ersten Spalthöhenbereich 106 und einem zweiten Spalthöhenbereich 108 umzuschalten. Die zweite Antriebseinrichtung 102 wird dazu verwendet, die Spalthöhe 104 innerhalb der Spalthöhenbereiche 106, 108 einzustellen. Hier überlappen sich die Spalthöhenbereiche 106, 108 in einem Überlappungsbereich 110. Dadurch können Spalthöhen 104 innerhalb des Überlappungsbereichs 110 aus beiden Spalthöhenbereichen 106, 108 eingestellt werden.

Die erste Antriebseinrichtung 100 weist hier zwei definierte Endlagen auf und verändert die Spalthöhe 104 ohne Zwischenpositionen zwischen den Endlagen. Die zweite Antriebseinrichtung 102 ist hier stufenlos ausgeführt und verändert die Spalthöhe 104 proportional zu einem Steuersignal 112.

In Fig. 1 ist eine Überlappung 110 der Messbereiche 106, 108 dargestellt. Hier erfolgt die Grobaktuierung zu zwei Ruhepositionen 106, 108, um diese

Ruhepositionen 106, 108 mittels des zweiten Aktuierungsmechanismus 102 feinzustimmen.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Interferometers 200 gemäß einem

Ausführungsbeispiel. Das Interferometer 200 weist ein erstes Spiegelelement 202, ein durch einen einstellbaren Resonatorspalt 204 von dem ersten

Spiegelelement 202 beabstandetes zweites Spiegelelement 206, eine erste Antriebseinrichtung 100 und eine zweite Antriebseinrichtung 102 auf. Das Interferometer 200 kann unter Verwendung des in Fig. 1 dargestellten

Steuerschemas angesteuert werden.

Das erste Spiegelelement 202 wird hier von beiden Antriebseinrichtungen 100, 102 angetrieben, wobei die Antriebseinrichtungen 100, 102 in Reihe geschaltet sind. Das zweite Spiegelelement 206 ist hier feststehend. Die erste

Antriebseinrichtung 100 ist dazu ausgebildet, eine Spalthöhe 104 des

Resonatorspalts 204 zwischen dem ersten Spalthöhenbereich 106 und dem zweiten Spalthöhenbereich 108 einzustellen. Die erste Antriebseinrichtung 100 weist einen ersten Einstellbereich 208 auf. Die zweite Antriebseinrichtung 102 ist ebenfalls dazu ausgebildet, die Spalthöhe 104 einzustellen. Die zweite Antriebseinrichtung 102 weist einen, den ersten Einstellbereich 208 ergänzenden zweiten Einstellbereich 210 auf.

Mit anderen Worten wird ein Fabry-Perot-Interferometer (FPI)-Bauelement 200 mit mehrstufiger Aktuierung vorgestellt. Es ist eine schematische Darstellung der Antriebsanordnung gezeigt. In der Skizze sind die Positionen 106 und 108 zwei einnehmbare Positionen des ersten Spiegelelements 202, die durch ein digitales Schalten der Grobansteuerung 100 erfolgt. Genauso gut könnte jedoch die Grobaktuierung 100 und/oder die Feinaktuierung 102 auf das zweite

Spiegelelement 206 wirken. Dabei können die Spiegelelemente 200, 206 gleichsinnig oder gegensinnig aktuiert werden. Ebenso kann die Aktuierung einseitig oder beidseitig erfolgen.

Herkömmliche mikromechanische Fabry-Perot-Interferometer (FPI) werden in ihrem Funktionsbereich durch das Auftreten höherer Ordnungen in ihrem

Betriebsbereich zu niedrigen Wellenlängen hin prinzipbedingt begrenzt. Für analytische Fragestellungen ist ein Betrieb über einen möglichst großen

Wellenlängenbereich wünschenswert.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ein mikromechanisches Fabry-Perot- Interferometer 200 mit einem erweiterten, nicht durch Pull-in begrenzten, spektralen Messbereich 104 und einer feinen Auflösung auch bei kürzeren Wellenlängen.

Bei Fabry-Perot-Interferometern 200 wird die Resonanzbedingung für maximale Transmission bei einem Spaltabstand 104, der gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge ist, erfüllt.

Beim Durchstimmen eines kapazitiv angesteuerten Fabry-Perot-Interferometers 200 ist es wünschenswert, möglichst niedrige Steuerspannungen einsetzen zu können, da dies einerseits stromsparenderen Betrieb erlaubt, andererseits aber auch den Einsatz einfacherer und günstigerer Ansteuerelektronik ermöglicht. Der Spaltabstand 104 sollte sich zudem über den Messbereich möglichst linear verhalten. Insbesondere wäre es wünschenswert für eine optimale spektrale Abtastung wegen der geringeren Halbwertsbreite der Resonanzen bei kürzeren Wellenlängen, also kleinen Spaltabständen, die Spannungsinkremente zu kleineren Spaltabstandsänderungen führen als bei größeren Spaltabständen. Eine einfache kapazitive Ansteuerung, bei dem die Spiegelelemente 202, 206 aufeinander zubewegt werden, läuft dem jedoch zuwider. Je kleiner der Spalt 104, desto größer die Kraftzunahme und damit die Spaltänderung beim selben Steuerspannungsinkrement. Wird eine Kraftschwelle überschritten, kann es zum Schnappen kommen und die Elektroden berühren sich.

Die Spiegel des Fabry-Perot-Interferometers 200 sollen für eine maximale Auflösung über den gesamten Durchstimmbereich möglichst planparallel zueinander sein und dies auch bei Aktuierung bleiben. Herkömmlicherweise können die Spiegelschichten 202, 206 dazu beispielsweise schon in der Nulllage eine mechanische Zugspannung aufweisen. Beim Anlegen einer

Auslenkspannung nimmt die mechanische Spannung in den Spiegelschichten 202, 206 weiter zu. In Summe begrenzt dies die maximale Größe herkömmlicher Fabry-Perot-Spiegel, zu große Spiegel würden reißen.

Eine vorteilhafte Ansteuerungsmethode ist eine Grobansteuerung des ersten Aktuierungsmechanismus 100 mittels derer eines oder beide Spiegelelemente 202, 206 in eine von mindestens zwei oder mehr definierten Positionen 106, 108 beziehungsweise Messpositionen gebracht wird. Die zwei oder mehr

Grobpositionen 106, 108 können dabei entweder über mechanische Anschläge definiert sein oder über diskrete Steuersignale realisiert werden, deren Höhe in Abhängigkeit der Messaufgabe gewählt werden kann. Über die kontinuierliche oder quasikontinuierliche Feinsteuerung eines zweiten Aktuierungsmechanismus 102 wird dann die Größe des optischen Spalts 104 durchgestimmt.

Die Anschlagspositionen der Grobsteuerung können so gewählt werden, dass sich die mit der Feinsteuerung ergebenden Messbereiche überlappen, damit sich ein kontinuierliches Spektrum zusammensetzen lässt.

Mittels einer/mehrerer schmalbandigen/r Lichtquellen/Spektrallinien kann eine Autokalibration der beiden Aktuierungsmechanismen 100, 102 gegeneinander erfolgen. Fig. 3 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Interferometer 200 entspricht im Wesentlichen dem Interferometer in Fig. 2. Im Gegensatz dazu wirkt die erste Antriebseinrichtung 100 hier auf das erste Spiegelelement 202, während die zweite

Antriebseinrichtung 102 auf das zweite Spiegelelement 206 wirkt. Mit anderen Worten sind hier also beide Spiegelelemente 202, 206 angetrieben und beweglich.

Das Interferometer 200 ist als schichtweiser Aufbau auf einem Substrat 300 ausgeführt. Die beiden Spiegelelemente 202, 206 sind dabei Teilbereiche von parallel zum Substrat 300 angeordneten Spiegelschichten 302. Die

Spiegelelemente 202, 206 sind über einer Kaverne 304 des Substrats 300 angeordnet. Seitlich der Spiegelelemente 202, 206 sind die Spiegelschichten 302 durch Federperforationen 306 perforiert, um Federsysteme 308, 310

auszubilden. Die Federsysteme 308, 310 ermöglichen die Beweglichkeit der Spiegelelemente 202, 206 zum Einstellen der Spalthöhe 104 des

Resonatorspalts 204. Außerhalb der Spiegelelemente 202, 206 und

Federsysteme 308, 310 sind die Spiegelschichten 302 durch Distanzschichten 312 von dem Substrat 300 und voneinander beabstandet.

Die erste Antriebseinrichtung 100 ist im Bereich des ersten Federsystems 308 angeordnet. Die erste Antriebseinrichtung 100 ist als kapazitiver Aktor 100 ausgebildet. Erste Elektroden des kapazitiven Aktors 100 sind dabei auf dem Substrat 300 angeordnet, während zweite Elektroden des kapazitiven Aktors 100 auf Federelementen des ersten Federsystems 308 angeordnet sind. Wenn eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt wird, resultiert eine

Anziehungskraft zwischen den Elektroden und das erste Spiegelelement 202 wird durch die Federelemente des ersten Federsystems 308 aus einer Ruhelage in Richtung des Substrats 300 gezogen. Dabei wird das erste Spiegelelement 202 bewegt, bis Anschlagelemente 314 des ersten Spiegelelements 202 an das Substrat 300 anschlagen und eine ausgelenkte Lage des ersten Spiegelelements 202 definieren. Mit anderen Worten wird das erste Spiegelelement 202 durch die erste Antriebseinrichtung 100 zwischen der Ruhelage und der ausgelenkten Lage hin- und herbewegt, um die Spalthöhe 104 zwischen dem ersten

Einstellbereich und dem zweiten Einstellbereich zu verändern. Die zweite Antriebseinrichtung 102 ist im Bereich des zweiten Federsystems 310 angeordnet. Dabei ist die zweite Antriebseinrichtung 102 als Piezoaktor 102 ausgebildet. Zumindest eine piezoelektrische Schicht des Piezoaktors 102 ist dabei auf Federelementen des zweiten Federsystems 310 angeordnet. Wenn eine elektrische Spannung an die piezoelektrische Schicht angelegt wird, ändert sich eine Länge der Schicht. Dadurch werden die Federelemente gebogen und das zweite Spiegelelement 206 wird abhängig von einem Spannungswert und einer Spannungsrichtung durch die Federelemente aus einer Ruhelage bewegt. In Richtung des ersten Spiegelelements 202 kann das zweite Spiegelelement 206 dabei so weit bewegt werden, bis Antihaftnoppen 316 beziehungsweise Antistiction-Bumps 316 das erste Spiegelelement 202 berühren. Die

Antihaftnoppen 316 verhindern dabei eine Adhäsion der glatten spiegelnden Oberflächen der Spiegelelemente 202, 206. Die zweite Antriebseinrichtung 102 ist dabei dazu ausgebildet, das zweite Spiegelelement 206 innerhalb des zweiten Spalthöhenbereichs stufenlos zu bewegen.

Das hier vorgestellte mikromechanische Interferometer-Bauelement 200 besteht aus mindestens einem Substrat 300, wenigstens zwei durch einen Spalt 204 voneinander beabstandeten, übereinander angeordneten Spiegelelementen 202, 206, flexiblen Aufhängungen 308, 310, über die wenigstens eines der

Spiegelelemente 202, 206 am Substrat 300 aufgehängt ist, wenigstens zwei voneinander unabhängig ansteuerbaren Aktuierungsmechanismen 100, 102 zur Durchstimmung der Spaltgröße 104, wobei zu jedem Aktuierungsmechanismus 100, 102 ein unabhängig ansteuerbares Federsystem 308, 310 in einem der Spiegelelemente 202, 206 existiert.

Die Federsysteme 308, 310 können entweder als Membranen, Ringmembranen oder als diskret strukturierte Federelemente ausgeprägt sein. Die

Aktuierungsmechanismen 100, 102 können entweder alle auf eines der

Spiegelelemente 202, 206, auf mehrere Spiegelelemente 202, 206 oder nur auf je ein Spiegelelement 202, 206 wirken. Die Aktuierungsmechanismen 100, 102 können entweder ein oder mehrere Spiegelelemente 202, 206 relativ zum Substrat 300, oder relativ zueinander bewegen. Wenigstens eines der

Spiegelelemente 202, 206 und/oder das Substrat 300 weist Anschläge 314 in Richtung eines der anderen Spiegelelemente 202, 206 und/oder des Substrats 300 auf, wobei die Anschläge 314 als eindimensionale Säulen oder als zweidimensionale Wände ausgebildet sein können.

Die Aktuierungsmechanismen 100, 102 können kapazitiv beziehungsweise elektrostatisch und/oder piezoelektrisch und/oder thermisch ausgeführt sein.

Durch den hier vorgestellten Ansatz sind kleinere elektrische Spannungen für das Durchstimmen notwendig, als bei einem vollständig analog durchstimmbaren Fabry-Perot-Interferometer. Es ergibt sich eine linearere Steuerung. Weiterhin resultieren geringere mechanische Schichtspannungen in den Spiegelschichten 302 beim Durchstimmen. Das hier vorgestellte Interferometer 200 weist zwei definierte optische Resonanzlängen auf, die gegebenenfalls zur Kalibrierung des Fabry-Perot-Interferometers 200 nutzbar sind, da der Abstand sehr definiert ist. Ebenso besteht eine Selbstkalibrationsmöglichkeit durch die zwei voneinander unabhängigen Steuerkreise mit einer kapazitiven oder piezoelektrischen

Detektion über den zweiten Steuerkreis. Die Selbstkalibration kann zur

Temperaturkompensation und/oder Driftkompensation verwendet werden. Das hier vorgestellte Interferometer 200 kann kostengünstig hergestellt werden, da gegebenenfalls nur eine Kavität 304 erforderlich ist, im Vergleich etwa zu einem Bauelement mit zwei elektrostatischen Spalten.

Fig. 4 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Interferometer 200 entspricht im Wesentlichen den Interferometern in den Figuren 2 und 3. Im Gegensatz dazu ist hier die zweite Spiegelschicht 302 des zweiten Spiegelelements 206 direkt auf dem Substrat 300 angeordnet und das zweite Spiegelelement 206 ist unbeweglich. Die erste Spiegelschicht 302 des ersten Spiegelelements 202 ist durch eine Distanzschicht 312 mit hoher Schichtdicke von der zweiten Spiegelschicht 302 beabstandet. Zum Ausbilden der Federsysteme 308, 310 ist die erste Spiegelschicht 302 außerhalb des ersten Spiegelelements 202 in Abschnitten 400 ausgedünnt. Das erste Federsystem 308 und das zweite Federsystem 310 sind dabei

hintereinander in Reihe geschaltet. Die Antriebseinrichtungen 100, 102 sind im Bereich der Federsysteme 308, 310 angeordnet. Beide Antriebseinrichtungen 100, 102 sind hier als kapazitive Aktoren ausgebildet. Die ersten Elektroden sind dabei in den ausgedünnten Abschnitten der ersten Spiegelschicht 302

angeordnet. Die zweiten Elektroden sind auf der zweiten Spiegelschicht 302 angeordnet. Zwischen den Federsystemen 308, 310 ist die erste Spiegelschicht zu einem Anschlagbereich für die Anschlagelemente 314 ausgebildet.

Die erste Antriebseinrichtung 100 bewegt den Anschlagbereich, das zweite Federsystem 310 und das erste Spiegelelement 202 zwischen der Ruhelage und der durch das Anschlagelement 314 definierten ausgelenkten Lage. Die zweite Antriebseinrichtung 102 bewegt das erste Spiegelelement 202 unabhängig von der ersten Antriebseinrichtung 100 aus der Ruhelage oder der ausgelenkten Lage heraus.

Mit anderen Worten zeigt Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Fabry-Perot- Interferometer 200, bei dem ausgedünnte Membranbereiche 400 als

Federsysteme 308, 310 wirken.

Fig. 5 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Interferometer 200 entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 4 dargestellten Interferometer. Im Gegensatz dazu sind die Federsysteme 308, 310 wie in Fig. 3 durch Federperforationen 306 ausgebildet. Zusätzlich weist das hier dargestellte Interferometer 200 ein drittes Federsystem 500 auf. Das dritte Federsystem 500 ist durch Federperforationen 306 durch die zweite Spiegelschicht 302 ausgebildet. Dadurch ist das zweite Spiegelelement 206 ebenfalls beweglich. Das dritte Federsystem 500 ist gegenüberliegend zu dem zweiten Federsystem 310 angeordnet und die zweiten Elektroden der zweiten Antriebseinrichtung 102 sind auf den Federelementen des dritten Federsystems 500 angeordnet. Das dritte Federsystem 500 ist dadurch parallel zu dem zweiten Federsystem 310 geschaltet. Die zweite Antriebseinrichtung 102 kann so das erste Spiegelelement 202 und das zweite Spiegelelement 206 aufeinander zubewegen. Um die gleiche Änderung der Spalthöhe 104 zu erreichen, wie in Fig. 4 ist eine geringere Anziehungskraft zwischen den Elektroden der zweiten Antriebseinrichtung erforderlich, da die Anziehungskraft gleichmäßig auf das zweite Federsystem 310 und das dritte Federsystem 500 wirkt. Das Interferometer 200 ist in einer Ruhelage ohne Kraftein Wirkung durch die Antriebseinrichtungen 100, 102 dargestellt.

In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Interferometer 200 ein viertes Federsystem auf, das analog zu dem dritten Federsystem 500 parallel zu dem ersten Federsystem 308 angeordnet ist.

Mit anderen Worten ist in Fig. 5 ein Fabry-Perot-Interferometer 200 im

Nullzustand mit kapazitiven Steuerelektroden und Anschlägen 314 sowie separaten Federsystemen 308, 310 für die beiden voneinander unabhängig ansteuerbaren elektrostatischen Aktuierungsmechanismen 100, 102 dargestellt.

Fig. 6 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Interferometer 200 entspricht dem Interferometer 200 in Fig. 5. Hier ist das Interferometer 200 in näherungsweise maximal

ausgelenktem Zustand dargestellt. Das erste Federsystem 108 ist durch die erste Antriebseinrichtung 100 so weit ausgelenkt, dass die Anschlageinrichtung 314 an der zweiten Spiegelschicht 302 in der ausgelenkten Lage anliegt. Das zweite Federsystem 310 und das dritte Federsystem 500 sind durch die zweite

Antriebseinrichtung 102 so weit ausgelenkt, bis sich die Elektroden beinahe berühren. Dabei sind die Federsysteme 310, 500 gegensinnig ausgelenkt. Eine direkte Berührung des ersten Spiegelelements 202 mit dem zweiten

Spiegelelement 206 wird durch die Antihaftnoppen 316 verhindert.

Fig. 7 zeigt eine Draufsichtdarstellung von Antriebseinrichtungen 100, 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Antriebseinrichtungen 100, 102 entsprechen dabei im Wesentlichen den Antriebseinrichtungen in den Figuren 1 bis 6. Wie in den Figuren 5 und 6 sind die Antriebseinrichtungen 100, 102 in Reihe hintereinander angeordnet. Die erste Antriebseinrichtung 100 ist auf Federelementen 700 des ersten Federsystems 308 angeordnet. Die zweite Antriebseinrichtung ist auf Federelementen 702 des zweiten Federsystems 310 angeordnet. Das erste Spiegelelement 202 ist rund. Das zweite Federsystem 310 umschließt das erste Spiegelelement 202. Der Anschlagbereich umschließt das zweite Federsystem ringförmig. Die Federelemente 702 sind S-förmig gebogen und verbinden das Spiegelelement 202 mit dem Anschlagbereich. Im Anschlagbereich sind die Anschläge 314 angeordnet. Das erste Federsystem 308 umschließt den Anschlagbereich ringförmig. Die Federelemente 700 sind entgegengesetzt zu den Federelementen 702 S-förmig gebogen und verbinden den Anschlagbereich mit der umgebenden Spiegelschicht 302.

Fig. 8 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Interferometer 200 entspricht im Wesentlichen den vorhergehenden Darstellungen. Im Gegensatz dazu weist das Interferometer einen Steg 800 auf, der das erste Spiegelelement 202 mit dem Substrat 300 verbindet. Der Steg 800 ist flexibel und bringt einer Verformung eine

vernachlässigbare Federkraft entgegen. Der Steg 800 repräsentiert das erste Federsystem 308. Der Steg 800 weist elektrische Leitungen 802 zum Versorgen der Antriebseinrichtungen 100, 102 auf. Dabei weist die zweite

Antriebseinrichtung 102 eine ringförmige Elektrode 804 auf, die kreisförmig um das erste Spiegelelement 202 umläuft. Die Elektrode 804 ist ringförmig von dem zweiten Federsystem 310 umschlossen. Die Federelemente des zweiten

Federsystems 310 überbrücken einen Spalt 806 beziehungsweise eine Kaverne zwischen der ersten Antriebseinrichtung 100 und der zweiten Antriebseinrichtung 102. Die erste Antriebseinrichtung 100 weist ebenso eine ringförmige Elektrode 808 auf, die das zweite Federsystem 310 kreisförmig umschließt. Durch den Steg

800 ist die Einheit aus dem ersten Spiegelelement 202, der Elektrode 804, dem zweiten Federsystem 310 und der Elektrode 808 kellenförmig.

Mit anderen Worten zeigt Fig. 8 eine Detaildraufsicht der Aufhängung 800 eines Fabry-Perot-Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann eines der Spiegelelemente 202 kellenförmig ausgebildet sein. Es besitzt keine Rückstellkraft und kann zwischen zwei Positionen hin- und hergeschaltet werden. Dies ist insbesondere im Falle elektrostatischer Aktuierung vorteilhaft, weil kleinere Flächen ausreichen. Zusätzlich hat dieser Aufbau den Vorzug, dass durch äußere Einflüsse entstehende mechanische Zugspannungen in den

Schichten des Spiegelelements 202 keine Auswirkung haben, was die

Driftstabilität des Bauelements 200 erhöht.

Fig. 9 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Interferometers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wie in Fig. 3 sind zwei Spiegelschichten 302 durch Distanzschichten 312 von dem Substrat 300 und voneinander beabstandet. Die erste Spiegelschicht 302 ist dabei zwischen der zweiten Spiegelschicht 302 und dem Substrat 300 angeordnet. Das erste Spiegelelement 202 ist wie in Fig. 8 kellenförmig an einem biegsamen Steg 800 aufgehängt und kann als

freischwebende Spiegelkelle bezeichnet werden. Die erste Antriebseinrichtung

100 weist hier drei Elektroden auf. Eine Elektrode ist auf dem Substrat 300 angeordnet. Die andere Elektrode ist an der zweiten Spiegelschicht 302 angeordnet. Die mittlere Elektrode 808 ist zwischen beiden anderen Elektroden angeordnet. So kann die mittlere Elektrode 808 in Richtung der zweiten

Spiegelschicht 302 gezogen werden oder in Richtung des Substrats 300 gezogen werden. Die mittlere Elektrode 808 ist starr mit der Anschlageinrichtung 314 verbunden. Die Anschlageinrichtung 314 weist dabei einen Anschlag in Richtung des Substrats 300 und einen Anschlag in Richtung der zweiten

Spiegelschicht 302 auf. Durch den biegsamen Steg 800 weist das erste

Spiegelelement 202 keine definierte stabile Ruhelage auf. Aufgrund der

Anschlageinrichtung 314 weist das erste Spiegelelement 202 zwei definierte ausgelenkte Positionen auf. Hier ist das erste Spiegelelement 202 in Richtung der zweiten Spiegelschicht 302 ausgelenkt dargestellt. Die Spalthöhe 104 ist dabei gering.

Die zweite Antriebseinrichtung 102 weist zwei gegenüberliegende Elektroden auf. Eine der Elektroden ist hier direkt mit dem ersten Spiegelelement 202 gekoppelt und innerhalb des zweiten Federsystems 310 angeordnet. Die andere Elektrode ist in der Ebene der zweiten Spiegelschicht 302 angeordnet.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Interferometer 200 wie in den Figuren 5 und 6 ein in die zweite Spiegelschicht 302 integriertes drittes Federsystem 500 auf. Das dritte Federsystem 500 entkoppelt dabei das zweite Spiegelelement 206 von der Ebene der zweiten Spiegelschicht 302.

Fig. 10 zeigt eine Darstellung eines Interferometers 200 gemäß einem

Ausführungsbeispiel. Das Interferometer entspricht dabei dem in Fig. 9 dargestellte Interferometer. Hier ist das erste Spiegelelement 202 in der zweiten ausgelenkten, definierten Position dargestellt. Die Spalthöhe 104 ist dabei maximal. Die Figuren 3 bis 10 zeigen in erster Linie Ausführungsbeispiele mit zweifach kapazitiven beziehungsweise elektrostatischen Ansteuerungen 100, 102.

Analoge Ausführungsbeispiele mit piezoelektrischer, thermischer und/oder kapazitiver Ansteuerung in beliebiger Kombination, beispielsweise elektrostatisch und piezoelektrisch, sind jedoch ebenfalls denkbar. Die Auslenkung wenigstens eines der Spiegelelemente 202, 206 kann über die Ansteuerungen 100, 102 sowohl in die gleiche Richtung, in die entgegengesetzte Richtung oder aber sowohl in die gleiche als auch die entgegengesetzte Richtung bewirkt werden. Auf diese Weise können Nichtlinearitäten in der Ansteuerung kompensiert werden.

Insbesondere können in einem Ausführungsbeispiel die Spiegelelemente 202, 206 sowohl aufeinander zubewegt, als auch voneinander wegbewegt werden. Dies schafft beispielsweise bei kapazitiver Ansteuerung einen insgesamt größeren durchstimmbaren Messbereich durch eine Vergrößerung des ersten elektrostatischen Spalts um 30% und zusätzlich des zweiten elektrostatischen Spalts um weitere 30%. Bei einer Ausführung mit zwei voneinander unabhängigen elektrostatischen

Aktuierungsmechanismen 100, 102 kann es sinnvoll sein, für die

Grobansteuerung einen kleineren elektrostatischen Spalt als für die

Feinansteuerung zu verwenden, um über die Grobansteuerung einen der Spiegel 202, 206 einfacher, also mit weniger Steuerspannung in seine Messposition anschnappen lassen zu können.

Für jeden Aktuierungsmechanismus 100, 102 existiert ein korrespondierendes Federsystem 308, 310 in wenigstens einem der Spiegelelemente 202, 206, sodass die Federung beispielsweise bezüglich einer Rückstell kraft passend zum Aktuierungsmechanismus 100, 102 ausgelegt werden kann.

Fig. 11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1100 zum Betreiben eines Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1100 weist einen Schritt 1102 des Einstellens auf, in dem eine Spaltweite eines

Resonatorspalts des Interferometers zwischen einem ersten Spiegelelement des Interferometers und einem zweiten Spiegelelement des Interferometers unter Verwendung einer ersten Antriebseinrichtung und/oder einer zweiten

Antriebseinrichtung eingestellt wird.

Mit anderen Worten zeigt Fig. 11 ein Ablaufdiagramm einer Methode zum

Durchstimmen eines Fabry-Perot-Interferometers mit wenigstens zwei voneinander unabhängig aktuierbaren Verstellsystemen, die dadurch

gekennzeichnet ist, dass ein erstes digitales Verstellsystem dazu verwendet wird, ein erstes Element oder Spiegelelement durch eine diskrete Aktuierung in eine von zwei oder mehreren definierten Positionen zu bringen, während ein zweites, analoges Verstellsystem dazu verwendet wird, den Abstand zwischen den Spiegelelementen quasikontinuierlich zu verändern. Es werden Abstandshalter benutzt, um die diskreten Positionen des ersten Spiegelelements zu definieren. Der Aktuierungsmechanismus kann piezoelektrisch, kapazitiv oder thermisch sein.

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.