WO2000052514A1 - Device for modulating light intensity with a micro-chopper - Google Patents

Device for modulating light intensity with a micro-chopper Download PDF

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WO2000052514A1
WO2000052514A1 PCT/EP2000/001532 EP0001532W WO0052514A1 WO 2000052514 A1 WO2000052514 A1 WO 2000052514A1 EP 0001532 W EP0001532 W EP 0001532W WO 0052514 A1 WO0052514 A1 WO 0052514A1
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base
area
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PCT/EP2000/001532
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Ralf Schnupp
Jochen Thomas
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Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/02—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light
    • G02B26/04—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light by periodically varying the intensity of light, e.g. using choppers

Definitions

  • the invention relates to a device for light intensity modulation with a microchopper, which provides a surface element which has a reflecting surface on which a light beam directed onto the surface of the surface element can be reflected, and which is connected to a base element in this way via at least one connecting region, that the surface element is tiltable relative to the base element, the surface element and the base element having dimensions between the ⁇ m and mm range, and with an actuator by means of which the surface element can be repeatedly deflected from a normal position.
  • chopper systems serve to deliberately interrupt the path of a propagating light beam, which usually emanates from a continuously emitting light source.
  • the light interruption serves the purpose of generating light pulses which are used in a variety of ways in technical measuring methods. With suitably short selected light pulses, runtime measurements and thus also distance determinations can be carried out. It is also among other things
  • CONFIRMATION COPY possible to use such modulated light pulses for electronic amplifiers (lock-in amplifiers) in order to be able to better record strongly noisy measurement signals.
  • the signal to be measured is divided into small signal pulses, in that in the fluorescent light measurement the intensity of the exciting light is switched on and off by a chopper system with a specific modulation frequency up to several kHz.
  • This modulation frequency is given as a reference signal in the phase-sensitive amplifier, which filters out only a narrow range around the modulation frequency from the wide frequency spectrum of the measurement signal, then rectifies the signal synchronously with the modulator and smoothes it via a timing element. In this way, the signal to noise ratio can be improved by up to six orders of magnitude.
  • Chopper systems known per se consist of a rapidly rotating chopper wheel which rotates around a motor-driven axis like a carriage wheel and has areas which are translucent radially around the axis of rotation.
  • the chopper wheel is introduced into the light path of a light beam to interrupt the light, so that the light beam can propagate freely through the translucent areas provided in the chopper wheel. If the light beam hits wing sections of the chopper wheel which interrupt the light path due to rotation of the chopper wheel, this is periodically interrupted when the chopper wheel is turned.
  • modulation frequencies of a few 10 to 100 kHz can be achieved.
  • such devices can serve as miniaturized measuring probes, but the technological effort for producing the motor drive required for the rotary movement of the chopper wheels increases very strongly.
  • the micromotors produced with the aid of known micromechanical manufacturing methods have relatively short lifetimes and high synchronous fluctuations and low power, making them unusable for use in commercial measuring devices.
  • microchopper systems which can be produced using silicon technology and, in contrast to the chopper wheel principle, in which the light beam to be interrupted passes through the chopper wheel, are operated in the so-called reflection mode.
  • a largely free-standing micromechanically produced surface element is used, which is connected in the manner of a free-standing tongue to a base element, relative to which the surface element is mounted such that it can be tilted.
  • the free-standing surface element has a reflective surface, to which the light beam to be interrupted is directed.
  • the light beam directed onto the surface element is deflected.
  • the intensity of a light beam falling through the aperture can be varied and measured at the same time.
  • an electrode is provided on the tongue-shaped surface element, which is arranged at a distance from a counter electrode. If an electrical voltage is applied between this and the opposite electrode, the tongue-shaped surface element is deflected. Depending on the frequency of the AC voltage applied between the two electrodes, the surface element is periodically deflected in the same time rhythm, as a result of which a certain modulation frequency is impressed on the light beam.
  • the invention is based on the object of a device for light intensity modulation with a microchopper, which provides surface element, which has a reflecting surface on which a light beam directed onto the surface of the surface element can be reflected and which is connected to a base element in this way via at least one connecting region, that the surface element is tiltable relative to the base element, the surface element and the base element having dimensions between the ⁇ m and mm range, and with an actuator by means of which the surface element can be repeatedly deflected from a normal position, in such a way that the microchopper over has a high frequency stability and a long service life, and operation must not require high electrical voltages.
  • the chopper should also be able to be used in medical devices in which the use of high voltage should be avoided for reasons of increased operational safety.
  • a method is to be specified with which the light intensity modulation can be carried out on the basis of the known reflection technique, but which avoids any disadvantages associated with the electrostatic microchopper.
  • the chopper device should be able to be manufactured with the least possible technical, structural and also financial outlay.
  • the solution to the problem on which the invention is based is specified in claim 1.
  • the subject of claim 8 is a method for producing the chopper device.
  • the device according to the invention for light intensity modulation in the manner of a microchopper according to the preamble of claim 1 is designed according to the invention in that the surface element and the base element are integrally connected to one another and consist of a semiconductor material that at least a partial area of the surface element (1) has a ferromagnetic layer is coated, and that the actuator (5) generates alternating electromagnetic fields and is arranged in relation to the surface element (1) such that the surface element (1) can be deflected in a targeted manner relative to the base element (2) by means of the forces induced by the alternating electromagnetic field.
  • the microchopper according to the invention can also be realized on macroscopic scales, but the advantages associated with the microchopper device according to the invention are particularly clear, particularly in the component size range down to a few millimeters and even micrometers.
  • the microchopper according to the invention is manufactured as a micromechanical component based on silicon technology, the largely free-standing surface element, which is connected to a base element only via a small connection area, preferably having a ferromagnetic layer, preferably an Fe layer, over the entire surface.
  • a reflective layer is applied to at least one upper side of the surface element, the reflectivity of which is adapted to the light wavelength of the light directed onto the surface element, the wavelength of which can range from the ultraviolet to the visible wavelength range to the infrared. Depending on the light wavelength used, the reflectivity of the layer must be adjusted accordingly.
  • the targeted deflection of the tongue-shaped surface element takes place on the basis of an alternating electromagnetic field, which is generated by an electrical coil which is arranged in the immediate vicinity of the surface element.
  • an alternating electromagnetic field which is generated by an electrical coil which is arranged in the immediate vicinity of the surface element.
  • alternative measures can also be taken which expose the surface element to an alternating electromagnetic field. It is thus conceivable to integrate the surface element in an externally generated alternating electromagnetic field, which can be generated with magnetic coil arrangements, such as are used to record nuclear magnetic resonance examinations.
  • the design of the actuator for generating alternating electromagnetic fields in the form of an inductance can be achieved with the means of silicon semiconductor technology in the Micrometer range and below are scaled and in this way offers a decisive advantage over known, conventional motor drives, as is the case with miniaturized chopper wheels.
  • the actuator designed as an inductor is preferably arranged on the opposite side of the surface element to the reflective surface to which the light to be reflected is directed, whereby a compact construction of the device according to the invention is possible.
  • the device according to the invention is based on the principle of the method that a light beam to be interrupted or chopped is directed onto a reflective surface whose spatial position carries out periodic tilting movements according to a desired modulation frequency, whereby the light beam is deflected accordingly.
  • the spatial deflection of the surface element on which the reflecting surface is applied occurs exclusively by means of magnetic forces which are generated by the interaction of a ferromagnetic layer within an alternating electromagnetic field. Because of the interaction based on pure magnetic forces, it is possible to use the device according to the invention also in areas which are sensitive to the occurrence of electrical fields, which necessitate the use of high electrical voltages.
  • the device according to the invention is suitable for medical devices, since the operation of the device only involves electrical voltages in the low voltage range, i.e. Voltages ⁇ 40 volts required.
  • Another advantage of the device according to the invention is its cost-effective production using silicon technology and the associated low outlay for the assembly and connection technology with which the surface element is connected to the base element.
  • a crystalline silicon is particularly suitable as the base material for the microchopper device, from which the base element, initially in the form of a three-dimensional plate, typically with side edges from a few ⁇ m to some 100 ⁇ m in length or a few mm in length.
  • the base element initially in the form of a three-dimensional plate, typically with side edges from a few ⁇ m to some 100 ⁇ m in length or a few mm in length.
  • To form the largely free-standing surface element from the one-piece base element it is treated in a targeted manner by means of ion implantation or by means of an etching method, preferably an ion-etching method, using a suitable etching mask in an area which later corresponds to the largely free-standing surface element.
  • the ion implantation or the etching process takes place from one side of the base element and penetrates the element to depths of approximately 10 ⁇ m, which defines the volume of the surface element.
  • a masking layer for example in the form of an oxide or nitride layer, is applied to both sides of the base element, which serves as protection against the subsequent etching solution acting on the base element.
  • the protective layer is removed, for example, by photolithographic exposure at those locations that are to be removed in a subsequent etching process.
  • the photolithographic exposure process determines the outer shape of the subsequent, largely free-standing surface element, which remains connected to the rest of the base element only over a small area.
  • the surface element is preferably designed as a rectangular surface which remains connected to the base element via a single side edge which is as short as possible. However, other surface element geometries can also be produced which allow the surface element to be tilted relative to the base element.
  • connection area between the surface element and the base element can also be realized via one or more silicon webs, in order in this way to increase the flexibility of the device.
  • round or n-square surface elements are also conceivable, which can be connected to the base element via one or more connecting webs.
  • the base element consisting of silicon is etched from one side, preferably from that which does not have the highly reflective metal layer, with the aid of potassium hydroxide.
  • potassium hydroxide a material removal technique that can also be used targeted exposure of the desired surface element allowed to be applied.
  • etching solution consisting of potassium hydroxide
  • material is removed only at those locations on the base element which neither have a high dose of ions which have been introduced into the base material in the ion implantation step described above, nor have a protective layer on the surface of the base element, so that after the removal of any masking steps a largely free-standing surface element is created which remains connected to the base element in one or more areas.
  • the upper and / or the lower side of the surface element to be largely etched free subsequently is loaded with a ferromagnetic material, which is preferably deposited on the surface element as a ferromagnetic layer with a homogeneous layer thickness.
  • the reflection layer which preferably consists of a metal which is highly reflective for the desired wavelength range, is then applied to the top or bottom of the element.
  • the tiltable surface element obtained in this way is connected to an actuator generating an alternating electromagnetic field, as described in detail below.
  • Fig. 1 is a perspective view of a surface element with inductance attached to a base element
  • Fig. 2 shows a schematic measuring arrangement with a microchopper system. WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION, INDUSTRIAL APPLICABILITY
  • the square element 1 in the exemplary embodiment has a reflective layer 3 on its upper side, on which a light beam 4 is reflected as losslessly as possible.
  • the reflective layer 3 consists of a metal layer which is specifically selected as a function of the wavelength of the light beam 4 and which is applied locally to the surface element 1 by way of known deposition processes.
  • a further layer 31 made of ferromagnetic material is provided in a homogeneously distributed manner.
  • an excitation coil 5 is provided, which serves for the targeted generation of the alternating magnetic field.
  • the excitation coil 5 is shown schematically in FIG. 1 and can be designed as an inductor with dimensions in the micrometer range using the measures known in silicon technology.
  • the light beam 4 is deflected in different spatial directions.
  • the light beam is deflected synchronously with the periodic deflection of the surface element 1, which can be determined by the frequency and amplitude of the alternating magnetic field.
  • FIG. 2 shows an example of a measuring arrangement in which the microchopper system according to the invention is integrated.
  • the example shows an infrared absorption measuring system with which components of gases can be determined.
  • a light beam from an infrared light source 6 falls on the reflective top of the surface element 1 of the microchopper which, in the exemplary embodiment shown, provides an excitation coil 5 arranged below the surface element 1.
  • Via a collimator 7 and through an aperture 9 the light reflected on the reflecting upper side of the surface element 1 falls into the interior of a measuring volume 10 filled with gas.
  • the measurement volume 10 consists of a hollow glass channel through which a gas stream G flows, so that the light beam coupled into the measurement volume 10 is predominantly totally reflected several times on the inner wall of the hollow channel.
  • the light beam reaches a detector 8, which detects the intensity of the light beam, via a coupling-out location.
  • a detector 8 which detects the intensity of the light beam, via a coupling-out location.
  • an aperture 9 is provided through which the light enters as well as - emerges in or from the measurement volume 10 to be limited to a spatially narrow gap.
  • the light beam only enters the interior of the measuring volume when the surface element 1 of the microchopper is in a suitable position and runs there through the zigzag path shown in exemplary embodiment 2 until the light beam emerges from the measuring volume 10 again.
  • the light beam is subject to absorption and thus intensity attenuation within the measuring volume, which can be detected by the detector 8.
  • optical filters which are not shown in further detail and which are brought into the beam path, certain frequency ranges can be separated from the beam by suitable detector arrangements and the absorption can be measured.
  • the concentration of different gases within a measuring volume can be determined quickly and precisely, for example.
  • the aid of the lock-in amplifier technology explained in detail in the introduction to the description, it is possible with the measuring setup shown in FIG. 2 to significantly increase the signal-to-noise ratio of the measuring apparatus and thus to reduce the detection limits of gas concentrations.
  • the modulation frequency with which the excitation coil 5 is excited and which moves the surface element synchronously serves as a result of which the infrared light beam is only pulsed at a certain frequency the measuring volume 10 occurs as a reference signal, which is input into the lock-in amplifier.
  • the measurement signal originating from the detector is processed in a corresponding manner, so that the signal-to-noise ratio can be improved by a few orders of magnitude.
  • the measuring system shown in FIG. 2 can be used, for example, in medical technology for the determination of breathing gas and, because of its small dimensions, offers the possibility of constructing the smallest measuring probes.
  • the microchopper With the manufacture of the microchopper according to the invention, it is possible to implement it with an edge length of 100 m (LxWxH), the usual dimensions being a few mm, for example 3 x 3 x 0.3 mm (LxWxH). Combined with a coil, the smallest dimensions are around 500 x 500 x 400 ⁇ m.
  • the operating voltages required for operation are in the range between 5 and 50 V.

Abstract

The invention relates to a device and a method for modulating light intensity with a micro-chopper. The invention provides for a flat element comprising a reflecting surface which reflects a light beam directed at the surface of said flat element. Said flat element is connected to a base element via a connecting area in such a way that the flat element can be tilted in relation to the base element. The micro-chopper further comprises an actuator by means of which the flat element can be repeatedly displaced in a target manner from a normal position. The invention is characterized in that at least partial areas of the flat element are magnetic and in that the actuator generates electromagnetic alternating fields and is positioned in relation to the flat element in such a way that said flat element can be displaced in a targeted manner in relation to the base element by means of the forces induced by the electromagnetic alternating field.

Description

Vorrichtung zur Lichtintensitätsmodulation mit einem Mikrochopper Device for modulating light intensity with a microchopper
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lichtintensitätsmodulation mit einem Mikrochopper, der ein Flächenelement vorsieht, das eine reflektierende Oberfläche aufweist, an der ein auf die Oberfläche des Flächenelementes gerichteter Lichtstrahl reflektierbar ist, und das über wenigstens einen Verbindungsbereich derart mit einem Basiselement verbunden ist, daß das Flächenelement relativ zu dem Basiselement kippbeweglich ist, wobei das Flächenelement und das Basiselement Abmessungen zwischen μm- und mm- Bereich aufweisen, sowie mit einem Aktuator, durch den das Flächenelement gezielt aus einer Normallage wiederholt auslenkbar ist.The invention relates to a device for light intensity modulation with a microchopper, which provides a surface element which has a reflecting surface on which a light beam directed onto the surface of the surface element can be reflected, and which is connected to a base element in this way via at least one connecting region, that the surface element is tiltable relative to the base element, the surface element and the base element having dimensions between the μm and mm range, and with an actuator by means of which the surface element can be repeatedly deflected from a normal position.
Ferner wird ein Verfahren zur Lichtintensitätsmodulation sowie zur Herstellung des Flächenelementes sowie eine Verwendung der Vorrichtung angegeben.Furthermore, a method for light intensity modulation and for the production of the surface element as well as a use of the device is specified.
Stand der TechnikState of the art
Chopper-Systeme dienen in der Optik der gezielten Wegunterbrechung eines sich ausbreitenden Lichtstrahls, der üblicherweise von einer kontinuierlich abstrahlenden Lichtquelle ausgeht. Die Lichtunterbrechung dient dem Zwecke der Erzeugung von Lichtimpulsen, die in technischen Meßverfahren eine vielseitige Anwendung finden. So können mit geeignet kurz gewählten Lichtimpulsen Laufzeitmessungen und damit auch Distanzbestimmungen durchgeführt werden. Auch ist es unter anderemIn optics, chopper systems serve to deliberately interrupt the path of a propagating light beam, which usually emanates from a continuously emitting light source. The light interruption serves the purpose of generating light pulses which are used in a variety of ways in technical measuring methods. With suitably short selected light pulses, runtime measurements and thus also distance determinations can be carried out. It is also among other things
BESTATIGUNGSKOPIE möglich, derart modulierte Lichtimpulse für elektronische Verstärker (Lock-In- Verstärker) zu verwenden, um stark verrauschte Meßsignale besser aufzeichnen zu können. Beispielsweise wird bei einer Fluoreszenzlichtmessung das zu messende Signal in kleine Signalpulse unterteilt, indem bei der Fluoreszenzlichtmessung die Intensität des anregenden Lichtes durch ein Chopper-System mit einer bestimmten Modulationsfrequenz bis zu mehreren kHz ein- und ausgeschaltet wird. Diese Modulationsfrequenz wird als Referenzsignal in den phasenempfindlichen Verstärker gegeben, der aus dem breiten Frequenzspektrum des Meßsignals nur einen schmalen Bereich um die Modulationsfrequenz herausfiltert, das Signal dann synchron zum Modulator gleichrichtet und über ein Zeitglied glättet. Auf diese Weise kann das Signal zu Rauschverhältnis um bis zu sechs Größenordnungen verbessert werden.CONFIRMATION COPY possible to use such modulated light pulses for electronic amplifiers (lock-in amplifiers) in order to be able to better record strongly noisy measurement signals. For example, in the case of a fluorescent light measurement, the signal to be measured is divided into small signal pulses, in that in the fluorescent light measurement the intensity of the exciting light is switched on and off by a chopper system with a specific modulation frequency up to several kHz. This modulation frequency is given as a reference signal in the phase-sensitive amplifier, which filters out only a narrow range around the modulation frequency from the wide frequency spectrum of the measurement signal, then rectifies the signal synchronously with the modulator and smoothes it via a timing element. In this way, the signal to noise ratio can be improved by up to six orders of magnitude.
An sich bekannte Chopper-Systeme bestehen aus einem sich schnell drehendem Chopper-Rad, das ähnlich einem Wagenrad um eine motorisch angetriebene Achse rotiert und radial um die Rotationsachse lichtdurchlässige Bereiche aufweist. Das Chopper-Rad wird zur Lichtunterbrechung in den Lichtweg eines Lichtstrahls eingebracht, so daß der Lichtstrahl sich ungehindert durch die im Chopper-Rad vorgesehenen lichtdurchlässigen Bereiche ausbreiten kann. Trifft der Lichtstrahl durch Rotation des Chopper-Rades auf den Lichtweg unterbrechende Flügelabschnitte des Chopper-Rades, so wird dieser beim Drehen des Chopper- Rades periodisch unterbrochen. In Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit des Chopper-Rades können Modulationsfrequenzen von einigen 10 bis 100 kHz erreicht werden.Chopper systems known per se consist of a rapidly rotating chopper wheel which rotates around a motor-driven axis like a carriage wheel and has areas which are translucent radially around the axis of rotation. The chopper wheel is introduced into the light path of a light beam to interrupt the light, so that the light beam can propagate freely through the translucent areas provided in the chopper wheel. If the light beam hits wing sections of the chopper wheel which interrupt the light path due to rotation of the chopper wheel, this is periodically interrupted when the chopper wheel is turned. Depending on the rotational speed of the chopper wheel, modulation frequencies of a few 10 to 100 kHz can be achieved.
Im Zuge der Miniaturisierung derartiger Chopper-Räder in Größenbereiche von einigen μm können derartige Vorrichtungen als miniaturisierte Meßsonden dienen, jedoch nimmt der technologische Aufwand zur Herstellung der für die Drehbewegung der Chopper-Räder erforderliche motorische Antrieb sehr stark zu. Überdies weisen die mit Hilfe bekannter mikromechanischen Herstellungsmethoden produzierten Mikromotoren verhältnismäßig kurze Lebensdauern, hohe Gleichlaufschwankungen und kleine Leistungen auf, wodurch sie für den Einsatz in kommerziellen Meßgeräten unbrauchbar sind.In the course of the miniaturization of such chopper wheels in size ranges of a few μm, such devices can serve as miniaturized measuring probes, but the technological effort for producing the motor drive required for the rotary movement of the chopper wheels increases very strongly. In addition, the micromotors produced with the aid of known micromechanical manufacturing methods have relatively short lifetimes and high synchronous fluctuations and low power, making them unusable for use in commercial measuring devices.
Schließlich sind Mikrochopper-Systeme bekannt, die mit Hilfe der Siliciumtechnologie herstellbar sind und im Gegensatz zum Chopper-Rad-Prinzip, bei dem der zu unterbrechende Lichtstrahl das Chopper-Rad durchläuft, im sogenannten Reflexionsmodus betrieben werden. Hierbei wird ein weitgehend freistehendes mikromechanisch hergestelltes Flächenelement verwendet, das in Art einer freistehenden Zunge mit einem Basiselement verbunden ist, relativ zu dem das Flächenelement kippbeweglich gelagert ist. Das freistehende Flächenelement weist eine reflektierende Oberfläche auf, auf die der zu unterbrechende Lichtstrahl gerichtet ist. Je nach Kipp- bzw. Biegezustand des Flächenelementes wird der auf das Flächenelement gerichtete Lichtstrahl abgelenkt. In Verbindung mit einer Blende und einem im Strahlengang der Blende nachgeordneten Detektor kann die Intensität eines durch die Blende fallenden Lichtstrahls variiert und zugleich gemessen werden.Finally, microchopper systems are known which can be produced using silicon technology and, in contrast to the chopper wheel principle, in which the light beam to be interrupted passes through the chopper wheel, are operated in the so-called reflection mode. Here, a largely free-standing micromechanically produced surface element is used, which is connected in the manner of a free-standing tongue to a base element, relative to which the surface element is mounted such that it can be tilted. The free-standing surface element has a reflective surface, to which the light beam to be interrupted is directed. Depending on the tilting or bending state of the surface element, the light beam directed onto the surface element is deflected. In conjunction with an aperture and a detector arranged downstream of the aperture in the beam path, the intensity of a light beam falling through the aperture can be varied and measured at the same time.
Zur gezielten Auslenkung des reflektierenden Flächenelementes relativ zum Basiselement ist an dem zungenartig ausgebildeten Flächenelement eine Elektrode vorgesehen, der gegenüber beabstandet eine Gegenelektrode angeordnet ist. Wird zwischen dieser und der gegenüberliegenden Elektrode eine elektrische Spannung angelegt, so findet eine Auslenkung des zungenartig ausgebildeten Flächenelementes statt. Je nach Frequenz der zwischen beiden Elektroden angelegten Wechselspannung wird das Flächenelement im gleichen zeitlichen Rhythmus periodisch ausgelenkt, wodurch dem Lichtstrahl eine bestimmte Modulationsfrequenz aufgeprägt wird. Zwar weist der vorstehend beschriebene elektrostatische Mikrochopper aufgrund der elektrischen Einstellung der Modulationsfrequenz eine sehr hohe Frequenzstabilität auf, doch sind zum gezielten Auslenken des Flächenelementes hohe elektrische Feldstärken und damit verbunden hohe elektrische Spannungen, von einigen 100 Volt, erforderlich, die einen hohen apparativen Aufwand erfordern und zugleich den Mikrochopper für medizinische Einsatzzwecke unbrauchbar macht. Darstellung der ErfindungFor the targeted deflection of the reflecting surface element relative to the base element, an electrode is provided on the tongue-shaped surface element, which is arranged at a distance from a counter electrode. If an electrical voltage is applied between this and the opposite electrode, the tongue-shaped surface element is deflected. Depending on the frequency of the AC voltage applied between the two electrodes, the surface element is periodically deflected in the same time rhythm, as a result of which a certain modulation frequency is impressed on the light beam. Although the electrostatic microchopper described above has a very high frequency stability due to the electrical setting of the modulation frequency, high electrical field strengths and associated high electrical voltages of a few 100 volts are required for the targeted deflection of the surface element, which require a high level of equipment and equipment at the same time makes the microchopper unusable for medical purposes. Presentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Lichtintensitätsmodulation mit einem Mikrochopper, der Flächenelement vorsieht, das eine reflektierende Oberfläche aufweist, an der ein auf die Oberfläche des Flächenelementes gerichteter Lichtstrahl reflektierbar ist und das über wenigstens einen Verbindungsbereich derart mit einem Basiselement verbunden ist, daß das Flächenelement relativ zu dem Basiselement kippbeweglich ist, wobei das Flächenelement und das Basiselement Abmessungen zwischen μm- und mm- Bereich aufweisen, sowie mit einem Aktuator, durch den das Flächenelement gezielt aus einer Normallage wiederholt auslenkbar ist, derart auszubilden, daß der Mikrochopper über eine hohe Frequenzstabilität sowie eine lange Lebensdauer verfügt, wobei der Betrieb keine hohen elektrischen Spannungen erfordern darf. Insbesondere soll der Chopper auch in medizinischen Geräten eingesetzt werden können, bei denen aus Gründen erhöhter Betriebssicherheit der Einsatz von Hochspannung vermieden werden soll. Überdies soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem die Lichtintensitätsmodulation auf der Basis der an sich bekannten Reflexionstechnik durchgeführt werden kann, jedoch jegliche Nachteile, die mit dem elektrostatischen Mikrochopper verbunden sind, vermeidet. Schließlich soll die Chopper-Vorrichtung mit möglichst geringem technischen, konstruktiven sowie auch finanziellen Aufwand hergestellt werden können.The invention is based on the object of a device for light intensity modulation with a microchopper, which provides surface element, which has a reflecting surface on which a light beam directed onto the surface of the surface element can be reflected and which is connected to a base element in this way via at least one connecting region, that the surface element is tiltable relative to the base element, the surface element and the base element having dimensions between the μm and mm range, and with an actuator by means of which the surface element can be repeatedly deflected from a normal position, in such a way that the microchopper over has a high frequency stability and a long service life, and operation must not require high electrical voltages. In particular, the chopper should also be able to be used in medical devices in which the use of high voltage should be avoided for reasons of increased operational safety. In addition, a method is to be specified with which the light intensity modulation can be carried out on the basis of the known reflection technique, but which avoids any disadvantages associated with the electrostatic microchopper. Finally, the chopper device should be able to be manufactured with the least possible technical, structural and also financial outlay.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 8 ist ein Verfahren zur Herstellung der Chopper-Vorrichtung.The solution to the problem on which the invention is based is specified in claim 1. The subject of claim 8 is a method for producing the chopper device.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lichtintensitätsmodulation in Art eines Mikrochoppers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist erfindungsgemäß dadurch ausgebildet, dass das Flächen- und das Basiselement einstückig miteinander verbunden sind und aus einem Halbleitermaterial bestehen, dass wenigstens ein Teilbereich des Flächenelements (1) mit einer ferromagnetischen Schicht überzogen ist, und daß der Aktuator (5) elektromagnetische Wechselfelder generiert und derart zum Flächenelement (1) angeordnet ist, daß das Flächenelement (1) vermittels der durch das elektromagnetische Wechselfeld induzierten Kräfte gezielt relativ zum Basiselement (2) auslenkbar ist.The device according to the invention for light intensity modulation in the manner of a microchopper according to the preamble of claim 1 is designed according to the invention in that the surface element and the base element are integrally connected to one another and consist of a semiconductor material that at least a partial area of the surface element (1) has a ferromagnetic layer is coated, and that the actuator (5) generates alternating electromagnetic fields and is arranged in relation to the surface element (1) such that the surface element (1) can be deflected in a targeted manner relative to the base element (2) by means of the forces induced by the alternating electromagnetic field.
Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße Mikrochopper auch in makroskopischen Maßstäben realisiert werden, doch werden die mit der erfindungsgemäßen Mikrochopper-Vorrichtung verbundenen Vorteile insbesondere im Bauteilgrößenbereich bis hinab zu einigen Millimetern und sogar Mikrometern besonders deutlich. So wird der erfindungsgemäße Mikrochopper als mikromechanisches Bauteil, basierend auf der Silicium-Technologie, hergestellt, wobei das weitgehend freistehende Flächenelement, das lediglich über einen kleinen Verbindungsbereich mit einem Basiselement verbunden ist, vorzugsweise ganzflächig eine ferromagnetische Schicht, vorzugsweise eine Fe-Schicht, aufweist. Überdies ist auf wenigstens einer Oberseite des Flächenelementes eine Reflexionsschicht aufgebracht, deren Reflexionsvermögen von der Lichtwellenlänge des auf das Flächenelement gerichtete Licht angepaßt ist, dessen Wellenlänge vom Ultravioletten über den sichtbaren Wellenlängenbereich bis hin zum Infraroten reichen kann. Je nach verwendeter Lichtwellenlänge ist das Reflexionsvermögen der Schicht entsprechend abzustimmen.In principle, the microchopper according to the invention can also be realized on macroscopic scales, but the advantages associated with the microchopper device according to the invention are particularly clear, particularly in the component size range down to a few millimeters and even micrometers. Thus, the microchopper according to the invention is manufactured as a micromechanical component based on silicon technology, the largely free-standing surface element, which is connected to a base element only via a small connection area, preferably having a ferromagnetic layer, preferably an Fe layer, over the entire surface. In addition, a reflective layer is applied to at least one upper side of the surface element, the reflectivity of which is adapted to the light wavelength of the light directed onto the surface element, the wavelength of which can range from the ultraviolet to the visible wavelength range to the infrared. Depending on the light wavelength used, the reflectivity of the layer must be adjusted accordingly.
Die gezielte Auslenkung des zungenartig ausgebildeten Flächenelementes erfolgt aufgrund eines elektromagnetischen Wechselfeldes, das durch eine elektrische Spule, die in unmittelbarer Nähe zum Flächenelement angeordnet ist, erzeugt wird. Grundsätzlich können auch alternative Maßnahmen getroffen werden, durch die das Flächenelement einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist. So ist es denkbar, das Flächenelement in ein extern erzeugbares elektromagnetisches Wechselfeld zu integrieren, das mit Magnetspulenanordnungen erzeugbar ist, wie sie zur Aufnahme von Kernspinuntersuchungen verwendet werden.The targeted deflection of the tongue-shaped surface element takes place on the basis of an alternating electromagnetic field, which is generated by an electrical coil which is arranged in the immediate vicinity of the surface element. In principle, alternative measures can also be taken which expose the surface element to an alternating electromagnetic field. It is thus conceivable to integrate the surface element in an externally generated alternating electromagnetic field, which can be generated with magnetic coil arrangements, such as are used to record nuclear magnetic resonance examinations.
Die Ausbildung des Aktuators zur Erzeugung elektromagnetischer Wechselfelder in Form einer Induktivität kann mit den Mitteln der Siliciumhalbleiter-Technologie in den Mikrometerbereich und darunter skaliert werden und bietet auf diese Weise einen entscheidenden Vorteil gegenüber bekannten, konventionellen Motorantrieben, wie es bei miniaturisierten Chopper-Rädern der Fall ist. Der als Induktivität ausgebildete Aktuator wird vorzugsweise auf der, der reflektierend ausgebildeten Oberfläche, auf die das zu reflektierende Licht gerichtet ist, entgegengesetzten Seite des Flächenelementes angeordnet, wodurch ein kompakter Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich ist.The design of the actuator for generating alternating electromagnetic fields in the form of an inductance can be achieved with the means of silicon semiconductor technology in the Micrometer range and below are scaled and in this way offers a decisive advantage over known, conventional motor drives, as is the case with miniaturized chopper wheels. The actuator designed as an inductor is preferably arranged on the opposite side of the surface element to the reflective surface to which the light to be reflected is directed, whereby a compact construction of the device according to the invention is possible.
Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt das Verfahrensprinzip zugrunde, daß ein zu unterbrechender, bzw. zu choppender Lichtstrahl auf eine reflektierend ausgebildete Oberfläche gerichtet ist, deren räumliche Lage periodische Kippbewegungen nach einer gewünschten Modulationsfrequenz ausführt, wodurch der Lichtstrahl entsprechend abgelenkt wird. Die räumliche Auslenkung des Flächenelementes, auf der die reflektierende Oberfläche aufgebracht ist, erfolgt erfindungsgemäß ausschließlich vermittels Magnetkräfte, die durch die Wechselwirkung einer ferromagnetischen Schicht innerhalb eines elektromagnetischen Wechselfeldes generiert werden. Aufgrund der auf reinen Magnetkräften beruhende Wechselwirkung ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in Bereichen einzusetzen, die sensibel sind gegenüber dem Auftreten elektrischer Felder, die die Anwendung hoher elektrischer Spannungen erforderlich machen. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung für medizintechnische Geräte, da der Betrieb der Vorrichtung lediglich elektrische Spannungen im Niederspannungsbereich, d.h. Spannungen < 40 Volt erfordert.The device according to the invention is based on the principle of the method that a light beam to be interrupted or chopped is directed onto a reflective surface whose spatial position carries out periodic tilting movements according to a desired modulation frequency, whereby the light beam is deflected accordingly. According to the invention, the spatial deflection of the surface element on which the reflecting surface is applied occurs exclusively by means of magnetic forces which are generated by the interaction of a ferromagnetic layer within an alternating electromagnetic field. Because of the interaction based on pure magnetic forces, it is possible to use the device according to the invention also in areas which are sensitive to the occurrence of electrical fields, which necessitate the use of high electrical voltages. In particular, the device according to the invention is suitable for medical devices, since the operation of the device only involves electrical voltages in the low voltage range, i.e. Voltages <40 volts required.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ihre kostengünstige Herstellung unter Verwendung der Silicium-Technologie sowie der damit verbundene geringe Aufwand für die Aufbau- und Verbindungstechnik, mit der das Flächenelement mit dem Basiselement in Verbindung stehen.Another advantage of the device according to the invention is its cost-effective production using silicon technology and the associated low outlay for the assembly and connection technology with which the surface element is connected to the base element.
Als Grundmaterial für die Mikrochopper-Vorrichtung eignet sich insbesondere ein kristallines Silicium, aus dem das Basiselement, anfänglich in Form eines dreidimensionalen Plättchens, typischerweise mit Seitenkanten von einigen μm bis einigen 100 μm Länge oder einigen mm Länge, besteht. Zur Ausbildung des weitgehend freistehenden Flächenelementes aus dem einstückigen Basiselement wird dieses gezielt mittels Ionenimplantation oder mittels eines Ätzverfahrens, vorzugsweise lonenätzverfahrens, unter Verwendung einer geeigneten Ätzmaske in einem Bereich behandelt, der später dem weitgehend freistehendem Flächenelement entspricht. Die Ionenimplantation bzw. der Ätzvorgang erfolgt von jeweils einer Seite des Basiselementes und durchdringt das Element bis zu Tiefen von etwa 10 μm, wodurch das Volumen des Flächenelementes definiert wird.A crystalline silicon is particularly suitable as the base material for the microchopper device, from which the base element, initially in the form of a three-dimensional plate, typically with side edges from a few μm to some 100 μm in length or a few mm in length. To form the largely free-standing surface element from the one-piece base element, it is treated in a targeted manner by means of ion implantation or by means of an etching method, preferably an ion-etching method, using a suitable etching mask in an area which later corresponds to the largely free-standing surface element. The ion implantation or the etching process takes place from one side of the base element and penetrates the element to depths of approximately 10 μm, which defines the volume of the surface element.
In einem darauffolgenden Verfahrensschritt wird beidseitig auf das Basiselement eine Maskierungsschicht, beispielsweise in Form einer Oxid- oder Nitridschicht, aufgebracht, die als Schutz gegen die nachfolgend, auf das Basiselement einwirkende Ätzlösung dient. Die Schutzschicht wird beispielsweise im Rahmen einer photolithographischen Belichtung an jenen Stellen entfernt, die in einem nachfolgenden Ätzverfahren abgetragen werden sollen. Durch den photolithographischen Belichtungsvorgang wird die äußere Form des nachfolgend, weitgehend freistehenden Flächenelementes festgelegt, das lediglich über einen kleinen Bereich mit dem übrigen Basiselement verbunden bleibt. Vorzugsweise wird das Flächenelement als rechteckförmige Fläche ausgebildet, die über eine einzige, möglichst kurze Seitenkante mit dem Basiselement verbunden bleibt. Jedoch können auch andere Flächenelementgeometrien hergestellt werden, die ein Verkippen des Flächenelementes gegenüber dem Basiselement erlauben. Auch kann der Verbindungsbereich zwischen dem Flächenelement und dem Basiselement über einen oder mehrere Siliciumstege realisiert werden, um auf diese Weise die Flexibilität der Vorrichtung zu steigern. Hierbei sind auch runde oder n-eckige Flächenelemente denkbar, die über einen oder mehrere Verbindungsstege mit dem Basiselement verbunden sein können.In a subsequent process step, a masking layer, for example in the form of an oxide or nitride layer, is applied to both sides of the base element, which serves as protection against the subsequent etching solution acting on the base element. The protective layer is removed, for example, by photolithographic exposure at those locations that are to be removed in a subsequent etching process. The photolithographic exposure process determines the outer shape of the subsequent, largely free-standing surface element, which remains connected to the rest of the base element only over a small area. The surface element is preferably designed as a rectangular surface which remains connected to the base element via a single side edge which is as short as possible. However, other surface element geometries can also be produced which allow the surface element to be tilted relative to the base element. The connection area between the surface element and the base element can also be realized via one or more silicon webs, in order in this way to increase the flexibility of the device. Here, round or n-square surface elements are also conceivable, which can be connected to the base element via one or more connecting webs.
Zum weitgehenden Freilegen des Flächenelementes wird das aus Silicium bestehende Basiselement von einer Seite aus, vorzugsweise von derjenigen, die die hochreflektierende Metallschicht nicht trägt, mit Hilfe von Kaliumhydroxid geätzt. Selbstverständlich können auch alternative Materialabtragungstechniken, die ein gezieltes Freilegen des gewünschten Flächenelementes erlaubt, angewendet werden.To expose the surface element to a large extent, the base element consisting of silicon is etched from one side, preferably from that which does not have the highly reflective metal layer, with the aid of potassium hydroxide. Of course, alternative material removal techniques can also be used targeted exposure of the desired surface element allowed to be applied.
Unter Verwendung der aus Kaliumhydroxid bestehenden Ätzlösung erfolgt lediglich an jenen Stellen des Basiselementes ein Materialabtrag, die weder eine hohe Dosis an Ionen, die in dem vorstehend beschriebenen lonenimplantationsschritt in das Basismaterial eingebracht worden sind, aufweisen, noch an der Oberfläche des Basiselementes eine Schutzschicht aufweisen, so daß nach dem Entfernen jeglicher Maskierungsschritte ein weitgehend freistehendes Flächenelement entsteht, das an einer oder mehreren Bereichen mit dem Basiselement verbunden bleibt.Using the etching solution consisting of potassium hydroxide, material is removed only at those locations on the base element which neither have a high dose of ions which have been introduced into the base material in the ion implantation step described above, nor have a protective layer on the surface of the base element, so that after the removal of any masking steps a largely free-standing surface element is created which remains connected to the base element in one or more areas.
Anschließend wird die Ober- und/oder die Unterseite des nachfolgend weitgehend freizuätzenden Flächenelementes mit einem ferromagnetischen Material beaufschlagt, das vorzugsweise als ferromagnetische Schicht mit homogener Schichtdicke auf das Flächenelement abgeschieden wird. Auf die Ober- oder Unterseite des Elementes erfolgt sodann das Aufbringen der Reflexionsschicht, die vorzugsweise aus einem, für den gewünschten Wellenlängenbereich hoch reflektierenden Metall besteht.Subsequently, the upper and / or the lower side of the surface element to be largely etched free subsequently is loaded with a ferromagnetic material, which is preferably deposited on the surface element as a ferromagnetic layer with a homogeneous layer thickness. The reflection layer, which preferably consists of a metal which is highly reflective for the desired wavelength range, is then applied to the top or bottom of the element.
Das auf diese Weise erhaltene kippbewegliche Flächenelement wird wie nachfolgend im einzelnen beschrieben, mit einem, ein elektromagnetisches Wechselfeld generierenden Aktuators verbunden.The tiltable surface element obtained in this way is connected to an actuator generating an alternating electromagnetic field, as described in detail below.
Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention is described below by way of example without limitation of the general inventive concept using exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 perspektivische Darstellung eines an einem Basiselement freibeweglich angebrachten Flächenelementes mit Induktivität, sowieFig. 1 is a perspective view of a surface element with inductance attached to a base element, and
Fig. 2 schematisierte Meßanordnung mit Mikrochopper-System. Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitFig. 2 shows a schematic measuring arrangement with a microchopper system. WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION, INDUSTRIAL APPLICABILITY
In Fig. 1 eine Mikrochopper-Vorrichtung abgebildet, die ein weitgehend freistehendes Flächenelement 1 aufweist, das über eine Seitenkante mit einem Basiselement 2 verbunden ist, wobei das Flächenelement 1 und Basiselement 2 einstückig aus einem einkristallinen Silicium bestehen. Das in dem Ausführungsbeispiel quadratisch ausgebildete Flächenelement 1 weist an seiner Oberseite eine reflektierende Schicht 3 auf, an der ein Lichtstrahl 4 möglichst verlustfrei reflektiert wird. Die reflektierende Schicht 3 besteht aus einer in Abhängigkeit der Wellenlänge des Lichtstrahls 4 gezielt ausgewählten Metallschicht, die im Wege an sich bekannter Abscheideverfahren auf das Flächenelement 1 lokal aufgebracht wird. Unmittelbar unter der reflektierenden Schicht 3 ist eine weitere Schicht 31 aus ferromagnetischen Material flächig homogen verteilt vorgesehen.1 shows a microchopper device which has a largely free-standing flat element 1, which is connected via a side edge to a base element 2, the surface element 1 and base element 2 being made in one piece from a single-crystalline silicon. The square element 1 in the exemplary embodiment has a reflective layer 3 on its upper side, on which a light beam 4 is reflected as losslessly as possible. The reflective layer 3 consists of a metal layer which is specifically selected as a function of the wavelength of the light beam 4 and which is applied locally to the surface element 1 by way of known deposition processes. Immediately below the reflecting layer 3, a further layer 31 made of ferromagnetic material is provided in a homogeneously distributed manner.
Unter dem Flächenelement 1 , d.h. unter der, der reflektierenden Oberseite entgegengesetzten Oberfläche des Flächenelementes 1 , ist eine Erregerspule 5 vorgesehen, die zur gezielten Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes dient. Die Erregerspule 5 ist in Fig. 1 schematisiert dargestellt und kann mit Hilfe der in der Silicium-Technologie bekannten Maßnahmen als Induktivität mit Abmessungen im Mikrometerbereich ausgebildet sein.Under the surface element 1, i.e. Under the surface of the surface element 1 opposite the reflecting upper side, an excitation coil 5 is provided, which serves for the targeted generation of the alternating magnetic field. The excitation coil 5 is shown schematically in FIG. 1 and can be designed as an inductor with dimensions in the micrometer range using the measures known in silicon technology.
Je nach Auslenkung des Flächenelementes 1 relativ zum Basiselement 2 wird der Lichtstrahl 4 in unterschiedliche Raumrichtungen abgelenkt. Die Ablenkung des Lichtstrahls erfolgt synchron zur periodischen Auslenkung des Flächenelementes 1 , die durch die Frequenz und Amplitude des magnetischen Wechselfeldes bestimmbar ist.Depending on the deflection of the surface element 1 relative to the base element 2, the light beam 4 is deflected in different spatial directions. The light beam is deflected synchronously with the periodic deflection of the surface element 1, which can be determined by the frequency and amplitude of the alternating magnetic field.
In Fig. 2 ist ein Beispiel einer Meßanordnung angegeben, in der das erfindungsgemäße Mikrochopper-System integriert ist. Das Beispiel zeigt ein Infrarot- Absorptions-Meßsystem, mit dem Bestandteile von Gasen ermittelt werden können. Ein Lichtstrahl aus einer Infrarot-Lichtquelle 6 fällt auf die reflektierende Oberseite des Flächenelementes 1 des Mikrochoppers, der im gezeigten Ausführungsbeispiel eine unterhalb des Flächenelementes 1 angeordnete Erregerspule 5 vorsieht. Über einen Kollimator 7 und durch eine Blende 9 fällt das an der reflektierenden Oberseite des Flächenelementes 1 reflektierte Licht in das Innere eines mit Gas gefüllten Meßvolumens 10 ein. Das Meßvolumen 10 besteht aus einem mit einem Gasstrom G durchströmten Glashohlkanal, so daß der in das Meßvolumen 10 eingekoppelte Lichtstrahl mehrfach an der Innenwand des Hohlkanals vorwiegend totalreflektiert wird. Über einen Auskoppelort gelangt der Lichtstrahl zu einem die Intensität des Lichtstrahls nachweisenden Detektor 8. Sowohl am Einkoppelort, an dem der Lichtstrahl in das Innere des Meßvolumens 10 gelangt, als auch am Auskoppelort, sind jeweils eine Blende 9 vorgesehen, durch die der Lichteintritt sowie -austritt in bzw. aus dem Meßvolumen 10 auf einen räumlich engen Spalt eingegrenzt werden.2 shows an example of a measuring arrangement in which the microchopper system according to the invention is integrated. The example shows an infrared absorption measuring system with which components of gases can be determined. A light beam from an infrared light source 6 falls on the reflective top of the surface element 1 of the microchopper which, in the exemplary embodiment shown, provides an excitation coil 5 arranged below the surface element 1. Via a collimator 7 and through an aperture 9, the light reflected on the reflecting upper side of the surface element 1 falls into the interior of a measuring volume 10 filled with gas. The measurement volume 10 consists of a hollow glass channel through which a gas stream G flows, so that the light beam coupled into the measurement volume 10 is predominantly totally reflected several times on the inner wall of the hollow channel. The light beam reaches a detector 8, which detects the intensity of the light beam, via a coupling-out location. Both at the coupling-in point, at which the light beam enters the interior of the measurement volume 10, and at the coupling-out location, an aperture 9 is provided through which the light enters as well as - emerges in or from the measurement volume 10 to be limited to a spatially narrow gap.
Der Lichtstrahl gelangt nur bei einer geeigneten Stellung des Flächenelementes 1 des Mikrochoppers in das Innere des Meßvolumens und durchläuft dort den im Ausführungsbeispiel 2 dargestellten Zickzackweg, bis der Lichtstrahl aus dem Meßvolumen 10 wieder austritt. Innerhalb des Meßvolumens unterliegt der Lichtstrahl in Abhängigkeit der Art und Konzentration des Gases einer Absorption und somit einer Intensitätsdämpfung, die vom Detektor 8 erfaßt werden kann. Mittels nicht weiter im einzelnen dargestellter optischer Filter, die in den Strahlengang gebracht werden, können durch geeignete Detektoranordnungen bestimmte Frequenzbereiche aus dem Strahl separiert und die Absorption gemessen werden. Mit Hilfe der dargestellten Meßanordnung kann beispielsweise die Konzentration verschiedener Gase innerhalb eines Meßvolumens schnell und präzise bestimmt werden. Mit Hilfe der in der Beschreibungseinleitung im einzelnen erläuterten Lock- In-Verstärker-Technik ist es mit dem in Fig. 2 dargestellten Meßaufbau möglich, das Signal-Rausch-Verhältnis der Meßapparatur entscheidend zu erhöhen und somit die Nachweisgrenzen von Gaskonzentrationen zu reduzieren.The light beam only enters the interior of the measuring volume when the surface element 1 of the microchopper is in a suitable position and runs there through the zigzag path shown in exemplary embodiment 2 until the light beam emerges from the measuring volume 10 again. Depending on the type and concentration of the gas, the light beam is subject to absorption and thus intensity attenuation within the measuring volume, which can be detected by the detector 8. By means of optical filters, which are not shown in further detail and which are brought into the beam path, certain frequency ranges can be separated from the beam by suitable detector arrangements and the absorption can be measured. With the aid of the measuring arrangement shown, the concentration of different gases within a measuring volume can be determined quickly and precisely, for example. With the aid of the lock-in amplifier technology explained in detail in the introduction to the description, it is possible with the measuring setup shown in FIG. 2 to significantly increase the signal-to-noise ratio of the measuring apparatus and thus to reduce the detection limits of gas concentrations.
Auch in dem in Fig. 2 dargestellten Fall dient die Modulationsfrequenz, mit der die Erregerspule 5 angeregt wird und die zeitsynchron das Flächenelement bewegt, wodurch der Infrarot-Lichtstrahl lediglich mit einer bestimmten Frequenz gepulst in das Meßvolumen 10 eintritt, als Referenzsignal, das in den Lock-In-Verstärker eingegeben wird. Mit diesem Referenzsignal wird das vom Detektor stammende Meßsignal in entsprechender Weise bearbeitet, so daß das Signal-Rausch-Verhältnis um einige Größenordnungen verbessert werden kann.Also in the case shown in FIG. 2, the modulation frequency with which the excitation coil 5 is excited and which moves the surface element synchronously serves as a result of which the infrared light beam is only pulsed at a certain frequency the measuring volume 10 occurs as a reference signal, which is input into the lock-in amplifier. With this reference signal, the measurement signal originating from the detector is processed in a corresponding manner, so that the signal-to-noise ratio can be improved by a few orders of magnitude.
Das in Fig. 2 dargestellte Meßsystem kann beispielsweise in der Medizintechnik für die Atemgasbestimmung eingesetzt werden und bietet aufgrund seiner geringen Abmessungen die Möglichkeit zum Aufbau kleinster Meßsonden.The measuring system shown in FIG. 2 can be used, for example, in medical technology for the determination of breathing gas and, because of its small dimensions, offers the possibility of constructing the smallest measuring probes.
Mit der Herstellung des erfindungsgemäßen Mikrochoppers ist es möglich diesen, mit einer Kantenlänge von jeweils 100 m (LxBxH) zu realisieren, wobei übliche Abmessungen wenige mm betragen, bspw. 3 x 3 x 0,3 mm (LxBxH). Kombiniert mit einer Spule betragen kleinste Abmessungen etwa 500 x 500 x 400 μm. Die für den Betrieb erforderlichen Betriebsspannungen liegen in etwa im Bereich zwischen 5 und 50 V. With the manufacture of the microchopper according to the invention, it is possible to implement it with an edge length of 100 m (LxWxH), the usual dimensions being a few mm, for example 3 x 3 x 0.3 mm (LxWxH). Combined with a coil, the smallest dimensions are around 500 x 500 x 400 μm. The operating voltages required for operation are in the range between 5 and 50 V.
BezugszeichenlisteReference list
Flächenelement Basiselement Reflektierende Schicht Ferromagnetische Schicht Lichtstrahl Aktuator, Erregerspule Lichtquelle Kollimator Detektor Blende Meßvolumen Gasstrom Surface element base element reflecting layer ferromagnetic layer light beam actuator, excitation coil light source collimator detector aperture measuring volume gas flow

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Lichtintensitätsmodulation mit einem Mikrochopper, der ein Flächenelement (1) vorsieht, das eine reflektierende Oberfläche (3) aufweist, an der ein auf die Oberfläche des Flächenelementes (1) gerichteter Lichtstrahl (4) reflektierbar ist, und das über wenigstens einen Verbindungsbereich derart mit einem Basiselement (2) verbunden ist, daß das Flächenelement (1) relativ zu dem Basiselement (2) kippbeweglich ist, wobei das Flächenelement und das Basiselement Abmessungen zwischen μm- und mm-Bereich aufweisen, sowie mit einem Aktuator (5), durch den das Flächenelement (1) gezielt aus einer Normallage wiederholt auslenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächen- und das Basiselement einstückig miteinander verbunden sind und aus einem Halbleitermaterial besteht, dass wenigstens ein Teilbereich des Flächenelements (1) mit einer ferromagnetischen Schicht überzogen ist, und daß der Aktuator (5) elektromagnetische Wechselfelder generiert und derart zum Flächenelement (1 ) angeordnet ist, daß das Flächenelement (1 ) vermittels der durch das elektromagnetische Wechselfeld induzierten Kräfte gezielt relativ zum Basiselement (2) auslenkbar ist.1. Device for light intensity modulation with a microchopper, which provides a surface element (1) which has a reflective surface (3) on which a light beam (4) directed onto the surface of the surface element (1) can be reflected, and this via at least one Connection area is connected to a base element (2) in such a way that the surface element (1) is tiltable relative to the base element (2), the surface element and the base element having dimensions between the μm and mm range, and with an actuator (5) , through which the surface element (1) can be repeatedly deflected from a normal position, characterized in that the surface element and the base element are integrally connected to one another and consist of a semiconductor material that at least a partial area of the surface element (1) is coated with a ferromagnetic layer is, and that the actuator (5) generates alternating electromagnetic fields and thus to F Surface element (1) is arranged such that the surface element (1) can be deflected in a targeted manner relative to the base element (2) by means of the forces induced by the alternating electromagnetic field.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenelement (1) mit einer ferromagnetischen Schicht gleichmäßig beschichtet ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the surface element (1) is coated with a ferromagnetic layer evenly.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenelement (1) rechteckförmig ausgebildet ist und über eine Seitenkante mit dem Basiselement verbunden ist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the surface element (1) is rectangular and is connected to the base element via a side edge.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis36, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (5) als elektrische Spule ausgebildet ist, die mit einer elektrischen Wechselspannung mit einer einstellbaren Frequenz betreibbar ist. 4. Device according to one of claims 1 to 36, characterized in that the actuator (5) is designed as an electrical coil which can be operated with an electrical alternating voltage with an adjustable frequency.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spule in unmittelbarer Nähe zum Flächenelement (1 ) auf der, der reflektierend ausgebildeten Oberfläche entgegengesetzten Seite des Flächenelementes angeordnet ist.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrical coil is arranged in close proximity to the surface element (1) on the opposite side of the surface element, the reflective surface.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator ein elektromagnetisches Wechselfeld mit Frequenzen zwischen 10 Hz bis 100 kHz erzeugt, sodass das Flächenelement (1) mit dieser Frequenz um seine Normallage ausgelenkbar ist.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the actuator generates an electromagnetic alternating field with frequencies between 10 Hz to 100 kHz, so that the surface element (1) can be deflected with its frequency around its normal position.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial einkristallines Silizium ist7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the semiconductor material is single-crystalline silicon
8. Verfahren zur Herstellung des Flächenelementes zur Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: ein flächig ausgebildetes Basiselement (2) wird mittels Ionenimplantation oder Ätzverfahren in einem begrenzten Flächenbereich behandelt, das Basiselement (2) wird beidseitig mit einer Photoresistschicht überzogen und mittels Photolithographie an jenen Stellen lokal entfernt, an denen Material mittels Ätzverfahren abgetragen wird, auf dem behandelten Bereich Flächenelements (1) wird flächenhaft gleichverteilt, wenigstens auf einer Seite, ferromagnetisches Material (31) abgeschieden, auf dem Flächenelement (1 ) wird flächenhaft, wenigstens auf einer Seite des Basiselements (2), hochreflektierendes Material (3) abgeschieden, mittels Ätzverfahren wird von einer Seite des Basiselementes aus das Flächenelement derart freigelegt, daß es wenigstens über einem Verbindungsbereich mit dem Basiselement verbunden ist . 8. The method for producing the surface element for the device according to one of claims 1 to 7, characterized by the following method steps: a flat base element (2) is treated by means of ion implantation or etching processes in a limited area, the base element (2) is coated on both sides with a photoresist layer coated and locally removed by means of photolithography at those locations at which material is removed by means of etching processes, surface area (1) is uniformly distributed over the treated area, at least on one side, ferromagnetic material (31) is deposited, area area (1) becomes areal , at least on one side of the base element (2), highly reflective material (3) is deposited, by means of etching the surface element is exposed from one side of the base element in such a way that it is connected to the base element at least via a connection area.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzverfahren von der Seite des Basiselementes (2) aus erfolgt, an der kein hochreflektierendes Material abgeschieden ist.9. The method according to claim 8, characterized in that the etching process from the side of the base element (2) takes place on which no highly reflective material is deposited.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Basiselement mittels Kaliumhydroxid geätzt wird.10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that the base element is etched by means of potassium hydroxide.
11. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Lichtmodulatoreinheit in Verbindung mit einem Lock-In-Verstärker zu Erhöhung des S/N-Verhältnisses einer Meßapparatur. 11. Use of the device according to one of claims 1 to 7 as a light modulator unit in conjunction with a lock-in amplifier to increase the S / N ratio of a measuring apparatus.
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