DE19908514A1

DE19908514A1 - Device and method for light intensity modulation

Info

Publication number: DE19908514A1
Application number: DE1999108514
Authority: DE
Inventors: Ralf Schnupp; Jochen Thomas
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2000-09-21
Also published as: WO2000052514A1

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

Technical field

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lichtintensitätsmodulation in Art eines Choppers mit einem Flächenelement, 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, sowie mit einem Aktuator, durch den das Flächenelement gezielt aus einer Normallage wiederholt auslenkbar ist. Ferner wird ein Verfahren zur Lichtintensitätsmodulation sowie zur Herstellung des Flächenelementes sowie eine Verwendung der Vorrichtung angegeben. The invention relates to a device for light intensity modulation in Art a chopper with a surface element that has a reflective surface has a light beam directed at the surface of the surface element is reflectable, and this via at least one connection area with one Base element is connected that the surface element relative to the base element is tiltable, and with an actuator through which the surface element is targeted can be deflected repeatedly from a normal position. Furthermore, a method for Light intensity modulation and for the production of the surface element and a Use of the device specified.

State 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 anderem 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.Chopper systems serve the purpose of deliberately interrupting a path propagating light beam, usually from a continuously radiating Light source goes out. The light interruption serves the purpose of generating Light pulses that are used in a wide variety of technical measurement processes. So, with suitably short chosen light pulses, runtime measurements and thus distance determinations can also be carried out. It is also among other things possible, modulated light pulses for electronic amplifiers (lock-in Amplifier) to better record noisy measurement signals can. For example, in a fluorescent light measurement, what is to be measured Signal divided into small signal pulses by using the Intensity of the exciting light by a chopper system with a certain Modulation frequency up to several kHz is switched on and off. This Modulation frequency is used as a reference signal in the phase sensitive amplifier given that only one of the wide frequency spectrum of the measurement signal filters out the narrow range around the modulation frequency, then the signal rectified synchronously to the modulator and smoothed over a timing element. In this way can improve the signal to noise ratio by up to six orders of magnitude become.

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 one Chopper wheel, which is similar to a wagon wheel around a motor-driven axis rotates and has translucent areas radially around the axis of rotation. The Chopper wheel is used to interrupt light in the light path of a light beam introduced so that the light beam is unhindered by the in the chopper wheel intended to spread translucent areas. Hits the light beam by interrupting the chopper wheel on the light path Wing sections of the chopper wheel, so this is when turning the chopper Periodically interrupted. Depending on the speed of rotation of the chopper wheel can have modulation frequencies of some 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 miniaturization of such chopper wheels in size ranges from a few µm, such devices can serve as miniaturized measuring probes, however, the technological effort to manufacture the rotary motion increases The motor drive required for the chopper wheels is very strong. Furthermore point which were produced using known micromechanical manufacturing methods Micromotors have relatively short lifetimes, high synchronization fluctuations and small powers, making them suitable for use in commercial measuring instruments are unusable.

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 that are based on silicon technology are producible and in contrast to the chopper wheel principle, in which the to interrupting light beam passes through the chopper wheel, in the so-called Reflection mode are operated. This will be a largely free-standing one micromechanically produced surface element used, which is in the manner of a free-standing tongue is connected to a base element, relative to which the Surface element is tiltably mounted. The free-standing surface element has a reflective surface onto which the light beam to be interrupted is directed. Depending on the tilting or bending state of the surface element, the is on the surface element directed light beam deflected. In connection with an aperture and a detector located in the beam path of the diaphragm can adjust 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.For the targeted deflection of the reflective surface element relative to the The base element is an electrode on the tongue-like surface element provided, which is arranged opposite to a counter electrode. Becomes an electrical voltage between this and the opposite electrode created, there is a deflection of the tongue-shaped Surface element instead. Depending on the frequency of between the two electrodes applied AC voltage, the surface element is at the same time Rhythm periodically deflected, whereby the light beam a certain Modulation frequency is impressed. Although the above described electrostatic microchopper due to the electrical setting of the Modulation frequency a very high frequency stability, but are targeted Deflection of the surface element high electrical field strengths and associated with it high voltages, of some 100 volts, are required, which are high require equipment and at the same time the microchopper for medical Purpose of use.

Presentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Lichtintensitätsmodulation in Art eines Choppers, vorzugsweise als Mikrochopper- System ausgebildet, 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, sowie mit einem Aktuator, durch den das Flächenelement gezielt aus einer Normallage wiederholt auslenkbar ist, derart auszubilden, daß das Chopper-System 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 ansich 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 has for its object a device for Light intensity modulation in the manner of a chopper, preferably as a microchopper System formed, which has a reflective surface on which one on the Surface of the surface element directed light beam is reflectable and that over at least one connection area in this way with a base element is connected that the surface element is tiltable relative to the base element is, as well as with an actuator through which the surface element selectively from a Normal position can be deflected repeatedly, in such a way that the chopper system has a high frequency stability and a long service life, whereby the Operation may not require high electrical voltages. In particular, the Choppers can also be used in medical devices that are made from Avoid the use of high voltage due to increased operational safety shall be. In addition, a method is to be specified with which the Light intensity modulation based on the known reflection technology can be done, however, any disadvantages associated with the electrostatic Microchopper connected avoids. Finally, the chopper device with as little technical, constructive and financial expenditure as possible can be produced.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 10 ist ein Verfahren zur Lichtintensitätsmodulation mit einem Chopper, Gegenstand des Anspruchs 14 ist ein Verfahren zur Herstellung der Chopper-Vorrichtung. The object underlying the invention is achieved in claim 1 specified. The subject of claim 10 is a method for Light intensity modulation with a chopper, the subject of claim 14 is a Method of making the chopper device.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lichtintensitätsmodulation in Art eines Choppers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist erfindungsgemäß dadurch ausgebildet, daß wenigstens Teilbereiche des Flächenelementes magnetisch sind, wodurch eine Interaktion des Flächenelementes mit einem elektromagnetischen Feld möglich ist. Zur Generierung elektromagnetischer Wechselfelder ist ein Aktuator vorgesehen, der derart zum Flächenelement angeordnet ist, daß das Flächenelement vermittels der durch das elektromagnetische Wechselfeld induzierten Kräfte gezielt relativ zum Basiselement auslenkbar ist.The inventive device for light intensity modulation in the manner of a Choppers according to the preamble of claim 1 is thereby according to the invention designed that at least partial areas of the surface element are magnetic, whereby an interaction of the surface element with an electromagnetic field is possible. An actuator is used to generate alternating electromagnetic fields provided, which is arranged to the surface element that the Surface element by means of the alternating electromagnetic field induced forces can be deflected in a targeted manner relative to the base element.

Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Chopper-Vorrichtung auch in makroskopischen Maßstäben realisiert werden, doch werden die mit der erfindungsgemäßen Chopper-Vorrichtung verbundenen Vorteile insbesondere im Bauteilgrößenbereich bis hinab zu einigen µm besonders deutlich. So wird die erfindungsgemäße Chopper-Vorrichtung 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 Wellenfänge 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 chopper device according to the invention can also be used in macroscopic standards can be realized, but with the Advantages associated with the chopper device in particular in Component size range down to a few µm particularly clear. So it will Chopper device according to the invention as a micromechanical component, based based on silicon technology, with the largely free-standing Surface element that only has a small connection area with a Base element is connected, preferably a ferromagnetic surface Layer, preferably an Fe layer. Moreover, there is at least one A reflective layer applied to the top of the surface element, the Reflectivity from the light wavelength of the surface element directed light is adapted, the wavelengths of the ultraviolet over the visible wavelength range up to the infrared. Depending on The light wavelength used corresponds to the reflectivity of the layer vote.

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-like surface element takes place due to an alternating electromagnetic field caused by an electrical Coil, which is arranged in close proximity to the surface element, is generated. In principle, alternative measures can also be taken through which the Surface element is exposed to an alternating electromagnetic field. That's the way it is conceivable, the surface element in an externally generated electromagnetic To integrate alternating field, which can be generated with magnetic coil arrangements as they be used to record magnetic resonance imaging.

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 formation of the actuator for generating alternating electromagnetic fields in Form of an inductor can be achieved with the means of silicon semiconductor technology Micrometer range and below are scaled and in this way offers one decisive advantage over known, conventional motor drives, such as it is the case with miniaturized chopper bikes. The one designed as an inductor Actuator is preferably on the reflective surface which is directed to the light to be reflected, opposite side of the Arranged surface element, whereby a compact structure 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 onto a reflective one trained surface is directed, the spatial position periodic Performs 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 reflective surface is applied takes place according to the invention exclusively by means of magnetic forces which are caused by the Interaction of a ferromagnetic layer within a alternating electromagnetic field are generated. Because of the pure Interaction based on magnetic forces, it is possible, the inventive Use the device in areas that are sensitive to the Occurrence of electrical fields that require the application of high electrical voltages make necessary. The device according to the invention is particularly suitable for medical devices, since the operation of the device is only electrical Low voltage voltages, d. H. 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 Manufactured using silicon technology and the related little effort for the assembly and connection technology with which Surface element in connection with the base element.

Als Grundmaterial für die Chopper-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, besteht. Zur Ausbildung des weitgehend freistehenden Flächenelementes aus dem einstückigen Basiselement wird dieses gezielt mittels Ionenimplantation in einem Bereich behandelt, der später dem weitgehend freistehendem Flächenelement entspricht. Die Ionenimplantation 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 particularly suitable base material for the chopper device is a crystalline silicon, from which the base element, initially in the form of a three-dimensional platelets, typically with side edges from a few µm to some 100 µm in length. To train the largely freestanding Area element from the one-piece base element, this is targeted by means of Ion implantation in an area that later largely covered the free-standing surface element corresponds. The ion implantation is carried out by 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, the base element is applied to both sides a masking layer, for example in the form of an oxide or nitride layer, applied as protection against the following, to the base element acting etching solution. The protective layer is used, for example, as part of a photolithographic exposure removed at those locations in one subsequent etching processes are to be removed. By the photolithographic exposure process is the outer shape of the subsequent, largely free-standing surface element set that only one small area remains connected to the rest of the base element. Preferably the surface element is designed as a rectangular surface that has a single, the shortest possible side edge remains connected to the base element. However, can also other surface element geometries are produced that tilt the Allow surface element opposite the base element. He can also Connection area between the surface element and the base element via one or more silicon bridges can be realized in this way, the To increase flexibility of the device. There are also round or polygonal ones Surface elements conceivable that have one or more connecting webs with the Base element can be connected.

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.The silicon is used to expose the surface element to a large extent existing base element from one side, preferably from the one that the highly reflective metal layer does not wear, etched with the help of potassium hydroxide. Of course, alternative material removal techniques can also be used targeted exposure of the desired surface element allowed, applied become.

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 Ionenimplantationsschritt 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 only takes place in those areas of the base element, material removal that is neither a high dose of ions that are introduced into the ion implantation step described above Base material have been introduced, still on the surface of the Base element have a protective layer, so that after removing any Masking steps a largely free-standing surface element that arises one or more areas remains connected to the base element.

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.Then the top and / or bottom of the following is largely Freely etched surface element with a ferromagnetic material applied, preferably as a ferromagnetic layer with a homogeneous Layer thickness is deposited on the surface element. On the top or The bottom of the element is then applied to the reflective layer preferably from a high for the desired wavelength range reflective metal.

Das auf diese Weise erhaltene kippbewegliche Flächenelement wird wie nachfolgend im einzelnen beschrieben, mit einem, ein elektromagnetisches Wechselfeld generierenden Aktuators verbunden.The tiltable sheet thus obtained becomes as follows described in detail with an electromagnetic alternating field generating actuator connected.

Brief 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 hereinafter described without limitation of the general The inventive concept based on exemplary embodiments with reference to the Drawing described as an example. Show it:

Fig. 1 perspektivische Darstellung eines an einem Basiselement frei beweglich angebrachten Flächenelementes mit Induktivität, sowie Fig. 1 perspective view of a surface element with inductance attached to a base element freely movable, and

Fig. 2 schematisierte Meßanordnung mit Mikrochopper-System. Fig. 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.In Fig. 1, a micro-chopper device shown having a substantially free-standing surface element 1 which is connected via a side edge, with a base member 2, wherein the surface member 1 and base member 2 are made in one piece from a single-crystal 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.Under the surface element 1 , ie 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.

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.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.In FIG. 2, an example of a measuring arrangement is shown in which the present invention microchoppers system is integrated. The example shows an infrared absorption measuring system with which components of gases can be determined.

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.A light beam from an infrared light source 6 falls on the reflective upper side 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 measuring volume 10 and at the coupling-out point, an aperture 9 is provided, through which the light entry and exit into or from the measuring volume 10 are 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 measurement volume when the surface element 1 of the microchopper is in a suitable position and passes through the zigzag path shown in embodiment 2 until the light beam emerges from the measurement 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, as a result of which the infrared light beam only enters the measuring volume 10 at a certain frequency, serves as a reference signal which in the Lock-in amplifier is entered. 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 µm (L × B × H) zu realisieren, wobei übliche Abmessungen wenige mm betragen, bspw. 3 × 3 × 0,3 mm (L × B × H). Kombiniert mit einer Spule betragen kleinste Abmessungen etwa 500 × 500 × 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 use it an edge length of 100 microns (L × W × H) to realize, usual Dimensions are a few mm, for example 3 × 3 × 0.3 mm (L × W × H). Combined with The smallest dimensions of a coil are approximately 500 × 500 × 400 µm. The one for the Operation required operating voltages are in the range between 5 and 50 V.

Reference list

11

Flächenelement
Surface element

22nd

Basiselement
Basic element

33rd

Reflektierende Schicht
Reflective layer

3131

ferromagnetische Schicht
ferromagnetic layer

44th

Lichtstrahl
Beam of light

55

Aktuator, Erregerspule
Actuator, excitation coil

66

Lichtquelle
Light source

77

Kollimator
Collimator

88th

Detektor
detector

99

Blende
cover

1010th

Meßvolumen
G Gasstrom
Measuring volume
G gas flow

Claims

1. Device for light intensity modulation in the manner of a chopper with a surface element ( 1 ) which has a reflecting 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 connecting region is connected to a base element ( 2 ) such that the surface element ( 1 ) is tiltable relative to the base element ( 2 ), and to an actuator ( 5 ) by which the surface element ( 1 ) can be repeatedly deflected from a normal position, thereby characterized in that at least partial areas of the surface element ( 1 ) are magnetic, and that the actuator ( 5 ) generates alternating electromagnetic fields and is arranged in relation to the surface element ( 1 ) in such a way that the surface element ( 1 ) is targeted relative to the surface by means of the forces induced by the alternating electromagnetic field Base element ( 2 ) can be deflected.

2. Device according to claim 1, characterized in that the surface element ( 1 ) has ferromagnetic areas.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the surface element ( 1 ) is coated with a ferromagnetic layer evenly.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the surface element ( 1 ) and the base element ( 2 ) are integrally formed.

5. The device according to claim 4, characterized in that the surface element ( 1 ) consists of single-crystal silicon.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the surface element ( 1 ) is rectangular and is connected via a side edge to the base element.

7. Device according to one of claims 1 to 6, 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.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the electrical coil is arranged in close proximity to the surface element ( 1 ) on the, the reflective surface opposite side of the surface element.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the surface element ( 1 ) and the base element surrounding the surface element ( 2 ) have dimensions in the µm range and are designed as a microchopper.

10. Method for light intensity modulation with a surface element ( 1 ) which has a reflecting surface ( 3 ) on which a light beam ( 4 ) directed onto the surface of the surface element ( 1 ) can be reflected, and which has at least one connection area in this way with a base element ( 2 ) is connected that the surface element ( 1 ) is tiltable relative to the base element ( 2 ), and with an actuator ( 5 ) through which the surface element ( 1 ) can be repeatedly deflected from a normal position, characterized in that Surface element ( 1 ) is exposed to an alternating electromagnetic field, which generates magnetic forces that act on the surface element ( 1 ) in such a way that the surface element ( 1 ) is deflected from its normal position.

11. The method according to claim 10, characterized in that the light reflected on the surface element ( 1 ) from a detector element ( 8 ) is detected such that the light intensity of the light incident on the detector element is measured.

12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that the electromagnetic alternating field has frequencies between 10 Hz to 100 kHz, whereby the surface element ( 1 ) is deflected at this frequency to its normal position.

13. Use of the device according to one of claims 1 to 9 as Light modulator unit in conjunction with a lock-in amplifier to increase the SIN ratio of a measuring apparatus.

14. A method for producing the surface element for the device according to one of claims 1 to 9, characterized by the following method steps: a flat base element ( 2 ) is treated in a limited surface area by means of ion implantation,

the base element ( 2 ) is coated on both sides with a photoresist layer and locally removed by means of photolithography at those locations at which material is removed by means of an etching process,
- In the area of the surface element ( 1 ) treated by ion implantation, uniformly distributed over the surface, at least on one side, ferromagnetic material ( 31 ) is deposited,
- highly reflective material ( 3 ) is deposited on the surface element ( 1 ), at least on one side of the base element ( 2 ),
- By means of an etching process, 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.

15. The method according to claim 14, characterized in that the etching process from the side of the base element ( 2 ) takes place on which no highly reflective material is deposited.

16. The method according to claim 14 or 15, characterized in that the base element is etched using potassium hydroxide.