(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置であって、
可動ミラーと、
可動ミラーに結合されて当該可動ミラーに変位を発生させる、静電容量の変化するＭＥＭＳアクチュエータと、
前記ＭＥＭＳアクチュエータの静電容量を前記可動ミラーの位置に対応付けるテーブルを保持するメモリと、
前記ＭＥＭＳアクチュエータに結合され、前記ＭＥＭＳアクチュエータの現在の静電容量を検出する静電容量検出回路と、
前記テーブルにアクセスして、前記ＭＥＭＳアクチュエータの前記現在の静電容量に基づいて前記可動ミラーの現在の位置を特定するデジタルシグナルプロセッサと、
前記可動ミラーの２つ又はそれ以上の既知の位置のそれぞれにおける前記ＭＥＭＳアクチュエータの実際の静電容量を特定して、前記可動ミラーの前記現在の位置に適用すべき補正量を決定する校正モジュールと、
を備え、
前記可動ミラーの２つ又はそれ以上の既知の位置が、前記可動ミラーが別の物体に接触しない位置に対応し、
前記デジタルシグナルプロセッサは、さらに、前記補正量を用いて前記可動ミラーの補正された現在位置を出力する、
ＭＥＭＳ装置。
【請求項２】
既知の波長をもつ入力ビームを出力する光源と、
前記可動ミラーを有する干渉計と、
を更に備え、前記干渉計は、入射ビームを受けて当該入射ビームを第１干渉ビームと第２干渉ビームとに分岐するよう光学的に結合されたビームスプリッタと、
前記第１干渉ビームを受けて当該第１干渉ビームを前記ビームスプリッタの方向へ反射して第１反射干渉ビームを生成するよう光学的に結合された固定ミラーと、
前記第２干渉ビームを受けて当該第２干渉ビームを前記ビームスプリッタの方向へ反射して第２反射干渉ビームを生成するよう光学的に結合された前記可動ミラーであって、前記可動ミラーの前記変位により、当該変位の２倍に等しい前記第１干渉ビームと前記第２干渉ビームとの間の光路長差が生成される、前記可動ミラーと、
前記第１反射干渉ビームと前記第２反射干渉ビームとの間の干渉の結果として生成される干渉パターンを検出するよう光学的に結合された検出器と、
を備え、
前記静電容量検出回路は、干渉パターンの少なくとも２つのゼロクロスを通って前記可動ミラーが移動するにつれて静電容量変化を測定し、
前記デジタルシグナルプロセッサは、前記静電容量変化と前記干渉パターンとに基づいて前記テーブルの内容を埋める、
請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項３】
前記テーブルは、静電容量検出曲線を表し、
前記校正モジュールは、前記ＭＥＭＳアクチュエータの前記実際の静電容量を、前記テーブル内の前記２つ又はそれ以上の既知の位置での対応するそれぞれの静電容量と比較して、前記測定された実際の静電容量と、テーブル内の対応する静電容量との間のそれぞれの誤差を算出し、
前記校正モジュールは、前記静電容量検出曲線と前記算出された誤差とを用いて補正された静電容量検出曲線を外挿によって求め、および、
前記校正モジュールは、前記補正された静電容量検出曲線を用いて、前記現在の位置に適用すべき前記補正量を決定する、
請求項１のＭＥＭＳ装置。
【請求項４】
広帯域光ビームを出力する広帯域光源と、
前記可動ミラーを有する干渉計と、
を更に備え、前記干渉計は、広帯域光ビームを受けて当該広帯域光ビームを第１干渉ビームと第２干渉ビームとに分岐するよう光学的に結合されたビームスプリッタと、
前記第１干渉ビームを受けて当該第１干渉ビームを前記ビームスプリッタの方向へ反射して第１反射干渉ビームを生成するよう光学的に結合された固定ミラーと、
前記第２干渉ビームを受けて当該第２干渉ビームを前記ビームスプリッタの方向へ反射して第２反射干渉ビームを生成するよう光学的に結合された前記可動ミラーであって、前記可動ミラーの前記変位により、当該変位の２倍に等しい前記第１干渉ビームと前記第２干渉ビームとの間の光路長差が生成される、前記可動ミラーと、
前記第１反射干渉ビームと前記第２反射干渉ビームとの間の干渉の結果として生成される干渉パターンを検出するよう光学的に結合された検出器と、
を備え、
前記静電容量検出回路は、干渉パターンの中心バーストに対応する前記可動ミラーの第１参照位置での第１の静電容量測定値を特定し、
前記静電容量検出回路は、ＭＥＭＳアクチュエータが前記可動ミラーに印加するアクチュエーションがゼロである場合に対応する前記可動ミラーの第２参照位置での第２の静電容量測定値を特定し、
前記校正モジュールは、前記第１参照位置での前記第１の静電容量測定値と、前記第２参照位置での前記第２の静電容量測定値と、を用いて前記補正量を決定する、
請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項５】
第１の端部に第１ストッパを備え、第２の端部に第２ストッパを備える固定構造と、
前記第１ストッパと前記第２ストッパとの間に配される第３ストッパを備える、前記ＭＥＭＳアクチュエータと前記可動ミラーとの間に結合されたアクチュエータアームと、
を更に備え、
前記静電容量検出回路は、前記第３ストッパが前記第１ストッパに突き当たっているときの前記可動ミラーの第１参照位置での第１の静電容量測定値を特定し、
前記静電容量検出回路は、前記第３ストッパが前記第２ストッパに突き当たっているときの前記可動ミラーの第２参照位置での第２の静電容量測定値を特定し、
前記校正モジュールは、前記第１参照位置での前記第１の静電容量測定値と、前記第２参照位置での第２の静電容量測定値と、を用いて前記補正量を決定する、
請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項６】
広帯域光ビームを出力する広帯域光源と、
前記可動ミラーを有する干渉計と、
を更に備え、前記干渉計は、広帯域光ビームを受けて当該広帯域光ビームを第１干渉ビームと第２干渉ビームとに分岐するよう光学的に結合されたビームスプリッタと、
前記第１干渉ビームを受けて当該第１干渉ビームを前記ビームスプリッタの方向へ反射して第１反射干渉ビームを生成するよう光学的に結合された固定ミラーと、
前記第２干渉ビームを受けて当該第２干渉ビームを前記ビームスプリッタの方向へ反射して第２反射干渉ビームを生成するよう光学的に結合された前記可動ミラーであって、前記可動ミラーの前記変位により、当該変位の２倍に等しい前記第１干渉ビームと前記第２干渉ビームとの間の光路長差が生成される、前記可動ミラーと、
前記第１反射干渉ビームと前記第２反射干渉ビームとの間の干渉の結果として生成される干渉パターンを検出するよう光学的に結合された検出器と、
を更に備え、
前記静電容量検出回路は、前記広帯域光源と前記可動ミラーの動きの結果として生成される干渉パターンの中心バーストに対応する前記可動ミラーの第３参照位置での第３の静電容量測定値を特定し、
前記静電容量検出回路は、前記ＭＥＭＳアクチュエータが前記可動ミラーに印加するアクチュエーションがゼロである場合に対応する前記可動ミラーの第４参照位置での第４の静電容量測定値を特定し、
前記校正モジュールは、前記第１参照位置での前記第１の静電容量測定値と、前記第２参照位置での第２の静電容量測定値と、前記第３参照位置での前記第３の静電容量測定値と、前記第４参照位置での第４の静電容量測定値と、を用いて前記補正量を決定する、
請求項５に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項７】
第１の側部と、前記第１の側部に対向する第２の側部とを持つ固定構造であって、前記第１の側部と前記第２の側部のそれぞれは既知の間隔を持つ複数の静電容量検出ポイントを含むものである固定構造と、
前記ＭＥＭＳアクチュエータと前記可動ミラーとの間に結合されて前記固定構造の前記第１の側部と前記第２の側部との間で移動することでき、且つ既知の間隔をもった複数の容量フィンガを持つ、アクチュエータアームと、
を更に備え、
前記静電容量検出回路は、前記固定構造と前記アクチュエータアームとに結合されて、前記可動ミラーが移動するにつれて、前記静電容量検出ポイントと前記容量フィンガとの間の静電容量の変化を表す静電容量変化信号を測定し、
前記静電容量変化信号のピークが、最小オフセットが前記容量検出ポイントと前記容量フィンガとの間に存在する前記アクチュエータアームの物理的な参照ポイントに対応し、前記可動ミラーの２つ又はそれ以上の既知の位置の１つが、前記アクチュエータアームの物理的な参照ポイントで決定される、
請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項８】
前記静電容量検出回路は、前記可動ミラーが移動するにつれて前記静電容量検出ポイントと前記容量フィンガとの間のそれぞれの静電容量を連続的に測定して、前記静電容量変化信号のゼロクロスをさらに特定し、前記ゼロクロスは、前記静電容量測定ポイントと前記容量フィンガとの間に最大オフセットが存在する前記アクチュエータアームの付加的な物理的参照位置に対応するものであり、前記可動ミラーの２つ又はそれ以上の既知の位置のさらなる１つが、前記アクチュエータアームのさらなる物理的参照位置で決定される、
請求項７に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項９】
前記静電容量検出回路は、さらに、前記ゼロクロスと前記ピークのそれぞれでの前記ＭＥＭＳアクチュエータのそれぞれの実際の静電容量を測定し、
前記校正モジュールは、前記ＭＥＭＳアクチュエータの実際の静電容量と前記２つ又はそれ以上の既知の位置とに基づいて前記補正量を決定する、
請求項８に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項１０】
ＭＥＭＳアクチュエータは２つのプレートを持つ静電アクチュエータであり、前記静電容量検出回路は前記２つのプレート間の前記現在の静電容量を検出する、
請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項１１】
前記ＭＥＭＳアクチュエータは静電櫛形駆動アクチュエータである、
請求項１０に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項１２】
前記静電容量検出回路は、前記現在の静電容量を受信して当該静電容量に比例する出力電圧を生成する容量電圧変換器を含む、
請求項１のＭＥＭＳ装置。
【請求項１３】
微細電気機械システム（ＭＥＭＳ）干渉計システムであって、
光を受けて反射するよう光学的に結合された可動ミラーを含む干渉計と、
可動ミラーに結合されて当該可動ミラーに変位を発生させる、変化する静電容量を持つＭＥＭＳアクチュエータと、
前記ＭＥＭＳアクチュエータの静電容量を前記可動ミラーの位置に対応付けるテーブルを保持するメモリと、
前記ＭＥＭＳアクチュエータに結合され、前記ＭＥＭＳアクチュエータの現在の静電容量を検出する静電容量検出回路と、
前記テーブルにアクセスして、前記ＭＥＭＳアクチュエータの前記現在の静電容量に基づいて前記可動ミラーの現在の位置を特定するデジタルシグナルプロセッサと、
前記可動ミラーの２つ又はそれ以上の既知の位置のそれぞれにおける前記ＭＥＭＳアクチュエータの実際の静電容量を特定して、前記可動ミラーの前記現在の位置に適用すべき補正量を決定する校正モジュールと、
を備え、
前記可動ミラーの２つ又はそれ以上の既知の位置が、前記可動ミラーが別の物体に接触しない位置に対応し、
前記デジタルシグナルプロセッサは、さらに、前記補正量を用いて前記可動ミラーの補正された現在位置を出力する、
ＭＥＭＳ干渉計システム。
【請求項１４】
前記干渉計は、さらに、
入射ビームを受けて当該入射ビームを第１干渉ビームと第２干渉ビームとに分岐するよう光学的に結合されたビームスプリッタと、
前記第１干渉ビームを受けて当該第１干渉ビームを前記ビームスプリッタの方向へ反射して第１反射干渉ビームを生成するよう光学的に結合された固定ミラーと、
前記第２干渉ビームを受けて当該第２干渉ビームを前記ビームスプリッタの方向へ反射して第２反射干渉ビームを生成するよう光学的に結合された前記可動ミラーと、
前記第１反射干渉ビームと前記第２反射干渉ビームとの間の干渉の結果として生成される干渉パターンを検出するよう光学的に結合された検出器と、
を備え、
前記可動ミラーの前記変位により、当該変位の２倍に等しい前記第１干渉ビームと前記第２干渉ビームとの間の光路長差が生成される、
請求項１３に記載のＭＥＭＳ干渉計システム。
【請求項１５】
前記テーブルは、静電容量検出曲線を表し、
前記校正モジュールは、前記ＭＥＭＳアクチュエータの前記実際の静電容量を、前記テーブル内の前記２つ又はそれ以上の既知の位置での対応するそれぞれの静電容量と比較して、前記測定された実際の静電容量と、テーブル内の対応する静電容量との間のそれぞれの誤差を算出し、
前記校正モジュールは、前記静電容量検出曲線と前記算出された誤差とを用いて補正された静電容量検出曲線を外挿によって求め、および、
前記校正モジュールは、前記補正された静電容量検出曲線を用いて、前記現在の位置に適用すべき前記補正量を決定する、
請求項１３のＭＥＭＳ干渉器システム。
【請求項１６】
広帯域光ビームを出力する広帯域光源を更に備え、
前記静電容量検出回路は、前記広帯域光源と前記可動ミラーの動きの結果として生成される干渉パターンの中心バーストに対応する前記可動ミラーの第１参照位置での第１の静電容量測定値を特定し、
前記静電容量検出回路は、ＭＥＭＳアクチュエータが前記可動ミラーに印加するアクチュエーションがゼロである場合に対応する前記可動ミラーの第２参照位置での第２の静電容量測定値を特定し、
前記校正モジュールは、前記第１参照位置での前記第１の静電容量測定値と、前記第２参照位置での前記第２の静電容量測定値と、を用いて前記補正量を決定する、
請求項１４のＭＥＭＳ干渉計システム。
【請求項１７】
第１の端部に第１ストッパを備え、第２の端部に第２ストッパを備える固定構造と、
前記第１ストッパと前記第２ストッパとの間に配される第３ストッパを備える、前記ＭＥＭＳアクチュエータと前記可動ミラーとの間に結合されたアクチュエータアームと、
を更に備え、
前記静電容量検出回路は、前記第３ストッパが前記第１ストッパに突き当たっているときの前記可動ミラーの第１参照位置での第１の静電容量測定値を特定し、
前記静電容量検出回路は、前記第３ストッパが前記第２ストッパに突き当たっているときの前記可動ミラーの第２参照位置での第２の静電容量測定値を特定し、
前記校正モジュールは、前記第１参照位置での前記第１の静電容量測定値と、前記第２参照位置での第２の静電容量測定値と、を用いて前記補正量を決定する、
請求項１４に記載のＭＥＭＳ干渉計システム。
【請求項１８】
広帯域光ビームを出力する広帯域光源を更に備え、
前記静電容量検出回路は、前記広帯域光源と前記可動ミラーの動きの結果として生成される干渉パターンの中心バーストに対応する前記可動ミラーの第３参照位置での第３の静電容量測定値を特定し、
前記静電容量検出回路は、前記ＭＥＭＳアクチュエータが前記可動ミラーに印加するアクチュエーションがゼロである場合に対応する前記可動ミラーの第４参照位置での第４の静電容量測定値を特定し、
前記校正モジュールは、前記第１参照位置での前記第１の静電容量測定値と、前記第２参照位置での第２の静電容量測定値と、前記第３参照位置での前記第３の静電容量測定値と、前記第４参照位置での第４の静電容量測定値と、を用いて前記補正量を決定する、
請求項１７のＭＥＭＳ干渉計システム。
【請求項１９】
第１の側部と、前記第１の側部に対向する第２の側部とを持つ固定構造であって、前記第１の側部と前記第２の側部のそれぞれは既知の間隔を持つ複数の静電容量検出ポイントを含むものである固定構造と、
前記ＭＥＭＳアクチュエータと前記可動ミラーとの間に結合されて前記固定構造の前記第１の側部と前記第２の側部との間で移動することでき、且つ既知の間隔をもった複数の容量フィンガを持つ、アクチュエータアームと、
を更に備え、
前記静電容量検出回路は、前記固定構造と前記アクチュエータアームとに結合されて、
前記可動ミラーが移動するにつれて、前記静電容量検出ポイントと前記容量フィンガとの間の静電容量の変化を表す静電容量変化信号を測定し、
前記静電容量変化信号のピークが、最小オフセットが前記容量検出ポイントと前記容量フィンガとの間に存在する前記アクチュエータアームの物理的な参照ポイントに対応し、前記可動ミラーの２つ又はそれ以上の既知の位置の１つが、前記アクチュエータアームの物理的な参照ポイントで決定される、
請求項１３のＭＥＭＳ干渉計システム。
【請求項２０】
前記静電容量検出回路は、前記可動ミラーが移動するにつれて前記静電容量検出ポイントと前記容量フィンガとの間のそれぞれの静電容量を連続的に測定して、前記静電容量変化信号のゼロクロスをさらに特定し、前記ゼロクロスは、前記静電容量測定ポイントと前記容量フィンガとの間に最大オフセットが存在する前記アクチュエータアームの付加的な物理的参照位置に対応するものであり、前記可動ミラーの２つ又はそれ以上の既知の位置のさらなる１つが、前記アクチュエータアームのさらなる物理的参照位置で決定され、
前記静電容量検出回路は、さらに、前記ゼロクロスと前記ピークのそれぞれでの前記ＭＥＭＳアクチュエータのそれぞれの実際の静電容量を測定し、
前記校正モジュールは、前記ゼロクロス及び前記ピークのそれぞれで前記可動ミラーの参照位置を決定し、
前記校正モジュールは、前記ＭＥＭＳアクチュエータの実際の静電容量と前記２つ又はそれ以上の既知の位置とに基づいて前記補正量を決定する、
請求項１９のＭＥＭＳ干渉計システム。
【請求項２１】
前記干渉計はフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光計である、請求項１３のＭＥＭＳ干渉計システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
（発明の技術分野）
本発明は、概して、光分光法及び光干渉法に関し、特に、光干渉計における微小電気機械システム（MEMS、Micro Electro-Mechanical System）技術の利用に関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連技術の説明）
微小電気機械システム（MEMS）とは、機械要素、センサ、アクチュエータ、及び電子装置（electronics）を、微細加工技術により一枚の共通のシリコン基板上に集積したものをいう。例えば、微小電子回路（microelectronics）を、通常は集積回路（IC）プロセスを用いて作製する一方、適合性のある微小加工プロセスを用いて、シリコンウェハの部分を選択的にエッチング除去したり新しい構造層を付加して機械的及び電気機械的なコンポーネントを形成して、微小機械コンポーネントを作製する。ＭＥＭＳデバイスは、低コストで、バッチ処理を行うことができ、標準的な微小電子装置との適合性を有していることから、分光、形状測定、環境センシング、屈折率測定（又は材料認識）、及びその他の種々のセンサ用途における魅力的な候補である。また、ＭＥＭＳデバイスは、サイズが小さいため、携帯デバイスやハンドヘルド・デバイスに集積するのが容易である。
【０００３】
さらに、ＭＥＭＳ技術は、様々なアクチュエーアション技術により、光同調（optical tunability）や動的センシング（dynamic sensing）用途などの、光デバイスの新しい機能や特徴の実現を可能にする。例えば、（静電気、磁気、又は熱による）ＭＥＭＳアクチュエーションを用いてマイケルソン干渉計の可動ミラーを制御することにより、当該干渉計の光路長に小さな変動を発生させ、これにより干渉ビーム間に位相差を生じさせることができる。これにより得られる位相差は、（例えばフーリエ変換干渉法を用いた）干渉ビームのスペクトル応答の測定や、（例えばドップラー効果を用いた）移動ミラーの速度の測定に用いたり、あるいは単純に光位相遅延要素として用いたりすることができる。
【０００４】
そのような干渉計の精度を左右するキーコンポーネントは、可動ミラーの位置を決定するコンポーネントである。従来、移動ミラーの位置は、レーザ及び補助的な干渉計を用いて測定される。しかしながら、嵩高いレーザ及び追加の干渉計を用いることで、干渉計システムのサイズ、コスト、及び複雑さが増加する。
【０００５】
したがって、可動ミラーの位置特定を行うための、サイズ、コスト、及び複雑さの低減されたメカニズムについてのニーズが存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、ミラー位置の自己校正を行う微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置を提供する。本ＭＥＭＳ装置は、可動ミラーと、当該可動ミラーに結合されてこれに位置偏差を生じさせる、静電容量の変化するＭＥＭＳアクチュエータと、を含む。本ＭＥＭＳ装置は、さらに、前記ＭＥＭＳアクチュエータの静電容量を前記可動ミラーの位置にマッピングする（対応付ける）テーブルを保持するメモリと、前記ＭＥＭＳアクチュエータに結合されて当該ＭＥＭＳアクチュエータの現在の静電容量を検出する静電容量検出回路と、前記テーブルにアクセスして、前記ＭＥＭＳアクチュエータの現在の静電容量に基づいて前記可動ミラーの現在の位置を特定するデジタルシグナルプロセッサと、前記可動ミラーの２つ又はそれ以上の既知の位置のそれぞれについての前記ＭＥＭＳアクチュエータの実際の静電容量を特定して、前記可動ミラーの現在の位置に適用すべき補正量を決定する校正モジュールと、を含む。前記デジタルシグナルプロセッサは、さらに、前記補正量を用いて前記可動ミラーの補正された現在位置を出力する。
【０００７】
一の実施形態では、前記ＭＥＭＳ装置は、さらに、既知の波長を有する入力ビームを生成する光源を含み、前記静電容量検出回路は、前記入力ビームと前記可動ミラーの移動との結果として生成される干渉パターンの少なくとも２つのゼロクロス（zero crossing）を通って前記可動ミラーが移動する際の静電容量変化を測定する。前記デジタルシグナルプロセッサは、前記静電容量変化と前記干渉パターンとに基づいて、前記テーブルの内容を埋める。
【０００８】
更に一の実施形態では、前記校正モジュールは、前記ＭＥＭＳアクチュエータの実際の静電容量を、前記２つ又はそれ以上の既知の位置についての、前記テーブル内のそれぞれ対応する静電容量と比較して、前記測定された実際の静電容量と、テーブル内の対応する静電容量と、の間の対応する誤差を算出する。一の例示的な実施形態では、前記テーブルは、静電容量検出曲線を表しており、前記校正モジュールは、前記静電容量検出曲線と前記算出された誤差とを用いて補正された静電容量検出曲線を外挿によって求め、当該補正された静電容量検出曲線を用いて、前記現在位置に適用すべき補正量を決定する。
【０００９】
他の実施形態では、前記ＭＥＭＳ装置は、さらに、広帯域光ビームを生成する広帯域光源を含む。前記静電容量検出回路は、前記広帯域光ビームと前記可動ミラーの動きの結果として生成される干渉パターンの中心バーストに対応する前記可動ミラーの第１参照位置での第１の静電容量測定値と、前記ＭＥＭＳアクチュエータにより前記可動ミラーへ印加されるアクチュエーションがゼロであるときに対応する位置である前記可動ミラーの第２参照位置での第２の静電容量測定値と、を特定する。前記校正モジュールは、前記第１参照位置での前記第１の静電容量測定値と、前記第２参照位置での前記第２の静電容量測定値を用いて、前記補正量を決定する。
【００１０】
更に他の実施形態では、前記ＭＥＭＳ装置は、第１の端部及び第２の端部にそれぞれ第１ストッパ及び第２ストッパを有する固定構造と、前記ＭＥＭＳアクチュエータと前記可動ミラーとの間に結合されたアクチュエータアームを有する。前記アクチュエータアームは、前記第１ストッパと第２ストッパとの間に配される当該アクチュエータアームに取り付けられた第３ストッパを有する。前記静電容量検出回路は、前記第３ストッパが前記第１ストッパと接したときに前記可動ミラーの第１参照位置での第１の静電容量測定値を特定し、前記第３ストッパが前記第２ストッパと接したときに前記可動ミラーの第２参照位置での第２の静電容量測定値を特定する。前記校正モジュールは、前記第１参照位置での前記第１の静電容量測定値と、前記第２参照位置での前記第２の静電容量測定値とを用いて、前記補正量を決定する。
【００１１】
さらに他の実施形態では、前記ＭＥＭＳ装置は固定構造を含み、当該固定構造は、第１の側部と、当該第１の側部に対向する第２の側部を有し、当該第１の側部及び第２の側部のそれぞれは、既知の間隔で配された複数の静電容量検出ポイントを含む。前記ＭＥＭＳ装置は、さらに、前記ＭＥＭＳアクチュエータと前記可動ミラーとの間に結合されたアクチュエータアームを含む。前記アクチュエータアームは、前記容量性構造の前記第１の側部と前記第２の側部との間を動くことができ、既知の間隔を持つ複数の容量フィンガを備える。前記静電容量検出回路は、前記固定構造と前記アクチュエータアームとに接続され、前記可動ミラーが動くにつれて、前記静電容量検出ポイントと前記容量フィンガとの間における静電容量の変化を示す静電容量変化を測定する。前記校正モジュールは、前記静電容量変化を用いて前記校正量を決定する。
【００１２】
一の例示的な実施形態では、前記静電容量検出回路は、前記可動ミラーが動くにつれて前記静電容量検出ポイントと前記容量フィンガとの間の各静電容量を連続的に測定して、前記静電容量変化のゼロクロス（ゼロ交差、zero crossing）とピークとを特定する。ここで、前記ゼロクロスは、前記容量検出ポイントと前記容量フィンガとの間の最大オフセットに対応し、前記ピークは、前記容量検出ポイントと前記容量フィンガとの間の最小オフセットに対応する。前記静電容量検出回路は、さらに、前記ゼロクロスと前記ピークのそれぞれにおいて、前記ＭＥＭＳアクチュエータのそれぞれの実際の静電容量を測定する。
【００１３】
前記校正モジュールは、前記ゼロクロスと前記ピークのそれぞれにおいて前記可動ミラーのリファレンス位置を決定し、前記ＭＥＭＳアクチュエータの前記実際の静電容量と、前記リファレンス位置とに基づいて、前記補正量を決定する。
【００１４】
付加的な実施形態では、前記ＭＥＭＳアクチュエータは、２つのプレートを備える静電アクチュエータであり、前記静電容量検出回路は、前記２つのプレート間の現在の静電容量を検出する。一の例示的な実施形態では、前記ＭＥＭＳアクチュエータは、静電櫛形駆動アクチュエータ（electrostatic comb drive actuator）である。
【００１５】
更に他の実施形態では、前記静電容量検出回路は、現在の静電容量を受信して当該静電容量に比例した出力電圧を生成する容量−電圧変換回路を含む。
【００１６】
本発明の実施形態は、さらに、光を受信し及び反射するよう光学的に結合された可動ミラーを持つ干渉計と、前記可動ミラーに結合されて当該可動ミラーに変位を発生させる、静電容量の変化するＭＥＭＳアクチュエータと、前記ＭＥＭＳアクチュエータの静電容量を前記可動ミラーの位置にマッピングする（対応付ける）テーブルを保持するメモリと、前記ＭＥＭＳアクチュエータに結合されて当該ＭＥＭＳアクチュエータの現在の静電容量を検出する静電容量検出回路と、を含むＭＥＭＳ干渉計システムを提供する。前記ＭＥＭＳ干渉計システムは、さらに、前記テーブルにアクセスして前記ＭＥＭＳアクチュエータの現在の静電容量に基づいて前記可動ミラーの現在の位置を特定するデジタルシグナルプロセッサと、前記可動ミラーの２つ又はそれ以上の既知の位置のそれぞれにおける前記ＭＥＭＳアクチュエータの実際の静電容量を特定して前記可動ミラーの前記現在の位置に適用すべき校正量を決定する校正モジュールと、を含む。前記デジタルシグナルプロセッサは、前記校正量を用いて前記可動ミラーの補正された現在位置を出力する。
【００１７】
一の例示的な実施形態では、前記干渉計は、さらに、入射ビームを受けて当該入射ビームを第１干渉ビームと第２干渉ビームとに分離するよう光学的に結合されたビームスプリッタと、前記第１干渉ビームを受けて当該第１干渉ビームを前記ビームスプリッタへ反射して第１反射干渉ビームを生成するよう光学的に結合された固定ミラーと、を含む。前記可動ミラーは、前記第２干渉ビームを受けて当該第２干渉ビームを前記ビームスプリッタへ反射して第２反射干渉ビームを生成するよう光学的に結合されている。前記第１反射干渉ビームと前記第２反射干渉ビームとの間の干渉の結果として生成される干渉パターンを検出するように、検出器が光学的に結合されている。一の実施形態では、前記可動ミラーの変位は、第１及び第２干渉ビームの間に当該変位の２倍に等しい光路長差を発生させる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
以下に示す説明を添付の図面とともに参照することにより、本発明がより完全に理解され得る。
【図１】本発明の実施形態に従う、可動ミラーの位置を特定する例示的な微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に従う、可動ミラーの位置を特定するＭＥＭＳ干渉計システムの例示的なコンポーネントを示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に従う、ＭＥＭＳ干渉計システムの更なる例示的なコンポーネントを示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に従う、ＭＥＭＳ干渉計システム内で用いられる特定用途向け集積回路（ASIC、Application Specific Integrated Circuit）の例示的なコンポーネントを示すブロック図である。
【図５】本発明の実施形態に従う、図４に示すＡＳＩＣ内で用いられる例示的な容量電圧変換回路を示す回路図である。
【図６】本発明の実施形態に従う、ＭＥＭＳ装置の例示的なアーキテクチャを示す図である。
【図７】本発明の実施形態に従う、ＭＥＭＳ干渉計システムの例示的なアーキテクチャを示す図である。
【図８】本発明の実施形態に従う、例示的なＭＥＭＳダイパッケージを例示する図である。
【図９】本発明の実施形態に従う、ＭＥＭＳ装置内の可動ミラーの位置を特定するための例示的な方法を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に従う、ミラー位置の自己校正を行う例示的なＭＥＭＳ干渉計システムを示すブロック図である。
【図１１Ａ】本発明の実施形態に従う、静電容量検出曲線を例示する図である。
【図１１Ｂ】本発明の実施形態に従う、静電容量検出曲線を例示する図である。
【図１２Ａ】本発明の実施形態に従う、静電容量検出曲線におけるドリフトを例示する図である。
【図１２Ｂ】本発明の実施形態に従う、静電容量検出曲線におけるドリフトを例示する図である。
【図１３】本発明の実施形態に従う、静電容量検出曲線におけるドリフトの結果として生ずるミラー位置の誤差を例示する図である。
【図１４】本発明の実施形態に従う、一の線形補正法（linear correction technique）を実行してミラー位置を校正するＭＥＭＳ干渉計システムの例示的なコンポーネントを示すブロック図である。
【図１５】本発明の実施形態に従う、白色光源の干渉波形（interferogram）を例示する図である。
【図１６】本発明の実施形態に従う、他の線形補正法を実行してミラー位置を構成するＭＥＭＳ干渉計システムの例示的なコンポーネントを示すブロック図である。
【図１７】本発明の実施形態に従う、非線形補正法（non-linear correction technique）を実行してミラー位置を構成するＭＥＭＳ干渉計システムの例示的なコンポーネントを示すブロック図である。
【図１８】本発明の実施形態に従う、図１７の静電容量検出についての非線形補正法を例示する図である。
【図１９】本発明の実施形態に従う、光ＭＥＭＳ干渉計内でのミラー位置についての自己校正の例示的な方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（図面の詳細な説明）
本発明の実施形態に従い、干渉計／分光計アプリケーションなどの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）アプリケーションにおける可動ミラーの位置を特定するための自己校正の手法（technique）が提供される。この手法は、干渉計／分光計システムを小さなチップに集積することを可能にし、当該システムのコストと複雑さとを低減する。
【００２０】
図１を参照すると、本発明の実施形態に従う例示的なＭＥＭＳ装置１００が示されている。ＭＥＭＳ装置１００は、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０と、可動ミラー１２０と、を含む。ＭＥＭＳアクチュエータ１１０は、櫛形駆動アクチュエータ、平行平板アクチュエータ、又はその他のタイプの静電アクチュエータである。可動ミラー１２０は、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０に結合されており、ＭＥＭＳアクチュエータが動くことで、可動ミラー１２０の位置に変位が生ずる。
【００２１】
多くのＭＥＭＳアプリケーションでは、可動ミラー１２０の位置を知ることが必要である。例えば、干渉計のアプリケーションでは、可動ミラー１２０の位置を用いて当該干渉計の出力が処理される。ＭＥＭＳ干渉計システム１０５の一例を、図２に示す。図２に示されているように、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０と可動ミラー１２０とが、ビームスプリッタ、固定ミラー、及び光検出器などの干渉計１４０のその他のコンポーネント（詳細は、図７に関連して後述する）と共に、ＭＥＭＳ干渉計１５０を構成している。ＭＥＭＳ干渉計１５０は、例えば、フーリエ変換赤外分光法（FTIR、Fourier Transform Infrared Spectroscopy）分光計、マイケルソン干渉計、マッハツェンダ干渉計、又はファブリペロー干渉計であり得る。
【００２２】
可動ミラー１２０の変位は、光検出器において所望の干渉パターンを生成させるべく、干渉計１４０の２つのアーム間に光路長差を発生させる。光検出器からの信号出力を効果的に処理するには、少なくとも一つの平面内での可動ミラー１２０の位置を確定しなければならない。
【００２３】
図１及び図２を参照すると、したがって可動ミラーの位置を測定すべく、ＭＥＭＳ装置１００は、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０に結合された静電容量検出回路１３０も含んでいる。ＭＥＭＳアクチュエータ１１０は、静電アクチュエータであるのでその静電容量は変化し、当該静電容量は静電容量検出回路１３０により測定され得る。例えば、一の実施形態では、静電容量検出回路１３０は、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０の２つのプレートに結合されて当該プレート間の静電容量を検出し得る（すなわち、静電容量の現在の値を測定する。以下、これを、ＭＥＭＳアクチュエータの「現在静電容量値」という）。
【００２４】
測定された現在静電容量値に基づき、可動ミラー１２０の位置を特定することができる。理解されるように、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０の２枚のプレート間の間隔（距離）は、ミラー１２０が移動するにつれて変化する。ＭＥＭＳアクチュエータ１１０は、静電アクチュエータであるので、上記２つのプレートの間の静電容量は、当該２つのプレート間の間隔に直接的に比例する（又は、場合によっては逆比例する）。したがって、上記プレート間の静電容量を用いてこの間隔を特定し、当該間隔を用いて上記ミラーの位置を特定することができる。
【００２５】
図３は、本発明の実施形態に従う、ＭＥＭＳ干渉計システム１０５の例示的なコンポーネントを示すブロック図である。図３では、静電容量検出回路（ＣＳＣ）１３０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）１６０内で実現されている。ＡＳＩＣ１６０は、さらに、ＭＥＭＳ干渉計１５０とデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１７０とに結合されている。一の実施形態では、ＤＳＰ１７０は、ＡＳＩＣ１６０上で実現される。ＤＳＰ１７０をＡＳＩＣ１６０上に集積することは、より大きなシステム内への集積化を容易にする魅力的な自己完結型のソリューションである。しかしながら、これは、ＡＳＩＣ技術の選択に制限を課すものであり、デジタル部分と敏感なアナログ・フロントエンドとの間の干渉を生じさせることとなり得る。したがって、他の実施形態では、ＤＳＰ１７０は、他のＡＳＩＣ上で実現されるか、又は汎用のパーソナルコンピューター上で実行可能なソフトウェアとして実現され得る。
【００２６】
ＡＳＩＣ１６０内のＣＳＣ１３０は、ＭＥＭＳ干渉計１５０のＭＥＭＳアクチュエータから静電容量検出信号１９０を受信するように結合されている。ＣＳＣ１３０は、静電容量検出信号１９０を測定して、ＭＥＭＳアクチュエータの現在静電容量値を特定し、ＤＳＰ１７０にその現在静電容量値を渡す。ＤＳＰ１７０は、当該現在静電容量値を処理して、ＭＥＭＳ干渉計１５０内での移動ミラーの位置を特定する。
【００２７】
ＡＳＩＣ１６０は、アクチュエーション信号１８０を生成しＭＥＭＳ干渉計１５０のＭＥＭＳアクチュエータへ送信して当該ＭＥＭＳアクチュエータの動きを制御するための回路も含んでいる。例えば、一の例示的な実施形態では、ＡＳＩＣ１６０は、任意のアクチュエーション・プロファイルをサポートするデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ、Digital-to-Analog Converter）を含んでいる。ＤＡＣは、アクチュエーションノイズを低減すべく高分解能であって、且つ不要な共振モードが励起されないように非常に高いスプリアスフリーのダイナミックレンジを持ち得る。
【００２８】
さらに、ＡＳＩＣ１６０は、ＭＥＭＳ干渉計１５０から出力される光干渉パターン１９５を受信して、当該光干渉パターン１９５を処理のためＤＳＰ１７０へ出力するよう結合されている。例えば、一の例示的な実施形態では、ＭＥＭＳ干渉計システム１０５は、汎用ＭＥＭＳインタフェースＣＭＯＳ ＡＳＩＣ１６０を用いるＭＥＭＳ ＦＴＩＲ分光計システムである。この実施形態では、ＭＥＭＳ干渉計１５０は、光検出器、固定ミラー、及び可動ミラーを含む。光検出器は、可動ミラーの動きと共に光干渉パターン１９５を取得する。ＡＳＩＣ１６０は、低雑音の信号調整回路を含み得る。この信号調整回路は、信号を増幅し、直流オフセットを低減し、及び必要なアンチエイリアシング・フィルタを提供する。この信号調整は、高度に線形な形で実行され、最終的な出力スペクトラムにおけるスプリアストーンを低減し得る。ＤＳＰ１７０では、調整されたパターンについての、可動ミラーの位置に関する知識を用いたスペクトル分析により、光波長と、光路中に置かれた任意の材料のスペクトル・プリント（spectral print）が特定され得る。
【００２９】
図４を参照すると、例示的なＣＲＣ１３０が示されている。本ＣＲＣ１３０は、容量電圧変換器（Ｃ／Ｖ）２００と、増幅器２１０と、ローパスフィルタ２２０と、を含む。Ｃ／Ｖ２００は、ＭＥＭＳアクチュエータの現在静電容量を示す静電容量検出信号１９０を受信するよう結合され、当該現在静電容量を電圧に変換するよう動作する。特に、Ｃ／Ｖは、ＭＥＭＳアクチュエータの２つの端子間の静電容量に比例する電圧を出力する。増幅器２１０は、Ｃ／Ｖ２００から出力される上記電圧を増幅し、ローパスフィルタ２２０は、当該電圧をフィルタしてスプリアス信号を除去する。一の例示的な実施形態では、Ｃ／Ｖ２００は、利得のレンジが広く且つｄｃオフセットを除去することのできる非常に低雑音のＣ／Ｖであり、種々の固定静電容量に重畳された広い静電容量レンジをサポートする。ミラー位置の不正確さはシステムの信号対雑音比（SNR、Signal-to-Noise Ratio）に直接的に影響するので、ＣＲＣ１３０には雑音レベルが低いことが望まれる。ＡＳＩＣ１６０も、１８ビットを超える分解能が可能となるように、非常に低い電圧とノイズレベルとを呈するものであり得る。さらなる実施形態では、ＡＳＩＣ１６０は、Ｃ／Ｖ２００を校正するための静電容量校正回路も含み得る。
【００３０】
Ｃ／Ｖ２００の一例を図５に示す。本Ｃ／Ｎ２００は、測定対象である静電容量Ｃを受信するための入力端子と、リファレンス容量Ｃｒｅｆを受信する入力端子と、演算増幅器２０２と、フィードバックコンデンサＣｏと、エンベロープ検出回路２０４と、を含む。一の例示的な動作では、既知の周波数（例えば、１０ ＫＨｚ）のａｃ信号が、静電容量Ｃの一の端子に与えられ、その同じ励起信号を反転したものがリファレンスコンデンサＣｒｅｆに印加される。演算増幅器２０２の出力は、値（Ｃ−Ｃｒｅｆ）に比例する振幅と上記と同じ周波数とを持つａｃ信号である。
【００３１】
エンベロープ検出回路２０４は、演算増幅器２０２の出力のエンベロープを検出する。特に、エンベロープ検出回路２０４は、演算増幅器２０２から出力されるａｃ信号の振幅（エンベロープ）に比例した出力電圧を生成するよう動作する。図５に示すように、エンベロープ検出回路２０４は、演算増幅器２０２から出力される電圧Ｖｏ１のエンベロープを検出し、測定対象である静電容量の値に比例した電圧Ｖｏｕｔを出力する。Ｃ／Ｖ２００についての他の回路設計もあり得るものと理解すべきであり、本発明は、何らかの特定のＣ／Ｖ回路設計に限定されるものではない。例えば、他の実施形態では、Ｃ／Ｖ２００は、ミラー位置に比例する２つのコンデンサの差分値を検出するための複数の端子を持ち得る。
【００３２】
図６は、本発明の実施形態に従う、ＭＥＭＳ装置１００の例示的なアーキテクチャを示す図である。ＭＥＭＳ装置１００は、ＡＳＩＣ１６０と、ＭＥＭＳ干渉計などのＭＥＭＳデバイス１５５と、を含む。ＭＥＭＳデバイス１５５は、静電櫛形駆動ＭＥＭＳアクチュエータ１１０と、可動ミラー１２０と、を含む。図６に示す静電櫛形駆動ＭＥＭＳアクチュエータ１１０は、それぞれ端子１１２及び１１４を有する櫛形駆動部１１５とスプリング１１８とを含む。端子１１２から櫛形駆動部１１５に電圧を印加することにより、アクチュエータ１１０に電位差が発生し、アクチュエータ１１０に静電容量が誘導される。これにより、スプリング１１８からの復元力と共に駆動力が発生されることとなり、所望位置への可動ミラー１２０の変位が発生する。誘導された静電容量Ｃｖａｒｉａｂｌｅは、端子１１２及び１１４をＡＳＩＣ１６０のポート１６２及び１６４に接続することにより、端子１１２と１１４との間で測定することができる。
【００３３】
一の実施形態では、ＡＳＩＣ１６０からのアクチュエーション信号が、時分割多重又は周波数分割多重を用いて、静電容量検出信号と同じポート（ポート１６２）から出力される。一つのポートに両方の機能（アクチュエーションと静電容量検出）を持たせることで、必要な最大アクチュエーション電圧を低減しつつ、検出される静電容量を増加させることもできる。しかしながら、これにより検出回路とアクチュエーション回路との間の望ましくない干渉が生じ得る。したがって、他の実施形態では、アクチュエーション信号は、ＡＳＩＣ１６０の別のポート（不図示）を介して送信される。図６に示すＭＥＭＳアクチュエータ１１０のレイアウトや特徴は単なる例であり、本発明は、櫛形駆動アクチュエータ、平行平板アクチュエータ、あるいはその他のタイプの静電ＭＥＭＳアクチュエータなどの任意の静電ＭＥＭＳアクチュエータ・デザインを用いて実現され得るものと理解すべきである。
【００３４】
図７は、本発明の実施形態に従う、ＭＥＭＳ干渉計システム１０５の例示的なアーキテクチャを示す図である。ＭＥＭＳ干渉計システム１０５は、ＭＥＭＳ干渉計１５０と、ＡＳＩＣ１６０と、を含む。ＭＥＭＳ干渉計１５０は、例えば、ＭＥＭＳにより駆動される移動ミラーを用いることができるようにＳＯＩウェハ上に実現される、フーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光計であるものとすることができる。
【００３５】
ＭＥＭＳ干渉計１５０は、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０と、干渉計１４０と、を含む。図７に示すように、干渉計１４０は、光源３００と、ビームスプリッタ３１０と、固定ミラー３２０と、光検出器３３０と、可動ミラー１２０と、を含む。光源３００は入射ビームＩを出力し、当該入射ビームＩは、半平面ビームスプリッタ（half plane beam splitter）３１０に到達するまで干渉計１４０内を伝搬する。一の例示的な実施形態では、ビームスプリッタ３１０は、第１媒体（すなわち、シリコン（Ｓｉ））と第２媒体（すなわち、空気）との界面に形成されている。シリコン／空気界面ビームスプリッタ３１０は、入射ビームＩに対しある角度（例えば、４５度）を持つように配されている。所望の角度は、例えば、シリコン媒体の表面をフォトリソグラフィにより画定することで生成され得る。
【００３６】
入射ビームＩは、半平面ビームスプリッタ３１０にぶつかると、２つの干渉ビームＬ１及びＬ２に分岐される。Ｌ１は、シリコン／空気の半平面ビームスプリッタ３１０からの、入射ビームＩの部分反射により発生し、従って、ビーム入射角に等しい反射角を持つ。Ｌ２は、シリコン／空気の半平面ビームスプリッタ３１０を入射ビームＩが部分的に通過することで発生し、少なくとも部分的に、ある屈折角（スネルの法則で定まる）をもってシリコン内を伝搬する。結果として、Ｌ１は、可動ミラー１２０へ向かって伝搬し、Ｌ２は、固定ミラー３２０に向かって伝搬する。
【００３７】
ビームＬ１は、可動ミラー１２０により反射されて反射ビームＬ３を生成し、ビームＬ２は固定ミラー３２０により反射されて反射ビームＬ４を生成する。図７に示すように、ビームＬ３及びＬ４は、それぞれミラー１２０及び３２０で反射された後、半平面ビームスプリッタ３１０へ向かってそれぞれＬ１及びＬ２と同じ光路を（逆方向に）進む。すなわち、分光計／干渉計がフーリエ変換（ＦＴ）分光計として用いられる実施形態では、一方の干渉計アームは、ビームＬ１／Ｌ３により構成され、ビームスプリッタ３１０と可動ミラー１２０とを含み、他方の干渉計アームは、ビームＬ２／Ｌ４により構成されて固定ミラー３２０を含む。
【００３８】
干渉パターンＬ５は、反射ビームＬ３及びＬ４がビームスプリッタ３１０において干渉することにより生成される。干渉パターンＬ５は、検出器３３０により検出される。検出器３３０の出力は、端子１６６を介してＡＳＩＣ１６０に入力される。一の実施形態では、検出器３３０は、微細加工により（例えば、基板の上面をエッチングして、光検出器を配することのできる開口部を設けることにより）基板内に組み込まれた光検出器、又は（例えば、Ｐ−Ｉ−Ｎダイオードを形成するための）ドーピング若しくは（例えば、金属−半導体−金属のＭＳＭ光検出器を形成するための）部分的なメタライゼーション、のいずれかにより基板内にモノリシックに実現される光検出器を含む。
【００３９】
図７にも示すように、可動ミラー１２０は、ＳＯＩ静電ＭＥＭＳアクチュエータ１１０を用いて移動させることができる。図６と同様に、静電ＭＥＭＳアクチュエータ１１０は、櫛形駆動部１１５とスプリング１１８により構成される。櫛形駆動部１１４には、端子１１４を介して電圧を印加することができ、これにより、端子１１２と１１４との間に静電容量を誘導して、ビームＬ１を反射するための所望の位置へ可動ミラー１２０を変位させることができる。これにより、ビームＬ３とＬ４とのあいだの光路長差（OPD、Optical Path length Difference）を、実質的にミラー変位量の２倍に等しい値とすることができる。
【００４０】
また、端子１１２と１１４との間の静電容量を、ポート１６２と１６４を介してＡＳＩＣ１６０により測定して、可動ミラー１２０の位置を特定することができる。特定された可動ミラー位置と、検出器３３０の出力と、に基づいて、（例えば図３に示すＤＳＰ１７０により）干渉波形（interferogram）３４０を生成して、光波長と、光路内に置かれた任意の材料のスペクトル・プリント（spectral print）と、を特定することができる。
【００４１】
図７に示す可動ミラー１２０は、２つの光路（Ｌ１／Ｌ３とＬ２／Ｌ４）の間の光路差がゼロの位置（ゼロ光路位置）に配されている。ただし、他の実施形態では、この静電容量検出手法の結果として生ずる位相雑音や誤差を除去すべく、可動ミラー１２０はゼロ光路位置から距離δだけ後ろの位置に配され、ゼロ光路位置の正の側と負の側の両方において測定が行われるように、可動ミラー１２０がゼロ光路位置を通過するように移動され得る。この実施形態では、光源３００は広帯域光源（すなわち、白色光源）であり、正の側と負の側とは、等しいか又は等しくない。（図３に示す）ＤＳＰ１７０では、干渉波形３４０の複素フーリエ変換が実行されて、そのミラー位置における位相誤差の補償が行われ得る。他の実施形態では、静電容量検出手法によって生ずる位相雑音と誤差を低減すべく、干渉波形の正の側と負の側の両方が記録される代わりに、ＤＳＰにより負の側（左側）の干渉波形の微小部分のみが測定されて、当該微小部分を用いて正しい信号が抽出され得る。
【００４２】
一の実施形態では、ミラー１２０及び３２０は金属ミラーであり、（例えば、メタライゼーション工程中にシャドウマスクを用いる）選択メタライゼーションを用いてビームスプリッタが保護される。他の実施形態では、小さなフットプリントの分光計を得るべく、非金属の垂直ブラッグミラー（non-metallic vertical Bragg mirrors）が用いられる。ブラッグミラーは、深堀イオンエッチング（DRIE、Deep Reactive Ion Itching）を用いて、連続する複数の垂直なシリコン／空気界面を生成して実現することができる。また、ブラッグミラーは、用途に応じて、単純な反射器として動作するように広帯域反射特性を持つか、又は波長選択特性を持つように設計され得る。
【００４３】
ここでは、ビームスプリッタ３１０はシリコン／空気界面であるものとして記載されているが、半波長板ビームスプリッタを構成する他の材料を用いて本発明を実施することもできる。例えば、他の例示的な実施形態では、微細加工により作製された、又は部品組み立てにより作製された、ガラス半平面又はパイレックスなどの他の材料がシリコンの代わりに用いられて、広い周波数帯域の動作が実現され得る。また、半平面ビーム分岐界面の反射率についての修正の自由度が得られるように、液体や様々なガスなどの他の材料が空気の代わりに用いられ得る。
【００４４】
図８は、本発明の実施形態に従う、例示的なＭＥＭＳダイパッケージ４００を示す図である。静電容量検出を用いて可動ミラーの位置特定を行うようにすることで、ＭＥＭＳ干渉計１５０を、ＡＳＩＣ１６０と共に同じＭＥＭＳダイパッケージ４００上に集積して、ＭＥＭＳシステムのサイズ、コスト、及び複雑さを低減することができる。
【００４５】
図９は、本発明の実施形態に従う、ＭＥＭＳ装置内での可動ミラー位置を特定するための例示的な方法５００を示す図である。本方法は、５１０から始まり、静電容量の変化する静電ＭＥＭＳアクチュエータが、可動ミラーに結合されて与えられる。５２０において、ＭＥＭＳアクチュエータを用いて可動ミラーに変位が与えられる。その後、５３０において、ＭＥＭＳアクチュエータの現在静電容量が検出され、５４０において、ＭＥＭＳアクチュエータの当該現在静電容量に基づいて可動ミラーの位置が特定される。
【００４６】
図１０を参照すると、いくつかの実施形態では、静電容量検出回路は、ストレス、温度、湿度、電気部品が持つ通常のドリフト、その他の原因により、動作ドリフトを生じやすいものであり得る。静電容量検出回路におけるそのようなドリフトは、可動ミラーの位置精度に影響し、分光計／干渉計動作に直接的に影響する。したがって、図１０に示すように、ＭＥＭＳ干渉計１０５内には、光路差変調の特定に用いられる静電容量検出回路（ＣＳＣ）１３０を校正するための、校正モジュール６００が含まれ得る。一の実施形態では、校正モジュール６００は、ＤＳＰ１７０により実行可能なアルゴリズムであり、例えばメモリ６２０に保存され得る。他の実施形態では、校正モジュール６００は、ＣＳＣ１３０のＡＳＩＣ内、又は追加のＡＳＩＣ内に含まれる。
【００４７】
上述したように、可動ミラー１２０は、干渉計１４０の一の光路に光路差を発生させる。これにより干渉波形が出力され、この干渉波形から、次の式１及び式２に示されるようなフーリエ変換により、スペクトラムが抽出される。
【数１】
0006386477.tif 000002
【００４８】
正確なスペクトルを取得するため、可動ミラーの変位による光路差（OPD）を精度よく特定することが必要である。ＯＰＤの精度は、上述したように、まずはＣＳＣ１３０を用いて校正され、移動ミラー１２０が全可動範囲を移動する際のＭＥＭＳアクチュエータ１５０の動きが静電容量により検出される。その結果得られる静電容量の測定値（静電容量データ６４０）は、対応するＯＰＤ（位置データ６５０）にマップされ（対応付けられ）、メモリ６２０内のテーブル６３０内に保存され得る。
【００４９】
例えば、或る既知の波長λ０の光ビーム１０２がＭＥＭＳ干渉計１０５に入力されて、干渉計サンプルのそれぞれについて１回ずつ、製造ライン上でＣＲＣ１３０が校正される。図１１Ａ及び１１Ｂに示すように、得られた干渉波形の連続する２つのピークはλｏのＯＰＤを示しているという事実を用い、測定された静電容量変化にこれをマッピングして、つぎのような静電容量検出曲線７２０を生成することで、静電容量とＯＰＤとの関係が決定される。
【数２】
0006386477.tif 000003
ここに、連続する２つのゼロクロス７１０の間の距離（Δｘ）は、λｏ／２に等しい。
【００５０】
図１０を再び参照すると、図１１Ｂの静電容量検出曲線７２０を用いて、Ｃ（静電容量データ６４０）とｘ（位置データ６５０）との関係についてのルックアップテーブル６２０の内容が埋められ得る。ルックアップテーブル６２０は、その後のＭＥＭＳ干渉計１０５の動作の際に用いられて、可動ミラー１２０の位置が特定され得る。例えば、その後のＭＥＭＳ干渉計１０５の動作の際に、ＭＥＭＳアクチュエータ１５０の静電容量がＣＳＣ１３０により測定されて、当該測定された静電容量がＤＳＰ１７０に出力され、メモリ６２０内のテーブル６３０にアクセスすることにより可動ミラー１２０の位置が特定され得る。
【００５１】
また、図１０に示すように、ＣＳＣ１３０におけるドリフトの補償を行うため、校正モジュール６００は、さらに、補正量６１０を決定して、当該補正量６１０をＤＳＰ１７０へ出力することができる。ＤＳＰ１７０は、当該補正量６１０と、（ＣＳＣ１３０が出力する静電容量測定値とテーブル６３０の調査とに基づいて）その前に特定したミラー位置を用いて、補正されたミラー位置を決定する。補正された可動ミラー位置と干渉計１４０の出力とに基づき、ＤＳＰ１７０は、干渉波形を生成して、光波長と、光路内に置かれた任意の材料のスペクトル・プリントを特定することができる。さらに、ＤＳＰ１７０及び又はＣＳＣ１３０を含むＡＳＩＣは、ＭＥＭＳアクチュエータ１５０の動きを制御するアクチュエーション信号を生成し、補正量６１０を用いてミラー１２０を所望の位置へ移動させることができる。
【００５２】
例示的な実施形態では、校正モジュール６００は、可動ミラー１２０の２つ又はそれ以上の既知の位置においてＭＥＭＳアクチュエータ１５０の実際の静電容量を測定することにより、補正量６１０を決定する。例えば、校正モジュール６００は、ＭＥＭＳアクチュエータ１５０の実際の静電容量測定値を、テーブル６３０内の上記２つまたはそれ以上の位置での対応するそれぞれの静電容量（複数）と比較して、実際の静電容量測定値とテーブル６３０内の対応する静電容量（複数）とのそれぞれの誤差を算出することができる。そして、校正モジュール６００は、初期の静電容量検出曲線と上記算出した誤差とを用いて、補正された静電容量検出曲線を外挿によって求め、当該補正された静電容量検出曲線と初期の静電容量検出曲線との差に基づいて、ミラー位置に適用すべき補正量６１０を決定することができる。
【００５３】
例えば、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、（図１０のテーブル６３０に保存された）初期静電容量値にオフセットエラー（Ｂｄ）及び又はゲインエラー（Ａｄ）の形式のドリフトが発生し得る。図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、テーブルに保存されている初期値は、ゼロＯＰＤにおいては、静電容量値がＢ０でゲインがＡ０である。ＭＥＭＳ干渉計のその後の動作の際に、ＣＳＣにおけるドリフトが発生し、ゼロＯＰＤに対応する静電容量値がＢｄとなり、ゲインはＡｄとなる。図１３に更に示すように、そのようなドリフトが存在すると、初期値を用いて静電容量検出値からＯＰＤへのマッピングを行うと、誤ったＯＰＤ値（ｘａｃｔｕａｌと比較したｘｅｒｒｏｒ）が得られることとなり、これにより波長誤差と波長シフトが発生することとなり得る。したがって、ＯＰＤ値を補正するには、初期静電容量値についての付加的な校正が必要となる。上述したように、この付加的な校正により、オフセットエラー量及び又はゲインエラー量を含み得る補正量が生成される。
【００５４】
図１４〜図１８は、静電容量検出ドリフトを考慮してＭＥＭＳ干渉計の光路変調についての自立的な校正を可能とする例示的な補正手法を示す図である。一の実施形態では、図１４及び図１５に示すように、広帯域光源８００を用いて、ＭＥＭＳ干渉計が自己校正される。この実施形態では、静電容量測定値に対する位置の誤差はリニア（線形）であるものと仮定される。したがって、Ｃ対ｘの関係におけるドリフト誤差を補正するには、既知のミラー位置についての静電容量測定値が２つだけ必要となる。
【００５５】
広帯域光源８００は、スペクトラムＳ（ｖ）を持ち、干渉計１４０に入射される。その結果生ずる白色光の干渉波形は、図１５に示すように、波数ｖ１からｖ２の範囲で動作するＭＥＭＳ干渉計では次式のように表される。
【数３】
0006386477.tif 000004
ここに、
【数４】
0006386477.tif 000005
である。
【００５６】
図１５に示すように、白色光の干渉波形の中心バースト８３０でのミラー位置は、光源スペクトラムの形とは無関係であり、光源の変動やドリフトの影響をより受けにくい位置の利用を可能にする。したがって、図１４に示すように、ＣＳＣ１３０は、白色光の干渉波形が取得されつつある間に、ＭＥＭＳアクチュエータ１５０の静電容量を連続的に測定して、当該測定した静電容量値を校正モジュール６００へ出力することができる。その結果として干渉計１４０から出力される干渉波形から、校正モジュール６００は、中心バースト８３０に対応するバースト位置８２０に可動ミラー１２０があったときの静電容量測定値を特定して、そのバースト位置８２０をゼロＯＰＤにマップすることができる。このバースト位置８２０は、自己校正のための第１参照位置と考えることができる。
【００５７】
また、ＣＳＣ１３０は、ＭＥＭＳアクチュエータ１５０がアイドル状態（すなわち、移動ミラー１２０にアクチュエーションが印加されていない状態）のときに当該ＭＥＭＳアクチュエータの静電容量を測定して、アイドル時静電容量測定値を校正モジュール６００に出力することができる。明らかなように、ＭＥＭＳアクチュエータ１５０がアイドル状態のときには、移動ミラー１２０は既知の休止位置（rest position）８１０にある。この休止位置は、自己校正のための第２参照位置と考えることができる。それぞれの参照位置における静電容量測定値と、テーブル６３０に保存されている初期静電容量値と位置を示す値とを用いて、校正モジュール６００は、その後のＭＥＭＳ干渉計動作の際にＤＳＰ１７０が静電容量検出曲線（テーブル６３０に保存されている数値（複数））に適用すべき補正量６１０を決定することができる。その後の干渉波形に発生する静電容量の線形ドリフトは、この補正量６１０を用いて補正することができる。
【００５８】
図１６は、ＭＥＭＳ干渉計を自己校正するための、アクチュエータストッパ９３０ａ−９３０ｃを用いた他の線形補正手法を例示する図である。図１６に示す実施形態では、ＭＥＭＳアクチュエータ１５０は、アクチュエータアーム９００を介して移動ミラー１２０に結合されている。アクチュエータアーム９００の周囲には固定構造９２０が設けられており、アクチュエータアーム９００は、固定構造９２０の対向する側面の間に配されている。固定構造９２０は、その第１の端部に第１ストッパ９３０ａを備え、その第２の端部に第２ストッパ９３０ｃを備える。アクチュエータアーム９００には、固定構造９２０の第１ストッパ９３０ａと第２ストッパ９３０ｃとの間に位置するように第３ストッパ９３０ｂが取り付けられている。
【００５９】
ＭＥＭＳアクチュエータ１５０は、固定構造９２０の第１ストッパ９３０ａと第２ストッパ９３０ｃとの間に広がる範囲でミラー１２０を移動させるよう構成されている。また、アクチュエータアーム９２０上の第３ストッパ９３０ｂが第１ストッパ９３０ａ及び第２ストッパ９３０ｃに突き当たるときの、それぞれにおける可動ミラー１２０の位置（変位量）は既知である。したがって、ＣＳＣ１３０は、アクチュエータアーム９００の第３ストッパ９３０ｂが固定構造９２０の第１ストッパ９３０ａに突き当たったときにＭＥＭＳアクチュエータ１５０の静電容量を測定することができ、この位置を自己校正のための可動ミラー１２０の第１参照位置とすることができる。同様に、ＣＳＣ１３０は、アクチュエータアーム９００の第３ストッパ９３０ｂが固定構造９２０の第２ストッパ９３０ｃに突き当たったときにＭＥＭＳアクチュエータ１５０の静電容量を測定することができ、この位置を自己校正のための可動ミラー１２０の第２参照位置とすることができる。２つの参照位置での静電容量測定値とテーブル６３０に保存されている初期静電容量から、校正モジュール６００は、その後のＭＥＭＳ干渉計動作の際にＤＳＰ１７０が静電容量検出曲線（テーブル６３０に保存されている数値（複数））に適用すべき補正量６１０を決定することができる。
【００６０】
他の実施形態では、図１４及び図１６に例示した線形手法を組み合わせて、ＭＥＭＳ干渉計において非線形エラーが存在する位置に非線形補正を行うことができる。図１４及び図１６に示す手法は、それぞれ２つの測定ポイントを用いて誤差を測定する。すなわち、２つの手法を組み合わせることで４つの測定ポイントが提供され、これらを用いて第４度の誤差（fourth degree error）を補正することができる。
【００６１】
それ以上の高次（第４度またはそれ以上）の誤差も、図１７に例示する静電容量検出手法を用いて補正することができる。図１７では、アクチュエータアーム９００のそれぞれの側方に固定の容量構造１０００が設けられており、アクチュエータアーム９００は、固定構造１０００の対向する側面の間に配されている。固定構造のこれら側面のそれぞれは、既知の間隔を持つ複数の静電容量検出ポイント１０１０を含んでいる。また、アクチュエータアーム９００は、既知の間隔を持つ容量フィンガ１０２０を含んでいる。
【００６２】
アクチュエータアーム９００はＣＳＣの第１ポート（ポートＡ）に結合されており、固定構造１０００はＣＳＣの第２ポート（ポートＢ）に結合されている。これにより、ＣＳＣは、ＭＥＭＳアクチュエータ１５０が可動ミラー１２０を移動させるにつれて、静電容量検出ポイント１０１０と容量フィンガ１０２０との間の静電容量の変化を示す静電容量変化を測定することができる。この静電容量変化は、校正モジュールにより用いられて、補正量が決定される。
【００６３】
例えば、ＣＳＣは、可動ミラー１２０が移動するにつれて静電容量検出ポイント１０１０と容量フィンガ１０２０との間のそれぞれの静電容量を連続的に測定して、静電容量変化のゼロクロス（zero crossing）（複数）とピーク（複数）とを特定することができる。理解されるように、ゼロクロスは、静電容量検出ポイント１０１０と容量フィンガ１０２０との間の最大オフセットに対応し、ピークは、静電容量検出ポイント１０１０と容量フィンガ１０２０との間の最小オフセットに対応する。
【００６４】
また、図６及び図７に関連して上述したように、ゼロクロス及びピークのそれぞれでのＭＥＭＳアクチュエータ１５０の実際の静電容量が、ＣＳＣのポートＣとポートＤとにおいて測定され得る。そして、校正モジュールは、ゼロクロスとピークのそれぞれにおける可動ミラー１２０の参照位置を特定し、ＭＥＭＳアクチュエータの実際の静電容量と、それらの参照位置と、により補正量を決定することができる。
【００６５】
すなわち、図１７の静電容量校正手法ではＮ個の参照ポイントを得ることができ、図１８から判るように、静電容量のゼロクロス間又はピーク間の間隔は、固定の参照周期ｘｐｅｒｉｏｄに対応する。移動ミラーアーム９００と固定構造１０００との間の静電容量変化を検出することにより、図１８に示す静電容量のゼロクロスと静電容量のピークとを用いて、ミラーの変位と、従ってＯＰＤとを、校正することができる。
【００６６】
図１９は、本発明の実施形態に従う、光ＭＥＭＳ干渉計内でのミラー位置についての自己校正のための例示的な方法１９００を示す図である。本方法は、１９１０から開始し、まずミラー位置の初期校正が実行されて、ＭＥＭＳアクチュエータの静電容量の初期値と、それに対応するミラー位置と、を示すテーブルの内容が埋められる。１９２０において、当該ミラーの２つ又はそれ以上の既知の位置においてＭＥＭＳアクチュエータの静電容量が再度、測定される。次に、１９３０において、これら既知の位置での静電容量測定値に基づいて、テーブルに保存された初期値に適用すべき補正量が決定される。
【００６７】
当業者により理解されるように、本出願に記載した発明概念は、広範なアプリケーションにわたり修正又は改変することが可能である。したがって、特許の主題範囲は、ここに記載した特定の例示的な教示に限定すべきでなく、以下の請求項により規定されるべきである。
【図１】
0006386477.tif 000006
【図２】
0006386477.tif 000007
【図３】
0006386477.tif 000008
【図４】
0006386477.tif 000009
【図５】
0006386477.tif 000010
【図６】
0006386477.tif 000011
【図７】
0006386477.tif 000012
【図８】
0006386477.tif 000013
【図９】
0006386477.tif 000014
【図１０】
0006386477.tif 000015
【図１１Ａ】
0006386477.tif 000016
【図１１Ｂ】
0006386477.tif 000017
【図１２Ａ】
0006386477.tif 000018
【図１２Ｂ】
0006386477.tif 000019
【図１３】
0006386477.tif 000020
【図１４】
0006386477.tif 000021
【図１５】
0006386477.tif 000022
【図１６】
0006386477.tif 000023
【図１７】
0006386477.tif 000024
【図１８】
0006386477.tif 000025
【図１９】
0006386477.tif 000026