DE4334578C2

Movatterモバイル変換

Info

Publication number: DE4334578C2
Application number: DE19934334578
Authority: DE
Inventors: Dirk Winfried Rossberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Rossberg Dirk Winfried Dipl-Ing 82418 Murnau
Priority date: 1993-10-11
Filing date: 1993-10-11
Publication date: 1999-10-07
Anticipated expiration: 2013-10-12
Also published as: DE4334578A1

Abstract

Translated fromGerman

Infrarot-Sensor, insbesondere für die Erfassung von Infrarot-Fluoreszenz- und Infrarot-Absorptionsspektren, der aus wenigstens einem Infrarot-Filteroberteil (100) mit integriertem Infrarot-Detektor und wenigstens einem Infrarot-Filterunterteil (200) besteht, wobei diese wenigstens zwei Teile aus dem gleichen für Infrarotlicht durchlässigen Halbleitermateril hergestellt sind.Infrared sensor, in particular for the detection of infrared fluorescence and infrared absorption spectra, which consists of at least one infrared filter upper part (100) with an integrated infrared detector and at least one infrared filter lower part (200), these consisting of at least two parts the same semiconductor material that is permeable to infrared light is produced.

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft einen Infrarot (IR)-Sensor, insbesondere für die Erfassung von Infrarot-Fluoreszenz- und Infrarot-Absorptionsspektren.The invention relates to an infrared (IR) sensor, in particularfor the detection of infrared fluorescence and infraredAbsorption spectra.

Aus der DE 36 40 340 A1 ist eine variable Interferometeranordnung bekannt, die eine Photodiode als Detektor für die vom abstimmbaren Fabry-Perot-Interferometer durchgelassenen Wellenlängen enthält.DE 36 40 340 A1 describes a variable interferometerarrangement known which uses a photodiode as a detector fortunable Fabry-Perot interferometerContains wavelengths.

In JP 59-230123 (A) ist ein Sensor beschrieben, der durch Vorschalten eines scharfkantigen Bandpaßfilters spezifische Wellenlängen detektieren kann.JP 59-230123 (A) describes a sensor which is characterized byUpstream of a sharp bandpass filter specificCan detect wavelengths.

Die Analyse von Infrarot-Fluoreszenz- bzw. Absorptionsspektren zur qualitativen und quantitativen Spezifizierung von Flüssigkeiten und Gasen ist ein lange bekanntes und heute gängiges Verfahren. Herkömmliche IR-Spektrometer sind jedoch für den Laborbetrieb ausgelegt, und somit durch Größe, Gewicht, Leistungsverbrauch und nicht zuletzt den Systempreis für den portablen bzw. flächendeckenden Einsatz ungeeignet. Insbesondere setzt die oft notwendige Kühlung des Detektors dem Anwendungsgebiet Grenzen. Die vor Ort entnommenen Proben werden üblicherweise zur Untersuchung ins Labor gebracht. Dabei werfen besonders chemische Veränderungen der Proben bei instabilen Verbindungen auf dem Transport erhebliche Probleme auf (Stichwort artefaktfreie Probennahme). In-Situ-Messungen sind nur mit entsprechendem apperativen und somit finanziellen Aufwand möglich, da an jedem Meßpunkt ein eigenes Spektrometer aufgebaut werden muß. Flächendeckende Messungen z. B. zur Eingrenzung von Sanierungsflächen sind nahezu unmöglich.Analysis of infrared fluorescence and absorption spectrafor the qualitative and quantitative specification ofLiquids and gases is a long known and todaycommon procedure. However, conventional IR spectrometers are fordesigned the laboratory operation, and thus by size, weight,Power consumption and last but not least the system price for theportable or area-wide use unsuitable. Especiallysets the often necessary cooling of the detectorApplication limits. The samples taken on site will beusually brought to the laboratory for examination. Throw itespecially chemical changes of the samples with unstableConnections on transportation pose significant problems(Keyword artifact-free sampling). In-situ measurements areonly with the appropriate apperative and therefore financialEffort possible, as a separate spectrometer at each measuring pointmust be built. Area measurements z. B. forDelimitation of redevelopment areas is almost impossible.

Aus der DE 36 40 340 A1 ist ein IR-Sensor bekannt, der sich aus einem Fabry-Perot-Interferometer und einer Silizium-Photodiode zusammensetzt, wobei zur Bildung des Interferometers zum einen auf der Silizium-Photodiode und zum anderen auf einem Glassubstrat dünne Silber-Filme mit einem Abstand gegenüberliegend aufgebracht werden.From DE 36 40 340 A1 an IR sensor is known which is made up ofa Fabry-Perot interferometer and a silicon photodiodecomposed, for the formation of the interferometer on the one handon the silicon photodiode and the other on oneGlass substrate thin silver films with a gapbe applied opposite.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Größe und den Preis gängiger IR-Spektrometer erheblich zu reduzieren.The invention specified in claim 1 is the problembased on the size and price of common IR spectrometerssignificantly reduce.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.This problem is caused by those listed in claim 1Features resolved.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in den erweiterten Einsatzmöglichkeiten der Spektralanalyse in bezug auf den portablen Aufbau, die Anwendung bei Zimmertemperatur, sowie die niedrigen Kosten und die geringe Baugröße. Dies ist z. B. für den Umweltschutz ein wesentlicher Beitrag, da man zukünftig mit einem kleinen (ca. 5 . 5 . 5 cm³) Gerät vor Ort Schadstoffanalyse betreiben kann. Ebenso wichtig wie auch kosteneffizient ist die exakte Vermessung von schadstoffbelasteten Böden. Statt hunderter von Proben entnehmen und im Labor auswerten zu müssen, kann zukünfig mit dieser Erfindung vor Ort die genaue Sanierungsfläche festgelegt werden. Bei Einsatz des neuen Sensors in der Produktion können an jeder noch so unzugänglichen und entfernten Stelle Spektren aufgenommen werden, da der Platzbedarf äußerst gering ist, und die Auswertung räumlich getrennt vom Sensor vorgenommen werden kann.The advantages achieved with the invention consist in particular in the expanded range of uses of spectral analysis with regard to the portable structure, the use at room temperature, and the low cost and small size. This is e.g. B. for environmental protection an important contribution, since in the future with a small (approx. 5.5. 5 cm³ ) device on site pollutant analysis can be carried out. The exact measurement of polluted soils is just as important as it is cost-effective. Instead of having to take hundreds of samples and evaluate them in the laboratory, this invention can be used to determine the exact renovation area on site in the future. When the new sensor is used in production, spectra can be recorded at any point, however inaccessible and distant, since the space requirement is extremely small and the evaluation can be carried out spatially separate from the sensor.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in denFig. 1 bis 9 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown inFIGS. 1 to 9 and will be described in more detail below.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 die Draufsicht auf das Infrarot-Filteroberteil mit integriertem DetektorFig. 1 is a top view of the infrared filter upper part with an integrated detector

Fig. 2 einen Schnitt durch das Infrarot-Filteroberteil entlang der Linie A-A' ausFig. 1FIG. 2 shows a section through the infrared filter upper part along the line AA ′ fromFIG. 1

Fig. 3 einen Detailausschnitt aus dem Infrarot-Filteroberteil zur Illustration der genauen Schichtfolge, so wie er inFig. 2 eingezeichnet istFig. 3 shows a detail of the infrared filter upper part to illustrate the exact layer sequence, as shown inFig. 2

Fig. 4 die Draufsicht auf die Rückseite des Infrarot-FilteroberteilsFig. 4 is a top view of the back of the infrared filter top

Fig. 5 die Draufsicht auf das Infrarot-FilterunterteilFig. 5 is a top view of the infrared filter base

Fig. 6 einen Schnitt durch das Infrarot-Filterunterteil entlang der Linie C-C' ausFig. 5Fig. 6 is a section through the infrared filter bottom part along the line CC 'inFig. 5

Fig. 7 einen Detailausschnitt aus dem Infrarot-Filterunterteil zur Illustration der genauen Schichtfolge, so wie er inFig. 6 eingezeichnet istFig. 7 shows a detail of the infrared filter base to illustrate the exact layer sequence, as shown inFig. 6

Fig. 8 die Draufsicht auf die Rückseite des Infrarot-FilterunterteilsFig. 8 is a top view of the back of the infrared filter base

Fig. 9 einen Schnitt durch den montierten spektral abstimmbaren Infrarot-SensorFig. 9 shows a section through the mounted spectrally tunable infrared sensor

Zur Aufnahme von IR-Spektren ist ein durchstimmbarer Monochromator vor einem breitbandig empfindlichen IR-Detektor notwendig. Fällt polychromatisches Licht von der Oberseite her auf die Struktur, so bildet das Spiegelpaar gebildet durch die Flächen5 inFig. 1 und16 inFig. 5 einen schmalbandigen, mehrdeutigen Interferenz-Filter mit einer Resonatorlänge d (Fig. 9), so daß nur ein definiertes Teilspektrum vom dahinterliegenden Breitband-IR-Detektor empfangen wird.A tunable monochromator in front of a broadband sensitive IR detector is necessary to record IR spectra. If polychromatic light falls on the structure from the top, the mirror pair formed by the surfaces5 inFIG. 1 and16 inFIG. 5 forms a narrow-band, ambiguous interference filter with a resonator length d (FIG. 9), so that only a defined sub-spectrum is received by the broadband IR detector behind it.

Die realisierte Struktur besteht aus zwei Teilen, dem Infrarot-Filteroberteil100 mit integriertem Detektor (Fig. 1-4) und dem Infrarot-Filterunterteil200 (Fig. 5-8).The realized structure consists of two parts, the infrared filter upper part100 with an integrated detector (FIGS. 1-4) and the infrared filter lower part200 (FIGS. 5-8).

DieFig. 1 zeigt eine Ansicht auf das Infrarot-Filteroberteil100. Dabei ist auf ein Silizium-Waferstück1 ganzflächig bis auf einen kleinen Kreis im Zentrum ein Isolator14 (z. B. Siliziumdioxid) aufgebracht. Darauf werden dünne Goldstreifen7 gedampft, die vom Rand bis fast an das Zentrum des Wafers reichen. Diese werden wieder von einem Isolator6 überdampft, der auch wieder den Kreis im Zentrum freiläßt, der später den Spiegel5 aufnehmen wird. Jetzt wird z. B. Platin11 derart aufgebracht, daß eine Serienschaltung von Platin-Goldübergängen entsteht, die auf Kontaktflächen8 beginnt bzw. endet. Eine Isolierschicht12 schützt die so entstandene Thermosäule, deren einer Materialübergang sich jeweils auf der Membran, der andere sich jeweils auf dem "kalten" Wafer befindet, vor den anschließend aufgebrachten vier Goldflächen4. Diese besitzen an den Außenecken vier "Ohren"2, die die Kontaktflächen darstellen. An vier Stellen3 ist die Membran durchbrochen.Fig. 1 shows a view of the infrared filter top portion100. An insulator14 (eg silicon dioxide) is applied over the entire surface of a silicon wafer piece1 except for a small circle in the center. Thin gold strips7 are steamed thereon, which extend from the edge to almost the center of the wafer. These are again vaporized by an insulator6 , which also leaves the circle in the center free, which will later hold the mirror5 . Now z. B. platinum11 applied such that a series connection of platinum-gold transitions occurs, which begins or ends on contact surfaces8 . An insulating layer12 protects the resulting thermopile, one material transition of which is located on the membrane, the other on the "cold" wafer, from the four gold surfaces4 subsequently applied. These have four "ears"2 on the outer corners, which represent the contact surfaces. The membrane is broken at four points3 .

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Si-Wafer entlang der Linie A-A'. Deutlich zu erkennen ist die dünne Membran9, die für die Durchstimmbarkeit des Filters und die gute thermische Isolation des Detektors sorgt. Die aufgebrachten Schichten10 lassen sich aufgrund ihrer extrem geringen Dicke bei diesem Maßstab nicht detailliert darstellen.Fig. 2 shows a section through the Si wafer along the line A-A '. The thin membrane9 can be clearly seen, which ensures the tunability of the filter and the good thermal insulation of the detector. The applied layers10 cannot be represented in detail on this scale due to their extremely small thickness.

Fig. 3 zeigt deshalb im Detail nochmals die beschriebene Schichtenfolge:Fig. 3, Bezugszeichen9 ist die dünne Membran, die an ihrer Oberseite die fast ganzflächige - bis auf den zentrischen Kreis - Isolierschicht14 trägt. Darüber sind die Goldbahnen7 aufgedampft, die bis auf die äußersten Spitzen wieder von einer Isolierschicht6 abgedeckt sind. Es folgen die Platinbahnen11, die für die Serienschaltung der einzelnen Thermoelemente sorgen. Eine weitere Isolationschicht12 bedeckt die gesamte Thermosäule. Darüber sitzen jetzt die vier Goldflächen4, die zur Auslenkung der Membran und zur Spiegelabstandsbestimmung dienen. Die Rückseite der Membran ist zentrisch mit einer Absorptionsschicht13 bedampft.Fig. 3 is therefore again in detail the sequence of layers described:Figure 3, reference numeral9 is the thin membrane, the nearly entire surface on its upper side - carries insulating layer14 - except for the centriccircle.. The gold tracks7 are vapor-deposited on them, which are covered again by an insulating layer6 except for the outermost tips. The platinum tracks11 follow, which ensure the series connection of the individual thermocouples. Another insulation layer12 covers the entire thermopile. The four gold surfaces4 , which are used for deflecting the membrane and for determining the mirror spacing, now sit above it. The back of the membrane is centrally vaporized with an absorption layer13 .

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Rückseite des Infrarot-Filteroberteils100. Dabei istFig. 4, Bezugszeichen1, der Silizium-Wafer,Fig. 4, Bezugszeichen3 sind die vier Membrandurchbrüche,Fig. 4, Bezugszeichen13, der aufgedampfte Absorber.Fig. 4, Bezugszeichen9 stellt die Membranfläche dar,Fig. 4, Bezugszeichen15 sind die schräg geätzten Flanken zwischen Membran und Silizium-Wafer.Fig. 4 shows a plan view of the back of the infrared filter top part100. Here,Fig. 4, reference numeral1, the silicon wafer,Fig. 4, reference numeral3, the four membrane perforations,Fig. 4, reference numeral13, the vapor-deposited absorber.FIG. 4, reference number9 represents the membrane surface,FIG. 4, reference number15 are the obliquely etched flanks between the membrane and the silicon wafer.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf das Infrarot-Filterunterteil200.Fig. 5, Bezugszeichen16 ist ein etwas größerer Silizium-Wafer, in den eine Mulde17 mit vier daran angeschlossenen Gräben geätzt ist. Anschließend wird der geätzte Wafer mit einer dünnen Isolierschicht überzogen, dann wird die Mulde mit den Gräben goldbedampft. Auf die Waferoberfläche werden symmetrisch vier Goldbahnen18 strukturiert, die die Kontaktierung für die vier Goldflächen2 der Membran bilden. Zwei weitere Goldbahnen19 kontaktieren analog die Thermosäule.Fig. 5 shows a plan view of the infrared filter sub-section200.Fig. 5, reference numeral16 is a somewhat larger silicon wafer is etched in a trough17 with four connected thereto trenches. Then the etched wafer is coated with a thin insulating layer, then the trench is gold-plated with the trenches. Four gold tracks18 , which form the contact for the four gold surfaces2 of the membrane, are structured symmetrically on the wafer surface. Two further gold tracks19 contact the thermopile analogously.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt entlang der Linie C-C' inFig. 5.Fig. 6, Bezugszeichen16 stellt den Silizium-Wafer dar, in den eine Mulde mit den Gräben20 geätzt ist. Auch hier sind die aufgebrachten Schichten21 in diesem Maßstab nicht detailliert darstellbar, weshalb inFig. 7 die genaue Schichtenfolge dargestellt ist.FIG. 6 shows a section along the line CC ′ inFIG. 5.FIG. 6, reference number16 represents the silicon wafer into which a trough with the trenches20 is etched. Here, too, the applied layers21 cannot be represented in detail on this scale, which is why the exact layer sequence is shown inFIG. 7.

Fig. 7, Bezugszeichen16 ist der Silizium-Wafer, in den die Mulde geätzt ist. Die Ätztiefe25 entspricht circa dem maximalen Spiegelabstand. Die isolierenden Schichten sind inFig. 7, Bezugszeichen22 wiedergegeben,Fig. 7, Bezugszeichen23 entspricht den verschiedenen Goldstrukturen. Die Rückseite ist mit einer Antireflexstruktur24 versehen.Fig. 7, reference numeral16 is the silicon wafer, in which the trough is etched. The etching depth25 corresponds approximately to the maximum mirror distance. The insulating layers are shown inFIG. 7, reference symbol22 ,FIG. 7, reference symbol23 corresponds to the different gold structures. The rear is provided with an anti-reflective structure24 .

InFig. 8 ist eine Draufsicht auf die Rückseite des Infrarot-Filterunterteiles200 dargestellt.Fig. 8, Bezugszeichen16 ist der Silizium-Wafer, die sich in der Mitte befindliche Antireflex-Struktur wird vonFig. 8, Bezugszeichen24 repräsentiert.InFIG. 8 is a top view is shown on the back of the infrared filter lower part200thFIG. 8, reference numeral16 is the silicon wafer, the antireflective structure located in the middle is represented byFIG. 8, reference numeral24 .

Fig. 9 zeigt die Montage der beiden Infrarot-Filterteile übereinander; oben das Filteroberteil100 (Fig. 9, Bezugszeichen1) in Form der Membran und unten das Filterunterteil200 (Fig. 9, Bezugszeichen196) mit der Mulde. Der die detektierte Wellenlänge bestimmende Spiegelabstand d ist durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet.Fig. 9 shows the assembly of the two infrared filter parts one above the other; the upper filter part100 (FIG. 9, reference number1 ) in the form of the membrane and the lower filter part200 (FIG. 9, reference number196 ) with the depression. The mirror distance d determining the detected wavelength is identified by a double arrow.

Durch Anlegen einer Gleichspannung U kann die Resonatorlänge d elektrostatisch eingestellt und geregelt werden, wobei diese durch Messung der Kapazität zwischen den Spiegelflächen bestimmt werden kann.By applying a DC voltage U, the resonator length delectrostatically adjusted and controlled, thisdetermined by measuring the capacitance between the mirror surfacescan be.

Der vorgestellte abstimmbare IR-Sensor erweitert die Einsatzmöglichkeiten der Spektralanalyse erheblich durch den portablen Aufbau, die Anwendung bei Zimmertemperatur, sowie die niedrigen Kosten und die geringe Baugröße.The tunable IR sensor presented extends thePossible uses of spectral analysis significantly through theportable construction, use at room temperature, as well as thelow cost and small size.