DE102009045724B3

DE102009045724B3 - Photoakustischer Gassensor sowie Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung

Info

Publication number: DE102009045724B3
Application number: DE102009045724A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof. Dr. Schade
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2029-10-16
Also published as: EP2488851A1; US9068926B2; US20120260719A1; WO2011045221A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen photoakustischen Gassensor, enthaltend einen Resonanzkörper und eine Einrichtung zur Erkennung einer Schwingung des Resonanzkörpers, welche eine Einrichtung zur optischen Erfassung des Ortes von zumindest einer Teilfläche des Resonanzkörpers enthält, wobei der Resonanzkörper und die Einrichtung zur Erkennung einer Schwingung auf genau einem Substrat angeordnet sind, und der Resonanzkörper durch zumindest eine erste Aussparung des Substrates gebildet ist und das Substrat ein Halbleitermaterial enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung und Verwendung solcher Gassensoren.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen photoakustischen Gassensor, enthaltend einen Resonanzkörper, welcher einen zur Aufnahme nachzuweisender Moleküle bestimmten Raum zumindest teilweise begrenzt und eine Einrichtung zur Erkennung einer Schwingung des Resonanzkörpers.
Aus A. A. Kosterev et al.: Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, Optics Letters, Vol. 27, No. 21 (2002) 1902 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Diese Schrift offenbart die Verwendung eines gabelförmigen Quarzkristalls als hochempfindliches Mikrofon, mit welchem Druckschwankungen in einer Gasphase detektierbar sind. Die Druckschwankungen werden gemäß dem bekannten Verfahren mittels einer Laserdiode erzeugt, welche mittels spektral schmalbindiger Strahlung die Moleküle der Gasphase selektiv anregt. Aufgrund des großen Gütefaktors des zum Nachweis verwendeten gabelförmigen Quarzkristalls kann die photoakustische Messung mit großer Sensitivität durchgeführt werden. Die anregende Lichtquelle mit zugehöriger Steuerelektronik sowie die Auswerteelektronik sind von dem eigentlichen Gassensor getrennt.
Das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, dass die Materialauswahl für die Herstellung von Mikrostimmgabeln auf piezoelektrische Materialien beschränkt ist. Weiter wird zur Signaldetektion eine Piezospannung gemessen, welche oftmals nur einige Nano- bzw. Pikovolt beträgt. Dadurch ist die Messung durch elektrische Störsignale leicht zu beeinflussen. Weiterhin ist der Platzbedarf des Gassensors durch den Platzbedarf der anregenden Lichtquelle mit zugehöriger Steuerelektronik sowie der Auswerteelektronik begrenzt, so dass eine mobile Anwendung nicht möglich ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gasanalytik bereitzustellen, welche eine Messung mit größerer Zuverlässigkeit erlaubt und eine kompakte Bauform aufweist.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe wird gelöst durch einen photoakustischen Gassensor, enthaltend einen Resonanzkörper und eine Einrichtung zur Erkennung einer Schwingung des Resonanzkörpers, welche eine Einrichtung zur optischen Erfassung des Ortes von zumindest einer Teilfläche des Resonanzkörpers enthält, wobei der Resonanzkörper und die Einrichtung zur Erkennung einer Schwingung auf genau einem Substrat angeordnet sind, und der Resonanzkörper durch zumindest eine erste Aussparung des Substrates gebildet ist, wobei das Substrat ein Halbleitermaterial enthält.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Substrat Silizium enthält. Dadurch ist eine einfache und kostengünstige Herstellung des Gassensors mit bekannten Verfahren und Vorrichtungen der Mikroelektronik und der Mikromechanik möglich.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Resonanzkörper zumindest zwei in etwa parallel angeordnete Elemente aufweist, welche jeweils mit einem Fußpunkt an einem Verbindungselement fixiert sind und an ihrem dem Fußpunkt entgegen gesetzten Ende frei auskragen, wobei zwischen beiden Elementen eine zweite Aussparung ausgebildet ist und zwischen dem Substrat und einem Element die erste Aussparung. Dadurch ist die Einrichtung zum Auslesen des Signals und die Einrichtung zur optischen Anregung der zu untersuchenden Moleküle in einer Ebene angeordnet, so dass eine besonders einfache Integration in ein Substrat möglich wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung zur Erkennung einer Schwingung ein Interferometer enthält, welches zumindest zwei Lichtwellenleiter enthält, welche in einem Teilabschnitt parallel geführt sind, so dass ein Übersprechen der jeweils in den Lichtwellenleitern geführten Signale möglich ist. Unter Übersprechen wird im Sinne der vorliegenden Beschreibung die gegenseitige Beeinflussung der beiden parallel geführten Wellenleiter verstanden, so dass ein in den ersten Wellenleiter eingekoppeltes Signal auch im zweiten Wellenleiter nachgewiesen werden kann. Dabei kann die Amplitude der Signale in beiden Wellenleitern unterschiedlich sein. Ein solches Interferometer kann durch Trocken- und/oder Tiefenätzen in das Substrat eingebracht werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Wechselwirkung von kurzen Lichtpulen mit dem Substrat zu nutzen, um Wellenleiter in das Substrat hinein zu schreiben. Die einzelnen Lichtpulse können eine Pulslänge von weniger als 200 fs aufweisen. In dieser Weise kann ein Wellenleiter in einer vorgebbaren Tiefe innerhalb des Substrates angeordnet werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Einrichtung zur Erzeugung von Licht und/oder eine Einrichtung zum Nachweis von Licht und/oder eine Einrichtung zur elektronischen Signalverarbeitung und/oder eine Einrichtung zur Energieversorgung auf dem Substrat integriert ist. Demnach kann die zumindest eine Einrichtung eine Photodiode, eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode sein. Weiterhin kann das zumindest eine Bauelement ein Signalverstärker, ein A/D-Wandler, ein Diskriminator, eine Sendeeinrichtung für ein Datensignal oder eine Empfangseinrichtung für ein Datensignal sein. Darüber hinaus kann die zumindest eine Einrichtung einen Kondensator oder eine Solarzelle zur Stromversorgung weiterer Einrichtungen enthalten.
Eine Einrichtung zur Erzeugung von Licht und/oder eine Einrichtung zum Nachweis von Licht und/oder eine Einrichtung zur elektronischen Signalverarbeitung und/oder eine Einrichtung zur Energieversorgung kann eine Mehrzahl unterschiedlicher elektronischer Bauelemente enthalten, wie Kondensatoren, Widerstände, Induktivitäten, Dioden, Transistoren, Mikrocontroller, Mikroprozessoren, Speichereinrichtungen und weitere, nicht explizit genannte Bauelemente.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein elektronisches Bauelement in CMOS-Technik auf dem Substrat ausgeführt ist. Dies erlaubt die Erzeugung von elektronischen, optischen und mikromechanischen Bauelementen im selben Prozess.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein elektronisches Bauelement mittels Flip-Chip-Bonding mit dem Substrat verbunden ist. Dadurch können Bauelemente auf dem Substrat integriert werden, welche zumindest ein Halbleitermaterial enthalten, welches sich vom Halbleitermaterial des Substrates unterscheidet.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Gassensor weiterhin zumindest einen Resonator enthält, welcher einen zur Aufnahme von nachzuweisenden Molekülen bestimmten Raum zumindest teilweise begrenzt. Dadurch wird die Sensitivität des Nachweises gesteigert und die Baugröße des Gassensors verringert.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Resonator mittels eines Bondverfahrens mit dem Substrat verbunden ist oder monolithisch auf dem Substrat integriert ist. Auf diese Weise kann die Anzahl und/oder die Größe der Resonatoren in weiten Grenzen variiert werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Resonator einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Der Querschnitt kann eine Länge und/oder Breite von etwa 100 μm bis etwa 1000 μm aufweisen. Die Längsersteckung des Resonators kann etwa 1 mm – etwa 10 mm betragen. Die Maße können auf die Wellenlänge einer sich ausbildenden stehenden Welle abgestimmt sein. Hierdurch kann die Kopplung der photoakustisch induzierten Welle an den zum Nachweis verwendeten Resonanzkörper verbessert werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in der Begrenzungswand des Resonators zumindest eine Bohrung angebracht ist. Eine solche Bohrung kann einen Durchmesser von etwa 10 μm bis etwa 1000 μm aufweisen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Gassensor zumindest einen Kontaktlayer enthält, über welchen zumindest zwei elektronische Bauelemente elektrisch verbunden sind. Der Kontaktlayer kann ein Metall oder eine Legierung oder ein mit einem Dotierstoff versehenes Halbleitermaterial enthalten. Eine Mehrzahl von Kontaktlayern kann durch zumindest eine Schicht getrennt sein, welche einen Isolator oder ein nicht mit einem Dotierstoff versehenes Halbleitermaterial enthält.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Gassensor zumindest einen optischen Wellenleiter enthält, welcher in Silicon-on-Insulator-Technik (SOI) auf und/oder in dem Substrat integriert ist.
Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zum photoakustischen Nachweis von Molekülen in der Gasphase, welches die folgenden Schritte enthält: Einbringen der nachzuweisenden Moleküle in einen Raum, welcher von zumindest einem mikromechanischen Resonator zumindest teilweise begrenzt ist, Zuführen von Licht zur Anregung eines photoakustischen Signals in den zur Aufnahme der nachzuweisenden Moleküle bestimmten Raum, Erkennen einer Schwingung eines Resonanzkörpers durch optische Erfassung des Ortes von zumindest zwei Teilflächen des Resonanzkörpers und Übertragen eines die Schwingung des Resonanzkörpers repräsentierenden Signals mittels eines Funksignals.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Funksignal ein WLAN-Signal und/oder ein Bluetooth-Signal enthält. Hierdurch kann der Gassensor mit einer Einrichtung zur Datenverarbeitung oder mit einer Einrichtung zur Datenübertragung verbunden werden. Auf diese Weise ist die Übertragung über größere Entfernungen möglich, beispielsweise über ein LAN, ein WAN oder ein Mobilfunknetz.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass durch das Zuführen von Licht eine stehende akustische Welle in dem Resonator ausgebildet wird. Hierdurch ergibt sich eine Verstärkung des photoakustischen Signals
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest einer Einrichtung zum Zuführen von Licht und/oder zumindest einer Einrichtung zum Erkennen der Schwingung des Resonanzkörpers und/oder zumindest einer Einrichtung zum Übertragen eines die Schwingung des Resonanzkörpers repräsentierenden Signals Energie mittels zumindest einer Solarzelle zugeführt wird. Dies ermöglicht einen autarken und wartungsfreien Betrieb des Gassensors.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Solarzelle zumindest bei Betrieb des Gassensors Umgebungslicht auf die Solarzelle einfällt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Solarzelle zumindest bei Betrieb des Gassensors mit einer Kunstlichtquelle bestrahlt wird. Dabei kann vorgesehen sein, durch gezieltes Ein- und Ausschalten der Kunstlichtquelle den Gassensor ein- und auszuschalten.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Kunstlichtquelle in einer zur Allgemeinbeleuchtung eines Raumes eingesetzten Leuchte enthalten sein.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Gassensor zumindest einen Kondensator enthält. Dadurch kann elektrische Energie gespeichert werden und die Energieversorgung des Gassensors auch dann sichergestellt werden, wenn kein Licht auf den Gassensor fällt.
Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zur Herstellung eines Gassensors, enthaltend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Substrates, welches ein Halbleitermaterial enthält, Erzeugen von zumindest einem elektronischen Bauelement zur Erzeugung von Licht und/oder zum Nachweis von Licht und/oder zur elektronischen Signalverarbeitung und/oder zur Energieversorgung auf dem Substrat, Einbringen von zumindest einer ersten Aussparung und/oder einer zweiten Aussparung in das Substrat.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Einbringen von zumindest einer ersten Aussparung und/oder einer zweiten Aussparung in das Substrat mittels eines Ätzverfahrens erfolgt. Dies kann ein trockenchemischer Ätzschritt sein.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verfahren weiterhin den Schritt enthält, einen Resonator herzustellen, welcher einen zur Aufnahme von nachzuweisenden Molekülen bestimmten Raum zumindest teilweise begrenzt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Resonator mit dem Substrat mittels Bonden verbunden wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Resonator monolithisch auf dem Substrat erzeugt wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Bauelement in CMOS-Technik auf dem Substrat erzeugt wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Bauelement mittels Flip-Chip-Bonding mit dem Substrat verbunden wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Gassensor zur Prozesssteuerung in industriellen Anlagen oder Heizungsanlagen eingesetzt wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Gassensor zur Raumluftüberwachung eingesetzt wird. Hierzu eignet sich insbesondere die Messung des Anteils von CO₂ und/oder H₂O in der Raumluft. Das Ausgangssignal des Gassensors kann zur Steuerung einer Lüftungs- oder Klimaanlage verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Gassensor zur Atemgasüberwachung eingesetzt wird. Dies kann die Bestimmung des CO₂- und/oder O₂- und/oder Aceton- und/oder Alkoholgehaltes umfassen. Entsprechend kann mit dem Gassensor eine Atemalkoholmessung durchgeführt werden oder eine Azetonämie erkannt werden oder ein Beatmungsgerät geregelt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Gassensor Gasausdünstungen über die Haut eines Lebewesens erfasst. Dies kann die Bestimmung des Acetongehaltes umfassen. Entsprechend kann mit dem Gassensor eine Azetonämie erkannt werden, so dass der Gassensor zur Behandlungssteuerung bei Diabetes eingesetzt werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Gassensor zur Ermittlung der Zusammensetzung eines Brenngases eingesetzt wird. Damit kann der Brennwert eines Brenngases mit wechselnder Zusammensetzung zuverlässig überwacht werden, beispielsweise der Brennwert eines Biogases aus einer Biogasanlage. Dies erlaubt die Steuerung bzw. Regelung des Energieumsatzes der mit dem Brenngas betriebenen Brennkraftmaschine.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Gassensor zur Brandschutzüberwachung eingesetzt wird. Hierzu kann vorgesehen sein, den Gehalt an CO_x und/oder NO_x in der Raumluft zu erfassen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Gassensor zur Überwachung von Lebensmitteln, wie beispielsweise Obst und Gemüse, und Pflanzen in Kühlcontainern eingesetzt wird. Hierzu kann vorgesehen sein, den Gehalt an Ethen (C₂H₄), CO₂, H₂O, O₂ und/oder N₂ in der Umgebungsluft zu erfassen. In einigen Ausführungsformen kann das Sensorsignal als Eingangssignal einer Steuerung und/oder Regelung eingesetzt werden, mit welcher die Leistung zumindest eines Kühlaggregates gesteuert und/oder geregelt wird. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch und die CO2-Emission des Kühlaggregates gesenkt werden.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gassensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt ein Detail einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors.
3 zeigt einen Teilbereich eines Gassensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt einen Teil eines Gassensors mit einem modularen Aufbau.
5 zeigt eine Explosionszeichnung des Gassensors mit modularen Aufbau.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt einen photoakustischen Gassensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Gassensor 1 ist dazu vorgesehen, die Anwesenheit und/oder die Menge einer oder mehrerer Molekülspezies in einer dem Gassensor 1 zugeführten, zu untersuchenden Gasphase zu erfassen.
Der Gassensor 1 enthält ein Substrat 50. Das Substrat 50 kann Silizium enthalten. Das Silizium kann zur Einstellung einer vorgebbaren elektrischen Leitfähigkeit mit einem Dotierstoff versehen werden, beispielsweise Bor, Aluminium, Gallium, Stickstoff, Phosphor oder Arsen. Das Substrat kann ein einkristallines Substrat sein. Das Substrat kann eine Dicke von etwa 0,1 mm bis etwa 1 mm aufweisen. Die Oberfläche des Substrates kann mit einem isolierenden Dielektrikum versehen sein, beispielsweise einem Oxid, einem Nitrid oder einem Oxinitrid.
Zum Nachweis photoakustisch induzierter Schwingungen enthält der Gassensor 1 einen Resonanzkörper 11. Der Resonanzkörper 11 enthält in der dargestellten Ausführungsform zumindest zwei, etwa parallel angeordnete, längliche Elemente 113 und 114. Jedes der Elemente 113 und 114 ist mit seinem Fußpunkt 112 an einem Verbindungselement 111 fixiert. Das dem Fußpunkt 112 entgegen gesetzte Ende 115 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung frei auskragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Ende 115 mit einem Resonator 70 in Kontakt stehen oder zur Befestigung des Resonators 70 am Substrat 50 dienen.
In einigen Ausführungsformen können die parallel angeordneten Elemente 113 und 114 durch Einbringen einer ersten Aussparung 51 und einer zweiten Aussparung 52 in das Substrat 50 gebildet werden. In diesem Fall können die Elemente 113 und 114 sowie das Verbindungselement 111 und das Substrat 50 einstückig ausgeführt werden. Die Aussparungen 51 und 52 können durch nass- oder trockenchemisches Ätzen erhalten werden. Hierzu können Teilflächen des Substrates 50 durch eine Maske vor dem korrosiven Angriff des Ätzmittels geschützt werden. Hierzu kann ein Photolack oder eine Hartmaske eingesetzt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Aussparungen 51 und 52 durch spanende Bearbeitung hergestellt werden, beispielsweise durch Mikroschleifen oder Mikrofräsen. In wieder einer anderen Ausführungsform können die Aussparungen 51 und 52 durch Lasermaterialbearbeitung erzeugt werden, beispielsweise durch Laserablation oder durch Belichten und Ätzen des Substrates 50. Hierzu kann ein gepulster Laser eingesetzt werden, welcher in einigen Ausführungsformen eine Pulsdauer von weniger als 200 fs aufweist.
Zum photoakustischen Nachweis von Molekülen in der zu untersuchenden Gasphase weist der vorgeschlagene Gassensor 1 zumindest einen Resonator 70 auf. Der Resonator 70 enthält einen Hohlkörper, beispielsweise in Form eines Zylinders oder eines Prismas. In 1 dargestellt ist ein quaderförmiger Hohlkörper. Der Resonator kann eine Längserstreckung von etwa 1 mm bis etwa 10 mm aufweisen. Die Kantenlänge bzw. der Durchmesser der Stirnfläche 74 kann etwa 1 μm bis etwa 500 μm betragen. Sofern die Stirnfläche 74 rechteckig ist, können beide Kanten eine identische Kantenlänge aufweisen oder aber eine unterschiedliche Kantenlänge.
Die Mantelfläche des Resonators 70 kann eine Mehrzahl von Bohrungen 73 aufweisen, um den Zutritt der zu untersuchenden Gasphase in den Innenraum 18 zu ermöglichen oder um den Gasaustausch zwischen dem Innenraum 18 des Resonators 70 und dem Außenraum zumindest zu beschleunigen.
Der Resonator 70 kann aus dem Material des Substrates 50 hergestellt und monolithisch in den Gassensor 1 integriert sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Resonator 70 aus einem separaten Substrat in einem eigenen Herstellungsprozess hergestellt sein, beispielsweise mittels Ätzen oder Laserablation, und an einer vorbestimmten Stelle des Substrates 50 gebondet werden. Auf diese Weise kann für den Resonator 70 ein Material gewählt werden, dessen chemische Beständigkeit und/oder Bearbeitbarkeit für den jeweiligen Anwendungszweck optimiert ist. Die Bondverbindung kann an einer der Aussparung 51 zugewandten Stirnfläche 53 des Substrates 50 erfolgen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Bondverbindung auch an dem Ende 115 eines der in etwa parallel angeordneten Elemente 113 oder 114 erfolgen.
Im Betrieb des Gassensors 1 wird in den Resonator 70 Licht zumindest einer vorgebaren Wellenlänge und/oder Pulsform eingestrahlt. Die Wellenlänge ist dabei auf die Energiedifferenz zwischen dem Grundzustand und zumindest einem angeregten Zustand des nachzuweisenden Moleküls abgestimmt, so dass eine resonante Absorption des eingestrahlten Lichtes ermöglicht wird. In Abhängigkeit der nachzuweisenden Molekülspezies und des ausgewählten Überganges kann das Licht eine Wellenlänge von etwa 3 μm bis etwa 15 nm aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wellenlänge zwischen etwa 0,8 μm und etwa 3 μm gewählt werden.
Die Lichtabsorption durch die zu untersuchenden Gasphase im Resonator 70 kann eine stehende akustische Welle im Inneren des Resonators 70 induzieren. Die Länge des Resonators 70 kann so ausgewählt sein, dass die maximale Intensität der stehenden akustischen Welle in der Mitte der Längserstreckung des Resonators liegt. An dieser Stelle kann zumindest eine Öffnung 72 angeordnet sein, durch welche zumindest ein Teil der Schallleistung entweicht. Wie in 1 ersichtlich, mündet die Öffnung 72 in der zweiten Aussparung 52, sodass die akustische Welle an die länglichen Elemente 113 und/oder 114 ankoppeln kann.
Durch das Einwirken der im Resonator 70 erzeugten akustischen Welle wird zumindest eines der länglichen Elemente 113 oder 114 in Schwingung versetzt. Die Amplitude dieser Schwingung variiert dabei mit der Intensität der einwirkenden Schallwelle, welche wiederum von der Konzentration der absorbierenden Moleküle im Innenraum 18 des Resonators 70 abhängt. Auf diese Weise ist die Amplitude der Schwingung des Elementes 114 und/oder 113 ein Maß für die Konzentration der nachzuweisenden Moleküle in der zu untersuchenden Gasphase.
Die Schwingung des Resonanzkörpers 11 wird mittels eines Interferometers 30 ausgelesen. In der dargestellten Ausführungsform enthält das Interferometer 30 zumindest zwei Lichtwellenleiter 32 und 33, welche in einem Teilabschnitt 34 parallel geführt sind, sodass ein Übersprechen der jeweils in den Lichtwellenleitern 32 und 33 geführten Signale möglich ist. Das Übersprechen der Signale im Teilabschnitt 34 führt zu einer evaneszenten Kopplung der in den Wellenleitern 32 und 33 geführten Signale.
Um die Schwingung des Resonators 11 zu detektieren wird mittels einer kohärenten Lichtquelle 35, beispielsweise einer Laserdiode, ein abfragendes Lichtsignal erzeugt und in den Wellenleiter 32 eingekoppelt. Durch die evaneszente Kopplung der Wellenleiter tritt das Licht der Lichtquelle 35 aus beiden Mündungen der Lichtwellenleiter 32 und 33 in die Aussparung 51 aus. Nachfolgend wird das Licht an zwei Teilflächen 116 des Elementes 114 reflektiert. Das reflektierte Licht wird zumindest teilweise in die Wellenleiter 32 und 33 eingekoppelt. Aufgrund des unterschiedlichen Abstandes zum Verbindungselement 111 schwingen beide Teilflächen mit unterschiedlicher Amplitude, so dass das an den jeweiligen Teilflächen 116 reflektierte Licht einen Gangunterschied bzw. eine Phasenverschiebung erfährt. Durch die evaneszente Kopplung der beiden reflektierten Lichtsignale im Teilabschnitt 34 der Lichtwellenleiter 32 und 33 wird diese Phasenverschiebung in ein Interferenzmuster abgebildet, welches mit einem Detektor 36 nachgewiesen wird, beispielsweise einer Photodiode.
Zur Ansteuerung der kohärenten Lichtquelle 35 und zur Aufbereitung der Signale des Detektors 36 steht eine Einrichtung 17 zur Verfügung. Die Einrichtung 17 enthält zumindest ein elektronisches Bauelement 171, beispielsweise einen Widerstand, einen Kondensator, eine Induktivität, eine Diode, einen Transistor oder ein komplexeres, aus mehreren Bauelementen zusammengesetztes Bauelement, wie einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller, einen Verstärker, einen Diskriminator, einen A/D-Wandler oder einen Speicher.
Das von der Einrichtung 17 empfangene Signal des Detektors 36 kann nach seiner Verarbeitung in der Einrichtung 17 über eine elektrische oder optische Datenverbindung 80 an die Einrichtung 60 weitergereicht werden. Auch die Einrichtung 60 kann zumindest eines der oben genannten Bauelemente enthalten, um die empfangenen Signale zu digitalisieren, zu speichern oder zu senden. Hierzu kann die Einrichtung 60 dafür eingerichtet sein, die Daten in einem nicht-flüchtigen Speicher abzulegen, beispielsweise einem Flash-Speicher. Alternativ oder kumulativ kann die Einrichtung 60 dazu eingerichtet sein, die empfangenen Daten mittels einer Funkschnittstelle 61 zu übertragen. Beispielsweise kann die Funkschnittstelle 61 nach dem an sich bekannten Bluetooth-Standard oder nach dem WLAN-Standard arbeiten. Die Funkschnittstelle 61 kann die Daten auf diese Weise an eine Datenverarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer, senden, wo diese weiter ausgewertet und/oder visualisiert und/oder gespeichert werden können. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Daten mittels der Funkschnittstelle 61 an eine Einrichtung zur Datenübertragung gesendet werden, welche die Daten an eine weiter entfernte Datenverarbeitungseinrichtung sendet. Die Einrichtung zur Datenübertragung kann beispielsweise ein Mobiltelefon enthalten.
Das zur Erzeugung des photoakustischen Signals erforderliche Licht wird mittels zumindest einer Lichtquelle 40 erzeugt. Die Lichtquelle 40 kann kohärentes Licht erzeugen. Die Lichtquelle 40 kann dazu eingerichtet sein, Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu emittieren bzw. die Lichtquelle 40 kann eine zwischen einer oberen und einer unteren Grenzfrequenz durchstimmbare Lichtqulle sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Vielzahl von Lichtquellen 40 vorhanden sein, wodurch sich entweder die Intensität des ausgesandten Lichtes steigern lässt oder eine Mehrzahl unterschiedlicher Wellenlängen zur Anregung unterschiedlicher Moleküle durch jeweils zugeordnete Lichtquellen bereitgestellt werden kann. In 1 dargestellt sind vier Lichtquellen, welche beispielsweise in Form von Leuchtdioden oder Diodenlasern auf dem Substrat 50 integriert sein können.
Das Licht der Lichtquellen 40 wird mittels zugeordneter Wellenleiter zu einem Multiplexer 41 geleitet, welcher ebenfalls auf dem Substrat 50 angeordnet ist. Vom Multiplexer 41 geht ein Wellenleiter 42 aus, welcher an der Stirnfläche 53des Substrates 50 mündet. Da der Resonator 70 mit seiner Schmalseite ebenfalls an der Stirnfläche 53 mündet, kann das Licht aus dem Wellenleiter 42 aus- und in den Resonator 70 eintreten. Der Resonator 70 wird sodann vom Freistrahl 43 durchstrahlt, wobei das Licht, wie bereits oben beschrieben, ein photoakustisches Signal im Innenraum 18 des Resonators 70 anregt.
Ein Vorteil der in 1 beschriebenen Anordnung gegenüber bisher bekannten Gassensoren liegt darin, dass das Auslesen der photoakustisch induzierten Schwingung des Resonanzkörpers 11 und die optische Anregung des photoakustischen Signals im Resonator 70 in einer Ebene erfolgt. Dadurch ist eine einfache Herstellung durch konventionelle Ätztechnologien und die kostengünstige Fertigung großer Stückzahlen auf einem einzigen Wafer möglich.
Weiterhin weist der Gassensor 1 eine Ansteuerelektronik 44 auf, welche elektrische Steuersignale für die Lichtquellen 40 erzeugt. Die elektrischen Steuersignale können beispielsweise vorsehen, dass die Lichtquellen 40 zyklisch angesteuert werden, um zyklisch eine Mehrzahl unterschiedlicher Wellenlängen auszusenden und auf diese Weise zyklisch eine Mehrzahl unterschiedlicher Moleküle nachzuweisen. Eine durchstimmbare Lichtquelle 40 kann mittels elektrischer Signale aus der Einrichtung 44 in der Wellenlänge verändert werden. Weiterhin kann die Einrichtung 44 die erforderlichen stabilisierten Betriebsströme und/oder Spannungen für den Betrieb der Lichtquellen 40 bereitstellen.
Des Weiteren kann die Einrichtung 44 dazu verwendet werden, die Lichtquellen 40 gepulst zu betreiben. In einigen Ausführungsformen kann die Pulsfrequenz in etwa der Resonanzfrequenz des Resonanzkörpers 11 entsprechen. Auf diese Weise kann mittels eines Lock-In-Verstärkers eine besonders untergrundarme bzw. rauscharme Messung des photoakustischen Signals erfolgen. Ein solcher Lock-In-Verstärker kann beispielsweise in der Einrichtung 17 zur Signalverarbeitung und/oder in der Einrichtung 44 zur Ansteuerung der kohärenten Lichtquellen 40 integriert sein.
Weiterhin kann die Einrichtung 44 dazu vorgesehen sein, Messungen in vorgebbaren Zeitintervallen zu veranlassen, sodass eine kontinuierliche Überwachung der den Gassensor umgebenden Gasatmosphäre mit einer bestimmten, vorgebbaren zeitlichen Auflösung erfolgt.
Zur Stromversorgung der Einrichtung 44, der Einrichtung 17, der Einrichtung 60 sowie der Lichtquellen 35 und 40 steht eine Einrichtung 20 zur Energieversorgung zur Verfügung. Die Einrichtung 20 kann zumindest eine Solarzelle 22 enthalten, welche aus Umgebungslicht oder aus speziell zu diesem Zweck dem Gassensor 1 zugeführten Licht aus einer künstlichen Lichtquelle die erforderliche Elektrizität generiert. Durch ein- oder ausschalten der Lichtquelle kann dann der Gassensor 1 ein- oder ausgeschaltet werden.
Durch die Integration der Solarzelle 22, ist der Gassensor 1 völlig autark und kann entweder als diskretes Gassensorelement alleine oder als Bestandteil weiterer elektrischer bzw. elektronischer Geräte eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Gassensor 1 in eine Leuchte zur Allgemeinbeleuchtung eines Raumes eingesetzt werden und auf diese Weise die Raumluft überwachen, während die Leuchte brennt bzw. Umgebungslicht aus einer Fensteröffnung auf die Leuchte einfällt.
Weiterhin kann die Einrichtung 20 einen oder mehrere Kondensatoren aufweisen, welche die elektrische Energieversorgung auch dann sicherstellen, wenn die Solarzelle 22 abgeschattet ist.
Weiterhin kann die Einrichtung 20 eine Schnittstelle 21 aufweisen, über welche mittels einer drahtgebundenen, einer drahtlosen oder einer faseroptischen Verbindung gespeicherte Messdaten aus dem Gassensor 1 ausgelesen werden können oder ein abzuarbeitendes Messprogramm in die Einrichtung 44 geladen werden kann. Im Falle einer drahtgebundenen Schnittstelle 21 kann diese auch dazu herangezogen werden, dem Gassensor 1 elektrische Energie zuzuführen. In diesem Fall kann die Solarzelle 22 in einigen Ausführungsformen der Erfindung auch entfallen.
Sofern das Substrat 50 ein Siliziumsubstrat enthält, können die elektronischen Bauelemente 22 und 171 der Einrichtungen 44, 20, 17 und 60 zumindest teilweise in CMOS-Technik unmittelbar auf dem Substrat 50 erzeugt werden. Auf diese Weise ergibt sich ein kompakter und störungsunempfindlicher Aufbau des Gassensors 1. Da sowohl die mikromechanischen als auch die elektronischen und photonischen Bauelemente des Gassensors 1 in an sich bekannter Weise mit bekannten Techniken der Halbleiterfertigung erfolgt, kann der Gassensor 1 in großen Stückzahlen kostengünstig bereitgestellt werden.
Zur elektrischen Verbindung der unterschiedlichen elektronischen Einrichtungen 17, 20, 44 und 60 sowie der Lichtquellen 35 und 40 und dem Detektor 36 kann zumindest eine Metallisierungsebene vorgesehen sein, welche in an sich bekannter Weise auf das Substrat 50 aufgebracht und mittels eines Fotolackes strukturiert werden kann.
Die Wellenleiter 32, 33 und 42 können beispielsweise als Rippenwellenleiter oder als Schichtwellenleiter ausgebildet sein. Auf diese Weise können auch die Wellenleiter mit etablierten Verfahren der Halbleitertechnik auf dem Substrat 50 integriert werden. In einigen Ausführungsformen können auch Laserpulse zum Einschreiben der Wellenleiter in das Substrat verwendet werden.
Die photonischen Bauelemente, wie die Lichtquellen 40 und 35 sowie der Detektor 36 können in einigen Ausführungsformen der Erfindung auch ein anderes Halbleitermaterial enthalten als das Substrat 50, beispielsweise ein Gruppe III-Nitrid oder Galliumarsenid. Die photonischen Bauelemente können aus einer Mehrzahl unterschiedlicher Schichten in Form einer Quantentopf-Struktur bzw. eines Übergitters aufgebaut sein. Die photonischen Bauelemente können heteroepitaktisch auf dem Substrat 50 abgeschieden sein oder vergleichsweise einfach mittels Upside-Down-Flip-Chip-Bonding auf das Substrat 50 aufgebracht werden.
Durch die vollständige Integration der mikromechanischen Sensorelemente 11 und 70, der faseroptischen Sensorik, der Lichtquellen 40 und 35, der Signalverarbeitung 17 und 60 und der Stromversorgung 20 auf ein einziges Halbleitersubstrat 50 kann ein kompakter und im Betrieb völlig autarker Gassensor 1 bereit gestellt werden, welcher sich für den mobilen und wartungsfreien Betrieb eignet. Der Sensor kann auch an unzugänglichen Stellen und/oder in rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden.
2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Gassensors 1. Da sich die Unterschiede zur Ausführungsform gemäß 1 auf den Bereich des Resonators 70 beschränken, ist der Gassensor in 2 nicht vollständig dargestellt, sondern lediglich der Bereich des Resonanzkörpers 11 und des Resonators 70.
Der Gassensor 1 gemäß 2 enthält ebenfalls ein Substrat 50, auf welchem Wellenleiter 32, 33, 42a und 42b integriert sind, wie in Zusammenhang mit 1 beschrieben. Weiterhin kann der Gassensor gemäß 2 elektronische Bauelemente zur Signalerzeugung, zur Signalverarbeitung, zur Datenübertragung und zur elektrischen Energieversorgung aufweisen, wie in Zusammenhang mit 1 beschrieben. Exemplarisch ist in 2 lediglich die Einrichtung 60 zur Datenverarbeitung dargestellt.
Der Gassensor 1 gemäß 2 enthält einen Resonanzkörper 11 zum Nachweis photoakustischer Schwingungen, wie in Zusammenhang mit 1 beschrieben. Zur Auslese der photoakustisch induzierten Schwingung des Elementes 114 steht wiederum ein Interferometer 30 zur Verfügung, welches aus den Wellenleitern 32 und 33 gebildet wird, welche in einem Teilabschnitt 34 eine evaneszente Kopplung aufweisen.
Zur Erzeugung des photoakustisch induzierten Signals steht ein erster Resonator 70 und ein zweiter Resonator 71 zur Verfügung. Einer oder beide Resonatoren können eine Mehrzahl von Bohrungen 73 aufweisen, welche den Gasaustausch zwischen dem Innenraum 18 der Resonatoren und dem die Resonatoren umgebenden Volumen ermöglichen oder zumindest unterstützen.
Im Bereich des Resonanzkörpers 11 ist die Materialstärke des Substrates 50 beidseitig reduziert, sodass sich zwei Stirnflächen 53a und 53b beidseitig zum Resonanzkörper 11 ergeben. An diesen Stirnflächen 53a und 53b sind die Resonatoren 70 und 71 jeweils mittels Bonden befestigt.
Bei Betrieb des Gassensors 1 wird jeder Resonator 70 und 71 von Licht 43 im Freistrahl durchstrahlt, sodass sich in jedem Resonator 70 und 71 eine stehende akustische Welle ausbilden kann. Jeder der Resonatoren 70 und 71 weist eine zugeordnete Öffnung 72 auf, durch welche zumindest ein Teil der akustischen Leistung der stehenden Welle in die zweite Aussparung 52 ausgekoppelt werden kann. Auf diese Weise kann das optoakustisch induzierte Signal an den Resonanzkörper 11 ankoppeln und diesen zu einer detektierbaren Schwingung anregen.
Das Licht 43 wird jedem der Resonatoren 70 und 71 durch einen jeweils zugeordneten Wellenleiter 42a und 42b zugeführt. Die Wellenleiter 42a und 42b verlaufen in unterschiedlicher Tiefe im Substrat 50, sodass einer der Wellenleiter an der Stirnfläche 53a und der andere Wellenleiter an der Stirnfläche 53bmündet. Die Wellenleiter 42a und 42b können jeweils das Licht einer Lichtquelle 40 transportieren, sodass in beiden Resonatoren 70 und 71 dieselbe Molekülspezies nachgewiesen wird. Auf diese Weise verstärkt sich das aus den Öffnungen 72 ausgekoppelte akustische Signal und die Sensitivität des Nachweises wird erhöht. Hierzu kann die Intensität einer Lichtquelle 40 auf beide Wellenleiter 42a und 42b aufgeteilt werden, beispielsweise in etwa hälftig. In einer anderen Ausführungsform kann jedem der Wellenleiter 42a und 42b eine eigene Lichtquelle zugeordnet sein, um die Intensität zweier Lichtquellen zu nutzen.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, in jedem Wellenleiter 42a und 42b das Licht einer jeweils zugeordneten Lichtquelle 40 mit unterschiedlicher Wellenlänge zu transportieren. Dadurch kann in jeden der Resonatoren 70 und 71 eine andere Molekülspezies nachgewiesen werden, sodass die Anwesenheit zweier unterschiedlicher Molekülspezies in der zu untersuchenden Gasphase zeitgleich festgestellt werden kann. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die unterschiedlichen Wellenlängen des im Lichtwellenleiter 42a und 42b transportierten Lichtes dazu benutzt werden, unterschiedliche optische Übergänge bzw. Rotationsübergänge oder Schwingungsübergänge desselben Moleküls anzuregen, sodass die Messung einer Molekülspezies doppelt erfolgt. Auf diese Weise können die Messergebnisse plausibilisiert und die Sensitivität erhöht und/oder der Messfehler verringert werden.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform des vorgeschlagenen Gassensors. Auch 3 zeigt lediglich einen Ausschnitt aus einem Gassensorelement, wobei die im Vergleich zu 1 unverändert vorhandenen Elemente nicht dargestellt sind.
Auch der Gassensor gemäß 3 enthält ein Substrat 50, auf welchem elektronische Baugruppen 60, Wellenleiter 32 und 33und photonische Bauelemente angeordnet sein können, wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben. Auch der Gassensor gemäß 3 enthält einen Resonanzkörper 11, mit welchem photoakustisch induzierte Signale verstärkt werden können, wie im Zusammenhang mit 1 und 2 beschrieben.
Der Resonator 70 weist wiederum eine in etwa rechteckige Stirnfläche 74 auf. Die Mantelfläche des Resonators 70 kann wiederum mit Bohrungen 73 ausgestattet sein, welche den Gasaustausch zwischen dem Innenraum 18 des Resonators und seinem Außenraum erleichtern oder ermöglichen.
Da der Resonator 70 oberhalb des Resonanzkörpers 11 angeordnet ist, befindet sich die Bohrung 72, durch welche das photoakustisch induzierte Signals aus dem Resonator 70 austritt, an der dem Resonanzkörper 11 zugewandten Unterseite des Resonators 70. Um Platz für die Aufnahme des Resonators an der Stirnfläche 53 zu schaffen, sind die in etwa parallel angeordneten Elemente 113 und 114 an ihrem, dem Fußpunkt 112 entgegengesetzten Ende 115 gegenüber dem umliegenden Substrat gekürzt. An der Stirnfläche 53 mündet auch der Wellenleiter 42, über welchen das zur Anregung der Moleküle in der zu untersuchenden Gasphase vorgesehene Licht aus den Lichtquellen 40 geführt wird.
Die in 3 dargestellte Geometrie eignet sich besonders für eine monolithische Integration des Resonators 70. Hierzu wird der Resonator 70 aus dem Material des Substrates 50 hergestellt, beispielsweise durch Ätzen oder Lasermaterialbearbeitung oder spanende Bearbeitung. Schließlich kann der Resonator 70 vom Resonanzkörper 11 freigestellt werden, indem gleichzeitig oder sequenziell mit der ersten Aussparung 51 und der zweiten Aussparung 52 auch der Spalt 117 erzeugt wird, durch welchen der Resonator 70 vom Ende 115 der länglichen Elemente 113 und 114 getrennt wird.
4 und 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des vorgeschlagenen Gassensors mit einem modularen Aufbau.
4 zeigt das erste Substrat 50. Das erste Substrat 50 enthält in der dargestellten Ausführungsform den Resonanzkörper 11 und einen Resonator 70. Obgleich in 4 nur eine Ausführungsform des Resonators 70 dargestellt ist, können alle in Zusammenhang mit den 4 und 5 offenbarten Ausführungsformen des Resonators 70 und des Resonanzkörpers 11 verwendet werden.
Weiterhin enthält das erste Substrat 50 zumindest einen Wellenleiter 42, mittels welchem eine optische Strahlung zur Anregung einer photoakustischen Schwingung im Innenraum 18 des Resonators 70 einkoppelbar ist. Der Wellenleiter 42 kann mittels Silicon-on-Insulator-Technik in bzw. auf das Substrat 50 integriert werden, wie in Zusammenhang mit 1 beschrieben.
Weiterhin ist das Substrat 50 mit einem mikrooptisch integrierten Interferometer 30 versehen. Das Interferometer 30 enthält eine kohärente Lichtquelle 35. Die Strahlung dieser Lichtquelle kann in den Wellenleiter 32 eingekoppelt werden, welcher mittels eines Teilabschnitts 34 eine evaneszente Kopplung zum Wellenleiter 33 aufweist. Nach der Reflexion des aus den Wellenleitern 32 und 33 austretenden Lichtes an den Teilflächen 116 des länglichen Elementes 114 kann eine Schwingung dieses Elementes im Photodetektor 36 nachgewiesen werden.
In der Ausführungsform gemäß 4 enthält das Substrat 50 außer dem Photodetektor 36 und der kohärenten Lichtquelle 35 keine elektronischen Bauelemente, wie zum Beispiel die Einrichtung 40 zur Erzeugung von Licht, die Einrichtungen 44 und 60 zur elektronischen Signalverarbeitung oder die Einrichtung 20 zur Energieversorgung. Diese Bauteile des vorgeschlagenen Gassensors sind auf einem zweiten Substrat 56 angeordnet, wie in Zusammenhang mit 5 erläutert. In anderen Ausführungsformen eines modular aufgebauten Gassensors 1 kann die Aufteilung der Komponenten auf die beiden Substrate 50 und 56 selbstverständlich auch anders vorgenommen werden. Auch lehrt die Erfindung nicht die Verwendung von genau zwei Substraten als Lösungsprinzip.
Zur Verbindung des zweiten Substrates 56 mit dem ersten Substrat 50 stehen elektrische Anschlusskontakte 57 zur Verfügung, welche in entsprechende Gegenkontakte des zweiten Substrates 56 eingreifen. Die in 4 dargestellte Anzahl von vier Stiftkontakten ist dabei lediglich beispielhaft zu sehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Kontakte größer oder kleiner sein, je nachdem wie groß die Anzahl der auf dem Substrat 50 integrierten elektronischen und/oder optoelektronischen Bauelemente ist. Weiterhin können Stiftkontakte, Buchsenkontakte oder flächige Kontaktelemente verwendet werden. Die Erfindung offenbart nicht die Verwendung von genau vier Stiftkontakten als Lösungsprinzip.
Zur elektrischen Verbindung der Kontaktelemente 57 mit zugeordneten elektronischen Bauelementen, beispielsweise der Lichtquelle 35 oder dem Photodetektor 36, stehen elektrische Leitungen 81 zur Verfügung. Die elektrischen Leitungen 81 können mittels einer strukturierten Metallisierung des Substrats 50 erhalten werden. Die Metallisierung des Substrates 50 kann auf einer isolierenden Schicht aufgebracht werden und/oder mittels einer Isolatorschicht abgedeckt werden, um unerwünschte Kriechströme oder Kurzschlüsse zu vermeiden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die elektrischen Leitungen 81 auch durch das Einbringen von Dotierstoffen in das Substrat 50 erhalten werden.
Weiterhin kann das Substrat 50 eine optische Schnittstelle 58 enthalten. Die optische Schnittstelle 58 kann dazu verwendet werden, das Licht einer auf dem zweiten Substrat 56 angeordneten Strahlungsquelle in den Wellenleiter 42 einzukoppeln.
Um die mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen dem ersten Substrat 50 und dem zweiten Substrat 56 zu verbessern, kann vorgesehen sein, dass das erste Substrat 50 eine Ausnehmung 55 aufweist. Die Ausnehmung 55 kann komplementär zur Außenkontur des zweiten Substrates 56 geformt sein. Auf diese Weise kann die mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen dem ersten Substrat 50 und dem zweitem Substrat 56 durch Formschluss vergrößert werden.
5 zeigt ein erstes Substrat 50 mit einem Resonanzkörper 11 und einem Resonator 70, wie in Zusammenhang mit 4 beschrieben.
Weiterhin zeigt 5 ein zweites Substrat 56. Das zweite Substrat 56 enthält die Lichtquellen 40, mit welchen eine photoakustische Anregung innerhalb des Resonators 70 ausführbar ist. Die Lichtquellen 40 koppeln mittels einer optischen Schnittstelle 58 an den Wellenleiter 42, welcher in den Innenraum 18 des Resonators 70 mündet.
Weiterhin enthält das zweite Substrat 56 die Einrichtung 44 zur Steuerung der Lichtquellen 40, die Einrichtungen 17 und 60 zur Signalverarbeitung sowie die Einrichtung 20 mit der Solarzelle 22 zur Energieversorgung des Gassensors 1. Auf diese Weise sind die elektronischen Bauelemente von den mikromechanischen Bauelementen weitgehend getrennt, sodass beide Baugruppen in unterschiedlicher Ausfertigung kombiniert werden können. Beispielsweise können unterschiedliche Ausfertigungen des zweiten Substrates 56 vorgesehen sein, welche unterschiedliche Lichtquellen 40 oder unterschiedliche Signalverarbeitungseinrichtungen 60 enthalten, um so den Gassensor 1 in einfacher Weise durch Austausch des zweiten Substrates 56 an unterschiedliche Aufgaben anzupassen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das erste Substrat 50aus einem anderen Material besteht als das zweite Substrat 56, so dass jedes Substrat für die ihm zustehende Aufgabe optimiert werden kann.
Zur mechanischen Befestigung des zweiten Substrates 56 greift dieses in eine Ausnehmung 55 ein, welche in etwa eine komplementäre Form aufweist. Auf diese Weise wird das Substrat 56 formschlüssig auf dem ersten Substrat 50 gehaltert. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Befestigung des zweiten Substrates 56 auf dem ersten Substrat 50 auch in anderer Weise erfolgen, beispielsweise durch Bonden, Kleben, Löten oder Schweißen.
Selbstverständlich können die dargestellten Ausführungsbeispiele kombiniert werden, um auf diese Weise weitere Ausführungsformen der Erfindung zu erhalten. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die Beschreibung und die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche oder die Beschreibung „erste” und „zweite” Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Photoakustischer Gassensor (1), enthaltend einen Resonanzkörper (11) und ein Interferometer (30) zur Erkennung einer Schwingung des Resonanzkörpers (11), welches eine optische Erfassung des Ortes von zumindest einer Teilfläche (116) des Resonanzkörpers (11) ermöglicht, wobei der Resonanzkörper (11) und das Interferometer (30) auf genau einem Substrat (50) angeordnet sind, welches ein Halbleitermaterial enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzkörper (11) durch zumindest eine erste Aussparung (51) im Substrat gebildet ist.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzkörper (11) zumindest zwei in etwa parallel angeordnete Elemente (113, 114) aufweist, welche jeweils mit einem Fußpunkt (112) an einem Verbindungselement (111) fixiert sind und an ihrem dem Fußpunkt entgegen gesetzten Ende (115) frei auskragen, wobei zwischen beiden Elementen (113, 114) eine zweite Aussparung (52) ausgebildet ist und zwischen dem Substrat (50) und einem Element (114) die erste Aussparung (51).
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem das Interferometer (30) zumindest zwei Lichtwellenleiter (32, 33) enthält, welche in einem Teilabschnitt (34) parallel geführt sind, so dass ein Übersprechen der jeweils in den Lichtwellenleitern (32, 33) geführten Signale möglich ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem zumindest eine Einrichtung (35, 40) zur Erzeugung von Licht und/oder eine Einrichtung (36) zum Nachweis von Licht und/oder eine Einrichtung (44, 60) zur elektronischen Signalverarbeitung und/oder eine Einrichtung (20) zur Energieversorgung auf dem Substrat (50) integriert ist.
Gassensor nach Anspruch 4, bei welchem auf dem Substrat (50) zumindest ein erstes elektronisches Bauelement (22, 171) in CMOS-Technik ausgeführt ist und/oder ein zweites elektronisches Bauelement (22, 171) mittels Flip-Chip-Bonding mit dem Substrat (50) verbunden ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei welchem die Einrichtung (44, 60) zur elektronischen Signalverarbeitung eine Einrichtung (61) zur Funkübertragung eines Datensignals und/oder einen A/D-Wandler und/oder einen Signalverstärker, und/oder einen Diskriminator und/oder eine Empfangseinrichtung für ein Datensignal enthält.
Gassensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6 bei welchem die Einrichtung (20) zur Energieversorgung zumindest eine photovoltaische Zelle (22) enthält, insbesondere eine monolithisch integrierte photovoltaische Zelle (22).
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin enthaltend zumindest einen Resonator (70), welcher einen zur Aufnahme von nachzuweisenden Molekülen bestimmten Raum (18) zumindest teilweise begrenzt.
Gassensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (70) mittels eines Bondverfahrens mit dem Substrat (50) verbunden ist und/oder monolithisch in dem Substrat (50) integriert ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin enthaltend zumindest einen Kontaktlayer (80), über welchen zumindest zwei Einrichtungen (20, 35, 36, 40, 60) und/oder zwei elektronische Bauelemente (22, 171) einer solchen Einrichtung (20, 35, 36, 40, 60) elektrisch verbunden sind.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein optischer Wellenleiter (32, 33, 42) in Silicon-on-Insulator-Technik auf und/oder in dem Substrat (50) integriert ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zumindest ein erstes Substrat (50) enthält, enthaltend den Resonanzkörper (11) und das Interferometer (30) zur Erkennung einer Schwingung des Resonanzkörpers (11), und zumindest ein zweites Substrat (56), auf welchem zumindest eine Einrichtung (35, 40) zur Erzeugung von Licht und/oder eine Einrichtung (36) zum Nachweis von Licht und/oder eine Einrichtung (44, 60) zur elektronischen Signalverarbeitung und/oder eine Einrichtung (20) zur Energieversorgung auf dem Substrat (50) integriert ist, wobei das erste Substrat (50) und das zweite Substrat (56) mittels elektrischer und/oder optischer Kontaktelemente (57) verbindbar ist.
Gassensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (50) eine Ausnehmung (55) aufweist, welche zur Aufnahme des zweiten Substrates (56) vorgesehen ist.
Verfahren zum photoakustischen Nachweis von Molekülen in der Gasphase, welches die folgenden Schritte enthält: – Einbringen der nachzuweisenden Moleküle in einen Raum (18), welcher von zumindest einem mikromechanischen Resonator (70) zumindest teilweise begrenzt ist, – Zuführen von Licht (43) zur Anregung eines photoakustischen Signals in den zur Aufnahme der nachzuweisenden Moleküle bestimmten Raum (18), – Erkennen einer Schwingung eines Resonanzkörpers (11) durch optische Erfassung des Ortes von zumindest zwei Teilflächen (116a, 116b) des Resonanzkörpers (11). – Übertragen eines die Schwingung des Resonanzkörpers (11) repräsentierenden Signals mittels einer Funkübertragung.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer Einrichtung zum Erzeugen von Licht (35, 40) und/oder zumindest einer Einrichtung (17) zum Erkennen der Schwingung des Resonanzkörpers (11) und/oder zumindest einer Einrichtung (60) zum Übertragen eines die Schwingung des Resonanzkörpers (11) repräsentierenden Signals Energie mittels zumindest einer Solarzelle (20) zugeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, enthaltend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Substrates (50), welches ein Halbleitermaterial enthält. – Erzeugen von zumindest einer Einrichtung (35, 40) zur Erzeugung von Licht und/oder einer Einrichtung (36) zum Nachweis von Licht und/oder einer Einrichtung (60) zur elektronischen Signalverarbeitung und/oder einer Einrichtung (20) zur Energieversorgung auf dem Substrat (50). – Einbringen von zumindest einer ersten Aussparung (51) und/oder einer zweiten Aussparung (52) in das Substrat (50).
Verfahren nach Anspruch 16, welches weiterhin den Verfahrensschritt enthält – Herstellen eines Resonators (70), welcher einen zur Aufnahme von nachzuweisenden Molekülen bestimmten Raum (18) zumindest teilweise begrenzt.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein elektronisches Bauelement (22, 171) in CMOS-Technik ausgeführt wird und/oder dass zumindest ein elektronisches Bauelement (22, 171) mittels Flip-Chip-Bonding mit dem Substrat (50) verbunden wird.
Verwendung eines Gassensors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Prozesssteuerung in industriellen Anlagen und/oder zur Raumluftüberwachung und/oder zur Atemgasüberwachung und/oder zur Ermittlung des Brennwertes eines Brenngases und/oder zur Brandschutzüberwachung und/oder zur Analyse von Hautausdünstungen eines Lebewesens und/oder zur Qualitätsüberwachung und/oder Reifegradüberwachung von Lebensmitteln und/oder Pflanzen in Kühlcontainern.