DE69518386T2 - Spektrometer - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer zur Gaskonzentrationsmessung.
• Die Erfindung ist bestimmt zum Einsatz bei der Analyse von optischen Emissions- oder Absorptionsspektren im sichtbaren Bereich sowie im Infrarotbereich.
• Bei nichtdispersiven optischen Spektrum-Analysatoren werden nach dem Stand der Technik verschiedene Arten von optischen Filtern benutzt. Eine wichtige Kategorie dieser Filter umfasst normalerweise auf eine feste Wellenlänge eingestellte Bandpassfilter. Soll eine Messung auf zwei Wellenlängen durchgeführt werden, so werden zwei Filter mit einer Umschalteinrichtung zur Änderung der Filterposition in geeigneter Art und Weise benötigt oder es ist alternativ ein separater Detektor hinter jedem Filter angeordnet. Der Filterwechsel erfolgt nach dem Stand der Technik mittels einer rotierenden Scheibe, auf welcher die Filter befestigt sind. Während der Drehbewegung der Scheibe wird das Detektor-Ausgangssignal als eine Wechselspannung (bzw. ein Wechselstrom) aufgenommen, was eine vorteilhaftere Form des Messungs-Ausgangssignals als ein Gleichstrom-Signal darstellt.
• Ein Nachteil des Drehscheibenmechanismus ist jedoch dessen durch Lagerverschleiss bedingte relativ kurze Betriebslebensdauer. Auch machen die Abmessungen des Drehantriebsmotors und der Scheibe eine echte Miniaturisierung des Systems unmöglich. Eine vorteilhafte Ausführungsform wäre eine Filterkonstruktion, bei der die Bandpass-Mittenwellenlänge elektrisch und ohne Notwendigkeit für irgendwelche bewegliche Teile, die im kontinuierlichen Einsatz mit Verschleiss behaftet sind, eingestellt werden könnte.
• Im Wege mikromechanischer Verfahren hergestellte elektrostatisch abstimmbare Interferometer auf Siliziumbasis sind aus den Veröffentlichungen 1, 8 und 2 bekannt. Die in den genannten Publikationen 1 und 8 offenbarte Konstruktion weist ein mittels mikromechanischer Techniken aus zwei oder drei Siliziumscheiben hergestelltes Hauptbauteil auf. Diese Ausführung erfordert zusätzliche elektrostatische Ablenkelektroden zur Parallelitätssteuerung der Interferometer-Spiegel.
• Die angezogene Veröffentlichung 2 beschreibt eine mikromechanisch oberflächenbearbeitete elektrostatisch abstimmbare Interferometer-Gruppe zum Einsatz im sichtbaren Lichtbereich. Die Grösse der einzelnen Interferometer in der Gruppe beträgt lediglich 20 · 20 um². Derart kleine Interferometer sind nur in Verbindung mit Einmoden-Lichtwellenfasern einsetzbar.
• Nach dem Stand der Technik besteht die Infrarotquelle normalerweise aus einem temperaturstabilisierten massiven Hauptbauteil ohne irgendwelche Einrichtungen zur Intensitätsmodulation.
• Bekannte Herstellungsverfahren der Mikroelektronik und Mikromechanik bieten ebenfalls eine Möglichkeit zur Herstellung elektrisch modulierbarer Strahlungsquellen in Miniaturgrösse aus Silizium 3, 4, 5. Der Aufbau dieser Komponenten erfolgt unter Verwendung dünner Polysiliziumschichten mit einer normalen Dicke von ca. 1 um und einer Länge von einigen hundert um. Ihre Breite kann zwischen einigen um und einigen zehn um variieren. Die Wärmekapazität eines solchen Silizium-Glühfadens ist so gering, dass eine Modulationsfrequenz von einigen hundert Hertz eingesetzt werden kann.
• Unter Anwendung von Silizium-Mikromechanikverfahren hergestellte Infrarot-Detektoren sind beispielsweise aus den Publikationen 6 und 7 bekannt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der vorbeschriebenen Verfahren auszuschalten und eine völlig neue Art eines miniaturisierten und integrierten Spektrometers bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass sämtliche Komponenten mit Strahlungsquelle, Detektor und Steuerelektronik auf einem einzigen planaren Substrat integriert werden.
• Im Einzelnen ist das erfindungsgemässe Spektrometer durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet.
• Die Erfindung bietet wesentliche Vorteile:
• Alle Untereinheiten des Spektrometers sind in Massenfertigung herstellbar, wodurch eine vorteilhafte Kostenstruktur für die Bauelemente erreicht wird. Weiter bietet die Kapselung des Spektrometers in einem Norm-Gehäuse Kostenvorteile. Das Spektrometer kann auf einer Leiterplatte angeordnet werden, so dass die Herstellung eines Analysators mit einem Prozessor in Miniaturgrösse vereinfacht wird. Die Spektrometer-Funktionen sind weitgehendst anwenderprogrammierbar. Insbesondere für den Einsatz zum Messen von Kohlendioxyd-Konzentrationen lässt sich das Spektrometer so kosteneffektiv herstellen, dass beispielsweise sein Einsatz als Sensorelement eines Lüftungssystems wirtschaftlich rentabel ist.
• Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
• Es zeigen:
• Fig. 1a eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen integrierten Spektrometers;
• Fig. 1b eine Draufsicht auf diese Ausführungsform des erfindungsgemässen integrierten Spektrometers;
• Fig. 1c eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen integrierten Spektrometers;
• Fig. 2 eine Seitenansicht und Draufsicht einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Spektrometers mit Kapselung in einem Gehäuse;
• Fig. 3 ein Blockschaltbild, aus dem die Funktionen des erfindungsgemässen integrierten Spektrometers hervorgehen;
• Fig. 4a ein Diagramm, aus dem die Intensitäts-Durchlässigkeitskurve einer erfindungsgemässen Spektrometer-Ausfüh rungsform hervorgeht und in dem die Intensität gegen die Wellenlänge aufgetragen ist;
• Fig. 4b ein Diagramm, das die Steuerung der Passband-Mittenwellenlänge einer erfindungsgemässen Spektrometer-Ausführungsform als Funktion der Zeit zeigt;
• Fig. 5a eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der in dem erfindungsgemässen Spektrometer eingesetzten Strahlungsquelle;
• Fig. 5b eine Schnitt-Seitenansicht der Strahlungsquelle gemäss Fig. 5a;
• Fig. 6 eine Längsschnitt-Seitenansicht eines in dem erfindungsgemässen Spektrometer eingesetzten Interferometers des Typs Fabry-Perot;
• Fig. 7a eine Draufsicht auf den in der erfindungsgemässen Vorrichtung eingesetzten Infrarot-Detektor; und
• Fig. 7b eine Querschnitt-Seitenansicht der in Fig. 7a dargestellten Einrichtung.
• Ein Spektrometer kann zur Analyse von Emissions- oder Absorptionsspektren benutzt werden. Absorptionsmessungen erfordern den Einsatz einer spektrometereigenen Strahlungsquelle, während Emissionsmessungen ohne Aktivierung der Quelle durchführbar sind.
• In Fig. 1 ist ein erfindungsgemässes miniaturisiertes Spektrometer in der Längsschnittansicht dargestellt. Hier ist ein strahlungsempfindlicher Detektor 5 auf ein Silizium-Substrat 1 integriert. Weiter sind eine elektronische Mikroschaltung 2, eine Strahlungsquelle 3 und ein Fabry-Perot Interferometer 4 auf das Silizium-Substrat 1 integriert. Ein äusserer Spiegel 6 fokussiert die einfallende Strahlung auf das Interferometer. Die Infrarot-Strahlungsquelle 3, der Detektor 5 sowie das Interferometer 4 sind in Silizium-Mikromechanik ausgeführt. Die gegenseitige Zuordnung dieser Bereiche 2, 3 und 4 ist veränderbar. Schwarze Kügelchen 20 bezeichnen die im Flip- Chip-Verfahren verwendeten Lötperlen.
• In der Ausführungsform gemäss Fig. 1c kann auch Tonerde als Substratmaterial verwendet werden. In diesem Falle ist der Detektor 5 auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats relativ zum Interferometer angeordnet und der optische Weg in Form einer Öffnung 24 im Substrat vorgesehen. Die Strahlungsquelle 3 und der Detektor befinden sich an den äussersten gegenüberliegenden Enden des Bauteils, um die maximale Länge des optischen Weges zu gewährleisten. Auch kann bei dieser Ausführungsform der Spiegel 6 grösser vorgesehen werden. Wahlweise ist ein zweiteiliger Spiegel einsetzbar. Als alternative Kontaktiertechnik ist hier das Verkleben 22 der Bauteile lediglich in den Eckenbreichen vorgesehen, um durch Wärmedehnung bedingte Probleme auszuschliessen. Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung derartiger Probleme liegt in der Verwendung eines elastischen Klebers. Die elektrischen Kontakte werden durch Drahtkontaktierung 23 hergestellt. Die Strahlungsquelle 3 kann mit einer reflektierenden Oberfläche 25 ausgestattet sein, um die optische Ausgangsleistung zu maximieren und eine Erwärmung des Substrats 1 zu vermeiden. Die Oberfläche 25 kann in Form einer aufgedampften Goldschicht oder alternativ eines mehrschichtigen Siliziumspiegels vorgesehen werden.
• Wie aus Fig. 2 ersichtlich, kann das Spektrometer in beispielsweise ein DIL-Gehäuse 6 eingekapselt werden. Die Gehäuseabdeckung kann mit Öffnungen 10 für einen ungehinderten Strahlungsdurchgang versehen sein.
• Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass die Mikroschaltung 2 alle für den Analysator erforderlichen elektronischen Funktionen beinhaltet. Ein Vorverstärker 11 des Detektors besorgt die Eingangsverstärkung des vom Detektor 5 anfallenden Meßsignals. Die Steuerung der Strahlungsquelle 3 erfolgt mit Hilfe einer Steuereinrichtung 12 mit einem D/A-Wandler, einem Oszillator und einer Treiberstufe. Ein phasenstarrer Verstärker 13 wird zum Synchronisieren des Erfassungsvorgangs mit der Steuerung der Strahlungsquelle 3 benutzt. Der Interferometer-Treiberbereich 14 weist einen D/A-Wandler und einen Verstärker auf. Die Funktion des Treiberbereichs 14 besteht darin, die Mittenwellenlänge des Passbands des Interferometers 4 zu steu ern. Ein Eingangs-/Ausgangskanal 15 ermöglicht den Anschluss des Spektrometers an einen externen Mikrocomputer 16. Somit kann der Mikrocomputer sowohl das Spektrometer steuern als auch die Oszillatorfrequenz der Infrarot-Strahlungsquelle 3 sowie den Wobbelmodus des Interferometers 4 regulieren bzw. einstellen. Der Mikrocomputer 16 übernimmt weiterhin die Datenerfassung aus dem Ausgangssignal des phasenstarren Verstärkers 13.
• Fig. 4a zeigt ein mit dem Interferometer gemessenes typisches Spektrum. Die Funktion des Interferometers ergibt sich im Einzelnen aus Fig. 4b. Die Mittenwellenlänge des Interferometer-Passbands wird in gewünschter Weise abgestuft, indem der Treiberbereich 14 des Interferometers 4 einer entsprechenden Steuerung unterzogen wird. Durch Stabilisieren des Passbands auf eine gewünschte Wellenlänge für die Dauer einer entsprechenden Zeit Δt kann die Datenerfassung aus dem Ausgangssignal des phasenstarren Verstärkers 13 erfolgen. Die Dauer Δt einer jeden Messungsstufe lässt sich je nach der Intensität der auftreffenden Strahlung verändern, was bedeutetet, dass eine längere Datenerfassungszeit zum Messen einer Wellenlängenkomponente mit schwächerer Intensität zugewiesen werden kann. Die weitere Verarbeitung der Rohdaten erfolgt mit Hilfe des Mikrocomputers 16.
• Neben den bereits beschriebenen kann die Mikroschaltung auch alternative Funktionen bereitstellen. Damit ist die vorstehende Beschreibung in einem die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht einschränkenden Sinne zu verstehen.
• Die Infrarot-Strahlungsquelle des Spektrometers wird durch einen mikromechanisch bearbeiteten Glühfaden bzw. eine Mikrolampe mit dem in Fig. 5 dargestellten grundsätzlichen Aufbau gebildet.
• Die emittierenden Elemente werden durch elektrisch parallelgeschaltete Glühfäden 50 mit Drähten aus siliziumnitridbeschichtetem Dünnschicht-Polysilizium oder Wolfram gebildet. Das Substratmaterial 52 ist Einkristall-Silizium, in das eine Vertiefung 54 unter den Glühfäden 50 eingeätzt ist, um die Wärmeableitungsverluste zu verringern. Die Grösse der emittierenden Oberfläche beträgt normalerweise zirka einen Quadratmillimeter. Auf Wunsch ist auch die Strahlungsquelle genau wie der Detektor in das Substrat integrierbar werden.
• Der Interferometerbereich wird durch einen elektrisch abstimmbaren optischen Resonator des Typs Fabry-Perot aus mikromechanisch bearbeitetem Silizium gebildet. Den grundsätzlichen Aufbau des Interferometers zeigt Fig. 6. Die Resonatorlänge wird über ein zwischen die Resonatorspiegel beaufschlagtes elektrisches Feld gesteuert.
• Das auf einem Einkristall-Silizium-Substrat 62 angeordnete Interferometer weist eine mehrschichtige Struktur auf, in der die drei obersten Schichten einen ersten Spiegel 70 bilden. Der zweite Spiegel 72 besteht aus den auf das Substrat 62 aufgebrachten vier untersten Schichten. Eine an der Unterseite des Substrats 62 ausgebildete Nitridschicht 66 dient als Antireflexschicht. Der optische Resonator ist im mittleren Teil des Hohlraums 73 zwischen den Spiegeln 70 und 72 angeordnet. Die Fläche des optischen Querschnitts beträgt zirka einen Quadratmillimeter. In den metallisierten Bereichen 68 ist Flip-Chip-Kontaktierung vorgesehen. In dem Diagramm bestehen die ähnlich schrägschraffierten Bereiche 64 aus Polysilizium bzw. die weissen Bereiche 60 (ausgenommen der Hohlraum 73) aus Siliziumoxyd.
• Das Substrat weist einen quadratischen Silizium-Chip mit auf diesen integriertem Infrarot-Detektor 78 auf. Der grundsätzliche Aufbau des Substrats ist in Fig. 7 dargestellt. Die Grösse des Substrats beträgt ca. 5 · 13 mm².
• Die schwarzen Quadrate 76 sind die Flip-Chip- und Draht- Kontaktierbereiche.
• Das Substrat weist zusätzliche dünnschichtige leitende Muster auf, die nicht dargestellt sind. Unterhalb des Detektors ist Substrat-Silizium abgetragen. Als Detektor 78 ist im Infrarotbereich ein Thermosäulen- oder Bolometer-Detektor und im sichtbaren Wellenlängenbereich eine Silizium-Photodiode einsetzbar.
• Auch kann das Interferometer 4 bzw. die elektronische Steuerschaltung 2 auf das Substrat 1 integriert werden.
• Die erfindungsgemässe Ausführungsform ist besonders zum Messen von Kohlendioxyd-Konzentrationen geeignet. Weitere vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten liegen in der Messung industrieller Prozessgase mit hoher Konzentration.
• 1 J.H. Herman and D.J. Clift, "Miniature Fabry-Perot Interferometers Micromachined in Silicon for use in Optical Fiber WDM Systems", Digest of Technical Papers, Transducers '91, 372, San Francisco 1991.
• 2 K. Aratani et al., "Surface Micromachined Tuneable Interferometer Array", Digest of Technical Papers, Transducers '93, 678, Yokohama 1993.
• 3 H. Guckel and D.W. Burns, "Integrated transducers based an black-body radiation from heated polysilicon films", Transducers '85, 364-6 (June 11-14, 1985).
• 4 Carlos H. Mastrangelo, James Hsi-Jen Yeh, and Richard S. Muller: "Electrical and optical characteristics of vacuum sealed polysilicon microlamps", IEEE Transactions on Electron Devices, 39, 6, 1363-75 (June 1992).
• 5 M. Parameswaran, A.M. Robinson, D.L. Blackburn, M. Gaitan and J. Geist, "Micromachined thermal radiation emitter from a commercial CMOS process"; IEEE Electron Device Lett., 12, 2, 57-59 (1991).
• 6 G.R. Lahiji and KD. Wise, "A Batch-Fabricated Silicon Thermopile Infrared Detector". IEEE Transactions an Electron Devices. ED-29, I (January 1982).
• 7 I.H. Choi and K.D. Wise. "A Silicon-Thermogile-Based Infrared Sensing Array for Use in Automated Manufacturing", IEEE Transactions on Electron Devices, ED-33, 1 (January 1986).
• 8 N. F. Railey and D.R. Ciarlo and J.C. Koo and B. Beiriger and J. Trujillo and C. Yu and G. Loomis and R. Chow. "A Fabry-Perot Microiaterferometer for Visible Wavelengths." In Fifth IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, editors, Stephen D. Senturia. pages 170-173, Hilton Head Island, South Carolina, June 22-25, 1992.

Claims (13)

1. Spektrometer zur Gaskonzentrationsmessung mit:

einer Strahlungsquelle (3) zum Beaufschlagen des zu messenden Gases mit elektromagnetischer Strahlung;

einem Detektor (5) zum Erfassen der durch das Gas geleiteten bzw. aus dem Gas emittierten Strahlung; einem im Strahlenweg vor dem Detektor (5) angeordneten elektrisch abstimmbaren Fabry-Perot-Interferometer (4); und

einer elektronischen Steuerschaltung (2) zum Steuern der Strahlungsquelle (3), des Interferometers (4) und des Detektors (5),

dadurch gekennzeichnet, dass

die Strahlungsquelle (3), der Detektor (5), das Interferometer (4) und die Steuerungselektronik (2) in miniaturisierter Ausführung auf ein gemeinsames planares Substrat (1) integriert sind, und dass

die Strahlungsquelle (3) ein elektrisch modulierbarer, mikromechanisch gefertigter Wärmestrahlungs-Emitter ist.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: in unmittelbarer Nähe des Spektrometers ein äusserer Spiegel (6) zum Durchführen einer Absorptionsmessung angeordnet ist.

3. Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass: die elektronische Steuerschaltung (2) aufweist einen Vorverstärker (11) des Detektors zum Verstärken des Signals des Detektors (5), einen Treiber (12) für die Strahlungsquelle, einen phasenstarren Verstärker (13), einen Trei ber (14) des Interferometers und einen zum Verbinden des Spektrometers mit einem externen Computer (16) geeigneten Eingangs-/Ausgangskanal (15).

4. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (5) auf das Substrat (1) integriert ist.

5. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (3) auf das Substrat (1) integriert ist.

6. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (4) auf das Substrat (1) integriert ist.

7. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerschaltung (2) auf das Substrat (I) integriert ist.

8. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (5) eine Thermosäule ist.

9. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (5) ein Bolometer ist.

10. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (5) eine Photodiode ist.

11. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (2, 3, 4) nach dem Flip-Chip-Verfahren mit dem Substrat verbunden sind.

12. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer in einem DIL- Gehäuse gekapselt ist.

13. Spektrometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) mit Öffnungen (10) versehen ist, um einen ungehinderten Durchgang der gemessenen Strahlung zu gewährleisten.