DE10010514B4

DE10010514B4 - Optoelektronisches Mikrospektrometer

Info

Publication number: DE10010514B4
Application number: DE10010514A
Authority: DE
Inventors: Sven Schönfelder; Nezih Ünal; Peter Dr. Krippner; Jürgen Dr. Mohr; Thomas KÜHNER
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH; Steag Microparts GmbH
Current assignee: Boehringer Ingelheim Microparts GmbH; Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 1999-03-08
Filing date: 2000-03-07
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2020-03-08
Also published as: DE10010514A1

Abstract

Optoelektronisches Mikrospektrometer als hybrid integrierte Funktionseinheit, das einen planaren Wellenleiter für das einfallende und für das zerlegte Licht, einen Eintrittsspalt für das einfallende Licht, ein selbstfokussierendes Reflexionsgitter, eine Spiegelkante und ein Austrittsfenster für das spektral zerlegte Licht als optische Funktionselemente enthält, und das eine Detektorzeile sowie weitere elektronische Bauelemente als elektronische Funktionselemente enthält, und das in einem Gehäuse, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil, untergebracht ist, und das erste Gehäuseteil als kastenförmige Funktionsgruppe mit einem flachen Boden und einem hochstehenden Rand mit einer vor dem Eintrittsspalt liegenden Öffnung und das zweite Gehäuseteil als flacher Deckel ausgebildet ist, und die optischen Funktionselemente Eintrittsspalt, Reflexionsgitter und Spiegelkante auf der Innenseite des flachen Bodens des ersten Gehäuseteils angebracht sind, und der Raum zwischen Eintrittsspalt, Reflexionsgitter und Austrittsfenster als hohler Lichtwellenleiter ausgebildet ist, der zum ersten Gehäuseteil hin durch die Innenseite des zweiten Gehäuseteils begrenzt ist, und im ersten Gehäuseteil Positionierhilfen...

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Mikrospektrometer, das einen planaren Wellenleiter für das einfallende und für das zerlegte Licht, einen Eintrittsspalt für das einfallende Licht, ein selbstfokussierendes Reflexionsgitter, eine Spiegelkante und ein Austrittsfenster für das spektral zerlegte Licht enthält; diese Bauelemente sind die optischen Funktionselemente. Es enthält weiter eine angekoppelte Detektorzeile sowie andere elektronische Bauelemente als elektronische Funktionselemente. Die Funktionselemente sind in einem mehrteiligen Gehäuse untergebracht, das aus einem Bodenbereich, einem Randbereich und einem Deckelbereich besteht.
Dieses optoelektronische Mikrospektrometer ist eine hybrid integrierte Funktionseinheit.

Spektroskopische Untersuchungen gewinnen vor allem in der medizinischen Meßtechnik und bei zerstörungsfreien Messungen und bei on-line-Messungen in der Prozeßüberwachung eine zunehmende Bedeutung. Dabei werden hohe Forderungen an die Robustheit der Meßgeräte und an ihre Zuverlässigkeit während langer Betriebszeiten gestellt. Für derartige Untersuchungen sind kleine, meist batteriebetriebene Handgeräte bekannt, mit denen sich die Spektren anwendungsspezifisch erfassen und aufbereiten lassen, und mit denen sich die aus den Spektren gewonnenen Informationen anwendungsspezifisch darstellen lassen.

In DE - 44 34 814 ist ein infrarotspektrometrischer Sensor für Gase angegeben, der ein als Mikrostrukturkörper hergestelltes einstöckiges Formteil enthält, das aus einer mikrostrukturierten Grundplatte, einer mit der Grundplatte fest verbundenen Deckplatte, einem konkaven Spiegelgitter, einem Anschluß zum Einkoppeln von polyfrequenter IR-Strahlung sowie mindestens einem Anschluß zum Auskoppeln monofrequenter IR-Strahlung besteht. Der Raum zwischen den Anschlüssen zum Ein- und Auskoppeln der IR-Strahlung und dem Spiegelgitter ist als planarer hohler Lichtwellenleiter ausgebildet. Die dem Hohlwellenleiter zugewandten Seiten der Grundplatte und der Deckplatte sind mit einer die IR-Strahlung reflektierenden Schicht bedeckt. Die IR-Strahlung kann als Freistrahl oder mittels einer Lichtwellenleiter-Faser bis zum Einkoppelanschluß geführt werden. Das einstückige Formteil kann mit mehreren Strahlungsempfängern und mit elektronischen Elementen zur Signalverstärkung und zum Auswerten des Spektrums verbunden sein.

Aus DE - 195 28 919 ist ein weiteres ähnlich aufgebautes mikrostrukturiertes IR-Absorptionsphotometer bekannt.

In beiden Fällen können nur wenige Detektoren für die zerlegte IR-Strahlung angeschlossen sein, womit nur wenige und relativ weit auseinander liegende Spektralbereiche erfaßt werden können.

Falls in dem Auskoppelanschluß die Enden von vielen nebeneinander liegenden Lichtwellenleiter-Fasern angeordnet sind und jede Lichtwellenleiter-Faser separat an einen Strahlungsempfänger angeschlossen ist, kann ein breiterer Spektralbereich mit verbesserter Auflösung erfaßt werden. Ein derartiges zwischen Auskoppelanschluß und Detektoreinheit liegendes Faserfeld ist aufwendig.

In der Veröffentlichung von W. Menz (Automatisierungstechnische Praxis 37 (1999) Seiten 12 bis 22) ist in Bild 4 die Skizze eines Mikrospektrometers in LIGA-Technik dargestellt. Dieser Prinzipskizze und ihrer Beschreibung sind bezüglich der Art der Diodenzeile und ihrer Befestigung im Gehäuse des Mikrospektrometers keine Angaben zu entnehmen.

In der Veröffentlichung von C. Müller und J. Mohr (Interdisciplinary Sci. Rev. 18 (1993) Seiten 273 bis 279) ist in Bild 6 der schematische Aufbau eines Gitterspektrometers mit selbstfokussierendem Spiegelgitter dargestellt, das mittels Röntgen-Tiefenlithographie hergestellt wurde. Das zerlegte Licht kann mittels mehrerer Lichtwellenleiter-Fasern oder mittels einer Diodenzeile detektiert werden. Zur Befestigung der Diodenzeile im Gehäuse des Spektrometers sind keine Hinweise zu entnehmen.

Die bekannten Mikrospektrometer erfordern einen relativ großen Aufwand für die einzelnen Bauelemente und für deren Montage, Justierung und Kalibrierung. In vielen Fällen ist die Kalibrierung in gewissen Zeitabständen zu wiederholen.

Damit stellt sich die Aufgabe, ein Mikrospektrometer zu entwickeln, das aus möglichst wenigen Baugruppen besteht, und das sich bei mäßig großem Montage-Aufwand mit einer elektronischen Detektor- und Auswerteeinheit zusammensetzen läßt. Es soll gegen aggressive Gase und Dämpfe, gegen Temperatureinflüsse und gegen mechanische Stöße widerstandsfähig sein. Es soll weiter in großen Stückzahlen wirtschaftlich herstellbar und einfach zu handhaben sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein gattungsgemäßes optoelektronisches Mikrospektrometer als hybrid integrierte Funktionseinheit, das einen planaren Wel lenleiter für das einfallende und für das zerlegte Licht, einen Eintrittsspalt für das einfallende Licht, ein selbstfokussierendes Reflexionsgitter, eine Spiegelkante und ein Austrittsfenster für das spektral zerlegte Licht als optische Funktionselemente enthält, und das eine Detektorzeile sowie weitere elektronische Bauelemente als elektronische Funktionselemente enthält, und das in einem Gehäuse, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil, untergebracht ist, und das erste Gehäuseteil als kastenförmige Funktionsgruppe mit einem flachen Boden und einem hochstehenden Rand mit; einer vor dem Eintrittsspalt liegenden Öffnung und das zweite Gehäuseteil als flacher Deckel ausgebildet ist, und die optischen Funktionselemente Eintrittsspalt, Reflexionsgitter und Spiegelkante auf der Innenseite des flachen Bodens des ersten Gehäuseteils angebracht sind, und der Raum zwischen Eintrittsspalt, Reflexionsgitter und Austrittsfenster als hohler Lichtwellenleiter ausgebildet ist, der zum ersten Gehäuseteil hin durch die Innenseite des zweiten Gehäuseteils begrenzt ist, und im ersten Gehäuseteil Positionierhilfen für das zweite Gehäuseteil und die Detektorzeile vorhanden sind; und das zweite Gehäuseteil mit dem ersten Gehäuseteil unlösbar verbunden ist, und die Öffnung im hochstehenden Rand stoffundurchlässig verschlossen ist, und das erste Gehäuseteil mit den Funktionselementen Öffnung im hochstehenden Rand, Eintrittsspalt, Reflexionsgitter, Spiegelkante, und allen Positionierhilfen ein einstückiger Körper ist, und das folgende kennzeichnenden Merkmale hat:

– Die Detektorzeile ist ungehäust und mit Positionierhilfen versehen.
– Die Detektorzeile ist an dem zweiten Gehäuseteil angebracht und mit dem zweiten Gehäuseteil nachgiebig verbunden.
– Die Position der Detektorzeile ist in Bezug auf die Lage des Austrittsfensters durch die aneinander angepassten Positionierhilfen auf dem Boden des ersten Gehäuseteils und an der ungehäusten Detektorzeile bestimmt.
– Das Austrittsfenster des Mikrospektrometers liegt auf der lichtempfindlichen Fläche der ungehäusten Detektorzeile.
– Die elektronischen Funktionselemente auf dem zweiten Gehäuseteil sind außerhalb des Raumes für die optischen Funktionselemente angebracht.

Der Randbereich liegt zwischen Bodenbereich und Deckelbereich. Der Bodenbereich oder der Deckelbereich kann mit mindestens einem Teil des Randbereiches einen einstückigen Körper bilden. Bei einem rechteckigen Boden- und Deckelbereich kann der Bodenbereich beispielsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten mit dem über den Bodenbereich hochstehenden Rand versehen sein, und der Deckelbereich ist in diesem Fall an den beiden anderen Seiten mit dem über den Deckelbereich hochstehenden Rand versehen. Nach dem Zusammenfügen dieses Bodenbereiches mit diesem Deckelbereich entsteht ein geschlossenes Gehäuse. Die Kanten des Randbereiches können mit einer auf der Innenseite liegenden Falz versehen sein, die die stabile Verbindung des Randbereiches mit dem Deckelbereich und dem Bodenbereich begünstigt.

Auf dem Bodenbereich können – zusätzlich zu den dort angebrachten optischen Funktionselementen – Positionierhilfen für den Deckelbereich und für die Detektorzeile angebracht sein. Diese können aus der Innenseite der Bodenbereiches herausragende Säulen unterschiedlicher Höhe und Form sein, an die die zugehörenden Positionierhilfen an der Detektorzeile oder im Deckelbereich angepaßt sind, oder sie können Auflagestellen für den Deckelbereich oder die Detektorzeile sein.

Die Positionierhilfen können während der Justierung eine geringe Verschiebung der zusammengefügten Teile gegeneinander zulassen, bevor die Teile unlösbar miteinander verbunden werden, oder die Positionierhilfen können als Preßpassungen ausgeführt sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Bodenbereich mit dem gesamten Randbereich sowie mit den auf der Innenseite des Bodenbereiches angebrachten optischen Funktionselementen und Positionierhilfen einen einstückigen kastenförmigen Körper mit hochstehendem umlaufenden Rand bilden. Der Deckelbereich ist in diesem Fall ein flacher Deckel. Dieser trägt auf seiner dem Bodenbereich zugewandten Seite die mit Positionierhilfen versehene Detektorzeile. Die Positionierhilfen an der Detektorzeile sind an die auf der Innenseite des Bodenbereiches angebrachten zugehörigen Positionierhilfen nach Lage und Form angepaßt.

In der bevorzugten Ausführungsform sind die elektrischen Kontakte der Detektorzeile mit elektrischen Kontakten, die den flachen Deckel durchdringen und in diesem fest angeordnet sind, nachgiebig verbunden. Die derart am flachen Deckel angebrachte Detektorzeile ist in ihrer Lage noch hinreichend verschiebbar. Die Position der Detektorzeile in Bezug auf die Lage des Austrittsfensters des Mikrospektrometers wird durch die aneinander angepaßten Positionierhilfen bestimmt. Die Detektorzeile wird in der bevorzugten Ausführungsform zwar zunächst allein mittels der elektrischen Verbindungen von dem flachen Deckel getragen, ihre endgültige Lage nach dem Zusammenfügen von Bodenbereich und flachem Deckel wird jedoch durch die im Bodenbereich befindlichen Positionierhilfen bestimmt.

Der Deckelbereich kann einstückig oder zweistückig ausgeführt sein. Bei der einstückigen Ausführung begrenzt die Innenseite des Deckelbereiches den hohlen Lichtwellenleiter. Bei der zweistöckigen Ausführung des Deckelbereiches kann der Deckelbereich aus zwei flachen übereinander angeordneten Platten bestehen. Die erste Platte begrenzt mit ihrer dem Bodenbereich zugewandten Seite den hohlen Lichtwellenleiter des Mikrospektrometers. Die erste Platte ist mit Positionierhilfen versehen, die an die im Bodenbereich vorhandenen Positionierhilfen nach Form und Lage angepaßt sind. Die erste Platte ist im Bereich des Austrittsfensters des Mikrospektrometers mit einer Öffnung versehen, die mindestens so groß wie die lichtempfindliche Fläche der Detektorzeile ist und die so groß wie die Trägerplatte der Detektorzeile sein kann.

Die zweite Platte trägt auf ihrer der ersten Platte zugewandten Seite die Detektorzeile, die in die Öffnung der ersten Platte hineinragt. Die lichtempfindliche Fläche der Detektorzeile liegt wiederum im Austrittsfenster des Mikrospektrometers. In diesem Fall ragen einige der Positionierhilfen für die Detektorzeile in die Öffnung in der ersten Platte hinein.

Die zweite Platte des zweistöckigen Deckelbereiches kann einerseits auf der ersten Platte aufliegen; andererseits kann zwischen den einander zugewandten Seiten der ersten und der zweiten Platte ein Abstand vorhanden sein.

Je nach Anordnung der beiden Platten des zweistückigen Deckelbereiches können Form und Größe der zweiten Platte von Form und Größe der ersten Platte abweichen.

Die den hohlen Lichtwellenleiter begrenzenden Flächen des Bodenbereiches und des Deckelbereiches sowie die konkave Seite des selbstfokussierenden Reflexionsgitters und die geneigte Fläche der Spiegelkante sind mit einer reflektierenden Schicht versehen, zum Beispiel mit einer aufgedampften Goldschicht. Die übrigen Innenflächen des Deckelbereiches, des Bodenbereiches und des Randbereiches sind bevorzugt mit einer lichtabsorbierenden Schicht zur Absorption von Streulicht innerhalb des Gehäuses versehen.

Die mit Positionierhilfen versehene Detektorzeile kann über ihre elektrischen Verbindungsdrähte mit dem Deckelbereich mechanisch nachgiebig verbunden sein. Diese Verbindung läßt eine gewisse Verschiebung der Detektorzeile gegen den Deckelbereich zu, sobald der Deckelbereich mit dem Bodenbereich zusammengefügt wird. In diesem Fall ist die Detektorzeile mit dem Deckelbereich elektrisch und mit dem Bodenbereich mechanisch starr und gegebenenfalls unlösbar verbunden.

In einer anderen Ausführungsform ist die mit Positionierhilfen versehene Detektorzeile über ihre elektrischen Verbindungsdrähte mit dem Deckelbereich elektrisch verbunden und zusätzlich mit dem Deckelbereich mechanisch unlösbar verbunden. Der Deckelbereich ist in diesem Fall eine flache Platte ohne hochstehenden Rand. Der Bodenbereich ist kastenförmig und hat einen rundum verlaufenden hochstehenden Rand (bevorzugt ohne Falz). In diesem Fall kann die flache Platte als Ganzes gegen den kastenförmigen Bodenbereich verschoben werden.

Bei beiden Ausführungsformen nimmt die Detektorzeile die Position ein, die von den im Bodenbereich vorhandenen Positionierhilfen vorgegeben ist. Die Detektorzeile liegt in jedem Fall im Austrittsfenster des Mikrospektrometers.

Bei der zweistückigen Ausführung des Deckelbereiches können die Form und das Material der ersten Platte an die Forderungen angepaßt sein, die für das Mikrospektrometer zu erfüllen sind, wie gute Haftung der reflektierenden Beschichtung im Bereich des hohlen Lichtwellenleiters und gute Haftung einer Absorptionsschicht im übrigen Bereich der ersten Platte.

Das Material und die Form der zweiten Platte können an die Forderungen angepaßt sein, die für die elektrischen Funktionselemente sowie für die unlösbare Verbindung zwischen den Gehäuseteilen zu erfüllen sind. Die zweite Platte kann aus einem für gedruckte Schaltungen geeigneten Material bestehen.

Die elektronischen Funktionselemente des erfindungsgemäßen Mikrospektrometers sind bei der einstückigen Ausführung des Deckelbereiches auf der Außenseite des Deckelbereiches angebracht. Bei der zweistückigen Ausführung können sie auf der Außenseite der zweiten Platte und/oder in dem Raum zwischen der in einem Abstand angeordneten ersten und zweiten Platte angebracht sein.

Die elektronischen Funktionselemente dienen zum Ansteuern der Detektorzeile und zur Aufbereitung der Analogsignale; dazu gehören Signalverstärker, Analog/Digital-Wandler, die prozessorgesteuerte Signalauswertung und die elektronische Schnittstelle.

Die Öffnung im Randbereich des mehrteiligen Gehäuses kann entweder als Einkoppelfenster für das als Freistrahl zugeführte und im Eintrittsspalt fokussierte zu zerlegende Licht oder als Durchführung für eine Lichtwellenleiter-Faser ausgebildet sein.

Die als Einkoppelfenster für das zu zerlegende Licht verwendete Öffnung kann bevorzugt durch einen für den benutzten Spektralbereich lichtdurchlässigen Körper stoffundurch lässig verschlossen sein. Der Körper kann die Form einer planparallelen Scheibe oder die Form einer optischen Linse haben. Der Körper kann aus Saphir, Quarz oder Silizium bestehen, falls das einfallende Licht im infraroten Spektralbereich liegt. Der Körper kann aus Glas oder Quarz bestehen, falls das einfallende Licht im sichtbaren Spektralbereich liegt.

Mittels der optischen Linse kann das einfallende Licht auf den Eintrittsspalt fokussiert werden.

Bei der als Durchführung für eine Lichtwellenleiter-Faser verwendeten Öffnung kann das Ende der Lichtwellenleiter-Faser bevorzugt unmittelbar vor dem Eintrittsspalt des Mikrospektrometers liegt. Zwischen der Öffnung und dem Eintrittsspalt können auf dem flachen Boden des Bodenbereiches zwei Stegen angebracht sein, zwischen denen sich ein Graben befindet. Die Stege dienen als Positionierhilfen für die Lichtwellenleiter-Faser, die zwischen den Stegen liegt und innerhalb des Grabens an den Stegen unlösbar befestigt ist. Die Öffnung kann gegen die hindurchgeführte Lichtwellenleiter-Faser dicht verschlossen sein.

Die Detektorzeile ist ein handelsübliches Bauelement. Die lichtempfindliche Fläche kann von 3 bis 4096, bevorzugt von 24 bis 512, nebeneinander angeordnete Bildpunkte (Pixel) als Detektoren enthalten. Der Abstand der Pixel voneinander beträgt von 5 μm bis 5000 μm, bevorzugt von 25 μm bis 75 μm.

Die nebeneinander angeordneten Detektoren können für den infraroten Spektralbereich InGaAs-, PbS-, PbSe- oder Extended InGaAs-Detektoren sein. Sie können für den sichtbaren Spektralbereich Silizium- oder InGaAs-Detektoren sein. Der Empfindlichkeitsbereich der Detektorzeile kann auf den Spektralbereich des zerlegten Lichtes abgestimmt sein.

In einer weiteren Ausführungsform ist das mehrteilige Gehäuse einschließlich der Öffnung im Randbereich gasdicht verschlossen. Dieses Gehäuse kann mit einem trocknen Schutzgas gefüllt sein, um bei niedriger Umgebungstemperatur die Kondensation von Feuchtigkeit innerhalb des gasdichten Gehäuses zu vermeiden. Die Taupunkt-Temperatur des Schutzgases (als Maß für den Feuchtegehalt des Schutzgases] kann bei Normaldruck bevorzugt unterhalb 233 K (unterhalb minus 40 °C) liegen. Als Schutzgas kann Luft, Stickstoff, Kohlendioxid oder ein Edelgas, wie Helium, Argon oder Neon, verwendet werden. Der absolute Druck des Schutzgases kann bevorzugt von 800 hPa (mbar) bis 1500 hPa (mbar) betragen.

Im Strahlengang des Mikrospektrometers kann ein optisches Filter zum Ausfiltern eines Spektralbereiches vorhanden sein. Dieses Filter kann bei Verwendung des optoelektronischen Mikrospektrometers zum Beispiel im sichtbaren Bereich als Filterscheibe an einer fast beliebigen Stelle des Strahlenganges innerhalb des Mikrospektrometers angebracht sein. Bei Verwendung des Mikrospektrometers im infraroten Bereich kann das optische Filter bevorzugt eine auf die lichtempfindliche Fläche der Detektorzeile aufgedampfte Filterschicht sein. Mittels eines Filters lassen sich die unerwünschten (meist höheren) Ordnungen des Spektrums unterdrücken.

Das mehrteilige Gehäuse besteht bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoff wie Polycarbonat, Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polyetheretherketon.

Die Gehäuseteile werden bevorzugt durch Abformen jeweils eines Formeinsatzes hergestellt, dessen Struktur jeweils zur Struktur des entsprechenden Gehäuseteils komplementär ist.

Der Bodenbereich mit allen optischen Funktionselementen und Positionierhilfen wird in einem einzigen Verfahrensschritt als einstückiger Körper durch Abformen eines Formeinsatzes hergestellt.

Die unlösbare und dichte Verbindung zwischen den Teilen des Gehäuses sowie gegebenenfalls die unlösbare Verbindung der Detektorzeile mit dem Deckelbereich oder dem Bodenbereich kann als Schmelzverbindung ausgeführt sein. Ferner kann diese Verbindung mittels eines Klebstoffes hergestellt sein. Der Klebstoff soll möglichst arm an ausgasbaren Komponenten und möglichst diffusionsdicht gegen Luft und das Schutzgas sein.

Die auf der Innenseite des Bodenbereiches angebrachten optischen Funktionselemente bestimmen den Strahlengang im Mikrospektrometer sowie den Ort des Austrittsfensters, in dem das Spektrum des zerlegten Lichtes liegt. Eintrittsspalt, selbstfokussierendes Reflexionsgitter und Austrittsfenster sind bevorzugt auf dem Rowland-Kreis angeordnet. Die Höhe des hohlen Lichtwellenleiters des Mikrospektrometers ist gleich der Höhe des selbstfokussierenden Reflexionsgitters auf der Innenseite des Bodenbereiches. Durch die um 45 Grad gegen die Bodenfläche geneigte und parallel zur Bodenfläche verlaufende Spiegelkante wird der Strahlengang aus einer Ebene parallel zur Bodenfläche kurz vor dem Austrittsfenster um 90 Grad gedreht. Das Austrittsfenster liegt dann parallel zur Bodenfläche und oberhalb der Innenseite der Bodenfläche. Der Abstand des Austrittsfensters von der Bodenfläche richtet sich nach der Lage der fest angeordneten Spiegelkante. In diesem Austrittsfenster liegt die lichtempfindliche Fläche der Detektorzeile. Das Spektrum des zerlegten Lichtes liegt unmittelbar auf der lichtempfindlichen Fläche, der Detektor ist direkt an das Mikrospektrometer angekoppelt. Zwischen Austrittsfenster und Detektor ist kein lichtübertragendes Element, wie ein Faseraufsatz, und keine abbildende Optik vorhanden.

Das erfindungsgemäße optoelektronische Mikrospektrometer hat folgende Vorteile:

– Die optischen Funktionselemente sind im Bodenbereich des Gehäuses unveränderbar angeordnet und mit der Detektorzeile starr und gegebenenfalls unlösbar verbunden. Nach der optischen Justierung während des Zusammenbaus ist keine optische Nachjustierung erforderlich.
– Die optischen Funktionselemente bestehen aus wenigen Einzelteilen, die mit relativ geringem Aufwand zusammensetzbar sind.
– Das Gehäuseteil mit optischen Funktionselementen und Positionierhilfen läßt sich durch Abformen eines Formeinsatzes mit hoher Präzision in großen Stückzahlen wirtschaftlich herstellen.
– Die elektronischen Funktionselemente einschließlich der Detektorzeile können nach bekannten Verfahren aus dem Bereich der Mikroelektronik gegebenenfalls vollautomatisch im Deckelbereich montiert werden.
– Das Mikrospektrometer in Schutzgasausführung ist gegen äußere Einwirkung von aggressiven Fluiden weitgehend unempfindlich.
– Das Mikrospektrometer ist wegen der starren Verbindung der optischen Funktionselemente untereinander und mit der Detektorzeile unempfindlich gegen mechanische Stöße.
– Das Mikrospektrometer kann je nach Ausführungsform zum Zerlegen van Licht im sichtbaren und im infraroten Spektralbereich verwendet werden.
– Zwischen dem Eintrittsspalt und der lichtempfindlichen Fläche des Detektors liegen im allgemeinen keine Grenzflächen, durch die das Licht hindurchgeht. Deshalb hat das Mikrospektrometer eine verbesserte Empfindlichkeit. Falls ein plattenförmiges optisches Filter eingelegt ist, sind nur zwei Grenzflächen vorhanden.
– Die Detektorzeile ist ohne eigenes Gehäuse in die hybrid integrierte Funktionseinheit eingebaut.
– Das erfindungsgemäße Mikrospektrometer hat ein kleineres Volumen als ein bekanntes Mikrospektrometer mit gleicher Leistungsfähigkeit.

Das erfindungsgemäße optoelektronische Mikrospektrometers wird an Hand der folgenden Figuren beispielhaft näher erläutert. Die Figuren zeigen die Bauteile in Schrägansicht vor dem Zusammenfügen oder als Explosionsbild.
In 1 ist die Funktionsgruppe (1) dargestellt, die die optischen Funktionselemente enthält. Bodenbereich (2) und Randbereich (3) bilden einen kastenförmigen Körper. Der Eintrittsspalt (4), das Reflexionsgitter (5) und die Spiegelkante (6) sind die optischen Funktionselemente. Der hohle Lichtwellenleiter des Mikrospektrometers wird durch die Bodenfläche (7), das ist die Innenfläche des Bodenbereiches, begrenzt. Im Randbereich (3) ist die Öffnung (11) vorhanden. Innerhalb des kastenförmigen Bodenbereiches sind mehrere Auflagestellen (9a; 9b; 9c) als Pasitionierhilfen für den Deckelbereich angebracht. In der Nähe der Spiegelkante befinden sich zwei Positionierhilfen (10a; 10b) für die Detektorzeile.
Das zu zerlegende Licht wird mittels der Lichtwellenleiter-Faser (12), die durch die Öffnung (11) und den Graben zwischen den Stegen (8) geführt ist, bis zum Eintrittsspalt (4) geleitet.
Die Funktionsgruppe (1) mitallen Funktionselementen (mit Ausnahme der Lichtwellenleiter-Faser) ist als einstückiger Mikrostrukturkörper durch Abformen eines Formeinsatzes (mit komplementärer Struktur) in einem einzigen Verfahrensschritt hergestellt worden.
2 zeigt die erste Platte (21) für einen zweistückigen Deckelbereich. Diese Platte ist mit der Öffnung (22) im Bereich des Austrittsfensters des Mikrospektrometers versehen. Die Unterseite der Platte bildet die Begrenzung des hohlen Lichtwellenleiters des Mikrospektrometers. Die Lage und Form des hohlen Lichtwellenleiters ist durch die punktierten Linien angedeutet. Der Bereich (23) und der ihm nach dem Zusammenfügen der ersten Platte (21) mit der Funktionsgruppe (1) gegenüberliegende Bereich (7) auf der Innenseite des Bodenbereiches (2) sind mit einer reflektierenden (Gold-)Schicht belegt.
3 ist eine schematische Darstellung der Detektorzeile (31). Auf der Trägerplate ist die lichtempfindliche Schicht (32) mit den Bildpunkten (Pixeln) (33) angebracht. Die Bildpunkte sind (in nicht dargestellter Weise) mit einer Reihe von elektrischen Kontakten (34) verbunden, an denen die (nicht dargestellten) Anschlüsse für die Weiterleitung der elektrischen Signale elektrisch leitend angebracht sind.
Die Trägerplatte der Detektorzeile ist mit Positionierhilfen (35a; 35b) versehen, die nach Lage und Form an die Positionierhilfen (10a; 10b) im Bodenbereich der Funktionsgruppe (1) angepaßt sind.
In 4 ist ein einstückiger Deckelbereich dargestellt, der nach Form und Größe an den in 1 dargestellten kastenförmigen Bodenbereich angepaßt ist. Dieser Deckelbereich hat die Form einer flachen Platte (41), die auf einer Seite die Detektorzeile (31) trägt. Auf der Plattenseite mit der Detektorzeile ist der Bereich (42) durch punktierte Linien dargestellt, der die Begrenzung des hohlen Lichtwellenleiters des Mikrospektrometers bildet, und der mit einer reflektierenden (Gold-)Schicht belegt ist.
Die 5a und 5b zeigen ein aus zwei Teilen bestehendes optoelektronisches Mikrospektrometer vor dem Zusammenfügen der Teile. In 5a ist die Funktionsgruppe (51) mit optischen Funktionselementen und Positionierhilfen (analog zu 1) dargestellt. In 5b ist die flache Platte (41) des einstückigen Deckelbereiches (gemäß 4) dargestellt. Vor dem Zusammenfügen von Teil (41) mit Teil (51) wird Teil (41) gedreht. Dann befindet sich die Detektorzeile (31) auf der Innenseite des mit dem kastenförmigen Bodenbereich (51) verbundenen Deckels (41). Der Deckel (41) ist mit der Kante des hochstehenden Randes am Bodenbereich (51) unlösbar verbunden.
Bei der gasdichten Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrospektrometers ist diese Verbindung gasdicht. Die Öffnung (11) im Randbereich ist ebenfalls gasdicht verschlossen.
Die 6a, 6b und 6c zeigen den Aufbau eines optoelektronischen Mikrospektrometers mit zweistückigem Deckelbereich. In 6a ist die Funktionsgruppe (1) mit den optischen Funktionselementen (gemäß 1} dargestellt. 6b zeigt die erste flache Platte (21) (gemäß 2). 6c zeigt die zweite flache Platte (61) (analog zu 4) des zweistückigen Deckelbereiches. Die flache Platte (21) liegt nach dem Zusammenfügen mit der Funktionsgruppe (1) innerhalb des kastenförmigen Bodenbereiches. Die der Bodenfläche (7) zugewandte Seite der flachen Platte (21) liegt auf den Positionierhilfen (9a; 9b; 9c). Die Positionierhilfen (10a; 10b) für die Detektorzeile (31) ragen in die Öffnung (22) hinein. Die flache Platte (21) ist mit dem kastenförmigen Bodenbereich unlösbar verbunden, zum Beispiel durch Verkleben am Rand. Die flache Platte (61) wird vor dem Zusammenfügen mit der Funktionsgruppe (1) gedreht. Dann befindet sich die Detektorzeile (31) auf der Innenseite des mit dem kastenförmigen Bodenbereich (2) verbundenen Deckels (61). Der Deckel (61) ist mit der Kante des hochstehenden Randes am Bodenbereich (2) unlösbar verbunden.
Die Position der Detektorzeile in der Ebene parallel zur Innenseite des Bodenbereiches wird in beiden Richtungen dieser Ebene durch die Lage der Positionierhilfen (10a; 10b) bestimmt. Die Höhenlage der Detektorzeile über der Innenseite der Bodenfläche wird durch die Höhe der Positionierhilfen (10a; 10b) bestimmt.
Bei der gasdichten Ausführung des optoelektronischen Mikrospektrometers ist diese Verbindung gasdicht. Die Öffnung (11) im Randbereich ist ebenfalls gasdicht verschlossen.
Bei der Ausführung des optoelektronischen Mikrospektrameters nach den 6a, 6b und 6c kann die die Detektorzeile tragende Seite der Platte (61) auf der Platte (21) ohne Zwischenraum aufliegen.
Falls zwischen diesen Platten ein Zwischenraum liegt, ist die Höhe der Positionierhilfen (10a; 10b) um die Höhe dieses Zwischenraumes vergrößert. Die Seitenhöhe des kastenförmigen Randbereiches, der der Seite mit der Öffnung (11) gegenüber liegt, kann an die Höhe der Positionierhilfen (10a; 10b) angepaßt sein. Die Innenfläche der Platte (61) liegt dann auf den Enden der Positionierhilfen (10a; 10b) und auf dem gegenüber liegenden Rand des kastenförmigen Bodenbereiches.
Damit die lichtempfindliche Fläche der Detektorzeile weiterhin im Austrittsfenster des Mikrospektrometers liegt, ist zwischen die Platte (61) und die Detektorzeile (31) eine Zwischenplatte eingeschoben.

Claims

Optoelektronisches Mikrospektrometer als hybrid integrierte Funktionseinheit, das einen planaren Wellenleiter für das einfallende und für das zerlegte Licht, einen Eintrittsspalt für das einfallende Licht, ein selbstfokussierendes Reflexionsgitter, eine Spiegelkante und ein Austrittsfenster für das spektral zerlegte Licht als optische Funktionselemente enthält, und das eine Detektorzeile sowie weitere elektronische Bauelemente als elektronische Funktionselemente enthält, und das in einem Gehäuse, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil, untergebracht ist, und das erste Gehäuseteil als kastenförmige Funktionsgruppe mit einem flachen Boden und einem hochstehenden Rand mit einer vor dem Eintrittsspalt liegenden Öffnung und das zweite Gehäuseteil als flacher Deckel ausgebildet ist, und die optischen Funktionselemente Eintrittsspalt, Reflexionsgitter und Spiegelkante auf der Innenseite des flachen Bodens des ersten Gehäuseteils angebracht sind, und der Raum zwischen Eintrittsspalt, Reflexionsgitter und Austrittsfenster als hohler Lichtwellenleiter ausgebildet ist, der zum ersten Gehäuseteil hin durch die Innenseite des zweiten Gehäuseteils begrenzt ist, und im ersten Gehäuseteil Positionierhilfen für das zweite Gehäuseteil und die Detektorzeile vorhanden sind, und das zweite Gehäuseteil mit dem ersten Gehäuseteil unlösbar verbunden ist, und die Öffnung im hochstehenden Rand stoffundurchlässig verschlossen ist, und das erste Gehäuseteil mit den Funktionselementen Öffnung im hochstehenden Rand, Eintrittsspalt, Reflexionsgitter, Spiegelkante, und allen Positionierhilfen ein einstückiger Körper ist, wobei – die Detektorzeile (31) ungehäust und mit Positionierhilfen (35a; 35b) versehen ist, und – an dem zweiten Gehäuseteil angebracht und mit dem zweiten Gehäuseteil nachgiebig verbunden ist, und – die Position der Detektorzeile in Bezug auf die Lage des Austrittsfensters durch die aneinander angepassten Positionierhilfen (10a; 10b) und (35a; 35b) auf dem Boden des ersten Gehäuseteils und an der ungehäusten Detektorzeile bestimmt ist, und – das Austrittsfenster des Mikrospektrometers auf der lichtempfindlichen Fläche der ungehäusten Detektorzeile liegt, und – die elektronischen Funktionselemente auf dem zweiten Gehäuseteil außerhalb des Raumes für die optischen Funktionselemente angebracht sind.
Optoelektronisches Mikrospektrometer nach Anspruch 1, wobei – das zweite Gehäuseteil als einstückiger flacher Deckel (41) ausgebildet ist, der mit seiner dem ersten Gehäuseteil (51) zugewandten Seite den hohlen Lichtwellenleiter des Mikrospektrometers begrenzt, und – die direkt angekoppelte ungehäuste Detektorzeile (31) auf der dem ersten Gehäuseteil (51) zugewandten Seite des flachen Deckels (41) angebracht ist.
Optoelektronisches Mikrospektrometer nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei – auf der Außenseite des einstückigen flachen Deckels (41) elektronische Funktionselemente, zum Beispiel für die Ansteuerung der ungehäusten Detektorzeile und die Aufbereitung der Analogsignale, wie Signalverstärker, Analog/Digital-Wandler, die prozessorgesteuerte Signalauswertung, und die elektronische Schnittstelle angeordnet sind.
Optoelektronisches Mikrospektrometer nach Anspruch 1, wobei – das zweite Gehäuseteil als zweistückiger flacher Deckel ausgebildet ist und aus zwei flachen übereinander angeordneten Platten (21; 61) besteht, von denen – die erste Platte (21) mit ihrer dem ersten Gehäuseteil (1) zugewandten Seite den hohlen Lichtwellenieiter des Mikrospektrometers begrenzt, und die erste Platte (21) mit einer Öffnung (22) im Bereich des Austrittsfensters des Mikrospektrometers versehen ist, und – die zweite Platte (61) auf ihrer der ersten Platte zugewandten Seite die direkt angekoppelte ungehäuste Detektorzeile (31) trägt, die, in eine Öffnung (22) in der ersten Platte hineinragt, und die lichtempfindliche Fläche der ungehäusten Detektorzeile im Austrittsfenster des Mikrospektrometers liegt.
Optoelektronisches Mikrospektrometer nach den Ansprüchen 1 und 4, wobei – zwischen der ersten Platte (21) und der zweiten Platte (61) des zweistöckigen Deckels ein Abstand vorhanden ist und elektronische Funktionselemente auf beiden Seiten der zweiten Platte (61) angeordnet sind.
Optoelektronisches Mikrospektrometer nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei – vor der Detektorzeile (3l) ein optisches Filter angebracht ist.
Optoelektronisches Mikrospektrometer nach den Ansprüchen 1 bis 6, wobei – das Gehäuse gasdicht ist und mit einem trocknen Schutzgas gefüllt ist, – dessen Taupunkt-Temperatur unterhalb 233 K (minus 40 °C) liegt, bevorzugt mit Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, oder einem Edelgas wie Helium, Argon, Neon, – bei einem Gasdruck von 800 hPa (800 mbar) bis 1500 hPa (1500 mbar).
Optoelektronisches Mikrospektrometer nach den Ansprüchen 1 bis 7, wobei – das erste Gehäuseteil mit allen optischen Funktionselementen (4; 5; 6) und Positionierhilfen (8; 10a; 10b) aus Kunststoff besteht, bevorzugt aus Polycarbonat, Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polyetheretherketon, und – durch Abformen eines Formeinsatzes als einstückiger Körper in einem einzigen Verfahrensschritt hergestellt worden ist.