DE102004013850A1

DE102004013850A1 - Filterchip mit integrierter Blende

Info

Publication number: DE102004013850A1
Application number: DE200410013850
Authority: DE
Inventors: Ronny Ludwig; Maximilian Sauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-03-20
Filing date: 2004-03-20
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2024-03-21
Also published as: WO2005093471A1; DE102004013850B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Filterchip mit integrierter Blende, welcher wenigstens ein erstes Filterelement sowie eine darauf aufgebrachte Blendenschicht, welche aus einem optisch undurchlässigen Material besteht und als Blendenöffnung ein Loch aufweist, enthält.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Filterchip mit integrierter Blende und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Entscheidend für die Funktion von spektroskopischen Gassensoren sind neben den eigentlichen Sensorelementen (z.B. Thermopiles) im wesentlichen zwei Bauteile:

1. Filter
2. Optische Apertur (Blende)

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass beide Bauteile getrennt voneinander integriert werden. Hierzu wird beispielsweise auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 103 18 501 verwiesen. Die häufigste Art von spektroskopischen Strahlungssensoren wird in TO-Gehäusen angeboten. Dabei stellt die Metallkappe mit Öffnungen die Blende dar, an oder in welche die Filterchips montiert sind. Auch in der in 1 dargestellten Gehäuseform wird die Apertur durch einen Metalldeckel mit Öffnungen realisiert. Im folgenden wird die zentrale Funktion der beiden Bauelemente beschrieben.
Funktion der Filter:
Um z.B. die Konzentrationen bestimmter Moleküle durch ein spektroskopisches Verfahren bestimmen zu können, werden die für die Moleküle charakteristischen Wellenlängen betrachtet, bei denen eine Strahlungsabsorption auftritt. Um diese für jedes Gas spezifische Wellenlänge betrachten zu können, werden optische Filter benötigt, welche nur ei nen sehr begrenzten Frequenzbereich möglichst ungehindert passieren lassen und andere Frequenzbereiche sperren. Bei spektroskopischen Gassensoren werden dafür meist Interferenzfilter verwendet. Diese Filter bestehen im wesentlichen aus Folgen von dünnen Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes (bzw. aus absorbierenden und nichtabsorbierenden dünnen Schichten), deren Dicke in der Größenordnung der Wellenlänge der interessierenden Strahlung liegt. Sie werden unter Hochvakuum auf Glas- oder Quarzträger aufgedampft.
Für einen spektroskopischen Gassensor wird mindestens ein Filter der charakteristischen Wellenlänge des zu messenden Gases benötigt. In vielen Anwendungen wird zusätzlich in einem Frequenzband, in dem kein Gas eine absorbierende Wirkung zeigt, ein Referenzsignal gemessen und mit einem Nutzsignal verglichen.
Funktion der optischen Apertur (Blende):
Für die Fokussierung von spektroskopischen Gassensoren ist es unerlässlich, die Strahlung möglichst gerichtet auf das eigentliche Sensorelement zu fokussieren. Da ein durch eine Spiegeloptik fokussierter Strahlungspunkt aus Toleranzgründen immer größer ist als der optisch sensitive Chipbereich, wird der Fokuspunkt in der Regel über eine Blendenkonstruktion erreicht, die aus einem strahlungsundurchlässigen Material besteht und an definierten Stellen Öffnungen besitzt. Die Dimension (Durchmesser) dieser Öffnungen stellt einen Kompromiss zwischen möglichst hoher Strahlleistung (d.h. große Blendenöffnung und hohe elektrische Thermopilespannung) und möglichst wenig Streulicht (d.h. kleine Blendenöffnung, hohe Empfindlichkeit) dar.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung sieht vor, durch eine zusätzlich aufgebrachte Schicht auf den Filtern die Funktion der Blenden auf den Filtern zu integrieren, d.h. die beiden Bauteile Filterchip und Blende in einem Bauteil zu vereinen.
Dies führt zu den folgenden Vorteilen:

– Reduktion der Anzahl an Bauteilen,
– die durch die Beschichtung erreichbaren Blendengeometrien sind anders als bei bekannten Systemen unabhängig von der letztendlichen Chipverpackung bzw. vom Gehäuse,
– Minderung der Systemtoleranzen und Entschärfung der Packaging-Toleranzen (da damit ein Bauteil weniger angeordnet werden muss)
– für viele Verpackungsarten einsetzbar
– Kostenreduktion des Gesamtsensorsystems
– durch den möglichst geringen Abstand zwischen Blende und Thermopile-Chip sind optimierte Blendenöffnungen auf sehr kleinen Filterchips möglich, welche eine hohe Empfindlichkeit bei zugleich hohen Thermospannungen erlauben.
– die Blendenbeschichtung weist die für Anwendungen im Automobilbereich erforderliche Robustheit auf,
– mögliche Codierung des Filterchips auf dieser Blendenschicht durch Strukturierung, z.B. am Chiprandbereich.

Die Erfindung betrifft einen Filterchip mit integrierter Blende, enthaltend

– wenigstens ein erstes Filterelement
– sowie eine darauf aufgebrachte Blendenschicht, welche aus einem optisch undurchlässigen Material besteht und als Blendenöffnung ein Loch aufweist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filterelement auf einem Trägerchip aufgebracht ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerchip aus Silizium besteht. Damit kann auf bewährte Verfahren der Si-Technologie zurückgegriffen werden. Anstelle von Silizium sind selbstverständlich auch andere Trägermaterialien denkbar.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filterelement zwischen der Blendenschicht und dem Trägerelement angeordnet ist. Damit wird sichergestellt, dass die Blendenschicht direkt auf dem ersten Filterelement aufgebracht wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

– dass ein zweites Filterelement auf dem Trägerchip aufgebracht ist
– wobei das erste Filterelement und das zweite Filterelement auf gegenüberliegenden Seiten des Trägerelements aufgebracht sind.

Damit kann eine höhere Präzision und Stabilität des Bauelements erreicht werden, die einzelnen Filterelemente können dünner werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung eine

– rechteckige oder
– runde oder
– ovale oder
– elliptische

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Filterelement um ein Interferenzfilter handelt. Dieses lässt sich durch Aufdampfprozesse in einfacher Art und Weise herstellen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filterelement und/oder das zweite Filterelement aus wenigstens zwei Schichten unterschiedlicher Dicke besteht.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Filterchips mit integrierter Blende, bei dem

– auf einem Trägerchip wenigstens ein erstes Filterelement aufgebracht wird und
– auf dem ersten Filterelement eine Blendenschicht aufgebracht wird, welche aus einem optisch undurchlässigen Material besteht und als Blendenöffnung ein Loch aufweist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Blendenschicht z.B. durch einen Aufdampfvorgang oder Sputterprozess erfolgt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf der Blendenschicht außerhalb der Blendenöffnung als Informationsträger eine Strukturierung aufgebracht wird.
Die vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahrens äußern sich selbstverständlich auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Filterchips und umgekehrt.
Zeichnung
Die Zeichnung besteht aus den 1 und 2.
1 zeigt den aus dem Stand der Technik bekannten prinzipiellen Aufbau eines zweikanaligen spektroskopischen Gassensors.
2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer integrierten Blende auf einem Filtersubstrat.
Ausführungsbeispiele
Üblicherweise bestehen Interferenzfilter, wie bereits beschrieben, aus Folgen von dünnen Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Diese werden z.B. unter Hochvakuum auf Si-Träger aufgedampft. Durch die übereinanderliegenden Schichten wird an jeder Schicht ein Teil des Lichtes reflektiert. Ist die Schichtdicke so groß wie die zu filternde Wellenlänge, wird diese reflektiert und somit herausgefiltert. Werden mehrere Schichten unterschiedlicher Dicke übereinander aufgebracht, reflektiert jede dieser Schichten ein bestimmtes Frequenzband. Als Resultat lässt der Interferenzfilter nur ein extrem enges Frequenzband passieren. Als letzte dieser Schichten wird nun eine optisch undurchlässige Schicht aufgebracht. welche entsprechend den Anforderungen im Blendenbereich eine Aussparung enthält. Die entstehende Blendenöffnung kann alle lateralen geometrischen Formen haben, es sind z.B. rechteckige, runde, ovale oder elliptische Blendenöffnungen möglich.
In 1 ist der aus dem Stand der Technik bekannte prinzipielle Aufbau eines zweikanaligen spektroskopischen Gassensors dargestellt. Dabei kennzeichnen

1: Filter,
2: optische Blendenöffnungen,
3: Blende,
4: Gehäuse,
5: Thermopiles.

2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer integrierten Blende auf einem Filtersubstrat. Dabei kennzeichnen

6: Blendenöffnung bzw. Blendenloch
7: Filterelemente (jeweils Schichtfolgen),
8: optisch undurchlässige Schicht
9: Träger, Trägerchip.

Bei den beiden Filterschichten 7 in 2 kann das obere Filterelement auch als erstes Filterelement und das untere Filterelement auch als zweites Filterelement bezeichnet werden.

Claims

Filterchip mit integrierter Blende, enthaltend – wenigstens ein erstes Filterelement (7) – sowie eine darauf aufgebrachte Blendenschicht (8), welche aus einem optisch undurchlässigen Material besteht und als Blendenöffnung (6) ein Loch aufweist.
Filterchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filterelement (7) auf einem Trägerchip (9) aufgebracht ist
Filterchip nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerchip (9) aus Silizium besteht.
Filterchip nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filterelement (7) zwischen der Blendenschicht (8) und dem Trägerelement (9) angeordnet ist.
Filterchip nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, – dass ein zweites Filterelement (7) auf dem Trägerchip aufgebracht ist – wobei das erste Filterelement (7) und das zweite Filterelement (7) auf gegenüberliegenden Seiten des Trägerelements (9) aufgebracht sind.
Filterchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung eine – rechteckige oder – runde oder – ovale oder – elliptische Form aufweist.
Filterchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Filterelement um ein Interferenzfilter handelt.
Filterchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filterelement aus wenigstens zwei Schichten unterschiedlicher Dicke besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Filterchips mit integrierter Blende, bei dem – auf einem Trägerchip (9) wenigstens ein erstes Filterelement (7) aufgebracht wird und – auf dem ersten Filterelement eine Blendenschicht (8) aufgebracht wird, welche aus einem optisch undurchlässigen Material besteht und als Blendenöffnung (6) ein Loch aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Blendenschicht (8) durch einen Aufdampfvorgang oder Sputterprozess erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Blendenschicht (8) außerhalb der Blendenöffnung (6) als Informationsträger eine Strukturierung aufgebracht wird.