DE102004015439A1 - Miniaturisierter Gassensor mit integrierter Strahlungsquelle und Detektor - Google Patents

Miniaturisierter Gassensor mit integrierter Strahlungsquelle und Detektor Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion der Konzentration eines Gases, welche DOLLAR A - einen Chip, auf dem sowohl eine Strahlungsquelle als auch wenigstens ein Strahlungsempfänger angeordnet sind, und DOLLAR A - einen Reflektor, welcher wenigstens einen Teil der von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlung zu dem wenigstens einen Strahlungsempfänger reflektiert, DOLLAR A enthält.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Detektion eines Gases.
  • Zur Messung von Gaskonzentrationen werden u.a. sogenannte spektroskopische Sensoren verwendet, welche auf der konzentrationsabhängigen Absorption von Licht im zu messenden Gas basieren. Das Prinzip eines solchen Sensors ist in der später diskutierten 1 dargestellt. Dabei liefert eine Lichtquelle bzw. Strahlungsquelle (insbesondere eine Infrarotquelle) eine weitgehend breitbandige Strahlung, die eine mit dem Messgas beaufschlagte Küvette durchströmt. Die Intensität der Strahlung wird von zwei Detektoren (z.B. mikromechanische Thermopiles, Bolometer, Pyrometer) mit unterschiedlichen optischen Filtern erfasst. Die beiden Filter sind als Schmalbandfilter ausgeführt, wobei ein Filter auf eine charakteristische Absorptionsbande des zu messenden Gases ausgelegt ist, während der zweite Filter als Referenz dient und dementsprechend auf einen Bereich zielt, in dem das Messgas vollständig transmittiert. Bisherige System sind weitgehend diskret aufgebaut, was sich nachteilig in Kosten und Baugröße auswirkt.
    •
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion der Konzentration eines Gases, welche
    • – einen (einzigen) Chip, auf dem sowohl eine Strahlungsquelle als auch wenigstens ein Strahlungsempfänger angeordnet sind und
    • – einen Reflektor, welcher wenigstens einen Teil der von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlung zu dem wenigstens einen Strahlungsempfänger reflektiert,
    enthält.
  • Der Vorteil besteht darin, dass durch die Anordnung auf einem einzigen Chip bzw. einzigen Substrat bzw. einzigen Halbleiterbauteil sowohl die Strahlungsquelle als auch der Strahlungsempfänger in einem gemeinsamen Fertigungsprozess hergestellt werden kann. Gegenüber Anordnungen, bei welchen Quelle und Empfänger auf separaten Chips angeordnet sind, ergibt sich weiterhin der Vorteil, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine präzise Anordnung bzw. Positionierung der Chips relativ zueinander nicht erforderlich ist. D.h. eine mögliche Fehlerquelle durch ungenaue Positionierung zweier Chips relativ zueinander entfällt.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich
    • – bei der Strahlungsquelle um eine Infrarotquelle und
    • – bei dem wenigstens einen Strahlungsempfänger um einen Infrarotdetektor handelt.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Strahlungsquelle um ein auf einen freitragenden Membran angebrachtes Heizelement handelt, welches mit einen Emissionsschicht überzogen ist. Durch die Emissionsschicht wird die Strahlungsemission des Heizers verbessert.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
    • – zwei Strahlungsdetektoren vorhanden sind,
    • – beide Strahlungsdetektoren sich jeweils auf einer freitragenden Membran befinden und
    • – jeder der beiden Strahlungsdetektoren aus wenigstens einem Thermopile, einer Absorptionsschicht sowie einem in Richtung der einfallenden Strahlung vorgeschalteten Filter besteht.
  • Durch die freitragende Membran wird eine gute thermische Isolation erreicht. Die Verwendung von zwei Strahlungsdetektoren erlaubt eine genauere Erfassung der Gaskonzentration.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Filter jeweils eine unterschiedliche Durchlasswellenlänge im infraroten Bereich aufweisen, wobei
    • – der Durchlasswellenlängenbereich des Filters von einem der Strahlungsdetektoren im Bereich einer Absorptionsbande des zu messenden Gases liegt und
    • – der Durchlasswellenlängenbereich des Filters von einem anderen der Strahlungsdetektoren in einem Bereich außerhalb einer Absorptionsbande des zu messenden Gases liegt.
  • Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, den Durchlasswellenlängenbereich des Filters von einem anderen der Strahlungsdetektoren in einem atmosphärischen Fenster zu wählen. Unter dem Begriff des „atmosphärischen Fensters" wird dabei ein Wellenlängenbereich verstanden, in dem keinerlei Absorptionsbanden irgendwelcher (relevanter) Gase liegen.
  • Durch die zusätzliche Verwendung eines Strahlungsdetektors mit einem Filter, dessen Durchlasswellenlängenbereich in einem Bereich außerhalb einer Absorptionsbande des zu messenden Gases liegt, kann der Offsetwert der Ausgangssignale der Strahlungsdetektoren in einfacher Art und Weise bestimmt werden. Auch eine Drift der Strahlungsquelle wird dadurch kompensiert.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
    • – dass die Strahlungsquelle einen Widerstand als Heizelement enthält und
    • – der Widerstand aus einem Material besteht, welches auch für die Thermopiles verwendet wird.
  • Durch die Verwendung gemeinsamer Materialien kann die Herstellung der Vorrichtung mit weniger Prozessschritten erfolgen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle sowie der wenigstens eine Strahlungsempfänger von einer Kappe abgedeckt sind.
  • Insbesondere ist die Abdeckung mit der Kappe derart ausgestaltet, dass die Strahlungsquelle sowie der wenigstens eine Strahlungsempfänger gegenüber der Umgebung hermetisch abgekapselt sind.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet,
    • – dass zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsempfänger ein eine Reflektionsschicht enthaltendes Bauelement angeordnet ist, welches den direkten Empfang der durch die Strahlungsquelle ausgesandten Strahlung durch den wenigstens einen Strahlungsempfänger unter Umgehung des Reflektors im wesentlichen verhindert.
  • Dadurch wird die Verrauschung der Ausgangssignale der Thermopiles infolge von Streustrahlung minimiert.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Reflektionsschicht um eine Metallschicht, insbesondere eine dünne Metallschicht, handelt. Dabei kann es sich insbesondere um eine dünne Aluminiumschicht handeln.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
    • – dass sowohl der Chip als auch die Kappe in ein Gehäuse eingebettet sind und
    • – der Reflektor in das Gehäuse bzw. die Gehäuseoberfläche eingebettet oder montiert ist.
  • Der Reflektor kann dabei sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite der Gehäuseoberfläche angebracht sein.
  • Das Gehäuse dient damit zugleich als Träger für den Reflektor und als mechanischer Schutz.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
    • – das Gehäuse einen Deckel enthält und
    • – der Reflektor in den Deckel eingebettet oder an den Deckel montiert ist.
  • Dadurch muss bei einem Austausch der Reflektors lediglich ein Austausch des Deckels erfolgen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen Einlass für das Gas, dessen Konzentration gemessen werden soll, aufweist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Detektion der Kohlendioxidkonzentration in der Luft verwendet wird.
    •
  • Zeichnung
  • Die Zeichnung besteht aus den 1 bis 4.
  • 1 zeigt den aus dem Stand der Technik bekannten prinzipiellen Aufbau eines zweikanaligen spektroskopischen Gassensors.
  • 2 zeigt das Grundprinzip der Erfindung.
  • 3 zeigt den Aufbau des Bauelements.
  • 4 zeigt die Einbettung des Bauelements in ein Gehäuse.
  • Ausführungsbeispiele
  • Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten Gassensor. In diesem sind auf einem mikromechanischen Chip Strahlungsquelle, Filter und Detektorelement integriert.
  • Der aus dem Stand der Technik bekannte Gasdetektor nach 1 umfasst eine gasdurchlässige Küvette 10, welche eine Infrarotquelle 12 sowie zwei Filter 12 und 13 enthält. Dabei spielt einer der Filter die Rolle des Referenzfilters. Hinter den Filtern sind die mit 14 gekennzeichneten Detektoren angebracht.
  • Da Strahlungsquelle und Detektor räumlich nah zusammengefasst werden sollen, reicht unter Umständen der direkte Weg zwischen Strahlungsquelle und Detektor als Absorptionsstrecke nicht aus. Daher wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel Licht von der Strahlungsquelle in das Gas ausgesandt und an einem Reflektor zurückreflektiert. Dadurch passiert das Licht das Gas zweimal und der Abstand zum Reflektor kann auf die Hälfte der notwendigen Absorptionsstrecke reduziert werden. Dies ist schematisch in 2 dargestellt. Dabei kennzeichnet 20 den Reflektor und 21 kennzeichnet das miniaturisierte Bauelement, welches die Strahlungsquelle 23 sowie die Detektoren 22 und 24 enthält, wobei einer der beiden Detektoren als Referenz verwendet wird.
  • In einem Gesamtprozess zur Herstellung eines Thermopiles als Detektor für einen Gassensor kann auch ein mikromechanisches Heizelement hergestellt werden. Dazu wird die mikromechanische Membran wie beim Thermopile zur thermischen Entkopplung verwendet. Dadurch lässt sich die für eine bestimmte Wellenlänge notwendige Heizleistung reduzieren. Auf der Membran wird ein Heizelement in Form eines Widerstandes platziert. Der Widerstand wird dabei bevorzugt aus einem der für die Thermoelemente notwendigen Materialien hergestellt. Um die Emission des Heizers zu verbessern, wird wie beim Thermopile ein sogenannter Absorber (im vorliegenden Fall besser „Emitter" genannt) auf dem Heizer platziert. Die gesamte Struktur wird mit einer Siliziumkappe hermetisch verkapselt. Dieses Bauelement kann auch durch Verfahren zur Herstellung von Bolometern und Pyrometern erzeugt werden.
  • In 3 ist eine solche Anordnung dargestellt. Dabei kennzeichnet 300 den Chip, auf dem sich sowohl die Infrarotquelle als auch die beiden Infrarotdetektoren befinden. Dieser Chip enthält drei Kavitäten 301, welche jeweils von einer dünnen Membran überspannt sind. Darauf befinden sich die beiden Infrarotdetektoren sowie die Infrarotquelle. Dabei kennzeichnen
    302 = Absorber und Thermopile des linken Infrarotdetektors,
    304 = Absorber und Thermopile des rechten Infrarotdetektors und
    303 = Heizwiderstand mitsamt der darüberliegenden Absorberschicht (bzw. Emitterschicht).
  • Der Heizblock 303 sendet die mit dem Pfeil 305 gekennzeichnet Infrarotstrahlung aus. Die drei Bauteile 302, 303 und 304 sind mit der (für Infrarotstrahlung durchlässigen) Siliziumkappe 306 hermetisch abgedeckt. Über der Kappe befinden sich die beiden optischen Filter 307 und 308, von denen eines für die Absorptionswellenlänge und eines für die Referenzwellenlänge durchlässig ist. 309 kennzeichnet eine Reflexionsbeschichtung, welche später erläutert wird.
  • Weiterhin kennzeichnet 310 (aus Gründen der Übersichtlichkeit nur am linken Detektor eingezeichnet, analog aber ebenso am rechten Detektor vorhanden) die über den linken Filter auf den linken Detektor einfallende Infrarotstrahlung. 311 kennzeichnet einen für die Kontaktierung nach außen verwendeten Bondinganschluss („Bondland").
  • Aufgrund der räumlichen Nähe von Strahlungsquelle und Detektor ist es entscheidend, direkte Störstrahlung der Quelle vom Detektor fernzuhalten, bevor diese die Absorptionsstrecke passiert hat. Dazu wird in der Kappe 306 bereichsweise eine Reflektionsschicht strukturiert bzw. angebracht, welche verhindert, dass Strahlung des Heizers ungerichtet in die benachbarten Detektoren eindringt. Die Strahlung verlässt das in 3 gezeigte Bauelement daher weitgehend in Richtung des Pfeiles 305. Vorzugsweise kommen dafür dünne metallische Schichten wie z.B. Aluminium mit einem hohen Reflektionsgrad in Frage. Alternativ können auch dielektrische Schichten verwendet werden, deren Kombination und Dicken dann allerdings sehr genau auf die zu reflektierenden Wellenlängen abgestimmt sein müssen.
  • Das gesamte in 3 dargestellte Bauelement wird, wie in 4 dargestellt, in ein Gehäuse 400 eingebettet. Im Deckel des Gehäuses eingebettet bzw. unter dem Deckel montiert befindet sich der Reflektor 401. Damit ergibt sich die Bauhöhe des Gehäuses aus der notwendigen Länge für die Absorptionsstrecke. Abseits vom optischen System befindet sich der mit 402 gekennzeichnete Einlass für das Messgas, dieser ist vorzugsweise durch eine für das Gas durchlässige Membran geschützt. Weiterhin können im Gehäuse auch Auswerteelektronik und Stromversorgung untergebracht werden. Selbstverständlich können die Detektoren und Strahlungsquelle auch vereinzelt in das Gehäuse eingebettet werden.

Claims (14)

  1. Vorrichtung zur Detektion der Konzentration eines Gases, gekennzeichnet durch – einen Chip (300), auf dem sowohl eine Strahlungsquelle (23) als auch wenigstens ein Strahlungsempfänger (22, 24) angeordnet sind und – einen Reflektor (20), welcher wenigstens einen Teil der von der Strahlungsquelle (23) ausgesandten Strahlung zu dem wenigstens einen Strahlungsempfänger reflektiert.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich – bei der Strahlungsquelle (23) um eine Infrarotquelle und – bei dem wenigstens einen Strahlungsempfänger (22, 24) um einen Infrarotdetektor handelt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Strahlungsquelle (23) um ein auf einer freitragenden Membran angebrachtes Heizelement handelt, welches mit einer Emissionsschicht überzogen ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – zwei Strahlungsdetektoren vorhanden sind, – beide Strahlungsdetektoren sich jeweils auf einer freitragenden Membran befinden und – jeder der beiden Strahlungsdetektoren aus wenigstens einem Thermopile, einer Absorptionsschicht sowie einem in Richtung der einfallenden Strahlung vorgeschalteten Filter (307, 308) besteht.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Filter jeweils eine unterschiedliche Durchlasswellenlänge im infraroten Bereich aufweisen, wobei – der Durchlasswellenlängenbereich des Filters von einem der Strahlungsdetektoren im Bereich einer Absorptionsbande des zu messenden Gases liegt und – der Durchlasswellenlängenbereich des Filters von einem anderen der Strahlungsdetektoren in einem Bereich außerhalb einer Absorptionsbande des zu messenden Gases liegt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, – dass die Strahlungsquelle (23) einen Widerstand als Heizelement enthält und – der Widerstand aus einem Material besteht, welches auch für die Thermopiles verwendet wird.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (23) sowie der wenigstens eine Strahlungsempfänger (22, 24) von einer Kappe abgedeckt sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung mit der Kappe derart ausgestaltet ist, dass die Strahlungsquelle (23) sowie der wenigstens eine Strahlungsempfänger (22, 24) gegenüber der Umgebung hermetisch abgekapselt sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsempfänger ein eine Reflektionsschicht (309) enthaltendes Bauelement angeordnet ist, welches den direkten Enmpfang der durch die Strahlungsquelle (23) ausgesandten Strahlung durch den wenigstens einen Strahlungsempfänger (22, 24) unter Umgehung des Reflektors (20) im wesentlichen verhindert.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Reflektionsschicht (309) um eine Metallschicht handelt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, – dass sowohl der Chip (300) als auch die Kappe (306) in ein Gehäuse (400) eingebettet sind und – der Reflektor (20) in die Gehäuseoberfläche (400) eingebettet oder an die Gehäuseoberfläche (400) montiert ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass – das Gehäuse einen Deckel enthält und – der Reflektor (20) in den Deckel eingebettet oder an den Deckel montiert ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen Einlass für das Gas, dessen Konzentration gemessen werden soll, aufweist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Detektion der Kohlendioxidkonzentration in der Luft verwendet wird.
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