DE102007057037A1 - Sensorelement für spektroskopische oder optische Messungen und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Sensorelement für spektroskopische oder optische Messungen und Verfahren zu dessen Herstellung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement für spektroskopische oder optische Messungen, das mindestens aufweist: einen Sensorchip (2) mit einer für Strahlung (10) sensitiven Messeinrichtung (3), einen Kappen-Chip (6), der auf dem Sensorchip (2) in mindestens einer vakuumdichten Verbindung (5) befestigt ist, einen zwischen dem Kappen-Chip (6) und der Messeinrichtung (3) ausgebildeten Freiraum (7), der durch die vakuumdichten Verbindungen (5) abgedichtet ist, eine Fresnel-Zonen-Struktur (12) zur Bündelung der einfallenden Strahlung (10) auf die Messeinrichtung (3). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Fresnel-Zonen-Struktur (12) in dem Kappen-Chip (6) ausgebildet ist. Sie ist hierbei vorzugsweise als Ringstruktur ausgebildet mit alternierend unterschiedlich dotierten Bereichen (14, 15), die insbesondere dotierte Bereiche (14) und zwischen den dotierten Bereichen ausgebildete Bereiche (15) des Kappen-Chips (6) sein können.

Description

  • Stand der Technik
  • MEMS (Mikro-Elektro-Mechanisches-System) basierte Infrarotsensoren werden unter anderem zur spektroskopischen Messung für die Ermittelung von Gaskonzentrationen eingesetzt. Hierzu werden sie insbesondere in evakuierte metallische Gehäuse, insbesondere TO-Gehäuse, eingesetzt, bei denen der Chip auf dem Boden des Gehäuses liegt, das von einer hermetisch dichten Metallkappe verschlossen ist, in die ein optisches Fenster integriert ist. Das optische Fenster kann hierbei auch als Linse zur Strahlungsbündelung ausgebildet sein.
  • Derartige Ausbildungen sind relativ groß und kostspielig. Dementsprechend sind integrierte Sensoren bekannt, bei denen der Sensor-Chip durch einen hermetisch abgedichtet aufgesetzten Kappen-Chip verschlossen ist. Der so verkappte Sensor wird im Allgemeinen zusammen mit einem zusätzlichen optischen Element mit definiertem Abstand zwischen dem Sensor und dem optischen Element aufgebaut, um eine geeignete Optik zur Strahlungsbündelung zu ermöglichen.
  • Weiterhin ist es bekannt, eine Strahlungsbündelung durch Fresnel-Linsen auszubilden, wobei dreidimensionale Strukturen auf der Oberseite eines Chips ausgebildet werden. Durch die Abfolge von Silizium und Luft wird ein hoher Brechzahlsprung realisiert, was zur Einstellung einer ortsabhängigen effektiven Brechzahl führt. Somit wird eine Sammelwirkung und zusätzlich ein beugende Wirkung erreicht, so dass die durchtretende elektromagneti sche Strahlung in ihr Spektrum aufgespalten wird. Die Linsenstruktur kann hierbei so ausgelegt werden, dass nur eine relevante Mess-Wellenlänge auf die aktive Fläche der Messeinrichtung projiziert wird und zusätzliche Filterelemente somit nicht erforderlich sind.
  • Derartige dreidimensionale Strukturen sind hierbei entsprechend der relevanten Wellenlängen im Bereich weniger als μm ausgebildet. Falls eine Flüssigkeit auf die Linsenfläche gelangt, ist die Linsen- und Filterwirkung nicht mehr gegeben. Die ausgebildete dreidimensionale Struktur verhindert hierbei, dass die Linsenfläche gesäubert wird bzw. die Flüssigkeit darauf vollständig verdampfen kann. Bei derartig kleinen Strukturgrößen kann aufgrund der adhäsiven Kräfte auch eine verstärkte Tautropfenbildung auftreten. Hierbei kann insbesondere im Automobilbereich eine Kontamination durch unterschiedliche Stoffe wie Wasser- und Ölnebel erfolgen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird die Fresnel-Zonen-Linsen-Struktur nicht als dreidimensionale Struktur auf der Oberseite eines Chips, sondern innerhalb des Kappen-Chips realisiert. Sie kann insbesondere durch Dotierung relevanter Bereicheerreicht werden. Somit kann erfindungsgemäß eine in den Kappen-Wafer integrierte Fresnel-Zonen-Linse mit planer Oberfläche ausgebildet werden.
  • Dem liegt die erfindungsgemäße Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Dotierung sehr hohe Brechzahlunterschiede erreicht werden können. Da der Brechungsindex proportional zu Dielektrizität ist, können durch hohe Dotierungen des Materials große Brechzahlsprünge erreicht werden, so dass für die Fresnel-Linse dreidimensionale Strukturen vermieden werden können und die Ausbildung innerhalb des Kappen-Wafers bzw. Kappen-Chips möglich ist. Somit entfallen beidem Stand der Technik auftretenden Probleme der dreidimensional strukturierten Oberfläche. Erfindungsgemäß kann eine plane Oberfläche ausgebildet werden, an der die Adhäsion der von außen ankommenden Substanzen erschwert ist und deren optisches Verhalten nicht oder nur gering von den außen anhaftenden Stoffen wie Wasser- und Ölverschmutzungen abhängt. Weiterhin ist die Reinigung durch vollständiges Verdampfen der Verunreinigungen ermöglicht, sowie gegebenenfalls auch eine einfache mechanische Reinigung ohne die Gefahr einer mechanischen Beschädigung.
  • Die erfindungsgemäße Abfolge von unterschiedlich dotierten Bereichen, insbesondere schwach- und hochdotierten Bereichen als konzentrische Ringstruktur, führt zu einem ortsabhängigen, effektiven Brechungsindex über die Struktur. Als Folge hiervon wird die einfallende Strahlung in den lateral äußeren Bereichen, die einen höheren effektiven Brechungsindex aufweisen bzw. bei denen die höher dotierten Bereiche einen größeren radialen Abstand zueinander haben, stärker gebrochen als in der Mitte der Ringstruktur, wodurch die erfindungsgemäße Sammelwirkung und somit die Fresnel-Zonen-Linsenwirkung erreicht wird, durch die die eintreffende Strahlung auf die sensitive Messeinrichtung bzw. deren sensitive Struktur konzentriert werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist insbesondere eine Dotierung der Bereiche vorgesehen; alternativ zur Dotierung können die Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex in dem Substrat des Kappenchips grundsätzlich auch z. B. durch chemische Veränderung, z. B. Oxidieren oder Nitridieren des Si-Materials erzeugt werden.
  • Erfindungsgemäß ist insbesondere eine Auslegung für Strahlung im Infrarotbereich, insbesondere auch im Bereich der Absorbtionswellenlänge von Gasen wie CO2, Stickoxiden, usw. relevant, da hierfür Strukturen in geeigneten Größenordnungen strukturiert werden können. Somit kann erfindungsgemäß insbesondere auch ein spektroskopischer Sensor zur Messung der Absorbtion der IR-Strahlung von CO2 eingesetzt werden, um eine mögliche Leckage von CO2-haltigem Kühlmittel oder die Anreicherung von CO2 in der Innenluft eines Kraftfahrzeuges zu ermitteln.
  • Das erfindungsgemäße Sensorelement kann somit ohne zusätzliche optische Mittel zur Bündelung der Strahlen, d. h. auch ohne zusätzliche Linsen im Strahlengang realisiert werden.
  • Weiterhin bündelt die erfindungsgemäße Fresnel-Zonen-Struktur vorteilhafterweise nur einfallende Strahlung eines Wellenlängenbereichs um eine Zentralwellenlänge auf die sensitive Messeinrichtung, sodass zusätzliche wellenlängenselektive Filterelemente somit nicht erforderlich sind.
  • Erfindungsgemäß ist eine Herstellung auf Wafer-Ebene möglich, bei der ein Sensor-Wafer und Kappen-Wafer getrennt strukturiert und nachfolgend verbunden werden können, so dass die einzelnen Sensorelemente durch Vereinzelung hergestellt werden können.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement bei Anbringung auf einem Schaltungsträger im Vertikalschnitt;
  • 2 zeigt den erfindungsgemäßen Kappenchip im Vertikalschnitt;
  • 3 zeigt eine Aufsicht auf den Kappenchip.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Ein erfindungsgemäßes Sensorelement 1 weist einen Sensorchip 2 mit einer für IR-Strahlung sensitiven Messeinrichtung 3 auf. Auf dem Sensorchip 2 ist über eine vakuumdichte Sealglasverbindung 5 aus einem bei niedriger Temperatur schmelzenden Glasmaterial ein Kappenchip 6 befestigt. Der Kappenchip 6 weist an seiner Unterseite eine durch KOH-Ätzen ausgebildete Kaverne 7 auf, die somit zwischen der Messeinrichtung 3 und dem Kappenchip 6 einen Freiraum 7 bildet, in dem ein Vakuum ausgebildet ist.
  • Die Messeinrichtung 3 ist als solche bekannt und kann z. B. Thermopile-Strukturen aufweisen, wozu zur thermischen Isolation im Sensorchip 2 eine Kaverne 4 ausgebildet sein kann. Weiterhin kann die Messeinrichtung 3 auch Fotodioden, Fotowiderstände oder andere für die relevante Strahlung sensitive Elemente aufweisen, wobei für derartige Elemente die Kaverne 4 nicht erforderlich ist.
  • Erfindungsgemäß ist die Oberseite 8 des Kappenchips 6 plan bzw. eben ausgebildet. Auch die Unterseite 9 ist im Bereich oberhalb der Kaverne 7 vorzugsweise plan ausgebildet. In dem Kappenchip 6 ist eine Fresnel-Zonen-Linse 12 zur Fokussierung der einfallenden Strahlung 10 ausgebildet. Die Fresnel-Zonen-Linse 12 wird durch eine insbesondere in 3 ersichtliche ringförmige Struktur aus dotierten Bereichen 14 und undotierten Bereichen 15 gebildet, die auf der Oberseite 8 des Kappenchips 6 ausgebildet sind. Hierbei können z. B. in dem p-dotiertem Silizium des Kappenchips 6 niedrig n-dotierte Bereiche 14 ausgebildet sein. Vorteilhafterweise sind die Bereiche 14 hochdotiert, d. h. n+-dotiert, so dass ein hoher Unterschied in der Dotierung zwischen den Bereichen 14 und den dazwischen liegenden Bereichen 15 des Kappenchips 6 vorliegt. Durch den proportionalen Zusammenhang von Dielektrizität ε und Brechungsindex n wird aufgrund des hohen Dotierungsunterschiedes ein deutlicher Unterschied im Brechungsindex erreicht.
  • Die genaue Ringstruktur gemäß 3 ist durch das Prinzip der Fresnel-Zonen-Linse bzw. Fresnel-Zonen-Platte mit einer Beugung an der Ringstruktur festgelegt. Es gilt aufgrund der gegenüber der Brennweite großen Gegenstandsweite, d. h. einem sehr großen Abstand der IR-Lichtquelle von der Fresnel-Zonen-Linse 12 (insbesondere bei parallelem Strahlungseinfall, d. h. Gegenstandsweite unendlich), für die Ringe Ri mit jeweiligem Radius ri und alternierendem Brechungsindex ni bei einer relevanten Mess-Wellenlänge λ0 und dem vertikalen Abstand H zwischen der Oberseite 8 und der Messein richtung 3 die Gleichung ri = √2iλ0Hmit i = 1, 2, 3, ...
  • Die Ringe Ri mit Radien ri sind somit alternierend Bereiche 14 und Bereiche 15. Somit vergrößern sich die Radien ri, d. h. die lateralen Abstände der Bereiche 14, 15 gegenüber der optischen Achse A, mit i = 1, 2, 3, ... nach außen hin. Die Breite ai der einzelnen Ringe Ri nimmt nach außen ab. Die vertikale Höhe h der lateralen Bereiche 14 kann vorteilhafterweise konstant sein.
  • Die Strahlung 10 wird in den lateral äußeren Bereichen, die einen höheren effektiven Brechungsindex aufweisen, stärker gebrochen als in der Mitte der Ringstruktur. Es entsteht die von der Fresnel-Zonen-Platte her bekannte Sammelwirkung bzw. Fokussierwirkung, wobei die in 2, 3 gezeigte Struktur der dotierten Bereiche 14 derartig gewählt ist, dass die Messeinrichtung 3 für genau die relevante Mess-Wellenlänge λ0, z. B. die Absorptionswellenlänge von CO2, im Fokus der Fresnel-Zonen-Linse 12 liegt. Vorteilhafterweise werden andere Wellenlängen λ unterdrückt, bzw. es wird nur die einfallende Strahlung 10 eines Wellenlängenbereichs Δλ um die Mess- Wellenlänge λ0 als Zentralwellenlänge auf die sensitive Messeinrichtung 3 gebündelt, so dass keine weiteren Wellenlängen-spezifischen Filter erforderlich sind.
  • Somit ist der vertikale Abstand H zwischen der Oberseite 8 und der Messeinrichtung 3 geeignet gewählt in Abhängigkeit der Mess-Wellenlänge λ0, der Brechungsindizes der Bereiche 14, 15 unter Berücksichtigung der geometrischen Ausbildung ri der Ringstruktur der dotierten Bereiche 14 sowie der Lichtbrechung an der Unterseite 9 des Kappenchips 6.
  • Das gezeigte Sensorelement 1 weist somit keine zusätzlichen Linsen, Spiegel oder andere bündelnde optische Mittel auf. Die Fokussierung der einfal lenden IR-Strahlung 10, erfolgt bei der relevanten Mess-Wellenlänge λ0 bzw. dem Wellenlängenbereichs Δλ um die Mess-Wellenlänge λ0 als Zentralesellenlänge gemäß dem Prinzip der Fresnel-Zonen-Linse ausschließlich durch Brechung, Beugung und Interferenz.
  • Anstelle von IR-Strahlung 10 kann die Fresnel-Zonen-Linse 12 grundsätzlich auch für sichtbare optische Strahlung ausgelegt sein.
  • Das erfindungsgemäße Sensorelement 1 kann insbesondere für breitbandige Anwendungen ausgelegt sein, z. B. als Oberflächentemperatursensor, der z. B. für Wellenlängen im Bereich 8 bis 14 μm relevant ist.
  • Die Herstellung kann erfindungsgemäß auf Wafer-Ebene erfolgen. Ein Sensor-Wafer 2 und ein Kappen-Wafer 6 werden strukturiert, wobei in dem Kappen-Wafer 6 von der Rückseite her durch KOH-Ätzen eine Kaverne 7 ausgebildet wird und von der Oberseite 8 her die dotierten Bereiche 14 durch ein Dotierungsverfahren, z. B. Ionenimplantation oder ein anders Dotierungsverfahren, gegebenenfalls mit geeigneter Maskierungstechnik, ausgebildet werden. Nachfolgend wird der Kappen-Wafer auf dem Sensor-Wafer mittels der Sealglas-Verbindungen 5 befestigt und die einzelnen Sensorelemente 1 durch Vereinzeln bzw. Zersägen des Wafer-Stapels hergestellt.

Claims (15)

  1. Sensorelement für spektroskopische oder optische Messungen, das mindestens aufweist: einen Sensorchip (2) mit einer für Strahlung (10) sensitiven Messeinrichtung (3), einen Kappen-Chip (6), der auf dem Sensorchip (2) in mindestens einer vakuumdichten Verbindung (5) befestigt ist, einen zwischen dem Kappen-Chip (6) und der Messeinrichtung (3) ausgebildeten Freiraum (7), der durch die mindestens eine vakuumdichte Verbindung (5) abgedichtet ist, und eine Fresnel-Zonen-Struktur (12) zur Bündelung der einfallenden Strahlung (10) auf die Messeinrichtung (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Zonen-Struktur (12) in dem Kappen-Chip (6) ausgebildet ist.
  2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (8) des Kappen-Chips (6) plan ausgebildet ist.
  3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (9) des Kappen-Chips (6) plan ausgebildet ist.
  4. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Zonen-Struktur (12) an die Oberseite (8) und/oder Unterseite (9) des Kappen-Chips (6) angrenzend ausgebildet ist.
  5. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Zonen-Struktur (12) dotierte Bereiche (14) in dem Kappen-Chip (6) aufweist.
  6. Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Zonen-Struktur (12) durch alternierende Ringe (Ri) aus Bereichen (14, 15) mit unterschiedlicher Dotierung ausgebildet ist.
  7. Sensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite (8) und/oder Unterseite (9) ringförmige dotierte Bereiche (14) ausgebildet sind, zwischen denen Bereiche (15) des Substratmaterials des Kappenchips (6) verbleiben.
  8. Sensorelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dotierten Bereiche (14) hochdotiert sind, vorzugsweise mit einem gegenüber dem Substratmaterial des Kappenchips (6) entgegen gesetzten Ladungsträgertyp.
  9. Sensorelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dotierten Bereiche (14) mit im Wesentlichen gleicher vertikaler Höhe (h) ausgebildet sind.
  10. Sensorelement nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (ai) der dotierten Bereiche (14) in radialer Richtung nach außen hin abnimmt.
  11. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Zonen-Struktur (12) einfallende Strahlung (10) eines Wellenlängenbereichs (Δλ) um eine zentrale Mess-Wellenlänge (λ0) auf die sensitive Messeinrichtung (3) bündelt.
  12. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Messeinrichtung (3) für IR-Strahlung (10) sensitiv ist und die Fresnel-Zonen-Struktur (12) einfallende IR-Strahlung (10) bündelt
  13. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Oberflächentemperatursensor ausgelegt ist, z. B. für Wellenlängen im Bereich 8 bis 14 μm.
  14. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als optische Einrichtung und Spektralfilter lediglich die Fresnel-Zonen-Linse (12) aufweist und frei ist von weiteren, die Strahlung (10) bündelnden und wellenlängenselektiven optischen Einrichtungen.
  15. Verfahren zum Herstellen eines Sensorelementes nach einem der vorherigen Ansprüche, mit mindestens folgenden Schritten: Herstellen eines Sensor-Wafers (2) mit mehreren sensitiven Messeinrichtungen (3), Strukturieren eines Kappen-Wafers (6) durch folgende Schritte: Ätzen der Rückseite (9) des Kappen-Wafers (6) zur Ausbildung mehrerer Kavernen (7), Strukturieren, insbesondere Dotieren von Bereichen (14) auf der Oberseite (8) des Kappen-Wafers (6) als Fresnel-Zonen-Struktur (12) mit radialen, konzentrischen Ringen (14) mit unterschiedlichem Radius (ri), Aufsetzen und vakuumdichtes Verbinden des Kappen-Wafers (6) auf dem Sensor-Wafer (2) in vakummdichten Verbindungen (5) derartig, dass jeweils eine Fresnel-Zonen-Struktur (12) oberhalb einer sensitiven Messeinrichtung (3) angeordnet ist und Vereinzeln des so gebildeten Wafer-Stapels zu mehreren Sensorelementen (1).
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