DE102008019600B4

DE102008019600B4 - Optische Vorrichtung in gestapelter Bauweise und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102008019600B4
Application number: DE102008019600.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Egloff; Jens Knobbe; Dr. Grüger Heinrich
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2021-03-04
Anticipated expiration: 2028-04-19
Also published as: DE102008019600A1; US20090262346A1; US8045159B2

Abstract

Optische Vorrichtung zur Spektralanalyse (200; 300; 400) mit folgenden Merkmalen:einem ersten Substrat (25; 1210), das zwei optische Funktionselemente aufweist, die als erster und zweiter Konkavspiegel (2, 13) ausgebildet sind;einem zweiten Substrat (43; 1220), das ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement (4) aufweist,wobei das erste Substrat (25; 1210) und das zweite Substrat (43; 1220) in gestapelter Weise angeordnet und miteinander verbunden sind, so dass ein Strahlengang (42) vorhanden ist, der zwischen dem ersten Substrat (25; 1210) und dem zweiten Substrat (43; 1220) gefaltet ist, wobei das bewegliche mikromechanische Funktionselement (4) und die Konkavspiegel (2, 13) in dem Strahlengang (42) angeordnet sind; undeinem dritten Substrat (27), sowie ein Abstandshaltersubstrat (31) zwischen dem zweiten Substrat (43; 1220) und dem dritten Substrat (27), wobei ein mikroelektronisches Funktionselement, das als Detektor (16) ausgebildet ist, an dem dritten Substrat (27) oder dem Abstandshaltersubstrat (31) angebracht ist, wobei das zweite Substrat (43; 1220) zwischen dem ersten Substrat (25; 1210) und dem dritten Substrat (27) angeordnet ist,wobei die Vorrichtung ausgelegt ist, eine wellenlängenabhängige Aufnahme elektromagnetischer Strahlung zu ermöglichen und die den Strahlengang (42) von einer Spaltblende (1), die in dem zweiten Substrat (43; 1220) angeordnet ist, zu dem ersten Konkavspiegel (2), zu dem beweglichen mikromechanischen Funktionselement (4), das ein dispersives Element (8) zur spektralen Aufspaltung der elektromagnetischen Strahlung aufweist, zu dem zweiten Konkavspiegel (13) und zu einem Austrittsspalt (15), der vor dem Detektor (16) angeordnet ist, aufweist.

Description

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine optische Vorrichtung, im Weiteren auch optisches System oder allgemein System genannt, in gestapelter Bauweise, die ein optisches Funktionselement und ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement aufweist, und auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen optischen Vorrichtung.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf hybrid integrierte MOEMS-Spektrometermodule (MOEMS: mikro-opto-elektro-mechanisches System).
Spektrometer finden heute u.a. Anwendung in der Identifikation von Materialien oder Stoffen, wie zum Beispiel zur Analyse von Lebensmitteln, in der Prozessmesstechnik zur Regelung und Überwachung der Materialzusammensetzung und zur Qualitätskontrolle. Voraussetzung dafür sind Spektrometermodule, die kostengünstig hergestellt werden können und robust gegenüber verschiedenen Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Staub, extremen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit, sind. Dem entgegen stehen die hohen Anforderungen, die die verschiedenen Baugruppen mit sich bringen. Bei einem Spektrometer, das aus optischen, mechanischen, elektronischen und teilweise mikromechanischen Komponenten besteht, ist insbesondere die Justage und Montage der optischen, mechanischen und mikromechanischen Komponenten wichtig für die Funktion des Systems.
Eine Vielzahl von Spektrometertypen, nach unterschiedlichsten Systemkonzepten, sind bekannt. Grundsätzlich lassen sich Spektrometer für die Messung bzw. Charakterisierung der spektralen Zusammensetzung von elektromagnetischer Strahlung in zwei Typen unterteilen: Spektrometer, die die Strahlung passiv modulieren und Spektrometer, die die Strahlung aktiv modulieren. Typische Vertreter von passiv modulierenden Spektrometern sind Gitterspektrometer mit Zeilendetektoren. Bei diesem Spektrometertyp wird die Strahlung auf ein eindimensionales Detektorfeld spektral aufgespalten, wodurch diese Systeme eine begrenzte spektrale Auflösung und einen begrenzten spektralen Messbereich haben, und wobei die Vielzahl der Detektoren eines Detektorfeldes zu einer Abweichung der Signalintensität bzw. Signalsensitivität, aufgrund unterschiedlicher Empfindlichkeiten und Verstärkungen, führt. Elektromagnetische Strahlung aktiv modulierende Spektrometer besitzen Komponenten zur Modulation von Strahlung und zur Detektion der modulierten Strahlung. Diese Systeme besitzen im Allgemeinen eine höhere Auflösung und einen größeren detektierbaren Spektralbereich, und sind aufgrund der Verwendung von Einzeldetektoren für größere Spektralbereiche einsetzbar. Des weiteren sind diese Spektrometer preiswerter und besitzen keine Abweichung in den Signalsensitivitäten. Basierend auf den Entwicklungen der lithografischen Fertigung ist es gelungen Komponenten dieser Systeme lithografisch herzustellen. Die Vorteile dieser Technologie können bisher jedoch nicht vollständig genutzt werden, da die Einsparung an Arbeitsaufwand bei der Herstellung der Einzelkomponenten, durch die aufwendigere Justage und Montage kompensiert wird.
Systeme zur Detektion der spektralen Verteilung elektromagnetischer Strahlung lassen sich des Weiteren nach der verwendeten Herstellungstechnologie in Verbindung mit deren Aufbau, beispielsweise in Systeme, die nahezu vollständig aus diskreten Komponenten aufgebaut sind, und in Systeme, die aus funktionsintegrierten Baugruppen aufgebaut sind, unterteilen. Bei Spektrometern, die nahezu vollständig aus diskreten Komponenten aufgebaut sind, werden diskrete optische, mikromechanische, mechanische und elektronische Bauelemente, die jeweils in unterschiedlichen Verfahren gefertigt werden, durch eine im Allgemeinen aufwendige Justage und Montage zu einem Gesamtsystem vereint. Es kann jeweils nur ein Spektrometermodul pro Arbeitsablauf hergestellt werden, wodurch die Herstellungskosten und damit der Gesamtpreis dieser Systeme hoch ist. Der Einsatz dieser Systeme im Massenmarkt wird dadurch beschränkt. Spektrometer, die aus funktionsintegrierten Baugruppen aufgebaut sind, besitzen Baugruppen bei denen Funktionsgruppen in einem Bauelement monolithisch integriert sind. Anschließend werden diese je nach Ausführung justiert und montiert. Insbesondere optische und mechanische Komponenten werden dazu häufig mittels Kunststoffspritzguss hergestellt. Der Aufbau und die Herstellung dieser Subsysteme ermöglicht eine günstigere Herstellung dieser Systeme als bei Systemen aus diskreten Komponenten. Durch das Schrumpfen der Komponenten besitzen diese eine für optische Komponenten zu große Oberflächenrauheit und thermische Deformation, und somit eine geringere optische Effizienz (Beugungseffizienz Gitter, Oberflächenrauheit, ...), was ein schlechteres Signal-RauschVerhältnis, eine geringere spektrale Auflösung und ein schlechteres Streulichtverhalten zufolge hat. Eine Invarianz gegenüber Umwelteinflüssen kann aufgrund von Beschränkungen bei der Herstellung in Kunststoffspritzguss nicht erreicht werden. Vorteilhafte Konzepte für Spektrometer mit mikromechanischen Komponenten sind aufgrund der großen Toleranzen nur schwer umsetzbar. Die hohen Fertigungsanforderungen insbesondere an die optischen und mechanischen Komponenten erhöhen den Aufwand der Herstellung erheblich. Dies gilt insbesondere für die Abformung der häufig verwendeten Beugungsgitter, die zuvor mit Lithografie oder Ultrapräzisionsbearbeitung hergestellt wurden.
Es sind bereits verschiedene optische Vorrichtungen oder Teile optischer Vorrichtungen, speziell im Bereich der Spektrometer, bekannt. Beispielsweise beschreibt die US 2007/0159635 A1 ein Fourier-Transformations-Spektrometer, das ein binäres Gitter mit variabler Tiefe aufweist, wobei das Gitter einen ersten Spiegelsatz und einen zweiten Spiegelsatz umfasst, wobei die Spiegel des ersten Spiegelsatzes und die Spiegel des zweiten Spiegelsatzes in abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind und zumindest einer der Spiegelsätze von Fingern einer Kammstruktur eines Wafers (scheibenförmiges Substrat) getragen wird. Des Weiteren beinhaltet das Spektrometer einen Aktuator, um eine Bewegung des zweiten Spiegelsatzes anzutreiben, und einen Detektor zur Erfassung einer Strahlung, die vom Gitter reflektiert wird. Die Spiegel sind in einer Ebene, die durch den besagten Wafer definiert ist, orientiert, und die besagte Bewegung des zweiten Spiegelsatzes ist durch eine Translation in eine Richtung vertikal zum besagten Wafer gegeben.
Des Weiteren beschreibt die WO 03/069290 A1 eine quasistatische Auslenkvorrichtung für Spektrometer. Für das dispersive Element eines Spektrometers wird eine Aufhängung, die dasselbe in eine Ruhelage vorspannt, sowie zur Auslenkung eine Einrichtung zum Halten des dispersiven Elements in einer ausgelenkten Stellung, verwendet, derart, dass sich ein Kräftegleichgewicht zwischen der Haltekraft und der Vorspannkraft einstellt. Auf diese Weise kehrt das dispersive Element nach Stößen oder Erschütterungen immer wieder in die durch die Haltekraft definierte Stellung zurück. Ein erfindungsgemäßes Spektrometer umfasst deshalb ein dispersives Element und eine Aufhängung zum Tragen des dispersiven Elements und zum Vorspannen desselben in eine Ruhestellung mit einer Vorspannkraft, wenn sich das dispersive Element in einer ausgelenkten Stellung befindet. Eine Steuereinrichtung steuert eine Halteeinrichtung, um die ausgelenkte Stellung zu variieren, so dass für einen Detektor des Spektrometers verschiedene spektrale Bestandteile erfassbar werden.
Die DE 102006019840 A1 beschreibt eine Zeilenkamera für die spektrale Bilderfassung. Gezeigt wird eine Vorrichtung zur Erfassung spektraler Informationen entlang einer geometrischen Linie mit einem dispersiven Element, das an einer Drehachse aufgehängt ist, zum spektralen Zerlegen einer elektromagnetischen Strahlung von einem Bereich auf der geometrischen Linie in spektrale Bestandteile, einem Zeilendetektor zur Detektion der spektralen Bestandteile der von dem Bereich auf der geometrischen Linie ausgehenden Strahlung und einer Einrichtung zum Auslenken des dispersiven Elements, wobei die Einrichtung zum Auslenken ausgebildet ist, um das dispersive Element um die Drehachse auszulenken, so dass abhängig von einem Auslenkungswinkel eine Strahlung von einem anderen Bereich auf der geometrischen Linie auf den Zeilendetektor fällt.
Des Weiteren beschreibt die DE 196 26 969 A1 ein Spektrometersystem zur räumlich und zeitlich aufgelösten Spektralanalyse. Die DE 196 26 969 A1 beschreibt ein miniaturisierbares, mehrkanaliges Spektrometersystem. Ein lichtführender Raum ist in mehrere Teilbereiche aufgeteilt, die an einem ihren Enden eine Gitterstruktur, an der das Licht gebeugt und reflektiert und somit in seine spektralen Anteile aufgeteilt wird, sowie am anderen Ende eine Vorrichtung zur Lichteinkopplung und -auskopplung enthalten.
Die DE 199 32 807 A1 beschreibt einen Eintrittsspalt für ein Spektrometer, bestehend aus einer beweglichen Blende und einer feststehenden Blende. Die Spaltbreite kann periodisch moduliert werden. Die genannte Schrift beschreibt einen Antrieb für die bewegliche Blende, mit dessen Hilfe die lichte Weite des Eintrittsspalts vorgebbar periodisch verändert werden kann.
Des Weiteren beschreibt die WO 99/18612 A2 die Integration von mehreren optischen Elementen auf Waferebene. Integrierte optische Elemente können dabei durch Verbinden von Substraten, die optische Elemente enthalten, oder durch das Ausstatten von Wafersubstraten mit optischen Elementen auf beiden Seiten, gebildet werden.
Die US 2002/0105699 A1 beschreibt integrierte optische, mikroelektromechanische Systeme und ein Verfahren zur Herstellung derselben. Dabei sind mikrooptische Elemente mit mikroelektromechanischen Aktuatoren integriert, um eine Baugruppe für eine mikrooptische Kommunikationsvorrichtung bereitzustellen. Diese mikrooptischen Kommunikationsvorrichtungen können eine Vielzahl von Kommunikationssystemen, wie beispielsweise optische Verbindungen, Laserkommunikation oder fiberoptische Schalter, realisieren. Bei einem Aspekt wird ein mikrooptisches Element, wie beispielsweise eine Mikrolinse, mit einem Aktuator, sowie einem mikroelektromechanischen Kamm-Antriebs-Aktuator, integriert, um eine mikroelektromechanische Linsenbaugruppe zu bilden.
Des Weiteren beschreibt die US 2004/0087043 A1 eine Gehäusestruktur und ein Verfahren zur Herstellung derselben. Dabei können Substrate mit integrierten oder zusammengebauten Elementen ausgerichtet und vorverbunden werden. Flüssige Vergussmaterialien können angewandt werden, um die Restöffnungen der vorverbundenen Grenzflächen der Substrate zu verschließen. Dreidimensionale und hervorstehende Mikrostrukturen, Elemente und mikroelektromechanische Elemente können innerhalb des Raums, der durch die verbundenen Substrate gebildet wird, untergebracht und geschützt werden.
Die WO 2007/050123 A2 beschreibt ein optisches Mikrospektrometer, das eine Mehrschichtstruktur aufweist. Die Struktur kann in mikroelektromechanischer Technologie hergestellt werden. Ein reflektives Gitter, wie beispielsweise ein diffraktives oder holografisches Gitter, welches sich mit einem Lichtemissionspunkt und einem Detektor am Umfang eines Rowlandkreises befindet, kann eine Konfiguration des Spektrometers sein.
Die DE 694 07 370 T2 beschreibt ein Netzwerk von Miniaturlichtsperren, das insbesondere dazu bestimmt ist, einen Lichtstrahl in eine matrixförmige oder lineare Gruppe von Lichtpunkten zu transformieren, wobei jeder dieser Punkte selektiv aktivierbar oder deaktivierbar ist, um das Licht passieren zu lassen oder zu sperren.
Des Weiteren ist in „Lo, J.F., et al: Multi-Cantilever-Driven Rotational Micrograting for MOEMS Spectrometer‟ in: Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, France, 2007. Transducers, 2007, Seite 2421-2424‟ ein Multi-Trägergetriebenes rotierendes Mikrogitter für MOEMS Spektrometer gezeigt. Ein rotierender Aktuator mit integriertem diffraktivem Gitter als der zentrale Teile eines MOEMS Spektrometers ist zum Detektieren biologischer Fluoreszenz entworfen worden. Mit mehreren Schwebebalken, die einander gegenüber um einen halbschwebenden Drehpunkt angeordnet sind, wird eine Winkelauslenkung erzeugt.
Die US 6,359,718 B1 beschreibt einen Antriebsmechanismus für rotierende Mikrospiegel. Der Antriebsmechanismus beinhaltet einen ersten Verbindungsstab bestehend aus einem ersten und einem zweiten Teil, einem zweiten Verbindungsstab bestehend aus einem dritten und einem vierten Teil, einen ersten Drehpunkt positioniert zwischen dem ersten und dem zweiten Teil, und einem zweiten Drehpunkt positioniert auf einer Seite des vierten Teils gegenüber dem dritten Teil. Der erste und dritte Teil sind flexibel mit einem Schaft verbunden, mit dem der Mikrospiegel rotiert, und der zweite und vierte Teil sind gekoppelt mit einem jeweiligen Aktuator. Wenn Antriebskräfte angewendet werden, um den zweiten und den vierten Teil zu bewegen, werden der erste und der dritte Teil gehebelt, um den Schaft zu rotieren und somit den Mikrospiegel aufgrund des Drehpunkts.
Des weiteren ist in „Zimmer, F., et al: Development of a NIR micro spectrometer based on a MOEMS scanning grating‟ in: Proceedings SPIE, Vol. 5455, 9, 2004 „Die Realisierung eines NIR Spektrometers im Bereich von 900nm bis 2000nm unter Verwendung einer MOEMS Technologie“ gezeigt. Es basiert auf einem Rasterspiegelchip, dessen Spiegelplatte mit einer diffraktiven Aluminiumschicht darüber strukturiert ist. Zusätzlich ist in „Lo, J.F., et al: Wafer-Level Packaging of Three-Dimensional MOEMS Device with Lens Diaphragm‟ in: Microelectromechanical Systems, 2007. MEMS. IEEE, 20th International Conference, 2007, Seite 715-718‟ ein Wafer-Ebene-Gehäuse einer dreidimensionalen MOEMS Vorrichtung mit Linsenmembran gezeigt. Eine optische Mikrolinse und ein piezoelektrisch getriebenes Defraktionsgitter und auf Wafer-Ebene verpackt als ein kompletter, integrierter Monochromator mit einem Fasereingang. Der gehäuste Monochromator ist ein optisches und mechanisches System abgeleitet von einem makroskopischen Czerny Turner Monochromator.
Die US 71 26 686 B2 beschreibt eine optische Vorrichtung mit einem ersten Substrat, das ein optisches Funktionselement aufweist, mit einem zweiten Substrat, das ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement aufweist, wobei das erste und das zweite Substrat in gestapelter Weise angeordnet und miteinander verbunden sind, sodass ein Strahlengang vorhanden ist, der zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat gefaltet ist, wobei das bewegliche mikromechanische Funktionselement und das optische Funktionselement in dem Strahlengangangeordnet sind; und einem dritten Substrat, wobei das zweite Substrat zwischen dem ersten Substrat und dem dritten Substrat angeordnet ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine optische Vorrichtung zur variabel veränderbaren Beeinflussung von Strahlung zu schaffen, so dass sich die optische Vorrichtung kostengünstig herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 29 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schafft eine optische Vorrichtung, die ein erstes Substrat mit einem optischen Funktionselement das als erster und zweiter Konkavspiegel ausgebildet ist und ein zweites Substrat mit einem beweglichen mikromechanischen Funktionselement aufweist, und bei der das erste Substrat und das zweite Substrat in gestapelter Weise verbunden sind, so dass ein Strahlengang vorhanden ist, der zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat gefaltet ist. Das bewegliche mikromechanische Funktionselement und das optische Funktionselement sind dabei in dem Strahlengang angeordnet. Die optische Vorrichtung weist weiterhin ein drittes Substrat, sowie ein Abstandshaltersubstrat zwischen dem zweiten Substrat und dem dritten Substrat auf, wobei ein mikroelektronisches Funktionselement, das als Detektor ausgebildet ist, an dem dritten Substrat oder dem Abstandshaltersubstrat angebracht ist. Das zweite Substrat ist zwischen dem ersten Substrat und dem dritten Substrat angeordnet, und die Vorrichtung ist ausgelegt, eine wellenlängenabhängige Aufnahme elektromagnetischer Strahlung zu ermöglichen und die den Strahlengang von einer Spaltblende, die in dem zweiten Substrat angeordnet ist, zu dem ersten Konkavspiegel, zu dem beweglichen mikromechanischen Funktionselement, das ein dispersives Element zur spektralen Aufspaltung der elektromagnetischen Strahlung aufweist, zu dem zweiten Konkavspiegel, und zu einem Austrittsspalt, der vor dem Detektor angeordnet ist, aufweist.
Im Folgenden wird das erste Substrat beispielsweise auch als „optisches Substrat“ bezeichnet. Das zweite Substrat wird beispielsweise auch als „mikromechanisches Substrat“ bezeichnet. Des weiteren wird ein Funktionselement auch kurz nur als „Element“ bezeichnet.
Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung basieren auf dem Kerngedanken, dass der gefaltete Strahlengang zwischen dem optischen und dem mikromechanischen Substrat einen kompak-➜ Seite 7 ten und dadurch kostengünstigen Aufbau ermöglicht, wobei gleichzeitig das bewegliche mikromechanische Element geschützt in einem Inneren der Anordnung angeordnet ist, und wobei ferner der gestapelte Aufbau in einer präzisen und einfachen Ausrichtung des beweglichen mikromechanischen Elements relativ zu dem optischen Funktionselement resultiert. Das bewegliche mikromechanische Funktionselement ist ausgelegt, um Strahlung modulierend (z.B. variabel veränderbar) zu beeinflussen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ergeben sich Vorteile durch die Möglichkeit zur vollständigen oder fast vollständigen Integration einer optischen Vorrichtung und durch die Möglichkeit der gleichzeitigen parallelen Herstellung mehrerer Module, beispielsweise durch eine Integration auf Waferebene („Wafer-Level-Integration“) oder durch eine Integration im Chipmaßstab („Chip-Scale-Integration“).
Eine spezifische Technologie, die für die Herstellung von (mikro-) optischen, mechanischen, mikromechanischen und mikroelektronischen Elementen verwendet werden kann, kann im Allgemeinen nicht oder nur sehr schwer angepasst werden, da diese von den jeweiligen spezifischen Anforderungen bestimmt ist. Durch den Systemaufbau und die Anordnung der verschiedenen Funktionselemente auf den verschiedenen Substraten kann bei einigen Ausführungsbeispielen die Technologie optimal an die Funktionselemente, die in gleicher Technologie realisierbar sind, angepasst werden.
Die verschiedenen Funktionselemente, die für eine optische Vorrichtung notwendig sind, können zu funktionalen Gruppen (beispielsweise die mikromechanischen Funktionselemente oder die optischen Funktionselemente), zusammengefasst werden. Möglichst viele Funktionselemente einer funktionalen Gruppe können in der für die jeweilige Gruppe optimalen Technologie auf dem selben Substrat gleichzeitig gefertigt werden, um dadurch einen Kostenvorteil zu erreichen. So lassen sich beispielsweise optische Elemente wie Konkavspiegel, Konvexspiegel und Linsen gut in einer beispielsweise speziell angepassten Technologie herstellen, in der in oder auf einem Substrat gekrümmte Flächen strukturiert werden können. Das optische Substrat der optischen Vorrichtung kann demnach beispielsweise in einer solchen Technologie hergestellt werden.
Für mikromechanische Strukturen wiederum kann eine Technologie verwendet werden, die ein Substrat, wie beispielsweise SOI (SOI: Silizium auf Isolator, „Silicon on Isolator“), nutzt. Das mikromechanische Substrat der optischen Vorrichtung kann demnach beispielsweise in einer solchen möglicherweise speziell angepassten Technologie hergestellt werden. Mit der gleichzeitigen Fertigung können auch Fertigungsschritte, wie beispielsweise ein automatisierter sequenzieller Belichtungs- oder Implantationsschritt, gemeint sein.
Die Funktionselemente können so angeordnet werden, dass sie bei dem Verbinden der unterschiedlichen Substrate einen gefalteten Strahlengang erzeugen. Dadurch wird es beispielsweise ermöglicht, auf einem Substrat viele identische Teilsysteme gleichzeitig herzustellen und erst nach dem Verbinden der einzelnen Substrate die fertigen oder teilweise fertigen Systeme zu vereinzeln, was die Kosten pro System weiter senken kann.
Die Justage der Wafer ermöglicht die parallele präzise Ausrichtung vieler Subbaugruppen, wobei beispielsweise durch eine hohe Planarität der Substrate und eine Verwendung von lithografischen Einrichtungen zur Ausrichtung eine hohe Genauigkeit in Kombination mit einer sehr guten Reproduzierbarkeit erreicht wird.
Durch das Fügen, wie beispielsweise Kleben, sogenanntes „Waferbonden‟ (Verbinden von scheibenförmigen Substraten) oder Löten der Wafer bzw. Substrate in Reinraumatmosphäre kann u.a. eine Verringerung der Staubpartikel im Spektrometermodul erreicht werden, die zu einer schlechteren Funktion des Systems führen würden. Für alle weiteren Arbeitsschritte wie beispielsweise Schutzbelacken, Vereinzeln oder Reinigen kann der Arbeitsaufwand signifikant gesenkt werden. Durch den Einsatz von mikromechanischen Elementen zur Modulation elektromagnetischer Strahlung können beispielsweise die spektrale Auflösung und das Signal-zu-Rausch Verhältnis (SNR) verbessert, vorteilhafte Spektrometersysteme realisiert und statt Detektorfeldern können Einzeldetektoren verwendet werden. Des Weiteren kann ein mikromechanisches Subsystem geschaffen werden, das eine Referenzmessung und/oder eine Vergrößerung des erfassten Spektralbereichs erlaubt.
Gegenüber Spektrometern, die nach dem Stand der Technik aufgebaut wurden, können Spektrometer gemäß der Erfindung zum Beispiel preiswerter, leistungsfähiger und robuster gegenüber Umwelteinflüssen realisiert werden. Durch Optimierung beispielsweise der drei Parameter: Kosten, Leistungsfähigkeit und Invarianz gegenüber Umwelteinflüssen, wird ein Einsatz von Spektrometern als Sensormodule im Massenmarkt ermöglicht.
Alle abbildenden optischen Elemente, wie beispielsweise Konkavspiegel oder Linsen, können in oder auf dem optischen Substrat und alle beweglichen mikromechanischen Funktionselemente in oder auf dem mikromechanischen Substrat angeordnet sein, um die Systeme kostengünstig herzustellen.
Ein optisches Funktionselement oder ein mikromechanisches Funktionselement kann so angeordnet sein, dass Strahlung in den gefalteten Strahlengang zwischen dem optischen Substrat und dem mikromechanischen Substrat ein- oder ausgekoppelt werden kann.
Die optische Vorrichtung kann als miniaturisiertes kostengünstiges Spektrometermodul ausgelegt sein. Zusätzlich wird eine Technologie zur einfachen und kostengünstigen Herstellung der Spektrometermodule bereitgestellt. Das Modul dient zur Analyse bzw. Messung der spektralen Zusammensetzung elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich vom Ultravioletten UV (ca. 1 nm bis 380 nm) über das Sichtbare VIS (von 380 nm bis 780 nm) bis hin zum Infraroten IR (780 nm bis 1 mm) oder Teilbereichen aus diesen Spektralgebieten. Mit der vorteilhaften Integration einer Einheit zur Beleuchtung einer zu analysierenden Probe und zur Einkopplung der mit einer Probe interagierenden elektromagnetischen Strahlung (beispielsweise direkte Reflexion, Streuung, Raman-Streuung, Transmission, Absorption, Fluoreszenz oder Phosphoreszenz) kann diese in Kombination mit der Auswertung der spektralen Daten zur Analyse, zur Messung, zum Vergleich und/oder zur Kontrolle der chemischen Zusammensetzung einer Probe, eines Materials oder eines Stoffes verwendet werden.
Die Realisierung des Spektrometermoduls kann durch Integration der (mikro-) optischen, mechanischen, mikromechanischen und/oder (mikro-) elektronischen Komponenten in oder auf verschiedene Substraten erfolgen. Mit dem anschließenden Anwenden einer Aufbau- und Verbindungstechnik („Packaging“), wie beispielsweise einer Aufbau- und Verbindungstechnik auf Waferebene („Wafer Level Packaging“) oder einer Aufbau- und Verbindungstechnik auf Chipmaßstab („Chip-scale Packaging“), wird die Möglichkeit geschaffen ein leistungsfähiges Spektrometermodul herzustellen. Eine parallele Herstellung vieler Module in einem Arbeitsgang führt zu einer kostengünstigen und reproduzierbaren Herstellung bei einer hohen Leistungsfähigkeit der Module. Durch die Herstellungstechnologie ist es des weiteren möglich verschiedene Spektrometertypen, wie beispielsweise Gitterspektrometer, Transformations-Spektrometer oder ortsauflösende Spektrometer, als hybrid integriertes Modul zu realisieren. Das System umfasst dabei beispielsweise alle wichtigen Komponenten, wie beispielsweise ein oder mehrere abbildende optische Funktionselemente, ein oder mehrere mikromechanische Funktionselemente, die beispielsweise zur spektralen Aufspaltung elektromagnetischer Strahlung ausgelegt sind, einen oder mehrere Detektoren zum Erfassen der elektromagnetischen Strahlung und elektronische Komponenten, die beispielsweise zur Ansteuerung des mikromechanischen Funktionselements, zur Signalverarbeitung des Detektors, zur Signalauswertung oder zur Kommunikation mit anderen elektronischen Bauteilen oder Geräten ausgelegt sind.
Die Realisierung des Spektrometermoduls kann durch Integration der optischen, mechanischen, mikromechanischen und/oder (mikro-) elektronischen Komponenten in oder auf verschiedenen Substraten erfolgen. Verschiedene bekannte Spektrometerprinzipien sind durch den Einsatz mikromechanischer Komponenten, die eine Modulation elektromagnetischer Strahlung ermöglichen, realisierbar, wobei der Modulator die Strahlung bezüglich des Winkelspektrums, der örtlichen Strahlungsverteilung, der Zusammensetzung des Wellenlängenspektrums, des Polarisationszustands oder einer Kombination dieser ändern kann. So lassen sich beispielsweise Gitterspektrometer nach dem Czerny-Turner-Prinzip, Transformations-Spektrometer, klassische Fourier-Transformations-Spektrometer (Michelson-Interferometer), Hadamard-Transformations-Spektrometer oder Spektrometer mit durchstimmbarem Filter, beispielsweise mit einem Fabry-Perot-Interferometer oder einem Akusto- oder Elektrooptischen-Modulator oder Flüssigkristallen, realisieren. Des Weiteren lässt sich das Spektrometermodul, je nach eingesetzter Strahlungsquelle oder Beleuchtungsquelle, für Spektroskopie im ultravioletten Wellenlängenbereich (UV), im sichtbaren Wellenlängenbereich (VIS), im nahen infraroten Wellenlängenbereich (NIR) und im infraroten Wellenlängenbereich (IR), sowie zur Raman-Spektroskopie und/oder zur Fluoreszenz-Spektroskopie benutzen.
Die Elemente, die in der gleichen Technologie und in oder auf gleichen Substratmaterialen herstellbar sind, können vorteilhaft jeweils in oder auf ein Substrat integriert sein. So sind auf dem ersten Substrat, im Folgenden auch als optisches Substrat bezeichnet, optische Elemente, wie beispielsweise Elemente zur Strahlformung, Strahllenkung, Strahlteilung, Filterung (örtlich, räumlich und/oder spektral) und/oder zur spektralen Aufspaltung von elektromagnetischer Strahlung strukturiert. Auf dem zweiten Substrat, im Folgenden auch als mikromechanisches Substrat bezeichnet, sind mikromechanische Elemente oder passive Elemente, wie zum Beispiel Gitter, diffraktive optische Elemente oder photonische Kristalle, in entsprechender lithografischer Technologie, wie beispielsweise in Silizium-Mikromechanik auf einem SOI-Wafer (SOI: Silizium-auf-Isolator, „Siliconon-Insulator“), zur Modulation, Ablenkung und/oder zur spektralen Aufspaltung von elektromagnetischer Strahlung, und Blenden bzw. Aperturen zur örtlichen und/oder räumlichen Filterung, strukturiert. Die Oberflächen sind vorteilhaft mit einer reflektierenden Schicht, wie beispielsweise Aluminium, Silber, Gold und/oder AlMgSi versehen, können aber auch mit einem Schichtstapel versehen sein.
Das drittes Substrat, im Folgenden auch als mikroelektronisches Substrat bezeichnet, das in einer lithografischen, mikroelektronischen Technologie, wie beispielsweise in CMOS-Technologie (CMOS: komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie), prozessiert ist, und das die gesamten elektronischen Schaltungen oder Teile von elektronischen Schaltungen (z.B. von elektrischen Schaltungen zur Ansteuerung des mikromechanischen Elements und/oder zur Auswertung eines Detektorsignals), sowie Strahlungsquellen und Detektoren, enthalten kann. Strahlungsquellen und Detektoren können aber auch separat, beispielsweise durch „Bonden“ (Verbindungsmethode für beispielsweise elektronische Komponenten) und/oder Kleben auf dem mikroelektrischen Substrat oder einem anderen Substrat angeordnet werden.
Ein weiteres Substrat, kann das als Abstandshalter fungiert. Dieses Abstandshaltersubstrat, im Folgenden auch „Spacer“ („Spacer“: Abstandshalter) bezeichnet, enthält Öffnungen, damit sich eine optische Strahlung zwischen dem optischen Substrat und/oder dem mikromechanischen Substrat und/oder dem mikroelektronischen Substrat bzw. Wafer, mit ein oder mehreren mikroelektronischen Schaltungen, in den gewünschten Bereichen ausbreiten kann, und hat damit bzw. dabei gleichzeitig die Aufgabe, Streulicht und/oder Fremdlicht zu minimieren. Dabei entsteht ein gefalteter Strahlengang, der einen kompakten Aufbau ermöglicht. Dieses Substrat kann so beschaffen sein, dass es elektromagnetische Strahlung mindestens in dem Wellenlängenbereich, für den das System ausgelegt ist, absorbiert, was beispielsweise durch ein Substrat aus absorbierendem Material, durch eine Beschichtung mit einem absorbierenden Material, wie beispielsweise PSK 2000, PSK 1000 oder DARC 300, und/oder durch eine strukturierte Oberfläche mit Kohlenstoff-Nano-Röhrchen, geschehen kann. Das Abstandshaltersubstrat ist sowohl in einer lithografischen Technologie als auch in einer anderen Technologie wie beispielsweise Kunststoffspritzguss, Laserbearbeitung, Fräsen und/oder Bohren, herstellbar.
Ein Spektrometermodul kann als Stapel aus den einzelnen Substraten aufgebaut werden. Der gestapelte Aufbau ist dadurch definiert, dass die einzelnen Substrate oder Teile dieser übereinander angeordnet sind, und direkt oder mittelbar miteinander in Kontakt stehen. Hiermit sei definiert, dass dies auch der Fall ist, wenn sich zwischen diesen, Materialien, wie beispielsweise Klebstoffe, Lot oder ein Abstandshaltersubstrat, befinden. In anderen Worten, ein erstes Substrat und ein zweites Substrat werden auch dann als „gestapelt“ angesehen, wenn das erste Substrat und das zweite Substrat nicht unmittelbar miteinander verbunden sind, sondern auch wenn beispielsweise ein Abstandshaltersubstrat zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat angeordnet ist. Die Lage der einzelnen Substrate bzw. Baugruppen kann dabei durch diesen Kontakt, aufgrund der Ebenheit der Substrate, oder von Teilbereichen dieser Substrate, oder entsprechend äquivalent oder zueinander konträr ausgebildeten bzw. strukturierten Kontaktflächen, bestimmt bzw. definiert werden. Diese kann um Strukturen zur besseren Positionsdefinition erweitert sein. Die Justage der verschiedenen Substrate zueinander kann des Weiteren beispielsweise durch Verwendung von Justiermarken, Justierstrukturen oder integrierten diffraktiven, optischen Elementen einfach und exakt realisiert werden. Die Montage der Substrate zueinander kann so ausgeführt werden, dass die einzelnen Module durch den Prozess dicht gekapselt sind. Durch ein trennendes Fertigungsverfahrens, wie beispielsweise Sägen mit einer Wafersäge, wird der Waferstapel bzw. „Waferstack“ („Stack“: Stapel) vereinzelt. Insbesondere die (mikro-) optischen, mikromechanischen und mikroelektronischen Komponenten, die empfindlich gegenüber Staub, Sägeresten und Kühlwasser sind, können durch die dichte Montage vor dem Vereinzeln der Spektrometermodule effizient geschützt werden, was zu einem geringen Streulichtpegel und zu einer höheren Ausbeute an fehlerfrei hergestellten Systemen führt.
Die Spektrometermodule sind des Weiteren klein und/oder robust, besitzen eine geringe Varianz gegenüber Umwelteinflüssen, sind preiswert durch die Herstellung in Standardtechnologie und sind Massenmarkt-tauglich durch die parallele Prozessierung bzw. Herstellung der Komponenten und Einzelsubstrate, als auch durch die parallele Justage und Montage.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung betreffen den Aufbau und die Herstellungstechnologie eines in Mikrotechnologien hergestellten Spektrometers zur wellenlängenaufgelösten Messung von elektromagnetischer Strahlung, die Komponenten zur aktiven Modulation dieser Strahlung beinhalten. Hiermit ist beispielsweise Strahlung von Wellenlängen beginnend bei UV-Strahlung, über sichtbare Strahlung (VIS) bis zur IR-Strahlung gemeint. Der Aufbau des Systems ermöglicht durch die vorteilhafte technologische Integration von optischen, mikromechanischen und elektronischen Komponenten eine kostengünstige und einfache Herstellung mit hoher Justagegenauigkeit. Der Aufbau des Spektrometers ist so ausgeführt, dass die (mikro-) optischen, mechanischen, mikromechanischen und mikroelektronischen Komponenten auf oder in verschiedene Substrate integriert sind. Die Funktionselemente, die in der gleichen Technologie herstellbar sind, werden auf jeweils einem Substrat integriert, wodurch keine Änderung bestehender Technologien erforderlich ist. Die Justage der verschiedenen Funktionselemente, die jeweils auf unterschiedlichen Substraten angeordnet sind, ist durch Nutzen der hohen Ebenheit der Substrate und der Verwendung von beispielsweise Justiermarken, Justierstrukturen oder integrierten diffraktiven optischen Elementen oder moderner Einrichtungen zur Ausrichtung dieser einfach und mit hoher Präzision möglich. Die durch eine Fügetechnik, wie beispielsweise Waferbonden, Kleben oder Löten, oder/und mechanische Fixierverbindungen, wie beispielsweise Klemmverbindungen und/oder Schraubverbindungen, zu einem Stapel (z.B. „Waferstack“ bzw. Waferstapel) fixierte Einheit wird durch ein Trennverfahren, wie beispielsweise Sägen mit einer Wafersäge oder Laserschneiden, in Spektrometermodule vereinzelt. Durch die parallele Herstellung vieler MOEMS-Spektrometermodul wird eine effiziente Massenfertigung eines hybriden Gesamtsystems bestehend aus (mikro-) optischen, mechanischen, mikromechanischen und/oder (mikro-) elektronischen Komponenten, wie in der Mikroelektronik seit langem üblich, erreicht.
Das Spektrometermodul kann aus mindestens einem (mikro-) optischen Substrat, einem Abstandshaltersubstrat, einem mikromechanischen Substrat und einem mikroelektronischen Substrat bestehen. Optional können die meisten Spektrometermodule mit einer Beleuchtungseinheit ausgestattet sein. Dieses Modul kann ebenfalls in der beschriebenen Technologie als hybrid integrierter Substrat-Stapel („Substrat-Stack“) aufgebaut sein. Mit dieser Beleuchtungseinrichtung wird eine Probe bzw. Stoff mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt. Die mit der Probe wechselwirkende elektromagnetische Strahlung bzw. die von der Probe zurückgestrahlte oder erzeugte Strahlung (Reflexion, Absorption, Transmission, Streuung, Raman-Streuung, Fluoreszenz, Phosphoreszenz, ...) wird in die Nähe einer Eintrittsblende fokussiert bzw. gesammelt. Die Beleuchtungseinheit lässt sich auch in Wafer-Maßstab-Integration (Wafer Scale Integration) oder Chip-Maßstab-Integration (Chips-scale Integration) aufbauen.
Die optische Vorrichtung kann ausgelegt sein, um aus dem elektromagnetischen Spektrum einen Teilbereich in veränderbarer Weise auszuwählen und den ausgewählten Teilbereich bereitzustellen. Das System umfasst dabei alle wichtigen Komponenten, wie beispielsweise ein oder mehrere abbildende Funktionselemente, ein oder mehrere mikromechanische Funktionselemente, die beispielsweise zur spektralen Aufspaltung von elektromagnetischer Strahlung ausgelegt sind, eine Strahlungsquelle und elektronische Komponenten, die beispielsweise zur Ansteuerung des mikromechanischen Funktionselements, zur Ansteuerung der Strahlungsquelle oder zur Kommunikation mit anderen elektronischen Bauteilen oder Geräten ausgelegt sind.
Nachfolgend werden die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1a eine schematische Querschnittsdarstellung einer optischen Vorrichtung;
1b eine schematische Querschnittsdarstellung einer optischen Vorrichtung;
2 eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, eines integrierten MOEMS-Spektrometers nach dem Czerny-Turner-Prinzip mit integrierter Beleuchtungseinheit gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
3 eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, eines integrierten MOEMS-Spektrometers nach dem Czerny-Turner-Prinzip mit integrierter, reflektiver Einkoppeloptik und separater Beleuchtungseinheit gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
4 eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, eines integrierten MOEMS-Spektrometers nach dem Czerny-Turner-Prinzip mit integrierter refraktiver Einkoppeloptik und separater Beleuchtungseinheit gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
5a eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, eines integrierten ortsauflösenden MOEMS-Spektrometers mit einem MEMS-Scannerspiegel („MEMS“: mikroelektromechanisches System, „Scannerspiegel“: beweglicher Spiegel um beispielsweise einen Bereich abzutasten) mit integriertem Beugungsgitter;
5b eine Prinzipskizze, in Form einer Grundrissdarstellung, eines integrierten ortsauflösenden MOEMS-Spektrometers mit einem MEMS-Scannerspiegel mit integriertem Beugungsgitter;
6a eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, eines integrierten Hadamard-Transformations-Spektrometers mit einem mikromechanischen Modulator an der Austrittsblende und einem integrierten dispersiven Element, das in oder auf dem optischen Substrat angeordnet ist;
6b eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, eines integrierten Hadamard-Transformations-Spektrometers mit einem mikromechanischen Modulator an der Austrittsblende und einem integrierten dispersiven Element, das in oder auf dem mikromechanischen Substrat angeordnet ist;
7 eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, eines integrierten Hadamard-Transformations-Spektrometers mit einem mikromechanischen Modulator an der Eintrittsblende und einem integrierten dispersiven Element;
8 eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, eines integrierten Spektrometers mit einem spektral durchstimmbaren Filter, der als mikromechanisches Fabry-Perot-Interferometer ausgelegt ist;
9a eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, eines integrierten Transformations-Spektrometers basierend auf einem binären Phasengitter mit veränderbarer Phasentiefe;
9b eine schematische Querschnittsdarstellung eines binären Phasengitters;
10 eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, einer integrierten, spektral modulierbaren Strahlungsquelle mit einem Monochromator nach dem Czerny-Turner-Prinzip;
11 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer optischen Vorrichtung; und
12 eine schematische Darstellung eines Teils eines Verfahrens zur Herstellung einer optischen Vorrichtung, der zur Herstellung einer Mehrzahl von optischen Vorrichtungen zur gleichen Zeit oder in einem Prozessierungsschritt dient

1a und 1 b zeigen schematische Querschnittsdarstellungen einer optischen Vorrichtung. Die optischen Vorrichtungen sind in ihrer Gesamtheit mit 100 bzw. 150 bezeichnet. Die Vorrich-tung bzw. die Systeme sind in gestapelter Weise aus einem ersten Substrat 25, auch als optisches Substrat bezeichnet, und einem zweiten Substrat 43, auch als mikromechanisches Substrat bezeichnet, aufgebaut, wobei in oder auf dem optischen Substrat 25 zumindest ein optisches Funktionselement 45 und in oder auf dem mikromechanischen Substrat 43 zumindest ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement 44 angeordnet ist. Das erste Substrat 25 und das zweite Substrat 43 sind dabei so miteinander in gestapelter Weise verbunden, dass ein Strahlengang 42 vorhanden ist, der zwischen dem ersten Substrat 25 und dem zweiten Substrat 43 gefaltet ist, wobei zumindest ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement 44 und zumindest ein optisches Funktionselement 45 in dem Strahlengang 42 angeordnet sind.
Das erste Substrat 25 und das zweite Substrat 43 können des weiteren optional so gestaltet sein, dass bei Bedarf Strahlung durch das erste Substrat 25 oder das zweite Substrat 43, beispielsweise durch eine Öffnung, in den gefalteten Strahlengang 42 zwischen dem ersten Substrat 25 und dem zweiten Substrat 43 eingekoppelt oder aus dem gefalteten Strahlengang 42 ausgekoppelt werden kann. Zusätzlich kann das bewegliche mikromechanische Funktionselement 44 genutzt werden, um Strahlung, die sich im Strahlengang 42 zwischen dem ersten Substrat 25 und dem zweiten Substrat 43 befindet bzw. die sich entlang des Strahlengangs ausbreitet, in variabel veränderbarer Weise zu beeinflussen. Die kompakte Bauweise der optischen Vorrichtung 100, 150 ermöglicht u.a. die kostengünstige Herstellung.
2 zeigt eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, eines integrierten MOEMS-Spektrometers nach dem Czerny-Turner-Prinzip mit integrierter Beleuchtungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Das Spektrometer ist in seiner Gesamtheit mit 200 bezeichnet. Das System umfasst, in gestapelter Weise aufeinander folgend, ein optisches Substrat 25, ein erstes Abstandshaltersubstrat 30, ein mikromechanisches Substrat 43, ein zweites Abstandshaltersubstrat 31 und ein mikroelektro-nisches Substrat 27. Das mikromechanische Substrat 43 kann dabei beispielsweise ein SOI-Wafer 28+29 (Silizium-auf-Isolator-Wafer) sein, wobei mit 28 die Handhabungsschicht („Handle-Layer“) des SOI-Wafers bezeichnet ist und wobei mit 29 die Schicht des SOI-Wafers, in der ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement strukturiert werden kann, bezeichnet ist. Die Handhabungsschicht ist an der Stelle, wo sich ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement befindet, entfernt, um eine ungehinderte Bewegung des mikromechanischen Funktionselements zu ermöglichen. Zusätzlich ist an einer Stelle, neben dem mikroelektronischen Substrats 27 und dem zweiten Abstandshaltersubstrat 31, auf dem mikromechanischen Substrat eine Beleuchtungseinheit integriert, die eine Strahlungsquelle 22, ein optisches Element 23 und eine Halterung oder ein Gehäuse 32 aufweist. Des weiteren kann ein optisches Element 24 zur Einkopplung von Strahlung 35, die von der Strahlungsquelle 22 emittiert wurde (bei Bezugszeichen 34 angedeutet) und mit einem Objekt 33 in Wechselwirkung getreten ist, integriert sein.
Das Spektrometer besitzt eine Spaltblende 1, die in dem mikromechanischen Substrat 43 integriert ist, durch die die elektromagnetische Strahlung gefiltert wird, wobei die Filterung der Strahlung beispielsweise in der Bildebene, einer Aperturebene, einer zu diesen konjugierten Ebene oder zwischen diesen Ebenen erfolgen kann. Dabei wird die Strahlung bezüglich einer Objektebene örtlich und/oder räumlich gefiltert. Über einen Konkavspiegel 2, der in das optische Substrat 25 strukturiert ist, wird die elektromagnetische Strahlung kollimiert (bei Bezugszeichen 36 angedeutet) und durch ein dispersives Element 8, wie beispielsweise ein Beugungsgitter oder einen photonischen Kristall, spektral aufgespalten. Das dispersive Element 8 ist in die Oberfläche eines mikromechanischen Scannerspiegels 4 integriert, wobei dieser in das mikromechanische Substrat 43 strukturiert ist. Die spektral in verschiedenen Beugungsordnungen aufgespaltete Strahlung 38 wird über einen weiteren, in das optische Substrat 25 integrierten Konkavspiegel 13 auf einen in das mikromechanische Substrat 43 integrierten Austrittsspalt 15 refokussiert. Hinter diesem befindet sich ein Detektor 16, der sowohl als separat angeordneter oder als integrierter Fotodetektor Bestandteil des mikroelektronischen Substrats 27 sein kann (bzw. auf dem mikroelektronischen Substrat 27 angeordnet sein kann). Dieser detektiert die Strahlung, die durch die Blende 15 transmittiert wird.
Durch eine Drehung 10 des Scannerspiegels 4 und damit die Drehung des dispersiven Elements 8, wird der spektrale Anteil der elektromagnetischen Strahlung, die durch den Austrittsspalt 15 transmittiert wird und somit vom Detektor 16 erfasst werden kann, durchgestimmt. Die Detektorsignale können von einer Elektronik, die beispielsweise in CMOS-Technologie auf einem Siliziumwafer erzeugt wird bzw. gebildet ist, analog und/oder digital verarbeitet werden. Optional kann ein Teil oder die gesamte Elektronik für die Auswertung der Spektren, wie beispielsweise durch multivariate Datenanalyse, als Schaltung in das mikroelektronische Substrat 27 integriert werden bzw. sein.
Die Elemente, die in gleicher Technologie hergestellt werden bzw. hergestellt sind, sind jeweils in oder auf dem selben Substrat strukturiert. So sind die Konkavspiegel 2, 13 in oder auf einem optischen Substrat 25, wie beispielsweise in oder auf einem Borofloatglaswafer („Floatglas“: Flachglas, das im „Floatglasverfahren“ hergestellt wurde), einem Quarzglaswafer, einem Borosilikatglaswafer, einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer, die Spaltblenden 1, 15, der Scannerspiegel 4 und das dispersive Element 8, das zum Beispiel ein Gitter sein kann, in oder auf einem mikromechanischen Substrat 43, wie zum Beispiel in oder auf einem SOI-Wafer oder einem Siliziumwafer, die elektronischen Schaltungen, der oder die Detektoren 16, die Ansteuerelektronik für den Scannerspiegel 4 und die Positionserfassungseinheit 18 mit Auswertungselektronik für den Scannerspiegel 4 in oder auf einem mikroelektronischen Substrat 27 integriert.
Die Positionserfassungseinheit 18 zur Detektion des Auslenkzustands des mikromechanischen Elements 4 kann beispielsweise im Bereich der Rückseite des mikromechanischen Funktionselements 4 in oder auf dem mikroelektronischen Substrat 27 angeordnet sein und kann ausgelegt sein, um durch ein optisches Verfahren, welches die Reflexion einer Strahlung von der Rückseite des mikromechanischen Elements 4 auswertet, den Auslenkzustand des mikromechanischen Elements 4 erfassen.
Die Oberflächen der Substrate sind für eine hohe Reflektivität der optisch genutzten Flächen, wie zum Beispiel die der Konkavspiegel oder Beugungsgitter, beispielsweise mit Aluminium oder Gold teilweise oder vollständig beschichtet. Optisch ungenutzte Flächen können optional, zur Verringerung von Streu- und Fremdlicht, mit absorbierenden Schichten, wie beispielsweise PSK 2000, beschichtet sein. Die Abstandshaltersubstrate 30,31 können sowohl in einer lithografischen Technologie, beispielsweise in oder auf einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer strukturiert, oder in einem klassischen Herstellungsverfahren, wie zum Beispiel Kunststoffspritzguss, Heißprägen, Fräsen oder Bohren, hergestellt werden. Zur Minimierung von Streu- und Fremdlicht können die Abstandshaltersubstrate 30,31 ebenfalls mit einer absorbierenden Beschichtung versehen sein.
Die Justage der einzelnen Substrate erfolgt beispielsweise durch Justiermarken. Alternativ dazu lassen sich zum Beispiel auf den Substraten strukturierte Anschläge, Ausrichtstrukturen oder strukturierte, diffraktive optische Elemente verwenden. Die einzelnen Substrate werden beispielsweise an den Auflageflächen miteinander verklebt oder durch anodisches „Bonden“ bzw. Verbinden (Verbindungsmethode um beispielsweise Siliziumsubstrate mit Glassubstraten zu verbinden) miteinander verbunden. Die Klebeflächen können so gestaltet sein, dass die einzelnen Module jeweils dicht gekapselt sind. Eine elektrische Kontaktierung wird durch eine entsprechende Technologie, wie beispielsweise das sogenannte „Flip-Chip-Bonden“ (Verbindungsmethode, bei der beispielsweise Chips mit ihrer Kontaktierungsseite nach unten mit einem anderen Substrat oder einem anderen Bauteil verbunden werden), das sogenannte „Drahtbonden“ (Verbindungsmethode, bei der beispielsweise verschiedene Bauteile elektrisch miteinander verbunden werden) mit eventuellen Öffnungen oder Kleben mit elektrisch leitfähigem Kleber, ermöglicht. Das Vereinzeln der Spektrometermodule kann beispielsweise mit einer Wafersäge erfolgen. Nach dem Verkapseln und/oder der Montage in ein Gehäuse ist die Herstellung der Spektrometermodule abgeschlossen.
3 zeigt eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, eines integrierten MOEMS-Spektrometers nach dem Czerny-Turner-Prinzip mit integrierter reflektiver Einkoppeloptik und externer Beleuchtungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Das Spektrometer ist in seiner Gesamtheit mit 300 bezeichnet. Das System umfasst, in gestapelter Weise aufeinander folgend, ein optisches Substrat 25, ein erstes Abstandshaltersubstrat 30, ein mikromechanisches Substrat 43, ein zweites Abstandshaltersubstrat 31 und ein mikroelektronisches Substrat 27. Das mikromechanische Substrat 43 kann dabei beispielsweise ein SOI-Wafer 28+29 (Silizium-auf-Isolator-Wafer) sein, wobei mit 28 die Handhabungsschicht („Handle-Layer“) des SOI-Wafers bezeichnet ist und wobei mit 29 die Schicht des SOI-Wafers, in der ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement strukturiert werden kann, bezeichnet ist. Die Handhabungsschicht ist an der Stelle, wo sich ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement befindet, entfernt, um eine ungehinderte Bewegung des mikromechanischen Funktionselements zu ermöglichen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das zuvor beschriebene Spektrometermodul 200, um ein optisches Element zur Refokussierung 24 der von einem Objekt 33 kommenden Strahlung 35, wie beispielsweise einem Konkavspiegel, das in das optische Substrat 25 integriert ist, ergänzt, und die Beleuchtungseinheit ist extern angeordnet. Um Strahlung in das Modul einzukoppeln, ist beispielsweise eine Öffnung in das mikromechanische Substrat 43 strukturiert. In diesem Ausführungsbeispiel kann das zweite Abstandshaltersubstrat 31, welches zwischen dem mikromechanischen Substrat 43 und dem mikroelektronischen Substrat 27 angeordnet ist, verwendet werden, um das Spektrometermodul 300 dicht vor der Umwelt zu kapseln. Dieses Abstandshaltersubstrat 31 ist des Weiteren teilweise mit Öffnungen versehen, um eine ungehinderte Ausbreitung der elektromagnetischen Strahlung zu gewährleisten. An anderen Stellen ist dieses Abstandshaltersubstrat 31 mit absorbierenden oder reflektierenden Schichten versehen, um Streu- und Fremdlicht zu minimieren. Des Weiteren ist ein Balken 1 in das mikromechanische Substrat 43 integriert, der als reflektives Element ausgelegt ist, um als Eintrittsspalt zur örtlichen und/oder räumlichen Filterung für die eingekoppelte elektromagnetische Strahlung 37 zu dienen. Dieser kann mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sein.
Die Elemente, die in gleicher Technologie hergestellt werden bzw. hergestellt sind, sind jeweils in oder auf dem selben Substrat strukturiert. So sind die Konkavspiegel 2, 13 und das optische Element zur Refokussierung 24 in oder auf einem optischen Substrat 25, wie beispielsweise in oder auf einem Borofloatglaswafer („Floatglas“: Flachglas, das im „Floatglasverfahren“ hergestellt wurde), einem Quarzglaswafer, einem Borosilikatglaswafer, einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer, die Spaltblenden 1, 15, der Scannerspiegel 4 und das dispersive Element 8, das zum Beispiel ein Gitter sein kann, in oder auf einem mikromechanischen Substrat 43, wie zum Beispiel in oder auf einem SOI-Wafer oder einem Siliziumwafer, die elektronischen Schaltungen, der oder die Detektoren 16, die Ansteuerelektronik für den Scannerspiegel 4 und die Positionserfassungseinheit 18 mit Auswertungselektronik für den Scannerspiegel 4 in oder auf einem mikroelektronischen Substrat 27 integriert.
Die Positionserfassungseinheit 18 zur Detektion des Auslenkzustands des mikromechanischen Elements 4 kann beispielsweise im Bereich der Rückseite des mikromechanischen Funktionselements 4 in oder auf dem mikroelektronischen Substrat 27 angeordnet sein und kann ausgelegt sein, um durch ein optisches Verfahren, welches die Reflexion einer Strahlung von der Rückseite des mikromechanischen Elements 4 auswertet, den Auslenkzustand des mikromechanischen Elements 4 erfassen.
Die Oberflächen der Substrate sind für eine hohe Reflektivität der optisch genutzten Flächen, wie zum Beispiel die der Konkavspiegel oder Beugungsgitter, beispielsweise mit Aluminium oder Gold, teilweise oder vollständig beschichtet. Optisch ungenutzte Flächen können optional, zur Verringerung von Streu- und Fremdlicht, mit absorbierenden Schichten, wie beispielsweise PSK 2000, beschichtet sein. Die Abstandshaltersubstrate 30,31 können sowohl in einer lithografischen Technologie, beispielsweise in oder auf einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer strukturiert, oder in einem klassischen Herstellungsverfahren, wie zum Beispiel Kunststoffspritzguss, Heißprägen, Fräsen oder Bohren, hergestellt werden. Zur Minimierung von Streu- und Fremdlicht können die Abstandshaltersubstrate 30,31 ebenfalls mit einer absorbierenden Beschichtung versehen sein.
Die Justage der einzelnen Substrate erfolgt beispielsweise durch Justiermarken. Alternativ dazu lassen sich zum Beispiel auf den Substraten strukturierte Anschläge, Ausrichtstrukturen oder strukturierte, diffraktive optische Elemente verwenden. Die einzelnen Substrate werden beispielsweise an den Auflageflächen miteinander verklebt oder durch anodisches „Bonden“ bzw. Verbinden (Verbindungsmethode um beispielsweise Siliziumsubstrate mit Glassubstraten zu verbinden) miteinander verbunden. Die Klebeflächen können so gestaltet sein, dass die einzelnen Module jeweils dicht gekapselt sind. Eine elektrische Kontaktierung wird durch eine entsprechende Technologie, wie beispielsweise das sogenannte „Flip-Chip-Bonden“ (Verbindungsmethode, bei der beispielsweise Chips mit ihrer Kontaktierungsseite nach unten mit einem anderen Substrat oder einem anderen Bauteil verbunden werden), das sogenannte „Drahtbonden‟ (Verbindungsmethode, bei der beispielsweise verschiedene Bauteile elektrisch miteinander verbunden werden) mit eventuellen Öffnungen oder Kleben mit elektrisch leitfähigem Kleber, ermöglicht. Das Vereinzeln der Spektrometermodule kann beispielsweise mit einer Wafersäge erfolgen. Nach dem Verkapseln und/oder der Montage in ein Gehäuse ist die Herstellung der Spektrometermodule abgeschlossen.
4 zeigt eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, eines integrierten MOEMS-Spektrometers nach dem Czerny-Turner-Prinzip mit integrierter refraktiver Einkoppeloptik und externer Beleuchtungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Das Spektrometer ist in seiner Gesamtheit mit 400 bezeichnet. Das System umfasst, in gestapelter Weise aufeinander folgend, ein optisches Substrat 25, ein erstes Abstandshaltersubstrat 30, ein mikromechanisches Substrat 43, und ein mikroelektronisches Substrat 27. Das mikromechanische Substrat 43 kann dabei beispielsweise ein SOI-Wafer 28+29 (Silizium-auf-Isolator-Wafer) sein, wobei mit 28 die Handhabungsschicht („Handle-Layer“) des SOI-Wafers bezeichnet ist und wobei mit 29 die Schicht des SOI-Wafers, in der ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement strukturiert werden kann, bezeichnet ist. Die Handhabungsschicht ist an der Stelle, wo sich ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement befindet, entfernt, um eine ungehinderte Bewegung des mikromechanischen Funktionselements zu ermöglichen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das zuvor beschriebene Spektrometermodul 200, um ein optisches Element zur Refokussierung 24, der von einem Objekt 33 kommenden Strahlung 35, wie beispielsweise einer refraktiven Linse, die in das optische Substrat 25 integriert ist, ergänzt, und die Beleuchtungseinheit ist extern angeordnet. Die Strahlung 35 wird dabei über die dem mikromechanischen Substrat 43 abgewandte Seite des optischen Substrats 25, über beispielsweise eine refraktive Optik, eingekoppelt. Des Weiteren ist ein Balken 1 in das mikromechanische Substrat 43 integriert, der als reflektives Element ausgelegt ist, um als Eintrittsspalt zur örtlichen und/oder räumlichen Filterung für die eingekoppelte elektromagnetische Strahlung 37 zu dienen. Dieser kann mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sein.
Die Elemente, die in gleicher Technologie hergestellt werden bzw. hergestellt sind, sind jeweils in oder auf dem selben Substrat strukturiert. So sind die Konkavspiegel 2, 13 und das optische Element zur Refokussierung 24 in oder auf einem optischen Substrat 25, wie beispielsweise in oder auf einem Borofloatglaswafer („Floatglas“: Flachglas, das im „Floatglasverfahren“ hergestellt wurde), einem Quarzglaswafer, einem Borosilikatglaswafer, einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer, die Spaltblenden 1, 15, der Scannerspiegel 4 und das dispersive Element 8, das zum Beispiel ein Gitter sein kann, in oder auf einem mikromechanischen Substrat 43, wie beispielsweise in oder auf einem SOI-Wafer oder Siliziumwafer, die elektronischen Schaltungen, der oder die Detektoren 16, die Ansteuerelektronik für den Scannerspiegel 4 und die Positionserfassungseinheit 18 mit Auswertungselektronik für den Scannerspiegel 4 in oder auf einem mikroelektronischen Substrat 27 integriert.
Die Positionserfassungseinheit 18 zur Detektion des Auslenkzustands des mikromechanischen Elements 4 kann beispielsweise im Bereich der Rückseite des mikromechanischen Funktionselements 4 in oder auf dem mikroelektronischen Substrat 27 angeordnet sein und kann ausgelegt sein, um durch ein optisches Verfahren, welches die Reflexion einer Strahlung von der Rückseite des mikromechanischen Elements 4 auswertet, den Auslenkzustand des mikromechanischen Elements 4 erfassen.
Die Oberflächen der Substrate sind für eine hohe Reflektivität der optisch genutzten Flächen, wie zum Beispiel die der Konkavspiegel oder Beugungsgitter, beispielsweise mit Aluminium oder Gold teilweise oder vollständig beschichtet. Optisch ungenutzte Flächen können optional, zur Verringerung von Streu- und Fremdlicht, mit absorbierenden Schichten, wie beispielsweise PSK 2000, beschichtet sein. Das Abstandshaltersubstrat 30 kann sowohl in einer lithografischen Technologie, wie beispielsweise in oder auf einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer, strukturiert werden oder in einem klassischen Herstellungsverfahren, wie zum Beispiel Kunststoffspritzguss, Heißprägen, Fräsen oder Bohren, hergestellt werden. Zur Minimierung von Streu- und Fremdlicht kann das Abstandshaltersubstrat 30 ebenfalls mit einer absorbierenden Beschichtung versehen sein.
Die Justage der einzelnen Substrate erfolgt beispielsweise durch Justiermarken. Alternativ dazu lassen sich zum Beispiel auf den Substraten strukturierte Anschläge, Ausrichtstrukturen oder strukturierte, diffraktive optische Elemente verwenden. Die einzelnen Substrate werden beispielsweise an den Auflageflächen miteinander verklebt oder durch anodisches „Bonden“ bzw. Verbinden (Verbindungsmethode um beispielsweise Siliziumsubstrate mit Glassubstraten zu verbinden) miteinander verbunden. Die Klebeflächen können so gestaltet sein, dass die einzelnen Module jeweils dicht gekapselt sind. Eine elektrische Kontaktierung wird durch eine entsprechende Technologie, wie beispielsweise das sogenannte „Flip-Chip-Bonden“ (Verbindungsmethode, bei der beispielsweise Chips mit ihrer Kontaktierungsseite nach unten mit einem anderen Substrat oder einem anderen Bauteil verbunden werden), das sogenannte „Drahtbonden“ (Verbindungsdungsmethode, bei der beispielsweise verschiedene Bauteile elektrisch miteinander verbunden werden) mit eventuellen Öffnungen oder Kleben mit elektrisch leitfähigem Kleber, ermöglicht. Das Vereinzeln der Spektrometermodule kann beispielsweise mit einer Wafersäge erfolgen. Nach dem Verkapseln und/oder der Montage in ein Gehäuse ist die Herstellung der Spektrometermodule abgeschlossen.
5a und 5b zeigen eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung und einer Grundrissdarstellung, eines integrierten ortsauflösenden MOEMS-Spektrometers mit einem MEMS-Scannerspiegel (MEMS: mikroelektromechanisches System, Scannerspiegel: beweglicher Spiegel um beispielsweise einen Bereich abzutasten) mit integriertem Beugungsgitter. Im Hinblick auf einige Details sei auf die DE 102006019840 A1 für eine Zeilenkamera zur spektralen Bilderfassung verwiesen. Das Spektrometer ist in seiner Gesamtheit mit 500 bezeichnet. Das System umfasst, in gestapelter Weise aufeinander folgend, ein optisches Substrat 25, ein erstes Abstandshaltersubstrat 30, ein zweites optisches Substrat 26, ein mikromechanisches Substrat 43, ein zweites Abstandshaltersubstrat 31 und ein mikroelektronisches Substrat 27. Das mikromechanische Substrat 43 kann dabei beispielsweise ein SOI-Wafer 28+29 (Silizium-auf-Isolator-Wafer) sein, wobei mit 28 die Handhabungsschicht („Handle-Layer“) des SOI-Wafers bezeichnet ist und wobei mit 29 die Schicht des SOI-Wafers, in der ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement strukturiert werden kann, bezeichnet ist. Die Handhabungsschicht ist an der Stelle, wo sich ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement befindet, entfernt, um eine ungehinderte Bewegung des mikromechanischen Funktionselements zu ermöglichen.
Durch diesen Aufbau und diese Technologie ist neben der Realisierung von ortsauflösenden Spektrometern, wie beispielsweise des in 5a und 5b gezeigten, auch die Realisierung von Multi- oder Hyper-Spektral-Abbildungssystemen („Hyper-Spectral Imaging System“) möglich. Das System besteht zur Realisierung einer entsprechenden Abbildungsqualität über ein ausgedehntes Bildfeld aus einem ersten optischen Substrat 25 und einem zweiten optischen Substrat 26. Es kann aber auch mit nur einem der beiden Substrate realisiert werden. Bei zwei optischen Substraten besteht das System aus einer Spaltblende 1, die als Feldblende fungiert und in das mikromechanische Substrat 43 oder das erste optische Substrat 25 integriert ist. Durch mindestens ein abbildendes optisches Element 3, wie beispielsweise ein Konkavspiegel oder ein Konvexspiegel, das in das erste optische Substrat 25 oder das zweite optische Substrat 26 integriert ist, wird die durch die Blende 1 tretende elektromagnetische Strahlung 37 kollimiert (wie bei Bezugszeichen 36 gezeigt). Durch ein dispersives Element 8, wie beispielsweise ein Beugungsgitter, ein photonischer Kristall oder ein diffraktives optisches Element, das in die Oberfläche eines mikromechanischen Scannerspiegels 4 integriert ist, wird die Strahlung spektral aufgespaltet 38, wobei beide Elemente in das mikromechanische Substrat 43 strukturiert sind. Die spektral in verschiedenen Beugungsordnungen aufgespaltete Strahlung 38 wird über mindestens ein weiteres, in das erste optische Substrat 25 oder in das zweite optische Substrat 26 integriertes, abbildendes optisches Element 14, auf einen in das mikromechanische Substrat 43 oder in das zweite optische Substrat 26 integrierten Austrittsspalt 15 refokussiert. Hinter diesem befindet sich ein Detektor16, der sowohl separat angeordnet oder in das mikroelektronische Substrats 27 integriert sein kann. Der Detektor detektiert die durch die Blende 15 transmittierte Strahlung.
Durch das dispersive Element 8 wird die spektral aufgespaltete elektromagnetische Strahlung 38 eines Punktes/ Bildpunktes (Pixel)/ Bereiches parallel detektiert. Durch eine Drehung 10 des Scannerspiegels 4 mit dem dispersiven Element 8, wird der Eintrittsspalt 1 Punkt für Punkt sequenziell 11 spektral aufgelöst detektiert.
Anschließend können die Detektorsignale von einer Elektronik, die beispielsweise in CMOS-Technologie auf einem Siliziumwafer erzeugt wurde bzw. gebildet wurde, analog und/oder digital verarbeitet werden. Optional kann ein Teil oder die gesamte Elektronik beispielsweise für die Korrektur des spektral aufgelösten Bildes und/oder die Auswertung der Spektren, wie beispielsweise durch multivariater Datenanalyse, als Schaltung in das mikroelektronische Substrat 27 integriert sein.
Die Elemente, die in gleicher Technologie hergestellt werden bzw. hergestellt sind, werden möglichst in oder auf dem selben Substrat strukturiert. So sind die abbildenden optischen Elemente 3, 14, wie beispielsweise Konkavspiegel oder Konvexspiegel, in oder auf dem ersten optischen Substrat 25 oder dem zweiten optischen Substrat 26, wie beispielsweise in oder auf einem Borofloatglaswafer („Floatglas“: Flachglas, das im „Floatglasverfahren“ hergestellt wurde), einem Quarzglaswafer, einem Borosilikatglaswafer, einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer, die Spaltblenden 1, 15, der Scannerspiegel 4 und das dispersive Element 8, das zum Beispiel ein Gitter sein kann, in oder auf einem mikromechanischen Substrat 43, wie beispielsweise in oder auf einem SOI-Wafer oder einem Siliziumwafer, die elektronischen Schaltungen, der Detektor 16, die Ansteuerelektronik für den Scannerspiegel 4 und Positionsdetektoren 18 mit Auswertungselektronik für den Scannerspiegel 4 in oder auf einem mikroelektronischen Substrat 27, integriert.
Die Positionserfassungseinheit 18 zur Detektion des Auslenkzustands des mikromechanischen Elements 4 kann beispielsweise im Bereich der Rückseite des mikromechanischen Funktionselements 4 in oder auf dem mikroelektronischen Substrat 27 angeordnet sein und kann ausgelegt sein, um durch ein optisches Verfahren, welches die Reflexion einer Strahlung von der Rückseite des mikromechanischen Elements 4 auswertet, den Auslenkzustand des mikromechanischen Elements 4 erfassen.
Die Oberflächen der Substrate sind für eine hohe Reflektivität der optisch genutzten Flächen, wie zum Beispiel die der Konkavspiegel oder Beugungsgitter, beispielsweise mit Aluminium oder Gold teilweise oder vollständig beschichtet. Optisch ungenutzte Flächen können optional, zur Verringerung von Streu- und Fremdlicht, mit absorbierenden Schichten, wie beispielsweise PSK 2000, beschichtet sein. Die Abstandshaltersubstrate 30, 31 können sowohl in einer lithografischen Technologie, wie beispielsweise in oder auf einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer, strukturiert werden oder in einem klassischen Herstellungsverfahren, wie zum Beispiel Kunststoffspritzguss, Heißprägen, Fräsen oder Bohren, hergestellt werden. Zur Minimierung von Streu- und Fremdlicht können die Abstandshaltersubstrate 30,31 ebenfalls mit einer absorbierenden Beschichtung versehen sein.
Die Justage der einzelnen Substrate erfolgt beispielsweise durch Justiermarken. Alternativ dazu lassen sich zum Beispiel auf den Substraten strukturierte Anschläge, Ausrichtstrukturen oder strukturierte, diffraktive optische Elemente verwenden. Die einzelnen Substrate werden beispielsweise an den Auflageflächen miteinander verklebt oder durch anodisches „Bonden“ bzw. Verbinden (Verbindungsmethode um beispielsweise Siliziumsubstrate mit Glassubstraten zu verbinden) miteinander verbunden. Die Klebeflächen können so gestaltet sein, dass die einzelnen Module jeweils dicht gekapselt sind. Eine elektrische Kontaktierung wird durch eine entsprechende Technologie, wie beispielsweise das sogenannte „Flip-Chip-Bonden“ (Verbindungsmethode, bei der beispielsweise Chips mit ihrer Kontaktierungsseite nach unten mit einem anderen Substrat oder einem anderen Bauteil verbunden werden), das sogenannte „Drahtbonden“ (Verbindungsmethode, bei der beispielsweise verschiedene Bauteile elektrisch miteinander verbunden werden) mit eventuellen Öffnungen oder Kleben mit elektrisch leitfähigem Kleber, ermöglicht. Das Vereinzeln der Spektrometermodule kann beispielsweise mit einer Wafersäge erfolgen. Nach dem Verkapseln und/oder der Montage in ein Gehäuse ist die Herstellung der Spektrometermodule abgeschlossen.
6a, 6b und 7 zeigen Prinzipskizzen von Querschnittsdarstellungen von verschiedenen Ausführungsformen eines integrierten Hadamard-Transformations-Spektrometers mit einem mikromechanischen Modulator. Die verschiedenen Ausführungen des Spektrometers sind in ihrer Gesamtheit mit 600a, 600b und 700 bezeichnet. Alle drei Spektrometer umfassen, in gestapelter Weise aufeinander folgend, ein optisches Substrat 25, ein erstes Abstandshaltersubstrat 30, ein mikromechanisches Substrat 43, ein zweites Abstandshaltersubstrat 31 und ein mikroelektronisches Substrat 27. Die verschiedenen Spektrometer unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Anordnung des mikromechanischen Modulators 5 am Eintrittsspalt, wie bei der Ausführung 700 gezeigt, oder am Austrittsspalt, wie bei den Ausführungen 600a, 600b gezeigt, und durch die Anordnung des dispersiven Elements 9, welches sich in oder auf dem optischen Substrat 25, wie bei der Ausführung 600a gezeigt, oder in oder auf dem mikromechanischen Substrat 43, wie bei den Ausführungen 600b, 700 gezeigt, befinden kann. Das mikromechanische Substrat 43 kann dabei beispielsweise ein SOI-Wafer 28+29 (Silizium-auf-Isolator-Wafer) sein, wobei mit 28 die Handhabungsschicht („Handle-Layer“) des SOI-Wafers bezeichnet ist und wobei mit 29 die Schicht des SOI-Wafers, in der ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement strukturiert werden kann, bezeichnet ist. Die Handhabungsschicht ist an der Stelle, wo sich ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement befindet, entfernt, um eine ungehinderte Bewegung des mikromechanischen Funktionselements zu ermöglichen.
Bei den Ausführungen 600a und 600b wird die elektromagnetische Strahlung 37 durch eine Spaltblende 1, die in das mikromechanische Substrat 43 integriert ist, örtlich und/oder räumlich gefiltert. Über einen Konkavspiegel 2, der in das optische Substrat 25 integriert ist, wird die elektromagnetische Strahlung kollimiert (wie bei Bezugszeichen 36 gezeigt) und durch ein dispersives Element 9, wie beispielsweise ein Beugungsgitter, das sowohl in das mikromechanische Substrat 43, wie in der Ausführung 600b gezeigt, als auch in das optische Substrat 25, wie in der Ausführung 600a gezeigt, integriert sein kann, spektral aufgespalten (wie bei Bezugszeichen 38 gezeigt). Diese wird über einem weiteren, in das optische Substrat 25 integrierten, Konkavspiegel 13 auf einen in das mikromechanische Substrat 43 integrierten, mikromechanischen Modulator 5 refokussiert. Dieser kann beispielsweise als eine strukturierte Membran, die durch einen Aktuator in der Ebene des mikromechanischen Substrats 43 bewegt wird, ausgeführt sein. Die absorbierende oder reflektierende Membran ist mit transparenten Öffnungen strukturiert, wodurch jeweils nur ein bestimmter Teil der spektral aufgespalteten, elektromagnetischen Strahlung 38 transmittiert wird. Die Verteilung der Öffnungen kann bei einigen Ausführungen vorteilhaft einer zyklischen Matrix entsprechen, wie beispielsweise einer Hadamard- oder Simplex-Matrix. Durch eine Bewegung 10 dieser Membran und eine zeitlich sequenzielle Detektion der transmittierten elektromagnetischen Strahlung 39 durch einen hinter der Membran diskret oder in das mikroelektronische Substrat integrierten Detektor 16, ergibt sich eine Faltung der Transformationsmatrix mit dem Spektrum.
Anschließend können die Detektorsignale von einer Elektronik, die beispielsweise in CMOS-Technologie auf einem Siliziumwafer hergestellt wird bzw. ist, analog und/oder digital verarbeitet werden. Optional kann ein Teil oder die gesamte Elektronik für die Rücktransformation des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung, was der Entfaltung mit der Transformationsmatrix entspricht, und die Auswertung der Spektren, wie beispielsweise durch multivariate Datenanalyse, als Schaltung in das mikroelektronische Substrat 27 integriert werden bzw. sein.
Die in 7 gezeigte Ausführung unterscheidet sich dadurch von den Ausführungen 600a und 600b, dass der mikromechanische Modulator 5 in oder auf dem mikromechanischen Substrat 43 vor der Spaltblende 1, die in das erste Abstandshaltersubstrat strukturiert ist, angeordnet ist, wodurch die Modulation der elektromagnetischen Strahlung schon an dieser Stelle passiert. Ein weiterer Unterschied ist, dass das mikromechanische Substrat eine Austrittsblende 15 aufweist.
Die Elemente, die in gleicher Technologie hergestellt werden bzw. hergestellt sind, sind jeweils in oder auf dem selben Substrat strukturiert. So sind die Konkavspiegel 2, 13 und je nach Ausführungsform das dispersive Element 9 in oder auf einem optischen Substrat 25, wie beispielsweise in oder auf einem Borofloatglaswafer („Floatglas“: Flachglas, das im „Floatglasverfahren“ hergestellt wurde), einem Quarzglaswafer, einem Borosilikatglaswafer, einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer, je nach Ausführungsform die Spaltblenden 1, 15, die reflektiven optischen Elemente 12, der mikromechanische Modulator 5, und je nach Ausführungsform das Beugungsgitter 9 in oder auf einem mikromechanischen Substrat 43, wie beispielsweise in oder auf einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer, die elektronischen Schaltungen, der oder die Detektoren 16, die Ansteuerelektronik für den mikromechanischen Modulator 5 und Positionsdetektoren mit Auswertungselektronik für den Modulator 5 in oder auf einem mikroelektronischen Substrat 27, integriert.
Die Oberflächen der Substrate sind für eine hohe Reflektivität der optisch genutzten Flächen, wie zum Beispiel die der Konkavspiegel oder Beugungsgitter, beispielsweise mit Aluminium oder Gold teilweise oder vollständig beschichtet.
Optisch ungenutzte Flächen können optional, zur Verringerung von Streu- und Fremdlicht, mit absorbierenden Schichten, wie beispielsweise PSK 2000, beschichtet sein. Die Abstandshaltersubstrate 30, 31 können sowohl in einer lithografischen Technologie, wie beispielsweise in oder auf einen Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer, strukturiert werden oder in einem klassischen Herstellungsverfahren, wie zum Beispiel Kunststoffspritzguss, Heißprägen, Fräsen oder Bohren, hergestellt werden. Zur Minimierung von Streu- und Fremdlicht können die Abstandshaltersubstrate 30,31 ebenfalls mit einer absorbierenden Beschichtung versehen sein.
Die Justage der einzelnen Substrate erfolgt beispielsweise durch Justiermarken. Alternativ dazu lassen sich zum Beispiel auf den Substraten strukturierte Anschläge, Ausrichtstrukturen oder strukturierte, diffraktive optische Elemente verwenden. Die einzelnen Substrate werden beispielsweise an den Auflageflächen miteinander verklebt oder durch anodisches „Bonden“ bzw. Verbinden (Verbindungsmethode um beispielsweise Siliziumsubstrate mit Glassubstraten zu verbinden) miteinander verbunden. Die Klebeflächen können so gestaltet sein, dass die einzelnen Module jeweils dicht gekapselt sind. Eine elektrische Kontaktierung wird durch eine entsprechende Technologie, wie beispielsweise das sogenannte „Flip-Chip-Bonden“ (Verbindungsmethode, bei der beispielsweise Chips mit ihrer Kontaktierungsseite nach unten mit einem anderen Substrat oder einem anderen Bauteil verbunden werden), das sogenannte „Drahtbonden“ (Verbindungsmethode, bei der beispielsweise verschiedene Bauteile elektrisch miteinander verbunden werden) mit eventuellen Öffnungen oder Kleben mit elektrisch leitfähigem Kleber, ermöglicht. Das Vereinzeln der Spektrometermodule kann beispielsweise mit einer Wafersäge erfolgen. Nach dem Verkapseln und/oder der Montage in ein Gehäuse ist die Herstellung der Spektrometermodule abgeschlossen.
8 zeigt eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, eines integrierten Spektrometers mit einem spektral durchstimmbaren Filter, der als mikromechanisches Fabry-Perot-Interferometer ausgelegt ist. Das Spektrometer ist in seiner Gesamtheit mit 800 bezeichnet. Das System umfasst, in gestapelter Weise aufeinander folgend, ein optisches Substrat 25, ein erstes Abstandshaltersubstrat 30, ein mikromechanisches Substrat 43, ein zweites Abstandshaltersubstrat 31 und ein mikroelektronisches Substrat 27. Das mikromechanische Substrat 43 kann dabei beispielsweise ein SOI-Wafer 28+29 (Silizium-auf-Isolator-Wafer) sein, wobei mit 28 die Handhabungsschicht („Handle-Layer“) des SOI-Wafers bezeichnet ist und wobei mit 29 die Schicht des SOI-Wafers, in der ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement strukturiert werden kann, bezeichnet ist. Die Handhabungsschicht ist an der Stelle, wo sich ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement befindet, entfernt, um eine ungehinderte Bewegung des mikromechanischen Funktionselements zu ermöglichen.
Die elektromagnetische Strahlung 37 wird durch eine Spaltblende 1, die in das mikromechanische Substrat 43 integriert ist, örtlich und/oder räumlich gefiltert. Über einen Konkavspiegel 2, der in das optische Substrat 25 integriert ist, wird die elektromagnetische Strahlung 36 kollimiert und durch einen schiefen Spiegel 12, der beispielsweise als eine schiefe verspiegelte Fläche ausgeführt ist und , je nach den Erfordernissen der Anwendung, sowohl in das mikromechanische Substrat 43, wie in 8 gezeigt, als auch in das optische Substrat 25 integriert sein kann, reflektiert 38. Die spektrale Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung wird durch einen integrierten durchstimmbaren Filter 6, dessen spektrale Transmission änderbar ist, moduliert. Der mikromechanische Filter 6 basiert beispielsweise auf einem Fabry-Perot-Interferometer. Dieses (bzw. Filter 6) besteht aus zwei Blättchen, an deren Oberflächen Strahlung reflektiert wird. Mindestens eines der beiden Blättchen kann durch einen integrierten mikromechanischen Aktuator bewegt werden (wie bei Bezugszeichen 10 gezeigt). Je nach Abstand der beiden Blättchen, ergibt sich eine wellenlängenabhängige Phasenverzögerung für zwei reflektierte Wellen. Je nach Überlagerung bzw. je nach Phasenverschiebung können diese von konstraktiv bis hin zu destruktiv interferieren. Dementsprechend wird Strahlung einer bestimmten Wellenlänge reflektiert oder transmittiert (wie bei Bezugszeichen 39 gezeigt). Durch Änderung des Abstands der beiden Blättchen wird damit die spektrale Transmission geändert. Der durchstimmbare Filter 6 ist in das mikromechanische Substrat 43 integriert.
Die Detektorsignale können von einer Elektronik, die beispielsweise in CMOS-Technologie auf einem Siliziumwafer hergestellt wird bzw. ist, analog und/oder digital verarbeitet werden. Optional kann ein Teil oder die gesamte Elektronik für die Berechnung des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung und die Auswertung der Spektren, wie beispielsweise durch multivariate Datenanalyse, als Schaltung in das mikroelektronische Substrat 27 integriert werden bzw. sein.
Die Elemente, die in gleicher Technologie hergestellt werden bzw. hergestellt sind, sind jeweils in oder auf dem selben Substrat strukturiert. So sind die Konkavspiegel 2, 13 und der schiefe Spiegel12 in oder auf einem optischen Substrat 25, wie beispielsweise in oder auf einem Borofloatglaswafer („Floatglas“: Flachglas, das im „Floatglasverfahren“ hergestellt wurde), einem Quarzglaswafer, einem Borosilikatglaswafer, einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer, die Spaltblende 1, die Blende 15 und der durchstimmbare Filter mit dem mikromechanischen Aktuator 6 in oder auf einem mikromechanischen Substrat 43, wie beispielsweise in oder auf einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer, die elektronischen Schaltungen, der oder die Detektoren 16, die Ansteuerelektronik für den mikromechanisch durchstimmbaren Filter 6 und die Positionsdetektoren mit Auswertungselektronik für den durchstimmbaren Filter 6 in oder auf einem mikroelektronischen Substrat 27, integriert. Die Blende 15 kann aber auch, wie in 8 gezeigt, in dem ersten Abstandshaltersubstrat 30 angeordnet sein.
Die Oberflächen der Substrate sind für eine hohe Reflektivität der optisch genutzten Flächen, wie zum Beispiel die der Konkavspiegel oder Beugungsgitter, beispielsweise mit Aluminium oder Gold teilweise oder vollständig beschichtet. Optisch ungenutzte Flächen können optional, zur Verringerung von Streu- und Fremdlicht, mit absorbierenden Schichten, wie beispielsweise PSK 2000, beschichtet sein. Die Abstandshaltersubstrate 30, 31 können sowohl in einer lithografischen Technologie, wie beispielsweise in oder auf einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer, strukturiert werden oder in einem klassischen Herstellungsverfahren, wie zum Beispiel Kunststoffspritzguss, Heißprägen, Fräsen oder Bohren, hergestellt werden. Zur Minimierung von Streu- und Fremdlicht können die Abstandshaltersubstrate 30,31 ebenfalls mit einer absorbierenden Beschichtung versehen sein.
Die Justage der einzelnen Substrate erfolgt beispielsweise durch Justiermarken. Alternativ dazu lassen sich zum Beispiel auf den Substraten strukturierte Anschläge, Ausrichtstrukturen oder strukturierte, diffraktive optische Elemente verwenden. Die einzelnen Substrate werden beispielsweise an den Auflageflächen miteinander verklebt oder durch anodisches „Bonden“ bzw. Verbinden (Verbindungsmethode um beispielsweise Siliziumsubstrate mit Glassubstraten zu verbinden) miteinander verbunden. Die Klebeflächen können so gestaltet sein, dass die einzelnen Module jeweils dicht gekapselt sind. Eine elektrische Kontaktierung wird durch eine entsprechende Technologie, wie beispielsweise das sogenannte „Flip-Chip-Bonden“ (Verbindungsmethode, bei der beispielsweise Chips mit ihrer Kontaktierungsseite nach unten mit einem anderen Substrat oder einem anderen Bauteil verbunden werden), das sogenannte „Drahtbonden“ (Verbindungsmethode, bei der beispielsweise verschiedene Bauteile elektrisch miteinander verbunden werden) mit eventuellen Öffnungen oder Kleben mit elektrisch leitfähigem Kleber, ermöglicht. Das Vereinzeln der Spektrometermodule kann beispielsweise mit einer Wafersäge erfolgen. Nach dem Verkapseln und/oder der Montage in ein Gehäuse ist die Herstellung der Spektrometermodule abgeschlossen.
9a zeigt eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, eines integrierten Transformations-Spektrometers basierend auf einem binären Phasengitter mit veränderbarer Phasentiefe. Im Hinblick auf einige Details der Ausführung sei auf die US 2007/0159635 A1 verwiesen. Das Spektrometermodul ist in seiner Gesamtheit mit 900a bezeichnet. Das System umfasst, in gestapelter Weise aufeinander folgend, ein optisches Substrat 25, ein erstes Abstandshaltersubstrat 30, ein mikromechanisches Substrat 43, ein zweites Abstandshaltersubstrat 31 und ein mikroelektronisches Substrat 27. Das mikromechanische Substrat 43 kann dabei beispielsweise ein SOI-Wafer 28+29 (Silizium-auf-Isolator-Wafer) sein, wobei mit 28 die Handhabungsschicht („Handle-Layer“) des SOI-Wafers bezeichnet ist und wobei mit 29 die Schicht des SOI-Wafers, in der ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement strukturiert werden kann, bezeichnet ist. Die Handhabungsschicht ist an der Stelle, wo sich ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement befindet, entfernt, um eine ungehinderte Bewegung des mikromechanischen Funktionselements zu ermöglichen. Zusätzlich ist an einer Stelle, neben dem mikroelektronischen Substrats 27 und dem zweiten Abstandshaltersubstrat 31, auf dem mikromechanischen Substrat eine Beleuchtungseinheit integriert, die eine Strahlungsquelle 22, ein optisches Element 23 und eine Halterung oder ein Gehäuse 32 aufweist. Des weiteren kann ein optisches Element 24 zur Einkopplung von Strahlung 35, die von der Strahlungsquelle 22 emittiert wurde (wie bei Bezugszeichen 34 gezeigt) und mit einem Objekt 33 in Wechselwirkung getreten ist, integriert sein.
Die elektromagnetische Strahlung 37 durch eine Spaltblende 1, die in das mikromechanische Substrat 43 integriert ist, örtlich und/oder räumlich gefiltert. Über einen Konkavspiegel 2, der in das optische Substrat 25 strukturiert ist, wird die elektromagnetische Strahlung 36 kollimiert und durch ein binäres Gitter 7, das einen variablen Phasenhub besitzt, spektral moduliert. Die Anteile der Strahlung, die von den zwei Lamellen bzw. Kämmen 40,41, wie in 9b gezeigt, reflektiert werden, überlagern sich je nach Phasendifferenz, die von der Wellenlänge der Strahlung abhängig ist, von konstruktiv bis destruktiv. Im Allgemeinen wird dabei die spektral modulierte Strahlung der 0.Beugungsordnung, wie ebenfalls in 9b gezeigt, genutzt. Bei Veränderung des Abstands 10 beider Lamellen bzw. Kämme 40, 41 verändert sich die spektrale Zusammensetzung der Strahlung der 0.Beugungsordnung. Das modulierbare Kammgitter 7 ist in das mikromechanische Substrat 43 integriert. Die modulierte elektromagnetische Strahlung 38 wird durch einen Konkavspiegel 13, der in das optische Substrat 25 integriert ist, auf einer Austrittsblende 15 refokussiert. Dahinter befindet sich ein Detektor 16. Für die Detektion eines breiteren Wellenlängenbereichs können auch mehrere Detektoren verwendet werden. Diese können vorteilhaft in das mikroelektronische Substrat 27 integriert werden oder als ein diskretes Bauelement angeordnet sein.
Die Detektorsignale können von einer Elektronik, die beispielsweise in CMOS-Technologie auf einem Siliziumwafer hergestellt wird bzw. ist, analog und/oder digital verarbeitet werden. Optional kann ein Teil oder die gesamte Elektronik für die Auswertung der Spektren, wie beispielsweise durch eine Fourier-Transformation zur Berechnung der spektralen Verteilung der elektromagnetischen Strahlung und/oder durch eine multivariaten Datenanalyse, als Schaltung in das mikroelektronische Substrat 27 integriert werden bzw. sein.
Die Elemente, die in gleicher Technologie hergestellt werden bzw. hergestellt sind, sind jeweils in oder auf dem selben Substrat strukturiert. So sind die Konkavspiegel 2, 13 in oder auf einem optischen Substrat 25, wie beispielsweise einem Glassubstrat aus Borofloatglas, einem Glassubstrat aus Borosilikatglas, einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer, die Spaltblenden 1, 15 und das modulierbare Kammgitter mit Aktuator 7 in oder auf einem mikromechanischen Substrat 43, wie beispielsweise in oder auf einem SOI-Wafer, die elektronischen Schaltungen, der oder die Detektoren 16, die Ansteuerelektronik und die Positionsdetektoren 18 mit Auswerteelektronik für das modulierbare Kammgitter 7 in oder auf einem mikroelektronischen Substrat 27, integriert.
Die Positionserfassungseinheit 18 zur Detektion des Auslenkzustands des mikromechanischen Elements 7 kann beispielsweise im Bereich der Rückseite des mikromechanischen Funktionselements 7 in oder auf dem mikroelektronischen Substrat 27 angeordnet sein und kann ausgelegt sein, um durch ein optisches Verfahren, welches die Reflexion einer Strahlung von der Rückseite des mikromechanischen Elements 7 auswertet, den Auslenkzustand des mikromechanischen Elements 7 erfassen.
Die Oberflächen der Substrate sind für eine hohe Reflektivität der optisch genutzten Flächen, wie zum Beispiel die der Konkavspiegel oder Beugungsgitter, beispielsweise mit Aluminium oder Gold teilweise oder vollständig beschichtet. Optisch ungenutzte Flächen können optional, zur Verringerung von Streu- und Fremdlicht, mit absorbierenden Schichten, wie beispielsweise PSK 2000 beschichtet sein. Die Abstandshaltersubstrate 30, 31 können sowohl in einer lithografischen Technologie, wie beispielsweise in oder auf einem Siliziumwafer oder auf einem SOI-Wafer, strukturiert werden oder in einem klassischen Herstellungsverfahren, wie zum Beispiel Kunststoffspritzguss, Heißprägen, Fräsen oder Bohren, hergestellt werden. Zur Minimierung von Streu- und Fremdlicht können die Abstandshaltersubstrate 30,31 ebenfalls mit einer absorbierenden Beschichtung versehen sein.
Die Justage der einzelnen Substrate erfolgt beispielsweise durch Justiermarken. Alternativ dazu lassen sich zum Beispiel auf den Substraten strukturierte Anschläge, Ausrichtstrukturen oder strukturierte, diffraktive optische Elemente verwenden. Die einzelnen Substrate werden beispielsweise an den Auflageflächen miteinander verklebt oder durch anodisches „Bonden“ bzw. Verbinden (Verbindungsmethode um beispielsweise Siliziumsubstrate mit Glassubstraten zu verbinden) miteinander verbunden. Die Klebeflächen können so gestaltet sein, dass die einzelnen Module jeweils dicht gekapselt sind. Eine elektrische Kontaktierung wird durch eine entsprechende Technologie, wie beispielsweise das sogenannte „Flip-Chip-Bonden“ (Verbindungsmethode, bei der beispielsweise Chips mit ihrer Kontaktierungsseite nach unten mit einem anderen Substrat oder einem anderen Bauteil verbunden werden), das sogenannte „Drahtbonden“ (Verbindungsmethode, bei der beispielsweise verschiedene Bauteile elektrisch miteinander verbunden werden) mit eventuellen Öffnungen oder Kleben mit elektrisch leitfähigem Kleber, ermöglicht. Das Vereinzeln der Spektrometermodule kann beispielsweise mit einer Wafersäge erfolgen. Nach dem Verkapseln und/oder der Montage in ein Gehäuse ist die Herstellung der Spektrometermodule abgeschlossen.
10 zeigt eine Prinzipskizze, in Form einer Querschnittsdarstellung, einer integrierten, spektral modulierbaren Strahlungsquelle mit einem Monochromator nach dem Czerny-Turner-Prinzip. Die Strahlungsquelle ist in ihrer Gesamtheit mit 1000 bezeichnet. Das System umfasst, in gestapelter Weise aufeinander folgend, ein optisches Substrat 25, ein erstes Abstandshaltersubstrat 30, ein mikromechanisches Substrat 43, ein zweites Abstandshaltersubstrat 31 und ein mikroelektronisches Substrat 27. Das mikromechanische Substrat 43 kann dabei beispielsweise ein SOI-Wafer 28+29 (Silizium-auf-Isolator-Wafer) sein, wobei mit 28 die Handhabungsschicht („Handle-Layer“) des SOI-Wafers bezeichnet ist und wobei mit 29 die Schicht des SOI-Wafers, in der ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement strukturiert werden kann, bezeichnet ist. Die Handhabungsschicht ist an der Stelle, wo sich ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement befindet, entfernt, um eine ungehinderte Bewegung des mikromechanischen Funktionselements zu ermöglichen.
Die Basis für diese Ausführung bzw. ein wichtiges Element für diese Ausführung ist, wie in den Ausführungsbeispielen für ein MOEMS-Spektrometer 200, 300, 400, ein Monochromator nach dem Czerny-Turner-Prinzip. Jedoch wird anstelle der spektralen Zerlegung 38 der mit einer Probe interagierten Strahlung 35 die von einer Strahlungsquelle 22 kommende Strahlung 34, die beispielsweise von einer thermischen Strahlungsquelle stammt, spektral moduliert bzw. zerlegt 38. Die spektral modulierbare MOEMS-Strahlungsquelle 1000 besitzt eine elektromagnetische Strahlung emittierende Quelle 22, die als diskretes Element, beispielsweise als lichtemittierende Diode, auf dem mikroelektronischen Substrat 27 angeordnet sein kann, auf diesem lithografisch integriert bzw. erzeugt sein kann, wie beispielsweise eine organische lichtemittierende Diode, oder als eigene Baugruppe, wie beispielsweise eine Halogenlampe, angeordnet sein kann. Die emittierte Strahlung 34 wird über eine Blende 1, die fest integriert sein kann oder als eine bewegliche/variable/modulierbare Blende bzw. Ortsfilter 5, die in das mikromechanische Substrat 43 integriert ist, ausgelegt sein kann, örtlich und/oder räumlich gefiltert. Über einen Konkavspiegel 2, der in das optische Substrat 25 strukturiert ist, wird die elektromagnetische Strahlung 36 kollimiert und durch ein dispersives Element 8, wie beispielsweise durch ein Beugungsgitter, einen photonischen Kristall oder ein diffraktives, optisches Element, spektral aufgespaltet 38. Das dispersive Element 8 ist in oder auf die Oberfläche eines mikromechanischen Scannerspiegels 4 integriert, wobei beide Elemente 4,8 in oder auf das mikromechanische Substrat 43 strukturiert sind. Die spektral in verschiedene Beugungsordnungen in einem Winkelbereich aufgespaltete Strahlung 38 wird über einem weiteren, in das optische Substrat 25 integrierten, Konkavspiegel 13 auf eine in das mikromechanische Substrat 43 integrierte Austrittsblende 15 refokussiert.
Durch eine Drehung 10 des Scannerspiegels 4 und damit die Drehung des dispersiven Elements 8 wird der spektrale Anteil der elektromagnetischen Strahlung, der durch den Austrittsspalt 15 transmittiert wird, moduliert bzw. verändert. Das Detektormodul, welches in der gleichen Technologie integriert oder als separates Modul in einem klassischen Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Kunststoffspritzguss, hergestellt sein kann, erfasst die mit dem Material der Probe interagierte Strahlung.
Die Elemente, die in gleicher Technologie hergestellt werden bzw. hergestellt sind, sind jeweils in oder auf dem selben Substrat strukturiert. So sind die Konkavspiegel 2, 13 in oder auf einem optischen Substrat 25, wie beispielsweise in oder auf einem Borofloatglaswafer („Floatglas“: Flachglas, das im „Floatglasverfahren“ hergestellt wurde), einem Quarzglaswafer, einem Borosilikatglaswafer, einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer, die Spaltblenden 1, 15, der Scannerspiegel 4, das dispersive Element 8, wie beispielsweise ein Gitter, und je nach Ausführungsform die verstellbare bzw. modulierbare Eintrittsblende 5 in oder auf einem mikromechanischen Substrat 43, wie beispielsweise in oder auf einem Siliziumwafer oder einem SOI-Wafer, die elektronischen Schaltungen, die Ansteuerelektronik für den Scannerspiegel 4 und die Positionsdetektoren 18 mit Auswerteelektronik für den Scannerspiegel 4 in oder auf ein mikroelektronisches Substrat 27, integriert.
Die Positionserfassungseinheit 18 zur Detektion des Auslenkzustands des mikromechanischen Elements kann beispielsweise im Bereich der Rückseite des mikromechanischen Funktionselements in oder auf dem mikroelektronischen Substrat angeordnet sein und kann ausgelegt sein, um durch ein optisches Verfahren, welches die Reflexion einer Strahlung von der Rückseite des mikromechanischen Elements auswertet, den Auslenkzustand des mikromechanischen Elements erfassen.
Die Oberflächen der Substrate sind für eine hohe Reflektivität der optisch genutzten Flächen, wie zum Beispiel die der Konkavspiegel oder Beugungsgitter, beispielsweise mit Aluminium oder Gold teilweise oder vollständig beschichtet. Optisch ungenutzte Flächen können optional, zur Verringerung von Streu- und Fremdlicht, mit absorbierenden Schichten, wie beispielsweise PSK 2000, beschichtet sein. Die Abstandshaltersubstrate 30, 31 können sowohl in einer lithografischen Technologie, wie beispielsweise in oder auf einem Siliziumwafer oder auf einem SOI-Wafer, strukturiert oder in einem klassischen Herstellungsverfahren, wie zum Beispiel Kunststoffspritzguss, Heißprägen, Fräsen oder Bohren, hergestellt werden. Zur Minimierung von Streu- und Fremdlicht können die Abstandshaltersubstrate 30,31 ebenfalls mit einer absorbierenden Beschichtung versehen sein.
Die Justage der einzelnen Substrate erfolgt beispielsweise durch Justiermarken. Alternativ dazu lassen sich zum Beispiel auf den Substraten strukturierte Anschläge, Ausrichtstrukturen oder strukturierte, diffraktive optische Elemente verwenden. Die einzelnen Substrate werden beispielsweise an den Auflageflächen miteinander verklebt oder durch anodisches „Bonden“ bzw. Verbinden (Verbindungsmethode um beispielsweise Siliziumsubstrate mit Glassubstraten zu verbinden) miteinander verbunden. Die Klebeflächen können so gestaltet sein, dass die einzelnen Module jeweils dicht gekapselt sind. Eine elektrische Kontaktierung wird durch eine entsprechende Technologie, wie beispielsweise das sogenannte „Flip-Chip-Bonden“ (Verbindungsmethode, bei der beispielsweise Chips mit ihrer Kontaktierungsseite nach unten mit einem anderen Substrat oder einem anderen Bauteil verbunden werden), das sogenannte „Drahtbonden“ (Verbindungsmethode, bei der beispielsweise verschiedene Bauteile elektrisch miteinander verbunden werden) mit eventuellen Öffnungen oder Kleben mit elektrisch leitfähigem Kleber, ermöglicht. Das Vereinzeln der Strahlungsquellen kann beispielsweise mit einer Wafersäge erfolgen. Nach dem Verkapseln und/oder der Montage in ein Gehäuse ist die Herstellung der Strahlungsquelle abgeschlossen.
11 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer optischen Vorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung. Das Verfahren ist in seiner Gesamtheit mit 1100 bezeichnet und umfasst ein Herstellen 1110 eines ersten Substrats, das ein optisches Funktionselement aufweist und ein Herstellen 1120 eines zweiten Substrats, das ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement aufweist. Des weiteren umfasst das Verfahren ein Verbinden des ersten Substrats und des zweiten Substrats 1130, so dass ein Strahlengang vorhanden ist, der zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat gefaltet ist, wobei das bewegliche mikromechanische Funktionselement und das optische Funktionselement in dem Strahlengang angeordnet sind. Die dadurch erzielte kompakte Bauweise einer optischen Vorrichtung ermöglicht u.a. eine kostengünstige Herstellung derselben. Das Verfahren 1100 kann um all diejenigen Aspekte ergänzt werden, die hierin in Bezug auf die optische Vorrichtung sowie in Bezug auf die Herstellung derselben beschrieben sind. Beispielsweise kann das Verfahren optional angepasst werden, um optische Vorrichtungen gemäß der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele herzustellen.
12 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils bzw. eines Abschnitts eines Verfahrens zur Herstellung einer optischen Vorrichtung, der zur Herstellung einer Mehrzahl von optischen Vorrichtungen zur gleichen Zeit oder zumindest im Rahmen einer gemeinsamen Prozessierung dient, gemäß einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Der gezeigte Teil des Verfahrens ist in seiner Gesamtheit mit 1200 bezeichnet.
Dabei wird in oder auf einem ersten Substrat 1210 ein erstes Teilsystem 1212 und ein zweites Teilsystem 1214, das zu dem ersten Teilsystem 1212 identisch ist, hergestellt. Des Weiteren wird in oder auf einem zweiten Substrat 1220 ein drittes Teilsystem 1222 und ein viertes Teilsystem 1224, das zu dem dritten Teilsystem 1222 identisch ist, hergestellt. Danach werden das erste Substrat 1210 und das zweite Substrat 1220 so zueinander ausgerichtet (wie bei Bezugszeichen 1230 gezeigt), dass das dritte Teilsystem 1222 über dem ersten Teilsystem 1212 und das vierte Teilsystem 1224 über dem zweiten Teilsystem 1214 angeordnet ist. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von Justiermarken, Justierstrukturen oder integrierten diffraktiven optischen Elementen einfach und exakt realisiert werden. Auf diese Weise ausgerichtet werden das erste Substrat 1210 und das zweite Substrat 1220 mittelbar oder unmittelbar miteinander verbunden (wie bei Bezugszeichen 1240 gezeigt). Danach wird eine optische Vorrichtung 1242, die das erste Teilsystem 1212 und das dritte Teilsystem 1222 umfasst, von einer zweiten optischen Vorrichtung 1244, die das zweite Teilsystem 1214 und das vierte Teilsystem 1224 umfasst, beispielsweise durch Wafersägen, getrennt (wie bei Bezugszeichen 1250 gezeigt). Durch die gleichzeitige Herstellung einer Mehrzahl von optischen Vorrichtungen 1242,1244 können die Kosten pro System deutlich gesenkt werden.
Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung sowie verschiedene Teilaspekte erläutert.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen ein System zur wellenlängenaufgelösten Aufnahme elektromagnetischer Strahlung, bestehend aus mindestens einem Spalt und/oder mindestens einer Blende und/oder mindestens einem Detektor für elektromagnetische Strahlung und/oder mindestens einem weiteren optischen Funktionselement und/oder mindestens einem mikromechanischen Funktionselement zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung, wobei die Komponenten auf und/oder in Substrate gefertigt sind und diese als gestapelter Aufbau von drei oder mehr Substraten realisiert sind.
Entsprechend einem Aspekt umfassen manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung ein System zur Aufnahme eines elektromagnetischen Spektrums bestehend aus mindestens einem Substrat, in das jeweils mindestens ein optisches Funktionselement integriert ist, mindestens einem weiteren Substrat, das mindestens eine Öffnung zur Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung besitzt, mindestens einem weiteren Substrat, in das jeweils mindestens ein mikromechanisches Element zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung integriert ist, und mindestens einem weiteren Substrat, in das jeweils mindestens ein elektronisches Funktionselement integriert ist, wobei die Substrate aufeinander gestapelt angeordnet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das System aus einem ersten Substrat, in das mindestens ein optisches Funktionselement integriert ist, einem zweiten Substrat, in das mindestens ein mikromechanisches Element zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung integriert ist, einem dritten Substrat, in das mindestens ein elektronisches Funktionselement integriert ist, und einem weiteren Substrat, das mindestens eine Öffnung zur Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung aufweist, bestehen, wobei die Substrate aufeinander gestapelt angeordnet sind.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann das System aus einem ersten Substrat, in das mindestens ein optisches Funktionselement integriert ist, einem zweiten Substrat, in das mindestens ein mikromechanisches Element zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung integriert ist, einem dritten Substrat, in das mindestens ein elektronisches Funktionselement integriert ist, einem vierten Substrat, in das mindestens ein optisches Funktionselement integriert ist, und einem weiteren Substrat, das mindestens eine Öffnung zur Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung enthält, bestehen, wobei die Substrate aufeinander gestapelt angeordnet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das System aus einem ersten Substrat, in das mindestens ein optisches Funktionselement integriert ist und das Öffnungen zur Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung enthält, einem zweiten Substrat, in das mindestens ein mikromechanisches Element zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung integriert ist, und einem dritten Substrat, in das mindestens ein elektronisches Funktionselement integriert ist, bestehen, wobei die Substrate aufeinander gestapelt angeordnet sind.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann/können bei dem System das oder die Substrate mit mindestens einem optischen Funktionselement aus einem Werkstoff der Werkstoffgruppen Glas, Metall, Kunststoff, Kunststoffkomposite, eines Elements oder einer Verbindung von Elementen der Periodengruppe IVa (wie beispielsweise Kohlenstoff, Silizium oder Germanium), einer Verbindung der Elemente der Periodengruppen IIIa (wie beispielsweise Bor, Aluminium oder Gallium) und Va (wie beispielsweise Stickstoff, Phosphor und Arsen), einer Verbindung der Elemente der Periodengruppen IIb (wie beispielsweise Zink, Cadmium oder Quecksilber) und VIa (wie beispielsweise Sauerstoff, Schwefel oder Selen), oder einem der Werkstoffe Quarz, Saphir, Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Bariumtitanat bestehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann/können bei dem System das oder die Substrate mit mindestens einer Öffnung zur Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung aus einem Werkstoff der Werkstoffgruppe Glas, Metall, Kunststoff, Kunststoffkomposite, eines Elements oder einer Verbindung von Elementen der Periodengruppe IVa, einer Verbindung der Elemente der Periodengruppen IIIa und Va, einer Verbindung der Elemente der Periodengruppen IIb und VIa, oder einem der Werkstoffe Quarz, Saphir, Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Bariumtitanat bestehen.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann/können bei dem System das oder die Substrate mit mindestens einem mikromechanischen Element aus einem Werkstoff der Werkstoffgruppen Glas, Metall, Kunststoff, Kunststoffkomposite, Silizium, Quarzglas oder aus einem SOI-Wafer, Siliziumwafer oder Quarzglaswafer bestehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann bei dem System das mikromechanische Element zur Modulation elektromagnetischer Strahlung als drehbarer Spiegel mit einer Gitterstruktur zum Zweck der spektralen Aufspaltung elektromagnetischer Strahlung ausgebildet sein.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann bei dem System das mikromechanische Element zur Modulation elektromagnetischer Strahlung als translatorisch bewegliches Element mit einer Struktur zur lateralen Modulation elektromagnetischer Strahlung ausgebildet sein.
Gemäß eines weiteren Aspekts kann bei dem System das mikromechanische Element zur Modulation elektromagnetischer Strahlung als translatorisch bewegliches Element mit einer Phasengitterstruktur, die hinsichtlich der Phase und/oder Gitterperiode eine veränderbare Charakteristik aufweist, ausgeführt sein.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann/können bei dem System das Substrat oder die Substrate mit Öffnungen zur Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung, eine Ausbreitung derselben zwischen den Funktionselementen, die auf verschiedene Substrate oder in ein Substrat strukturiert sinc, ermöglichen und dieses kann durch ebene oder entsprecherd geformte Kontaktflächen eine definierte Position der verschiedenen Substrate zueinander ermöglichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt können einige Ausführungsbeispiele des Systems so ausgelegt sein, dass das Substrat aus Materialien besteht und/oder vollständig und/oder teilweise mit Beschichtungen versehen ist, die eine spektral nicht selektive, vollständige und/oder spektral selektive Absorption und/oder Reflektivität und/oder Transmission von elektromagnetischer Strahlung ermöglichen.
Entsprechend einem anderen Aspekt können bei dem System die optischen Funktionselemente planoptische und/oder reflektive und/oder refraktive und/oder diffraktive Eigenschaften aufweisen und/oder Einfluss auf die Polarisation und/oder Einfluss auf die spektrale Zusammensetzung der Strahlung nehmen.
Gemäß einem weiteren Aspekt können bei dem System die optischen Funktionselemente mit reflektiven Eigenschaften Spiegelschichten aus Metall und/oder einem dielektrischen Mehrschichtsystem oder einer Kombination von Metall und einem dielektrischen Mehrschichtsystem aufweisen.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann bei dem System in das Substrat, in welches das mikromechanische Element zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung integriert ist, zusätzliche Spalte und/oder Blenden beliebiger Form integriert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt können bei dem System die Spalte und Blenden eine spektral und/oder räumlich und/oder örtlich veränderliche Transmission und/oder Reflektivität aufweisen.
Entsprechend einem anderen Aspekt können bei dem System die Substrate Marken und/oder Strukturen und/oder diffraktive optische Elemente zur Ausrichtung oder Justage derselben zueinander aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann bei dem System zur Detektion elektromagnetischer Strahlung mindestens ein Detektor bestehend aus mindestens einem Element verwendet werden.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann bei dem System der Detektor als Fotodiode, Lawinenfotodiode (Avalanche Fotodiode, APD), Fototransistor, Fotowiederstand, ladungsgekoppelter Sensor (CCD-Sensor), CMOS-Sensor, Fotozelle, Bolometer oder pyroelektrischer Sensor ausgeführt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das System mindestens einer Sensor zur Erfassung das Aktuationszustandes und/oder Auslenkzustandes und/oder Bewegungszustandes des mikromechanischen Elements enthalten.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann das System eine Lichtquelle zur Beleuchtung von Messobjekten besitzen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann bei dem System die Strahlungsquelle aus mindestens einer thermischen Strahlungsquelle und/oder mindestens einer nicht thermischen Strahlungsquelle und/oder mindestens einer lichtemittierenden Diode (LED) und/oder mindestens einer organischen lichtemittierenden Diode (OLED) und/oder mindestens einer Superlumineszenzdiode und/oder mindestens einem Laser bestehen.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann bei dem System das Substrat, in das jeweils mindestens ein elektronisches Funktionselement integriert ist, integrierte Schaltkreise enthalten, die zur Ansteuerung des mikromechanischen Elements und/oder zur Ansteuerung/Auslese des Sensors zur Erfassung des Aktuationszustandes und/oder zur Signalverarbeitung/Auslese des Detektors zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung und/oder zur Durchführung der Signalvorverarbeitung/Signalauswertung der Signale des Detektors und/oder zur Ansteuerung der Strahlungsquelle verwendbar sind und/oder Datenschnittstellen zur Kommunikation mit anderen elektronischen Geräten und/oder elektronischen Baugruppen enthalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das System ausgebildet sein, um ein Spektrum im UV und/oder sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich aufzunehmen.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann das System ein oder mehrere Substrate umfassen, die eine Glasschicht, eine Metallschicht, eine Polymerschicht, eine Kunststoffkompositschicht, eine Schicht aus Sol-Gel-Materialien (Sol-Gel-Material: kunststoff-keramisches Kompositmaterial wie beispielsweise „Oromocer“), eine mono oder polykristalline Kristallschicht, eine Quarzschicht, eine Saphirschicht, eine Lithiumniobatschicht, eine Lithiumtantalatschicht, eine Bariumtitanantschicht, eine Siliziumschicht, eine Schicht aus einem Elementhalbleiter und/oder eine Schicht aus einem Verbindungshalbleiter und/oder einen Silizium-auf-Isolator-Schichtaufbau (SOI), aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das System ein oder mehrere Substrate umfassen, die aus einer Kombination mehrerer Schichten bestehen.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann das System ein oder mehrere Substrate umfassen, die teilweise und/oder vollständig, mindestens eine Schicht und/oder einen oder mehrere Schichtstapel und/oder eine oder mehrere strukturierte Schicht/en zur Beeinflussung der elektromagnetischen Strahlung, aufweisen und eine definierte Reflektivität und/oder Absorption und/oder Transmission besitzen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung geht man davon aus, dass die Begriffe mikrooptisch, mikromechanisch und mikroelektronisch Strukturgrößen kleiner 1 mm betreffen, und dass mikromechanische Funktionselemente auch mikroelektromechanische Funktionselemente umfassen.
Allgemein ist zu beachten, dass in einigen der gezeigten Ausführungsbeispiele beispielsweise das optische Element 1 durch ein konkretes Element, wie z.B. eine Spaltblende, ein Eintrittsspalt bzw. Eintrittsapertur, ein Orts- oder Raumfilter, eine reflektive Eintrittsblende bzw. Eintrittsspalt, eine Blende oder ein Balken, der als reflektiver Eirtrittsspalt ausgelegt ist, ausgelegt ist, was die möglichen Ausführungsformen aber nicht einschränken soll. Das gleiche gilt auch für das optische Element 2, das beispielsweise als Konkavspiegel oder Kollimator ausgelegt sein kann, das mikromechanische Element 5, das beispielsweise als mikromechanischer Modulator, translatorischer Mikroaktuator mit Spaltblende strukturierte Membran zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung, translatorischer Mikroaktuator mit Öffnungen strukturierte Membran zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung oder bewegliche/variabel modulierbare Blende/Ortsfilter ausgelegt sein kann, das reflektive optische Element 12, das beispielsweise als Planspiegel, verspiegelte Fläche, geneigte verspiegelte Fläche, verspiegeltes Prisma oder schiefer Spiegel ausgelegt sein kann, das optische Element 13, das beispielsweise als Konkavspiegel oder Refokussieroptik ausgelegs sein kann, das optische Element 15, das beispielsweise als Austrittsblende, Austrittsspalt, Austrittsapertur, Orts- oder Raumfilter, Blende oder Spaltblende ausgelegt sein kann, und das optische Element 24, das beispielsweise als Refokussieroptik der Beleuchtungseinrichtung, Optik zur Einkopplung von Strahlung, optisches Element zur Refokussierung oder abbildendes optisches Funktionselement ausgelegt sein kann.
Zusammenfassend ist also festzuhalten, dass gemäß einiger Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung, ein Spektrometermodul nach dem beschriebenen Aufbau und der Technologie nach verschiedenen Prinzipien aufgebaut werden kann.
Einige der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beschreiben Varianten des Aufbaus eines Spektrometermoduls, dessen Elemente nach der notwendigen lithografischen Technologie auf verschiedene Substrate aufgeteilt sind.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung kann ein Detektor beispielsweise als Einzeldetektor, Zeilendetektor, Detektoranordnung, Detektorfeld („Detektorarray“) oder Detektormatrix ausgelegt sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung kann ein Substrat durch ein Mikroabformverfahren, wie beispielsweise durch Präzessionsspritzguss, durch Sol-Gel-Abformung, durch Präzessions-Heißprägen oder durch galvanische Abformung, hergestellt sein.
Bezugszeichenliste

1: Optisches Element, wie beispielsweise eine Spaltblende, ein Eintrittsspalt bzw. Eintrittsapertur, ein Orts- oder Raumfilter, eine reflektive Eintrittsblende bzw. Eintrittsspalt, eine Blende oder ein Balken, der als reflektiver Eintrittsspalt ausgelegt ist
2: Optisches Element, wie beispielsweise ein Konkavspiegel oder ein Kollimator
3: Abbildendes optisches Element; abbildender Kollimator bestehend aus Konkav- und/oder Konvexspiegel
4: Bewegliches mikromechanisches Element, wie beispielsweise ein mikromechanischer Scannerspiegel
5: Mikromechanisches Element, wie beispielsweise ein mikromechanischer Modulator, ein translatorischer Mikroaktuator mit Spaltblende, strukturierter Membran zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung, ein translatorischer Mikroaktuator mit Öffnungen strukturierter Membran zur Modulation von elektromagnetischer Strahlung oder eine bewegliche/variable/modulierbare Blende/Ortsfilter
6: Durchstimmbarer bzw. mikromechanischer Filter, wie beispielsweise ein Fabry-Perot-Interferometer mit einem mikromechanischen Element für translatorische Bewegungen eines Blättchens, einer Platte oder einer Membran zu einem festen Blättchen, Platte oder Membran zum Ändern der spektralen Transmission.
7: Mikromechanisches Kammgitter mit variabler Phasentiefe und/oder Gitterkonstante; binäres Gitter
8: Dispersives Element; Beugungsgitter in oder auf einem mikromechanischen Scannerspiegel integriert
9: Dispersives Element; Beugungsgitter; photonischer Kristall; Dispersionsprisma
10: Hauptbewegungsrichtung des mikromechanischen Elements; Richtung der veränderbaren Position des mikromechanischen Elements
11: Abtastrichtung bzw. Scanrichtung
12: Reflektives optisches Element, wie beispielsweise ein Planspiegel, eine verspiegelte Fläche, eine geneigte verspiegelte Fläche, ein verspiegeltes Prisma oder ein schiefer Spiegel
13: Optisches Element, wie beispielsweise ein Konkavspiegel oder eine Refokussieroptik
14: Abbildendes optisches Element; abbildende Refokussieroptik bestehend aus beispielsweise Konkavspiegel, Konvexspiegel, Linsen, Strahlformer
15: Optisches Element, wie beispielsweise eine Austrittsblende, ein Austrittsspalt, eine Austrittsapertur, ein Orts- oder Raumfilter, eine Blende oder eine Spaltblende
16: Detektor; Einzeldetektor; Zeilendetektor; Detektoranordnung; Detektorfeld („Detektorarray“); Detektormatrix
18: Positionserfassungseinheit zur Detektion der Position eines mikromechanischen Elements, wie beispielsweise jene mit den Bezeichnungen 4-6
22: Strahlungsquelle; Lichtquelle zur Beleuchtung von Objekten
23: Optisches Element, wie beispielsweise eine Beleuchtungsoptik, Strahlformer, Kondensor-Optik, Auskoppeloptik
24: Optisches Element, wie beispielsweise eine Refokussieroptik der Beleuchtungseinrichtung, eine Optik zur Einkopplung von Strahlung, ein optisches Element zur Refokussierung oder ein abbildendes optisches Funktionselement
25: Erstes Substrat; optisches Substrat; erstes optisches bzw. mikrooptisches Substrat; Substrat mit ein oder mehreren integrierten optischen Elementen
26: Viertes Substrat; zweites optisches bzw. mikrooptisches Substrat; Substrat mit ein oder mehreren integrierten optischen Elementen
27: Drittes Substrat; mikroelektronisches Substrat
28+29: Zweites Substrat; mikromechanisches Substrat; SOI-Wafer
28: Handhabungsschicht („Handle-Layer“) des SOI-Wafers
29: Schicht zur Erzeugung des mikromechanischen Systems des SOI-Wafers (device-layer)
30: Abstandshaltersubstrat; Erstes Abstandhaltersubstrat; erster Spacer (Spacer: Abstandshalter)
31: Abstandshaltersubstrat; Zweites Abstandhaltersubstrat; zweiter Spacer; Abdeckglas
32: Halterung bzw. Gehäuse einer Bestrahlungs- bzw. Beleuchtungseinrichtung
33: Objekt; Probe; spektroskopisch zu analysierendes Material
34: Strahlung; elektromagnetische Strahlung bzw. Licht zur Beleuchtung eines Objekts 33
35: Mit einem Objekt 33 interagierende (wie beispielsweise reflektierte, transmittierte, diffusgestreute oder Rahmen-gestreute) elektromagnetische Strahlung
36: Kollimierte Strahlung bzw. Strahlungsbündel
37: Elektromagnetische Strahlung; eingekoppelte elektromagnetische Strahlung
38: Spektral aufgespaltete Strahlung; spektral aufgespaltete elektromagnetische Strahlung bzw. Licht; modulierte elektromagnetische Strahlung
39: Transmittierte elektromagnetische Strahlung; örtlich und/oder spektral modulierte elektromagnetische Strahlung
40: Statischer Teil eines durchstimmbaren Kammgitters; statische Finger/Kamm eines durchstimmbaren Kammgitters
41: Beweglicher/bewegter Kamm eines durchstimmbaren Kammgitters
42: Strahlengang
43: Zweites Substrat; mikromechanisches Substrat
44: Mikromechanisches Funktionselement
45: Optisches Funktionselement
100: Optische Vorrichtung gemäß der Erfindung
150: Optische Vorrichtung gemäß der Erfindung
200: Integriertes Gitterspektrometer nach dem Czerny-Turner-Prinzip mit Beleuchtungseinheit
300: Integriertes Gitterspektrometermodul nach dem Czerny-Turner-Prinzip mit integrierter reflektiver Einkoppeloptik
400: Integriertes Gitterspektrometermodul nach dem Czerny-Turner-Prinzip mit integrierter reffraktiver Einkoppeloptik
500: Scannendes ortsauflösendes Spektrometermodul
600a, 600b: Hadarmad-Transformation-Spektrometer mit modulierbarer Austrittsblende und Beugungsgitter
700: Hadarmad-Transformations-Spektrometer mit modulierbarer Eintrittsblende und Beugungsgitter
800: Spektrometer mit durchstimmbarem Filter basierend auf einem Fabry-Perot-Interferometer
90Ca: Integriertes Transformations-Spektrometer basierend auf einem binären Phasengitter mit veränderbarer/modulierbarer Phasentiefe
1000: Spektralmodulierbare Bestrahlungsquelle / Strahlungsquelle
1100: Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung
1110: Herstellung eines ersten Substrats
1120: Herstellung eines zweiten Substrats
1130: Verbinden des ersten und des zweiten Substrats
1200: Teil bzw. Abschnitt eines Verfahrens zur Herstellung einer optischen Vorrichtung, der zur Herstellung einer Mehrzahl von optischen Vorrichtungen zur gleichen Zeit oder zumindest im Rahmen einer gemeinsamen Prozessierung dient
1210: Erstes Substrat
1212: Erstes Teilsystem
1214: Zweites Teilsystem
1220: Zweites Substrat
1222: Drittes Teilsystem
1224: Viertes Teilsystem
1230: Ausrichten des ersten Substrats und des zweiten Substrats
1240: Verbinden des ersten Substrats und des zweiten Substrats
1242: Optische Vorrichtung, die das erste Teilsystem und das dritte Teilsystem umfasst
1244: Optische Vorrichtung, die das zweite Teilsystem und das vierte Teilsystem umfasst
1250: Trennen einer optischen Vorrichtung, die das erste Teilsystem und das dritte Teilsystem umfasst, von einer optischen Vorrichtung, die das zweite Teilsystem und das vierte Teilsystem umfasst

Claims

Optische Vorrichtung zur Spektralanalyse (200; 300; 400) mit folgenden Merkmalen: einem ersten Substrat (25; 1210), das zwei optische Funktionselemente aufweist, die als erster und zweiter Konkavspiegel (2, 13) ausgebildet sind; einem zweiten Substrat (43; 1220), das ein bewegliches mikromechanisches Funktionselement (4) aufweist, wobei das erste Substrat (25; 1210) und das zweite Substrat (43; 1220) in gestapelter Weise angeordnet und miteinander verbunden sind, so dass ein Strahlengang (42) vorhanden ist, der zwischen dem ersten Substrat (25; 1210) und dem zweiten Substrat (43; 1220) gefaltet ist, wobei das bewegliche mikromechanische Funktionselement (4) und die Konkavspiegel (2, 13) in dem Strahlengang (42) angeordnet sind; und einem dritten Substrat (27), sowie ein Abstandshaltersubstrat (31) zwischen dem zweiten Substrat (43; 1220) und dem dritten Substrat (27), wobei ein mikroelektronisches Funktionselement, das als Detektor (16) ausgebildet ist, an dem dritten Substrat (27) oder dem Abstandshaltersubstrat (31) angebracht ist, wobei das zweite Substrat (43; 1220) zwischen dem ersten Substrat (25; 1210) und dem dritten Substrat (27) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung ausgelegt ist, eine wellenlängenabhängige Aufnahme elektromagnetischer Strahlung zu ermöglichen und die den Strahlengang (42) von einer Spaltblende (1), die in dem zweiten Substrat (43; 1220) angeordnet ist, zu dem ersten Konkavspiegel (2), zu dem beweglichen mikromechanischen Funktionselement (4), das ein dispersives Element (8) zur spektralen Aufspaltung der elektromagnetischen Strahlung aufweist, zu dem zweiten Konkavspiegel (13) und zu einem Austrittsspalt (15), der vor dem Detektor (16) angeordnet ist, aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Detektor (16) in dem Strahlengang angeordnet ist, und wobei der Detektor (16) zwischen dem beweglichen mikromechanischen Funktionselement (4) und dem dritten Substrat (27) oder hinter dem beweglichen mikromechanischen Funktionselement (4) in oder auf dem dritten Substrat (27) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ein Abstandshaltersubstrat (30) zwischen dem ersten Substrat (25; 1210) und dem zweiten Substrat (43; 1220) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die einzelnen Substrate mittelbar oder unmittelbar miteinander verbunden sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der eines der Substrate eine Öffnung aufweist, um eine Strahlung in den Strahlengang einzukoppeln oder eine Strahlung aus dem Strahlengang auszukoppeln, wobei die Öffnung zusätzlich als Spalt oder als Blende dient.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der eines der Substrate eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung eine spektral veränderliche, räumlich veränderliche oder örtlich veränderliche Transmission oder Reflektivität aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das erste Substrat (25; 1210) und das zweite Substrat (43; 1220) eine Einrichtung zur Ausrichtung des ersten Substrats (25; 1210) und des zweiten Substrats (43; 1220) zueinander aufweisen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der ein oder mehrere Substrate eine Einrichtung zur Ausrichtung der Substrate zueinander aufweisen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der mindestens ein Substrat eine Glasschicht, eine Metallschicht, eine Polymerschicht, eine Kunststoffkompositschicht, eine Schicht aus Sol-Gel-Materialien, eine mono- oder polykristalline Kristallschicht, eine Quarzschicht, eine Saphirschicht, eine Lithiumniobatschicht, eine Lithiumtantalatschicht, eine Bariumtitanantschicht, eine Siliziumschicht, eine Schicht aus einem Elementhalbleiter, eine Schicht aus einem Verbindungshalbleiter oder einen Silizium-auf-Isolator-Schichtaufbau aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der ein Substrat aus einer Kombination mehrerer Schichten besteht.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der ein Substrat, teilweise oder vollständig, eine Schicht, einen Schichtstapel oder eine strukturierte Schicht zur Beeinflussung von elektromagnetischer Strahlung aufweist und eine definierte Reflektivität, Absorption oder Transmission oder einer Kombination dieser Eigenschaften besitzt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Konkavspiegel (2, 13) planoptische, reflektive, refraktive oder diffraktive Eigenschaften oder eine Kombination dieser Eigenschaften aufweisen, oder ausgelegt sind, um die Polarisation oder die spektrale Zusammensetzung der Strahlung zu beeinflussen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Detektor (16) geeignet ist, um elektromagnetische Strahlung zu erfassen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, die zur Detektion einer Strahlung eine Fotodiode, eine Lawinenfotodiode, einen Fototransistor, einen Fotowiderstand, einen ladungsgekoppelten Sensor, einen CMOS-Sensor, eine Fotozelle, ein Bolometer oder einen pyroelektrischen Sensor aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, die eine Strahlungsquelle zur Beleuchtung von Messobjekten aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, die eine thermische Strahlungsquelle, eine nichtthermische Strahlungsquelle, eine lichtemittierende Diode, eine organische lichtemittierende Diode, eine Superlumineszenzdiode oder einen Laser aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der das erste Substrat (25; 1210), eine Öffnung zur Einkopplung oder Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung aufweist, wobei das mikromechanische Funktionselement (4) ausgelegt ist, um eine spektrale Modulation von elektromagnetischer Strahlung zu bewirken.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das erste Substrat (25; 1210) und das zweite Substrat (43; 1220) ebene Kontaktflächen aufweisen, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, um eine Ausrichtung des ersten Substrats (25; 1210) und des zweiten Substrats (43; 1220) zueinander zu ermöglichen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 18, wobei das erste Substrat (25; 1210), das zweite Substrat (43; 1220) und das Abstandshaltersubstrat (30) ebene Kontaktflächen aufweisen, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, um eine Ausrichtung des ersten Substrats (25; 1210), des zweiten Substrats (43; 1220) und des Abstandshaltersubstrats (30) zueinander zu ermöglichen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei das erste Substrat (25; 1210) und das zweite Substrat (43; 1220) strukturierte Kontaktflächen aufweisen, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Kontaktfläche des ersten Substrats (25; 1210) und die Kontaktfläche des zweiten Substrats (43; 1220) zueinander komplementär sind, um eine Ausrichtung des ersten Substrats (25; 1210) und des zweiten Substrats (43; 1220) zueinander zu ermöglichen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, bei der das bewegliche mikromechanische Funktionselement (4) zusätzlich einen drehbaren Spiegel mit Gitterstruktur, ein translatorisch bewegliches Element mit einer Phasengitterstruktur, die hinsichtlich der Phase oder der Gitterperiode eine veränderbare Charakteristik aufweist, ein translatorisch bewegliches Element mit einer Struktur zur lateralen Beeinflussung von elektromagnetischer Strahlung, oder einen translatorisch beweglichen Spiegel zur optischen Weglängenmodulation aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, die einen Sensor zur Erfassung des Auslenkzustands des beweglichen mikromechanischen Funktionselements (4) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei der Detektor (16) zur Ansteuerung des beweglichen mikromechanischen Funktionselements (4), zur Ansteuerung und Auslesung eines Sensors zur Erfassung des Auslenkzustands des beweglichen mikromechanischen Funktionselements, zur Signalverarbeitung und Auslesung eines Detektors zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung, zur Durchführung einer Signalvorverarbeitung oder einer Signalauswertung eines von dem Detektor gelieferten Signals, zur Ansteuerung einer Strahlungsquelle oder zur Kommunikation mit anderen elektronischen Geräten oder Baugruppen ausgelegt ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, die einen Sensor aufweist, der ausgelegt ist, um von der Rückseite des beweglichen mikromechanischen Funktionselements (4) her mit Hilfe einer optischen Vorrichtung den Auslenkzustand des beweglichen mikromechanischen Funktionselements (4) zu erfassen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24, die ausgelegt ist, um eine Strahlung von einer dem zweiten Substrat abgewandten Seite des ersten Substrats (25; 1210) her einzukoppeln oder um eine Strahlung zu der dem zweiten Substrat abgewandten Seite des ersten Substrats auszukoppeln.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25, bei der das dritte Substrat (27) einen Sensor zur Erfassung des Auslenkzustands des beweglichen mikromechanischen Funktionselements (4) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 26, bei der das Abstandshaltersubstrat (30, 31) eine Struktur zur Minimierung von Streulicht aufweist.
Vorrichtung (300; 400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei der Strahlengang (42) zuvor von einem abbildenden optischen Funktionselement (24), das in oder auf dem ersten Substrat (25; 1210) angeordnet ist, zu der Spaltblende (1) verläuft.
Verfahren (1100) zur Herstellung einer optischen Vorrichtung zur Spektralanalyse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28
Verfahren (1200) gemäß Anspruch 29, wobei in oder auf dem ersten Substrat (1210) ein erstes Teilsystem (1212) und ein zweites Teilsystem (1214), das zu dem ersten Teilsystem (1212) identisch ist, hergestellt wird; wobei in oder auf dem zweiten Substrat (1220) ein drittes Teilsystem (1222) und ein viertes Teilsystem (1224), das zu dem dritten Teilsystem (1222) identisch ist, hergestellt wird; wobei das erste Substrat und das zweite Substrat so angeordnet werden, dass nach dem Ausrichten (1230) des ersten Substrats (1210) und des zweiten Substrats (1220) zueinander das dritte Teilsystem (1222) gegenüber dem ersten Teilsystem (1212) ist und das vierte Teilsystem (1224) gegenüber dem zweiten Teilsystem (1214) ist; wobei die zueinander ausgerichteten Substrate mittelbar oder unmittelbar verbunden werden (1240) um einen verbundenen Stapel von Substraten zu erhalten der eine erste optische Vorrichtung (1242), die das erste Teilsystem (1212) und das dritte Teilsystem (1222) umfasst, und eine zweite optische Vorrichtung (1244), die das zweite Teilsystem (1214) und das vierte Teilsystem (1224) umfasst, aufweist; und wobei die erste optische Vorrichtung (1242) nach dem Verbinden der Substrate von der zweiten optischen Vorrichtung (1244) getrennt wird, in dem der verbundene Stapel von Substraten zerteilt wird (1250).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 29 bis 30, bei dem eines der Substrate unter Verwendung von lithographischer Technik oder einem Mikroabformverfahren hergestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 29 bis 31, bei dem das Abstandshaltersubstrat unter Verwendung von Kunststoffspritzguss, Laserbearbeitung, Fräsen oder Bohren hergestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 29 bis 32, bei dem die Substrate unter Verwendung einer Einrichtung zur Ausrichtung, die in oder auf einem der Substrate angeordnet ist, zueinander positioniert werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 29 bis 33, bei dem die einzelnen Substrate unter Verwendung einer Fügetechnik oder einer mechanischen Fixierverbindung verbunden werden.