DE102015114738A1

DE102015114738A1 - Integrierte Detektionsvorrichtung, insbesondere Detektor für Partikel, wie z. B. Feinstaub oder Alphateilchen

Info

Publication number: DE102015114738A1
Application number: DE102015114738.6A
Authority: DE
Inventors: Alberto Pagani; Sara Loi
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2016-03-17
Also published as: US20190072676A1; CN205003048U; CN105466816B; US10962659B2; CN105466816A; CN110542628A; US20160077218A1; US10132934B2

Abstract

Eine Detektionsvorrichtung (100) ist in einem Körper (2) aus Halbleitermaterial gebildet, der eine erste Oberfläche (2A) und eine zweite Oberfläche (2B) sowie einen Hohlraum (4) aufweist. Ein Detektionsbereich (4A) ist in dem Hohlraum gebildet, und eine Luftpumpe (50) ist in den Körper integriert und dazu ausgebildet, eine zwangsweise Luftbewegung in Richtung auf den Detektionsbereich zu veranlassen. Ein Detektionssystem (5–8) eines optischen Typs oder ein Alphateilchen-Detektor ist zumindest in einem Teil des Detektionsbereichs angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Detektionsvorrichtung, insbesondere einen Detektor für Partikel, wie z. B. Feinstaub oder Alphateilchen, die in einem Gas enthalten sind.
Teilchen- bzw. Partikeldetektoren sind bekannt, beispielsweise zum Detektieren von Partikeln mit einem kleineren Durchmesser als einem vorgegebenen Wert. Zum Messen von Teilchen oder Feinstaub PM stehen z. B. Vorrichtungen zur Verfügung. Solche mikroskopischen Partikel, wie sie in der Atmosphäre vorhanden sind und z. B. durch Staub, Rauch, Mikrotropfen von Aerosol usw. gebildet sind, können eine Gefahr für die Gesundheit darstellen und ein Risiko für die Umwelt bilden, das Einfluss auf die Klimaveränderung hat.
Zum Detektieren von Partikeln veranlassen manche Vorrichtungen die Passage einer Luftprobe durch einen Kanal mit einem z. B. durch einen Laser erzeugten Lichtstrahl, der durch Auftreffen auf die in der Luft enthaltenen Partikel eine Streuung derselben verursacht. Ein Detektor, der entlang der Bahn des gestreuten Lichts angeordnet ist, misst auf der Basis des detektierten Signals den Durchmesser der Partikel und zählt die Anzahl derselben.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Gerät ”Tragbares Laser-Aerosolspektrometer und Staubmonitor”, Modell Nr. 1.108/1.109, hergestellt von Grimm Aerosol Technik GmbH & Co. KG, um ein tragbares Gerät mit einem Spiegel, der das Licht in dem Detektor konzentriert; siehe auch http://www.wmo-gaw-wcc-aerosol-physics.org/files/OPC-Grimm-model--1.108-and-1.109.pdf.
Das vorstehend genannte System, das die Teilchen bzw. Partikel in ihrer spontanen Konzentration detektiert, kann jedoch hinsichtlich der Messzeiten, die recht lang sind, verbessert werden; darüber hinaus ist das System kaum anwendbar, wenn immer kleinere Konzentrationen detektiert werden sollen, benötigt hohe Laserenergie und ist aufgrund der diskreten Struktur mühsam und teuer.
Ein weiteres kommerzielles Gerät ”DustMonit”, hergestellt von Contec Engineering Srl, weist eine gesteuerte Pumpe mit konstanter Kapazität auf, die die Luft durch eine radial symmetrische Sonde einsaugt und in eine Kammer befördert, in der die transportierten Partikel einzeln von einem Laserstrahl getroffen werden. Die von jedem Partikel reflektierte Energie wird proportional zu dessen Größe über eine Fotodiode detektiert und gezählt (siehe auch http://conteng.it/Bollettini/DustMonit_En.pdf).
Der vorstehend genannte Detektor hat den Nachteil, dass er die Partikel einzeln nacheinander detektiert und daher lange Messzeiten aufweist. Ferner wird ein Fehler eingebracht, wenn Partikel entlang der Linie ausgerichtet sind, die den Detektor und die Quelle verbindet.
Es ist daher wünschenswert, einen verbesserten Detektor bereitzustellen, der die Detektionseffizienz verbessert, eine hohe Ansprechempfindlichkeit sowie kurze Messzeiten, kleine Abmessungen und niedrige Kosten aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine integrierte Detektionsvorrichtung aus Halbleitermaterial, ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems in einem Halbleiterkörper sowie ein Verfahren zum Detektieren von Partikeln bereitgestellt, wie dies in den Ansprüchen 1, 18 bzw. 21 angegeben ist.
In der Praxis weist der erfindungsgemäße Partikeldetektor einen Halbleiterkörper auf, in den eine Luftpumpe integriert ist, die darin enthaltene Luft und Partikel beschleunigt und diese in einem Körperhohlraum konzentriert, der einen Detektionsbereich bildet, wobei die Partikel mit von einer Lichtquelle emittiertem Licht beaufschlagt werden und dadurch eine Lichtstreuung verursacht wird, die über einen Fotodetektor detektiert wird. Die räumliche Verteilung des gestreuten Lichts wird mit der Größe der Partikel in der Luft korreliert, so dass es durch geeignete Algorithmen (Wiscome W. J., 1980: "Improved Mie scattering algorithms", Appl. Opt. 19, S. 1505–1509) möglich ist, die Verteilung der Größe der in der Luft enthaltenen Partikel zu berechnen, und zwar ausgehend von Mie's Theorie hinsichtlich der Streuung der Wellenlänge des Lichts sowie auf der Basis der optischen Eigenschaften der Partikel (Brechungsindex und Absorptionskoeffizient; siehe z. B. Bohren C. F. und Huffmann D. R., 1983 "Absorption and Scattering of Light by Small Particles", John Wiley & Sons, 530 Seiten). Alternativ hierzu wird z. B. im Fall eines Detektors für Alphateilchen, die z. B. von Radongas emittiert werden, ein Partikeldetektor in dem Detektionsbereich angeordnet, und das Gas wird durch die Luftpumpe beschleunigt und/oder konzentriert.
Vorzugsweise kann es sich bei der Luftpumpe um einen ionischen Typ handeln, bei dem die Luft durch eine Struktur, beispielsweise ein möglicherweise Spitzen aufweisendes Ionisationsgitter, ionisiert wird und dann durch eine Struktur, beispielsweise ein geeignet vorgespanntes Gitter, in Richtung auf den Detektionsbereich angezogen wird. Alternativ hierzu kann es sich bei der Luftpumpe um einen thermischen Typ handeln, mit Strukturen, die zum Erzeugen einer Temperaturdifferenz zwischen zwei Extremen des Detektionsbereichs ausgebildet sind.
Auf diese Weise ist es möglich, sowohl einen Detektor für Feinstaub, z. B. PM10, PM2,5 oder Feinstaub mit sogar noch geringerer Größe, als auch einen Radondetektor bereitzustellen.
Der Halbleiterkörper mit integriertem Partikeldetektor kann ein System mikrometrischer Linsen zum Anpassen der Eigenschaften des von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahls (z. B. Verbreitern desselben) aufnehmen. Das Linsensystem kann z. B. unter Nutzung der Hydrophobizität der Materialien und/oder der Elektrobenetzung gebildet werden. Alternativ hierzu können die Linsen vorgefertigt und anschließend an Ort und Stelle angebracht werden.
Alternativ hierzu kann es sich bei dem Strahleinstellsystem um ein beliebiges bekanntes System handeln, das z. B. auf dem Gebiet der Photonik oder der MOEMS (Mikro-Opto-Elektro-Mechanische Systeme) eingesetzt wird.
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen von bevorzugten Ausführungsbeispielen derselben unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen erläutert; darin zeigen:
1 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Detektors für Partikel, wie z. B. Feinstaub PM10 oder PM2,5 oder Feinstaub noch geringerer Größe;
2 eine schematische Darstellung des Detektors der 1;
3 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform eines Gitters, das bei dem Teilchendetektor der 1 verwendet werden kann;
4 eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform eines Gitters, das bei dem Teilchendetektor der 1 verwendet werden kann;
5 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform eines weiteren Gitters, das bei dem Teilchendetektor der 1 verwendet werden kann;
6A bis 6F der 1 ähnliche Schnittdarstellungen in aufeinanderfolgenden Herstellungsschritten;
7 und 8 Darstellungen von zwei möglichen Ausführungsformen eines Details des Partikeldetektors der 1;
9 eine Darstellung einer Herstellungsabfolge des Details der 7 und 8;
10 eine Darstellung eines möglichen Gehäuses des Partikeldetektors der 1;
11 bis 13 Darstellungen von verschiedenen Ausführungsformen eines Partikeldetektors;
14 eine schematische Draufsicht von oben auf eine andere Ausführungsform eines weiteren Details des Partikeldetektors der 1 bis 13;
15 und 16 eine Schnittdarstellung bzw. eine Draufsicht von oben auf eine Ausführungsform eines Partikeldetektors mit einer anderen Ausbildung der Probenkammer;
17 eine Draufsicht von oben auf eine andere Ausbildung der Probenkammer;
18 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines Partikeldetektors;
19 eine Draufsicht von oben auf eine andere Konfiguration des Fotodetektors der 18;
20 und 21 Schnittdarstellungen von weiteren Ausführungsformen eines Partikeldetektors;
22 und 23 Schnittdarstellungen von Ausführungsformen einer Vorrichtung zum Detektieren von Gasen, wie z. B. Radon;
24A und 24B der 23 ähnliche Schnittdarstellungen in aufeinander folgenden Herstellungsschritten; und
25 eine von oben gesehene Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Partikeldetektors.
Die 1 und 2 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel eines Partikeldetektors 100, der in einen Körper 2 integriert ist, der eine erste Oberfläche 2A und eine zweite Oberfläche 2B aufweist. Der Körper 2 kann durch ein Substrat 20 aus Halbleitermaterial, beispielsweise monolithischem monokristallinen Silizium gebildet sein, das auf seiner einen Hauptfläche von einer erster Schutzschicht 3A und auf seiner anderen Hauptfläche von einer zweiten Schutzschicht 3B bedeckt ist, wobei die Schutzschichten 3A, 3B beide z. B. aus isolierendem Material bestehen und die erste bzw. die zweite Oberfläche 2A, 2B bilden.
In dem Körper 2 ist eine Probenkammer 4 untergebracht, die durch eine Durchgangsöffnung gebildet ist, die sich zwischen den beiden Oberflächen 2A und 2B des Körpers erstreckt. Die Probenkammer 4 ist in dem vorliegenden Fall durch zwei aneinander anschließende und im Wesentlichen miteinander ausgerichtete Teile gebildet, und zwar: einen Detektionsbereich 4A, der sich von der ersten Oberfläche 2A weg erstreckt, sowie einen Konzentrationsbereich 4B, der sich von der zweiten Oberfläche 2B des Körpers 2 weg erstreckt. Bei dem dargestellten Beispiel weist der Detektionsbereich 4A z. B. eine allgemein quaderförmige Formgebung auf (siehe auch die von oben betrachtete Draufsicht der 2), und der Konzentrationsbereich 4B weist z. B. eine kegelstumpfartige Formgebung auf, wobei die kleinere Basis desselben dem Detektionsbereich 4A direkt benachbart ist und die Fläche derselben im Wesentlichen gleich der Detektionsfläche ist und wobei die größere Basis desselben der zweiten Oberfläche 2B zugewandt ist. Es sind jedoch auch andere Formen möglich; beispielsweise könnte die gesamte Probenkammer 4 ohne jegliche Diskontinuität kegelstumpfförmig oder quaderförmig ausgebildet sein.
Ferner ist in den Körper 2 ein optisches Detektionssystem integriert, das eine Lichtquelle 5, beispielsweise eine Laser-Emissionsschaltung, und einen Fotodetektor 6, beispielsweise eine Laser-Detektionsschaltung, beinhaltet, die seitlich von dem Detektionsbereich 4A angeordnet sind. In 1 sind die Lichtquelle 5 und der Fotodetektor 6 auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Detektionsbereichs 4A angeordnet. Ein erster transparenter Bereich 7A ist zwischen der Lichtquelle 5 und der Probenkammer 4 angeordnet, und ein zweiter transparenter Bereich 7B ist zwischen der Probenkammer 4 und dem Fotodetektor 6 angeordnet. Die transparenten Bereiche 7A und 7B können aus Luft oder Siliziumoxid, Silizium, Polymeren oder anderen Materialien gebildet sein, die für die Wellenlänge des von der Quelle emittierten Lichts transparent sind. Wie nachfolgend noch ausführlicher erläutert wird, kann in den ersten transparenten Bereich 7A ein optisches Element eingebettet sein, das insgesamt mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet ist und die Funktion hat, den von der Lichtquelle 5 erzeugten Lichtstrahl einzustellen, beispielsweise zu erweitern, und auf diese Weise das Volumen der Partikel innerhalb des Detektionsbereichs 4A zu erhöhen, auf das der Lichtstrahl gleichzeitig auftrifft.
Die Lichtquelle 5 kann in einer beliebigen bekannten Weise implementiert sein, die die Integration derselben in den Körper 2 zulässt. Beispielsweise ist es möglich, die in der US 6,661,035 beschriebene optische Strahlungsemissionsvorrichtung zu verwenden. Gleichermaßen kann auch der Fotodetektor in verschiedenartiger Weise implementiert werden, beispielsweise gemäß der Beschreibung in der WO2014107504 . Die Lichtquelle 5 kann ferner eine Mehrzahl von Emissions-Fotodioden 60 aufweisen, und der Fotodetektor 6 kann eine Mehrzahl von Empfangs-Fotodioden 61 beinhalten, wie dies in 2 dargestellt ist.
Die Probenkammer 4 ist oben und unten durch ein erstes und ein zweites Gitter 10, 11 aus leitfähigem Material, typischerweise Metall, wie z. B. Aluminium, Wolfram, Gold oder Kupfer, geschlossen.
Genauer gesagt bildet das erste Gitter 10, das hier an der zweiten Oberfläche 2B des Körpers 2 gebildet ist, ein Ionisationsgitter, das Spitzen aufweist. Wie insbesondere unter Bezugnahme auf 3 und 4 zu sehen ist, ist das erste Gitter 10 durch ein Paar von Elektroden 13, 14 gebildet. Die Elektroden 13, 14 sind in derselben Ebene angeordnet, erstrecken sich parallel zu der zweiten Oberfläche 2B des Körpers 2 und sind kammfingerartig ausgebildet. Ferner sind sie entgegengesetzt vorgespannt. Beispielsweise weist in 3 jede Elektrode 13, 14 eine Mehrzahl von zickzackförmigen Zweigen 13A, 14A auf, und die Spitzen der Zweige der einen Elektrode (z. B. die Spitzen der Zweige 13A der ersten Elektrode 13) sind den Spitzen der Zweige der anderen Elektrode (z. B. den Spitzen der Zweige 14A der zweiten Elektrode 14) zugewandt gegenüberliegend angeordnet. In 4 dagegen erstrecken sich die Zweige 13A, 13B mit einem konstanten Abstand. Die dargestellten Formen dienen jedoch lediglich der Veranschaulichung, und es sind viele andere Konfigurationen möglich, vorausgesetzt dass diese zum Ionisieren der vorbeiströmenden Luft in der Lage sind.
Das zweite Gitter 11, das im vorliegenden Fall an der ersten Oberfläche 2A gebildet ist, ist ein einfaches leitfähiges Gitter, das durch eine Schicht aus leitfähigem Metall mit einer Mehrzahl von Öffnungen beliebiger Form, wie z. B. kreisförmig, quadratisch (unter Bildung einer Art Raster, wie schematisch in 5 dargestellt), sechseckig oder allgemein polygonal, in einer Matrixanordnung oder in einer Wabenkonfiguration oder in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Muster gebildet ist. Das zweite Gitter 11 hat somit nur eine Funktion zum Anziehen und Beschleunigen der ionisierten Moleküle der Luft sowie der darin enthaltenen Artikel, wobei diese Funktion über ein an das zweite Gitter 11 angelegtes, geeignetes Vorspannungspotential reguliert und modifiziert werden kann.
Darüber hinaus können in das Substrat 20 Verarbeitungsschaltungseinrichtungen integriert sein, wie diese in 1 schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet sind. Alternativ hierzu können in dem Substrat 20 sowie auf den Oberflächen 2A, 2B Bereiche für die elektrische Verbindung mit externen Verarbeitungseinheiten vorgesehen sein.
Im Gebrauch wird eine Potentialdifferenz (dargestellt durch den Spannungsgenerator 15 der 3 und 4) zwischen den Elektroden 13 und 14 des ersten Gitters 10 angelegt und hierdurch eine Ionisation der Luft hervorgerufen, die durch das erste Gitter 10 in die Probenkammer 4 eintritt. Ferner ist das zweite Gitter 11 mit einer Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen zu der Luftionisationsspannung vorgespannt. Das Anlegen einer hohen Spannung, nahe der Durchbruchspannung von Luft, an die Elektroden 13 und 14 veranlasst eine Freisetzung von Elektronen der Luftmoleküle. Die Luftmoleküle, die somit positiv geladen sind, werden von dem zweiten Gitter angezogen, das negativ vorgespannt ist, und nehmen dabei jegliche Partikel mit. In der Praxis wird die auf diese Weise ionisierte Luft durch das zweite Gitter 11 angezogen und innerhalb der Probenkammer 4 durch den Detektionsbereich 4A beschleunigt, wobei sie ferner eine Kompression erfährt und ihre Dichte lokal zunimmt, wobei diese Zunahme auch als Resultat der Formgebung des Konzentrationsbereichs 4B entstehen kann, der eine von dem ersten Gitter 10 in Richtung auf den Detektionsbereich 4A abnehmende Querschnittsform aufweist. Die Anzahl der zu detektierenden Partikel, die durch den Detektionsbereich 4A hindurch gehen und von der ionisierten Luft mitgeführt werden, ist somit pro Volumeneinheit und/oder Zeiteinheit beträchtlich erhöht. In dem Detektionsbereich 4A treffen die beschleunigten und konzentrierten Partikel auf einen Lichtstrahl 12, der von dem Lichtgenerator 5 erzeugt wird, wobei die Partikel eine Streuung des Lichts verursachen. Das auf diese Weise gestreute Licht wird in bekannter Weise durch den Detektor 6 detektiert, der mit einer Verarbeitungseinheit (nicht gezeigt) verbunden ist, um hierdurch die Anzahl der Partikel sowie deren Größe festzustellen, wobei dies mit der räumlichen Verteilung in dem Lichtstreuungsbereich korreliert ist.
In der Praxis bildet das Ensemble aus den Gittern 10, 11 und der Probenkammer 4 eine Luftpumpe 50 (2), die die zwangsweise durch die Probenkammer 4 hindurch geleitete Luft beschleunigt und komprimiert.
Auf diese Weise kommt es zu einem beträchtlichen Anstieg bei der Anzahl von Partikeln in dem Detektionsbereich 4A während der Messung, so dass die Detektionseffizienz des Partikeldetektors 100 erhöht wird.
Bei dem ersten Gitter 10 handelt es sich bei der Spannung, die zwischen den Elektroden 13 und 14 des ersten Gitters 10 (dem ionisierenden Gitter) anzulegen ist, um eine Funktion der Distanz zwischen den Spitzen. Diese Distanz kann so klein wie gewünscht gewählt werden, mit der Begrenzung von lithographischen Prozessen zum Definieren einer Metallschicht. Mit derzeitigen Prozessen können z. B. Elektroden in einfacher Weise hergestellt werden, die Distanzen zwischen den Spitzen von weniger als 100 nm oder sogar von nur 50 nm oder weniger aufweisen. Für diese Distanzen zwischen den Elektroden 13 und 14 kann eine Gleichstromspannung von 100 V oder 50 V oder weniger angelegt werden.
Die Vorspannungsspannung des zweiten Gitters 11 ist im Allgemeinen von der Anwendung und insbesondere der Konzentration der Partikel abhängig, die in der Umgebung zu erwarten ist, in der die Messung ausgeführt werden soll. Für Messungen in Umgebungen mit einer hohen zu messenden Konzentration von Partikeln, in denen sich die Probenkammer 4 rasch mit Partikeln füllt, können niedrigere Spannungen verwendet werden als in Situationen mit geringer Konzentration. Beispielsweise ist es bei Spannungen von 1 bis 10 V möglich, ionisierte Luftmoleküle zu beschleunigen, um einen Anstieg bei der Konzentration der zu messenden Partikel sogar um einen Faktor von 10 oder 100 zu erzielen, wobei die Probenkammer 4 in nur einigen wenigen Sekunden gefüllt wird. In Abhängigkeit von den Geometrien sowie den gewählten Größen kann das zweite Gitter 11 auch mit höheren Spannungen (z. B. 100 V, 200 V) vorgespannt werden, und zwar selbst ohne Erreichen der Durchbruchspannung von Luft.
Bei einer möglichen Implementierung des Partikeldetektors 100 kann das Abstandsmaß bzw. Rastermaß des zweiten Gitters 11 derart sein, dass es die gewünschten Partikel auffängt.
Der Datenverarbeitungsalgorithmus kann dann die Resultate der dimensionsmäßigen Verteilung und Konzentration der Partikel mit der effektiven Konzentration in der Umgebungsluft korrelieren, und zwar auf der Basis von bekannten Algorithmen sowie Anwendung der grundlegenden Gesetze der klassischen Physik unter Ausführung einer Art von ”Ent-Amplifikation” der gelesenen Daten.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform kann es sich bei dem ersten Gitter 10 um ein Standardgitter ähnlich dem zweiten Gitter 11 handeln, wobei die Spannung zwischen den Gittern 10 und 11 die Luftmoleküle ionisiert und beschleunigt. Bei einer Variante dieser Ausführungsform kann das erste Gitter 10 auch eine dreidimensionale Struktur aufweisen, und zwar mit Vorsprüngen oder Spitzen, die vertikal ins Innere der Probenkammer (und somit orthogonal zu der zweiten Oberfläche 2B des Körpers 2) gerichtet sind. Ferner können die Vorsprünge oder Spitzen dem zweiten Gitter 11 zugewandt gegenüberliegen, um die Distanz zwischen den beiden Gittern 10, 11 zu reduzieren und die an diese angelegte Spannung zu vermindern.
Gemäß einer Ausführungsform des Partikeldetektors 100 kann dann, nachdem die zu messenden Partikel im Inneren der Probenkammer 4 konzentriert worden sind und die Messung der Verteilung der Partikel ausgeführt worden ist, die Vorspannung der Gitter 10, 11 umgekehrt werden und die Probenkammer 4 durch das erste Gitter 10 hindurch entleert werden, um dadurch auch mögliche Partikel zu entfernen, die sich um das erste Gitter 10 herum angesammelt haben.
Der Partikeldetektor 100 kann gemäß den Darstellungen in den 6A bis 6F hergestellt werden.
Zu Beginn werden, wie in 6A dargestellt, die optische Quelle bzw. Lichtquelle 5 und der Fotodetektor 6 in das Substrat 20 integriert, und zwar unter Verwendung von in der Halbleiterindustrie bekannten Mikrointegrationstechniken. In demselben Substrat wird ein Hohlraum gebildet, der den Detektionsbereich 4A bilden soll (und der somit im Folgenden auch als ”Detektionshohlraum 4A” bezeichnet wird); dabei werden mindestens zwei optische Hohlräume 16A und 16B gebildet, die mit dem Material der transparenten Bereiche 7A, 7B zu füllen sind. In der Schnittdarstellung der 6A sind der Detektionshohlraum 4A und die optischen Hohlräume 16A, 16B miteinander, mit der Lichtquelle 5 sowie mit dem Fotodetektor 6 ausgerichtet und haben das Erscheinungsbild eines einzigen Hohlraums. Alternativ hierzu sind sie bei Vorhandensein von Spiegelstrukturen möglicherweise nicht ausgerichtet, wie dies im Folgenden noch erläutert wird. Die Hohlräume 4A, 16A und 16B sind z. B. durch Ätzen des Siliziummaterials gebildet.
Anschließend werden der Detektionshohlraum 4A und die optischen Hohlräume 16A, 16B mit dem transparenten Material 7 gefüllt, das die transparenten Bereiche 7A und 7B bilden soll, und nach einer möglichen Planarisierung bzw. Einebnung an der Oberseite und der Unterseite des Körpers bzw. Wafers 2 werden die Schutzschichten 3A, 3B beispielsweise aus dielektrischem Material gebildet.
Als nächstes (6B) wird das transparente Material 7 durch einen selektiven Ätzvorgang aus dem Detektionshohlraum 4A entfernt, und Letzterer wird mit einem ersten Opfermaterial 23, beispielsweise einem Oxid oder einem Nitrid, gefüllt.
Das zweite Gitter 11 wird oben auf der Schutzschicht 3A gebildet (6C). Zu diesem Zweck wird eine Metallschicht aufgebracht und dann definiert, um die gewünschte Formgebung zu erhalten.
Danach (6D) wird das Substrat 20 umgedreht und zum Bilden des Konzentrationsbereichs 4B geätzt. Beispielsweise kann ein TMAH-(Tetramethylammoniumhydroxid-)Ätzvorgang oder ein KOH-(Kaliumhydroxid-)Ätzvorgang verwendet werden, der automatisch an dem ersten Opfermaterial 23 stoppt, um den Konzentrationsbereich 4B zu bilden. Danach wird Letzterer mit einem zweiten Opfermaterial 24, beispielsweise einem Oxid oder einem Nitrid, gefüllt.
Das erste Gitter 10 wird auf der zweiten Oberfläche 2B des Wafers 2 (6E) in ähnlicher Weise wie das zweite Gitter 11 gebildet.
Bei einer Variante können vor dem in 6E veranschaulichten Schritt, d. h. vor dem Bilden des ersten Gitters 10, durch Maskieren und Ätzen Hohlräume in dem zweiten Opfermaterial 24 gebildet werden, so dass während des Aufbringens des Materials des ersten Gitters 10 vertikale Spitzen gebildet werden und auf diese Weise ein dreidimensionales Gitter erzeugt wird.
Als nächstes (6F) werden das erste und das zweite Opfermaterial 23, 24 durch das erste Gitter 10 und/oder das zweite Gitter 11 entfernt.
In einer Variante können die Hohlräume 16A und 16B mit Luft gefüllt werden. In diesem Fall kann das Material der transparenten Bereiche 7A und 7B dem ersten und dem zweiten Opfermaterial 23 und 24 ähnlich sein und jeweils zusammen mit dem Opfermaterial entfernt werden.
Die 7 und 8 veranschaulichen zwei mögliche Ausführungsformen des optischen Einstellelements 8, beispielsweise zum Ausrichten und/oder Verbreitern des von der Lichtquelle 5 erzeugten Lichtstrahls 12.
Im Detail beinhaltet das optische Element 8 der 7 ein Paar Linsen 21A, 21B. Die Linsen 21A, 21B können durch Kugeln aus Materialien mit geeigneten optischen Eigenschaften gebildet sein, wie z. B. Harzen oder Polymeren oder Oxiden, mit einem Brechungsindex, der durch Bearbeitung der Struktur oder Dotieren optimiert ist. Dabei weist die hydrophobe Oberfläche 22 zwei Bereiche 22A und 22B auf, die unterschiedliche Rauheit besitzen, wobei genauer gesagt der erste Bereich 22A, der die erste Linse 21A trägt, eine geringere Rauheit als der zweite Bereich 22B aufweist, der die zweite Linse 21B trägt. Ferner besitzt die erste Linse 21A einen Brechungsindex n1, der größer ist als der Brechungsindex n3 der zweiten Linse 21B, die wiederum einen größeren Brechungsindex aufweist als der Brechungsindex n2 des umgebenden Materials (Material des ersten transparenten Bereichs 7A oder des zweiten transparenten Bereichs 7B oder Luft), d. h. n2 < n3 < n1. Ferner hat die erste Linse 21A einen kleineren Durchmesser als die zweite Linse 21B und ist in der Richtung des von der Lichtquelle 5 erzeugten Lichtstrahls 12 der zweiten Linse 21B vorgelagert angeordnet.
Die Rauheit der hydrophoben Oberfläche 22 kann z. B. durch Behandeln des Siliziums oder eines anderen auf das Silizium aufgebrachten Materials mit geeigneten hydrophoben Eigenschaften erzielt werden. Die Behandlung kann in gut kontrollierter Weise ausgeführt werden, beispielsweise durch lithographische Verfahren und chemisches Ätzen (z. B. Silizium-Nassätzen in HNO₃ + HF). Zum Erzielen einer sphärischen Linse kann die Oberfläche superhydrophob sein.
Zum Bilden der Linsen 21A, 21B können während der Herstellung Tropfen des optischen Materials auf die Oberfläche 22 aufgebracht werden, beispielsweise durch Injektion über eine Düse einer geeigneten Vorrichtung. Wie bekannt ist, ist die Größe der Tropfen nicht nur von der Oberflächenspannung der aufgebrachten Flüssigkeit sondern auch von der höheren oder niedrigeren Hydrophobizität des Substrats abhängig, wie diese durch Variieren der Oberflächenrauheit erzielt wird. Beispielsweise kann die Beabstandung der Strukturlinien/Räume variiert werden, die mittels bekannter lithographische Verfahren definiert werden. Somit wird auf dem ersten Bereich 22A ein Tropfen mit geringerer Größe gebildet, und auf dem zweiten Bereich 22B wird ein Tropfen mit größerer Größe gebildet. Die auf diese Weise aufgebrachten Tropfen werden gehärtet, beispielsweise durch Aushärtung, um die Linsen 21A, 21B zu bilden. Als nächstes wird das transparente Material aufgebracht, das die transparenten Bereiche 7A, 7B bilden soll, falls diese überhaupt vorgesehen sind. Es ist darauf hinzuweisen, dass obwohl die Linsen 21 während des Härtevorgangs eine Reduzierung erfahren können, das System derart ausgebildet werden kann, dass diese Reduzierung berücksichtigt wird, um Linsen 21 mit der gewünschten Größe zu erzielen.
Der vorstehende Herstellungsmodus kann vorteilhafterweise auch zum Bilden von einer oder mehreren Linsen eines optischen Systems für alternative Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in der Photonik, bei der z. B. eine Ausrichtung des Lichtstrahls von Nutzen ist.
8 zeigt dagegen ein optisches Element 8, das zwei Linsen 23A, 23B des konvergierenden Typs aufweist, so dass der das optische Element 8 verlassende Lichtstrahl 12 parallel ist. Diese Lösung wird nach dem Ausbilden der Linsen 21A und 21B in der unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Weise erzielt. In diesem Fall wird nach dem Aushärten der Tropfen ein Opfermaterial 19 aufgebracht, beispielsweise das gleiche Material wie für die transparenten Bereiche 7A, 7B, sowie lithographisch definiert, und die Linsen 21A und 21B werden geätzt (z. B. durch Trockenätzen in einem O₂-Plasma und einem fluorierten Gas, wie z. B. CF₄ oder SF oder NF₃), um die jeweiligen einander zugewandt gegenüberliegenden Bereiche derselben zu entfernen. Als nächstes wird der Raum, der zuvor von dem Opfermaterial 19 eingenommen wurde, möglicherweise mit dem Material der transparenten Bereiche 7A, 7B gefüllt, und zwar nach jeglichen zusätzlichen Vorgängen zum Entfernen des Opfermaterials 19.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das optische System 8 komplexer ausgebildet sein und sphärische Linsen wie in 7 (die Linse 21A und/oder die Linse 21B) aufweisen, wobei diese mittels eines anderen Prozesses gebildet werden (z. B. vorgeformt und dann in den Teilchendetektor eingebracht werden). Bei weiteren Anwendungen, wie z. B. in der Photonik, können die Linsen beispielsweise auch einzeln für dieselben Zwecke verwendet werden.
Ein weiteres Verfahren zum Bilden der Linsen 21, 23 basiert auf der Fähigkeit eines Materials zum Modifizieren der Hydrophobizität durch Anlegen von geeigneten Potentialen an das Substrat. Diese Technik, die auch als ”Elektrobenetzung” bezeichnet wird, ist z. B. beschrieben in "Dielectric materials for electrowetting-on-dielectric actuation", Hong Liu, Saman Dharmatilleke, Devendra K. Maurya, Andrew A. O. Tay, Microsyst. Technol. (2010) 16: 449–460.
In diesem Fall ist, wie in 9 dargestellt, der Boden des Bereichs des Körpers 2, an dem das optische Element 8 vorzusehen ist (Boden des ersten Hohlraums 16A) mit einer isolierenden Schicht 25, beispielsweise aus Siliziumoxid, einer dielektrischen Schicht 28, die Elektrodenbereiche 26, beispielsweise Metallbereiche, trennt sowie mit einer Schicht 27 mit variabler Hydrophobizität ausgebildet, bei der es sich um einen isolierenden Typ handelt, beispielsweise um ein Oxid, ein Polymermaterial oder ein Harz, wie z. B. Polyimid oder Parylen oder Teflon. Im Spezielleren handelt es sich bei der Schicht 27 mit variabler Hydrophobizität um ein Material, dessen Hydrophobizität durch Anlegen von geeigneten Spannungen elektrisch modifiziert werden kann.
Während der Herstellung des Partikeldetektors 100 werden vor dem Aufbringen des Materials für den ersten transparenten Bereichs 7A unter Verwendung von Standardtechniken in der Halbleiterindustrie zunächst die isolierende Schicht 25, die Elektrodenbereiche 26, die dielektrische Schicht 28 und die Schicht 27 mit variabler Hydrophobizität gebildet. Anschließend werden auf die Elektrodenbereiche 26 einige Tropfen 29 aus transparentem Material, beispielsweise ein Harz oder ein Polymer, in flüssiger Phase sowie noch nicht geformt (wie in dem linken Teil der 9 dargestellt) aufgebracht. Als nächstes wird durch die Elektrodenbereiche 26 ein geeignetes Potential, das von dem Material der Schicht 27 mit variabler Hydrophobizität abhängig ist, beispielsweise eine Spannung von 25 V oder 120 V (siehe auch die Tabellen 1 und 2 des vorstehend zitierten Artikels), auf die Tropfen 29 aufgebracht.
Zu diesem Zweck kann eine weitere Elektrode (nicht gezeigt) an den Tropfen 29 zur Anwendung kommen und mit der Elektrode 26 kapazitiv gekoppelt werden, und zwar in Kontakt mit den Tropfen 29 oder ohne Kontakt zu diesen. Diese Elektrode kann Teil eines geeigneten Geräts sein, das zum Bilden der Linsen mittels Elektrobenetzung ausgebildet ist, um dadurch das optische Material der Tropfen 29 zum Härten zu veranlassen, beispielsweise unter Nutzung einer thermischen Einspanneinrichtung, die den Wafer 2 aus Halbleitermaterial trägt.
Die angelegte Spannung verursacht einen Anstieg der Hydrophobizität der Schicht 27 mit variabler Hydrophobizität und als Ergebnis hiervon eine Modifizierung der Benetzbarkeit und der Formgebung der Tropfen 29, die eine allgemein kugelförmige Formgebung annehmen, wie dies in dem rechten Teil der 9 dargestellt und bei dem Bezugszeichen 29' veranschaulicht ist.
Der vorstehende Effekt kann auch durch Behandeln der Oberfläche der hydrophoben Schicht 27 gesteigert werden, um diese rau zu machen, wie dies in Bezug auf die 7 und 8 beschrieben worden ist. Als nächstes kann ein Teil der Linse 29 entfernt werden, wie dies in 8 gezeigt ist.
Der Partikeldetektor 100 kann gehäusemäßig untergebracht werden, wie dies in dem Beispiel der 10 veranschaulicht ist. Hierbei ist der Körper 2 mit einem Träger 30 verbunden, der eine mit dem Hohlraum der Probenkammer 4 ausgerichtete Durchgangsöffnung 31 aufweist. Erhebungen 32 können zum Festlegen und elektrischen Verbinden des Körpers 2 mit dem Träger 30 vorgesehen sein. Eine perforierte Isolierschicht 33 kann zwischen dem Träger 30 und dem Körper 2 angeordnet sein. Ein Baustein bzw. Gehäuse 36 umschließt den Körper 2 an den Seiten sowie an der Oberseite und bettet jegliche elektrische Verbindungsdrähte 35 ein. Das Gehäuse 36 besitzt ferner eine Öffnung 37 an der Oberseite der Probenkammer 4, um die Passage von Luft durch den Körper 2 hindurch zu ermöglichen.
Ein drittes Gitter 38 kann an der Oberseite der Öffnung 37 vorgesehen sein, und auf der gegenüberliegenden Seite kann ein viertes Gitter 39 unterhalb der Durchgangsöffnung 31 vorgesehen sein.
Das dritte und das vierte Gitter 38, 39, die z. B. ebenfalls durch Strukturieren einer aufgebrachten Metallschicht und/oder durch Verbinden von jeweiligen vorgeformten Gittern gebildet sind, wobei diese möglicherweise als einziges Gitter vorliegen, das sich über drei Seiten des Bausteins bzw. Gehäuses 36 erstreckt, können eine Sicherheitsfunktionen aufweisen, um einen zufälligen Kontakt mit Objekten oder Personen während der Handhabung zu verhindern. Darüber hinaus können sie verhindern, dass Fremdkörper mit einer größeren Größe als die Öffnungen der Gitter 38, 39 in die Probenkammer 4 eindringen.
11 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des Partikeldetektors 100. Dabei wird der Körper 2 ausgehend von zwei miteinander verbundenen Substraten 40, 41 gebildet, wobei ein erstes Substrat 40 das erste Gitter 10 trägt und ein zweites Substrat 41 das zweite Gitter 11 trägt. Ferner sind in dem zweiten Substrat 41 die Lichtquelle 5, der Detektionsbereich 4A, der Fotodetektor 6 und die transparenten Bereiche 7A, 7B untergebracht, während in dem ersten Substrat 40 die Konzentrationskammer 4B untergebracht ist. Dabei ist ein Steuergitter 44 zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat 40, 41 gebildet. Das Schutzgitter 44 kann von dem ersten Substrat 40 und/oder dem zweiten Substrat 41 über eine Isolierschicht (nicht gezeigt), beispielsweise aus einem Oxid, elektrisch isoliert sein.
Das Schutzgitter 44 kann mit einer mittleren Spannung vorgespannt werden, um die Effizienz der Luftpumpe 50 zu erhöhen und/oder die Konzentration der Partikel in dem Detektionsbereich 4A zu steuern.
Gemäß einer Alternative (nicht gezeigt) wird die erste Schutzschicht 3A der 1, 10, 11 durch ein drittes Halbleitersubstrat ersetzt, und das zweite Gitter (Beschleunigungsgitter 11) kann z. B. zwischen dem Substrat 20 (zweites Substrat 41) und dem dritten Wafer vorgesehen sein.
12 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der sich im Vergleich zu 11 ein Detektionsbereich 47 in einer Distanz von der ersten und der zweiten Oberfläche 2A, 2B des Körpers 2 erstreckt und über eine erste Vielzahl von Öffnungen 45 in dem ersten Substrat 40 sowie über eine zweite Vielzahl von Öffnungen 46 in dem zweiten Substrat 41 mit der Außenseite verbunden ist. In diesem Fall können das erste und das zweite Gitter 10, 11 an der ersten bzw. zweiten Oberfläche 2A, 2B (wie dargestellt) oder im Inneren des Körpers 2, auf dem Boden der Detektionskammer 47, jeweils zwischen der Detektionskammer 47 und den Öffnungen 45 auf der einen Seite sowie zwischen der Detektionskammer 47 und den Öffnungen 46 auf der anderen Seite angeordnet werden, bevor die beiden Substrate 40, 41 miteinander gekoppelt werden.
13 veranschaulicht einen Partikeldetektor 200, der eine thermisch arbeitende Luftpumpe 150 aufweist. Zu diesem Zweck ist eine Heizkonstruktion 51 an dem einen Ende der Probenkammer 4 gebildet, und ein Kühlelement 52 ist an dem anderen Ende der Probenkammer 4 gebildet. Beispielsweise ist in 13 der Körper 2 in der in 1 gezeigten Weise ausgebildet und weist das erste Substrat 20 auf, in das die Lichtquelle 5 und der Fotodetektor 6 integriert sind und in dem die Probenkammer 4 untergebracht ist. Die Heizkonstruktion 51 ist hier an dem Ende des Konzentrationsbereichs 4B der Probenkammer 4 gebildet und besitzt ein Heizgitter 53, das durch ein einfaches leitfähiges Gitter gebildet ist und derart ausgebildet ist, dass es einen Stromfluss sowie die Erzeugung von Wärme durch den Joule-Effekt zulässt. Alternativ hierzu kann das Heizgitter 53 mit einem Heizelement (nicht gezeigt) in thermischem Kontakt stehen, wie z. B. einem Widerstand. Das Kühlelement 52 ist hier durch ein Kühlgitter 54 und durch eine thermoelektrische Vorrichtung 56, wie z. B. eine Peltier-Zelle, in gegenseitigem thermischen Kontakt gebildet. Das Kühlelement 52 kann ferner eine Wärmeabführeinrichtung oder Wärmesenke 57 in thermischem Kontakt mit der Peltier-Zelle 56 aufweisen.
Im Gebrauch wird der Heizkonstruktion 51 Strom zugeführt und diese durch den Joule-Effekt erwärmt. Gleichzeitig und in bekannter Weise wird die Peltier-Zelle 56 gespeist, die das Kühlgitter 54 kühlt. Die zwischen der Heizkonstruktion 51 und dem Kühlelement 52 bestehende Temperaturdifferenz verursacht somit eine Luftbewegung von der Heizkonstruktion 51 in Richtung auf den Detektionsbereich 4B und das Kühlelement 52 und somit das Ansaugen von weiterer Luft von außen durch die Heizkonstruktion 51. Die Temperaturdifferenz erzeugt somit einen ”Pumpeffekt”, der die Luft und die darin enthaltenen Partikel beschleunigt, diese konzentriert sowie zwangsweise in die Detektionskammer 4A einbringt, wie dies vorstehend unter Bezugnahme auf 1 für die ionische Pumpe 50 beschrieben wurde.
Auch hier kann das Gitter 52 ein derartiges Rastermaß aufweisen, dass sich die Partikel von Interesse zurückhalten lassen.
14 veranschaulicht eine Ausführungsform des optischen Systems 8, das sowohl für den Partikeldetektor 100 der 1 bis 12 als auch für den Partikeldetektor 200 der 13 verwenden lässt und das Ziel hat, die Genauigkeit und Effizienz der Detektion zu erhöhen. Hierbei weist die Lichtquelle 5 zwei Anordnungen von mehreren lichtemittierenden Elementen 60A, 60B auf, die auf zwei aneinander angrenzenden Seiten 62A, 62B des Detektionsbereichs 4A angeordnet sind, der in der Draufsicht von oben eine allgemein quadratische Oberfläche aufweist. Ferner weist der Fotodetektor 6 zwei entsprechende Anordnungen von mehreren Empfangs-Fotodioden 61A, 61B, z. B. mit PN-Übergang auf, die auf den beiden Seiten 62C, 62D des Detektionsbereichs 4A angeordnet sind, die den beiden Seiten 62A, 62B der lichtemittierenden Elemente 60 gegenüberliegen. Beispielsweise können die Empfangs-Fotodioden 61 eine Struktur vom P-i-N-Typ aufweisen, wie dies in der US 4,210,923 veranschaulicht ist. Ferner kann mindestens eine der Lichtquellen Licht mit mehr als einer Wellenlänge emittieren.
Gemäß einer weiteren Variante (nicht dargestellt) kann der Partikeldetektor 100, 200 nur eine Anordnung von mehreren lichtemittierenden Elementen 60A und eine entsprechende Anordnung von mehreren Empfangs-Fotodioden 61A aufweisen. Das Vorhandensein von einer oder mehreren Anordnungen aus mehreren lichtemittierenden Elementen 60A (oder 60B) trägt zu einer Erweiterung des Lichtstrahls bei. Diese Lösung kann somit das optische Element 8 der 1 ersetzen.
Wiederum gemäß einer weiteren Variante können auch nur die lichtemittierenden Elemente 60A (oder sogar nur eines derselben) und die Empfangs-Fotodioden 61B vorgesehen sein. Auf diese Weise wird nur das um die orthogonale Richtung gestreute Licht detektiert.
In nicht dargestellter Weise können optische Elemente 8 zwischen den lichtemittierenden Elementen 60 und dem Detektionsbereich 4A, wie in 1, vorgesehen sein, um multiple Messungen auch in vertikaler Richtung (rechtwinklig zu der Zeichnungsebene) zu ermöglichen.
Mit der Lösung der 14 ist es möglich, gleichzeitig mehrere Messungen auszuführen, da ein Teilchen bzw. Partikel 64 von einer Anzahl von Lichtstrahlen getroffen werden kann und dadurch eine Anzahl von gestreuten Lichtstrahlen entstehen kann, die von mehr als einer Empfangs-Fotodiode 61A, 61B auf beiden Seiten 62C, 62D des Detektionsbereichs 4A detektiert werden können.
Gleichermaßen ist es in nicht dargestellter Weise möglich, eine Mehrzahl von lichtemittierenden Elementen 60, 60A, 60B und/oder eine Mehrzahl von Empfangs-Fotodioden 61, 61A, 61B in vertikal gestapelter Weise, d. h. in Richtung der Dicke des Körpers 2 rechtwinklig zu dessen Oberflächen 2A, 2B anzuordnen, beispielsweise durch Stapeln einer Anzahl von Chips, in die die Elemente integriert sind.
Die 15 und 16 veranschaulichen eine andere Ausbildung der Probenkammer des Partikeldetektors 100, 200. Hierbei handelt es sich bei der Probenkammer 65 nicht um einen Durchgangshohlraum, sondern dieser erstreckt sich parallel zu den Oberflächen 2A, 2B des Körpers 2. In dem dargestellten Beispiel erstreckt sich ein länglicher Hohlraum in das Substrat 20 hinein und ist z. B. der ersten Oberfläche 2A zugewandt angeordnet und weist ein erstes Ende 65A und ein zweites Ende 65B auf. Das erste und das zweite Gitter 10, 11 sind beide an der ersten Oberfläche 2A, und zwar an dem ersten Ende 65A bzw. an dem zweiten Ende 65B, gebildet. Eine Schließschicht 66 erstreckt sich über der Probenkammer 65. Die Schließschicht 66 kann aus einem beliebigen geeigneten Material sein, das transparent oder nicht transparent ist, beispielsweise aus einem Oxid oder einem Polymermaterial, oder sie kann durch einen Chip gebildet sein.
Die Lichtquelle 5 und der Fotodetektor 6 können beliebig auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Probenkammer 65 angeordnet sein, beispielsweise auf zwei einander gegenüberliegenden Längsseiten, wie dies schematisch in 16 dargestellt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, wie sie in 17 veranschaulicht ist, kann die Probenkammer 65 in der Draufsicht von oben C-förmig ausgebildet sein und einen in Längsrichtung verlaufenden Abschnitt 65A sowie zwei Eingangs- und Ausgangsabschnitte 65B, 65C im Wesentlichen koplanar mit dem in Längsrichtung verlaufenden Abschnitt 65A aufweisen, so dass die Ausrichtungsachse der Gitter 10 und 11 nicht mit der Achse des in Längsrichtung verlaufenden Abschnitts 65A übereinstimmt. In diesem Fall können die Lichtquelle 5 und der Fotodetektor 6 seitlich von dem in Längsrichtung verlaufenden Abschnitt 65A oder seitlich von dem Eingangs-Abschnitt 65A oder, wie dargestellt, seitlich von dem Ausgangs-Abschnitt 65C angeordnet sein.
Es sind offensichtlich weitere Formen möglich; beispielsweise kann der die Probenkammer 65 bildende Hohlraum durch einen versenkten Hohlraum gebildet sein und sich in einem Abstand von einer Hauptfläche des Substrats 20 erstrecken, wie dies im Folgenden unter Bezugnahme auf 18 beschrieben wird.
18 veranschaulicht eine Lösung, bei der sich der Detektionsbereich in Längsrichtung sowie parallel zu den Oberflächen 2A, 2B des Körpers erstreckt, wie dies in den 15 bis 17 veranschaulicht ist, jedoch das optische System 5, 6 rechtwinklig zu den Oberflächen 2A, 2B des Körpers 2 angeordnet ist.
Hierbei weist der Körper 2 drei miteinander verbundene Substrate 80, 81, 82 auf. Im Spezielleren nimmt ein erstes Substrat 80, das der zweiten Oberfläche 2B des Körpers 2 benachbart ist, die Lichtquelle 5 auf. Ein zweites Substrat 81 befindet sich in einer mittleren Position und umgibt einen Teil des Detektionsbereichs 85, der hier eine längliche Formgebung aufweist und allgemein parallel zu den Oberflächen 2A, 2B des Körpers 2 ausgerichtet ist, wie dies auch bei dem Detektionsbereich 65 der 15 und 16 der Fall ist. Ein drittes Substrat 82, das der ersten Oberfläche 2A des Körpers 2 benachbart ist, bildet einen Lufteinlass- und einen Luftauslasskanal 86, 87, die sich quer zu sowie zwischen dem Detektionsbereich 85 und der ersten Oberfläche 2A erstrecken, um den Detektionsbereich 85 mit der äußeren Umgebung zu verbinden.
Das zweite Substrat 81 ermöglicht eine Vergrößerung der Höhe des Detektionsbereichs 85, kann jedoch in Abhängigkeit von der für den Detektionsbereich 85 gewählten Höhe auch eliminiert werden.
Das erste und das zweite Gitter 10, 11 sind beide an der ersten Oberfläche 2A des Körpers 2 gebildet, und zwar an dem Lufteinlasskanal 86 bzw. dem Luftauslasskanal 87.
Die Lichtquelle 5 ist in den Bereich in der Nähe der dem Detektionsbereich 85 zugewandten Oberfläche des ersten Substrats 80 integriert. In dem dritten Substrat 82 sind ferner der Fotodetektor 6 in einer der Lichtquelle 5 zugewandt gegenüberliegenden Position sowie eine Verarbeitungselektronik 88 untergebracht. Bei dem dargestellten Beispiel ist der Fotodetektor 6 in den Bereich in der Nähe der ersten Oberfläche 2A des Körpers 2 integriert, und zum Reduzieren der Distanz zwischen dem Fotodetektor 6 und dem Detektionsbereich 85 sowie zur Vergrößerung der Abmessungen des Detektionsbereichs 85 weist das dritte Substrat 82 einen dem zweiten Substrat 81 zugewandt gegenüberliegenden Hohlraum 89 auf, so dass sich der Detektionsbereich 85 auch in das dritte Substrat 82 hinein erstreckt. Alternativ hierzu kann der Hohlraum 89 fehlen, und der Fotodetektor 6 kann vor dem Verbinden der Substrate 81 und 82 in den Bereich in der Nähe der dem zweiten Substrat 81 zugewandten, versenkten Fläche des dritten Substrats 82 integriert werden und in an sich bekannter und nicht dargestellter Weise über Durchgangsverbindungen mit der Verarbeitungselektronik 88 verbunden werden.
Gemäß einer Variante kann der Partikeldetektor 100 der 18 in Form von nur zwei Substraten ausgebildet sein, die übereinander angeordnet sind. Beispielsweise kann das zweite Substrat 81 fehlen, und der Detektionsbereich 85 kann als Hohlraum in dem dritten Substrat 82 vorgesehen sein, das dem ersten Substrat 80 direkt zugewandt ist und mit der äußeren Umgebung durch die Lufteinlass- und Luftauslasskanäle 86, 87 verbunden ist.
Die vertikale Implementierung des optischen Systems der 18 mit zwei oder drei Substraten hat den Vorteil, dass es möglich ist, die Lichtquelle 5 und den Fotodetektor 6 in zwei verschiedenen Substraten 80 und 82 vorzusehen, die dann unter Verwendung von unterschiedlichen Materialien, die nicht immer einfach und vollständig kompatibel sind, separat optimiert werden. In der Tat werden zum Bilden der Lichtquelle 5 und des Fotodetektors 6, die dieselben Wellenlängen aufweisen, derzeit unterschiedliche aktive Materialien verwendet, die nicht kompatibel sind; beispielsweise kann im Fall von Infrarotlicht GaAs oder InP zum Bilden der Lichtquelle 5 verwendet werden, wobei diese Materialien jedoch z. B. mit Ge nicht kompatibel sind, das derzeit zum Detektieren von Infrarotlicht verwendet werden kann.
In 18 können sowohl die Lichtquelle 5 als auch der Fotodetektor 6 durch zweidimensionale Anordnungen von Elementen 60, 61 gebildet sein.
In einer Variante (nicht dargestellt) ist es möglich, zwei oder mehr Luftpumpen in Reihenverbindung auf dem durch den Lufteinlass- und den Luftauslasskanal 86, 87 und den Detektionsbereich 85 gebildeten Fluidweg zu bilden und dabei weitere Gitter, die den Gittern 10, 11 ähnlich sind, in einer mittleren Position vorzusehen.
Bei einer Ausführungsform kann die Lichtquelle 5 polarisiertes Licht erzeugen. In diesem Fall kann der Fotodetektor 6 ein Element zum Trennen der polarisierten Komponenten des Lichts beinhalten.
In 19 z. B. weist der Partikeldetektor 100, der die in 18 dargestellte allgemeine Konstruktion besitzt, einen Fotodetektor 6 auf, der einen Lichtteiler 90 und eine Mehrzahl von Fotodioden 92A und 92B aufweist. Der Lichtteiler 90 kann z. B. durch einen Polarisationsteilungs-Gitterkoppler gebildet sein, wie er z. B. in "A Grating-Coupler-Enabled CMOS Fotonics Platform", von Attila Mekis et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Bd. 17, Nr. 3, Mai/Juni 2011 beschrieben ist, der oben auf der Lichtquelle 5 angeordnet ist.
Beispielsweise kann die Lichtquelle 5 polarisiertes Licht erzeugen. Somit treffen die beiden orthogonalen polarisierten Komponenten des durch die Partikel in dem Detektionsbereich 85 gestreuten Lichts in einem geeigneten Winkel auf die Oberfläche des Gitterelements 90 auf und werden hier getrennt. Der Einfallswinkel des Lichts auf der Oberfläche des Gitterelements wird z. B. durch Fehlausrichtung des Fotodetektors 6 in Bezug auf die Lichtquelle 5 in den jeweiligen Ebenen XY oder mittels eines Oberflächen-Ätzvorgangs optimiert, der eine Neigung desselben ermöglicht.
Im Spezielleren weist der Lichtteiler 90 zwei orthogonale Strukturen von periodischen Linien auf, die mittels in der Halbleiterindustrie typischer lithographischer Vorgänge und Ätzvorgänge in das Material eingebracht sind. Die Linien der beiden Strukturen sind in einem Winkel von ±45° in Bezug auf eine Achse X ausgerichtet, die zu der Ebene XY der ersten Oberfläche 2A des Körpers 2 gehört. Die beiden orthogonalen Strukturen übertragen das Licht in effizienter Weise mit einer Polarisation parallel zu den Linien und trennen dann die beiden Komponenten des Einfallslichts mit orthogonaler Polarisation und erzeugen zwei Lichtstrahlen 91A, 91B mit einfacher Polarisation, die in einem Winkel von ±45° in Bezug auf die Achse X emittiert werden und die sich in einem jeweiligen optischen Wellenleiter (nicht gezeigt) fortpflanzen. Die Fotodioden 92A, 92B sind derart angeordnet, dass sie einen jeweiligen Strahl 91A, 91B empfangen können.
Die Lösung der 19 ermöglicht eine Verbesserung in der Messgenauigkeit, da die Lichtpolarisation eine genauere Berechnung der Größe der zu detektierenden Partikel auf der Basis der Verteilungsintensität von räumlich gestreutem Licht ermöglicht.
Die gleiche Lösung kann auch bei dem in den 1 bis 17 dargestellten Partikeldetektor mit horizontalem optischen System angewandt werden, indem geeignete Spiegel hinzugefügt werden.
20 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der die Lichtquelle 5 und der Fotodetektor 6 nicht ausgerichtet und in Sicht vorgesehen sind und der Detektionsbereich 68 reflektierende geneigte Wände zum Umlenken des von der Lichtquelle 5 erzeugten Lichtstrahls aufweist.
Genauer gesagt ist bei der in 20 veranschaulichten Ausführungsform der Partikeldetektor 100 in einem Körper 2 gebildet, der zwei miteinander verbundene Substrate 40, 41 aufweist. Dabei ist der Detektionsbereich 68 in dem ersten Substrat 40 gebildet und besitzt eine allgemein kegelstumpfförmige Form, deren kleinere Basis mit der ersten Oberfläche 2A des Körpers 2 koplanar ist und durch das erste Gitter 10 geschlossen ist und deren größere Basis im Wesentlichen koplanar mit dem zweiten Gitter ist. Der Detektionsbereich 68 besitzt somit eine Höhe gleich der Dicke des ersten Substrats 40. Mindestens zwei einander gegenüberliegende schräge Seiten des Detektionsbereichs 68 sind mit einer jeweiligen Reflexionsschicht 69A, 69B beispielsweise aus Gold oder Aluminium beschichtet, die jeweils einen Spiegel bilden.
In 20 ist die Lichtquelle 5 in dem zweiten Substrat 41 gebildet, das an dem ersten Substrat 40 an der Seite festgelegt ist, die die größere Basis des kegelstumpfförmigen Detektionsbereichs 68 bildet. Eine Durchgangsöffnung 72 erstreckt sich durch die gesamte Dicke des zweiten Substrats 41 hindurch und endet an dem zweiten Gitter 11. Die Lichtquelle 5 ist auf der einen Seite von der Durchgangsöffnung 72 gebildet und weist hier z. B. eine zylindrische, kubische oder quaderförmige Formgebung auf, und der Fotodetektor 6 ist auf der anderen Seite gebildet. Die Lichtquelle 5 und der Fotodetektor 6 sind den schrägen Wänden des Detektionsbereichs 68 derart zugewandt angeordnet, dass das von der Lichtquelle 5 emittierte Laserlicht auf die ihm zugewandte Seitenwand (Spiegel 69A) auftrifft und in Richtung auf das Innere des Detektionsbereichs 68 reflektiert wird, wo es auf in der Luft mitgeführte und von dem ersten Gitter 10 ionisierte Partikel treffen kann und durch diese gestreut werden kann. Das gestreute Licht kann dann von der zweiten schrägen Wand (Spiegel 69B) in Richtung auf den dieser zugewandten Fotodetektor 6 reflektiert werden.
Auch in diesem Fall können die Lichtquelle 5 und der Fotodetektor 6 durch eine Mehrzahl von Emissionselementen 60 bzw. Empfangselementen 61 gebildet sein. Ferner können diese jeweils auf zwei benachbarten Seiten der Durchgangsöffnung 72 angeordnet sein, wie dies in 14 dargestellt ist.
21 veranschaulicht eine diskrete Lösung, bei der die Lichtquelle 5 und der Fotodetektor 6 in separaten integrierten Vorrichtungen gebildet sind, die an dem Körper 2 angebracht sind, in dem die Probenkammer untergebracht ist.
Im Detail ist in 21 die Probenkammer 4 wie in 1 ausgebildet und weist somit einen Detektionsbereich 4A und einen Konzentrationsbereich 4B auf, wobei die Gitter 10 und 11 an der Oberfläche 2A (benachbart dem Detektionsbereich 4A) bzw. an der Oberfläche 2B (benachbart dem Konzentrationsbereich 4B) des Körpers 2 gebildet sind. Auch hier sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Detektionsbereichs in zwei Hohlräumen 16A, 16B die transparenten Bereiche 7A und 7B untergebracht. Dabei sind die von dem Detektionsbereich 4A abgelegenen Bodenwände der Hohlräume 16A, 16B schräg ausgebildet und jeweils mit einer Reflexionsschicht (Spiegel 75A, 75B) beschichtet. Im Spezielleren sind die Bodenwände und die Spiegel 75A, 75B in einer derartigen Richtung geneigt, dass die Hohlräume 16A und 16B in der Schnittdarstellung der 21 die Formgebung von gleichschenkeligen Trapezen aufweisen, deren größere Basisflächen der Oberfläche 2A des Körpers 2 zugewandt sind.
In 21 ist die erste Schutzschicht 3A aus transparentem Material gebildet, beispielsweise aus Polysilizium, Siliziumoxid oder einem Polymer, oder sie weist Fenster aus transparentem Material an den Eintritts- und Austrittspunkten des Lichtstrahls auf.
Eine erste und eine zweite integrierte Vorrichtung 76, 77, in die die Lichtquelle 5 bzw. der Fotodetektor 6 integriert sind, sind an der Oberfläche 2A des Körpers 2 derart befestigt, dass sie den Spiegeln 75A, 75B zugewandt sind. Auf diese Weise wird, wie bei der Lösung gemäß 20, das von der Lichtquelle 5 emittierte Licht auf dem Spiegel 75A reflektiert, bevor es den Detektionsbereich 4A erreicht, und das durch die Partikel gestreute Licht wird auf dem Spiegel 75B reflektiert, bevor es von dem Fotodetektor 6 detektiert wird.
Die 22 und 23 veranschaulichen Detektoren für Gas, wie z. B. Radon, die auf der Detektion von Alphateilchen basieren.
Im Detail veranschaulicht 22 einen Gasdetektor 300, der in dem Körper 2 angeordnet ist und eine allgemeine Konstruktion ähnlich der des Partikeldetektors 100 der 11 mit der ionischen Luftpumpe 50 aufweist. Im Spezielleren ist der Körper 2 durch zwei Substrate 40, 41 gebildet, in denen die Probenkammer 4 untergebracht ist. Die Probenkammer 4 ist auch hier in zwei Bereiche 4A und 4B unterteilt, die in dem ersten Substrat 40 bzw. dem zweiten Substrat 41 gebildet sind, und ist auf der einen Seite (der zweiten Oberfläche 2B) durch das erste Gitter 10 zur Luftionisation und auf der anderen Seite (der ersten Oberfläche 2A) durch das zweite Gitter 11 begrenzt, das eine Anziehungsfunktion aufweist.
In 22 ist eine Alphateilchen-Detektionsstruktur 305 in einem dritten Substrat 310 gebildet, das sich zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat 40, 41 erstreckt. Im Detail erstreckt sich die Alphateilchen-Detektionsstruktur 305 im Inneren der Probenkammer 4 zwischen den beiden Bereichen 4B und 4A.
Derjenige Bereich des dritten Substrats 310, der sich in der Probenkammer 4 erstreckt und die Alphateilchen-Detektionsstruktur 305 bildet, weist eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 312 für die Passage von Luft auf und bildet in den Bereichen zwischen den Durchgangsöffnungen 312 eine Anordnung von sensitiven Bereichen 314. Die Wände der sensitiven Bereiche 314 sind mit leitfähigem Material beschichtet, das Elektroden 316 bildet. Die sensitiven Bereiche 314 können in einer beliebigen bekannten Weise gebildet werden, beispielsweise wie es in der US 7,847,360 beschrieben ist, die im Namen der vorliegenden Anmelderin angemeldet wurde.
Wie erwähnt, weist der Gasdetektor 300 eine Luftpumpe 50 ionischen Typs auf, so dass er in ähnlicher Weise wie in Bezug auf den Partikeldetektor 100 beschrieben ausgebildet ist und arbeitet.
Im Gebrauch werden das Gitter 11 und möglicherweise die Elektroden 316 mit einer geeigneten Spannung (z. B. 100 V) vorgespannt, um die durch das Ionisierungsgitter 10 der ionischen Pumpe 50 positiv vorgespannten Luftmoleküle und die Zerfallsprodukte anzuziehen. Die sensitiven Bereiche 314 können somit die in der Nähe der sensitiven Bereiche 314 emittierten Alphateilchen durch Radon, durch dessen Zerfalls-Tochterprodukte oder durch andere radioaktive Elemente detektieren, die in der Luft enthalten sind, wobei diese durch die Mitführung von den ionisierten Luftmolekülen beschleunigt werden.
23 veranschaulicht einen Gasdetektor 400 mit einer Luftpumpe 150, die thermisch arbeitet, wie dies unter Bezugnahme auf 13 beschrieben wurde.
Im Spezielleren ist der Körper 2 durch ein Substrat 405 gebildet, in dem die Probenkammer 4 untergebracht ist. Ein Heizgitter 53 ist an einem ersten Ende der Probenkammer 4 an der zweiten Oberfläche 2B des Körpers 2 gebildet, und das Kühlelement 52 (auch hier ein Gitter 54, das in thermischem Kontakt mit einer Peltier-Zelle 56 angeordnet ist) ist an einem zweiten Ende der Probenkammer 4 an der ersten Oberfläche 2A des Körpers 2 gebildet.
Ein Alphateilchen-Detektor 410 ist an den Seiten der Probenkammer 4 in der Nähe des Kühlgitters 54 angeordnet, und zwar funktionsmäßig in ähnlicher Weise wie der in der US 7,847,360 beschriebene Sensor, jedoch modifiziert zur Berücksichtigung der Richtung der Alphateilchen, d. h. horizontal anstatt vertikal. Beispielsweise ist der Alphateilchen-Detektor 410 in das Substrat 405 integriert sowie der Seitenwand der Probenkammer 4 zugewandt. Alternativ hierzu kann der Detektor separat in einem Siliziumwafer gearbeitet werden und dann mittels Unterbringungsprozessen (System-in-Package) vom Flip-Chip-Typ positioniert werden, wobei der Siliziumwafer vertikal angeordnet wird.
Die Probenkammer 4 kann in der Schnittdarstellung der Zeichnungsebene der 23 eine beliebige Formgebung aufweisen. Beispielsweise kann die Probenkammer 4 einen länglichen rechteckigen Querschnitt aufweisen, bei der die eine Dimension viel größer ist als die andere. Auf diese Weise wird eine hohe Detektionseffizienz erzielt.
Die Alphateilchen, die von dem Radon emittiert werden, das als Resultat der Wärmepumpe 150 mit der Umgebungsluft durch die Probenkammer 4 strömt, können somit durch den Alphateilchen-Detektor 410 innerhalb kürzerer Zeiten detektiert werden, und zwar unter Aufrechterhaltung der Korrelation mit der Konzentration in der natürlichen Umgebung.
Der Gasdetektor 400, der einen Alphateilchen-Detektor 410 integrierten Typs aufweist, kann in der in 24A und 24B dargestellten Weise gebildet werden, und zwar ausgehend z. B. von einem SOI-(Silizium-auf-Isolator)Substrat. In diesem Fall weist das Substrat 405 eine erste leitfähige Halbleiterschicht 406, beispielsweise mit P-Leitfähigkeit, eine isolierende Schicht 407 sowie eine zweite leitfähige Halbleiterschicht 408 z. B. ebenfalls mit P-Leitfähigkeit auf. Eine erste und eine zweite Wanne 412, 413, beispielsweise mit N-Leitfähigkeit, sind über bekannte Prozesse in der zweiten Halbleiterschicht 408 gebildet. Die erste Wanne 412 kann ringförmig ausgebildet sein und kann die zweite Wanne 413 umschließen und mit Letzterer einen ringförmigen Bereich 414 begrenzen, der wie das Substrat ebenfalls P-Leitfähigkeit aufweist, wie dies in 24A zu sehen ist. Die erste Wanne 412 ist weiterhin von dem restlichen Substrat 408 sowie von möglichen anderen Komponenten beispielsweise durch nicht gezeigte Isolierbereiche in an sich bekannter Weise isoliert.
Die Probenkammer 4 wird durch einen Maskier- und Ätzvorgang gebildet, indem ein Teil der ersten Wanne 413 entfernt wird.
Als nächstes wird in nicht dargestellter Weise der Alphateilchen-Detektor 410 mit den anderen Komponenten des Gasdetektors 400 über Elektroden (z. B. aus Wolfram) verbunden, die oben und möglicherweise an den Seiten angeordnet sind, beispielsweise an den Wänden der Detektionskammer 4A. Im Spezielleren kann der Alphateilchen-Detektor 410 eine gemeinsame Elektrode (nicht gezeigt) in Kontakt mit den P-leitenden Bereichen 414 sowie zwei Elektroden in Kontakt mit den N-leitenden Wannen 412, 413 aufweisen.
Anschließend werden die erste und die zweite Schutzschicht 3A und 3B sowie die Gitter 53, 54 gebildet, wie dies in 24B veranschaulicht ist.
Schließlich werden die thermoelektrische Vorrichtung 56 und die Wärmeabführeinrichtung 57 angebracht. Alternativ kann die erste Schutzschicht 3A durch ein weiteres perforierte Substrat ersetzt werden, an dem das Kühlgitter 54 bereits gebildet ist.
Zum Steigern der Detektionseffizienz ist es möglich, eine Mehrzahl von Probenkammern 4 vorzusehen, die Seite an Seite angeordnet sind, wie dies in 25 gezeigt ist. Die Probenkammern 4 können eine viel größere Dimension als die anderen bereits beschriebenen Probenkammern aufweisen. Auf diese Weise lassen sich Messzeiten erzielen, die in Abhängigkeit von der Umweltkonzentration kürzer sind als 1 Stunde und beispielsweise nur einige wenige Minuten oder sogar noch weniger betragen, wobei die Abmessungen des Detektors beispielsweise einige Zentimeter oder weniger bis zu nur einigen wenigen Millimetern betragen.
Es versteht sich, dass an dem Detektor und dem optischen System, wie diese hierin beschrieben und veranschaulicht sind, Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass man den Umfang der vorliegenden Erfindung verlässt, wie dieser in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
Beispielsweise ist es bei allen Ausführungsformen möglich, verschiedene Substrate über einander zu stapeln, die jeweilige übereinander angeordnete Hohlräume aufweisen, die zusammen eine einzelne größere Probenkammer bilden, um das Probenvolumen zu erhöhen.
Bei einigen Ausführungsformen kann es sich bei der Kammer 4 möglicherweise nicht um eine Durchgangskammer handeln, und es ist möglich, die Polaritäten der Gitter 10 und 11 umzukehren, um ein Ausstoßen von Luft oder eine Umkehr der Strömung hervorzurufen. Gleichermaßen ist es möglich, eine Umkehr der Strömung sowie ein Leeren der Probenkammer 4 auch im Fall der in den 13 und 23 veranschaulichten Wärmepumpe zu erzielen, wenn alle der Gitter 53, 54 erwärmt werden können und mit einer jeweiligen Peltier-Zelle in thermischem Kontakt stehen.
Wenn der Körper 2 mit einer Anzahl von übereinander angeordneten Substraten versehen ist, ist es möglich, einen oder mehrere zwischengeordnete vorgespannte Gitter vorzusehen, um die Pumpeffizienz zu erhöhen.
Die Formgebung der Probenkammer 4 kann in der gewünschten Weise modifiziert werden, wobei auch selektive Silizium-Ätztechniken eingesetzt werden können.
Bei Anordnung einer Anzahl von Substraten übereinander ist es möglich, zwei oder mehr optische Systeme 5, 6 mit unterschiedlichen Höhen der Probenkammer 4 zu erhalten, falls dies erwünscht ist, um so die Genauigkeit der Messungen zu erhöhen.
Im Fall einer vertikalen Probenkammer können die Lufteinlass- und Luftauslassöffnungen und somit, im Fall einer ionischen Pumpe 50, die Gitter 10 und 11, d. h. das Heizelement und das Kühlelement 51, 52, möglicherweise nicht miteinander ausgerichtet sein. Ferner können im Fall von horizontalen Probenkammern die Lufteinlass- und Luftauslassöffnungen und somit, im Fall der ionischen Pumpe 50, die Gitter 10 und 11, d. h. das Heizelement und das Kühlelement 51, 52, auf gegenüberliegenden Oberflächen 2A, 2B des Körpers 2 angeordnet sein. Die verschiedenen Teile, die den beschriebenen Detektor bilden, können in verschiedenen integrierten Schaltungen separat gebildet werden und zum Bilden von gekapselten Systemen bzw. SIPs mit äquivalenten Funktionen zusammengebaut werden.
Bei allen der Ausführungsformen können die Schutzschichten 3A, 3B durch jeweilige weitere Substrate aus Halbleitermaterial ersetzt werden, in denen möglicherweise weitere integrierte Schaltungen untergebracht werden können.
Der Alphateilchen-Detektor 310 der 22 kann ferner als Alternative zu dem ausgebildet werden, was unter Bezugnahme auf die vergrößert dargestellten 24A, 24B beschrieben worden ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6661035 [0038]
WO 2014107504 [0038]
US 4210923 [0085]
US 7847360 [0121, 0126]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.wmo-gaw-wcc-aerosol-physics.org/files/OPC-Grimm-model--1.108-and-1.109.pdf [0004]
http://conteng.it/Bollettini/DustMonit_En.pdf [0006]
Wiscome W. J., 1980: ”Improved Mie scattering algorithms”, Appl. Opt. 19, S. 1505–1509 [0010]
Bohren C. F. und Huffmann D. R., 1983 ”Absorption and Scattering of Light by Small Particles”, John Wiley & Sons, 530 Seiten [0010]
”Dielectric materials for electrowetting-on-dielectric actuation”, Hong Liu, Saman Dharmatilleke, Devendra K. Maurya, Andrew A. O. Tay, Microsyst. Technol. (2010) 16: 449–460 [0069]
”A Grating-Coupler-Enabled CMOS Fotonics Platform”, von Attila Mekis et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Bd. 17, Nr. 3, Mai/Juni 2011 [0105]

Claims

Detektionsvorrichtung (100; 200; 300; 400), die Folgendes aufweist: einen Körper (2) aus Halbleitermaterial, mit einer ersten Oberfläche (2A) und einer zweiten Oberfläche (2B) und mit einem Hohlraum (4; 45–47; 65; 68; 72; 85–87); einen Detektionsbereich (4A; 65A; 68; 85) in dem Hohlraum; eine in den Körper integrierte Luftpumpe (50; 150), die zum Erzwingen einer Bewegung von Luft in Richtung auf den Detektionsbereich ausgebildet ist; und ein Detektionssystem (5–8; 305; 410), das mindestens teilweise in dem Detektionsbereich angeordnet ist.
Detektionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Luftpumpe (50) um einen ionischen Typ handelt und diese eine Ionisationsstruktur (10), die auf einer ersten Seite des Detektionsbereichs (4A; 65A; 68; 85) angeordnet ist, sowie eine Anziehungsstruktur (11) aufweist, die auf einer zweiten Seite des Detektionsbereichs angeordnet ist, wobei die Ionisationsstruktur und die Anziehungsstruktur dazu ausgebildet sind, in den Hohlraum (4; 65; 68; 85) eintretende Luft zu ionisieren und die ankommende Luft zwangsweise durch den Detektionsbereich hindurch zu leiten.
Detektionsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Ionisationsstruktur ein leitfähiges Gitter (10) mit Spitzen aufweist und die Anziehungsstruktur ein vorspannbares leitfähiges Gitter (11) aufweist.
Detektionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Luftpumpe (150) um eine des thermischen Typs handelt und diese eine auf einer ersten Seite des Detektionsbereichs (4A; 65A; 68; 85) angeordnete Heizstruktur sowie eine auf einer zweiten Seite des Detektionsbereichs angeordnete Kühlstruktur (52) aufweist, wobei die Heizstruktur und die Kühlstruktur zum Erzeugen einer Temperaturdifferenz sowie einer Luftbewegung durch den Detektionsbereich ausgebildet sind.
Detektionsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Heizstruktur (51) ein leitfähiges Gitter (53) aufweist, das zum Erzeugen von Wärme durch den Joule-Effekt ausgebildet ist, und wobei die Kühlstruktur (52) eine Peltier-Zelle (56) aufweist.
Detektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Hohlraum (4; 45–47; 68, 72) um einen Durchgangshohlraum handelt, der sich zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche (2A, 2B) erstreckt, und die Luftpumpe (50; 150) zum Erzeugen einer Luftbewegung in einer Querrichtung durch den Körper (2) ausgebildet ist.
Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich der Hohlraum (65; 85–87) allgemein parallel zu der ersten Oberfläche (1A) erstreckt und Einlass- und Auslassöffnungen an den Oberflächen (2A, 2B) des Körpers (2) aufweist, und wobei die Luftpumpe (50; 150) zum Erzeugen einer Luftbewegung in einer allgemein parallelen Richtung durch den Körper ausgebildet ist.
Detektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Detektionssystem (5–8) um ein optisches System handelt und dieses eine Lichtquelle (5), die zum Erzeugen eines Lichtstrahls (12) ausgebildet ist, und einen Fotodetektor (6) aufweist, der zum Detektieren von Streulicht ausgebildet ist, und wobei das optische System dazu ausgebildet ist, den Lichtstrahl in Richtung auf den Detektionsbereich (4A; 65A; 68; 85) zu richten.
Detektionsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Lichtquelle (5) eine Laserquelle ist, die in einer ersten Position benachbart dem Detektionsbereich (4A; 65A; 68; 85) in den Körper (2) integriert ist, und wobei der Fotodetektor in einer zweiten Position benachbart dem Detektionsbereich in den Körper integriert ist.
Detektionsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei das optische System (5–8) eine Strahleinstellanordnung (8) aufweist, die zwischen der Lichtquelle (5) und dem Detektionsbereich (6) angeordnet ist, wobei die Strahleinstellanordnung Linsen (21; 23; 29) aufweist, die auf einem hydrophoben Träger oder auf einem Träger (22; 27) mit variabler Hydrophobizität angeordnet sind.
Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Lichtquelle (5) zum Erzeugen von polarisiertem Laserlicht ausgebildet ist.
Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Lichtquelle (5) zum Erzeugen von polarisiertem Licht ausgebildet ist und wobei der Fotodetektor (6) eine Polarisationsteilungseinheit (90) und zwei Anordnungen mit jeweils mehreren Fotoempfängerelementen (92A, 92B) aufweist, wobei jede Anordnung mit jeweils mehreren Fotoempfängerelementen zum Detektieren von Licht mit einer einzelnen jeweiligen Polarisation ausgebildet ist.
Detektionsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Polarisationsteilungseinheit einen Gitterkoppler (90) aufweist.
Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der Detektionsbereich (68) schräge Wände mit reflektierenden Oberflächen (69) aufweist, die zum Definieren eines optischen, unterbrochenen, linienförmigen Wegs des Lichtstrahls ausgebildet sind, wobei die Lichtquelle (5) und der Fotodetektor (6) in einander zugewandt gegenüberliegenden Positionen des Detektionsbereichs auf dem Lichtweg angeordnet sind.
Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für die Detektion von Radon, wobei das Detektionssystem einen Alphateilchen-Detektor (305; 410) aufweist.
Detektionsvorrichtung nach Anspruch 15 bei dessen Rückbeziehung auf Anspruch 2 oder 3, wobei der Alphateilchen-Detektor (305) ein Halbleitersubstrat (310) mit einem sich durch die Probenkammer (4) hindurch erstreckenden Bereich sowie eine Anordnung von sensitiven Bereichen (314) und eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (312) benachbart den sensitiven Bereichen aufweist, wobei Anziehungselektroden (316) an Wänden der Durchgangsöffnungen gebildet sind.
Detektionsvorrichtung nach Anspruch 15 bei dessen Rückbeziehung auf Anspruch 4 oder 5, wobei der Alphateilchen-Detektor (410) an Wänden, die die Probenkammer (4) begrenzen, in den Körper (2) integriert ist.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems in einem Körper aus Halbleitermaterial, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Aufbringen eines Tropfens aus optischem Material (21; 28–29) in flüssiger Phase auf eine hydrophobe Schicht (22; 27); und Härten des Tropfens aus optischem Material.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt des Aufbringens eines Tropfens das Aufbringen des Tropfens aus optischem Material (28) auf eine Schicht (27) mit variabler Hydrophobizität sowie das Modifizieren der Form des Tropfens (29) durch Anlegen einer Spannung an die Schicht mit variabler Hydrophobizität beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19 zum Herstellen einer Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
Verfahren zum Detektieren von Partikeln, das folgende Schritte aufweist: Erzeugen einer Luftbewegung in einen Detektionsbereich eines Hohlraums eines Halbleiterkörpers über eine Luftpumpe; und Messen eines Partikelparameters innerhalb des Detektionsbereichs mittels einer Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei es sich bei dem Parameter um eine Anzahl und/oder um eine Größenverteilung der Partikel handelt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Erzeugen einer Luftbewegung das Erzeugen von ionisierten Luftmolekülen in der Nähe eines ersten Endes der Probenkammer sowie das Anziehen der ionisierten Luftmoleküle in Richtung auf ein zweites Ende der Probenkammer oder das Erzeugen eines Wärmegradienten in dem Detektionsbereich beinhaltet, um dadurch eine Bewegung der Luftmoleküle durch die Probenkammer zu erzeugen und eine Partikelkonzentration innerhalb der Probenkammer zu erhöhen.