DE102016118135B4

DE102016118135B4 - Optische Anordnung für ein Spektralanalysesystem, Verfahren zu dessen Herstellung und Spektralanalysesystem

Info

Publication number: DE102016118135B4
Application number: DE102016118135.8A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Grüger; Jens Knobbe; Tino Pügner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2019-06-06
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: DE102016118135A1; US20180087963A1; US10247607B2

Abstract

Optische Anordnung für ein Spektralanalysesystem (20), umfassend:- ein Beugungsgitter (15), das beweglich in einem Rahmen (17) angeordnet ist,- ein Trägersubstrat (1), auf dem der Rahmen (17) mit dem Beugungsgitter (15) angeordnet ist, wobei das Trägersubstrat (1) eine Auflage (8) für den Rahmen (17) aufweist, auf der der Rahmen (17) in einer gegenüber einer Grundfläche (9) des Trägersubstrats (1) geneigten Auflageposition angeordnet ist, so dass das in dem Rahmen (17) angeordnete Beugungsgitter (15) in einer Grundposition zur Grundfläche (9) des Trägersubstrats (1) geneigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung für ein Spektralanalysesystem, insbesondere für ein miniaturisiertes Spektralanalysesystem für den nahinfraroten (NIR) Spektralbereich, das aufgrund seiner sehr geringen Abmessungen für mobile Anwendungen wie z.B. in Mobiltelefonen geeignet ist. Weiterhin werden ein Verfahren zur Herstellung der optischen Anordnung sowie das Spektralanalysesystem mit der optischen Anordnung beschrieben.
Nutzer von Mobiltelefonen oder vergleichbaren mobilen Geräten wie Smartphones, Tablets oder dergleichen, setzen das Gerät mit einer Vielzahl von Funktionen in allen Bereichen des täglichen Lebens ein. Für zukünftige Generationen von Geräten wird der Umfang an Funktionen weiter wachsen und neue Möglichkeiten eröffnen. Ein sehr wichtiger Bereich wird hierbei für komplexere Analysefragestellungen erwartet, einerseits zur Bewertung der Qualität von Lebensmitteln, aber auch in anderen Bereichen wie Materialanalyse zur Erkennung von Plagiaten bis in die Bereiche der Fitness- und Gesundheitserkennung oder gar Telemedizin.
Zur zuverlässigen Analyse organischer Objekte, bis hin zum Menschen als lebendes System aus organischer Materie, sind Laborverfahren bekannt und etabliert. In den vergangenen Jahren wurde sehr viel in die Miniaturisierung der notwendigen Komponenten für den mobilen Einsatz investiert. Ein vielversprechender Ansatz ist die Spektralanalytik, insbesondere im NIR-Spektralbereich, d.h. elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenintervall von 780 nm bis 2500 nm.
In den Druckschriften WO 2003/069289 A1 und WO 2003/069290 A1 sind Spektrometer beschrieben, die ein bewegliches dispersives Element, insbesondere ein drehbares Beugungsgitter nutzen. Das drehbare Beugungsgitter ist Teil eines Monochromators, wodurch das Spektrometer mit einem Einzeldetektor auskommt. Das Gitter und dessen Antrieb können als mikro-elektromechanisches System (MEMS, microelectromechanical system) ausgeführt sein.
Die DE 10 2008 019 600 A1 offenbart ein MEMS Hybridspektrometer. Hierbei wird eine weitere Miniaturisierung durch Integration von mehreren Funktionselementen in das MEMS-Bauelement erzielt. Hierdurch kann die Justage des Gitters und der Spalte durch die Fotolithografie der Prozesstechnologie mit einer Präzision erfolgen, die sehr viel genauer ist als jede manuelle Bauelementjustage. Weiterhin wird das Spektrometer als Stapel von Substraten realisiert, so dass es prinzipiell möglich ist, eine große Zahl von Systemen im Verbund aufzubauen, die Justage zu vereinfachen und danach die Systeme zu vereinzeln.
Ein weiteres miniaturisiertes Spektralanalysesystem ist aus der Druckschrift T. Pügner, J. Knobbe, H. Grüger: „Near-Infrared Grating Spectrometer for Mobile Phone Applications“, Applied Spectroscopy 70(5), 734-745 (2016), bekannt. Die Prinzip bedingte Symmetrie des Ansatzes, wobei das Gitter immer in beide Winkelrichtungen gleich weit aus der Ruhelage schwingt, macht es erforderlich, vom klassischen Ansatz eines Czerny-Turner Spektrometers in der ersten Beugungsordnung abzuweichen, da sonst der gleiche Spektralbereich für positive und negative Auslenkwinkel doppelt überstrichen wird. Gelöst wurde dieses Problem durch Nutzung der ersten negativen Beugungsordnung. Hierbei wird der W-förmige Strahlengang des Czerny-Turner Spektrometers gefaltet, Eintrittsspalt und Austrittsspalte werden auf die gleiche Seite des Gitters verschoben. Die Verwendung des gefalteten Strahlengangs bringt aber auch ein Problem mit sich. Anstelle der bei der Czerny-Turner-Anordnung üblichen sphärischen on-axis Spiegel müssen bikonische off-axis Spiegel für eine akzeptable Abbildungsleistung verwendet werden. Diese sind komplex in der Herstellung und mit derzeitig verfügbaren Technologien in großen Stückzahlen nur eingeschränkt bzw. nicht ausreichend kostengünstig herstellbar.
Eine zu lösende Aufgabe gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht darin, eine optische Anordnung für ein Spektralanalysesystem und ein Spektralanalysesystem bereit zu stellen, wobei die optische Anordnung und das Spektralanalysesystem eine sehr kleine Bauform aufweisen, einfach zu montieren und in großen Stückzahlen sehr kostengünstig zu fertigen sind. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung der optischen Anordnung angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch eine optische Anordnung für ein Spektralanalysesystem, ein Verfahren zu dessen Herstellung und ein Spektralanalysesystem gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optische Anordnung für ein Spektralanalysesystem ein Beugungsgitter, das beweglich in einem Rahmen angeordnet ist. Weiterhin umfasst die optische Anordnung ein Trägersubstrat, auf dem der Rahmen mit dem Beugungsgitter angeordnet ist, wobei das Trägersubstrat eine Auflage aufweist, auf der der Rahmen in einer gegenüber einer Grundfläche des Trägersubstrats geneigten Auflageposition angeordnet ist. Die Auflage kann eine geneigte Auflagefläche oder eine beliebige andere Auflagestruktur sein, auf der der Rahmen in einer zur Grundfläche des Trägersubstrats geneigten Auflageposition angeordnet werden kann. Anstelle einer geschlossenen Auflagefläche kann die Auflage beispielsweise durch mehrere Stützelemente gebildet sein, die gemeinsam die Auflage ausbilden und so die geneigte Auflageposition definieren. Durch die Anordnung des Rahmens auf der Auflage in der zur Grundfläche des Trägersubstrats geneigten Auflageposition wird erreicht, dass das in dem Rahmen angeordnete Beugungsgitter in einer Grundposition zur Grundfläche des Trägersubstrats geneigt ist.
Die Grundposition des beweglich angeordneten Beugungsgitters kann insbesondere parallel zur Hauptebene des Rahmens, in dem es angeordnet ist, sein. Aus dieser Grundposition heraus kann das Beugungsgitter vorteilhaft durch Antriebskräfte, die insbesondere durch ein mikroelektromechanisches System erzeugt werden, ausgelenkt werden. Auf diese Weise kann insbesondere der Einfallswinkel von Strahlung auf das Beugungsgitter verändert werden, so dass beispielsweise bei der Verwendung des Beugungsgitters als Monochromator die Wellenlänge der unter einem vorgegebenen Winkel gebeugten Strahlung durchgestimmt werden kann.
Weil die Auflage für den Rahmen auf dem Trägersubstrat eine gegenüber einer Grundfläche des Trägersubstrats geneigte Auflageposition definiert, kann auf einfache Weise in der Grundposition des Beugungsgitters ein definierter Einfallswinkel für die einfallende Strahlung mit hoher Genauigkeit eingestellt werden. Die Auflageposition des Rahmens ist um einen von 0° verschiedenen Winkel, vorzugsweise um einen Winkel zwischen 5° und 45°, gegenüber einer Grundfläche des Trägersubstrats geneigt.
Die Grundfläche des Trägersubstrats kann insbesondere eine Montagefläche für die optische Anordnung sein. Der Winkel, um den die Auflageposition für den Rahmen mit dem Beugungsgitter gegenüber der Montagefläche des Trägersubstrats geneigt ist, wird bei der hierin beschriebenen optischen Anordnung vorteilhaft bereits bei der Herstellung des Trägersubstrats bestimmt. Der Rahmen mit dem Beugungsgitter kann so durch Anordnen auf der Auflage des Trägersubstrats auf sehr einfache Weise in eine genau definierte Winkelposition relativ zur Grundfläche des Trägersubstrats gebracht werden, was die Montage des Beugungsgitters mit Methoden der Mikrosystemtechnik, insbesondere quasi-planare „pick and place“-Verfahren, in hohen Stückzahlen erheblich vereinfacht.
Die Auflage ist insbesondere als eine Hervorhebung in dem Trägersubstrat ausgebildet, wobei eine dem Beugungsgitter zugewandte Oberfläche des Trägersubstrats außerhalb der Hervorhebung vorzugweise plan ist und parallel zu dessen Grundfläche verläuft. Die Hervorhebung kann insbesondere prismenförmig sein.
Das Beugungsgitter und dessen Rahmen sind bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der optischen Anordnung in ein Bauteilsubstrat integriert, dass auf dem Trägersubstrat angeordnet ist. Der Rahmen ist vorteilhaft um eine erste Achse gegenüber einer Hauptebene des Bauteilsubstrats kippbar. Weiterhin ist das das Beugungsgitter um eine zweite Achse gegenüber einer Hauptebene des Rahmens kippbar. Die erste und die zweite Achse sind vorzugsweise kollinear oder identisch.
Das Bauteilsubstrat ist vorzugsweise ein SOI-Substrat (Silicon on Insulator), dass eine Silizium-Trägerschicht, eine Si02-Schicht und eine Silizium-Funktionsschicht aufweist. Hierbei sind der Rahmen und das Beugungsgitter vorteilhaft in der Silizium-Funktionsschicht ausgebildet. Um den Rahmen und das Beugungsgitter kippbar zu machen, können in der Funktionsschicht Federelemente, insbesondere eine oder mehrere Torsionsfedern oder eine oder mehrere Blattfedern, ausgebildet sein.
Das Beugungsgitter ist vorteilhaft durch ein mikroelektromechanisches Antriebssystem aus der Grundposition auslenkbar. Das mikroelektromechanische Antriebssystem kann die Antriebskräfte beispielsweise in Form von elektromagnetischen, elektrostatischen, thermoelektrischen oder piezoelektrischen Kräften erzeugen. Das mikroelektromechanische Antriebssystem kann insbesondere in das Bauteilsubstrat integriert sein.
Es wird weiterhin ein Spektralanalysesystem mit der zuvor beschriebenen optischen Anordnung angegeben. Unter dem Begriff „Spektralanalysesystem“ ist hier ein beliebiges optisches System zu verstehen, mit dem elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, benachbarter Wellenlängenbereiche in seine spektralen Anteile zerlegt, beobachtet und/oder registriert werden kann. Das Spektralanalysesystem umfasst vorzugsweise eine Spiegelanordnung, die dazu vorgesehen ist, beim Betrieb des Spektralanalysesystems einfallende Strahlung auf das Beugungsgitter zu reflektieren, und an dem Beugungsgitter gebeugte Strahlung zu einer Lichtaustrittsöffnung und/oder zu einem Strahlungsdetektor zu reflektieren. Das Spektralanalysesystem ist insbesondere dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge zu detektieren, wobei der detektierbare Wellenlängenbereich vorzugsweise im NIR-Spektralbereich, insbesondere im Bereich von 780 nm bis 2500 nm, liegt. Das Spektralanalysesystem kann alternativ aber auch für andere Wellenlängenbereiche vorgesehen sein, beispielsweise für den sichtbaren Spektralbereich (ca. 400 nm bis 700 nm) oder den MIR-Spektralbereich (ca. 2500 nm bis 6000 nm).
Das Spektralanalysesystem ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ein Czerny-Turner-Spektrometer, Fastie-Ebert-Spektrometer oder ein Littrow-Spektrometer, insbesondere ein ungefaltetes Czerny-Turner-Spektrometer (so genannte W-Anordnung). Bei dem Spektralapparat sind vorteilhaft ein Lichteintrittsspalt und/oder eine Lichtquelle auf einer Seite des Gitters und ein Lichtaustrittsspalt und/oder ein Detektor auf einer anderen Seite des Gitters angeordnet. Die Lichtquelle kann insbesondere vor einem Lichteintrittspalt und der Detektor hinter dem Lichtaustrittspalt angeordnet sein. Die Anordnung des Rahmens und des Beugungsgitters in der geneigten Auflageposition auf der Auflage des Trägersubstrats ermöglicht vorteilhaft die Herstellung eines solchen ungefalteten Czerny-Turner-Spektrometers mit Methoden der Mikrosystemtechnik. Die Ausführung des Spektralanalysesystems als Czerny-Turner-Spektrometer mit ungefaltetem Strahlengang hat insbesondere den Vorteil, dass mit einer Spiegelanordnung mit zwei sphärischen Spiegeln, insbesondere zwei sphärischen on-axis Spiegeln, eine ausreichende Abbildungsleistung erzielt werden kann. Hierdurch wird der Herstellungsaufwand im Vergleich zu dem in der Einleitung beschriebenen Spektrometer mit gefalteten Strahlengang, bei dem bikonische off-axis Spiegel zur Erzielung einer akzeptablen Abbildungsleistung verwendet werden, vermindert und so eine kostengünstige Herstellung in großen Stückzahlen ermöglicht. Zur weiteren Steigerung der Auflösung können aber auch asphärische Spiegel eingesetzt werden.
Bei einer Ausgestaltung können mindestens eine Strahlungsquelle und/oder mindestens ein Strahlungsdetektor in das Spektralanalysesystem integriert sein.
Es ist auch möglich, das Licht durch einen Lichteintrittsspalt in das Spektralanalysesystem eintritt, wobei der Lichteintrittsspalt vorteilhaft in dem Trägersubstrat und/oder Bauteilsubstrat ausgebildet ist. Weiterhin ist es möglich, dass das an dem Beugungsgitter gebeugte Licht nach der Reflexion an einem Spiegel der Spiegelanordnung das Spektralanalysesystem durch eine Lichtaustrittsöffnung in dem Trägersubstrat und/oder dem Bauteilsubstrat der optischen Anordnung verlässt und dann außerhalb der optischen Anordnung auf einen Strahlungsdetektor auftritt.
Das Spektralanalysesystem ist vorzugsweise ein miniaturisiertes Spektralanalysesystem. Vorzugsweise beträgt das Volumen des Spektralanalysesystems nicht mehr als 8 cm³, besonders bevorzugt weniger als 2 cm³.
Das Spektralanalysesystem weist vorzugsweise eine Breite von nicht mehr als 15 mm, eine Länge von nicht mehr als 15 mm und eine Höhe von nicht mehr als 6 mm auf. Die Länge und Breite sind hierbei in der Hauptebene des Trägersubstrats und die Höhe senkrecht zum Trägersubstrat gemessen.
Bei einem Verfahren zur Herstellung der optischen Anordnung für das Spektralanalysesystem wird ein Trägersubstrat hergestellt, das eine Auflage für den Rahmen aufweist, wobei die Auflage derart ausgebildet wird, dass sie eine gegenüber einer Grundfläche des Trägersubstrats geneigte Auflageposition für den Rahmen definiert. Die Auflage kann eine Auflagefläche oder eine auf andere Art ausgebildete Auflagestruktur sein, beispielsweise eine durch diskrete Auflageelemente gebildete Auflagestruktur. Die Auflage ist insbesondere an einer Hervorhebung in dem Trägersubstrat ausgebildet. Die Hervorhebung ragt vorzugsweise aus der ansonsten planen Oberfläche des Trägersubstrats heraus. Die Hervorhebung kann beispielsweise eine prismenförmige Struktur sein, die aus dem Trägersubstrat herausragt. Das Trägersubstrat weist vorzugsweise ein elektrisch isolierendes Material, insbesondere eine Keramik oder einen Verbundwerkstoff wie zum Beispiel FR4 auf.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird ein Bauteilsubstrat hergestellt, das ein Beugungsgitter aufweist, das beweglich in einem Rahmen angeordnet ist. Das Beugungsgitter kann insbesondere drehbar an Federelementen, beispielsweise an Torsionsfedern, aufgehängt sein. Das Bauteilsubstrat kann insbesondere ein SOI-Substrat sein, wobei der Rahmen und das Beugungsgitter in einer Funktionsschicht des Bauteilsubstrats ausgebildet sind. Das Beugungsgitter kann insbesondere in eine Silizium-Funktionsschicht des Bauteilsubstrats hinein strukturiert werden.
Weiterhin wird vorzugsweise ein Antrieb für das Gitter in das Bauteilsubstrat integriert. Der Antrieb kann insbesondere in MEMS-Technologie hergestellt sein. Das Beugungsgitter mit seinem Rahmen und dem Antrieb kann an einer oder mehreren Federelementen, beispielsweise Blattfedern oder Torsionsfedern, befestigt sein. Die Federelemente sind vorzugsweise ebenfalls in der Funktionsschicht des Bauteilsubstrats ausgebildet.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden das Bauteilsubstrat und das Trägersubstrat zusammengefügt. Zum Zusammenfügen können an sich bekannte Methoden der Mikromontage verwendet werden. Beim Zusammenfügen wird der Rahmen mit dem Beugungsgitter auf der Auflage des Trägersubstrats angeordnet und so in die durch die Auflage definierte Auflageposition gebracht. Das in dem Rahmen enthaltene Beugungsgitter wird so in eine Grundposition gebracht, die zur Grundfläche des Trägersubstrats geneigt ist. Auf diese Weise wird ein definierter Winkel zwischen der Ebene des Beugungsgitters in der Grundposition und der Grundfläche des Trägersubstrats eingestellt, der bereits bei der Herstellung des Trägersubstrats durch die Neigung der Auflageposition definiert wurde. Es ist somit keine aufwändige Justierung des Beugungsgitters erforderlich, vielmehr wird der definierte Winkel durch bloßes Aufbringen auf das Trägersubstrat eingestellt.
Das Zusammenfügen des Bauteilsubstrats und des Trägersubstrats kann vorteilhaft mit einer automatisierten Bestückungsmethode („pick and place“) erfolgen, wodurch vorteilhaft eine kostengünstige Herstellung der optischen Anordnung im großen Stückzahlen ermöglicht wird.
Hierbei kann die Montage quasi-planar, also ohne Verkippung von Bauteilen während des Montageprozesses durchgeführt werden. Dadurch entsteht ein großer Zeit- und Kostenvorteil, weil gängige Pick-and-Place Werkzeuge Bauteile nur planar als Stapel hoch genau aufeinander setzen können. Bei passender Ausgestaltung kann auch dafür gesorgt werden, dass nachfolgende Montageschritte für das ganze System planar als Stapel ausgeführt werden können. Auf diese Art erhält das Beugungsgitter in der Grundposition eine Schrägstellung innerhalb eines aus ansonsten quasi-planen Bauteilen aufgebauten Systems.
Beim Zusammenfügen des Trägersubstrats und des Bauteilsubstrats werden diese vorteilhaft fest miteinander verbunden. Insbesondere können das Trägersubstrat und das Bauteilsubstrat mit einem Klebstoff, beispielsweise mit einem Epoxidharz, fest miteinander verbunden werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus der Beschreibung der optischen Anordnung und umgekehrt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 5 näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Zwischenschritts bei dem Verfahren zur Herstellung der optischen Anordnung,
2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel der optischen Anordnung,
3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der optischen Anordnung,
4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel eines Spektralanalysesystems mit der optischen Anordnung, und
5 eine Aufsicht auf die optische Anordnung bei dem Ausführungsbeispiel des Spektralanalysesystems gemäß 4.

Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
In 1 ist ein Zwischenschritt bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung der optischen Anordnung dargestellt, bei dem ein Bauteilsubstrat 11 in der Richtung 10 auf ein Trägersubstrat 1 aufgebracht wird.
Das Trägersubstrat 1 und das Bauteilsubstrat 11 werden vor dem Zusammenfügen separat hergestellt. Das Trägersubstrat 1 kann insbesondere eine Keramik oder einen Verbundwerkstoff zum Beispiel FR4 aufweisen. Das Trägersubstrat 1 weist ein elektrisch isolierendes Grundmaterial auf, wobei in das Trägersubstrat 1 elektrische Leiterbahnen zur Integration elektrischer Bauelemente integriert sein können. Das Trägersubstrat weist eine Hervorhebung 4 auf, die bei dem Ausführungsbeispiel prismenförmig ausgebildet ist. An der Hervorhebung 4 ist eine Auflage 8 ausgebildet, die zu einer Grundfläche 9 des Trägersubstrats 1 geneigt ist. Die Auflage 8 ist bei dem hier gezeigten Beispiel eine ebene Auflagefläche. Alternativ könnte die Auflage 8 aber auch durch eine Auflagestruktur realisiert sein, durch die eine geneigte Auflageposition definiert wird, beispielsweise eine Anordnung mit einem oder mehreren Stützelementen. Außerhalb der Hervorhebung 4 weist das Trägersubstrat 1 vorzugsweise eine plane Oberfläche auf, die parallel zur Grundfläche 9 des Trägersubstrat 1 ist. Die Hervorhebung 4 kann insbesondere mittig in dem Trägersubstrat 1 ausgebildet sein und beidseitig von ebenen Bereichen umgeben sein.
In dem separat von dem Trägersubstrat 1 hergestellten Bauteilsubstrat 11 sind ein Beugungsgitter 15 und ein Rahmen 17 ausgebildet, wobei das Beugungsgitter 15 beweglich in dem Rahmen 17 angeordnet ist. Das Bauteilsubstrat 11 kann mit an sich bekannten Methoden der Mikrotechnologie, insbesondere als Silizium-MEMS Bauteil hergestellt werden. Das Bauteilsubstrat 11 ist vorzugsweise ein SOI-Substrat. Das SOI-Substrat enthält eine Trägerschicht 12, die Silizium aufweist, eine Zwischenschicht 13, die SiO2 aufweist, und eine Funktionsschicht 14, die Silizium aufweist.
Das Beugungsgitter 15 und dessen Rahmen 17 sind insbesondere in der Funktionsschicht 14 des Bauteilsubstrats 11 hergestellt. Das Beugungsgitter 15 kann beispielsweise ein sinusförmiges oder ein trapezförmiges Beugungsgitter sein.
Das Beugungsgitter 15 ist mittels Torsionsfedern 7 drehbar an dem Rahmen 17 aufgehängt. Der Rahmen 17 ist beweglich zum Rest des Bauteilsubstrats 11 ausgeführt. Beispielsweise ist der Rahmen 17 mittels einer oder mehreren Blattfedern 16 mit Bereichen der Funktionsschicht 14 verbunden, die sich außerhalb des Rahmens 17 befinden. Der Rahmen 17 ist so um eine Achse, die in 1 senkrecht zur Zeichenebene verläuft, drehbar. Die Achsen, um die das Beugungsgitter 15 und der Rahmen 17 drehbar gelagert sind, verlaufen insbesondere parallel zueinander und sind vorzugsweise kollinear oder identisch.
Beim Zusammenfügen des Bauteilsubstrats 11 und des Trägersubstrats 1 entlang der Richtung 10, die insbesondere senkrecht zum Bauteilsubstrat 11 und Trägersubstrat 1 verläuft, wird das Beugungsgitter 15 mit dem Rahmen 17 auf die Auflage 8 des Trägersubstrats 1 aufgebracht. Die Abmessungen der Auflage 8 stimmen deshalb vorteilhaft im Wesentlichen mit den Abmessungen des Rahmens 17 und dem darin enthaltenen Beugungsgitter 15 überein. Beim Zusammenfügen des Bauteilsubstrats 11 und des Trägersubstrats 1 wird der beweglich zum restlichen Bauteilsubstrat 11 angeordnete Rahmen 17, in dem das Beugungsgitter 15 angeordnet ist, um den Winkel, welcher der Neigung der Auflage 8 zur Grundfläche 9 entspricht, gekippt. Der Rahmen 17 mit dem Beugungsgitter 15 wird so in eine genaue definierte Winkelposition zur Grundfläche 9 des Trägersubstrats 11 gebracht, ohne dass eine aktive Drehbewegung durch eine von außen einwirkende Kraft erfolgen muss. Insbesondere wird das Bauteilsubstrat 11 auf einfache Weise nur in der senkrechten Richtung 10 bewegt. Diese senkrechte Bewegung in der Richtung 10 kann auf einfache Weise mit herkömmlichen Methoden der Mikromontage realisiert werden und ist insbesondere für ein automatisiertes Bestückungsverfahren geeignet. Die optische Anordnung kann auf diese Weise kostengünstig in großen Stückzahlen hergestellt werden.
Das hierin beschriebene Herstellungsverfahren der optischen Anordnung ist insbesondere auch dann vorteilhaft, wenn eine Vielzahl an sich gleichartiger optischer Anordnungen hergestellt werden soll, die sich im Neigungswinkel des Beugungsgitters 15 in der Grundposition voneinander unterscheiden. In diesem Fall können für die optischen Anordnungen baugleiche Bauteilsubstrate 11 verwendet werden, die auf unterschiedliche Trägersubstrate 1 aufgebracht werden, wobei sich die Trägersubstrate 1 untereinander durch die Neigungswinkel der Auflage 8 voneinander unterscheiden. Das vergleichsweise einfach aufgebaute Trägersubstrat 1, das insbesondere keine beweglichen Teile enthält, kann relativ einfach zur Herstellung von verschiedenen Neigungswinkeln der Auflage 8 abgeändert werden. Andererseits muss aber das Design des im Vergleich zum Trägersubstrat 1 schwieriger herzustellenden Bauteilsubstrats 11 für Varianten der optischen Anordnung mit verschiedenen Neigungswinkeln vorteilhaft nicht abgeändert werden.
Bei dem Zusammenfügen werden das Bauteilsubstrat 11 und das Trägersubstrat 1 vorteilhaft fest miteinander verbunden, beispielsweise mittels einer vor dem Zusammenfügen aufgebrachten Klebstoffschicht. Die Klebstoffschicht kann beispielsweise ein Epoxidharz aufweisen.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der optischen Anordnung nach dem Zusammenfügen des Bauteilsubstrats 11 und des Trägersubstrats 1 dargestellt, wobei das optische Funktionselement, das den Rahmen 17 mit dem Beugungsgitter 15 aufweist, auf der Auflage 8 angeordnet ist. Durch die Neigung der durch die Auflage 8 definierten Auflageposition des Rahmens 17 ist eine Grundposition des Beugungsgitters 15 in der optischen Anordnung definiert, wobei das Beugungsgitter 15 in der Grundposition insbesondere parallel zur Ebene des Rahmens 17 ausgerichtet ist. Das Beugungsgitter 15 ist vorteilhaft aus dieser Grundposition heraus durch eine Drehbewegung auslenkbar, wie in 2 durch Pfeile angedeutet ist. Durch diese Drehbewegung ist im fertigen Spektralanalysesystem insbesondere die Wellenlänge der in eine vorgegebene Richtung gebeugten Strahlung durchstimmbar. Das Beugungsgitter 15 kann insbesondere als Teil eines Monochromators in einem Spektralanalysesystem vorgesehen sein. Die Vorauslenkung des Beugungsgitters 15 in der Grundposition ist für das Adressieren eines sinnvollen freien Spektralbereichs besonders vorteilhaft.
Zur Durchführung der Drehbewegung ist vorteilhaft ein Antrieb in die optische Anordnung integriert. Ein solcher Antrieb kann als MEMS-System in das Bauteilsubstrat 11 integriert sein (nicht dargestellt). Der Antrieb kann beispielsweise ein elektrostatischer Antrieb, insbesondere ein elektrostatischer Kammantrieb, sein. Die Ausführung des Antriebs kann zum Beispiel resonant oder quasistatisch erfolgen.
Ein Antrieb für das Beugungsgitter in dem Bauteilsubstrat 11 ist bei der hierin beschriebenen optischen Anordnung vorteilhaft einfach elektrisch kontaktierbar. Eine solche Kontaktierung wird in der Regel mittels Drahtbonden durchgeführt, wobei zum Beispiel elektrisch leitende Verbindungen zwischen elektrischen Anschlüssen auf dem Trägersubstrat 1 und dem Bauteilsubstrat 11 hergestellt werden. Hierfür müssen die beiden beteiligten Bauteile, d.h. das Bauteilsubstrat 11 und das Trägersubstrat 1, aus technischen Gründen möglichst parallel ausgerichtet sein. Die hier beschriebene Anordnung aus Trägersubstrat 1 und Bauteilsubstrat 11 ermöglicht ein Führen von elektrischen Leiterbahnen vom Antrieb im Bauteilsubstrat 11 über die Biegefeder 16 hinweg auf den parallel zum Trägersubstrat 1 verlaufenden Teil des Bauteilsubstrats 11. Dort können dann Bondpads vorgesehen werden, mit denen sich eine Bondverbindung beispielsweise zum Trägersubstrat 1 herstellen lässt.
Das in 3 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel der optischen Anordnung unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 2 dadurch, dass in das Trägersubstrat 1 und das Bauteilsubstrat 11 eine Öffnung 3 integriert ist. Die Abmessungen der Öffnung 3 können so gewählt werden, dass von der Rückseite an der Grundfläche 9 des Trägersubstrats 1 aus eine optische Faser, insbesondere mit einer Ferrule zur Lichteinkopplung, montiert werden kann. Weiterhin ist in die Funktionsschicht 14 des Bauteilsubstrats 11 ein Spalt 2 integriert, der an die Öffnung 3 angrenzt. Durch den Spalt 2 wird eine definierte Lichteintrittsöffnung ausgebildet. Der Spalt 2 kann als Eintrittsspalt für elektromagnetische Strahlung in ein Spektralanalysesystem, zu dessen Bestandteilen die optische Anordnung gehört, verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass die Position des Spalts 2 und des Beugungsgitters 15 herstellungsbedingt sehr genau, insbesondere durch lithografische Herstellung, bestimmt und reproduzierbar ist. Zum anderen liegen der Spalt 2 und das Beugungsgitter 15 vor der Montage in einer Ebene. Senkrecht zu dieser Ebene kann dann in dem Spektralanalysesystem eine Symmetrieachse liegen. Dadurch entfällt bei der Montage des gesamten Spektralanalysesystems ein genaues Ausrichten des Spaltes 2 zu dieser Symmetrieebene.
In 4 ist ein Spektralanalysesystem 20 dargestellt, das die zuvor beschriebene optische Anordnung aufweist. Das Spektralanalysesystem 20 weist zusätzlich zu der optischen Anordnung eine Spiegelanordnung 22, 23 auf, die bei dem Ausführungsbeispiel vorteilhaft durch zwei sphärische Spiegel gebildet ist. Das Spektralanalysesystem 20 kann insbesondere als Czerny-Turner-Spektrometer ausgeführt werden. Insbesondere kann ein erster sphärischer Spiegel 22 dazu vorgesehen sein, durch den Spalt 2 in das Spektralanalysesystem 20 eintretende Strahlung zu dem Beugungsgitter 15 zu reflektieren. Weiterhin kann der zweite sphärische Spiegel 23 dazu vorgesehen sein, die gebeugte Strahlung zu einem weiteren Spalt 5 zu reflektieren, der zum Beispiel vor einem Strahlungsdetektor 6 angeordnet ist.
Das Spektralanalysesystem 20 kann ein Volumen von weniger als 2 cm³ aufweisen. Insbesondere ist es möglich, dass die Außenabmessungen nicht mehr als 16 × 12 × 6 mm³ betragen. Die kostengünstige Herstellung und Montage eines derart kleinen Spektralanalysesystems 20 wird insbesondere durch die zuvor beschriebene Ausführung der optischen Anordnung, die mit einer Methode der planaren Mikromontage (pick and place) zusammengesetzt werden kann, erheblich vereinfacht.
In 5 ist eine Aufsicht auf das optische Element bei dem Spektralanalysesystem 20 der 4 dargestellt. In der Aufsicht sind der Lichteintrittsspalt 2 und der Lichtaustrittsspalt 5, welche in der Funktionsschicht des Bauteilsubstrats 11 ausgebildet sind, zu sehen. Weiterhin zeigt die Aufsicht das Beugungsgitter 15, das mittels Torsionsfedern 7 drehbar in dem Rahmen 17 gelagert ist. Der Rahmen 17 ist wiederum gegenüber dem Rest der Funktionsschicht des Bauteilsubstrats 11 beweglich gelagert, beispielsweise mittels eines oder mehreren Federelementen 16, insbesondere Torsionsfedern.
Es ist möglich, dass in der optischen Anordnung eine Vorrichtung enthalten ist, mit der die Position des Rahmens 17 und/oder des Beugungsgitters 15 relativ zum Trägersubstrat detektiert werden kann.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Trägersubstrat
2: Spalt
3: Öffnung
4: Hervorhebung
5: Spalt
6: Detektor
7: Torsionsfedern
8: Auflage
9: Grundfläche
10: Richtung
11: Bauteilsubstrat
12: Trägerschicht
13: SiO2-Schicht
14: Funktionsschicht
15: Beugungsgitter
16: Federelement
17: Rahmen
20: Spektralanalysesystem
22: Spiegel
23: Spiegel

Claims

Optische Anordnung für ein Spektralanalysesystem (20), umfassend: - ein Beugungsgitter (15), das beweglich in einem Rahmen (17) angeordnet ist, - ein Trägersubstrat (1), auf dem der Rahmen (17) mit dem Beugungsgitter (15) angeordnet ist, wobei das Trägersubstrat (1) eine Auflage (8) für den Rahmen (17) aufweist, auf der der Rahmen (17) in einer gegenüber einer Grundfläche (9) des Trägersubstrats (1) geneigten Auflageposition angeordnet ist, so dass das in dem Rahmen (17) angeordnete Beugungsgitter (15) in einer Grundposition zur Grundfläche (9) des Trägersubstrats (1) geneigt ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Auflage (8) an einer Hervorhebung (4) in dem Trägersubstrat (1) ausgebildet ist, und wobei eine dem Beugungsgitter (15) zugewandte Oberfläche des Trägersubstrats (1) außerhalb der Hervorhebung (4) plan und parallel zur Grundfläche (9) ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 2, wobei die Hervorhebung (4) prismenförmig ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beugungsgitter (15) und der Rahmen (17) in ein Bauteilsubstrat (11) integriert sind, das auf dem Trägersubstrat (1) angeordnet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 4, wobei der Rahmen (17) um eine erste Achse gegenüber einer Hauptebene des Bauteilsubstrats (11) kippbar ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Beugungsgitter (15) um eine zweite Achse gegenüber einer Hauptebene des Rahmens (17) kippbar ist.
Optische Anordnung nach den Ansprüchen 5 und 6, wobei die erste und die zweite Achse kollinear oder identisch sind.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das Bauteilsubstrat (11) ein SOI-Substrat ist, das eine Silizium-Trägerschicht (12), eine Si02-Schicht (13) und eine Silizium-Funktionsschicht (14) aufweist, und wobei der Rahmen (17) und das Beugungsgitter (15) in der Silizium-Funktionsschicht (14) ausgebildet sind.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beugungsgitter (15) durch ein Antriebsystem aus der Grundposition auslenkbar ist.
Spektralanalysesystem (20) mit einer optischen Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Spiegelanordnung (22, 23) zur Reflexion von einfallender Strahlung auf das Beugungsgitter (15) und zur Reflexion von gebeugter Strahlung zu einer Lichtaustrittsöffnung (3) und/oder zu einem Strahlungsdetektor (6).
Spektralanalysesystem nach Anspruch 10, wobei das Spektralanalysesystem (20) ein Czerny-Turner-Spektrometer ist, und wobei die Spiegelanordnung zwei sphärische Spiegel (22, 23) aufweist.
Spektralanalysesystem nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Strahlungsdetektor (6) und/oder eine Strahlungsquelle in die optische Anordnung integriert sind.
Spektralanalysesystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Spektralanalysesystem (20) ein miniaturisiertes Spektralanalysesystem ist, dessen Volumen nicht mehr als 8 cm³ beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer optischen Anordnung für ein Spektralanalysesystem, umfassend die Schritte: - Herstellen eines Bauteilsubstrats (11), das ein Beugungsgitter (15) aufweist, das beweglich in einem Rahmen (17) angeordnet ist, - Herstellen eines Trägersubstrats (1), das eine Auflage (8) für den Rahmen (17) aufweist, wobei die Auflage (8) derart ausgebildet wird, dass sie eine gegenüber einer Grundfläche (9) des Trägersubstrats (1) geneigte Auflageposition für den Rahmen (17) definiert, und - Zusammenfügen des Bauteilsubstrats (11) und des Trägersubstrats (1), wobei der Rahmen (17) beim Zusammenfügen auf der Auflage (8) in der gegenüber der Grundfläche (9) des Trägersubstrats (1) geneigten Auflageposition angeordnet wird und so das Beugungsgitter (15) in eine Grundposition gebracht wird, die zur Grundfläche (9) des Trägersubstrats (1) geneigt ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Bauteilsubstrat (11) fest mit dem Trägersubstrat (1) verbunden wird.