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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln und ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln. Die Erfindung betrifft insbesondere eine mikroelektromechanische Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln zur Verwendung in einem mobilen Gerät.
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Stand der Technik
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In vielen Großstädten stellt mittlerweile die Feinstaubbelastung ein erhebliches gesundheitliches Risiko dar. In den meisten Großstädten sind daher große Sensorvorrichtungen installiert, um die Luftqualität im Allgemeinen und insbesondere die Partikelkonzentration in der Luft zu ermitteln. Ein beispielhafter Partikelsensor, welcher mittels eines Piezoelementes Partikel detektieren kann, ist etwa aus der Druckschrift
DE 10 2005 053 121 A1 bekannt.
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Darüber hinaus besteht jedoch Bedarf an kompakten und kostengünstigen Sensoreinheiten, welche die personalisierte Feinstaubbelastung eines Anwenders messen und dokumentieren können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 bereit.
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Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung demnach eine Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln bereit, welche ein Substrat aufweist. Mit dem Substrat verbunden sind eine Lichtquelle, eine Linseneinrichtung, eine Fluidleitungseinrichtung und eine Sensoreinrichtung angeordnet. Die Lichtquelle ist dazu ausgebildet, einen Lichtstrahl auszusenden, während die Linseneinrichtung dazu ausgebildet ist, den ausgesendeten Lichtstrahl zu formen. Die Fluidleitungseinrichtung ist dazu ausgebildet, ein Fluid durch einen Strahlengang des geformten Lichtstrahls zu leiten. Die Sensoreinrichtung ist dazu ausgebildet, an Partikeln in dem Fluid gestreutes Licht des Lichtstrahls zu erfassen.
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Unter einem Fluid können hierbei Gase oder Flüssigkeiten verstanden werden, und beispielsweise kann die Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln in der Umgebungsluft ausgebildet sein.
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Unter „mit dem Substrat verbunden“ ist insbesondere zu verstehen, dass das entsprechende Element auf und/oder an und/oder in dem Substrat angeordnet ist. Das Element kann jedoch auch indirekt mit dem Substrat verbunden sein, etwa über eine Zwischenschicht oder Positionierungsschicht.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln. Ein Substrat wird bereitgestellt und in Verbindung mit dem Substrat werden eine Lichtquelle, eine Linseneinrichtung, eine Fluidleitungseinrichtung und eine Sensoreinrichtung ausgebildet. Die Lichtquelle wird dazu ausgebildet, einen Lichtstrahl auszusenden, während die Linseneinrichtung dazu ausgebildet wird, den ausgesendeten Lichtstrahl zu formen, die Fluidleitungseinrichtung dazu ausgebildet wird, ein Fluid durch einen Strahlengang des geformten Lichtstrahls zu leiten und die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet wird, an Partikeln in dem Fluid gestreutes Licht des Lichtstrahls zu erfassen.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine kompakt ausbildbare Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln bereit, welche vorzugsweise in ein mobiles Gerät, etwa ein Smartphone, integrierbar sein kann. Durch die Miniaturisierung der Vorrichtung steigt die Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung für kleinere Partikelgrößen bzw. -durchmesser. So ist die Vorrichtung vorzugsweise dazu ausgebildet, die gesundheitlich relevanten kleinen Partikel von Durchmessern kleiner als 300 nm zu erfassen. Dadurch wird die Aussagekraft der Messung erhöht. Typischerweise befinden sich auch mehr kleinere Partikel in der Luft als größere, so dass eine geringere Fluidmenge untersucht werden muss, um eine bestimmte Mindestanzahl von Teilchen zu messen. Bei Partikeln mit Größen von 100 nm entspricht dies empirisch bis zu einem Faktor von 1000 um den sich die zu untersuchende Menge im Vergleich zu Partikeln mit Größen von etwa 500 nm reduziert. Dadurch werden zusätzlich die Anforderungen an die Fluidleitungseinrichtung verringert, ohne jedoch die Genauigkeit zu reduzieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung umfasst die Fluidleitungseinrichtung eine Pumpeneinrichtung zum Ansaugen und Leiten des Fluids. Vorzugsweise umfasst die Pumpeneinrichtung eine mikroelektromechanische Pumpe zum Ansaugen des Fluids, welche dazu ausgebildet ist, das Fluid in Richtung des Strahlengangs des Lichtstrahls zu leiten. Durch Verwendung einer derartigen Pumpeneinrichtung kann die Luftmenge, welche durch den Strahlengang des Lichtstrahls hindurchtritt, erhöht werden. Vorzugsweise ist eine Pumpstärke der Pumpeneinrichtung variierbar bzw. einstellbar, so dass der exakte Durchsatz des Fluids durch die Messstrecke eingestellt werden kann. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann etwa die Pumpwirkung erhöht werden. Die Einstellung kann hierbei durch eine Steuereinrichtung der Vorrichtung durchgeführt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung umfasst die Linseneinrichtung eine Kugellinse. Die Kugellinse ermöglicht es, einen sehr feinen parallelen Lichtstrahl zu erzeugen. Vorzugsweise befindet sich dazu die Lichtquelle, insbesondere eine Laserdiode, mit dem Austrittspunkt des Lichts im Brennpunkt der Kugellinse. Somit wird eine sehr hohe Lichtintensität ermöglicht. Die hohe Lichtintensität führt auch bei kleinen Partikelgrößen bzw.
-durchmessern zu einem starken Streulichtpuls, so dass mittels einer Verstärkereinrichtung der Vorrichtung Partikel bis zu einem Durchmesser von etwa 100 nm erfasst werden können. Hierfür werden im Allgemeinen lediglich Lichtleistungen der Laserdiode von 1 bis 10 mW benötigt, so dass eine sehr energie sparsame Vorrichtung bereitgestellt werden kann. Durch den kleinen Fokusabstand der Kugellinse ist darüber hinaus eine sehr kompakte Bauweise möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist die Linseneinrichtung dazu ausgebildet, den Lichtstrahl zu kollimieren.
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Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung im Wesentlichen senkrecht zu dem Lichtstrahl angeordnet. Die Sensoreinrichtung kann insbesondere eine mit ihrer empfindlichen Lichteinfallsachse senkrecht zu dem Lichtstrahl angeordnete Fotodiode umfassen. Dadurch ist eine Erkennung und Detektion von Streulicht möglich.
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Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung weist die Fluidleitungseinrichtung einen in und/oder an dem Substrat angeordneten Fluidführungskanal auf. Der Fluidführungskanal ist vorzugsweise auf einer von dem Substrat abgewandten Seite zumindest teilweise abgeschlossen bzw. überdeckt. Dadurch kann die durchströmende Menge an Fluid genau eingestellt werden.
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Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung weiter dazu ausgebildet, anhand einer Amplitude und/oder Pulsdauer des erfassten gestreuten Lichts eine Partikelgröße und/oder Luftströmungsgeschwindigkeit zu bestimmen.
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Vorzugsweise ist eine Lichtfalle im Strahlengang des Lichtstrahls angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, den nicht gestreuten Lichtstrahl zu absorbieren. Die Genauigkeit der Sensoreinrichtung kann durch Verhinderung von Rückstrahlung weiter vergrößert werden, so dass die Vorrichtung weiter verkleinert werden kann, da die Anforderungen an die Präzision der Sensoreinrichtung reduziert werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung weist die Lichtquelle eine Laserlichtquelle auf.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist die Laserdiode unverkapselt, das heißt ungehäust bzw. „bare-die“ ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Vorrichtung eine Positionierungsschicht, wobei die Lichtquelle und/oder Linseneinrichtung und/oder Fluidleitungseinrichtung in die Positionierungsschicht eingebettet sind.
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Vorzugsweise ist die Positionierungsschicht eine fotolithographisch strukturierte Lackschicht.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist die Fluidleitungseinrichtung unter der Positionierungsschicht hindurchgeführt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist die Lichtquelle monolithisch in das Substrat eingebettet. Insbesondere kann ein integrierter Verstärker in dem Substrat eingebettet sein.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung entlang der Schnittachse I-I;
- 3 eine schematische Querschnittsteilansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung entlang der Schnittachse II-II;
- 4 eine schematische Querschnittsteilansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung;
- 5 eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung;
- 6 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 7 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 8 eine schematische Querschnittsansicht der in 7 illustrierten Vorrichtung entlang der Schnittachse III-III; und
- 9 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Verschiedene Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung 1a zum Detektieren von Partikeln gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 1a umfasst ein Substrat 2, welches vorzugsweise aus Silizium hergestellt ist oder beispielsweise eine Leiterplatte sein kann. Auf einer in das Substrat 2 integrierten Verstärkereinrichtung 7 ist eine Lichtquelle 3 in Form einer Laserdiode gestackt aufgebracht. Die Laserdiode kann beispielhaft eine Lichtleistung von 1 bis 10 mW aufweisen und ist vorzugsweise als Bare-Die Laserdiode, das heißt unverkapselt ausgebildet. Die Laserdiode hat vorzugsweise eine niedrige Wellenlänge, beispielsweise im grünen Bereich - etwa bei 532 nm - oder im violetten Bereich - etwa bei 405 nm. Dadurch wird der Lichtstreuquerschnitt bei kleinen Partikeln und damit die Empfindlichkeit erhöht und die Detektion von Partikeln mit Durchmessern kleiner als 200 nm ermöglicht.
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Die Laserdiode 3 ist in eine auf der Verstärkereinrichtung 7 und dem Substrat 2 ausgebildeten Positionierungsschicht 8 eingebettet. Die Positionierungsschicht 8 kann beispielsweise ein lithographisch strukturierter Fotolack sein. In der Positionierungsschicht 8 ist weiter eine Linseneinrichtung 4 in Form einer Kugellinse eingebettet, wie auch in der in 2 illustrierten Querschnittsansicht zu erkennen ist. Die Kugellinse hat vorzugsweise einen Durchmesser kleiner als 1 mm.
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Die Lichtquelle 3 ist dazu ausgebildet, einen Lichtstrahl L auszusenden, welcher von der Linseneinrichtung 4 kollimiert wird. Der kollimierte Lichtstrahl L tritt parallel zum Substrat 2 durch eine Teststrecke, wobei unterhalb der Teststrecke eine Sensoreinrichtung 6 in Form einer Fotodiode in das Substrat 2 integriert ist. Die Sensoreinrichtung 6 kann quadratisch ausgebildet sein, ist jedoch nicht auf diese Form beschränkt.
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Die Teststrecke wird durch einen Fluidführungskanal 5b begrenzt, welcher auf dem Substrat 2 angeordnet ist und Lichtöffnungen 5b 1 und 5b2 aufweist, durch welche der Lichtstrahl L in die Teststrecke eintreten bzw. wieder aus dieser austreten kann. Der Fluidführungskanal 5b weist weiter Fluidöffnungen 5b3 und 5b4 auf, welche gegenüber den Lichtöffnungen 5b1 und 5b2 um 90° versetzt sind. Die Fluidöffnungen 5b3 und 5b4 dienen als Einlass- bzw. Auslassöffnungen für ein Fluid F, welches durch die Teststrecke in dem Fluidführungskanal 5b hindurchströmen kann. Hierzu ist weiter eine Pumpeneinrichtung 5a auf dem Substrat 2 ausgebildet, welche dazu ausgebildet ist, das Fluid anzusaugen und durch den Fluidführungskanal 5b zu pumpen. Die Pumpeneinrichtung 5a und der Fluidführungskanal 5b bilden eine Fluidleitungseinrichtung 5.
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Der Fluidführungskanal 5b ist hierbei optional. So kann die Pumpeneinrichtung 5a auch dazu ausgebildet sein, das Fluid direkt durch den Strahlengang des Lichtstrahls L zu pumpen bzw. zu leiten.
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In 3 ist illustriert, wie das Fluid F im Wesentlichen senkrecht auf den Lichtstrahl L trifft. An Partikeln P im Fluid F kann der Lichtstrahl L gestreut werden. Derart gestreutes Licht L' wird von der Sensoreinrichtung 6 erfasst und ein entsprechendes Sensorsignal ausgegeben und durch die Verstärkereinrichtung 7 verstärkt. Anhand des ausgegebenen Sensorsignals kann durch Bestimmen einer Amplitude des Lichtpulses bzw. einer Pulsdauer des Lichtpulses eine Partikelgröße der Partikel P bzw. eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids F bestimmt werden, etwa durch die Sensoreinrichtung 6 selbst oder durch eine (nicht gezeigte) Auswerteeinrichtung oder Steuereinrichtung der Vorrichtung 1a.
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Der Lichtstrahl L ist typischerweise elliptisch ausgebildet. Vorzugsweise ist die Lichtquelle 3 derart ausgerichtet, dass die lange Achse der Ellipse senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids F und somit die kurze Achse der Ellipse parallel zur Strömungsrichtung des Fluids F orientiert sind. Dadurch wird die Menge an Fluid F, welche ausgewertet werden kann, erhöht. Die Partikelzählrate der Sensoreinrichtung 6 wird erhöht, ohne die Leistung der Lichtquelle 3 erhöhen zu müssen.
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In 4 sind die Lichtquelle 3 sowie die Linseneinrichtung 4 in einer schematischen Querschnittsteilansicht dargestellt. Die Linseneinrichtung 4 in Form einer Kugellinse ist derart angeordnet, dass der Austrittspunkt des Lichtstrahls L im Wesentlichen einer Brennweite f der Kugellinse 4 entspricht. Dadurch wird der Lichtstrahl L kollimiert bzw. parallel ausgerichtet.
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Durch Wahl geeigneter Kugellinsen mit entsprechenden Brennweiten f bzw. von Laserquellen 3 mit entsprechenden Strahlaustrittswinkeln kann eine Strahlbreite des Lichtstrahls L angepasst werden. Während in 4 die Strahlbreite entlang der einen Ellipsenachse etwa 150-300 µm beträgt, kann die Strahlbreite entlang der anderen Ellipsenachse 50-100 µm betragen, wie in 5 gezeigt.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Anordnung beschränkt. So kann beispielsweise die Verstärkereinrichtung 7 auch an einer anderen Stelle in das Substrat 2 integriert sein. Die Positionierungsschicht 8 ist optional und beispielsweise können entsprechende Vertiefungen für die Lichtquelle 3 und die Linseneinrichtung 4 direkt in das Substrat 2 integriert werden. Die Positionierungsschicht 8 kann sich auch zumindest teilweise unter der Pumpeneinrichtung 5a bzw. dem Fluidführungskanal 5b erstrecken.
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In 6 ist eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung 1b zum Detektieren von Partikeln gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert. Hierbei ist eine Sensoreinrichtung 6 in Form einer Fotodiode direkt auf eine Verstärkerschicht 7 aufgebracht, wobei die Verstärkerschicht 7 in eine Substratschicht 10 integriert ist. Die Substratschicht 10, die Verstärkerschicht 7 und die Fotodiode 6 bilden einen Fotodiodenchip mit integriertem Verstärker. Dieser ist in eine Positionierungsschicht 8 integriert, welche sich auf einem Substrat 2, etwa einer Leiterplatte, befindet. In die Positionierungsschicht 8 sind darüber hinaus eine Lichtquelle 3, eine Linseneinrichtung 4 und eine Fluidleitungseinrichtung 5 mit einer Pumpeneinrichtung 5a und einem Fluidführungskanal 5b eingebracht. Die Funktionsweise und Orientierung der genannten Elemente können dem in 1 gezeigten Aufbau entsprechen, so dass die erneute Beschreibung hier vermieden wird. Es können auch zwei getrennte Chips für die Fotodiode 6 und die Verstärkereinrichtung 7 verwendet werden.
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In 7 ist eine Vorrichtung 1c zum Detektieren von Partikeln gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert. Während die 7 eine Draufsicht darstellt, ist in 8 eine schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung 1c illustriert. Eine Lichtquelle 3, eine Linseneinrichtung 4, eine Sensoreinrichtung 6 und eine Lichtfalle 9 sind in einer Positionierungsschicht 8 angeordnet, welche auf einem Substrat 2 ausgebildet ist. Die Lichtfalle 9 ist dazu ausgebildet, den nicht gestreuten Anteil des Lichtstrahls L zu absorbieren.
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Eine Pumpeneinrichtung 5a ist in dieser Ausführungsform auf einer dem Substrat 2 abgewandten Seite der Positionierungsschicht 8 ausgebildet. Die Pumpeneinrichtung 5a ist dazu ausgebildet, ein Fluid anzusaugen und durch einen Fluidführungskanal 5b zu pumpen. Der Fluidführungskanal 5b ist in die Positionierungsschicht 8 integriert und weist Öffnungen zum Einströmen bzw. Ausströmen des Fluids F auf. Der restliche Bereich des Fluidführungskanals ist durch die Pumpeneinrichtung 5a abgeschlossen. In der in den 6 und 7 illustrierten gestackten Ausführungsform ist der optische Pfad vollständig abgeschirmt, so dass Quereinflüsse reduziert werden.
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In 9 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln, insbesondere einer Vorrichtung gemäß einer der oben illustrierten Ausführungsformen, dargestellt.
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In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird ein Substrat 2, beispielsweise aus Silizium bereitgestellt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt S2 werden eine Lichtquelle 3, eine Linseneinrichtung 4, eine Fluidleitungseinrichtung 5 und eine Sensoreinrichtung 6 auf und/oder an und/oder in dem Substrat bereitgestellt. Zusätzlich kann eine oben beschriebene Strahlfalle bereitgestellt werden. Die Lichtquelle 3 kann vorzugsweise als Laserlichtquelle ausgebildet werden. Die Linseneinrichtung 4 umfasst vorzugsweise eine Kugellinse. Die Fluidleitungseinrichtung 5 umfasst vorzugsweise eine Pumpeneinrichtung 5a und einen Fluidführungskanal 5b. Die Sensoreinrichtung 6 kann eine Fotodiode umfassen, welche dazu ausgebildet ist, an Partikeln in dem Fluid F gestreutes Licht des Lichtstrahls L zu erfassen. Weiter kann eine Verstärkereinrichtung 7 auf und/oder an und/oder in dem Substrat angeordnet werden, welche dazu ausgebildet ist, das von der Sensoreinrichtung 6 empfangene Sensorsignal zu verstärken.
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Die Sensoreinrichtung 6 kann zusammen mit der Verstärkereinrichtung 7 in einen Chip integriert werden, welcher zusammen mit den weiteren Bauelementen in eine Positionierungsschicht 8 positioniert werden kann.
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Die Pumpeneinrichtung 5a kann direkt in das Substrat 2 integriert werden, jedoch können die Komponenten auch einzeln auf eine Leiterplatte als Substrat integriert werden. Die Pumpeneinrichtung 5a kann vorzugsweise als unverkapseltes (Bare-Die) Element oberhalb des Fotodiodenchips angeordnet werden. Gemäß weiterer Ausführungsformen kann die Pumpeneinrichtung 5a mittels einer MEMS-Technologie auf der Oberfläche des Fotodiodenchips in einem Post-Prozess hergestellt werden.
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Die einzelnen Elemente können über die Träger mittels eines geeigneten Bondverfahrens verdrahtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005053121 A1 [0002]
