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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spektrometervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Spektrometervorrichtung.
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Stand der Technik
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Spektrale Sensoren gewinnen aktuell stetig an Bedeutung. Beispielsweise können spektrale Sensoren dazu genutzt werden, um Substanzen oder Objekte auf ihre stoffliche Zusammensetzung zu untersuchen. Insbesondere durch die fortschreitende Miniaturisierung der Sensoren ergeben sich zunehmend interessante Einsatzgebiete. Für die Implementierung eines spektralen Filterelements in einem Spektrometer stellt beispielsweise ein durchstimmbares mikroelektromechanisches System (MEMS) mit einem Fabry-Perot Interferometer einen vielversprechenden Ansatz zur Miniaturisierung des Gesamtsystems dar.
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Die Druckschrift
DE 10 2018 200 378 A1 beschreibt ein Interferometer, beispielsweise ein MEMS-Fabry-Perot Interferometer mit zwei Spiegeln, die auf zwei Substraten aufgebracht sind, welche miteinander verbunden sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Spektrometervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Spektrometervorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- Eine Spektrometervorrichtung mit einem Trägersubstrat, einem Emitter, einem Basiselement und einer Detektoreinrichtung. Die Detektoreinrichtung umfasst ein Trägerelement, ein spektrales Element und einen Fotodetektor. Das spektrale Element ist auf einer ersten Seite des Trägerelements angeordnet. Der Fotodetektor ist auf einer zweiten Seite des Trägerelements angeordnet. Die zweite Seite des Trägerelements ist dabei gegenüberliegend der ersten Seite des Trägerelements. Der Emitter ist auf einer Oberseite des Trägersubstrats angeordnet. Der Emitter ist dazu ausgelegt, Licht in einem vorbestimmten Spektrum zu emittieren. Das vorbestimmte Spektrum kann beispielsweise einen Teil oder das vollständige Spektrum des sichtbaren Lichts umfassen. Darüber hinaus kann das vorbestimmte Spektrum auch zusätzlich oder alternativ Teile des nicht sichtbaren Spektrums, beispielsweise infrarotes oder ultraviolettes Licht umfassen. Das Basiselement ist - wie auch der Emitter - auf der Oberseite des Trägersubstrats angeordnet. Insbesondere umfasst das Basiselement eine Emitteröffnung und eine Detektorkavität. Das Basiselement ist derart auf der Oberseite des Trägersubstrats angeordnet, dass der auf der Oberseite des Trägersubstrats angeordnete Emitter sich innerhalb der Emitteröffnung befindet.
- Eine Innenseite der Emitteröffnung ist zumindest teilweise mit einer reflektierenden Beschichtung versehen. Die reflektierende Beschichtung auf der Innenseite der Emitteröffnung ist - insbesondere in Zusammenschau mit der Oberfläche der Emitteröffnung - dazu ausgelegt, das von dem Emitter emittierte Licht in Richtung einer vorbestimmten Probenposition abzustrahlen. Ferner ist die Detektoreinrichtung an eine Öffnung der Detektorkavität des Basiselements angeordnet. Die Detektoreinrichtung ist somit in einem Lichtpfad zwischen der vorbestimmten Probenposition und der Detektorkavität angeordnet. Der Fotodetektor der Detektoreinrichtung weist hierbei in Richtung der Detektorkavität. Entsprechend weist das spektrale Element der Detektoreinrichtung in Richtung der Probenposition. Die Detektoreinrichtung kann an dem Basiselement befestigt, beispielsweise mit dem Basiselement verklebt sein. Weiterhin umfasst das Basiselement der Spektrometervorrichtung ein Fokussierelement. Das Fokussierelement ist in der Detektorkavität des Basiselements angeordnet. Dabei ist das Fokussierelement dazu ausgelegt, Licht, welches von der vorbestimmten Probenposition durch das spektrale Element der Detektoreinrichtung transmittiert, auf den Fotodetektor der Detektoreinrichtung zu fokussieren.
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Weiterhin ist vorgesehen:
- Ein Verfahren zur Herstellung einer Spektrometervorrichtung. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Anordnen eines Emitters auf einer Oberseite des Trägersubstrats. Der Emitter kann dazu ausgelegt sein, Licht in einem vorbestimmten Spektrum zu emittieren. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt zum Bereitstellen eines Basiselements. Das Basiselement umfasst eine Emitteröffnung und eine Detektorkavität. Eine Innenseite der Emitteröffnung umfasst zumindest teilweise eine reflektierende Beschichtung. Die reflektierende Beschichtung auf der Innenseite der Emitteröffnung ist dazu ausgelegt, das von dem Emitter emittierte Licht in Richtung einer vorbestimmten Probenposition abzustrahlen. Weiterhin umfasst die Detektorkavität des Basiselements ein Fokussierelement. Das Fokussierelement ist dazu ausgelegt, das in die Detektorkavität einfallende Licht auf einen vorbestimmten Detektorbereich zu fokussieren. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Anordnen des bereitgestellten Basiselements auf der Oberseite des Trägersubstrats.
- Insbesondere kann sich der Emitter dabei in der Emitteröffnung des Basiselements befinden. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Bereitstellen einer Detektoreinrichtung. Die Detektoreinrichtung umfasst ein Trägerelement, ein spektrales Element und einen Fotodetektor. Das spektrale Element ist auf einer ersten Seite des Trägerelements angeordnet. Der Fotodetektor ist auf einer zweiten Seite des Trägerelements angeordnet, wobei die zweite Seite des Trägerelements sich gegenüber der ersten Seite des Trägerelements befindet. Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt zum Anordnen der Detektoreinrichtung über einer Öffnung der Detektorkavität. Der Fotodetektor der Detektoreinrichtung weist hierbei in Richtung der Detektorkavität.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es für eine zunehmende Verbreitung miniaturisierter Spektrometeranordnungen erforderlich ist, die Spektrometeranordnungen in hohen Stückzahlen kostengünstig, effizient und mit hoher Qualität bereitstellen zu können.
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Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Spektrometeranordnung zu schaffen, welche die zuvor genannten Anforderungen erfüllen kann. Insbesondere ermöglicht es die erfindungsgemäße Spektrometeranordnung und das korrespondierende Herstellungsverfahren, die erforderlichen Komponenten mit einer möglichst geringen Anzahl von Prozessschritten bei gleichbleibend hoher Güte herzustellen und zusammenzufügen.
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Dabei ist es möglich, die Zwischenprodukte, wie beispielsweise das Basiselement und die Detektoreinrichtung, vorab einer Qualitätssicherungsmaßnahme zu unterziehen. Hierdurch können gegebenenfalls fehlerhafte Zwischenprodukte rasch identifiziert und aussortiert werden. Damit kann die Fehlerquote der zusammengefügten Spektrometeranordnungen gesenkt werden, da fehlerhafte Zwischenprodukte nicht in den weiteren Prozessablauf integriert werden.
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Das Fertigen der Zwischenprodukte und auch das Zusammenfügen der Zwischenprodukte erfordern jeweils nur wenige Prozessschritte. Hierdurch ist eine effiziente, prozesssichere und auch kostengünstige Fertigung der Spektrometervorrichtungen in hoher Stückzahl möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Trägerelement der Detektoreinrichtung eine erste elektrisch leitfähige Struktur. Die erste elektrisch leitfähige Struktur des Trägerelements der Detektoreinrichtung ist dazu ausgelegt, das spektrales Element und den Fotodetektor elektrisch zu kontaktieren. Insbesondere können das spektrale Element und der Fotodetektor mittels der ersten elektrischen Struktur mit weiteren, gegebenenfalls externen Komponenten elektrisch verbunden werden. Durch die Integration elektrisch leitfähiger Strukturen in das Trägerelement der Detektoreinrichtung ist eine effiziente Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse sowohl der Interferometrie-Einheit als auch der Detektoreinrichtung möglich. Gleichzeitig können die stützenden bzw. tragenden Eigenschaften des Trägerelements mit der Möglichkeit einer elektrischen Kontaktierung in einem Bauelement kombiniert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das spektrale Element eine mikroelektromechanische Struktur (MEMS). MEMS ermöglichen sehr präzise minimale Bewegungen. Auf diese Weise kann das spektrale Element sehr genau auf eine gewünschte Frequenz bzw. Wellenlänge eingestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das spektrale Element ein Fabry-Perot Interferometer. Insbesondere kann das Fabry-Perot Interferometer abstimmbar ausgeführt sein, das heißt die Abstimmung auf eine bestimmte Wellenlänge bzw. Frequenz kann angepasst werden. Hierzu können insbesondere die Abstände zwischen Spiegeln bzw. Reflektoren des Fabry-Perot Interferometers angepasst werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Spektrometervorrichtung eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgelegt sein, den Emitter und/oder das spektrale Element anzusteuern. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinrichtung auch Signale von dem Fotodetektor empfangen. Bei der Steuereinrichtung kann es sich um eine beliebige Steuereinrichtung handeln, die beispielsweise mittels diskreter Bauelemente realisiert wird. Darüber hinaus kann es sich bei der Steuereinrichtung auch um eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Englisch: Application-Specific Integrated Circuit, ASIC) handeln. Auf diese Weise kann die anwendungsspezifische Steuerung bzw. Auswertung der Signale der Spektrometervorrichtung effizient und mit geringem Bauraumbedarf realisiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung auf dem Trägersubstrat angeordnet sein. Insbesondere kann die Steuereinrichtung auf der Oberseite angeordnet sein, das heißt auf derselben Seite, auf der auch das Basiselement und der Emitter angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Trägersubstrat eine zweite elektrisch leitfähige Struktur. Die zweite elektrisch leitfähige Struktur des Trägersubstrats kann dazu ausgelegt sein, den Emitter, die Detektoreinrichtung und gegebenfalls auch die Steuereinrichtung elektrisch zu kontaktieren. Insbesondere können Anschlüsse der ersten leitfähigen Struktur des Trägerelements der Detektoreinrichtung mit korrespondierenden Anschlüssen der zweiten elektrisch leitfähigen Struktur des Trägersubstrats direkt verbunden werden. Auf diese Weise ergibt sich eine kompakte Struktur für die elektrischen Anschlüsse der Spektrometervorrichtung. Ferner können auch alle elektrischen Anschlüsse für externe Komponenten, wie beispielsweise Energieversorgung und Anschlüsse für weitere Komponenten mittels der zweiten elektrisch leitfähigen Struktur auf dem Trägersubstrat bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Detektorkavität des Basiselements eine zumindest teilweise gewölbte Oberfläche. Ferner kann die Oberfläche der Detektorkavität, zumindest ein Bereich der gewölbten Oberfläche mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sein. Beispielsweise kann durch die reflektierende Beschichtung auf der gewölbten Oberfläche eine Hohlspiegelstruktur oder ähnliches realisiert werden. Auf diese Weise ist eine effiziente Realisierung des Fokussierelementes möglich, um das Licht auf dem Fotodetektor der Detektoreinrichtung zu fokussieren.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Spektrometervorrichtung ein transparentes Deckelement. Das transparente Deckelement kann an einem Lichtaustrittsbereich der Emitteröffnung und/oder einem Lichteintrittsbereich der Detektoreinrichtung angeordnet sein. Beispielsweise kann das transparente Deckelement mittels eines weiteren Haltelementes fixiert werden. Alternativ kann das transparente Deckelement auch direkt mit dem Basiselement und/oder der Detektoreinrichtung verklebt werden. Durch das Anbringen eines transparenten Deckelementes können die darunter angeordneten Elemente, insbesondere die Emitteröffnung sowie die Detektoreinrichtung und die darunter angeordnete Detektorkavität vor Verunreinigungen oder ähnlichem geschützt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens umfasst das Bereitstellen des Basiselements ein zumindest teilweises Beschichten einer Innenseite der Emitteröffnung und der Detektorkavität. Insbesondere können Teile der Emitteröffnung und der Detektorkavität mit einem lichtreflektierenden Material beschichtet werden. Auf diese Weise können Reflexionsbereiche, wie zum Beispiel Spiegelanordnungen, realisiert werden, die das Licht in gewünschter Weise umlenken und/oder fokussieren.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Herstellungsverfahren einen Schritt zum Anordnen einer Steuereinrichtung auf dem Trägersubstrat. Insbesondere kann die Steuereinrichtung hierbei dazu ausgelegt sein, den Emitter und/oder das spektrales Element anzusteuern und/oder Signale von dem Fotodetektor zu empfangen. Durch die zusätzliche Integration einer Steuereinrichtung auf der Spektrometervorrichtung ist es somit möglich, alle erforderlichen Komponenten einschließlich der Steuerung auf geringem Raum zu kombinieren und somit eine kompakte Spektrometervorrichtung bereitzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Trägerelement der Detektoreinrichtung eine erste elektrisch leitfähige Struktur. Die erste elektrisch leitfähige Struktur kann dazu ausgelegt sein, das spektrale Element und den Fotodetektor elektrisch zu kontaktieren. Weiterhin kann das Trägersubstrat eine zweite elektrisch leitfähige Struktur umfassen. Die zweite elektrisch leitfähige Struktur kann dazu ausgelegt sein, den Emitter, die Steuereinrichtung und die Detektoreinrichtung elektrisch zu kontaktieren. Das Herstellungsverfahren kann darüber hinaus einen Schritt umfassen, um die erste elektrisch leitfähige Struktur des Trägerelements mit der zweiten elektrisch leitfähigen Struktur des Trägersubstrats zu kontaktieren. Auf diese Weise können alle relevanten elektrischen Verbindungen auf die elektrisch leitfähige Struktur des Trägersubstrats geführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Bereitstellen des Basiselements einen Spritzgussprozess zum Herstellen eines Grundkörpers. Weiterhin kann das Bereitstellen des Basiselements ein zumindest teilweises Beschichten der Emitteröffnung und der Detektorkavität mit einem reflektierenden Material umfassen.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Spektrometervorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
- 2: eine schematische Darstellung einer Explosionsansicht einer Spektrometervorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
- 3: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Herstellungsverfahren gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Spektrometervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform. Die Spektrometervorrichtung 1 umfasst ein Trägersubstrat 10, ein Basiselement 20, einen Emitter 30 und eine Detektoreinrichtung 40. Ferner kann die Spektrometervorrichtung 1 ein transparentes Deckelement 50 umfassen.
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Wie in 1 zu erkennen ist, ist das Basiselement 20 auf dem Trägersubstrat 10 angeordnet. Dabei weist das Basiselement 20 eine Emitteröffnung 21 und eine Detektorkavität 25 auf. Im Inneren der Emitteröffnung 21 ist der Emitter 30 auf dem Trägersubstrat 10 angeordnet. Weiterhin ist die Emitteröffnung 21 derart ausgestaltet, dass durch zumindest teilweise Beschichtung der Innenseite der Emitteröffnung 21 mit einem lichtreflektierenden Material 22, dass Licht von dem Emitter 30 in Richtung einer vorbestimmten Position emittiert wird, an der eine Probe 100 vorgesehen sein kann.
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Bei dem Trägersubstrat 10 kann es sich um ein beliebiges geeignetes Substrat handeln, welches dazu geeignet ist, die erforderlichen Komponenten, insbesondere den Emitter 30 sowie das Basiselement 20 zu fixieren. Weiterhin kann das Trägersubstrat 10 geeignete elektrische Leiterbahnstrukturen aufweisen. Beispielsweise kann durch die Leiterbahnstrukturen des Trägersubstrats 10 der Emitter 30 elektrisch kontaktiert werden. Darüber hinaus können auch noch weitere Trägerstrukturen vorgesehen sein, die beispielsweise Anschlusselemente für die Detektoreinrichtung 40 sowie eine gegebenenfalls ebenfalls vorhandene Steuereinrichtung bereitstellen. Ferner kann die elektrisch leitfähige Struktur des Trägersubstrats 10 auch Anschlusselemente für externe Komponenten wie eine Spannungsversorgung sowie Signalleitungen aufweisen.
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Bei dem Emitter 30 kann es sich um einen Emitter handeln, welcher Licht in einem vorgegebenen Spektrum emittiert. Bei dem von dem Emitter 30 emittierten Lichtspektrum kann es sich um Licht im sichtbaren oder auch im nicht sichtbaren Wellenlängenbereich handeln. Der Emitter 30 kann entsprechend beispielsweise Licht im infraroten Wellenlängenbereich, im sichtbaren Wellenlängenbereich oder gegebenenfalls auch im ultravioletten Wellenlängenbereich emittieren. Bei dem Emitter 30 kann es sich beispielsweise um eine Leuchtdiode (Light Emitting Diode, LED) handeln. Darüber hinaus sind jedoch auch beliebige andere geeignete Bauelemente möglich, welche Licht in dem gewünschten Spektrum und mit der erforderlichen Intensität emittieren können.
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Das von dem Emitter 30 emittierte Licht wird durch eine entsprechende Ausgestaltung der Emitteröffnung 21 in dem Basiselement 20 derart fokussiert und abgelenkt, dass es auf eine Probe 100 an einer vorbestimmten Position trifft. Hierzu kann der Innenbereich der Emitteröffnung 21 zumindest teilweise mit einem Material beschichtet werden, welches das Licht in dem erforderlichen Spektrum reflektiert. Beispielsweise kann hierzu eine metallische Beschichtung oder ähnliches an den entsprechenden Innenbereichen der Emitteröffnung 21 aufgebracht werden.
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Wie in 1 weiter zu erkennen ist, weist das Basiselement 20 ferner eine Detektorkavität 25 auf. Die Detektorkavität 25 weist in Richtung der Position, an der sich die Probe 100 befinden kann, eine Öffnung auf. Oberhalb dieser Öffnung und im Strahlengang zwischen der Probe 100 und der Detektorkavität 25 ist die Detektoreinrichtung 40 angeordnet.
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Die Detektoreinrichtung 40 umfasst ein Trägerelement 21. Auf einer ersten Seite des Trägerelements 21 ist ein spektrales Element 42 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Trägerelements 41 ist ein Fotodetektor 43 angeordnet. Entsprechend verläuft der Strahlengang des Lichts von dem Emitter 30 über die Emitteröffnung 21 zu der Probe 100. Die Probe 100 wird das Licht streuen und ein Teil des Lichtes wird durch das spektrale Element 42 und Öffnungen 41a in dem Trägerelement 41 in die Detektorkavität 25 gelangen. Die Detektorkavität 25 kann ein Fokussierelement 26 aufweisen, welches das Licht auf den Fotodetektor 43 der Detektoreinrichtung 40 fokussiert. Beispielsweise kann es sich bei dem Fokussierelement 26 um eine reflektierende Beschichtung handeln, welche auf einer gewölbten Oberfläche der Detektorkavität 25 aufgebracht ist.
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Zum Schutz der Spektrometervorrichtung 1 kann über der Emitteröffnung 21 und das spektrale Element 42 der Detektoreinrichtung 40 ein transparentes Deckelement 50 vorgesehen sein.
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Im Nachfolgenden wird das Funktionsprinzip der Spektrometervorrichtung 1 kurz erläutert.
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Der Emitter 30 emittiert Licht in einem vorbestimmten Spektrum. Wie zuvor bereits angeführt, kann es sich hierbei um Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich handeln. Das von dem Emitter 30 emittierte Licht kann jedoch auch ganz oder zumindest teilweise im nicht sichtbaren Wellenlängenbereich, beispielsweise im infraroten Wellenlängenbereich oder aber auch im ultravioletten Wellenlängenbereich liegen. Das von dem Emitter 30 emittierte Licht wird innerhalb der Emissionsöffnung 21 derart reflektiert und fokussiert, dass ein Lichtstrahl generiert wird, welcher von der Emissionsöffnung 21 in Richtung einer vorbestimmten Probenposition strahlt. An dieser vorbestimmten Probenposition kann beispielsweise ein Objekt 100 positioniert sein, welches das Licht von der Emissionsöffnung 21 teilweise absorbiert und teilweise reflektiert bzw. streut. Der von dem Objekt 100 gestreute Anteil des Lichts gelangt dabei zumindest teilweise in Richtung der Detektoreinrichtung 40. Hierbei gelangt das Licht zunächst in das spektrale Element 42. Dieses spektrale Element 42 kann durch geeignetes Ansteuern auf eine oder gegebenenfalls auch mehrere spezifische Wellenlängen eingestellt werden. Beispielsweise kann es sich bei dem spektralen Element 42 um ein konfigurierbares Fabry-Perot Interferometer handeln. Durch das Anpassen eines Abstands zwischen zwei Spiegeln bzw. Reflexionselementen in dem spektralen Element 42 kann dabei die spezifische Wellenlänge eingestellt werden. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den zwei Spiegeln mittels eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) angepasst werden.
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Im weiteren Verlauf tritt das Licht aus dem spektralen Element 42 aus und gelangt durch Öffnungen 41a in dem Trägerelement 41 in die Detektorkavität 25 des Basiselements 20. Das Fokussierelement 26, beispielsweise ein Hohlspiegel oder ähnliches, fokussiert das Licht im weiteren Verlauf auf dem Fotodetektor 43. Der Fotodetektor 43 gibt daraufhin ein elektrisches Signal aus, welches zu der Intensität des Lichts auf dem Fotodetektor 43 korrespondiert. Dieses elektrische Signal kann in Zusammenschau mit der jeweiligen Einstellung des spektralen Elements 42 ausgewertet werden, um eine Lichtintensität für eine spezifische Wellenlänge entsprechend der korrespondierenden Einstellung des spektralen Elements 42 zu ermitteln.
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2 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung einer Spektrometervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform. Im unteren Bereich befindet sich das Trägersubstrat 10. Wie zuvor bereits beschrieben, kann das Trägersubstrat 10 eine elektrisch leitfähige Struktur aufweisen, um die erforderlichen elektrischen Verbindungen und Kontakte bereitzustellen. Bei dem Trägersubstrat 10 kann es sich um ein beliebiges Material handeln, welches die erforderlichen mechanischen Eigenschaften aufweist. Insbesondere kann es sich um ein elektrisch nicht leitfähiges Material handeln, auf welches die erforderlichen elektrisch leitfähigen Strukturen aufgebracht werden können. Für die weitere Herstellung der Spektrometervorrichtung 1 kann zunächst der Emitter 30 auf die Trägerstruktur 10 aufgebracht werden. Gegebenenfalls kann eine Steuereinrichtung 60 vorgesehen sein, welche die elektrischen Komponenten der Spektrometervorrichtung 1, wie beispielsweise den Emitter 30 sowie das spektrale Element 42 ansteuert. Ferner kann die Steuereinrichtung 60 auch die Signale von dem Fotodetektor 43 empfangen und aufbereiten. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige weitere Funktionen der Steuereinrichtung 60 möglich. Hierzu kann die Steuereinrichtung 60 als Schaltung mit diskreten Bauelementen realisiert werden. Es ist jedoch auch möglich, die Steuereinrichtung 60 als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder ähnliches zu implementieren. In allen Fällen kann die Steuereinrichtung 60 analog zu dem Emitter 30 an einer geeigneten Position auf das Trägersubstrat 10 aufgebracht werden. Hierzu sind beliebige geeignete Verbindungsmöglichkeiten, wie beispielsweise Kleben, Bonden oder ähnliches möglich.
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Im weiteren Verlauf kann das Basiselement 20 auf das Trägersubstrat 10 aufgebracht werden. Das Basiselement 20 kann dabei mittels eines beliebigen geeigneten Prozesses, beispielsweise mittels eines Spritzgussverfahrens oder ähnlichem hergestellt werden. Vor dem Aufbringen des Basiselements 20 auf das Trägersubstrat 10 können die erforderlichen Reflexionsflächen in dem Basiselement 20 eingebracht werden. Die Reflexionsflächen können dabei entweder nach dem Fertigen des Basiselements 20 an den geeigneten Stellen in der Emitteröffnung 21 sowie der Detektorkavität 25 angebracht werden. Alternativ ist es auch möglich, bereits während der Fertigung des Basiselements 20 die erforderlichen Reflexionsflächen einzubringen. Das Basiselement 20 kann mittels eines beliebigen Verbindungsprozesses, beispielsweise Kleben oder ähnlichem, auf dem Trägersubstrat 10 befestigt werden.
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Weiterhin wird über der Detektorkavität 25 die Detektoreinrichtung 40 aufgebracht. Wie zuvor bereits beschrieben und in 2 zu erkennen, umfasst die Detektoreinrichtung 40 das Trägerelement 41, auf das auf der einen Seite das spektrale Element 42 aufgebracht ist und auf der gegenüberliegenden Seite der Fotodetektor 43 aufgebracht ist. Das Trägerelement 21 weist insbesondere Öffnungen 41a auf, durch welche das von dem spektralen Element 42 austretende Licht in Richtung der Detektorkavität 25 gelangen kann. Neben den rein mechanischen Eigenschaften zur Aufnahme des spektralen Elements 42 und des Fotodetektors 43 kann das Trägerelement 41 auch eine weitere elektrisch leitfähige Struktur aufweisen. Diese elektrisch leitfähige Struktur kann die erforderlichen elektrischen Kontaktierungen für das spektrale Element 42 sowie den Fotodetektor 43 bereitstellen. Die weitere elektrisch leitfähige Struktur des Trägerelements 41 kann beispielsweise mit der elektrisch leitfähigen Struktur des Trägersubstrats 10 verbunden werden.
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Oberhalb des Basiselements 20 mit der Detektoreinrichtung 40 kann ein transparentes Deckelement 50, beispielsweise ein Deckglas oder ähnliches aufgebracht werden. Zur Fixierung des transparenten Deckelements 50 kann beispielsweise eine geeignete Halterung 51 vorgesehen sein.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Herstellung einer Spektrometervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das Verfahren kann insbesondere auch Schritte umfassen, welche zuvor bereits im Zusammenhang mit dem Aufbau der Spektrometervorrichtung 1 beschrieben worden sind. Analog kann die zuvor beschriebene Spektrometervorrichtung 1 auch Komponenten aufweisen, welche im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren beschrieben werden.
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In Schritt S1 wird zunächst ein Emitter 30 auf einer Oberseite eines Trägersubstrats 10 angeordnet. Der Emitter 30 ist insbesondere dazu ausgelegt, Licht in einem vorbestimmten Spektrum zu emittieren. In einem Schritt S2 wird ein Basiselement 20 bereitgestellt. Das Basiselement 20 umfasst eine Emitteröffnung 21 und eine Detektorkavität 25. Eine Innenseite der Emitteröffnung 21 kann zumindest teilweise mit einer reflektierenden Beschichtung 22 versehen sein. Die Emitteröffnung 21 mit der reflektierenden Beschichtung 22 kann dazu ausgelegt sein, das von dem Emitter 30 emittierte Licht in Richtung einer vorbestimmten Probenposition abzustrahlen. Die Detektorkavität 25 des bereitgestellten Basiselements 20 kann ein Fokussierelement 26 umfassen. Das Fokussierelement 26 kann dazu ausgelegt sein, Licht, welches in die Detektorkavität 25 einfällt, auf einen vorbestimmten Detektorbereich zu fokussieren.
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In Schritt S3 wird das Basiselement 20 auf der Oberseite des Trägersubstrats 10 angeordnet. Insbesondere kann sich der Emitter 30 nach dem Anordnen des Basiselements 20 auf dem Trägersubstrat 10 in der Emitteröffnung 21 des Basiselements 20 befinden.
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In Schritt S4 wird eine Detektoreinrichtung 40 bereitgestellt. Die Detektoreinrichtung 40 kann ein Trägerelement 41, ein spektrales Element 42 und einen Fotodetektor 43 umfassen. Das spektrale Element 42 kann auf einer ersten Seite des Trägerelements 41 angeordnet sein. Der Fotodetektor 43 kann auf einer zweiten Seite des Trägerelements 41 angeordnet sein, die der ersten Seite mit dem spektralen Element 42 gegenüberliegt.
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In Schritt S5 wird die Detektoreinrichtung 40 über eine Öffnung der Detektorkavität 25 angeordnet. Insbesondere wird die Detektoreinrichtung 40 derart über der Detektorkavität 25 angeordnet, dass der Fotodetektor 43 in Richtung der Detektorkavität 25 weist.
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Der Schritt S4 zum Bereitstellen des Basiselements 20 kann einen Schritt zum zumindest teilweisen Beschichten einer Innenseite der Emitteröffnung 21 und der Detektorkavität 25 mit einem lichtreflektierenden Material umfassen. Auf diese Weise können Reflexionselemente gebildet werden, die das Licht in geeigneter Weise reflektieren und/oder fokussieren.
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Das Verfahren kann ferner einen Schritt zum Anordnen einer Steuereinrichtung 60 auf dem Trägersubstrat 10 umfassen. Die Steuereinrichtung 60 kann insbesondere dazu ausgelegt sein, den Emitter 30 und/oder das spektrale Element 42 anzusteuern. Ferner kann die Steuereinrichtung 60 dazu ausgelegt sein, Signale von dem Fotodetektor 43 zu empfangen.
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Das Trägerelement 41 der Detektoreinrichtung 40 kann eine erste elektrisch leitfähige Struktur umfassen. Die erste elektrisch leitfähige Struktur kann insbesondere dazu ausgelegt sein, das spektrale Element 42 und den Fotodetektor 43 elektrisch zu kontaktieren. Ferner kann das Trägersubstrat 10 eine zweite elektrisch leitfähige Struktur umfassen. Die zweite elektrisch leitfähige Struktur kann dazu ausgelegt sein, den Emitter 30, eine gegebenenfalls vorhandene Steuereinrichtung 60 und die Detektoreinrichtung 40 elektrisch zu kontaktieren. Das Herstellungsverfahren kann in diesem Fall einen Schritt zum Kontaktieren der ersten elektrisch leitfähigen Struktur des Trägerelements 41 mit der zweiten elektrisch leitfähigen Struktur des Trägersubstrats 10 umfassen.
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Der Schritt zum Bereitstellen des Basiselements 20 kann einen Spritzgussprozess zum Herstellen eines Grundkörpers umfassen. Weiterhin kann der Schritt zum Bereitstellen des Basiselements ein zumindest teilweises Beschichten der Emitteröffnung und der Detektorkavität mit einem lichtreflektierenden Material umfassen.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Spektrometervorrichtung sowie ein Herstellungsverfahren für eine Spektrometervorrichtung, wobei die Spektrometervorrichtung effizient und mit wenigen Prozessschritten hergestellt werden kann. Insbesondere können die Lichtpfade von einer Lichtquelle zur Probe und von der Probe über ein Interferometer zu einem Fotodetektor mittels eines einfachen Basiselements gezielt strukturiert werden. Das Basiselement kann dabei auf einfache Weise hergestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018200378 A1 [0003]
