DE10226305C1

DE10226305C1 - Durchstimmbares, schmalbandiges Bandpassfilter für die Infrarot-Messtechnik

Info

Publication number: DE10226305C1
Application number: DE2002126305
Authority: DE
Inventors: Karla Hiller; Norbert Neumann; Steffen Kurth
Original assignee: Infratec Infrarotsensorik GmbH
Current assignee: Infratec Infrarotsensorik GmbH
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2022-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein durchstimmbares Bandpassfilter für die Infrarot-Messtechnik auf der Basis eines Fabry-Perot-Interferometers. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein durchstimmbares Bandpassfilter zu schaffen, bei dem sich der Spiegel möglichst wenig beim Abstimmen deformiert und der Resonatorspalt mehrere Mikrometer betragen kann. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Bandpassfilter besteht aus in vier Ebenen angeordneten Siliziumwafern, die mit Methoden der Volumenmikromechanik strukturiert und durch Waferbonden verbunden werden. Die Ebenen 2 und 3 beinhalten einen beweglichen Teil aus Spiegelträger (5) und Spiegel (7), der an Biegefedern (6) elastisch aufgehangen ist. Zwischen dem beweglichen und dem festen Spiegelteil bilden dielektrische Schichtstapel (12) den Resonatorspalt. Die Antriebselektroden (10) und der Feldraum des elektrostatischen Antriebsfeldes sind räumlich und funktional vom Resonatorraum getrennt und separat ausgeführt, wobei der Elektrodenspalt größer als der Resonatorspalt ist. Die Innenseiten der Wafer (3) und (4) tragen dielektrische Spiegel aus hochbrechenden Polysiliziumschichten und niedrigbrechenden Siliziumdioxidschichten. Die Außenseiten der Wafer (3) und (4) tragen Antireflexschichten (15). Zwischen den Waferebenen 1 und 2 sowie 3 und 4 sind Oxidschichten (13) zur elektrischen Isolation des beweglichen Teiles (5, 7) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein durchstimmbares Bandpassfilter für die Infrarot-Messtechnik auf der Basis eines Fabry- Perot-Interferometers.

Schmalbandige spektrale Messungen im nahen bis fernen Inf rarotbereich haben eine breite Anwendung in der indus triellen und medizinischen Gasmesstechnik, in der Pyro metrie, der Flammendetektion und weiteren Bereichen gefun den. Mittels spezieller Bandpassfilter werden definierte Bereiche aus dem Gesamtspektrum herausgefiltert und für die Messung stoffspezifischer Eigenschaften verwendet. Für einfache Messaufgaben, z. B. Gasmonitor oder Verhältnispy rometer reichen häufig ein bzw. zwei spektrale Kanäle aus. Dafür werden Infrarot-Sensoren (thermische Sensoren, pho tovoltaische und photoleitende Halbleitersensoren) bereits durch den Hersteller mit Schmalbandfiltern ausgerüstet. Die Messung in mehreren Spektralkanälen erfordert aber zur spektralen Selektion entweder eine "klassische" Konstruk tion aus breitbandigem Sensor und motorbetriebenen Filter rad oder mehrkanalige Sensoren (vielfach bezeichnet als Multispektral- oder Multicolor-Sensoren). Die seit vielen Jahrzehnten industriell gefertigten Filterrad-Konstruktio nen sind nicht miniaturisierbar, teuer und aufgrund der bewegten Teile störanfällig.

Multicolorsensoren arbeiten mit mehreren separaten opti schen Kanälen. Die Baugröße der Meßgeräte kann verkleinert werden, jedoch sind die Spektralkanäle der Sensoren auch hier bereits zum Zeitpunkt der Herstellung durch Schmal bandfilter festgelegt und die Kanalzahl begrenzt. Weiter hin erhöhen sich die Kosten der Multicolorsensoren mit zu nehmender Anzahl der Spektralkanäle nicht unerheblich. Viele Messaufgaben der industriellen Messtechnik erfordern aber stark variierende kundenspezifische Spektralkanäle und deutlich höhere Kanalanzahlen.

Eine bevorzugte Lösung stellt die Verwendung eines durch stimmbaren Filters auf der Basis eines Fabry-Perot- Interferometers (FPI) dar, wobei die spektrale Abstimmung des Filters durch die Abstandsänderung einer planparalle len Spiegelanordnung erfolgt.

Aufbauten, die sich der sogenannten Mikromechanik bedie nen, sind z. B. in EP 0668490, US 5646729, WO 99/34484 und DE 43 34 578 C2 wiederholt beschrieben worden. Die Oberflä chenmikromechanik beschränkt den Spiegelabstand jedoch auf wenige Mikrometer, da sogenannte vergrabene Opferschichten benötigt werden um den Resonatorraum durch Freiätzen her zustellen. Fabry-Perot-Interferometer mit Zentralwellen längen von 10 µm und mehr sind deshalb schwierig zu ferti gen. Nachteilig ist weiterhin, das die Performance (z. B. die spektrale Halbwertsbreite) der realisierten Fabry- Perot-Interferometer gering ist. Die geringe Performance resultiert aus dem niedrigen Reflexionsgrad der dielektri schen Spiegel sowie hauptsächlich aus der Verwölbung der beweglichen Membran durch die herstellungsbedingten inter nen Spannungen der abgeschiedenen Schichten. Zusätzliche Verwölbungen entstehen bei der Abstimmung des FPI selbst. Die Kraftwirkung auf die am Rand fest eingespannte Membran führt zur Verbiegung der gesamten Membran, von der auch der Teil der Membran, der als Spiegel ausgebildet ist, in Mitleidenschaft gezogen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein durchstimmba res Bandpassfilter auf der Basis eines Fabry-Perot- Interferometers zu schaffen, bei dem sich der Spiegel mög lichst wenig beim Abstimmen deformiert und der Resona torspalt mehrere Mikrometer betragen kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein mikromechani sches Fabry-Perot-Interferometer entsprechend der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltende Merkmale sind in den Ansprüchen 2 bis 4 beschrieben.

Das erfindungsgemäße mikromechanische Fabry-Perot- Interferometer besteht aus mehreren Siliziumwafern, die mit Methoden der Volumenmikromechanik strukturiert und durch Waferbonden zu einem Bauteil verbunden werden. Der bewegliche Spiegel besteht aus zwei Teilen, dem Spiegel träger und dem eigentlichen Spiegel, die aus relativ di cken deformationsunempfindlichen Siliziumwafern herge stellt werden. Aufgrund der sehr geringen Rautiefe der po lierten Oberflächen und der hohen Planparallelität sind Siliziumwafer sehr gut für Spiegel und Spiegelträger ge eignet. Der bewegliche Spiegel sowie der Spiegelträger sind an ätztechnisch hergestellten Biegefedern elastisch aufgehangen. Die Biegefedern befinden sich jeweils auf ei ner Wafer-Seite und verbinden die Eckpunkte von Spiegel und Spiegelträger mit dem Rahmen. Nach dem Waferbonden von Spiegel und Spiegelträger erhält man eine parallelogramm artige Struktur aus Biegefeder, Rahmen, Spiegel und Spie gelträger, die eine Federgelenkführung für eine Bewegung in Spiegelnormalenrichtung realisiert (Festkörpergelenk viereck). So wird eine Verkippung des beweglichen Spiegels verhindert. Auf Wafer 4 befinden sich der feste Spiegel, Elektroden zur Positionierung des beweglichen Spiegels sowie die elektrischen Anschlusskontakte.

Der Spalt d_opt zwischen den dielektrischen Schichtstapeln bildet den Resonatorraum und bestimmt nach Gleichung (1) die Zentralwellenlänge λ₀ des FPI:

m λ₀ = 2 n d_opt, (1)

wobei n die Brechzahl des Mediums im Resonatorraum, in diesem Fall Eins für Luft und m die Ordnungszahl der In terferenz ist. Für die Regelung des Resonatorspaltes wird ein elektrostatischer Antrieb verwendet. Die Antriebs- und Kontrollelektroden sind von den dielektrischen Schichtsta peln funktional entkoppelt. Der Elektrodenabstand wird so groß gewählt, dass mit ca. 30% Abstandsänderung das FPI vollständig durchgestimmt werden kann. Auf diese Weise wird verhindert, dass bei Unterschreiten eines Abstandes von etwa 70% des Elektrodenspaltes der Abstand aufgrund des Pull-In-Effekts nicht mehr stabil geregelt werden kann.

Für die Performance des durchstimmbaren FPI ist ein defi nierter, hoher Reflexionsgrad im Durchstimmbereich Voraus setzung. Um eine relative spektrale Bandbreite Δλ/λ₀ von z. B. 2% zu erreichen, welche typisch für viele Anwendun gen von Infrarot-Filtern sind, muß entsprechend Gleichung 2 der Reflexionsgrad R etwa 94% betragen.

Da gleichzeitig eine sehr kleine Absorption notwendig ist, können die Spiegel nur aus Folgen niedrig- und hochbre chender dielektrischer Schichten mit geringer Absorption, z. B. niedrigbrechende SiO₂- und hochbrechende Poly-Si- Schichten, gebildet werden. Mit zunehmender Anzahl der Doppelschichten erhöht sich der Reflexionsgrad und der nutzbare Wellenlängenbereich wird breiter.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbei spiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Draufsicht auf das FPI, obere Ebene nicht darge stellt

Fig. 2 Querschnitt A-A des mikromechanischen FPI

Fig. 3 Querschnitt B-B des mikromechanischen FPI ent lang der Biegefedern

Fig. 4 Spektraler Reflexionsgrad der dielektrischen Spiegel

Das durchstimmbare Fabry-Perot-Interferometer entsteht aus vier vorstrukturierten 300 µm dicken Siliziumwafern 1, 2, 3 und 4 in einem Batchprozeß, wobei zahlreiche FPI gleich zeitig hergestellt werden. Die Wafer werden durch direktes Siliziumbonden gefügt. Es erfolgt zunächst die Verbindung der Wafer 2 und 3, die den beweglichen Spiegel beinhalten. Anschließend werden die Wafer 1 und 4 gleichzeitig auf den Verbund gebondet, wobei Justagelöcher und Justagestifte zur Ausrichtung der Wafer zueinander benutzt werden. Nach Herstellung der Bondverbindung erfolgt die Metallisierung der elektrischen Anschlusskontakte 14. Anschließend werden die ca. 8 × 8 mm² großen FPI-Chips durch Sägen vereinzelt. Zwischen Wafer 1 und 2 sowie 3 und 4 sind dünne Oxid schichten 13 zur elektrischen Isolation der Einheit Spie gel 7/Spiegelträger 5 von Wafer 1 und Wafer 4 sowie zur Isolation der Elektroden 10 von Wafer 4 angeordnet. Biege federn mit 45°-Ausrichtung und nahezu rechteckförmigen Querschnitt (100 × 70 µm²) verbinden die Eckpunkte von Spiegel 7 und Spiegelträger 5 mit dem Rahmen 8. Der beweg liche Spiegel 7 wird elektrostatisch in Richtung zum fest stehenden Spiegel 9 durch Anlegen einer Steuerspannung zwischen den Elektroden 10 und dem beweglichen Spiegel 7 oder in entgegengesetzte Richtung durch Anlegen einer Steuerspannung zwischen Wafer 1 und dem Spiegelträger 5 aus seiner Ruhelage bewegt. Die Elektroden 10 dienen in Zusammenhang mit dem beweglichen Spiegel 7 gleichzeitig auch zur kapazitiven Detektion von Resonatorspalt und Ver kippung des beweglichen Spiegels 7. Der Resonatorspalt zwischen den dielektrischen Schichtstapeln 12 beträgt 2,0 µm im Ruhezustand während der Elektrodenspalt 2,6 µm beträgt. Durch Änderung des Elektrodenspaltes um ± 0,65 µm, wofür eine Steuerspannung von 14 V an den Elekt roden 10 bzw. am Wafer 1 ausreicht, wird das FPI im Spekt ralbereich von 3,0 µm bis 4,5 µm abgestimmt, ohne das unkontrollierte Pull-In der Elektroden befürchten zu müssen. Die Abweichungen von Gleichung (1) werden durch zusätzliche Phasenverschiebungen bei der Reflexion an den dielektrischen Schichtstapeln hervorgerufen.

In Fig. 4 ist der Reflexionsgrad von dielektrischen Spie geln aus zwei bzw. drei Doppelschichten mit Schichtdicken λ/4.n = 950 nm dargestellt. Im Spektralbereich von (3,1- 4,8) µm erreicht man jeweils Reflexionsgrade von 93% bzw. 97% sowie Maxima von jeweils 97% bzw. 99% bei der Designwellenlänge von 3,8 µm für zwei bzw. drei Doppel schichten. Da 300 µm dicke Si-Substrate verwendet werden, ist die Deformation durch Schichtspannungen auch bei drei Doppelschichten sehr gering. Durch Verwendung einer Anti reflexschicht 15 aus SiO₂ auf der jeweiligen Gegenseite wird eine zusätzliche Spannungskompensation und Entspiege lung erreicht. Eine Blende 16 auf Wafer 4 bestimmt in Ver bindung mit den dielektrischen Schichtstapeln 12 die op tisch aktive Fläche 11 des FPI von 2 × 2 mm².

Bezugszeichenaufstellung

1

Siliziumwafer

2

Siliziumwafer

3

Siliziumwafer

4

Siliziumwafer

5

Spiegelträger

6

Biegefedern

7

beweglicher Spiegel

8

Rahmen

9

feststehender Spiegel

10

Elektroden

11

optisch aktive Fläche

12

dielektrische Schichtstapel

13

Oxidschicht

14

elektrische Anschlusskontakte

15

Antireflexschichten

16

Blend

Claims

1. Durchstimmbares, schmalbandiges Bandpassfilter für die Infrarot-Messtechnik auf der Basis eines in Volumenmik romechanik hergestellten, elektrostatisch angetriebenen Fabry-Perot-Interferometers, dadurch gekennzeichnet, dass
das Filter aus in vier Ebenen angeordneten Siliziumwa fern (1, 2, 3, 4) besteht, wobei
die Ebenen 2 und 3 einen beweglichen Teil aus Spiegel träger (5) und Spiegel (7) beinhalten und dieser bewegliche Teil (5, 7) zwischen den Wafern 1 und 4 an Biegefedern (6), die eine parallelogrammförmige Feder gelenkführung (Festkörpergelenkviereck) bilden, elas tisch aufgehangen ist,
zwischen dem beweglichen Spiegelteil (7) und dem festen Spiegelteil (9) dielektrische Schichtstapel (12) den Resonatorspalt bilden,
zwischen dem beweglichen Spiegelteil (7) und dem festen Spiegelteil (9) die Antriebselektroden (10) und der Feldraum des elektrostatischen Antriebsfeldes räumlich und funktional vom Resonatorraum getrennt sind und se parat ausgeführt werden,
der Elektrodenspalt größer als der Resonatorspalt ist,
die Innenseiten der Wafer (3) und (4) dielektrische Spiegel aus hochbrechenden Polysiliziumschichten und niedrigbrechenden Siliziumdioxidschichten tragen,
die Außenseiten der Wafer (3) und (4) Antireflexschich ten (15) zur Reduzierung der Spiegelverwölbung und der optischen Verluste an der Grenzfläche Luft/Silizium tragen,
zwischen den Waferebenen 1 und 2 sowie 3 und 4 Oxid schichten (13) zur elektrischen Isolation des bewegli chen Teiles (5, 7) angeordnet sind,
die einzelnen Wafer durch Bonden zu einem Bauteil ver bunden werden.

2. Bandpassfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonatorspalt beim Betrieb so variiert werden kann, dass die Grenzen möglicher Wellenlängenbereiche je nach Dimensionierung zwischen 2 µm und 20 µm lie gen.

3. Bandpassfilter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (10) we nigstens zum Teil in Sektoren unterteilt sind, so dass sowohl eine translatorisch wirkende Kraft auf den be weglichen Spiegel zur Steuerung des Resonatorspaltes als auch Drehmomente zur aktiven Regelung der Paralle lität beider Spiegel elektrostatisch erzeugt werden können und eine Detektion des Resonatorspaltes und der Parallelität erreicht werden kann.

4. Bandpassfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Elektro denebene bestehend aus Wafer (1) auf der dem festste henden Spiegel 9 abgewandten Seite so angebracht ist, dass der Stellbereich des Resonatorspaltes hinsichtlich größerer Spiegelabstände erweitert bzw. bei kleinerem Resonatorspalt im mechanischen Ruhezustand der erfor derliche Stellsignalbedarf vermindert wird.