DE10309747A1

DE10309747A1 - Auflichtsensor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10309747A1
Application number: DE10309747A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. Römhild
Original assignee: CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Current assignee: Sartorius Lab Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: US7030359B2; DE10309747B4; US20030168580A1

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für hybrid integrierte optische Auflichtsensoren mit ebenen Glasplatten und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, mit denen die Unterdrückung der parasitären optischen Überkopplung vom Sender zum Empfänger wirkungsvoll und mit einfachen Mitteln gelingt. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass die Schutzschichten in einer Glasschicht angeordnet sind, die transparente und lichtabsorbierende Bereiche aufweist, wobei die transparenten Bereiche über dem Lichtsender und dem Lichtempfänger angeordnet sind und sich dazwischen lichtabsorbierende Bereiche befinden und DOLLAR A dass die Glasschicht aus einem UV-sensitiven Glas erzeugt wird, mit den Schritten DOLLAR A - Belichten der UV-sensitiven Glasschicht in den Bereichen, die im Auflichtsensor zwischen den Empfänger- und Senderbereichen liegen, DOLLAR A und DOLLAR A - Tempern der UV-sensitiven Glasschicht zur Erzeugung lichtabsorbierender Gebiete. DOLLAR A Die Erfindung betrifft einen Auflichtsensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung, bei dem von einem Lichtsender ausgehende Strahlung in einem Messobjekt reflektiert oder remittiert und von einem optischen Empfänger empfangen wird, wobei die Strahlung durch an einem Träger angeordnete transparente Schutzschichten verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Auflichtsensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung, bei dem von einem Lichtsender ausgehende Strahlung an einem Messobjekt reflektiert oder remittiert und von einem optischen Empfänger empfangen wird, wobei die Strahlung durch an einem Träger angeordnete transparente Schutzschichten verläuft.
Optische Auflichtsensoren werden in vielen Bereichen der Steuer- und Regelungstechnik in großen Stückzahlen eingesetzt. Häufig werden sie in Form von so genannten Reflexions-Lichttastern verwendet.
Dabei durchdringt die vom einem Lichtsender ausgehende Strahlung eine transparente Schutzschicht, wird vom Messobjekt remittiert und gelangt teilweise durch die Schutzschicht zu einem optischen Empfänger. Optische Auflichtsensoren erfordern konstruktive Maßnahmen, um die unerwünschte direkte Überkopplung des emittierten Lichts durch die Schutzschicht zum Empfänger wirksam zu verhindern. Diese parasitäre Überkopplung, die auch optisches Übersprechen genannt wird, ist ein generelles Problem dieses Sensorprinzips und bestimmt weitgehend das erreichbare Auflösungsvermögen und den nutzbaren Dynamikbereich.

Bei hybrid integrierten Auflichtsensoren, die diskrete Sender- oder Empfängerbauelemente verwenden und eine direkte optische Kopplung an das Messobjekt ohne Verwendung von Lichtleitern aufweisen, wird die optische Trennung zwischen Sender und Empfänger durch Auffüllen des Zwischenraums mit lichtundurchlässigen Materialien erreicht.

Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass die Sensoroberfläche im allgemeinen nicht mehr eben ist und aus unterschiedlichen Materialien besteht. Auch der Abstand zwischen Sender- und Empfängerbauelementen kann herstellungsbedingt nicht beliebig verringert werden.

Besonders anwendungsfreundlich sind hybrid integrierte Auflichtsensoren, deren Oberfläche aus einer durchgehenden Glasplatte besteht. Durch die vorteilhaften Eigenschaften von Gläsern, wie hohe Transparenz, große Härte und gute Medienbeständigkeit sowie die Kompatibilität zu kostengünstigen mikrotechnischen Batchprozessen eröffnen sich für derartige Sensoren neue Einsatzgebiete der berührenden Messung, z.B. in der Biotechnologie und der Medizin.

Nach WO 99/28971 ist ein Hybrid-Bauelement mit Chip-on-Chip-Anordnung bekannt, bei dem mindestens ein Chip auf einem Siliziumträger angeordnet ist. Die Anwendung dieser Anordnung ermöglicht eine Kontaktierung von eingefügten Bauelementen, die elektrische Anschlüsse auf der Vorder- und auf der Rückseite aufweisen, bei gleichzeitiger Realisierung eines elektrischen Kontaktes zwischen der Rückseite des eingefügten Bauelementes und der Vorderseite des Trägermaterials.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für hybrid integrierte optische Auflichtsensoren mit ebenen Glasplatten und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, mit denen die Unterdrückung der parasitären optischen Überkopplung vom Sender zum Empfänger wirkungsvoll und mit einfachen Mitteln gelingt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Auflichtsensor gelöst, der die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und mit einem Verfahren, welches die in die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Auflichtsensor verfügt über eine Glasplatte mit lichtabsorbierenden Bereichen, deren Form und Lage die Unterdrückung des optischen Übersprechens vom Lichtsender zum Fotoempfänger ermöglichen. Diese Barrieren können vorteilhaft aus einem UV-sensitiven Glas mittels mikrotechnischer Verfahren hergestellt werden.

Dabei sind die Schutzschichten in einer Glasschicht integriert. Die Glasschicht weist transparente und lichtabsorbierende Bereiche auf, wobei die transparenten Bereiche über dem Lichtsender und dem Lichtempfänger angeordnet sind und sich dazwischen lichtabsorbierende Bereiche befinden.

Vorteilhaft ist es dabei, dass die Glasschicht so ausgeführt werden kann, dass sie sich einteilig über mindestens einen Sensorbereich, der aus mindestens einem Empfänger und einem Sender besteht; erstreckt. Natürlich ist es auch möglich, dass sich eine einteilige Glasschicht über mehrere nebeneinander angeordnete Sensorelemente erstreckt.

Durch übereinander geschichtete Glasschichten können die transparenten Bereiche seitlich versetzt angeordnet werden, so dass optische Blenden mit definierten Kantenwinkeln entstehen.

Eine vorteilhafte Ausführung ergibt sich dadurch; dass die Glasschicht mit einem Silizium-Chip verbunden ist, in dem die elektronischen Bauelemente zur Lichtaussendung und Lichtdetektion angeordnet sind und die Glasschicht Kontaktierungs- und Verdrahtungselemente enthält.

Die Glasschicht mit den transparenten und lichtabsorbierenden Bereichen kann dadurch erzeugt werden, dass eine Glasscheibe aus UV-sensitivem Glas in den Bereichen, die lichtabsorbierend sein sollen, also in den Bereichen, die im späteren Auflichtsensor neben den Bereichen liegen, welche die Empfänger- und Senderbauelemente beinhalten, einer UV-Betrahlung unterzogen wird. Anschließend wird die Glasscheibe einem Temperprozess unterworfen.

Ein besonderer Vorteil für die Herstellung ergibt sich dadurch, dass die Erzeugung der lichtabsorbierenden Bereiche in der Glasschicht durch mikrolithografische Verfahren, vorzugsweise durch Verwendung von Mikrolithografiemasken, erfolgen kann. Die Verbindung der übereinander geschichteten Glasschichten kann vorteilhaft durch Diffusionsbonden erfolgen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Auflichtsensors im Schnitt,
2 eine Anordnung mit einer lichtabsorbierende und transparente Bereiche enthaltenden Glasschicht, und
3 eine Anordnung mit dreidimensionaler Gestaltung der Glasschichtbereiche.
Der grundsätzliche Aufbau eines hybriden Auflichtsensors ist in 1 dargestellt. Die vom Lichtsender 1 ausgehende Strahlung durchdringt die transparente Senderschutzschicht 2, wird am Messobjekt 3 reflektiert und gelangt teilweise durch die Empfängerschutzschicht 4 zum optischen Empfänger 5. Zwischen den transparenten Schutzschichten 2 und 4 gelangt ein unerwünschter Anteil des emittierten Lichts über die Überkopplungsstrecke 6 direkt vom Lichtsender 1 zum Empfänger 5.
2 zeigt einen hybrid integrierten Auflichtsensor im Querschnitt, bei dem die Glasschutzschicht 10 aus einem UV-sensitiven Glas hergestellt wurde. Derartige Gläser sind handelsüblich und werden z.B. unter der Bezeichnung FOTURAN^® von der Fa. SCHOTT Glaswerke angeboten. UV-sensitive Gläser können durch eine UV-Belichtung und nachfolgende Temperbehandlung vom ursprünglich transparenten in einen lichtabsorbierenden Zustand gebracht werden. Durch geeignete Lithographiemasken, wie sie in der Mikroelektronik üblich sind, kann die Belichtung auf definierte Glasbereiche begrenzt werden, so dass im Ergebnis des Belichtungs- und Temperprozesses der Bildinhalt der Maske mit sehr hoher Genauigkeit und Detailauflösung quer über die gesamte Glasdicke in keramisierte und stark lichtabsorbierende Gebiete 12 umgewandelt wird. Durch ein entsprechendes Maskenlayout können damit optische Blenden mit mikrotechnischer Genauigkeit im Glas erzeugt werden, die die parasitäre Überkopplung vom Lichtsender zum Lichtempfänger im Auflichtsensor wirkungsvoll unterdrücken.
Der Auflichtsensor verfügt über einen als Siliziumchip ausgebildeten Träger 7 mit der anisotrop geätzten Vertiefung 8 und den integrierten Fotodioden 9, die vorteilhaft symmetrisch zur Vertiefung 8 angeordnet sind. In die Vertiefung 8 wird der Lichtsender, vorzugsweise eine oder mehrere LEDs 15, als Nacktchip montiert. Das komplette Silizium-Chip wird mittels Flip-Chip-Technologie an den Glasträger 10 gelötet.
Die Glasschicht 10 enthält transparente Gebiete 11 und absorbierende Gebiete 12, die durch die oben beschriebene UV-Belichtung und nachfolgende Temperung erzeugt wurden. Gleichzeitig dient die Lötseite der Glasschicht 10 auch als Verdrahtungsebene zum Kontaktieren der aktiven Bauelemente auf dem Siliziumchip 7 oder weiterer Bauelemente neben dem Siliziumchip 7. Durch die Erzeugung der absorbierenden Gebiete, die als optische Blenden wirken, wird sichergestellt, dass die emittierte Strahlung 13 ausschließlich als reflektierte Strahlung 14 am Messobjekt 3 auf die Fotodioden 9 treffen kann und damit das optische Übersprechen wirkungsvoll unterdrückt wird.
Wie aus 3 ersichtlich ist, können zwei oder mehr Glasschichten 10 gestapelt werden. Dabei besteht die Möglichkeit, auch für definierte Strahlwinkel optischen Blenden zu erzeugen. Zu diesem Zweck werden bei der UV-Belichtung die Bildelemente von Glasebene zu Glasebene gegeneinander versetzt. Nach dem Temperprozess entstehen dann treppenartig gestufte Kanten zwischen den transparenten und den absorbierenden Glasvolumina. Diese quasi-dreidimensionale Blendengestaltung kann vorteilhaft zum Unterdrücken der axialen Strahlung von LEDs und der Ausblendung von nutzbarem Licht für Totalreflexionsanwendungen genutzt werden.

1: Lichtsender
2: transparente Senderschutzschicht
3: Messobjekt
4: transparente Empfängerschutzschicht
5: optischer Empfänger
6: Überkopplungsstrecke
7: Träger
8: Vertiefung
9: Fotodiode
10: Glasschicht
11: transparentes Gebiet
12: lichtabsorbierendes Gebiet
13: emittierte Strahlung
14: reflektierte Strahlung
15: LED

Claims

Auflichtsensor, bei dem von einem Lichtsender (1) ausgehende Strahlung an einem Messobjekt (3) reflektiert oder remittiert und von einem optischen Empfänger (5) empfangen wird, wobei die Strahlung durch an einem Träger (7) angeordnete transparente Schutzschichten (2, 4) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschichten (2, 4) in einer Glasschicht (10) angeordnet sind, die transparente (11) und lichtabsorbierende Bereiche (12) aufweist, wobei die transparenten Bereiche (11) über dem Lichtsender (1) und dem Lichtempfänger (5) angeordnet sind und sich dazwischen lichtabsorbierende Bereiche (12) befinden.
Auflichtsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Glasschicht einteilig über mindestens einen Sensorbereich, bestehend aus mindestens einem Empfänger und mindestens einem Sender, erstreckt.
Auflichtsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Glasschichten (10) übereinander geschichtet angeordnet sind, deren transparenten Bereiche (11) seitlich versetzt angeordnet sind, so dass optische Blenden mit definierten Kantenwinkeln entstehen.
Auflichtsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasschicht (10) mit einem Silizium-Chip (7) elektrisch leitend verbunden ist, in dem die elektronischen Bauelemente (9, 15) zur Lichtaussendung und Lichtdetektion angeordnet sind.
Auflichtsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasschicht (10) Kontaktierungs- und Verdrahtungselemente enthält.
Verfahren zur Herstellung von Glasschichten (10) für Auflichtsensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasschicht (10) aus einem UV-sensitiven Glas erzeugt wird, mit den Schritten – Belichten der UV-sensitiven Glasschicht (10) in den Bereichen, die im Auflichtsensor zwischen den Empfänger- und Senderbereichen liegen und – Tempern der UV-sensitiven Glasschicht (10) zur Erzeugung lichtabsorbierender Gebiete.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der lichtabsorbierenden Bereiche in der Glasschicht (10) durch mikrolithografische Verfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei übereinander geschichtete Glasschichten (10) durch Diffusionsbonden miteinander verbunden werden.