DE19523526C2 - Micro-optical component - Google Patents
Micro-optical componentInfo
- Publication number
- DE19523526C2 DE19523526C2 DE1995123526 DE19523526A DE19523526C2 DE 19523526 C2 DE19523526 C2 DE 19523526C2 DE 1995123526 DE1995123526 DE 1995123526 DE 19523526 A DE19523526 A DE 19523526A DE 19523526 C2 DE19523526 C2 DE 19523526C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- optical
- micro
- component according
- membrane
- optical component
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 60
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 41
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 27
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 14
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 8
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 8
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 5
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 4
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000004922 lacquer Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
- G02B26/02—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/38—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using extension or expansion of solids or fluids
- G01J5/42—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using extension or expansion of solids or fluids using Golay cells
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
- G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R23/00—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00
- H04R23/008—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00 using optical signals for detecting or generating sound
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Micromachines (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrooptisches Bauelement, das beispiels weise als Mikrofon, als Drucksensor oder als Golay-Zelle eingesetzt werden kann. Die Anwendungsmöglichkeiten des Bauelements sind äußerst vielfältig. Es läßt sich je nach Ausführungsform in einem breiten Parameterbereich einsetzen.The present invention relates to a micro-optical component, for example be used as a microphone, as a pressure sensor or as a Golay cell can. The possible uses of the component are extremely diverse. It can be used in a wide range of parameters depending on the embodiment.
Die Verwendung optischer Bauelemente bietet den Vorteil geringer Anfälligkeit ge genüber elektromagnetischen Störungen in der Nähe des Sensors. Im Gegen satz zu Mikrofonen oder Druckaufnehmern auf der Basis von Kapazitäts messungen zur Erfassung der Bewegung von Membranen werden bei der vor liegenden Erfindung die Eigenschaften der Totalreflexion an ebenen optischen Flächen ausgenutzt.The use of optical components offers the advantage of low susceptibility against electromagnetic interference in the vicinity of the sensor. In the opposite Set to microphones or pressure transducers based on capacity Measurements to record the movement of membranes are made at the front lying invention the properties of total reflection on flat optical Utilized areas.
Totalreflexion tritt an der Trennfläche zweier optischer Medien mit unterschiedli chen Brechungsindizes auf. In einem Medium 1 mit dem Brechungsindex n1 trifft eine ebene einfallende elektromagnetische Welle unter einem Winkel der Totalreflexion auf eine Trennfläche, an die ein Medium 2 mit einem Brechungs index n2 < n1 grenzt. Jenseits der Trennfläche (d. h. im Medium 2) läuft parallel zur Trennfläche eine Oberflächenwelle, die auf die nächste Nachbarschaft der Trennfläche beschränkt ist. Die Amplituden der Oberflächenwellen dringen nur ca. 3-4 Wellenlängen tief in das Medium mit n2 ein.Total reflection occurs at the interface of two optical media with different refractive indices. In a medium 1 with the refractive index n1, a plane incident electromagnetic wave hits an interface at an angle of total reflection, to which a medium 2 with a refractive index n2 <n1 borders. Beyond the interface (ie in medium 2 ), a surface wave runs parallel to the interface, which is limited to the closest neighborhood of the interface. The amplitudes of the surface waves penetrate only about 3-4 wavelengths deep into the medium with n2.
Bei Annäherung eines weiteren optischen Mediums 3, vorzugsweise mit dem Brechungsindex n1, bis auf einen Abstand von weniger als 4 Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung an die Trennfläche dringt ein Teil der Oberflächenwellen in das Medium 3 ein. Dies um so mehr, je geringer der Abstand zur Trennfläche ist. Dies führt zu einer Störung der Totalreflexion. Bei hinreichend kleinem Abstand des Mediums 3 zur Trennfläche tritt keine Totalreflexion mehr auf. Die reflektierte Amplitude der elektromagnetischen Welle wird um so kleiner, je kleiner der Abstand zwischen den Medien 1 und 3 wird.When another optical medium 3 approaches, preferably with the refractive index n1, up to a distance of less than 4 wavelengths of the electromagnetic radiation at the separating surface, some of the surface waves penetrate into the medium 3 . The smaller the distance to the separating surface, the more so. This leads to a disturbance of the total reflection. If the distance between the medium 3 and the separating surface is sufficiently small, total reflection no longer occurs. The smaller the distance between media 1 and 3 , the smaller the reflected amplitude of the electromagnetic wave.
Die DE 39 14 031 beschreibt einen mikromechanischen Aktuator mit einer Membran, die gegenüber einem feststehenden Teil des Aktuators beweglich ist. Der Aktuator kann als Lichtmodulator oder Lichtventil eingesetzt werden.DE 39 14 031 describes a micromechanical actuator a membrane facing a fixed part of the actuator is mobile. The actuator can be used as a light modulator or light valve become.
Auch aus der EP 0 004 411 ist ein Lichtmodulator als mikrooptisches Bauelement bekannt, bei dem eine erste Oberfläche eines Prismas durch einen geringen Spalt von der Oberfläche eines weiteren Körpers beabstandet ist. Ein im Prisma verlaufender Laserstrahl erfährt an der ersten Oberfläche eine Totalreflexion, deren Betrag durch Veränderung der Spaltbreite moduliert wird.EP 0 004 411 also describes a light modulator as a micro-optical one Component known in which a first surface of a prism through a is a small gap from the surface of another body. A A laser beam running in the prism experiences one on the first surface Total reflection, the amount of which is modulated by changing the gap width.
Mikrooptische Bauelemente als Mikrofone sind z. B. aus W. Göpel et al., Sensors, Volume 7, Seite 621-623 bekannt. Diese arbeiten jedoch nach anderen Prinzipien. So wird beispielsweise der Strahlversatz des an einer bewegten Membran direkt reflektierten Strahls für die Erfassung der Bewegung der Membran eingesetzt.Micro-optical components as microphones are e.g. B. from W. Göpel et al., Sensors, Volume 7, page 621-623. However, these rework other principles. For example, the beam offset of the one moving membrane directly reflected beam for the detection of movement the membrane used.
In der DE 32 47 843 ist ein Mikrofon beschrieben, das die Änderung der Totalreflexion bei der Annäherung zweier Medien ausnutzt. Das Mikrofon enthält einen für optische Strahlung transparenten Basiskörper mit ebener Oberfläche und eine Membran, die an einer Vielzahl von über die ebene Oberfläche verteilten Punkten an dieser anliegt. Der Basiskörper besteht aus einem für optische Strahlung transparenten Material und ist mit einer Vorrichtung zum Einkoppeln einer optischen Strahlung sowie einer Vorrichtung zum Auskoppeln von Strahlen, die an der ebenen Oberfläche Totalreflexion erfahren, versehen. Das Ausgangssignal des Mikrofons hängt von der Änderung der Totalreflexion ab, die dadurch eintritt, daß die Membran durch Schallschwingungen mehr oder weniger stark an die Oberfläche des Basiskörpers angedrückt wird.DE 32 47 843 describes a microphone that changes the Total reflection is used when two media come together. The microphone contains a transparent base body for optical radiation with a flat one Surface and a membrane attached to a variety of over the level Surface distributed points on this. The basic body consists of a transparent material for optical radiation and is with a Device for coupling in optical radiation and a device for decoupling rays, total reflection on the flat surface experienced, provided. The output signal of the microphone depends on the Change in total reflection, which occurs because the membrane through Sound vibrations more or less strongly to the surface of the Base body is pressed.
Dieses Mikrofon ist jedoch nicht miniaturisierbar. Seine Betriebseigenschaften sind zudem aufgrund der undefinierten Oberflächenkontakte zwischen Membran und Basiskörper nicht kontrollierbar.However, this microphone cannot be miniaturized. His Operating characteristics are also due to the undefined Surface contacts between the membrane and the base body cannot be checked.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mikrooptisches Bauelement mit streng definierbaren Eigenschaften für Sensoranwendungen anzugeben, das eine hohe Empfindlichkeit aufweist und mit Mitteln der Halbleitertechnologie herstellbar ist.The object of the present invention is a micro-optical Component with strictly definable properties for sensor applications specify that has a high sensitivity and by means of Semiconductor technology can be produced.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved with the subject matter of the claim 1 solved. Preferred embodiments are in the subclaims specified.
Das erfindungsgemäße mikrooptische Bauelement weist eine Membran und ein optisches Element auf. Ein ebener Oberflächenbereich des optischen Elements liegt der Membranoberfläche in einem geringen Abstand gegenüber, so daß ein im wesentlichen paralleler Spalt zwischen beiden Oberflächen besteht. Das optische Element ist so gestaltet, daß optische Strahlung in das optische Element eingekoppelt, darin unter einem Winkel der Totalreflexion an dem ebenen Oberflächenbereich, der der Membranoberfläche gegenüber liegt, reflektiert, und der reflektierte Anteil aus dem optischen Element ausgekoppelt werden kann. Das optische Element ist für den Wellenlängenbereich der einzukoppelnden optischen Strahlung transparent.The micro-optical component according to the invention has a membrane and an optical element. A flat surface area of the optical Elements is a short distance from the membrane surface, so that a substantially parallel gap between the two surfaces consists. The optical element is designed so that optical radiation in the optical element coupled in at an angle of total reflection the flat surface area that lies opposite the membrane surface, reflected, and the reflected portion is coupled out of the optical element can be. The optical element is for the wavelength range optical radiation to be coupled in transparent.
Die Membran trägt einen Tastkörper in Form einer Erhebung auf der dem optischen Element zugewandten Seite. Hierbei ist der Abstand der Membran zum optischen Element so gewählt, daß eine Bewegung der Membran die Intensität des reflektierten Anteils der optischen Strahlung durch Störung der Totalreflexion an der Grenzfläche des optischen Elements zum Spalt beeinflußt. Der Abstand der Tastkörperoberfläche zum ebenen Oberflächenbereich des optischen Elementes liegt daher in der Größenordnung einer oder mehrerer Wellenlängen der einzukoppelnden optischen Strahlung, vorzugsweise bei weniger als vier Wellenlängen (Anspruch 4).The membrane carries a probe in the form of an elevation on the the side facing the optical element. Here the distance is the Membrane to the optical element chosen so that a movement of the Membrane the intensity of the reflected portion of the optical radiation Disturbance of total reflection at the interface of the optical element to Gap affected. The distance from the probe surface to the plane Surface area of the optical element is therefore in the Magnitude of one or more wavelengths of the to be coupled optical radiation, preferably at less than four wavelengths (Claim 4).
Unter optischer Strahlung ist hierbei elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich vom tiefen Ultraviolett bis ins ferne Infrarot zu verstehen. Die Strahlung, mit der das mikrooptische Bauelement betrieben wird, hat vorzugsweise eine sehr geringe Bandbreite innerhalb dieses Wellenlängenbereiches.Under optical radiation is electromagnetic radiation in the Understand the wavelength range from deep ultraviolet to far infrared. The radiation with which the micro-optical component is operated has preferably a very small bandwidth within this Wavelength range.
Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Bauelements wird optische Strahlung, beispielsweise die Strahlung eines Lasers, in das optische Element eingekoppelt und unter einem Winkel der Totalreflexion am ersten Oberflächenbereich, der Grenzfläche (Trennfläche) zwischen optischem Element und Spalt, reflektiert. Die reflektierte Intensität des Laserstrahls wird detektiert. Aufgrund des geringen Abstandes von wenigen Wellenlängen dieser Trennfläche zum Tastkörper der Membran wird die Totalreflexion an der Trennfläche, wie bereits weiter oben ausgeführt, durch die Membran gestört. Je näher die Membran an die Trennfläche gelangt, desto geringer ist der reflektierte Anteil der einfallenden Laserstrahlung. Über die Detektion der reflektierten Intensität ist somit eine Beziehung zur Bewegung der Membran, z. B. aufgrund einer Druckschwankung eines anliegenden Druckes oder einer Schallwelle, hergestellt.When using the component according to the invention, optical Radiation, for example the radiation from a laser, into the optical element coupled in and at an angle of total reflection on the first Surface area, the interface (interface) between optical Element and gap, reflected. The reflected intensity of the laser beam is detected. Because of the short distance of a few wavelengths The total reflection at the interface to the probe body of the membrane Interface, as already explained above, disturbed by the membrane. Each the closer the membrane gets to the separation surface, the lower the reflected portion of the incident laser radiation. About the detection of the reflected intensity is thus related to the movement of the membrane, e.g. B. due to a pressure fluctuation of an applied pressure or Sound wave.
Der Tastkörper kann beliebig geformt sein, z. B. wie ein Abschnitt einer Kugeloberfläche (Anspruch 2), ellipsenförmig oder spitz. Über die Form des Tastkörpers läßt sich in vorteilhafter Weise die Ausgangskennlinie des Bauelements, d. h. die Abhängigkeit der reflektierten Intensität vom Abstand des Tastkörpers bzw. der Membran zum optischen Element, steuern. Die geeignete Form des Tastkörpers zur Erzielung einer bestimmten Ausgangskennlinie läßt sich numerisch ermitteln. So bewirkt z. B. ein Tastkörper mit einer kugelförmigen Oberfläche eine exponentielle Ausgangskennlinie. Des weiteren werden durch einen beispielsweise kugelförmigen Tastkörper störende Rückreflexionen in das optische Element deutlich vermindert. Der Tastkörper besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das optische Element (Anspruch 3). The probe body can have any shape, e.g. B. like a section of a Spherical surface (claim 2), elliptical or pointed. About the shape of the Probe body can be the output characteristic of the Component, d. H. the dependence of the reflected intensity on the distance control the probe or the membrane to the optical element. The suitable shape of the probe body to achieve a certain The output characteristic can be determined numerically. So z. B. a Probe body with a spherical surface is exponential Output characteristic. Furthermore, for example spherical probe body disturbing back reflections in the optical element significantly reduced. The probe body preferably consists of the same Material such as the optical element (claim 3).
Das erfindungsgemäße Bauelement kann mit Mitteln der Halbleitertechnologie, z. B. auf Siliziumbasis, gefertigt werden. Über die Dicke und geometrische Form der Membran (Anspruch 13, 15) sowie die Breite des bei der Herstellung definiert einstellbaren Spaltes lassen sich die Eigenschaften des Bauelementes für den Einsatz als Sensor exakt vorbestimmen.The component according to the invention can by means of Semiconductor technology, e.g. B. silicon-based. About the thickness and geometric shape of the membrane (claim 13, 15) and the width of the The gap which can be defined in the production can be defined Precise properties of the component for use as a sensor predetermined.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements nach Anspruch 14 bilden Membran, erster Oberflächenbereich (Trennfläche) des optischen Elements und seitliche Begrenzungsflächen einen abgeschlossenen Hohlraum. Dieser Hohlraum kann als Referenzzelle bei Einsatz des Bauelements als Drucksensor oder als Golay-Zelle dienen. Für den Einsatz als Golay-Zelle kann auf die Rückseite (die dem Hohlraum abgewandte Seite) der Membran zusätzlich eine lichtabsorbierende Schicht aufgebracht sein (Anspruch 16).In a further advantageous embodiment of the invention The component according to claim 14 form the membrane, the first surface area (Partition surface) of the optical element and lateral boundary surfaces closed cavity. This cavity can be used as a reference cell Use of the component as a pressure sensor or as a Golay cell. For use as a Golay cell can be on the back (which is the cavity opposite side) of the membrane additionally a light-absorbing layer be applied (claim 16).
Das erfindungsgemäße Bauelement wird nachfolgend anhand des Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert.The component according to the invention is described below using the Embodiment and the drawings explained in more detail.
Dabei zeigen:Show:
Fig. 1: ein Beispiel für die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauelements; und FIG. 1 shows an example of the configuration of the component according to the invention; and
Fig. 2a-k: ein Beispiel für die Herstellung des Bauelements aus Fig. 1. Fig. 2a-k: an example of the fabrication of the device of Fig. 1.
Ein Beispiel für eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements ist in Fig. 1 dargestellt. Das Bauelement, im folgenden auch als Sensor bezeichnet, ist zweiteilig aufgebaut. Der erste, optische Teil des Sensors (optisches Element, 2) besteht aus einem Einkoppelelement (10), einem geeignet geformten Prisma (12) und aus einem Auskoppelelement (11). Ein von links eingekoppelter Lichtstrahl (6), z. B. mit Hilfe einer Faseroptik (15), trifft auf einen Spiegel (16), der auf das optische Medium (13, Substrat oder Schicht) aufgedampft ist. Mit Hilfe der Grautonlithographie läßt sich der schräge Winkel des Spiegels bzw. des optischen Materials geeignet herstellen. An example of a possible embodiment of the component according to the invention is shown in FIG. 1. The component, also referred to below as a sensor, is constructed in two parts. The first, optical part of the sensor (optical element, 2 ) consists of a coupling element ( 10 ), a suitably shaped prism ( 12 ) and a coupling element ( 11 ). A light beam coupled in from the left ( 6 ), e.g. B. with the aid of fiber optics ( 15 ), hits a mirror ( 16 ) which is vapor-deposited onto the optical medium ( 13 , substrate or layer). With the help of gray-tone lithography, the oblique angle of the mirror or the optical material can be suitably produced.
Der Lichtstrahl tritt dann aus dem Medium wieder heraus um unter geeignetem Winkel auf die Kathetenfläche des Prismas (12) zu treffen. Die Winkel der Kathetenflächen des Prismas werden ebenfalls mittels Grautonlithographie definiert. Auf der Grundfläche (4) des Prismas findet Totalreflexion statt. Der Lichtweg nach der Totalreflexion ist spiegelsymmetrisch zum Einfallsweg, so daß der reflektierte Lichtstrahl (7) schließlich wiederum mit einer Lichtleitfaser (15) ausgekoppelt werden kann.The light beam then emerges from the medium in order to strike the catheter surface of the prism ( 12 ) at a suitable angle. The angles of the catheter surfaces of the prism are also defined using gray tone lithography. Total reflection takes place on the base ( 4 ) of the prism. The light path after total reflection is mirror-symmetrical to the path of incidence, so that the reflected light beam ( 7 ) can in turn be coupled out again with an optical fiber ( 15 ).
Ein wesentlicher Bestandteil dieses optischen Aufbaus ist der Einbau von "Cross Talk Barriers" (14) in das optische Element 2. Das sind Bereiche, die für die zu reflektierende Strahlung undurchlässig sind. Sie dienen dazu, Streulicht, das beim Einkoppeln von Licht an den Lichtleitfasern, den Spiegeln, usw. entsteht, vom Prisma (12) und der Totalreflexionsfläche (4) fernzuhalten.An essential component of this optical structure is the installation of "cross talk barriers" ( 14 ) in the optical element 2 . These are areas that are opaque to the radiation to be reflected. They serve to keep stray light, which is created when light is coupled into the optical fibers, the mirrors, etc., away from the prism ( 12 ) and the total reflection surface ( 4 ).
Der zweite, die Membran (3) tragende Teil (1) des Sensors besteht aus einem Siliziumsubstrat (9). Die Membran (3) wird durch den dünngeätzten Bereich dieses Siliziumsubstrates gebildet. Dies ist ein Standardverfahren. Auf der Membranoberfläche (5) befindet sich ein in geeigneter Form hergestellter Tastkörper (8) (in Fig. 1 beispielsweise ein Ellipsoid), der sich mit Hilfe der Grautonlithographie strukturieren läßt. Die Form des Tastkörpers richtet sich nach den jeweiligen Anwendungsbedingungen und gewünschten Eigenschaften des Sensors, wobei der Brechungsindex des Tastkörpermaterials vorzugsweise dem des Prismas entspricht. Für die Anwendung des Sensors als Mikrofon wird dessen akustische Charakteristik durch die Geometrie der Membran und des Tastkörpers sowie durch die verwendeten Materialien festgelegt.The second part ( 1 ) of the sensor, which carries the membrane ( 3 ), consists of a silicon substrate ( 9 ). The membrane ( 3 ) is formed by the thinly etched area of this silicon substrate. This is a standard procedure. On the membrane surface ( 5 ) there is a probe body ( 8 ) produced in a suitable form (for example an ellipsoid in FIG. 1), which can be structured with the aid of gray-tone lithography. The shape of the probe body depends on the respective application conditions and desired properties of the sensor, the refractive index of the probe body material preferably corresponding to that of the prism. When using the sensor as a microphone, its acoustic characteristics are determined by the geometry of the membrane and the probe body as well as by the materials used.
Das optische Element und der Tastkörper können beispielsweise aus normalem Glas oder Quarzglas (für UV), vorzugsweise jedoch aus einem im sichtbaren Spektralbereich transparenten Lack bestehen. Bei Verwendung des Lackes kann der Sensor mit der Strahlung eines HeNe-Lasers mit einer Zentralwellenlänge von 628 nm (eingekoppelt über die Lichtleitfaser 15) betrieben werden.The optical element and the probe body can consist, for example, of normal glass or quartz glass (for UV), but preferably of a varnish that is transparent in the visible spectral range. When using the lacquer, the sensor can be operated with the radiation of a HeNe laser with a central wavelength of 628 nm (coupled in via the optical fiber 15 ).
Die Membran mit einer Dicke von vorzugsweise weniger als einem Mikrometer (beliebige Dicken sind jedoch möglich) wird durch Schallwellen, Druckverände rungen oder Volumenänderungen durch Erwärmung (Golay-Zelle) bewegt, so daß die Totalreflexion an der Grundfläche (4) des Prismas gestört wird. Dabei läßt sich die Amplitudenveränderung des reflektierten Laserstrahls direkt als Si gnal (mit nachfolgender Signalbearbeitung) auswerten.The membrane with a thickness of preferably less than a micrometer (any thickness is possible) is moved by sound waves, pressure changes or volume changes by heating (Golay cell), so that the total reflection on the base ( 4 ) of the prism is disturbed. The change in amplitude of the reflected laser beam can be evaluated directly as a signal (with subsequent signal processing).
Für die Anwendung als Mikrofon kann die Membran (3) sowohl perforiert als auch geschlossen ausgeführt werden. Für die Anwendung als Drucksensor ist das Volumen zwischen Membran und Prisma durch die seitlichen Begrenzungs flächen (17) rundum geschlossen und kann als Referenzzelle dienen. Die Verwendung geeigneter Materialien (keine Metalle) erlaubt auch den Einsatz des Sensors in agressiven Gasatmosphären. Für die Verwendung des Sensors als Golay-Zelle muß das Sensorvolumen ebenfalls geschlossen sein. Auf der Unterseite (18) der Membran wird eine geeignete, dünne, lichtabsorbierende Schicht aufgebracht (aufgedampft). Beim Auftreffen von Licht, dessen Intensität bestimmt werden soll, auf die absorbierende Schicht werden diese und das ein geschlossene Gasvolumen erwärmt. Dies führt zu einer Ausdehnung der Membran nach unten. Diese Ausdehnung verändert wiederum den Abstand zwi schen Tastkörper (8) und Prismagrundfläche (4), so daß die Volumenverände rung über eine Intensitätsänderung der an der Prismengrundfläche reflektierten optischen Strahlung gemessen werden kann.For use as a microphone, the membrane ( 3 ) can be perforated or closed. For use as a pressure sensor, the volume between the diaphragm and prism is completely closed due to the lateral boundary surfaces ( 17 ) and can serve as a reference cell. The use of suitable materials (no metals) also allows the sensor to be used in aggressive gas atmospheres. The sensor volume must also be closed in order to use the sensor as a Golay cell. A suitable, thin, light-absorbing layer is applied (evaporated) to the underside ( 18 ) of the membrane. When light hits the absorbing layer, the intensity of which is to be determined, the latter and the closed gas volume are heated. This leads to an expansion of the membrane downwards. This extension in turn changes the distance between the probe body ( 8 ) and the prism base ( 4 ), so that the volume change can be measured via a change in intensity of the optical radiation reflected on the prism base.
Der Sensor muß nicht notwendigerweise die in den Figuren dargestellte Struktur aufweisen. Mit einem geeigneten Verfahren läßt sich z. B. anstelle der Lichtein koppelfaser (15) ein Diodenlaser auf dem Sensor integrieren. Auch die Auskoppelfaser kann durch ein lichtempfindliches Element (z. B. Fotodetektor) ersetzt werden, falls die Anwendung dies erlaubt.The sensor does not necessarily have to have the structure shown in the figures. With a suitable method, for. B. instead of the light coupling fiber ( 15 ) integrate a diode laser on the sensor. The outcoupling fiber can also be replaced by a light-sensitive element (e.g. photo detector), if the application allows it.
Die prinzipiellen Herstellungsschritte des in Fig. 1 dargestellten Sensors sind in den Fig. 2a-k dargestellt. Es handelt sich hierbei um bekannte Prozesse und Verfahren der Halbleitertechnologie.The basic manufacturing steps of the sensor shown in FIG. 1 are shown in FIGS. 2a-k. These are known processes and procedures in semiconductor technology.
Zunächst wird ein Siliziumsubstrat (9) bereitgestellt (Fig. 2a), in dessen Oberfläche in einem Ätzschritt das spätere Sensorvolumen (legt den Abstand zwischen der Basisfläche des Prismas und der Membranoberfläche fest) strukturiert wird (Fig. 2b). Die auf diese Art erzeugte Vertiefung wird mit Fotoresist (19) aufgefüllt und der Fotoresist wird über eine 3-D Fotomaske (20) belichtet (Grautonlithographie, Fig. 2c). Die Form des Tastkörpers (8) wird in ei nem nachfolgenden Ätzschritt erzeugt (Fig. 2d). Auf das strukturierte Substrat (9) wird ein zweites Substrat (13, beispielsweise aus Quarzglas, Glas oder aus einer transparenten Lackschicht) mit einer SiO2-Schicht (21) aufgebracht. Die beiden Substrate werden durch Kleben oder mittels Silicon Bonding (vergl. z. B. DE 41 15 046) miteinander verbunden (Fig. 2c). Auf die Oberfläche des Substrates (13) wird ein Fotoresist (22) aufgebracht und mittels Grautonlithogra phie (3-D-Maske 23) zur Definition der Struktur des optischen Elements belichtet (Fig. 2f). Die Struktur des optischen Elements wird in einem nachfolgenden Ätz schritt (Fig. 2g) erzeugt. Schließlich werden die Spiegel (16) aufgedampft (Fig. 2h), die Bereiche (14), die für die zu reflektierende Strahlung undurchlässig sind, z. B. aus SiN, erzeugt (Fig. 2i), das Substrat (9) von der Rückseite zur Erzeugung der Membran (3) dünn geätzt (Fig. 2j) und die Lichteinkoppel- und Lichtauskop pelfasern (15) angebracht (Fig. 2k).First, a silicon substrate ( 9 ) is provided ( FIG. 2a), in the surface of which the subsequent sensor volume (defines the distance between the base surface of the prism and the membrane surface) is structured in an etching step ( FIG. 2b). The depression produced in this way is filled with photoresist ( 19 ) and the photoresist is exposed via a 3-D photo mask ( 20 ) (gray-tone lithography, FIG. 2c). The shape of the probe body ( 8 ) is generated in a subsequent etching step ( Fig. 2d). A second substrate ( 13 , for example made of quartz glass, glass or a transparent lacquer layer) with an SiO 2 layer ( 21 ) is applied to the structured substrate ( 9 ). The two substrates are connected to one another by gluing or by means of silicone bonding (cf., for example, DE 41 15 046) ( FIG. 2c). A photoresist ( 22 ) is applied to the surface of the substrate ( 13 ) and exposed using gray-tone lithography (3-D mask 23 ) to define the structure of the optical element ( FIG. 2f). The structure of the optical element is generated in a subsequent etching step ( Fig. 2g). Finally, the mirror ( 16 ) is evaporated ( Fig. 2h), the areas ( 14 ) that are opaque to the radiation to be reflected, for. B. from SiN, produced ( Fig. 2i), the substrate ( 9 ) from the back to produce the membrane ( 3 ) thinly etched ( Fig. 2j) and the light coupling and Auskopkop light fibers ( 15 ) attached ( Fig. 2k) .
Die Herstellung eines derartigen Sensors ist mit geringem Materialverbrauch möglich. Aufgrund der hohen Flexibilität bei der Ausgestaltung, und abhängig von der Bauart, einer hohen Sensitivität, zeichnet sich der Sensor durch einen große Einsatzbandbreite aus.The manufacture of such a sensor requires little material possible. Because of the high flexibility in the design, and dependent the sensor is characterized by its high sensitivity, wide range of applications.
Claims (19)
ein erster Oberflächenbereich (4) des optischen Elements einer ersten Oberfläche (5) der Membran in einem geringen Abstand gegenüberliegt, optische Strahlung (6) in das optische Element eintreten und an dem ersten Oberflächenbereich unter einem Winkel der Totalreflexion reflektiert werden kann, und
der reflektierte Anteil (7) der optischen Strahlung aus dem optischen Element austreten kann,
wobei die Membran auf der ersten Oberfläche einen Tastkörper (8) trägt, der dem ersten Oberflächenbereich des optischen Elements gegenüberliegt, und
der Abstand zwischen dem ersten Oberflächenbereich des optischen Elements und der ersten Oberfläche der Membran so eingestellt ist, daß durch eine Bewegung der Membran die Höhe des reflektierten Anteils der optischen Strahlung beeinflußt wird.1. Micro-optical component having a membrane ( 3 ) and an optical element ( 2 ) which are arranged so that
a first surface area ( 4 ) of the optical element lies opposite a first surface ( 5 ) of the membrane at a short distance, optical radiation ( 6 ) can enter the optical element and can be reflected at the first surface area at an angle of total reflection, and
the reflected portion ( 7 ) of the optical radiation can emerge from the optical element,
wherein the membrane carries on the first surface a probe body ( 8 ) which is opposite to the first surface area of the optical element, and
the distance between the first surface area of the optical element and the first surface of the membrane is set such that the height of the reflected portion of the optical radiation is influenced by movement of the membrane.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1995123526 DE19523526C2 (en) | 1995-06-28 | 1995-06-28 | Micro-optical component |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1995123526 DE19523526C2 (en) | 1995-06-28 | 1995-06-28 | Micro-optical component |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19523526A1 DE19523526A1 (en) | 1997-01-02 |
| DE19523526C2 true DE19523526C2 (en) | 1999-03-25 |
Family
ID=7765490
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE1995123526 Expired - Fee Related DE19523526C2 (en) | 1995-06-28 | 1995-06-28 | Micro-optical component |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19523526C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10308085B4 (en) * | 2002-03-08 | 2006-09-07 | Leuze Electronic Gmbh & Co Kg | Optoelectronic device |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NO315397B1 (en) | 2001-11-13 | 2003-08-25 | Sinvent As | Optical offset sensor |
| DE102006013345B4 (en) * | 2006-03-23 | 2009-04-09 | Lukas Balthasar Fischer | Optical microphone without membrane |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0004411B1 (en) * | 1978-03-27 | 1981-08-05 | International Business Machines Corporation | Optical device for and method of amplitude modulation of light beam |
| DE3247843C1 (en) * | 1982-12-23 | 1983-12-29 | Max Planck Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 3400 Göttingen | microphone |
| DE3914031A1 (en) * | 1989-04-28 | 1990-10-31 | Messerschmitt Boelkow Blohm | MICROMECHANICAL ACTUATOR |
-
1995
- 1995-06-28 DE DE1995123526 patent/DE19523526C2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0004411B1 (en) * | 1978-03-27 | 1981-08-05 | International Business Machines Corporation | Optical device for and method of amplitude modulation of light beam |
| DE3247843C1 (en) * | 1982-12-23 | 1983-12-29 | Max Planck Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 3400 Göttingen | microphone |
| DE3914031A1 (en) * | 1989-04-28 | 1990-10-31 | Messerschmitt Boelkow Blohm | MICROMECHANICAL ACTUATOR |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10308085B4 (en) * | 2002-03-08 | 2006-09-07 | Leuze Electronic Gmbh & Co Kg | Optoelectronic device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19523526A1 (en) | 1997-01-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE19544125B4 (en) | Method for producing a diffraction grating, optical waveguide component and their uses | |
| EP3428622B1 (en) | Diffractive biosensor | |
| EP1250618B1 (en) | Method for producing a grid structure, an optical element, an evanescence field sensor plate, a microtiter plate and an optical communication coupler as well as a device for monitoring a wavelength | |
| DE69636019T2 (en) | Integrated optical interferometric sensor | |
| DE69636941T2 (en) | Output power control device, projection display device, infrared sensor and non-contact thermometer | |
| DE69721328T2 (en) | FIBER COVER WITH LOWERED BREAKING INDEX FOR REDUCING THE COUPLING TO COATING FASHIONS IN FIBER GRIDS | |
| EP1144973B1 (en) | Method of producing calibration structures in semiconductor substrates | |
| DE19608428C2 (en) | Chemical sensor | |
| DE60217535T2 (en) | OPTICAL TRANSMISSION SENSOR ELEMENT | |
| DE19623153B4 (en) | Optocoupler and method of making the same | |
| DE112019002367T5 (en) | Meta-surface structure and method for producing a meta-surface structure | |
| DE19523526C2 (en) | Micro-optical component | |
| EP3948423A1 (en) | Optical arrangement and lithography apparatus | |
| EP2287592A1 (en) | Micro-optical construction element and method for its production | |
| DE3608599C2 (en) | ||
| DE102020003758A1 (en) | GRID PART AND MANUFACTURING METHOD FOR IT | |
| DE10013261A1 (en) | Micromechanically manufacturable optical beam splitter has reflective aluminum coated silicon nitride membrane with dot pattern of openings | |
| DE19621188A1 (en) | Optical sensor for determining the angle of rotation of an axis of rotation | |
| DE60118474T2 (en) | Optical element and method for its production | |
| DE102004058044B4 (en) | Spatial frequency filter device and method for spatial frequency filtering of laser beams | |
| DE102012025565A1 (en) | Optical coupling system used for optical communication, has optical coupler whose mirror surface and outer surface are aligned such that outgoing light beam is reflected at mirror surface | |
| WO2010048911A1 (en) | Apparatus having an emitter contact, a collector contact and a gap, and method for the production thereof | |
| EP1323170B1 (en) | X-ray optical system | |
| DE102017201129A1 (en) | Device for limiting an angle of incidence of light, microspectrometer and method of manufacturing the device | |
| DE19502624A1 (en) | Mask for three-dimensional structuring |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |