DE4137060C2 - Mikroküvette für die Infrarotspektroskopie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Küvette für den Einsatz in der Infrarotspektroskopie. Die Infrarot­ spektroskopie ist eine einfache und unter Zuhilfenahme der Fouriertransformationstechnik auch eine schnelle Methode, um die Zusammensetzung von Materialien zu charakterisieren.

Bei dieser Methode werden in dem zu untersuchenden Material mittels Infrarotlicht mit einer Wellenzahl im Bereich von 250 cm^-1 bis 7000 cm^-1 Molekülschwingungen angeregt und die Absorptionsmaxima gemessen.

Durch vergleichende Messungen an Substanzen und an ähnlich zusammengesetzten, bekannten Substanzen können aus der Änderung der Lage und der Höhe der Absorp­ tionsmaxima Rückschlüsse auf die zu untersuchende Sub­ stanz gezogen werden.

Sehr oft reichen jedoch die durch eine solche Messung erhaltenen relativen Angaben nicht aus. Um absolute Aussagen machen zu können, müssen die Absorptionsquer­ schnitte der interessierenden Molekülschwingungen ge­ messen werden. Hierzu sind Meßreihen notwendig, bei der die Absorption an Proben unterschiedlicher Dicke be­ stimmt wird.

Je höher die Absorption der zu untersuchenden Substanz ist, desto geringer muß die Probendicke gewählt werden, um ausreichende Intensitäten nach der Transmission der Infrarotstrahlen zu erhalten.

Für Infrarotspektroskopiemessungen an Flüssigkeiten sind Küvetten mit den unterschiedlichsten Merkmalen und Spaltbreiten vorgeschlagen worden, darunter Küvetten mit variablem Küvettenspalt. Insbesondere ist eine Küvette für die Infrarotspektroskopie mit einem Eintritts- und einem Austrittsfenster, wenigstens einem Probenvolumen und einem Abstandshalter, also eine Küvette gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aus der DE 40 04 990 A1 bekannt.

Derzeit sind auf dem Markt jedoch keine Küvetten mit einer geringeren Spaltbreite als 25 µm erhältlich.

Bei vielen Substanzen ist die Absorption durch die interessierenden Molekülschwingungen so stark, daß bei dieser Spaltbreite beim Durchgang durch die Küvette kein für die Auswertung ausreichendes Signal trans­ mittiert wird.

Dieser Nachteil der erhältlichen Küvetten wird bisher daher ausgeglichen, daß die zu messende Substanz in einem Lösungsmittel verdünnt wird, welches in dem in­ teressierenden Wellenzahlbereich nur eine geringe Ab­ sorption aufweist.

Aufgrund von Wechselwirkungen zwischen dem Lösungsmit­ tel und der untersuchenden Substanz können jedoch Di­ polmomente und die Bewegungsfreiheit der zu vermessen­ den Molekülschwingungen geändert und dadurch die Lage und Stärke der Absorption verfälscht werden. Es ist deshalb wünschenswert, die Messungen statt an Lösungen an der reinen Substanz vorzunehmen.

Darüber hinaus weisen die erhältlichen Küvetten den Nachteil auf, daß die Infrarot durchlässigen Fenster entweder sehr empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit und/oder mechanische Beanspruchung sind und/oder sehr teuer sind.

In den in "Chemical Abstracts, Vol. 77, Nr. 2, 1982 114 362b und Vol. 8, Nr. 20, 1975, 5 879 t" erschienenen Artikeln ist zwar bereits beschrieben, daß für die Infrarotspektroskopie aus Silizium bestehende Küvetten verwendet werden, und daß hochohmiges Silizium als Ein- und Austrittsfenster geeignet ist; diesen wissenschaftlichen Artikeln sind jedoch keine Hinweise auf in der Praxis industriell verwendbare Küvetten entnehmbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Küvette bereitzustellen, die unempfindlich gegenüber Luftfeuch­ tigkeit und mechanische Beanspruchung ist und die mit unterschiedlicher und ausreichend geringer Spaltbreite preiswert herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Küvette weist ein Eintritts- und ein Austrittsfenster aus hochohmigem Silizium auf. Dieses Material zählt durch die Verwendung in der Mik­ roelektronik zu den meist untersuchten Materialien. Es stehen gute Herstellungs- und Bearbeitungsmethoden zur Verfügung. Das Material ist unempfindlich gegen Feuch­ tigkeit und mechanisch stark beanspruchbar. Es weist einen Transmissionsbereich für elektromagnetische Wel­ len mit einer Wellenzahl im Bereich von 33 cm^-1 bis 8300 cm^-1 auf und ist damit für die Infrarotspektros­ kopie geeignet.

Der die Spaltbreite bestimmende Abstandshalter zwischen den Fenstern ist eine Siliziumdioxidschicht, die bspw. durch Epitaxie auf eine der Siliziumscheiben aufge­ bracht wird. Dadurch kann die Spaltbreite äußerst ge­ ring gehalten und in einem weiten Bereich variiert werden.

Die Siliziumdioxidschicht weist eine Aussparrung auf, die als Probenvolumen dient. Die Siliziumdioxidschicht ist fest mit der zweiten Siliziumscheibe verbunden. Als Zulauf- und Abflußöffnung für die zu untersuchende Substanz dienen zwei durchgängige Öffnungen in der Siliziumscheibe, die so angeordnet sind, daß sie nach dem Zusammenfügen mit der Siliziumdioxidschicht in die Aussparrung dieser Schicht einmünden. Nach dem Füllen des Probenvolumens mit der zu untersuchenden Substanz werden die Öffnungen verschlossen.

Nähere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 2 weist die Siliziumdioxidschicht mehrere voneinander getrennte Aussparrungen auf. Dadurch wird eine Küvette angegeben, die mehrere Probenvolumina aufweist, die alle exakt dieselbe Spaltbreite aufwei­ sen. Diese Küvette eignet sich besonders zur gleichzei­ tigen Messung an unterschiedlichen Substanzen.

Wie bereits oben erwähnt, kann die Dicke der Silizium­ dioxidschicht in einem weiten Bereich variiert werden. Nach Anspruch 3 weist die Schicht vorzugswelse elne Dicke von 0,2 bis 20 µm auf. Mit diesen Schichtdicken erhält man Küvetten mit einer geringen Spaltbreite, wie sie bisher noch nicht verfügbar waren.

Gemäß Anspruch 4 wird die zweite als Fenster dienende Siliziumscheibe mit Hilfe des Silicon-Wafer-Bonding mit der Siliziumdioxidschicht verbunden. Es kommt somit ein in der Mikrostrukturtechnik bewährtes Verfahren zum Einsatz, daß zu einer mechanisch stark belastbaren und absolut dichten Verbindung führt. Eine derart herge­ stellte Küvette hält extremen mechanischen Beanspruch­ ungen stand und ist auch für Flüssigkeiten mit extrem hoher Fluidität geeignet.

Mit einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Küvette nach Anspruch 5 sind die Zufluß- und Abflußöffnung durch die Siliziumscheibe geätzt. Diese Maßnahme unter­ stützt die Fertigung der Küvette mit Methoden der Mik­ rostrukturtechnik.

Eine Weiterbildung der Küvette ist im Anspruch 6 ge­ kennzeichnet. Die Ein- und Austrittsflächen der Fenster sind mit harten Antireflexschichten bedampft. Dadurch werden die Reflexionsverluste des durchgehenden In­ frarotstrahls erniedrigt und die Kratzfestigkeit der Küvette erhöht.

Besonders vorteilhaft erweist sich eine Weiterbildung der Küvette nach Anspruch 7. Diese Küvette weist struk­ turierte Ein- und Austrittsflächen der Fenster auf. Die Oberflächen sind in kleine Teilflächen aufgeteilt, die relativ zur Gesamtfläche geneigt sind. Die Neigung der Teilflächen ist so gewählt, daß der durchgehende In­ frarotstrahl unter dem Brewsterwinkel auf die Teil­ flächen auftritt. Bei Verwendung eines polarisierten Infrarotstrahles können dadurch Reflexionsverluste weitgehend vermieden werden. Die Neigung der Teilflä­ chen wird durch Ätzung von geeignet orientiertem Sili­ zium erreicht.

Bei den verwendeten Wellenzahlen des Infrarotlichtes ist eine Ätzung des Siliziums mit Flankenwinkel von etwa 70° erforderlich. Die Teilflächen können bspw. als Streifen mit einer Breite von bis zu einigen 100 µm ausgebildet sein.

Nach Anspruch 8 ist die Küvette mit Hilfe der bekannten Verfahren der Mikrostrukturtechnik herstellbar. Dabei dienen Siliziumwafer als Ausgangsmaterial. Auf einen Wafer können durch einen Herstellungsprozeß gleichzei­ tig mehrere identische Küvetten strukturiert und aufge­ baut werden.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß auch Substanzen mit Molekülschwingungen, die zu sehr starker Absorption führen, ohne Zusatz von Lö­ sungsmittel untersucht werden können. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Küvette unempfindlich gegenüber mechanischen Belastungen und gegen Luftfeuchtigkeit.

Sie ist auch für den Einsatz unbekannter Substanzen geeignet, da die Fenster durch mögliche Wasseranteile solcher Substanzen nicht angegriffen werden. Da Silizi­ um einen sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten aufweist, ist die Spaltbreite praktisch tempe­ raturunabhängig, so daß die Küvette über einen breiten Temperaturbereich eingesetzt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand einer Figur näher erläutert.

Die Abbildung zeigt schematisch den Aufbau einer erfin­ dungsgemäßen Küvette.

Als Grundlage für den Aufbau der Küvette dient eine Siliziumscheibe 1. Bspw. kann ein üblicher Silizium­ wafer mit einer Stärke von 0,5 mm verwendet werden. Der Aufbau mehrere identischer Küvetten erfolgt in einem Arbeitsprozeß. Anschließend werden die identischen Küvetten getrennt.

Das Silizium weist eine Dotierung von 1 bis 10 ohm/cm auf. Bei diesem Material liegt der Transmissionsbereich bei Wellenzahlen von 30 bis 8300 cm^-1. Die Durchläs­ sigkeit beträgt etwa 40%. Änderung in der Absorptions­ stärke und -lage durch Wechselwirkungen der Molekül­ schwingungen mit den Siliziumfenstern liegen bei Trans­ missionsmessungen selbst bei chemischen Bindungen un­ terhalb der Detektierbarkeit.

Auf die Siliziumscheibe wird bspw. durch Epitaxie eine Schicht aus Siliziumdioxid als Abstandshalter 3 aufge­ bracht. Die Schichtdicke kann einfach zwischen ca. 0,2 und 20 µm variiert werden. Die Siliziumdioxidschicht enthält eine Aussparung 4, die als Probenvolumen dient. Die Aussparung wird bspw. durch Lithographie und Ätzung erzeugt. Die Form des Probenvolumens wird dem jewelligen Verwendungszweck angepaßt.

Eine zweite Siliziumscheibe 2 wird fest mit der Silizi­ umdioxidschicht verbunden. Die Verbindung kann vorzugs­ weise durch das Silicon-Wafer-Bonding, oder durch Kle­ betechniken erfolgen.

Die zweite Siliziumschicht 2 weist zwei durchgehende Öffnungen 5, 6 auf, die als Einlaß- bzw. Abflußöffnung für die zu untersuchende Substanz dienen. Nach der Verbindung mit der Siliziumdioxidschicht münden die Öffnungen 5, 6 in die Aussparung 4 ein.

Um die Reflexionsverluste des ein- und austretenden Infrarotstrahls zu verringern, sind die Siliziumschei­ ben 1, 2 mit Antireflexschichten 7 versehen.

Die Länge und Breite der Küvette kann je nach Verwen­ dungszweck zwischen einigen Millimetern und einigen Zentimetern betragen.

Ferner können das Eintritts- und das Austrittsfenster derart mikrostrukturiert sein, daß die Oberflächen in Teilflächen aufgeteilt sind, die so geneigt sind, daß der einfallende Infrarotstrahl unter dem Brewster- Winkel auftrifft, wie dies in ähnlicher Weise bereits in der DE 30 24 874 A1 beschrieben ist.

Claims (8)

1. Küvette für die Infrarotspektroskopie mit einem Eintritts- und einem Austrittsfenster, wenigstens einem Probenvolumen und einem Abstandshalter, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintritts- und das Austrittsfenster als Scheiben aus hochohmigem Silizium ausgebildet sind, daß der Abstandshalter eine auf der ersten Scheibe aufgebrachte Schicht aus Siliziumdioxid ist, die eine als Probenvolumen dienende von der Schicht umgebene Aussparung aufweist, und daß die zwei­ te Siliziumscheibe zwei Öffnungen aufweist, die in die Aussparung der Siliziumdioxidschicht einmünden und daß die zweite Siliziumscheibe fest mit der Siliziumdioxid­ schicht verbunden ist.

2. Küvette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumdioxidschicht mehrere voneinander getrennte Aussparungen aufweist und die zweite Siliziumscheibe pro Aussparung zwei Öffnun­ gen aufweist, die in die Aussparung einmünden.

3. Küvette nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumdioxidschicht eine Stärke von 0,2 bis 20 µm aufweist.

4. Küvette nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Siliziumscheibe und die Siliziumdioxidschicht durch Silicon-Wafer- Bonding untrennbar miteinander verbunden sind.

5. Küvette nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen der zweiten Siliziumscheibe mit Hilfe von Ätzverfahren gebildet sind.

6. Küvette nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintritts- und das Austrittsfenster mit harten Antireflexschichten be­ dampft sind.

7. Küvette nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintritts- und das Austrittsfenster derart mikrostrukturiert sind, daß die Oberflächen in Teilflächen aufgeteilt sind, die so geneigt sind, daß der einfallende Infrarotstrahl unter dem Brewsterwinkel auftrifft.

8. Küvette nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterialien zur Herstellung der Küvette Siliziumwafer dienen, die mit den Verfahren der Mikrostrukturtechnik bearbeitet wer­ den und daß bei einem Herstellungsprozeß gleichzeitig mehrere identische Küvetten herstellbar sind.