DE69305375T2

DE69305375T2 - Schaltbarer resonanter Filter für optische Strahlung

Info

Publication number: DE69305375T2
Application number: DE69305375T
Authority: DE
Inventors: Gregory A Magel; Jon C Zimmerman
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1992-02-05
Filing date: 1993-02-03
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2013-02-04
Also published as: DE69305375D1; KR100294035B1; CA2088176C; TW235339B; JPH06221921A; EP0554847A1; US5231532A; EP0554847B1; CA2088176A1

Description

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft optische Sensoren und genauer gesagt Filter für diese Sensoren.

2. Hintergrund der Erfindung

Optische Meßsysteme im sichtbaren oder im unsichtbaren Bereich, wie dem Infrarotbereich, können Störeffekten zum Opfer fallen. In sichtbaren Systemen wird dies gewöhnlich als Schleierbildung bezeichnet. Die Schleier-Beleuchtungsstärke bezeichnet das Licht, das über einen großen Teil des Gesichtsfelds ausgebreitet ist und die Wirksamkeit des Systems durch Verringern des Bildkontrasts vermindert. Übliche Quellen einer Schleierbildung sind das Sonnenlicht und hochintensive Quellen. Störungen können auch absichtlich bewirkt werden, was beispielsweise bei Verteidigungsanwendungen geschieht, wenn eine feindliche elektrooptische Quelle auf das betreffende System gerichtet ist.
Eine Anzahl gegenwärtig verwendeter Sensoren enthält zum Schutz vor diesen Problemen feste Sperrband- Interferenzfilter in Gleitschienen oder Rädern. Dieses Verfahren liefert eine begrenzte Anzahl von Sperrbandfilter- Auswahlmöglichkeiten und verlangt Betriebsmechanismen mit Steuerschaltung, die mechanisch oder elektromechanisch sein können. Für die Aktivierung dieser Filter werden Bruchteile von Sekunden benötigt, wobei die Reaktionszeit des Bedieners nicht eingeschlossen ist. Dieses Verfahren unter Verwendung fester Filter funktioniert gut bei auf einer einzigen Wellenlänge auftretenden nicht beweglichen Bedrohungen. Techniken unter Verwendung fester Filter sind jedoch gegenüber den auf dem modernen Schlachtfeld erwarteten beweglichen Bedrohungen eingeschränkt.
Eine weitere Schwäche des Systems, bei dem feste Filter verwendet werden, wird bei Betrachtung der Bandbreite deutlich. Im Wellenlängenbereich von 8 bis 12 Mikrometer (10&supmin;&sup6; Meter oder µm) ist es nicht durchführbar, Filter zu verwenden, die eine Bandbreite von weniger als 1 Mikrometer aufweisen. Bei einem Infrarotsystem, wie einem Vorwärts-Infrarotsystem (FLIR), ist die integrierte Transmission eines Filters mit einem einzigen 1 Mikrometer umfassenden Sperrband nicht besser als 50 %. Schmalbandigere Filter neigen dazu, teurer zu sein und eine ungenügende integrierte Transmission aufzuweisen.
Ein weiterer zur Besorgnis Anlaß gebender Punkt bei der heutigen Technologie ist die Schwierigkeit der Automation. Der Detektor des Systems kann verwendet werden, um zu erkennen, wann ein Filter benötigt wird. Der Sensor kann jedoch nicht erfassen, wann das Filter nicht mehr benötigt wird, da das Filter den Sensor daran hindert, die Bedrohung wahrzunehmen. Der Sensor könnte beschädigt werden, falls das Filter ausgeschaltet ist und die Bedrohung noch vorhanden ist. Durch die langen Zykluszeiten mechanischer Filteranordnungen wird die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung erhöht, falls die Bedrohung noch vorhanden ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die hier offenbarte vorliegende Erfindung enthält einen schaltbaren resonanten Filter für optische Strahlung. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält eine auf einem mit Antireflexionsschichten beschichteten und Elektroden aufweisenden Substrat monolithisch hergestellte Membran. Die Membran wird auf einer Abstandsschicht gebildet, die auf das Substrat und die Elektroden aufgebracht worden ist, und Teile der Abstandsschicht über den Elektroden werden über in die Membran geätzte Löcher entfernt. Die Löcher in der Membran wirken als Antennen für Strahlung, deren Wellenlänge gleich der elektrischen Länge der Löcher ist. Die Elektroden können adressiert werden, um die Membran zum Substrat herunterzuziehen, wodurch der wirksame Brechungsindex, der die Antennen umgibt, geändert wird, und um die resonante Wellenlänge der Antennen so zu ändern. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wirkt als ein Schalter für die Transmission von Strahlung mit bestimmten Wellenlängen durch die Membran und das Substrat.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer weiteren Vorteile wird nun auf die folgende detaillierte Beschreibung Bezug genommen, die zusammen mit der begleitenden Zeichnung gelesen werden sollte, wobei
in FIGUR 1A eine Seitenansicht eines Bauelements mit einer schaltbaren Filtermembran dargestellt ist, wobei die Membran nicht ausgelenkt ist,
in FIGUR 1B eine Seitenansicht eines Bauelements mit einer schaltbaren Filtermembran dargestellt ist, wobei die Membran ausgelenkt ist,
in FIGUR 2A ein Flußdiagramm des Ablaufs des Herstellungsvorgangs für ein schaltbares resonantes Filter für optische Strahlung dargestellt ist,
in FIGUR 3 die Abmessungen einer möglichen Geometrie eines in einer Membran herzustellenden resonanten Schlitzes dargestellt sind,
in FIGUR 4 eine andere Ausführungsform dargestellt ist, wobei die Membran transparent ist und leitende Elemente aufweist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es ist bekannt, daß ein Draht als Antenne für bestimmte Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung arbeiten kann. Die Länge des Drahts sowie der Brechungsindex oder die Dielektrizitätskonstante des umgebenden Mediums bestimmen die Wellenlänge der Strahlung, die er absorbiert. Der Brechungsindex des Mediums bestimmt die Wellenlänge der Strahlung mit einer gegebenen Frequenz. Falls die Antenne in ein Medium mit einem höheren Index eingebettet ist, müßte die Antenne beispielsweise kürzer sein, um Wellen einer gewissen Frequenz zu absorbieren. Falls sie klein genug ausgeführt sind, absorbieren die Antennen Wellen sehr hoher Frequenzen, beispielsweise aus dem Infraroten (IR).
Es sei ein von verschiedenen Wellenlängen bestrahlter fester Draht oder eine von verschiedenen Wellenlängen bestrahlte feste Antenne betrachtet. Falls die wirksame Länge der Antenne leff beträgt, absorbiert die Antenne Wellenlängen λ, bei denen leff ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge λ ist. Die Absorption wird durch Verluste infolge der begrenzten Leitfähigkeit des Metalls hervorgerufen.
Anstelle der Verwendung eines Drahtes ist es möglich, etwas Ähnliches aus einer Metallplatte herzustellen, in der sich Schlitze befinden, die die gleiche Länge wie die Antenne aufweisen. Das Verhalten dieser Anordnung besteht darin, daß sie infolge der Metallplatte alle Wellenlängen außer jenen, die bei der Länge der Schlitze resonant sind, reflektiert. Daher werden alle Wellenlängen außer der ausgewählten abgehalten. Die Strahlung bei der ausgewählten Wellenlänge wird durchgelassen, und die Anordnung überträgt sie. Es ergibt sich ein Filter, das selektiv die Wellenlängen durchläßt, auf die diese Schlitze abgestimmt sind. Eine spezielle Anwendung besteht im Infrarotbereich, es könnte jedoch für alle Strahlungswellenlängen verwendet werden, die lediglich durch die Ausführbarkeit der Herstellung der Schlitze mit den erforderlichen Abmessungen eingeschränkt sind.
Falls das umgebende Medium geändert wird, ändert sich hierdurch die Wellenlänge, mit denen die Schlitze resonant sind. Um diese Anderung zu bewirken, muß die wirksame Dielektrizitätskonstante um den Schlitz oder die Schlitze herum geändert werden. Hierdurch wird im wesentlichen die Wellenlänge umgeschaltet, die die Schlitze aussenden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den Figuren 1A und 1B in einer Seitenansicht dargestellt. Ein Substrat 10 weist eine Elektrode 12 auf und kann mit Antireflektionsbeschichtungen 14 oder einer anderen isolierenden Beschichtung beschichtet sein. Ein Abstandsmaterial 16 liegt, falls verwendet, oberhalb der Beschichtung oder der Elektrode. Das Abstandsglied 16 muß, beispielsweise durch ein Ätzmittel, selektiv entfernbar sein. Eine dünne Metallmembran 22 befindet sich oberhalb des Abstandsglieds. Die Membran 22 weist in sie eingearbeitete Schlitze 24 auf, die auch als Zugangslöcher für das Ätzmittel wirken, um das Abstandsglied zu entfernen. Die Materialien dieser verschiedenen Bestandteile dieser Anordnung werden als Teil des Herstellungsverfahrens weiter erörtert werden.
In Figur 1B ist die Membran 22, als in Kontakt mit dem Substrat oder seiner Beschichtung gebracht, dargestellt. Dies wird durch Aktivieren der Elektrode 12 bewirkt. Wenn durch eine nicht dargestellte Adressierungsschaltung eine Ladung auf die Elektrode 12 aufgebracht worden ist, bauen sich zwischen der Elektrode und der Membran elektrostatische Kräfte auf, die die Membran zur Elektrode ziehen. Die Membran kommt schließlich auf dem Substrat zur Ruhe. Falls die Antireflexionsbeschichtungen nicht verwendet werden, ist eine Form einer isolierenden Schicht erforderlich, um einen Kurzschluß zwischen der Elektrode und der Membran zu verhindern.
Die Bewegung der Membran bewirkt, daß sich der wirksame Brechungsindex des Mediums, das die Schlitze umgibt, ändert. Falls die Schlitze ursprünglich dafür ausgelegt waren, eine Wellenlänge λ durchzulassen, wäre die ursprünglich durchgelassene Strahlungswellenlänge λ/neff, wobei neff in etwa dem Brechungsindex des umgebenden Gases oder des Vakuums gleicht. Wenn die Membran in Kontakt mit dem Substrat kommt, ändert sich die durchgelassene Wellenlänge zu λ/neff, wobei neff im Bereich von 1,0 < neff < nSubstrat liegt. Falls die Membran auf der einen Seite in Kontakt mit einem anderen Medium steht als auf der anderen, ist der wirksame Index ein besonderer Mittelwert der Indizes der beiden umgebenden Medien:
neff = a n +n /2,
wobei n&sub1; und n&sub2; die Brechungsindizes der Medien auf beiden Seiten der Membran sind. Diese Änderung der im Spitzenwert durchgelassenen Wellenlänge ermöglicht es dem Meßsystem, durch Verringern der Transmission der Störwellenlängen gegenüber Störungen zu unterscheiden.
In Figur 2 ist ein Flußdiagramm der Herstellung eines solchen Filters dargestellt. Im Ausgangsschritt 26 wird eine Elektrode oder Elektroden im Substrat gebildet. Das Substrat ist vorzugsweise für die interessierende Wellenlänge durchlässig und besteht beispielsweise aus Silicium oder Galliumarsenid, das für das von 8 - 12 Mikrometer reichende Wellenlängenband gut geeignet ist. Die Elektrode kann auf viele Arten hergestellt werden. Die Elektrode könnte durch unstrukturiertes oder strukturiertes Dotieren gebildet werden. Nach einer Implantation kann eine Dotierungsdiffusion erforderlich sein, um die Dotierungssubstanz zu aktivieren und die Elektrode mit einem ausreichend geringen Widerstand zu versehen. Statt dessen ist eine abgelagerte Filmelektrode aus einem transparenten leitenden Material, wie Indiumzinnoxid oder einem Metall möglich, das in Querrichtung so strukturiert wird, daß der Weg des Lichts durch das Bauelement so wenig wie möglich verdeckt wird. Weiterhin könnte die Elektrode auch das Substrat sein, wenn das Substrat teilweise leitend ist. Es besteht ein von Natur aus vorhandener Kompromiß zwischen der Leitfähigkeit und der Transparenz der unteren Elektrode.
Um mit dem Verfahren fortzufahren, sei bemerkt, daß der nächste Schritt der Schritt 28 ist, der im Ablagern der Abstandsschicht besteht. Falls Antireflexionsbeschichtungen verwendet werden müssen, muß die "oberste" Schicht, die zwischen der Elektrode und der Abstandsschicht liegt, aufgebracht werden, bevor das Abstandsglied abgelagert wird. Sie könnten beispielsweise durch Aufdampfen abgelagert werden. Der von den Schlitzen wahrgenommene wirksame Index wird dann durch den Index der Beschichtung stärker beeinflußt als durch den Index des Substrats. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Abstandsglied eine durch Aufschleudern aufgebrachte Polymerschicht auf.
Die wichtigste Anforderung an die Anordnung besteht darin, daß die Membran im nichtbetätigten Zustand ausreichend weit vom Substrat entfernt ist, daß das Substrat die vom Schlitz absorbierte oder durchgelassene Wellenlänge nicht beeinflußt. Dieser Abstand kann kleiner sein als eine Wellenlänge. Je näher sich die Membran am Substrat befindet, desto kritischer wird der Abstand zwischen ihnen.
Die Dicke des Abstandsglieds muß derart sein, daß die Membran bei seiner Entfernung ausreichend weit entfernt vom Substrat gehalten wird, so daß sich der von der Membran wahrgenommene wirksame Brechungsindex erheblich von dem Index unterscheidet, der auftritt, wenn sie sich dem Substrat nähert oder dieses berührt. Der wirksame Index des umgebenden Mediums kann derjenige von Luft sein, der etwa 1,0 beträgt, falls die Membran auf beiden Seiten weit genug von einem anderen Medium entfernt ist.
In Schritt 30 wird die Membran höchstwahrscheinlich durch Aufstäuben abgelagert. Die Membran ist ein dünner dehnbarer Film aus einem reflektierenden Material wie Gold oder einer Aluminiumlegierung. Nachdem die Membran abgelagert worden ist, wird sie strukturiert und in Schritt 32 geätzt, um die winzigen Zugangslöcher für das Ätzmittel sowie die Schlitze zu bilden. Es ist möglich, daß die Schlitze als Zugangslöcher für das Ätzmittel ausreichen.
In Schritt 34 wird ein isotropes selektives Ätzen, beispielsweise ein Plasmaätzen, verwendet, um das Abstandsglied über den Elektroden und unter den Schlitzen zu entfernen und um das Abstandsglied um die Ränder herum übrigzulassen, um die Membran zu unterstützen. Abhängig vom gewählten Ätzverfahren kann es günstig sein, den Wafer, auf dem die Anordnung aufgebaut worden ist, vor dem Ätzen zu zerteilen. Auf einem Wafer kann mehr als ein solches Bauelement gefertigt werden. Das Maß und die Position des zurückbleibenden Abstandsglieds wird durch die Abmessungen der Zugangslöcher in der Membran und die Ätzzeit gesteuert. Das Endergebnis ist eine dünne Metallmembran, die eine resonante Schlitzstruktur aufweist, die über einem Luftraum, aus dem das Abstandsglied entfernt worden ist, gehalten wird. Eine andere Ausführungsform könnte mehrere Elektroden unter einer einzelnen Membran aufweisen. Das Abstandsglied würde dann mit einer gitterartigen Struktur versehen zurückbleiben, wodurch es jeder Elektrode ermöglicht wird, einen festgelegten Bereich der Membran zu steuern. Die Membran kann durch Anlegen einer Spannung zwischen der Membran und der darunterliegenden Elektrode elektrostatisch abgelenkt werden. Nachdem die vollständige Anordnung fertiggestellt worden ist, muß sie mit einem Gehäuse versehen und im Meßsystem angeordnet werden, was in Schritt 36 geschieht. Das Bauelement wird typischerweise irgendwo im Meßmodul an den Rändern gehalten. Die elektrischen Anschlüsse werden normalerweise am besten von der Substratseite des Bauelements aus vorgenommen. Abhängig von der Arbeitsumgebung des Systems kann ein Umgeben mit einem Schutzgehäuse erforderlich sein.
Ein mit der Verwendung eines in Form einer geraden Linie ausgebildeten Schlitzes verbundenes Problem besteht darin, daß er nur die Strahlung durchläßt, deren elektrischer Feldvektor auf die Richtung des Schlitzes ausgerichtet ist. Eine Lösung besteht darin, eine in verschiedenen Richtungen orientierte Schlitzstruktur zu verwenden. Die Wirksamkeit der maximalen Transmission für eine gegebene Polarisation wird jedoch durch den Anteil der richtig orientierten Schlitze begrenzt. Um dieses Problem zu mildern, ist es möglich, durch Verwenden eines Kreuzes oder eines Tripols ein polarisationsunempfindliches Bauelement zu erzeugen. Beim Tripol ist der Schlitz so ausgelegt, daß es drei Beine gibt, die jeweils um 120º gegenüber den beiden benachbarten Beinen versetzt sind.
Die Geometrie eines Tripol-Schlitzes ist in Fig. 3 dargestellt. Im Falle eines Tripols ist die Größe durch drei Faktoren bestimmt: Die optische Wellenlänge der interessierenden Strahlung im Vakuum λ&sub0;; den wirksamen Brechungsindex des umgebenden Mediums neff und einen geometrischen Faktor K. Der geometrische Faktor für einen Tripol beträgt 0,27. Der Winkel 40 beträgt 120º. Die Länge eines Beins wird von seinem Ende 42A oder 42B zum Mittelpunkt der Verbindung 44 gemessen. Dieser Abstand LT ist durch eine Linie 46 dargestellt. Die Länge LT, bei der die erste Resonanz eines Tripols auftritt, ist durch die folgende Formel gegeben:
LT = 0,27 (λ0/neff).
Wenn sich das Bauelement im Betrieb befindet und die Membran das Substrat berührt, ist die Mittenwellenlänge des durchgelassenen Bandes verschoben. Die Breite des durchgelassenen Wellenlängenbandes wird u. a. durch die durch Herstellungsparameter bestimmte Gleichmäßigkeit der Größen der Schlitze beeinflußt. Die Transmissionswellenlänge ist größer als zuvor, was einen Schalter zwischen zwei optischen Bändern oder einen EIN/AUS-Schalter für gewisse wellenlängen ermöglicht. Er könnte weiterhin als eine von vielen Alternativen als ein Strahlungszerhacker verwendet werden.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung könnte darin bestehen, eine transparente Membran mit einer Anzahl darin vorhandener leitender Elemente zu verwenden. Dies ist in Figur 4 dargestellt. In Figur 4 ist die Membran 22 transparent. Die Membran weist in ihr oder an einer ihrer Oberflächen leitende Elemente 48 auf. Diese sind als Tripole dargestellt, könnten jedoch irgendeine gewünschte Geometrie aufweisen, die lediglich durch Belange der Herstellung eingeschränkt ist.

Claims

1. Optisches Filter, enthaltend:

a) ein Substrat, das für eine vorbestimmte Wellenlänge optischer Strahlung durchlässig ist;

b) wenigstens eine Elektrode, die unmittelbar angrenzend an das Substrat gebildet ist;

c) ein Abstandsglied, das auf einer die Elektrode enthaltenden Schicht so gebildet ist, daß es die Elektrode nicht bedeckt;

d) eine Membran, die auf dem Abstandsglied so gebildet ist, daß sie, unterstützt durch das Abstandsglied, über der Elektrode aufgehängt ist; und

e) Schlitze, die in der Membran so gebildet sind, daß sie für optische Strahlung mit der vorbestimmten Wellenlänge in Resonanz sind.

2. Optisches Filter nach Anspruch 1, bei welchem das Substrat zwei parallele Flächen hat, wobei das Filter außerdem Antireflexbeschichtungen aufweist, die auf dem Substrat auf wenigstens einer der zwei parallelen Flächen gebildet sind.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Substrat aus Galliumarsenid besteht.

4. Filter nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Substrat aus Silicium besteht.

5. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Elektrode außerdem ein teilweise leitendes Substrat aufweist.

6. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Elektrode außerdem eine dotierte Zone in dem Substrat aufweist.

7. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Elektrode ferner eine Filmelektrode aus transparentem leitendem Material aufweist.

8. Filter nach Anspruch 7, bei welchem das transparente leitende Material Indiumzinnoxid ist.

9. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Elektrode ferner Metallstrukturen in Querrichtung aufweist, so daß der Lichtweg minimal verdeckt wird.

10. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Membran aus einer Aluminiumlegierung besteht.

11. Filter nach Anspruch 1 oder 9, bei welchem die Membran aus Gold besteht.

12. Verfahren zum Bilden eines optischen Filters, bei welchem:

a) angrenzend an ein Substrat eine Elektrode gebildet wird;

b) auf der Elektrode eine Schicht aus einem Abstandsmaterial abgelagert wird;

c) über dem Abstandsmaterial eine Membran gebildet wird;

d) in dem Membran durch Plasmaätzen Zugangslöcher gebildet werden, wobei die Zugangslöcher Schlitze sind, die bei einer gewissen Wellenlänge optischer Strahlung in Resonanz sind; und

e) das Abstandsmaterial so abgetragen wird, daß es über der Elektrode nicht vorhanden ist, jedoch sonst zum Stützen der Membran zurückbleibt, so daß die Membran zu dem Substrat hin ausgelenkt werden kann, wenn die Elektrode aktiviert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem der Elektrodenbildungsschritt das Dotieren des Substrats zur Bildung der Elektrode umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem der Elektrodenbildungsschritt das Ablagern einer Filmelektrode umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Schritt des Ablagerns einer Filmelektrode das Ablagern eines transparenten leitenden Materials umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Schritt des Ablagerns eines transparenten leitenden Materials das Ablagern von Indiumzinnoxid umfaßt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei welchem ferner die Filmelektrode in Querrichtung einer Metallstrukturierung unterzogen wird, so daß der Weg des Lichts minimal verdeckt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei welchem der Ablagerungsschritt ferner das Ablagern von Antireflexbeschichtungen auf dem Substrat umfaßt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, bei welchem der Bildungsschritt außerdem das Aufstäuben der Membran auf das Abstandsglied umfaßt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei welchem der Entfernungsschritt ferner Plasmaätzen umfaßt.