EP2488851A1 - Photoakustischer gassensor sowie verfahren zu seiner herstellung und verwendung - Google Patents

Photoakustischer gassensor sowie verfahren zu seiner herstellung und verwendung

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Publication number
EP2488851A1
EP2488851A1 EP10762669A EP10762669A EP2488851A1 EP 2488851 A1 EP2488851 A1 EP 2488851A1 EP 10762669 A EP10762669 A EP 10762669A EP 10762669 A EP10762669 A EP 10762669A EP 2488851 A1 EP2488851 A1 EP 2488851A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
resonator
gas sensor
sensor according
light
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.)
Withdrawn
Application number
EP10762669A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Schade
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2488851A1 publication Critical patent/EP2488851A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G01N2021/1704—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids in gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/02—Mechanical
    • G01N2201/024—Modular construction

Definitions

  • the invention relates to a photoacoustic gas sensor, comprising a resonance body, which at least partially limits a space intended for recording molecules to be detected, and a device for detecting a vibration of the resonance body.
  • the method known from the prior art has the disadvantage that the material selection for the production of micro tuning forks is limited to piezoelectric materials. Furthermore, a piezoelectric voltage is measured for signal detection, which is often only a few nano- or pico-volts. As a result, the measurement by electrical interference is easily influence signals. Furthermore, the space requirement of the gas sensor by the space requirement of the stimulating
  • Light source with associated control electronics and the transmitter limited, so that a mobile application is not possible.
  • the object of the invention is thus to provide a method and a device for gas analysis, which allows a measurement with greater reliability and has a compact design.
  • a photoacoustic gas sensor comprising a resonator and a device for detecting a vibration of the resonator, which includes means for optically detecting the location of at least a partial surface of the resonator, wherein the
  • Oscillation are arranged on exactly one substrate, and the resonance body is formed by at least a first recess of the substrate, wherein the substrate contains a semiconductor material.
  • the substrate contains silicon.
  • the resonance body has at least two approximately parallel arranged elements, each with a
  • Base are fixed to a connecting element and project freely at its end opposite the foot, wherein between the two elements, a second recess is formed and between the substrate and an element first recess.
  • the device for detecting a vibration contains an interferometer, which contains at least two optical waveguides, which are guided in parallel in a partial section, so that a crosstalk in each of the
  • crosstalk is understood to mean the mutual influencing of the two parallel guided waveguides, so that a signal coupled into the first waveguide can also be detected in the second waveguide.
  • Such an interferometer can by dry and / or
  • Deep sets are introduced into the substrate.
  • the interaction of short light coils with the substrate can be used to write waveguides into the substrate.
  • individual light pulses may have a pulse length of less than 200 fs.
  • a waveguide can be arranged at a predeterminable depth within the substrate.
  • the at least one device may be a photodiode, a light emitting diode or a
  • the at least one component can be a signal amplifier, an A / D converter, a discriminator, a transmitting device for a data signal or a
  • the at least one device may include a capacitor or a solar cell for powering other devices.
  • a device for generating light and / or a device for detecting light and / or an apparatus for electronic signal processing and / or a device for power supply may contain a plurality of different electronic components, such as capacitors, resistors, inductors, diodes, transistors,
  • Microcontrollers microprocessors, memory devices and other, not explicitly mentioned components.
  • At least one electronic component is implemented in CMOS technology on the substrate. This allows the production of electronic, optical and micromechanical components in the same process.
  • At least one electronic component is connected to the substrate by means of flip-chip bonding.
  • components can be integrated on the substrate, which contain at least one semiconductor material which differs from the semiconductor material of the substrate.
  • the gas sensor also contains at least one resonator, which has a detector to be detected
  • At least partially limited molecules of certain space At least partially limited molecules of certain space.
  • This increases the sensitivity of the detection and reduces the size of the gas sensor.
  • the resonator is connected to the Substrate is connected or monolithically integrated on the substrate. In this way, the number and / or the size of the resonators can be varied within wide limits.
  • the resonator has a rectangular cross-section.
  • the cross section may have a length and / or width of about 100 ⁇ to about 1000 ⁇ .
  • the longitudinal extent of the resonator can be about 1 mm - about 10 mm.
  • the dimensions may be tuned to the wavelength of a standing wave being formed. As a result, the coupling of the photoacoustically induced wave to the resonant body used for the detection can be improved.
  • At least one bore is mounted in the boundary wall of the resonator.
  • Such a bore may have a diameter of about 10 ⁇ to about 1000 ⁇ .
  • the gas sensor has at least one contact layer
  • the contact layer may contain a metal or an alloy or a semiconductor material provided with a dopant.
  • a plurality of contact layers may be separated by at least one layer, which may or may not be an insulator
  • the gas sensor contains at least one optical waveguide, which is integrated in silicon-on-insulator technology (SOI) on and / or in the substrate. Furthermore, the object is achieved in a process for the photoacoustic detection of molecules in the gas phase, which comprises the following steps: introduction of the nach- assigning molecules in a space, which of at least one micromechanical resonator at least partially
  • the radio signal contains a WLAN signal and / or a Bluetooth signal.
  • the gas sensor can be connected to a device for data processing or to a device for data transmission. In this way, the transmission over longer distances is possible, for example via a LAN, a WAN or a mobile network.
  • provision may be made for a standing acoustic wave to be formed in the resonator by supplying light. This results in a gain of the photoacoustic signal
  • Oscillation of the resonator and / or at least one device for transmitting a signal representing the oscillation of the resonator body energy is supplied by means of at least one solar cell. This allows a self-sufficient and maintenance-free operation of the gas sensor.
  • the solar cell is irradiated with a source of artificial light at least during operation of the gas sensor. It can be provided to turn on and off by selectively switching on and off the artificial light source, the gas sensor.
  • the artificial light source may be included in a luminaire used for the general lighting of a room.
  • the gas sensor contains at least one capacitor. As a result, electrical energy can be stored and the power supply of the gas sensor can be ensured even if no light falls on the gas sensor.
  • the solution of the object in a method for producing a gas sensor comprising the following steps: providing a substrate containing a semiconductor material, generating at least one electronic component for generating light and / or for detecting light and / or electronic Signal processing and / or for energy supply to the substrate, introducing at least a first recess and / or a second recess in the substrate.
  • the introduction of at least one first recess and / or a second recess into the substrate takes place by means of an etching process.
  • This can be a dry chemical etching step.
  • the method further includes the step of producing a resonator which at least partially limits a space intended to accommodate molecules to be detected.
  • the resonator is connected to the substrate by means of bonding.
  • the resonator is monolithically generated on the substrate.
  • At least one component is produced on the substrate in CMOS technology. In some embodiments of the invention it can be provided that at least one component is connected to the substrate by means of flip-chip bonding.
  • the gas sensor according to the invention is used for process control in industrial installations or heating systems.
  • the gas sensor according to the invention is used for room air monitoring.
  • the measurement of the proportion of C0 2 and / or H 2 0 in the room air is suitable for this purpose.
  • the output signal of the gas sensor can be used to control a
  • Ventilation or air conditioning are used.
  • the gas sensor according to the invention detects gas emissions via the skin of a living being. This may include the determination of the acetone content. Accordingly, an acetoneemia can be detected with the gas sensor, so that the gas sensor can be used for treatment control in diabetes.
  • the gas sensor according to the invention is used to determine the composition of a fuel gas.
  • the calorific value of a fuel gas with varying composition can be reliably monitored, for example, the calorific value of a biogas from a biogas plant. This allows the control or regulation of the energy conversion of the internal combustion engine operated with the fuel gas.
  • the gas sensor according to the invention is used for fire protection monitoring.
  • it may be provided to detect the content of COx and / or NOx in the room air.
  • the gas sensor according to the invention for monitoring of foods, such as fruits and vegetables, and
  • Plants is used in refrigerated containers. For this purpose, it may be provided to detect the content of ethene (C 2 H 4 ), C0 2 , H 2 0, 0 2 and / or N 2 in the ambient air.
  • ethene C 2 H 4
  • C0 2 , H 2 0, 0 2 and / or N 2 in the ambient air.
  • the sensor signal can be used as an input signal of a control and / or regulation, with which the power of at least one cooling unit is controlled and / or regulated. In this way, the
  • FIG. 1 shows a gas sensor according to the invention according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a detail of a second embodiment of the gas sensor according to the invention.
  • Figure 3 shows a portion of a gas sensor according to a third embodiment of the invention.
  • Figure 4 shows a part of a gas sensor with a
  • FIG. 5 shows an exploded view of the gas sensor with a modular construction.
  • FIG. 1 shows a photoacoustic gas sensor 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the gas sensor 1 is provided to detect the presence and / or the amount of one or more molecular species in a gas phase to be examined fed to the gas sensor 1.
  • the gas sensor 1 includes a substrate 50.
  • the substrate 50 may include silicon.
  • the silicon may be provided with a dopant, for example boron, aluminum, gallium, nitrogen, phosphorus or arsenic to set a predeterminable electrical conductivity.
  • the substrate may be a single crystalline substrate.
  • the substrate may have a thickness of about 0.1 mm to about 1 mm.
  • the surface of the substrate may be provided with an insulating dielectric, for example an oxide, a nitride or an oxynitride.
  • the gas sensor 1 includes a resonator 11.
  • the resonator 11 includes at least two, approximately parallel, elongated elements 113 and 114 in the illustrated embodiment.
  • Each of the elements 113 and 114 is fixed with its base 112 to a connecting element 111 ,
  • the foot 115 opposite end 115 may cantilever freely in some embodiments of the invention. In other embodiments of the invention, the end 115 may be in contact with a resonator 70 or may serve to secure the resonator 70 to the substrate 50.
  • the parallel elements 113 and 114 may be formed by inserting a first recess 51 and a second recess 52 into the substrate 50.
  • the members 113 and 114 and the connector 111 and the substrate 50 may be made in one piece.
  • the recesses 51 and 52 can be obtained by wet or dry chemical etching.
  • partial surfaces of the substrate 50 can be protected by a mask from the corrosive attack of the etchant.
  • a photoresist or a hard mask can be used.
  • the recesses 51 and 52 can be made by machining, for example by micro-grinding or micro-milling.
  • the recesses 51 and 52 may be formed by laser material processing, for example by laser ablation or by exposure and etching of the substrate 50.
  • a pulsed laser may be used, which in some embodiments has a pulse duration of less than 200 fs ,
  • the proposed gas sensor 1 has at least one resonator 70.
  • the resonator 70 includes a hollow body, for example in the form of a cylinder or a prism. Shown in Figure 1 is a cuboid Hollow body.
  • the resonator may have a longitudinal extent of about 1 mm to about 10 mm. The edge length or the
  • Diameter of the end face 74 may be about 1 ⁇ to about 500 ⁇ . If the end face 74 is rectangular, both edges can have an identical edge length or a different edge length.
  • the lateral surface of the resonator 70 may have a plurality of bores 73 in order to allow the access of the gas phase to be examined in the interior 18 or to the
  • the resonator 70 may be made of the material of the substrate 50 and monolithically integrated into the gas sensor 1. In other embodiments of the invention, the resonator 70 may consist of a separate substrate in a separate substrate
  • Manufacturing process be prepared, for example by means of etching or laser ablation, and bonded at a predetermined location of the substrate 50. In this way, a material can be selected for the resonator 70, whose
  • the bonding connection can take place on an end face 53 of the substrate 50 facing the recess 51. In other embodiments of the invention, the bond may also be made at the end 115 of one of the approximately parallel elements 113 or 114.
  • the gas sensor 1 During operation of the gas sensor 1, light of at least one prescribable wavelength and / or pulse shape is radiated into the resonator 70.
  • the wavelength is tuned to the energy difference between the ground state and at least one excited state of the molecule to be detected, so that a resonant absorption of the incident light is made possible.
  • the light may become light Have wavelength of about 3 ⁇ to about 15 nm. In some embodiments of the invention, the wavelength between about 0.8 ⁇ and about 3 ⁇ be selected.
  • the light absorption by the gas phase to be examined in the resonator 70 can induce a standing acoustic wave in the interior of the resonator 70.
  • the length of the resonator 70 may be selected so that the maximum intensity of the standing acoustic wave is in the middle of the longitudinal extension of the resonator.
  • At least one opening 72 may be arranged at this point, through which at least part of the sound power escapes. As can be seen in FIG. 1, the opening 72 opens into the second recess 52, so that the acoustic wave can be coupled to the elongate elements 113 and / or 114.
  • the amplitude of this oscillation thereby varies with the intensity of the acting sound wave, which in turn depends on the concentration of the absorbing molecules in the interior 18 of the resonator 70.
  • the amplitude of the vibration of the element 114 and / or 113 is a measure of the concentration of the molecules to be detected in the gas phase to be examined.
  • the vibration of the resonance body 11 is read out by means of an interferometer 30.
  • the interferometer 30 includes at least two optical fibers 32 and 33, which are guided in parallel in a section 34, so that a crosstalk of each guided in the optical waveguides 32 and 33 signals is possible.
  • the crosstalk of the signals in the subsection 34 leads to an evanescent coupling of the signals carried in the waveguides 32 and 33.
  • an interrogating light signal is generated by means of a coherent light source 35, for example a laser diode, and coupled into the waveguide 32.
  • the light from the light source 35 exits from both openings of the optical waveguides 32 and 33 into the recess 51. Subsequently, the light is reflected at two partial surfaces 116 of the element 114. The reflected light is at least partially coupled into the waveguides 32 and 33. Due to the different distance to the
  • Connecting element 111 swing both faces with different amplitude, so that the reflected light at the respective partial surfaces 116 undergoes a path difference or a phase shift.
  • a device 17 is available.
  • the device 17 contains at least one electronic component 171, for example a resistor, a capacitor, an inductance, a diode, a transistor or a more complex, of a plurality
  • Components composite component such as a
  • Microprocessor a microcontroller, an amplifier, a discriminator, an A / D converter or a memory.
  • the signal received by the device 17 of the detector 36 can be passed to the device 60 after its processing in the device 17 via an electrical or optical data link 80.
  • the device 60 can also contain at least one of the above-mentioned components in order to digitize, store or send the received signals.
  • the device 60 can be set up for this purpose be to store the data in a non-volatile memory, such as a flash memory. Alternatively or
  • the device 60 can be configured to transmit the received data by means of a radio interface 61.
  • the radio interface 61 can operate according to the Bluetooth standard known per se or according to the WLAN standard.
  • the radio interface 61 can in this way transmit the data to a data processing device, for example a computer, where it can be further evaluated and / or visualized and / or stored.
  • the data can be sent by means of the radio interface 61 to a device for data transmission, which sends the data to a further data processing device.
  • the device for data transmission may include, for example, a mobile phone.
  • the light required to generate the photoacoustic signal is generated by means of at least one light source 40.
  • the light source 40 can generate coherent light.
  • Light source 40 may be configured to emit light of different wavelengths, or light source 40 may be one between an upper and a lower one
  • a plurality of light sources 40 may be present, which may either increase the intensity of the emitted light or provide a plurality of different wavelengths for exciting different molecules through respective associated light sources. Illustrated in FIG. 1 are four light sources, which may be integrated on the substrate 50, for example in the form of light-emitting diodes or diode lasers.
  • the light of the light sources 40 is assigned by means of
  • Waveguide passed to a multiplexer 41 which is also arranged on the substrate 50.
  • a waveguide 42 which at the end face 53rd the substrate 50 opens. Since the resonator 70 also opens at its end face 53 with its narrow side, the light can exit the waveguide 42 and enter the resonator 70.
  • the resonator 70 is then irradiated by the free jet 43, wherein the light, as already described above, excites a photoacoustic signal in the interior 18 of the resonator 70.
  • An advantage of the arrangement described in Figure 1 compared to previously known gas sensors is that the reading of the photoacoustically induced oscillation of the resonator body 11 and the optical excitation of the photoacoustic signal in the resonator 70 in a plane. As a result, a simple production by conventional etching technologies and the cost-effective production of large quantities on a single wafer is possible.
  • the gas sensor 1 has a control electronics 44 which generates electrical control signals for the light sources 40.
  • the electrical control signals may provide, for example, that the light sources 40 are driven cyclically in order to cyclically emit a plurality of different wavelengths and in this way cyclically detect a plurality of different molecules.
  • Light source 40 can be changed in wavelength by means of electrical signals from device 44. Furthermore, the device 44 can stabilize the required ones
  • the device 44 can be used to pulsate the light sources 40.
  • the pulse frequency may correspond approximately to the resonant frequency of the resonator body 11. In this way, by means of a lock-in amplifier, a special
  • Such a lock-in amplifier can For example, be integrated in the device 17 for signal processing and / or in the device 44 for controlling the coherent light sources 40.
  • the device 44 may be provided to initiate measurements at predeterminable time intervals, so that a continuous monitoring of the gas atmosphere surrounding the gas sensor takes place with a specific, specifiable temporal resolution.
  • the device 20 may include at least one solar cell 22, which is made of ambient light or from the specially supplied for this purpose the gas sensor 1 light from an artificial
  • Light source generates the required electricity. By turning on or off the light source then the gas sensor 1 can be turned on or off.
  • the gas sensor 1 Due to the integration of the solar cell 22, the gas sensor 1 is completely self-sufficient and can be used either as a discrete gas sensor element alone or as a component of other electrical or electronic devices.
  • the gas sensor 1 can be used in a luminaire for general lighting of a room and in this way the
  • the device 20 may have one or more capacitors, which ensure the electrical power supply even when the solar cell 22 is shaded.
  • the device 20 may have an interface 21, via which by means of a wired, a can be read from the gas sensor 1 or a measurement program to be processed in the device 44 can be loaded wireless or a fiber optic connection stored measurement data.
  • a wired interface 21 this can also be used to supply electrical energy to the gas sensor 1.
  • the solar cell 22 may also be omitted in some embodiments of the invention.
  • the substrate 50 contains a silicon substrate
  • the electronic components 22 and 171 of the devices 44, 20, 17 and 60 can be generated at least partially directly on the substrate 50 in CMOS technology. In this way, a compact and insensitive to interference structure of the gas sensor 1. Since both the micromechanical and the electronic and photonic components of the gas sensor 1 in a conventional manner with known techniques of semiconductor manufacturing, the gas sensor 1 can be provided in large quantities at low cost ,
  • At least one metallization plane can be provided, which is applied in a known manner to the substrate 50 and patterned by means of a photoresist can.
  • the waveguides 32, 33 and 42 may, for example, as
  • Ribbed waveguide or be designed as a layer waveguide.
  • the waveguides can also be integrated on the substrate 50 using established methods of semiconductor technology.
  • laser pulses may also be used to write the waveguides into the substrate.
  • the photonic devices may in some embodiments of the Invention also contain a different semiconductor material than the substrate 50, for example, a group III nitride or gallium arsenide.
  • the photonic components may be constructed from a plurality of different layers in the form of a quantum well structure or a superlattice.
  • the photonic components can be deposited heteroepitaxially on the substrate 50 or can be applied comparatively easily to the substrate 50 by means of upside-down flip-chip bonding. Due to the complete integration of the micromechanical sensor elements 11 and 70, the fiber optic sensor, the
  • a compact and fully self-sufficient in operation gas sensor 1 can be provided, which is suitable for mobile and maintenance-free operation.
  • the sensor can also be used in inaccessible places and / or in harsh environmental conditions.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the gas sensor 1. Since the differences from the embodiment according to FIG. 1 are limited to the region of the resonator 70, the gas sensor in FIG. 2 is not completely shown, but only the region of the resonator 11 and the resonator
  • the gas sensor 1 according to Figure 2 also includes a
  • Substrate 50 on which waveguide 32, 33, 42 a and 42 b are integrated, as described in connection with Figure 1. Furthermore, the gas sensor according to FIG. 2 can have electronic components for signal generation, signal processing, data transmission and electrical power supply, as described in connection with FIG.
  • the gas sensor 1 according to FIG. 2 contains a resonance body 11 for detecting photoacoustic oscillations, as described in connection with FIG.
  • an interferometer 30 is again available, which is formed from the waveguides 32 and 33, which have an evanescent coupling in a section 34.
  • a first resonator 70 and a second resonator 71 are available.
  • One or both resonators may have a plurality of holes 73, which allow or at least support the gas exchange between the interior 18 of the resonators and the volume surrounding the resonators.
  • the material thickness of the substrate 50 is reduced on both sides, so that two end faces 53 a and 53 b result on both sides of the resonator 11.
  • the resonators 70 and 71 are respectively fixed by means of bonding.
  • each resonator 70 and 71 is irradiated by light 43 in the free jet, so that a standing acoustic wave can form in each resonator 70 and 71.
  • Each of the resonators 70 and 71 has an associated opening 72 through which at least a portion of the acoustic power of the standing wave can be coupled into the second recess 52. In this way, the opto-acoustically induced signal can be coupled to the resonance body 11 and excite it to a detectable oscillation.
  • the light 43 is supplied to each of the resonators 70 and 71 through a respective associated waveguide 42a and 42b.
  • the waveguides 42a and 42b extend at different depths in the substrate 50, so that one of the waveguides on the end face 53a and the other waveguide on the end face 53b empties.
  • the waveguides 42a and 42b can each transport the light of a light source 40, so that in both
  • Resonators 70 and 71 the same molecular species is detected. In this way, amplified from the openings 72 acoustic signal amplifies and the sensitivity of the detection is increased.
  • the intensity of a light source 40 can be distributed to both waveguides 42a and 42b, for example approximately in half. In another embodiment, each of the waveguides 42a and 42b may be associated with a separate light source to utilize the intensity of two light sources.
  • Resonators 70 and 71 another molecular species are detected, so that the presence of two different
  • Wavelengths of the light transported in the optical waveguide 42a and 42b are used to excite different optical transitions or transitions of vibrations of the same molecule, so that the measurement of a molecular species occurs twice. In this way, the measurement results can be made plausible and the sensitivity increased and / or the measurement error reduced.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the proposed gas sensor. Also, Figure 3 shows only a section of a gas sensor element, wherein the unchanged in comparison to Figure 1 present elements are not shown.
  • the gas sensor according to FIG. 3 also contains a substrate 50 on which electronic assemblies 60, waveguides 32 and 33 and photonic devices may be arranged as described in connection with FIG.
  • the gas sensor according to FIG. 3 also contains a resonance body 11 with which photoacoustically induced signals can be amplified, as described in connection with FIGS. 1 and 2.
  • the resonator 70 in turn has an approximately rectangular end face 74.
  • the lateral surface of the resonator 70 may in turn be equipped with holes 73 which the
  • the bore 72 through which the photoacoustically induced signal exits from the resonator 70, at the resonance body 11 facing bottom of the resonator 70.
  • the foot point 112 opposite end 115 relative to the surrounding substrate shortened.
  • the waveguide 42 via which the light intended to excite the molecules in the gas phase to be examined, is guided out of the light sources 40, also opens at the end face 53.
  • the geometry illustrated in FIG. 3 is particularly suitable for a monolithic integration of the resonator 70.
  • the resonator 70 is produced from the material of the substrate 50, for example by etching or laser material processing or machining.
  • the resonator 70 can be released from the resonator body 11 by simultaneously or sequentially with the first recess 51 and the second recess 52, the gap 117 is generated, through which the resonator 70 from the end 115 of
  • Figure 4 and 5 shows another embodiment of the proposed gas sensor with a modular structure.
  • FIG. 4 shows the first substrate 50.
  • the first substrate 50 contains the resonant body 11 and a resonator 70.
  • the resonator 70 contains at least one
  • Waveguide 42 by means of which an optical radiation for excitation of a photoacoustic oscillation in the interior 18 of the resonator 70 can be coupled.
  • the waveguide 42 can be integrated into the substrate 50 by means of silicon-on-insulator technology, as described in connection with FIG.
  • the substrate 50 is provided with a micro-optically integrated interferometer 30.
  • the interferometer 30 contains a coherent light source 35.
  • the radiation of this light source can be coupled into the waveguide 32, which has an evanescent coupling to the waveguide 33 by means of a subsection 34. After reflection of the emerging from the waveguides 32 and 33 light at the partial surfaces 116 of the elongate member 114 may have a
  • Vibration of this element can be detected in the photodetector 36.
  • the substrate 50 contains no electronic components other than the photodetector 36 and the coherent light source 35, such as the light generating means 40, the electronic signal processing means 44 and 60, or the power supply means 20 , These components of the proposed gas sensor are arranged on a second substrate 56, such as explained in connection with FIG.
  • the distribution of the components on the two substrates 50 and 56 can also be carried out differently.
  • the invention does not teach the use of exactly two substrates as a solution principle.
  • Substrate 50 are electrical connection contacts 57 to
  • the number of four pin contacts shown in Figure 4 is merely exemplary to see. In other embodiments of the invention, the number of contacts may be larger or smaller, depending on how large the number of integrated on the substrate 50 electronic and / or optoelectronic devices.
  • pin contacts can be used.
  • the invention does not disclose the use of exactly four pin contacts
  • electrical leads 81 are available for electrical connection of the contact elements 57 with associated electronic components, such as the light source 35 or the photodetector 36.
  • the electrical leads 81 may be formed by means of a structured metallization of the
  • Substrate 50 can be obtained.
  • Substrate 50 may be applied to an insulating layer and / or covered by an insulator layer to prevent unwanted leakage currents or short circuits.
  • the electrical leads 81 may also be obtained by introducing dopants into the substrate 50.
  • the substrate 50 may include an optical interface 58.
  • the optical interface 58 can be used for this purpose be coupled into the waveguide 42, the light of a arranged on the second substrate 56 radiation source.
  • the first substrate 50 has a recess 55.
  • the recess 55 may be formed complementary to the outer contour of the second substrate 56. In this way, the mechanical strength of the connection between the first substrate 50 and the second substrate 56 can be increased by positive engagement.
  • FIG. 5 shows a first substrate 50 with a resonator 11 and a resonator 70, as described in connection with FIG.
  • FIG. 5 shows a second substrate 56.
  • the second substrate 56 contains the light sources 40, with which a photoacoustic excitation within the resonator 70 can be carried out.
  • the light sources 40 couple by means of an optical interface 58 to the waveguide 42, which in the
  • the second substrate 56 contains the device 44 for controlling the light sources 40, the devices 17 and 60 for signal processing, and the device 20 with the solar cell 22 for supplying energy to the gas sensor 1.
  • the electronic components are largely separated from the micromechanical components. so that both assemblies can be combined in different versions.
  • different copies of the second substrate 56 may be provided, which different light sources 40 or different
  • Signal processing means 60 included so as to
  • Gas sensor 1 in a simple manner by replacing the second substrate 56 to adapt to different tasks.
  • the first substrate 50 is made of a different material than the second substrate 56, so that each substrate can be optimized for the task to which it is entitled.
  • the substrate 56 For mechanical attachment of the second substrate 56 engages this in a recess 55, which has approximately a complementary shape. In this way, the substrate 56 is held in a form-fitting manner on the first substrate 50. In other embodiments of the invention, the attachment of the second substrate 56 on the first substrate 50 can also be done in other ways, for example, by bonding, gluing, soldering or welding.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen photoakustischen Gassensor, enthaltend einen Resonanzkörper und eine Einrichtung zur Erkennung einer Schwingung des Resonanzkörpers, welche eine Einrichtung zur optischen Erfassung des Ortes von zumindest einer Teilfläche des Resonanzkörpers enthält, wobei der Resonanzkörper und die Einrichtung zur Erkennung einer Schwingung auf genau einem Substrat angeordnet sind, und der Resonanzkörper durch zumindest eine erste Aussparung des Substrates gebildet ist und das Substrat ein Halbleitermaterial enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung und Verwendung solcher Gassensoren.

Description

Beschreibung
Photoakustischer Gassensor sowie Verfahren zu seiner
Herstellung und Verwendung
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen photoakustischen Gassensor, enthaltend einen Resonanzkörper, welcher einen zur Aufnahme nachzuweisender Moleküle bestimmten Raum zumindest teilweise begrenzt und eine Einrichtung zur Erkennung einer Schwingung des Resonanzkörpers.
Aus A. A. Kosterev et al . : Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, Optics Letters, Vol. 27, No. 21 (2002) 1902 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt . Diese Schrift offenbart die Verwendung eines gabelförmigen Quarz - kristalls als hochempfindliches Mikrofon, mit welchem Druckschwankungen in einer Gasphase detektierbar sind. Die Druckschwankungen werden gemäß dem bekannten Verfahren mittels einer Laserdiode erzeugt, welche mittels spektral schmal- bandiger Strahlung die Moleküle der Gasphase selektiv anregt. Aufgrund des großen Gütefaktors des zum Nachweis verwendeten gabelförmigen Quarzkristalls kann die photoakustische Messung mit großer Sensitivität durchgeführt werden. Die anregende Lichtquelle mit zugehöriger Steuerelektronik sowie die Aus- werteelektronik sind von dem eigentlichen Gassensor getrennt.
Das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, dass die Materialauswahl für die Herstellung von Mikrostimmgabeln auf piezoelektrische Materialien beschränkt ist. Weiter wird zur Signaldetektion eine Piezo- Spannung gemessen, welche oftmals nur einige Nano- bzw. Piko- volt beträgt. Dadurch ist die Messung durch elektrische Stör- Signale leicht zu beeinflussen. Weiterhin ist der Platzbedarf des Gassensors durch den Platzbedarf der anregenden
Lichtquelle mit zugehöriger Steuerelektronik sowie der Auswerteelektronik begrenzt, so dass eine mobile Anwendung nicht möglich ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gasanalytik bereitzustellen, welche eine Messung mit größerer Zuverlässigkeit erlaubt und eine kompakte Bauform aufweist. KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe wird gelöst durch einen photoakustischen Gassensor, enthaltend einen Resonanzkörper und eine Einrichtung zur Erkennung einer Schwingung des Resonanzkörpers, welche eine Einrichtung zur optischen Erfassung des Ortes von zumindest einer Teilfläche des Resonanzkörpers enthält, wobei der
Resonanzkörper und die Einrichtung zur Erkennung einer
Schwingung auf genau einem Substrat angeordnet sind, und der Resonanzkörper durch zumindest eine erste Aussparung des Substrates gebildet ist, wobei das Substrat ein Halbleiter- material enthält.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Substrat Silizium enthält. Dadurch ist eine einfache und kostengünstige Herstellung des Gassensors mit bekannten Verfahren und Vorrichtungen der Mikroelektronik und der Mikromechanik möglich.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Resonanzkörper zumindest zwei in etwa parallel angeordnete Elemente aufweist, welche jeweils mit einem
Fußpunkt an einem Verbindungselement fixiert sind und an ihrem dem Fußpunkt entgegen gesetzten Ende frei auskragen, wobei zwischen beiden Elementen eine zweite Aussparung ausgebildet ist und zwischen dem Substrat und einem Element die erste Aussparung. Dadurch ist die Einrichtung zum Auslesen des Signals und die Einrichtung zur optischen Anregung der zu untersuchenden Moleküle in einer Ebene angeordnet, so dass eine besonders einfache Integration in ein Substrat möglich wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung zur Erkennung einer Schwingung ein Interferometer enthält, welches zumindest zwei Lichtwellenleiter enthält, welche in einem Teilabschnitt parallel geführt sind, so dass ein Übersprechen der jeweils in den
Lichtwellenleitern geführten Signale möglich ist. Unter Übersprechen wird im Sinne der vorliegenden Beschreibung die gegenseitige Beeinflussung der beiden parallel geführten Wellenleiter verstanden, so dass ein in den ersten Wellen- leiter eingekoppeltes Signal auch im zweiten Wellenleiter nachgewiesen werden kann. Dabei kann die Amplitude der
Signale in beiden Wellenleitern unterschiedlich sein. Ein solches Interferometer kann durch Trocken- und/oder
Tiefenätzen in das Substrat eingebracht werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Wechselwirkung von kurzen Lichtpulen mit dem Substrat zu nutzen, um Wellenleiter in das Substrat hinein zu schreiben. Die
einzelnen Lichtpulse können eine Pulslänge von weniger als 200 fs aufweisen. In dieser Weise kann ein Wellenleiter in einer vorgebbaren Tiefe innerhalb des Substrates angeordnet werden .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Einrichtung zur Erzeugung von Licht und/oder eine Einrichtung zum Nachweis von Licht und/oder eine Einrichtung zur elektronischen Signalverarbeitung und/oder eine Einrichtung zur Energieversorgung auf dem
Substrat integriert ist. Demnach kann die zumindest eine Einrichtung eine Photodiode, eine Leuchtdiode oder eine
Laserdiode sein. Weiterhin kann das zumindest eine Bauelement ein Signalverstärker, ein A/D-Wandler, ein Diskriminator, eine Sendeeinrichtung für ein Datensignal oder eine
Empfangseinrichtung für ein Datensignal sein. Darüber hinaus kann die zumindest eine Einrichtung einen Kondensator oder eine Solarzelle zur Stromversorgung weiterer Einrichtungen enthalten.
Eine Einrichtung zur Erzeugung von Licht und/oder eine Einrichtung zum Nachweis von Licht und/oder eine Einrichtung zur elektronischen Signalverarbeitung und/oder eine Einrichtung zur Energieversorgung kann eine Mehrzahl unterschiedlicher elektronischer Bauelemente enthalten, wie Kondensatoren, Widerstände, Induktivitäten, Dioden, Transistoren,
MikroController, Mikroprozessoren, Speichereinrichtungen und weitere, nicht explizit genannte Bauelemente.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein elektronisches Bauelement in CMOS- Technik auf dem Substrat ausgeführt ist. Dies erlaubt die Erzeugung von elektronischen, optischen und mikromechanischen Bauelementen im selben Prozess.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein elektronisches Bauelement mittels Flip-Chip-Bonding mit dem Substrat verbunden ist. Dadurch können Bauelemente auf dem Substrat integriert werden, welche zumindest ein Halbleitermaterial enthalten, welches sich vom Halbleitermaterial des Substrates unterscheidet. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Gassensor weiterhin zumindest einen Resonator enthält, welcher einen zur Aufnahme von nachzuweisenden
Molekülen bestimmten Raum zumindest teilweise begrenzt.
Dadurch wird die Sensitivität des Nachweises gesteigert und die Baugröße des Gassensors verringert.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Resonator mittels eines Bondverfahrens mit dem Substrat verbunden ist oder monolithisch auf dem Substrat integriert ist. Auf diese Weise kann die Anzahl und/oder die Größe der Resonatoren in weiten Grenzen variiert werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Resonator einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Der Querschnitt kann eine Länge und/oder Breite von etwa 100 μπι bis etwa 1000 μπι aufweisen. Die Längsersteckung des Resonators kann etwa 1 mm - etwa 10 mm betragen. Die Maße können auf die Wellenlänge einer sich ausbildenden stehenden Welle abgestimmt sein. Hierdurch kann die Kopplung der photoakustisch induzierten Welle an den zum Nachweis verwendeten Resonanzkörper verbessert werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in der Begrenzungswand des Resonators zumindest eine Bohrung angebracht ist. Eine solche Bohrung kann einen Durchmesser von etwa 10 μπι bis etwa 1000 μπι aufweisen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Gassensor zumindest einen Kontaktlayer
enthält, über welchen zumindest zwei elektronische
Bauelemente elektrisch verbunden sind. Der Kontaktlayer kann ein Metall oder eine Legierung oder ein mit einem Dotierstoff versehenes Halbleitermaterial enthalten. Eine Mehrzahl von Kontaktlayern kann durch zumindest eine Schicht getrennt sein, welche einen Isolator oder ein nicht mit einem
Dotierstoff versehenes Halbleitermaterial enthält.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Gassensor zumindest einen optischen Wellenleiter enthält, welcher in Silicon-on- Insulator-Technik (SOI) auf und/oder in dem Substrat integriert ist. Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zum photoakustischen Nachweis von Molekülen in der Gasphase, welches die folgenden Schritte enthält: Einbringen der nach- zuweisenden Moleküle in einen Raum, welcher von zumindest einem mikromechanischen Resonator zumindest teilweise
begrenzt ist, Zuführen von Licht zur Anregung eines photoakustischen Signals in den zur Aufnahme der nachzuweisenden Moleküle bestimmten Raum, Erkennen einer Schwingung eines Resonanzkörpers durch optische Erfassung des Ortes von
zumindest zwei Teilflächen des Resonanzkörpers und Übertragen eines die Schwingung des Resonanzkörpers repräsentierenden Signals mittels eines Funksignals. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Funksignal ein WLAN-Signal und/oder ein Bluetooth-Signal enthält. Hierdurch kann der Gassensor mit einer Einrichtung zur Datenverarbeitung oder mit einer Einrichtung zur Datenübertragung verbunden werden. Auf diese Weise ist die Übertragung über größere Entfernungen möglich, beispielsweise über ein LAN, ein WAN oder ein Mobilfunknetz .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass durch das Zuführen von Licht eine stehende akustische Welle in dem Resonator ausgebildet wird. Hierdurch ergibt sich eine Verstärkung des photoakustischen Signals
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest einer Einrichtung zum Zuführen von Licht und/oder zumindest einer Einrichtung zum Erkennen der
Schwingung des Resonanzkörpers und/oder zumindest einer Ein- richtung zum Übertragen eines die Schwingung des Resonanzkörpers repräsentierenden Signals Energie mittels zumindest einer Solarzelle zugeführt wird. Dies ermöglicht einen autarken und wartungsfreien Betrieb des Gassensors.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Solarzelle zumindest bei Betrieb des Gassensors Umgebungslicht auf die Solarzelle einfällt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Solarzelle zumindest bei Betrieb des Gassensors mit einer Kunstlichtquelle bestrahlt wird. Dabei kann vorgesehen sein, durch gezieltes Ein- und Ausschalten der Kunstlichtquelle den Gassensor ein- und auszuschalten.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Kunst- lichtquelle in einer zur Allgemeinbeleuchtung eines Raumes eingesetzten Leuchte enthalten sein.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Gassensor zumindest einen Kondensator enthält. Dadurch kann elektrische Energie gespeichert werden und die Energieversorgung des Gassensors auch dann sichergestellt werden, wenn kein Licht auf den Gassensor fällt.
Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zur Herstellung eines Gassensors, enthaltend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Substrates, welches ein Halbleitermaterial enthält, Erzeugen von zumindest einem elektronischen Bauelement zur Erzeugung von Licht und/oder zum Nachweis von Licht und/oder zur elektronischen Signalver- arbeitung und/oder zur Energieversorgung auf dem Substrat, Einbringen von zumindest einer ersten Aussparung und/oder einer zweiten Aussparung in das Substrat.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Einbringen von zumindest einer ersten Aus- sparung und/oder einer zweiten Aussparung in das Substrat mittels eines Ätzverfahrens erfolgt. Dies kann ein trockenchemischer Ätzschritt sein.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verfahren weiterhin den Schritt enthält, einen Resonator herzustellen, welcher einen zur Aufnahme von nachzuweisenden Molekülen bestimmten Raum zumindest teilweise begrenzt . In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Resonator mit dem Substrat mittels Bonden verbunden wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Resonator monolithisch auf dem Substrat erzeugt wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Bauelement in CMOS-Technik auf dem Substrat erzeugt wird. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Bauelement mittels Flip-Chip-Bonding mit dem Substrat verbunden wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Gassensor zur Prozess- Steuerung in industriellen Anlagen oder Heizungsanlagen eingesetzt wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Gassensor zur Raumluftüberwachung eingesetzt wird. Hierzu eignet sich insbesondere die Messung des Anteils von C02 und/oder H20 in der Raumluft. Das Ausgangssignal des Gassensors kann zur Steuerung einer
Lüftungs- oder Klimaanlage verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Gassensor zur Atemgasüber- wachung eingesetzt wird. Dies kann die Bestimmung des C02- und/oder 02- und/oder Aceton- und/oder Alkoholgehaltes umfassen. Entsprechend kann mit dem Gassensor eine Atemalkohol - messung durchgeführt werden oder eine Azetonämie erkannt werden oder ein Beatmungsgerät geregelt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Gassensor Gasausdünstungen über die Haut eines Lebewesens erfasst. Dies kann die Bestimmung des Acetongehaltes umfassen. Entsprechend kann mit dem Gassensor eine Azetonämie erkannt werden, so dass der Gassensor zur Behandlungssteuerung bei Diabetes eingesetzt werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Gassensor zur Ermittlung der Zusammensetzung eines Brenngases eingesetzt wird. Damit kann der Brennwert eines Brenngases mit wechselnder Zusammensetzung zuverlässig überwacht werden, beispielsweise der Brennwert eines Biogases aus einer Biogasanlage. Dies erlaubt die Steuerung bzw. Regelung des Energieumsatzes der mit dem Brenngas betriebenen Brennkraftmaschine.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Gassensor zur Brandschutz - Überwachung eingesetzt wird. Hierzu kann vorgesehen sein, den Gehalt an COx und/'oder NOx in der Raumluft zu erfassen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Gassensor zur Überwachung von Lebensmitteln, wie beispielsweise Obst und Gemüse, und
Pflanzen in Kühlcontainern eingesetzt wird. Hierzu kann vorgesehen sein, den Gehalt an Ethen (C2H4) , C02, H20, 02 und/oder N2 in der Umgebungsluft zu erfassen. In einigen
Ausführungsformen kann das Sensorsignal als Eingangssignal einer Steuerung und/oder Regelung eingesetzt werden, mit welcher die Leistung zumindest eines Kühlaggregates gesteuert und/oder geregelt wird. Auf diese Weise kann der
Energieverbrauch und die C02 -Emission des Kühlaggregates gesenkt werden. BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gassensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2 zeigt ein Detail einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors.
Figur 3 zeigt einen Teilbereich eines Gassensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 4 zeigt einen Teil eines Gassensors mit einem
modularen Aufbau.
Figur 5 zeigt eine Explosionszeichnung des Gassensors mit modularen Aufbau.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Figur 1 zeigt einen photoakustischen Gassensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Gassensor 1 ist dazu vorgesehen, die Anwesenheit und/oder die Menge einer oder mehrerer Molekülspezies in einer dem Gassensor 1 zugeführten, zu untersuchenden Gasphase zu erfassen.
Der Gassensor 1 enthält ein Substrat 50. Das Substrat 50 kann Silizium enthalten. Das Silizium kann zur Einstellung einer vorgebbaren elektrischen Leitfähigkeit mit einem Dotierstoff versehen werden, beispielsweise Bor, Aluminium, Gallium, Stickstoff, Phosphor oder Arsen. Das Substrat kann ein einkristallines Substrat sein. Das Substrat kann eine Dicke von etwa 0,1 mm bis etwa 1 mm aufweisen. Die Oberfläche des Substrates kann mit einem isolierenden Dielektrikum versehen sein, beispielsweise einem Oxid, einem Nitrid oder einem Oxinitrid . Zum Nachweis photoakustisch induzierter Schwingungen enthält der Gassensor 1 einen Resonanzkörper 11. Der Resonanzkörper 11 enthält in der dargestellten Ausführungsform zumindest zwei, etwa parallel angeordnete, längliche Elemente 113 und 114. Jedes der Elemente 113 und 114 ist mit seinem Fußpunkt 112 an einem Verbindungselement 111 fixiert. Das dem Fußpunkt 112 entgegen gesetzte Ende 115 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung frei auskragen. In anderen Ausführungs- formen der Erfindung kann das Ende 115 mit einem Resonator 70 in Kontakt stehen oder zur Befestigung des Resonators 70 am Substrat 50 dienen.
In einigen Ausführungsformen können die parallel angeordneten Elemente 113 und 114 durch Einbringen einer ersten Aussparung 51 und einer zweiten Aussparung 52 in das Substrat 50 gebil- det werden. In diesem Fall können die Elemente 113 und 114 sowie das Verbindungselement 111 und das Substrat 50 einstückig ausgeführt werden. Die Aussparungen 51 und 52 können durch nass- oder trockenchemisches Ätzen erhalten werden. Hierzu können Teilflächen des Substrates 50 durch eine Maske vor dem korrosiven Angriff des Ätzmittels geschützt werden. Hierzu kann ein Photolack oder eine Hartmaske eingesetzt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Aussparungen 51 und 52 durch spanende Bearbeitung hergestellt werden, beispielsweise durch Mikroschleifen oder Mikrofräsen. In wieder einer anderen Ausführungsform können die Aussparungen 51 und 52 durch Lasermaterialbearbeitung erzeugt werden, beispielsweise durch Laserablation oder durch Belichten und Ätzen des Substrates 50. Hierzu kann ein gepulster Laser eingesetzt werden, welcher in einigen Ausführungs- formen eine Pulsdauer von weniger als 200 fs aufweist.
Zum photoakustischen Nachweis von Molekülen in der zu untersuchenden Gasphase weist der vorgeschlagene Gassensor 1 zumindest einen Resonator 70 auf. Der Resonator 70 enthält einen Hohlkörper, beispielsweise in Form eines Zylinders oder eines Prismas. In Figur 1 dargestellt ist ein quaderförmiger Hohlkörper. Der Resonator kann eine Längserstreckung von etwa 1 mm bis etwa 10 mm aufweisen. Die Kantenlänge bzw. der
Durchmesser der Stirnfläche 74 kann etwa 1 μπι bis etwa 500 μπι betragen. Sofern die Stirnfläche 74 rechteckig ist, können beide Kanten eine identische Kantenlänge aufweisen oder aber eine unterschiedliche Kantenlänge.
Die Mantelfläche des Resonators 70 kann eine Mehrzahl von Bohrungen 73 aufweisen, um den Zutritt der zu untersuchenden Gasphase in den Innenraum 18 zu ermöglichen oder um den
Gasaustausch zwischen dem Innenraum 18 des Resonators 70 und dem Außenraum zumindest zu beschleunigen.
Der Resonator 70 kann aus dem Material des Substrates 50 hergestellt und monolithisch in den Gassensor 1 integriert sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Resonator 70 aus einem separaten Substrat in einem eigenen
Herstellungsprozess hergestellt sein, beispielsweise mittels Ätzen oder Laserablation, und an einer vorbestimmten Stelle des Substrates 50 gebondet werden. Auf diese Weise kann für den Resonator 70 ein Material gewählt werden, dessen
chemische Beständigkeit und/oder Bearbeitbarkeit für den jeweiligen Anwendungszweck optimiert ist. Die Bondverbindung kann an einer der Aussparung 51 zugewandten Stirnfläche 53 des Substrates 50 erfolgen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Bondverbindung auch an dem Ende 115 eines der in etwa parallel angeordneten Elemente 113 oder 114 erfolgen .
Im Betrieb des Gassensors 1 wird in den Resonator 70 Licht zumindest einer vorgebaren Wellenlänge und/oder Pulsform eingestrahlt. Die Wellenlänge ist dabei auf die Energie- differenz zwischen dem Grundzustand und zumindest einem angeregten Zustand des nachzuweisenden Moleküls abgestimmt, so dass eine resonante Absorption des eingestrahlten Lichtes ermöglicht wird. In Abhängigkeit der nachzuweisenden Molekül - spezies und des ausgewählten Überganges kann das Licht eine Wellenlänge von etwa 3 μπι bis etwa 15 nm aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wellenlänge zwischen etwa 0,8 μπι und etwa 3 μπι gewählt werden.
Die Lichtabsorption durch die zu untersuchenden Gasphase im Resonator 70 kann eine stehende akustische Welle im Inneren des Resonators 70 induzieren. Die Länge des Resonators 70 kann so ausgewählt sein, dass die maximale Intensität der stehenden akustischen Welle in der Mitte der Längserstreckung des Resonators liegt. An dieser Stelle kann zumindest eine Öffnung 72 angeordnet sein, durch welche zumindest ein Teil der Schallleistung entweicht. Wie in Figur 1 ersichtlich, mündet die Öffnung 72 in der zweiten Aussparung 52, sodass die akustische Welle an die länglichen Elemente 113 und/oder 114 ankoppeln kann. Durch das Einwirken der im Resonator 70 erzeugten akustischen Welle wird zumindest eines der länglichen Elemente 113 oder 114 in Schwingung versetzt. Die Amplitude dieser Schwingung variiert dabei mit der Intensität der einwirkenden Schallwelle, welche wiederum von der Konzentration der absorbieren- den Moleküle im Innenraum 18 des Resonators 70 abhängt. Auf diese Weise ist die Amplitude der Schwingung des Elementes 114 und/oder 113 ein Maß für die Konzentration der nachzuweisenden Moleküle in der zu untersuchenden Gasphase.
Die Schwingung des Resonanzkörpers 11 wird mittels eines Interferometers 30 ausgelesen. In der dargestellten Ausführungsform enthält das Interferometer 30 zumindest zwei Lichtwellenleiter 32 und 33, welche in einem Teilabschnitt 34 parallel geführt sind, sodass ein Übersprechen der jeweils in den Lichtwellenleitern 32 und 33 geführten Signale möglich ist. Das Übersprechen der Signale im Teilabschnitt 34 führt zu einer evaneszenten Kopplung der in den Wellenleitern 32 und 33 geführten Signale. Um die Schwingung des Resonators 11 zu detektieren wird mittels einer kohärenten Lichtquelle 35, beispielsweise einer Laserdiode, ein abfragendes Lichtsignal erzeugt und in den Wellenleiter 32 eingekoppelt. Durch die evaneszente Kopplung der Wellenleiter tritt das Licht der Lichtquelle 35 aus beiden Mündungen der Lichtwellenleiter 32 und 33 in die Aussparung 51 aus. Nachfolgend wird das Licht an zwei Teilflächen 116 des Elementes 114 reflektiert. Das reflektierte Licht wird zumindest teilweise in die Wellenleiter 32 und 33 eingekoppelt. Aufgrund des unterschiedlichen Abstandes zum
Verbindungselement 111 schwingen beide Teilflächen mit unterschiedlicher Amplitude, so dass das an den jeweiligen Teilflächen 116 reflektierte Licht einen Gangunterschied bzw. eine Phasenverschiebung erfährt. Durch die evaneszente
Kopplung der beiden reflektierten Lichtsignale im Teilabschnitt 34 der Lichtwellenleiter 32 und 33 wird diese Phasenverschiebung in ein Interferenzmuster abgebildet, welches mit einem Detektor 36 nachgewiesen wird, beispielsweise einer Photodiode . Zur Ansteuerung der kohärenten Lichtquelle 35 und zur Aufbereitung der Signale des Detektors 36 steht eine Einrichtung 17 zur Verfügung. Die Einrichtung 17 enthält zumindest ein elektronisches Bauelement 171, beispielsweise einen Widerstand, einen Kondensator, eine Induktivität, eine Diode, einen Transistor oder ein komplexeres, aus mehreren
Bauelementen zusammengesetztes Bauelement, wie einen
Mikroprozessor, einen MikroController, einen Verstärker, einen Diskriminator, einen A/D-Wandler oder einen Speicher.
Das von der Einrichtung 17 empfangene Signal des Detektors 36 kann nach seiner Verarbeitung in der Einrichtung 17 über eine elektrische oder optische Datenverbindung 80 an die Einrichtung 60 weitergereicht werden. Auch die Einrichtung 60 kann zumindest eines der oben genannten Bauelemente enthalten, um die empfangenen Signale zu digitalisieren, zu speichern oder zu senden. Hierzu kann die Einrichtung 60 dafür eingerichtet sein, die Daten in einem nicht-flüchtigen Speicher abzulegen, beispielsweise einem Flash-Speicher. Alternativ oder
kumulativ kann die Einrichtung 60 dazu eingerichtet sein, die empfangenen Daten mittels einer Funkschnittstelle 61 zu über- tragen. Beispielsweise kann die Funkschnittstelle 61 nach dem an sich bekannten Bluetooth-Standard oder nach dem WLAN- Standard arbeiten. Die Funkschnittstelle 61 kann die Daten auf diese Weise an eine Datenverarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer, senden, wo diese weiter ausgewertet und/oder visualisiert und/oder gespeichert werden können. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Daten mittels der Funkschnittstelle 61 an eine Einrichtung zur Datenübertragung gesendet werden, welche die Daten an eine weiter entfernte Datenverarbeitungseinrichtung sendet. Die Einrichtung zur Datenübertragung kann beispielsweise ein Mobiltelefon enthalten.
Das zur Erzeugung des photoakustischen Signals erforderliche Licht wird mittels zumindest einer Lichtquelle 40 erzeugt. Die Lichtquelle 40 kann kohärentes Licht erzeugen. Die
Lichtquelle 40 kann dazu eingerichtet sein, Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu emittieren bzw. die Lichtquelle 40 kann eine zwischen einer oberen und einer unteren
Grenzfrequenz durchstimmbare Lichtqulle sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Vielzahl von Licht- quellen 40 vorhanden sein, wodurch sich entweder die Intensität des ausgesandten Lichtes steigern lässt oder eine Mehrzahl unterschiedlicher Wellenlängen zur Anregung unterschiedlicher Moleküle durch jeweils zugeordnete Lichtquellen bereitgestellt werden kann. In Figur 1 dargestellt sind vier Lichtquellen, welche beispielsweise in Form von Leuchtdioden oder Diodenlasern auf dem Substrat 50 integriert sein können.
Das Licht der Lichtquellen 40 wird mittels zugeordneter
Wellenleiter zu einem Multiplexer 41 geleitet, welcher ebenfalls auf dem Substrat 50 angeordnet ist. Vom Multiplexer 41 geht ein Wellenleiter 42 aus, welcher an der Stirnfläche 53 des Substrates 50 mündet. Da der Resonator 70 mit seiner Schmalseite ebenfalls an der Stirnfläche 53 mündet, kann das Licht aus dem Wellenleiter 42 aus- und in den Resonator 70 eintreten. Der Resonator 70 wird sodann vom Freistrahl 43 durchstrahlt, wobei das Licht, wie bereits oben beschrieben, ein photoakustisches Signal im Innenraum 18 des Resonators 70 anregt .
Ein Vorteil der in Figur 1 beschriebenen Anordnung gegenüber bisher bekannten Gassensoren liegt darin, dass das Auslesen der photoakustisch induzierten Schwingung des Resonanzkörpers 11 und die optische Anregung des photoakustischen Signals im Resonator 70 in einer Ebene erfolgt. Dadurch ist eine einfache Herstellung durch konventionelle Ätztechnologien und die kostengünstige Fertigung großer Stückzahlen auf einem einzigen Wafer möglich.
Weiterhin weist der Gassensor 1 eine Ansteuerelektronik 44 auf, welche elektrische Steuersignale für die Lichtquellen 40 erzeugt. Die elektrischen Steuersignale können beispielsweise vorsehen, dass die Lichtquellen 40 zyklisch angesteuert wer- den, um zyklisch eine Mehrzahl unterschiedlicher Wellenlängen auszusenden und auf diese Weise zyklisch eine Mehrzahl unterschiedlicher Moleküle nachzuweisen. Eine durchstimmbare
Lichtquelle 40 kann mittels elektrischer Signale aus der Einrichtung 44 in der Wellenlänge verändert werden. Weiterhin kann die Einrichtung 44 die erforderlichen stabilisierten
Betriebsströme und/oder Spannungen für den Betrieb der Lichtquellen 40 bereitstellen.
Des Weiteren kann die Einrichtung 44 dazu verwendet werden, die Lichtquellen 40 gepulst zu betreiben. In einigen Aus- führungsformen kann die Pulsfrequenz in etwa der Resonanzfrequenz des Resonanzkörpers 11 entsprechen. Auf diese Weise kann mittels eines Lock- In-Verstärkers eine besonders
untergrundarme bzw. rauscharme Messung des photoakustischen Signals erfolgen. Ein solcher Lock- In-Verstärker kann beispielsweise in der Einrichtung 17 zur Signalverarbeitung und/oder in der Einrichtung 44 zur Ansteuerung der kohärenten Lichtquellen 40 integriert sein.
Weiterhin kann die Einrichtung 44 dazu vorgesehen sein, Messungen in vorgebbaren Zeitintervallen zu veranlassen, sodass eine kontinuierliche Überwachung der den Gassensor umgebenden Gasatmosphäre mit einer bestimmten, vorgebbaren zeitlichen Auflösung erfolgt.
Zur Stromversorgung der Einrichtung 44, der Einrichtung 17, der Einrichtung 60 sowie der Lichtquellen 35 und 40 steht eine Einrichtung 20 zur Energieversorgung zur Verfügung. Die Einrichtung 20 kann zumindest eine Solarzelle 22 enthalten, welche aus Umgebungslicht oder aus speziell zu diesem Zweck dem Gassensor 1 zugeführten Licht aus einer künstlichen
Lichtquelle die erforderliche Elektrizität generiert. Durch ein- oder ausschalten der Lichtquelle kann dann der Gassensor 1 ein- oder ausgeschaltet werden.
Durch die Integration der Solarzelle 22, ist der Gassensor 1 völlig autark und kann entweder als diskretes Gassensor- element alleine oder als Bestandteil weiterer elektrischer bzw. elektronischer Geräte eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Gassensor 1 in eine Leuchte zur Allgemeinbeleuchtung eines Raumes eingesetzt werden und auf diese Weise die
Raumluft überwachen, während die Leuchte brennt bzw.
Umgebungslicht aus einer Fensteröffnung auf die Leuchte einfällt .
Weiterhin kann die Einrichtung 20 einen oder mehrere Kondensatoren aufweisen, welche die elektrische Energieversorgung auch dann sicherstellen, wenn die Solarzelle 22 abgeschattet ist.
Weiterhin kann die Einrichtung 20 eine Schnittstelle 21 aufweisen, über welche mittels einer drahtgebundenen, einer drahtlosen oder einer faseroptischen Verbindung gespeicherte Messdaten aus dem Gassensor 1 ausgelesen werden können oder ein abzuarbeitendes Messprogramm in die Einrichtung 44 geladen werden kann. Im Falle einer drahtgebundenen Schnitt- stelle 21 kann diese auch dazu herangezogen werden, dem Gassensor 1 elektrische Energie zuzuführen. In diesem Fall kann die Solarzelle 22 in einigen Ausführungsformen der Erfindung auch entfallen.
Sofern das Substrat 50 ein Siliziumsubstrat enthält, können die elektronischen Bauelemente 22 und 171 der Einrichtungen 44, 20, 17 und 60 zumindest teilweise in CMOS-Technik unmittelbar auf dem Substrat 50 erzeugt werden. Auf diese Weise ergibt sich ein kompakter und störungsunempfindlicher Aufbau des Gassensors 1. Da sowohl die mikromechanischen als auch die elektronischen und photonischen Bauelemente des Gassensors 1 in an sich bekannter Weise mit bekannten Techniken der Halbleiterfertigung erfolgt, kann der Gassensor 1 in großen Stückzahlen kostengünstig bereitgestellt werden.
Zur elektrischen Verbindung der unterschiedlichen elektro- nischen Einrichtungen 17, 20, 44 und 60 sowie der Lichtquellen 35 und 40 und dem Detektor 36 kann zumindest eine Metallisierungsebene vorgesehen sein, welche in an sich bekannter Weise auf das Substrat 50 aufgebracht und mittels eines Fotolackes strukturiert werden kann. Die Wellenleiter 32, 33 und 42 können beispielsweise als
Rippenwellenleiter oder als Schichtwellenleiter ausgebildet sein. Auf diese Weise können auch die Wellenleiter mit etablierten Verfahren der Halbleitertechnik auf dem Substrat 50 integriert werden. In einigen Ausführungsformen können auch Laserpulse zum Einschreiben der Wellenleiter in das Substrat verwendet werden.
Die photonischen Bauelemente, wie die Lichtquellen 40 und 35 sowie der Detektor 36 können in einigen Ausführungsformen der Erfindung auch ein anderes Halbleitermaterial enthalten als das Substrat 50, beispielsweise ein Gruppe III-Nitrid oder Galliumarsenid . Die photonischen Bauelemente können aus einer Mehrzahl unterschiedlicher Schichten in Form einer Quanten- topf-Struktur bzw. eines Übergitters aufgebaut sein. Die photonischen Bauelemente können heteroepitaktisch auf dem Substrat 50 abgeschieden sein oder vergleichsweise einfach mittels Upside-Down-Flip-Chip-Bonding auf das Substrat 50 aufgebracht werden. Durch die vollständige Integration der mikromechanischen Sensorelemente 11 und 70, der faseroptischen Sensorik, der
Lichtquellen 40 und 35, der Signalverarbeitung 17 und 60 und der Stromversorgung 20 auf ein einziges Halbleitersubstrat 50 kann ein kompakter und im Betrieb völlig autarker Gassensor 1 bereit gestellt werden, welcher sich für den mobilen und wartungsfreien Betrieb eignet. Der Sensor kann auch an unzugänglichen Stellen und/oder in rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden.
Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Gassensors 1. Da sich die Unterschiede zur Ausführungsform gemäß Figur 1 auf den Bereich des Resonators 70 beschränken, ist der Gassensor in Figur 2 nicht vollständig dargestellt, sondern lediglich der Bereich des Resonanzkörpers 11 und des
Resonators 70. Der Gassensor 1 gemäß Figur 2 enthält ebenfalls ein
Substrat 50, auf welchem Wellenleiter 32, 33, 42a und 42b integriert sind, wie in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben. Weiterhin kann der Gassensor gemäß Figur 2 elektronische Bauelemente zur Signalerzeugung, zur Signalverarbeitung, zur Datenübertragung und zur elektrischen Energieversorgung aufweisen, wie in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben.
Exemplarisch ist in Figur 2 lediglich die Einrichtung 60 zur Datenverarbeitung dargestellt. Der Gassensor 1 gemäß Figur 2 enthält einen Resonanzkörper 11 zum Nachweis photoakustischer Schwingungen, wie in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben. Zur Auslese der photoakustisch induzierten Schwingung des Elementes 114 steht wiederum ein Interferometer 30 zur Verfügung, welches aus den Wellenleitern 32 und 33 gebildet wird, welche in einem Teilabschnitt 34 eine evaneszente Kopplung aufweisen.
Zur Erzeugung des photoakustisch induzierten Signals steht ein erster Resonator 70 und ein zweiter Resonator 71 zur Verfügung. Einer oder beide Resonatoren können eine Mehrzahl von Bohrungen 73 aufweisen, welche den Gasaustausch zwischen dem Innenraum 18 der Resonatoren und dem die Resonatoren umgebenden Volumen ermöglichen oder zumindest unterstützen.
Im Bereich des Resonanzkörpers 11 ist die Materialstärke des Substrates 50 beidseitig reduziert, sodass sich zwei Stirnflächen 53a und 53b beidseitig zum Resonanzkörper 11 ergeben. An diesen Stirnflächen 53a und 53b sind die Resonatoren 70 und 71 jeweils mittels Bonden befestigt.
Bei Betrieb des Gassensors 1 wird jeder Resonator 70 und 71 von Licht 43 im Freistrahl durchstrahlt, sodass sich in jedem Resonator 70 und 71 eine stehende akustische Welle ausbilden kann. Jeder der Resonatoren 70 und 71 weist eine zugeordnete Öffnung 72 auf, durch welche zumindest ein Teil der akustischen Leistung der stehenden Welle in die zweite Aussparung 52 ausgekoppelt werden kann. Auf diese Weise kann das opto- akustisch induzierte Signal an den Resonanzkörper 11 ankoppeln und diesen zu einer detektierbaren Schwingung anregen .
Das Licht 43 wird jedem der Resonatoren 70 und 71 durch einen jeweils zugeordneten Wellenleiter 42a und 42b zugeführt. Die Wellenleiter 42a und 42b verlaufen in unterschiedlicher Tiefe im Substrat 50, sodass einer der Wellenleiter an der Stirnfläche 53a und der andere Wellenleiter an der Stirnfläche 53b mündet. Die Wellenleiter 42a und 42b können jeweils das Licht einer Lichtquelle 40 transportieren, sodass in beiden
Resonatoren 70 und 71 dieselbe Molekülspezies nachgewiesen wird. Auf diese Weise verstärkt sich das aus den Öffnungen 72 ausgekoppelte akustische Signal und die Sensitivität des Nachweises wird erhöht. Hierzu kann die Intensität einer Lichtquelle 40 auf beide Wellenleiter 42a und 42b aufgeteilt werden, beispielsweise in etwa hälftig. In einer anderen Ausführungsform kann jedem der Wellenleiter 42a und 42b eine eigene Lichtquelle zugeordnet sein, um die Intensität zweier Lichtquellen zu nutzen.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, in jedem Wellenleiter 42a und 42b das Licht einer jeweils zugeordneten Lichtquelle 40 mit unterschiedlicher Wellenlänge zu transportieren. Dadurch kann in jeden der
Resonatoren 70 und 71 eine andere Molekülspezies nachgewiesen werden, sodass die Anwesenheit zweier unterschiedlicher
Molekülspezies in der zu untersuchenden Gasphase zeitgleich festgestellt werden kann. In wiederum einer anderen Aus- führungsform der Erfindung können die unterschiedlichen
Wellenlängen des im Lichtwellenleiter 42a und 42b transportierten Lichtes dazu benutzt werden, unterschiedliche optische Übergänge bzw. Rotationsübergänge oder Schwingungsübergänge desselben Moleküls anzuregen, sodass die Messung einer Molekülspezies doppelt erfolgt. Auf diese Weise können die Messergebnisse plausibilisiert und die Sensitivität erhöht und/oder der Messfehler verringert werden.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des vorgeschlagenen Gassensors. Auch Figur 3 zeigt lediglich einen Ausschnitt aus einem Gassensorelement, wobei die im Vergleich zu Figur 1 unverändert vorhandenen Elemente nicht dargestellt sind .
Auch der Gassensor gemäß Figur 3 enthält ein Substrat 50, auf welchem elektronische Baugruppen 60, Wellenleiter 32 und 33 und photonische Bauelemente angeordnet sein können, wie im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben. Auch der Gassensor gemäß Figur 3 enthält einen Resonanzkörper 11, mit welchem photoakustisch induzierte Signale verstärkt werden können, wie im Zusammenhang mit Figuren 1 und 2 beschrieben.
Der Resonator 70 weist wiederum eine in etwa rechteckige Stirnfläche 74 auf. Die Mantelfläche des Resonators 70 kann wiederum mit Bohrungen 73 ausgestattet sein, welche den
Gasaustausch zwischen dem Innenraum 18 des Resonators und seinem Außenraum erleichtern oder ermöglichen.
Da der Resonator 70 oberhalb des Resonanzkörpers 11
angeordnet ist, befindet sich die Bohrung 72, durch welche das photoakustisch induzierte Signals aus dem Resonator 70 austritt, an der dem Resonanzkörper 11 zugewandten Unterseite des Resonators 70. Um Platz für die Aufnahme des Resonators an der Stirnfläche 53 zu schaffen, sind die in etwa parallel angeordneten Elemente 113 und 114 an ihrem, dem Fußpunkt 112 entgegengesetzten Ende 115 gegenüber dem umliegenden Substrat gekürzt. An der Stirnfläche 53 mündet auch der Wellen- leiter 42, über welchen das zur Anregung der Moleküle in der zu untersuchenden Gasphase vorgesehene Licht aus den Lichtquellen 40 geführt wird.
Die in Figur 3 dargestellte Geometrie eignet sich besonders für eine monolithische Integration des Resonators 70. Hierzu wird der Resonator 70 aus dem Material des Substrates 50 hergestellt, beispielsweise durch Ätzen oder Lasermaterial - bearbeitung oder spanende Bearbeitung. Schließlich kann der Resonator 70 vom Resonanzkörper 11 freigestellt werden, indem gleichzeitig oder sequenziell mit der ersten Aussparung 51 und der zweiten Aussparung 52 auch der Spalt 117 erzeugt wird, durch welchen der Resonator 70 vom Ende 115 der
länglichen Elemente 113 und 114 getrennt wird. Figur 4 und 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des vorgeschlagenen Gassensors mit einem modularen Aufbau.
Figur 4 zeigt das erste Substrat 50. Das erste Substrat 50 enthält in der dargestellten Ausführungsform den Resonanz - körper 11 und einen Resonator 70. Obgleich in Figur 4 nur eine Ausführungsform des Resonators 70 dargestellt ist, können alle in Zusammenhang mit den Figuren 4 und 5 offenbarten Ausführungsformen des Resonators 70 und des Resonanz - körpers 11 verwendet werden. Weiterhin enthält das erste Substrat 50 zumindest einen
Wellenleiter 42, mittels welchem eine optische Strahlung zur Anregung einer photoakustischen Schwingung im Innenraum 18 des Resonators 70 einkoppelbar ist. Der Wellenleiter 42 kann mittels Silicon-on- Insulator-Technik in bzw. auf das Substrat 50 integriert werden, wie in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben .
Weiterhin ist das Substrat 50 mit einem mikrooptisch integrierten Interferometer 30 versehen. Das Interferometer 30 enthält eine kohärente Lichtquelle 35. Die Strahlung dieser Lichtquelle kann in den Wellenleiter 32 eingekoppelt werden, welcher mittels eines Teilabschnitts 34 eine evaneszente Kopplung zum Wellenleiter 33 aufweist. Nach der Reflexion des aus den Wellenleitern 32 und 33 austretenden Lichtes an den Teilflächen 116 des länglichen Elementes 114 kann eine
Schwingung dieses Elementes im Photodetektor 36 nachgewiesen werden .
In der Ausführungsform gemäß Figur 4 enthält das Substrat 50 außer dem Photodetektor 36 und der kohärenten Lichtquelle 35 keine elektronischen Bauelemente, wie zum Beispiel die Ein- richtung 40 zur Erzeugung von Licht, die Einrichtungen 44 und 60 zur elektronischen Signalverarbeitung oder die Einrichtung 20 zur Energieversorgung. Diese Bauteile des vorgeschlagenen Gassensors sind auf einem zweiten Substrat 56 angeordnet, wie in Zusammenhang mit Figur 5 erläutert. In anderen Ausführungsformen eines modular aufgebauten Gassensors 1 kann die Aufteilung der Komponenten auf die beiden Substrate 50 und 56 selbstverständlich auch anders vorgenommen werden. Auch lehrt die Erfindung nicht die Verwendung von genau zwei Substraten als Lösungsprinzip.
Zur Verbindung des zweiten Substrates 56 mit dem ersten
Substrat 50 stehen elektrische Anschlusskontakte 57 zur
Verfügung, welche in entsprechende Gegenkontakte des zweiten Substrates 56 eingreifen. Die in Figur 4 dargestellte Anzahl von vier Stiftkontakten ist dabei lediglich beispielhaft zu sehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Kontakte größer oder kleiner sein, je nachdem wie groß die Anzahl der auf dem Substrat 50 integrierten elek- tronischen und/oder optoelektronischen Bauelemente ist.
Weiterhin können Stiftkontakte, Buchsenkontakte oder flächige Kontaktelemente verwendet werden. Die Erfindung offenbart nicht die Verwendung von genau vier Stiftkontakten als
Lösungsprinzip . Zur elektrischen Verbindung der Kontaktelemente 57 mit zugeordneten elektronischen Bauelementen, beispielsweise der Lichtquelle 35 oder dem Photodetektor 36, stehen elektrische Leitungen 81 zur Verfügung. Die elektrischen Leitungen 81 können mittels einer strukturierten Metallisierung des
Substrats 50 erhalten werden. Die Metallisierung des
Substrates 50 kann auf einer isolierenden Schicht aufgebracht werden und/oder mittels einer Isolatorschicht abgedeckt werden, um unerwünschte Kriechströme oder Kurzschlüsse zu vermeiden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die elektrischen Leitungen 81 auch durch das Einbringen von Dotierstoffen in das Substrat 50 erhalten werden.
Weiterhin kann das Substrat 50 eine optische Schnittstelle 58 enthalten. Die optische Schnittstelle 58 kann dazu verwendet werden, das Licht einer auf dem zweiten Substrat 56 angeordneten Strahlungsquelle in den Wellenleiter 42 einzukoppeln .
Um die mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen dem ersten Substrat 50 und dem zweiten Substrat 56 zu verbessern, kann vorgesehen sein, dass das erste Substrat 50 eine Ausnehmung 55 aufweist. Die Ausnehmung 55 kann komplementär zur Außenkontur des zweiten Substrates 56 geformt sein. Auf diese Weise kann die mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen dem ersten Substrat 50 und dem zweitem Substrat 56 durch Formschluss vergrößert werden.
Figur 5 zeigt ein erstes Substrat 50 mit einem Resonanzkörper 11 und einem Resonator 70, wie in Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben.
Weiterhin zeigt Figur 5 ein zweites Substrat 56. Das zweite Substrat 56 enthält die Lichtquellen 40, mit welchen eine photoakustische Anregung innerhalb des Resonators 70 ausführbar ist. Die Lichtquellen 40 koppeln mittels einer optischen Schnittstelle 58 an den Wellenleiter 42, welcher in den
Innenraum 18 des Resonators 70 mündet. Weiterhin enthält das zweite Substrat 56 die Einrichtung 44 zur Steuerung der Lichtquellen 40, die Einrichtungen 17 und 60 zur Signalverarbeitung sowie die Einrichtung 20 mit der Solarzelle 22 zur Energieversorgung des Gassensors 1. Auf diese Weise sind die elektronischen Bauelemente von den mikromechanischen Bauelementen weitgehend getrennt, sodass beide Baugruppen in unterschiedlicher Ausfertigung kombiniert werden können. Beispielsweise können unterschiedliche Ausfertigungen des zweiten Substrates 56 vorgesehen sein, welche unterschiedliche Lichtquellen 40 oder unterschiedliche
Signalverarbeitungseinrichtungen 60 enthalten, um so den
Gassensor 1 in einfacher Weise durch Austausch des zweiten Substrates 56 an unterschiedliche Aufgaben anzupassen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das erste Substrat 50 aus einem anderen Material besteht als das zweite Substrat 56, so dass jedes Substrat für die ihm zustehende Aufgabe optimiert werden kann.
Zur mechanischen Befestigung des zweiten Substrates 56 greift dieses in eine Ausnehmung 55 ein, welche in etwa eine komplementäre Form aufweist. Auf diese Weise wird das Substrat 56 formschlüssig auf dem ersten Substrat 50 gehaltert. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Befestigung des zweiten Substrates 56 auf dem ersten Substrat 50 auch in anderer Weise erfolgen, beispielsweise durch Bonden, Kleben, Löten oder Schweißen.
Selbstverständlich können die dargestellten Ausführungsbeispiele kombiniert werden, um auf diese Weise weitere Ausführungsformen der Erfindung zu erhalten. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die Beschreibung und die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche oder die Beschreibung „erste" und
„zweite" Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine
Rangfolge festzulegen.

Claims

Patentansprüche
Photoakustischer Gassensor (1) , enthaltend einen Resonanz - körper (11) und ein Interferometer (30) zur Erkennung einer Schwingung des Resonanzkörpers (11) , welches eine optische Erfassung des Ortes von zumindest einer Teilfläche (116) des Resonanzkörpers (11) ermöglicht, wobei der Resonanzkörper (11) und das Interferometer (30) auf genau einem Substrat (50) angeordnet sind, welches ein Halbleitermaterial enthält,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Resonanzkörper (11) durch zumindest eine erste
Aussparung (51) im Substrat gebildet ist.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzkörper (11) zumindest zwei in etwa parallel angeordnete Elemente (113, 114) aufweist, welche jeweils mit einem Fußpunkt (112) an einem Verbindungselement (111) fixiert sind und an ihrem dem Fußpunkt entgegen gesetzten Ende (115) frei auskragen, wobei zwischen beiden Elementen (113, 114) eine zweite Aussparung (52) ausgebildet ist und zwischen dem Substrat (50) und einem Element (114) die erste Aussparung (51) .
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem das Interferometer (30) zumindest zwei Lichtwellenleiter (32, 33) enthält, welche in einem Teilabschnitt (34) parallel geführt sind, so dass ein Übersprechen der jeweils in den Lichtwellenleitern (32, 33) geführten
Signale möglich ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem zumindest eine Einrichtung (35, 40) zur Erzeugung von Licht und/oder eine Einrichtung (36) zum Nachweis von Licht und/oder eine Einrichtung (44, 60) zur elektronischen Signalverarbeitung und/oder eine Einrichtung (20) zur Energieversorgung auf dem Substrat (50)
integriert ist.
. Gassensor nach Anspruch 4, bei welchem auf dem Substrat (50) zumindest ein erstes elektronisches Bauelement (22, 171) in CMOS-Technik ausgeführt ist und/oder ein zweites elektronisches Bauelement (22, 171) mittels Flip-Chip- Bonding mit dem Substrat (50) verbunden ist.
. Gassensor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei welchem die Einrichtung (44, 60) zur elektronischen Signalverarbeitung eine Einrichtung (61) zur Funkübertragung eines Datensignals und/oder einen A/D-Wandler und/oder einen Signalverstärker, und/oder einen Diskriminator und/oder eine Empfangseinrichtung für ein Datensignal enthält.
. Gassensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6 bei welchem die Einrichtung (20) zur Energieversorgung zumindest eine photovoltaische Zelle (22) enthält, insbesondere eine monolithisch integrierte photovoltaische Zelle (22) .
. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin enthaltend zumindest einen Resonator (70) , welcher einen zur Aufnahme von nachzuweisenden Molekülen bestimmten Raum (18) zumindest teilweise begrenzt.
. Gassensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (70) mittels eines Bondverfahrens mit dem Substrat (50) verbunden ist und/oder monolithisch in dem Substrat (50) integriert ist.
0. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin enthaltend zumindest einen Kontaktlayer (80) , über welchen zumindest zwei Einrichtungen (20, 35, 36, 40, 60) und/oder zwei elektronische Bauelemente (22, 171) einer solchen Einrichtung (20, 35, 36, 40, 60) elektrisch verbunden sind .
1. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein optischer Wellenleiter (32, 33, 42) in Silicon-on- Insulator-Technik auf und/oder in dem Substrat (50) integriert ist.
2. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zumindest ein erstes Substrat
(50) enthält, enthaltend den Resonanzkörper (11) und das Interferometer (30) zur Erkennung einer Schwingung des Resonanzkörpers (11) , und zumindest ein zweites Substrat
(56), auf welchem zumindest eine Einrichtung (35, 40) zur Erzeugung von Licht und/oder eine Einrichtung (36) zum Nachweis von Licht und/oder eine Einrichtung (44, 60) zur elektronischen Signalverarbeitung und/oder eine Einrichtung (20) zur Energieversorgung auf dem Substrat (50) integriert ist, wobei das erste Substrat (50) und das zweite Substrat (56) mittels elektrischer und/oder
optischer Kontaktelemente (57) verbindbar ist.
3. Gassensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (50) eine Ausnehmung (55) aufweist, welche zur Aufnahme des zweiten Substrates (56) vorgesehen ist .
4. Verfahren zum photoakustischen Nachweis von Molekülen in der Gasphase, welches die folgenden Schritte enthält:
- Einbringen der nachzuweisenden Moleküle in einen Raum (18) , welcher von zumindest einem mikromechanischen Resonator (70) zumindest teilweise begrenzt ist,
- Zuführen von Licht (43) zur Anregung eines photoakustischen Signals in den zur Aufnahme der nachzuweisenden Moleküle bestimmten Raum (18) ,
- Erkennen einer Schwingung eines Resonanzkörpers (11)
durch optische Erfassung des Ortes von zumindest zwei Teilflächen (116a, 116b) des Resonanzkörpers (11) .
- Übertragen eines die Schwingung des Resonanzkörpers (11) repräsentierenden Signals mittels einer Funkübertragung.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer Einrichtung zum Erzeugen von Licht (35, 40) und/oder zumindest einer Einrichtung (17) zum Erkennen der Schwingung des Resonanzkörpers (11) und/oder zumindest einer Einrichtung (60) zum Übertragen eines die Schwingung des Resonanzkörpers (11) repräsentierenden Signals Energie mittels zumindest einer Solarzelle (20) zugeführt wird.
16. Verfahren zur Herstellung eines Gassensors (1) nach
einem der Ansprüche 1 bis 13, enthaltend die folgenden Schritte :
- Bereitstellen eines Substrates (50) , welches ein
Halbleitermaterial enthält.
- Erzeugen von zumindest einer Einrichtung (35, 40) zur Erzeugung von Licht und/oder einer Einrichtung (36) zum Nachweis von Licht und/oder einer Einrichtung (60) zur elektronischen Signalverarbeitung und/oder einer Ein- richtung (20) zur Energieversorgung auf dem Substrat
(50) .
- Einbringen von zumindest einer ersten Aussparung (51) und/oder einer zweiten Aussparung (52) in das Substrat (50) . 17. Verfahren nach Anspruch 16, welches weiterhin den
Verfahrensschritt enthält
- Herstellen eines Resonators (70) , welcher einen zur
Aufnahme von nachzuweisenden Molekülen bestimmten Raum (18) zumindest teilweise begrenzt. 18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein elektronisches Bauelement (22, 171) in CMOS-Technik ausgeführt wird und/oder dass zumindest ein elektronisches Bauelement (22, 171) mittels Flip-Chip-Bonding mit dem Substrat (50) verbunden wird. 19. Verwendung eines Gassensors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Prozesssteuerung in industriellen Anlagen und/oder zur Raumluftüberwachung und/oder zur Atemgas- Überwachung und/oder zur Ermittlung des Brennwertes eines Brenngases und/oder zur Brandschutzüberwachung und/oder zur Analyse von Hautausdünstungen eines Lebewesens und/oder zur Qualitätsüberwachung und/oder Reifegradüberwachung von Lebensmitteln und/oder Pflanzen in Kühlcontainern .
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