WO2005093471A1 - Filterchip mit integrierter blende - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a filter chip with an integrated screen and a method for its production.
- Metal cap with openings represents the panel on or in which the filter chips are mounted.
- the aperture is realized by a metal cover with openings.
- the central function of the two components is described below. Function of the filters:
- the wavelengths characteristic of the molecules at which radiation absorption occurs are considered.
- optical filters are required, which allow only a very limited frequency range to pass as freely as possible and block other frequency ranges.
- interference filters are mostly used for this. These filters essentially consist of sequences of thin layers with different refractive indices (or of absorbing and non-absorbing thin layers), the thickness of which is of the order of the wavelength of the radiation of interest. They are vapor-deposited on glass or quartz supports under high vacuum.
- at least one filter of the characteristic wavelength of the gas to be measured is required.
- a reference signal is also measured in a frequency band in which no gas has an absorbing effect and compared with a useful signal.
- the invention provides for an additional layer on the filters
- Integrate the function of the screens on the filters i.e. to combine the two components filter chip and cover in one component.
- the invention relates to a filter chip with an integrated screen, containing at least a first filter element - and a screen layer applied thereon, which consists of an optically opaque material and has a hole as the screen opening.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the first filter element is applied to a carrier chip.
- the carrier chip consists of silicon.
- the carrier chip consists of silicon.
- tried and tested methods of Si technology can be used.
- silicon other carrier materials are of course also conceivable.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the first filter element is arranged between the diaphragm layer and the carrier element. This ensures that the diaphragm layer is applied directly to the first filter element.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that a second filter element is applied to the carrier chip wherein the first filter element and the second filter element are applied on opposite sides of the carrier element. This enables a higher precision and stability of the component to be achieved, and the individual filter elements can become thinner.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the diaphragm opening has a rectangular or round or - oval or elliptical shape.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the first filter element is an interference filter. This can be said
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the first filter element and / or the second filter element consists of at least two layers of different thickness.
- the invention further relates to a method for producing a filter chip with an integrated diaphragm, in which at least one first filter element is applied to a carrier chip and - a diaphragm layer is applied to the first filter element, which consists of an optically opaque material and has a hole as the diaphragm opening.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the aperture layer is applied, for example, by a vapor deposition process or sputtering process.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that a structuring is applied to the diaphragm layer outside the diaphragm opening as an information carrier.
- FIG. 1 shows the basic structure of a two-channel spectroscopic gas sensor known from the prior art.
- FIG. 2 shows the basic structure of an integrated diaphragm on a filter substrate.
- interference filters usually consist of sequences of thin layers with different refractive indices. These are e.g. evaporated under high vacuum on Si carrier. Part of the light is reflected on each layer by the layers lying one above the other. If the layer thickness is as large as the wavelength to be filtered, it is reflected and thus filtered out. If several layers of different thickness are applied one above the other, each of these layers reflects a specific frequency band. As a result, the interference filter only allows an extremely narrow frequency band to pass. As the last of these layers, an optically opaque layer is now applied, which contains a recess in accordance with the requirements in the area of the aperture. The resulting aperture can be all lateral geometrical
- FIG. 1 shows the basic structure of a two-channel spectroscopic gas sensor known from the prior art. Mark it
- FIG. 2 shows the basic structure of an integrated diaphragm on a filter substrate. Mark it
- the upper filter element can also be referred to as the first filter element and the lower filter element also as the second filter element.
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Filterchip mit integrierter Blende, welcher wenigstens ein erstes Filterelement sowie eine darauf aufgebrachte Blendenschicht, welche aus einem optisch undurchlässigen Material besteht und als Blendenöffnung ein Loch aufweist, enthält.
Description
Filterchip mit integrierter Blende
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Filterchip mit integrierter Blende und ein Verfahren zu des- sen Herstellung.
Entscheidend für die Funktion von spektroskopischen Gassensoren sind neben den eigentlichen Sensorelementen (z.B. Thermopiles) im wesentlichen zwei Bauteile: 1. Filter 2. Optische Apertur (Blende)
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass beide Bauteile getrennt voneinander integriert werden. Hierzu wird beispielsweise auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 103 18 501 verwiesen. Die häufigste Art von spektroskopischen Strahlungssensoren wird in TO-Gehäusen angeboten. Dabei stellt die
Metallkappe mit Öffnungen die Blende dar, an oder in welche die Filterchips montiert sind. Auch in der in Fig. 1 dargestellten Gehäuseform wird die Apertur durch einen Metalldeckel mit Öffnungen realisiert. Im folgenden wird die zentrale Funktion der beiden Bauelemente beschrieben. Funktion der Filter:
Um z.B. die Konzentrationen bestimmter Moleküle durch ein spektroskopisches Verfahren bestimmen zu können, werden die für die Moleküle charakteristischen Wellenlängen betrachtet, bei denen eine Strahlungsabsorption auftritt. Um diese für jedes Gas spezifi-
sehe Wellenlänge betrachten zu können, werden optische Filter benötigt, welche nur einen sehr begrenzten Frequenzbereich möglichst ungehindert passieren lassen und andere Frequenzbereiche sperren. Bei spektroskopischen Gassensoren werden dafür meist Inter- ferenzfi lter verwendet. Diese Filter bestehen im wesentlichen aus Folgen von dünnen Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes (bzw. aus absorbierenden und nicht- absorbierenden dünnen Schichten), deren Dicke in der Größenordnung der Wellenlänge der interessierenden Strahlung liegt. Sie werden unter Hochvakuum auf Glas- oder Quarzträger aufgedampft. Für einen spektroskopischen Gassensor wird mindestens ein Filter der charakteristischen Wellenlänge des zu messenden Gases benötigt. In vielen Anwendungen wird zusätzlich in einem Frequenzband, in dem kein Gas eine absorbierende Wirkung zeigt, ein Referenzsignal gemessen und mit einem Nutzsignal verglichen. Funktion der optischen Apertur (Blende): Für die Fokussierung von spektroskopischen Gassensoren ist es unerlässlich, die Strah- lung möglichst gerichtet auf das eigentliche Sensorelement zu fokussieren. Da ein durch eine Spiegeloptik fokussierter Strahlungspunkt aus Toleranzgründen immer größer ist als der optisch sensitive Chipbereich, wird der Fokuspunkt in der Regel über eine Blendenkonstruktion erreicht, die aus einem strahlungsundurchlässigen Material besteht und an definierten Stellen Öffnungen besitzt. Die Dimension (Durchmesser) dieser Öffnungen stellt einen Kompromiss zwischen möglichst hoher Strahlleistung (d.h. große Blendenöffnung und hohe elektrische Thermopilespannung) und möglichst wenig Streulicht (d.h. kleine Blendenöffnung, hohe Empfindlichkeit) dar.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung sieht vor, durch eine zusätzlich aufgebrachte Schicht auf den Filtern die
Funktion der Blenden auf den Filtern zu integrieren, d.h. die beiden Bauteile Filterchip und Blende in einem Bauteil zu vereinen.
Dies fuhrt zu den folgenden Vorteilen: - Reduktion der Anzahl an Bauteilen, die durch die Beschichtung erreichbaren Blendengeometrien sind anders als bei bekannten Systemen unabhängig von der letztendlichen Chipverpackung bzw. vom Gehäuse,
Minderung der Systemtoleranzen und Entschärfung der Packaging-Toleranzen (da damit ein Bauteil weniger angeordnet werden muss) für viele Verpackungsarten einsetzbar Kostenreduktion des Gesamtsensorsystems - durch den möglichst geringen Abstand zwischen Blende und Thermopile-Chip sind optimierte Blendenöffnungen auf sehr kleinen Filterchips möglich, welche eine hohe Empfindlichkeit bei zugleich hohen Thermospannungen erlauben, die Blendenbeschichtung weist die für Anwendungen im Automobilbereich erforderliche Robustheit auf, - mögliche Codierung des Filterchips auf dieser Blendenschicht durch Strukturierung, z.B. am Chiprandbereich.
Die Erfindung betrifft einen Filterchip mit integrierter Blende, enthaltend wenigstens ein erstes Filterelement - sowie eine darauf aufgebrachte Blendenschicht, welche aus einem optisch undurchlässigen Material besteht und als Blendenöffnung ein Loch aufweist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filterelement auf einem Trägerchip aufgebracht ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerchip aus Silizium besteht. Damit kann auf bewährte Verfahren der Si-Technologie zurückgegriffen werden. Anstelle von Silizium sind selbstverständlich auch andere Trägermaterialien denkbar.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filterelement zwischen der Blendenschicht und dem Trägerelement angeordnet ist. Damit wird sichergestellt, dass die Blendenschicht direkt auf dem ersten Filterelement aufgebracht wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Filterelement auf dem Trägerchip aufgebracht ist
wobei das erste Filterelement und das zweite Filterelement auf gegenüberliegenden Seiten des Trägerelements aufgebracht sind. Damit kann eine höhere Präzision und Stabilität des Bauelements erreicht werden, die einzelnen Filterelemente können dünner werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung eine rechteckige oder runde oder - ovale oder elliptische Form aufweist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Filterelement um ein Interferenzfilter handelt. Dieses lässt sich durch
Aufdampfprozesse in einfacher Art und Weise herstellen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filterelement und/oder das zweite Filterelement aus wenigstens zwei Schichten unter- schiedlicher Dicke besteht.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Filterchips mit integrierter Blende, bei dem auf einem Trägerchip wenigstens ein erstes Filterelement aufgebracht wird und - auf dem ersten Filterelement eine Blendenschicht aufgebracht wird, welche aus einem optisch undurchlässigen Material besteht und als Blendenöffnung ein Loch aufweist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Auf- bringen der Blendenschicht z.B. durch einen Aufdampfvorgang oder Sputterprozess erfolgt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf der Blendenschicht außerhalb der Blendenöffnung als Informationsträger eine Strukturierung aufgebracht wird.
Die vorteilhaften Ausgestaltungen der erfϊndungsgemäßen Verfahrens äußern sich selbstverständlich auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Filterchips und umgekehrt.
Zeichnung
Die Zeichnung besteht aus den Figuren 1 und 2.
Fig. 1 zeigt den aus dem Stand der Technik bekannten prinzipiellen Aufbau eines zwei- kanaligen spektroskopischen Gassensors.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer integrierten Blende auf einem Filtersubstrat.
Ausführungsbeispiele
Üblicherweise bestehen Interferenzfilter, wie bereits beschrieben, aus Folgen von dünnen Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Diese werden z.B. unter Hochvakuum auf Si-Träger aufgedampft. Durch die übereinanderliegenden Schichten wird an jeder Schicht ein Teil des Lichtes reflektiert. Ist die Schichtdicke so groß wie die zu filternde Wellenlänge, wird diese reflektiert und somit herausgefiltert. Werden mehrere Schichten unterschiedlicher Dicke übereinander aufgebracht, reflektiert jede dieser Schichten ein bestimmtes Frequenzband. Als Resultat lässt der Interferenzfilter nur ein extrem enges Frequenzband passieren. Als letzte dieser Schichten wird nun eine optisch undurchlässige Schicht aufgebracht, welche entsprechend den Anforderungen im Blendenbereich eine Aussparung enthält. Die entstehende Blendenöffnung kann alle lateralen geometrischen
Formen haben, es sind z.B. rechteckige, runde, ovale oder elliptische Blendenöffnungen möglich.
In Fig. 1 ist der aus dem Stand der Technik bekannte prinzipielle Aufbau eines zweika- naligen spektroskopischen Gassensors dargestellt. Dabei kennzeichnen
1 = Filter,
2 = optische Blendenöffnungen, 3 = Blende,
4 = Gehäuse,
5 = Thermopiles.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer integrierten Blende auf einem Filtersubstrat. Dabei kennzeichnen
6 = Blendenöffnung bzw. Blendenloch
7 = Filterelemente (jeweils Schichtfolgen),
8 = optisch undurchlässige Schicht
9 = Träger, Trägerchip.
Bei den beiden Filterschichten 7 in Fig. 2 kann das obere Filterelement auch als erstes Filterelement und das untere Filterelement auch als zweites Filterelement bezeichnet werden.
Claims
1. Filterchip mit integrierter Blende, enthaltend wenigstens ein erstes Filterelement (7) sowie eine darauf aufgebrachte Blendenschicht (8), welche aus einem optisch un- durchlässigen Material besteht und als Blendenöffnung (6) ein Loch aufweist.
2. Filterchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filterelement (7) auf einem Trägerchip (9) aufgebracht ist
3. Filterchip nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerchip (9) aus Silizium besteht.
4. Filterchip nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filterelement (7) zwischen der Blendenschicht (8) und dem Trägerelement (9) angeordnet ist.
5. Filterchip nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Filterelement (7) auf dem Trägerchip aufgebracht ist wobei das erste Filterelement (7) und das zweite Filterelement (7) auf gegenüberliegenden Seiten des Trägerelements (9) aufgebracht sind.
6. Filterchip nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung eine rechteckige oder runde oder ovale oder elliptische
Form aufweist.
7. Filterchip nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Filterelement um ein Interferenzfilter handelt.
8. Filterchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filterelement aus wenigstens zwei Schichten unterschiedlicher Dicke besteht.
9. Verfahren zur Herstellung eines Filterchips mit integrierter Blende, bei dem auf einem Trägerchip (9) wenigstens ein erstes Filterelement (7) aufgebracht wird und auf dem ersten Filterelement eine Blendenschicht (8) aufgebracht wird, welche aus einem optisch undurchlässigen Material besteht und als Blendenöffnung (6) ein Loch aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Blendenschicht (8) durch einen Aufdampfvorgang oder Sputterprozess erfolgt.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Blendenschicht (8) außerhalb der Blendenöffnung (6) als Informationsträger eine Strukturierung aufgebracht wird.
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Legal Events
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| AK | Designated states |
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| AL | Designated countries for regional patents |
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |