WO2021043457A1 - Interferometereinrichtung und verfahren zum herstellen einer interferometereinrichtung - Google Patents

Interferometereinrichtung und verfahren zum herstellen einer interferometereinrichtung Download PDF

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WO2021043457A1
WO2021043457A1 PCT/EP2020/068537 EP2020068537W WO2021043457A1 WO 2021043457 A1 WO2021043457 A1 WO 2021043457A1 EP 2020068537 W EP2020068537 W EP 2020068537W WO 2021043457 A1 WO2021043457 A1 WO 2021043457A1
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interferometer
base substrate
cavity
cover structure
unit
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PCT/EP2020/068537
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nicola Mingirulli
Christoph Schelling
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
    • G—PHYSICS
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    • G01J3/0291—Housings; Spectrometer accessories; Spatial arrangement of elements, e.g. folded path arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an interferometer device and a method for producing an interferometer device.
  • Miniaturized spectrometers with Fabry-Perot interferometers can be manufactured as a compact component and comprise a housing with an optical window, it usually being possible for a filter to be fixed on the inside with an adhesive. Inside the housing, a negative pressure or even a vacuum can prevail and a defined atmosphere can be developed, so that gas attenuation as far as possible does not occur during operation and the mirror spacing in the FPI can be changed quickly (tuning via the wavelengths of the light to be transmitted or filtered) to achieve short measurement times. With negative pressure, however, a tensile force can act on the adhesive connection and the robustness of the spectrometer can be reduced as a result.
  • WO 17057372 A1 describes a detector structure for a miniaturized spectrometer with a Fabry-Perot interferometer, a housing comprising an optical window (light transmission unit).
  • the present invention provides an interferometer device according to claim 1 and a method for manufacturing an interferometer device according to claim 12.
  • the idea on which the present invention is based consists in specifying an interferometer device which, by means of fewer components, enables a small-scale component, in particular a filter element, with a low overall height and a detector device shielded from scattered light and environmental influences. An incident light can be filtered and / or the angle of incidence can be restricted through a robust optical window.
  • the interferometer device comprises a base substrate which comprises at least one electrical conductor connection; an interferometer unit which is arranged on the base substrate and forms a first cavity over the base substrate; a detector device which is arranged on the base substrate and is arranged in the first cavity between the base substrate and the interferometer unit; a cover structure which is arranged on the base substrate and forms a second cavity over the interferometer unit, wherein the cover structure comprises an opening over the interferometer unit; and at least one filter device which is arranged on the cover structure and spans the opening.
  • the base substrate can advantageously be shaped as a wiring substrate.
  • the first cavity below the interferometer unit can be shielded from outside light from the lateral sides and only the light transmitted by the interferometer unit, which can act as a filter for the outside light, can be let through into the first cavity.
  • the interferometer device enables a spectrometer that is as inexpensive as possible, but nevertheless powerful
  • the filter device can be achieved with the lowest possible number of components and a minimal number of simple / inexpensive manufacturing steps and the smallest possible size, which can be achieved by a reduced or completely suppressed incidence of unfiltered scattered light, in particular from the lateral sides Detector can distinguish.
  • Conventional structures according to the prior art either require a large number of (expensive) components or (expensive) process steps or require large structural volumes or can allow for scattered light.
  • the interferometer device can be produced as a small-scale, compact (package) detector arrangement with a few components.
  • a mechanically robust and hermetic sealing of the cavities can be achieved via a cover structure and a window element as a filter device for closing an optical opening.
  • the filter device comprises a spectral filter for incident radiation and / or an angle-selective element.
  • the spectral filter is arranged on an outside of the cover structure and the angle-selective element is arranged on an inside of the cover structure and both span the opening.
  • the base substrate comprises a third cavity, over which the interferometer unit is arranged and spans it, and wherein the detector device is arranged in the third cavity.
  • the interferometer unit comprises a Fabry-Perot interferometer.
  • the Fabry-Perot interferometer can only transmit light of a certain wavelength for certain distances between the mirrors in the Fabry-Perot interferometer.
  • the overall height of the interferometer device can advantageously be reduced, since the electrical wiring can also take place via the base substrate, for example with a conductive one Glue and / or with bond wires.
  • the interferometer device comprises an evaluation unit which is arranged on the base substrate, the detector device and the interferometer unit being arranged on the evaluation unit.
  • the detector device and the interferometer unit are connected to an electrical conductor connection of the base substrate and are electrically contacted.
  • the detector device and / or the interferometer unit are connected to the electrical conductor connection with a contact wire.
  • the cover structure comprises lateral side walls and a metal.
  • the spectral filter has areas with different (spectral) filter effects in the lateral direction and / or the angle-selective element has areas with different angle-selective effects in the lateral direction.
  • the detector device comprises a plurality of detector channels which are each aligned with the areas of different filter effects and can be read out separately.
  • a base substrate which comprises at least one electrical conductor connection; arranging a detector device on the base substrate; arranging an interferometer unit on the base substrate in such a way that a first cavity is formed above the base substrate and the detector device is located in the first cavity between the base substrate and the interferometer unit; arranging a cover structure on the base substrate, wherein a second cavity is formed over the interferometer unit, wherein the cover structure comprises an opening over the interferometer unit; and arranging at least one filter device on the cover structure in such a way that the opening is spanned by the filter device.
  • the method can also be distinguished by the features already mentioned in connection with the interferometer device and their advantages, and vice versa.
  • FIG. 2 shows a schematic cross section of an interferometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a block diagram of method steps of a method for setting an interferometer device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of an interferometer device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the interferometer device 10 comprises a base substrate 2 which comprises at least one electrical conductor connection; an interferometer unit 1 which is arranged on the base substrate 2 and forms a first cavity Kl above the base substrate 2; a detector device 3 which is arranged on the base substrate 2 and is arranged in the first cavity K1 between the base substrate 2 and the interferometer unit 1; a cover structure 4 which is arranged on the base substrate 2 and forms a second cavity K2 over the interferometer unit 1, the cover structure 4 comprising an opening 5 over the interferometer unit 1; and at least one filter device 6 which is arranged on the cover structure 4 and spans the opening 5.
  • the detector device 3 can comprise one or more detectors which can be arranged one on top of the other or next to one another, for example those which can be sensitive in different wavelength ranges.
  • the base substrate 2 can comprise a third cavity K3, over which the interferometer unit 1 can be arranged and the interferometer unit 1 can span this third cavity, the detector device 3 being able to be arranged in the third cavity K3.
  • the filter device 6 can comprise a spectral filter 6a for incident radiation and / or an angle-selective element 6b. If light rays from different angles of incidence hit the Fabry-Perot interferometer at the same time, this can reduce possible wavelength resolution.
  • the angle-selective element can advantageously restrict the angle of incidence of the incident light. If the distribution of the angles of incidence is still centered on the mirror surface of the interferometer unit by a certain angle relative to a normal, this can lead to a shift of the entire spectrum generated by the interferometer unit, that is to say generate a wavelength offset error. This effect can also be reduced or avoided by the angle-selective element 6b.
  • the spectral filter 6a can be arranged on an outside of the cover structure 4 and the angle-selective element 6b can be arranged on an inside of the cover structure 4 and both can span the opening 5, preferably completely.
  • the spectral filter 6a and the angle-selective element 6b can also be arranged in reverse on the cover structure 4, both can be present or only one of the two.
  • the spectral filter 6a and / or the angle-selective element 6b can be attached to the cover structure 4 in the lateral edge area around the opening 5 with an adhesive KL, for example electrically non-conductive.
  • the connection KL can comprise a soldered connection, for example a metallic soldered connection, which can have better long-term stability in terms of hermeticity than adhesive connections.
  • the spectral filter 6a can serve to filter the light to be transmitted through the opening 5 with regard to different orders (harmonics).
  • the spectral filter 6a can thus be set up to allow only certain orders or wavelength ranges of the external light AL to pass into the interior of the first cavity K1 (and the second and third cavities). If there are several openings 5, the corresponding spectral filters can be designed for different wavelengths.
  • the spectral filter 6a can advantageously be arranged on the outside of the cover structure 4, a region of the spectral filter 6a in the optical path above the opening 5 can be formed without edges (edges) of the spectral filter, which advantageously allows dirt to get caught on, above or below it Edges and thus in the optically transmissive area can be reduced or prevented, with the window element above the opening being easier to clean, which can increase the practical usability of the spectrometer.
  • the spectral filter 6a as well as the angle-selective element 6b can each form a window element above the opening.
  • a second second spectral filter (filtering differently in terms of wavelengths) can be arranged on the inside of the cover structure. In this way, angle-selective properties and filter properties in the Realize cover structure 4 and further such components within the cavities can be dispensed with.
  • the cover structure 4 can comprise lateral side walls 4a and a metal, wherein the side walls 4a can be attached to the base substrate 2 with an adhesive KL, preferably an electrically non-conductive one.
  • an adhesive KL preferably an electrically non-conductive one.
  • another type of connection such as a solder, can also be selected.
  • the base substrate 2 can comprise a wiring substrate, for example a printed circuit board (or LTCC - low temperature cofired ceramic).
  • the electrical conductor connection La can advantageously comprise one or more conductor tracks, for example each as a metallization, and be applied to the front and / or rear side of the base substrate 2 and / or be integrated (embedded) in the base substrate 2. Direct electrical contact to the detector device 3 and / or to the interferometer unit 1 can be established from the conductor track La by means of a wire contact DB.
  • the conductor track La can be guided in the base substrate 2 in a plane to the bottom of the third cavity K3 and, for example, in an edge region of the base substrate with a through contact 7, be electrically connected to a contact region KP, which is on a rear side R of the base substrate 2 facing away from the cover structure 4 can be arranged.
  • a contact region KP which is on a rear side R of the base substrate 2 facing away from the cover structure 4 can be arranged.
  • the interferometer unit can comprise at least two mirror devices SP1 and SP2, which can be aligned in parallel and their spacing can be variable. Depending on the distance between the mirror devices, a certain wavelength of the light which falls through the opening 5 and was filtered by the spectral filter and advantageously selected by the angle-selective element can be incident on the detector device 3.
  • the mirror devices SP1 and / or SP2 can each comprise a dielectric mirror with two high-index layers (for example made of silicon or a compound with silicon) and a low-index layer located in between (for example air or vacuum).
  • high-index layers for example made of silicon or a compound with silicon
  • low-index layer located in between (for example air or vacuum).
  • the interferometer unit 1 can Outside light AL can only be transmitted into the first cavity Kl at a specific wavelength.
  • the Fabry-Perot interferometer can transmit several wavelengths of different orders (modes) at the same time.
  • the interferometer unit 1 can comprise side walls 1 a, which can laterally completely enclose the first cavity K 1 and can be arranged directly on the base substrate 2.
  • the side walls la can carry the two high-index and the low-index layer and support them laterally.
  • the side walls 1a can thus run around an exposed, lower high-index layer and laterally surround an optical region OB in which the interferometer unit 1 can transmit light L into the first cavity Kl.
  • the base substrate 2 can itself be impermeable to both the external light AL and the transmitted light L. In this way, unfiltered radiation can be largely or completely kept away from the first cavity Kl, which is advantageous in terms of a signal-to-noise ratio the detector device 3 can affect.
  • the interferometer device 10 can comprise a plurality of recesses in the base substrate, therein a plurality of detector devices and above that a plurality of interferometer units, each with its own cavity above the corresponding recess (not shown). Furthermore, a plurality of openings 5 can be present in the cover structure 4, which can include filter devices 6 with spectral filters and / or angle-selective elements (not shown). The openings 5 can be laterally next to one another and at a distance from one another and be designed for different wavelengths (for filtering these).
  • An interferometer unit for example with its own detector device, can be arranged on the base substrate under each such opening, and different spectra (wavelengths) can thus be measured simultaneously.
  • the interferometer device 10 can be designed as a module (with module housing) for a larger component, for example as a microelectromechanical spectrometer module (MEMS) with a Fabry-Perot interferometer 1.
  • MEMS microelectromechanical spectrometer module
  • both the detector device 3 and the interferometer unit 1 can be applied to the base substrate 2, advantageously directly, a structural height vertically above and below the base substrate 2 can be reduced.
  • the interferometer device 10 can thus be implemented in a few steps (few costly steps) and at reduced costs as a small-scale component which can even be produced with a reduced number of components.
  • the Interferometer device 10 and / or, in particular, interferometer unit 1 can be formed as a micromechanical component.
  • the spectral filter 6a can have areas (6a1, 6a2. 6bl, 6b2. 6bn) with different filter effects in the lateral direction and / or the angle-selective element 6b can have areas with different angle-selective effects (6a1, 6a2.
  • the detector device 3 can comprise (several) detector channels 3a aligned or arranged relative to these areas of the spectral filter and / or the angle-selective element, which are each aligned with the areas (6al, 6a2. 6bl, 6b2. 6bn) of different filter effects and can be read out separately are, for example by an evaluation device (not shown).
  • a filter device 6 is arranged both on the inside and on the outside, at least one of these can also only partially cover the opening 5 and filter it over partial areas.
  • FIG. 2 shows a schematic cross section of an interferometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the exemplary embodiment of the interferometer device 10 from FIG. 2 differs from that of FIG. 1 only in that a third cavity in the base substrate 2 can be dispensed with and an evaluation device AE on the base substrate 2, preferably in the optical path below the opening 5, can be arranged.
  • the evaluation unit AE can comprise a chip, such as an ASIC and with one of the conductor tracks La of the base substrate 2, which in turn are contacted from a rear side via contact points KP and through contacts 7 through the base substrate 2 and finally within the second cavity K2 via a contact wire DB can, for example, from several sides.
  • the detector device 3 can be arranged directly on the evaluation device AE, wherein the evaluation device AE itself can comprise conductor tracks (not shown) to which a wire bond DB for contacting the detector device 3, advantageously within the first cavity Kl, can be guided.
  • the first cavity K1 can be formed by the interferometer unit 1 which can also be arranged directly on the evaluation device AE, such that the detector device 3 can be within the closed first cavity Kl.
  • the interferometer unit 1 can thus form an optical area OB in the light path under the opening 5 above the detector device 3 and the evaluation device AE, the evaluation device AE being able to receive an output signal from the detector device 3, for example via the wire contact DB.
  • the evaluation device AE in particular the AS IC, can also control the interferometer unit 1 and its filter effect (distance between the mirror devices).
  • FIG. 3 shows a block diagram of method steps of a method for producing an interferometer device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a base substrate is provided S1 which comprises at least one electrical conductor connection; arranging S2 a detector device on the base substrate; arranging S3 an interferometer unit on the base substrate in such a way that a first cavity is formed above the base substrate and the detector device is located in the first cavity between the base substrate and the interferometer unit; arranging S4 a cover structure on the base substrate, a second cavity being formed over the interferometer unit, the cover structure including an opening over the interferometer unit; and arranging S5 of at least one filter device on the cover structure in such a way that the opening is spanned by the filter device.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Interferometereinrichtung (10) umfassend ein Basissubstrat (2), welches zumindest einen elektrischen Leiteranschluss (2) umfasst; eine Interferometereinheit (1), welche auf dem Basissubstrat (2) angeordnet ist und eine erste Kavität (K1) über dem Basissubstrat (2) bildet; eine Detektoreinrichtung (3), welche auf dem Basissubstrat (2) angeordnet ist und in der ersten Kavität (K1) zwischen dem Basissubstrat (2) und der Interferometereinheit (1) angeordnet ist; eine Deckelstruktur (4), welche auf dem Basissubstrat (2) angeordnet ist und eine zweite Kavität (K2) über der Interferometereinheit (1) bildet, wobei die Deckelstruktur (4) eine Öffnung (5) über der Interferometereinheit (1) umfasst; und zumindest eine Filtereinrichtung (6), welche an der Deckelstruktur (4) angeordnet ist und die Öffnung (5) überspannt.

Description

Beschreibung
Titel
Interferometereinrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Interferometereinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Interferometereinrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Interferometereinrichtung.
Stand der Technik
Miniaturisierte Spektrometer mit Fabry-Perot-Interferometern (FPI) können als kompaktes Bauteil hergestellt sein und ein Gehäuse mit einem optischen Fenster umfassen, wobei üblicherweise ein Filter auf einer Innenseite mit einem Kleber fixiert sein kann. Im Inneren des Gehäuses kann ein Unterdrück oder sogar ein Vakuum vorherrschen und eine definierte Atmosphäre ausgeprägt sein, so dass im Betrieb möglichst keine Gasdämpfung auftritt und ein schnelles Verändern der Spiegelabstände im FPI (Durchstimmen über die Wellenlängen des zu transmittierenden oder zu filternden Lichts) möglich ist, um kurze Messzeiten zu erzielen. Bei Unterdrück kann allerdings eine Zugkraft auf die Klebeverbindung wirken und die Robustheit des Spektrometers dadurch verringert sein.
In der WO 17057372 Al wird ein Detektoraufbau für ein miniaturisiertes Spektrometer mit einem Fabry-Perot-Interferometer beschrieben, wobei ein Gehäuse ein optisches Fenster (light transmission unit) umfasst.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Interferometereinrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer Interferometereinrichtung nach Anspruch 12.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Interferometereinrichtung anzugeben, welche mittels weniger Komponenten ein kleinskaliges Bauelement, insbesondere ein Filterelement, mit geringer Bauhöhe und einer gegen Streulicht und Umwelteinflüsse abgeschirmten Detektoreinrichtung ermöglicht. Durch ein robustes optisches Fenster kann ein Einfallslicht gefiltert und/oder der Einfallswinkel eingeschränkt werden.
Erfindungsgemäß umfasst die Interferometereinrichtung ein Basissubstrat, welches zumindest einen elektrischen Leiteranschluss umfasst; eine Interferometereinheit, welche auf dem Basissubstrat angeordnet ist und eine erste Kavität über dem Basissubstrat bildet; eine Detektoreinrichtung, welche auf dem Basissubstrat angeordnet ist und in der ersten Kavität zwischen dem Basissubstrat und der Interferometereinheit angeordnet ist; eine Deckelstruktur, welche auf dem Basissubstrat angeordnet ist und eine zweite Kavität über der Interferometereinheit bildet, wobei die Deckelstruktur eine Öffnung über der Interferometereinheit umfasst; und zumindest eine Filtereinrichtung, welche an der Deckelstruktur angeordnet ist und die Öffnung überspannt.
Das Basissubstrat kann vorteilhaft als Verdrahtungssubstrat ausgeformt werden.
Die erste Kavität unterhalb der Interferometereinheit kann von den lateralen Seiten her gegen Außenlicht abgeschirmt sein und nur das von der Interferometereinheit, welche als Filter für das Außenlicht wirken kann, transmittierte Licht in die erste Kavität durchlassen werden.
Durch die erfindungsgemäße Interferometereinrichtung kann ein möglichst kostengünstiges, aber dennoch leistungsfähiges Spektrometer
(Interferometereinrichtung) mit einer möglichst geringen Komponentenzahl sowie einer minimalen Anzahl an einfach/kostengünstig auszuführenden Herstellungsschritten und einer dabei möglichst geringen Baugröße erzielt werden, welches sich noch durch einen verringerten oder vollständig unterdrückten Einfall von ungefiltertem Streulicht, insbesondere von den lateralen Seiten her, auf den Detektor auszeichnen kann. Übliche Aufbauten nach dem Stand der Technik benötigen entweder sehr viele (teure) Komponenten oder (teure) Verfahrensschritte oder benötigen große Bauvolumina oder können Streulicht zulassen. Die Interferometereinrichtung kann als eine kleinskalige kompakte (Package) Detektoranordnung mit wenigen Komponenten hergestellt werden. Des Weiteren kann eine mechanisch robuste und hermetische Abdichtung der Kavitäten über eine Deckelstruktur und ein Fensterelement als Filtereinrichtung zum Verschluss einer optischen Öffnung erzielt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst die Filtereinrichtung einen Spektralfilter für eine einfallende Strahlung und/oder ein winkelselektives Element.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung ist der Spektralfilter auf einer Außenseite der Deckelstruktur angeordnet und das winkelselektive Element ist auf einer Innenseite der Deckelstruktur angeordnet und beide überspannen die Öffnung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst das Basissubstrat eine dritte Kavität, über welcher die Interferometereinheit angeordnet ist und diese überspannt, und wobei die Detektoreinrichtung in der dritten Kavität angeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst die Interferometereinheit ein Fabry-Perot-Interferometer.
Das Fabry-Perot-Interferometer kann für bestimmte Spiegelabstände der Spiegel im Fabry-Perot-Interferometer nur Licht einer bestimmten Wellenlänge transmittieren. Durch die direkte Anordnung des Fabry-Perot-Interferometers und/oder der Detektoreinrichtung oder zumindest des Fabry-Perot-Interferometers auf dem Basissubstrat kann die Bauhöhe der Interferometereinrichtung vorteilhaft verringert werden, da auch die elektrische Verdrahtung über das Basissubstrat erfolgen kann, beispielsweise mit einem leitenden Kleber und /oder mit Bonddrähten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst diese eine Auswerteeinheit, welche auf dem Basissubstrat angeordnet ist, wobei die Detektoreinrichtung und die Interferometereinheit auf der Auswerteeinheit angeordnet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung sind die Detektoreinrichtung und die Interferometereinheit mit einem elektrischen Leiteranschluss des Basissubstrats verbunden und elektrisch kontaktiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung sind die Detektoreinrichtung und/oder die Interferometereinheit mit einem Kontaktdraht mit dem elektrischen Leiteranschluss verbunden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst die Deckelstruktur laterale Seitenwände und ein Metall.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung weist der Spektralfilter in lateraler Richtung Bereiche mit unterschiedlicher (spektraler) Filterwirkung und/oder das winkelselektive Element in lateraler Richtung Bereiche mit unterschiedlicher winkelselektiver Wirkung auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst die Detektoreinrichtung mehrere Detektorkanäle, welche jeweils nach den Bereichen unterschiedlicher Filterwirkung ausgerichtet sind und getrennt auslesbar sind.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen einer Interferometereinrichtung ein Bereitstellen eines Basissubstrats, welches zumindest einen elektrischen Leiteranschluss umfasst; ein Anordnen einer Detektoreinrichtung auf dem Basissubstrat; ein Anordnen einer Interferometereinheit auf dem Basissubstrat derart, dass eine erste Kavität über dem Basissubstrat gebildet wird und sich die Detektoreinrichtung in der ersten Kavität zwischen dem Basissubstrat und der Interferometereinheit befindet; ein Anordnen einer Deckelstruktur auf dem Basissubstrat, wobei eine zweite Kavität über der Interferometereinheit gebildet wird, wobei die Deckelstruktur eine Öffnung über der Interferometereinheit umfasst; und ein Anordnen zumindest einer Filtereinrichtung an der Deckelstruktur derart, dass die Öffnung von der Filtereinrichtung überspannt wird.
Das Verfahren kann sich auch durch die bereits in Verbindung mit der Interferometereinrichtung genannten Merkmale und deren Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer Interferometereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Flerstellen einer Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Interferometereinrichtung 10 umfasst ein Basissubstrat 2, welches zumindest einen elektrischen Leiteranschluss umfasst; eine Interferometereinheit 1, welche auf dem Basissubstrat 2 angeordnet ist und eine erste Kavität Kl über dem Basissubstrat 2 bildet; eine Detektoreinrichtung 3, welche auf dem Basissubstrat 2 angeordnet ist und in der ersten Kavität Kl zwischen dem Basissubstrat 2 und der Interferometereinheit 1 angeordnet ist; eine Deckelstruktur 4, welche auf dem Basissubstrat 2 angeordnet ist und eine zweite Kavität K2 über der Interferometereinheit 1 bildet, wobei die Deckelstruktur 4 eine Öffnung 5 über der Interferometereinheit 1 umfasst; und zumindest eine Filtereinrichtung 6, welche an der Deckelstruktur 4 angeordnet ist und die Öffnung 5 überspannt.
Die Detektoreinrichtung 3 kann einen oder mehrere Detektoren, welche aufeinander oder nebeneinander angeordnet sein können, umfassen, beispielsweise solche, die in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen sensibel sein können. Das Basissubstrat 2 kann eine dritte Kavität K3 umfassen, über welcher die Interferometereinheit 1 angeordnet sein kann und die Interferometereinheit 1 kann diese dritte Kavität überspannen, wobei die Detektoreinrichtung 3 in der dritten Kavität K3 angeordnet sein kann.
Die Filtereinrichtung 6 kann einen Spektralfilter 6a für eine einfallende Strahlung und/oder ein winkelselektives Element 6b umfassen. Wenn gleichzeitig Lichtstrahlen aus unterschiedlichen Einfallswinkeln auf das Fabry- Perot-Interferometer treffen, kann dies eine mögliche Wellenlängenauflösung verringern. Das winkelselektive Element kann vorteilhaft den Einfallswinkel des einfallenden Lichts einschränken. Wenn die Verteilung der Einfallswinkel noch um einen bestimmten Winkel gegen eine Normale auf die Spiegeloberfläche der Interferometereinheit zentriert ist, kann dies zu einer Verschiebung des kompletten von der Interferometereinheit erzeugten Spektrums führen, also einen Wellenlängen-Offsetfehler erzeugen. Durch das winkelselektive Element 6b kann auch dieser Effekt verringert oder vermieden werden.
Der Spektralfilter 6a kann auf einer Außenseite der Deckelstruktur 4 angeordnet sein und das winkelselektive Element 6b kann auf einer Innenseite der Deckelstruktur 4 angeordnet sein und beide können die Öffnung 5 überspannen, vorzugsweise vollständig. Alternativ können der Spektralfilter 6a und das winkelselektive Element 6b auch umgekehrt an der Deckelstruktur 4 angeordnet sein, beide vorhanden sein oder nur eines von beiden. Der Spektralfilter 6a und/oder das winkelselektive Element 6b können mit einem Kleber KL, beispielsweise elektrisch nichtleitend, an der Deckelstruktur 4 im lateralen Randbereich um die Öffnung 5 herum befestigt sein. Anstatt des Klebers kann die Verbindung KL eine Lotverbindung, etwa eine metallische Lotverbindung umfassen, welche eine bessere Langzeitstabilität hinsichtlich der Hermetizität aufweisen kann als Klebeverbindungen.
Der Spektralfilter 6a kann dazu dienen, das durch die Öffnung 5 zu transmittierende Licht betreffend unterschiedlicher Ordnungen (Oberwellen) zu filtern. Somit kann der Spektralfilter 6a dazu eingerichtet sein, nur bestimmte Ordnungen oder Wellenlängenbereiche des Außenlichts AL in das Innere der ersten Kavität Kl (und zweiter und dritter Kavität) durchzulassen. Bei mehreren Öffnungen 5 können die entsprechenden Spektralfilter auf unterschiedliche Wellenlängen ausgelegt sein.
Da der Spektralfilter 6a vorteilhaft an der Außenseite der Deckelstruktur 4 angeordnet sein kann, kann ein Bereich des Spektralfilters 6a im optischen Pfad über der Öffnung 5 ohne Kanten (Ränder) des Spektralfilters ausgeformt sein, wodurch vorteilhaft ein Verfangen von Schmutz an, über oder unter diesen Kanten und somit im optisch transmissiven Bereich verringert oder verhindert werden kann, wobei sich das Fensterelement über der Öffnung einfacher reinigen lässt, was die praktische Nutzbarkeit des Spektrometers erhöhen kann. Der Spektralfilter 6a wie auch das winkelselektive Element 6b können jeweils ein Fensterelement über der Öffnung bilden. Alternativ kann anstatt der winkelselektiven Elements auch ein zweiter (in Wellenlängen verschieden filternder) zweiter Spektralfilter an der Innenseite der Deckelstruktur angeordnet werden. Auf diese Weise lassen sich winkelselektive Eigenschaften und Filtereigenschaften in der Deckelstruktur 4 realisieren und auf weitere derartige Komponenten innerhalb der Kavitäten kann verzichtet werden.
Die Deckelstruktur 4 kann laterale Seitenwände 4a und ein Metall umfassen, wobei die Seitenwände 4a mit einem Kleber KL, vorzugsweise einem elektrisch nicht leitenden, auf dem Basissubstrat 2 befestigt sein können. Alternativ zum Kleber KL kann auch eine andere Verbindungsart, etwa ein Lot, gewählt werden.
Das Basissubstrat 2 kann ein Verdrahtungssubstrat, etwa eine Leiterplatte (oder LTCC - low temperature cofired ceramic) umfassen. Der elektrische Leiteranschluss La kann vorteilhaft eine oder mehrere Leiterbahnen, beispielsweise jeweils als eine Metallisierung, umfassen und auf dem Basissubstrat 2 auf dessen Vorder- und/oder Rückseite aufgebracht sein und/oder in das Basissubstrat 2 integriert (eingebettet) sein. Von der Leiterbahn La kann mittels eines Drahtkontakts DB eine direkte elektrische Kontaktierung zur Detektoreinrichtung 3 und/oder zur Interferometereinheit 1 hergestellt sein. Die Leiterbahn La kann in dem Basissubstrat 2 in einer Ebene zum Boden der dritten Kavität K3 geführt sein und beispielsweise in einem Randbereich des Basissubstrats mit einem Durchkontakt 7 elektrisch mit einem Kontaktbereich KP verbunden sein, welcher auf einer der Deckelstruktur 4 abgewandten Rückseite R des Basissubstrats 2 angeordnet sein kann. Es können so auch weitere Kontaktbereiche KP auf der Rückseite R vorhanden sein, welche mit Durchkontakten 7 eine elektrische Verbindung bis an eine Vorderseite V in der ersten Kavität Kl verbunden sein können und dort weiter über etwa einen Drahtkontakt DB mit der Interferometereinheit 1, vorzugsweise an deren dem Basissubstrat 2 abgewandten Oberseite, kontaktiert sein können.
Die Interferometereinheitl kann zumindest zwei Spiegeleinrichtungen SP1 und SP2 umfassen, welche parallel ausgerichtet sein können und wobei deren Abstand variabel sein kann. Je nach Abstand zwischen den Spiegeleinrichtungen kann eine bestimmte Wellenlänge des Lichts, welches durch die Öffnung 5 einfällt und durch den Spektralfilter gefiltert und vorteilhaft durch das winkelselektive Element selektiert wurde, auf die Detektoreinrichtung 3 einfallen.
Die Spiegeleinrichtungen SP1 und/oder SP2 können jeweils einen dielektrischen Spiegel mit zwei hochbrechenden Schichten (etwa aus Silizium oder einer Verbindung mit Silizium) und einer dazwischen befindlichen niedrigbrechenden Schicht (etwa Luft oder Vakuum) umfassen.
Je nach Einstellung (Abstand der Spiegeleinrichtungen, wobei der Abstand und somit die transmittierte Wellenlänge variabel sein kann) der Interferometereinheit 1 kann Außenlicht AL nur in einer bestimmten Wellenlänge in die erste Kavität Kl hinein transmittiert werden. Das Fabry-Perot-Interferometer kann mehrere Wellenlängen verschiedener Ordnungen (Moden) gleichzeitig transmittieren.
Die Interferometereinheit 1 kann Seitenwände la umfassen, welche die erste Kavität Kl lateral vollständig einschließen können und direkt auf dem Basissubtrat 2 angeordnet sein können. Die Seitenwände la können die zwei hochbrechenden und die niedrigbrechende Schicht tragen und seitlich stützen. Die Seitenwände la können so eine freigestellte untere hochbrechende Schicht umlaufen und einen optischen Bereich OB lateral umgeben, in welchem die Interferometereinheit 1 Licht L in die erste Kavität Kl transmittieren kann. Das Basissubstrat 2 kann selbst undurchlässig sein sowohl für das Außenlicht AL als auch für das transmittierte Licht L. Auf diese Weise kann ungefilterte Strahlung größtenteils oder vollständig von der ersten Kavität Kl ferngehalten werden, was sich vorteilhaft auf ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis an der Detektoreinrichtung 3 auswirken kann.
Die Interferometereinrichtung 10 kann mehrere Ausnehmungen im Basissubstrat umfassen, darin mehrere Detektoreinrichtungen und darüber mehrere Interferometereinheiten mit jeweils einer eigenen Kavität über der entsprechenden Ausnehmung (nicht gezeigt). Des Weiteren können in der Deckelstruktur 4 mehrere Öffnungen 5 vorhanden sein, welche Filtereinrichtungen 6 mit Spektralfiltern und/oder winkelselektiven Elementen umfassen können (nicht gezeigt). Die Öffnungen 5 können lateral nebeneinander und beabstandet zueinander sein und für unterschiedliche Wellenlängen (zum Filtern dieser) ausgelegt sein. Unter jeder solcher Öffnung kann eine Interferometereinheit, etwa mit eigener Detektoreinrichtung, auf dem Basissubstrat angeordnet sein, und unterschiedliche Spektren (Wellenlängen) können so gleichzeitig gemessen werden.
Die Interferometereinrichtung 10 kann als ein Modul (mit Modulgehäuse) für ein größeres Bauelement ausgeformt sein, beispielsweise als ein mikroelektromechanisches Spektrometermodul (MEMS) mit einem Fabry-Perot-Interferometer 1.
Da sowohl die Detektoreinrichtung 3 als auch die Interferometereinheit 1 auf dem Basissubstrat 2 aufgebracht werden können, vorteilhaft direkt, kann eine Bauhöhe vertikal über und unter dem Basissubstrat 2 verringert werden. Die Interferometereinrichtung 10 kann somit in wenigen Schritten (wenige kostenaufwändige Schritte) und mit verringerten Kosten als kleinskaliges Bauelement realisiert werden, welches selbst mit einer verringerten Zahl von Komponenten herstellbar sein kann. Die Interferometereinrichtung 10, und/oder insbesondere die Interferometereinheit 1 kann als mikromechanisches Bauelement ausgeformt sein.
Der Spektralfilter 6a kann in lateraler Richtung Bereiche (6al, 6a2. 6bl, 6b2. 6bn) mit unterschiedlicher Filterwirkung und/oder das winkelselektive Element 6b kann in lateraler Richtung Bereiche mit unterschiedlicher winkelselektiver Wirkung (6al, 6a2.
6bl, 6b2. 6bn) aufweisen. Dementsprechend kann die Detektoreinrichtung 3 relativ zu diesen Bereichen des Spektralfilters und/oder des winkelselektiven Elements ausgerichtete oder angeordnete (mehrere) Detektorkanäle 3a umfassen, welche jeweils nach den Bereichen (6al, 6a2. 6bl, 6b2. 6bn) unterschiedlicher Filterwirkung ausgerichtet sind und getrennt auslesbar sind, etwa durch eine Auswerteeinrichtung (nicht gezeigt).
Ist sowohl auf der Innenseite wie auch auf der Außenseite eine Filtereinrichtung 6 angeordnet, so kann zumindest eine dieser die Öffnung 5 auch nur teilweise überdecken und über Teilbereichen filtern.
Bei einer Kombination von Bereichen unterschiedlicher winkelselektiver Wirkung oder unterschiedlicher Filterwirkung können verschiedene Informationen zu Winkelverteilung und spektraler Verteilung (über die Wellenlängen) des Streulichts der zu analysierenden Probe gewonnen werden (Zusatzinformationen welche auf der Winkelverteilung basieren) und daraus auf zusätzliche Eigenschaften der Probe rückgeschlossen werden.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Interferometereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Das Ausführungsbeispiel der Interferometereinrichtung 10 aus der Fig. 2 unterscheidet sich nur darin von jenem der Fig.l, dass auf eine dritte Kavität im Basissubstrat 2 verzichtet werden kann und eine Auswerteeinrichtung AE auf dem Basissubstrat 2, vorzugsweise im optischen Pfad unterhalb der Öffnung 5, angeordnet sein kann. Die Auswerteeinheit AE kann einen Chip umfassen, etwa einen ASIC und mit einer der Leiterbahnen La des Basissubstrats 2, welche wiederum von einer Rückseite über dortige Kontaktstellen KP und Durchkontakte 7 durch das Basissubstrat 2 und schließlich innerhalb der zweiten Kavität K2 über einen Kontaktdraht DB kontaktiert sein können, etwa von mehreren Seiten aus. Die Detektoreinrichtung 3 kann direkt auf der Auswerteeinrichtung AE angeordnet sein, wobei die Auswerteeinrichtung AE selbst Leiterbahnen (nicht gezeigt) umfassen kann, an welche ein Drahtbond DB zur Kontaktierung der Detektoreinrichtung 3, vorteilhaft innerhalb der ersten Kavität Kl, geführt werden kann. Die erste Kavität Kl kann durch die Interferometereinheit 1 gebildet werden, welche ebenfalls direkt auf der Auswerteeinrichtung AE angeordnet sein kann, derart dass die Detektoreinrichtung 3 innerhalb der geschlossenen ersten Kavität Kl sein kann. Die Interferometereinheit 1 kann somit einen optischen Bereich OB im Lichtpfad unter der Öffnung 5 über der Detektoreinrichtung 3 und der Auswerteeinrichtung AE bilden, wobei die Auswerteeinrichtung AE ein Ausgangssignal von der Detektoreinrichtung 3 empfangen kann, etwa über den Drahtkontakt DB. Die Auswerteeinrichtung AE, insbesondere der AS IC, kann auch die Interferometereinheit 1 und deren Filterwirkung (Abstand der Spiegeleinrichtungen) steuern.
In der Ausführungsform der Fig. 2 wurde auf ein winkelselektives Element auf der Innenseite der Deckelstruktur 4 verzichtet, dieses oder der Spektralfilter 6a können jedoch in allen bereits zur Fig. 1 genannten Möglichkeiten ausgeführt sein.
Fig. 3 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Verfahren zum Herstellen einer Interferometereinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 eines Basissubstrats, welches zumindest einen elektrischen Leiteranschluss umfasst; ein Anordnen S2 einer Detektoreinrichtung auf dem Basissubstrat; ein Anordnen S3 einer Interferometereinheit auf dem Basissubstrat derart, dass eine erste Kavität über dem Basissubstrat gebildet wird und sich die Detektoreinrichtung in der ersten Kavität zwischen dem Basissubstrat und der Interferometereinheit befindet; ein Anordnen S4 einer Deckelstruktur auf dem Basissubstrat, wobei eine zweite Kavität über der Interferometereinheit gebildet wird, wobei die Deckelstruktur eine Öffnung über der Interferometereinheit umfasst; und ein Anordnen S5 zumindest einer Filtereinrichtung an der Deckelstruktur derart, dass die Öffnung von der Filtereinrichtung überspannt wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Claims

Ansprüche
1. Interferometereinrichtung (10) umfassend ein Basissubstrat (2), welches zumindest einen elektrischen Leiteranschluss (La) umfasst; eine Interferometereinheit (1), welche auf dem Basissubstrat (2) angeordnet ist und eine erste Kavität (Kl) über dem Basissubstrat (2) bildet; eine Detektoreinrichtung (3), welche auf dem Basissubstrat (2) angeordnet ist und in der ersten Kavität (Kl) zwischen dem Basissubstrat (2) und der Interferometereinheit (1) angeordnet ist; eine Deckelstruktur (4), welche auf dem Basissubstrat (2) angeordnet ist und eine zweite Kavität (K2) über der Interferometereinheit (1) bildet, wobei die Deckelstruktur (4) eine Öffnung (5) über der Interferometereinheit (1) umfasst; und zumindest eine Filtereinrichtung (6), welche an der Deckelstruktur (4) angeordnet ist und die Öffnung (5) überspannt.
2. Interferometereinrichtung (10) nach Anspruch 1, bei welcher die Filtereinrichtung (6) einen Spektralfilter (6a) für eine einfallende Strahlung und/oder ein winkelselektives Element (6b) umfasst.
3. Interferometereinrichtung (10) nach Anspruch 2, bei welcher der Spektralfilter (6a) auf einer Außenseite der Deckelstruktur (4) angeordnet ist und das winkelselektive Element (6b) auf einer Innenseite der Deckelstruktur (4) angeordnet ist und beide die Öffnung überspannen.
4. Interferometereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher das Basissubstrat (2) eine dritte Kavität (K3) umfasst, über welcher die Interferometereinheit (1) angeordnet ist und diese überspannt, und wobei die Detektoreinrichtung (3) in der dritten Kavität (K3) angeordnet ist.
5. Interferometereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Interferometereinheit (1) ein Fabry-Perot-Interferometer umfasst.
6. Interferometereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche eine Auswerteeinheit (6) umfasst, welche auf dem Basissubstrat (2) angeordnet ist, wobei die Detektoreinrichtung (3) und die Interferometereinheit (1) auf der Auswerteeinheit (6) angeordnet sind.
7. Interferometereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Detektoreinrichtung (3) und die Interferometereinheit (1) mit einem elektrischen Leiteranschluss (La) des Basissubstrats (2) verbunden und elektrisch kontaktiert sind.
8. Interferometereinrichtung (10) nach Anspruch 7, bei welcher die Detektoreinrichtung (3) und/oder die Interferometereinheit (1) mit einem Kontaktdraht (DB) mit dem elektrischen Leiteranschluss (La) verbunden sind.
9. Interferometereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die Deckelstruktur (4) laterale Seitenwände (4a) umfasst und ein Metall umfasst.
10. Interferometereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, soweit rückbezogen auf
Anspruch 2, bei welchem der Spektralfilter (6a) in lateraler Richtung Bereiche (6al, 6a2.
6bl, 6b2. 6bn) mit unterschiedlicher Filterwirkung und/oder das winkelselektive Element
(6b) in lateraler Richtung Bereiche mit unterschiedlicher winkelselektiver Wirkung (6al, 6a2, ..., 6bl, 6b2. 6bn) aufweist.
11. Interferometereinrichtung (10) nach Anspruch 10, bei welcher die Detektoreinrichtung (3) mehrere Detektorkanäle (3a) umfasst, welche jeweils nach den Bereichen (6al, 6a2. 6bl,
6b2. 6bn) unterschiedlicher Filterwirkung ausgerichtet und getrennt auslesbar sind.
12. Verfahren zum Fierstellen einer Interferometereinrichtung (10) umfassend die Schritte:
Bereitstellen (Sl) eines Basissubstrats (2), welches zumindest einen elektrischen Leiteranschluss (2) umfasst;
Anordnen (S2) einer Detektoreinrichtung (3) auf dem Basissubstrat (2);
Anordnen (S3) einer Interferometereinheit (1) auf dem Basissubstrat (2) derart, dass eine erste Kavität (Kl) über dem Basissubstrat (2) gebildet wird und sich die Detektoreinrichtung (3) in der ersten Kavität (Kl) zwischen dem Basissubstrat (2) und der Interferometereinheit (1) befindet;
Anordnen (S4) einer Deckelstruktur (4) auf dem Basissubstrat (2), wobei eine zweite Kavität (K2) über der Interferometereinheit (1) gebildet wird, wobei die Deckelstruktur (4) eine Öffnung (5) über der Interferometereinheit (1) umfasst; und
Anordnen (S5) zumindest einer Filtereinrichtung (6) an der Deckelstruktur (4) derart, dass die Öffnung (5) von der Filtereinrichtung (6) überspannt wird.
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