WO2021058259A1 - Miniaturised spectrometer device and method for producing a miniaturised spectrometer device - Google Patents

Miniaturised spectrometer device and method for producing a miniaturised spectrometer device Download PDF

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WO2021058259A1
WO2021058259A1 PCT/EP2020/074713 EP2020074713W WO2021058259A1 WO 2021058259 A1 WO2021058259 A1 WO 2021058259A1 EP 2020074713 W EP2020074713 W EP 2020074713W WO 2021058259 A1 WO2021058259 A1 WO 2021058259A1
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printed circuit
spectrometer device
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Joachim Friedl
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Tunable Fabry-Perot interferometers can ideally be constructed from two parallel mirrors that can be moved relative to one another and have high reflectivity in the relevant wavelength range, with a distance between the two mirrors being adjustable by means of an actuation mechanism.
  • the Fabry-Perot interferometer can advantageously be designed as a MOEMS (micro-opto-electro-mechanical system).
  • a transmission wavelength of the FPI can be set precisely by means of the distance.
  • a light can be generated and transmitted onto the object to be examined.
  • the object to be examined is referred to below as a sample.
  • the light source can be a diffusely emitting light source, for example one or more LEDs, for example phosphor-coated white light LEDs.
  • the light source can emit in the wavelength range relevant for the function of the spectrometer.
  • the emission component can also additionally comprise optical elements for beam shaping. The light as a stimulus can advantageously encompass the entire spectral range to be analyzed.
  • the miniaturized spectrometer device has a compact design, a miniaturized overall system can be created with an advantageous spatial arrangement and design of the detection component and emission component, which can have all the necessary components for the function of the spectrometer at the same connection level.
  • This can be referred to as a so-called “first level package”.
  • Such an arrangement of the emission and detection components within the housing and towards the opening can advantageously be achieved that the required installation space is minimized and, moreover, an advantageous beam path can be generated which can guide the light along the desired optical axis towards the sample, and block unwanted stray light.
  • the parabolic mirror or the reflective cavity can advantageously focus the light transmitted by the FPI on a photodetector.
  • a detection area of the photodetector can be smaller, about half or even smaller, than the emission area of the FPI, whereby a compact detection component can be provided.
  • FIG. 9a-c are perspective views of a carrier element for a spectrometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 11a-b perspective views of a carrier element with an emission component and a detection component in a spectrometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the mirror element SP and the glass plates GP can represent a chip sandwich.
  • the opening O can be coaxial with the optical aperture OB of the FPI in order to ensure the optical signal access to the photodetector.
  • a material can advantageously be selected whose thermal expansion coefficient is adapted to glass and silicon in order to avoid thermomechanical deformation of the FPI sandwich via temperature changes.
  • the alloy NiCo 2918 (nickel-cobalt) can be a suitable material.
  • 5a shows a plan view of a carrier element in a spectrometer device.
  • 10a-c show perspective views of a detection component for a spectrometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • 10a shows a detector component DK with a second printed circuit board section LE2, which includes both the interferometer section LE2-I and the detector section LE2-D. These two can comprise a common flexible area, wherein the interferometer section LE2-I can comprise contact elements KE for contacting the FPI in a stiffened area of the second printed circuit board section LE2, wherein the FPI can be contacted with the contact elements KE via wire bonds. At one end of the flexible printed circuit board, these contacts can comprise Kt for making contact with the wiring substrate.
  • the detection component DK can comprise a holder PL, for example according to FIG.
  • FIG. 11a shows a rear view of the carrier element TE from FIG. 9b with a detector component DK from FIG. 10a arranged thereon and an FPI arranged thereon.
  • the carrier element TE is arranged on a wiring substrate VS.

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Abstract

The present invention relates to a miniaturised spectrometer device (1), comprising a housing (G) having an opening (GO), or an optical access means, through which a sample (P) can be irradiated with light, and through which light reflected by the sample can be captured; a wiring substrate (VS), which is arranged inside the housing (G) or is formed as part of the housing (G); an electrical interface (ES), by means of which the wiring substrate (VS) can be electrically contacted from outside the housing; an emission component (EK) inside the housing (G), by means of which a sample (P) can be irradiated with light through the opening (GO) or the access means, and which is electrically contacted by the wiring substrate (VS); and a detection component (DK) inside the housing (G), by means of which light reflected by the sample (P) through the opening (GO) or the access means can be detected and analysed, wherein an emission angle (EW) and a detection angle (DW), counter to one another, can be the same as or different from one another with respect to a normal (N) on a housing top face (GOS).

Description

Beschreibung description
Titel title
Miniaturisierte Spektrometereinrichtung und Verfahren zum Herstellen einer miniaturisierten Spektrometereinrichtung Miniaturized spectrometer device and method for making a miniaturized spectrometer device
Die vorliegende Erfindung betrifft eine miniaturisierte Spektrometereinrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer miniaturisierten Spektrometereinrichtung. The present invention relates to a miniaturized spectrometer device and a method for producing a miniaturized spectrometer device.
Stand der Technik State of the art
Spektrometriesysteme können ein Sensorsystem bestehend aus einer Beleuchtungs- und Detektionskomponente umfassen. Hierbei kann eine oder mehrere Lichtquellen angewandt werden und einen Bereich einer zu analysierenden Probe beleuchten. Ein Detektor ist meist räumlich von der Lichtquelle getrennt angeordnet. Spectrometry systems can comprise a sensor system consisting of an illumination and detection component. One or more light sources can be used here and illuminate an area of a sample to be analyzed. A detector is usually arranged spatially separated from the light source.
Bei spektralen Sensoren scheint für eine Realisierung eines spektralen Filterelements die Anwendung eines durchstimmbaren MEMS Fabry-Perot Interferometers (FPI) ein vielversprechender Ansatz für eine Miniaturisierung der Sensoren zu sein. In the case of spectral sensors, the use of a tunable MEMS Fabry-Perot interferometer (FPI) seems to be a promising approach to miniaturization of the sensors for the realization of a spectral filter element.
Durchstimmbare Fabry-Perot-Interferometer können idealerweise aus zwei parallelen und gegeneinander beweglichen Spiegeln mit hoher Reflektivität in dem relevanten Wellenlängenbereich aufgebaut sein, wobei ein Abstand der beiden Spiegel mittels eines Aktuationsmechanismus einstellbar ist. Zur Ermöglichung der Aktuation kann das Fabry-Perot-Interferometer vorteilhaft als MOEMS ausgeführt werden (Mikro-Opto-Elektro-Mechanisches System). Durch den Abstand kann eine Transmissionswellenlänge des FPIs präzise eingestellt werden. Tunable Fabry-Perot interferometers can ideally be constructed from two parallel mirrors that can be moved relative to one another and have high reflectivity in the relevant wavelength range, with a distance between the two mirrors being adjustable by means of an actuation mechanism. To enable actuation, the Fabry-Perot interferometer can advantageously be designed as a MOEMS (micro-opto-electro-mechanical system). A transmission wavelength of the FPI can be set precisely by means of the distance.
In der EP 3064912 wird ein Spektrometersystem mit einem Modul gezeigt, welches nur einen Detektionspfad umfasst. Ein Emissionspfad und ein Regelwerk sind dabei in einer separaten und übergeordneten Baugruppe untergebracht, was von einer miniaturisierten und kompakten Anordnung in einem Mobilgerät abweicht. EP 3064912 shows a spectrometer system with a module which comprises only one detection path. One emission path and one Rules are housed in a separate and higher-level assembly, which differs from a miniaturized and compact arrangement in a mobile device.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft eine miniaturisierte Spektrometereinrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer miniaturisierten Spektrometereinrichtung nach Anspruch 14. The present invention provides a miniaturized spectrometer device according to claim 1 and a method for manufacturing a miniaturized spectrometer device according to claim 14.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Preferred further developments are the subject of the subclaims.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine miniaturisierte Spektrometereinrichtung anzugeben, mit welcher eine Probe mit breitbandigem Licht bestrahlbar ist und das von der Probe reflektierte Licht detektierbar und analysierbar ist. Des Weiteren zeichnet sich die Spektrometereinrichtung durch eine kompakte Bauweise aus, wobei die Komponenten des Emissionspfads und des Detektionspfads zusammen in einem Gehäuse und in miniaturisierter Bauweise angeordnet sind. The idea on which the present invention is based consists in specifying a miniaturized spectrometer device with which a sample can be irradiated with broadband light and the light reflected by the sample can be detected and analyzed. Furthermore, the spectrometer device is characterized by a compact design, the components of the emission path and the detection path being arranged together in a housing and in a miniaturized design.
Erfindungsgemäß umfasst eine miniaturisierte Spektrometereinrichtung ein Gehäuse mit einer Öffnung oder einen optischen Zugang durch welche oder welchen eine Probe mit Licht bestrahlbar ist und durch welche oder welchen ein von der Probe reflektiertes Licht einfangbar ist; ein Verdrahtungssubstrat das innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, oder als Gehäuseteil ausgeführt ist; eine elektrische Schnittstelle, durch welche das Verdrahtungssubstrat von außerhalb des Gehäuses elektrisch kontaktierbar ist; eine Emissionskomponente innerhalb des Gehäuses, mit welcher eine Probe durch die Öffnung oder den optischen Zugang mit Licht bestrahlbar ist und welche mit dem Verdrahtungssubstrat elektrisch kontaktiert ist; und eine Detektionskomponente innerhalb des Gehäuses, mit welcher ein von der Probe reflektiertes Licht durch die Öffnung oder den optischen Zugang detektierbar und analysierbar ist, wobei gegenüber einer Normalen auf eine Gehäuseoberseite ein Emissionswinkel und ein Detektionswinkel gegenläufig gleich oder verschieden voneinander sind. According to the invention, a miniaturized spectrometer device comprises a housing with an opening or an optical access through which or which a sample can be irradiated with light and through which or which a light reflected from the sample can be captured; a wiring substrate which is arranged within the housing, or is designed as a housing part; an electrical interface through which the wiring substrate can be electrically contacted from outside the housing; an emission component within the housing, with which a sample can be irradiated with light through the opening or the optical access and which is in electrical contact with the wiring substrate; and a detection component within the housing with which a light reflected from the sample can be detected and analyzed through the opening or the optical access, with opposite of a normal to a housing top, an emission angle and a detection angle are opposite to one another, the same or different from one another.
Die miniaturisierte Spektrometereinrichtung kann als optischer Sensor zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung einer Probe dienen. Das Verdrahtungssubstrat kann ein Teil des Gehäuses sein und nach unten hin den Innenbereich des Gehäuses abgrenzen. The miniaturized spectrometer device can serve as an optical sensor for determining the chemical composition of a sample. The wiring substrate can be part of the housing and delimit the interior of the housing towards the bottom.
Die Detektionskomponente ist mit anderen Worten in einem Detektionspfad der Spektrometereinrichtung angeordnet und die Emissionskomponente in einem Emissionspfad. Die Detektionskomponente kann ein Fabry-Perot-Interferometer (FPI) als durchstimmbares spektrales Filterelement umfassen, sowie einen Photodetektor zur Messung der transmittierten Lichtintensität. In other words, the detection component is arranged in a detection path of the spectrometer device and the emission component is arranged in an emission path. The detection component can comprise a Fabry-Perot interferometer (FPI) as a tunable spectral filter element, as well as a photodetector for measuring the transmitted light intensity.
In der Emissionskomponente kann, gesteuert durch die Steuereinrichtung, ein Licht erzeugt werden und auf das zu untersuchende Objekt transmittiert werden. Das zu untersuchende Objekt wird in weiterer Folge als Probe bezeichnet. Bei der Lichtquelle kann es sich um eine diffus abstrahlende Lichtquelle handeln, beispielsweise um eine oder mehrere LEDs, bspw. phosphorbeschichtete Weißlicht-LED‘s. Die Lichtquelle kann im für die Funktion des Spektrometers relevanten Wellenlängenbereich abstrahlen. Die Emissionskomponente kann auch zusätzlich optische Elemente zur Strahlformung umfassen. Das Licht als Stimulus kann vorteilhaft den gesamten zu analysierenden Spektralbereich umfassen. In the emission component, controlled by the control device, a light can be generated and transmitted onto the object to be examined. The object to be examined is referred to below as a sample. The light source can be a diffusely emitting light source, for example one or more LEDs, for example phosphor-coated white light LEDs. The light source can emit in the wavelength range relevant for the function of the spectrometer. The emission component can also additionally comprise optical elements for beam shaping. The light as a stimulus can advantageously encompass the entire spectral range to be analyzed.
Im Detektionspfad des Spektrometers kann das von der Probe reflektierte Licht detektiert und/oder analysiert werden, und beispielsweise die durch das FPI erhaltenen Absorptionsspektren der Probe mit bekannten Materialspektren verglichen werden. Die Rohdaten können beispielsweise über die elektrische Schnittstelle und über eine externe Schnittstelle an ein Host-System übergeben werden, und von dort in eine Cloud geschickt werden, damit per Cloud- Computing die chemometrische Untersuchung durchgeführt werden kann. Aus der Cloud kann dann das Ergebnis an das Host-System zurück geschickt werden. Mit dem FPI kann durch eine Abstandsvariation ein bestimmter Wellenlängenbereich abgefahren werden (Variation der Transmissivität) und durch die erhaltenen Spektren kann eine Auswerteeinrichtung auf die Materialien in der Probe rückschließen. Nach der Reflexion des Lichts an der Probe kann dieses bestimmte Absorptionsspektren aufweisen, welches aus einer Wechselwirkung des Lichts mit der Probe und den in dieser vorhandenen Stoffen resultieren kann. Gegen die Normale können der Emissionswinkel und der Detektionswinkel gleich groß sein, lediglich der Emissionsstrahl und der Detektionsstrahl in unterschiedliche Richtungen gegen die Normale geneigt sein. Es ist aber auch möglich, dass Emissionswinkel und Detektionswinkel betragsmäßig unterschiedlich sind. In the detection path of the spectrometer, the light reflected by the sample can be detected and / or analyzed and, for example, the absorption spectra of the sample obtained by the FPI can be compared with known material spectra. The raw data can, for example, be transferred to a host system via the electrical interface and an external interface, and from there it can be sent to a cloud so that the chemometric examination can be carried out using cloud computing. The result can then be sent back to the host system from the cloud. With the FPI, a specific wavelength range can be covered by varying the distance (variation of the transmissivity) and an evaluation device can draw conclusions about the materials in the sample from the spectra obtained. After the light is reflected on the sample, it can have certain absorption spectra, which can result from an interaction of the light with the sample and the substances present in it. The emission angle and the detection angle can be equal to the normal, only the emission beam and the detection beam can be inclined in different directions with respect to the normal. However, it is also possible for the emission angle and the detection angle to differ in terms of amount.
Die erste Steuereinrichtung kann ein elektronisches Regelungs- und Auswertesystem umfassen und das FPI aktuieren und die Lichtquelle steuern, etwa deren abgestrahlte Wellenlänge (Zuschaltung verschiedener LEDs), und das Signal des Photodetektors auswerten. Außerdem kann das elektronische Regelungs- und Auswertesystem in sendender und empfangender Funktion über die externe Schnittstelle mit dem übergeordneten System kommunizieren (bspw. dem application processor des Mobiltelefons/Smartphones). Die erste Steuereinrichtung kann vorteilhaft als ASIC (application specific integrated Circuit) ausgeführt sein, es sind aber auch diskrete Schaltungen denkbar. Die Steuerung des FPIs kann durch die erste Steuereinrichtung erfolgen oder durch eine zweite Steuereinrichtung, welche an dem FPI, oder zumindest in der Detektionskomponente, angeordnet ist. Der ASIC kann auch der funktionalen Systemintegration in die übergeordnete Baugruppe dienen, so dass das Spektrometer im Endgerät für den Endbenutzer sinnvoll verwendet werden kann. The first control device can comprise an electronic control and evaluation system and activate the FPI and control the light source, for example its emitted wavelength (switching on various LEDs), and evaluate the signal from the photodetector. In addition, the electronic control and evaluation system can communicate with the higher-level system (e.g. the application processor of the mobile phone / smartphone) in a sending and receiving function via the external interface. The first control device can advantageously be designed as an ASIC (application specific integrated circuit), but discrete circuits are also conceivable. The FPI can be controlled by the first control device or by a second control device which is arranged on the FPI, or at least in the detection component. The ASIC can also be used for functional system integration in the higher-level assembly so that the spectrometer in the end device can be used sensibly by the end user.
Die miniaturisierte Spektrometereinrichtung eignet sich durch sehr kleine Abmessungen und eine kompakte Zusammenfassung mehrerer Komponenten zu einem Gesamtsystem vorteilhaft für eine Anwendung in einem Mobilgerät, beispielsweise in einem Mobiltelefon. The miniaturized spectrometer device is advantageously suitable for use in a mobile device, for example in a mobile phone, due to its very small dimensions and a compact combination of several components to form an overall system.
Das Verdrahtungssubstrat kann eine Leiterplatte oder jegliche andere Art von Träger mit Leiterbahnen umfassen, welche auf dieses aufgebracht oder in dieses integriert sein können. Die Bezeichnung „Substrat“ kann hierbei auch lediglich als eine Bezeichnung für einen Träger ausgelegt werden. The wiring substrate can comprise a printed circuit board or any other type of carrier with conductor tracks which are applied to it or in it can be integrated. The designation “substrate” can also be interpreted here as simply a designation for a carrier.
Die elektrische Schnittstelle kann eine Leiterplatte oder einen Träger oder eine Platte mit Leiterbahnen umfassen. Dabei kann die elektrische Schnittstelle derart ausgeformt sein, dass das Verdrahtungssubstrat auf der elektrischen Schnittstelle angeordnet sein kann und zumindest einen Teilbereich der elektrischen Schnittstelle bedecken kann. Das Gehäuse kann dann wiederum auf dem Verdrahtungssubstrat angeordnet sein und diese zumindest teilweise abdecken. Die elektrische Schnittstelle kann an einem Ende einen oder mehrere Kontakte umfassen und etwa als eine Steckkarte (Steckkontakt) ausgeformt sein. Vorteilhafterweise ist die elektrische Schnittstelle als flexibles Breitbandkabel ausgeführt, das zur Kontaktierung mit ZIF-connectors geeignet sein kann (zero insertion force connector). Durch diese Ausführung ist eine einfache und industrieübliche Systemintegration in die übergeordnete Baugruppe ermöglicht. Dies kann einem Anschlussprinzip entsprechen, wie es in Smartphones auch zum Anschluss der Kamera an das Mainboard üblich sein kann. The electrical interface can comprise a printed circuit board or a carrier or a plate with conductor tracks. The electrical interface can be shaped in such a way that the wiring substrate can be arranged on the electrical interface and can cover at least a partial area of the electrical interface. The housing can then in turn be arranged on the wiring substrate and at least partially cover it. The electrical interface can comprise one or more contacts at one end and be shaped, for example, as a plug-in card (plug-in contact). The electrical interface is advantageously designed as a flexible broadband cable that can be suitable for making contact with ZIF connectors (zero insertion force connector). This design enables simple and industry-standard system integration into the higher-level assembly. This can correspond to a connection principle that can also be used in smartphones to connect the camera to the mainboard.
Die miniaturisierte Spektrometereinrichtung weist eine kompakte Bauweise auf, wobei mit einer vorteilhaften räumlichen Anordnung und Ausführung der Detektionskomponente sowie Emissionskomponente ein miniaturisiertes Gesamtsystem erstellt werden kann, welches auf einem gleichen Verbindungslevel alle notwendigen Komponenten zur Funktion des Spektrometers aufweisen kann. Dies kann als ein sogenanntes „first level package“ bezeichnet werden. Es kann vorteilhaft eine derartige Anordnung der Emissions- und Detektionskomponente innerhalb des Gehäuses und zur Öffnung hin erzielt werden, dass der benötigte Bauraum minimiert wird und zudem ein vorteilhafter Strahlengang erzeugt werden kann, welcher das Licht entlang der gewünschten optischen Achse hin zur Probe leiten kann, und ungewolltes Streulicht blockieren kann. The miniaturized spectrometer device has a compact design, a miniaturized overall system can be created with an advantageous spatial arrangement and design of the detection component and emission component, which can have all the necessary components for the function of the spectrometer at the same connection level. This can be referred to as a so-called “first level package”. Such an arrangement of the emission and detection components within the housing and towards the opening can advantageously be achieved that the required installation space is minimized and, moreover, an advantageous beam path can be generated which can guide the light along the desired optical axis towards the sample, and block unwanted stray light.
Durch eine separate Ausführung der Emissionskomponente und der Detektionskomponente kann vorteilhaft eine Ausformung dieser Komponenten in Unterbaugruppen erfolgen, wodurch ein vorteilhafter Prozessfluss in der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) ermöglicht werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung umfasst die Emissionskomponente eine Lichtquelle und einen ersten Leiterplattenabschnitt, wobei die Emissionskomponente über den ersten Leiterplattenabschnitt mit dem Verdrahtungssubstrat elektrisch kontaktiert ist. By designing the emission component and the detection component separately, these components can advantageously be formed in subassemblies, thereby enabling an advantageous process flow in assembly and connection technology (AVT). According to a preferred embodiment of the spectrometer device, the emission component comprises a light source and a first printed circuit board section, the emission component being in electrical contact with the wiring substrate via the first printed circuit board section.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung umfasst die Emissionskomponente eine erste Steuereinrichtung, wobei die Lichtquelle gestapelt auf der ersten Steuereinrichtung angeordnet ist. According to a preferred embodiment of the spectrometer device, the emission component comprises a first control device, the light source being stacked on the first control device.
Die erste Steuereinrichtung kann auch in der Detektionskomponente enthalten sein, oder in einer weiteren Baugruppe innerhalb des Gehäuses, beispielsweise kann die erste Steuereinrichtung (ASIC) auch direkt auf das Verdrahtungssubstrat gefügt sein. The first control device can also be contained in the detection component, or in a further assembly within the housing, for example the first control device (ASIC) can also be attached directly to the wiring substrate.
Der erste Leiterplattenabschnitt kann eine Leiterplatte oder einen Träger mit Leiterbahnen als ein von anderen Leiterplatten oder Leiterabschnitten separat ausgeformtes Bauelement umfassen. The first printed circuit board section can comprise a printed circuit board or a carrier with conductor tracks as a component formed separately from other printed circuit boards or conductor sections.
Durch den ersten Leiterplattenabschnitt kann eine elektrische Kontaktierung von Lichtquelle und erster Steuereinrichtung (ASIC) erzielt werden, wodurch die genannten Komponenten in der gewählten räumlichen Anordnung funktionsgerecht verdrahtet werden können. Die erste Steuereinrichtung kann ein elektronisches Regelungs- und Auswertesystem umfassen. Electrical contacting of the light source and the first control device (ASIC) can be achieved through the first printed circuit board section, as a result of which the named components can be functionally wired in the selected spatial arrangement. The first control device can comprise an electronic control and evaluation system.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung umfasst die Detektionskomponente ein Fabry-Perot-Interferometer, einen Photodetektor, ein strahlformendes Element und einen zweiten Leiterplattenabschnitt, wobei das von der Probe reflektierte Licht durch das Fabry-Perot-Interferometer (FPI) spektral filterbar und durch das dem Fabry- Perot-Interferometer im Strahlengang nachgeordnete strahlformende Element auf dem Photodetektor bündelbar ist, und wobei die Detektionskomponente über den zweiten Leiterplattenabschnitt mit dem Verdrahtungssubstrat elektrisch kontaktiert ist. Vorteilhaft ist die Detektionskomponente über den zweiten Leiterplattenabschnitt mit dem Verdrahtungssubstrat und auch mit dem ASIC elektrisch kontaktiert, etwa über den ersten Leiterplattenabschnitt. According to a preferred embodiment of the spectrometer device, the detection component comprises a Fabry-Perot interferometer, a photodetector, a beam-shaping element and a second circuit board section, the light reflected from the sample being spectrally filterable by the Fabry-Perot interferometer (FPI) and by the dem Fabry-Perot interferometer in the beam path downstream beam-shaping element can be bundled on the photodetector, and wherein the detection component is electrically contacted via the second printed circuit board section with the wiring substrate. The detection component is advantageously electrically contacted via the second printed circuit board section with the wiring substrate and also with the ASIC, for example via the first printed circuit board section.
Durch den zweiten Leiterplattenabschnitt kann eine elektrische Kontaktierung von FPI und Photodetektor erzielt werden, wodurch die genannten Komponenten in der gewählten räumlichen Anordnung funktionsgerecht verdrahtet werden können. Die erste Steuereinrichtung kann ein elektronisches Regelungs- und Auswertesystem umfassen. Electrical contacting of the FPI and the photodetector can be achieved through the second printed circuit board section, as a result of which the named components can be wired appropriately in the chosen spatial arrangement. The first control device can comprise an electronic control and evaluation system.
Bei dem strahlformenden Element kann es sich beispielsweise um einen Parabolspiegel handeln. Die Komponenten der Detektionskomponente können somit auf ihrer eigenen Leitervorrichtung, insbesondere dem zweiten Leiterplattenabschnitt und separiert von anderen Baugruppen, wie etwa der Emissionskomponente, angeordnet sein und mit dem Verdrahtungssubstrat kontaktiert und nach Anwendungsfall orientiert werden. The beam-shaping element can be a parabolic mirror, for example. The components of the detection component can thus be arranged on their own conductor device, in particular the second printed circuit board section and separated from other assemblies, such as the emission component, and can be contacted with the wiring substrate and oriented according to the application.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung umfasst der erste Leiterplattenabschnitt eine flexible Leiterplatte mit einem lokal versteiften Bereich an der Lichtquelle, und vorteilhaft an der ersten Steuereinrichtung, und/oder der zweite Leiterplattenabschnitt umfasst eine flexible Leiterplatte mit einem lokal versteiften Bereich an dem Fabry-Perot- Interferometer und dem Photodetektor. According to a preferred embodiment of the spectrometer device, the first printed circuit board section comprises a flexible printed circuit board with a locally stiffened area on the light source, and advantageously on the first control device, and / or the second printed circuit board section comprises a flexible printed circuit board with a locally stiffened area on the Fabry-Perot Interferometer and the photodetector.
Durch eine flexible Leiterplatte kann die auf dem versteiften Bereich anzuordnende oder bereits angeordnete Baugruppe (Komponente) je nach Anwendungsfall orientiert werden. So kann beispielsweise die Baugruppe mit dem versteiften Bereich auf einem Träger mit einer für die jeweilige Komponente vorgesehenen Fläche positioniert werden und der flexible Bereich zum Verdrahtungssubstrat hin geführt werden. Somit kann eine vorteilhafte Ausrichtung und elektrische Kontaktführung zum Verdrahtungssubstrat innerhalb des Gehäuses erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung umfasst das Gehäuse an der Öffnung eine Glasplatte oder einen optischen Zugang. By means of a flexible printed circuit board, the assembly (component) to be arranged or already arranged on the stiffened area can be oriented depending on the application. For example, the assembly with the stiffened area can be positioned on a carrier with an area provided for the respective component and the flexible area can be guided towards the wiring substrate. Advantageous alignment and electrical contact routing to the wiring substrate can thus take place within the housing. According to a preferred embodiment of the spectrometer device, the housing comprises a glass plate or an optical access at the opening.
Der optische Zugang kann vorteilhafter Weise aus einem Material ausgeführt sein, das im für den Messbetrieb relevanten Spektralbereich transparent ist, wie bspw. Glas. Durch die Verwendung eines transparenten Materials anstelle einer einfachen Öffnung im Deckel kann zudem sichergestellt sein, dass keine Verschmutzungen in der Form von Partikeln o.ä. in das Innere des Gehäuses eindringen können. The optical access can advantageously be made of a material that is transparent in the spectral range relevant for the measurement operation, such as glass. By using a transparent material instead of a simple opening in the cover, it can also be ensured that no contamination in the form of particles or the like can penetrate the interior of the housing.
Durch die Glasplatte kann das Innere des Gehäuses vor Umwelteinflüssen abgeschirmt werden. Des Weiteren kann ein Vakuum oder definierter Innendruck eines Gases im Gehäuse eingestellt werden. The inside of the housing can be shielded from environmental influences by the glass plate. Furthermore, a vacuum or a defined internal pressure of a gas can be set in the housing.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung umfasst das strahlformende Element einen Parabolspiegel oder eine reflektierende Kavität in einem Trägerelement. According to a preferred embodiment of the spectrometer device, the beam-shaping element comprises a parabolic mirror or a reflective cavity in a carrier element.
Der Parabolspiegel oder die reflektierende Kavität können das vom FPI durchgelassene Licht vorteilhaft auf einem Photodetektor bündeln. Hierbei kann eine Detektionsfläche des Photodetektors kleiner sein, etwa um die Hälfte oder noch kleiner, als die Abstrahlfläche des FPI, wodurch eine kompakte Detektionskomponente bereitgestellt werden kann. The parabolic mirror or the reflective cavity can advantageously focus the light transmitted by the FPI on a photodetector. Here, a detection area of the photodetector can be smaller, about half or even smaller, than the emission area of the FPI, whereby a compact detection component can be provided.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung umfasst das Fabry-Perot-Interferometer ein Spiegelelement, an welchem jeweils an einer Oberseite und an einer Unterseite eine Glasplatte angeordnet ist. According to a preferred embodiment of the spectrometer device, the Fabry-Perot interferometer comprises a mirror element, on which a glass plate is arranged in each case on an upper side and on a lower side.
Das FPI kann als Spiegelelement eine Siliziumlage umfassen, welche weiterhin aktuierbare und in deren Abstand veränderbare, etwa hoch- und niedrigbrechende, Schichten umfassen kann, welche je nach Abstand eine vorbestimmte Wellenlänge durchlassen können und die übrigen Wellenlängen reflektieren können. Auf die Ober- und Unterseite der Siliziumlage können Glasplatten gefügt sein, wobei das Glas derart ausgelegt sein kann, dass es im für die Funktion des Spektrometers relevanten Wellenlängenbereich transparent sein kann. Mittels einer derartigen Anordnung und Materialauswahl kann eine hermetisch dichte Verkapselung erzielt werden. Dabei kann für einen vorteilhaften Betrieb des FPI ein entsprechend wählbarer Innendruck erzielt oder bereitgestellt werden. Die Ausführung eines solchen FPIs kann auf Chiplevel erfolgen. The FPI can comprise a silicon layer as a mirror element, which can furthermore comprise actuatable and variable spacing, for example high and low refractive index layers, which depending on the spacing can transmit a predetermined wavelength and can reflect the other wavelengths. Glass plates can be joined to the top and bottom of the silicon layer, the glass being designed in such a way that it can be transparent in the wavelength range relevant for the function of the spectrometer. A hermetically sealed encapsulation can be achieved by means of such an arrangement and material selection. A correspondingly selectable internal pressure can be achieved or provided for an advantageous operation of the FPI. Such an FPI can be executed at chip level.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung umfasst der zweite Leiterplattenabschnitt einen Interferometer-Abschnitt für das Fabry-Perot-Interferometer und einen Detektor-Abschnitt für den Photodetektor. According to a preferred embodiment of the spectrometer device, the second circuit board section comprises an interferometer section for the Fabry-Perot interferometer and a detector section for the photodetector.
Der zweite Leiterplattenabschnitt kann vorteilhaft in zwei getrennte und voneinander separate Bereiche aufgeteilt werden. So können die Baugruppe des FPIs und die Baugruppe des Photodetektors mit dem strahlformenden Element an einem räumlich separaten Bereich im Gehäuse angeordnet werden. The second printed circuit board section can advantageously be divided into two separate areas that are separate from one another. The assembly of the FPI and the assembly of the photodetector with the beam-shaping element can be arranged in a spatially separate area in the housing.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung sind der Interferometer-Abschnitt und der Detektor-Abschnitt vollständig voneinander getrennt und der Interferometer-Abschnitt umfasst eine flexible Leiterplatte mit einem lokal versteiften Bereich an dem Fabry-Perot-Interferometer und der Detektor-Abschnitt umfasst eine flexible Leiterplatte mit einem lokal versteiften Bereich an dem Photodetektor, wobei die flexible Leiterplatte und der lokal versteifte Bereich an einer optischen Apertur des Fabry-Perot-Interferometers eine optische Öffnung aufweisen. According to a preferred embodiment of the spectrometer device, the interferometer section and the detector section are completely separated from one another and the interferometer section comprises a flexible printed circuit board with a locally stiffened area on the Fabry-Perot interferometer and the detector section comprises a flexible printed circuit board a locally stiffened area on the photodetector, the flexible printed circuit board and the locally stiffened area having an optical opening at an optical aperture of the Fabry-Perot interferometer.
Die Baugruppe des FPIs und die Baugruppe des Photodetektors mit dem strahlformenden Element können räumlich getrennt zueinander angeordnet sein und aufeinander zugerichtet werden, vorteilhaft an die Form und das Platzangebot des Gehäuses angepasst. The assembly of the FPI and the assembly of the photodetector with the beam-shaping element can be arranged spatially separated from one another and aligned with one another, advantageously adapted to the shape and available space of the housing.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung umfasst dieses ein Trägerelement, mit einem ersten Teilbereich auf welchem die Emissionskomponente angeordnet ist und mit einem zweiten Teilbereich auf welchem die Detektionskomponente angeordnet ist, wobei der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich jeweils auf die Öffnung, oder den optischen Zugang im Gehäuse(deckel), ausgerichtet sind. According to a preferred embodiment of the spectrometer device, it comprises a carrier element with a first sub-area on which the emission component is arranged and with a second sub-area on which the detection component is arranged, the first sub-area and the second sub-area are each aligned with the opening or the optical access in the housing (cover).
Die Teilbereiche des Trägerelements können jeweils für die Orientierung der dort anzubringenden Komponenten vorteilhafte Ausrichtungen aufweisen, vorteilhaft für die Emissionskomponente und für die Detektionskomponente zur Öffnung hin. Die Baugruppen können dann in jeweiliger Ausrichtung auf den jeweiligen Teilbereich des Trägerelements gefügt werden. Das Trägerelement kann als ein Spritzgussteil hergestellt sein und beide Teilbereiche als ein Gesamtelement umfassen. Die Teilbereiche können jedoch auch als separate Teile ausgeformt sein, welche an dem Verdrahtungssubstrat fixiert werden können und/oder miteinander verbunden werden können. The subregions of the carrier element can each have advantageous orientations for the orientation of the components to be attached there, advantageous for the emission component and for the detection component towards the opening. The assemblies can then be joined in the respective alignment on the respective sub-area of the carrier element. The carrier element can be produced as an injection-molded part and comprise both subregions as an overall element. However, the subregions can also be formed as separate parts which can be fixed to the wiring substrate and / or can be connected to one another.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung umfasst diese eine Blende, die auf dem Trägerelement angeordnet ist und eine reflektierende und strahlformende Emissionsöffnung über der Emissionskomponente und eine Detektionsapertur über der Detektionskomponente aufweist und eine direkte Bestrahlung der Detektionskomponente durch die Emissionskomponente verhindert. According to a preferred embodiment of the spectrometer device, it comprises a diaphragm which is arranged on the carrier element and has a reflective and beam-shaping emission opening above the emission component and a detection aperture above the detection component and prevents direct irradiation of the detection component by the emission component.
Die Blende kann vorteilhaft einen direkten Strahlengang von der Emissionskomponente zur Detektionskomponente hin unterbrechen, so dass wenig oder kein Streulicht direkt von der Emissionskomponente in die Detektionskomponente eingestrahlt werden kann. Die strahlformende Emissionsöffnung kann einen kreisrunden Querschnitt aufweisen und das abgestrahlte Licht auf einem vorbestimmten Beleuchtungsbereich auf die Probe strahlen. Zwischen der Detektionsapertur und der Lichtquelle kann eine Wandfläche zum Blockieren von Licht positioniert werden. Diese Wandfläche kann ein Teil der Blende sein. The diaphragm can advantageously interrupt a direct beam path from the emission component to the detection component, so that little or no scattered light can be radiated directly from the emission component into the detection component. The beam-shaping emission opening can have a circular cross section and the emitted light can radiate onto the sample in a predetermined illumination area. A wall surface for blocking light can be positioned between the detection aperture and the light source. This wall surface can be part of the panel.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung ist der Interferometer-Abschnitt auf dem zweiten Teilbereich des Trägers angeordnet und der zweite Teilbereich umfasst eine Aussparung, und das Trägerelement umfasst einen Detektorträger, auf welchen der Detektor-Abschnitt angeordnet ist und wobei der Detektorträger innerhalb der Aussparung und in einem Strahlengang des Fabry-Perot-Interferometers positionierbar ist. According to a preferred embodiment of the spectrometer device, the interferometer section is arranged on the second partial area of the carrier and the second partial area comprises a recess, and the carrier element includes a detector carrier on which the detector section is arranged and wherein the detector carrier can be positioned within the recess and in a beam path of the Fabry-Perot interferometer.
Der Detektorträger kann als ein separates Trägerteil in die Aussparung eingesteckt werden und den Photodetektor und ein strahlformendes Element tragen. Die Anordnung und Kontaktierung der Teilkomponenten der Detektionskomponente kann auf diese Weise getrennt voneinander erfolgen. The detector carrier can be inserted into the recess as a separate carrier part and can carry the photodetector and a beam-shaping element. The subcomponents of the detection component can be arranged and contacted separately in this way.
Alternativ kann der vormontierte Detektorträger (der den Photodetektor umfassen kann) auf das Verdrahtungssubstrat geklebt werden. Anschließend kann der vormontierte Träger (der bereits mit FPI, ASIC, LED bestückt ist) darüber geklebt werden. Alternatively, the preassembled detector carrier (which can include the photodetector) can be glued to the wiring substrate. Then the pre-assembled carrier (which is already equipped with FPI, ASIC, LED) can be glued over it.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen einer miniaturisierten Spektrometereinrichtung ein Bereitstellen eines Verdrahtungssubstrats, welches mit einer elektrischen Schnittstelle elektrisch kontaktiert ist; ein Anordnen einer Emissionskomponente auf dem Verdrahtungssubstrat und ein elektrisches Verbinden der Emissionskomponente mit dem Verdrahtungssubstrat; ein Anordnen einer Detektionskomponente auf dem Verdrahtungssubstrat und ein elektrisches Verbinden der Detektionskomponente mit dem Verdrahtungssubstrat; und ein Anordnen eines Gehäuses auf oder um das Verdrahtungssubstrat, welches dabei die Detektionskomponente und die Emissionskomponente umschließt, wobei das Gehäuse eine Öffnung oder einen optischen Zugang umfasst und vor dem Anordnen des Gehäuses die Detektionskomponente und die Emissionskomponente derart ausgerichtet werden, dass eine Probe durch die Öffnung oder den Zugang mit Licht bestrahlbar ist und ein von der Probe reflektiertes Licht durch die Öffnung oder den Zugang detektierbar und analysierbar ist, wobei gegenüber einer Normalen auf eine Gehäuseoberseite ein Emissionswinkel und ein Detektionswinkel gegenläufig gleich oder verschieden voneinander sind. According to the invention, in the method for producing a miniaturized spectrometer device, a wiring substrate is provided, which is electrically contacted with an electrical interface; placing an emission component on the wiring substrate and electrically connecting the emission component to the wiring substrate; placing a detection component on the wiring substrate and electrically connecting the detection component to the wiring substrate; and arranging a housing on or around the wiring substrate, which in this case encloses the detection component and the emission component, wherein the housing comprises an opening or an optical access and, before the housing is arranged, the detection component and the emission component are aligned in such a way that a sample passes through the The opening or the access can be irradiated with light and a light reflected by the sample through the opening or the access can be detected and analyzed, with an emission angle and a detection angle opposite to a normal on a housing top side being the same or different from one another.
Das Verfahren kann sich auch durch die in Verbindung mit der Spektrometereinrichtung 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. The method can also be distinguished by the features mentioned in connection with the spectrometer device and their advantages, and vice versa. Further features and advantages of embodiments of the invention emerge from the following description with reference to the accompanying drawings.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. The present invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments specified in the schematic figures of the drawing.
Es zeigen: Show it:
Fig. la eine schematische Ansicht einer miniaturisierten Spektrometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; La is a schematic view of a miniaturized spectrometer device according to an embodiment of the present invention;
Fig. lb eine seitliche Schnittansicht der miniaturisierten Spektrometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; FIG. 1b shows a side sectional view of the miniaturized spectrometer device according to an exemplary embodiment of the present invention; FIG.
Fig. 2a - d perspektivische Ansichten einer Detektionskomponente in einer Spektrometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 2a-d perspective views of a detection component in a spectrometer device according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 3a - c perspektivische Ansichten einer Detektionskomponente in einer Spektrometereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 3a-c perspective views of a detection component in a spectrometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 4a - c perspektivische Ansichten einer Emissionskomponente in einer Spektrometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 4a-c are perspective views of an emission component in a spectrometer device according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 5a eine Draufsicht auf ein Trägerelement in einer Spektrometereinrichtung; Fig. 5b eine Ansicht eines Trägerelements in einer Spektrometereinrichtung; 5a shows a plan view of a carrier element in a spectrometer device; 5b shows a view of a carrier element in a spectrometer device;
Fig. 6a - c perspektivische Ansichten eines Trägerelements mit einer Emissionskomponente und einer Detektionskomponente in einer Spektrometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 6a-c are perspective views of a carrier element with an emission component and a detection component in a spectrometer device according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 7a - c perspektivische Ansichten einer Blende für ein Trägerelement; 7a-c are perspective views of a screen for a carrier element;
Fig. 8a - c perspektivische Ansichten eines Trägerelements mit einer Emissionskomponente und einer Detektionskomponente in einer Spektrometereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 8a-c are perspective views of a carrier element with an emission component and a detection component in a spectrometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 9a - c perspektivische Ansichten eines Trägerelements für eine Spektrometereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 9a-c are perspective views of a carrier element for a spectrometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 10a - c perspektivische Ansichten einer Detektionskomponente für eine Spektrometereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 10a-c are perspective views of a detection component for a spectrometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 11a - b perspektivische Ansichten eines Trägerelements mit einer Emissionskomponente und einer Detektionskomponente in einer Spektrometereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 11a-b perspective views of a carrier element with an emission component and a detection component in a spectrometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention; and
Fig. 12 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer miniaturisierten Spektrometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 12 shows a block diagram of method steps of a method for producing a miniaturized spectrometer device according to an exemplary embodiment of the present invention.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente. Fig. la zeigt eine schematische Ansicht einer miniaturisierten Spektrometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In the figures, identical reference symbols denote identical or functionally identical elements. Fig. La shows a schematic view of a miniaturized spectrometer device according to an embodiment of the present invention.
Die miniaturisierte Spektrometereinrichtung 1, umfasst ein Gehäuse G mit einer Öffnung GO durch welche eine Probe mit Licht bestrahlbar ist und durch welche ein von der Probe reflektiertes Licht einfangbar ist; ein Verdrahtungssubstrat innerhalb des Gehäuses G oder ausgeführt als Teil des Gehäuses; und eine elektrische Schnittstelle ES, durch welche das Verdrahtungssubstrat von außerhalb des Gehäuses elektrisch kontaktierbar ist. Die elektrische Schnittstelle ES kann eine Leiterplatte mit Kontakten Kt an deren Ende umfassen und als eine Steckkarte oder Steckkontakt für eine übergeordnete Baugruppe ausgeformt sein. Ein derartiges Package ermöglicht ein elektrisches Testen und Kalibrieren des Gesamtsystems auf Modullevel, vorteilhaft auch vor einer Systemintegration in die übergeordnete Baugruppe, beispielsweise in einem Mobiltelefon. Eine derartige Systemintegration kann durch eine äußere Form des Packages leicht ermöglicht sein. So kann das Gehäuse G einen Tiefziehdeckel umfassen, was eine einfache mechanische Referenzierung zum formschlüssiges Positionieren und Fixieren ermöglichen kann. Die elektrische Schnittstelle ES kann selbst im Bereich außerhalb des Gehäuses eine flexible Leiterplatte umfassen, welche einen einfachen und reversiblen Anschluss des Packages an eine Strom- und Signalleitung der übergeordneten Baugruppe ermöglichen kann. Auf dem Gehäuse G kann eine Markierung, etwa ein Logo oder eine Kodierung, aufgebracht sein. Das Gehäuse G kann ein metallisches Tiefziehteil sein. Mit einer Glasplatte kann ein Schutz vor Verschmutzung gewährleistet werden. Das verwendete Glas ist dabei so gewählt, dass es im für die Funktion des Spektrometers relevanten Wellenlängenbereich transparent ist. Die Glasplatte kann auch von einer Innenseite an das Gehäuse angeklebt sein. The miniaturized spectrometer device 1 comprises a housing G with an opening GO through which a sample can be irradiated with light and through which a light reflected from the sample can be captured; a wiring substrate within the housing G or embodied as part of the housing; and an electrical interface ES, through which the wiring substrate can be electrically contacted from outside the housing. The electrical interface ES can comprise a printed circuit board with contacts Kt at its end and be designed as a plug-in card or plug-in contact for a higher-level assembly. Such a package enables electrical testing and calibration of the overall system at module level, advantageously also before system integration into the higher-level assembly, for example in a mobile phone. Such a system integration can easily be made possible by an external shape of the package. The housing G can thus comprise a deep-drawn cover, which can enable simple mechanical referencing for positive positioning and fixing. The electrical interface ES can itself comprise a flexible printed circuit board in the area outside the housing, which can enable a simple and reversible connection of the package to a power and signal line of the higher-level assembly. A marking, for example a logo or a code, can be applied to the housing G. The housing G can be a metallic deep-drawn part. Protection against contamination can be guaranteed with a glass plate. The glass used is selected so that it is transparent in the wavelength range relevant for the function of the spectrometer. The glass plate can also be glued to the housing from an inside.
Fig. lb zeigt eine seitliche Schnittansicht der miniaturisierten Spektrometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die miniaturisierte Spektrometereinrichtung 1, umfasst ein Gehäuse G mit einer Öffnung GO durch welche eine Probe P mit Licht bestrahlbar ist und durch welche ein von der Probe reflektiertes Licht einfangbar ist; ein Verdrahtungssubstrat VS innerhalb des Gehäuses G; eine elektrische Schnittstelle ES, durch welche das Verdrahtungssubstrat VS von außerhalb des Gehäuses elektrisch kontaktierbar ist; eine Emissionskomponente EK innerhalb des Gehäuses G, mit welcher eine Probe P durch die Öffnung GO mit Licht bestrahlbar ist und welche mit dem Verdrahtungssubstrat VS elektrisch kontaktiert ist; und eine Detektionskomponente DK innerhalb des Gehäuses G, mit welcher ein von der Probe P reflektiertes Licht durch die Öffnung GO detektierbar und analysierbar ist, wobei gegenüber einer Normalen N auf eine Gehäuseoberseite GOS ein Emissionswinkel ß und ein Detektionswinkel a gegenläufig gleich oder verschieden voneinander sind. Fig. Lb shows a side sectional view of the miniaturized spectrometer device according to an embodiment of the present invention. The miniaturized spectrometer device 1 comprises a housing G with an opening GO through which a sample P can be irradiated with light and through which a light reflected from the sample can be captured; a wiring substrate VS within the case G; an electrical interface ES through which the wiring substrate VS can be electrically contacted from outside the housing; an emission component EK within the housing G, with which a sample P can be irradiated with light through the opening GO and which is in electrical contact with the wiring substrate VS; and a detection component DK within the housing G, with which a light reflected by the sample P through the opening GO can be detected and analyzed, with an emission angle β and a detection angle α being the same or different from each other in opposite directions to a normal N to a housing top GOS.
Die Emissionskomponente EK kann eine Lichtquelle LQ, eine erste Steuereinrichtung ASIC und einen ersten Leiterplattenabschnitt umfassen, wobei die Emissionskomponente EK über den ersten Leiterplattenabschnitt mit dem Verdrahtungssubstrat elektrisch kontaktiert ist und die Lichtquelle gestapelt auf der ersten Steuereinrichtung angeordnet sein kann. Die Detektionskomponente DK kann ein Fabry-Perot-Interferometer FPI, einen Photodetektor PD, ein strahlformendes Element E und einen zweiten Leiterplattenabschnitt umfassen, wobei das von der Probe P reflektierte Licht durch das Fabry-Perot- Interferometer FPI filterbar und durch das dem Fabry-Perot-Interferometer FPI im Strahlengang nachgeordnete strahlformende Element E auf dem Photodetektor PD bündelbar ist, und wobei die Detektionskomponente DK über den zweiten Leiterplattenabschnitt mit dem Verdrahtungssubstrat VS und dem ASIC elektrisch kontaktiert sein kann. Die Emissionskomponente EK und die Detektionskomponente DK können auf die Öffnung GO zugewandt sein. In das Gehäuse G kann eine Glasplatte im Bereich der Öffnung eingefasst sein. The emission component EK can comprise a light source LQ, a first control device ASIC and a first printed circuit board section, the emission component EK being in electrical contact with the wiring substrate via the first printed circuit board section and the light source being stacked on the first control device. The detection component DK can comprise a Fabry-Perot interferometer FPI, a photodetector PD, a beam-shaping element E and a second printed circuit board section, the light reflected from the sample P being filterable by the Fabry-Perot interferometer FPI and by that of the Fabry-Perot -Interferometer FPI in the beam path downstream beam-shaping element E can be bundled on the photodetector PD, and wherein the detection component DK can be electrically contacted via the second printed circuit board section with the wiring substrate VS and the ASIC. The emission component EK and the detection component DK can face the opening GO. A glass plate can be enclosed in the housing G in the region of the opening.
Die Öffnung GO kann einen gemeinsamen optischen Zugang für die Emissionskomponente und für die Detektionskomponente darstellen. Das Verdrahtungssubstrat kann ein Umverdrahtungssubstrat zum Anschluss der Komponenten an die Leiterplattenabschnitte darstellen. Die Detektionskomponente und Emissionskomponenten und deren Teilkomponenten können beispielsweise durch Kleben auf den Verdrahtungssubstrat fixiert sein/werden. Ein elektrisches Kontaktieren der Komponenten mit den Leiterbahnabschnitten kann beispielsweise durch Drahtbonds DB (Wirebonding) erzielt werden, es sind jedoch auch andere Arten der elektrischen Kontaktierung möglich, beispielsweise Lötverbindungen. The opening GO can represent a common optical access for the emission component and for the detection component. The wiring substrate can represent a rewiring substrate for connecting the components to the circuit board sections. The detection component and emission components and their sub-components can be fixed to the wiring substrate, for example, by gluing. Electrical contact between the components and the conductor track sections can be achieved, for example, by means of wire bonds DB (wirebonding), but other types of electrical contact are also possible, for example soldered connections.
Das strahlformende Element E kann beispielsweise als ein Spritzgussteil ausgeformt sein und eine lokale Metallisierung zur Schaffung einer reflektiven Schicht aufweisen. Mittels einer entsprechenden Anordnung und Ausformung des strahlformenden Elements E, beispielsweise als ein Parabolspiegel, kann das Licht eines breiten Strahlprofils, welches aus der Apertur des FPIs resultieren kann, auf einen kleinen Punkt auf dem Photodetektor gebündelt werden. Auf diese Weise kann trotz eines kleinen Photodetektors eine hohe Signalintensität des Detektionssignals erzielt werden. Der Photodetektor wird vorteilhaft möglichst klein ausgeführt um Kosten zu reduzieren, da der Preis von Photodioden mit deren Grundfläche skaliert. Elektrische Kontakte zwischen dem Photodetektor und der flexiblen Leiterplatte des zweiten Leiterplattenabschnitts können vor einem Fügen der bestückten flexiblen Leiterplatte auf das strahlformende Element durch Wirebonds (Drahtkontakte DB) geschaffen werden. The beam-shaping element E can, for example, be shaped as an injection-molded part and have a local metallization to create a reflective layer. By means of a corresponding arrangement and shape of the beam-shaping element E, for example as a parabolic mirror, the light of a wide beam profile, which can result from the aperture of the FPI, can be focused onto a small point on the photodetector. In this way, a high signal intensity of the detection signal can be achieved despite a small photodetector. The photodetector is advantageously made as small as possible in order to reduce costs, since the price of photodiodes scales with their base area. Electrical contacts between the photodetector and the flexible printed circuit board of the second printed circuit board section can be created by wire bonds (wire contacts DB) before the assembled flexible printed circuit board is joined to the beam-shaping element.
Es ist weiterhin möglich, das Gehäuse G durch ein geeignetes Verfahren, wie Widerstand-Pressschweißen, auf das Verdrahtungssubstrat, hierbei ausgeführt als Keramiksubstrat mit hinreichend dicker Oberflächenmetallisierung, hermetisch dicht zu fügen. Mit einer derartigen hermetischen Kapselung des Gehäuses G kann die Notwendigkeit der hermetisch dichten FPI Kapselung entfallen (etwa Glasplatten auf dem FPI), was einen einfacheren MEMS- Waferprozess zur Folge haben kann. Das FPI kann in dieser Ausführung dann als reiner Siliziumchip ohne Glasplatten an Ober- und Unterseite bereitgestellt sein. It is also possible to join the housing G to the wiring substrate, in this case designed as a ceramic substrate with a sufficiently thick surface metallization, in a hermetically sealed manner using a suitable method, such as resistance pressure welding. With such a hermetic encapsulation of the housing G, the need for the hermetically sealed FPI encapsulation can be dispensed with (for example glass plates on the FPI), which can result in a simpler MEMS wafer process. In this embodiment, the FPI can then be provided as a pure silicon chip without glass plates on the top and bottom.
Anstatt eines tiefgezogenen Gehäuses G sind auch andere Fertigungsprinzipien möglich, beispielsweise als Kunststoff-Spritzgussteil. Ein solches kann Kosten und Bauraum verringern und ermöglicht einen Spritzgussdeckel mit Anbringung weiterer Geometrielemente an der Gehäuseaußenseite, die für eine Montage in die übergeordnete Baugruppe vorteilhaft sind, wie etwa Schnapphaken oder Führungsrippen. Instead of a deep-drawn housing G, other manufacturing principles are also possible, for example as a plastic injection-molded part. This can reduce costs and installation space and enables an injection-molded cover with the attachment of further geometric elements on the outside of the housing, which are suitable for assembly in the superordinate assembly are advantageous, such as snap hooks or guide ribs.
Fig. 2a - d zeigen perspektivische Ansichten einer Detektionskomponente in einer Spektrometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführung zeigt eine Anordnung, bei der der Photodetektor nicht entlang des Detektionspfads, sondern von der optischen Achse verschoben und abseitig angeordnet ist. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass eine partielle Abschattung des durch das FPI transmittierten Lichts an der Rückseite des Photodetektors (bzw. seiner Halterung) vermieden werden kann. 2a-d show perspective views of a detection component in a spectrometer device according to an exemplary embodiment of the present invention. This embodiment shows an arrangement in which the photodetector is not shifted along the detection path, but rather shifted from the optical axis and is arranged at a remote side. The advantage of this arrangement is that partial shading of the light transmitted through the FPI on the rear side of the photodetector (or its holder) can be avoided.
Gemäß der Fig. 2a kann ein Trägerelement T bereitgestellt werden, auf welchem die Detektionskomponente DK angeordnet werden kann und der zweite flexible Leiterplattenabschnitt LE2 um dieses Trägerelement T herum geführt werden kann. Die Fig. 2a zeigt dazu eine seitliche Ansicht. In der Fig. 2b wird eine Draufsicht auf das Trägerelement T (Element TE in der Fig. 5a) gezeigt. Dieses kann eine Ausnehmung mit einer Öffnung zu einer Oberseite hin umfassen, in welche das von dem FPI durchgelassene Licht eingestrahlt werden kann. Am Boden der Öffnung kann sich das strahlformende Element E befinden. Die Öffnung kann einem Einfallswinkel entsprechend schräg ausgerichtet sein. According to FIG. 2a, a carrier element T can be provided on which the detection component DK can be arranged and the second flexible printed circuit board section LE2 can be guided around this carrier element T. 2a shows a side view of this. FIG. 2b shows a top view of the carrier element T (element TE in FIG. 5a). This can comprise a recess with an opening towards an upper side, into which the light transmitted by the FPI can be radiated. The beam-shaping element E can be located at the bottom of the opening. The opening can be aligned obliquely in accordance with an angle of incidence.
Die Detektionskomponente DK kann einen Photodetektor PD und ein strahlformendes Element E und einen zweiten Leiterplattenabschnitt LE2 umfassen, wobei das von einer Probe reflektierte Licht durch das Fabry-Perot- Interferometer filterbar und durch das dem Fabry-Perot-Interferometer im Strahlengang nachgeordnete strahlformende Element E auf dem Photodetektor PD bündelbar ist, und wobei die Detektionskomponente DK über den zweiten Leiterplattenabschnitt LE2 mit dem Verdrahtungssubstrat VS und dem ASIC elektrisch kontaktierbar sein kann, wie dies in den Figuren 2a bis 2d gezeigt ist. Am Ende des zweiten Leiterplattenabschnitts LE2, welcher zur Verbindung mit dem Verdrahtungssubstrat VS vorgesehen ist, kann der Leiterplattenabschnitt LE2 weitere Kontakte Kt, etwa für Drahtbonds, umfassen (Fig. 2b). The detection component DK can comprise a photodetector PD and a beam-shaping element E and a second printed circuit board section LE2, the light reflected from a sample being filterable by the Fabry-Perot interferometer and by the beam-shaping element E arranged downstream of the Fabry-Perot interferometer in the beam path the photodetector PD can be bundled, and wherein the detection component DK can be electrically contactable with the wiring substrate VS and the ASIC via the second printed circuit board section LE2, as shown in FIGS. 2a to 2d. At the end of the second printed circuit board section LE2, which is provided for connection to the wiring substrate VS, the printed circuit board section LE2 can comprise further contacts Kt, for example for wire bonds (FIG. 2b).
Die Fig. 2c zeigt eine seitliche Schnittansicht des Trägerelements T mit dem Photodetektor PD und dem strahlformenden Element E und die Fig. 2d zeigt eine perspektivische Seitenansicht auf einem Verdrahtungssubstrat VS. Wie in der Fig. 2a und 2b gezeigt, kann der zweite Leiterplattenabschnitt LE2 eine flexible Leiterplatte mit einem lokal versteiften Bereich LB2 umfassen, auf welchem der Photodetektor PD angeordnet werden kann. Gemäß der Fig. 2b kann der lokal versteifte Bereich LB2 einen Vorsprung umfassen, welcher sich mittig über die Ausnehmung im Trägerelement T erstrecken kann, und an dessen dem FPI abgewandten Unterseite der Photodetektor PD angeordnet sein kann (Fig. 2c). Der Photodetektor kann gemäß der Fig. 2c über einen Drahtkontakt DB mit dem lokal versteiften Bereich des zweiten Leiterplattenabschnitts LE2 kontaktiert sein. Das strahlformende Element E kann als eine reflektierende Schicht beispielsweise in Form eines Parabolspiegels, etwa eine Metallisierung, auf dem Trägerelement T ausgeformt sein. FIG. 2c shows a side sectional view of the carrier element T with the photodetector PD and the beam-shaping element E, and FIG. 2d shows one perspective side view on a wiring substrate VS. As shown in FIGS. 2a and 2b, the second printed circuit board section LE2 can comprise a flexible printed circuit board with a locally stiffened area LB2 on which the photodetector PD can be arranged. According to FIG. 2b, the locally stiffened area LB2 can comprise a projection which can extend centrally over the recess in the carrier element T and on the underside of which, facing away from the FPI, the photodetector PD can be arranged (FIG. 2c). According to FIG. 2c, the photodetector can be contacted via a wire contact DB with the locally stiffened area of the second printed circuit board section LE2. The beam-shaping element E can be formed on the carrier element T as a reflective layer, for example in the form of a parabolic mirror, for example a metallization.
Der zweite Leiterplattenabschnitt LE2 kann somit flexibel zur Position des Photodetektors PD im Gehäuse G hingeführt sein, etwa auf einem Trägerbereich für den Photodetektor und diesen mit dem Verdrahtungssubstrat verbinden. Die lokale Versteifung kann eine Metallschicht oder Metallplatte umfassen, welche auf dem flexiblen Leiterplattenabschnitt angeordnet sein kann. Der zweite Leiterplattenabschnitt LE2 kann einen Detektor-Abschnitt LE2-D für den Photodetektor PD umfassen, wie in Fig. 2d gezeigt ist. Der Detektor-Abschnitt LE2-D kann selbst mit Drahtkontakten DB mit dem Verdrahtungssubstrat VS verbunden sein und zu einer Kontaktposition lateral verschoben von der Position des Trägerelements T geführt sein. The second printed circuit board section LE2 can thus be guided flexibly to the position of the photodetector PD in the housing G, for example on a support area for the photodetector and connect it to the wiring substrate. The local stiffening can comprise a metal layer or metal plate, which can be arranged on the flexible printed circuit board section. The second printed circuit board section LE2 can comprise a detector section LE2-D for the photodetector PD, as is shown in FIG. 2d. The detector section LE2-D can itself be connected to the wiring substrate VS with wire contacts DB and guided laterally shifted from the position of the carrier element T to a contact position.
Fig. 3a - c zeigen perspektivische Ansichten einer Detektionskomponente in einer Spektrometereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 3a-c show perspective views of a detection component in a spectrometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention.
Die Fig. 3a zeigt eine Seitenansicht des Teilbereichs der Detektionskomponente DK, welche ein Fabry-Perot-Interferometer FPI umfasst. Das FPI kann als Spiegelelement SP eine Siliziumlage umfassen. Auf die Ober-und Unterseite der Siliziumlage können Glasplatten GP gefügt sein, wobei das Glas derart ausgelegt sein kann, dass es im für die Funktion des Spektrometers relevanten Wellenlängenbereich transparent sein kann. In einem Seitenbereich kann das FPI über einen Drahtkontakt DB an einem lokal versteiften Bereich V des zweiten Leiterplattenabschnitts LE2, welcher einen Interferometer-Abschnitt LE2-I umfassen kann, verbunden werden. Wie in der perspektivischen Seitenansicht der Fig. 3b gezeigt kann dieser Interferometer-Abschnitt LE2-I an dessen Ende weitere Kontakte Kt umfassen, mit welchen dieser an dem Verdrahtungssubstrat (nicht gezeigt) kontaktierbar sein kann. FIG. 3 a shows a side view of the partial area of the detection component DK, which comprises a Fabry-Perot interferometer FPI. The FPI can comprise a silicon layer as the mirror element SP. Glass plates GP can be joined to the top and bottom of the silicon layer, wherein the glass can be designed in such a way that it can be transparent in the wavelength range relevant for the function of the spectrometer. In one side area, the FPI can be connected to a locally stiffened area V of the second via a wire contact DB Printed circuit board section LE2, which may include an interferometer section LE2-I, are connected. As shown in the perspective side view of FIG. 3b, this interferometer section LE2-I can comprise further contacts Kt at its end, with which it can be contacted on the wiring substrate (not shown).
Die Fig. 3c zeigt eine seitliche Schnittansicht des FPIs, wobei das Spiegelelement SP mittig als optische Apertur OB eine Ausnehmung umfasst, in welcher zwei Spiegellagen in deren Abstand zueinander variierbar sind. Im Strahlengang unterhalb dieser optischen Apertur OB kann die Versteifung des zweiten Leiterplattenabschnitts und/oder der zweite Leiterplattenabschnitt LE2-I selbst eine Öffnung O umfassen, durch welche das vom FPI transmittierte Licht auf das strahlformende Element (nicht gezeigt) abgestrahlt werden kann. 3c shows a lateral sectional view of the FPI, the mirror element SP including a recess in the center as an optical aperture OB, in which the distance between two mirror positions can be varied. In the beam path below this optical aperture OB, the stiffening of the second printed circuit board section and / or the second printed circuit board section LE2-I itself can include an opening O through which the light transmitted by the FPI can be emitted onto the beam-shaping element (not shown).
Das Spiegelelement SP und die Glasplatten GP können ein Chip-Sandwich darstellen. Die Öffnung O kann koaxial zur optischen Apertur OB des FPI liegen, um den optischen Signalzugang zum Photodetektor zu gewährleisten. Für eine lokale Versteifung V kann vorteilhaft ein Material gewählt werden, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient an Glas und Silizium angepasst ist, um über Temperaturänderungen thermomechanische Deformation des FPI-Sandwichs zu vermeiden. Die Legierung NiCo 2918 (Nickel- Kobalt) kann ein geeignetes Material sein. The mirror element SP and the glass plates GP can represent a chip sandwich. The opening O can be coaxial with the optical aperture OB of the FPI in order to ensure the optical signal access to the photodetector. For a local stiffening V, a material can advantageously be selected whose thermal expansion coefficient is adapted to glass and silicon in order to avoid thermomechanical deformation of the FPI sandwich via temperature changes. The alloy NiCo 2918 (nickel-cobalt) can be a suitable material.
Fig. 4a - c zeigen perspektivische Ansichten einer Emissionskomponente in einer Spektrometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. FIGS. 4a-c show perspective views of an emission component in a spectrometer device according to an exemplary embodiment of the present invention.
Die Fig. 4a zeigt eine Seitenansicht der Emissionskomponente EK. Die Emissionskomponente EK kann eine Lichtquelle LQ umfassen, eine erste Steuereinrichtung ASIC und einen ersten Leiterplattenabschnitt LEI, wobei die Emissionskomponente EK über den ersten Leiterplattenabschnitt LEI mit dem Verdrahtungssubstrat elektrisch kontaktiert sein kann und die Lichtquelle LQ gestapelt auf der ersten Steuereinrichtung ASIC angeordnet sein kann. Der erste Leiterplattenabschnitt LEI kann eine lokale Versteifung V aufweisen, auf welchem der Stapel aus Lichtquelle und Steuereinrichtung ASIC angeordnet sein kann. Die Lichtquelle kann so ausgelegt sein, dass diese Licht im relevanten Wellenlängenbereich transmittiert. Phosphorbeschichtete LEDs können hierbei eine vorteilhafte platzsparende Lösung darstellen. 4a shows a side view of the emission component EK. The emission component EK can comprise a light source LQ, a first control device ASIC and a first printed circuit board section LEI, wherein the emission component EK can be electrically contacted with the wiring substrate via the first printed circuit board section LEI and the light source LQ can be stacked on the first control device ASIC. The first printed circuit board section LEI can have a local stiffening V, on which the stack of light source and control device ASIC is arranged can. The light source can be designed in such a way that it transmits light in the relevant wavelength range. Phosphor-coated LEDs can represent an advantageous space-saving solution here.
In der Fig. 4b wird eine Draufsicht auf die Emissionskomponente EK (Abstrahlrichtung) gezeigt, wobei in einem seitlichen Bereich des ersten Leiterplattenabschnitts LElelektrische Kontakte Kt vorhanden sein können, über welche Drahtkontakte DB von dem ersten Leiterplattenabschnitt LEI zur ersten Steuereinrichtung ASIC und von dieser aus weitere Drahtkontakte DB zur Lichtquelle LQ geführt sein können. Die Spannungsversorgung der Lichtquelle erfolgt vorteilhaft direkt über den ASIC, es sind aber auch andere Konfigurationen denkbar. Das rechte Ende des ersten Leiterplattenabschnitts LEI kann flexibel ausgeformt sein und selbst elektrische Kontakte Kt umfassen. Das flexible Ende kann zum Verdrahtungssubstrat geführt sein. 4b shows a top view of the emission component EK (emission direction), wherein electrical contacts Kt can be present in a lateral area of the first printed circuit board section LEI, via which wire contacts DB from the first printed circuit board section LEI to the first control device ASIC and from there further ones Wire contacts DB can be led to the light source LQ. The light source is advantageously supplied with power directly via the ASIC, but other configurations are also conceivable. The right end of the first printed circuit board section LEI can be designed to be flexible and can itself comprise electrical contacts Kt. The flexible end can be led to the wiring substrate.
In der Fig. 4c wird eine perspektivische Ansicht der Emissionskomponente EK gezeigt, bei welcher die Lichtquelle LQ in Abstrahlrichtung gedreht ist und der flexible erste Leiterplattenabschnitt LEI in eine Ebene des Verdrahtungssubstrats gedreht sein kann, welche von der Ebene der Lichtquelle LQ in Abstrahlrichtung abweichen kann. 4c shows a perspective view of the emission component EK, in which the light source LQ is rotated in the emission direction and the flexible first printed circuit board section LEI can be rotated into a plane of the wiring substrate which can deviate from the plane of the light source LQ in the emission direction.
Fig. 5a zeigt eine Draufsicht auf ein Trägerelement in einer Spektrometereinrichtung. 5a shows a plan view of a carrier element in a spectrometer device.
Das Trägerelement TE umfasst einen ersten Teilbereich TE1 auf welchem die Emissionskomponente angeordnet werden kann und einen zweiten Teilbereich TE2 auf welchem die Detektionskomponente angeordnet werden kann. Das Trägerelement TE kann als Spritzgussteil als ein Stück oder als zwei separate und zusammensteckbare Stücke hergestellt sein. Der zweiten Teilbereich TE2 kann eine Detektionsöffnung DO für eine Bestrahlung des Photodetektors PD aufweisen. The carrier element TE comprises a first partial area TE1 on which the emission component can be arranged and a second partial area TE2 on which the detection component can be arranged. The carrier element TE can be produced as an injection-molded part as one piece or as two separate pieces that can be plugged together. The second sub-area TE2 can have a detection opening DO for irradiating the photodetector PD.
Fig. 5b zeigt eine Ansicht eines Trägerelements in einer Spektrometereinrichtung. In der Fig. 5b wird eine perspektivische Seitenansicht gezeigt. Der erste Teilbereich TE1 und der zweite Teilbereich TE2 können jeweils auf die Öffnung im Gehäuse ausgerichtet sein, also unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen. Der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich können unterschiedliche Höhen und Breiten aufweisen, angepasst an die dort anzuordnenden Komponenten. Unterhalb des zweiten Teilbereichs TE2 kann dieser eine Ausnehmung aufweisen, in welchem ein Detektorträger (Fig. 8c) angeordnet sein kann und durch die Detektionsöffnung DO bestrahlt werden kann. 5b shows a view of a carrier element in a spectrometer device. A perspective side view is shown in FIG. 5b. The first sub-area TE1 and the second sub-area TE2 can each be aligned with the opening in the housing, that is to say have different alignments. The first sub-area and the second sub-area can have different heights and widths, adapted to the components to be arranged there. Below the second partial area TE2, it can have a recess in which a detector carrier (FIG. 8c) can be arranged and can be irradiated through the detection opening DO.
Ein Kunststoff-Spritzgussträger als Trägerelement TE kann alternativ auch als metallisches Stanz- Biegeteil mit auflaminierter flexibler Leiterplatte ausgeführt werden. Auf diese Weise kann ein einfaches Fügen und Drahtbond- Kontaktieren der elektronischen Komponenten (ASIC, LQ und FPI und Photodetektor) ermöglicht sein. Derartige Prozessschritte könnten (auf Panel-Level) und in einer Ebene durchgeführt werden, vorteilhaft vor einem Stanzen und Biegen des Trägerelements. Durch ein Biegen des Trägerelements können die Komponenten letztlich in ihre finale räumliche Orientierung relativ zueinander gebracht werden. A plastic injection-molded carrier as a carrier element TE can alternatively also be designed as a metal stamped and bent part with a flexible printed circuit board laminated on. In this way, simple joining and wire bonding of the electronic components (ASIC, LQ and FPI and photodetector) can be made possible. Such process steps could be carried out (at panel level) and in one plane, advantageously before punching and bending the carrier element. By bending the carrier element, the components can ultimately be brought into their final spatial orientation relative to one another.
Als eine weitere Alternative kann das Trägerelement als MID (molded interconnected device) ausgeführt werden. Hierbei kann durch direkten Aufdruck der Leiterbahnen auf den Träger eine Signalführung und die Baugruppenmontage vereinfacht werden. Dabei können das FPI und der ASIC direkt per Drahtbonden auf dem Träger kontaktiert werden. An anderer Stelle auf dem Trägerelement können diese Signale dann ebenfalls per Drahtbonden auf das Verdrahtungssubstrat geführt werden. Hierbei könnte auf lokale Versteifungen von Leiterplattenabschnitten oder ganze Leiterplattenabschnitte zur Signalführung verzichtet werden. As a further alternative, the carrier element can be designed as a MID (molded interconnected device). Signal routing and module assembly can be simplified by printing the conductor tracks directly onto the carrier. The FPI and the ASIC can be contacted directly by wire bonding on the carrier. At another point on the carrier element, these signals can then also be routed to the wiring substrate by wire bonding. Local stiffening of circuit board sections or entire circuit board sections for signal routing could be dispensed with here.
Fig. 6a - c zeigen perspektivische Ansichten eines Trägerelements mit einer Emissionskomponente und einer Detektionskomponente in einer Spektrometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Fig. 6a zeigt dabei eine Seitenansicht auf die Emissionskomponente EK, welche auf dem ersten Teilbereich TE1 des Trägerelements TE angeordnet ist und auf die Detektionskomponente DK, welche auf dem zweiten Teilbereich TE2 angeordnet ist. Von der Emissionskomponente EK wird der erste Leiterplattenabschnitt LEI schräg vom Trägerelement TE hinab geführt und von dem FPI wird der zweite Leiterplattenabschnitt LE2 entlang des zweiten Teilbereichs TE2 auf eine Ebene des Verdrahtungssubstrats geführt. Das FPI kann hierbei als ein mikroelektromechanisches Bauelement (MEMS) ausgeformt sein. 6a-c show perspective views of a carrier element with an emission component and a detection component in a spectrometer device according to an exemplary embodiment of the present invention. 6a shows a side view of the emission component EK, which is arranged on the first partial area TE1 of the carrier element TE, and of the detection component DK, which is arranged on the second partial area TE2. From the emission component EK, the first printed circuit board section LEI is led down obliquely from the carrier element TE and the second printed circuit board section LE2 is led from the FPI along the second partial area TE2 onto a plane of the wiring substrate. The FPI can be designed as a microelectromechanical component (MEMS).
Die Fig. 6c zeigt eine Rückansicht des zweiten Teilbereichs TE2, welcher eine Detektionsöffnung DO für das Licht von der optischen Apertur OB des FPI aufweist. 6c shows a rear view of the second partial area TE2, which has a detection opening DO for the light from the optical aperture OB of the FPI.
Die Fig. 6c zeigt eine zur Fig. 6a zugehörige perspektivische Ansicht. Hierbei ist unterhalb des zweiten Teilbereichs TE ein Detektorträger TE-D angeordnet, auf welchen der Detektor-Abschnitt LE2-D angeordnet ist und wobei der Detektorträger TE-D innerhalb der Aussparung und in einem Strahlengang des Fabry-Perot-Interferometers FPI positionierbar ist. Der Detektor-Abschnitt LE2-D und der Interferometer-Abschnitt (LE2-I) des zweiten Leiterplattenabschnitts sind ebenso wie der erste Leiterplattenabschnitt auf die Ebene des Verdrahtungssubstrats geführt und dort kontaktiert, vorteilhaft mit Drahtbonds. FIG. 6c shows a perspective view associated with FIG. 6a. Here, a detector carrier TE-D is arranged below the second sub-area TE, on which the detector section LE2-D is arranged and wherein the detector carrier TE-D can be positioned within the recess and in a beam path of the Fabry-Perot interferometer FPI. The detector section LE2-D and the interferometer section (LE2-I) of the second circuit board section, like the first circuit board section, are routed to the level of the wiring substrate and contacted there, advantageously with wire bonds.
Fig. 7a - c zeigen perspektivische Ansichten einer Blende für ein Trägerelement. FIGS. 7a-c show perspective views of a screen for a carrier element.
Auf die Ausführung der Fig. 6a - 6c kann eine Blende BL aufgesetzt werden. A screen BL can be placed on the embodiment of FIGS. 6a-6c.
Die Fig. 7a zeigt eine Draufsicht auf eine Blende BL. Die Blende BL kann auf dem Trägerelement angeordnet sein und eine reflektierende und strahlformende Emissionsöffnung EO über der Emissionskomponente und eine Detektionsapertur DA über der Detektionskomponente aufweisen und eine direkte Bestrahlung der Detektionskomponente DK durch die Emissionskomponente EK verhindern. Die Detektionsapertur DA kann in Einstrahlrichtung kreisrund sein, ebenso die Emissionsöffnung EO kreisrund in Abstrahlrichtung. Die Fig. 7b zeigt eine seitliche Schnittansicht der Blende BL, welche eine Wandfläche DL zum Blockieren von Licht zwischen der Detektionsapertur und der Lichtquelle aufweisen kann. Diese Wandfläche kann ein Teil der Blende sein. 7a shows a plan view of a diaphragm BL. The diaphragm BL can be arranged on the carrier element and have a reflective and beam-shaping emission opening EO above the emission component and a detection aperture DA above the detection component and prevent direct irradiation of the detection component DK by the emission component EK. The detection aperture DA can be circular in the direction of radiation, as can the emission opening EO circular in the direction of radiation. 7b shows a side sectional view of the diaphragm BL, which can have a wall surface DL for blocking light between the detection aperture and the light source. This wall surface can be part of the panel.
Die Fig. 7c zeigt eine perspektivische Ansicht der Blende auf dem Trägerelement. Unter dem Trägerelement kann ein Detektorträger TE-D positioniert sein und das Trägerelement auf dem Verdrahtungssubstrat VS und dieses auf der elektrischen Schnittstelle ES angeordnet sein. Die Blende kann ebenfalls als Spritzgussteil mit lokaler Metallisierung, vorteilhaft in der Innenwandfläche der Emissionsöffnung EO, für einen reflektierenden Bereich ausgeformt sein. Angrenzend an die Emissionsöffnung EO kann eine Aussparung in der Blende für Drahtbonds der Lichtquelle, der Lichtquelle zugewandt, vorhanden sein (nicht gezeigt). 7c shows a perspective view of the screen on the carrier element. A detector carrier TE-D can be positioned under the carrier element and the carrier element can be arranged on the wiring substrate VS and the latter can be arranged on the electrical interface ES. The screen can also be formed as an injection-molded part with local metallization, advantageously in the inner wall surface of the emission opening EO, for a reflective area. Adjacent to the emission opening EO, there can be a cutout in the screen for wire bonds of the light source, facing the light source (not shown).
Die in der Fig. 7c gezeigte Blende kann zum Schutz vor Umwelteinflüssen und zur Vereinfachung der Montage vorteilhaft mit einem Deckel verschlossen sein. The panel shown in FIG. 7c can advantageously be closed with a cover to protect against environmental influences and to simplify assembly.
Fig. 8a - c zeigen perspektivische Ansichten eines Trägerelements mit einer Emissionskomponente und einer Detektionskomponente in einer Spektrometereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 8a-c show perspective views of a carrier element with an emission component and a detection component in a spectrometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention.
Die Fig. 8a zeigt eine Detektionskomponente DK mit einer Halterung PL, welche einen Haltesteg H für den Photodetektor PD aufweist, um diesen in einer optischen Apertur auf der optischen Achse des FPIs anzuordnen. Der Photodetektor kann hierbei entlang der optischen Achse des FPIs angeordnet sein. Diese Ausführung zeigt eine Anordnung entlang einer optischen Achse des Systems, bei der der Photodetektor entlang des Detektionspfads angeordnet ist. Der Vorteil dieser Anordnung ist eine einfachere Montage der vorbestückten flexiblen Leiterplatte auf das strahlformende Element, da eine größere Fügefläche zur Verfügung steht, was eine einfachere Klebung ermöglicht. 8a shows a detection component DK with a holder PL which has a holding web H for the photodetector PD in order to arrange it in an optical aperture on the optical axis of the FPI. The photodetector can be arranged along the optical axis of the FPI. This embodiment shows an arrangement along an optical axis of the system in which the photodetector is arranged along the detection path. The advantage of this arrangement is a simpler assembly of the pre-assembled flexible printed circuit board on the beam-shaping element, since a larger joining surface is available, which enables easier gluing.
Dazu kann die Halterung eine optische Ausnehmung OA in der Halterung PL aufweisen. Mittig auf dem Haltesteg H kann der Photodetektor PD dem FPI abgewandt angeordnet sein, wobei eine spiegelnde Kavität K in einem Detektorträger TE-D das Licht vom FPI auf dem Photodetektor PD bündeln kann, wie in der Fig. 8b gezeigt. Die Halterung PL kann auf einem Detektor-Abschnitt LE2-D einer flexiblen Leiterplatte mit einer lokalen Versteifung V angeordnet sein. Der Detektor-Abschnitt LE2-D kann auf das Verdrahtungssubstrat herunter geführt werden. For this purpose, the holder can have an optical recess OA in the holder PL. The photodetector PD can be attached to the FPI in the middle of the retaining web H be arranged facing away, wherein a reflective cavity K in a detector carrier TE-D can focus the light from the FPI on the photodetector PD, as shown in FIG. 8b. The holder PL can be arranged on a detector section LE2-D of a flexible printed circuit board with a local stiffener V. The detector section LE2-D can be led down onto the wiring substrate.
Die Fig. 8c zeigt eine perspektivische Ansicht des Detektorträger TE-D, beispielsweise mit einer Kavität, unter einem Trägerelement TE. 8c shows a perspective view of the detector carrier TE-D, for example with a cavity, under a carrier element TE.
Fig. 9a - c zeigen perspektivische Ansichten eines Trägerelements für eine Spektrometereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 9a-c show perspective views of a carrier element for a spectrometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention.
Die Fig. 9a zeigt eine Ausführung des Trägerelements TE, vergleichbar mit der Fig. 5b, welche allerdings als genau ein zusammenhängendes Element ausgeformt sein kann, etwa als Spritzgussteil. Dieses kann einen ersten Teilbereich TE1 und einen zweiten Teilbereich TE2 umfassen. Des Weiteren kann die Detektionsöffnung DO im zweiten Teilbereich als eine reflektive, etwa derart beschichtete, Kavität ausgeformt sein. FIG. 9a shows an embodiment of the carrier element TE, comparable to FIG. 5b, which, however, can be formed as exactly one coherent element, for example as an injection-molded part. This can include a first sub-area TE1 and a second sub-area TE2. Furthermore, the detection opening DO in the second partial area can be shaped as a reflective cavity, for example coated in this way.
In der Fig. 9b wird eine Ansicht von einer Unterseite des Trägerelements TE gezeigt, wobei eine Auswölbung der Kavität mittig im zweiten Teilbereich zu sehen ist. FIG. 9b shows a view from an underside of the carrier element TE, a bulge of the cavity being seen in the middle in the second partial area.
In der Fig. 9c wird eine seitliche Schnittansicht des Trägerelements TE gezeigt. Hierbei zeigt die Kontur L den Verlauf der Oberfläche durch die Kavität, welche zumindest in der Kavität reflektiv beschichtet sein kann. Über der Kavität K kann beispielsweise eine Detektorkomponente gemäß der Fig. 8a angeordnet sein. Das Trägerelement TE kann somit als ein einziges Spritzgussteil realisiert werden. In FIG. 9c, a side sectional view of the carrier element TE is shown. Here, the contour L shows the course of the surface through the cavity, which can be reflective coated at least in the cavity. A detector component according to FIG. 8a, for example, can be arranged above the cavity K. The carrier element TE can thus be implemented as a single injection-molded part.
Fig. 10a -c zeigen perspektivische Ansichten einer Detektionskomponente für eine Spektrometereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Fig. 10a zeigt eine Detektorkomponente DK mit einem zweiten Leiterplattenabschnitt LE2, welcher sowohl den Interferometer-Abschnitt LE2-I als auch den Detektor-Abschnitt LE2-D umfasst. Diese beiden können einen gemeinsamen flexiblen Bereich umfassen, wobei der Interferometer-Abschnitt LE2-I in einem versteiften Bereich des zweiten Leiterplattenabschnitts LE2 Kontaktelemente KE zur Kontaktierung des FPIs umfassen kann, wobei eine Kontaktierung des FPIs mit den Kontaktelementen KE über Drahtbonds erfolgen kann. An einem Ende der flexiblen Leiterplatte kann diese Kontakte Kt zur Kontaktierung mit dem Verdrahtungssubstrat umfassen. Die Detektionskomponente DK kann als Grundplatte eine Halterung PL, etwa gemäß der Fig. 8a, umfassen, an deren Randbereich eine Ausnehmung bis zur Leiterplatte vorhanden sein kann, an welcher sich die Kontaktelemente KE befinden können. Durch eine derartige Ausführung kann die Anzahl der Leiterplatten verringert werden. An der Halterung kann der Photodetektor, etwa gemäß der Fig. 8b, vorhanden sein. Die Lösung aus Fig. 10a - c kann sinnvoll in Kombination mit dem Träger aus den Figuren 9a - 9c stehen. 10a-c show perspective views of a detection component for a spectrometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention. 10a shows a detector component DK with a second printed circuit board section LE2, which includes both the interferometer section LE2-I and the detector section LE2-D. These two can comprise a common flexible area, wherein the interferometer section LE2-I can comprise contact elements KE for contacting the FPI in a stiffened area of the second printed circuit board section LE2, wherein the FPI can be contacted with the contact elements KE via wire bonds. At one end of the flexible printed circuit board, these contacts can comprise Kt for making contact with the wiring substrate. As a base plate, the detection component DK can comprise a holder PL, for example according to FIG. 8a, at the edge region of which a recess can be present up to the printed circuit board, on which the contact elements KE can be located. With such a configuration, the number of printed circuit boards can be reduced. The photodetector, for example according to FIG. 8b, can be present on the holder. The solution from FIGS. 10a-c can usefully be used in combination with the carrier from FIGS. 9a-9c.
Die Ausführung der Fig. 10a - c favorisiert die beidseitige Bestückung der flexiblen Leiterplatte. Dabei kann auf der Vorderseite das FPI aufgeklebt und per Drahtbonds kontaktiert sein; auf der Rückseite kann die Photodiode (Photodetektor) aufgeklebt sein und mit Drahtbonds kontaktiert sein. Im Bereich LE2-D können dann die Signale sowohl von FPI als auch von der Photodiode an das Verdrahtungssubstrat und/oder den ASIC übergeben werden. The embodiment of FIGS. 10a-c favors equipping the flexible printed circuit board on both sides. The FPI can be glued to the front and contacted by wire bonds; the photodiode (photodetector) can be glued onto the back and contacted with wire bonds. In the area LE2-D, the signals from both the FPI and the photodiode can then be transferred to the wiring substrate and / or the ASIC.
Die Fig. 10b zeigt die Detektorkomponente DK aus einer perspektivischen Ansicht. 10b shows the detector component DK from a perspective view.
Die Fig. 10c zeigt die Detektorkomponente DK aus einer perspektivischen Ansicht, wobei (ähnlich der Fig. 8a) sich der Detektor-Abschnitt LE2-D bis auf den Haltesteg H über der optischen Ausnehmung OA erstrecken kann und nach der Montage der Photodetektor PD über Drahtbonds DB an dem Haltesteg H elektrisch kontaktiert werden kann. Die Fig. 10c zeigt dabei nur den Detektor-Abschnitt LE2-D. Die Versteifungen und Kontaktelemente (V und KE aus der Fig. 8a) sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. FIG. 10c shows the detector component DK from a perspective view, wherein (similar to FIG. 8a) the detector section LE2-D can extend up to the retaining web H above the optical recess OA and, after assembly, the photodetector PD via wire bonds DB can be electrically contacted at the retaining web H. 10c only shows the detector section LE2-D. The stiffeners and contact elements (V and KE from FIG. 8a) are not shown for reasons of clarity.
Fig. 11a - b zeigen perspektivische Ansichten eines Trägerelements mit einer Emissionskomponente und einer Detektionskomponente in einer Spektrometereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 11a-b show perspective views of a carrier element with an emission component and a detection component in a spectrometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention.
Die Fig. 11a zeigt eine Rückansicht des Trägerelements TE aus der Fig. 9b mit einer darauf angeordneten Detektorkomponente DK aus der Fig.lOa und einem darauf angeordneten FPI. Das Trägerelement TE ist auf einem Verdrahtungssubstrat VS angeordnet. 11a shows a rear view of the carrier element TE from FIG. 9b with a detector component DK from FIG. 10a arranged thereon and an FPI arranged thereon. The carrier element TE is arranged on a wiring substrate VS.
Die Fig. 11b zeigt eine Anordnung einer Detektionskomponente DK und einer Emissionskomponente EK auf dem Trägerelement TE aus der Fig. 9a - c und mit einer Detektionskomponente DK nach der Fig. 10a in einer seitlichen Schnittansicht. Hierbei kann das Trägerelement TE vorteilhaft aus einem einzigen Spritzgussteil bestehen, auf welchem die Komponenten mit nur zwei Leiterplattenabschnitten angeordnet und kontaktiert sein können. 11b shows an arrangement of a detection component DK and an emission component EK on the carrier element TE from FIGS. 9a-c and with a detection component DK according to FIG. 10a in a lateral sectional view. Here, the carrier element TE can advantageously consist of a single injection-molded part, on which the components can be arranged and contacted with only two printed circuit board sections.
Fig. 12 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer miniaturisierten Spektrometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. FIG. 12 shows a block diagram of method steps of a method for producing a miniaturized spectrometer device according to an exemplary embodiment of the present invention.
Bei dem Verfahren zum Herstellen einer miniaturisierten Spektrometereinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 eines Verdrahtungssubstrats, welches mit einer elektrischen Schnittstelleelektrisch kontaktiert ist; ein Anordnen S2 einer Emissionskomponente auf dem Verdrahtungssubstrat und elektrisches Verbinden der Emissionskomponente mit dem Verdrahtungssubstrat; ein Anordnen S3 einer Detektionskomponente auf dem Verdrahtungssubstrat und elektrisches Verbinden der Detektionskomponente mit dem Verdrahtungssubstrat; ein Anordnen S4 eines Gehäuses auf oder um das Verdrahtungssubstrat, welches dabei die Detektionskomponente und die Emissionskomponente umschließt, wobei das Gehäuse eine Öffnung oder einen optischen Zugang umfasst und vor dem Anordnen des Gehäuse die Detektionskomponente und die Emissionskomponente derart ausgerichtet werden, dass eine Probe durch die Öffnung mit Licht bestrahlbar ist und ein von der Probe reflektiertes Licht durch die Öffnung detektierbar und analysierbar ist, wobei gegenüber einer Normalen auf eine Gehäuseoberseite einIn the method for producing a miniaturized spectrometer device, a wiring substrate is provided S1, which is electrically contacted with an electrical interface; placing S2 an emission component on the wiring substrate and electrically connecting the emission component to the wiring substrate; placing S3 a detection component on the wiring substrate and electrically connecting the detection component to the wiring substrate; arranging S4 a housing on or around the wiring substrate, which in this case encloses the detection component and the emission component, the housing having an opening or a includes optical access and before arranging the housing, the detection component and the emission component are aligned in such a way that a sample can be irradiated with light through the opening and light reflected by the sample can be detected and analyzed through the opening, with a normal to a housing top a
Emissionswinkel und ein Detektionswinkel gegenläufig gleich oder verschieden voneinander sind. Emission angle and a detection angle are oppositely the same or different from one another.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Although the present invention has been fully described above on the basis of the preferred exemplary embodiment, it is not restricted thereto, but rather can be modified in many different ways.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Miniaturisierte Spektrometereinrichtung (1), umfassend ein Gehäuse (G) mit einer Öffnung (GO) oder einem optischen Zugang durch welche oder welchen eine Probe (P) mit Licht bestrahlbar ist und durch welche oder welchen ein von der Probe reflektiertes Licht einfangbar ist; ein Verdrahtungssubstrat (VS), welches innerhalb des Gehäuses (G) angeordnet ist oder als Teil des Gehäuses (G) ausgeführt ist; eine elektrische Schnittstelle (ES), durch welche das Verdrahtungssubstrat (VS) von außerhalb des Gehäuses elektrisch kontaktierbar ist; eine Emissionskomponente (EK) innerhalb des Gehäuses (G), mit welcher eine Probe (P) durch die Öffnung (GO) oder den optischen Zugang mit Licht bestrahlbar ist und welche mit dem Verdrahtungssubstrat (VS) elektrisch kontaktiert ist; und eine Detektionskomponente (DK) innerhalb des Gehäuses (G), mit welcher ein von der Probe (P) reflektiertes Licht durch die Öffnung (GO) oder den optischen Zugang detektierbar und analysierbar ist, wobei gegenüber einer Normalen (N) auf eine Gehäuseoberseite (GOS) ein Emissionswinkel (ß) und ein Detektionswinkel (a) gegenläufig gleich oder verschieden voneinander sind. 1. Miniaturized spectrometer device (1), comprising a housing (G) with an opening (GO) or an optical access through which or which a sample (P) can be irradiated with light and through which or which a light reflected from the sample can be captured ; a wiring substrate (VS) which is arranged within the housing (G) or is designed as part of the housing (G); an electrical interface (ES) through which the wiring substrate (VS) can be electrically contacted from outside the housing; an emission component (EK) within the housing (G), with which a sample (P) can be irradiated with light through the opening (GO) or the optical access and which is in electrical contact with the wiring substrate (VS); and a detection component (DK) within the housing (G), with which a light reflected from the sample (P) can be detected and analyzed through the opening (GO) or the optical access, wherein opposite a normal (N) on a housing top ( GOS) an emission angle (β) and a detection angle (α) are opposite to one another, the same or different from one another.
2. Spektrometereinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher die Emissionskomponente (EK) eine Lichtquelle (LQ) und einen ersten Leiterplattenabschnitt (LEI) umfasst, wobei die Emissionskomponente (EK) über den ersten Leiterplattenabschnitt (LEI) mit dem Verdrahtungssubstrat (VS) elektrisch kontaktiert ist. 2. Spectrometer device (1) according to claim 1, in which the emission component (EK) comprises a light source (LQ) and a first printed circuit board section (LEI), the emission component (EK) via the first printed circuit board section (LEI) to the wiring substrate (VS) is electrically contacted.
3. Spektrometereinrichtung (1) nach Anspruch 2, bei welcher die Emissionskomponente (EK) eine erste Steuereinrichtung (ASIC) umfasst, wobei die Lichtquelle (LQ) gestapelt auf der ersten Steuereinrichtung (ASIC) angeordnet ist. 3. spectrometer device (1) according to claim 2, wherein the emission component (EK) comprises a first control device (ASIC), wherein the light source (LQ) is stacked on the first control device (ASIC).
4. Spektrometereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Detektionskomponente (DK) ein Fabry-Perot-Interferometer (FPI), einen Photodetektor (PD), ein strahlformendes Element (E) und einen zweiten Leiterplattenabschnitt (LE2) umfasst, wobei das von der Probe (P) reflektierte Licht durch das Fabry-Perot-Interferometer (FPI) spektral filterbar und durch das dem Fabry-Perot-Interferometer (FPI) im Strahlengang nachgeordnete strahlformende Element (E) auf dem Photodetektor (PD) bündelbar ist, und wobei die Detektionskomponente (DK) über den zweiten Leiterplattenabschnitt (LE2) mit dem Verdrahtungssubstrat (VS) elektrisch kontaktiert ist. 4. Spectrometer device (1) according to one of claims 1 to 3, in which the detection component (DK) is a Fabry-Perot interferometer (FPI), a photodetector (PD), a beam-shaping element (E) and a second printed circuit board section (LE2) comprises, the light reflected from the sample (P) being spectrally filterable by the Fabry-Perot interferometer (FPI) and by the beam-shaping element (E) arranged downstream of the Fabry-Perot interferometer (FPI) in the beam path on the photodetector (PD) can be bundled, and wherein the detection component (DK) is in electrical contact with the wiring substrate (VS) via the second printed circuit board section (LE2).
5. Spektrometereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, bei welcher der erste Leiterplattenabschnitt (LEI) eine flexible Leiterplatte mit einem lokal versteiften Bereich (LB1) an der Lichtquelle (LQ) umfasst und/oder der zweite Leiterplattenabschnitt (LE2) eine flexible Leiterplatte mit einem lokal versteiften Bereich (LB2) an dem Fabry-Perot-Interferometer (FPI) und dem Photodetektor (PD) umfasst. 5. spectrometer device (1) according to one of claims 2, 3 or 4, in which the first printed circuit board section (LEI) comprises a flexible printed circuit board with a locally stiffened area (LB1) on the light source (LQ) and / or the second printed circuit board section (LE2 ) comprises a flexible printed circuit board with a locally stiffened area (LB2) on the Fabry-Perot interferometer (FPI) and the photodetector (PD).
6. Spektrometereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher das Gehäuse (G) an der Öffnung (GO) eine Glasplatte oder einen optischen Zugang umfasst. 6. spectrometer device (1) according to one of claims 1 to 5, wherein the housing (G) at the opening (GO) comprises a glass plate or an optical access.
7. Spektrometereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher das strahlformende Element (E) einen Parabolspiegel oder eine reflektierende Kavität in einem Trägerelement umfasst. 7. Spectrometer device (1) according to one of claims 1 to 6, in which the beam-shaping element (E) comprises a parabolic mirror or a reflective cavity in a carrier element.
8. Spektrometereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher das Fabry-Perot-Interferometer (FPI) ein Spiegelelement (SP) umfasst, an welchem jeweils an einer Oberseite und an einer Unterseite eine Glasplatte angeordnet ist. 8. spectrometer device (1) according to one of claims 1 to 7, in which the Fabry-Perot interferometer (FPI) comprises a mirror element (SP), on which a glass plate is arranged in each case on an upper side and on a lower side.
9. Spektrometereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher der zweite Leiterplattenabschnitt (LE2) einen Interferometer-Abschnitt (LE2-I) für das Fabry-Perot-Interferometer (FPI) und einen Detektor-Abschnitt (LE2-D) für den Photodetektor (PD) umfasst. 9. spectrometer device (1) according to one of claims 1 to 8, wherein the second printed circuit board section (LE2) has an interferometer section (LE2-I) for the Fabry-Perot interferometer (FPI) and a detector section (LE2-D ) for the photodetector (PD).
10. Spektrometereinrichtung (1) nach Anspruch 9, bei welcher der Interferometer- Abschnitt (LE2-I) und der Detektor-Abschnitt (LE2-D) vollständig voneinander getrennt sind und der Interferometer-Abschnitt (LE2-I) eine flexible Leiterplatte mit einem lokal versteiften Bereich (LB2) an dem Fabry-Perot-Interferometer (FPI) umfasst und der Detektor-Abschnitt (LE2-D) eine flexible Leiterplatte mit einem lokal versteiften Bereich (LB2) an dem Photodetektor (PD) umfasst, wobei die flexible Leiterplatte und der lokal versteifte Bereich an einer optischen Apertur des Fabry-Perot-Interferometers (FPI) eine optische Öffnung (OB) aufweisen. 10. spectrometer device (1) according to claim 9, wherein the interferometer section (LE2-I) and the detector section (LE2-D) are completely separated from each other and the interferometer section (LE2-I) is a flexible printed circuit board with a includes locally stiffened area (LB2) on the Fabry-Perot interferometer (FPI) and the detector section (LE2-D) comprises a flexible circuit board with a locally stiffened area (LB2) on the photodetector (PD), the flexible circuit board and the locally stiffened region has an optical opening (OB) at an optical aperture of the Fabry-Perot interferometer (FPI).
11. Spektrometereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welche ein Trägerelement (TE) umfasst, mit einem ersten Teilbereich (TE1) auf welchem die Emissionskomponente (EK) angeordnet ist und mit einem zweiten Teilbereich (TE2) auf welchem die Detektionskomponente (DK) angeordnet ist, wobei der erste Teilbereich (TE1) und der zweite Teilbereich (TE2) jeweils auf die Öffnung (GO) ausgerichtet sind. 11. Spectrometer device (1) according to one of claims 1 to 10, which comprises a carrier element (TE), with a first sub-area (TE1) on which the emission component (EK) is arranged and with a second sub-area (TE2) on which the detection component (DK) is arranged, wherein the first sub-area (TE1) and the second sub-area (TE2) are each aligned with the opening (GO).
12. Spektrometereinrichtung (1) nach Anspruch 11, welche eine Blende (BL) umfasst, die auf dem Trägerelement (TE) angeordnet ist und eine reflektierende und strahlformende Emissionsöffnung (EO) über der Emissionskomponente (EK) und eine Detektionsapertur (DA) über der Detektionskomponente (DK) aufweist und eine direkte Bestrahlung der Detektionskomponente (DK) durch die Emissionskomponente (EK) verhindert. 12. Spectrometer device (1) according to claim 11, which comprises a diaphragm (BL) which is arranged on the carrier element (TE) and a reflective and beam-shaping emission opening (EO) over the emission component (EK) and a detection aperture (DA) over the Detection component (DK) and prevents direct irradiation of the detection component (DK) by the emission component (EK).
13. Spektrometereinrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, bei welcher der Interferometer-Abschnitt (LE2-I) auf dem zweiten Teilbereich (TE2) angeordnet ist und der zweite Teilbereich (TE2) eine Aussparung umfasst, und das Trägerelement (TE) einen Detektorträger (TE-D) umfasst, auf welchen der Detektor-Abschnitt (LE2-D) angeordnet ist und wobei der Detektorträger (TE-D) innerhalb der Aussparung und in einem Strahlengang des Fabry-Perot- Interferometers (FPI) positionierbar ist. 13. Spectrometer device (1) according to claim 11 or 12, wherein the interferometer section (LE2-I) is arranged on the second sub-area (TE2) and the second sub-area (TE2) comprises a recess, and the carrier element (TE) one Detector carrier (TE-D) comprises, on which the detector section (LE2-D) is arranged and wherein the detector carrier (TE-D) can be positioned within the recess and in a beam path of the Fabry-Perot interferometer (FPI).
14. Verfahren zum Herstellen einer miniaturisierten Spektrometereinrichtung (1) umfassend die Schritte: 14. A method for producing a miniaturized spectrometer device (1) comprising the steps:
Bereitstellen (Sl) eines Verdrahtungssubstrats (VS), welches mit einer elektrischen Schnittstelle (ES) elektrisch kontaktiert ist; Anordnen (S2) einer Emissionskomponente (EK) auf dem Verdrahtungssubstrat (VS) und elektrisches Verbinden der Emissionskomponente (EK) mit dem Verdrahtungssubstrat (VS); Providing (Sl) a wiring substrate (VS), which is electrically contacted with an electrical interface (ES); Arranging (S2) an emission component (EK) on the wiring substrate (VS) and electrically connecting the emission component (EK) to the wiring substrate (VS);
Anordnen (S3) einer Detektionskomponente (DK) auf dem Verdrahtungssubstrat (VS) und elektrisches Verbinden der DetektionskomponenteArranging (S3) a detection component (DK) on the wiring substrate (VS) and electrically connecting the detection component
(DK) mit dem Verdrahtungssubstrat (VS); (DK) with the wiring substrate (VS);
Anordnen (S4) eines Gehäuses (G) auf oder um das Verdrahtungssubstrat (VS), welches dabei die Detektionskomponente (DK) und die Emissionskomponente (EK) umschließt, wobei das Gehäuse (G) eine Öffnung (GO) oder einen optischen Zugang umfasst und vor dem Anordnen des GehäusesArranging (S4) a housing (G) on or around the wiring substrate (VS), which encloses the detection component (DK) and the emission component (EK), the housing (G) comprising an opening (GO) or an optical access and before arranging the case
(G) die Detektionskomponente (DK) und die Emissionskomponente (EK) derart ausgerichtet werden, dass eine Probe (P) durch die Öffnung (GO) oder den optischen Zugang mit Licht bestrahlbar ist und ein von der Probe (P) reflektiertes Licht durch die Öffnung (GO) oder den Zugang detektierbar und analysierbar ist, wobei gegenüber einer Normalen (N) auf eine Gehäuseoberseite (GOS) ein(G) the detection component (DK) and the emission component (EK) are aligned in such a way that a sample (P) can be irradiated with light through the opening (GO) or the optical access and a light reflected from the sample (P) through the Opening (GO) or the access can be detected and analyzed, with a housing top side (GOS) facing a normal (N)
Emissionswinkel (ß) und ein Detektionswinkel (a) gegenläufig gleich oder verschieden voneinander sind. Emission angle (β) and a detection angle (α) are opposite to one another, the same or different.
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