DE69530225T2

DE69530225T2 - Mikro-detektor mit fabry-perot-filter

Info

Publication number: DE69530225T2
Application number: DE69530225T
Authority: DE
Inventors: E. Barrett COLE; S. Bernard FRITZ; D. Robert HORNING
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1994-12-30
Filing date: 1995-12-20
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2015-12-21
Also published as: EP0800643B1; WO1996021140A1; JPH10511772A; EP0800643A1; CA2205875A1; US5550373A; DE69530225D1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft Mikro-Infrarot(IR)-Detektoren und besonders Mikro-Detektoren vom IR-Filtertyp. Insbesondere betrifft die Erfindung Mikro-Detektoren vom Fabry-Perot-IR-Filtertyp für die spektroskopische Bildgebung. Die verwandte Technik offenbart Fabry-Perot-Kavitäten, welche durch mikromaschinelle Bearbeitung auf Silizium-Wafern ausgebildet werden. Bei derartiger Technik wird die Abstimmung der Wellenlänge elektrostatisch mit einer veränderlichen Spannung erreicht.
Das US-Patent Nr. 5 142 414, die GB 2 231 713 sowie ein Artikel mit dem Titel "Surface micromachines tuneable interferometer array" in Sensors and Actuators, Vol. 43, 1994, beschreiben Fabry-Perot-Geräte nach dem Stand der Technik.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen nachstehend wie in den Ansprüchen 1 und 2 definierten Filter-Detektor bereit. Mögliche zusätzliche Merkmale, welche in vorteilhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sein können, werden in den nachstehenden Ansprüchen 3 bis 12 definiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt einen Mikrofilter-Detektor, welcher beugende Mikrolinsen aufweist.
2 zeigt den Mikrofilter-Detektor, welcher brechende Mikrolinsen aufweist.
3 zeigt den Mikrofilter-Detektor ohne den räumlichen Filter.
4 zeigt einen Mikrofilter-Detektor, welcher mehrere Fabry-Perot-Kavitäten aufweist.
5 zeigt einen Mikrofilter-Detektor, welcher eine einzelne beugende Linse und einen Detektor aufweist.
6 zeigt einen Mikrofilter-Detektor, welcher eine einzelne brechende Linse und einen Detektor aufweist.
7 zeigt einen Mikrofilter-Detektor, welcher eine interne Kavitätskalibrierungsquelle und einen Detektor aufweist.
8 zeigt eine externe Kalibrierungseinrichtung für den Mikrofilter-Detektor.
9a zeigt einen Mikrofilter-Detektor, welcher piezoelektrische Säulen zur Abstimmung der Fabry-Perot-Kavität aufweist.
9b zeigt einen Mikrofilter-Detektor, welcher Silizium-Ätzgruben aufweist.
10a, 10b und 10c illustrieren eine Mikrolinsenmatrix, eine Detektorenmatrix bzw. einen räumlichen Filter.
11 illustriert einen Mikrofilter-Detektor ohne eine Mikrolinse.
12a bis 12f zeigen die Wirkung einer Mikrolinse und eines räumlichen Filters auf Licht, welches in die Fabry-Perot-Kavität eintritt.
13a und 13b des Mikrofilters illustrieren Gehäusepläne.
14a und 14b zeigen zwei Implementierungen integrierter Mikrolinsen.
15 zeigt einen Satz optischer Durchlässigkeitseigenschaften des Mikrofilters.
16a bis 16c zeigen die Bandpass-Eigenschaften des Fabry-Perot-Filters hinsichtlich der Anzahl von Schichten auf den Spiegeln.
17a und 17b zeigen die Wirkung des Winkels von einfallendem Licht auf die Frequenz des Filters.
18 zeigt eine Kombination von mehreren und einzelnen Filter-Detektoren bei der Verwendung in der Spektralanalyse.
19 ist ein Diagramm, welches die Absorptionslinien in einer erfassten Probe zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt einen piezoelektrisch aktuierten, infrarot-abstimmbaren Fabry-Perot-Mikrofilter aus Polysilizium mit integrierten Mikrolinsen und Detektor für die spektroskopische Umweltüberwachung. Auf dem Träger 12 ist ein Mikrobolometerdetektor 14 vorgesehen, welcher ein Einzelbildpunkt oder eine Bildpunktmatrix sein kann. Das Gerät 10 besteht aus einem Silizium-Wafer mit einer Mikrolinse 16 und einer Fabry-Perot-Kavität 18. Die Kavität 18 ist eine monolithische Fabry-Perot-Mikrostruktur aus Polysilizium, welche die Spiegel 20 und 22 aus Siliziumdioxid/Silizium (SiO₂/Si) aufweist. Die Brücke 24 aus Polysilizium stützt einen Spiegel 22 der Fabry-Perot-Kavität 18. Diese stützt die Brücke 24 bis Schicht 32 und kann die Brücke 24 und den Spiegel 22 bewegen, so dass die Fabry-Perot-Kavität 18 mit der Fähigkeit der Abstimmbarkeit versehen ist. Der Wafer 32 ist bis zum Bildpunkt 14 oder zur Bildpunkt matrix 14 des Bolometerdetektors 24 mit einer Stütze 30 im Vakuum verschlossen, welche den Umfang der Wafer 20 und 32 durchgehend umfängt. Die Stütze 30 schließt das Mikrobolometer 12 und die Fabry-Perot-Kavität 18 in einem Vakuum ein. Der räumliche Filter 46 befindet sich in Nachbarschaft zu den Mikrolinsen 16. Der Filter 46 weist eine Siliziumschicht 52 auf, welche als ein Fenster für IR-Licht fungiert. Auf der Unterseite der Schicht 52 befindet sich eine dünne Metallfilmschicht 54, wie beispielsweise Chrom, Nickelchrom oder Gold, welche mehrere Öffnungen 48 aufweist, wobei jede einen Durchmesser zwischen 20 und 50 Mikron aufweist. Jede Öffnung 48 ist auf eine entsprechende Mikrolinse 16 fokussiert. Die Öffnungen 48 wirken als eine Feldblende, um die Einstrahlung auf die Mikrolinsen 16 aus bestimmten Richtungen zu begrenzen. Der räumliche Filter 46 wird auf dem Wafer 32 durch Stäbe 50 gestützt. Die Stäbe 50 können einen Ring um den Wafer 32 bilden, um die Linsen 16 und die Öffnungen 48 mit einer Vakuum-Verkapselung zu versehen. Die Detektorenmatrix 14 kann ein Mikrobolometer oder ein anderer LR-Detektor für IR-Licht sein oder eine CCD-Matrix für sichtbares Licht, wobei in diesem Fall Materialien, wie beispielsweise transparentes Siliz-iumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄), die bewegliche Polysiliziumstruktur ersetzen würden, und optische Materialien, wie beispielsweise Glas oder Saphir, den Siliziumträger ersetzen würden. Die Detektoren 14 können aufgehängte Bildpunkte oder im Wafer 12 ausgebildet sein. Die Detektoren können aus verschiedenen, gewöhnlich verwendeten Materialien bestehen, wie beispielsweise HgCdTe, PtSi oder LnSb. Eine verwandte IR-Mikrobolometertechnik wird in verschiedenen US-Patenten offenbart: z. B. US-Patent Nummer 5 286 976 von B. Cole, erteilt am 15. Februar 1994 mit dem Titel "Microstructure Design for High IR Sensitivity" und dem gleichen Zessionar wie dem der vorliegenden Anmeldung übertragen, US-Patent Nummer 5 260 225 von M. Liu et al., erteilt am 9. November 1993 mit dem Titel "Integrated Infrared Sensitive Bolometers" und dem gleichen Zessionar wie dem der vorliegenden Anmeldung übertragen und US-Patentanmeldung Nummer 07/458 878, eingereicht am 29. Dezember 1989, von J. Allen Cox, dem gleichen Zessionar wie dem der vorliegenden Anmeldung übertragen, welche gewährt, aber noch nicht erteilt wurde, und welche Informationen offenbart, welche eine binäre optische Mikrolinsen-Detektorenmatrix betreffen.
Das System 10 umfasst die Dünnfilm-Mikrospiegel 20 und 22, welche relativ zueinander beweglich sind, die piezoelektrischen Dünnfilm-Mikroaktuatoren 26 für die Abstimmung der Kavität 18, die Mikrolinsen 16 zur Einblendung vion eintreffendem Licht und der Mikrostrukturdetektor 12 und 14 zur Bereitstellung der Infrarot(IR)-Erfassung, was faktisch ein Spektrometer auf einem Rohchip ergibt. Jede beugende Mikrolinse 16 kann einzigartig oder verschieden von den verbleibenden Mikrolinsen 16 sein, dadurch dass die Lichtbeugung durch jede Linse 16 verschieden von den anderen ist. Die Aktuatoren 26 werden durch eine Spannung aktiviert, welche an den Aktuator-Elektroden 56 angelegt wird. Mit der Dehnung oder mit der Schrumpfung eines Aktuators 26 übt er eine Auslegerwirkung auf den stützenden Abschnitt der Brücke 24 aus, da er auf der Oberfläche dieses Abschnitts anhaftet, was eine Bimorph-Wirkung in der Gestalt ergibt, dass jede Veränderung der Größe des Aktuators 26 in der tatsächlichen Bewegung der Brücke 24 verstärkt wird. Piezoelektrische Aktuatoren 26 sind im Vergleich zu anderen Aktuatortypen, wie beispielsweise thermischen Bimorphs, schnell. Das Gerät 10 umfasst die monolithische, abstimmbare IR-Fabry-Perot-Kavität 18 auf einem einzelnen Silizium-Wafer. Die Struktur, welche die Spiegel 20 und 22, die piezoelektrischen (PZT)-Aktuatoren 26 und die kapazitiven Sensorelektroden 28 in den Ecken des Filters 18 auf der Brücke 24 und dem Wafer 32 umfasst, kann durch aufwachsende Filme aus Polysilizium, SiO₂, Si₃N₄ und PZT und durch Verwendung eines Opferätzmaterials auf einem Silizium-Wafer ausgebildet werden, anstatt zwei Wafer zusammenzukleben.
Die kapazitiven Sensorelektroden 28 werden zur Erfassung der Distanz zwischen den Spiegeln 20 und 22 implementiert. Mit der Annäherung der Elektroden 28 aneinander steigt die Kapazität zwischen den Elektroden an, wodurch eine Anzeige der Distanz zwischen den Spiegeln der Fabry-Perot-Kavität bereitgestellt wird. Die Elektroden 28 können als ein physischer Haltepunkt für eine minimale Distanz zwischen den Spiegeln 20 und 22 fungieren, was eine Anzeige der maximalen Kapazität oder eine elektrische Verbindung oder ein Kurzschluss zwischen den Elektrodenpaaren 28 ist.
Die monolithische Ausführung des Geräts erlaubt eine engere Steuerung des kritischen Abstands der Fabry-Perot-Lücke, welcher in der Größenordnung von 0,1 bis 2 Mikrometern liegt, was vergleichbar zu den vorliegenden Abständen der Bolometerlücken ist. Die Elementmatrix 14 ist auf einem Silizium-Wafer als ein abstimmbares Fenster für einen IR-Detektor in einem integralen Vakuumgehäuse im Vakuum verschlossen. Die Linsen 16, welche zur Ausrichtung des Lichts durch die Kavität 18 vorgesehen sind, können in Ausrichtung auf die Fabry-Perot-Kavität 18 hergestellt werden. Diese Art der Herstellung ist ein Vorteil, wenn eine Anzahl von kleineren Kavitäten 18 verwendet werden soll.
Die Fabry-Perot-Kavität 18, welche auf einen Silizium-Wafer mit SiO₂/Si-Spiegeln ausgebildet ist, kann über das mittlere Infrarotwellenband (MWIR) von 2,5 bis 5,5 Mikron abgestimmt werden, wo Atmosphärengase Absorptionen aufweisen, indem die Lücke über einen Abstandsbereich zwischen 0,2 und 2,3 Mikrometern verändert wird. Die Fabry-Perot-Kavität 18 kann mit geeigneten Veränderungen der Lücke der Kavität 18 auch über einen Bereich von 8 bis 12 Mikrometer abgestimmt werden. Durch Verwendung von Spiegeln 20 und 22, welche aus SiO₂/ZrO₂ auf Si₃N₉-Film-Mikrostrukturen auf Glasträgern bestehen, und Wafern, welche transparent für sichtbares Licht sind, können sie sogar auch im Bereich des sichtbaren Lichts abgestimmt werden.
2 zeigt ein Gerät 60, welches dem Gerät 10 aus 1 außer den brechenden Linsen 58 statt der beugenden Linsen 16, gleicht. Jede brechende Mikrolinse 58 kann verschieden von jeder anderen brechenden Linse 58 sein, so dass ihre Lichtbrechung verschieden von den anderen sein kann. Die beugenden Mikrolinsen 16 und die brechenden Mikrolinsen 58 können mit binären optischen Eigenschaften hergestellt werden.
3 zeigt ein Gerät 62, welches dem Gerät 10 aus 1 abgesehen davon gleicht, dass Gerät 62 keinen räumlichen Filter 46 aufweist. 4 zeigt ein Gerät 64, welches dem Gerät 62 aus 3 abgesehen davon gleicht, dass Gerät 64 mehrere Fabry-Perot-Filter 74 statt einem einzelnen Fabry-Perot-Filter 18 aufweist. Ein individueller Filter 74 befindet sich zwischen jeder Mikrolinse 16 und Detektor 14. Jeder Filter 74 weist ein Spiegelpaar 76 und 78 auf. Die Abstände zwischen den Spiegeln 76 und 78 jedes Filters 74 können verschieden von denen der verbleibenden Filter 74 sein. Deshalb kann jeder Filter 74 eine hohe optische Durchlässigkeit für verschiedene Wellenlängen aufweisen und zur Detektion verschiedener Einstrahlungen auf den jeweiligen Detektoren 14 abgestimmt werden.
Die Geräte der 1 bis 4 können ohne Mikrolinsen oder einer Linse verwendet werden und nur ein Fenster 32 aufweisen, wie beim in 11 illustrierten Gerät 150. Jede Licht empfangende Oberfläche, wie beispielsweise Fenster 32, würde dann mit einem entspiegelnden (AR) Film 33 überzogen, um beispielsweise eine Siliziumspiegelung zu vermeiden. Alle Oberflächen von Schichten zum Empfang von Licht, abgesehen derjenigen der Spiegel, würden dann eine AR-Beschichtung aufweisen.
5 zeigt Gerät 66, welches dem Detektor 62 aus 3 abgesehen davon gleicht, dass es nur einen Detektor 80 statt der Detektorenmatrix 14 gibt. An Stelle der Mikrolinsenmatrix 16 befindet sich eine beugende Mikrolinse 82 ungefähr über dem Bereich des Detektors 80. Gerät 68 aus 6 gleicht dem Gerät 66 aus 5 abgesehen davon, dass Gerät 68 eine einzelne brechende Linse 84 statt der beugenden Linse 82 aufweist. Die Geräte 66 und 68 benötigen eine große f-Zahl zur wirkungsvollen Funktion.
Das Gerät 70 der 7 gleicht dem Gerät 62 der 3 abgesehen davon, dass Gerät 70 eine interne Strahlungsreferenzquelle 86 oder eine Mikroemissionsquelle aufweist, welche eine Laserlichtquelle, wie beispielsweise eine Laserdiode sein kann. Ein Filter 88 der optischen Durchlässigkeit oder ein Schmalbandfilter können zur Filterung des Lichts oder der Strahlung der Quelle 86 eingesetzt werden, um eine Lichtquelle 90 bereitzustellen, welche ein ausreichend schmales Frequenzband zum Zwecke der Referenz und der Kalibrierung des Filters 18 aufweist. Das Licht 90 wird durch die Spiegel 20 und 22 des Filters 18 reflektiert und kann als Licht 92 auf den Detektor 94 gespiegelt werden unter der Voraussetzung, dass der Abstand 96 zwischen den Spiegeln der Gestalt ist, dass Filter 18 so abgestimmt ist, dass eine maximale Lichtmenge mit der Frequenz des Referenzlichts 90 passieren kann. Wenn der Abstand 96 zum Passieren des Lichts 90 als ein gefiltertes Lichtsignal 92 mit maximaler Intensität nicht optimal ist, dann stellt die Steuerelektronik 98 zur Kalibrierung der Kavität ein Feedback-Signal an die Elektroden 56 auf den piezoelektrischen Aktuatoren 26 bereit, um Spiegel 22 auf der Brücke 24 relativ zum Spiegel 20 auf einen Abstand zu bewegen, welcher die Intensität des Lichts 92 maximiert, welches auf den Detektor 94 auftrifft, und dementsprechend das elektrische Signal des Detektors 94 an die Elektronik 98. Daher wird der Abstand 96 zwischen den Spiegeln 20 und 22 während Temperaturschwankungen und anderer Umwelteinwirkungen auf das Gerät 70 auf einem optimalen Niveau gehalten. Der Monitor 100 kann zur Überwachung und Einstellung des Kalibrierungssystems für die Kavität verwendet werden. Ein Lichtschutz 102 wird über den Mikrolinsen im Aktivitätsbereich des Kalibrierungslichts platziert, um die Störung der Lichtsignale 90 und 92 und der Kalibrierung und des Einstellvorgangs der Kavität durch externes Umgebungslicht zu verhindern. Die Emissionsquellen 86 und die Detektoren 94 könnten in den Ecken der Matrix des Geräts platziert werden. System 70 kann mehrere Referenzlichtquellen 86 und Filter 88 mit verschiedenen Wellenlängen aufweisen, so dass die Fabry-Perot-Kavität 18 nach Wahl auf verschiedene Wellenlängen abgestimmt werden kann. Dieses Kalibrierungssystem kann auch auf Gerät 64 in 4 angewandt werden, beispielsweise zur Kalibrierung bzw. zur Abstimmung jeder der Fabry-Perot-Kavitäten 74 auf eine unterschiedliche Wellenlänge.
8 zeigt ein Gerät 72, welches dem Gerät 70 in 7 abgesehen davon gleicht, dass es eine Kalibrierungslichtquelle 104 außerhalb vom monolithischen Mikrofilter-Detektor gibt. Ein Filter 106 für die optische Durchlässigkeit kann bei Bedarf an der Ausgabe der Quelle 104 platziert werden. Das Licht 90 passiert die Mikrolinsen 108, die Spiegel 20 und 22 des Fabry-Perot-Filters 18, verlässt den Filter 18 als Licht 92, wenn der Filter 18 ausreichend abgestimmt ist, um das Licht 92 durchzulassen, und fällt auf Detektor 94. Die Steuerelektronik 98 stellt den Abstand 96 zwischen den Spiegeln 20 und 22 über ein Signal an die Elektroden 56 der piezoelektrischen Dünnfilm-Aktuatoren 26 ein, welche die Brücke 24 und Spiegel 22 relativ zum Spiegel 20 zur Maximierung der Intensität des Lichts 92 bewegen. Die Elektronik 98 zur Kalibrierung der Kavität und der Monitor 100 des Geräts 72 funktionieren genauso, wie die des Geräts 70 in 7. Gerät 72 aus 8 kann genauso mehrere Referenzlichtquellen 104 und Filter 106 zur Emission von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen auf den Detektor 94 oder unterschiedliche Detektoren 14 verwenden, so dass die Fabry-Perot-Kavität 18 selektiv für verschiedene Wellenlängen abgestimmt werden kann Dieses System zur Kalibrierung und Abstimmung kann auf Gerät 60 aus 4 angewandt werden.
9a zeigt ein Gerät 110, welches piezoelektrische Säulen 112 auf Elektroden 114 zur Einstellung des Abstands 96 zwischen den Spiegeln 20 und 22 des Fabry-Perot-Filters 18 einsetzt. Kapazitive Elektroden 28 können zur Erfassung des Abstands 96 eingesetzt werden. Das Gerät 110 kann die Steuerelektronik 98 zur Kalibrierung der Kaviät und des damit verbundenen Systems der Geräte 70 oder 72 aus den 7 bzw. 8 umfassen. Licht 118 fällt durch die Mikrolinse 16 in den Filter 18. Wenn das Licht 118 die richtige Wellenlänge für den Filter 18 hat, passiert es den Filter 18 auf den Detektor 14. Die Linsen auf dem Wafer 32 können beugende Mikrolinsen 16, brechende Mikrolinsen oder eine einzelne beugende oder brechende Linse sein. Die Detektorenmatrix 14 auf dem Wafer 12 kann durch einen einzelnen Detektor ersetzt werden. Das Gerät 110 kann auch mit Materialien und Abmessungen zur Funktion mit anderen als IR-Wellenlängen, wie beispielsweise sichtbares Licht, gebaut werden. Der Spiegel 22 wird auf einem Wafer 122 ausgebildet, welcher durch die Stäbe 124 auf Wafer 12 gestützt wird, welcher die Detektorenmatrix 14 umfasst. Piezoelektrische Säulen 112 mit Elektroden 114 sind auf dem Wafer 120 ausgebildet. Die Säulen 112 und Elektroden 114 können einen Ring zwischen den Wafern 32 und 120 bilden und damit eine Wand, welche den Filter 18 und die Detektoren 14 hermetisch unter Vakuum einschließt.
Das Gerät 110 in 9a kann die gleichen Kalibrierungssysteme für die Fabry-Perot-Kavität umfassen wie jene, welche in den 7 und 8 gezeigt werden.
9b zeigt einen Filter-Detektor 170, welcher die Mikrolinsen 16 aufweist, welche auf einem Wafer 172 ausgebildet oder mikrogefräst wurden, und welche aus Silizium-Ätzgruben 180 bestehen. Der Silizium-Wafer 12 ist in den Bereichen 174 am Wafer 172 angeklebt oder angelötet. Der räumliche Filter 54 oder, falls es keinen räumlichen Filter gibt, der Wafer 52 ist in den Bereichen 174 am Wafer 172 angeklebt oder angelötet. Im Wesentlichen weist das Gerät 170 strukturell drei Wafer 52, 172 und 12 auf, welche mit den Lücken 178 und 18, welche durch Silizium-Ätzgruben 180 vorgegeben sind, zusammengelötet oder -geklebt sind. Die Brücke 176 stützt den einstellbaren Spiegel 22. Die piezoelektrischen Aktuatoren 182 sorgen für die Bewegung der Einstelllücke 96 der Fabry-Perot-Kavität 18. Die anderen durchnummerierten Bauteile gleichen den entsprechend durchnummerierten Bauteilen der anderen Geräte, welche in der vorliegenden Beschreibung offenbart sind.
10a illustriert eine Matrix von Mikrolinsen 16 auf dem Wafer 32. 10b zeigt eine Detektorenmatrix 14 auf dem Träger 12. 10c zeigt einen räumlichen Filter 54, welcher die Öffnungen 48 aufweist.
Die 12a und 12b zeigen die Winkel der Lichtkegel in der Fabry-Perot-Kavität 18 ohne bzw. mit Mikrolinsen. Das Licht 154 in 12a fällt durch Makro-(Front)-Optiken 152 ein und geht weiter als Licht 156 durch den Spiegel 20, die Kavität 18 und den Spiegel 22. In 12b fällt das Licht 154 durch die Optiken 152 ein und geht weiter als Licht 158 durch die Mikrolinse 16, den Spiegel 20, die Kavität 18 und den Spiegel 22. Dabei ist zu beachten, dass das Licht 158, welches Mikrolinse 16 passiert hat, einen viel geringeren Kegelwinkel aufweist als das Licht 156, welches durch keine Mikrolinse gefallen ist. Dieser Effekt wird auch in 3 illustriert. 12c zeigt einen Feldpunkt außerhalb der Achse ohne die Mikrolinsen 16. Das Ergebnis ist ein großer Winkel des Lichtkegels 160 in der Fabry-Perot-Kavität 18. 12d zeigt einen Feldpunkt außerhalb der Achse mit den Mikrolinsen 16. Das Ergebnis ist ein verkleinerter Winkel des Lichtkegels 162 in der Fabry-Perot-Kavität 18. 12e zeigt Unterbildpunkte des Feldpunkts außerhalb der Achse mit Mikrolinsen 16 und ohne den räumlichen Filter 54 mit einem großen resultierenden Winkel der Wellenfront des Lichts 164 in der Fabry-Perot-Kavität 18. 12f zeigt die Ergebnisse des Lichts 154 von einem Bildpunkt eines Feldpunkts auf der Achse und des Lichts 166 von einem Unterbildpunkt eines Feldpunkts außerhalb der Achse mit räumlichem Filter 54, welcher die Öffnung 48 aufweist. Das Licht 166 von Unterbildpunkten des Feldpunkts außerhalb der Achse wird abgeblockt, und das Licht 154 von Bildpunkten von Feldpunkten auf der Achse passiert die Öffnung 48 des räumlichen Filters 54.
Die Integration der Detektoren 12 und 14 in die Fabry-Perot-Kavität 18 führt im Ergebnis zu einem Spektrometer auf einem Chip. Der Silizium-Wafer der Fabry-Perot-Kavität 18 kann als ein integriertes Vakuumfenster 32 auf einer Detektorenmatrix oder auf einem Detektorelement 14 mit den Stäben 34 dienen, weiche das Fenster 32 und die Kavität 18 hinsichtlich zur Matrix oder zum Element 14 stützen. Dieses Gerät, welches das Fenster 32, die Kavität 18 und die Matrix 14 umfasst, wird von einem Gehäuse eingeschlossen, welches das Gehäusefenster 36, die Matrix 14, die Stütze 38, die einschließende Wand 40 und den Rahmenverschluss 42 zur Aufnahme des Spektrometers innerhalb des Behälters umfasst, welcher ein Vakuum aufweist, wird in 13a gezeigt. 13b zeigt eine Alternative, wobei die Fabry-Perot-Kavität 18 unter Verwendung der Stäbe 44 an den Detektor 14 geklebt ist, welche auch die elektrischen Verbindungen herstellen, um den Silizium-Wafer 32 der Fabry-Perot-Kavität 18 zu aktuieren, welcher als ein in die Kavität 18 integriertes Fenster und auch als ein Gehäusefenster und als Verschlussstütze 30 zur Erhaltung des Vakuums für die Kavität 18 und die Matrix 14 dient, was die Druckfilmfeuchte beseitigt und den Bolometerbetrieb verbessert. Hier ist die Kavität 18 in das Gehäuse integriert.
Die Integration der Mikrolinsen 16 in die Strukturen der 13a und 13b führt zu einer größeren Leistungsfähigkeit als diejenige, welche mit makroskopischen Fabry-Perot-Kavitäten erzielt werden kann. Das Problem bei Fabry-Perot-Kavitäten, welche Linsen vom Makrotyp einsetzen, ist, dass das Licht, welches unter verschiedenen Winkeln in die Kavität 18 einfällt, gegenüber der ausgelegten Bandpassfrequenz verstimmt ist. Wenn die Kavität 18 über ein endliches Sichtfeld arbeitet, wird die Auflösung wegen der verschiedenen Feldpunkte verschlechtert, welche die Kavität unter verschiedenen Winkeln passieren. Eine Lösung dieses Problems ist der Betrieb mit einem schmalen Sichtfeld oder einer reduzierten Spektralauflösung. Die vorliegende Lösung dieses Problems setzt die Mikrolinsen 16 ein, welche das Licht von verschiedenen Feldpunkten durch die Kavität ausrichten und die Auflösung sogar dann erhalten, wenn ein großes Sichtfeld verwendet wird. Die Mikrolinse 16 muss für eine Neigung des Detektors 14 ausgelegt werden, und die Mikrolinsen 16 weisen die Fähigkeit zur Ausrichtung des Lichts auf den Bildpunkt auf, wodurch die Verwendung eines endlichen Sichtfelds und die Erzielung einer großen Wellenlängenauflösung resultiert, was mit makroskopischen Fabry-Perot-Kavitäten nicht möglich war.
Die Mikrolinsen 16 können auf der Rückseite des Wafers 32 der Fabry-Perot-Kavität ausgebildet werden. Der Silizium-Wafer 32 kann dünn gemacht werden, um eine größere Nähe zwischen jeder Mikrolinse 16 und dem entsprechenden Detektor 14 zu erreichen und Strahlstreuung zu vermeiden. Die Mikrolinsen 16 werden deshalb auf einem verdünnten Silizium-Wafer 32 ausgebildet. Die Mikrolinsen 16 werden auf der fokalen Ebene platziert, und der Detektor 14 oder die Matrix 14 befinden sich in unmittelbarer Nachbarschaft. Mit einem einzelnen Detektor 14 ist die Platzierung nicht so kritisch wie mit einer fokalen Ebene, wobei die räumliche Auflösung mit dem Abstand abnimmt. 14a zeigt die integrierte Mikrolinse 16 auf einem gewöhnlichen Silizium-Wafer und 14b zeigt eine integrierte Mikrolinse 16 und einen verdünnten Wafer 32.
Technische PZT-Keramikmassenware ist ein übliches Material für Antriebsgeräte mit hoher Geschwindigkeit bei moderaten Spannungen. Im Gegensatz dazu bieten PZT-Filme eine Anzahl von Vorteilen gegenüber der Massenware. Beispielsweise ist ein PZT-Bimorph von geringer Größe zu Kräften fähig, welche ausreichen, eine kleine Masse zu bewegen, und benötigt deshalb wenig Grundfläche oder Gebiet auf dem Chip. Die PZT-Mikroaktuatoren 26 weisen derartige Eigenschaften auf. Anders als Kondensatoren bewahren die PZT-Aktuatoren 32 den Hauptteil der Grundfläche oder des Gebiets auf dem Chip, welcher für die IR-Übertragung verfügbar ist. Die PZT-Kräfte und Versetzungen sind linear mit der Spannung, im Gegensatz zur kapazitiven Aktuation, bei welcher die Kräfte umgekehrt proportional zur Lücke geringer werden.
Die geringe Größe von mikrogefertigten Strukturen macht sie für Matrizen, wie beispielsweise IR-Detektor 14, IR-Emissionsquellen und Anzeigen einsatzfähig. Die Möglichkeit, die Fabry-Perot-Kavität unmittelbar vor der Matrix 14 zu befestigen, reduziert die Kosten der Kavität 18 und ermöglicht die Verwendung der Mikrolinsen 16. Die metallische Wafer-auf-Wafer-Verbindung unter Verwendung von Dünnfilm-Lot und angelagertem Metall oder galvanisierten Metallfüllern erlaubt es, das Gerät 10 in ein integrales Vakuumgehäuse zu integrieren und so die Herstellungskosten zu senken, die Komplexität zu reduzieren, die Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen zu verbessern und die gesamte Wellenlängenabstimmungs-Funktionalität auf einem einzelnen Rohchip vorzusehen. Die Druckfilmfeuchte, eine Sorge bei Mikrostrukturen, wird durch den Vakuumeinbau beseitigt. Das Problem mit Staubpartikeln wird durch die Montage des Systems in einer verkapselten Kammer beseitigt.
Die geringe Masse der Struktur des Geräts 10 bedeutet, dass die aktive Steuerung eingesetzt werden kann, um die Abmessungen der Kavität 18 schnell zu verändern. Ferner minimiert die geringe Masse die Empfindlichkeit gegenüber Beschleunigung, Vibration und Erschütterung. Eine Kombination der kapazitiven Sensoren in den vier Ecken der Kavität, verbunden mit einem piezoelektrischen Antrieb, stellt die aktive Steuerung der Abstimmung und Abtastung der Kavität bereit. Es wird eine aktive Kompensation von Temperaturdrift, Vibrationen und Beschleunigung erzielt.
Wegen der geringen Größe des Geräts 10 ist es leichter, die Kavität 18 zu stabilisieren, sogar trotz der geringen Abmessungen der Matrix 14, denn die Abstände der Kavität 18 sind ungefähr die gleichen, wie in einem makroskopischen System. Die kürzeren Stützbeine und die Gesamtgröße des Geräts vermindern die Auswirkungen thermischer Expansion. Ein zusätzlicher TE-Kühler wird mit dem Gehäuse verbunden, da die Bolometermatrizen bei Bedarf verwendet werden können, um die Kavität 18 zu stabilisieren. Der TE-Kühler benötigt nur wenig Strom.
Abhängig von der gewünschten Auflösung und dem vorhandenen optischen System kann ein räumlicher Filter vor den Mikrolinsen 16 erforderlich sein, um die Strahlung von Feldzwischenpunkten abzublocken.
Manche der Eigenschaften des Geräts 10 beruhen auf den Spiegeln 20 und 22 der Fabry-Perot-Kavität 18, welche extrem flache Strukturen aus Polysilizium, Siliziumnitrid und Siliziumoxid aufweisen. PZT-Dünnfilme und Sensorkondensatoren werden zur aktiven Steuerung beispielsweise der piezoelektrischen Aktuation zur Abstimmung und Steuerung der Spiegel 20 und 22 der Kavität 18 eingesetzt. Die Mikrolinsen 16 steigern die Übertragung und verbessern die spektrale Auflösung des Filters 10. IR-Emissionsquellen und Detektoren sind Mikrostrukturen. Die Vakuumverkapselung des Detektors 14 und der Fabry-Perot-Kavität 18 vermindert Luftfeuchte und Schwebstoffe.
15 zeigt den abstimmbaren Spektralbereich der Fabry-Perot-Kavität mit der optischen Durchlässigkeit für IR-Strahlung gegen die Wellenlänge für Lücken von 0,20 Mikrometer, 0,94 Mikrometer, 1,50 Mikrometer bzw. 2,30 Mikrometer.
Die 16a bis 16c zeigen die Beziehungen zwischen der optischen Durchlässigkeit des Fabry-Perot-Filters 18 (beispielsweise des Geräts 62 aus 3), welcher auf eine Wellenlänge des Lichts von 9,5 Mikron eingestellt ist, und der Wellenlänge für verschiedene Spiegel 20 und 22. 16a zeigt die Filterung durch den Filter 18, welcher die Spiegel 20 und 22 mit drei Schichtenpaaren auf jedem Spiegel aufweist. Die 16b und 16c zeigen die Filterung durch den Filter 18, welcher die Spiegel 20 und 22 mit vier bzw. fünf Schichtenpaaren auf jedem Spiegel aufweist. Mehr Schichten auf den Spiegeln 20 und 22 zeigen zunehmend schmale Bandpass-Eigenschaften des Filters 18.
Die 17a und 17b sind Grafen der optischen Durchlässigkeit, aufgetragen gegen die Wellenlänge für die Lichtfilterung bei 8 Mikron durch Filter 18 (beispielsweise durch Gerät 62 in 3), welcher die Spiegel 20 und 22 mit jeweils einem Schichtenpaar aufweist. Der Einfallwinkel der Lichtstrahlen relativ zu einer Senkrechten auf die Oberfläche der Linsenmatrix 16 beträgt 0 Grad in 17a und 20 Grad in 17b. Die Verschiebung um 20 Grad beim Einfall des eingehenden Lichts verschiebt die mittlere Wellenlänge des gefilterten Lichts um ungefähr 1/4 Mikron.
18 zeigt ein System 128, welches die Verwendung eines Systems 126 mit einem Fabry-Perot-Mikrofilter-Detektor 130 darstellt. Die Mikrolinse 132 fokussiert den Zielbereich 134 auf eine IR-Mikrobolometermatrix oder auf eine CCD-Matrix 136 zur Positionierung des Ziels 134 als ein Bild 135. Zielmarken 138 fokussieren auf vermutete Schadstoffe im Rauch 140 aus einem Schornstein 142. Der fokussierte Bereich der Zielmarken 138 wird durch den Strahlteiler 144 auf einen piezoabstimmbaren IR-Fabry-Perot-Mikrofilter-Detektor 130 (wie einer der in den 1 bis 9 gezeigten Detektoren) gespiegelt. Mit dem abstimmbaren Filter-Detektor 130 werden spektrale Messungen des Lichts zur Abbildung einer Spektralanalyseausgabe 146 durchgeführt, welche beispielsweise den Anteil in ppm (parts per million) einer bestimmten Substanz (z. B. 25 ppm CO₂) im Rauch 140, welcher von hinten breitbandig beleuchtet wird, wie beispielsweise durch das Tageslicht der Umgebung, gemäß der Stärke der Lichtabsorption, welche bei einer bestimmten Wellenlänge (wie beispielsweise bei der 4,3 Mikron CO₂ Linie) nachgewiesen wird, anzeigen kann.
19 ist ein Diagramm, welches die Absorptionslinien für verschiedene Substanzen als ein Ausführungsbeispiel zeigt.

Claims

Monolithischer, abstimmbarer Mikro-Detektor mit Fabry-Perot-Filter umfassend: einen ersten Wafer (12); eine Detektorenmatrix (14), welche auf dem ersten Wafer (12) ausgebildet ist; einen Ring (30), welcher auf dem ersten Wafer ausgebildet ist, wobei der Ring die Detektorenmatrix umgibt; einen zweiten Wafer (32); einen ersten Spiegel (20), welcher auf dem zweiten Wafer (32) ausgebildet ist; eine Brückenstruktur (24); einen zweiten Spiegel (22), welcher auf der Brückenstruktur (24) ausgebildet ist; eine Fabry-Perot-Kavität (18), welche durch die Befestigung der Brückenstruktur (24) am zweiten Wafer (32) ausgebildet ist, so dass der erste und zweite Spiegel einander gegenüber stehen; und einen Aktuator (26), welcher auf der Brücke in Nachbarschaft zum zweiten Wafer ausgebildet ist, wobei der Aktuator bewirken kann, dass der erste und der zweite Spiegel ihren Abstand zueinander verändern, um so die Fabry-Perot-Kavität abzustimmen; und wobei der zweite Wafer (32) auf dem Ring (30) angeordnet ist, wodurch ein hermetisch abgedichteter Einschluss entsteht, welcher die Fabry-Perot-Kavität und die Detektorenmatrix enthält. einen dritten Wafer; und eine Stützabdeckung, welche mit dem ersten und dritten Wafer in einer Weise verbunden ist, dass sie den zweiten Wafer und den ersten und zweiten Spiegel zwischen dem ersten und dritten Wafer und innerhalb der Stützabdeckung umschließt.
Monolithischer, abstimmbarer Mikro-Detektor mit Fabry-Perot-Filter umfassend: einen ersten Wafer (120); eine Detektorenmatrix (14), welche auf dem ersten Wafer ausgebildet ist; eine verstellbare Stütze (112), welche auf dem ersten Wafer ausgebildet ist, wobei der Ring die Detektorenmatrix umgibt; einen zweiten Wafer (32); einen ersten Spiegel (20), welcher auf dem zweiten Wafer (32) ausgebildet ist; einen dritten Wafer (122); einen zweiten Spiegel (22), welcher auf dem dritten Wafer (122) ausgebildet ist; eine Fabry-Perot-Kavität (18), welche durch die Anordnung des dritten Wafers bezüglich des zweiten Wafers ausgebildet ist, so dass der erste und zweite Spiegel einander gegenüber stehen; und einen Aktuator, welcher auf der verstellbaren Stütze ausgebildet ist, wobei der Aktuator bewirken kann, dass der erste und der zweite Spiegel ihren Abstand zueinander verändern, um so die Fabry-Perot-Kavität abzustimmen; und wobei der zweite Wafer auf der verstellbaren Stütze angeordnet ist, wodurch ein hermetisch abgedichteter Einschluss entsteht, welcher die Fabry-Perot-Kavität und die Detektorenmatrix enthält;
Filter-Detektor nach Anspruch 2 umfassend: eine Mikrolinsenmatrix (16), welche im zweiten Wafer ausgebildet ist; und die verstellbare Stütze ein dünner piezoelektrischer Filmaktuator zum Einstellen eines Abstands zwischen dem ersten und zweiten Spiegel ist, um einen Fabry-Perot-Filter abzustimmen, welcher von dem ersten und zweiten Spiegel gebildet wird.
Filter-Detektor nach Anspruch 1, wobei die Detektorenmatrix, welche auf dem ersten Wafer ausgebildet ist, eine Mikrobolometermatrix ist; die Stützwand auf einem Umfang des ersten Wafers ausgebildet ist; der zweite Wafer ein Fenster-Wafer ist, welcher auf der Stützwand ausgebildet ist; und wenigstens ein piezoelektrischer Aktuator auf den Enden der Brücke ausgebildet ist, um eine piezoelektrisch betätigte Einstellung eines Abstands zwischen dem ersten und zweiten Spiegel bereitzu stellen, um so die Fabry-Perot-Kavität auf eine bestimmte Lichtwellenlänge abzustimmen.
Filter-Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fenster-Wafer wenigstens eine Mikrolinse umfasst.
Filter-Detektor nach Anspruch 5, wobei wenigstens eine Mikrolinse eine beugende Linse ist.
Filter-Detektor nach Anspruch 6, wobei die beugende Linse eine binäre beugende Linse ist.
Filter-Detektor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei wenigstens eine Mikrolinse eine brechende Linse ist.
Filter-Detektor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, welcher eine entspiegelnde Beschichtung des Fenster-Wafers umfasst.
Filter-Detektor nach einem der Ansprüche 4 bis 9, welcher einen räumlichen Filter umfasst, welcher auf dem Fenster-Wafer ausgebildet ist.
Filter-Detektor nach einem der Ansprüche 4 bis 10, gekennzeichnet durch: wenigstens eine Lichtquelle, welche auf dem Träger angeordnet ist, zur Emission eines ersten Lichts mit einer ersten Frequenz durch den zweiten Spiegel in die Fabry-Perot-Kavität; und Steuerelektronik, welche an wenigstens einem Detektor der Matrix der Mikrobolometerdetektoren und an den wenigstens einen piezoelektrischen Aktuator angeschlossen ist, wobei die Steuerelektronik die Fähigkeit aufweist, ein erstes Signal mit einer ersten Größe für den wenigstens einen piezoelektrischen Aktuator als Reaktion auf eine zweite Größe eines zweiten Signals von dem wenigstens einen Mikrobolometerdetektor bereitzustellen, welcher auf das erste Licht aus der Fabry-Perot-Kavität anspricht, so dass das erste Signal an den wenigstens einen piezoelektrischen Aktuator den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel der Fabry-Perot-Kavität einstellt, so dass die Größe des zweiten Signals sich einem bestimmten Wert annähert und auf dem bestimmten Wert gehalten wird, wodurch bewirkt wird, dass die Fabry-Perot-Kavität auf die erste Frequenz des ersten Lichts abgestimmt wird.
Filter-Detektor nach einem der Ansprüche 4 bis 11, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle, welche außerhalb des Detektors angeordnet ist, zur Emission eines ersten Lichts mit einer ersten Wellenlänge durch den Fenster-Wafer und den ersten Spiegel in einen ersten Abschnitt der Fabry-Perot-Kavität; und Steuerelektronik, welche an wenigstens einem Detektor der Matrix der Mikrobolometerdetektoren angeschlossen ist, wobei der Detektor in der Nachbarschaft zum ersten Abschnitt der Fabry-Perot-Kavität angeordnet ist, und an den wenigstens einen piezoelektrischen Aktuator angeschlossen ist, wobei die Steuerelektronik die Fähigkeit aufweist, ein erstes Signal mit einer ersten Größe für den wenigstens einen piezoelektrischen Aktuator als Reaktion auf eine zweite Größe eines zweiten Signals von dem wenigstens einen Detektor in Proportion zum Licht aus dem ersten Abschnitt der Fabry-Perot-Kavität bereitzustellen, wobei sich der erste Abschnitt in der Nähe des mindestens einen Detektors befindet, so dass das erste Signal an den wenigstens einen piezoelektrischen Aktuator den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel der Fabry-Perot-Kavität einstellt, so dass die Größe des zweiten Signals sich einem bestimmten Wert annähert und auf dem bestimmten Wert gehalten wird, wodurch bewirkt wird, dass die Fabry-Perot-Kavität auf die erste Wellenlänge des ersten Lichts abgestimmt wird.