DE4230087A1 - Integrierte optisch/mikromechanische Sensoren - Google Patents

Integrierte optisch/mikromechanische Sensoren

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Description

1. Allgemein über die Meßvorrichtungen
Die Sensoren bilden als Kombination eines oder mehrerer integrierter optisch/mikromechanischer Bauelemente ein sensitives Element zur Erfassung von physikalisch/chemischer Größen.
Die Vorrichtungen bestehen aus wenigstens einem Lichtwellenleiter bzw. optischen Bauelementen, integriert auf dünnen mikromechanischen Strukturen in Silizium. Die auf diese Weise entstandenen Sensoren sind kompatibel mit der CMOS-Technologie und können auch als Sensorarrays erweitert werden.
Desweiteren sind die Sensoren dadurch gekennzeichnet, daß infolge der hochempfindlichen freigeätzten Mikrostrukturen in Silizium und störfesten integrierten Lichtwellenleiter Meßgrößen mit hoher Genauigkeit vorort ausgewertet und diese gegebenenfalls mit Hilfe der Fasertechnik über lange Strecken amplitudenunabhängig und störungsfrei übertragen werden.
2. Stand der Technik
Mikromechanische Strukturen als hochempfindliche Meßwertaufnehmer werden zur Ermittlung physikalisch/chemischer Größen sowohl im stationären (durch Messen der dauernden Verformung der Strukturen), als auch im dynamischen Zustand (durch Messen der Änderungen der Resonanzfrequenz von belasteten schwingenden Elementen) verwendet.
Für verschiedene Meßverfahren sind insbesondere hochempfindliche Mikroresonatoren in Form von freischwebenden Membranen, Zungen und Mikrobrücken entwickelt worden. Bei derartigen Sensoren erfolgt die Detektion der zu messenden Größen kapazitiv, piezoelektrisch, piezoresistiv oder durch integrierte elektronische Bauelemente.
Das zur Zeit bekannte optische Auslesen von mikromechanischen Resonatoren erfolgt mittels einer von außen zugeführten Faser (Opt. Lett. 12, 129-131, 1987 und Sensors and Actuators A23, 1128-1131, 1990). Solche Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß für jeden Sensor eine Lichtfaser justiert und in der vorgegebenen Stelle fixiert werden muß. Zur Auswertung des optischen Signals wird weiterhin eine hybride optische Schaltung nötig sein, was den Aufbau noch komplizierter und unwirtschaftlicher macht.
Als weitere Meßsysteme im Sinne von optischen/mechanischen Sensoren werden auch optische Fasern eingesetzt. Varianten dieser Technik sind beispielsweise die faser-optischen Vorrichtungen zur Messung von Teilchen-Konzentration und -Größe (deutsches Patent, 1986, DE 36 09 957 A1), von Strömung, Schall und Beschleunigung (deutsches Patent, 1990, DE 32 31 383 C2), und von Durchfluß (deutsches Patent, 1990, DE 40 18 844 A1). Der Aufbau solcher Meßvorrichtungen erfordert komplizierte Justiereinheiten. Außerdem ist eine dynamische Messung in Form einer schwingenden Faser nicht bekannt, da die vom Hersteller vorgegebene Form der Faser nicht vorteilhaft ist und insofern die optischen Fasern als Schwingresonatoren keine Bedeutung erlangt haben.
Integrierte optische Wellenleiter auf schwebenden mikromechanischen Bauelementen als Lichtablenker (Deflector) in US-Patent No. 4,508,038, 1989, beschrieben. Für Sensoranwendungen wurde ein ähnlicher Aufbau in british Patent No. GB 2146-120a auch dargestellt, dieser hat den Nachteil eines diskreten Aufbaus mit Justierproblemen. Die von S. Wu. u. H. J. Frankena in Integrated Photonics researsch, New Orleans 1992, S. 158-159, auch für Sensoranwendungen vorgeschlagene Strukturen in Form von Zungen und Brücken haben den Nachteil, daß das Licht über einen Film geführt wird, so daß die gesamte Breite des mikromechanischen Bauelementes Licht führt. Eine Entkopplung in Geometriewahl zwischen dem optischen und mikromechanischen Bauelement ist daher nicht gegeben. Auch eine Erweiterung zur optischen Schaltungen ist nur mit Streifenwellenleitern möglich.
Bei den hier vorgeschlagenen Meßvorrichtungen handelt es sich um neue Sensorkonzepte, die auf eine Integration von Streifenwelleitern bzw. -Schaltungen auf mikromechanischen Membranen zur Bildung eines integrierten Meßelementes, beruhen. Diese Konfiguration bietet mehrere Vorteile in der Sensortechnik. Durch eine frei wählbare Dimensionierung der mikromechanischen Elemente lassen sich typische Resonanzfrequenzen von 100 KHz und mehr einstellen, solche Arbeitsfrequenzen ermöglichen eine hohe Meßstabilität selbst bei mechanischen Erschütterungen. Neben Gerade Streifen Wellenleitern werden auch andere optische Schaltungen wie Y-Verzweigungen, Interferometer und Optische Resonatoren ausgenutzt.
Die integrierten optisch/mikromechanischen Sensoren beinhalten eine oder mehrere geeignete Lichtquellen, optische Komponenten zur Bearbeitung und Auswertung der Lichtsignale und mikromechanische Bauteile zur Erfassung der Meßgrößen. Die Meßsignale sind frequenzcodiert und können amplitudenunabhängig entweder mit Hilfe integrierter CMOS-Schaltungen ausgewertet werden oder über lange Strecken mit optischen Fasern auch in elektrisch unzugängliche Gebiete übertragen werden.
Als mikromechanische Strukturen gelten alle auf der Basis der Siliziumtechnologie angefertigten Mikrostrukturen wie Zungen, Paddeln, Brücken, freischwebenden Membrane. Hierzu gehören auch tiefgeätzte Gruben, wodurch eine kurze Unterbrechung des Lichtwellenleiters erfolgt, aber dennoch eine Lichtüberkopplung von einem Teil zum anderen ermöglicht wird. Insbesondere für die Partikelmeßvorrichtung bilden diese eine grundlegende Anordnung. Als integrierte optische Wellenleiter und Strukturen sind alle optisch transparenten Materialien zu bezeichnen, die eine Lichtführung ermöglichen.
Die Technologie für die Integration von Streifen Lichtwellenleitern auf mikromechanischen freischwebenden Elementen (OPTO 7, 1990, S. 135-139, Micro System Technologies, 1991, S. 482-485, Sensors and Actuators A29, 1991, S. 219-223) wurde hier als Stand der Technik zugrunde gelegt.
3. Beschreibung der Meßvorrichtungen
Bei der Meßvorrichtung Nr. I (Bild 1) handelt es sich um einen Partikel-Detektor, wobei dieser in minimaler Ausführung aus folgenden Teilen besteht: 1 Lichtquelle, 1 integrierter Streifenwellenleiter, 1 geätzte Nut, 1 Strömungs-Einlaß, 1 Lichtempfänger.
Die optischen Lichtwellenleiter (A) können in Form von Streifen mit monomode- bzw. multimode Verhalten oder Y-Verzweigung. Eine tiefgeätzte Nut (B) dient zur Unterbrechung des Lichtwellenleiters in zwei oder mehrere Teile. Das Licht soll von Teil (A1) im Teil (A2) des Lichtwellenleiters überkoppelt werden. Eine von der Rückseite geätzte Grube (C) soll den Durchlaß des zu analysierenden strömenden Mediums ermöglichen. Eine Oxid- oder Siliziummembrane mit durchgeätzten Löchern (D) zur Bestimmung der Mindest-Größe der zu messenden Partikeln und zum Filtern des strömenden Mediums.
Eine horizontal erweiterte Version zeigt Bild 2 mit einer integrierten optischen Y- Verzweigung mit unterschiedlichen Schlitzgrößen.
Eine vertikal erweiterte Version zeigt Bild 3 mit aufgestapelten und einzeln zusammenschraubbaren Filtern und Partikel-Detektoren.
Eine modifizierte Version zeigt Bild 4 zur Detektion von chemischen Stoffen durch Aufbringen eines geeigneten chemischen Indikators in die eingeätzte Nut.
Das Laserlicht wird im Ruhezustand von Wellenleiter (A1) im Wellenleiter (A2) ständig überkoppelt, beim Strömen einer Partikel durch die Nut 2 wird das Licht für eine kurze Dauer ausgeschaltet. Als Meßwerte ergeben sich quasidigitale Lichtpixel, die amplitudenunabhängig ausgewertet werden.
Bei der Meßvorrichtung Nr. II (Bild 5) handelt es sich um einen integrierten optischen/mikromechanischen Resonator mit folgender minimaler Ausführung: 1 freigeätzte Zunge (C), 1 integrierter optischer Lichtwellenleiter (B) auf der Zunge, 1 tiefgeätzte Grube (D) in Silizium, 1 Unterbrechung des Lichtwellenleiters in zwei Teile (B) und (E) mit Gewährleistung einer Lichtüberkopplung.
In Bild 5 liegt die Anwendung vor als mechanischer Licht-Mikroschalter, -Modulator, optischer Analog/Digital Wandler und/oder durch eine geeignete Energiequelle als Mikroresonator angeregt wird.
In Bild 6 liegt ein mikromechanischer/optischer Multiresonator vor mit gestaffelten Resonanzfrequenzen. Dies kann als optischer A/D-Wandler für Übertragung von mehreren Daten bei verschiedenen Trägerfrequenzen dienen. Eine Erweiterung des Multiresonators als Sensorarrays kann zusätzlich zu der Frequenzgewichtung auch durch eine Verjüngerung, Verbreiterung bzw. Erschwerung der Zungen erfolgen, die eine Anpassung auf verschiedenen chemisch/physikalischen Größen und damit auch eine selektive differentiale Messung ermöglichen.
In Bild 7a liegt die Anwendung vor als Fabry-Perot-Resonator mit zwei verspiegelten Enden der freigeätzten Zungen. Die Licht Einspeisung des Fabry-Perot-Resonators kann direkt oder über Richtkoppler bzw. durch ein Streifenwellenleiter in Form von Taper erfolgen. Eine erweiterte Version mit einer Temperaturkompensation liegt in der Abb. 7b vor.
In Bild 8a liegt die Anwendung als Flußsensor vor, die Zunge wird in Flußrichtung des zu messenden Mediums angeordnet. Die erweiterte Version ergibt sich in der Abb. 8b, indem zwei benachbarte Zungen mit Heizquellen versehen werden. Eine Mediumströmung lateral zu der Zungen verursacht eine Wärmzirkulation die sich als Temperaturdifferenz auf die Zungenresonanz auswirkt. Die Meßanordnung liefert dadurch eine hohe Auflösung und arbeitet Offset unabhängig.
In Bild 9 liegt die Anwendung vor als Mikroresonator mit einer Licht-Reflektivität unter Ausnutzung von mit Spiegelqualität freigeätzten Silizium-Kristallebenen.
In Bild 10 liegt eine Zusammensetzung der Meßvorrichtung I vor, als Partikelmesser kombiniert mit der Meßvorrichtung II mit integriertem Flußsensor und Temperaturkompensator.
Bei der Meßvorrichtung Nr. III (Bild 11) handelt es sich um optisches Auslesen eines mikromechanischen Brückenresonators mit folgender Mindest-Ausführung: 1 Mach- Zehnder-Interferometer (B) mit einem freigeätzten Arm in Form eines Brückenresonators (D), 1 Elektrode zur Anregung des Resonators (A), 1 tiefgeätzte Grube (C).
Der Brückenresonator wird zu der Resonanz angeregt. Infolge eines optischen/mechanischen Effektes verursachen die Schwingungen eine Phasendrehung des optischen Signals am Ausgang des Mach-Zehnder-Interferometers. Die Frequenz der Phasendrehung ist exakt gleich der Resonanzschwingung der Brücke und gibt sehr genau jede Resonanzänderung wieder, die als Maß für die zu messende Größe gilt.
In Bild 12 liegt die Anwendung vor als Drucksensor mit mehreren Resonatoren, die an einem Arm des Mach-Zehnder-Interferometers angeordnet sind.
In Bild 13 liegt die Anwendung vor als Beschleunigungssensor mit einem oder mehreren Resonatoren auf jeder Seite der Masse (A).
In Bild 14 liegt die Anwendung vor, die die Struktur der Bilder 12 und 13 miteinander kombiniert, mit der Möglichkeit, die Strukturen mit einer integrierten CMOS-Schaltung auszuwerten.

Claims (30)

1. Meßvorrichtung zur Erfassung von physikalisch/chemischen Größen mit wenigstens einem integrierten optischen Streifenwellenleiter als integralem Bestandteil einer dünnen geätzten Membran in Siliziumsubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß der freigeätzte optisch- mikromechanische Element eine integrierte Meßstrecke bildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des mikromechanischen Elementes durch Tiefätzen eine Grube, ein Spalt oder ein Durchbruch im Silizium-Trägermaterial gebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Schaltung einmodige und mehrmodige Lichtwellenleiter, Y-Verzweiger, Richtkoppler, Fabry-Perot-, Mach-Zehnder- und/oder daraus zusammengesetzte optische Schaltungen vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei übereinander gebrachte Lichtwellenleiter oder -Schaltungen in einer Symmetrieform auf der oberen und unteren Seite des mikromechanischen Elementes für eine Differenzmessung vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungenenden in Form von Linsen oder Schrägebenen vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von Partikelgrößen tiefgeätzte Nuten zur Unterbrechung des/der Lichtwellenleiter mit unterschiedlicher Weite zur Ermittlung unterschiedlicher Partikelgrößen nebeneinander auf einem Wellenleiterarm vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß sich zwei oder mehr Lichtstrahlen in der geätzten Öffnung kreuzen und dort ein Interferenz oder ein Strahlgitter bildet vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich in Durchflußrichtung des zu überprüfenden Mediums einer/mehrere integrierte bzw. hybrid montierte Filter sich in der Nähe oder gegenüber der Wellenleiter-Nute befinden, und daß ausgebildete optische/mikromechanische Elemente als Partikel-, Dicht- oder Strömungsmesser vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter und die optisch/mikromechanischen Partikelmesser auf einzeln zusammenschraubbaren Montagescheiben untergebracht sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß chemische Indikatoren auf den Schlitzwandungen oder in der geätzten Nute am Lichtwellenleiterspalt vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die in dem freien Austrittsende des Lichtwellenleiters gegenüberliegende Schlitzwand spiegelnd ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb einer freigeätzten Brücke, eines Paddels oder einer Zunge mit unmittelbar integriertem optischen Lichtwellenleiter eine tiefgeätzte Grube mit oder ohne einer Ätzstop- Bodenfläche vorgesehen ist.
13. Vorrichtungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen, Brücken oder Paddel mit Resonanzmassen und/oder thermooptischen, thermoelektrischen, elektrostatisch oder piezoelektrisch Anregequellen versehen sind.
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzstop-Bodenfläche, bestehend aus elektrisch leitendem Material, eine Elektrode bildet.
15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Grube zwei über einen Schlitz getrennte Zungen mit integriertem Lichtwellenleiter vorgesehen sind.
16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Zungen eine unterschiedliche Längserstreckung aufweisen.
17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung am Zungen-Ansatz erfolgt und dadurch nur eine einseitige Zunge entsteht.
18. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Zungen und zugehörigen Lichtwellenleitern mit unterschiedlichen oder gleichen Längen in Form eines Array′s vorgesehen ist.
19. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen mit verschiedenen Geometrien, verschiedenen Massen bzw. chemischen Substanzen unterschiedlich gewichtet sind.
20. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils gegenüber der Zunge liegende Lichtwellenleiter als Licht-Auskoppelelement vorgesehen ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anwendung als Fabry-Perot-Resonator jeweils ein oder zwei verspiegelte Enden vorgesehen sind.
22. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb einer oder mehrerer Zungen mit freiem austretendem Licht eine Grube mit in Spiegelqualität freigeätzten Kristall-Ebenen vorgesehen ist.
23. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auslesesystem in Form von integrierten Photodetektoren oder optischen Fasern in Strahlrichtung des Lichtes vorgesehen ist.
24. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß unterhalb der Zunge bzw. der Zungen ein freigeätzter Durchflußkanal vorgesehen ist.
25. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Gruben und/oder Kanäle einschließlich der Zungen mit zugehörigen Lichtwellenleitern mittels eines homogen korrespondierenden Gegenelementes zu einem Kanal und/oder zu einer Hohlkammer zusammengeschweißt bzw. -gebondet sind.
26. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß neben dem als eigentlichem Sensor wirkenden Resonator eine zusätzliche freistehende Zunge oder Brücke für die Temperaturkompensation vorgesehen ist.
27. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Brücke integrierte Lichtwellenleiter in Form eines Fabry-Perot-Interferometers mindestens an einem seiner Enden verspiegelt ist.
28. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß einer oder mehrere freigeätzte Brückenresonatoren am Arm eines integrierten Mach- Zehnder-Interferometers vorgesehen sind.
29. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der mit Brückenresonatoren versehenen Arm des Mach-Zehnder-Interferometers als Bestandteil einer dünngeätzten Membran ohne oder mit einer angeordneten Masse vorgesehen ist.
30. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die optischen/mikromechanischen Sensoren zusammen in Form eines ausgedehnten Mikrosystems mit zugehöriger elektronischer Steuerung kombiniert sind.
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