DE4306240A1 - Neuartige IR-Strahler für integrierte IR-Sensorsysteme zur selektiven Detektion von Methan und anderen Gasen - Google Patents

Description

In der Patentanmeldung P 43 01 457.6 wird eine Erfindung vorgestellt, bei der ein Verfahren und Apparat zur Detektion von brennbaren Gasen - insbesondere Methan - beschrieben wird, die den Aufbau von kostengünstigen Gasschutzsicherungen (Explosionsschutzschalter) erlaubt.

Während bei Elektroinstallationen die Verwendung von elektrischen Schutzsicherung gesetzlich vorgeschrieben ist, fehlen vergleichbare Vorrichtungen und Vorschriften im Bereich der Gasinstallationstechnik und das, obwohl relativ häufig Explosionsunfälle mit tödlichem Ausgang verschiedenenorts aufgetreten sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, das in der Patentanmeldung P 43 01 457.6 vorgestellte Verfahren und den vorgestellten Apparat derart weiterzuentwickeln, daß die Selektivität für explosive Gase verbessert wird und die Herstellungskosten soweit verringert werden können, daß Explosionsschutzschalter vorteilhaft zu günstigen Preisen auf den Markt eingeführt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß durch den Einsatz von Mikrosystemtechniken miniaturisierte Gasdetektor-Systeme aufgebaut werden, die den physikalischen Effekt ausnutzen, daß mehratomige Gasmoleküle Lichtquanten mit Energien im Infrarotbereich absorbieren.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, bekannte Methoden der Makrooptik auf ein mikrooptisches System zu übertragen. Insbesondere wird vorgeschlagen, eine beheizbare Schicht (z. B. Polysilizium) mit einem Mikrogitter oder einer Mikrozonenplatte (Prinzip der Fresnelsche Zonenplatte) oder Echlettegitter zu bedecken.

Als besonders vorteilhaft erweist sich hierbei, das Prinzip von Gittermonochromatoren anzuwenden. Mittels Mikrosystemtechniken kann so ein neuartiger Strahler realisiert werden, der z. B. den integrierten Aufbau eines IR-Gitter-Gasspektrograph erlaubt.

Die Infrarotabsorptionslinien vieler Gase liegen im Bereich von 3-12 µm. Gitterabstände in diesem Bereich sind einfach zu realisieren. Im einfachsten Fall könnte eine Heizmäander mit entsprechendem Mäanderabstand als Gitter ausgelegt werden.

Die Heizmäander könnte mit Ag-Oxid beschichtet werden, so daß die Strahlungsintensität gegenüber den Zwischenräumen deutlich erhöht wird oder der Heizer wird im Pulsbetrieb betrieben. Alternativ sind auch geätzte Gitter, die über eine Polysiliziumheizschicht aufgebracht sind, verwendbar. Durch solche Anordnungen erhält man quasi Sinusgitter, die die breitbandige Temperaturstrahlung winkelabhängig in die kontinuierlichen Wellenlängenanteile zerlegen, vgl. Fig. 1. Die Wellenlängen im µm-Bereich ermöglichen eine Geometrie zu wählen, die große Beugungswinkel liefern, d. h. es sind kleine Abstände zwischen IR-Quelle und IR-Detektoren möglich.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß die abgestrahlte Temperaturstrahlung in die durch die Strukturierung festgelegte Raumrichtungen monochromatisiert ist.

Weiterhin ergibt sich bei diesen Maßnahmen als besonders vorteilhaft die Tatsache, daß gegenüber dem in der Anmeldung P 43 01 457.6 erläuterten Vorschlag gleichzeitig mehrere Gase selektiv nachweisbar sind, wenn eine entsprechende Anzahl mikrostrukturierter IR-Detektoren Thermosensoren oder pyroelektrische Elemente) an den jeweils unterschiedlichen Ablenkort der gebeugten IR-Primärstrahlung positioniert und deren Signale gemäß den Vorschlägen in P 43 01 457.6 ausgewertet werden, vgl. Fig. 1, 2 und 5.

In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung besteht der Strahler aus einer gitterförmigen Heizmäander, die auf einem Trägermaterial (z. B. Silizium oder Keramik) aufgebracht ist, wobei das Trägermaterial unter der Gitterstruktur möglichst dünn gewählt werden sollte, um einen möglichst hohen Wärmeleitfähigkeitswiderstand zu ereichen, vgl. Fig. 3a u. b. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß Gitter und Heizer (IR-Strahler) identisch sind (kostensparend). Wird eine solche Gitter- bzw. Heizmäander kontinuierlich oder pulsförmig betrieben, so stellt sich nach einer gewissen Zeit ein Gleichgewichtszustand der Temperaturverteilung ein, so daß die IR-Beugungseigenschaften verloren gehen bzw. an allen Ortspunkten wieder nichtmonochromatische Strahlung vorliegt. Je höher der Wärmeleitungswiderstand zwischen den Heizmäandern ist, desto länger bleiben die Beugungseigenschaften für IR-Strahlung erhalten. Durch pulsförmiges Heizen der Heiz- bzw. Gittermäander kann die Zeitdauer, in der die Gittermäander die Beugungseigenschaften beibehält, nochmals verlängert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Oberfläche der Heizmäander mit Materialien zu beschichten (z. B. mit Silberoxid), die die Schwarzkörperstrahlung der Mäander verbessern, vgl. Fig. 3c.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß auch im thermischen Gleichgewicht die Strahlungsintensität von Gitterheizmäanderoberfläche und Substratoberfläche zwischen den Mäandern hinreichend groß bleibt, um einen Beugungseffekt und damit eine Monochromatisierung zu erreichen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden geätzte Mikrostrukturen in Form von Gittern angelegt, denen eine Heizschicht von z. B. Polysilizium unterlegt wird, vgl. Fig. 4. Diese Ausgestaltung entspricht der schematisch dargestellten Anordnungen in Fig. 1b bzw. Fig. 2b.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß im Pulsbetrieb der IR- Quelle die Beugungseigenschaften aufgrund des höheren Wärmeleitfähigkeitswiderstandes deutlich länger erhalten bleibt, d. h. die selektive Messeigenschaften können besser ausgenutzt werden.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden neben Gitterstrukturen auch andere aus der makroskopischen Optik bekannte Elemente auf die mikrooptische Systeme übertragen, um z. B. IR-Strahlung in einzelne Wellenlängenanteile zu zerlegen. Si ist für IR-Strahlung im Bereich von 1-15 µm durchlässig. Durch eine beidseitige aber unterschiedlich dicke Metallbeschichtung läßt sich ein miniaturisiertes IR- Fabry-Perot Interferometer realisieren, das ebenfalls als schmalbandige IR-Quelle für das Mikrodetektionssystem eingesetzt werden kann, vgl. Fig. 7 a, b u. c.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Auflösung nahezu beliebig vorwählbar ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Oberfläche des IR-Strahlers als mikrostrukturiertes Echelettegitter ausgelegt, das durch eine Heizschicht beheizt wird, wobei jeweils eine Flanke der Dreieckstruktur beschichtet sein kann, vgl. Fig. 6.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Intensität der Strahlung am Ort der Detektoren deutlich erhöht werden kann, falls z. B. die 1. Ordnung der Beugungsmuster detektiert und ausgewertet werden.

In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen die in der Patentanmeldung P 43 01 457.6 schematisch dargestellten Anordnungen der Infrarotfilter zu erweitern, indem den dort angeordneten IR-Filtern IR-Gitter vor- oder nachgelagert werden, so daß beide Einheiten Filter und Gitter zu einer neuen selektiven Filtereinheit zusammengefast werden.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Selektivität für bestimmte Gase z. B. Methan verbessert werden kann.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen und in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählten Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1:

• a) Schematische Anordnung des aktiv geheizten Gitters (2) das unmittelbar auf einem Trägersubstrat (1) aufgebracht ist. An Orten an denen durch konstruktive Interferenz Beugungsmaxima auftreten sind mehrere breitbandige Infrarotdetektoren (3) so angebracht, daß jeder IR- Detektor nur von einem kleinen Bereich der Wellenlängenanteile erfaßt wird;
• b) wie a) jedoch sind hier Heizer (4) und Gitter (5) räumlich getrennt angeordnet.

Fig. 2:

• a) Schematische Anordnung eines speziellen aktiv geheizten Gitters, Zonengitter bzw. -platte (7), das unmittelbar auf einem Trägersubstrat (6) aufgebracht ist. An Orten, an denen durch konstruktive Interferenz Beugungsmaxima auftreten, sind mehrere breitbandige Infrarotdetektoren (3) so angebracht, daß jeder IR-Detektor nur von einem kleinen Bereich der Wellenlängenanteile erfaßt wird.
• b) wie a) jedoch sind hier Heizer (4) und Zonengitter (8) räumlich getrennt angeordnet.

Fig. 3:

• a) Schematische Ausführung eines aktiv beheizbaren Gitters (2), das auf einem Substrat (1) aufgebracht ist. Die Anschlußflächen (9) ermöglichen die Kontaktierung des Gitters.
• b) Draufsicht der Darstellung von a). Man erkennt die als Membran ausgelegte Struktur des Substrates (1).
• c) wie b) jedoch ist das Gitter (2) mit einer Beschichtung (10) versehen, die eine effektivere Abstrahlung der Schwarzkörperstrahlung gewährleistet.

Fig. 4:

Schematische Ausführung einer Anordnung gemäß Fig. 1b. Die Gitterstruktur (11) wird von breitbandige Infrarotstrahlung (14) durchstrahlt. Die breitbandige Infrarotquelle kann z. B. durch eine Polysiliziumheizschicht (13) realisiert werden, die in einem Siliziumsubstrat (12) prozessiert wurde.

Fig. 5:

Schematische Ausführung einer Anordnung gemäß Fig. 1a. Die Gitterstruktur (2) ist gemäß Fig. 3 ausgelegt. Oberhalb der Gitterstruktur sind mehrere Infrarotdetektoren (16) angebracht, die die durch Beugungs- und Interferenzeffekte an unterschiedlichen Orten abgelenkten Wellenlängenanteile gleichzeitig detektieren.

Gase, die zwischen der Gitterstruktur (2) und den Infrarotdetektoren (16) die gasartcharakteristische Wellenlänge ausblenden bzw. absorbieren, können so selektiv, quantitativ und gleichzeitig nachgewiesen werden.

Fig. 6:

Diese zeigt eine besondere Ausführung des aktiv beheizbaren Gitters gemäß der Anordnung in Fig 3a, b und c. Die beschichteten Flanken (18) dienen zur effektiveren und gerichteten Abstrahlung der Infrarotstrahlung. Durch z. B. einer Polysiliziumschicht (19) die in einem Siliziumsubstrat (17) prozessiert ist, läßt sich die Gitterstruktur (18) beheizen.

Fig. 7:

Diese zeigt die schematische Anordnung eines modifizierten Fabry-Perot-Interferomer-Prinzips als monochromatisierte Infrarotstrahlungsquelle.

• a) Der IR-Strahler besteht aus einer kristallinen Siliziumschicht (21), die zweiseitig mit einer Metallschicht (20) versehen wird. Dabei ist es vorteilhaft, die Metallschichtdicke unterschiedlich zu wählen, so daß auf der Rückseite ein geringeres Transmissionsvermögen als auf der Vorderseite erreicht wird. Zwischen der rückseitigen Metallisierung und der Heizschicht (23) ist eine Isolatorschicht (22) angebracht.
• b) wie a) jedoch ohne Heiz- und Isolatorschicht, da anstelle der kristallinen Siliziumschicht eine dotierte Polysiliziumschicht verwendet wird, die aktiv beheizbar ist und somit die Infrarotstrahlung bzw. Temperaturstrahlung bereits in der Polysiliziumschicht erzeugt wird.
• c) Auslegungsbeispiel einer Mehrfachanordnung gemäß a) oder b) bzw. a) und b).

Claims (10)

1. Verfahren und Vorrichtung zur selektiven Detektion von brennbaren und explosiven Gasen insbesondere Methan (Explosionsschutzschalter) gemäß der Patentanmeldung P 43 01 457.6,
wobei mikrostrukturierte Strahler, die monochromatisiertes Infrarotlicht (IR-Licht) in durch die Strukturierung festgelegte Raumrichtungen abstrahlen, verwendet werden,
wobei diese neuartigen Strahler zusammen mit mikrostrukturierten IR-Empfängern, bzw. IR-Empfänger-Arrays, z. B. in Gasdetektorsysteme nach dem Prinzip der Infrarotabsorption verwendet werden können, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß eine Leiterbahn (2) mäanderförmig auf einem Substrat (1) aus Silizium oder Keramik derart aufgebracht und angeordnet wird, daß diese bei Stromdurchfluß oder indirekter Beheizung Infrarotstrahlung im Bereich von 1 bis etwa 20 µm winkelabhängig aufgrund konstruktiver Interferenz abstrahlt. Dies kann z. B. durch eine gitterähnliche (2) oder zonenplattenähnliche (7) Anordnung der Mäander erreicht werden.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Substrates (1), der sich unterhalb der Mäander (2) befindet, gegenüber dem übrigen Substratteil z. B. durch Unterätzen verdünnt wurde.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mäanderstruktur derart beschichtet ist, daß die Infrarotstrahlungsintensität der Mäanderstruktur relativ zum Substrat weiter erhöht wird. Dies kann z. B. durch eine Beschichtung mit Silberoxid erreicht werden.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Mäanderstruktur (2) ein Array bestehend aus mindestens zwei Infrarotdetektoren gemäß (15, 16) derart angebracht ist, daß jeder Detektor des Arrays mit einem anderen Wellenlängenbereich des IR-Strahlers beaufschlagt wird.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß eine aktiv oder passiv beheizbare Heizschicht (13) unter einem Mikrogitter (11) oder einer Mikrozonenplatte (8) so angebracht ist, daß oberhalb des Mikrogitters an bestimmten Orten monochromatisierte Infrarotstrahlung auftritt.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß Dreieckstrukturen (Echelettegitter) auf einem Substrat (17) aufgebracht und mit einer Heizschicht (19) beheizt werden.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6), dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Flanke der Dreieckstruktur mit einem Material (18) z. B. Silberoxid beschichtet ist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß kristallines Silizium (21) zweiseitig mit einer Metallschicht (20) beschichtet ist, wobei die Metallisierung (20) unterschiedlich dick ausgelegt sein kann und die Anordnung von einer Heizschicht (23), die durch eine Isolationsschicht (22) von der Metallschicht (20) getrennt ist, beheizt wird, so daß monochromatisierte Infrarotstrahlung aus der anderen Metallschicht austritt.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß dotiertes Polysilizium (24) zweiseitig mit einer Metallschicht (20) beschichtet ist, wobei die Polysilizumschicht so kontaktiert ist, daß sie aktiv beheizbar ist.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8 und 9 dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtungen aus Anspruch 8 und 9 derart kombiniert werden, daß zwei Siliziumschichten, die mit einer Metallschicht (20) beschichtet sind durch eine Metallschicht (20) getrennt sind, wobei die Anordnung aktiv gemäß Anspruch 8 oder 9 beheizt werden kann.