FI98325C - Selektiivinen infrapunadetektori - Google Patents

Description

1 9G325

Selektiivinen infrapunadetektori

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen infrapunadetektori.

5

Keksintöä voidaan käyttää kaasujen, nesteiden tai kiinteiden aineiden optisissa pitoisuusmittauksissa IR-alueella.

Kaasun pitoisuutta on yleisesti mitattu infrapunasäteilyn absorption perusteella. 10 Mittausmenetelmät voidaan jakaa dispersiiviseen ja ei-dispersiiviseen menetelmään (NDER. = non-dispersive infrared). Dispersiivinen menetelmä perustuu hilan tai prisman käyttöön ja mittaukseen käytetään useita aallonpituuksia. Ei-dispersiivisessä menetelmässä käytetään laajempaa infrapunan spektrialuetta. Ei-dispersiiviset infrapuna-analysaattorit ovat rakenteeltaan yksinkertaisempia ja helppokäyttöisempiä. Mittauksen 15 aallonpituusalue on tavallisesti valittu kaistanpäästösuotimen avulla.

NDIR-menetelmää käyttävä mittauslaite koostuu tavallisesti seuraavista komponenteista: IR-lähde, mittauskanava, kaistapäästösuodin ja IR-detektori. Menetelmä on yleensä riittävän selektiivinen mitattavan aineen suhteen, mutta ongelmana on ollut 20 analysaattorien epästabiilisuus. Epästabiilisuutta aiheuttavat IR-lähteen vanheneminen, mittauskanavan likaantuminen sekä IR-detektorin herkkyyden muutokset. Ongelman eliminoimiseksi on käytetty mittausmenetelmää, jossa mittaus suoritetaan kahdella eri v aallonpituuskaistalla. Toinen kaista valitaan niitattavan kaasun absorption alueelta ja toinen (referenssikaista) sen vierestä. Tällöin joudutaan käyttämään kahta erillistä 25 kaistapäästösuodinta. Vaihtoehtona mittauslaitteen rakenteessa on, joko käyttää IR-detektorin edessä olevaa mekaanisesti vaihdettavaa suodinparia, tai kahta kiinteää • I « *;1; suodinta ja kahta erillistä IR-detektoria. Mekaanisesti vaihdettava suodinpari on • · · tavallisesti toteutettu pyörivän kiekon avulla.

• · • · • · · 30 Edellä esitetyn tekniikan haittana on mittalaitteen mekaanisen rakenteen monimutkaisuus ·· ja tästä johtuva mittalaitteen toteutuksen korkeahko hinta. Tavallisesti käytetty · ·· kaistanpäästösuodin on mittalaitteessa suhteellisen kallis erilliskomponentti. Pyörivän kiekon käytön haittana on sen suhteellisen lyhyt elinikä laakerien kulumisesta johtuen.

2 S6325

Lisäksi eri kaistanpäästösuotimet likaantuvat erilailla, mikä aiheuttaa mittaukseen virhettä. Kahden kiinteän erillisen kaistanpäästösuotimen ja IR-detektorin käytön haittana on IR-detektorien erilainen ikääntyminen ja kaistapäästösuotimien erilainen likaantuminen.

5

Viitteessä 1 on esitetty pintamikromekaniikalla valmistettu sähköstaattisesti moduloitava Fabry-Perot interferometri. Komponenttiin on integroitu valoilmaisimena toimiva fotodiodi, joka on saatu aikaan prosessoimalla p-n-liitos piisubstraattiin. Komponenteista on valmistettu interferometriarray, jossa yhden komponentin koko on vain 20x20 pm. 10 Käyttötarkoitus on valomodulaattori optisessa tiedonsiirrossa. Koska komponentissa käytetään valoilmaisimena piidiodia, ei sitä voida käyttää n. 1,1 pm pidemmillä aallonpituuksilla, mikä rajoittaisi oleellisesti sen mahdollista käyttöä pitoisuusmittauksissa. Käyttöä rajoittaa myös komponentin pieni pinta-ala, minkä vuoksi ilmaisimelta saatava signaali on liian heikko, eikä sitä voida käyttää NDIR-mittalaitteen 15 komponenttina.

Viitteessä 2 on esitetty piimikromekaniikalla valmistettu infrapunadetektori, joka toimii ns. Golay-kennon periaatteen mukaisesti, missä infrapunasäteilyn ilmaiseminen perustuu suljetussa kammiossa olevan kaasun termisen laajenemisen mittaamiseen. 20 Infrapunasäteily absorboituu kammion seinämässä olevaan ohueen membraanin, jonka terminen massa on hyvin pieni. Lämpö siirtyy membraanista suljetussa kammiossa olevaan kaasun, joka lämmitessään pyrkii laajentumaan ja saa aikaan membraanin liikkumisen. Membraanin liikkuminen mitataan piimikromekaniikalla valmistetun ohuen kärjen ja membraanin välisen tunnelointivirran avulla. Komponentti toimii optisesti 25 laajakaistaisena £R-ilmaisimena ja sen käyttö pitoisuusmittauksissa vaatisi erillisen . kaistapäästösuotimen.

« · · · • · · • · • · 1

Viittessä 3 on käsitelty ohuiden metallikalvojen käyttöä tennisten IR-detektorien • · absorptiomateriaaleina. Pelkkä ohut metallikalvo absorboi maksimissaan 50 % siihen 30 kohdistetusta IR-säteilystä. Absorptiota voidaan kuitenkin selvästi lisätä, kun käytetään sopivan taitekertoimen omaavaa substraattimateriaalia, joka on pinnoitettu ·· metallikalvolla. Tällöin IR-säteilyn aallonpituus vaikuttaa voimakkaasti absorption suuruuteen. Viitteessä 3 ei kuitenkaan esitetä ratkaisua, jossa absorptio olisi rajoitettu 3 98325 vain tietylle aallonpituuskaistalle. Pitoisuusmittauksissa vaaditaan tässäkin tapauksessa erillinen kaistapäästösuodin.

Mikromekaniikkaa on käytetty yleisesti termisten IR-detektorien valmistamiseen. 5 Menetelmät perustuvat detektorin aktiivisen, IR-säteilyä absorboivan osan termiseen eristämiseen käytetystä piisubstraatista. Aktiivisen osan lämpötilan muutos voidaan ilmaista rakenteeseen valmistetun termoparin, pyrosähköisen materiaalin, lämpötilaherkän vastuksen td piidiodin avulla. Kaikissa tunnetuissa rakenteissa detektorit ovat optisesti laajakaistaisia.

10 Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatun tekniikan puutteellisuudet ja aikaansaada aivan uudentyyppinen selektiivinen infrapunadetektori.

Keksintö perustuu siihen, että infrapunadetektoriin on kiinteästi yhdistetty 15 kaistanpäästösuodin. Lisäksi kaistapäästösuotimen spektrialuetta voidaan sähköisesti säätää ilman kuluvia liikkuvia osia. Kaistapäästösuodin on toteutettu pintamikromekaniikalla valmistetulla Fabry-Perot interferometrillä. IR-detektorin toiminta perustuu interferometriin absorboituneen IR-säteilyn aiheuttaman lämpötilan : ·' nousun ilmaisemiseen. IR-säteily absorboituu rakenteeseen ainoastaan Fabry-Perot 20 interferometrin läpäisykaistalla.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle IR-detektorille on tunnusomaista se, v : mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

25 Tunnettuun tekniikkaan nähden keksinnöllä saavutetaan huomattavia etuja.

Pitoisuusmittauksissa käytetty Fabry-Perot interferometri ja siihen liitetty terminen IR- **'; detektori on toteutettu täysin uudentyyppisellä ratkaisulla. Keksinnön mukaisessa • » • · ratkaisussa FPI:n ja termisen IR-detektorin muodostaa yksi piimikromekaniikalla • * • · ; * valmistettu komponentti.

·;·· 30 • ’· Piimikromekaniikalla toteutettu komponentti on massavalmisteisena halpa. Tunnetun tekniikan mukaisessa ratkaisussa joudutaan erilliset FPI- ja detektorikomponentit 5. r\ -/ o r- liittämään toisiinsa, mikä on hankalaa ja aiheuttaa lisäkustannuksia. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa ovat nämä vaikeudet ja kustannukset eliminoitu.

Erillisen FPI:n ja detektorin käytössä aiheutuu optisia häviöitä, kun FPI:n läpäisseen IR-5 säteilyn tulisi mahdollisimman hyvin kohdistua detektorin aktiiviselle pinnalle. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa ovat nämä optiset häviöt eliminoitu, minkä ansiosta IR-detektorin ilmaisevuus on parempi.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten 10 suoritusesimerkkien avulla.

Kuvio la esittää halkileikattuna sivukuvantona Fabry-Perot interferometriä, jonka peilit on toteutettu ohutkalvojen monikerrosrakenteena.

15 Kuvio Ib esittää yläkuvantona kuvion la mukaista Fabry-Perot interferometriä.

Kuvio 2 esittää graafisesti kuvioiden la ja Ib mukaisen rakenteen läpäisyspektriä.

Kuvio 3 a esittää halkileikattuna sivukuvantona keksinnön mukaista IR-säteilyä 20 absorboivaa kerrosta, joka on varustettu Fabry-Perot interferometrillä.

Kuvio 3 b esittää graafisesti kuvion 3 a mukaisen rakenteen absorptiospektriä.

Kuvio 4 esittää halkileikattuna sivukuvantona vaihtoehtoista keksinnön mukaista IR-25 detektoria, joka on varustettu Fabry-Perot interferometrillä.

···' Kuvio 5 esittää halkileikattuna sivukuvantona toista vaihtoehtoista keksinnön mukaista • · · • · • · *. . IR-detektoria, joka on varustettu Fabry-Perot interferometrillä.

• · • · • · 30 Kuvio 6 esittää kytkentäkaaviota kuvion 6 mukaisen detektorin ohjaamiseksi.

Kuvio 7 esittää yläkuvantona kolmatta vaihtoehtoista keksinnön mukaista IR-detektoria.

Il 5 9632α

Kuvio 8 esittää halkileikattuna sivukuvantona kuvion 7 mukaista IR-detektoria.

Fabry-Perot interferometrin (FPI) muodostaa kaksi vastakkain olevaa puoliläpäisevää peiliä. Kuviossa la ja Ib on esitetty yksi mahdollinen pintamikrotyöstön 5 valmistusmenetelmillä toteutetun FPI:n rakenne. Rakenteessa on yläpeilinä 1 ja alapeilinä 2 ohutkalvoista valmistettu monikerrosrakenne. Yläpeilin kalvokerrokset ovat: polypii, piidioksidi ja polypii. Alapeilin 2 rakenne on muutoin sama, mutta rakenteessa on yksi piidioksidikalvokerros lisänä. Peilien ohutkalvot voidaan kasvattaa CVD-menetelmällä heikosti seostetun piialustan 3 päälle, joka läpäisee hyvin IR-säteilyä. Peilien 1 ja 2 10 välissä oleva ontelo 4 on saatu aikaan etsaamalla uhrautuva kerros 5 pois yläpeilissä olevien reikien 6 kautta. Uhrautuva kerros 5 voi olla esim. piidioksidia.

Kun ohutkalvoista valmistetun peilin 1 tai 2 halutaan heijastavan mahdollisimman hyvin aallonpituudella λ, on kalvojen paksuuden oltava λ/(4 n) (n on kalvomateriaalin 15 taitekerroin). Peili heijastaa sitä paremmin, mitä enemmän kalvojen taitekertoimet eroavat toisistaan monikerrosrakenteessa. Kalvomateriaaleilta vaaditaan myös, että niiden absorptio halutulla FPI:n läpäisykaistalla olisi mahdollisimman pieni. Sopivia materiaaleja ovat esim. heikosti seostettu polypii, piidioksidi tai piinitridi.

20 Ohutkalvojen monikerrosrakenteen avulla toteutetun FPI:n läpäisyspektrin määrittäminen on esitetty viitteessä 4. Koko rakenteen läpäisy voidaan määrittää eri kalvokerrosten välisten heijastus-ja läpäisykertoimien avulla. Kuviossa 2 on esitetty kuvioiden la ja Ib . rakenteen laskettu läpäisyspektri.

25 Ideaalisen FPI:n läpäisykaistojen paikat voidaan likimäärin laskea seuraavan yhtälön perusteella ··· m • · · f «·« » « 1 2 1 . (1) 2d /m= λ 2 • · • m « 30 missä d on peilien välinen etäisyys, m kokonaisluku (FPI:n kertaluku). Kaavassa 1 on : ' oletettu, että peilien väliaineena on ilma. Kuvion la rakenteessa d = 2,1 pm, ja kertaluvun m = 1 läpäisykaista osuu noin 4,2 pm:n kohdalle. Pienemmillä aallonpituuksilla läpäisykaistat eivät osu kaavan 1 määräämille aallonpituuksille, koska 6 9 G 3 2 5 FPI:n peilien paksuudet on mitoitettu siten, että peilit heijastavat hyvin n. 4 μιη.η kohdalla. Tällöin kuitenkin heijastusominaisuudet heikkenevät pienemmillä aallonpituuksilla.

5 Koska kuvion la peilien yhtenä materiaalina on käytetty johtavaa polypiitä, voidaan peilien välille tuoda kontaktien 50 ja 51 kautta jännite. Tällöin peilien välille saadaan aikaan sähköstaattinen vetovoima, joka pyrkii taivuttamaan yläpeiliä 1 lähemmäksi alapeiliä 2. Kuvion la mukaisessa rakenteessa yläpeilin taipuva osa on etsausreikien 6 kohdalla. Tällöin etsausreikien 6 välissä oleva yläpeilin osa pysyy tasomaisena, kun 10 peilien välistä etäisyyttä muutetaan sähköstaattisen voiman avulla. Yläpeilin 1 tasomaista aluetta voidaan kutsua sen optisesti aktiiviseksi alueeksi. Peilien 1 ja 2 välisen jännitteen avulla voidaan säätää optisesti aktiivisen alueen ja alapeilin 2 välistä etäisyyttä ja kaavan (1) perusteella FPI:n läpäisykaistan aallonpituutta. Peilin optisesti aktiivisen alueen halkaisija voi olla 0,2 - 2 mm.

15

Kun Fabry-Perot interferometriä käytetään NDIR-mittalaitteessa valitaan yksi tai useampia kertaluvun m määrittämistä läpäisykaistoista ja muut läpäisykaistat Mokataan sopivien yli- ja alipäästösuotimien avulla. Yli- ja alipäästösuotimena voidaan käyttää : sopivasta materiaalista valmistettua absorbaattoria, jonka IR-säteilyn 20 läpäisevyysominaisuudet ovat sopivat. FPI:tä voidaan käyttää siten, että jännitteen avulla ;' muutetaan FPI:n läpäisykaistaa ja mittaus suoritetaan usealla aallonpituuskaistalla.

V 1 Kuviossa 3a on esitetty keksinnön mukainen rakenne, jossa suodattimena toimiva Fabry-

Perot interferometri on integroitu absorboivaan kerrokseen 7. Rakenne on sama kuin 25 kuviossa la lukuunottamatta ohutta metallikerrosta 7, joka osittain absorboi IR-säteilyä FPI:n läpäisykaistaa vastaavilla aallonpituuksilla. Absorptiomateriaalina toimiva ohut «t metallikerros 7 voidaan esim. höyrystää yläpeilin 1 päälle.

• « * « « • · • 0 0 0 ' 1 Koska metallikalvossa 7 vapaat varauksenkuljettajat aiheuttavat IR-säteilyn absorption, 30 voidaan absorptiominaisuudet määrittää metallikalvon 7 johtavuuden perusteella. Viitteessä J on esitetty kaavat, joilla voidaan määrittää kahden dielektrisen ' ·. · materiaalin välinen heijastuskerroin r ja läpäisykerroin t, kun materiaalien välissä on ohut metallikerros.

Il 7 nr 7 n f yoozo (2) r = (N2-N1+y)/(N2+N1+y) (3) t = 2 Nj / (N2+Ni+y) 5 missä y = 377 Ω/Rg , Rgon metallikalvon 7 neliövastus, N] ja N2 ovat dielektristen materiaalien kompleksiset taitekertoimet. Alaindeksi 1 viittaa siihen materiaaliin, josta IR-säteily on tulossa ja 2 siihen materiaaliin johon se on menossa. Kuvion 3a rakenteessa N2 = 1 (ilman taitekerroin).

10

Kuviossa 3b on esitetty kaavojen 2 ja 3 perusteella laskettu FPI:n absorptiospektri, kun Rg = 160 Ω. Kuvista 2 ja 4 voidaan havaita, että metallikalvon sisältävän FPI:n absorptiokaista osuu ilman metallikalvoa olevan FPI.n läpäisykaistan aallonpituudelle. Kun peilissä käytetty kalvomateriaali on esim. heikosti seostettua tai seostamatonta IS monikiteistä piitä, piidioksidia tai piinitridiä, ei niiden absorptio ole merkittävä aallonpituusalueella 1 ... 8 pm verrattuna metallikalvon aiheuttamaan absorptioon. Kuvion 3 b absorptiopiildn paikkaa voidaan moduloida sähköstaattisesti peilien välisen jännitteen avulla.

• 20 Rakenteessa käytettävä metallikalvo voi olla esim. kultaa. Tällöin 160 Ω:ϊη neliövastuksen arvoisen kalvon paksuus on vain noin 20 nm.

' ; Metallin sijasta voidaan absoboivan kalvon materiaalina käyttää myös esimerkiksi « · · "!! puolijohdetta tai polypiitä.

25

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa pystytään ilmaisemaan FPI:iin absorboituvan ER-säteilyn intensiteetti. Absorboitunut IR-säteily nostaa termisesti eristetyn peilin lämpötilaa ja lämpötilan nousu muutetaan termisen ilmaisimen avulla anturin • · · · ulostulojännitteeksi. Ulostulojännite on verrannollinen IR-säteilyn intensiteettiin FPI:n : *. 30 absorptiokaistalla. Keksinnön mukainen ratkaisu on täysin uudenlainen siinä suhteessa, .“· että piimikromekaniikalla valmistettu komponentti toimii sekä interferometrina että termisenä IR-detektorina.

g 9Cö2b

Tehokkaan detektorin aikaansaamiseksi on FPI:n peili tai peilit oltava termiseltä massaltaan mahdollisimman pienet, jotta absorboitunut IR-säteily aiheuttaisi mahdollisimman suuren peilin lämpötilan muutoksen. Lämpötilan muutoksen havaitsemiseen voidaan käyttää rakenteeseen integroituja termopareja, pyrosähköistä 5 materiaalia, lämpöherkkää vastusta tai Golay-kennon tyyppistä ilmaisua.

Yläpeilin termistä eristystä voidaan edelleen parantaa koteloimalla detektori hermeettisesti niin pieneen paineeseen, että kaasutäytteisen ontelon 4 lämmönjohtokyky on riittävästi pienentynyt.

10

Kuvion 3 a rakenteessa on absorboiva peili 1 termisesti eristetty substraatista 3 peilien 1 ja 2 välisen ohuen kaasutäytteisen ontelon 4 avulla. Ontelo 4 on hyvä lämpöeriste, vaikka sen paksuus olisi vain mikrometrien luokkaa. Kun absorboiva peili 1 on riittävän ohut, ei lämmön siirtyminen peiliä pitkin tukirakenteeseen 3 ole merkittävä lämmön 15 häviömekanismi.

Kuviossa 4 on esitetty vaihtoehtoinen rakenne, jossa kummankin peilin 1 ja 2 terminen massa on pieni. Rakenne on saatu aikaan yhdistämällä kappale- ja pintamikrotyöstömenetelmiä. Alapeilin 2 alla oleva piisubstraatti 3 on poistettu ": 20 aktiiviselta alueelta anisotrooppisen etsauksen avulla. Koska peilit 1 ja 2 ovat hyvin lähellä toisiaan ja niiden terminen massa on pieni, seuraa alapeilin 2 lämpötila absorboivan yläpeilin lämpötilaa. Kuvion 4 rakenteella saadaan kuitenkin aikaan suurempi lämpötilan muutos kuin kuvion 3a rakenteella, koska lämmön johtuminen ♦ · ♦ peileistä alustaan 8 on vähäistä, kun käytetyn piisubstraatin 3 paksuus on luokkaa 0,5 • ♦ 25 mm.

Kuviossa 5 on esitetty FPI, johon on integroitu Golay-kenno. Kenno toimii siten, että IR- .· säteily absorboituu metallikalvoon 9, joka lämmittää alapeilin 10. Alapeilistä 10 lämpö • · · · siirtyy suljetussa kammiossa 11 olevaan kaasuun. Kammiossa 11 oleva kaasu pyrkii .. 30 lämmitessään laajentumaan, mistä seuraa alapeiliin 10 kohdistuva paine, joka saa aikaan ”... alapeilin 10 taipumisen. Taipuminen havaitaan alapeilin 10 ja yläpeilin 12 välisen _· · kapasitanssin muutoksena, kun alapeiliin 10 kohdistuva paine saa aikaan ala- 10 ja yläpeilin 12 etäisyyden muuttumisen.

9 98325

Optisen käyttötarkoituksen lisäksi ylä- 12 ja alapeili 10 muodostavat rakenteessa kondensaattorin elektrodit ja suljetun kammion 11 paineen muutos aiheuttaa näiden elektrodien välisen kapasitanssin muutoksen. Ylä- ja alapeilin toisena kalvomateriaalina 5 käytetään sopivasti seostettua piitä, jotta elektrodeilla olisi sopiva johtavuus kapasitanssin mittausta varten. Peileihin 10 ja 12 saadaan sähköinen kontakti metallikontaktien 13 ja 14 kautta.

NDIR-mittalaitteessa Golay-kennoon kohdistuu tietyllä taajuudella pätkitty IR-säteily, 10 joka synnyttää kammioon 11 samalla taajuudella paineen vaihtelun eli äänen. Rakenteessa ääni ilmaistaan samalla lailla kuin kondensaattorimikrofonissa, mikrofonin elektrodit muodostaa tässä tapauksessa FPI:n peilit. Paineen vaihtelu saadaan muutettua kondensaattorimikrofoneissa käytetyn tunnetun tekniikan avulla ulostulojännitteeksi, joka on verrannollinen Golay-kennoon kohdistuneen IR-säteilyn voimakkuuteen FPI:n 15 absorptiokaistalla.

Kuvion 5 rakenteessa suljettu kammio 11 on saatu aikaan etsaamalla piialusta 15 alapeilin 10 alta pois anisotrooppisen etsin avulla ja liittämällä lasi 19 piimikromekaniikassa käytetyn liitostekniikan avulla piialustaan 15. Lasin 19 ja piialustan 15 väliin on 1:": 20 prosessoitu ohut ura 16, jonka kautta ympäristön hitaat painemuutokset siirtyvät myös kammioon 11, mikä estää paine-eron ympäristön ja kammion 11 välille. Ura on tehty niin •.' ·: pieneksi, ettei se läpäise IR-säteilyn kammioon 11 synnyttämää ääntä. Metallikalvo 9 on i saatu aikaan höyrystämällä ennen lasin 19 liittämistä. Alapeiliin 10 on prosessoitu urat • · ♦ ···* 17, joiden sisäpuolella on alapeilin 10 taipuva osa. Tästä on se etu, että alapeili 10 taipuu * ♦ '· 25 absorpoivan osan kohdalla tasomaisena, yhdensuuntaisena yläpeilin 12 kanssa.

Yläpeilissä 12 on etsausreikiä 18 niin tiheässä, että kaasu pääsee vapaasti virtaamaan peilien välissä olevan ontelon 11 ja ympäristön välillä. Tästä on se etu, että alapeilin 10 liike ei aiheuta peilien 10 ja 12 välissä olevan kaasun puristumista tai laajentumista, mikä • · · · .*;* aiheuttaisi alapeilin 10 liikkumista vastustavan voiman. IR-säteilyn ilmaisevuutta voidaan 30 parantaa kasvattamalla peilin pinta-alaa. Peilin optisesti aktiivisen osan leveys voi olla \. esim. 0,5 - 1 mm.

10 O - 7 o l

y c:· O z D

Kuviossa 6 on esitetty kytkentäkaavio yhdistetyn FPI:n ja Golay-kennon ohjausta varten, kun FPI:hin kohdistetaan moduloitua IR-säteilyä. Jännitelähteen 20 avulla saadaan FPI:n peilien välille polarisaatiojännite. Jännite on kytketty suuri ohmisen vastuksen 21 kautta FPI:n elektrodeille, minkä ansiosta elektrodien varaus pysyy likimäärin vakiona, kun 5 pätkitty IR-säteily saa aikaan FPI.n elektrodien välisen kapasitanssin muutoksen. Jännitesignaali vahvistetaan esivahvistimen 23 avulla. Peilien polarisaatiojännite aiheuttaa peilien välillä vetovoiman ja saa aikaan peilien välisen etäisyyden muuttumisen. Jännitelähteen 20 ulostulojännitteen arvo valitaan niin, että peilien välinen etäisyys vastaa haluttua interferometrin absorptiokaistaa.

10 FPI:stä on tehtävä sellainen, että peilien välinen etäisyys lepotilassa on selvästi suurempi kuin pitoisuusmittauksessa käytetyn aallonpituuden määräämä peilien välinen etäisyys, joka saadaan aikaan pienentämällä polarisaatiojännitteen avulla peilien välistä etäisyyttä. Mitä suurempaa polarisaatiojännitettä käytetään, sitä suurempi on Golay-kennosta saatu 13 jännitesignaali.

Käyttämällä sähköisesti ohjattua jännitelähdettä 20, voidaan pitoisuusmittaus suorittaa usealla eri aallonpituuskaistalla.

20 Kuvion 5 mukainen rakenne on esimerkinomainen, alan ammattimiehelle on selvää, että FPI:n monikerrospeilit 10 ja 12 voidaan toteuttaa monella eri tapaa. Kuvion S mukaista ;: rakennetta voidaan muuttaa myös siten, että metallikalvo 9 on yläpeilin 12 päällä, eli : ' yläpeili 12 on IR-säteilyä absorboiva osa. Tällöin on IR-säteily kohdistettava peileihin • · * •y’ alhaalta päin suljetun kammion Ilja lasin 19 läpi.

• · « ‘ 25

Tunnusomaista tälle keksinnölle on se, että IR-säteilyä absorboiva termisesti eristetty FPI:n peili on yhteydessä suljettuun kammioon, jossa oleva kaasu lämpiää IR-säteilyn , . absorboituessa peiliin. Edellä on esitetty yksi keksinnön mukainen ratkaisu, jossa FPT.n • 01 · .·; peilit muodostavat myös mikrofonin, jonka avulla suljetun kammion paineen vaihtelu • · ‘30 havaitaan. On myös mahdollista käyttää erillistä piimikromekaniikalla valmistettua ’... paineanturia, joka on yhteydessä suljettuun kammioon.

9 n 7 o jr οοζ,ϋ

Kuvioissa 7 ja 8 esitetyn termopatsasdetektorin toiminta perustuu useaan sarjaan kytkettyyn termopariin. Termoparin johtimet on liitetty toisiinsa detektorin “kuumassa” 28 ja “kylmässä” osassa 28 ja termoparista saatava jännite on verrannollinen liitoskohtien lämpötilojen erotukseen. Suuremman ulostulojännitteen aikaansaamiseksi on 5 termopatsasdetektorissa kytketty sarjaan useampi termopari.

Termopatsas IR-detektorin valmistaminen piimikromekaniikalla on tunnettua tekniikkaa. Sopivia materiaaleja termopareihin ovat esim. seostettu polypii ja alumiini .Viitteessä6 on esitetty termopatsas ER-ilmaisin, jossa p-/n-polypii termoparit on integroitu termisesti 10 eristettyyn monikerroskalvorakenteeseen.

Kuvioissa 7 ja 8 esitetyn Fabry-Perot interferometrin yläpeilin polypiikerrokseen on integroitu termoparisarja. Kuvio 7 esittää FPI:tä päältä katsottuna ennen suojakalvojen kasvatusta termoparien päälle. Kuviossa 8 on esitetty halkileikkaus valmiista rakenteesta. 15 Polypiikalvoon on seostettu p-tyyppinen johdin 24 ja n-tyyppinen johdin 25. Johtimet on eristetty toisistaan etsaamalla johtimien välissä oleva polypii pois. P- ja n-tyyppiset polypiijohtimet 24 ja 25 on liitetty toisiinsa höyrystettyjen alumiiniliuskojen 40 avulla. Liitoskohdat on ilmaisimen kuumassa osassa 26 ja kylmässä osassa 27.

“ 20 Kuvion 8 mukaisesti termoparien päälle kasvatetaan piidioksidista 30 ja polypiistä 31 ·.· : kalvokerrokset, jotka suojaavat rakennetta uhrautuvan kerroksen etsauksen aikana.

« »

Etsaus tapahtuu prosessoimalla aluksi etsausreiät 28 polypiikerroksen läpi.

: Sähköstaattisesti ohjattavan FPI:n yläpeilin taipuva osa on etsausreikien 28 ·«· ···* muodostaman neliön reuna. Kuvion 8 rakenteen päälle kasvatettavaan suojakerrokseen * » « 25 etsataan aukot termoparien kontaktia 32 varten.

FPI:n ohjausjännite tuodaan kontaktien 33 ja 34 kautta. Yläpeilin ensimmäinen t: polypiikerros 35 on seostettu riittävän hyvin johtavaksi hyvän kontaktin ··«· .·:* aikaansaamiseksi. Rakenteessa on termoparin kontaktin 32 ja yläpeilin kontaktin 34 ..' '30 välisen polypiin oltava seostamaton, jotta se olisi tarpeeksi hyvä eriste kontaktien välillä.

» » * • · « • · Ennen alapeilin kasvatusta on piisubstraatin 42 päälle prosessoitu metalliapertuuri 36, « « * _ _ joka läpäisee IR-säteilyä vain FPI:n absorboivan metallikalvon kohdalta. Tällöin yläpeiliin 12 98325 ei osu IR-säteilyä termoparien 24 ja 25 kohdalla. Termopareissa käytetty voimakkaasti seostettu polypii ja metalliliuskat 40 voivat absorboida IR-säteilyä ei-halutuilla aallonpituuksilla ja täten levittää FPI:n absorptiokaistaa. Metalliapertuuri 36 estää tämän haitan.

5

Rakenteen termisiä ominaisuuksia voidaan parantaa ohentamalla käytettyä piisubstraattia kuvion 4 mukaisesti. Jos rakenteessa tarvitaan metalliapertuuria kuten kuvion 8 rakenteessa, voidaan se toteuttaa liittämällä rakenteeseen lasi, johon on höyrystetty erillinen metalliapertuuri.

10

Rakenteesta saadaan ulostulojännite termoparien kontaktien 32 kautta. Ulostulojännite on suoraan verrannollinen absorboituneen IR-säteilyn intensiteettiin. Jännitesignaali joudutaan vahvistamaan pienikohinaisella esivahvistemella ennen signaalinkäsittelyelektroniikkaa, jonka avulla tutkittava pitoisuus määritetään.

15

Kuvioissa 7 ja 8 esitetty rakenne on esimerkinomainen. Alan ammattimiehelle on selvää, että termoparit ja monikerrospeilit voidaan toteuttaa monella eri tapaa. Tunnusomaista keksinnölle on se, että termoparit on integroitu toiseen termisesti eristettyyn FPI:n monikerrospeiliin, joka sisältää IR-säteilyä absorboivan kalvon.

20 FPI:n peilin lämpötilan nousun ilmaisemiseen voidaan käyttää myös lämpötilaherkkää

i I

vastusta. Vastusmateriaalina voi olla heikosti seostettu polypii, jolloin sen integrointi rakenteeseen on helppoa, kun yksi FPI:n peileissä käytetyistä materiaaleista on polypii.

«·· * * · * • · « · • __________ _____ 1 K.Aratani et ai., Surface Micromachined Tuneable Interferometer Array, The 7th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Transducers '93,678, Yokohama 1993 2 T.W. Kenny et al., Micromachined Election Tunneling Infrared Sensors, 3 S.Bauer et al., Thin Metal Films as Absorbers for Infrared Sensors, Sensors and Actuators A, 37-38 . (1993)497-501 4H.A.Macleod, Thin-film Optical Filters, Adam Hilger, Bristol, 1986 ,· V 5 S. Bauer et al., Thin Metal Films as Absorbers for Infrared Sensors, Sensors and Actuators A, 37-38 ’ \ , (1993)497-501

; ·. 6 R.Lenggenhager, H.Baltes, Improved Thermoelectric Infrared Sensor Using Double Poly CMOS

: ' Technology, The 7th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Transducers 93, ; " ’ 1008, Yokohama 1993 I « I ·

’ I

1(1 • » 1 t »

Claims (9)

13 9832b

1. Piimikromekaanisesti valmistettu infrapunadetektori, joka käsittää 5 - termisesti eristävälle alustalle (1) sijoitetun infrapunasäteilyä absorboivan kerroksen (7, 44), sekä - termiset ilmaisuelimet (11, 24, 25) absorboivan kerrokseen (44) 10 absorboituneen säteilyn määrän ilmaisemiseksi, tunnettu siitä, että - säteilyn kulkureitillä ennen absorboivaa kerrosta (7, 44) sijaitsee 15 piimikromekaanisesti valmistettu sähköisesti säädettävä Fabry-Perot interferometri (1, 2, 5), jonka toiseen peiliin (1, 2) absorboiva kerros (7, 44) on kiinteästi yhdistetty.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen infrapunadetektori, tunnettu siitä, että Fabry- • 20 Perot interferometri (1, 2, 5) on varustettu Golay-kennolla absorboivan kerrokseen (7, :.· · 44) kohdistuvan säteilyn ilmaisemiseksi. « · .1 .1 3. Vaatimuksen 2 mukainen interferometri, tunnettu siitä, että Fabry-Perot • «· • ••ϊ interferometrin (1, 2, 5) peilit muodostavat paineanturin elektrodit. • ·· ; 25

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen infrapunadetektori, tunnettu siitä, että Fabry- « · · • · · *··.· Perot interferometri (1, 2, 5) on varustettu termopari-ilmaisimella (24, 25) absorboivan • « · . · · · kerrokseen (7, 44) kohdistuvan säteilyn ilmaisemiseksi. • « ♦ ♦ · ♦ · ·

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen infrapunadetektori, tunnettu siitä, että :absorboiva kerros (7, 44) on sijoitettu Fabry-Perot interferometrin (1, 2, 5) yläpeiliin (1).

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen infrapunadetektori, tunnettu siitä, että alapeili että absorboiva kerros (7, 44) on sijoitettu Fabry-Perot interferometrin (1, 2, 5) alapeiliin (2). /n S \J Zl \J

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen infrapunadetektori, tunnettu siitä, että se Fabry-Perot interferometrin (1, 2, 5) peili, johon absorboiva kerros (7, 44) on yhdistetty, on 5 massaltaan pieni.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen infrapunadetektori, tunnettu siitä, että absorboiva kerros (7, 44) on polypiitä.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen infrapunadetektori, tunnettu siitä, että absorboiva kerros (7, 44) on metallia. • · • · · • · ·· • · · • · · • · · • · • · · • · · • •I « • · · • · · • · · 1 II I « · • · · • · · is 96325