NO322368B1 - Infrarod deteksjon av gass - diffraktiv. - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelsen angår et interferensfilter, særlig for anvendelse ved gassdeteksjon med infrarødt lys innen et valgt område, omfattende minst to i det vesentlige parallelle og delvis reflekterende flater med en valgt innbyrdes avstand for derved 'a definere en kavitet avgrenset av de reflekterende flatene mellom hvilke lyset kan oscillere og der minst én av flatene er delvis transparent for transmisjon av lyset til eller fra kaviteten. Filteret omfatter et første transparent materiale med høy brytningsindeks, for eksempel silisium, plassert i det minste en vesentlig del av kaviteten, der den de minst en av de reflekterende flatene er brutt i et tredimensjonalt mønster med varierende forskyvning i forhold til planet, for derved å gi en posisjonsavhengig innbyrdes avstanden mellom de nevnte reflekterende flatene, og således posisjonsavhengige resonansforhold mellom disse for å skille ut forskjellige bølgelengder i lyset.

Description

Denne oppfinnelsen angår et interferensfilter, særlig for anvendelse ved gassdeteksjon med infrarødt lys innen et valgt område.

De fleste gasser absorberer infrarødt lys med fotonenergier som tilsvarer vibrasjons- og rotasjonsovergangene til gassmolekylet. Unntaket er gassmolekyler som består av to identiske atomer, slik som for eksempel oksygen (O2) og nitrogen (N2).

Ved måling av gasskonsentrasjon med infrarødt lys er det vanlig å gjøre to målinger av lyset som transmitteres gjennom gassen: En måling som blir påvirket (redusert) av gassabsorpsjonen, og en referansemåling som ikke påvirkes av gassen.

Som vist i figur 1, som viser transmisjon som funksjon av bølgelengde i området 4,5-5,0um, har det infrarøde spekteret til karbonmonoksid (CO) et nesten periodisk linjemønster. Flere andre gasser, deriblant metan (CH4), har lignende absorpsjonslinjer. Avstanden mellom linjene øker med økende bølgelengde, men er tilnærmet konstant innenfor et lite bølgelengdeintervall. For å måle konsentrasjonen av CO kan man bruke et oppsett som vist i figur 2. Lys fra en infrarød kilde 21 sendes via et kollimerende eller fokuserende speil 22 gjennom en gasscelle 23 og deretter gjennom et modulerbart filter 24, for eksempel en Fabry-Perot, og et fast båndpassfilter 25, og videre via et fokuserende speil 26 mot en detektor 27.1 dette oppsettet er det modulerbare filterets funksjon å skifte mellom to konfigurasjoner eller innstillinger. I den ene innstillingen transmitterer det lys i de spektrale båndene hvor CO transmitterer (korrelasjonsinnstilling) og i den andre innstillingen transmitterer det lys der hvor CO absorberer (anti-korrelasjonsinnstilling). På den måten er det mulig å veksle kontinuerlig mellom målinger som bruker de ulike innstillingene. Differansen mellom de to målingene vil være null når det ikke er CO tilstede i gasscellen, og øke med økende konsentrasjon av CO.

Ved å bruke et filter som er tilpasset enkeltlinjene i gasspekteret oppnås flere fordeler: 1) En gitt gasskonsentrasjon gir større relativ signalendring enn når man bruker et båndpassfilter..

2) Om det finnes andre gasser som absorberer i det samme bølgelengdeområdet, så vil disse ha minimal innvirkning, siden man reduserer følsomheten for gasser med forskjellige linjer innen samme

transmisjonsområde.

3) Endringer i kildetemperatur og andre forstyrrelser vil også påvirke begge målingene like mye.

For at dette skal virke, så må alt annet enn posisjonen til filterets linjer holdes konstant. Dette kan oppnås ved å la lyset følge så lik bane som mulig. Det er ønskelig at alt som påvirker målingene skal påvirke begge målingene like mye. I tillegg til andre gasser, så kan det være temperaturgradienter, skitt som avsettes på optiske flater, drift i forsterkerkretser, mekanisk stabilitet og så videre.

Det er vanskelig å lage et filter som passer perfekt overens med CO-linjene. En god tilnærming er et interferensfilter som består av to parallelle optiske flater med en avstand d mellom flatene, og en brytningsindeks n for mediet mellom flatene. Transmisjonen gjennom filteret blir nå en periodisk funksjon av bølgetallet v = IA, der X er bølgelengden. Perioden blir \ l2nd, der n er brytningsindeksen. Man kan nå velge avstanden d slik at perioden stemmer overens med CO-linjene på ett sted i spekteret. Når den optiske veilengden s = nd endres med en fjerdedel av bølgelengden: j±(As) = s ± X/ 4, vil man få den ønskede modulasjonen av filteret. Ved konstant brytningsindeks vil dette tilsvare en endring i tykkelse d±(& d) = d± k/ 4n. Når brytningsindeksen er 1, vil åd være omtrent 2,3 mikrometer.

Transmisjonen gjennom et interferensfilter i antikorrelasjonsmodus, tilpasset CO-spekteret, er<y>ist i Figur 1.

Ut fra senterbølgelengden vil det bli gradvis større og større avvik mellom filterlinjer og gasslinjer, som vist i figur 1. Ved å legge inn et båndpassfilter kan det benyttede området avgrenses.

Dersom mterferensfilteret skal bestå av parallelle speil med avstand som kan endres, er valg av optiske materialer mellom speilene svært begrenset: Luft, andre gasser, eller eventuelt et elastisk, transparent materiale. Det optiske materialet i interferensfilteret bestemmer hvor stor spredning i vinkel man kan ha på det innkommende lyset. Når vinkelen øker, så vil den effektive optiske veilengden minke for lyset som interfererer, og en spredning i innfallsvinkler vil gi en utsmøring av transmisjonsspekteret. Høy brytningsindeks gir lav brytningsvinkel inne i filteret (resonatoren, etalongen). Den maksimale tillatte vinkelen vil bestemme filterets etendue. Etendue er produktet av areal og romvinkel til lysbunten, altså hvor mye lys det er mulig å få gjennom systemet når strålingskilden har ubegrenset utstrekning. Det kan vises at for en gitt spektral oppløsning, så er etenduen proporsjonal med kvadratet av brytningsindeksen. Derfor vil det kunne gi mer enn 10 ganger mer lys om det brukes for eksempel silisium (n=3.4) i stedet for luft i resonatoren.

Utfordringen er å lage et interferensfilter med høy brytningsindeks, der man samtidig kan endre den optiske veilengden nok til å stille filteret inn i både korrelasjons- og antikorrelasjonsmodus.

Tidligere arbeid

Som nevnt over er bruk av Fabry-Perot-baserte filtere i for seg kjent innen en rekke sammenhenger, og silisiumbaserte løsninger for målinger av gasskomponenter med IR-målinger er beskrevet i internasjonal patentsøknad WO 96/21140 og US 5,646729, men ingen av disse drar nytte av den høye brytningsindeksen i silisium-materialet. De er også forsynt med tredimensjonale mønstre på den ene overflaten der den førstnevnte gir en fordeling av mikrolinser over overflaten. I begge tilfeller gis samme resonansforhold over hele Fabry-Perot-filteret. Andre eksempler på kjente løsninger er gitt i GB 2286041, WO 93/09422, EP 0693683, WO 98/14804 og WO 87/02470.

Prinsippet med å måle karbonmonoksid med et slikt interferensfilter, er i utgangspunktet beskrevet i US patent 3,939,348 fra 1974. Der er også nevnt muligheten for å lage et termisk modulerbart filter i et transparent optisk materiale, men silisium eller tilsvarende er ikke nevnt.

Det er kostbart å lage et mekanisk interferometer, og denne målemetoden har derfor vært uegnet for rimelige, masseproduserte CO-sensorer til bruk i blant annet brannalarmer for hjemmemarkedet, og prosesstyring av forbrenningsovner.

Omkring 1990-tallet gjorde Michael Zochbauer noen forsøk med oppvarming av en silisiumskive for å endre den optiske veilengden [Zochbauer, artikkel]. På denne måten blir interferensfilteret en billig komponent. Oppvarmings- og nedkjølingssyklusen viste seg å være langsom og energikrevende. Det er heller ikke enkelt å oppnå uniform temperatur over hele skiven.

Det er derfor et formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe et interferensfilter med maksimal lysgjennomgang som også muliggjør korrelasjons- og antikorrelasjonsmålinger under så like forhold som mulig, for eksempel ved raskt å kunne koble mellom to interferensforhold, eller eventuelt å kunne overvåke disse samtidig.

Disse formålene oppnås ved et justerbart filter som angitt i det selvstendige krav 1.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet mer i detalj nedenfor med henvisning til de vedlagte tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler. Figur 1 illustrerer som nevnt transmisjons-spekteret for CO, og for et Fabry-Perot- filter. Figur 2 illustrerer som nevnt et vanlig oppsett for utførelse av gassmålinger i

henhold til den kjente teknikk.

Figur 3 illustrerer en foretrukket utførelse av oppfinnelsen i utstyrt med et

diffraktivt filter.

Figur 4 og 5 illustrerer prinsippet ved det diffraktive filteret i figur 3.

Figur 6 illustrerer en utførelse av oppfinnelsen som kan brukes som båndpassfilter. Figur 7A.7B illustrerer en detalj av en alternativ utførelse av den foreliggende

oppfinnelsen, samt den optiske ekvivalenten til denne utførelsen.

Figur 8 illustrerer utførelsen i figur 6 mer i detalj utstyrt med en diffraktiv linse .

Figur 9 illustrerer en mikromekanisk utførelse av oppfinnelsen.

Figur 10 illustrerer anvendelsen av løsningen i figur 6.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Figur 3 viser prinsippet for den foreliggende oppfinnelsen. Silisiumskiven 1 er delt inn i et mosaikkmønster (bare vist fire ruter) der den optiske veilengden gjennom rutene A er en kvart bølgelengde lenger enn gjennom rutene B. I stedet for å modulere filteret, bruker man nå to ulike interferensfiltre, der lyset blir fordelt avhengig av hvilket filter det har passert gjennom. Mosaikkmønsteret skal gi mest mulig jevn fordeling av lyset mellom A- og B-filtre, for å unngå systematiske feil som følge av for eksempel ujevn fordeling av gass i strålegangen. Figuren viser altså fire av mosaikkrutene som definerer to forskjellige kavitetslengder på Fabry-perot-filteret, men et større antall kan selvsagt også tenkes. Proporsjonene i figuren er overdrevet av illustrasjonshensyn. Lyset som kommer fra kilden S og fordeles mellom deler av substratet med ulike tykkelser A,B, slik at man oppnår en parallell og samtidig filtrering av lysstrålen som passerer filteret. Normalt vil det være to ulike tykkelser, som i figuren. Man kan filtrere ut forskjellige bølgelengder, eller sett med bølgelengder, i samme lysstråle i forskjellige posisjoner i interferensfilteret. Disse forskjellige bølgelengdene kan deretter skilles ut ved andre typer filtrering, slik at man får en samtidig måling ved flere sett av bølgelengder.

De delvis reflekterende, delvis transmitterende flatene på materialet kan lages på en rekke forskjellige måter, men ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen består disse ganske enkelt av plane og i det vesentlige parallelle overflater mellom luft og silisium, hvilket gir en reflektans på ca 0,3. Dersom man ønsker bedre finesse eller ønsker å legge materiale utenpå den reflekterende flaten kan andre i og for seg kjente teknikker brukes for å danne reflekterende flater. Videre kan andre materialer, som germanium, brukes som alternativ til silisium. Dette har høyere brytningsindeks enn silisium og vil kreve andre i og for seg fagmessige tilpasninger.

På overflaten av skiven i figur 3 er det dessuten en foretrukket utførelse av oppfinnelsen der det er anordnet et diffraktivt mønster som fokuserer lys som har passert gjennom tynne B filtre til ett punkt D2 og fra tykke A filtre til et annet punkt Dl. Andre løsninger for å skille lyset ved de forskjellige bølgelengdene kan også tenkes, som et vippespeil, en anordning for å flytte detektoren vekselvis mellom de to fokalpunktene eller en maske for å skille ut lyset fra en del av mosaikkmønsteret om gangen. Signalforskjellen vil nå avhenge av om CO er tilstede, slik at man får et tilsvarende system som for det termisk eller mikromekanisk modulerbare filteret.

Den konstruksjonsmessige utfordringen er at filteret må se ut som en optisk resonator fra innsiden. Det vil si at selv om det legger på et fokuserende diffraktivt mønster på utsiden, så må faseforsinkelsen ved en innvendig refleksjon være uavhengig av posisjon, altså som for et speil.

Når man bruker en diffraktiv linse eller gitter til å separere lys fra ulike posisjoner på interferensfilteret har man også en mulighet for å legge inn en ytterligere bølgelengdeavhengig filtrering ved å utnytte dispersjonen i filteret. Dette er i og for seg kjent.

Figur 4 viser et transmisjonsfilter der den indre fasebetingelsen er oppfylt. Samtidig oppnås et passende sett med tre ulike faseforsinkelser som kan benyttes som diffraktiv linse. Dermed har man altså et diffraktivt mønster med tre ulike høyder i to trinn Hl ,H2, slik at lyset som reflekteres fra disse tre nivåene på overflaten 11 har tre forskjellige faseforsinkelser R1,R2,R3 når det når inngangsoverflaten 12. Høyden til hvert trinn er halve bølgelengden delt på brytningsindeksen til silisium (n=3,427), dvs. omtrent 670-690 nm avhengig av hvor i CO-spekteret man legger seg. Da blir faseforsinkelsen ved intern refleksjon null, en eller to bølgelengder, avhengig av den lokale høyden på mønsteret. Det lyset som går ut av silisiumskiven T1,T2,T3 far en faseforsinkelse på 0, 0,29 eller 0,64 bølgelengder for de tilsvarende høydene. Dette gjør det mulig å lage en diffraktiv linse med virkningsgrad mellom 0,6 og 0,7.

I tillegg kommer høydeforskjellen mellom de ulike delene av mosaikken, illustrert i figur 5, som i det viste tilfellet er halvparten av trinnhøyden i det diffraktive mønsteret, dvs. ca. 340 nm, slik at man får totalt seks nivåer. I figur 5 illustreres hvordan hver del av mosaikken er forsynt med et diffraktivt mønster for å styre lysstrålene. Økes den optiske veilengden gjennom skiven med en kvart bølgelengde, forskyves linjemønsteret med en halv periode. Høydeforskjellen mellom delene av mosaikken kan etses på den ene eller andre siden av skiven. I figuren vises det diffraktive mønsteret som repeterende, men dette kan utføres på en rekke forskjellige måter som linser eller som gitteret.

Den ene delvis reflekterende flaten kan også være et begravet skikt med diffraktivt mønster utenpå, som vist i figur 6. Da bør det diffraktive mønsteret ha et antirefleksbelegg. I figur 6 er filteret en kombinasjon av et Fabry-Perot-filter og diffraktivt relieffmønster som også kan brukes som båndpassfilter.

Mønsteret kan lages ved hjelp fotolitografl, resistmaske, og Deep Reactive Ion Etching (DRIE), eller tørretsing. Tørretseprosessen består kort forklart av to elektroder som danner et elektrisk felt. En gass pumpes inn i feltet, og ioner akselereres mot overflaten som skal etses. De akselererte ionene dominerer over radikalene i rekombineringen, og man oppnår en anisotrop etseprofll.

Standard toleranser for skivetykkelser er sannsynligvis ikke gode nok til at filterlinjene umiddelbart kan treffe rett på CO-linjene. I tillegg varierer den optiske tykkelsen varierer med temperatur, men dette kan også utnyttes. Ved å varme opp skiven til en konstant temperatur, som er større enn maksimal omgivelsestemperatur, kan man oppnå den optiske tykkelsen man ønsker. Ulempen er at hver sensor må kalibreres, og at det går med energi til oppvarmingen.

I figur 7B illustreres et kalibrerbart interferensfilter som består av to silisiumskiver som kan utgjøre et alternativ eller tillegg til varmekalibreringen. Den dominerende interferensen er mellom de to overgangene 2 mellom silisium og luft. På den andre siden av skivene har man lagt et antireflekslag 3. Dette gjør at interferensfilteret vil fungere/se ut som en enkel silisiumskive slik som illustrert i figur 7A, bortsett fra at man nå har et "usynlig" hulrom. Ved å endre hulrommet, dvs. avstanden mellom skivene, endres total optisk veilengde mellom de flatene 2 som interfererer. Da kan filteret stilles inn i både korrelasjons- og antikorrelasjonsmodus. Dermed oppnås fleksibiliteten til et interferometer som benytter hulrom og speil, samtidig man oppnår fordelene som silisiummaterialet gi, det vil si høye innfallsvinkler og redusert total tykkelse. Den reduserte tykkelsen og korte hulromsavstanden gjør det enkelt å lage parallelle flater.

Hulrommet trenger bare å være så stort at det er praktisk mulig å endre det en avstand i området til ) J2, avhengig av toleransen og stabiliteten til den aktuelle utførelsen, og vil normalt innholde luft, men kan fylles med et fleksibelt materiale, for eksempel et gel med valgt brytningsindeks for å øke effektiviteten til filteret.

Antireflekslaget kan bestå av ett eller flere lag med ulike brytningsindekser. Dette er i og for seg velkjente teknikker og vil ikke bli beskrevet i detalj her, men en løsning kan være et 0,65 um tykt lag med SiO når lyset har en bølgelengde omkrin 4,75 um. Det viktigste er at det har minimal refleksjonskoeffisient for det aktuelle bølgelengdeområdet. Den resterende refleksjonskoeffisienten vil påvirke de to målingene ulikt.

I figur 8 vises hvordan løsningen i figur 7 kan utføres med en diffraktiv linse 8 med samme oppbygning som gitteret i figur 6 men med et luftgap foran det begrevde delvis reflekterende laget. Linsen, som er innrettet til å fokusere lys mot et punkt 9, kan deles opp på i mosaikkmønsteret slik at de delene tilsvanrende samme nivå utgjør deler av sammelinse og fokuserer mot samme punkt.

Figur 9 er en skisse av hvordan filteret er tenkt implementert med utgangspunkt i en prosess basert på i og for seg kjente teknikker for skive-bonding og polering. Som det fremgår utgjøres her filteret av et substrat med en skive 9 som holdes ved en bestemt avstand over substratet 7. Ved å påtrykke en elektrisk spenning mellom silisiumskiven 6, som utgjør den ene reflektoren 2 og det transparente materialet i filteret, og det underliggende substratet 7 med den andre reflektoren, vil man kunne regulere avstanden mellom disse ved elektrostatisk tiltrekning. Dermed kan tykkelsen på hulrommet endres på en enkel måte. I figur 9 inngår elektroder 5 for påtrykking av et potensial mellom delene. Siden filteret fortrinnsvis er transmitterende er det også utstyrt med et antireflekslag på undersiden av substratet, som også er laget i et transmitterende materiale, fortrinnsvis silisium. I figur 9 er dimensjonene i de forskjellige retningene ute av proporsjoner i forhold til en praktisk realiserbar utførelse, dette av hensyn til illustrasjonen. Denne løsningen er beskrevet mer i detalj i samtidig innleverte norsk patentsøknad nr 2005.1851 som inkluderes her ved referanse.

Som det fremgår av figur 10 vil det diffraktive mønsteret gi fokusering mot et punkt, der fokus avhenger av bølgelengden til lyset. På den måten kan man separere de enkelte bølgelengdene i spekteret slik at båndpassfilteret vist i oppsettet i figur 2 blir unødvendig. I praksis vil derfor de forskjellige delene av dette kunne ha forskjellige diffraktive mønstre, fortrinnsvis slik at deler med samme kavitetslengde på Fabry-Perot interferometeret har samme type diffraktivt mønster, for å skille ut sitt bølgelengdeområde. Diffraktive linser er en del av den kjente teknikk og er diskutert i internasjonal patentsøknad WO 02/44673.

Claims (7)

1. Interferensfilter, særlig for anvendelse ved gassdeteksjon med infrarødt lys innen et valgt område, omfattende minst to i det vesentlige parallelle og delvis reflekterende flater med en valgt innbyrdes avstand for derved å definere en kavitet avgrenset av de reflekterende flatene mellom hvilke lyset kan oscillere og der minst én av flatene er delvis transparent for transmisjon av lyset til eller fra kaviteten,karakterisert vedat filteret omfatter: et første transparent materiale med høy brytningsindeks, for eksempel silisium, plassert i i det minste en vesentlig del av kaviteten, der den de minst en av de reflekterende flatene er brutt i et tredimensjonalt mønster med varierende forskyvning i forhold til planet, for derved å gi en posisjonsavhengig innbyrdes avstanden mellom de nevnte reflekterende flatene, og således posisjonsavhengige resonansforhold mellom disse for å skille ut forskjellige bølgelengder i lyset.

2. Filter ifølge krav 1, omfattende et ytterligere tredimensjonalt mønster ved minst én av de reflekterende flatene, hvilket mønster er innrettet til å tilveiebringe et diffraktivt gitter for diffraksjon av minst to bølgelengder i minst to retninger.

3. Filter ifølge krav 2, der det diffraktive mønsteret er innrettet til å utgjøre en diffraktiv linse for fokusering av lys med forskjellige bølgelengder mot forskjellige punkter.

4. Filter ifølge krav 1, der avstandsmidler er anordnet mellom det transparente materialet og minst en av de reflekterende flatene innrettet til å definere en avstand og dermed et hulrom mellom det første transparente materialet og minst én av de reflekterende flatene, og en justeringsanordning for regulering av denne avstanden og dermed tilveiebringe et hulrom med minst én valgbar dimensjon, og i grenseflaten mellom det transparente materialet og hulrommet minst et lag av materiale med en brytningsindeks som skiller seg fra hulrommets og det transparente lagets brytningsindekser, og med en tykkelse som på i og for seg kjent måte er valgt for å redusere reflekser ved nevnte grenseflate innen det valgte bølgelengdeområdet.

5. Filter ifølge krav 4, der den første reflekterende flaten utgjøres av den ene siden på nevnte første transparente materiale, at de refleksreduserende lagene er plassert på motsatt side i forhold til dette og at den andre reflekterende flaten er plassert på et bærermateriale på motsatt side nevnte hulrom.

6. Filter ifølge krav 5, der filteret er utført i en mikromekanisk silisium-enhet der det nevnte første transparente materialet utgjøres av en skive som strekker seg over den andre reflekterende flaten, slik at den første reflekterende flaten er på oversiden av bjelken og det/de refleksjonsreduserende laget(ne) er plassert på undersiden av bjelken.

7. Filter ifølge krav 6, omfattende tilkobling for en spenningskilde og elektriske ledere tilknyttet hver at de to reflekterende flatene, for derved å kunne endre avstanden mellom disse elektrostatisk.