Richi´s Lab

Hamamatsu C14272 - Fabry-Perot Interferometer

C14272 FPI

Hamamatsu ist eine 1953 gegründete japanische Firma, die sich auf photoelektrische Bauelemente spezialisiert hat. Darunter befinden sich auch sehr kleine Fabry-Perot Interferometer. Das C14727 befindet sich in einem TO-5 Gehäuse, deckt einen Wellenlängenbereich von 1350nm bis 1650nm ab und bietet eine Auflösung von 18nm.

Derartig kleine Interferometer ermöglich es mit kleinen, portablen Geräten Material- und Gasuntersuchungen durchzuführen. Unterschiedliche Stoffe reflektieren und absorbieren unterschiedliche Wellenlängen. So kann man Stoffe unterscheiden, die für das menschliche Auge gleich aussehen. Man kann derartige Sensoren auch für eine genaue Flammendiagnose nutzen.

 

C14272 FPI Kennzeichnung

Auf der Oberseite ist die Modellbezeichnung C14272 eingraviert. Die Ziffernfolge 9100115 enthält Informationen zum Produktionszeitraum und eine individuelle Seriennummer. Dieselben Informationen finden sich zusätzlich in der linken Punktmatrix.

 

C14272 FPI Datenblatt Funktionsweise

Das Datenblatt zeigt die Funktionsweise des Bausteins. Das einfallende Licht durchläuft einen Bandpassfilter, dessen Durchlasskurve sich mit einer externen Spannung einstellen lässt. Um die Bandbreite von 1350nm bis 1650nm zu überstreichen, müssen zwischen 10V und 27V angelegt werden. Die Auflösung beträgt 18nm. Eingeschwungen ist das System nach 1ms und die Einstellgenauigkeit liegt bei +/-2nm. Die Bestimmung der Amplitude der jeweiligen Wellenlänge erfolgt über eine PIN-Photodiode. Da die eingestellte Wellenlänge mit 0,2nm/°C schwankt besitzt der C14272 einen NTC, der eine Temperaturüberwachung der aktiven Elemente ermöglicht.

 

C14272 FPI Datenblatt Explosionszeichnung

Das Datenblatt enthält auch eine Explosionszeichnung. Demnach befindet sich das Photoelement auf einer Grundplatte. Der einstellbare Bandpassfilter sitzt auf zwei Abstandshalter über dem Photoelement. Über diesem Aufbau sorgt ein zusätzlicher Bandpassfilter dafür, dass keine Wellenlängen außerhalb des Messbereichs das Innere des Sensors erreichen.

 

C14272 FPI Datenblatt optischer Aufbau

Das Datenblatt beschreibt den optischen Aufbau sehr genau. Demnach beträgt der Durchmesser der Bohrung im Gehäuse 1,5mm, der Durchmesser des Filters beträgt 0,75mm und der Durchmesser des aktiven Bereichs der Photodiode beträgt 0,3mm.

Im unteren Bild sind zusätzlich die Höhen der optischen Elemente eingezeichnet. Das oberste Element, das Eintrittsfenster des Sensors, ist ein Borosilikatglas.

 

C14272 FPI erster Bandpass

C14272 FPI erster Bandpass

Das Borosilikatglas-Element ist ein in das Gehäuse eingeklebter, quadratischer Block.

 

C14272 FPI erster Bandpass

Die Bandpasseigenschaften ergeben sich mit Sicherheit durch die Beschichtung auf der Unterseite des Borosilikatglas-Elements. Dazu passt auch die Markierung im Datenblatt, die den Bandpassfilter ein deutliches Stück unterhalb des optischen Fensters einsortiert.

 

C14272 Datenblatt FPI erster Bandpass

Das Datenblatt enthält eine Durchlasskurve des Bandpassfilters, die zeigt, wie exakt der relevante Wellenlängenbereich aussortiert wird.

 

C14272 FPI Aufbau

C14272 FPI Aufbau

Entfernt man den oberen Teil des Gehäuses so zeigt sich, dass die Konstruktion gut mit der Beschreibung im Datenblatt übereinstimmt. Die Basis bildet eine Grundplatte, die mit Sicherheit aus Silizium besteht. Sie dient hauptsächlich als Trägerelement und leitet ansonsten lediglich zwei Potentiale. Auf zwei Stegen befindet sich der einstellbare Bandpassfilter. Der Filter wird direkt kontaktiert. Zwei Bonddrähte führen unter das Filterelement. Zwei Anschlusspins sind direkt mit dem Gehäuse verbunden.

 

C14272 FPI Security Ball

Bondverbindungen mit Golddraht werden meist im Ball-Wedge-Verfahren aufgebracht. Auf einer Seite wird aus dem Draht eine Kugel geschmolzen und diese auf das Die gebondet. Man führt dann den Draht zum zweiten Kontakt und presst ihn dort auf. Dieser Vorgang verschweißt den Draht mit der Oberfläche und schert ihn gleichzeitig ab.

Hier kam ebenfalls das Ball-Wedge-Verfahren zum Einsatz, allerdings wurde der Wedge danach noch mit einem sogenannten Security Ball fixiert. Dabei handelt es sich um einen zweiten, lokalen Bondvorgang, der einen Ball-Bond auf dem ersten Wedge-Bond hinterlässt und diesen stabilisiert. Der linke Wedge entsteht beim Abscheren des Bonddrahts im zweiten Bondvorgang.

 

C14272 FPI NTC

C14272 FPI NTC

Auf einer Seite des Aufbaus ist der NTC-Quader zu erkennen, mit dem sich die Temperatur der Konstruktion bestimmen lässt. Die Oberfläche ist vergoldet, damit sie sich optimal mit dem Bonddraht verbindet. Das untere Potential des Quaders führt die Grundplatte nach außen.

 

C14272 FPI Photodiode

C14272 FPI Photodiode

Das zweite Element, die Photodiode, befindet sich verständlicherweise direkt unter dem Filter und ist entsprechend kaum sichtbar.

 

C14272 FPI Datenblatt MEMS-Filter

Das Datenblatt des C14272 enthält eine verhältnismäßig ausführliche Beschreibung des einstellbaren Filters. Der optisch relevante Bereich befindet sich als Hohlraum in der Mitte der Struktur. Die obere und die untere Fläche des Hohlraums stellen halbdurchlässige Spiegel dar. Von oben eintreffendes Licht wird in diesem Hohlraum hin und her reflektiert, was abhängig von der Wellenlänge zu konstruktiver oder destruktiver Interferenz führt. Abhängig vom Abstand der Spiegel verlässt nur ein eng begrenzter Wellenlängenbereich das Filterelement nach unten.

Die untere und die obere Fläche des Hohlraums bilden einen Kondensator. Legt man an diesen Kondensator eine Spannung an, dann bewegt sich die obere Elektrode nach unten und die Höhe des Hohlraums ändert sich. So lässt sich über die angelegte Spannung der Durchlassbereich des Filters variieren. Es ergibt sich der gewünschte einstellbare Bandpassfilter. Dabei muss man das sogenannte Pull-in-Phänomen beachten. Ab einer gewissen Spannung stößt die obere Elektrode auf die untere Elektrode. Laut Hamamatsu muss man davon ausgehen, dass die obere Elektrode danach auch ohne anliegende Spannung in dieser Position verbleibt.

Der einstellbare Bandpassfilter ist ein MEMS, ein Mikro-Elektronisch-Mechanisches-System. Man baut den Filter zuerst massiv auf. Wo der Hohlraum entstehen soll, befindet sich eine sogenannte Opferschicht. Die Opferschicht wird danach durch Löcher in der Deckschicht aufgelöst und es bleibt der gewünschte Hohlraum.

Die Spiegel können auf unterschiedliche Arten dargestellt werden. Oftmals kommen Bragg-Resonatoren zum Einsatz, da sie sich gut mit den gängigen Prozessen herstellen lassen. Dabei werden abwechselnd Siliziumoxid und Polysilizium mit Schichtdicken von λ/4 übereinandergeschichtet. Ein derartiger Stapel wirkt für einen gewissen Frequenzbereich wie ein Spiegel. Beim C14272 kam diese Technik zum Einsatz. In der "Technical note - MEMS-FPI spectrum sensors, spectroscopic modules" von Hamamatsu ist dazu zu lesen "Silicon is used as the substrate that serves as an infrared-transmitting filter. The mirrors are designed as multilayered dielectric coatings of SiO2, SiN or Poly-Si, which are typical semiconductor materials."

Geht man davon aus, dass die Zeichnung die Realität korrekt abbildet, so ist die leitfähige Schicht in der Mitte, im optisch aktiven Bereich ausgespart.

 

C14272 FPI MEMS-Filter Datenblatt

Das Datenblatt zeigt wie sich die Durchlasskurve des variablen Bandpassfilters mit der angelegten Spannung ändert. Die Filter für größere Wellenlängen benötigen höhere Steuerspannungen. Da an die einzelnen Filter keine höheren Spannungen als die hier eingezeichneten angelegt werden dürfen, kann man davon ausgehen, dass es sich um unterschiedlich aufgebaute Filter handelt. Höchstwahrscheinlich ist bei großen Wellenlängen der Hohlraum höher, was physikalisch nur logisch wäre. Der größere Abstand der Elektroden erfordert dann natürlich eine höhere Spannung für die notwendige Auslenkung.

 

C14272 FPI MEMS-Filter

AP750-25 scheint die Bezeichnung des MEMS-Filters zu sein. Auf der Fläche befinden sich vier Bondpads, von denen zwei kontaktiert wurden. Bei genauerer Betrachtung kann man erkennen, dass die jeweils diagonal gegenüber liegenden Bondpads gleich aussehen. Links unten und rechts oben wird anscheinend eine tiefere Ebene kontaktiert, höchstwahrscheinlich die untere Elektrode des Kondensators.

Über eine große runde Fläche sind gleichmäßig sehr viele Punkte verteilt. Außerdem sind in der Mitte sechs Kreise mit einem Durchmesser von 0,8mm - 0,9mm zu erkennen.

 

C14272 FPI MEMS-Filter Detail

Die gleichmäßig verteilten Punkte haben einen Durchmesser von etwas weniger als 5µm. Höchstwahrscheinlich handelt es sich um die Löcher, durch die die Opferschicht aus dem Inneren herausgelöst wird. Es finden sich aber noch weitere Strukturen. Innerhalb der sechs großen Ringe sind zusätzliche, ebenfalls ringförmig angeordnete, minimal größere Löcher eingebracht (rot). Außerhalb der Ringe setzt sich ganz schwach eine weitere ringförmige Struktur ab (gelb).

Man kann nur spekulieren welchen Zweck die einzelnen Strukturen erfüllen. Die äußere Kante (gelb) könnte die Grenze der oberen Elektrode sein, falls die Zeichnung im Datenblatt die Realität derart genau abbildet. Die Ringe könnten dazu dienen den mittleren Bereich zu stabilisieren, damit die Spiegelfläche in allen Einstellungen möglichst plan bleibt.

 

C14272 FPI MEMS-Filter Detail

Die obere Elektrode des Filters ist derart dünn, dass eine leichte Berührung ausreicht, um die Struktur zu zerstören. Wie zu erwarten war, erstreckt sich der Hohlraum über die Fläche, auf der sich die kleinen Löcher befanden.

 

C14272 FPI MEMS-Filter Detail

Die ringförmig angeordneten, etwas größeren Löcher und die sechs Ringe finden sich auch auf dem Boden des Hohlraums. Es könnte sich um nicht funktionale Überreste der Bearbeitung handeln. Es könnte sich aber auch um Strukturen handeln, die die optischen Eigenschaften optimieren, zum Beispiel störendes Streulicht abschirmen oder ablenken.

 

C14272 FPI MEMS-Filter Detail

Entfernt man den Filter, so zeigt sich, dass auf der Unterseite eine kreisrunde Blende mit einem Durchmesser von 0,75mm aufgebracht wurde.

 

C14272 FPI MEMS-Filter Detail

Auf der Oberfläche des Ausschnitts sind weitere Strukturen zu erkennen. Der äußere Ring könnte beim Ausformen der Blende entstanden sein oder eine optisch aktive Beschichtung darstellen. Verwunderlicher ist der unregelmäßige Umriss im Inneren der Blende, der sich optisch kaum absetzt. Die Unregelmäßigkeit scheint gegen eine gewollte Struktur zu sprechen.

 

C14272 FPI Photodiode und NTC

Nach der Entfernung des variablen Bandpassfilters sind nun auch die Photodiode und der Temperatursensor besser zu sehen.

 

C14272 FPI Photodiode

Die Oberfläche der Photodiode ist erstaunlich unregelmäßig. Es handelt sich um eine auf InGaAs basierende PIN-Photodiode. PIN-Dioden besitzen zwischen der p- und der n-Dotierung einen nur sehr schwach dotierten Bereich. Das sorgt für eine verhältnismäßig breite Raumladungszone. Eine breite Raumladungszone erhöht wiederum die Quanteneffizienz, da von einfallendem Licht generierte Ladungen nur in der Raumladungszone ausgewertet werden können.

 

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