NL9201933A - Microcuvet voor infraroodspectroscopie. - Google Patents

Description

Microcuvet voor infraroodspectroscopie.

De uitvinding heeft betrekking op een cuvet voor de infrarood spectroscopie met een intree- en uittreevenster, ten minste een monstervolume en een afstandhouder. De infraroodspectroscopie is een eenvoudige en met behulp van de Fouriertransformatietechniek ook een snelle methode om de samenstelling van materialen te karakteriseren.

Bij deze methode worden in het te onderzoeken materiaal door middel van infrarood licht met een golfgetal in het —1 —1 gebied van 250 cm tot 7000 cm molecuultrillingen ge ëxciteerd en de absorptiemaxima gemeten.

Door vergelijkende metingen aan stoffen en aan op soortgelijke wijze samengestelde, bekende stoffen kunnen uit de verandering van de positie en de hoogte van de absorptiemaxima conclusies worden getrokken in verband met de te onderzoeken stof.

Zeer vaak 2ijn evenwel de door een dergelijke meting verkregen relatieve gegevens niet voldoende. Om een absolute uitspraak te kunnen doen, moeten de absorptiedoorsneden van de van belang zijnde molecuultrillingen worden gemeten. Hiertoe zijn meetseries nodig, waarbij de absorptie aan monsters van verschillende dikte wordt bepaald.

Des te hoger de absorptie van de te onderzoeken stof is, des te kleiner moet de monsterdikte worden gekozen, om voldoende intensiteiten na transmissie van de infraroodstralen te verkrijgen.

Voor infrarood spectroscopiemetingen aan vloeistoffen worden op de markt cuvetten met verschillende spleetbreedtes aangeboden, alsook cuvetten met variabele cuvetspleet. Evenwel zijn op de markt geen cuvetten verkrijgbaar met een kleinere spleetbreedte dan 25 μια.

Bij veel stoffen is de absorptie door de van belang zijnde molecuultrillingen zo sterk, dat bij deze spleetbreedte bij doorgang door de cuvet geen voor de bepaling voldoende signaal wordt getransmitteerd.

Voor dit nadeel van de bestaande cuvetten werd tot nog toe gecompenseerd doordat de te meten stof verdund wordt in een oplosmiddel, dat in het van belang zijnde ' golfgetalgebied slechts een geringe absorptie vertoont.

Vanwege wisselwerkingen tussen het oplosmiddel en de te onderzoeken stof kunnen evenwel dipoolmomenten en de bewegingsvrijheid van de te meten molecuultrillingen worden veranderd en daardoor de positie en sterkte van de absorptie worden vervalst. Het is daarom gewenst de metingen in plaats van in oplossingen uit te voeren aan de zuivere stof zelf.

Bovendien vertonen de bestaande cuvetten het nadeel, dat de infrarood-doorlatende vensters of zeer gevoelig voor de vochtigheid in de lucht en/of mechanische belasting zijn en/of zeer duur.

Aan de uitvinding ligt nu het doel ten grondslag een cuvet te verschaffen, die ongevoelig is ten opzichte van de vochtigheid van de lucht en mechanische belasting, en die met verschillende en voldoende geringe spleetbreedte op economische wijze kan worden vervaardigd.

Daartoe voorziet de uitvinding in een cuvet, zoals omschreven in de aanhef, met het kenmerk, dat het intree- en het uittreevenster uitgevoerd zijn als schijven van hoog-ohmig silicium, dat de afstandhouder een op de eerste schijf aangebrachte laag van siliciumdioxyde is, welke een als monstervolume dienende, door de laag omgeven uitsparing vertoont, en dat de tweede siliciumschijf twee openingen vertoont, die uitmonden in de uitsparing van de siliciumdioxydelaag, en dat de tweede siliciumschijf vast verbonden is met de siliciumdioxydelaag.

De cuvet volgens de uitvinding vertoont een intree- en een uittreevenster van hoog-ohmig silicium. Dit materiaal behoort door de toepassing in de micro-elektronica tot de meest onderzochte materialen. Er staan goede vervaardigings-en bewerkingsmethoden ter beschikking. Het materiaal is ongevoelig voor vochtigheid en kan mechanisch sterk wordt belast. Het vertoont een transmissiegebied voor elektromagnetische golven met een golfgetal in het gebied van 33 -1 -i cm tot 8.300 cm en is daardoor geschikt voor de infrarood spectroscopie.

De, de spleetbreedte bepalende afstandshouder tussen de vensters is een siliciumdioxydelaag, die bijvoorbeeld door middel van epitaxie op één van de siliciumschijven wordt aangebracht. Daardoor kan de spleetbreedte uiterst klein gehouden worden en in een breed gebied worden gevarieerd.

De siliciumdioxydelaag vertoont een uitsparing, die dienst doet als monstervolume. De siliciumdioxydelaag is vast verbonden met de tweede siliciumschijf. Als toevoer- en afvoeropening voor de te onderzoeken stof dienen twee doorgaande openingen in de siliciumschijf, die zodanig zijn aangebracht, dat ze na het samenvoegen met de siliciumdioxydelaag uitmonden in de uitsparing van deze laag. Na het vullen van het monstervolume met de te onderzoeken stof worden de openingen gesloten.

Nadere ontwikkelingen en verdere uitvoeringen van de uitvinding zijn omschreven in de volgconclusies.

Bij een bijzonder voordelige verdere uitvoering volgens conclusie 2 vertoont de siliciumdioxydelaag meerdere, van elkaar gescheiden uitsparingen. Daardoor wordt een cuvet verkregen, die meerdere monstervolumina vertoont, die alle exact dezelfde spleetbreedte vertonen. Deze cuvet is in het bijzonder geschikt voor het gelijktijdig meten aan verschillende stoffen.

Zoals boven reeds vermeld, kan de dikte van de siliciumdioxydelaag worden gevarieerd in een ruim gebied. Volgens conclusie 3 vertoont de laag bij voorkeur een dikte van 0,2 tot 20 μια. Met deze laagdiktes verkrijgt men cuvetten met een kleine spleetbreedte, zoals deze tot nog toe niet beschikbaar waren.

Volgens conclusie 4 wordt de tweede, als venster dienende siliciumschijf met de siliciumdioxydelaag verbonden door middel van siliconwafer-bonding. Er wordt derhalve een in de microstruktuurtechniek vertrouwd proces gebruikt, dat leidt tot een mechanisch sterk belastbare en absoluut dichte verbinding. Een aldus vervaardigde cuvet is bestendig tegen extreme mechanische belastingen en is ook geschikt voor vloeistoffen met een extreem hoge fluïditeit.

Met een uitvoering van de cuvet volgens de uitvinding volgens conclusie 5 zijn de toevoer- en afvoeropening door de siliciumschijf heen geëtst. Deze maatregel draagt bij tot de vervaardiging van de cuvetten met methoden uit de microstruktuurtechniek.

Een verdere uitvoering van de cuvet is gekenmerkt in conclusie 6. Op de intree- en uittreevlakken van de vensters zijn harde anti-reflectielagen opgedampt. Daardoor worden de reflectieverliezen van de doorgaande infraroodstraal omlaag gebracht en de krasbestendigheid van de cuvet verhoogd.

Bijzonder voordelig toont zich een verdere uitvoering van de cuvet volgens conclusie 7. Deze cuvet vertoont gestruktureerde intree- en uittreevlakken van de vensters.

De oppervlakken zijn onderverdeeld in kleine deelvlakjes die ten opzichte van het totale vlak geheld zijn. De helling van de deelvlakken is zo gekozen, dat de doorgaande infrarood straal op de deelvlakken invalt onder de hoek van Bruster. Bij toepassing van een gepolariseerde infrarood straal kunnen daardoor reflectieverliezen in verregaande mate worden vermeden. De helling van de deelvlakken wordt verkregen door het etsen van geschikt georiënteerd silicium.

Bij de gebruikte golfgetallen van het infrarode licht is een etsen van het silicium met een flankhoek van ongeveer 70° nodig. De deelvlakken kunnen bijvoorbeeld uitgevoerd zijn als strepen met een breedte van tot enkele 100 μια.

Volgens conclusie is de cuvet te vervaardigen met behulp van bekende processen van de microstruktuurtechniek. Daarbij dienen siliciumschijfjes als uitgangsmateriaal. Op een schijf kunnen door een vervaardigingsproces tegelijk meerdere identieke cuvetten worden gestruktureerd en opgebouwd.

De essentiële voordelen van de uitvinding bestaan daaruit dat ook stoffen met molecuultrillingen, die tot zeer sterke absorptie leiden, zonder toevoeging van oplosmiddelen kunnen worden onderzocht. Bovendien is de cuvet volgens de uitvinding ongevoelig ten opzichte van mechanische belastingen en vochtigheid van de lucht. Zij is ook geschikt1 voor het gebruik van onbekende stoffen, aangezien de vensters door mogelijke waterbestanddelen van dergelijke stoffen niet worden aangetast. Aangezien silicium slechts een zeer lage warmteuitzettingscoëfficiënt heeft, is de spleetbreedte vrijwel temperatuuronafhankelijk, zodat de cuvet kan worden gebruikt over een breed temperatuurgebied.

Een uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding zal in het volgende zonder beperking van de algemene i uitvindingsgedachte nader worden toegelicht aan de hand van de enkele figuur.

De tekening toont schematisch de opbouw van een cuvet i volgens de uitvinding.

Als basis voor de opbouw van de cuvet dient een siliciumschijf 1. Bijvoorbeeld kan een gebruikelijke siliciumschijf met een dikte van 0,5 mm worden gebruikt. De opbouw van eerdere identieke cuvetten vindt plaats in één arbeidsproces. Aansluitend worden de identieke cuvetten gescheiden.

Het silicium vertoont een dotering van 1 tot 10 ohm/cm. Bij dit materiaal ligt het transmissiegebied bij golfgetallen van 30 tot 8300 cm . De doorlatendheid bedraagt ongeveer 40 %. Verandering in de absorptiesterkte en -positie door wisselwerkingen van de molecuultrillingen met de siliciumvensters liggen bij transmissiemetingen zelfs bij chemische bindingen beneden de detecteerbaarheidsgrens.

Op de siliciumschijf wordt bijvoorbeeld met behulp van epitaxie een laag siliciumdioxyde als afstandshouder 3 opgebracht. De laagdikte kan eenvoudig worden gevarieerd tussen ca. 0,2 en 20 μια. De siliciumdioxydelaag bevat een uitsparing 4, die dienst doet als monstervolume. De uitsparing wordt bijvoorbeeld voortgebracht met behulp van lithografie en etsen. De vorm van het monstervolume wordt aan het beoogde toepassingsdoel aangepast.

Een tweede siliciumschijf 2 wordt vast verbonden met de siliciumdioxydelaag. De verbinding kan bijvoorbeeld door middel van siliconwafer-bonding, of door middel vastkleef-technieken plaatsvinden.

De tweede siliciumlaag 2 vertoont twee doorgaande openingen 5, 6, die dienen als inlaat- resp. afvoeropening voor de te onderzoeken stof. Na de verbinding met de siliciumdioxydelaag monden de openingen 5, 6 uit in de uitsparing 4.

Om de reflectieverliezen van de in- en uittredende infraroodstraal te verkleinen, zijn de siliciumschijven 1, 2 voorzien van antireflectielagen 7.

De lengte en breedte van de cuvet kan al naar het beoogde doel tussen enkele millimeters en enkele centimeters bedragen.

i

Claims (8)

1. Cuvet voor de infrarood spectroscopie met een intree-en uittreevenster, ten minste een monstervolume en een afstandhouder, met het kenmerk, dat het intree-en het uittreevenster uitgevoerd zijn als schijven van hoog-ohmig silicium, dat de afstandhouder een op de eerste schijf aangebrachte laag van siliciumdioxyde is, welke een ' als monstervolume dienende, door de laag omgeven uitsparing , vertoont, en dat de tweede siliciumschijf twee openingen vertoont, die uitmonden in de uitsparing van de siliciumdioxydelaag, en dat de tweede siliciumschijf vast verbonden is met de siliciumdioxydelaag.

2. Cuvet volgens conclusie l,met het kenmerk, dat de siliciumdioxydelaag meerdere, van elkaar gescheiden uitsparingen vertoont, en de tweede siliciumschijf met uitsparing twee openingen vertoont, die uitmonden in de uitsparing.

3. Cuvet volgens één der conclusies 1 of 2,met het kenmerk, dat de siliciumdioxydelaag een dikte heeft van 0,2 tot 20 μια.

4. Cuvet volgens één der conclusies 1 tot 3, m e t het kenmerk, dat de siliciumschijf en de siliciumdioxydelaag onscheidbaar met elkaar verbonden zijn door siliconwafer-bonding.

5. Cuvet volgens één der conclusies l tot 4, m e t het kenmerk, dat de openingen van de tweede siliciumschijf gevormd zijn met behulp van etsen.

6. Werkwijze volgens één der conclusies 1 tot 5, m e t het kenmerk, dat het intree- en het uittreevenster harde antireflectielagen opgedampt hebben.

7. Cuvet volgens één der conclusies 1 tot 6, m e t het kenmerk, dat het intree- en het uittreevenster zodanig microgestruktureerd zijn, dat de oppervlakken zijn onderverdeeld in deelvlakken, die zo geheld zijn, dat de invallende infrarode straal opvalt onder de hoek van Bruster.

8. Cuvet volgens één der conclusies l tot 7, ra e t het kenmerk, dat als uitgangsmaterialen voor de vervaardiging van de cuvet siliciumschijven dienen, die met de processen van microstruktuurtechniek worden bewerkt, en dat bij een vervaardigingsproces tegelijk meerdere identieke cuvetten te vervaardigen zijn.