Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zum Sensieren von Proben. Die Erfindung betrifft insbesondere Sensorvorrichtungen zur Spektroskopie, insbesondere mit einem Fabry-Perot-Interferometer.

Stand der Technik

Miniaturisierte Spektrometer können auf der Nutzung von Interferenzfiltern oder optischen Resonatoren als spektrale Elemente basieren. Derartige spektrale Elemente sind häufig temperaturempfindlich. Spektrale Filter lassen sich mittels MEMS-Technologie beispielsweise als Fabry-Perot-Interferometer realisieren. Ein beispielhaftes Fabry-Perot-Interferometer ist aus der US 8654347 B2 bekannt.

Bei einem Fabry-Perot-Interferometer schließen zwei parallele, hochreflektierende Spiegel eine Kavität ein, wobei ein Abstand, d. h. eine Kavitätslänge, im Bereich optischer Wellenlängen liegt. Die Transmission ist nur für Wellenlängen stark, bei welchen die Kavitätslänge in etwa einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Die Kavitätslänge kann beispielsweise durch elektrostatische oder piezoelektrische Aktuierung verändert werden, sodass ein spektral durchstimmbares Filterelement bereitgestellt wird.

Um Fabry-Perot- Filterelemente für miniaturisierte Spektrometer verwenden zu können, muss der Abstand der beiden Spiegel zueinander genau bekannt sein. Insbesondere bei schneller Aktuierung muss der Abstand sehr präzise bestimmt werden, was durch eine direkte Kalibrierung der Filterwellenlänge über der Antriebspannung erfolgen kann. Eine derartige initiale Kalibrierung kann jedoch die Temperaturabhängigkeit nur teilweise berücksichtigen. Zur Temperaturmessung sind weiter Nanopartikel bekannt, welche temperaturabhängige Eigenschaften aufweisen. So können sich etwa Absorptionslinien in Abhängigkeit von der Temperatur verschieben. Ein Überblick über derartige Nanopartikel findet sich in Quintanilla et al., “Guiding Rules for Selecting a Nanothermometer”, Nanotoday, Vol. 19, 2018, Seiten 126-145.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung stellt eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Sensieren von Proben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 bereit.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Sensorvorrichtung mit einer Lichtaussendeeinrichtung, mindestens einem spektralen Element, mindestens einem Detektor und einer Recheneinrichtung. Die Lichtaussendeeinrichtung ist dazu ausgebildet, Licht auf eine Probe auszusenden. Partikel und/oder Strukturen sind an dem spektralen Element angeordnet und/oder in das spektrale Element integriert, wobei die Partikel und/oder Strukturen eine temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts hervorrufen. Der mindestens eine Detektor ist dazu ausgebildet, das Licht nach einer Wechselwirkung mit der Probe und einem anschließenden Passieren der Partikel und/oder Strukturen und des mindestens einen spektralen Elements zu detektieren und ein entsprechendes Sensorsignal auszugeben. Die Recheneinrichtung ist dazu ausgebildet, die temperaturabhängige Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich anhand des von dem Detektor ausgegebenen Sensorsignals zu ermitteln. Die Recheneinrichtung ist weiter dazu ausgebildet, anhand der ermittelten temperaturabhängigen Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich eine Kalibrierung des spektralen Elements durchzuführen. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Sensieren von Proben. Licht wird mittels einer Lichtaussendeeinrichtung auf eine Probe ausgesendet. Das Licht wird nach einer Wechselwirkung mit einer Probe und einem anschließenden Passieren von Partikeln und/oder Strukturen und von mindestens einem spektralen Element detektiert und ein entsprechendes Sensorsignal wird ausgegeben, wobei die Partikel und/oder Strukturen an dem spektralen Element angeordnet und/oder in das spektrale Element integriert sind, wobei die Partikel und/oder Strukturen eine temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts hervorrufen. Eine temperaturabhängige Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich wird anhand des ausgegebenen Sensorsignals ermittelt. Eine Kalibrierung des spektralen Elements wird anhand der ermittelten temperaturabhängigen Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich durchgeführt.

Vorteile der Erfindung

Durch die Verwendung von Partikeln und/oder Strukturen, welche eine temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts hervorrufen, kann das spektrale Element durch Messung des Spektrums kalibriert werden, d.h. die Temperatur des spektralen Elements kann bestimmt werden. Zur Kalibrierung sind keine weiteren Strukturelemente oder Sensorelemente, insbesondere keine zusätzliche Elektronik, Elektronikkomponenten oder Verdrahtung erforderlich. Die Erfindung ermöglicht somit eine genaue und kostengünstige Kalibrierung des spektralen Elements. Entsprechend kann eine genauere Auswertung eines von einer zu untersuchenden Probe bzw. Substanz spektroskopisch aufgenommenen Spektrums erfolgen.

Weiter kann auch vorgesehen sein, auf einer vorherigen initialen Kalibrierung aufzubauen, wobei eine weitere Kalibrierung unter Verwendung der sehr genauen Temperaturbestimmung mittels der Partikel bzw. Strukturen durchgeführt wird. Unter Kalibrierung des spektralen Elements kann insbesondere eine Ermittlung einer Abhängigkeit einer Filterwellenlänge des spektralen Elements von einer Antriebsspannung des spektralen Elements verstanden werden. Die Filterwellenlänge entspricht der von dem spektralen Element durchgelassenen Wellenlänge. Die Antriebsspannung kann etwa die Spannung bezeichnen, welche zum relativen Verfahren der Spiegel eines Fabry-Perot-Interferometers angelegt wird. Bei nicht durchstimmbaren spektralen Elementen kann die Kalibrierung auch die Ermittlung der Filterwellenlänge in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur bezeichnen.

Allgemein befinden sich gemäß der Erfindung die Partikel und/oder Strukturen, welche eine temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts hervorrufen, in unmittelbarer Nähe des spektralen Elements, sodass die Temperaturmessung auch direkt am spektralen Element erfolgt. Dies ermöglicht eine deutlich bessere Kalibrierung.

Gemäß einer Weiterbildung weist die Sensorvorrichtung mindestens zwei Detektoren auf, wobei die Partikel und/oder Strukturen nur in einem Teilbereich eines Querschnittes des optischen Pfades des Lichts angeordnet sind. Ein erster Detektor ist dazu ausgebildet, einen Anteil des Lichts zu detektieren, welcher die Partikel und/oder Strukturen passiert, und ein entsprechendes erstes Sensorsignal auszugeben. Mindestens ein zweiter Detektor ist dazu ausgebildet, einen Anteil des Lichts zu detektieren, welcher die Partikel und/oder Strukturen nicht passiert, und ein entsprechendes zweites Sensorsignal auszugeben. Die Recheneinrichtung ist dazu ausgebildet ist, die temperaturabhängige Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich anhand des von dem mindestens einen ersten Detektor ausgegebenen ersten Sensorsignals zu ermitteln. Anhand des zweiten Sensorsignals kann die Recheneinrichtung die Probe analysieren.

Gemäß einer Weiterbildung weist die Sensorvorrichtung mindestens zwei unterschiedliche Detektoren auf, wobei die Partikel und/oder Strukturen nur in einem Teilbereich eines Querschnittes des optischen Pfades des Lichts oder im gesamten Querschnitt des optischen Pfades angeordnet sind. Ein erster Detektor wird zur Temperaturkalibrierung verwendet. Der erste Detektor kann dazu ausgebildet sein, einen Anteil des Lichts zu detektieren, welcher die Partikel und/oder Strukturen passiert, und ein entsprechendes erstes Sensorsignal auszugeben. Mindestens ein zweiter Detektor ist zum Vermessen des Spektrums ausgebildet, wobei das Spektrum einen anderen Wellenlängenbereich umfassen kann. Der mindestens eine zweite Detektor kann dazu ausgebildet sein, einen Anteil des Lichts zu detektieren, welcher die Partikel und/oder Strukturen nicht passiert, und ein entsprechendes zweites Sensorsignal auszugeben. Die Recheneinrichtung ist dazu ausgebildet ist, die temperaturabhängige Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich anhand des von dem mindestens einen ersten Detektor ausgegebenen ersten Sensorsignals zu ermitteln. Anhand des zweiten Sensorsignals kann die Recheneinrichtung die Probe analysieren.

Der Detektor ist vorzugsweise als Einzeldetektor ausgebildet. Es kann sich aber auch um einen Arraydetektor handeln.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung umfasst die von den Partikeln hervorgerufene temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts mindestens eine temperaturabhängige Absorptionslinie. Die Absorptionslinie ist vorzugsweise möglichst schmal, um den Einfluss auf das Sensieren der Probe zu minimieren. Da Absorptionslinien genau bestimmt werden können, kann bei Kenntnis der Temperaturabhängigkeit der exakten Lage der Absorptionslinie die Temperatur mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Der Zusammenhang der Lage der Absorptionslinie, d.h. der Position der Absorptionslinie auf der Wellenlängenachse, und der Temperatur kann in einer Look-up-Tabelle gespeichert sein, auf welche die Recheneinrichtung zugreift.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung kann die von den Partikeln und/oder Strukturen hervorgerufene temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts auch Fluoreszenzeffekte, Streulinien oder andere derartige optische Effekte umfassen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung umfassen die Partikel und/oder Strukturen Nanopartikel und/oder Nanotubes. Insbesondere kann es sich um Nanopartikel handeln, wie sie aus Quintanilla et al., “Guiding Rules for Selecting a Nanothermometer”, Nanotoday, Vol. 19, 2018, Seiten 126- 145, bekannt sind. Derartige Nanopartikel und/oder Nanotubes können als hochpräzise Thermometer eingesetzt werden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung erfasst der Detektor einen spektralen Messbereich, wobei der mindestens eine spektrale Bereich, in welchem die Partikel und/oder Strukturen die temperaturabhängige Änderung hervorrufen, näher an einem Rand des spektralen Messbereichs als an einem Zentrum des spektralen Messbereichs liegt. Dadurch wird der Messbereich selbst nur wenig beeinflusst, d.h. der Zentralbereich kann ungestört für die Materialanalyse der Probe genutzt werden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung kann auch vorgesehen sein, dass sich der spektrale Bereich, in welchem die Partikel und/oder Strukturen die temperaturabhängige Änderung hervorrufen, außerhalb des spektralen Messbereichs liegt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung erfasst der Detektor einen spektralen Messbereich, wobei das Verhältnis des mindestens einen spektralen Bereichs, in welchem die Partikel und/oder Strukturen die temperaturabhängige Änderung hervorrufen, zum spektralen Messbereich kleiner als 1 zu 10, vorzugsweise kleiner als 1 zu 100, besonders bevorzugt kleiner als 1 zu 1000 ist. Der spektrale Bereich, in welchem die Partikel und/oder Strukturen die temperaturabhängige Änderung hervorrufen, kann beispielweise durch die Breite einer Absorptionslinie bestimmt sein.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung umfasst das spektrale Element mindestens eines von einem Bandpassfilter, einem Gitter, einem plasmonischen Filter, einem Fourier-Transformations-Spektrometer und einem Fabry-Perot-Interferometer.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet, anhand der ermittelten temperaturabhängigen Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich eine Temperatur der Partikel und/oder Strukturen zu berechnen und die Kalibrierung des spektralen Elements in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur der Partikel und/oder Strukturen durchzuführen. Die Temperatur der Partikel und/oder Strukturen entspricht im Wesentlichen der Temperatur des spektralen Elements. Die Filterwellenlänge als Funktion der Antriebsspannung des spektralen Elements in Abhängigkeit der Temperatur kann gemessen werden. Die Recheneinrichtung kann durch Bestimmen der Temperatur der Partikel und/oder Strukturen somit die Filterwellenlänge als Funktion der Antriebsspannung des spektralen Elements bestimmen. Der Zusammenhang von Temperatur und Filterwellenlänge als Funktion der Antriebsspannung des spektralen Elements kann beispielsweise in einer Look-up-Tabelle in einem Speicher der Recheneinrichtung abgelegt sein. Das heißt, bestimmten Temperaturwerten sind entsprechende Filterwellenlängen als Funktion der Antriebsspannung des spektralen Elements zugeordnet.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung weiter dazu ausgebildet, die Probe anhand des Sensorsignals und in Abhängigkeit von der Kalibrierung des spektralen Elements zu analysieren. Insbesondere kann ein Spektrum ermittelt werden.

Gemäß einer Weiterbildung weist die Sensorvorrichtung eine Vielzahl von spektralen Elementen und Detektoren auf, welche als Sensorarray oder als eine Vielzahl von Sensorarrays ausgebildet sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 eine schematische Querschnittsansicht eines spektralen Elements und zweier Detektoren für eine Sensorvorrichtung; Figur 3 eine schematische Illustration einer Änderung des

Extinktionsspektrums eines Nanopartikels bei verschiedenen Temperaturen;

Figur 4 eine schematische Darstellung eines gemessenen Spektrums bei verschiedenen Temperaturen; und

Figur 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Sensieren von Proben gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Sensorvorrichtung 1. Die Sensorvorrichtung 1 umfasst eine Lichtaussendeeinrichtung 2, mit einer LED 21, welche Licht L aussendet. Das Licht L trifft auf ein Leuchtmittel 22 der Lichtaussendeeinrichtung 2, etwa ein Phosphorelement, welches das schmalbandige Anregungslicht L in breitbandiges Licht L umwandelt. Nach dem Durchtreten durch ein optionales optisches Element 23 der Lichtaussendeeinrichtung 2, etwa eine Linse, wird das Licht L auf eine Probe P gerichtet.

Die Lichtaussendeeinrichtung 2 kann dazu ausgebildet sein, Licht L im Ultraviolettbereich (etwa 100 bis 380 Nanometer) und/oder im sichtbaren Bereich (etwa 380 bis 780 Nanometer) und/oder im Nahinfrarotbereich (etwa 780 bis 1400 Nanometer) und/oder im kurzweiligen Infrarotbereich (etwa 1400 bis 3000 Nanometer) und/oder im mittleren Infrarotbereich (etwa 3000 bis 5000 Nanometer) auszusenden.

Das Licht wechselwirkt mit der Probe, etwa durch Absorption, Reflexion, Brechung, Beugung, Transmission, Transreflexion oder dergleichen. Das Licht L tritt dann durch ein spektrales Element 3 der Sensorvorrichtung 1 und wird von einem Detektor 4 der Sensorvorrichtung 1 detektiert. Der Detektor 4 gibt ein entsprechendes Sensorsignal aus.

In das spektrale Element sind Partikel integriert, welche eine temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts L hervorrufen. Die Partikel können zusätzlich oder alternativ auch auf im Strahlengang hinter der Probe und vor dem spektralen Element 3 angeordnet sein oder zwischen dem spektralen Element 3 und dem Detektor 4.

Das Sensorsignal wird von einer Recheneinrichtung 5 verarbeitet. Die Recheneinrichtung 5 kann Hardware- und/oder Software- Elemente sowie Speicher aufweisen, um die Daten weiter zu verarbeiten. Die Recheneinrichtung 5 ermittelt die temperaturabhängige Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich anhand des von dem Detektor 4 ausgegebenen Sensorsignals. Die Recheneinrichtung 5 kalibriert anhand der temperaturabhängigen Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich das spektrale Element 3.

Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines spektralen Elements und zweier Detektoren für eine Sensorvorrichtung 1. Das spektrale Element 3 ist als Fabry- Perot-Interferometer ausgestaltet und umfasst einen ersten Spiegel 31 und einen davon beanstandeten zweiten Spiegel 32. Der Abstand zwischen den beiden Spiegeln 31, 32 kann mittels Elektroden 33 angepasst werden, welche über eine Kontaktierung 36 angesteuert werden, und das Fabry-Perot-Interferometer ist somit durchstimmbar. Der zweite Spiegel 32 kann hierbei eine der Elektroden sein. Der zweite Spiegel 32 ist somit in weitere Positionen A auslenkbar. Das Licht L wird zwischen den beiden Spiegeln reflektiert. Aufgrund von Interferenzeffekten kann lediglich Licht L in einem bestimmten Wellenlängenbereich durch das Fabry-Perot-Interferometer 3 hindurchtreten und wird von den Detektoren 41 und 42 der Sensorvorrichtung 1 detektiert. Auf dem ersten Spiegel sind abschnittsweise Partikel 37 aufgebracht, welche die temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts L hervorrufen. Die Partikel können zusätzlich oder alternativ auch auf dem zweiten Spiegel 32 oder einem Substratabschnitt angeordnet sein, und/oder in eines oder mehreres dieser Elemente integriert sein. Der erste Detektor 41 erfasst lediglich einen Anteil LI des Lichts L, welcher die Partikel 37 nicht passiert hat, während der zweite Detektor 42 lediglich einen Anteil L2 des Lichts L erfasst, welcher die Partikel 37 passiert hat. Optional können die Lichtwege zu den beiden Detektoren 41 und 42 durch optische Elemente getrennt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die illustrierte Ausführungsform beschränkt. Insbesondere können mehrere Lichtquellen vorgesehen sein, d.h. die Lichtaussendeeinrichtung 2 kann beispielsweise mehrere LEDs umfassen. Darüber hinaus kann die Lichtaussendeeinrichtung 2 andere Lichtquellen aufweisen, etwa Glühlampen, Microhotplates, Laser oder dergleichen. Auch können mehrere spektrale Elemente 3 und/oder Detektoren 4 vorgesehen sein. Optional kann weiter eine Verkappung des spektralen Elements 3 mittels Glaskappen vorgesehen sein. Zusätzlich können optional Antireflexionsschichten auf der Verkappung ausgebildet sein. Schließlich kann auch nur ein einzelner Detektor vorgesehen sein. Die Partikel können weiter im gesamten Querschnitt des optischen Pfades angeordnet sein, beispielsweise auch auf der Innenseite der Kappen.

Figur 3 zeigt eine schematische Illustration einer Änderung des Extinktionsspektrums A eines Nanopartikels bei verschiedenen Temperaturen T_1 < T_2 < T_3 als Funktion der Wellenlänge l. Wie zu sehen, ist die Absorptionslinie schmal und kann daher zur genauen Bestimmung der Temperatur herangezogen werden.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines von dem Detektor 4 gemessenen Spektrums bei verschiedenen Temperaturen T_1 und T_2. Eine Absorptionslinie mit einer Breite y verschiebt sich in Abhängigkeit von der Temperatur zu anderen Werten der Wellenlänge l. Durch Bestimmen der Wellenlänge l, bei welcher die Absorption auftritt, kann dadurch die Temperatur ermittelt werden. Vorzugsweise werden die Partikel 221 derart ausgewählt, dass das Verhältnis der Breite y zu einem spektralen Messbereich M mit einer Breite x kleiner ist als ein vorgegebener Wert, insbesondere kleiner als 1 zu 10, vorzugsweise kleiner als 1 zu 100, besonders bevorzugt kleiner als 1 zu 1000.

Weiter werden die Partikel 221 vorzugsweise derart ausgewählt, dass die Absorptionslinie am Rand des Messbereichs M auftritt. Insbesondere kann die Absorptionslinie näher am Rand des Messbereichs M liegen als am Zentrum des Messbereichs M.

Weiter können Partikel 221 eingesetzt werden, welche eine Vielzahl von Absorptionslinien hervorrufen oder unterschiedliche Partikel mit Absorptionslinien bei verschiedenen Wellenlängen. Insbesondere kann auch die relative Lage der Absorptionslinien berücksichtigt werden.

Figur 5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Sensieren von Proben. Das Verfahren kann durch eine oben beschriebene Sensorvorrichtung 1 durchgeführt werden.

In einem ersten Verfahrensschritt S1 sendet eine Lichtaussendeeinrichtung 2 Licht L auf eine Probe P aus. Die Lichtaussendeeinrichtung 2 kann LEDs zum Aussenden von Licht L aufweisen, welches auf ein Leuchtmittel 22 gerichtet ist.

In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird das Licht nach einer Wechselwirkung mit einer Probe P und einem anschließenden Passieren von Partikeln 37 und von mindestens einem spektralen Element 3 detektiert. Ein entsprechendes Sensorsignal wird ausgegeben. Die Partikel 37 sind an dem spektralen Element 3 angeordnet und/oder in das spektrale Element 3 integriert, wobei die Partikel 37 eine temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts L hervorrufen.

In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird eine temperaturabhängige Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich anhand des ausgegebenen Sensorsignals ermittelt. Das spektrale Element 3 wird anhand der ermittelten temperaturabhängigen Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich kalibriert. Insbesondere kann die Filterwellenlänge in Abhängigkeit der temperaturabhängigen Änderung bestimmt werden. Die Filterwellenlänge kann hierbei eine Funktion der Antriebsspannung des optischen Elements 3 sein, etwa einer an die Elektroden 33 anliegenden Spannung. Insbesondere kann somit mittels der Temperatur des spektralen Elements 33 mit Hilfe von Referenzdaten die jeweilige transmittierte Wellenlänge aus der jeweils angelegten Spannung bestimmt werden. In einem weiteren Verfahrensschritt S4 kann anhand des Sensorsignals und in

Abhängigkeit von dem ermittelten Emissionsspektrum der Lichtaussendeeinrichtung 2 eine Analyse der Probe P durchgeführt werden.