Verfahren zur Reinigung eines Resonators

Abstract

 Es wird ein Verfahren zur Reinigung eines Resonators in einem Oszillator vorgeschlagen, wobei zuvor zu einem Abgleich des Resonators ein Laser verwendet wird indem mit dem Laser ein Dielektrikum des Resonators abgetragen wird bis eine vorgegebene Frequenz erreicht wird, wobei nach Erreichen der vorgegebenen Frequenz der Resonator mittels des Lasers gereinigt wird um Ablagerungsprodukte des Abtragvorgangs zu entfernen.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung eines zuvor mit einem Laser auf eine Sollfrequenz abgeglichenen Resonators in einem Oszillator, wobei nach Erreichen der vorgegebenen Frequenz der Resonator mittels des Lasers gereinigt wird, um Ablagerungsprodukte des Abtragvorgangs zu entfernen.

Stand der Technik

[0002] Aus der DE 101 19 033 A1 ist ein Verfahren zum Abgleich eines Resonators in einem Oszillator bekannt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein Dielektrikum als Resonator im Oszillator durch Laserpulse gezielt abgetragen wird, bis eine Zielfrequenz erreicht wird. Als Laser werden hier vorzugsweise Excimerlaser oder Festkörperlaser verwendet.

[0003] Nachteilig bei diesem Verfahren ist es, dass während dem Abtrag des Dielektrikums zur Einstellung der Oszillationsfrequenz ein Teil dieser Ablationsprodukte auf der Resonatorpille oder auf der unmittelbaren Schaltungsumgebung kondensiert und dort eine Staubschicht oder einen fest anhaftenden Kondensatfilm bildet. Diese Ablagerung erniedrigt die Resonatorfrequenz zunächst wieder und fuhrt, insbesondere durch langsames Ablösen über die Lebensdauer des Resonators, zu einer schleichenden Frequenzerhöhung und dadurch zu einem Zuverlässigkeitsproblem. Herkömmliche Reinigungsmethoden sind in diesem Fall nicht anwendbar, da das Abschirmgehäuse mit einer nur kleinen Öffnung für den Durchtritt des Laserstrahls keine wirkungsvollen Reinigungsmöglichkeiten zulässt.

[0004] Kern und Vorteile der Erfindung

[0005] Der Kern der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mittels dem die Ablagerung der Ablationsprodukte auf der Resonatorpille oder auf der unmittelbaren Schaltungsumgebung der Resonatorpille verhindert wird um eine Frequenzveränderung durch die gebildete Staubschicht oder den anhaftenden Kondensatfilm zu vermeiden sowie eine weitere Frequenzveränderung während der Lebensdauer des Produktes infolge einer langsamen Ablösung dieser Staubschicht oder des anhaftenden Kondensatfilms zu verhindern.

[0006] Erfindungsgemäß wird dieses durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0007] Vorteilhafter Weise erfolgt die Reinigung des Resonators mit dem Laser, indem der Laser mit geringer Leistung betrieben wird. Durch die Reinigung der Resonatorpille mittels des gleichen Lasers, der zum Frequenzabgleich des Resonators eingesetzt wird, erreicht man, dass keine weiteren Einrichtungen benötigt werden, um den abschließenden Reinigungsprozess durchzuführen. Dabei wird der Laser mit einer geringeren Leistung betrieben, als während dem Abtrag, wodurch lediglich die Ablationsprodukte, die sich auf der Resonatorpille und auf der Schaltung in der direkten Umgebung des Resonators abgelagert haben, entfernt werden.

[0008] Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Laserleistung reduziert wird, indem der Laser mit einer höheren Pulsfrequenz betrieben wird, als während dem Resonatorabgleich. Da vorteilhafterweise Excimerlaser oder Festkörperlaser verwendet werden, die im Pulsbetrieb arbeiten, kann man die Laserpulsfrequenz, die während dem Abtrag beispielsweise um 30 kHz beträgt, auf beispielsweise 100 kHz erhöhen, wodurch die Pulsrepetitionsrate derart erhöht wird, dass die Puls-Pumpzeit des Laserniveaus und somit die erreichte Inversion geringer wird. Damit sinkt auch die abgegebene Laserleistung. Dies ist besonders vorteilhaft, da Festkörperlaser eine schnelle Leistungsumschaltung innerhalb der geforderten Taktzeit durch eine Stromänderung prinzipiell nicht ermöglichen.

[0009] Weiterhin ist es vorteilhaft, dass zur Reinigung des Resonators die Pulsfrequenz des Lasers soweit erhöht wird, dass die abgegebene Leistung auf 1/5 bis 1/10 der Laserleistung beim Abtrag absinkt.

[0010] Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der mittels dem Reinigungsschritt bearbeitete Bereich der Resonatorpille bzw. der Schaltung größer ist als der während dem Abtrag bearbeitete Bereich. Während dem Laserabtrag kann es vorteilhaft sein, nicht die gesamte Resonatoroberfläche abzutragen, sondern einen schmalen Randbereich der Resonatoroberseite mit einer Randbreite von ca. 0,1 mm unbearbeitet zu lassen, sodass die Resonatorpille während dem Abtrag ihre zylindrische Form beibehält und keine Randabsplitterungen auftreten. Während dem Reinigungsschritt wird vorteilhafterweise die gesamte Resonatoroberfläche bearbeitet, sowie eventuell die Bereiche der Schaltung um die Resonatorpille herum, sodass auch Ablagerungen auf der Schaltung im unmittelbaren Bereich um den Resonator herum von Verunreinigungen und Kondensatfilmen befreit werden.

[0011] Weiterhin ist es vorteilhaft, dass während dem Laserabtrag oder der Laserreinigung die Umgebung mit Helium gespült wird. Da die Bearbeitung der Resonatorpille durch eine kleine Öffnung im Deckel des Oszillatorgehäuses erfolgt, ist es nicht möglich, während dem Abtrag oder während dem Reinigungsschritt die Ablationsprodukte mittels eines Gasflusses abzutransportieren, sodass es vorteilhaft ist, während der Laserbearbeitung die Resonatorpille mit Heliumspülgas zu umgeben. Da Heliumatome leichter sind als Luftmoleküle können die abgedampften Keramikbestandteile besser von der Pillenoberfläche und der Schaltungsoberfläche abströmen, da die Rückstreuung durch das Schutzgas geringer ist als in Luft.

[0012] Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von Ihrer Zusammenfassung in den Patenansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von Ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Zeichnungen.

Zeichnungen

[0013] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfmdung anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Figur 1

eine dreidimensionale Anordnung des Oszillators,

Figur 2

eine Schnittdarstellung der zu bearbeitenden Oszillatoranordnung,

Figur 3

ein Diagramm der abgegebenen Laserleistung in Abhängigkeit der Pulsfrequenz des Lasers sowie des Laserstroms und

Figur 4

ein Ablaufdiagramm zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

[0014] Für Radaranwendungen, insbesondere in der Automobiltechnik, ist es notwendig, einen Oszillator bereitzustellen, der im Gigahertzbereich, Signale erzeugt. Da insbesondere Verfahren wie Dopplerfrequenzverschiebung zur Detektion von Objekten verwendet werden, ist eine genaue Bestimmung und Einstellung der Resonatorfrequenz des Oszillators notwendig. Ein Oszillator weist einen passiven und einen aktiven Teil auf. Der aktive Teil, ein Verstärker, ist hier ein Hochfrequenztransistor T, wie es beispielsweise ein HEMT (High Electron Mobility Transistor) oder ein HBT (Hetero Bipolar Transistor) ist. Diese Transistoren sind meist aus Verbindungshalbleitern hergestellt. Der passive Teil ist der Resonator. Er wird hier durch ein Dielektrikum gebildet, dessen elektrisches Ersatzschaltbild aus Widerständen, Kondensatoren und gegebenenfalls Induktivitäten gebildet werden kann. Bei der Herstellung des Oszillators ist die Oszillatorfrequenz, das ist die Frequenz des Signals, das der Oszillator erzeugt, durch eine genaue Modifikation des Resonators möglich. Da hier als Resonator ein Dielektrikum verwendet wird, muss dieses Dielektrikum durch eine geometrische Anpassung zur Einstellung der Resonatorfrequenz verändert werden. Dieses wird direkt an der Resonatorschaltung durch einen Laser erreicht, indem der Laser das Dielektrikum abträgt, der vorzugsweise gepulst betrieben wird. Da die Oszillatorschaltung mit einem metallischen Deckel verschlossen wird, weist dieser metallische Deckel eine Bohrung auf, durch die der Laser zum Abtrag auf das Dielektrikum gerichtet werden kann.

[0015] Figur 1 zeigt eine Oszillatoranordnung mit einer Resonatorpille 2. Auf einem Substrat 3 ist die Oszillatorschaltung, bestehend aus einem Transistor T mit seinen Elektroden Drain D, Source S und Gate G, einer Resonatorpille DR und Mikrostreifenleitungen 4 angeordnet. Der Transistor ist über Mikrostreifenleitungen 4 einerseits mit einem Ausgang des Oszillators verbunden und andererseits mit der dielektrischen Resonatorpille 2. Die Resonatorpille 2 weist eine Höhe D auf, die durch einen Abtrag mittels eines Lasers verändert werden kann. Die Höhe bestimmt jedoch die elektrischen Eigenschaften der Resonatorpille 2, also ihre Kapazität, Induktivität und ihren Widerstand, das ist ihre Impedanz. Die Impedanz wiederum bestimmt die Oszillatorfrequenz. Damit wird durch eine Veränderung der Höhe D eine Veränderung der Oszillator- bzw. Resonatorfrequenz erreicht. Als Transistor T wird hier ein HEMT (High Electron Mobility Transistor) verwendet, der insbesondere für Gigahertzanwendungen geeignet ist. Alternativ ist es möglich, einen HBT (Hetero Bipolar Transistor) einzusetzen. Der die Oszillatorschaltung umgebende Metalldeckel 1 weist eine Höhe H auf und eine nicht dargestellte Bohrung, die direkt über der Resonatorpille 2 liegt. Durch diese Bohrung wird der Laserstrahl geführt, um die Resonatorpille 2 zur Frequenzeinstellung abzutragen, sowie um anschließend eine Reinigung der Resonatorpille sowie der umgebenden Schaltung von den Ablationsprodukten des Abtragvorgangs durchführen zu können. Weiterhin ist es möglich, durch diese Bohrung oder eine zusätzliche Bohrung eine Heliumspülung während dem Abtragvorgang sowie dem Reinigungsvorgang vorzunehmen. Als Material für die Resonatorpille 2 wird eine Keramik verwendet, beispielsweise eine Verbindung aus Strontium, Barium und Tantaloxiden. Es sind jedoch auch andere Keramiken, also Dielektrika, möglich. Nach dem Abgleich in Folge des Laserabtrags wird der Laser mit einer höheren Pulsfrequenz betrieben, wodurch die abgegebene Leistung des Laser absinkt, sodass der Abtrag gegenüber dem Laserbetrieb während der Frequenzeinstellung deutlich geringer ist. Während diesem Reinigungsabtrag werden die Ablationsprodukte, die während der Frequenzeinstellung entstanden sind, von der Resonatorpille sowie der direkt umgebenden Schaltung entfernt, indem der Laserstrahl mit geringerer Leistung nochmals über die Resonatorpille sowie die umgebende Schaltung geführt wird. Während des Laserabtrags zur Frequenzeinstellung sowie während der Laserreinigung wird der fokussierte Laserstrahl mit einem schnellen xy-Galvanospiegelsystem, das in den Figuren nicht dargestellt ist, abgerastert.

[0016] Figur 2 zeigt eine Darstellung, wie der Abgleich sowie die Reinigung der Resonatorpille vorgenommen wird. Die Resonatorpille 2 liegt direkt unter der Bohrung, durch die der Laserstrahl geführt wird. Die Resonatorpille 2 ist auf einer Streifenleitung 4 angeordnet, die sich auf einem Substrat 3 befindet. Der Deckel 1 schließt die Oszillatorschaltung ab.

[0017] Das Substrat besteht aus einem für Millimeterwellen geeignetem Material, zum Beispiel teflonartige Materialien oder HF-Keramiken. Der Durchmesser der Pille liegt bei 2 mm, die Dicke D bei typischerweise 1 mm. Wurde der Laserstrahl zum Materialabtrag der Resonatorpille 2 mittels des Galvanospiegelsystems über die Resonatorpille 2 geführt, so wird bei Erreichen der Zielfrequenz der Oszillatorschaltung der Laser in seiner Ausgangsleistung reduziert. Da Festkörperlaser üblicherweise nicht durch ihren zugeführten elektrischen Strom und Excimerlaser nicht durch die Entladungsspannung eines Festkörperlasers in der abgegebenen Leistung schnell steuerbar sind, wird zur Reduzierung der Leistung die Pulsfrequenz des Lasers erhöht.

[0018] Figur 3 zeigt ein Diagramm, in dem die abgegebene Laserleistung gegenüber der Pulsfrequenz des Lasers sowie bei verschiedenen Stromstärken aufgezeichnet ist. Hierzu sind drei Kennlinien 6, 7, 8 aufgezeichnet, die die abgegebene Laserleistung über der Pulsfrequenz bei verschiedenen Stromstärken aufzeigt. Die Kennlinie 6 stellt hierbei die Laserleistung bei niedrigem Laserstrom dar und Linie 8 stellt die abgegebene Laserleistung bei einem hohen Versorgungsstrom dar. Der Arbeitspunkt des Lasers zum Abtrag der Resonatorpille 2 zur Frequenzeinstellung liegt beispielsweise auf der Kennlinie 7 im Bereich von ca. 30 kHz, wobei hier beispielsweise Laserleistungen von 4 - 5 Watt abgegeben werden können. Dieser fokussierte Laserstrahl wird mittels eines xy-Galvanospiegelsystems über die Resonatorpille 2 geführt, sodass die Resonatorpille 2 gleichmäßig abgetragen wird. Erfindungsgemäß kann es weiterhin vorgesehen sein, während dem Laserabtrag den Hohlraum, der durch den Deckel 1 sowie das Substrat 3 gebildet wird, mit Heliumspülgas zu fluten, um eine Ablagerung der Ablationsprodukte zu verringern. Wurde die Zielfrequenz der Oszillatorschaltung erreicht, so wird die Pulsfrequenz des Laserstrahls auf beispielsweise 100 kHz erhöht. Im Bereich um 100 kHz sinkt bei dem dargestellten Beispiel die abgegebenen Leistungen gemäß der Kennlinien 6, 7, 8 stark ab, wie es beispielsweise durch den Bereich 9 des Diagramms dargestellt ist. Die abgegebene Laserleistung bei Pulsfrequenzen von ca. 100 kHz liegen beispielsweise unter 1 Watt. In diesem Betriebszustand wird nun der fokussierte Laserstrahl nochmals über die gesamte Resonatorpille 2 geführt, um die Ablationsprodukte, die während dem Frequenzeinstellvorgang entstanden sind, zu entfernen. Diese Ablationsprodukte können auch im unmittelbaren Bereich um die Resonatorpille 2 auf der Schaltung abgelagert worden sein. Daher bietet es sich weiterhin an, mittels des leistungsreduzierten Laserstrahls auch die Schaltung um die Laserpille herum abzurastern, wodurch auch diese Kondensationsprodukte und Keramikstäube entfernt werden können.

[0019] In Figur 4 ist das erfmdungsgemäße Verfahren als Flussdiagramm dargestellt Es erfolgt in Schritt 15 der Start des Laserabgleiches auf die Zielfrequenz. Zunächst wird in Verfahrensschritt 10 mit einem Laser, beispielsweise einem Excimerlaser oder einem diodengepumpten Festkörperlaser, ein Abtrag der Resonatorpille 2 für eine vorgegebene Zeit Δt, die einer vorgegebenen Anzahl von Laserpulsen entspricht, beispielsweise 100, durchgeführt. Als Festkörperlaser sind beispielsweise NdYAG-Laser einsetzbar. Nachdem von der Resonatorpille 2 für die vorgegebene Zeit Δt Material abgetragen wurde, wird in Verfahrenschritt 11 ein Vermessen der Resonatorfrequenz durchgeführt. Wird in Verfahrenschritt 12 festgestellt, dass die Zielfrequenz noch nicht erreicht wurde, dann wird nach nein verzweigt und das Verfahren in Schritt 10 fortgeführt, indem der Abtrag mit dem Laser weitergeht. Dieser Prozess läuft iterativ ab, bis die vorgegebene Frequenz des Oszillators erreicht wurde. Wird in Schritt 12 erkannt, dass die Frequenz in einem vorgegebenen Bereich für die Zielfrequenz liegt, wird nach ja verzweigt und das Verfahren in Schritt 13 fortgeführt. In Schritt 13 wird die Pulsfrequenz des Lasers derart erhöht, dass die abgegebene Leistung gegenüber der Abtragsleistung stark verringert wird. Daraufhin wird die Resonatorpille und gegebenenfalls die die Pille umgebende Schaltung abermals mittels des Laserstrahls abgerastert, wodurch die Ablagerungsprodukte, die sich während dem Abtragvorgang niedergeschlagen haben, entfernt werden. Nach Abschluss dieses Reinigungsvorgangs infolge eines nochmaligen Abrasterns mit geringer Laserleistung ist das Verfahren in Schritt 14 beendet und der Oszillator ohne Langzeitveränderungen der Oszillationsfrequenz in Folge von Ablagerungsprodukten betreibbar. Während dem Abtragvorgang in Schritt 10 sowie dem Reinigungsschritt in Schritt 13 kann in den Hohlraum, der aus Deckel 1 und Substrat 3 gebildet wird, Helium eingeführt werden, wodurch die Ablagerung der Ablationsprodukte auf der Resonatorpille sowie auf der Schaltung verringert werden kann.

Ansprüche

1. Verfahren zur Reinigung eines Resonators (2) in einem Oszillator, wobei zuvor zum Abgleich des Resonators (2) ein Laser (5) verwendet wird, indem mit dem Laser (5) ein Dielektrikum des Resonators (2) abgetragen wird bis eine vorgegebene Frequenz erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen der vorgegebenen Frequenz der Resonator mittels des Lasers (5) gereinigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung des Resonators (2) mit dem Laser (5) erfolgt, der bei geringer Leistung betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung reduziert wird, indem der Laser mit einer höheren Pulsfrequenz (9) betrieben wird als während dem Resonatorabgleich.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reinigung des Resonators (2) die Pulsfrequenz des Lasers (5) soweit erhöht wird, dass die abgebene Leistung auf 1/5 bis 1/10 der Laserleistung beim Abtrag absinkt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels dem Reinigungsschritt (13) bearbeitete Bereich größerer ist als der während dem Abtrag (10) bearbeitete Bereich.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Laserabtrags (10) und/oder der Laserreinigung (13) die Umgebung des Resonators (2) mit Helium gespült wird.

Zeichnung