DE3142301A1 - "optisches sensorelement auf halbleiterbasis" - Google Patents
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Description
ASEA Aktiebolag, Västeras/Schweden Optisches Sensorelement auf Halbleiterbasis
Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorelement auf Halbleiterbasis
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Es wurde bereits früher ein faseroptisches Meßgerät vorgeschlagen,
bei dem kraft- oder druckabhängige Veränderungen im Lumineszenzspektrum eines festen Materials zum Messen dieser Strukturen benutzt
wird. In der DE-OS 31 01 047 wird ein optisches Meßgerät zum Messen einer Kraft oder eines Druckes vorgeschlagen, das mindestens
eine Lichtquelle, mindestens eine lichtleitende (optische) Faser zum Leiten des Lichtes hin zu einem Sensor und weg von einem
Sensor und ein Detektorsystem enthält. Der Sensor besteht dabei aus einem Material, das druck- oder kraftabhängige Fotolumineszenzeigenschaften
hat, und das im Detektorsystem empfangene Signal ist von dem Druck oder der Kraft abhängig.
Es wurde auch die Verwendung von Halbleiterstrukturen als Sensoren
in solchen Meßgeräten vorgeschlagen. Diese Strukturen bestehen aus drei oder mehreren auf einem Substrat epitaktisch gewachsenen
Schichten aus GaAs und Al Ga1 As. Hierbei handelt es sich beispielsweise
um ein optisches Sensorelement zum Erfassen physikalischer Größen, wie Druck oder Temperatur, und das Sensorelement
/5-
3U2301 Ί Ί . *: Ί . :·4β:&.ΐ98ϊ-
.:. „:» .:. .:. \2iM27 ρ
wird optisch angeregt und erzeugt eine Fotolumineszenz, die ein Maß für die zu messende Größe ist. Bei dieser Anordnung ist das
in den Sensor eingehende lumineszierende Material von Material mit niedriger Absorptionsfähigkeit für das Anregungs- und Lumineszenzlicht
umgeben (abgedeckt). (Siehe die DE-Patentanmeldung P 31 37 389). Bei dieser Ausführung der Sensorstruktur erhält
man eine Reihe von Vorteilen, die in den genannten Druckschriften
näher beschrieben sind.
Die physikalische Wirkung, die in diesen Meßgeräten ausgenutzt wird, besteht darin, daß ein auf das Material aufgebrachter
Druck den Bandabstand des Materials verändert. Die Wirkung ist jedoch verhältnismäßig klein; sie beträgt d£r/,p = 16 * 10"
eV'cm /kg für GaAs bei Raumtemperatur, und es sind verhältnismäßig
große hydrostatische Drucke erforderlich, um eine ausreichende Signalgröße zu erzielen.
Mechanische (uniachsiale) Kräfte können leichter gemessen werden, da sie auf einer kleinen Fläche des Materials aufgebracht werden
können, jedoch besteht hierbei die Gefahr, daß die Oberfläche des Materials beschädigt wird, was eine Reduktion des Lumineszenzsignals
zur Folge haben kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Sensorelement
der eingangs genannten Art zu entwickeln, das eine gute Empfindlichkeit der zu messenden Größe aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein optisches Sensorelement nach
·: ·£8.1St. 1981
I " :23 CÜ27 P
dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß
die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
genannt.
Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispxelen soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines Sensors gemäß
der Erfindung,
Figur 2 eine andere Auführungsform eines Sensors gemäß
Figur 2 eine andere Auführungsform eines Sensors gemäß
der Erfindung,
Figur 3 einen Sensor gemäß der Erfindung, mit dem im Substrat angebrachten Loch und mit mindestens
zwei Halbleiterschichten,
Figur 4a einen Sensor gemäß der Erfindung zur Messung
Figur 4a einen Sensor gemäß der Erfindung zur Messung
eines absoluten Druckes,
Figur Ab einen Sensor gemäß der Erfindung zur Messung
Figur Ab einen Sensor gemäß der Erfindung zur Messung
einer Druckdifferenz,
Figur 5 einen Sensor, bei dem die Halbleiterstruktur
Figur 5 einen Sensor, bei dem die Halbleiterstruktur
einen Endanschlag für die aus den Schichten gebildete Membran hat,
Figur 6a ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung im Schnitt längs der Linie
A - A in Figur 6b,
Figur 6b den Sensor gemäß Figur 6a in Ansicht von vorn.
Figur 6b den Sensor gemäß Figur 6a in Ansicht von vorn.
/7
3U2301
Die Strukturen der Halbleitersensoren in den Figuren 1 bis 6
können durch Aufwachsen von Epitaxialschichten und durch Anwendung sogenannter selektiver Ä'tzmethoden hergestellt werden.
können durch Aufwachsen von Epitaxialschichten und durch Anwendung sogenannter selektiver Ä'tzmethoden hergestellt werden.
Figur 1 zeigt einen Sensor mit einer Struktur, die aus drei oder
vier Epitaxialschichten besteht. Eine "aktive" lumineszierende
Schicht 1 aus GaAs liegt zwischen als "Fenstern" wirkenden
Schichten 2, 3 aus Al Ga1 As, wodurch man die gewünschten Lu-
Schicht 1 aus GaAs liegt zwischen als "Fenstern" wirkenden
Schichten 2, 3 aus Al Ga1 As, wodurch man die gewünschten Lu-
X I —X
mineszenzexgenschaften für die Struktur erhält. Dieses umgebende
Material soll eine niedrige Absorptionsfähigkeit für die Wellenlängen
des Anregungslichtes und des Lumineszenzlichtes haben und es muß eine Gitterkonstante haben, deren Wert dem der Gitterkonstante
der aktiven Schicht so nahe wie möglich liegt. Durch Wegätzen von Material des Substrats A wird in der Struktur ein Hohlraum
5 gebildet, der durch eine dünne Membran aus den Schichten
1 bis 3 begrenzt wird. Die Öffnung des Hohlraumes wird in geeigneter Weise verschlossen, beispielsweise durch direkten Anschluß einer lichtleitenden (optischen) Faser 6, deren Durchmesser grösser oder gleich dem Durchmesser des Hohlraumes 5 ist. Eventuell
kann zwischen der Faser und dem Halbleiterkristall 6-1-3 eine
Platte aus transparentem Material angebracht werden.
1 bis 3 begrenzt wird. Die Öffnung des Hohlraumes wird in geeigneter Weise verschlossen, beispielsweise durch direkten Anschluß einer lichtleitenden (optischen) Faser 6, deren Durchmesser grösser oder gleich dem Durchmesser des Hohlraumes 5 ist. Eventuell
kann zwischen der Faser und dem Halbleiterkristall 6-1-3 eine
Platte aus transparentem Material angebracht werden.
Wenn der Sensor einem hydrostatischen Druck ausgesetzt wird,
dann wird die Membran 1-3 durchgebogen, wodurch in dieser
mechanische Spannungen auftreten. Diese Spannungen verändern das Spektrum des vom Material ausgesandten Lumineszenzlichtes, was
in einer an sich bekannten Weise gemessen werden kann (siehe
beispielsweise din eingangs genannten Druckschriften). Der Vorteil des hier beschriebenen Sensors im Vergleich zu bekannten
dann wird die Membran 1-3 durchgebogen, wodurch in dieser
mechanische Spannungen auftreten. Diese Spannungen verändern das Spektrum des vom Material ausgesandten Lumineszenzlichtes, was
in einer an sich bekannten Weise gemessen werden kann (siehe
beispielsweise din eingangs genannten Druckschriften). Der Vorteil des hier beschriebenen Sensors im Vergleich zu bekannten
: · : 28.9.1981
·" '21 "027 P
Sensoren besteht darin, daß seine Empfindlichkeit durch Wahl des Querschnittes und der Dicke der Membran T-3 beeinflußt und erheblich
vergrößert werden kann. Das Substrat A kann durch sogenanntes selektives Ätzen leicht abgeätzt werden, wobei ein grosser
Unterschied zwischen der fitzungsgeschwindigkeit für GaAs und Al Ga As besteht. Die Dicke d wird somit bei der Bildung der
Schichten bestimmt und kann zwischen Qa. 0,3 bis 30OyUm variieren, Solche Ätzmethoden sind bereits, u.a. für die Herstellung
spezieller Leuchtdioden, bekannt.
Eine Struktur, bei der hohe Empfindlichkeit mit Beständigkeit gegen große Druckstöße kombiniert ist, kann man ausgehend von
den Epitaxialschichten gemäß Figur 2 schaffen. Bei der folgenden Ätzung wird zuerst das GaAs-Substrat 4 vollständig weggeätzt,
nachdem die Struktur auf beispielsweise einer auf der Schicht 2 angebrachten Glasplatte befestigt wurde. Danach wird die Al Ga
As-Schicht 8 unmittelbar von der Struktur ganz abgeätzt und
dann wird ein Loch in die folgende GaAs-Schicht 7 geätzt. Mit diesem Verfahren kann der Abstand d? sehr klein gemacht werden,
(was beim Zuwachs bestimmt wird), wodurch das Ausschwingen der Membran bei Druckstößen begrenzt werden kann.
Selbstverständlich kann die vorstehend beschriebene Struktur auch zur Kraftmessung verwendet werden, indem sie beispielsweise
in einem dichten Raum plaziert wird, dessen Volumen durch eine äußere Kraft beaufschlagt werden kann.
Die lumineszierende Schicht 1 in den vorstehend beschriebenen Strukturen ist von Material mit niedriger Absorptionsfähigkeit
/9
für das Anregungs- und Lumineszenzlicht umgeben. Zwischen dem lumineszierenden Material und einer der abdeckenden Schichten
kann/können außerdem eine oder mehrere weitere Schichten mit geringerer Dotierung und/oder kleinerer Dicke als die lumineszierende
Schicht vorgesehen werden, wobei man den Vorteil erzielt, den man bei der in der deutschen Patentanmeldung P 31 37 389 vorgeschlagenen Konstruktion bereits erzielt, daß nämlich das Material,
das die aktive Schicht umgibt, vorzugsweise mit einer Gitterkonstante gewählt wird, deren Wert so nahe wie möglich bei
dem Wert der Gitterkonstante der aktiven Schicht liegt, wodurch die Rekombination in der Grenzfläche zwischen den verschiedenen
Materialien begrenzt wird.
Figur 3 zeigt eine Faser 9, die an das Substrat 10 einer Struktur
angeschlossen ist, und zwar in einem Loch 11, welches in dem Substrat 10 durch ätzen oder in anderer Weise angebracht worden
ist. Auf dem Substrat 10 sind mindestens zwei Epitaxialschichten 12, 13 aufgebracht, von denen die Schicht 12 luminesziert. Es
ist auch möglich, daß beide Schichten lumineszieren, jedoch mit verschiedenen Spektren. In der bevorzugten einfachsten Ausführungsform
kann die Membran auch aus nur einer einzigen Schicht bestehen.
Bei der Lunineszenz kann es sich um Fotolumineszenz handeln, die man durch Beleuchtung der Lumineszenzschicht 12 erhält. Die Lumineszenz
kann man auch in Form einer Elektrolumineszenz erhalten, wobei zwei der Halbleiterschichten einen pn-übergang bilden.
Das Schichtmaterial und das Substrat können beispielsweise Al Ga1 Äs sein.
Der Sensor kann zum Messen des absoluten Druckes gemäß Figur Aa verwendet werden, wo zwischen der Faser 14 und dem Sensor eine
Glasschicht 15 angebracht ist. Diese Glasschicht begrenzt dabei in dem eingeschlossenen Hohlraum 1T ein abgeschlossenes Luftvolumen.
Der zu messende Druck P kann beispielsweise auf die Membran 12, 13 wirken.
Figur Ab zeigt eine Anordnung zum Messen einer Druckdifferenz, und zwar der Differenz des Druckes P , der auf die Faser 1A
wirkt, und des Druckes P„, der in Figur Ab von der rechten Seite
her auf das Substrat 10 wirkt. Die Membran 12, 13 steht hierbei unter der Wirkung der Druckdifferenz P-i-P?'
Figur 5 zeigt einen Sensor mit einer Struktur, die mit einem
Endanschlag 16 für die Membran versehen ist. Zwischen dem Endanschlag 16 und der Membran 17, 18 ist hierbei ein Hohlraum 19
vorhanden. Ein entsprechender Hohlraum 20 ist auf der anderen Seite der Membran 17,18 vorhanden. Die Faser 21 wird in einem
im Substrat 23 vorgesehenen Loch 22 angebracht. Auch in diesem Falle werden die Membranschichten 17, 18 durch selektive fitzung
hergestellt.
Figur 6a zeigt einen Sensor im Schnitt längs der Linie A - A in Figur 6b, während Figur 6b diesen Sensor von vorn zeigt. Eine
Faser 2A wird an das Substrat 25 angeschlossen. Das Substrat trägt eine übliche Membran aus drei Schichten, 26, 27 und 28.
Aus dieser Membran ist ein U-förmiges Teil (siehe Figur 6b) herausgeätzt. Dieser Sensor kann zum Messen einer Schwingung,
Dehnung oder Kraft verwendet werden.
<t C
- 11 -
Die vorstehend beschriebenen Sensoren können im Rahmen des
offenbarten allgemeinen Erfindungsgedankens in vielfacher Weise variiert werden.
Claims (11)
1. Optisches Sensorelement auf Halbleiterbasis zur Erfassung physikalischer Größen, z.B. eines Druckes, das optisch angeregt
wird und eine Fotolumineszenz erzeugt, die ein Maß für die zu messende Größe ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf einem Halbleitersubstrat (4, 10, 23), welches mit einem Loch (5, 11, 22) versehen ist, mindestens
zwei Halbleiterschichten aufgetragen sind, von denen mindestens eine Schicht lumineszierend ist. und daß eine optische Faser
(6, 9> 14, 21, 2A) zur Erfassung des Lumineszenzlichtes vorhanden
ist. . " *
2* Optisches Sensorelement nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Halbleiterschichten (1-12, 2-13) mit untereinander verschiedenen Spektren
lumineszierend sind.
3„ Optisches Sensorelement nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Halbleiterschichten
(1-3) vorhanden sind, von denen mindestens eine lumineszierend ( 1 ) ist und auf einer oder beiden Seiten an eine nichtlumineszierende
Halbleiterschicht grenzt, deren Gitterkonstahte einen Wert hat, der so nahe wie möglich bei dem Wert der Git- *:
terkonstanten der lumineszierenden Schicht liegt. '*
A. Optisches Sensorelement nach Anspruch 3, dadurchgekennzeichnet,
daß die lumineszierende Schicht mit einem Material mit geringer Absorptionsfähigkeit für das Anregungs-
und Lumineszenzlicht bedeckt ist und daß zwischen dem lumineszierenden Material und einer der bedeckenden
Schichten eine weitere Schicht mit geringerer Dotierung und/ oder kleinerer Dicke als die lumineszierende Schicht angeordnet
ist.
5. Optisches Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lumineszenz in Form einer Fotolumineszenz durch Beleuchtung
der Lumineszenzschicht erzeugt wird.
6. Optisches Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lumineszenz
in Form einer Elektrolumineszenz erzeugt wird, wobei zwei der Halbleiterschichten einen pn-übergang bilden.
7. Optisches Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht und das Substrat aus Al Ga1 As bestehen.
8. Optisches Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeic h..n e t, daß zur Messung des absoluten Druckes zwischen dem Loch im Substrat
und der Faser eine Glasschicht (15) angeordnet ist, die ein abgeschlossenes Luftvolumen im Substrat einschließt.
142301 ::.:;. ."M e?7 ρ
9. Optisches Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7>
dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung
einer Druckdifferenz die Faser (1A) auf der dem Substrat (10) gegenüberliegende! Seite des Sensors angebracht ist und daß
auf die Faser ein Druck (P1) und auf das Substrat ein anderer
Druck (Pp) wirkt, wobei das Meßsignal ein Maß für die Druckdifferenz (P1-P2) ist.
10. Optisches Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem
Substrat (23) aufgebrachte Struktur auf einer oder beiden Seiten mit einem Endanschlag (16) für die Membran (17, 18)
versehen ist, welcher/welche Endanschlag/Endanschläge durch selektive Ätzung hergestellt ist/sind.
11. Optisches Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis J,
dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur zur Ausätzung eines z.B. U-förmigen Teils aus der Membran
(26, 27, 28) durch selektive Ätzung hergestellt ist und daß dieser Sensor zum Messen einer Schwingung, einer Dehnung
und/oder einer Kraft dient.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE8007805A SE436800B (sv) | 1980-11-06 | 1980-11-06 | Optiskt sensorelement av fast material for avkenning av fysikaliska storheter, sasom tryck, vilket exciteras optiskt och avger fotoluminiscens |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3142301A1 true DE3142301A1 (de) | 1982-06-16 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19813142301 Withdrawn DE3142301A1 (de) | 1980-11-06 | 1981-10-24 | "optisches sensorelement auf halbleiterbasis" |
Country Status (4)
| Country | Link |
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| JP (1) | JPS57110930A (de) |
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| JPS57110930A (en) | 1982-07-10 |
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