DD240598A1 - Opto-elektronische vorrichtung zur messung von druck-, insbesondere schalldruckdifferenzen - Google Patents

Abstract

Die erfindungsgemaesse Vorrichtung ist zur Messung von Druckdifferenzen, insbesondere als Sensorelement zur Schalldruckbestimmung, zur Messung des atmosphaerischen Druckes oder des Druckes von Gasen und Fluessigkeiten geeignet. Die Vorrichtung zur Druckmessung besitzt ein Traegerelement mit einer mindestens teilweisen Aussparung. Diese Aussparung ist mit einer duennen, hochelastischen mindestens einseitig reflektierenden Folie ueberspannt. Auf dem Traegerelement innerhalb der genannten Aussparung sind eine unverkappte, optisch sensitive integrierte Halbleitervorrichtung sowie eine oder mehrere Strahlungsquellen angeordnet. Die von den Strahlungsquellen ausgehende Strahlung wird in Abhaengigkeit von der Durchbiegung der hochelastischen Folie auf die photosensitive Halbleitervorrichtung gelenkt. Da die Durchbiegung der Folie mit der jeweiligen Druckkraft in Beziehung steht, ist aus der Aenderung der Auftreffpunkte der Strahlung auf der photosensitiven Halbleitervorrichtung eine Druckbestimmung moeglich. Die erfindungsgemaesse Vorrichtung ist daher auch als optisches Mikrofon einsetzbar.

Description

-2- 240 598 Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Druckdifferenzmessung unter Ausnutzung der an einer reflektierenden Membran durchbiegungsabhängig erfolgenden Änderung der optischen Reflexion. Dabei ist eine hohe Frequenzselektivität und eine hohe Empfindlichkeit der Vorrichtung zu sichern. Weiterhin soll die Vorrichtung durch Anwendung an sich bekannter opto-elektronischer Mittel realisiert werden.

Erfindungsgemäß besitzt die Vorrichtung zur Druckdifferenzmessung ein Trägerelement mit einer teilweisen Aussparung, auf dem Trägerelement ist eine unverkappte, optisch sensitive integrierte Halbleitervorrichtung, beispielsweise eine spezielle CCD-Sensorzeile, angeordnet. Weiterhin sind, diskret angeordnet oder in die Halbleitervorrichtung integriert, ein oder mehrere Strahlungsquellen innerhalb der Aussparung des Trägerelementes derart fixiert, daß die austretende Strahlung an einem, die Aussparung des Trägerelementes bedeckenden hochelastischen, mindestens einseitig reflektierenden Material, beispielsweise einer beschichteten Folie, reflektiert werden kann. Bei einer teilweise optisch durchlässigen Ausbildung des Trägermaterials ist die Strahlungsquelle auch außerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung anordenbar. Erfindungsgemäß kann das Trägermaterial als teilweise ausgesparte Mehrlagenleiterplatte ausgebildet sein, so daß ein vorteilhafter elektrischer Anschluß der Halbleitervorrichtung möglich wird. Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist folgende.

Durch mechanische oder akustische Einwirkung wird eine definierte Durchbiegung der hochelastischen, die Aussparung des Trägerelementes bedeckende, mindestens einseitig reflektierenden dünnen Folie erreicht. Die innerhalb der Aussparung angeordnete Strahlungsquelle emittiert in Richtung der reflektierenden Folie. Die Veränderung der Durchbiegung der Folie in Abhängigkeit von z. B. der Einwirkung des Schalls führt zu einer Änderung des Reflexionswinkels der Strahlung, so daß sich eine definierte Auslenkungsänderung der reflektierten Strahlung auf der optisch-sensitiven Halbleitervorrichtung nachweisen läßt. Die Wanderung eines ausgewählten Teilstrahls auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung ist bei Verwendung einer CCD-Sensorzeile einfach digitalisierbar und kann als dem z. B. akustischen Signal äquivalenter elektrischer Wert weiter verarbeitet werden.

Weiterhin kann die Erfassung der Schwingungen der reflektierenden Folie durch die Verwendung einer CCD-Sensormatrix wesentlich erhöht werden, so daß eine hohe Frequenzselektivität bei ausreichender Empfindlichkeit der Vorrichtung gewährleistet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt geringe äußere Abmessungen und kann auf Grund der gekapselten Ausführung unter extremen Einsatzbedingungen, z. B. hoher Staubbelastung oder unterhalb der Wasseroberfläche verwendet werden.

Wird ein teilweise lichtdurchlässiges Trägerelement mit einer externen Strahlungsquelle versehen, so ist eine Modulation der einfallenden Strahlung entsprechend der Auslenkung der reflektierenden Folie möglich. Hierfür ist am Ausgang der Halbleitervorrichtung unter Verwendung einer geeigneten Ansteuerschaltung ein lichtemittierendes Element anordenbar, welches im Schwingungstakt der Folie modulierte Strahlung zur Verfügung stellt.

Wird die hochelastische reflektierende Folie mit einer Abtastnadel mechanisch verbunden, so ist die Verwendung der Vorrichtung als Wandlereinrichtung innerhalb eines Abtastsystems, beispielsweise zur Abtastung von Schallplatten möglich.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand zweier Figuren näher erläutert werden.

Figur 1 stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Druckdifferenzmessung mit integrierter Strahlungsquelle dar. Das Trägerelement 1 kann beispielsweise als teilweise ausgesparte Mehrlagenleiterplatte mit entsprechenden Durchkontaktierungen 2 ausgebildet sein. Auf dem Boden des Trägerelements 1 ist eine unverkappte photosensitive Halbleitervorrichtung 3, beispielsweise mittels Klebechipbonden befestigt. Die Halbleitervorrichtung 3 kann als CCD-Zeile oder CCD-Matrix ausgebildet sein.

Die Halbleitervorrichtung 3 enthält integrierte Strahlungsquellen 4, z. B. Lichtemitterdioden oder Halbleiterlaserdioden. Den äußeren Abschluß der Vorrichtung bildet eine hochelastische, mindestens einseitig optisch gut reflektierende Folie 5, z. B. eine vakuumbeschichtete Plastfolie. Die reflektierende Schicht ist der oder den Strahlungsquellen 4 zugewandt. Der elektrische Anschluß der Halbleitervorrichtung ist über entsprechende Bondverbindungen 6,7 und die Durchkontaktierungen 2 des Trägerelements 1 realisierbar.

Unter Einwirkung einer Druckkraft P verändert sich der Reflexions- und Auftreffpunkt der emittierten Strahlung 8 auf der photo-sensitiven Halbleitervorrichtung 3, d. h., aus der jeweiligen Lage des bzw. der Lichtpunkte auf der Halbleitervorrichtung 3, die in der Ausführung als CCD-Zeile in kontinuierlichem Takt ausgelesen werden kann, ist die Änderung bzw. die Größe der Druckkraft bestimmbar.

Gegebenenfalls ist durch die Ausbildung einer spezieiien Maske auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung 3, insbesondere im Bereich 4, eine optische Blende zur Beeinflussung der Strahlungscharakteristik der Strahlungsquellen realisierbar. Figur 2 zeigt die prinzipielle Ausbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit externer Strahlungsquelle. Das Trägerelement 1 ist hierbei vollständig oder nur im Bereich 1.1 lichtdurchlässig. Beispielsweise kann eine Mehrlagenleiterplatte aus lichtdurchlässigem Kunstharzmaterial verwendet werden. Durch Aufbringen von lichtundurchlässigem Material in Form einer dünnen Schicht 10 ist bis auf einen definierten Blendenbereich 9 die Aussparung im Innern des Trägerelementes optisch abschirmbar. Die Abdeckung des Trägerelementes erfolgt ebenfalls mit einer dünnen, hochelastischen, einseitig optisch reflektierenden Folie 5. Bei Einwirkung einer definierten Druckkraft P derart, daß die reflektierende Seite der Folie 5 in den Strahlengang der von der externen Quelle über die Blende 9 geführten Strahlung gelangt, erfolgt eine Reflexion auf die optisch sensitive Halbleitervorrichtung 3. Die Strahlung der externen Quelle ist mit der Druckdifferenz modulierbar. Hierfür ist der Halbleitervorrichtung ausgangsseitig über eine entsprechende Ansteuervorrichtung eine Strahlungsquelle, beispielsweise eine Lichtemitterdiode, nachzuordnen. Die Intensität dieser Strahlungsquelle ist abhängig von der einfallenden Strahlung der externen Strahlungsquelle und den jeweiligen Werten der Druckkraft bzw. der Druckkraftänderung. Falls ein Druckausgleich des Innenraums des Trägerelementes notwendig ist, kann eine dementsprechende Bohrung im Boden oder den optisch bzw. elektrisch nicht wirksamen Stirnflächen des Innenraumes eingebracht werden.

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch:

   Opto-elektronische Vorrichtung zur Messung von Druck-, insbesondere Schalldruckdifferenzen unter Verwendung einer oder mehrerer Strahlungsquellen und einer integrierten photosensitive Halbleitervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Trägerelementes (1 )eine die integrierte photosensitiven Halbleitervorrichtung (3) aufnehmende Aussparung ausgebildet ist, eine die Aussparung des Trägerelementes (1) bedeckende hochelastische, auf der dem aktiven Oberflächenbereich der Halbleitervorrichtung (3) zugewandten Seite reflektierende Eigenschaften aufweisende, dünne Folie (5) angeordnet ist, in der Ebene der Halbleitervorrichtung (3) bei einer lichtundurchlässigen Ausbildung des Trägerelementes mindestens eine diskrete bzw. mit der Halbleitervorrichtung (3) integrierte Strahlungsquelle (4) oder bei einer lichtdurchlässigen Ausbildung des Trägerelementes (1) eine externe Strahlungsquelle vorhanden ist sowie bei der lichtdurchlässigen Ausbildung des Trägerelementes (1) eine optische Abdeckung des durch die Aussparung gebildeten Innenraumes mittels einer lichtundurchlässigen Schicht (10) ausschließlich eines als Blende wirkenden, senkrecht zur Oberfläche der Halbleitervorrichtung (3) und zwischen der Halbleitervorrichtung (3) und der Folie (5) angeordneten Bereiches (9) ausgebildet ist.

   Hierzu 1 Seite Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Druckdifferenzen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist als Sensorelement zur Messung des Schalldruckes, des atmosphärischen Druckes oder des Druckes von Gasen und Flüssigkeiten einsetzbar. Mit der Erfindung können mechanische Schwingungen und akustische Wellen in elektrische Signale umgeformt werden.

   Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

   Es sind Druckmeßvorrichtungen bekannt, die den piezoelektrischen Effekt herkömmlicher halbleitender Materialien ausnutzen. Derartige Wandlereinrichtungen sind zur Umformung von Schallwellen in elektrische Signale auf Grund des eingeengten Frequenzspektrums und der geringen Empfindlichkeit nur bedingt geeignet. In der GB-PS 1584048 wird ein optischer Wandler beschrieben, der den von der Durchbiegung einer reflektierenden Schicht abhängigen Kopplungsgrad zweier Lichtleitfasern ausnutzt. Das Prinzip der Änderung der Verkopplung von koaxial angeordneten Lichtleitern mittels einer an einer Membran befestigten Blende wird in der DE-OS 2853336 beschrieben. Die definierte schalldruck- bzw. schwingungsabhängige Dämpfung einer von einer Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung, wie in der GB-PS 2079932, im DD-WP 132630 oder in der DE-OS 2051215 offenbart, gehört ebenfalls zum bekannten Stand ,der Technik. Das diesen Lösungen zu Grunde liegende Wirkprinzip der Bewertung von in der Intensität entsprechend der mechanischen bzw. akustischen Einwirkung veränderlichen optischen Signalen hängt im wesentlichen von der exakten Bündelung der von der Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung sowie einer ausreichenden Empfindlichkeit und einer geringen Trägheit des verwendeten optischen Detektors ab. Der nutzbare Frequenzbereich eines auf diesem Prinzip basierenden Schallwandlers, z. B. Mikrofons, ist stark eingeengt. Weiterhin steht das elektrische Signal am Ausgang des optischen Detektors nur als analoger amplitudenmodulierter Wert zur Verfugung. Die in der DE-OS 2308785 beschriebene Einrichtung zur Messung von Druckdifferenzen verwendet eine elektrisch leitfähige Membran, die durch die Anordnung von zusätzlichen Elektro'den elektrostatisch beeinflußbar ist. Durch ein aufwendiges optisches System wird ein Strahlungsbündel auf den Mittelpunkt der Membran fokussiert. Das bei Druckeinwirkung erfolgende Auswandern derfokussierten Strahlung aus dem Mittelpunkt wird unter Ausnutzung von reflektierenden Eigenschaften der Membran sowie unter Verwendung von Strahlungsdetektoren bewertet und steht als der Druckeinwirkung proportionales elektrisches Signal zur Verfügung. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die genannten ⁴ .,

   Zusatzelektroden wird die Membran in ihre Ausgangslage zurückgestellt. Neben dem hohen optischen Aufwand einer derartigen Meßvorrichtung ist die Anordnung sowie die elektrische Ansteuerung der Zusatzelektroden mit erheblichen Nachteilen behaftet. Die insgesamt erforderliche räumliche Ausdehnung einer Meßvorrichtung, wie in der DE-OS 2308785 beschrieben, steht einem umfassenden Einsatz als universelles Sensorelement entgegen. In der US-PS 3626096 wird ein digitales Mikrofon beschrieben, welches eine elektrisch leitfähige Membran und eine Vielzahl von der Membran gegenüberliegenden Feldeffekttransistoren aufweist. Die ein definiertes Potential führende leitfähige Membran und die Feldeffekttransistoren stellen dabei Elemente eines kondensatormikrofons dar. Die Durchbiegung der Membran führt zu einer Ladungsänderung an den Transistoren, die durch eine entsprechende nachgeordnete Kodematrix in digitale Signale umgeformt werden kann. Problembehaftet ist bei einer derartigen Mikrofonausbildung die Anordnung der Feldeffekttransistoren, deren gegenseitige Abschirmung sowie die sichere Auswertung der geringen Ladungsänderungen bei geringer Auslenkung bzw. hoher Oszillationsfrequenz der Membran.

   Ziel der Erfindung ,

   Ziel der Erfindung ist die Ausbildung einer vielseitig verwendbaren und geringe räumliche Abmessungen besitzende, leicht herstellbaren Vorrichtung zur Messung von Druckdifferenzen. Eine nach der Erfindung aufgebaute Vorrichtung soll als Sensorelement in der Steuer- und Regelungstechnik, aber auch als hochwertiger akustisch-elektrischer Wandler, einsetzbar sein.