DD240598A1

DD240598A1 - OPTO ELECTRONIC DEVICE FOR MEASURING PRESSURE, ESPECIALLY SOUND PRESSURE DIFFERENCES

Info

Publication number: DD240598A1
Application number: DD28023585A
Authority: DD
Inventors: Volkmar Kruspig
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1985-09-02
Filing date: 1985-09-02
Publication date: 1986-11-05

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.The device according to the invention is suitable for measuring pressure differences, in particular as a sensor element for sound pressure determination, for measuring the atmospheric pressure or the pressure of gases and liquids. The device for pressure measurement has a Traegerelement with an at least partial recess. This recess is covered with a thin, highly elastic, at least one-sided reflective film. On the Traegerelement within said recess an uncapped, optically sensitive integrated semiconductor device and one or more radiation sources are arranged. The radiation emitted by the radiation sources is directed onto the photosensitive semiconductor device as a function of the deflection of the highly elastic film. Since the deflection of the film is related to the respective pressing force, a pressure determination is possible from the change of the impingement points of the radiation on the photosensitive semiconductor device. The device according to the invention can therefore also be used as an optical microphone.

Description

-2- 240 598 Darlegung des Wesens der Erfindung-2- 240 598 Explanation of the essence of the invention

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.The object of the invention is to provide a device for measuring pressure difference taking advantage of the deflection of a reflective membrane depending on the change in the optical reflection. In this case, a high frequency selectivity and a high sensitivity of the device is to be ensured. Furthermore, the device should be realized by applying per se known opto-electronic means.

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.According to the invention, the device for measuring pressure difference has a carrier element with a partial recess, on the carrier element is an uncapped, optically sensitive integrated semiconductor device, for example a special CCD sensor line. Furthermore, discretely arranged or integrated into the semiconductor device, one or more radiation sources are fixed within the recess of the carrier element such that the exiting radiation can be reflected on a highly elastic, at least one-side reflecting material, for example a coated foil covering the recess of the carrier element , In a partially optically transmissive design of the carrier material, the radiation source can also be arranged outside the device according to the invention. According to the invention, the carrier material may be formed as a partially recessed multi-layer printed circuit board, so that an advantageous electrical connection of the semiconductor device is possible. The operation of the device according to the invention is the following.

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.By mechanical or acoustic action a defined deflection of the highly elastic, the recess of the support element covering, at least one side reflective thin film is achieved. The radiation source disposed within the recess emits in the direction of the reflective film. The change in the deflection of the film as a function of z. B. the action of the sound leads to a change in the reflection angle of the radiation, so that can be detected on the optically sensitive semiconductor device, a defined deflection change of the reflected radiation. The migration of a selected sub-beam on the surface of the semiconductor device is easily digitized using a CCD sensor line and can be used as the z. B. acoustic signal equivalent electrical value can be further processed.

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.Furthermore, the detection of the vibrations of the reflective film by the use of a CCD sensor matrix can be substantially increased, so that a high frequency selectivity is ensured with sufficient sensitivity of the device. The device of the invention has small outer dimensions and can due to the encapsulated design under extreme conditions, eg. B. high dust load or below the water surface can be used.

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.If a partially translucent carrier element is provided with an external radiation source, a modulation of the incident radiation corresponding to the deflection of the reflective film is possible. For this purpose, a light-emitting element can be arranged at the output of the semiconductor device using a suitable drive circuit, which provides radiation modulated in the oscillation cycle of the film.

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.If the highly elastic reflective film mechanically connected to a stylus, the use of the device as a transducer means within a scanning system, for example, for scanning records is possible.

embodiment

Die Erfindung soll anhand zweier Figuren näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to two figures.

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.FIG. 1 shows the device according to the invention for pressure difference measurement with integrated radiation source. The carrier element 1 can be designed, for example, as a partially recessed multi-layer printed circuit board with corresponding plated-through holes 2. On the bottom of the support member 1, an uncapped photosensitive semiconductor device 3, for example, by means of adhesive chip bonds attached. The semiconductor device 3 may be formed as a CCD line or CCD array.

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.The semiconductor device 3 includes integrated radiation sources 4, e.g. B. light emitting diodes or semiconductor laser diodes. The outer end of the device forms a highly elastic, at least one side optically well reflective film 5, z. B. a vacuum-coated plastic film. The reflective layer faces the radiation source or sources 4. The electrical connection of the semiconductor device can be realized via corresponding bond connections 6, 7 and the plated-through holes 2 of the carrier element 1.

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.Under the action of a compressive force P, the reflection and impingement point of the emitted radiation 8 on the photosensitive semiconductor device 3, d. h., From the respective position of the light spot (s) on the semiconductor device 3, which can be read in the embodiment as a CCD line in a continuous cycle, the change or the size of the pressing force can be determined.

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.Optionally, by forming a special mask on the surface of the semiconductor device 3, in particular in the region 4, an optical aperture for influencing the radiation characteristic of the radiation sources can be realized. FIG. 2 shows the basic design of a device according to the invention with an external radiation source. The support element 1 is in this case completely or only in the area 1.1 translucent. For example, a multilayer printed circuit board made of translucent synthetic resin material can be used. By applying opaque material in the form of a thin layer 10, the recess in the interior of the carrier element can be optically shielded except for a defined aperture region 9. The cover of the carrier element is also carried out with a thin, highly elastic, one-sided optically reflective film 5. Under the action of a defined compressive force P such that the reflective side of the film 5 passes into the beam path of the guided from the external source via the aperture 9 radiation takes place a reflection on the optically sensitive semiconductor device 3. The radiation of the external source can be modulated with the pressure difference. For this purpose, a radiation source, for example a light emitting diode, is to be arranged downstream of the semiconductor device on the output side via a corresponding drive device. The intensity of this radiation source is dependent on the incident radiation of the external radiation source and the respective values of the pressure force or the pressure force change. If a pressure equalization of the interior of the support element is necessary, a corresponding hole in the bottom or the optically or electrically non-effective end faces of the interior can be introduced.

Claims

Invention claim:

Opto-electronic device for measuring pressure, in particular sound pressure differences using one or more radiation sources and an integrated photosensitive semiconductor device, characterized in that within a support element (1) is formed a recess receiving the integrated photosensitive semiconductor device (3) In the plane of the semiconductor device (3), in the plane of the semiconductor device (3), when the support element is opaque, covering at least one discrete or thin film (5) covering the carrier surface (1) with the semiconductor device (3) integrated radiation source (4) or in a light-permeable design of the carrier element (1) an external radiation source is present and in the light-permeable embodiment of the carrier element (1). an optical cover of the inner space formed by the recess is formed by means of an opaque layer (10) excluding one acting as a diaphragm, perpendicular to the surface of the semiconductor device (3) and between the semiconductor device (3) and the film (5) arranged region (9) ,

For this 1 page drawings

Field of application of the invention

The invention relates to a device for measuring pressure differences. The device according to the invention can be used as a sensor element for measuring the sound pressure, the atmospheric pressure or the pressure of gases and liquids. With the invention, mechanical vibrations and acoustic waves can be converted into electrical signals.

Characteristic of the known technical solutions

There are known pressure measuring devices that exploit the piezoelectric effect of conventional semiconductive materials. Such transducer devices are only partially suitable for the conversion of sound waves into electrical signals due to the narrowed frequency spectrum and low sensitivity. In GB-PS 1584048 an optical transducer is described, which exploits the dependent of the deflection of a reflective layer coupling degree of two optical fibers. The principle of changing the coupling of coaxially arranged light guides by means of a diaphragm attached to a diaphragm is described in DE-OS 2853336. The defined sound pressure or oscillation-dependent attenuation of radiation emanating from a radiation source, as disclosed in GB-PS 2079932, in DD-WP 132630 or in DE-OS 2051215, also belongs to the known state of the art. The principle underlying these solutions operating principle of the evaluation of varying in intensity according to the mechanical or acoustic action optical signals depends essentially on the exact concentration of radiation emitted by the radiation source and a sufficient sensitivity and low inertia of the optical detector used. The usable frequency range of a transducer based on this principle, z. As microphones, is highly concentrated. Furthermore, the electrical signal at the output of the optical detector is available only as an analog amplitude-modulated value. The device described in DE-OS 2308785 for measuring pressure differences uses an electrically conductive membrane, which is electrostatically influenced by the arrangement of additional Elektro'den. Through a complex optical system, a radiation beam is focused on the center of the membrane. The pressure exerted migration of the focused radiation from the center is evaluated by utilizing reflective properties of the membrane as well as by using radiation detectors and is available as a pressure signal proportional electrical signal. By applying an electrical voltage to the said ^4. ,

Additional electrodes, the membrane is returned to its original position. In addition to the high optical complexity of such a measuring device, the arrangement and the electrical control of the additional electrodes is associated with considerable disadvantages. The total required spatial extent of a measuring device, as described in DE-OS 2308785, opposes a comprehensive use as a universal sensor element. In US-PS 3626096 a digital microphone is described, which has an electrically conductive membrane and a plurality of membrane opposite the field effect transistors. The defined potential leading conductive membrane and the field effect transistors are thereby elements of a condenser microphone. The deflection of the membrane leads to a charge change to the transistors, which can be converted by a corresponding downstream code matrix into digital signals. The problem with such a microphone training is the arrangement of the field effect transistors, their mutual shielding and the reliable evaluation of the small charge changes with low deflection or high oscillation frequency of the membrane.

Aim of the invention

The aim of the invention is the formation of a versatile and small spatial dimensions possessing, easy to produce device for measuring pressure differences. A constructed according to the invention device should be used as a sensor element in the control and regulation technology, but also as a high-quality acoustic-electrical converter.