DD261673B5 - Optoelektronische Sensoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Sensoranordnung mit wenigstens einer lumineszierenden oder lasernden Sendediode und wenigstens einer lichtempfindlichen Empfangerdiode, die auf einem gemeinsamen Trager angeordnet sind, die zu analytischen Zwecken in der Biologie, Chemie und Physik einsetzbar ist Bekannt sind optoelektronische Sensoranordnungen, die eine Lumineszenzdiode aus GaAs oder GaAIAs als Sendediode enthalten Die Koppler sind so konstruiert, daß sich Sensor und Empfanger gegenüberliegen Häufig werden dazu die Senderund Empfangerbauelemente als Chips auf einem gemeinsamen Trager montiert und anschließend in einem Biegeprozeß in die gewünschte gegenüberliegende Stellung gebracht Nach dem Verkappen der Anordnung werden die Anschlüsse gegeneinander aufgetrennt

In der DE-OS 2 950 649 ist beispielsweise eine derartige optoelektronische Sensoranordnung beschrieben, bei der der Sensor als Kantenstrahler ausgebildet ist, so daß der Tragerstreifen nur beidseitig um ca 45° abgewinkelt werden muß, damit die optische Information senkrecht auf den Empfanger trifft

Das bestimmende Merkmal anderer Anordnungen ist die Positionierung von Sende- und Empfangerbauelementen in einer Ebene, so daß Maßnahmen zur Reflexion der optischen Information notwendig sind. Dabei gelingt es fertigungstechnisch häufig nicht, Lumineszenzdiode und Fotodiode in einer exakten Ebene anzuordnen, so daß der Strahlengang von Reflexkoppler zu Reflexkoppler unterschiedlich ist und fur Meßzwecke jedesmal justiert werden muß Das laut einen reproduzierbaren massenhaften Einsatz in der Praxis nicht zu

In der US-PS 4 124 860 wird vorgeschlagen, Sende- und Empfangerchip mit einem Harztropfen zu umhüllen, wobei neben der direkten Kopplung eine Reflexion der emittierten Strahlung über die Oberflache des Harztropfchens erfolgen soll In der DE-OS 2 431 375 wird demgegenüber vorgeschlagen, zusätzlich einen speziell ausgebildeten Reflektor, der zusammen mit dem Chip in einem lichtdurchlässigen Kunststoff eingebettet ist, anzubringen Ungunstig ist in diesem Fall, daß durch den funktional bedingten Isolationsspalt zwischen Sender und Empfanger erhebliche Strahlungsverluste auftreten Nachteilig ist weiterhin hierbei, wie auch bei der vorangegangenen Ausgestaltung, daß ein zusätzlicher Vergießprozeß zur Abschirmung äußerer Storeinstrahlung notwendig ist Eine fur Mehrfachkoppler gunstige Anordnung ist in der DE-OS 2 903 587 beschrieben Die Senderelemente sind in einem U-formigen Keramikprofil über den Fototransistoren angeordnet Als Vorteile werden die gleichzeitige Montage der Sendeelemente und die gute Ableitung der Verlustleistung gesehen Fur den Einsatz in Hybridschaltungen sollen die Sendeelemente einzeln oder mehrfach direkt über die integrierten Fototransistoren positioniert werden Da keine seitliche optische Isolation vorhanden ist, muß der Verband jedoch bei der Montage aufgetrennt werden In dem DD-WP 212 620 wird ein Miniaturkoppler beschrieben, der als Reflexkoppler oder Gabelkoppler ausgeführt werden kann Das Wesen dieser Erfindung besteht darin, daß Sender- und Empfangerchip auf einem gemeinsamen Trager montiert sind, der als flexible Leiterplatte geringer Dicke ausgeführt ist Diese Anordnung hat den Nachteil, daß keine ausreichende Spannungsfestigkeit bei galvanischer Trennung gegeben ist und bei der optischen Kopplung erhebliche Verluste auftreten Das Ziel der Erfindung ist eine optoelektronische Sensoranordnung, die technologisch einfach und ökonomisch gunstig herstellbar ist sowie ein breites Anwendungsgebiet ermöglicht

Dabei liegt die Aufgabe zugrunde, mittels Verfahren der Halbleitertechnologie mit geringem Justageaufwand eine optoelektronische Sensoranordnung zu realisieren, die gute mechanische Eigenschaften und geringe Strahlungsverluste aufweist

Erfindungsgemaß wird dies bei einer optoelektronischen Sensoranordnung mit wenigstens einer lumineszierenden oder lasernden Sendediode und wenigstens einer lichtempfindichen Empfangerdiode, die auf einem gemeinsamen Trager angeordnet sind, dadurch erreicht, daß die beiden Dioden in an sich bekannter Weise in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat derart angeordnet und durch wenigstens einen bis über den pn-Ubergang der beiden Dioden sich erstreckenden Trenngraben getrennt sind, daß die Kantenstrahlung der Sendediode auf die Empfangsflache der Empfangerdiode trifft, und daß der wenigstens eine Trenngraben fur die Aufnahme der mit dem Sensor zu erfassenden Große vorgesehen ist

Die erfmdungsgemaße Sensoranordnung zeichnet sich auch durch eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und Ansprechempfindhchkeit aus

Durch die DE-OS 1 489 033 und die US-PS 4 275 404 sind an sich Halbleiteranordnungen bekannt, bei denen in einem Halbleitersubstrat jeweils eine lichtemittierende Sendediode und eine dieses Licht aufnehmende Empfangsdiode angeordnet sind, die durch eine Graben getrennt sind Dabei handelt es sich jedoch um optische Koppler beziehungsweise Monitor-Einrichtungen zur Regelung der Strahlungsleistung der Sendediode Die besonderen Probleme von Sensoren werden dabei nicht angesprochen

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen angegeben Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung, die Ausfuhrungsbeispiele wiedergibt, naher erläutert In der Zeichnung zeigt

Fig 1 eine optoelektronische Sensoranordnung

Fig 2 eine optoelektronische Sensoranordnung in Mehrfachanordnung und Fig 3 eine optoelektronische Sensoranordnung als mikroelektronischer Sensor

Figur 1 zeigt die optoelektronische Sensoranordnung in monolithischer Bauweise Auf einem gemeinsamen Substrat 4, das η-leitend ist, befindet sich ein großflächiges p-Gebiet 9 Außermittig wird das p-Gebiet 9 bis in das η-Gebiet durch Atzen aufgetrennt Die so entstehenden pn-Ubergange werden als pn-Ubergang fur die Sendediode 5 und als pn-Ubergang fur die Empfangerdiode 6 verwendet Dabei wird die Sendediode 5 in Flußrichtung und die Empfangerdiode 6 im 3 und/oder 4 Quadranten der Strom-Spannungs-Kennlinie in Sperrichtung betrieben Die pn-Ubergange der Sendediode 5 und der Empfangerdiode 6 werden über die großflächigen abdeckenden Kontakte 1, 2, 3 angesteuert Die Trenngrabenkante 8 der Empfangerdiode 6 wird nach der Realisierung des Trenngrabens 7 durch selektive Ionenimplantation hoher als das p-Gebiet der Empfangerdiode 6 dotiert

Figur 2 zeigt eine Mehrfachkoppleranordnung mit dem gleichen Aufbau wie in Fig 1 Hierbei sind die pn-Ubergange der Sendediode 5, die in Flußrichtung betrieben sind, selektiv dotiert, beispielsweise GaP mit N oder einem Zn-O-Komplex Dadurch werden unterschiedlich lichtemittierende Übergänge realisiert Die pn-Ubergange der Empfangerdiode 6, die diesen lichtemittierenden Übergängen gegenüberliegen und in Sperrichtung betrieben werden, wirken als Fotoempfanger Diese Anordnung wird zu spektralanalytischen Untersuchungen fur Gase eingesetzt Bei Überstreichen eines Gases über die Anordnung wird das Licht je nach seiner Zusammensetzung unterschiedlich absorbiert und demzufolge mit unterschiedlicher Intensität in die Empfangerdiode 6 eingekoppelt

Eine nachfolgende elektronische Auswertung gibt Auskunft über die Zusammensetzung des Gases Um die definierte spektrale Verteilung der Absorption der Gase zu ermitteln, ist zu jeder einzelnen Sensoranordnung eine Referenzanordnung dergestalt zu schalten, daß in die Trenngraben 7 ein elektrisch isolierendes, aber optisch transparentes Material, beispielsweise Epoxydharz, Glas oder Si₂O₃, eingebracht wird, daß dem Eintritt des Gases in den Strahlengang verhindert Gunstig ist es auch, den Trenngraben 7 durch ein optisch geeignetes Material auszufüllen Beispielsweise kann der Strahlengang durch Lichtwellenleiter optisch in den Trenngraben 7 aus- und wieder eingekoppelt werden Außerdem können solche Anordnungen als Referenzelemente aufgebaut sein Eine weitere Möglichkeit besteht dann, daß der Trenngraben 7 mit Flussigkristallen ausgefüllt wird, die bei Temperaturanderung ihre optischen Eigenschaften andern Das heißt, eine solche Anordnung ist als Komperator- und/oder Temperatursensor einsetzbar

Vorteilhaft ist es, die Kantenstrahlung fur unterschiedliche Wellenlangen auszulegen Das kann durch unterschiedliche Dotierung realisiert werden Dadurch ist eine Farbselektion möglich

Die Sensoranordnung kann mit Vorteil auch in biologische Gewebe eingesetzt sein, so daß im Trenngraben das biologische Gewebe durchstrahlt wird Fur solche und andere Meßzwecke können eine oder mehrere Trenngraben mit Referenzstoffen gefüllt sein, um Kompensationen oder eine besondere Selektivität zu erreichen Figur 3 zeigt eine Anordnung als mikroelektronischen Sensor, die den gleichen Aufbau wie Fig 1 aufweist Die mechanische Krafteinkopplung F auf die Sendediode 5 oder Empfangerdiode 6 fuhrt zu unterschiedlichen Koppeleigenschaften im Vergleich zu einer Referenzanordnung, die ohne Krafteinkopplung betneben wird Der Vergleich zwischen den Sensoranordnungen ermöglicht die Kraftmessung

Claims (11)

1. Optoelektronische Sensoranordnung mit wenigstens einer lumineszierenden oder lasernden Sendediode und wenigstens einer lichtempfindlichen Empfängerdiode, die auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dioden in an sich bekannter Weise in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat derart angeordnet und durch wenigstens einen bis über den pn-übergang der beiden Dioden sich erstreckenden Trenngraben getrennt sind, daß die Kantenstrahlung der Sendediode auf die Empfangsfläche der Empfängerdiode trifft, und daß der wenigstens eine Trenngraben für die Aufnahme der mit dem Sensor zu erfassenden Größe vorgesehen ist.

2. Optoelektronische Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem als Sensor vorgesehenen Paar von Sende- und Empfängerdiode ein weiteres solches Paar als Referenzanordnung zugeordnet ist.

3. Optoelektronische Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß fur das als Referenzanordnung dienende Paar in dem zugehörigen Trenngraben ein Referenzstoff vorgesehen ist.

4. Optoelektronische Sensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trenngraben des als Referenzanordnung dienenden Paares mit einem das Eindringen des mit dem Sensor zu analysierenden Materials verhindernden Material versehen ist.

5. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Trenngraben des als Sensor dienenden Paares für die Aufnahme eines zu analysierenden Gases vorgesehen ist.

6. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kraftmessung eine mechanische Krafteinkopplung für die Sendeoder die Empfängerdiode vorgesehen ist.

7. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturmessung in dem Trenngraben eines Paares ein seine optischen Eigenschaften temperaturabhängig ändernder Flüssigkristall vorgesehen ist.

8. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Paare vorgesehen sind und die einzelnen Paare eine hinsichtlich der Wellenlänge unterschiedliche Kantenstrahlung haben.

9. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenngrabenkante der Empfängerdiode eine erhöhte Dotierung aufweist.

10. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trenngraben des einzelnen Paares außermittig angeordnet ist.

11. Schaltung mit einer optoelektronischen Sensoranordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung derart ausgebildet ist, daß die Empfängerdiode im 3. oder 4. Quadranten ihrer Strom-Spannungs-Kennlinie arbeitet.

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