DE10024588A1 - Vorrichtung zur Bestimmung bzw. zur Überwachung des Drucks oder Differenzdrucks zumindest eines Prozeßmediums - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung/Überwachung des Drucks oder Differenzdrucks zumindest eines Prozeßmediums. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur hochgenauen Druck- bzw. Differenzdruckmessung vorzuschlagen. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Energieversorgungseinheit (4), ein in einen Resonator eingebrachtes laserfähiges Medium (7), ein Druck-Spannungswandler (11) und eine Empfangs-/Auswerteeinheit (19) vorgesehen sind, wobei die Energieversorgungseinheit (4) das laserfähige Medium (7) pumpt und zu Laseraktivitäten anregt, wobei das laserfähige Medium (7) im unbelasteten Zustand, wenn allseitig derselbe Druck auf das laserfähige Medium (7) bzw. das weitere Medium einwirkt, isotrope Eigenschaften aufweist und der aus dem Resonator und dem laserfähigen Medium aufgebaute Laser Strahlung mit einer von den physikalischen Eigenschaften des laserfähigen Mediums (7) abhängigen Frequenz emittiert, wobei der Druck-Spannungswandler (11) den zu messenden Druck- oder Differenzdruck des zumindest einen Prozeßmediums auf zumindest einen Teilbereich des laserfähigen Mediums (7) überträgt, wodurch ein belasteter Zustand des laserfähigen Mediums (7) definiert ist, in dem die isotropen Eigenschaften des laserfähigen Mediums (7) gestört sind, wobei die im belasteten Zustand des laserfähigen Mediums (7) emittierte Strahlung in verschiedenen Polarisationsrichtungen unterschiedliche Frequenzen aufweist, und wobei die ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung bzw. zur Überwachung des Drucks oder Differenzdrucks zumindest eines Prozeßmediums.

Aus der DE 43 22 291 C2 ist eine optische Kraftmeßeinrichtung bekannt geworden, deren Hauptkomponente ein Laser, also ein laserfähiger Kristall, insbesondere ein neodymdotierter YAG Kristall, mit verspiegelten Stirnflächen ist. Der Laser wird mittels einer Laserdiode optisch gepumpt. Gleichzeitig weist der laserfähige Kristall photoelastische Eigenschaften auf: Wirkt keine Kraft auf den YAG Kristall, so zeigt er ein isotropes Verhalten. Isotropes Verhalten bedeutet in diesem Fall, daß das Licht im Kristall einen von der Polarisationsrichtung des Lichts unabhängigen Brechungsindex "sieht". Der Laser emittiert dann kohärentes Licht einer Wellenlänge. Wirkt auf den YAG Kristall einseitig eine Kraft ein, so wird das Kristallgitter verzerrt; die Kristalleigenschaften werden anisotrop. Die Folge davon ist, daß die Brechungsindizes und deshalb auch die optische Resonatorlänge und infolge dessen auch die Frequenzen der in unterschiedlichen Polarisationsrichtungen emittierten Strahlung voneinander verschieden sind. Die Frequenzdifferenz zwischen der in zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen emittierten Strahlung ist hierbei proportional zu der auf den Kristall einwirkenden Kraft.

Zwar wird in der DE 43 22 291 C2 lapidar erwähnt, daß die Kraftmeß­ einrichtung auch zur Messung von aus der Kraft abgeleiteten Größen, wie Beschleunigung, Druck oder Masse, herangezogen werden kann. Die Patentschrift liefert jedoch keinerlei Hinweise, wie die Meßeinrichtung konkret ausgestaltet sein kann, wenn sie beispielsweise zur Druckmessung herangezogen werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur hochgenauen Druck- bzw. Differenzdruckmessung vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zur Bestimmung/ Überwachung des Drucks oder Differenzdrucks zumindest eines Prozeßmediums eine Energieversorgungseinheit, ein in einen Resonator eingebrachtes laserfähiges Medium, einen Druck-Spannungswandler und eine Empfangs-/Auswerteeinheit aufweist, wobei die Energieversorgungseinheit das laserfähige Medium pumpt und zu Laseraktivitäten anregt, wobei entweder das laserfähige Medium oder zusätzlich zu dem laserfähigen Medium ein weiteres in den Resonator eingebrachtes Medium im unbelasteten Zustand, wenn allseitig derselbe Druck auf das laserfähige Medium bzw. das weitere Medium einwirkt, isotrope Eigenschaften aufweist und der aus dem Resonator, dem laserfähigen Medium und evtl. dem weiteren in den Resonator eingebrachten Medium aufgebaute Laser Strahlung mit einer von den physikalischen Eigenschaften des laserfähigen Mediums bzw. des weiteren Mediums abhängigen Frequenz emittiert, wobei der Druck-Spannungswandler den zumessenden Druck- oder Differenzdruck des zumindest einen Prozeßmediums auf zumindest einen Teilbereich des laserfähigen Mediums bzw. des weiteren Mediums überträgt, wodurch ein belasteter Zustand des laserfähigen Mediums bzw. des weiteren Mediums definiert ist, in dem die isotropen Eigenschaften des laserfähigen Mediums bzw. des weiteren Mediums gestört sind, wobei die im belasteten Zustand des laserfähigen Mediums emittierte Strahlung in verschiedenen Polarisations­ richtungen unterschiedliche Frequenzen aufweist, und wobei die Empfangs-/Aus­ werteeinheit anhand der unterschiedlichen Frequenzen in den verschiedenen Polarisationsrichtungen den Druck bzw. den Differenzdruck des zumindest einen Prozeßmediums bestimmt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Druck-Spannungswandler im Falle einer Differenzdruckmessung derart ausgestaltet, daß die beiden Drucke unter einem Winkel von im wesentlichen 90° zueinander auf das laserfähige Medium bzw. auf das weitere Medium einwirken.

Bei dem laserfähigen Medium handelt es sich beispielsweise - wie in der DE 43 22 291 C2 beschrieben - um einen laserfähigen Nd : YAG Kristall, also einen neodymdotierten Yttrium-Aluminium-Granat Kristall. Ein Nd : YAG Kristall besitzt übrigens die erforderlichen photoelastischen Eigenschaften.

Bevorzugt handelt es sich bei dem laserfähigen Material jedoch um ein laserfähiges Halbleitermaterial. Geeignete Halbleiter sind Materialien, die entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich den photoelastischen Effekt zeigen. Insbesondere können die Halbleitermaterialien auf einer Gallium- oder einer Siliziumbasis aufgebaut sein. Obwohl es günstig ist, wenn das laserfähige Medium gleichzeitig auch den photoelastischen Effekt zeigt, so ist dies dennoch keine notwendige Voraussetzung für die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druck- bzw. Differenzdrucksensors. Es ist durchaus auch möglich, neben dem laserfähigen Medium zusätzlich ein Medium mit photoelastischen Eigen­ schaften zu verwenden. In beiden Fällen wird die Ausgestaltung bevorzugt, daß das laserfähige Medium in gegenüberliegenden Endbereichen verspiegelt ist; hierdurch läßt sich in einfacher Weise das laserfähige Medium als Resonator ausgestalten. Selbstverständlich können jedoch auch separate, als Spiegel wirkende Komponenten zum Einsatz kommen.

Das photoelastische Medium kann übrigens sehr unterschiedliche Formen aufweisen: So kann es zylindrisch oder stabförmig mit rechteckförmigem, quadratischem oder dreieckförmigem Querschnitt ausgebildet sein. Andere Formen sind natürlich gleichfalls verwendbar. Weiterhin kann das photo­ elastische Medium auch aus einzelnen Teilkomponenten zusammengesetzt sein, die beispielsweise durch Löten oder Verkleben zusammengehalten werden. Darüber hinaus kann auch das aus mehreren Teilkomponenten zusammengesetzte photoelastische Medium so aufgebaut sein, daß es eine Kavität aufweist, die ggf. evakuiert ist.

Bei der Energieversorgungseinheit handelt es sich je nach verwendetem laserfähigem Medium beispielsweise um eine Lichtquelle, z. B. eine Laserdiode, oder um eine elektrische Spannung. Im ersten Fall wird das laserfähige Material optisch gepumpt, während es im zweiten Fall elektrisch gepumpt wird. Diese letzte Variante ist insofern besonders günstig, da hier auf die Lichtquelle verzichtet werden kann, was Platz und Geld einspart. Außerdem wird bei dieser Ausgestaltung der Energiebedarf für den Druck- oder Differenzdrucksensor erheblich verringert. Dies liegt daran, daß ein z. B. mit einer Laserdiode gepumptes laserfähiges Material lediglich einen Wirkungsgrad von maximal 10% erreicht, während der Wirkungsgrad eines elektrisch gepumpten Halbleiterdiodenlasers einen Wirkungsgrad von nahezu 50% aufweist. Grob läßt sich daher sagen, daß bei einem Drucksensor bzw. einem Differenzdrucksensor zur Erzielung vergleichbarer Signalamplituden die Leistungsaufnahme bei elektrischem Pumpen um eine Größenordnung kleiner ist als bei optischem Pumpen. Erfolgt die Anregung des laserfähigen Mediums optisch, so kann das Pumplicht, übrigens longitudinal oder transversal - also von der Seite her - eingestrahlt werden.

Wie bereits zuvor erwähnt, ist das laserfähige, den photoelastischen Effekt zeigende Medium zusätzlich noch als Resonator ausgebildet. Hierzu sind - wie bereits zuvor erwähnt - entweder jeweils zwei gegenüberliegende Seitenbereiche verspiegelt, oder die Resonatorspiegel sind als diskrete Bauteile ausgebildet und in den entsprechenden Seitenbereichen des laserfähigen Materials positioniert. Jede andere Ausgestaltung ist selbstver­ ständlich gleichfalls möglich, solange nur sichergestellt ist, daß sich das laserfähige Medium und/oder das den photoelastischem Effekt zeigende Medium nachfolgend in einem Resonator befinden.

Bei dem Druck-Spannungswandler kann es sich beispielsweise um einen Stößel und/oder um eine idealerweise inkompressible Flüssigkeit handeln. Im Falle der Verwendung eines Stößels wirkt der Druck- bzw. der Differenzdruck auf zumindest eine Membran, an der der Stößel befestigt ist, welcher dann je nach anliegenden Druck mehr oder weniger stark auf das den photo­ elastischen Effekt zeigende Medium drückt und dort mechanische Span­ nungen induziert. Weiterhin ist es möglich, daß der Druck auf eine Membran wirkt, welche das Prozeßmedium von der inkomrpessiblen Flüssigkeit, z. B. Silikonöl, trennt. Dann wird der Druck des Prozeßmediums auf die inkompressible Flüssigkeit bzw. das inkompressible Medium übertragen und vom inkompressiblen Medium auf das Medium, das den photoelastischen Effekt zeigt.

Zusätzlich oder separat zu den bereits genannten Druck-Spannungswandlern kann auch eine Membran als solche die Funktion eines Druck-Spannungs­ wandlers übernehmen. Bei dieser Ausgestaltung handelt es sich um eine besonders bevorzugte Variante, auf die nachfolgend noch im Detail eingegangen wird.

Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, daß das laserfähige Medium und der Resonator bzw. das als Resonator ausgestaltete laserfähige Medium, das ggf. gleichzeitig noch den photoelastischen Effekt zeigt, auf einer entsprechenden Membran oder in unmittelbarer Nähe der Membran derart angeordnet ist/sind, daß der Druck bzw. die Drucke über die Membran auf den zumindest einen Teilbereich des laserfähigen Mediums einwirkt bzw. einwirken und die Isotropie des laserfähigen Mediums stört bzw. stören. Bei Druckbeaufschla­ gung der Membran wird diese ausgelenkt. Hierdurch werden mechanische Spannungen in dem laserfähigen, den photoelastischen Effekt zeigenden Medium erzeugt. Durch die eingebrachten mechanischen Spannungen wird die Isotropie des Medium gestört. Das Einbringen der mechanischen Spannung ist besonders effektiv, wenn die Dicke des Mediums, das die photoelastischen Eigenschaften zeigt, klein ist gegenüber der Dicke der Membran.

Als Folge der in dem Medium auftretenden mechanischen Spannungen "sieht" die Strahlung in verschiedenen Polarisationsrichtungen nicht mehr denselben Brechungsindex, wodurch die in unterschiedliche Polarisationsrichtungen emittierte Strahlung unterschiedliche Frequenzen aufweist. Anhand der Frequenzdifferenz zwischen den beiden unterschiedlichen Frequenzen läßt sich der Druck- bzw. der Differenzdruck ermitteln, da die Frequenzdifferenz über viele Größenordnungen ein in hohem Maße lineares Verhalten bezüglich des Drucks bzw. Differenzdrucks, der auf das photoelastische Medium einwirkt, aufweist.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß es sich bei der Membran um einen abgedünnten Teilbereich eines Wafers handelt, wobei das laserfähige Medium und/oder der Resonator vorzugsweise über die Methoden der Mikromechanik und/oder der integrierten Optik auf der Membran angeordnet sind. Bei Verwendung dieser Herstellungsverfahren ist es möglich, den erfindungsgemäßen Drucksensor bzw. Differenzdrucksensor als integrierten Mikro-Chip mit den allseits bekannten Vorzügen zu designen.

Gemäß einer günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das laserfähige Medium und oder das Medium mit den photoelastischen Eigenschaften auf die Membran oder in unmittelbarer Nähe der Membran aufgebondet oder vorzugsweise aufgewachsen. Bevorzugte Position des aufgewachsenen Mediums bzw. der aufgewachsenen Medien ist übrigens ein Randbereich der Membran. Bei dieser Ausgestaltung wird also kein diskreter Kristall auf die Membran, die z. B. aus einem Wafer gebildet ist, aufgebracht, sondern der Kristall wird auf Kristallgitterebene direkt mit dem Wafer verbunden. Bevorzugt handelt es sich bei dem aufgebrachten Kristall um eine aufgewachsene monokristalline Schicht. Durch die direkte Anbindung des kristallinen Mediums an den Wafer wird eine optimale Übertragung des Drucks von der Membran auf das photoelastische Medium erreicht.

Eine besonders einfache und kostengünstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, daß die Membran bzw. ein abgedünnter Teilbereich des Wafers oder ein an den abgedünnten Teilbereich angrenzender Bereich des Wafers als laserfähiges Medium ausgebildet ist. Einzelkomponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich dann in einfacher Weise z. B. über einen Ätzprozeß aus dem Wafermaterial formen. In diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, daß zumindest ein Teil der Komponenten der Vorrichtung zur Bestimmung/ Überwachung des Drucks bzw. des Differenzdrucks des zumindest einen Prozeßmediums eine integrale Einheit bilden.

Gemäß einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß zumindest die Energieversorgungseinheit und/oder die Empfangs-/Aus­ werteeinheit von dem laserfähigen Medium eine vorgegebene räumliche Distanz aufweisen bzw. aufweist und daß zumindest eine Verbindungsleitung vorgesehen ist, über die die Anregungsenergie und/oder die emittierte Strahlung zu dem laserfähigen Medium hin- bzw. von dem laserfähigen Medium weggeleitet werden/wird. Als bevorzugte Verbindungsleitung wird bei optischem Pumpen des laserfähigen Materials zumindest eine optische Faser verwendet. Unterschiedliche Designs der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden in Verbindung mit den Zeichnungen ausführlich erläutert. Wird das laserfähige Medium hingegen elektrisch gepumpt, so erfolgt die Verbindung Energieversorgungseinheit - photoelastisches Medium über elektrische Leitungen. Hier kann auf alle im Zusammenhang mit der Chip-Herstellung bekannten Varianten zurückgegriffen werden.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Drucksensor mit diskretem laserfähigem Kristall mit einer Membran als Druck-Spannungswandler,

Fig. 2 einen Relativ- oder Absolutdrucksensor mit einem Stößel als Druck- Spannungswandler,

Fig. 3 einen Differenzdrucksensor mit einem Stößel als Druck-Spannungs­ wandler,

Fig. 4 einen Relativ- oder Absolutdrucksensor mit einer inkompressiblen Flüssigkeit als Druck-Spannungswandler,

Fig. 5 einen Differenzdrucksensor mit einer inkompressiblen Flüssigkeit als Druck-Spannungswandler,

Fig. 6 einen Differenzdrucksensor mit schwebend gehaltenem laserfähigen Kristall,

Fig. 7 einen Differenzdrucksensor mit einem Stößel und einer inkompres­ siblen Flüssigkeit als Druck-Spannungswandler,

Fig. 8 einen Relativ- oder Absolutdrucksensor, bei dem der laserfähige Kristall an einem Röhrchen aufgehängt ist und eine Kavität und eine Membran aufweist,

Fig. 9 einen Differenzdrucksensor, bei dem der laserfähige Kristall an einem Röhrchen aufgehängt ist und eine Kavität und eine Membran aufweist.

Fig. 10 eine erste Ausgestaltung eines Drucksensorchips mit integriertem laserfähigem Kristall,

Fig. 10a eine schematische Darstellung der in Fig. 10 gezeigten Ausge­ staltung in Draufsicht,

Fig. 11 eine zweite Ausgestaltung eines Drucksensorchips mit integriertem laserfähigem Kristall,

Fig. 12 eine dritte Ausgestaltung eines Drucksensorchips mit integriertem laserfähigem Kristall,

Fig. 13 eine vierte Ausgestaltung eines Drucksensorchips mit integriertem laserfähigem Kristall,

Fig. 14 eine fünfte Ausgestaltung eines Drucksensorchips mit integriertem laserfähigem Kristall und

Fig. 15 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Halbleitermaterial als laserfähiges, photoelastisches Medium.

In den Figuren Fig. 1 bis Fig. 9 sind unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Gemeinsam ist allen Ausführungsform, daß das laserfähige Medium 7, das in allen gezeigten Fällen zusätzlich noch photoelastische Eigenschaften aufweist, als diskrete Komponente ausgestaltet ist. In den Figuren Fig. 10 bis Fig. 16 sind unterschiedliche Ausgestaltungen eines Drucksensorchips 3 mit integriertem bzw. aufgewachsenem (vorzugsweise erfolgt das Aufwachsen epitaktisch) laserfähigem, den photoelastischen Effekt zeigendem Medium 7 dargestellt.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen Drucksensor 1 zur Relativdruck- oder Absolutdruckmessung. Der Drucksensor 1 setzt sich aus drei Schichten zusammen: einem ersten Teilstück 16a des Wafers 16, einem zweiten Teilstück 16b des Wafers 16 und einer Schicht 37. Die beiden Teilstücke 16a, 16b des Wafers 16 sind über einen Bond 39 miteinander verbunden. Als Wafermaterial wird bevorzugt Silizium verwendet; die Schicht 37 ist beispiels­ weise aus Pyrex oder ebenfalls aus Silizium gefertigt.

Wesentliche Komponente des Drucksensors 1 ist der diskrete Laserkristall 7, der in einer Ausnehmung 36 des Teilstücks 16a des Wafers 16 angeordnet ist. Der Laserkristall 7 hat im gezeigten Fall einen elliptischen oder runden Querschnitt. Wie bereits mehrfach erwähnt, handelt es sich bei dem verwendeten Laserkristall 7 beispielsweise um einen neodymdotierten YAG Kristall. Der zu bestimmende Druck des Prozeßmediums wird über die Druckzuführung 29 auf die Membran 14 übertragen und wirkt somit indirekt über die Membran 14 auf den Laserkristall 7 ein. Die isotropen Eigenschaften des Laserkristalls 7 werden unter dem Einfluß des Drucks des Prozeß­ mediums mehr oder weniger stark gestört.

Die Membran 14 ist im gezeigten Fall aus demselben Material wie der Wafer 16 gefertigt. In den Wafer 16 ist die Membran 14 in einfacher Weise dadurch integriert, daß sie durch einen abgedünnten Bereich 17 des Wafers 16 gebildet ist. Damit die Druckübertragung effektiv von der Membran 14 auf den Laserkristall 7 erfolgen kann, ist der Bereich der Membran 14, der mit dem Laserkristall 7 in direktem Kontakt steht, versteift ausgebildet.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei diesem Relativ- oder Absolutdrucksensor 1 ist der Druck- Spannungswandler 11 als Stößel 12 ausgebildet. Der Laserkristall 7 ist in einer Laserkristallgehäusung 36 positioniert. Der Druck des Prozeßmediums liegt über die Prozeßmembran 38 und den Stößel 12 an dem Laserkristall 7 an. Über die Druckzuführung 31 wirkt senkrecht zum Prozeßdruck ein vorgegebener Druck auf den Laserkristall 7 ein. Je nach Art des anliegenden Drucks spricht man von einem Relativdrucksensor oder einem Absolutdrucksensor, wobei im letzteren Fall die Zuführung 31 an Vakuum angeschlossen ist.

Fig. 3 zeigt einen Differenzdrucksensor 2, bei dem als Druck-Spannungs­ wandler 11 ein Stößel 12 mit einem oberen und einem unteren Teilbereich zum Einsatz kommt. Ein erster Druck p1 des Prozeßmediums wirkt über die obere Prozeßmembran 38 auf den oberen Teil des Stößels 12, während ein zweiter Druck p2 desselben oder eines anderen Prozeßmediums über die untere Prozeßmembran 38 auf den unteren Teil des Stößels 12 einwirkt. Die Differenz beider Drucke wird über den Stößel 12 auf den Laserkristall 7 übertragen. Der Laserkristall 7 ist - ebenso wie in den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen - in einer Laserkristallgehäusung 36 angeordnet. Die inkompressible Flüssigkeit, in die der Stößel 12 und der Laserkristall 7 einge­ bettet sind, sorgt dafür, daß die Membranen 38 nicht im Wellenbett anliegen.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor­ richtung handelt es sich wiederum um einen Relativ- oder Absolutdruck­ sensor 1. Der Relativ- bzw. Absolutdruck liegt über die Zuführung 31 an dem Laserkristall 7 an. Als Druck-Spannungswandler 11 wird eine inkompressible Flüssigkeit 13 verwendet. Der Laserkristall 7 ist in einer Laserkristallge­ häusung 36 angeordnet. Das Teilstück 16b der Laserkristallgehäusung 36 ist mit dem ersten Teilstück 16a über eine z. B. Schweißverbindung 34 verbunden. Jede andere druckfeste Verbindung kann selbstverständlich auch verwendet werden. Der Teilbereich des Laserkristalls 7, auf den der Druck über die Prozeßmembran 38 und die inkompressible Flüssigkeit 13 übertragen wird, ist durch die Anordnung der Dichtungen 32 definiert.

Fig. 5 zeigt einen Differenzdrucksensor 2, bei dem als Druck-Spannungs­ wandler ebenfalls eine inkompressible Flüssigkeit 13 verwendet wird. Die beiden Drucke p1, p2 werden jeweils über zwei Zuführungen auf den Laserkristall 7 übertragen, wobei der Druck p1 und der Druck p2 jeweils auf zwei in einem Winkel von im wesentlichen 90 Grad zueinander angeordnete Bereiche des Laserkristalls 7 übertragen wird. Der Laserkristall 7 ist, ebenso wie in einigen der zuvorbeschriebenen Ausführungsbeispiele, in einer Laserkristallgehäusung 36 positioniert. Wiederum sind die Teilstücke 16a, 16b der Gehäusung 36 über eine Schweißverbindung 34 miteinander verbunden. Die Teilbereiche des Laserkristalls 7, auf die die Drucke p1, p2 über die inkompressible Flüssigkeit 13 übertragen werden, sind - wie in Fig. 4 bereits beschrieben - durch die Anordnung der Dichtungen 32 festgelegt.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors 2. Hier werden die Drucke p1, p2 nicht von nur einer Seite, sondern von jeweils zwei Seiten auf den Laserkristall 7 übertragen. Als Druck-Spannungswandler 11 wird wiederum eine inkompressible Flüssigkeit 13 verwendet. Der Laserkristall 7 ist mittels der Dichtungen 32 schwebend in der Ausnehmung 36 aufgehängt.

Fig. 7 zeigt eine Variante zu der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform. Zusätzlich zu der inkompressiblen Flüssigkeit 13 als Druck-Spannungs­ wandler 11 wird hier noch jeweils ein Stößel 12 eingesetzt.

In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zu sehen, die als Drucksensor 1 für die Relativ- oder die Absolutdruck­ messung ausgebildet ist. Der laserfähige Kristall 7 besteht aus zwei Teilstücken 7a, 7b, wobei - grob gesprochen - das Teilstück 7b die Form eines Topfes und das Teilstück 7a die Form eines Deckels hat. Die beiden Teilstücke 7a, 7b sind über eine gas- und druckdichte Verbindungsschicht 39 miteinander verbunden. Im Innenbereich des Laserkristalls 7 ist, durch die Form der Teilstücke 7a, 7b bedingt, eine Kavität 35 gebildet. Im Falle eines Relativdrucksensors herrscht in der Kavität 35 ein Referenzdruck; im Falle eines Absolutdrucksensors ist die Kavität 35 evakuiert. Der Laserkristall 7 besteht wiederum aus zwei Teilstücken 7a, 7b und ist an einem Röhrchen aufgehängt. Vorzugsweise ist er an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen verspiegelt. Der Laserkristall 7 ist in der inkompressiblen Flüssigkeit 13 angeordnet, die im vorliegenden Fall die Funktion des Druck-Spannungs­ wandlers 11 übernimmt. Zur Minimierung des Volumens der inkompressibelen Flüssigkeit kann die Ölvorlage an das Röhrchen angebaut sein. Wie in der Figur durch das Bezugszeichen 21 angedeutet, geht der von der nicht gesondert dargestellten Energieversorgungseinheit 4 erzeugte Laserstrahl bevorzugt durch den Bereich des Laserkristalls 7, in dem durch den zu messenden Druck die größten mechanischen Spannungen induziert werden.

Der Aufbau des in Fig. 9 gezeigten Differenzdrucksensors 2 ähnelt stark der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform. Daher wird auf eine wiederholte Beschreibung der analogen Komponenten verzichtet.

Der Druck p1 eines ersten Prozeßmediums wird über die erste Prozeß­ membran 38 und die inkompressible Flüssigkeit 13, die wie bereits bei der in Fig. 8 dargestellten Variante die Funktion des Druck-Spannungswandlers übernimmt, in die Kavität 35 eingeleitet. Der Druck p2 eines zweiten Prozeßmediums wird über die zweite Prozeßmembran 38 und die inkompressible Flüssigkeit 13 in den Raumbereich zwischen Gehäusung 36 und Laserkristall 7 eingeleitet.

In Fig. 10 ist eine erste Ausgestaltung eines Drucksensorchips bzw. Differenz­ drucksensorchips 3 mit integriertem Laserkristall 7 gezeigt. Zwecks Realisierung der Resonatoreigenschaften des Laserkristalls 7 sind beispiels­ weise die im wesentlichen vertikalen Endflächen des Laserkristalls 7 verspiegelt. Alternativ können die Lichtwellenleiter 28 in ihren den optischen Fasern 27 zugewandten Endbereichen verspiegelt sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Endflächen der optischen Fasern 27 zu verspiegeln. Wie in Fig. 11 gezeigt, kann es sich bei den Resonatorspiegeln 23, 24 auch um separat ausgebildete Komponenten handeln. Die Resonatorspiegel 23, 24 werden beispielsweise folgendermaßen erzeugt: Dünne Wände aus dem Material des Wafers 16 werden über eine mikromechanische Methode erzeugt, z. B. über einen anisotropen, naßchemischen Ätzprozeß oder einen anisotropen Plasma-Ätzprozeß. Hierbei werden wenige Mikrometer der Oberfläche des Wafers 16 weggeätzt, so daß nur zwei dünne Wände zu beiden Seiten des Laserkristalls 7 übrigbleiben. Diese werden nachfolgend mittels einer dielektrischen Schicht oder mittels einer dünnen Metallschicht verspiegelt und bilden die beiden Resonatorspiegel 23, 24.

Bevorzugt ist der Laserkristall 7 als monokristalline Schicht 8 ausgebildet. Diese wird epitaktisch auf dem Wafermaterial gebildet. Außerdem ist es möglich, einen Laserkristall in Form eines Wafers 16 zu fertigen und diesen mit dem Wafer 16 zu verbinden. Der aus dem laserfähigen Medium 7 bestehende Wafer 16 wird anschließend mit Methoden der Mikromechanik strukturiert. Es kann sich bei dem Laserkristall 7 jedoch auch um einen diskreten Kristall mit z. B. rundem oder rechteckigem Querschnitt handeln. Vorzugsweise wird dieser in einem Führungsgraben positioniert. Der Wafer 16, auf dem der Laserkristall 7 angeordnet ist, weist einen abgedünnten, vorzugsweise mittig liegenden Bereich 17 auf, der die Funktion der Membran 14 übernimmt. Der Drucksensorchip 3 kann übrigens mit allen gängigen Methoden der Mikromechanik und/oder der integrierten Optik hergestellt werden. Bevorzugt besteht er aus einem Halbleitermaterial, z. B. aus Silizium.

Wie aus der in Fig. 10a gezeigten Draufsicht zu sehen ist, ist der Laserkristall 7 an einem Membranrand 15 positioniert. Weiterhin ist, wie bereits an vor­ hergehender Stelle erwähnt, die Dicke des Laserkristalls 7 klein in Bezug auf die Dicke der Membran 14. Durch die spezielle Anordnung des Laserkristalls 7 auf der Membran 14 und/oder durch die in Bezug auf die Membran 14 geringe Dicke des Laserkristalls 7 werden optimale Meßergebnisse erzielt. Dies rührt daher, daß die infolge des Verbiegens der Membran 14 auftretenden Spannungen besonders stark ausgeprägt sind, wenn die beiden zuvor beschriebenen Bedingungen eingehalten werden.

Bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform ist der Laserkristall - wie bereits erwähnt - integraler Bestandteil des Drucksensorchips 3. Auf dem Druck­ sensorchip 3 sind lediglich noch die Lichtwellenleiter 28 angeordnet. Diese sind übrigens optional. Das Licht kann auch aus der optischen Faser 27 direkt in den Laserkristall 7 eingekoppelt werden.

Um eine optimale Kopplung zwischen den optischen Fasern 27 bzw. der optischen Faser 27 und der optischen Komponente/den optischen Komponenten zu erzielen, wird jede optische Faser 27 auf dem Chip 3 bevorzugt in einem Führungsgraben geführt. Der Führungsgraben kann im Querschnitt beispielsweise V-förmig ausgebildet sein. In diesem Fall wird er üblicherweise durch KOH-Ätzen von (100)-orientiertem Silizium erzeugt. Selbstverständlich kann ein Führungsgraben auch einen rechteckförmigen oder einen kreisförmigen Querschnitt besitzen.

Die weiteren Komponenten: Pumplaser 5, Polarisator 20 und Photodiode 22 (deren jeweilige Funktionen in der bereits zitierten Patentschrift hinreichend beschrieben sind und hiermit dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung explizit zugerechnet werden) sind bei den in den Figuren Fig. 10 und Fig. 11 gezeigten Ausgestaltungen nicht auf dem Drucksensorchip 3 angeordnet. Die Strahlung des Pumplasers 5 wird über die optische Faser 27 und den Lichtleiter 28 auf den Laserkristall 7 bzw. auf die monokristalline Schicht 8 gekoppelt. Die von dem Laserkristall 7 bzw. der monokristallinen Schicht 8 emittierte Strahlung wird über die optische Faser 27 auf den Polarisator 20 geführt. Die optischen Fasern 27 können übrigens eine Länge von mehreren Kilometern aufweisen. Die aus dem Polarisator 20 austretende Strahlung wird von der Photodiode 22 detektiert. Die Frequenz des Photodiodensignals stellt ein Maß für den Druck des Prozeßmediums dar. Die Bestimmung des Drucks bzw. des Differenzdrucks erfolgt in der Auswerteeinheit 19.

Fig. 12 bezieht sich auf eine Variante des Drucksensorchips 3 mit integriertem laserfähigem Medium 7, bei dem die Ein- und Auskopplung der Strahlung über eine gemeinsame optische Faser 27 erfolgt. Das Pumplicht des Pumplasers 5 wird über einen für das Pumplicht transparenten Strahlteiler 25 (bzw. Spiegel) auf die optische Faser 27 eingekoppelt. Da die Frequenz der von dem Laserkristall 7 emittierte Strahlung eine von dem Pumplicht verschiedene Wellenlänge aufweist, geht diese nicht durch den Strahlteiler durch, sondern wird von dem Strahlteiler 25 auf den Polarisator 20 geleitet. Die Photodiode 22 detektiert die von dem Polarisator 20 gelieferte Strahlung.

Bei der in Fig. 13 gezeigten Variante ist der Pumplaser 5, bei dem es sich bevorzugt um eine Laserdiode handelt, direkt auf dem Drucksensorchip 3 integriert. Die Laserdiode kann beispielsweise durch einen selbstjustierenden Lötprozeß auf die Oberfläche des Wafers 16 aufgebracht werden.

Fig. 14 zeigt eine besonders vorteilhafte kompakte Ausgestaltung, bei der alle Komponenten, also Pumplaser 5, Laserkristall 7, Polarisator 20, Photodiode 22 und Lichtwellenleiter 28 auf dem Wafer 16 angeordnet sind.

Während im Zusammenhang mit den vorhergehenden Ausführungsformen immer Bezug auf einen Laserkristall 7 oder eine monokristalline Schicht 8 genommen wird, der/die optisch gepumpt wird, ist in Fig. 15 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei der als laserfähiges, photoelastisches Medium 7 ein Halbleiterlaser 40 verwendet wird. Diese elektrisch gepumpte Variante der Erfindung hat gegenüber den vorgenannten Ausgestaltungen den Vorteil, daß ihr Wirkungsgrad wesentlich höher ist.

Anstelle diskreter Resonatorspiegel 23, 24 können auch hier wieder die bereits zuvorgenannten Weiterbildungen zum Einsatz kommen. Bevorzugt ist der Halbleiterlaser 40 auf den Rand der Membran 14 aufgebracht. Bei Druckbeaufschlagung der Membran 14 wird diese ausgelenkt und erzeugt mechanische Spannungen in dem Halbleiterlaser 40. Der Halbleiterlaser 40 ist weiterhin aus einem Material hergestellt, das den photoelastischen Effekt zeigt. Durch die eingebrachten mechanischen Spannung wird die Isotropie der optischen Eigenschaften des Halbleiterlasers 40 gestört, so daß in verschiedene Richtungen polarisiertes Laserlicht nicht mehr den gleichen Brechungsindex "sieht" und somit die optische Länge des Laserresonators für in verschiedene Richtungen polarisiertes Licht verschieden groß ist.

Als Material für den Halbleiterlaser 40 können beispielsweise Gallium-Arsen- Verbindungen verwendet werden. Möglich ist auch der Einsatz von Halbleiterlasern 40 auf Siliziumbasis, was für die Erfindung in mancher Hinsicht überragende Vorteile bringt.

Bezugszeichenliste

1

Drucksensor

2

Differenzdrucksensor

3

Drucksensor-/Difterenzdrucksensorchip

4

Energieversorgungseinheit

5

Pumplaser

6

Elektrische Spannungsquelle

7

Laserfähiges Medium bzw. Laserkristall

7

a Teilstück des laserfähigen Mediums bzw. des Laserkristalls

7

b Teilstück des laserfähigen Mediums bzw. des Laserkristalls

8

Monokristalline Schicht

9

Spiegel

10

Spiegel

11

Druck-Spannungswandler

12

Stößel

13

Inkompressible Flüssigkeit

14

Membran

15

Membranrand

16

Wafer

16

a Teilstück eines Wafers

16

b Teilstück eines Wafers

17

Abgedünnter Bereich

18

Versteifter Bereich

19

Empfangs-/Auswerteeinheit

20

Polarisator

21

Laserstrahl

22

Photodiode

23

Resonatorspiegel

24

Resonatorspiegel

25

Strahlteiler

26

Verbindungsleitung

27

Optische Faser

28

Lichtwellenleiter

29

Druckzuführung

30

Druckzuführung

31

Zuführung für Relativdruck

32

Dichtung

33

Röhrchen

34

Lötstelle

35

Kavität

36

Gehäusung

37

Materialschicht

38

a Prozeßmembran

38

b Prozeßmembran

38

c Prozeßmembran

38

d Prozeßmembran

39

Verbindungsschicht

40

Halbleiterlaser

41

Röhrchen

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Bestimmung/Überwachung des Drucks oder Differenz­ drucks zumindest eines Prozeßmediums mit einer Energieversorgungseinheit (4), einem in einem Resonator angeordneten lasertähigen Medium (7), einem Druck-Spannungswandler (11) und einer Empfangs-/Auswerteeinheit (19), wobei die Energieversorgungseinheit (4) das laserfähige Medium (7) pumpt und zu Laseraktivitäten anregt,
wobei entweder das laserfähige Medium (7) oder zusätzlich zu dem laser­ fähigen Medium (7) ein weiteres in den Resonator eingebrachtes Medium im unbelasteten Zustand, wenn allseitig derselbe Druck auf das laserfähige Medium (7) bzw. das weitere Medium einwirkt, isotrope Eigenschaften auf­ weist und der aus dem Resonator, dem laserfähigen Medium und evtl. dem weiteren in den Resonator eingebrachten Madium aufgebaute Laser Strahlung mit einer von den physikalischen Eigenschaften des laserfähigen Mediums (7) bzw. des weiteren Mediums abhängigen Frequenz emittiert, wobei der Druck-Spannungswandler (11) den zumessenden Druck- oder Differenzdruck des zumindest einen Prozeßmediums auf zumindest einen Teilbereich des laserfähigen Mediums (7) bzw. des weiteren Mediums über­ trägt, wodurch ein belasteter Zustand des laserfähigen Mediums (7) bzw. des weiteren Mediums definiert ist, in dem die isotropen Eigenschaften des laser­ fähigen Mediums (7) bzw. des weiteren Mediums gestört sind,
wobei die im belasteten Zustand des lasertähigen Mediums (7) emittierte Strahlung in verschiedenen Polarisationsrichtungen unterschiedliche Frequenzen aufweist, und
wobei die Empfangs-/Auswerteeinheit (19) anhand der unterschiedlichen Frequenzen in den verschiedenen Polarisationsrichtungen den Druck p bzw. den Differenzdruck p1, p2 des zumindest einen Prozeßmediums bestimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck-Spannungswandler (11) im Falle einer Differenzdruckmessung derart ausgestaltet ist, daß die beiden Drucke unter einem Winkel von im wesentlichen 90° zueinander auf das laserfähiges Medium (7) einwirken.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Druck-Spannungswandler (11) um einen Stößel (12) handelt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Druck-Spannungswandler (11) um eine idealerweise inkompressible Flüssigkeit (13) handelt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für sich genommen oder zusätzlich zu dem Stößel (12) und/oder der inkompressiblen Flüssigkeit (13) zumindest eine Membran (14) als Druck- Spannungswandler (11) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das laserfähige Medium (7) bzw. der Resonator auf einer entsprechenden Membran (14) oder in unmittelbarer Nähe der Membran (14) derart angeordnet sind, daß der Druck bzw. die Drucke über die Membran (14) auf den zumindest einen Teilbereich des laserfähigen Mediums (7) einwirkt bzw. einwirken und die isotropen Eigenschaften des laserfähigen Mediums (7) stört bzw. stören.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Membran (14) um einen abgedünnten Teilbereich (17) eines Wafers (16) handelt, wobei das laserfähige Medium (7) und/oder der Resonator vorzugsweise über die Methoden der Mikromechanik und/oder der integrierten Optik auf der Membran (14) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das laserfähige Medium (7) auf die Membran (14) oder in unmittelbarer Nähe der Membran (7) aufgewachsen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des laserfähigen Mediums (7) klein ist gegenüber der Dicke der Membran (14).

10. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (14) bzw. ein abgedünnter Teilbereich (17) des Wafers (16) oder ein sich an den abgedünnten Teilbereich anschließender Bereich des Wafers als laserfähiges Medium (7) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Komponenten (4, 7, 9, 10, 14, 19, 23, 24, 25, 26) des Druck-/Differenzdrucksensor-Chips (3) eine integrale Einheit bilden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Energieversorgungseinheit (4) und/oder die Empfangs-/Aus­ werteeinheit (19) von dem laserfähigen Medium (7) eine vorgegebene räumliche Distanz aufweisen bzw. aufweist und daß zumindest eine Verbindungsleitung (26) vorgesehen ist, über die die Anregungsenergie und/oder die emittierte Strahlung zu dem laserfähigen Medium (7) hin- bzw. von dem laserfähigen Medium (7) weggeleitet werden/wird.