DE102015100954A1

DE102015100954A1 - Optoelectric sensor for determining the spectral center of gravity of a light beam

Info

Publication number: DE102015100954A1
Application number: DE102015100954.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ortlepp Hans Georg
Original assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH
Current assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2016-07-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optoelektrischen Sensor zur Bestimmung des spektralen Schwerpunkts eines einfallenden Lichtstrahls (05). Der Sensor umfasst einen in Strahlungsrichtung vorderen Fotodetektor (03) mit einem für den Lichtstrahl (05) zumindest teilweise transparenten Dünnschichtbereich (02); sowie einen in Strahlungsrichtung hinteren Fotodetektor (09). Zwischen dem vorderen Fotodetektor (03) und dem hinteren Fotodetektor (09) ist ein dielektrischer Filter (06) angeordnet, der Strahlung jenseits einer ersten Kantenwellenlänge im Wesentlichen vollständig reflektiert, Strahlung jenseits einer zweiten Kantenwellenlänge im Wesentlichen vollständig durchlässt und in einem Übergangsbereich zwischen erster und zweiter Kantenwellenlänge Strahlung anteilig reflektiert und anteilig durchlässt, wobei der Übergangsbereich des Filters vorbestimmt ist und den Arbeitsbereich des Sensors definiert. The invention relates to an optoelectric sensor for determining the spectral center of gravity of an incident light beam (05). The sensor comprises a front in the radiation direction photo detector (03) with a for the light beam (05) at least partially transparent thin-film region (02); and a rear photodetector (09) in the radiation direction. Disposed between the front photodetector (03) and the rear photodetector (09) is a dielectric filter (06) that substantially completely reflects radiation beyond a first edge wavelength, substantially completely transmits radiation beyond a second edge wavelength, and a transition region between the first and second second edge wavelength radiation proportionally reflects and proportions, with the transition region of the filter is predetermined and defines the working range of the sensor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektrischen Sensor, der sich insbesondere für die Bestimmung des spektralen Schwerpunkts einer Lichtstrahlung eignet. Der Sensor umfasst dazu einen in Strahlungsrichtung vorderen Fotodetektor mit einem für die Lichtstrahlung zumindest teilweise transparenten Dünnschichtbereich, sowie einen in Strahlungsrichtung hinteren Fotodetektor, der hinter diesem Dünnschichtbereich angeordnet ist, um dort die Lichtstrahlung zu empfangen, die den vorderen Fotodetektor bereits durchdrungen hat. The present invention relates to an opto-electrical sensor which is particularly suitable for determining the spectral center of gravity of a light radiation. The sensor comprises for this purpose a front in the radiation direction of the photodetector with a light radiation for at least partially transparent thin-film region, and a radiation in the rear photodetector, which is arranged behind this thin-film region to receive the light radiation there, which has already penetrated the front photodetector.

In verschiedenen Anwendungsfällen besteht der Bedarf, innerhalb einer Lichtstrahlung /eines Lichtstrahls mit vorgegebener Wellenlänge den spektralen Schwerpunkt, auch als Peak bezeichnet, zu bestimmen. Es ist dabei vor allem von Interesse, die Verschiebung des spektralen Schwerpunkts eines Lichtstrahls zu bestimmen, wobei die Wellenlänge des Lichtstrahls zumeist relativ genau bekannt ist und die erwähnte Verschiebung in einer Größenordnung von wenigen Nanometern um eine Nulllage zu bestimmen ist. Wie allgemein in der Optoelektronik üblich, wird unter Lichtstrahlung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht nur sichtbares Licht, sondern generell elektromagnetische Strahlung im Spektrum zwischen infraroter und ultravioletter Strahlung verstanden. In various applications there is a need to determine the spectral center of gravity, also referred to as a peak, within a light radiation / a light beam with a predetermined wavelength. It is of particular interest to determine the shift of the spectral center of gravity of a light beam, wherein the wavelength of the light beam is usually known relatively accurately and the mentioned shift of a few nanometers is to be determined by a zero position. As is common in the field of optoelectronics, light radiation in the context of the present invention is understood to mean not only visible light but generally electromagnetic radiation in the spectrum between infrared and ultraviolet radiation.

Bekannte, kommerziell verfügbare Wellenlängensensoren, beispielsweise vom Typ WS-7.56-TO5 der Firma Pacific Silicon Sensor Inc. verwenden zur Detektion einer Schwerpunktwellenlänge zwei Fotodioden, die in einem Siliziumchip übereinander integriert sind. Die in Strahlungsrichtung vordere Fotodiode ist hauptsächlich blauempfindlich und absorbiert von der eintreffenden Lichtstrahlung den Blauanteil. Strahlung mit größerer Wellenlänge durchdringt die vordere Fotodiode und wird vorwiegend von der in Strahlungsrichtung hinteren Fotodiode detektiert, deren Empfindlichkeitsmaximum bei einer höheren Wellenlänge liegt, beispielsweise bei etwa 880 nm, bei welcher die Empfindlichkeit der vorderen Fotodiode nur noch gering ist. Die beiden verwendeten Fotodioden zeigen im Wellenbereich zwischen etwa 450 bis 900 nm eine gegenläufige Empfindlichkeitsänderung, bezogen auf die zu detektierende Wellenlänge. Das Verhältnis der resultierenden Fotoströme hängt bei einer monochromatischen Lichtstrahlung somit in diesem Bereich eindeutig von der Wellenlänge ab, so dass diese durch den Sensor bestimmt werden kann. Allerdings liefert der Sensor keine zuverlässigen Ergebnisse außerhalb des Bereichs der gegenläufigen Empfindlichkeiten, insbesondere also oberhalb von 900 nm. Weiterhin wirkt sich bei diesem Sensor nachteilig aus, dass die in Strahlungsrichtung vordere Fotodiode sehr dünn ausgebildet werden muss, um die nötige Transparenz zu haben, was zu einer hohen Kapazität führt, wodurch lange Signalanstiegszeiten entstehen. Für dynamische Prozesse eignet sich dieser Sensor daher nicht. Die spektralen Antwortkurven der beiden Fotodioden sind relativ flach, so dass die Empfindlichkeit des Sensors bei nur geringen spektralen Verschiebungen der zu detektierenden Lichtstrahlung gering ist. Damit wird die Anwendung dieser Art von Sensoren für Messaufgaben zur hochgenauen Wellenlängenbestimmung schwierig. Known, commercially available wavelength sensors, for example, type WS-7.56-TO5 from Pacific Silicon Sensor Inc. use two photodiodes integrated in a silicon chip for detecting a center wavelength. The front in the radiation direction photodiode is mainly blue sensitive and absorbed by the incoming light radiation, the blue component. Larger wavelength radiation penetrates the front photodiode and is predominantly detected by the rear photodiode in the radiation direction, whose sensitivity maximum is at a higher wavelength, for example at about 880 nm, at which the sensitivity of the front photodiode is low. The two photodiodes used show in the wave range between about 450 to 900 nm an opposite sensitivity change, based on the wavelength to be detected. The ratio of the resulting photocurrents in a monochromatic light radiation thus clearly depends on the wavelength in this area, so that it can be determined by the sensor. However, the sensor does not provide reliable results outside the range of opposing sensitivities, in particular above 900 nm. Furthermore, this sensor has a disadvantageous effect that the front photodiode in the radiation direction has to be made very thin in order to have the necessary transparency, which leads to a high capacity resulting in long signal rise times. For dynamic processes, this sensor is therefore not suitable. The spectral response curves of the two photodiodes are relatively flat, so that the sensitivity of the sensor is low with only slight spectral shifts of the light radiation to be detected. Thus, the application of this type of sensors for measurement tasks for high-precision wavelength determination is difficult.

Aus der US 2010/0157117 A1 ist ein vertikal gestapelter Bildsensor bekannt, in welchem zwei oder mehrere Bildsensoren vertikal übereinanderliegend angeordnet sind. Zwischen den jeweiligen Bildsensoren ist mindestens ein Farbfilter angeordnet, um bestimmte Farbanteile aus der Lichtstrahlung herauszufiltern, die den jeweils vorangegangenen Bildsensor durchdrungen hat. Um einen weiteren Verlust von Strahlungsanteilen aufgrund auftretender Reflexionen zu vermeiden, sind spezielle Antireflexionsbeschichtungen vorgesehen. From the US 2010/0157117 A1 a vertical stacked image sensor is known in which two or more image sensors are arranged vertically one above the other. At least one color filter is arranged between the respective image sensors in order to filter out certain color components from the light radiation which has penetrated the respective preceding image sensor. To avoid further loss of radiation due to reflections, special antireflection coatings are provided.

Die US 3,962,578 beschreibt zwei fotoelektrische Detektorelemente, die deutlich voneinander abweichende Ansprechwellenlängen aufweisen. Das äußere Detektorelement ist transparent für die Ansprechwellenlänge des inneren Elements. Außerdem ist ein integrierter Filter vorgesehen, der für die Ansprechwellenlänge des inneren Detektors durchlässig ist. Auch bei diesem Sensor sind Antireflexionsschichten vorhanden, um die Reflexionsverluste zu minimieren. The US 3,962,578 describes two photoelectric detector elements having significantly different response wavelengths. The outer detector element is transparent to the response wavelength of the inner element. In addition, an integrated filter is provided which is permeable to the response wavelength of the inner detector. Also in this sensor anti-reflection layers are present to minimize the reflection losses.

Wenn in speziellen Anwendungsfällen eine relativ kleine spektrale Verschiebung mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden muss, werden bisher beispielsweise komplizierte Anordnungen von Spektralsensoren eingesetzt, die gegenläufige Durchlasskennlinien mehrerer Spektralfilter ausnutzen. Diese Aufbauten sind kompliziert und teuer. If a relatively small spectral shift with high sensitivity has to be detected in special applications, complicated arrangements of spectral sensors, for example, which exploit opposing transmission characteristics of several spectral filters have hitherto been used. These structures are complicated and expensive.

Ebenso lassen sich mit klassischen optischen Spektrometern auch kleine spektrale Verschiebungen relativ genau erfassen, jedoch sind die Herstellungskosten derartiger Spektrometer hoch. Die Ansprechzeiten sind abgesehen von einigen noch hochpreisigeren Spezialspektrometern wesentlich höher als bei filterbasierten Sensoren. Likewise, small spectral shifts can be detected relatively accurately with classical optical spectrometers, but the production costs of such spectrometers are high. The response times are, apart from a few even higher priced special spectrometers, much higher than with filter-based sensors.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten optoelektrischen Sensor bereitzustellen, der eine schnelle Ansprechzeit und eine hohe Empfindlichkeit in Bezug auf eine nur kleine Verschiebung des spektralen Schwerpunkts aufweist, insbesondere um weniger als einen Nanometer, und der gleichzeitig durch Anwendung bekannter Halbleitertechnologien einfach, preiswert und in großen Stückzahlen herstellbar ist. The object of the present invention is to provide an improved opto-electrical sensor which has a fast response time and a high sensitivity with respect to only a small shift of the spectral center of gravity, in particular by less than one nanometer, and at the same time simple by using known semiconductor technologies. inexpensive and can be produced in large quantities.

Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen optoelektrischen Sensor gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. This object is achieved by an optoelectric sensor according to the invention according to the appended claim 1.

Der erfindungsgemäße optoelektrische Sensor zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass zwischen dem vorderen Fotodetektor und dem in Strahlungsrichtung hinteren Fotodetektor ein dielektrischer Filter angeordnet ist. Es handelt sich dabei um einen sogenannten Kantenfilter, dessen Flanken- oder Übergangsbereich den Messbereich des Sensors bestimmt. Dazu besitzt der dielektrische Filter einen Übergangsbereich zwischen einer ersten, z. B. unteren, und einer zweiten, z. B. oberen Kantenwellenlänge. Lichtstrahlung mit einer Wellenlänge jenseits der ersten Kantenwellenlänge wird am Filter nahezu vollständig reflektiert, Lichtstrahlung mit einer Wellenlänge jenseits der zweiten Kantenwellenlänge kann den Filter stattdessen nahezu ungehindert durchlaufen (oder jeweils umgekehrt, wenn der Aufbau des Filters anders gewählt ist). Im Flanken- oder Übergangsbereich kann ein Teil der Lichtstrahlung, die den den vorderen Fotodetektor durchdrungen hat, den Filter passieren, um auf den dahinterliegenden hinteren Fotodetektor aufzutreffen und dort detektiert zu werden. Der restliche Teil dieser Lichtstrahlung wird am dielektrischen Filter reflektiert, so dass dieser reflektierte Anteil auf den vorderen Fotodetektor zurückgeworfen wird und dort für eine Detektion und damit zur Erzeugung eines zusätzlichen Fotostroms am vorderen Fotodetektor zur Verfügung steht. Der dielektrische Filter zeigt nur geringes Absorptionsverhalten. Die Kennlinie des Filters verläuft im Übergangsbereich steil und stetig, so dass bei einer nur geringen Änderung der Wellenlänge des Lichtstrahls um beispielsweise 0,1 nm eine starke Änderung des Fotostroms sowohl am vorderen als auch am hinteren Fotodetektor resultiert. Der im vorderen Fotodetektor resultierende Fotostrom bestimmt sich bei Wellenlängen innerhalb des Übergangsbereiches des Filters aus der Lichtstrahlung, die auf der Vorderseite auftrifft, und dem vom Filter reflektierten Anteil, der auf der Rückseite auftrifft. Verschiebt sich der spektrale Schwerpunkt der Lichtstrahlung innerhalb des Übergangsbereiches des Filters, so verändert sich sowohl der an die Rückseite des vorderen Fotodetektors reflektierte Anteil als auch der an den hinteren Fotodetektor durchgelassenen Anteil. The optoelectric sensor according to the invention is characterized in particular by the fact that a dielectric filter is arranged between the front photodetector and the rear photodetector in the radiation direction. It is a so-called edge filter whose flank or transition region determines the measuring range of the sensor. For this purpose, the dielectric filter has a transition region between a first, z. B. lower, and a second, z. B. upper edge wavelength. Light radiation having a wavelength beyond the first edge wavelength is reflected almost completely at the filter, light radiation having a wavelength beyond the second edge wavelength can instead pass through the filter almost unhindered (or vice versa, if the structure of the filter is chosen differently). In the edge or transition region, a portion of the light radiation that has penetrated the front photodetector can pass through the filter to impinge upon and be detected on the underlying rear photodetector. The remaining part of this light radiation is reflected at the dielectric filter, so that this reflected portion is reflected back to the front photodetector and is available there for detection and thus for generating an additional photocurrent at the front photodetector. The dielectric filter shows only low absorption behavior. The characteristic curve of the filter runs steeply and steadily in the transition region, so that with only a slight change in the wavelength of the light beam by, for example, 0.1 nm, a large change in the photocurrent results both at the front and at the rear photodetector. The photocurrent resulting in the front photodetector is determined at wavelengths within the transition range of the filter from the light radiation incident on the front side and the part reflected by the filter which impinges on the rear side. If the spectral center of gravity of the light radiation shifts within the transitional region of the filter, then both the component reflected to the rear side of the front photodetector and the component transmitted to the rear photodetector will change.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors ist darin zu sehen, dass durch die Reflexion der Lichtstrahlung am dielektrischen Filter ein zusätzlicher Signalanteil am vorderen Fotodetektor entsteht, womit die Gesamtempfindlichkeit des Sensors verbessert wird. Ebenso ist es vorteilhaft, dass der dielektrische Filter auf eine spezifische Wellenlänge angepasst werden kann, durch geeignete Auswahl der den Filter bildenden Schichten. Der Filter ändert seine optische Eigenschaft in Bezug auf Durchlässigkeit und Reflexion der vorbestimmten Wellenlänge im Bereich nur weniger Pikometer stark, so dass auch geringfügige Verschiebungen im Spektrum durch den Sensor sicher ermittelt werden können. A significant advantage of the sensor according to the invention is the fact that an additional signal component at the front photodetector is produced by the reflection of the light radiation on the dielectric filter, whereby the overall sensitivity of the sensor is improved. It is also advantageous that the dielectric filter can be adapted to a specific wavelength by suitable selection of the layers forming the filter. The filter changes its optical property with respect to permeability and reflection of the predetermined wavelength in the range of only a few picometers, so that even slight shifts in the spectrum can be determined reliably by the sensor.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass der dielektrische Filter als ein dielektrisches Vielschichtsystem aufgebaut ist, welches auf einem Glasträger aufgebracht ist. Der Glasträger kann dann zwischen dem vorderen und dem hinteren Fotodetektor positioniert werden. A preferred embodiment of the sensor according to the invention is characterized in that the dielectric filter is constructed as a dielectric multilayer system, which is applied to a glass substrate. The glass slide can then be positioned between the front and rear photodetectors.

Eine abgewandelte Ausführungsform verwendet ein lateral strukturiertes dielektrisches Vielschichtsystem, welches unmittelbar auf dem hinteren Fotodetektor oder auch auf der Rückseite des vorderen Fotodetektors aufgebracht wird. Insbesondere bei der Aufbringung der erforderlichen Schichten zur Herstellung des dielektrischen Filters auf der Vorderseite des hinteren Fotodetektors können die bekannten und gut beherrschbaren Prozessschritte der Halbleitertechnologie eingesetzt werden. A modified embodiment uses a laterally structured dielectric multilayer system which is applied directly on the rear photodetector or also on the rear side of the front photodetector. In particular, in the application of the required layers for the production of the dielectric filter on the front side of the rear photodetector, the known and well controllable process steps of the semiconductor technology can be used.

Eine nochmals abgewandelte Ausführungsform des Sensors umfasst einen Träger mit einem optischen Fenster, wobei der vordere und der hintere Fotodetektor an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Trägers angeordnet sind. Der Träger lässt sich beispielsweise in Form einer dünnen starren oder flexiblen Leiterplatte fertigen. Die Fotodetektoren sowie der dielektrische Filter werden mit bekannten Befestigungsmethoden an der Leiterplatte angebracht und vorzugsweise hermetisch verkapselt, um gegen Umwelteinflüsse geschützt zu sein. A further modified embodiment of the sensor comprises a carrier with an optical window, wherein the front and the rear photodetector are arranged on respectively opposite sides of the carrier. The carrier can be made, for example, in the form of a thin rigid or flexible circuit board. The photodetectors and the dielectric filter are mounted on the printed circuit board with known attachment methods and preferably hermetically encapsulated to be protected against environmental influences.

Alternativ zu der genannten Herstellungsweise können die beiden Fotodetektoren und der Filter unmittelbar miteinander verklebt werden, wobei die Kontaktierung der Fotodetektoren über nach außen geführte Kontaktstellen möglich ist. As an alternative to the aforementioned method of production, the two photodetectors and the filter can be glued directly to one another, wherein the contacting of the photodetectors is possible via outwardly guided contact points.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Sensor weiterhin mindestens ein Strahlformungsmittel, welches in Strahlrichtung vor dem vorderen Fotodetektor angebracht ist, um das eintretende Licht zu parallelisieren. According to a preferred embodiment, the sensor further comprises at least one beam shaping means, which is mounted in the beam direction in front of the front photodetector to parallelize the incoming light.

In bestimmten Fällen kann es zweckmäßig sein, dass vorderer und hinterer Fotodetektor aus demselben Halbleitermaterial bestehen, vorzugsweise aus Silizium oder Galliumarsenid, so dass sie beispielsweise in bekannten Wafertechnologien gefertigt werden können. In certain cases, it may be expedient for the front and rear photodetectors to consist of the same semiconductor material, preferably of silicon or gallium arsenide, so that they can be manufactured, for example, in known wafer technologies.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der transparente Dünnschichtbereich des vorderen Fotodetektors eine Dicke zwischen 20 bis 200 µm, vorzugsweise von 60 bis 80 µm, besonders bevorzugt eine Dicke von 70 µm. Der hintere Fotodetektor ist bevorzugt derart ausgebildet, dass seine Fotoempfindlichkeit bis zu einer Materialtiefe von 30 µm vorhanden ist, vorzugsweise sogar bis zu einer Tiefe von 200 µm. Vorderer und hinterer Fotodetektor besitzen bevorzugt mindestens einen fotoempfindlichen pn-Übergang und sind somit in an sich bekannter Weise als Fotodioden aufgebaut. According to a preferred embodiment, the transparent thin-film region of the front photodetector has a thickness of between 20 and 200 μm, preferably between 60 and 80 μm, more preferably a thickness of 70 μm. Rear Photodetector is preferably designed such that its photosensitivity is present up to a material depth of 30 microns, preferably even to a depth of 200 microns. The front and rear photodetectors preferably have at least one photosensitive pn junction and are thus constructed in a manner known per se as photodiodes.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen optoelektrischen Sensors ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen: Further advantages, details and developments of the optoelectric sensor according to the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment, with reference to the drawings. Show it:

1 eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensors; 1 a schematic cross-sectional view of a sensor according to the invention;

2 ein Diagramm mit Signalverläufen am erfindungsgemäßen Sensor; 2 a diagram with waveforms on the sensor according to the invention;

3 ein Diagramm mit Signalverläufen am erfindungsgemäßen Sensor und daraus als Messgröße ableitbaren Quotienten. 3 a diagram with waveforms on the sensor according to the invention and derived therefrom as a measured variable quotients.

1 zeigt in einer vereinfachten Querschnittsansicht den generellen Aufbau eines erfindungsgemäßen optoelektrischen Sensors. Der typische Signalverlauf an einem solchen Sensor ist in den 2 und 3 dargestellt. 1 shows in a simplified cross-sectional view of the general structure of an optoelectric sensor according to the invention. The typical waveform on such a sensor is in the 2 and 3 shown.

Der Sensor umfasst einen ersten Halbleiterchip 01, der einen teildurchlässigen Dünnschichtbereich 02 besitzt, in welchem ein vorderer Fotodetektor 03 ausgebildet ist, bevorzugt in Form einer Fotodiode mit einem pn-Übergang. Beim Auftreffen von Licht wird ein Fotostrom erzeugt. Ein einfallendes Strahlungsbündel 05 trifft auf den vorderen Fotodetektor 03 auf. Beim Durchlaufen des Materialvolumens des Fotodetektors 03 wird ein Teil der Strahlung absorbiert, so dass der Fotostrom PD1₁ resultiert. The sensor comprises a first semiconductor chip 01 , the partially permeable thin-film region 02 owns, in which a front photodetector 03 is formed, preferably in the form of a photodiode with a pn junction. Upon impact of light, a photocurrent is generated. An incident radiation beam 05 meets the front photodetector 03 on. When passing through the material volume of the photodetector 03 a part of the radiation is absorbed so that the photocurrent PD1 ₁ results.

In Strahlungsrichtung hinter dem vorderen Fotodetektor 03 folgt ein dielektrischer Kantenfilter 06, der einen spezifisch vorgegebenen Übergangsbereich zwischen einer unteren Kantenwellenlänge von z. B. 978 nm und einer oberen Kantenwellenlänge von z. B. 982 nm aufweist. Die Transmission des Filters (Kurve „Filter“ in 2) geht zwischen den Kantenwellenlängen kontinuierlich von nahe Null auf nahe Eins. Derartige dielektrische Filter sind dem Fachmann generell bekannt, so dass auf eine nähere Beschreibung hier verzichtet werden kann. In the direction of radiation behind the front photodetector 03 followed by a dielectric edge filter 06 which has a specific predetermined transition region between a lower edge wavelength of z. B. 978 nm and an upper edge wavelength of z. B. 982 nm. The transmission of the filter (curve "Filter" in 2 ) continuously goes from near zero to near one between the edge wavelengths. Such dielectric filters are generally known to those skilled in the art, so that a more detailed description can be omitted here.

Der dielektrische Filter zeichnet sich dadurch aus, dass er im Übergangsbereich eine steile Kennlinienänderung zeigt. Verschiebt sich eine Schwerpunktwellenlänge im einfallenden Strahlungsbündel 05 nur um wenige Nanometer oder sogar Bruchteile eines Nanometers, so kommt es zu einer deutlichen Verschiebung des Verhältnisses zwischen Reflexion und Durchlass am dielektrischen Filter 06. The dielectric filter is characterized in that it shows a steep change in characteristic in the transition region. Shifts a centroid wavelength in the incident radiation beam 05 only a few nanometers or even fractions of a nanometer, there is a significant shift in the ratio between reflection and transmission at the dielectric filter 06 ,

Innerhalb des Übergangsbereiches des Filters 06 wird ein Teil der Lichtstrahlung durch den Filter gelassen, so dass durchgelassene Strahlung 08 auf einen hinteren Fotodetektor 09 auftrifft, der in einem zweiten Halbleiterchip 11 ausgebildet ist. Der fotoempfindliche pn-Übergang des hinteren Fotodetektors 09 ist bevorzugt in den oberen Materialschichten des zweiten Halbleiterchips 11 ausgebildet, so dass die durchgelassene Strahlung 08 in einem Bereich des zweiten Halbleiterchips 11 von der Oberfläche bis etwa 30 µm Tiefe, bevorzugt bis 200 µm Tiefe, detektiert werden kann und einen Fotostrom PD2F erzeugt. Within the transition area of the filter 06 Part of the light radiation is left through the filter, so that transmitted radiation 08 on a rear photodetector 09 incident in a second semiconductor chip 11 is trained. The photosensitive pn junction of the rear photodetector 09 is preferred in the upper material layers of the second semiconductor chip 11 designed so that the transmitted radiation 08 in a region of the second semiconductor chip 11 from the surface to about 30 microns depth, preferably to 200 microns depth, can be detected and generates a photocurrent PD2F.

Ein anderer Teil der Strahlung wird am Filter 06 reflektiert und zum vorderen Fotodetektor 03 zurück geworfen. Das Strahlenbündel 07 enthält also eine vorlaufende und eine rücklaufende Komponente. Damit resultiert dort ein weiterer Fotostrom. Unter Berücksichtigung der vom vorderen Fotodetektor 03 an seiner Rückseite zusätzlich erfassten, reflektierten Strahlung liefert dieser einen Fotostrom PD1F. Another part of the radiation is at the filter 06 reflected and to the front photodetector 03 thrown back. The ray bundle 07 contains a leading and a returning component. This results in another photocurrent. Taking into account the from the front photodetector 03 At its back additionally detected, reflected radiation delivers this a photocurrent PD1F.

Auf der Abszisse des Diagramms in 2 ist der spektrale Schwerpunkt einer Wellenlängenverteilung, hier mit 0,5 nm Breite angenommen, aufgetragen. Die eingezeichneten Signalkurven sind in relativen Einheiten angegeben. Die Kurve 21 zeigt den beim ersten Strahlungsdurchlauf durch den vorderen Fotodetektor 03 erzeugten Fotostrom; die Kurve 22 zeigt die Transmissionskurve des Kantenfilters 06; die Kurve 23 stellt den in vorderen Fotodetektor 03 erzeugten Fotostrom dar, der durch am Kantenfilter 06 reflektierte Strahlung entsteht; damit zeigt die Kurve 24 den gesamter im vorderen Fotodetektor 03 erzeugten Fotostrom; und die Kurve 25 zeigt den im hinteren Fotodetektor 09 erzeugten Fotostrom. On the abscissa of the diagram in 2 the spectral center of gravity of a wavelength distribution, here assumed to be 0.5 nm wide, is plotted. The drawn signal curves are given in relative units. The curve 21 shows the first radiation pass through the front photodetector 03 generated photocurrent; the curve 22 shows the transmission curve of the edge filter 06 ; the curve 23 put that in front photo detector 03 generated photocurrent, the through at the edge filter 06 reflected radiation is generated; that shows the curve 24 the whole in the front photodetector 03 generated photocurrent; and the curve 25 shows that in the rear photodetector 09 generated photocurrent.

Das Messergebnis des Sensors ergibt sich aus einem Quotienten, der unabhängig von der absoluten Strahlungsintensität ist. Als intensitätsunabhängige Quotienten können verwendet werden:
PD2F/PDF1F, (PD1F – PD2F)/PD1F oder (PD2F – PD1F)/(PD2F + PD1F). The measurement result of the sensor results from a quotient that is independent of the absolute radiation intensity. As intensity-independent quotients can be used:
PD2F / PDF1F, (PD1F - PD2F) / PD1F or (PD2F - PD1F) / (PD2F + PD1F).

3 verdeutlicht die sich aus den Signalverläufe am erfindungsgemäßen Sensor ableitbaren Quotienten in grafischer Form. Dabei zeigt die Kurve 26 den Verlauf des Quotienten (Signal des hinteren Fotodetektors 09) / (Signal des vorderen Fotodetektors 03); die Kurve 27 zeigt den Verlauf des Quotienten (Differenz der Signale des vorderen Fotodetektors 03 und des hinteren Fotodetektors 09) / (Summe der Signale des vorderen Fotodetektors 03 und des hinteren Fotodetektors 09); und die Kurve 28 zeigt den Verlauf des Quotienten (Differenz der Signale des vorderen Fotodetektors 03 und des hinteren Fotodetektors 09) / (Signal des vorderen Fotodetektors 03). 3 illustrates the derivable from the waveforms on the sensor according to the invention quotients in graphical form. The curve shows 26 the course of the quotient (signal of the rear photo detector 09 ) / (Front photodetector signal 03 ); the curve 27 shows the course of the quotient (difference of the signals of the front photodetector 03 and the rear photodetector 09 ) / (Sum of the signals of the front photodetector 03 and the rear photodetector 09 ); and the curve 28 shows the course of the quotient (difference of the signals of the front photodetector 03 and the rear photodetector 09 ) / (Front photodetector signal 03 ).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

01 01: erster Halbleiterchip first semiconductor chip
02 02: transparenter Dünnschichtbereich transparent thin-film area
03 03: vorderer Fotodetektor front photo detector
05 05: einfallendes Strahlungsbündel incident radiation beam
06 06: dielektrischer Kantenfilter dielectric edge filter
07 07: vom vorderen Fotodetektor 03 durchgelassene und am dielektrischen Kantenfilter 06 reflektierte Strahlung from the front photodetector 03 transmitted and at the dielectric edge filter 06 reflected radiation
08 08: vom dielektrischen Kantenfilter 06 durchgelassene Strahlungfrom the dielectric edge filter 06 transmitted radiation
09 09: hinterer Fotodetektor rear photo detector
11 11: zweiter Halbleiterchip second semiconductor chip
21 21: beim ersten Strahlungsdurchlauf durch den vorderen Fotodetektor 03 erzeugter Fotostromat the first radiation pass through the front photodetector 03 generated photocurrent
22 22: Transmissionskurve des Kantenfilters 06 Transmission curve of the edge filter 06
23 23: im vorderen Fotodetektor 03 erzeugter Fotostrom durch am Kantenfilter 06 reflektierte Strahlungin the front photodetector 03 generated photocurrent through the edge filter 06 reflected radiation
24 24: gesamter im vorderen Fotodetektor 03 erzeugter Fotostromentire in front photo detector 03 generated photocurrent
25 25: im hinteren Fotodetektor 09 erzeugter Fotostrom in the rear photodetector 09 generated photocurrent
26 26: (Signal des hinteren Fotodetektors 09) / (Signal des vorderen Fotodetektors 03)(Rear photodetector signal 09 ) / (Front photodetector signal 03 )
27 27: (Differenz der Signale von 03 und 09) / (Summe der Signale von 03 und 09)(Difference of the signals from 03 and 09 ) / (Sum of the signals from 03 and 09 )
28 28: (Differenz der Signale von 03 und 09) / (Signal von 03) (Difference of the signals from 03 and 09 ) / (Signal from 03 )

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2010/0157117 A1 [0004]
US 3962578 [0005]

Claims

Optoelectric sensor for determining the spectral center of gravity of an incident light beam ( 05 ), comprising: - a photodetector in the radiation direction ( 03 ) with one for the light beam ( 05 ) at least partially transparent thin-film region ( 02 ); A rear photodetector in the radiation direction ( 09 ); characterized in that between the front photodetector ( 03 ) and the rear photodetector ( 09 ) a dielectric filter ( 06 ) that substantially completely reflects radiation beyond a first edge wavelength, substantially completely transmits radiation beyond a second edge wavelength, and partially reflects and proportionally transmits radiation in a transition region between first and second edge wavelengths, wherein the transition region of the filter is predetermined and the working region defined by the sensor.

Sensor according to claim 1, characterized in that the transition region of the dielectric filter ( 06 ) extends over a wavelength distance of not more than 20 nm, in particular not more than 5 nm.

Sensor according to claim 1, characterized in that the dielectric filter ( 06 ) is constructed as a dielectric multilayer system applied to a glass substrate or as a laterally structured dielectric multilayer system directly on the rear photodetector (US Pat. 09 ) is applied.

Sensor according to one of Claims 1 to 3, characterized in that it comprises a support with an optical window, the front and rear photodetectors ( 03 . 09 ) are arranged on respective opposite sides of the carrier.

Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the front photodetector ( 03 ), the filter ( 06 ) and the rear photodetector ( 09 ) are glued together in a stack shape.

Sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the beam direction in front of the front photodetector ( 03 ) a beam shaping means is arranged, which the incoming light beam ( 05 ) parallelized.

Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the front and / or the rear photodetector ( 03 . 09 ) as photodiodes in a semiconductor chip ( 01 . 11 ), preferably consisting of silicon or gallium arsenide.

Sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that for the light beam ( 05 ) at least partially transparent thin-film region ( 02 ) of the front photodetector ( 03 ) has a thickness of 20 to 200 microns, preferably from 60 to 80 microns.

Sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the rear photodetector ( 09 ) has a photosensitivity in a material depth up to 30 microns, preferably up to 200 microns.