DE102017104379A1 - OPTOELECTRONIC PARTICLE SENSOR - Google Patents
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Abstract
Ein optoelektronischer Partikelsensor umfasst einen ersten Emitter, einen Detektor und einen dielektrischen Körper, wobei über einer Oberfläche des dielektrischen Körpers eine Metallschicht angeordnet ist. Die vom ersten Emitter ausgesendete elektromagnetische Strahlung kann in den dielektrischen Körper eingeleitet werden. Bei Vorliegen einer Anregungsbedingung können in der Metallschicht Oberflächenplasmonen angeregt werden. Die wieder aus dem dielektrischen Körper austretende elektromagnetische Strahlung kann auf den Detektor treffen. An der Metallschicht können sich Partikel anlagern, wobei die Anregungsbedingung von sich an der Metallschicht anlagernden Partikeln abhängig ist. Die am Detektor gemessene Intensität ist von dem Vorliegen der Anregungsbedingung abhängig. An optoelectronic particle sensor comprises a first emitter, a detector and a dielectric body, wherein a metal layer is arranged above a surface of the dielectric body. The electromagnetic radiation emitted by the first emitter can be introduced into the dielectric body. When an excitation condition is present, surface plasmons can be excited in the metal layer. The electromagnetic radiation emerging from the dielectric body can strike the detector. Particles can accumulate on the metal layer, the excitation condition being dependent on particles deposited on the metal layer. The intensity measured at the detector is dependent on the presence of the excitation condition.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektronischen Partikelsensor gemäß dem unabhängigen Anspruch.The present invention relates to an optoelectronic particle sensor according to the independent claim.
Aus dem Stand der Technik sind optoelektronische Rauchmeldevorrichtungen bekannt, bei denen elektromagnetische Strahlung unmittelbar an zu detektierenden Partikeln gestreut und abgelenkt werden kann.From the state of the art optoelectronic smoke detection devices are known in which electromagnetic radiation can be scattered and deflected directly to be detected particles.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen optoelektronischen Partikelsensor bereitzustellen.The object of the present invention is to provide an optoelectronic particle sensor.
Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Partikelsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind verschiedene Weiterbildungen angegeben.This object is achieved by an optoelectronic particle sensor with the features of claim 1. In the dependent claims various developments are given.
Ein erfindungsgemäßer optoelektronischer Partikelsensor umfasst einen ersten Emitter und einen Detektor, wobei der Emitter ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung auszusenden, während der Detektor ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung zu detektieren. Weiterhin umfasst der optoelektronische Partikelsensor einen dielektrischen Körper, wobei über einer Oberfläche des dielektrischen Körpers eine Metallschicht angeordnet ist. Die vom ersten Emitter ausgesendete elektromagnetische Strahlung kann in den dielektrischen Körper eingeleitet werden. Bei Vorliegen einer Anregungsbedingung können in der Metallschicht Oberflächenplasmonen angeregt werden. Die aus dem dielektrischen Körper wieder austretende elektromagnetische Strahlung kann auf den Detektor treffen. An der Metallschicht können sich Partikel anlagern, wobei die Anregungsbedingung von sich an der Metallschicht anlagernden Partikeln abhängig ist. Die am Detektor gemessene Intensität ist von dem Vorliegen der Anregungsbedingung abhängig.An optoelectronic particle sensor according to the invention comprises a first emitter and a detector, wherein the emitter is designed to emit electromagnetic radiation, while the detector is designed to detect electromagnetic radiation. Furthermore, the optoelectronic particle sensor comprises a dielectric body, wherein a metal layer is arranged above a surface of the dielectric body. The electromagnetic radiation emitted by the first emitter can be introduced into the dielectric body. When an excitation condition is present, surface plasmons can be excited in the metal layer. The electromagnetic radiation emerging from the dielectric body can strike the detector. Particles can accumulate on the metal layer, the excitation condition being dependent on particles deposited on the metal layer. The intensity measured at the detector is dependent on the presence of the excitation condition.
Vorteilhafterweise reagiert ein optoelektronischer Partikelsensor, der auf der Anregung von Oberflächenplasmonen in einer Metallschicht beruht, besonders empfindlich auf Brechungsindexänderungen in der Umgebung der Metallschicht und damit auf sich an der Metallschicht anlagernde Partikel. Damit kann die Adsorption von Partikeln effizient detektiert werden.Advantageously, an optoelectronic particle sensor, which is based on the excitation of surface plasmons in a metal layer, is particularly sensitive to refractive index changes in the environment of the metal layer and thus to particles attached to the metal layer. Thus, the adsorption of particles can be detected efficiently.
In einer Ausführungsform kann die die Anregung von Oberflächenplasmonen durch Totalreflexion erfolgen.In one embodiment, the excitation of surface plasmons may be by total reflection.
Vorteilhafterweise ist ein optoelektronischer Partikelsensor, der darauf beruht, dass Oberflächenplasmonen durch Totalreflexion angeregt werden können, besonders einfach aufgebaut und kostengünstig zu realisieren.Advantageously, an optoelectronic particle sensor, which is based on the fact that surface plasmons can be excited by total reflection, is particularly simple in design and inexpensive to implement.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Partikelsensors ist der dielektrische Körper ein Prisma mit trapezförmiger Grundfläche, über dessen schrägen Seitenflächen jeweils eine Metallschicht angeordnet ist.In one embodiment of the optoelectronic particle sensor, the dielectric body is a prism with a trapezoidal base surface, over whose oblique side surfaces a metal layer is arranged in each case.
Vorteilhafterweise können bei dieser Ausführungsform der erste Emitter und der Detektor nah beieinander angeordnet sein, so dass ein optoelektronischer Partikelsensor in kompakter Art und Weise realisiert und leicht in andere elektrische Geräte integriert werden kann.Advantageously, in this embodiment, the first emitter and the detector can be arranged close to each other, so that an optoelectronic particle sensor can be realized in a compact manner and easily integrated into other electrical devices.
In einer Ausführungsform ist der dielektrische Körper ein Wellenleiter, wobei die Anregung von Oberflächenplasmonen durch Kopplung von Wellenleitermoden an Oberflächenplasmon-Moden erfolgen kann.In one embodiment, the dielectric body is a waveguide, wherein the excitation of surface plasmons can be done by coupling waveguide modes to surface plasmon modes.
Vorteilhafterweise ist diese Variante des optoelektronischen Partikelsensors besonders platzsparend, da der Wellenleiter beispielsweise ein dünner Schichtwellenleiter oder eine Faser sein kann.Advantageously, this variant of the optoelectronic particle sensor is particularly space-saving, since the waveguide may be, for example, a thin layer waveguide or a fiber.
In einer Ausführungsform erfolgt das Ein- und/oder Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlung in den Wellenleiter bzw. aus dem Wellenleiter durch Stirnflächen-, Gitter- oder Prismenkopplung.In one embodiment, the coupling and / or decoupling of the electromagnetic radiation takes place in the waveguide or from the waveguide by Stirnflächen-, grid or prism coupling.
Vorteilhafterweise lässt sich die elektromagnetische Strahlung durch diese Methoden der Kopplung besonders einfach in den Wellenleiter einkoppeln bzw. aus dem Wellenleiter auskoppeln. Für den Fall eines dünnen Schichtwellenleiters bietet insbesondere die Gitterkopplung die Möglichkeit, elektromagnetische Strahlung effizient in den Wellenleiter einzukoppeln. Die Stirnflächenkopplung hingegen ermöglicht es einen relativ flachen und kompakten optoelektronischen Partikelsensor zu konstruieren, da ein linearer Aufbau von erstem Emitter, Wellenleiter und Detektor vorliegt.Advantageously, the electromagnetic radiation can be particularly easily coupled by these methods of coupling in the waveguide and decoupled from the waveguide. In the case of a thin layer waveguide, in particular, the grating coupling offers the possibility of efficiently coupling electromagnetic radiation into the waveguide. On the other hand, the face coupling makes it possible to construct a relatively flat and compact optoelectronic particle sensor, since there is a linear structure of the first emitter, waveguide and detector.
In einer Ausführungsform ist zwischen dem dielektrischen Körper und der Metallschicht eine weitere dielektrische Schicht angeordnet.In one embodiment, a further dielectric layer is disposed between the dielectric body and the metal layer.
Vorteilhafterweise liegt dadurch eine besonders günstige Kopplungssituation vor, da die Eindringtiefe eines Oberflächenplasmons für eine dielektrische Schicht größer ist, als für eine Metallschicht. Somit kann der Überlapp der exponentiell abklingenden, evaneszenten Felder der Oberflächenplasmonen und der elektromagnetischen Wellen erhöht werden.Advantageously, this results in a particularly favorable coupling situation, since the penetration depth of a surface plasmon is greater for a dielectric layer than for a metal layer. Thus, the overlap of the exponentially decaying, evanescent fields of the surface plasmons and the electromagnetic waves can be increased.
In einer Ausführungsform bildet die Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Körper und der Metallschicht ein periodisches Gitter. Die Anregung von Oberflächenplasmonen kann durch Beugung der elektromagnetischen Strahlung an dem periodischen Gitter erfolgen. In one embodiment, the interface between the dielectric body and the metal layer forms a periodic lattice. The excitation of surface plasmons can be done by diffracting the electromagnetic radiation at the periodic lattice.
Vorteilhafterweise lässt sich die Anregungsbedingung für Oberflächenplasmonen besonders einfach erfüllen. Beispielsweise kann bei festem Einfallswinkel und fester Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung das Vorliegen der Anregungsbedingung durch Anpassung der Gitterkonstante des periodischen Gitters erreicht werden. Alternativ kann das periodische Gitter gedreht werden, um eine Position zu finden, für die die Anregungsbedingung erfüllt ist.Advantageously, the excitation condition for surface plasmons can be fulfilled particularly easily. For example, with a fixed angle of incidence and a fixed wavelength of the electromagnetic radiation, the presence of the excitation condition can be achieved by adjusting the lattice constant of the periodic grating. Alternatively, the periodic grating may be rotated to find a position for which the excitation condition is met.
In einer Ausführungsform ist der erste Emitter ein Laserchip, insbesondere ein VCSEL.In one embodiment, the first emitter is a laser chip, in particular a VCSEL.
Ein VCSEL (Englisch: Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) ist ein Halbleiterlaserchip, der elektromagnetische Strahlung senkrecht zu seiner Oberfläche emittiert. Vorteilhafterweise emittiert ein VCSEL elektromagnetische Strahlung (beispielsweise sichtbares Licht) aus einer kleinen Fläche heraus und in gerichteter Art und Weise. Unerwünschtes Licht, welches in einen größeren Raumwinkel abgestrahlt wird, kann somit effizient unterdrückt werden. Dadurch ist es möglich, dass mehr Leistung im Detektionsbereich deponiert werden kann. Auch ein Übersprechen mit dem Detektor wird durch die gerichtete Emission vermieden. Ein VCSEL zeichnet sich weiterhin durch niedrige Produktionskosten und einen geringen Stromverbrauch aus.A VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) is a semiconductor laser chip that emits electromagnetic radiation perpendicular to its surface. Advantageously, a VCSEL emits electromagnetic radiation (eg, visible light) out of a small area and in a directional manner. Unwanted light which is radiated into a larger solid angle can thus be suppressed efficiently. This makes it possible that more power can be deposited in the detection area. Crosstalk with the detector is also avoided by the directed emission. A VCSEL is further characterized by low production costs and low power consumption.
In einer Ausführungsform weist der optoelektronische Partikelsensor einen zweiten Emitter auf, wobei der zweite Emitter ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung auszusenden. Die vom zweiten Emitter ausgesendete elektromagnetische Strahlung liegt in einem anderen Spektralbereich, als die vom ersten Emitter ausgesendete elektromagnetische Strahlung.In one embodiment, the optoelectronic particle sensor has a second emitter, wherein the second emitter is designed to emit electromagnetic radiation. The electromagnetic radiation emitted by the second emitter lies in a different spectral range than the electromagnetic radiation emitted by the first emitter.
Vorteilhafterweise wird durch den Einsatz eines zweiten Emitters der spektrale Arbeitsbereich des optoelektronischen Partikelsensors erweitert.Advantageously, the use of a second emitter extends the spectral working range of the optoelectronic particle sensor.
In einer Ausführungsform weist der Detektor mindestens eine Photodiode auf.In one embodiment, the detector has at least one photodiode.
Vorteilhafterweise ist ein mit Photodioden ausgestatteter optoelektronischer Partikelsensor kompakt und kostengünstig. Darüber hinaus kann die spektrale Empfindlichkeit einer Photodiode an die Wellenlänge vom ersten Emitter ausgesandter elektromagnetischer Strahlung angepasst werden.Advantageously, an optoelectronic particle sensor equipped with photodiodes is compact and inexpensive. In addition, the spectral sensitivity of a photodiode to the wavelength of the first emitter emitted electromagnetic radiation can be adjusted.
In einer Ausführungsform sind ein erster Filter und ein zweiter Filter über dem Detektor angeordnet. Der erste Filter ist ausgebildet, nur die vom ersten Emitter ausgesendete elektromagnetische Strahlung zu transmittieren. Der zweite Filter ist ausgebildet, nur die vom zweiten Emitter ausgesendete elektromagnetische Strahlung zu transmittieren.In one embodiment, a first filter and a second filter are disposed above the detector. The first filter is designed to transmit only the electromagnetic radiation emitted by the first emitter. The second filter is designed to transmit only the electromagnetic radiation emitted by the second emitter.
Das Anordnen von Filtern über dem Detektor bietet den Vorteil, dass elektromagnetische Strahlung, die eine andere Wellenlänge aufweist, als die von den Emittern ausgesendete elektromagnetische Strahlung, effizient gefiltert werden kann. Damit kann der Einfluss von Umgebungslicht unterdrückt werden. Dies verbessert das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der am Detektor ausgelesenen Daten.Arranging filters over the detector offers the advantage that electromagnetic radiation having a different wavelength than the electromagnetic radiation emitted by the emitters can be efficiently filtered. Thus, the influence of ambient light can be suppressed. This improves the signal-to-noise ratio of the data read out at the detector.
In einer Ausführungsform ist der optoelektronische Partikelsensor eine Rauchmeldevorrichtung.In one embodiment, the optoelectronic particle sensor is a smoke detection device.
Vorteilhafterweise kann eine Rauchmeldevorrichtung dazu beitragen, einen Brand zu erkennen, sodass Maßnahmen zur Bekämpfung des Brandes oder zum Schutz von in der Nähe des Brandes befindlichen Personen ergriffen werden können.Advantageously, a smoke detection device can help to detect a fire, so that measures can be taken to combat the fire or to protect people in the vicinity of the fire.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, sind klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in jeweils schematischer Darstellung:
-
1 : eine Seitenansicht eines optoelektronischen Partikelsensors mit einem Prisma als dielektrischer Körper, wobei das Prisma eine dreieckige Grundfläche aufweist; -
2 : eine Seitenansicht einer Ausführungsform, wobei der dielektrische Körper ein Prisma mit trapezförmiger Grundfläche ist; -
3 : eine Seitenansicht einer Ausführungsform mit einem Wellenleiter als dielektrischer Körper; -
4 : eine Oberfläche des dielektrischen Körpers, über der eine weitere dielektrische Schicht und eine Metallschicht angeordnet sind; -
5 : die Grenzfläche zwischen dielektrischem Körper und Metallschicht, die ein periodisches Gitter bildet.
-
1 FIG. 2: a side view of an optoelectronic particle sensor with a prism as a dielectric body, the prism having a triangular base area; FIG. -
2 FIG. 2 is a side view of an embodiment wherein the dielectric body is a prism with a trapezoidal base; FIG. -
3 FIG. 2 is a side view of an embodiment having a waveguide as the dielectric body; FIG. -
4 a surface of the dielectric body over which another dielectric layer and a metal layer are disposed; -
5 : the interface between the dielectric body and the metal layer forming a periodic lattice.
Der optoelektronische Partikelsensor
Der erste Emitter
Der erste Emitter
Das Prisma
Über der Basisfläche
Der Detektor
Die am Detektor
Die Anregungsbedingung für Oberflächenplasmonen ist stark abhängig von der Umgebung der Metallschicht
Somit bestehen zwei Möglichkeiten, die Anlagerung von Partikeln an der Metallschicht
Umgekehrt können Einfallswinkel und Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung
Über dem Detektor
In dieser Ausführungsform weist das Prisma
In dieser Ausführungsform sind der erste Emitter
Wiederum kann die Anregungsbedingung für Oberflächenplasmonen zunächst entweder erfüllt sein oder gerade nicht, sodass mit der Anlagerung von Partikeln an den Metallschichten
Bei dieser Ausführungsform können der erste Emitter
Bei dieser Ausführungsform kann die Anregung von Oberflächenplasmonen durch Kopplung einer Wellenleitermode
Im Fall einer Anregung von Oberflächenplasmonen in der Metallschicht
Auch bei dieser Ausführungsform ist die Anregungsbedingung für Oberflächenplasmonen stark abhängig von der Umgebung der Metallschicht
Somit bestehen zwei Möglichkeiten, die Anlagerung von Partikeln an der Metallschicht
Umgekehrt kann die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung
In dem in
Das Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung
Eine Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung
Die Modifikation und Anpassung des Wellenvektors der einfallenden elektromagnetischen Strahlung
Die Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung
Es ist auch möglich, dass Oberflächenplasmonen einen Teil ihrer Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung
Bei dieser Variante des optoelektronischen Partikelsensors 100 kann der dielektrische Körper
Diese Ausführungsform wird als Otto-Konfiguration bezeichnet und kann den Vorteil einer effizienteren Anregung von Oberflächenplasmonen gegenüber der sogenannten Kretschmann-Konfiguration, bei der die Metallschicht
Bei dieser Ausführungsform kann die Anregung von Oberflächenplasmonen durch Beugung der elektromagnetischen Strahlung
Im dargestellten Beispiel erfolgt die Anregung von Oberflächenplasmonen in Reflexion. Dabei sind der erste Emitter
Durch eine Verschiebung der Anregungswellenlänge für Oberflächenplasmonen infolge von sich an der Metallschicht
Um den spektralen Arbeitsbereich des optoelektronischen Parikelsensors
Der zweite Emitter
Weist der optoelektronische Partikelsensor
Der optoelektronische Partikelsensor
Der erfindungsgemäße optoelektronische Partikelsensor
Aufgrund seiner Kompaktheit, kann der optoelektronische Partikelsensor
Die vorliegende Erfindung wurde anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben. Dennoch ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele beschränkt. Vielmehr können hieraus andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.The present invention has been further illustrated and described with reference to the preferred embodiments. Nevertheless, the invention is not limited to the disclosed examples. Rather, other variations may be deduced therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- optoelektronischer Partikelsensor optoelectronic particle sensor
- 200200
- erster Emitterfirst emitter
- 201201
- Oberseite des ersten EmittersTop of the first emitter
- 202202
- Unterseite des ersten EmittersBottom of the first emitter
- 210210
- Detektordetector
- 211211
- Oberseite des DetektorsTop of the detector
- 212212
- Unterseite des DetektorsBottom of the detector
- 220220
- elektromagnetische Strahlungelectromagnetic radiation
- 250250
- zweiter Emitter second emitter
- 300300
- dielektrischer Körperdielectric body
- 310310
- Oberfläche des dielektrischen KörpersSurface of the dielectric body
- 320320
- Metallschichtmetal layer
- 330330
- Grenzfläche zwischen dielektrischem Körper und Metallschicht Interface between dielectric body and metal layer
- 400400
- Prismaprism
- 410410
- Seitenflächen des PrismasSide surfaces of the prism
- 420420
- Basisfläche des PrismasBase surface of the prism
- 430430
- Grundfläche des Prismas Base of the prism
- 500500
- Wellenleiterwaveguides
- 510510
- WellenleitermodeWaveguide mode
- 520520
- Stirnflächen des Wellenleiters End faces of the waveguide
- 600600
- weitere dielektrische Schicht another dielectric layer
- 700700
- erster Filterfirst filter
- 750750
- zweiter Filtersecond filter
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R079 | Amendment of ipc main class |
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R163 | Identified publications notified | ||
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