DE102018125050A1 - Optoelektronischer Sensor - Google Patents

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DE102018125050A1
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Daniel Richter
Luca Haiberger
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Ams Osram International GmbH
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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Abstract

Es wird ein optoelektronischer Sensor (1) beschrieben, umfassend einen strahlungsemittierenden Halbleiterbereich (2), einen strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich (3), einen ersten Polarisationsfilter (4), der über dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich (2) angeordnet ist und eine erste Polarisationsrichtung aufweist, und einen zweiten Polarisationsfilter (5), der über dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich (3) angeordnet ist und eine zweite Polarisationsrichtung aufweist, wobei die erste Polarisationsrichtung und die zweite Polarisationsrichtung senkrecht zueinander sind.

Description

  • Die Anmeldung betrifft einen optoelektronischen Sensor, insbesondere einen optoelektronischen Sensor zur Messung eines Vitalparameters in einem tragbaren Gerät.
  • Die Überwachung von Vitalparametern mittels eines optoelektronischen Sensors in einem tragbaren Gerät, zum Beispiel in einer Sportuhr, erfordert einen besonders kompakten Sensor mit hoher Empfindlichkeit.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht somit darin, einen optoelektronischen Sensor anzugeben, der sich durch einen kompakten Aufbau und ein hohe Empfindlichkeit auszeichnet.
  • Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung umfasst der optoelektronische Sensor einen strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und einen strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich. Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich weist insbesondere eine zur Emission von Strahlung geeignete aktive Schicht auf. Die aktive Schicht kann zum Beispiel als pn-Übergang, als Doppelheterostruktur, als Einfach-Quantentopfstruktur oder Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildet sein. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst dabei jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (Confinement) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
  • Der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich weist insbesondere eine zur Detektion von Strahlung geeignete aktive Schicht auf, beispielsweise eine Fotodiode oder eine andere zur Detektion von Strahlung geeignete Halbleiterschichtenfolge.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung umfasst der optoelektronische Sensor einen ersten Polarisationsfilter, der über dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich angeordnet ist, und einen zweiten Polarisationsfilter, der über dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich angeordnet ist. Der erste Polarisationsfilter kann insbesondere direkt auf einer Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs angeordnet sein. In analoger Weise kann der zweite Polarisationsfilter direkt auf der Strahlungseintrittsfläche des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs angeordnet sein. Die Anordnung der Polarisationsfilter direkt auf den Halbleiterbereichen, beispielsweise in Form einer Schicht oder einer Schichtenfolge, trägt vorteilhaft zu einem kompakten Aufbau des optoelektronischen Sensors bei.
  • Der erste Polarisationsfilter weist eine erste Polarisationsrichtung und der zweite Polarisationsfilter weist eine zweite Polarisationsrichtung auf. Hierbei ist die erste Polarisationsrichtung von der zweiten Polarisationsrichtung verschieden, insbesondere sind die erste Polarisationsrichtung und die zweite Polarisationsrichtung senkrecht zueinander. Beispielsweise erzeugt der erste Polarisationsfilter, der über dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich angeordnet ist, linear polarisierte Strahlung mit der ersten Polarisationsrichtung und der zweite Polarisationsfilter, der über dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich angeordnet ist, linear polarisierte Strahlung mit einer zweiten Polarisationsrichtung, die senkrecht zu der ersten Polarisationsrichtung ist. Der erste und zweite Polarisationsfilter bilden mit anderen Worten gekreuzte Polarisatoren aus.
  • Dadurch, dass der erste und zweite Polarisationsfilter senkrecht zueinander orientierte Polarisationsrichtungen aufweisen, wird vorteilhaft erreicht, dass die von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich emittierte Strahlung mit einer Polarisationsrichtung aus dem optoelektronischen Sensor austritt, für die der zweite Polarisationsfilter über dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich im Wesentlichen undurchlässig ist.
  • Die von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich emittierte Strahlung ist insbesondere als Anregungslicht zur Messung eines Vitalparameters vorgesehen. Die emittierte Strahlung kann von einem Körperbereich, beispielsweise Gewebe oder Blutgefäßen, zumindest teilweise absorbiert und/oder reflektiert werden. Der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich ist insbesondere dazu vorgesehen, die von dem Körperbereich infolge der Anregung emittierte Strahlung zu detektieren. Die detektierte Strahlung kann insbesondere dazu verwendet werden, einen oder mehrere Vitalparameter wie beispielsweise den Blutdruck und/oder Herzfrequenz zu detektieren. Die detektierte Strahlung umfasst typischerweise energieärmere Strahlung, d.h. Strahlung einer längeren Wellenlänge. Weiterhin weist die zu detektierende Strahlung im Vergleich zur Intensität des Anregungslichts typischerweise nur eine sehr geringe Intensität auf. Dadurch, dass das von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich erzeugte Anregungslicht aufgrund seiner Polarisationsrichtung vom zweiten Polarisationsfilter im Wesentlichen nicht durchgelassen wird, wird das Anregungslicht vor dem Erreichen der strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs vorteilhaft von der zu detektieren Strahlung des Körperbereichs getrennt. Das von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich emittierte Licht trägt deshalb zu dem Signallicht, das von dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich erfasst wird, nur sehr geringfügig bei. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine hohe Empfindlichkeit des optoelektronischen Sensors erreicht.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors ist der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich seitlich neben dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich angeordnet. Auf diese Weise wird der Platzbedarf für den optoelektronischen Sensor gering gehalten.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors sind die Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und die Strahlungseintrittsfläche des strahlungsdetektieren Halbleiterbereichs parallel zueinander angeordnet.
    Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich sind insbesondere derart angeordnet, dass eine Hauptemissionsrichtung des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs und eine Haupteinfallsrichtung des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs im Wesentlichen antiparallel zueinander sind.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Der gemeinsamen Träger kann beispielsweise elektrische Kontakte zur Kontaktierung des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs und des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs aufweisen.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich monolithisch integriert. „Monolithisch integriert“ bedeutet insbesondere, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich ein gemeinsames Aufwachssubstrat aufweisen. Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich können insbesondere epitaktisch auf dem gemeinsamen Aufwachssubstrat aufgewachsen sein. Es ist möglich, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich zumindest bereichsweise Halbleiterschichten aufweisen, die im gleichen epitaktischen Aufwachsprozess hergestellt sind. Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und/oder der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich können insbesondere eine Mesa-Struktur aufweisen. Die laterale Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge ist somit geringer als die laterale Ausdehnung eines Trägersubstrats wie beispielweise dem Aufwachssubstrat. Die Mesa-Struktur kann durch einen fotolithografischen Prozess hergestellt werden, bei dem die Halbleiterschichtenfolge teilweise abgetragen wird, um sie zu einer gewünschten Form und Größe zu strukturieren.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors beträgt ein Abstand zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich nicht mehr als 150 µm. Unter dem „Abstand“ ist hier die kürzeste Distanz zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich, also die Breite des Zwischenraums zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich, zu verstehen. Vorzugsweise beträgt der Abstand mindestens 20 µm, um ein optisches Übersprechen zu vermindern. Der Abstand zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich beträgt also vorzugsweise zwischen 20 µm und 150 µm.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors ist eine strahlungsreflektierende oder strahlungsabsorbierende Schicht auf Seitenflanken des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs und/oder des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs aufgebracht. Vorzugsweise sind sowohl die Seitenflanken des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs als auch die Seitenflanken des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs mit der strahlungsreflektierenden oder strahlungsabsorbierenden Schicht bedeckt. Auf diese Weise kann ein optisches Übersprechen zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich noch weiter reduziert werden. Die strahlungsreflektierende oder strahlungsabsorbierende Schicht ist vorzugsweise eine dielektrische Schicht oder Schichtenfolge. Alternativ oder zusätzlich können die Seitenflanken des ersten Polarisationsfilters und/oder die Seitenflanken des zweiten Polarisationsfilters von der strahlungsreflektierenden oder strahlungsabsorbierenden Schicht bedeckt sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors ist der erste Polarisationsfilter und/oder der zweite Polarisationsfilter ein absorbierender Polarisationsfilter. Bei einem absorbierenden Polarisationsfilter wird Licht mit der Durchlass-Polarisationsrichtung transmittiert und andere Polarisationsrichtungen werden innerhalb des Polarisationsfilters absorbiert. Bei dieser Ausgestaltung kann der erste und/oder zweite Polarisationsfilter beispielsweise Herapathit aufweisen.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors ist der erste Polarisationsfilter und/oder der zweite Polarisationsfilter ein reflektierender Polarisationsfilter. Bei einem reflektierenden Polarisationsfilter wird Licht mit der Durchlass-Polarisationsrichtung transmittiert und andere Polarisationsrichtungen werden reflektiert. Bei dieser Ausgestaltung kann der erste und/oder zweite Polarisationsfilter beispielsweise eine dielektrische Schichtenfolge aufweisen.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich in seitlicher Richtung von einer Kunststoff-Formmasse umgeben, die beispielsweise Silikon oder Epoxidharz aufweist. Die Kunststoff-Formmasse kann beispielsweise durch Spritzgießen, Spritzpressen oder Formpressen aufgebracht werden. Die Kunststoff-Formmasse ist vorteilhaft opak, d.h. insbesondere für die emittierte Strahlung nicht transparent. Vorzugsweise enthält die Kunststoff-Formmasse strahlungsabsorbierende und/oder strahlungsreflektierende Partikel. Auf diese Weise kann das Übersprechen zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich noch weiter reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich können die Seitenflanken des ersten Polarisationsfilters und/oder die Seitenflanken des zweiten Polarisationsfilters von der Kunststoff-Formmasse bedeckt sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist der optoelektronische Sensor ein oberflächenmontierbares Bauelement (SMD, Surface Mounted Device). Bei dieser Ausgestaltung sind insbesondere die elektrischen Kontakte an einer von der Strahlungsaustrittsfläche und Strahlungseintrittsfläche abgewandten Rückseite angeordnet, sodass das Bauelement an der Rückseite beispielsweise auf eine Leiterplatte montierbar ist. Die Vorderseite des optoelektronischen Sensors ist in diesem Fall vorteilhaft frei von elektrischen Zuleitungen wie beispielsweise Bonddrähten, so dass eine Absorption des emittierten Lichts oder des zu detektierenden Lichts durch elektrische Zuleitungen vermieden wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors ist der strahlungsemittierende Halbleiterbereich zur Emission von Infrarotstrahlung geeignet und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich zur Detektion von Infrarotstrahlung geeignet. Bei dieser Ausgestaltung können der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich beispielsweise auf einem Arsenid-Verbindungshalbleiter basieren. „Auf einem Arsenid-Verbindungshalbleiter basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie-Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Arsenidverbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIn1-n-mAs umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, As), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können. Es ist alternativ aber auch möglich, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und/oder der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich auf einem anderen Halbleitermaterial, insbesondere auf einem III-V-Halbleitermaterial, basieren.
  • Der optoelektronische Sensor kann insbesondere zur Messung von mindestens einem Vitalparameter eingerichtet sein. Ein Vitalparameter ist eine Maßzahl, die eine Grundfunktion des menschlichen Körpers widerspiegelt. Ein solcher Vitalparameter kann beispielsweise die Herzfrequenz oder der Blutdruck oder der Sauerstoffgehalt im Blut sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist der optoelektronische Sensor Bestandteil eines tragbaren Geräts, insbesondere eines tragbaren Geräts zur Messung eines Vitalparameters wie beispielweise einer Sportuhr oder eines Fitness-Armbands. Die kompakte Bauweise des optoelektronischen Sensors ist für die Integration des optoelektronischen Sensors in ein solches Gerät besonders vorteilhaft.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 6 näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Sensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Sensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
    • 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Sensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
    • 4 eine schematische Darstellung des Strahlengangs bei einem Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Sensors,
    • 5 eine schematische Darstellung des Strahlengangs bei einem optoelektronischen Sensor mit geringer Distanz zwischen strahlungsemittierendem Halbleiterbereich und strahlungsdetektierendem Halbleiterbereich, und
    • 6 eine schematische Darstellung des Strahlengangs bei einem optoelektronischen Sensor mit großer Distanz zwischen strahlungsemittierendem Halbleiterbereich und strahlungsdetektierendem Halbleiterbereich.
  • Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
  • In 1 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Sensors im Querschnitt dargestellt. Der optoelektronische Sensor 1 weist einen strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und einen strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 auf. Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 sind jeweils durch eine Halbleiterschichtenfolge gebildet, deren Einzelschichten hier nicht dargestellt sind.
  • Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 können beispielsweise jeweils eine auf einem III-V-Halbleitermaterial basierende Halbleiterschichtenfolge aufweisen, beispielsweise eine auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial basierende Halbleiterschichtenfolge. Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 kann insbesondere eine Leuchtdiodenschichtenfolge aufweisen. Der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 kann beispielsweise als Fotodiode ausgeführt sein.
  • Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 sind derart seitlich nebeneinander angeordnet, dass eine Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs und eine Strahlungseintrittsfläche des strahlungsdetektieren Halbleiterbereichs parallel zueinander, insbesondere in einer Ebene, angeordnet sind.
  • Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 sind auf einem gemeinsamen Träger 6 angeordnet. Bei dem gemeinsamen Träger 6 kann es sich insbesondere um ein gemeinsames Aufwachssubstrat handeln. Mit anderen Worten sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 monolithisch integriert. Die Halbleiterschichtenfolgen des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs 2 und des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs 3 können insbesondere epitaktisch auf dem gemeinsamen Aufwachssubstrat aufgewachsen sein. Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 weisen insbesondere eine Mesastruktur auf, die beispielsweise durch einen Ätzprozess hergestellt werden kann.
  • Alternativ ist es auch möglich, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 separat gefertigte Halbleiterchips sind, die mittels einer Verbindungsschicht wie beispielsweise einer Lotschicht mit dem gemeinsamen Träger 6 verbunden sind. Bei dieser Ausgestaltung können der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 insbesondere sogenannte Dünnfilm-Halbleiterkörper sein. Bei der Herstellung eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers wird eine funktionelle Halbleiterschichtenfolge, die insbesondere die aktive Schicht umfasst, zunächst epitaktisch auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen, anschließend der Träger 6 auf die dem Aufwachssubstrat gegenüber liegende Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht und nachfolgend das Aufwachssubstrat abgetrennt. Da insbesondere die für Nitridverbindungshalbleiter verwendeten Aufwachssubstrate, beispielsweise SiC, Saphir oder GaN vergleichsweise teuer sind, bietet dieses Verfahren insbesondere den Vorteil, dass das Aufwachssubstrat wiederverwertbar ist. Das Ablösen eines Aufwachssubstrats aus Saphir von einer Halbleiterschichtenfolge aus einem Nitridverbindungshalbleiter kann beispielsweise mit einem Laser-Lift-Off-Verfahren erfolgen.
  • Der gemeinsame Träger 6 weist an der Rückseite Elektroden 7 zur elektrischen Kontaktierung des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs 2 und des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs 3 auf. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Elektroden 7 und dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 sowie dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 sind hier zur Vereinfachung nicht im Detail dargestellt. Es ist beispielsweise möglich, dass diese Verbindungen mittels Durchkontaktierungen durch den Träger 6 realisiert sind. Der gemeinsame Träger 6 kann zum Beispiel ein Siliziumsubstrat oder ein Glassubstrat sein.
  • Der optoelektronische Sensor 1 ist insbesondere ein oberflächenmontierbares Bauelement. Der optoelektronische Sensor kann insbesondere mittels der an der Rückseite des Trägers 6 angeordneten Elektroden 7 auf einer Leiterplatte montiert werden. Der optoelektronische Sensor 1 kann an den Elektroden insbesondere mit einer Steuereinheit verbunden sein, welche zur Ansteuerung des optoelektronischen Sensors und zur Signalauswertung eingerichtet ist.
  • Bei dem optoelektronischen Sensor 1 ist über dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 ein erster Polarisationsfilter 4 angeordnet. Der erste Polarisationsfilter 4 ist bei dem Ausführungsbeispiel ein strahlungsabsorbierender Polarisationsfilter, welcher von der emittierten Strahlung nur Strahlung einer Polarisationsrichtung P1 durchlässt und andere Polarisationsrichtungen absorbiert. Der erste Polarisationsfilter 4 kann aus der emittierten Strahlung insbesondere linear polarisierte Strahlung mit der Polarisationsrichtung P1 erzeugen. Die erste Polarisationsrichtung P1 ist beispielsweise parallel zur Zeichenebene orientiert.
  • Weiterhin ist über dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 ein zweiter Polarisationsfilter 5 angeordnet. Der zweite Polarisationsfilter 5 ist bei dem Ausführungsbeispiel ein strahlungsabsorbierender Polarisationsfilter, welcher nur Strahlung einer zweiten Polarisationsrichtung P2 durchlässt und andere Polarisationsrichtungen absorbiert. Der zweite Polarisationsfilter 5 kann beispielsweise eine Durchlassrichtung für linear polarisierte Strahlung mit der Polarisationsrichtung P2 aufweisen. Die zweite Polarisationsrichtung P2 ist beispielsweise senkrecht zur Zeichenebene orientiert.
  • Der erste Polarisationsfilter 4 ist vorteilhaft direkt auf dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 angeordnet, und der zweite Polarisationsfilter 5 ist vorteilhaft direkt auf dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 angeordnet. Der erste Polarisationsfilter 4 und der zweite Polarisationsfilter 5 können beispielsweise polarisierende Kristallplättchen sein, die mittels einer Verbindungsschicht wie beispielsweise einem Klebstoff auf dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und auf dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 befestigt sind. Der erste Polarisationsfilter 4 und/oder der zweite Polarisationsfilter 5 können beispielsweise Herapathit aufweisen.
  • Die Polarisationsrichtung P2 des zweiten Polarisationsfilters 5 ist senkrecht zur Polarisationsrichtung P1 des ersten Polarisationsfilters 4. Die Polarisationsrichtungen P1 und P2 sind also gekreuzt. Auf diese Weise wird vorteilhaft erreicht, dass von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 emittierte Strahlung, die den ersten Polarisationsfilter 4 passiert hat, von dem Polarisationsfilter 5 über dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 nicht durchgelassen wird. Der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 wird auf diese Weise von der emittierten Strahlung weitestgehend abgeschirmt. Mit anderen Worten wird ein Übersprechen zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 vermindert. Die Empfindlichkeit des strahlungsdetektierenden Halterbereichs 3 für eine Signalstrahlung, die insbesondere unpolarisiert sein kann, wird auf diese Weise im Vergleich zur Empfindlichkeit für die emittierte Strahlung vorteilhaft erhöht. Insbesondere wird das Signal-zu-Rauschverhältnis des Detektorsignals auf diese Weise verbessert.
  • Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 sind seitlich von einer Kunststoff-Formmasse 9 umgeben. Die Kunststoff-Formmasse 9 ist vorteilhaft lichtundurchlässig. Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Kunststoff-Formmasse 9 eine lichtundurchlässige Kunststoff-Formmasse, die den strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2, den ersten Polarisationsfilter 4, den strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3, den zweiten Polarisationsfilter 5 und den gemeinsamen Träger 6 in seitlicher Richtung umgibt. Die lichtundurchlässige Kunststoff-Formmasse 9 kann insbesondere ein Matrixmaterial mit darin eingebetteten strahlungsreflektierenden oder strahlungsabsorbierenden Partikeln aufweisen. Das Matrixmaterial kann beispielsweise ein Silikon oder ein Epoxidharz sein, und die Partikel können beispielsweise TiO2-Partikel sein. Die lichtundurchlässige Kunststoff-Formmasse 9 kann beispielsweise durch Spritzgiessen, Spritzpressen oder Formpressen aufgebracht werden. Die Kunststoff-Formmasse 9 dient zum einen zum Schutz des optoelektronischen Sensors 1 vor äußeren Einflüssen, beispielsweise zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen, Schmutz oder Feuchtigkeit. Dadurch, dass die Kunststoff-Formmasse 9 lichtundurchlässig ist, wird außerdem ein Übersprechen zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 weiter vermindert.
  • In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Sensors 1 dargestellt. Der Aufbau des optoelektronischen Sensors 1 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels. Ein Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass der erste Polarisationsfilter 4 und der zweite Polarisationsfilter 5 als reflektive Polarisationsfilter ausgeführt sind. Der erste Polarisationsfilter 4, der auf dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 angeordnet ist, ist derart ausgeführt, dass er Strahlungsanteile der emittierten Strahlung mit einer ersten Polarisationsrichtung P1 transmittiert und andere Strahlungsanteile zurück reflektiert.
  • In analoger Weise kann auch der zweite Polarisationsfilter 5, der auf dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 angeordnet ist, als reflektiver Polarisationsfilter ausgeführt sein. In diesem Fall ist der strahlungsdetektierende Polarisationsfilter 5 dazu eingerichtet, Strahlungsanteile eines einfallenden Signallichts mit der zweiten Polarisationsrichtung P2 zu transmittieren und andere Strahlungsanteile zurück zu reflektieren. Der.
  • Der erste Polarisationsfilter 4 und der zweite Polarisationsfilter 5 können eine polarisierende Schicht oder Schichtenfolge aufweisen, insbesondere eine dielektrische Schichtenfolge. Insbesondere können der erste Polarisationsfilter 4 und der zweite Polarisationsfilter 5 dielektrische Interferenzschichtsysteme sein.
  • Die reflektierende Eigenschaft des ersten Polarisationsfilters 4 und/oder des zweiten Polarisationsfilters 5 hat den Vorteil, dass ein so genanntes Licht-Recycling ermöglicht wird. Dies bedeutet, dass beispielsweise Strahlung, welche in den strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 eingetreten ist, einmal oder mehrmals zwischen dem reflektierenden Polarisationsfilter 5 und der dem Träger 6 zugewandten Rückseite des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs 3 reflektiert werden kann, bis schließlich eine Absorption in der lichtempfindlichen aktiven Schicht des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs 3 stattfindet.
  • Solche Strahlung, die nach einem einmaligen Durchqueren der der aktiven Schicht noch nicht absorbiert worden ist, geht somit nicht verloren, sondern kann nach einer einmaligen oder mehrmaligen Reflexion noch absorbiert werden und so zum Detektorsignal beitragen.
  • In analoger Weise können beispielsweise Photonen, welche beim ersten Auftreffen auf den reflektierenden Polarisationsfilter 4 des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs 2 noch nicht transmittiert wurden, möglicherweise nach einer einmaligen oder mehrmaligen Reflexion in dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 transmittiert werden und somit zur emittierten Strahlung beitragen.
  • Ein weiterer Unterschied zwischen dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 und dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass Seitenflanken des strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und des strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 jeweils mit einer strahlungsreflektierenden oder strahlungsabsorbierenden Schicht 8 versehen sind. Insbesondere können die einander zugewandten Seitenflanken des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs und des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs 3 mit der strahlungsreflektierenden oder strahlungsabsorbierenden Schicht 8 versehen sein. Zusätzlich ist es auch möglich, dass auch die voneinander abgewandten Seitenflanken des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs 2 und des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs 3 mit der strahlungsabsorbieren Schicht 8 bedeckt sind. Die strahlungsreflektierende oder strahlungsabsorbierende Schicht 8 kann insbesondere auch die Seitenflanken des ersten Polarisationsfilters 4 und des zweiten Polarisationsfilters 5 bedecken. Durch die strahlungsreflektierende oder strahlungsabsorbierende Schicht 8 wird ein Übersprechen zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 weiter vermindert.
  • In der 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Sensors 1 dargestellt. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 keinen gemeinsamen, sondern separate Träger 6 aufweisen. Vielmehr sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils Bestandteil eines separaten Halbleiterchips. Dennoch sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 auch bei diesem Ausführungsbeispiel in einem geringen Abstand nebeneinander angeordnet, vorzugsweise in einem Abstand von mindesten 20 µm und höchstens 150 µm. Die beiden Halbleiterchips weisen jeweils Elektroden an der Rückseite auf, so dass vorteilhaft beide nebeneinander angeordnete Halbleiterchips jeweils oberflächenmontierbare Halbleiterchips sind.
  • Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 sind wie bei den vorherigen Beispielen von einer strahlungsundurchlässigen Kunststoff-Formmasse 9 umgeben. Die Kunststoff-Formmasse 9 ist vorteilhaft eine Kunststoff-Formmasse, welche die beiden benachbarten Halbleiterchips miteinander zu einem einstückigen optoelektronischen Sensor 1 verbindet. Insbesondere kann der Zwischenraum zwischen den beiden benachbarten Halbleiterchips von der Kunststoff-Formmasse 9 ausgefüllt sein. Die Kunststoff-Formmasse 9 stellt zum einen das Verbindungsglied zwischen den beiden Halbleiterchips dar. Weiterhin ist die Kunststoff-Formmasse 9 vorteilhaft lichtundurchlässig, so dass ein optisches Übersprechen zwischen dem strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und dem strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 vermindert wird. Hinsichtlich weiterer möglicher Ausgestaltungen und den daraus resultierenden Vorteilen entspricht das dritte Ausführungsbeispiel ansonsten dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • In 4 ist schematisch ein Querschnitt durch einen optoelektronischen Sensor 1 bei einer für den optoelektronischen Sensor 1 vorgesehenen Anwendung dargestellt. Der optoelektronische Sensor 1 ist wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ausgestaltet. Alternativ wäre es aber auch möglich, dass der optoelektronische Sensor 1 beispielsweise wie bei einem der Ausführungsbeispiele der 2 oder 3 ausgebildet ist. Bei einem Verfahren zum Betrieb des optoelektronischen Sensors 1 emittiert der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 Strahlung 10 in eine Hauptabstrahlrichtung, die senkrecht zu einer Hauptfläche des optoelektronischen Sensors 1 ist. Die emittierte Strahlung 10 passiert den ersten Polarisationsfilter 4 und ist dann vorteilhaft linear polarisiert.
  • Die emittierte Strahlung 10 kann als Anregungslicht von einem Objekt 11 absorbiert werden und dort die Emission einer Signalstrahlung 12 anregen, von der ein Teil von dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 detektiert wird. Die nach der Absorption reemittierte Signalstrahlung 12 weist typischerweise eine geringere Energie und somit eine größere Wellenlänge auf als die emittierte Strahlung 10. Das Objekt 11 kann zum Beispiel menschliches Gewebe sein. Es ist auch möglich, dass das Objekt flüssig oder gasförmig ist, beispielsweis kann ein Schweißtropfen oder ein vom Körper ausgeschiedenes Gas untersucht werden.
  • Die 5 zeigt schematisch den Strahlengang bei einem optoelektronischen Sensor 1 mit geringer Distanz zwischen dem strahlungsemittierendem Halbleiterbereich und dem strahlungsdetektierendem Halbleiterbereich. Die geringe Distanz wird insbesondere dadurch erreicht, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 nebeneinander auf einem gemeinsamen Träger 6 angeordnet sind, wobei der Abstand vorteilhaft nicht mehr als 150 µm, insbesondere zwischen 20 µm und 150 µm beträgt. Die emittierte Strahlung 10 trifft unter verschiedenen Winkeln θ auf das Objekt 11. Ebenso trifft auch die Signalstrahlung 12 unter verschiedenen Winkeln θ auf den strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3. Die Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung 10 kann beispielsweise näherungsweise der Strahlcharakteristik eines Lambert-Strahlers entsprechen. In diesem Fall ist die Strahlstärke Ie des emittierten Lichts zumindest näherungsweise proportional zum Kosinus des Winkels θ, wobei θ = 0° die Hauptabstrahlrichtung kennzeichnet, es gilt also Ie (θ) = I0 cos θ. Hierbei sind Ie(θ) die Strahlstärke unter dem Winkel θ zur Hauptabstrahlrichtung und I0 die in der Hauptstrahlrichtung (θ = 0°) vorliegende Strahlstärke.
  • Die auf das zu untersuchendes Objekt auftreffende Strahlenergie A1 ist proportional zum Integral der Strahlstärke Ie (θ) über die Winkel θ, unter denen die Strahlung auf das Objekt trifft. Da zumindest näherungsweise Ie (θ) = I0 cos θ gilt, ist die Strahlenergie umso größer, je kleiner die Winkel θ relativ zur Hauptabstrahlrichtung sind.
  • Die 6 zeigt zum Vergleich schematisch den Strahlengang bei einem optoelektronischen Sensor 1 mit größerer Distanz zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und dem strahlungsdetektierenden 3 Halbleiterbereich. Die größere Distanz beruht bei diesem Beispiel insbesondere darauf, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 separate Halbleierchips sind, die nicht direkt nebeneinander auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. In diesem Fall sind die Winkel θ relativ zur Hauptabstrahlrichtung größer als bei dem Beispiel der 5. Die auf das zu untersuchendes Objekt auftreffende Strahlenergie A2 ist daher kleiner als bei dem Beispiel der 5. Es zeigt sich also, dass die Anordnung des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs 2 und des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs 3 nebeneinander auf einem gemeinsamen Träger gemäß 5 vorteilhafter ist.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    optoelektronischer Sensor
    2
    strahlungsemittierender Halbleiterbereich
    3
    strahlungsdetektierender Halbleiterbereich
    4
    erster Polarisationsfilter
    5
    zweiter Polarisationsfilter
    6
    Träger
    7
    Elektroden
    8
    strahlungsreflektierende oder strahlungsabsorbierende Schicht
    9
    Kunststoff-Formmasse
    10
    emittierte Strahlung
    11
    Objekt
    12
    Signalstrahlung
    P1
    erste Polarisationsrichtung
    P2
    zweite Polarisationsrichtung

Claims (16)

  1. Optoelektronischer Sensor (1), umfassend: - einen strahlungsemittierenden Halbleiterbereich (2), - einen strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich (3), - einen ersten Polarisationsfilter (4), der über dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich (2) angeordnet ist und eine erste Polarisationsrichtung aufweist, - einen zweiten Polarisationsfilter (5), der über dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich (3) angeordnet ist und eine zweite Polarisationsrichtung aufweist, wobei die erste Polarisationsrichtung und die zweite Polarisationsrichtung senkrecht zueinander sind.
  2. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, wobei der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich (3) seitlich neben dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich (2) angeordnet ist.
  3. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der strahlungsemittierende Halbleiterbereich (2) und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich (3) auf einem gemeinsamen Träger (6) angeordnet sind.
  4. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der strahlungsemittierende Halbleiterbereich (2) und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich (3) monolithisch integriert sind.
  5. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich (2) und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich (3) weniger als 150 µm beträgt.
  6. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine strahlungsreflektierende oder strahlungsabsorbierende Schicht (8) auf Seitenflanken des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs (2) und/oder des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs (3) aufgebracht ist.
  7. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine strahlungsreflektierende oder strahlungsabsorbierende Schicht (8) auf Seitenflanken des ersten Polarisationsfilters (4) und/oder des zweiten Polarisationsfilters (5) aufgebracht ist.
  8. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Polarisationsfilter (4) und/oder der zweite Polarisationsfilter (5) ein absorbierender Polarisationsfilter ist.
  9. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Polarisationsfilter (4) und/oder der zweite Polarisationsfilter (5) ein reflektierender Polarisationsfilter ist.
  10. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der strahlungsemittierende Halbleiterbereich (2) und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich (3) in seitlicher Richtung von einer Kunststoff-Formmasse (9) umgeben sind.
  11. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Polarisationsfilter (4) und/oder der zweite Polarisationsfilter (5) in seitlicher Richtung von einer Kunststoff-Formmasse (9) umgeben sind.
  12. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Kunststoff-Formmasse (9) strahlungsabsorbierende oder strahlungsreflektierende Partikel enthält.
  13. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optoelektronische Sensor (1) ein oberflächenmontierbares Bauelement ist.
  14. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der strahlungsemittierende Halbleiterbereich (2) zur Emission von Infrarotstrahlung geeignet ist und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich (3) zur Detektion von Infrarotstrahlung geeignet ist.
  15. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optoelektronische Sensor (1) zur Messung von mindestens einem Vitalparameter eingerichtet ist.
  16. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optoelektronische Sensor (1) Bestandteil eines tragbaren Geräts ist.
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