DE102020123477A1

DE102020123477A1 - Umgebungssensor, messvorrichtung und verfahren zum betreiben einer messvorrichtung

Info

Publication number: DE102020123477A1
Application number: DE102020123477.5A
Authority: DE
Inventors: Jens Ebbecke
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2022-03-10
Also published as: WO2022053326A1; US20230378715A1

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Umgebungssensor (1) zur Erfassung von zumindest einem Umgebungsparameter eine Halbleiterschichtenfolge (2), eine Ummantelung (4), deren Brechungsindex sich als Funktion des Umgebungsparameters ändert, einen ersten elektrischen Kontakt (5) sowie einen zweiten elektrischen Kontakt (6) zur Bestromung der Halbleiterschichtenfolge (2). Die Halbleiterschichtenfolge (2) weist die Form eines allgemeinen Zylinders mit einer Hauptachse (7) auf. In Richtungen senkrecht zur Hauptachse (7) ist die Halbleiterschichtenfolge (2) zumindest teilweise von der Ummantelung (4) bedeckt. Die Halbleiterschichtenfolge (2) weist einen Brechungsindex auf, der größer ist als der Brechungsindex der Ummantelung (4). Die Halbleiterschichtenfolge (2) ist dazu eingerichtet, innerhalb des Umgebungssensors (1) Lasermoden auszubilden. Ferner ist der Umgebungssensor (1) so eingerichtet, dass in dessen bestimmungsgemäßem Betrieb eine Änderung des Brechungsindexes der Ummantelung (4) eine Änderung des elektrischen Widerstands der Halbleiterschichtenfolge (2) aufgrund einer Änderung von Strahlungsverlusten innerhalb der Halbleiterschichtenfolge (2) bewirkt.

Description

Es wird ein Umgebungssensor angegeben. Darüber hinaus werden eine Messvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, einen Umgebungssensor anzugeben, der besonders kompakt ausgestaltet werden kann und eine hohe Sensitivität besitzt. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, eine Messvorrichtung anzugeben, die einen solchen Umgebungssensor umfasst, um einen Umgebungsparameter zu messen. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Messvorrichtung anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände beziehungsweise Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Patentansprüche.
Der hier beschriebene Umgebungssensor eignet sich insbesondere zur Erfassung von zumindest einem Umgebungsparameter. Wird der Umgebungssensor beispielsweise als Bestandteil einer Messvorrichtung, insbesondere einer hier beschriebenen Messvorrichtung, verwendet, lässt sich der Wert des zumindest einen Umgebungsparameters ermitteln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors umfasst dieser eine Halbleiterschichtenfolge. Beispielsweise umfasst die Halbleiterschichtenfolge einen p-leitenden Bereich und einen n-leitenden Bereich und eine zwischen diesen beiden Bereichen angeordnete aktive Zone. Die aktive Zone dient zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung. Die aktive Zone beinhaltet insbesondere wenigstens eine Quantentopfstruktur in Form eines Einzelquantentopfs, kurz SQW, oder in Form einer Multiquantentopfstruktur, kurz MQW. Zusätzlich beinhaltet die aktive Zone eine, bevorzugt mehrere Nebentopfstrukturen. Beispielsweise wird in der aktiven Zone im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung im blauen oder grünen oder roten Spektralbereich oder im UV-Bereich oder im IR-Bereich erzeugt.
Beispielsweise basiert die Halbleiterschichtenfolge auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel Al_nIn₁ _n-mGa_mN, oder auf einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel Al_nIn_1-n-mGa_mP, oder auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel Al_nIn_1-n-mGa_mAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder seiner oben beschriebenen Ausführungsform umfasst der Umgebungssensor eine Ummantelung. Die Ummantelung ist insbesondere mit einem Material gebildet, deren Brechungsindex sich als Funktion eines Umgebungsparameters ändert. Insbesondere lässt sich aus dem Brechungsindex der Ummantelung eindeutig der Wert des Umgebungsparameters ermitteln. Die Ummantelung ist zum Beispiel mit einem dielektrischen Material gebildet. Alle Brechungsindices, die hier und im Folgenden genannt werden, beziehen sich insbesondere auf die in der aktiven Zone erzeugte Strahlung bei einer Betriebstemperatur des Umgebungssensors.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen umfasst dieser einen ersten elektrischen Kontakt und einen zweiten elektrischen Kontakt zur Bestromung der Halbleiterschichtenfolge. Die elektrischen Kontakte sind insbesondere an gegenüberliegenden Außenflächen der Halbleiterschichtenfolge angeordnet, wobei die Außenflächen parallel zur Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge und/oder der aktiven Zone verlaufen. Die elektrischen Kontakte sind zum Beispiel mit einem der folgenden Materialien oder mit einer Mischung der folgenden Materialien gebildet: Au, Ag, Al, Ti.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge die Form eines allgemeinen Zylinders mit einer Hauptachse auf. Die Hauptachse verläuft insbesondere senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere verläuft die Hauptachse senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der aktiven Zone.
Mit „allgemeiner Zylinder“ ist insbesondere der Begriff im mathematischen Sinne gemeint. Demnach ist ein allgemeiner Zylinder aus einer geometrischen Grundfläche und einer geometrischen Deckfläche gebildet, wobei die Deckfläche sich aus einer Parallelverschiebung der Grundfläche ergibt. Insbesondere sind die Grundfläche und die Deckfläche in Richtung der Hauptachse deckungsgleich. Das heißt, die Parallelverschiebung erfolgt vorzugsweise in Richtung der Hauptachse. Eine Mantelfläche des allgemeinen Zylinders verbindet die Grundfläche und die Deckfläche miteinander.
Beispielsweise weist die Halbleiterschichtenfolge die geometrische Form eines geraden Kreiszylinders auf. Beispielsweise ist die Halbleiterschichtenfolge in Draufsicht dann kreisförmig. Insbesondere handelt es sich dann bei der Hauptachse um eine Rotationssymmetrieachse der Halbleiterschichtenfolge. Bei einem geraden Kreiszylinder ist sowohl die Grundfläche als auch die Deckfläche aus einer Kreisscheibe gebildet. Mit Draufsicht ist hier und im Folgenden eine Ansicht der Halbleiterschichtenfolge in Richtung der Hauptachse gemeint.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen ist in Richtung senkrecht zur Hauptachse die Halbleiterschichtenfolge von der Ummantelung zumindest teilweise bedeckt. Vorzugsweise ist die Halbleiterschichtenfolge in diesen Richtungen vollständig von der Ummantelung bedeckt. Das heißt, in Draufsicht umschließt die Ummantelung die Halbleiterschichtenfolge insbesondere vollständig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge einen Brechungsindex auf, der größer ist als der Brechungsindex der Ummantelung. „Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge“ bezieht sich insbesondere auf einen mittleren Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge. Alternativ ist mit „die Halbleiterschichtenfolge weist einen Brechungsindex auf“ gemeint, dass eine Schicht, zum Beispiel die aktive Schicht, oder ein Bereich der Halbleiterschichtenfolge, zum Beispiel ein modenführender Bereich, einen entsprechenden Brechungsindex aufweist.
Zum Beispiel beträgt ein Unterschied im Brechungsindex zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der Ummantelung, im Folgenden auch Brechungsindexunterschied genannt, zumindest 0,1 % und höchstens 1 %. Insbesondere auch für den Fall, dass sich der Brechungsindex der Ummantelung verändert, ist der Brechungsindexunterschied in dieser Größenordnung noch vorhanden. Zum Beispiel beträgt der Unterschied im Brechungsindex 1×10^-3.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Halbleiterschichtenfolge dazu eingerichtet, innerhalb des Umgebungssensors Lasermoden auszubilden. Beispielsweise werden in der Halbleiterschichtenfolge sogenannte Ringmoden, aus dem Englischen auch Whispering Gallery Modes genannt, erzeugt. Diese Moden laufen entlang einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der Ummantelung. Aufgrund von Totalreflexion an dieser Grenzfläche werden die Moden innerhalb der Halbleiterschichtenfolge verstärkt und es werden Lasermoden ausgebildet. Insbesondere wird im bestimmungsgemäßen Betrieb über die elektrischen Kontakte ein Strom in die Halbleiterschichtenfolge eingeprägt, der die Halbleiterschichtenfolge pumpt und die Lasermoden anregt. Ein grundlegendes Funktionsprinzip und Beispiele für Halbleiterlaserdioden, die Ringmoden ausbilden, sind beispielsweise in der Druckschrift DE 102015108529 A1 beschrieben, deren dahingehender Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen ist der Umgebungssensor dazu eingerichtet, dass in dessen bestimmungsgemäßem Betrieb eine Änderung des Brechungsindexes der Ummantelung eine Änderung des elektrischen Widerstandes der Halbleiterschichtenfolge aufgrund einer Änderung der Strahlungsverluste innerhalb der Halbleiterschichtenfolge bewirkt. Mit anderen Worten, der elektrische Widerstand der Halbleiterschichtenfolge beziehungsweise des Umgebungssensors ist eine Funktion des Umgebungsparameters. Da im bestimmungsgemäßen Betrieb die erzeugten Lasermoden insbesondere an der Grenzfläche zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der Ummantelung verlaufen und das Erzeugen der Lasermoden auf an der Grenzfläche auftretende Totalreflexion basiert, hat der Brechungsindex der Ummantelung erheblichen Einfluss auf Strahlungsverluste innerhalb der Halbleiterschichtenfolge.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Umgebungssensor zur Erfassung von zumindest einem Umgebungsparameter eine Halbleiterschichtenfolge, eine Ummantelung, deren Brechungsindex sich als Funktion des Umgebungsparameters ändert, sowie einen ersten elektrischen Kontakt und einen zweiten elektrischen Kontakt, die insbesondere zur Bestromung der Halbleiterschichtenfolge dienen. Die Halbleiterschichtenfolge weist die Form eines allgemeinen Zylinders mit einer Hauptachse auf. In Richtung senkrecht zur Hauptachse ist die Halbleiterschichtenfolge zumindest teilweise von der Ummantelung bedeckt. Die Halbleiterschichtenfolge weist einen Brechungsindex auf, der größer ist als der Brechungsindex der Ummantelung. Die Halbleiterschichtenfolge ist dazu eingerichtet, innerhalb des Umgebungssensors Lasermoden auszubilden. Ferner ist der Umgebungssensor so eingerichtet, dass in dessen bestimmungsgemäßem Betrieb eine Änderung des Brechungsindexes der Ummantelung eine Änderung des elektrischen Widerstands der Halbleiterschichtenfolge aufgrund einer Änderung der Strahlungsverluste innerhalb der Halbleiterschichtenfolge bewirkt.
Einem hier beschriebenen Umgebungssensor liegen unter anderem folgende technische Besonderheiten zugrunde. Um einen besonders sensitiven Umgebungssensor zu realisieren wird eine zylinderförmige Halbleiterschichtenfolge mit einem Material ummantelt, dessen Brechungsindex auf Änderung der Umgebung reagiert. Durch Totalreflexion an einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der Ummantelung wird eine in der Halbleiterschichtenfolge ausgebildete Ringmode innerhalb der Halbleiterschichtenfolge geführt. Bei der Totalreflexion dringt ein Teil der reflektierten Laserstrahlung als evaneszentes Feld in die Ummantelung ein. Unter anderem dadurch beeinflusst der Brechungsindex der Ummantelung die Lasermode innerhalb der Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere werden optische Eigenschaften beeinflusst. Zum Beispiel kann sich die Frequenz verschieben, bei der die Laserstrahlung ihre maximale Intensität aufweist, oder eine Resonanz der Laserstrahlung wird in zwei Resonanzen aufgespaltet. Diese Änderungen können als Messsignal genutzt werden. Herkömmlicherweise ist dazu eine Auswertung der optischen Eigenschaften der Laserstrahlung zum Beispiel mit Hilfe eines Spektrometers notwendig. Ein solches Messverfahren ist beispielsweise in der Druckschrift US 7,749,748 B2 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern durch Rückbezug aufgenommen wird.
In den Druckschriften Behringer M. (2007) High-Power Diode Laser Technology and Characteristics. In: Bachmann F., Loosen P., Poprawe R. (eds) High Power Diode Lasers. Springer Series in Optical Sciences, vol 128. Springer, New York, NY sowie Y. Mitsuhashi et al., IEEE J. of Quantum Electronics 17, 1216 ,1981, und A. A. Sahai et al., Optic Letters 39, 5630, 2014, ist beispielsweise beschrieben, dass ein elektrischer Widerstand einer herkömmlichen Halbleiterlaserdiode eine Funktion der Reflektivität von Resonatorendflächen ist.
Der hier beschriebene Umgebungssensor macht unter anderem von der Idee Gebrauch, einen funktionalen Zusammenhang zwischen einem Umgebungsparameter und dem elektrischen Widerstand der Halbleiterschichtenfolge beziehungsweise des Umgebungssensors als Messgröße zu nutzen. Damit lässt sich über den elektrischen Widerstand des Umgebungssensors eine Änderung eines Umgebungsparameters ermitteln.
Aufgrund der Änderung des Brechungsindex der Ummantelung ändert sich die Bedingung für Totalreflexion an einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der Ummantelung, wodurch sich Strahlungsverluste innerhalb der Halbleiterschichtenfolge verändern. Dies bewirkt eine Änderung des elektrischen Widerstands der Halbleiterschichtenfolge. Somit besteht zwischen einem an der Halbleiterschichtenfolge gemessenen Spannungsabfall bei einer konstanten Stromversorgung ein direkter Zusammenhang mit einer Änderung eines Umgebungsparameters. Besteht ein funktionaler Zusammenhang, insbesondere ein eineindeutiger Zusammenhang, zwischen dem Umgebungsparameter und dem elektrischen Widerstand, können beispielsweise aufgrund einer Kalibrierung des Umgebungssensors, auch absolute Werte des Umgebungsparameters erfasst werden.
Vorteilhafterweise wird bei einem hier beschriebenen Umgebungssensor kein weiteres Auslesegerät wie ein Spektrometer benötigt. Darüber hinaus können zylinderförmige Halbleiterlaserdioden vorteilhafterweise besonders kompakt ausgestaltet werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass aufgrund der an einer Mantelfläche des allgemeinen Zylinders angeordneten Ummantelung ein besonders großer Anteil der Außenfläche des Umgebungssensors sensitiv auf eine Änderung der Umgebung reagiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich bei dem Umgebungsparameter um einen der folgenden Parameter: Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Lichtintensität, Magnetfeldstarke, pH-Wert. Beispielsweise ändert sich der Brechungsindex der Ummantelung aufgrund einer Änderung von einem dieser Parameter. Insbesondere ist einem bestimmten Temperaturwert, Druckwert, Feuchtigkeitswert, einer bestimmten Lichtintensität, Magnetfeldstärke und/oder einem pH-Wert genau ein Wert des Brechungsindex der Ummantelung zugeordnet. Mit anderen Worten zwischen dem Umgebungsparameter und dem Brechungsindex der Ummantelung, und damit insbesondere dem elektrischen Widerstand des Umgebungssensors, besteht ein eineindeutiger Zusammenhang.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben genannten Ausführungsformen weist die Ummantelung mindestens eines der folgenden Materialien auf: Bromphenolblau, Polyvinylalkohol, Fe₃O₄-Ferrofluid, Lithiumniobat, AlGaN.
Beispielsweise reagiert Bromphenolblau auf eine Änderung des pH-Werts mit einer Änderung des Brechungsindexes. Polyvinylalkohol reagiert insbesondere auf eine Änderung der Feuchtigkeit, beispielsweise der Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft des Umgebungssensors, mit einer Änderung des Brechungsindexes. Der Brechungsindex von Fe₃O₄-Ferrofluid ist beispielsweise eine Funktion der Lichtintensität und/oder der Magnetfeldstärke. Beispielsweise zeigt der Brechungsindex von Lithiumniobat eine starke Abhängigkeit von der Temperatur, zum Beispiel von der Umgebungstemperatur. Der Brechungsindex von AlGaN ist zum Beispiel von einem Druck, beispielsweise einem Umgebungsdruck, abhängig. Vorzugweise wird Strahlung, die im Betrieb in dem Umgebungssensor erzeugt wird, nicht von AlGaN absorbiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen ist der funktionale Zusammenhang zwischen dem Brechungsindex der Ummantelung und dem mindestens einen Umgebungsparameter linear. Beispielsweise ist der Brechungsindex eine lineare Funktion des zu erfassenden Umgebungsparameters.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen ist eine von der Halbleiterschichtenfolge abgewandte Seite der Ummantelung direkt an die zu überwachende Umgebung angrenzend. Damit ist insbesondere gemeint, dass die Ummantelung nach außen freiliegt, also keine weiteren Materialien und/oder Schichten zwischen der Ummantelung und der Umgebung mit dem mindestens einen Umgebungsparameter angeordnet sind. Vorteilhafterweise kann damit der Umgebungsparameter besonders gut erfasst werden, da Umwelteinflüsse direkt von der Ummantelung registriert werden können. Insbesondere zur Ermittlung von Temperatur, Umgebungsdruck und Feuchtigkeit sowie dem pH-Wert lässt sich durch eine nach außen freiliegende Ummantelung die Sensitivität des Umgebungssensors erhöhen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen ist an einer von der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite der Ummantelung eine Passivierungsschicht angeordnet. Durch die Passivierungsschicht lässt sich insbesondere die Ummantelung schützen. Vorzugsweise hat die Passivierungsschicht keine Auswirkungen auf den Umgebungsparameter, der von der Ummantelung gesehen werden soll. Beispielsweise kommen als solche Umgebungsparameter eine Lichtintensität und/oder eine Magnetfeldstärke in Betracht. Die Passivierungsschicht ist in diesem Fall bevorzugt durchlässig für Umgebungslicht und/oder magnetische Felder. Die Passivierungsschicht weist zum Beispiel eine senkrecht zur Hauptachse gemessene Dicke zwischen einschließlich 1 nm und 100 nm auf. Die Passivierungsschicht ist zum Beispiel mit einem Oxid, wie Siliziumoxid oder Aluminiumoxid, oder einem Nitrid, wie etwa Siliziumnitrid gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Ummantelung eine Dicke von mindestens 1 nm und höchstens 1 µm auf. Insbesondere weist die Ummantelung eine Dicke zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 200 nm auf. Bevorzugt beträgt die Dicke zwischen einschließlich 90 nm und einschließlich 110 nm. Die Dicke wird insbesondere in Richtung senkrecht zur Hauptachse gemessen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge die Form eines Prismas auf. Insbesondere weist der Umgebungssensor die Form eines Prismas auf. Die Halbleiterschichtenfolge und/oder der Umgebungssensor weisen in Draufsicht jeweils zum Beispiel die Form eines regelmäßigen Vielecks auf. Das regelmäßige Vieleck hat insbesondere mindestens fünf oder mindestens sechs oder mindestens acht Ecken. Bei dem Prisma handelt es sich insbesondere um einen allgemeinen Zylinder, bei dem die Grund- und die Deckfläche aus einem regelmäßigen Vieleck gebildet sind. Insbesondere ist für die Halbleiterschichtenfolge jegliches Prisma denkbar, welches Ringmoden im Inneren der Halbleiterschichtenfolge ausbilden kann. Basiert die Halbleiterschichtenfolge beispielsweise auf einem InGaN-Materialsystem, so lässt sich eine Halbleiterschichtenfolge in Form eines Prismas mit einem Hexagon als Grundfläche besonders einfach realisieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen weist der Umgebungssensor senkrecht zur Hauptachse eine Ausdehnung von maximal 1000 µm oder maximal 20 µm oder maximal 5 µm auf. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Ausdehnung mindestens 500 nm oder mindestens 1 µm oder mindestens 5 µm. Im Falle einer Halbleiterschichtenfolge in der Form eines geraden Kreiszylinders ist die Ausdehnung insbesondere durch den Durchmesser des Umgebungssensors bestimmt. Eine Achse, entlang welcher die Ausdehnung gemessen wird, verläuft vorzugsweise durch die Hauptachse. Bei der Ausdehnung handelt es sich insbesondere um eine maximale Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen umfasst die Halbleiterschichtenfolge einen modenführenden Bereich. Der modenführende Bereich beinhaltet insbesondere die aktive Zone der Halbleiterschichtenfolge, die zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist. Ferner ist der modenführende Bereich vorzugsweise von dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten Kontakt jeweils beabstandet. Insbesondere umfasst der modenführende Bereich eine erste Wellenleiterschicht und eine zweite Wellenleiterschicht, zwischen denen die aktive Zone angeordnet ist. Insbesondere wird Strahlung, die in der aktiven Zone erzeugt wird, innerhalb des modenführenden Bereichs geführt. Beispielsweise begrenzt der modenführende Bereich die Ausbreitung der Strahlung in einer Richtung parallel zur Hauptachse. Dazu weisen Bereiche der Halbleiterschichtenfolge, die den modenführenden Bereich in Richtung der Hauptachse begrenzen, vorzugsweise einen niedrigeren Brechungsindex auf als der modenführende Bereich.
Durch den Abstand des modenführenden Bereichs zu den elektrischen Kontakten lässt sich ein störender Einfluss der elektrischen Kontakte beziehungsweise der Außenflächen, an denen die elektrischen Kontakte angeordnet sind, auf die Lasermode im modenführenden Bereich vorteilhafterweise verringern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder seiner eben beschriebenen Ausführungsform weist der modenführende Bereich in Richtung senkrecht zur Hauptachse eine größere Ausdehnung auf als die übrige Halbleiterschichtenfolge. Vorteilhafterweise lässt sich damit der Einfluss der elektrischen Kontakte beziehungsweise der Deck- und der Grundfläche der Halbleiterschichtenfolge weiter verringern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Umgebungssensors oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen weist der Umgebungssensor ein Substrat auf. Das Substrat ist insbesondere zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem ersten elektrischen Kontakt angeordnet. Vorzugsweise ist das Substrat aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet. Das Substrat umfasst beispielsweise Si oder GaAs oder ist aus einem dieser Materialien gebildet. Bei dem Substrat handelt es sich zum Beispiel um ein Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge. Durch das Verbleiben der Halbleiterschichtenfolge auf dem Aufwachssubstrat ist der Umgebungssensor relativ einfach und kostengünstig herzustellen.
Es wird des Weiteren eine Messvorrichtung zur Ermittlung des Wertes zumindest eines Umgebungsparameters angegeben. Die Messvorrichtung umfasst einen Umgebungssensor, insbesondere einen Umgebungssensor gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Das heißt, sämtliche für den Umgebungssensor offenbarten Merkmale sind auch für die Messvorrichtung offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Messvorrichtung umfasst die Messvorrichtung eine Stromquelle, die dazu eingerichtet ist, über die elektrischen Kontakte einen konstanten Strom in die Halbleiterschichtenfolge einzuprägen. Des Weiteren umfasst die Messvorrichtung einen Spannungsmesser, der an den Umgebungssensor gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Spannungsabfall an dem Umgebungssensor zu messen. Aufgrund der konstanten Stromversorgung lässt sich mittels des Spannungsmessers ein elektrischer Widerstand des Umgebungssensors ermitteln.
Die Messvorrichtung umfasst ferner eine Auswertevorrichtung, die dazu eingerichtet ist, aus einem von dem Spannungsmesser gemessenen Spannungsabfall den zu ermittelnden Wert des Umgebungsparameters zuzuordnen, beispielsweise zu berechnen. Beispielsweise ist in der Auswertevorrichtung hinterlegt, wie ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Spannungsabfall, der aufgrund der Abhängigkeit des Brechungsindex der Ummantelung von dem Umgebungsparameter auftritt, mit dem zumindest einem Umgebungsparameter zusammenhängt. Vorzugsweise ist jeweils einem Wert des Spannungsabfalls genau ein Wert des Umgebungsparameters zugeordnet und umgekehrt. Es handelt sich somit insbesondere um einen bijektiven beziehungsweise eineindeutigen Zusammenhang zwischen dem Umgebungsparameter und dem Spannungsabfall.
Es wird des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung angegeben. Die Messvorrichtung kann insbesondere eine hier beschriebene Messvorrichtung mit einem hier beschriebenen Umgebungssensor sein. Das heißt sämtliche für die Messvorrichtung und/oder den Umgebungssensor offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung wird in dem Umgebungssensor ein konstanter Strom eingeprägt, der zur Erzeugung von Lasermoden in der Halbleiterschichtenfolge führt. Es wird ein Strom derart eingeprägt, dass insbesondere eine Stromdichte in der Halbleiterschichtenfolge ausreichend ist, um die Halbleiterschichtenfolge oberhalb einer Laserschwelle zu betreiben. Vorzugsweise wird während des gesamten Verfahrens Strom mit einem konstanten Wert in die Halbleiterschichtenfolge über die elektrischen Kontakte eingeprägt.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein Spannungsabfall an dem Umgebungssensor gemessen. Insbesondere wird der Spannungsabfall mittels des Spannungsmessers der Messvorrichtung gemessen.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird dem gemessenen Spannungsabfall ein Wert eines zu ermittelnden Umgebungsparameters zugeordnet. Dies geschieht insbesondere mittels der Auswertevorrichtung.
Beispielsweise wird die Messvorrichtung vor dem Durchführen des Verfahrens kalibriert. Das heißt, der Spannungsabfall an dem Umgebungssensor wird bei einem bekannten Umgebungsparameter gemessen. Dieses Wertepaar aus Spannungsabfall und Wert des Umgebungsparameters wird beispielsweise in einem Speicher der Auswertevorrichtung hinterlegt. Dies wird insbesondere für eine Vielzahl von Werten des Umgebungsparameters wiederholt. Während des Verfahrens zum Betreiben der Messvorrichtung wird dann zum Beispiel auf diese gespeicherten Wertepaare zurückgegriffen, um aus dem gemessenen Spannungsabfall den Wert des Umgebungsparameters zu bestimmen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder einer seiner oben beschriebenen Ausführungsformen bewirkt eine Änderung des zumindest einen Umgebungsparameters eine Änderung des Brechungsindexes der Ummantelung des Umgebungssensors. Diese Änderung des Brechungsindexes bewirkt eine Änderung von elektrischen Verlusten innerhalb der Halbleiterschichtenfolge. Dies geschieht insbesondere deshalb, da sich die Bedingung für Totalreflexion an einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der Ummantelung ändert. Darüber hinaus dringt ein Teil der totalreflektierten Strahlung in die Ummantelung ein, beispielsweise in Form eines evaneszenten Feldes, wodurch die Änderung des Brechungsindexes der Ummantelung Einfluss auf die Lasermode in der Halbleiterschichtenfolge nimmt. Die Änderung von Verlusten innerhalb der Halbleiterschichtenfolge bewirkt eine Änderung des gemessenen Spannungsabfalls aufgrund einer Änderung des elektrischen Widerstandes des Umgebungssensors. Treten beispielsweise aufgrund der Brechungsindexänderung der Ummantelung höhere Verluste innerhalb der Halbleiterschichtenfolge auf, so muss der Umgebungssensor mit einer höheren elektrischen Leistung betrieben werden. Aufgrund der konstanten Stromstärke steigt damit der Spannungsabfall an.
Aus der Änderung des gemessenen Spannungsabfalls wird eine Änderung des zumindest einen Umgebungsparameters ermittelt. Damit ist es möglich, nicht nur einen konstanten Wert eines Umgebungsparameters zu ermitteln, sondern auch eine Änderung des Wertes.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder einer seiner oben genannten Ausführungsformen bewirkt eine Änderung des Brechungsindexes der Ummantelung eine Änderung einer von dem Umgebungssensor abgegebenen Lichtmenge. Aufgrund der Brechungsindexänderung der Ummantelung ändert sich insbesondere die Bedingung für Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der Ummantelung, wodurch sich auch der Anteil der Strahlung ändert, der aufgrund von Totalreflexion an der Grenzfläche reflektiert wird. Verschiebt sich beispielsweise die Bedingung derart, dass ein geringerer Teil der eintretenden Strahlung totalreflektiert wird, so verlässt ein größerer Anteil der Strahlung den Umgebungssensor in Richtung senkrecht zur Hauptachse. Es ist möglich, dass sich die Bedingung für Totalreflexion derart verändert, dass keinerlei Totalreflexion mehr auftritt. In diesem Fall steigt die von dem Umgebungssensor abgegebene Lichtmenge stark an. Die Lichtmenge kann beispielsweise von einem menschlichen Beobachter mit bloßem Auge registriert werden. Die abgegebene Lichtmenge stellt zum Beispiel ein zusätzliches Signal dar, anhand welchem eine Änderung des Umgebungsparameters erkennbar ist. Insbesondere ist dieses Signal für einen menschlichen Beobachter mit bloßem Auge erkennbar.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Umgebungssensors, der Messvorrichtung und des Verfahrens zum Betreiben einer Messvorrichtung ergeben sich aus den im Folgenden in Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht grundsätzlich als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht,
2 bis 5 Ausführungsbeispiele eines Umgebungssensors in verschiedenen Ansichten, und
6 und 7 die Abhängigkeit des Brechungsindexes von je einem Material als Funktion eines Umgebungsparameters.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Messvorrichtung 100 der 1 umfasst ein Umgebungssensor 1 eine Halbleiterschichtenfolge 2 mit einem modenführenden Bereich 9. Der Umgebungssensor 1 umfasst darüber hinaus eine Ummantelung 4. Der Umgebungssensor 1 und die Halbleiterschichtenfolge 2 weisen jeweils die Form eines geraden Kreiszylinders mit einer Hauptachse 7 auf. Die Hauptachse 7 ist insbesondere eine Rotationsymmetrieachse des Umgebungssensors 1. Die Ummantelung 4 bedeckt in Richtungen senkrecht zur Hauptachse 7 die Halbleiterschichtenfolge 2 vollständig. Die Ummantelung 4 weist einen Brechungsindex auf, der sich als Funktion eines Umgebungsparameters eines den Umgebungsparameter 1 umgebenen Mediums ändert. Insbesondere ist die Ummantelung 4 mit einem dielektrischen Material gebildet, besteht beispielsweise vollständig aus einem dielektrischen Material.
Die Halbleiterschichtenfolge 2, insbesondere der modenführende Bereich 9, weist einen Brechungsindex auf, der größer ist als der Brechungsindex der Ummantelung 4. Aufgrund des Brechungsindexunterschieds zwischen der Halbleiterschichtenfolge 2 und der Ummantelung 4 breitet sich elektromagnetische Strahlung an einer Grenzfläche 16 zwischen der Halbleiterschichtenfolge 2 und der Ummantelung 4 aus. Insbesondere wird aufgrund des Brechungsindexunterschieds elektromagnetische Strahlung an der Grenzfläche 16 totalreflektiert. Die elektromagnetische Strahlung wird im bestimmungsgemäßen Betrieb in der aktiven Zone 3 erzeugt. Im Inneren der Halbleiterschichtenfolge 2 bildet sich damit eine Lasermode 11 aus. Die Lasermode 11 ist insbesondere in der 3 als gestrichelte Linie angedeutet. Der Brechungsindexunterschied beträgt zum Beispiel 1×10^-3.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 basiert beispielsweise auf einem Verbindungshalbleitermaterial, wie etwa InAlGaAs oder InGaN. Beispiele für Materialien der Halbleiterschichtenfolge und die prinzipielle Funktionsweise, die zur Ausbildung von Lasermoden innerhalb der Halbleiterschichtenfolge 2 führen, sind beispielsweise in der Druckschrift DE 102015108529 A1 beschrieben.
Der modenführende Bereich 9 umfasst die aktive Schicht 3 sowie einen ersten Wellenleiter 12 und einen zweiten Wellenleiter 13. Die aktive Zone 3 ist zwischen den Wellenleitern 12, 13 angeordnet. Der modenführende Bereich 9 ist zwischen einer ersten Deckschicht 14 und einer zweiten Deckschicht 15 angeordnet. Vorzugsweise breitet sich elektromagnetische Strahlung, die in der aktiven Zone 3 erzeugt wird, lediglich in dem modenführenden Bereich 9 aus. Dazu weist der modenführende Bereich 9 beispielsweise einen Brechungsindex auf, der von denen der ersten und zweiten Deckschicht 14, 15 verschieden ist. Insbesondere weisen die Deckschichten 14, 15 jeweils einen geringeren Brechungsindex auf als der modenführende Bereich 9. Der erste Wellenleiter 12 und die erste Deckschicht 14 sind insbesondere n-dotiert und der zweite Wellenleiter 13 und die zweite Deckschicht 15 sind insbesondere p-dotiert. Alternativ ist die Dotierung beispielsweise umgekehrt gewählt.
An einer von der aktiven Zone 3 abgewandten Fläche der ersten Deckschicht 14 ist ein Substrat 10 angeordnet. In einer von der Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandten Seite des Substrats 10 ist ein erster elektrischer Kontakt 5 angeordnet. Bei dem ersten elektrischen Kontakt 5 handelt es sich insbesondere um einen n-Kontakt. Das Substrat 10 ist bevorzugt aus einem Halbleitermaterial gebildet und elektrisch leitend. Beispielsweise umfasst das Substrat 10 eines der folgenden Materialien: Si, Ga, As. Das Aufwachssubstrat 10 ist insbesondere ein Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge 2.
An einer von der aktiven Zone 3 abgewandten Fläche der zweiten Deckschicht 15 ist ein zweiter elektrischer Kontakt 6 angeordnet. Bei dem zweiten elektrischen Kontakt 6 handelt es sich insbesondere um einen p-Kontakt. Die elektrischen Kontakte 5, 6 umfassen bevorzugt eines der folgenden Metalle: Au, Pt, Ag, Al. Über die elektrischen Kontakte 5, 6 wird im bestimmungsgemäßen Betrieb die Halbleiterschichtenfolge 2 bestromt. Dazu umfasst die Messvorrichtung 100 eine Stromquelle 105, über die Strom derart eingeprägt wird, dass in dem modenführenden Bereich 9 Lasermoden angeregt werden. Des Weiteren umfasst die Messvorrichtung 100 einen Spannungsmesser 110, der an den Umgebungssensor 1 gekoppelt ist und über den ein Spannungsabfall an dem Umgebungssensor 1 gemessen werden kann.
Die Messvorrichtung 100 der 1 eignet sich sowohl zur Bestimmung eines Umgebungsparameters als auch zur Messung einer Änderung eines Umgebungsparameters. Da der Brechungsindex der Ummantelung 4 eine Funktion des Umgebungsparameters ist, ist auch ein elektrischer Widerstand des Umgebungssensors 1 eine Funktion des Umgebungsparameters. Grund dafür ist, dass eine Bedingung für Totalreflexion an der Grenzfläche 16 von dem Brechungsindex der Ummantelung 4 abhängt. Das heißt, über den Brechungsindex der Ummantelung 4 wird bestimmt, welcher Anteil an in der aktiven Zone 3 erzeugter Strahlung an der Grenzfläche 16 totalreflektiert wird. Unter anderem dieser Anteil bestimmt wie groß der Strahlungsverlust innerhalb der Halbleiterschichtenfolge 2 ist und damit, mit welcher Leistung der Umgebungssensor 1 betrieben werden muss, so dass sich im modenführenden Bereich 9 weiterhin Lasermoden 11 anregen lassen. Das heißt wiederum, der elektrische Widerstand des Umgebungssensors 1 hängt von den Strahlungsverlusten innerhalb der Halbleiterschichtenfolge 2 und damit vom Brechungsindex der Ummantelung 4 ab. Damit wiederum hängt der elektrische Widerstand von dem Umgebungsparameter ab, der zu ermitteln ist.
Der elektrische Widerstand des Umgebungssensors 1 lässt sich über den Spannungsabfall, der über dem Spannungsmesser 110 gemessen wird, ermitteln, da die Stromquelle 105 über den Betrieb der Messvorrichtung einen konstanten Strom in die Halbleiterschichtenfolge 2 einprägt. Eine mit dem Spannungsmesser 110 verbundene Auswertevorrichtung 120 ermittelt aus dem Spannungsabfall den Wert des Umgebungsparameters.
Da eine Änderung des Umgebungsparameters eine Änderung des Brechungsindexes der Ummantelung 4 bewirkt, wird aus den eben dargelegten Gründen ein veränderter Spannungsabfall an dem Umgebungssensor 1 gemessen. Damit lässt sich mittels der Auswertevorrichtung 120 eine Änderung des Umgebungsparameters ermitteln.
Zum Beispiel umfasst die Ummantelung 4 Bromphenolblau. In diesem Fall ist der Brechungsindex der Ummantelung 4 eine Funktion des pH-Wertes der Umgebung. Damit kann mit der Messvorrichtung 100 eine pH-Wert-Messung durchgeführt werden.
Das Ausführungsbeispiel des Umgebungssensors 1 der 2 weist im Wesentlichen dieselben Merkmale wie der Umgebungssensor 1 der 1 auf mit dem Unterschied, dass der modenführende Bereich 9 eine größere Ausdehnung senkrecht zur Hauptachse 7 aufweist als die übrigen Bereiche der Halbleiterschichtenfolge 2. Die übrigen Bereiche der Halbleiterschichtenfolge 2 sind insbesondere durch die erste und zweite Deckschicht 14, 15 gebildet.
Die 3 zeigt einen Querschnitt senkrecht zu einer Hauptachse 7 eines Umgebungssensor 1. Die Schnittebene verläuft insbesondere durch die aktive Zone 3. Bei dem Umgebungssensor 1 handelt es sich zum Beispiel um einen Umgebungssensor 1 gemäß einer der 1 und 2. In der 3 ist angedeutet, wie sich Lasermoden 11 in der Halbleiterschichtenfolge 2 aufgrund von Totalreflexion an der Grenzfläche 16 ausbilden.
Das Ausführungsbeispiel der 4 zeigt im Wesentlichen dieselben Merkmale wie die Ausführungsbeispiele der 1 bis 3, mit dem Unterschied, dass die Halbleiterschichtenfolge 2 und der Umgebungssensor 1 die Form eines Prismas aufweisen. Im Querschnitt der 4 ist dies daran zu erkennen, dass die Halbleiterschichtenfolge 2 und der Umgebungssensor 1 die Form eines Sechsecks (Hexagon) aufweist. Die Halbleiterschichtenfolge 2 basiert in diesem Fall beispielsweise auf dem Materialsystem InGaN. Aufgrund einer Kristallstruktur dieses Materialsystems lässt sich ein Umgebungssensor 1 mit einem Hexagon als Grundfläche besonderes einfach herstellen.
5 zeigt einen Umgebungssensor 1 in einer Schnittansicht, wobei die Schnittebene parallel und entlang der Hauptachse 7 verläuft. Der Umgebungssensor 1 der 5 weist im Wesentlichen dieselben Merkmale auf wie der Umgebungssensor 1 der 1 mit dem Unterschied, dass eine Passivierungsschicht 8 vorhanden ist. Die Passivierungsschicht 8 ist an einer von der Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandten Seite der Ummantelung 4 angeordnet. Insbesondere wird diese Seite der Ummantelung 4 vollständig von der Passivierungsschicht 8 bedeckt. Ein solcher Umgebungssensor 1 kann zum Beispiel zur Ermittlung einer Lichtintensität der Umgebung oder einer Magnetfeldstärke verwendet werden. Bevorzugt ist die Passivierungsschicht 8 dazu für magnetische Felder und/oder elektromagnetische Felder durchlässig. Damit ist gemeint, dass die physikalischen Eigenschaften dieser Felder durch die Passivierungsschicht 8 nicht wesentlich oder gar nicht beeinflusst werden. Die Passivierungsschicht 8 schützt darüber hinaus die Ummantelung 4 und ist zum Beispiel aus Siliziumoxid. Eine Passivierungsschicht 8 kann auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen des Umgebungssensors 1 vorhanden sein.
6 zeigt einen Brechungsindex 30 von Fe₃O₄-Ferrofluid als Funktion einer Lichtleistung 31 in µW bei verschiedenen Magnetfeldstärken 32 (Kurven A bis E). Die 6 ist wie auch die weiter unten erwähnte 7 aus der Druckschrift M. G. Shlyagin et al., Int. J. for Light and Elec. Opt. 186, 418-422, 2019 entnommen, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Bei der Kurve A beträgt die Magnetfeldstärke 32 40 Oe, bei der Kurve B 70 Oe, bei der Kurve C 100 Oe, bei der Kurve D 130 Oe und bei der Kurve E 0 Oe. Die Magnetfeldstärke 32 ist in Oersted (Oe) im cgs-Einheitensystem angegeben.
6 verdeutlicht zum einen, dass bei zunehmender Lichtleistung 31 beziehungsweise Lichtintensität der Brechungsindex 30 von Fe₃O₄-Ferrofluid ansteigt, sofern ein Magnetfeld anliegt. Zum anderen ist in diesem Fall der Brechungsindex 30 im Wesentlichen eine lineare Funktion der Lichtleistung 31.
7 illustriert den Brechungsindex 30 von Fe₃O₄-Ferrofluid als Funktion einer Magnetfeldstärke 32 in Oe (cgs-Einheitensystem) für zwei Lichtleistungen 31 (Kurven F und G). 7 ist wie 6 der Druckschrift M. G. Shlyagin et al. entnommen. Es ist zu erkennen, dass der Brechungsindex 30 bei konstanter Lichtleistung 31 mit zunehmender Magnetfeldstärke 32 ansteigt. Ferner ist in einem Bereich der Magnetfeldstärke 32 von 40 Oe bis 120 Oe der funktionale Zusammenhang zwischen Magnetfeldstärke 32 und Brechungsindex 30 linear.
Damit kann unter Verwendung von Fe₃O₄-Ferrofluid als Material für die Ummantelung 4 ein Umgebungssensor 1 zur Ermittlung von Lichtleistung 31 beziehungsweise Lichtintensität und/oder Magnetfeldstärke 32 realisiert werden.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind bevorzugt voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren realistisch wiedergegeben.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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 den Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Umgebungssensor
2: Halbleiterschichtenfolge
3: aktive Zone
4: Ummantelung
5: erster elektrischer Kontakt
6: zweiter elektrischer Kontakt
7: Hauptachse
8: Passivierungsschicht
9: modenführender Bereich
10: Substrat
11: Lasermode
12: erster Wellenleiter
13: zweiter Wellenleiter
14: erste Deckschicht
15: zweite Deckschicht
16: Grenzfläche
30: Brechungsindex von Fe₃O₄-Ferrofluid
31: Lichtleistung in µW
32: Magnetfeldstärke in µW
100: Messvorrichtung
105: Stromquelle
110: Spannungsmesser
120: Auswertevorrichtung
A bis G: Messkurven

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015108529 A1 [0015, 0051]
US 7749748 B2 [0018]

Claims

Umgebungssensor (1) zur Erfassung von zumindest einem Umgebungsparameter umfassend - eine Halbleiterschichtenfolge (2), die dazu eingerichtet ist, innerhalb des Umgebungssensors (1) Lasermoden auszubilden, - eine Ummantelung (4), deren Brechungsindex sich als Funktion des Umgebungsparameters ändert, - einen ersten elektrischen Kontakt (5) und einen zweiten elektrischen Kontakt (6) zur Bestromung der Halbleiterschichtenfolge (2), wobei - die Halbleiterschichtenfolge (2) die Form eines allgemeinen Zylinders mit einer Hauptachse (7) aufweist, - in Richtungen senkrecht zur Hauptachse (7) die Halbleiterschichtenfolge (2) von der Ummantelung (4) zumindest teilweise bedeckt ist, - die Halbleiterschichtenfolge (2) einen Brechungsindex aufweist, der größer ist als der Brechungsindex der Ummantelung (4), - der Umgebungssensor(1) dazu eingerichtet ist, dass in dessen bestimmungsgemäßen Betrieb eine Änderung des Brechungsindexes der Ummantelung (4) eine Änderung des elektrischen Widerstands der Halbleiterschichtenfolge (2) aufgrund einer Änderung der Strahlungsverluste innerhalb der Halbleiterschichtenfolge (2) bewirkt.
Umgebungssensor (1) nach Anspruch 1, bei dem der Umgebungsparameter einer der folgenden Parameter ist: Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Lichtintesität, Magnetfeldstärke, pH-Wert.
Umgebungssensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ummantelung (4) mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: Bromphenolblau, Polyvinylalkohol, Fe₃O₄-Ferrofluid, Lithiumniobat, AlGaN.
Umgebungssensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der funktionelle Zusammenhang zwischen dem Brechungsindex der Ummantelung (4) und dem mindestens einen Umgebungsparameter linear ist.
Umgebungssensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine von der Halbleiterschichtenfolge (2) abgewandte Seite der Ummantelung (4) direkt an die zu überwachende Umgebung grenzt.
Umgebungssensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei an einer von der Halbleiterschichtenfolge (2) abgewandten Seite der Ummantelung (4) eine Passivierungsschicht (8) angeordnet ist.
Umgebungssensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ummantelung (4) eine Dicke von mindestens 1 nm und höchstens 1 µm aufweist.
Umgebungssensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) die Form eines Prismas aufweist.
Umgebungssensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umgebungssensor (1) senkrecht zur Hauptachse (7) eine Ausdehnung von maximal 20 µm aufweist.
Umgebungssensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Halbleiterschichtenfolge (2) einen modenführenden Bereich (9) umfasst, - der modenführende Bereich (9) eine aktive Zone (3) der Halbleiterschichtenfolge (2) beinhaltet, und - der modenführende Bereich (9) von dem ersten elektrischen Kontakt (5) und dem zweiten elektrischen Kontakt (6) jeweils beabstandet ist.
Umgebungssensor (1) nach Anspruch 10, wobei der modenführende Bereich (9) in Richtungen senkrecht zur Hauptachse (7) eine größere Ausdehnung aufweist als die übrige Halbleiterschichtenfolge (2).
Umgebungssensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Umgebungssensor (1) ein Substrat (10) aufweist, - das Substrat (10) zwischen der Halbleiterschichtenfolge (2) und dem ersten elektrischen Kontakt (5) angeordnet ist, - das Substrat (10) aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist.
Messvorrichtung (100) zur Ermittlung des Wertes zumindest eines Umgebungsparameters umfassend - einen Umgebungssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, - eine Stromquelle (105), die dazu eingerichtet ist, über die elektrischen Kontakte (5, 6) einen konstanten Strom in die Halbleiterschichtenfolge (2) einzuprägen, - einen Spannungsmesser (110), der an den Umgebungssensor (1) gekoppelt und dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Spannungsabfall an dem Umgebungssensor (1) zu messen, - eine Auswertevorrichtung (120), die dazu eingerichtet ist, aus einem von dem Spannungsmesser (110) gemessenen Spannungsabfall den zu ermittelnden Wert des Umgebungsparameters zuzuordnen.
Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung (100) gemäß Anspruch 13, bei dem - in den Umgebungssensors (1) ein konstanter Strom eingeprägt wird, der eine Erzeugung von Lasermoden in der Halbleiterschichtenfolge (2) bewirkt, - ein Spannungsabfall an dem Umgebungssensor (1) gemessen wird, - dem gemessenen Spannungsabfall ein Wert eines zu ermittelnden Umgebungsparameters zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei - eine Änderung des zumindest einen Umgebungsparameters eine Änderung des Brechungsindex der Ummantelung (4) des Umgebungssensors (1) bewirkt, - die Änderung des Brechungsindex der Ummantelung (4) eine Änderung von elektrischen Verlusten innerhalb der Halbleiterschichtenfolge (2) bewirkt, - die Änderung von elektrischen Verlusten innerhalb der Halbleiterschichtenfolge (2) eine Änderung des gemessenen Spannungsabfalls bewirkt, - aus der Änderung des gemessenen Spannungsabfalls eine Änderung des zumindest einem Umgebungsparameters ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei eine Änderung des Brechungsindex der Ummantelung (4) eine Änderung einer von dem Umgebungssensor (1) abgegebene Lichtmenge bewirkt.