DE19839552A1

DE19839552A1 - Chemisch empfindlicher optischer Sensor

Info

Publication number: DE19839552A1
Application number: DE19839552A
Authority: DE
Inventors: Heinz Josef Haas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1998-08-31
Filing date: 1998-08-31
Publication date: 2000-07-13
Anticipated expiration: 2018-09-01
Also published as: DE19839552C2

Abstract

Chemisch empfindlicher optischer Sensor, bei dem mindestens ein Strahlungsemitter (1), ein Strahlungsempfänger (2) und eine mit dem zu überwachenden Medium (3) in Kontakt stehende optische Wellenleiterschicht (4) vorgesehen ist, die ihre Wellenleitfähigkeit bei Änderung der Konzentration der Ionen, Atome und/oder Moleküle verändert. Strahlung des Strahlungsemitters wird an einer Stelle in die Wellenleiterschicht eingekoppelt und an anderer Stelle wieder ausgekoppelt, wo sie von dem Strahlungsempfänger detektiert und ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen chemisch empfindlichen optischen Sensor zur Erkennung von Änderungen einer Konzen tration von Ionen, Atomen und/oder Molekülen in einem zu überwachenden Medium, insbesondere in Gasen.

Ein derartiger Sensor ist beispielsweise aus der US 5,436,167 bekannt. Hierin ist ein Faseroptischer Sensor beschrieben, bei dem ein Teilstück des Faserkerns eines optischen Wellen leiters mit einem transparenten Halbleitermaterial beschich tet ist. Bei Veränderung der Konzentration des zu detektie renden Gases in der Umgebung des Halbleitermaterials verän dert dieses seinen Brechungsindex, wodurch die Elliptizität eines durch den Welleleiter geleiteten monochromatischen po larisierten Lichts verändert wird. Diese gegenüber dem in den Wellenleiter eingekoppelten Eingangs-Lichtsignale veränderten Ausgangs-Lichtsignale wird von einem Lichtdetektor empfangen und nachfolgend ausgewertet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen optischen Sensor der eingangs genannten Art zu entwickeln, der technisch einfach, vorzugseise mittels herkömmlicher au tomatisierter Halbleitermontagetechnik herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird mit einem chemisch empfindlichen optischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhaf te Weiterbildungen des Sensors sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 11.

Bei dem Gassensor ist mindestens ein Strahlungsemitter, ein Strahlungsempfänger und eine mit dem zu überwachenden Medium in Kontakt stehende optischen Wellenleiterschicht vorgesehen. Die Wellenleiterschicht ist aus einem Material hergestellt, das seine optische Wellenleitfähigkeit bei Änderungen der Konzentration der Ionen, Atome und/oder Moleküle verändert. Sie weist einen Strahlungseinkoppelbereich und einen in einer Strahlungsausbreitungsrichtung versetzt zu diesem angeordne ten Strahlungsauskoppelbereich auf.

Der Strahlungsemitter ist derart angeordnet, daß zumindest ein Teil der von ihm ausgesandten elektromagnetischen Strah lung im Strahlungseinkoppelbereich schräg zur Strahlungsaus breitungsrichtung in die optische Wellenleiterchicht einge koppelt wird. Und zwar mit einem Winkel zur Strahlungsaus breitungsrichtung, der kleiner als der Grenzwinkel der Total reflexion bei dem Übergang von der Wellenleiterschicht zum Medium ist, so daß dieser Teil der eingekoppelten Strahlung nach dem Wellenleiterprinzip über Mehrfach-Totalreflexion in der Wellenleiterschicht vom Strahlungseinkoppelbereich zum Strahlungsauskoppelbereich geleitet und dort wieder aus der Wellenleiterschicht ausgekoppelt wird.

Der Strahlungsempfänger ist derart angeordnet, daß er zumin dest einen Teil der durch den Strahlungsauskoppelbereich aus der Wellenleiterschicht ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung empfängt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Sensors weist die Wellenleiterschicht ein Material auf, das bei Änderungen der Konzentration der Ionen, Atome und/oder Moleküle seine Trans missionseigenschaften und oder seinen Brechungsindex ändert. Ein derartiger Sensor läßt sich vorteilhafterweise auf beson ders einfache Weise herstellen und betreiben.

Bei einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform weist die Wellenleiterschicht eine strahlungsdurchlässige Hauptschicht auf, die an der vom Strahlungsemitter abgewandten Hauptfläche mit einer Sensorschicht versehen ist, die bei Änderungen der Konzentration der Ionen, Atome und/oder Moleküle ihre Trans missionseigenschaften, ihren Brechungsindex und/oder ihre Re flexionseigenschaften ändert.

Um die Strahlungsverluste in der Wellenleiterschicht zu ver ringern, ist bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Sensors die Wellenleiterschicht auf einer von dem zu überwachenden Medium abgewandten Hauptfläche mit einer re flektierenden Schicht versehen.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Sensors ist ein Gehäuse mit einem Gehäuse-Grundkörper vorgesehen, der für die elektromagnetische Strahlung undurchlässig ist. Die ser Gehäuse-Grundkörper ist mit einer ersten Ausnehmung und mit einer zweiten Ausnehmung versehen. In der ersten Ausneh mung ist der Stahlungsemitter und in der zweiten der Strah lungsempfänger angeordnet. Beide Ausnehmungen sind mit Mate rial gefüllt sind, das für die elektromagnetische Strahlung durchlässig ist. Auf einer zwischen den Ausnehmungen liegen den strahlungsundurchlässigen Wand des Gehäuses ist die Wel lenleiterschicht angeordnet, die sowohl mit der ersten Aus nehmung als auch mit der zweiten Ausnehmung überlappt. Der jeweilige Überlappungsbereich weist den Strahlungseinkoppel bereich bzw. den Strahlungsauskoppelbereich auf und die nicht mit der Wellenleiterschicht überlappenden Bereiche der Aus nehmungen sind mit einer strahlungsundurchlässigen Abdeckung versehen. Vorzugsweise ist der Stahlungsemitter ein strah lungsemittierender Halbleiterdiodenchip und der Strahlungs empfänger ein Photosensor-Halbleiterchip.

Bei einer derartigen Bauweise des Sensors lassen sich vor teilhafterweise für alle Prozeßschritte die aus der Halblei tertechnik bekannten Herstellungsverfahren, wie beispielswei se Spritzgießen und Leiterband-Montage einsetzen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Sensors ist der Gehäuse-Grundkörper mittels CIMID(Chip in Moulded In terconnect Device)-Technologie hergestellt und weist dieser Gehäuse-Grundkörper Metallisierungsschichten zum elektrischen Anschließen des Strahlungsemitters und des Strahlungsempfän gers auf. Die CIMID-Technologie ist beipielsweise in der EP 645 953 beschrieben.

Der optische Sensor wird im Folgenden anhand eines Ausfüh rungsbeispieles in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung des Ausführungs beispieles und

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Wel lenleiterschicht, die eine strahlungsdurchlässige Haupt schicht und eine Sensorschicht aufweist.

Bei dem chemisch empfindlichen Sensor von Fig. 1 ist ein Sensor-Gehäuse 24 mit einem Gehäuse-Grundkörper 15 vorgese hen, der aus lichtundurchlässigem Kunststoff besteht.

Der Gehäuse-Grundkörper 15 ist vorzugseise mittels eines CIMID-Verfahrens aus hochtemperaturfestem Thermoplastmaterial hergestellt. Er kann aber auch mittels herkömmlicher Spritz gießtechnik, die aus der Herstellung von Leuchtdioden- Bauelementen bekannt ist, gefertigt sein.

Von einer ersten Hauptfläche 23 des Gehäuse-Grundkörpers 15 aus führen eine erste 16 und eine zweite Ausnehmung 17 in diesen hinein, derart, daß zwischen den beiden Ausnehmungen 16, 17 eine lichtundurchlässige Wand 18 vorhanden ist.

In der ersten Ausnehmung 16 ist der Stahlungsemitter 1 und in der zweiten Ausnehmung 17 ist der Strahlungsempfänger 2 ange ordnet.

Beide Ausnehmungen sind jeweils vollständig mit einem Kunst stoffverguß 21, 22, beispielsweise mit transparentem Epoxid harz gefüllt. Die Oberflächen 25, 26 der Kunststoffvergüsse 21, 22 liegen zusammen mit der Hauptfläche 23 des Gehäuse- Grundkörpers 15 in einer gemeinsamen Ebene, die eine Hauptfläche 27 des Gehäuses 24 darstellt. Diese Hauptfläche 27 kann beispielsweise nach dem Vergießen der Ausnehmungen 16, 17 mittels Abschleifen des Gehäuses exakt hergestellt wer den.

Auf der Hauptfläche 27 ist auf der Wand 18 eine Wellenleiter schicht 4 aufgebracht, derart, daß diese mit den beiden Kunststoffvergüssen 21, 22 überlappt und mit einem zu überwa chenden Medium 3 in Kontakt gebracht werden kann.

Die nicht von der Wellenleiterschicht 4 überlappten Teilbe reiche der Oberflächen 25, 26 der Kunststoffvergüsse 21, 22 sind mit einer strahlungsundurchlässigen Abdeckschicht 19, die aus Kunststoff besteht, versehen. Im jeweiligen Überlap pungsbereich 30, 31 der Wellenleiterschicht 4 weist diese ei nen Strahlungseinkoppelbereich 5 bzw. einen Strahlungsauskop pelbereich 6 auf.

Elektrische Anschlüsse 28, 29 für den Stahlungsemitter 1 und den Strahlungsempfänger 2 sind durch das Gehäuse 24 hindurch aus diesem herausgeführt. Dies sind beispielsweise Metalli sierungsschichten, die auf den Gehäuse-Grundkörper 15 aufge bracht sind.

Im Betrieb wird eine von dem Strahlungsemitter 1 ausgesandte Strahlung 7 im Strahlungseinkoppelbereich 5 schräg zur Strah lungsausbreitungsrichtung 20 in die optische Wellenleiter chicht 4 eingekoppelt, so daß zumindest ein Teil der einge koppelten Strahlung 7 nach dem Wellenleiterprinzip über Mehr fach-Totalreflexion in der Wellenleiterschicht 4 vom Strah lungseinkoppelbereich 5 zum Strahlungsauskoppelbereich 6 ge leitet und dort wieder aus der Wellenleiterschicht 4 ausge koppelt wird.

Der Strahlungsempfänger 2 ist derart angeordnet, daß er zu mindest einen Teil der durch den Strahlungsauskoppelbereich 6 aus der Wellenleiterschicht 4 ausgekoppelten Strahlung 8 emp fängt. Das dabei entstehende elektrische Signal wird nachfol gend in einer Auswerteschaltung weiterverarbeitet.

Vorzugsweise weist die Wellenleiterschicht 4 auf einer von dem zu überwachenden Medium 3 abgewandten Hauptfläche 9 eine reflektierende Schicht 14 auf.

Die in Fig. 2 dargestellte Wellenleiterschicht 4 weist eine strahlungsdurchlässige Hauptschicht 12 auf, die an der vom Strahlungsemitter 1 abgewandten Hauptfläche 11 eine Sensor schicht 13 besitzt, die bei Änderungen der Konzentration der Ionen, Atome und/oder Moleküle ihren Brechungsindex, ihre Transmissionseigenschaften und/oder ihre Reflexionseigen schaften ändern.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel hat den besonderen Vorteil, daß es insgesamt ausschließlich mittels aus der Fer tigungstechnik für Halbleiterbauelemente, insbesondere für Leuchtdioden-Bauelemente, bekannte und bereits vielfach er probte Fertigungsprozesse wie Spritzgießen, Die-Bonden, Me tallisieren, Bedampfen, Sputtern etc. herstellbar ist. Es läßt sich folglich auf einfache Weise als oberflächenmontier bares Bauelement (SMD-Bauelement) ausbilden.

Gassensitive Materialen, aus denen die Wellenleiterschicht hergestellt werden kann sind beispielsweise organische Halb leitermaterialien wie Cu(II)Phtalocyanin für die Detektion von H₂S und/oder O₃, Polypyrrol für CH₂=CH₂, Polyaminoquinone für NO₂, Co(III)dithiooxamid für Hydrazin, etc.

Weitere verwendbare chemisch sensitive Materialien sind:

- Substanzen mit Phenolphtalein zur Detektion von pH-Wert- Änderungen;
- Pyren-Buttersäure für die Detektion des pH-Wertes und/oder des Sauerstoff-Partialdruckes und/oder Kohlendioxid- Partialdruckes in Flüssigkeiten;
- Perylen-3,9-dicarboxylsäure-Diisobutylester für die Detek tion des Sauerstoff-Partialdruckes;
- Vinylpolymere als pH-Indikatoren;
- Heteropolysiloxan, welches als sehr dünner Film (einige µm dick) abgeschieden werden kann; etc.

Claims

1. Chemisch empfindlicher optischer Sensor (1) zur Erkennung von Änderungen einer Konzentration von Ionen, Atomen und/oder Molekülen in einem zu überwachenden Medium (3), bei dem

- mindestens ein Strahlungsemitter (1), ein Strahlungsempfän ger (2) und eine mit dem zu überwachenden Medium (3) in Kontakt stehende optische Wellenleiterschicht (4) vorgese hen ist, die ihre Wellenleitfähigkeit bei Änderungen der Konzentration der Ionen, Atome und/oder Moleküle verändert und die einen Strahlungseinkoppelbereich (5) und einen in einer Strahlungsausbreitungsrichtung (20) versetzt zu die sem angeordneten Strahlungsauskoppelbereich (6) besitzt,
- der Strahlungsemitter (1) derart angeordnet ist, daß eine von ihm ausgesandte elektromagnetische Strahlung (7) im Strahlungseinkoppelbereich (5) schräg zur Strahlungsaus breitungsrichtung (20) in die optische Wellenleiterchicht (4) eingekoppelt wird, so daß zumindest ein Teil der einge koppelten Strahlung (7) nach dem Wellenleiterprinzip über Mehrfach-Totalreflexion in der Wellenleiterschicht (4) vom Strahlungseinkoppelbereich (5) zum Strahlungsauskoppelbe reich (6) geleitet und dort wieder aus der Wellenleiter schicht (4) ausgekoppelt wird, und
- bei dem der Strahlungsempfänger (2) derart angeordnet ist, daß er zumindest einen Teil der durch den Strahlungsauskop pelbereich (6) aus der Wellenleiterschicht (4) ausgekoppel ten Strahlung (8) empfängt.

2. Chemisch empfindlicher Sensor nach Anspruch 1, bei dem die Wellenleiterschicht (4) ein Material aufweist, das bei Änderungen der Konzentration der Ionen, Atome und/oder Moleküle seine Transmissionseigenschaften ändert.

3. Chemisch empfindlicher Sensor nach Anspruch 1, bei dem die Wellenleiterschicht (4) ein Material aufweist, das bei Änderungen der Konzentration der Ionen, Atome und/oder Moleküle seinen Brechungsindex ändert.

4. Chemisch empfindlicher Sensor nach Anspruch 2, bei dem die Wellenleiterschicht (4) eine strahlungsdurchläs sige Hauptschicht (12) aufweist, die an der vom Strahlungse mitter (1) abgewandten Hauptfläche (11) eine Sensorschicht (13) aufweist, die bei Änderungen der Konzentration der Io nen, Atome und/oder Moleküle ihre Transmissionseigenschaften ändert.

5. Chemisch empfindlicher Sensor nach Anspruch 3, bei dem die Wellenleiterschicht (4) eine strahlungsdurchläs sige Hauptschicht (12) aufweist, die an der vom Strahlungse mitter (1) abgewandten Hauptfläche (11) eine Sensorschicht (13) aufweist, die bei Änderungen der Konzentration der Io nen, Atome und/oder Moleküle ihren Brechungsindex ändert.

6. Chemisch empfindlicher Sensor nach Anspruch 1, bei dem die Wellenleiterschicht (4) eine strahlungsdurchläs sige Hauptschicht (12) aufweist, die an der vom Strahlungse mitter (1) abgewandten Hauptfläche (11) eine Sensorschicht (13) aufweist, die bei Änderungen der Konzentration der Io nen, Atome und/oder Moleküle ihre Reflexionseigenschaften än dert.

7. Chemisch empfindlicher Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Wellenleiterschicht (4) auf einer von dem zu überwachenden Medium (3) abgewandten Hauptfläche (9) mit ei ner reflektierenden Schicht (14) versehen ist.

8. Chemisch empfindlicher Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem

- ein Gehäuse (24) mit einem Gehäuse-Grundkörper (15) vorge sehen ist, der für die elektromagnetische Strahlung (7) un durchlässig ist,
- der Gehäuse-Grundkörper (15) mit einer ersten Ausnehmung (16) und einer zweiten Ausnehmung (17) versehen ist,
- der Stahlungsemitter (1) in der ersten Ausnehmung (16) und der Strahlungsempfänger (2) in der zweiten Ausnehmung (17) angeordnet sind,
- die erste Ausnehmung (16) und die zweite Ausnehmung (17) mit Material gefüllt sind, das für die elektromagnetische Strahlung (7) durchlässig ist,
- auf einer zwischen den Ausnehmungen (16, 17) liegenden strahlungsundurchlässigen Wand (18) des Gehäuses (15) die Wellenleiterschicht (4) angeordnet ist, die sowohl mit der ersten Ausnehmung (16) als auch mit der zweiten Ausnehmung (15) überlappt,
- der jeweilige Überlappungsbereich den Strahlungseinkoppel bereich (5) bzw. den Strahlungsauskoppelbereich (6) auf weist, und
- die nicht mit der Wellenleiterschicht (4) überlappenden Be reiche der Ausnehmungen (16, 17) mit einer strahlungsun durchlässigen Abdeckung (19) versehen sind.

9. Chemisch empfindlicher Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Stahlungsemitter (1) eine strahlungsemittierender Halb leiterdiodenchip und der Strahlungsempfänger (2) ein Photo sensor-Halbleiterchip ist.

10. Chemisch empfindlicher Sensor nach Anspruch 8 oder 8 und 9, bei dem

- der Gehäuse-Grundkörper (15) aus Kunststoff besteht,
- die beiden Ausnehmungen (16, 17) von ein und derselben Hauptfläche (23) des Gehäuse-Grundkörpers (15) aus in die sen hineinreichen,
- die Ausnehmungen (16, 17) jeweils mit einem Kunststoffverguß (21, 22) gefüllt sind, dessen nicht an den Gehäuse- Grundkörper (15) grenzende Oberfläche (25, 26) mit der Hauptfläche (23) des Gehäuse-Grundkörpers (15) in einer ge meinsamen Ebene liegt, so daß diese Oberflächen (25, 26) zu sammen mit der Hauptfläche (23) des Gehäuses eine Hauptflä che (27) des Gehäuses (24) ausbilden,
- die Wellenleiterschicht (4) auf der Hauptfläche (27) des Gehäuses (24) aufgebracht ist, derart, daß diese mit beiden Kunststoffvergüssen (21, 22) überlappt,
- die nicht von der Wellenleiterschicht (4) überlappten Teil bereiche der Oberflächen (25, 26) der Kunststoffvergüsse (21, 22) mit einer strahlungsundurchlässigen Abdeckung (19) aus Kunststoff versehen sind und
- elektrische Anschlüsse für den Stahlungsemitter (1) und den Strahlungsempfänger (2) durch das Gehäuse (24) hindurch aus diesem herausgeführt sind.

11. Chemisch empfindlicher Sensor nach Anspruch 10, bei dem das Gehäuse (24) mittels CIMID-Technik hergestellt ist.