RU2727560C1 - Монолитный датчик химического состава вещества - Google Patents
Монолитный датчик химического состава вещества Download PDFInfo
- Publication number
- RU2727560C1 RU2727560C1 RU2020103828A RU2020103828A RU2727560C1 RU 2727560 C1 RU2727560 C1 RU 2727560C1 RU 2020103828 A RU2020103828 A RU 2020103828A RU 2020103828 A RU2020103828 A RU 2020103828A RU 2727560 C1 RU2727560 C1 RU 2727560C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- radiation
- semiconductor structure
- sensor
- substance
- Prior art date
Links
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 70
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 68
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 59
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 39
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 36
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 19
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 5
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000005387 chalcogenide glass Substances 0.000 claims description 4
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 3
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 7
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 101001006370 Actinobacillus suis Hemolysin Proteins 0.000 description 2
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 2
- 238000001194 electroluminescence spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 2
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000661 Mercury cadmium telluride Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical group [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000001745 non-dispersive infrared spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000001028 reflection method Methods 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000002235 transmission spectroscopy Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
- H01L31/16—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources
- H01L31/167—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by potential barriers
- H01L31/173—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by potential barriers formed in, or on, a common substrate
Landscapes
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к фотонике, а именно к средствам измерения химического состава веществ и/или характеристик спектров поглощения/отражения с помощью оптических методов. Монолитный датчик химического состава вещества содержит по меньшей мере одну первую полупроводниковую структуру с р-n-переходом и по меньшей мере одну вторую полупроводниковую структуру с р-n-переходом, пространственно разнесенные на подложке, чувствительную область для размещения исследуемого вещества и электрические контакты, сформированные соответственно на р-слое и на n-слое первой и второй полупроводниковых структур, при этом первая полупроводниковая структура выполнена в виде источника оптического излучения, а вторая полупроводниковая структура выполнена в виде фотоприемника. Новым в заявляемом техническом решении является то, подложка выполнена прозрачной для оптического излучения источника оптического излучения, чувствительная область для размещения исследуемого вещества выполнена на тыльной поверхности подложки, а первая и вторая полупроводниковые структуры оптически связаны. Изобретение обеспечивает формирование монолитного датчика химического состава вещества, имеющего расширенную область применения. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.
Description
Изобретение относится к фотонике, а именно, к средствам измерения химического состава вещества и/или характеристик спектров поглощения/отражения с помощью оптических методов.
На сегодняшний день наиболее распространенными устройствами для измерений концентрации газообразных компонент являются недисперсионные ИК газоанализаторы (ГА). Принцип работы недисперсионных ИК ГА (англ.термин - NDIR gas analyzers) не менялся со времени открытия закона поглощения Бера - Ламберта, описывающего ослабление интенсивности исходного излучения при его прохождении через среду с коэффициентом поглощения α(λ) [см-1], зависящем от свойств конкретного газа и длины волны А. В самом простом случае такой сенсор состоит из оптически согласованных источника и приемника излучения с узкими диаграммами направленности, ориентированными навстречу друг другу.
В силу большого коэффициента поглощения жидкостей вышеуказанную просвечивающую спектроскопию используют при очень небольших размерах (ширине зазора) кюветы. Использование таких кювет не всегда удобно, поскольку возникает проблема заполнения/замены жидкости в кюветах с узким зазором.
В ряде случаев, например, для анализа жидкостей и твердых тел, имеющих высокий коэффициент поглощения, более удобным оказывается иной подход при измерении поглощения, а именно, измерение степени поглощения излучения, выходящего за пределы оптически плотного материала при полном внутреннем отражении, т.е. измерение характеристик так называемой «исчезающей волны». Интенсивность исчезающей волны в измеряемой среде с показателем преломления п2, т.е. за пределами среды с показателем преломления n1 (n1>n2), экспоненциально спадает с расстоянием, с характерной величиной/глубиной проникновения в измеряемую среду, задаваемую формулой:
где λ - длина волны излучения, θ - угол падения на границу раздела двух сред.
Если на длине волны λ происходит поглощение, то интенсивность отраженного от границы излучения (отражения вовнутрь) уменьшается. Измерение интенсивности и есть основа работы датчика, поскольку степень этого уменьшения зависит от коэффициента поглощения и количества отражений от границы раздела. Кроме того, при изменении химического состава измеряемой среды изменяется и величина угла полного отражения, что также изменяет величину измеряемого сигнала, например, за счет изменения количества отражений. Поэтому в русскоязычной литературе данный метод измерения и соответствующие датчики именуются датчики «нарушенного полного отражения (НПО)» или «МНПВО» (метод нарушенного полного отражения). За счет увеличения числа отражений и повышения чувствительности приемника излучения можно добиваться повышения чувствительности метода к малым количествам/концентрациям определяемого вещества.
Известен датчик химического состава вещества (см. патент RU 2343430, МПК G01J 3/3, опубликован 10.01.2009), содержащий чувствительную область для размещения исследуемого вещества, фотоприемник, источник оптического излучения, электрические контакты. Чувствительная область в известном датчике представляет собой плоскопараллельную пластину со скошенными боковыми гранями: входной и выходной, выполненную из оптического материала. Материал пластины пропускает излучение в диапазоне, соответствующем спектрам поглощения исследуемых веществ, а также излучение, на котором работает датчик. Источник излучения выполнен с возможностью установки перед входной скошенной боковой гранью элемента МНПВО, при этом он испускает излучение в диапазоне, соответствующем спектрам поглощения исследуемых веществ. Спектроскопический анализатор методом спектроскопии МНПВО может быть выполнен в виде дифракционного полихроматора с многоканальным приемником ИК-излучения, либо в виде опто-акустического перестраиваемого фильтра с одноканальным приемником ИК-излучения. Указанный выше спектроскопический анализатор может являться спектроскопическим анализатором, использующим в качестве источника излучения лазер. Источником ИК-излучения может служить нагретое тело с импульсным характером излучения. В качестве приемника ИК-излучения может быть использована линейка пироэлектрических элементов, чувствительных к излучению в диапазоне 7-11 мкм, с окном, блокирующим излучение с длинами волн меньше 6,5 мкм.
Достоинством известного датчика является его высокая надежность, благодаря возможности замены его ИК элементов, выполненных дискретными. Однако известный датчик имеет большие габариты и высокую стоимость.
Известен датчик химического состава вещества (Shih-Hua Huang, Yen-Jie Huang, and Hsiang-Chen Chui, "Fiber-Optic-Based Methane Detection Using Mid-Infrared Light Emitting Diode", IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 18, NO. 15, AUGUST 1, 2018), содержащий по меньшей мере одну первую полупроводниковую структуру с р-n переходом и по меньшей мере одну вторую полупроводниковую структуру с р-n переходом, снабженный чувствительной областью для размещения исследуемого вещества, при этом первая полупроводниковая структура выполнена в виде фотоприемника, а вторая полупроводниковая структура выполнена в виде источника оптического излучения, электрические контракты, сформированные соответственно на р-слое и на n-слое полупроводниковых структур. В качестве источника оптического излучения с электрическими контрактами, сформированными соответственно на р-слое и на n-слое первой полупроводниковой структуры, используется средневолновый ИК светодиод (СД) на основе InAs. В качестве фотоприемника с электрическими контрактами, сформированными соответственно на р-слое и на n-слое второй полупроводниковой структуры, использовался фотодиод (ФД) с активным слоем HgCdTe (МСТ) (λ=2,0-5,4 μm), смонтированный на термоэлектрическом охладителе (ТЭО) (Thorlabs PDA10JT).
Недостатком известного датчика является низкая точность измерений, вызванная неэффективным использованием излучения СД, так, при мощности СД 53 мкВт (3,4 мкм, 200 мА, 291 К, нестабильность <0,87 мкВт (1s)), мощность, принимаемая ФД, составляла всего 8 мкВт (85% мощности излучения терялось).
Известен датчик химического состава вещества (см. патент GB 2402476B, МПК В08В 7/02, Е21В 49/08, Е21В 49/10, G01N 21/35, опубликован 08.12.2004), содержащий по меньшей мере одну первую полупроводниковую структуру с р-n переходом и по меньшей мере одну вторую полупроводниковую структуру с р-n переходом, снабженные чувствительной областью для размещения исследуемого вещества, при этом первая полупроводниковая структура выполнена в виде фотоприемника, а вторая полупроводниковая структура выполнена в виде источника оптического излучения, электрические контракты, сформированные соответственно на р-слое и на n-слое полупроводниковых структур. В известном датчике используют дискретные светодиоды и фотодиоды на основе полупроводниковых структур А3В5, снабженные иммерсионными линзами и оптически связанные с помощью пассивного оптического элемента с показателем преломления, превышающим показатель преломления анализируемого вещества, т.е. анализируемой жидкости или газа.
Недостатком известного датчика являются большие габариты, связанные с необходимостью использования оптической схемы, оптически связывающей элементы датчика, и низкая чувствительность, обусловленная невысокой эффективностью ввода излучения в сенсорную пластину, в которой расположена чувствительная область (оптический элемент, в котором происходит поглощение на выделенных длинах волн) и вывода излучения из нее.
Современная тенденция развития датчиков состоит в создании монолитных структур, обеспечивающих малые габариты и невысокую стоимость их производства.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является монолитный датчик химического состава вещества (см. патент US 9735305B2, МПК G01N 21/64, опубликован 23.03.2017), содержащий по меньшей мере одну первую полупроводниковую структуру с р-n переходом и по меньшей мере одну вторую полупроводниковую структуру с р-n переходом, пространственно разнесенные на подложке, чувствительную область для размещения исследуемого вещества в виде микроканальной полости и электрические контакты, сформированные соответственно на р-слое и на n-слое соответственно первой и второй полупроводниковой структуры, при этом первая полупроводниковая структура выполнена в виде источника оптического излучения, а вторая полупроводниковая структура выполнена в виде фотоприемника. В известном устройстве жидкость под действием капиллярных сил засасывается в микроканальную область, где на нее воздействует излучения источника. В результате воздействия излучения на жидкость в ней формируется вторичное (люминесцентное) излучение, которое, распространяясь в сторону фотоприемника и поглощаясь в нем, создает полезный сигнал датчика. При этом фотоприемник и источник оптически не связаны друг с другом, поскольку такая связь приводит к невозможности или к крайне низкой точности измерений, т.к. излучение, не взаимодействующее с измеряемым веществом, является помехой (шумом). Оптическая связь между фотоприемником и источником подавляется (исключается) как за счет выбора материалов фотоприемника и источника, приводящего к их существенно разным рабочим спектральным областям фоточувствительности, так и за счет установки на пути излучения внутри структуры слоев с высоким коэффициентом поглощения.
Недостатком известного датчика является узкая область его применения, так как он не может измерять вещества, не создающие люминесцентное излучение при облучении светом. Кроме того, данный датчик не может измерять твердые тела из-за невозможности их установки в микроканальную полость.
Задачей настоящего технического решения является разработка монолитного датчика химического состава вещества, имеющего расширенную область применения.
Поставленная задача достигается тем, что монолитный датчик химического состава вещества содержит по меньшей мере одну первую полупроводниковую структуру с р-n переходом и по меньшей мере одну вторую полупроводниковую структуру с р-n переходом, пространственно разнесенные на подложке, чувствительную область для размещения исследуемого вещества и электрические контакты, сформированные соответственно на р-слое и на n-слое соответственно первой и второй полупроводниковой структуры, при этом первая полупроводниковая структура выполнена в виде источника оптического излучения, а вторая полупроводниковая структура выполнена в виде фотоприемника. Новым в настоящем техническом решении является то, что подложка выполнена прозрачной для излучения источника оптического излучения, чувствительная область для размещения исследуемого вещества выполнена на тыльной поверхности подложки, а первая полупроводниковая структура оптически связана со второй полупроводниковой структурой.
Размещение исследуемого вещества на тыльной стороне подложки позволяет избежать механического воздействия на активные элементы датчика, такие, как пространственно разнесенные первая полупроводниковая структура с р-n переходом, вторая полупроводниковая структура с р-n переходом и электрические контакты. Это позволяет иметь плотный контакт между чувствительной областью и исследуемым веществом, необходимым для проведения измерений МНПВО даже в случае, когда вещество представляет собой твердое тело. В результате достигается расширение области применения датчика - возможность измерять газы, жидкости и твердые тела.
Создание оптической связи между первой и второй полупроводниковой структурами позволяет проводить измерения МНПВО, поскольку в методе МНПВО проводится анализ ослабления излучения, без его модификации за счет возбуждения люминесценции в анализируемом веществе. В прототипе оптическая связь непосредственно между источником и приемником отсутствовала, а была лишь оптическая связь между источником и измеряемым веществом, а также оптическая связь между веществом и приемником. Излучение от источника в приемник в известном датчике напрямую не попадало.
Выполнение подложки, прозрачной для излучения источника оптического излучения, позволяет не выводить излучение из тела датчика, а доставлять его до чувствительной области, равно как и доставлять ослабленное излучение до фотоприемника, не используя никаких иных оптических элементов и избегая таким образом потерь при выводе/вводе излучения из полупроводника в воздух. Этим достигается высокая эффективность использования оптической мощности, т.е. достигаются высокие отношения сигнал\шум, обеспечивающих достоверность, необходимую для измерений твердых и не люминесцирующих веществ.
Монолитный датчик химического состава вещества может содержать защитное покрытие, предотвращающее непосредственный контакт исследуемого вещества с полупроводниковыми структурами датчика.
Между первой и второй полупроводниковыми структурами может быть установлен непрозрачный для излучения источника экран.
Тыльная поверхность подложки, по меньшей мере, в чувствительной области для размещения исследуемого вещества может быть выполнена в виде периодического рельефа.
На тыльной поверхности подложки может быть установлена прозрачная пластина с твердостью, превышающей твердость подложки, соединенная с подложкой с помощью оптического клея.
Упомянутая прозрачная пластина может содержать слои, формирующие периодическое изменение показателя преломления в направлении, перпендикулярном ее поверхности
В качестве оптического клея для установки прозрачной платины на подложке может быть использовано халькогенидное стекло.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематически изображен заявляемый датчик в продольном разрезе в первом варианте воплощения;
на фиг. 2 схематически изображен заявляемый датчик в продольном разрезе во втором варианте воплощения;
на фиг. 3 приведена фотография вида сверху датчика, описанного в примере 1;
на фиг. 4 приведена фотография поверхности подложки датчика, описанного в примере 1, выполненной в виде периодического рельефа в чувствительной области;
На фиг. 5 представлен измеренный при комнатной температуре спектр электролюминесценции/излучения одного из элементов датчика, описанного в примере 1;
На фиг. 6 приведены зависимости изменения фотоэдс, создаваемые в датчике, описанном в примере 1.
Монолитный датчик химического состава вещества (см. фиг. 1) содержит по меньшей мере одну первую полупроводниковую структуру 1 с р-n переходом 2 и по меньшей мере одну вторую полупроводниковую структуру 3 с р-n переходом 4, пространственно разнесенные на подложке 5, чувствительную областью 6 для размещения исследуемого вещества, электрические контакты 7, сформированные на р-слое первой полупроводниковой структуры 1, электрические контакты 8, сформированные на р-слое второй полупроводниковой структуры 3, электрические контакты 9, сформированные на n-слое первой полупроводниковой структуры 1, электрические контакты 10, сформированные на n-слое второй полупроводниковой структуры 3. Первая полупроводниковая структура 1 выполнена в виде источника оптического излучения, а вторая полупроводниковая структура 3 выполнена в виде фотоприемника. Подложка 5 выполнена прозрачной для излучения источника оптического излучения, чувствительная область 6 для размещения исследуемого вещества выполнена на тыльной стороне подложки 5, а первая и вторая полупроводниковые структуры 1, 3 оптически связаны.
Исследуемое вещество может быть химически активным или содержать химически активные компоненты, поэтому для долговременной работы датчик химического состава вещества может содержать защитное покрытие 11, предотвращающее непосредственный контакт исследуемого вещества с полупроводниковыми структурами 1, 3. В качестве покрытия 11 может выступать и герметичный корпус (см. фиг. 2).
В полупроводниковых структурах 1, 3 обычно трудно добиться полной оптической изоляции фотоприемника от помех (шумов), создаваемых источником оптического излучения. Иными словам, небольшая часть излучения источника может достичь фотоприемника, минуя чувствительную область 6, например, за счет выхода части излучения в окружающее источник пространство с последующим его попаданием в фотоприемник, поэтому промежутке между первой и второй полупроводниковыми структурами 1, 3 может быть установлен непрозрачный для излучения источника экран (не указан на фигурах).
Тыльная поверхность подложки 5 по меньшей мере в чувствительной области 6 для размещения исследуемого вещества может выполнена в виде периодического рельефа 12. В таком датчике с периодической структурой на одной или нескольких его поверхностях будет происходить дифракция излучения с выделением узких полос в спектре излучения, что позволит получать более полные данные для анализа. Такая архитектура особенно актуальна для датчика с множеством фотоприемных структур, имеющих разное расстояние от структуры-источника излучения (см. фиг. 2).
Для исключения деградации оптических свойств поверхности подложки 5, ведущей к снижению точности измерений датчика, на ее тыльной поверхности может быть установлена прозрачная пластина 13 с твердостью, превышающей твердость подложки 5, соединенная с подложкой 5 с помощью оптического клея 14 (см. фиг. 2). Указанная пластина 13 может быть выполнена из кремния.
Упомянутая прозрачная пластина 13 может содержать слои 15, формирующие периодическое изменение показателя преломления в направлении, перпендикулярном ее поверхности (см. фиг. 2), что позволяет получать более детальные данные для анализа от датчика.
В качестве оптического клея 14 может быть использовано халькогенидное стекло, поскольку халькогенидное стекло имеет высокую прозрачность в сочетании с высоким показателем преломления (n=2,4-2,6), недостижимым для других оптических клеев.
Настоящий монолитный датчик химического состава вещества работает следующим образом. На электрический контакт 8 подают положительный потенциал относительно электрического контакта 10, при этом р-n переход 4, расположенный во второй структуре 3 смещается в прямом направлении, и возникает электролюминесцентное излучение, спектр которого соответствует ширине запрещенной зоны полупроводника вблизи от р-n перехода.
Излучение, возникающее во второй структуре 3, доходит до границы раздела прозрачная подложка 5/исследуемое вещество в чувствительной области 6, при этом часть этого излучения выходит за пределы подложки 5 в виде исчезающей волны и поглощается в исследуемом веществе при однократном или многократном полном внутреннем отражении. После этого ослабленное излучение попадает в первую структуру 1 и поглощается в ней. Рожденные при поглощении электронно-дырочные пары разделяются полем объемного заряда р-n перехода 2, в результате чего на контактах 9 и 7 возникает разность потенциалов. При замыкании цепи в ней возникает фототок, который обычно пропорционален количеству дошедших до р-n перехода 2 фотонов. Полученный сигнал зависит от свойств вещества, расположенного в чувствительной области 6, а потому он есть полезный сигнал, используемый для измерений характеристик исследуемого вещества. Для практических целей полезный сигнал для его анализа может быть усилен с помощью усилителей, например, с помощью трансимпедансных усилителей. Величина фототока может быть рассчитана на основе известных характеристик анализируемого вещества (коэффициент поглощения, показатель преломления) и структур (геометрических размеров, отражательных свойств контактов, прозрачности используемых материалов и т.д.), но может быть получена и на основе предварительных калибровок датчика на веществах с известными характеристиками. На основе анализа величин фототока в одном или нескольких р-n переходах проводят анализ свойств исследуемого вещества, например, определяют его концентрацию.
Пример 1. Образцы датчиков (№S6267n7 и №S6279n8) изготавливали из гетероструктур, состоящих из широкозонного контактного слоя p-InAsSbP толщиной 2 мкм, Eg (300 К)=420 мэВ) и активной области из n-InGaAsSb (5 мкм), полученных на прозрачной для излучения λ~3-4 мкм подложке из n+-InAs (n+~3⋅1018 см-3). Методами стандартной фотолитографии и «мокрого» химического травления формировали четыре полупроводниковых структуры с р-n переходами, пространственно разнесенные на подложке n+-InAs и имеющие индивидуальные контакты к р-областям. Подложка из n+-InAs имела высокую проводимость, поэтому все четыре структуры имели общий контакт к n-областям. Омические контакты (анод и катод) были сформированы на эпитаксиальной стороне образцов, имевших 4 квадратные, расположенные в линейку 1×4 структуры (мезы) площадью (130×130) мкм2 и глубиной травления мезы Hm<10 мкм и П-образный катод. На фиг. 3 приведена фотография вида сверху датчика. Поверхность подложки в датчике №S6267n7 была гладкой, а на поверхности датчика №S6279n8 с помощью фотолитографии и «сухого» травления был сформирован периодический рельеф (двумерный фотонный кристалл) с периодом ~3 мкм, состоящий из гексагонально упакованных глухих отверстий с плоским дном. Фотография приведена на фиг. 4. Монтажная плата из полуизолирующего кремния с локальными шинами из припоя позволяла осуществлять сборку линеек 1×4 по методу флип-чип и обеспечивать при этом индивидуальное подключение анодов элементов датчика к источнику(ам) питания и/или усилителям; анодные площадью (100×100) мкм2 и катодный контакты, утолщенные при гальваническом осаждении золота с суммарной толщиной 1,5-2,0 мкм, специально не вжигали. На фиг. 5 представлен измеренный при комнатной температуре спектр излучения/электролюминесценции одного из элементов датчика (т.е. структуры-источника). Величина динамического сопротивления в нуле смещения Ro элементов датчика №S6267n7 составляли: N1-800 Ом; N2-700 Ом; N3-600 Ом; N4- нефункционирующий элемент, а сенсора №S6279n8: N1-1060 Ом; N2-850 Ом; N3-960 м; N4-1300 Ом, соответственно (номера соответствуют расположению элементов датчика на фотографии, приведенной на фиг. 3, при этом первый элемент занимает крайнюю левую позицию, а элемент №4 - крайне правую позицию на фотографии). Спектры фоточувствительности элементов были аналогичны приведенным на фиг. 5 с незначительным смещением максимума в область коротких длин волн. На элемент, выбранный в качестве источника (СД), подавали ток от батарейки 1,5 В и контролировали тестером АРРА 109, также работающим на батарейке. В качестве СД в датчике #S6267 n7 был использован элемент №3, а в датчике №S6279n8 - элемент №1. Фотоэдс на фотоприемных элементах датчиков измеряли тестером АРРА 207, работающим от сети, при этом в образце №S6267n7 максимальный фотоответ наблюдали на элементе, расположенным в непосредственной близости от СД элемента;а в датчике №S6279n8, имевшем на поверхности InAs фотонный кристалл, фотосигналы от всех элементов были примерно одинаковы. На фиг. 6 приведены зависимости (кривая 16-датчик №S6279n8, кривая 17-датчик №S6267n7) изменения фотоэдс, создаваемые в дальних от СД элементах датчика при нанесении на их поверхность дистиллированной воды (показатель преломления n=1,33, крайние левые точки на фиг. 6), спирта (n=1,36, средние точки на фиг. 6) и толуола (n=1,5, крайние правые точки на фиг. 6) от показателя преломления при фиксированном токе через светодиодный элемент (1=10 мА).
Как видно из фиг. 6, имеет место хорошая воспроизводимость результатов, полученных на двух датчиках и корреляция между изменениями фотосигнала и спектральными характеристиками поглощения исследуемых веществ. Действительно, наиболее сильное изменение фотоэдс (- 4%) наблюдается для вещества, имеющего наибольшее поглощение в области спектра зондирующего излучения, а именно, спирта. Ослабление излучения вызвано, главным образом, поглощением исчезающей волны при отражении от границы раздела подложка из InAs/жидкость. Таким образом, данные, приведенные на фиг.6 можно использовать как для идентификации жидкостей (в данном случае - воды, спирта и толуола), так и для количественного анализа химического состава (концентрации) смесей веществ.
Пример 2. На чувствительную поверхность датчика №S6267n7 наносили слой воска; при этом фотосигналы на фотоприемных элементах (фотоприемниках) уменьшались (например, на -6% для элемента №3), что доказывает работоспособность датчика и для случая твердого тела, плотно прижатого к чувствительной области. Возможность определения качественного состава твердого тела с помощью настоящего датчика основана, прежде всего, на проведении расчетов ослабления излучения с использованием известных данных о коэффициенте поглощении и/или на использовании предварительной его калибровки (градуирования и составления соответствующих таблиц). Для предварительной калибровки необходимо получение данных, аналогичных приведенным на фиг. . При этом понятно, что к исследуемому веществу отсутствует требование способности люминесцировать при падании на него зондирующего излучения от источника.
Claims (7)
1. Монолитный датчик химического состава вещества, содержащий по меньшей мере одну первую полупроводниковую структуру с р-n-переходом и по меньшей мере одну вторую полупроводниковую структуру с р-n-переходом, пространственно разнесенные на подложке, чувствительную область для размещения исследуемого вещества и электрические контакты, сформированные соответственно на р-слое и на n-слое соответственно первой и второй полупроводниковых структур, при этом первая полупроводниковая структура выполнена в виде источника оптического излучения, а вторая полупроводниковая структура выполнена в виде фотоприемника, отличающийся тем, что подложка выполнена прозрачной для оптического излучения источника оптического излучения, чувствительная область для размещения исследуемого вещества выполнена на тыльной поверхности подложки, а первая и вторая полупроводниковые структуры оптически связаны.
2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что он содержит защитное покрытие, предотвращающее непосредственный контакт исследуемого вещества с полупроводниковыми структурами.
3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что в промежутке между первой и второй полупроводниковыми структурами установлен непрозрачный для излучения источника экран.
4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что тыльная поверхность подложки по меньшей мере в чувствительной области для размещения исследуемого вещества выполнена в виде периодического рельефа.
5. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что на тыльной поверхности подложки установлена прозрачная пластина с твердостью, превышающей твердость подложки, соединенная с подложкой с помощью оптического клея.
6. Датчик по п. 5, отличающийся тем, что прозрачная пластина содержит слои, формирующие периодическое изменение показателя преломления в направлении, перпендикулярном ее поверхности.
7. Датчик по п. 5, отличающийся тем, что в качестве оптического клея использовано халькогенидное стекло.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020103828A RU2727560C1 (ru) | 2020-01-28 | 2020-01-28 | Монолитный датчик химического состава вещества |
PCT/RU2021/000025 WO2021154121A1 (ru) | 2020-01-28 | 2021-01-25 | Монолитный датчик химического состава вещества |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020103828A RU2727560C1 (ru) | 2020-01-28 | 2020-01-28 | Монолитный датчик химического состава вещества |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2727560C1 true RU2727560C1 (ru) | 2020-07-22 |
Family
ID=71741331
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020103828A RU2727560C1 (ru) | 2020-01-28 | 2020-01-28 | Монолитный датчик химического состава вещества |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2727560C1 (ru) |
WO (1) | WO2021154121A1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2138856C1 (ru) * | 1997-03-20 | 1999-09-27 | Соколов Александр Сергеевич | Устройство сигнализации пожаро-взрывоопасной ситуации в летательных аппаратах |
US20020074553A1 (en) * | 2000-12-15 | 2002-06-20 | David Starikov | One-chip micro-integrated optoelectronic sensor |
RU2343430C2 (ru) * | 2006-11-30 | 2009-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Лазерные системы" | Система обнаружения взрывчатых веществ методом спектроскопии многократно нарушенного полного внутреннего отражения (мнпво) в процессе биометрической идентификации |
US9735305B2 (en) * | 2015-09-21 | 2017-08-15 | International Business Machines Corporation | Monolithically integrated fluorescence on-chip sensor |
US20180202930A1 (en) * | 2015-07-07 | 2018-07-19 | Furuno Electric Co., Ltd. | Measuring chip, measuring device and measuring method |
US20180348121A1 (en) * | 2017-05-30 | 2018-12-06 | Analog Devices, Inc. | Compact optical gas detection system and apparatus |
-
2020
- 2020-01-28 RU RU2020103828A patent/RU2727560C1/ru active
-
2021
- 2021-01-25 WO PCT/RU2021/000025 patent/WO2021154121A1/ru active Application Filing
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2138856C1 (ru) * | 1997-03-20 | 1999-09-27 | Соколов Александр Сергеевич | Устройство сигнализации пожаро-взрывоопасной ситуации в летательных аппаратах |
US20020074553A1 (en) * | 2000-12-15 | 2002-06-20 | David Starikov | One-chip micro-integrated optoelectronic sensor |
RU2343430C2 (ru) * | 2006-11-30 | 2009-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Лазерные системы" | Система обнаружения взрывчатых веществ методом спектроскопии многократно нарушенного полного внутреннего отражения (мнпво) в процессе биометрической идентификации |
US20180202930A1 (en) * | 2015-07-07 | 2018-07-19 | Furuno Electric Co., Ltd. | Measuring chip, measuring device and measuring method |
US9735305B2 (en) * | 2015-09-21 | 2017-08-15 | International Business Machines Corporation | Monolithically integrated fluorescence on-chip sensor |
US20180348121A1 (en) * | 2017-05-30 | 2018-12-06 | Analog Devices, Inc. | Compact optical gas detection system and apparatus |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2021154121A1 (ru) | 2021-08-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6881979B2 (en) | One-chip micro-integrated optoelectronic sensor | |
JP6360430B2 (ja) | 波長の中心検出に基づいたセンサ装置および方法 | |
JPH0643966B2 (ja) | 物質濃度を測定するためのセンサ素子 | |
CN101889346B (zh) | 带有光谱传感器的图像传感器 | |
US9022649B2 (en) | Fluorescence based thermometry | |
CN107532995B (zh) | 光学分析装置及其制造方法 | |
RU2727560C1 (ru) | Монолитный датчик химического состава вещества | |
Sander et al. | Low-noise CMOS fluorescence sensor | |
EP3404379B1 (en) | Optical device for angle measurements | |
JP6208513B2 (ja) | 受発光装置 | |
Karandashev et al. | p‐InAsSbP/n‐InAs Double Heterostructure as an On‐Chip Midinfrared Evanescent Wave Sensor of Liquids | |
RU2761501C1 (ru) | Датчик химического состава вещества | |
RU2753854C1 (ru) | Датчик химического состава вещества | |
US9297764B2 (en) | Method for determining characteristics of a photoconverter without contact | |
KR20110111970A (ko) | 과일당도측정 집적광센서 및 측정방법 | |
RU2788588C1 (ru) | Датчик химического состава вещества | |
JP6294150B2 (ja) | 受発光装置 | |
Sedjil et al. | A seawater pH determination method using a BDJ detector | |
US20070052049A1 (en) | Integrated opto-electric SPR sensor | |
Berner et al. | Silicon thin film photodetectors for multi‐channel fluorescence detection in a microfluidic point‐of‐care testing device | |
CN112534224A (zh) | 光谱仪和用于校准光谱仪的方法 | |
RU2647977C2 (ru) | Многоканальный инфракрасный фотоприемный модуль | |
RU2610073C2 (ru) | Фотометр | |
JP6501296B2 (ja) | 屈折率測定装置 | |
RU2726901C2 (ru) | Пирометр |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20211111 Effective date: 20211111 |