SE431260B - Fiberoptiskt metdon for metning av elektriska och magnetiska storheter - Google Patents

Description

10 20 25 30 35 g a2-n2ssk91-1 7908914-0). Med ett dylikt mätsystem måste man dock ha kontroll över åldrings- fenomen i lysdioden, vilket idag är svårt om man har-kravet, att mätsystemet skall vara billigt. Huvudproblematiken vad gäller lysdioders åldring ligger i de av injektionsströmmen förorsakade kristallfelen i det ljusemitterade området samt i ökande antal icke strålande rekombinationer i pn-övergången genom in- diffusion av djupa rekombinationscentra, som t ex Cu+.

I föreliggande uppfinning presenteras ett mätdon, som icke är behäftat med dessa problem. Uppfinningen går ut på att ersätta injektionsprocessen i en pn-övergång med optisk excitation av laddningsbärare i ett lateralt lumini- scensskikt, att med ett elektriskt och eventuellt ett magnetiskt fält för- flytta de exciterade laddningsbärarna och att optiskt avkänna denna förflytt- ning genom ett speciellt förfarande. Mätdonet enligt uppfinningen känneteck- nas därav, att nämnda sensorelement innehåller minst ett luminiscerande skikt, att ljus från nämnda optiska fiber är anordnat att falla mot nämnda skikts yta, att mellan nämnda optiska fibers ändyta i givaren G och nämnda skikts yta är anordnat minst ett optiskt filter, vinkelrätt mot ljusets strålgång, samt att nämnda skikt är försett med minst två elektroder för att i skiktet generera ett lateralt elektriskt fält med uppgift att accelerera laddnings- bärare, som exciterats av ljus från M, transmitterat till skiktet via fibern, varvid det laterala elektriska fältet är anordnat att åstadkomma en rörelse av laddningsbärarna (strömmar) i lateralt led. Med denna helt nya teknik för optisk avkänning av elektriskt eller magnetiskt styrda laddningsbärare i ett luminiscerande skikt erhålles enkla och stabila givare för spänning och ström, vilka tillsammans med ett enkelt fiberoptiskt mätsystem ger möjlighet till att mäta ström och spänning utan inverkan av reflexer och varierande dämpning i fibersystemet och utan beroende av givarens temperatur och åldring.

Uppfinningen beskrives närmare med hänvisning till bifogade figurer 1-12, av vilka fig I visar ett komplett mätsystem vid ett mätdon enligt uppfinningen, fig 2 ett sensorelement för mätning av DC-spänning, fig 3 samma sensorelement sett rakt framifrån, fig 4 de spektrala sambanden som gäller i fig 1 då en sensor enligt fig 2 och 3 användes, fig 5 ett sensorelement för mätning av AC-spänningar, fig 6 de spektrala sambanden då sensorn enligt fig 5 användes, fig 7 ett sensorelement för mätning av små spänningar, fig B sensorelementet enligt fig 7 sett framifrån, fig 9 ett sensorelement med fälteffektelektrod för högohmig spänningsstyrning och fig 10 ett sensorelement för magnetfälts- mätning. 10 15 20 25 a2bss91-1 I mätsystemet med mätdonet enligt,uppfinningen, fig 1, exciteras ett sensor- element 23 växelvis av två ljuskällor 1 och 2 med skilda emissionsspektra 33 och 3H (se fig H). Fotoluminiscensen (35 i fig 4) från sensorelementet detekteras av den med filter 17a försedda fotodioden 17b, och den av för- stärkaren 18 förstärkta detektorsignalen tillföres via switchen lüb, som arbetar synkront med switchen 14a, växelvis sample- and holdkretsarna 19 och 20, vars utsignaler kvotbildas i kvotbildaren 21 och påföres det indikerande elementet 22. För styrning av ljusintensiteterna från ljuskällorna 1 och 2 mätes från dessa emitterat ljus med fotodetektorn 10, som via förstärkaren 11 är inkopplad till en reglerkrets, bestående av en felsignalsbildare 12 och en regulator 13, vars utsignal omväxlande av switchen 1Äa kopplas mellan drivkretsarna 15 och 16. För ledning av ljus mellan de i systemet ingående optokomponenterna (1, 2, 17 och 23) användes optiska fibrer (3, H, 6, 8, 9) och optiska förgreningar (5 och 7).

Mätprincipen kan förklaras med hjälp av 1-4,,där fig 2 visar sensorelementet sett från sidan och fig 3 sensorelementet sett framifrån. De olika delarna av sensorelementet utgöres av (se fig 2 och 3): l l 8: Optisk fiber, som kopplar ljus till och från sensorelementet 23. 31: Interferens- eller absorptionsfilter med transmissionsspektra 38 (enligt fig 4) 32: _ Interferensfilter med transmissionsspektrat 37. 26: Substrat av GaAs. 27: Epitaktiskt skikt 1 Alx1Ga1_x1As med uppgift att stänga inne optiskt exciterade laddningsbärare i skikt 28 och släppa igenom både excita- tionsspektrum 33 och 3H. 28: Epitaktiskt skikt i AlX2Ga1_x2As, där x2 < x1, effektivitet. Absorptionsspektrum 36, Luminiscensspektrum 35a utgör spektrat vid en lägre temperaturn än 35b. 29a och b: Elektriska (helst ohmska) kontakter till skiktet 28. med hög luminiscens- 10 20 ' 20 225 30 821132, 91-1 i 30: 7 Epitaktiskt skikt i Alx3Ga1_x3As, x3 > xz, med uppgift att stänga inne optiskt exciterade laddningsbärare i skikt 28, 24 och 25: Tilledningar för anslutning av mätspänningen U.

Då lysdioden 1 är inkopplad (emissionsspektrum 33) kommer endast den del av skiktet 28, som är täckt av filtret 32 (transmissíonsspektrum 37) att exci- teras, eftersom filtret 31 (T-spektrum 38) blockerar detta ljus, och då lys- dioden 2 (emissionsspektrum BÄ) är inkopplad kommer hela skiktet 28 framför fiberns 8 ändyta att vara belyst. Samtidigt har filtret 32 en sådan T-kurva (37), att denna blockerar luminiscensljuset 35 från skiktet 28, varför normalt ingen fotoluminiscenssignal erhålles till fotodetektorn 17b då lysdioden 1 är inkopplad. Om nu en spänning U pålägges enligt fig 2 och om 28 är av p-typ kommer en del av de av lysdioden 1 i skiktet 28 under filtret 32 exciterade elektrcnerna att av det av U genererade laterala elektriska_fältet i skiktet 28 dras över i det område av skiktet 28, som_befinner sig under filtret 31 (med T-spektrum 38), varigenom en luminiscenasignal, beroende av U:s storlek, erhålles hos detektorn 17b. Då under samma förhållanden lysdioden 2 är in- kopplad, kommer hela skiktet 28 att belysas och luminiscensen från del av skiktet 28, som befinner sig under filtret 31š kommer att vara oberoende av U. Genom kvotbildning i kvotbildaren 21 mellan de av lysdioden 1 och 2 exci- terade luminiscenssignalerna erhålles enligt detta förfarande en signal, be- V roende av spänningen U och kompenserad för varierande dämpning i fibersystemet, varierande temperatur hos givaren och åldring hos sensorelementet 23. För att komma ifrån inverkan av reflexioner av excitationsljuset i fibersystemet blocke- ras excitatíonsljuset före detektorn 17b av ett optiskt filter 17a med T- karakteristiken 39 (fig Ä).

Med givaren enligt fig 2 kan endast en likspänning U mätas. För att mäta växelspänningar kan en givare enligt fig 5 med de spektrala sambanden en- ligt fig 6 utnyttjas. Själva sensorelementet är identiskt med det i fig 2, men för att kunna mäta luminiscens från rekombinerade minoritetsbärare, som av AC-fältet i skiktet 28 har förflyttats antingen uppåt eller ned- åt i figuren, finnes ett komplexare filterarrangemang i givaren (40, H1, H2 och 43) och ytterligare en ljuskälla med emissionsspektrum 44 i själva mätelektroniken. Då ljuskällan 1 är inkopplad och emissionsspektrat 33 er-I hålles kommer skiktet 28 att exciteras endast bakom filtret 42, som har T-kurvan 46. Om U drar minoritetsladdningsbärarna uppåt enligt fig 5, så 15 20 25 30 35 8203391-1 kommer luminiscens att kunna genereras bakom filtret H3 (T-kurva 38) och transmitteras till detektorn 17 genom 43. Då ljuskällan 1b (emissionsspektrum BH) är inkopplad, kommer skiktet 28 att endast exciteras bakom filtret H1 (T-kurva H5), och om U har omvänd polaritet och drar minoritetsladdnings- bärare nedåt enligt fig É, så kommer luminiscens att kunna genereras bakom filtret #0 (se kurva 38) och transmitteras till detektorn 17 genom H0. Då slutligen ljuskällan 2 (emissionsspektrum 3U) är inkopplad, kommer skiktet 28 att exciteras både bakom filtret NO och H3 och en referensluminiscens- signal erhålles genom filtren H0 och H3 (T-kurva 38).

Det laterala elektriska fältet i skiktet 28, genererat av spänningen U mellan elektroderna 29a och 29b (se fig 2 och 3) accelererar optiskt exciterade laddningsbärare och förskjuter tyngdpunkten för rekombinationsprocessen och därmed luminiscensen. Genom att odla ett epitaktiskt skikt 28 med hög renhet från störcentra och dislokationer, genom att stänga in skiktet 28 mellan tvâ till skiktet 28 gitteranpassade skikt 27 och,30 och genom att använda låga 'dopningsnivåer i skiktet 28, som skall vara av samma typ som skikten 27 och 30 (p- eller n-typ), kan relativt långa livslängder hos de exciterade minori- tetsladdningsbärarna erhållas och därmed också en god modulation vid måttliga spänningar U. Om små spänningar skall mätas kan det emellertid vara fördel- aktigt att använda ett raster av optiska filter (31, 32) enligt fig 7 och 8 för att erhålla en multiplikativ effekt och därmedett större signa1/brus-för- hållande. Filtren 32 och 31 i fig 7 och 8 har samma karakteristik som filtren 32 och 31 enligt fig 2 (37 resp 38 enligt fig H), men är i fig 7 lagda direkt på skiktet 30. Med sensorelementutformningen enligt fig 7 behöver inte substra- tet 26 etsas ut för fibern 8. Detta ger en stabilare sensor, men samtidigt måste man se till att ingen fotoluminiscens exciteras i substratet. Förutom att fil- terrastret ger ett ökat signal/brus-förhållande kommer inverkan av mätsignalen av mekaniska förskjutningar mellan fiber och sensorelement att reduceras.

Det laterala elektriska fältet i det luminiscerande skiktet 28 kan förutom av spänningen U styras av en eller flera elektroder (47), som i likhet med funktionen hos en fälteffekttransistor kröker energibanden och därmed påverkar laddningsbärarnas laterala fördelning. I fig 9 visas således ett sensorelement, som är identiskt med det i fig 2, så när som på att skiktet 30 gjorts tunnare och på ett område belagtsmed elektroden Ä7, vars spänning styrs via tilled- ningen 48. Med hjälp av en dylik fälteffekttransistorlik struktur erhålles möjligheter till högohmig modulering av luminiscensen samt införande av en referensspänning till samma element som mätspänningen påföres. 8f2 03319 1- 1 Slutligen visas i fig 10 hur sensórelementet 23 med den tidigare beskrivna strukturen (se t ex fig 2 och 3) kan användas för mätning av ett mot sensor- f elementytan vinkelrätt magnetfält (H9). I motsats till filterkonfiguratio- 10 15 20 nerna (31, 32) i tidigare figurer måste i detta fall filtrens gemensamma kantlinjer (50) för magnetfältsmätningen vara mer eller mindre parallella med de av elektroderna 29a och b åstadkomna elektriska fältlinjerna. De av det laterala elektriska fältet i skiktet 28 modulerade optiskt exciterade laddningsbärarnas rörelse kommer att av magnetfältet krökas, så att under ett av nämnda filter (32) exciterade laddningsbärare kan förflyttas till den del av nämnda skikt (28), som befinner sig bakom ett intilliggande fil- ter (31) och där generera luminiscens, som kan nå fotodetektor 17.

Strukturen enligt fig 10 utgör således ett optiskt hallelement. För fiber- optisk magnetfältsmätning kan seriekopplade fotodioder användas för genere- ring av det elektriska fältet i skiktet 28. Då detta fält blir temperatur- beroende mätes lämpligen detta fält samtidigt enligt någon av de metoder, som beskrives ovan för spänningsmätning, varigenom sensorn kommer att vara försedd med optiska filter, vars gemensamma kantlinjer både är vinkelräta och parallella med det elektriska fältet i skiktet 28.

Uppfinningen kan enligt ovanstående varieras på en mångfald sätt för att med hjälp av en av mätstorheterna styrd förflyttning av optiskt exciterade laddningsbärare erhålla luminiscens i ett område med annan filterkarakteris- tik än hos det område där excitatíonen sker.

Claims (1)

1. aizïo-zs 9-1- 1 PATENTKRAV

   1. Fiberoptiskt mätdon för mätning av främst elektrisk spänning eller magnetfält, innefattande en givare G förbunden medelst minst en optisk fiber (8) med en mätelektronikenhet M, där M innehåller minst två ljuskällor (1, 2) med skilda emissionsspektra (33; 3Ä) för excitering av fotoluminiscens (35) i ett i givaren beläget sensorelement (23) och minst en fotodetektor (17) för detektering av från nämnda sensorelement emanerande fotoluminiscens (35), k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda sensorelement innehåller minst ett luminiscerande skikt (28), att ljus från nämnda optiska fiber (8) är anordnat att falla mot nämnda skíkts (28) yta, att mellan nämnda optiska fibers (B) ändyta i givaren G och nämnda skikts (28) yta är anordnat minst ett optiskt filter (32, 32), vinkelrätt motfljusets strålgång, samt att nämnda skikt (28) är försett med minst två elektroder (29a, b) för att 1 skiktet (28) generera ett lateralt elektriskt fält med uppgift att accele- rera laddningsbärare,!som exciterats av ljus från M, transmitterat till skiktet (28) via fibern (8), varvid det laterala elektriska fältet är an- ordnat att åstadkomma en rörelse av laddningsbärarna (strömmar) i lateral led.

   2. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att minst en av nämnda ljuskällor (1) har givits ett sådant emissions- spektrum (33), att dess ljus genom inverkan av nämnda filter (31, 32) endast transmitteras till en eller flera delar av nämnda skikt (28) med den följden att laddningsbärare endast kommer att exciteras i dessa delar av skiktet (28) samt att givaren för övrigt är så anordnad att luminiscenssignalen vid nämnda emissionsspektrum (33) blir beroende av storleken på det elektriska fält, som accelererar de exciterade laddningsbärarna i skiktet (28)-

   3. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 2, k å n n e t e c k n a t därav, att nämnda excitation av laddningsbärare sker i de delar av skiktet (28), som ej försetts med filter (31) som blockerar (38) nämnda emissions- spektrum (33)- i 2121133924 i i = _ ¿ .

   4. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 2, k ä'n n e t e e k n a t därav, att en del av nämnda accelererade laddningsbärare innan de rekombi- neras kommer in i delar av nämnda skikt (28), som försetts med filter (31) som blockerar (38) nämnda emissionsspektrum.

   5. ' Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 2, k ä n n e t e e k n a t därav, att en del av nämnda accelererade laddningsbärare innan de rekombi- nerar kommer in i ett område av nämnda skikt (28), som mellan skiktet (28) och fibern (8) är försett med ett optiskt filter (31), vilket är så valt, att dess ljustransmission (38) för luminiscensljuset (35) skiljer sig från ljustransmissionen (37) för luminiscensljuset (35) hos det filter (32), genom vilket laddningsbärarna exciterats.

   6. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda andra filter (31) är anordnat att transmittera lumini- scensljuset (35) medan det filter (32), genom vilket laddningsbärarna exciteras, är anordnat att blockera luminiscensljuset. 7- Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 3¿ k ä n n e t e c k n a t därav, att ljus från minst en annan av nämnda ljuskällor (2) är anordnat att trans- mitteras genom nämnda filter (31) för att där ge upphov till en av nämnda elektriska fält mindre beroende fotoluminiscenssignal in i den optiska fibern (8), vilken används som referenssignal. 3- Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 5, k ä n n'e t e c k n a t därav, att ljuskällorna (1, 2) är tids- eller frekvensmultiplexade, att signalen från fotodetektorn (17a) är tids- respektive frekvensmultiplexad, att foto- _ detektorn (17b) är försedd med ett optiskt filter (17a) för blockering (39) av ljusreflexer härrörande från nämnda ljuskällor (1, 2), att ljus från en av ljuskällorna (1) är anordnat att selektivt excitera laddningsbärare i det om- råde av nämnda skikt (28), som befinner sig under ett av nämnda optiska sensor- filter (32), att detta sensorfilter (32) är anordnat att blockera luminiscens- ljus (35), att bredvid detta sensorfilter (32) finnes ett annat sensorfilter (31), vilket transmitterar luminiscensljus (35), att nämnda elektriska fält får en del av de under nämnda sensorfilter (32) optiskt exciterade laddnings- bärarna att transporteras över till den del av nämnda skikt (28), vilket be- finner sig under nämnda andra sensorfilter (31), att detta andra sensorfilter (31) därigenom släpper igenom luminiscensljus, vars styrka blir beroende av nämnda elektriska fält, att delar av detta luminiscensljus i fotodetektorn 1 - 1 (17b) är anordnat att generera en elektrisk signal, som beror av nämnda elekt- riska fält, att ljus från en annan av ljuskällorna (2) är anordnat att åtmins- tone excitera den del av nämnda skikt (28), som befinner sig bakom nämnda andra filter (31), samt att den därvid erhållna luminiscenssignalen användes som referenssignal, med vars hjälp inverkan av varierande dämpning i optik- systemet, varierande temperatur hos sensorelementet och åldring hos sensor- elementet kan tas bort från nämnda elektriska signal genom kvotbildning (21) eller reglering av ljuskällor (1 + 2) och/eller detektorförstärkare.

   9. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, _att nämnda givare (G) vid mätning av DC-spänningar innehåller minst två bred- vid varandra placerade optiska filter med icke identiska transmissionsspektra och vid mätning av AC-spänningar innehåller minst tre bredvid varandra place- rade filter med icke identiska transmissionsspektra, samt att i respektive fall minst två respektive tre skilda tids- eller frekvensmultiplexade ljus- källor används för att selektivt kunna excitera olika delar av nämnda lumini- scerande skikt (28).

   10. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 9, :k ä n n e t e c k n a t därav, att vid AC-mätning en ljuskälla (1) är anordnad att selektivt excitera skiktet (28) bakom ett filter (42), att en annan ljuskälla (1b) är anordnad att selek- tivit excitera skiktet (28) ßakom ett annat filter (41), att båda filtren (41, H2) är anordnade att ej transmittera luminiscensljus (35), att båda filtren (Ä1, H2) på sin ena sida har filter (H1, Ä2), som ej transmitterar luminiscensljus, och på sin andra sida filter (40, Ä3), som transmitterar luminiscensljus, varvid filtren orienteras så relativt varandra, att av filtret accelererade laddningsbärare endast ger upphov till luminiscenssignal från ena halvperioden då en av ljuskällorna (1) är inkopplad och från andra halvperioden då den andra (1b) av ljuskällorna är inkopplad. 11- Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda optiska filter (31, 32) är utformade som ett raster, där raster- elementen utgöres av remsor (fig 8) av nämnda filter, placerade bredvid var- andra. _12- Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda luminiscerande skikt (28) utgöres av ett halvledarmaterial såsom AlxGa1_XAs, vilket på sina båda sidor är omgivet av halvledarskikt med större bandgap (genom högre Al-halt i en AlxGa1_xAs-struktur). ,a2fl3z91-1 10- 13- Fíberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda laterala elektriska fält är anordnat att moduleras av en elektrisk spänning, kopplad till minst en elektrod (47), vilken enligt samma principer som för fälteffekttransistorer_ändrar den elektriska fältbilden i nämnda luminiscerande skikt (28)._ 14) 'Fiberoptiskt mätdon enligt_patentkrav 13, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda elektrod (47) är anordnad att med hjälp av en elektrisk spänning strypa eller underlätta förflyttning av optiskt exciterade laddningsbärare. 15 Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav_1, k ä nfn e t e c k n a t därav, att den storhet som skall mätas är anordnad att förflytta optiskt exciterade laddningsbärare från minst ett område av skiktet (28) till minst ett annat Område av skiktet (23), att dessa områden definieras av att de är försedda med optiska filter (31, 32) med skilda transmissionsspektra, att laddnings- bärare således exciteras i ett område av skiktet (28) och rekombinerar i ett annat område av skiktet (28) och att nämnda filter har olika transmissions- karakteristik vid för luminiscensen aktuella- våglängder (35) och för excita- tionen aktuella våglängder (33, 34).

   16. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 15, k ä n n e t e 0 K n 8 t däfavf att nämndafilters (31, 32) parvis gemensamma kantlinjer (50) vid spänningsmät~ ning är åtminstone huvudsakligen vinkelräta mot det elektriska fältet i skik- tet (28) och vid magnetfältsmätning åtminstone i huvudsak parallella med det 'elektriska fältet i skiktet (28). - 17- Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 16, k ä n n e t e 0 k n a t därav, att nämnda elektriska fält är anordnat att åstadkommas av utspänningen från fotodioder och att nämnda optiska filter (31, 32) är anordnade både för mät- ning av det elektriska och magnetiska fältet i nämnda skikt (28)-