SE435966B - Fiberoptiskt metdon - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 8200575-2 Uppfinningen går ut på en lösning av dessa och andra härmed sammanhängande problem. Uppfinningen kännetecknas därav, att den aktuella fysikaliska stor- heten är anordnad att påverka läget hos ett optiskt spektralfilter, t ex av absorptions- eller interferenstyp, relativt den optiska fiberns ändyta i 'givaren och/eller relativt nämnda luminiscerande element, samt att nämnda spektralfilter är anordnat att i större eller mindre utsträckning befinna sig mellan den optiska fiberns ändyta och minst ett av nämnda luminiscer- ande element, samt att elektronikdelen innehåller minst två ljuskällor, som via den optiska fibern är anordnade att belysa nämnda luminiscerande ele- ment, samt att ljustransmissionsspektrum hos nämnda spektralfilter och ljusemissionsspektrum hos nämnda ljaskällor väljes så, att nämnda spektral- filter släpper igenom ljus emanerande från den ena ljuskällan i större ut- sträckning än ljus emanerande frân den andra ljuskällan. I stället för att mäta de relativa ljusintensiteterna från två intilliggande luminiscensele- ment med skilda luminiscensspektra mäter man här selektivt exciterad lumini- .scens med identiska luminiscensspektra, vilket eliminerar temperaturberoen- det.

Uppfinningen beskrives med hjälp av fig 1-9, där fig 1 och 2 visar teknikens ståndpunkt, fíg 3 ett komplett mätdon enligt uppfinningen, fig H de spektrala sambanden för detta mätdon och fig 5-9 olika utförandeformer hos sensorn.

I fig 1 visas en av drivkretsen 1 matad lysdiod 2, vilkens emitterade ljus till en del kopplas in i den fiberoptiska förgreningen U, efter passage genom ett filter 3, för vidare transport via den optiska fibern 5 till en sensor 1U.

I sensorn finnes två relativt varandra fixerade halvledarelement 15 Och 16, vilka kan röras upp och ned relativt fiberns ändyta eller även röras på annat sätt gentemot denna ändyta. Genom att halvledarmaterialens 15 och 16 design ger dessa skilda luminiscensspektra kommer förskjutningen av halv- ledarelementen att förändra den spektrala sammansättningen hos det ljus, som kopplas tillbaka in i fibern 5, vilket detekteras med hjälp av fotodioderna 8 och 9, som försetts med skilda optiska filter 6 och 7, och vars fotoström- mar förstärks av förstärkarna 10 och 11 och kvotbildas i kvotbildaren 12 för att därefter i det visande instrumentet indikera en signal, som beror av halvledarelementens läge, men ej av variationer i dämpning hos det fiber- optiska systemet eller ljusemission hos lysdioden. I fig lb visas ett exem- pel på utförande av halvledarelementen 15 och 16. 20 och 2Ä utgöres av sub- strat, på vilka epitaktiska skikt 17, 18, 19 respektive 21, 22 och 23 odlats.

Luminiscensen genereras i de inre skikten 18 respektive 22, och genom att 20 25 30 35 8200575-2 ge dessa skikt olika bandgap, t ex genom olika halter Al i ett GaAs-system, och/eller genom att dopa med skilda ämnen, t ex Ge och Si i Gahs-ssytemet, erhålles skilda luminiscensspektra från elementen 11 ooh 16. Dessa typer av strukturer för fiberoptiska sensorer finnes väl dokumenterade i patentlitte- raturen, se exempelvis svensk patentansökan 8006797-B eller 8007805-8.

Exempel på de spektrala sambanden för systemet enligt fig 1 visas i fig 2, där 25 utgör lysdiodens 2 emissionsspektrum, 26a, b absorptionsspektrum för lagren 18 och 22 hos elementen 15 respektive 16, 27 luminiscensspektrum från lagret 18, 28 luminiscensspektrum från lagret 22, 29 transmissionsspektrum hos filtret 6 och 30 transmissionssj'ktrum hos filtret 7. Vid stora tempera- turvariationer hos sensorn 1« kommer luminiscensspektrum 27 och 28 att för- skjutas våglängdsmässígt, vilket lör funktionen hos filtret 29 kritisk vad gäller mätdonets noggrannhet.

Fig 3 visar hur detta och sammanhörande problem löses genom att filtret 29 (6) elimineras tillsammans med tillhörande fotodiod 8, samtidigt som en ny lysdiod 31, en ny fotodiod 33 och ett sensorfilter 38 införes. Funktionen hos mätdonet enligt fig 3 kan beskrivas sålunda: Med switchen 37a kopplas ömsom lysdioderna 2 och 31 in till stabiliserings- kretsen, som består av regulatorn 36, skillnadsbildaren 35 och referenssigna- len Vref. En del av ljuset från lysdioderna kopplas ut ur fibern 5 med strål- delaren 32 och avkännes av fotodetektorn 33, kopplad till förstärkaren 3Ä och nämnda lysdiodsstabilisering. Härigenom garanteras alltid att lika stora ljuseffekter kopplas in i fibern 5 från lysdioderna 2 och 31. Det från sensorn 1ü in i fibern utsända luminiscensljuset detekteras av detek- torn 9, Varvid filtret 7 har till uppgift att blockera i fiberoptiksystemet reflekterat ljus från lysdioderna 2 och 31, dvs att detta filter tar bort excitationsljussignaler från luminiscenssignalen, som utgör själva mätsigna- len. Fotoströmmen hos 9 förstärks i 11 och kopplas växelvis av switchen 37b, som arbetar synkront med swítchen 37a, till sample and hold-kretsarna 39 och HO, vars utgångssignaler kvotbildas i 12 innan mätsignalen erhålles i och vid 13. Ett exempel på sensorutformning för det nya mätsystemet visas i fig 3b. Det övre sensorelementet 15 är identiskt med sensorelementet 15 i fig 1b, medan för det nedre sensorelementet 16 skiktet 21 i fig 1b har bytts ut mot ett skikt 38 med ett annat absorptionsspektrum än motsvarande för skiktet 21. Då excitationsljuset härrör från lysdioden 2 exciteras 15 20 25 30 35 8200575 -2 elektroner endast i skiktet 18, varför endast detta lumíniscerar, medan då excitationsljuset härrör från lysdioden 31 så kommer både skikten 18 och 22 att luminiscera. Att så är fallet framgår av spe tralfördelningskurvorna i fig 4, där 25 är lysdiodens 2 emissionsspektrum, 41 lysdiodens 31 emissions- spektrum, 26 skiktens 18 och 22 absorptionsspektrum, H2 skiktets 38 absorp- tionsspektrum, H3 skiktets 17 absorptionsspektrum, 27 luminiscensspektrum för skikten 18 och 22 och 30 transmissionsspektrum hos filtret 7. Lysdiods- Stabilisering-sn ser till att fïïondi = fïzundi, och 25, 141 och 112 ges en sådan design att temperaturinducerade förskjutningar av H2 ej påverkar H1 i sensorn. Såsom framgår av figuren kommer temperaturinducerade föräkjutflinåaf av spektrum 27 ej att påverka detektsrsignalen, varför en noggrann mätning av elementens 15 och 16 försk¿:tning i vertikalled kan göras inom stora tempe- raturområden. Dessutom kan lufniniscensskikten 18 och 22 noggrant matchas, vilket ytterligare ökar mätnoggransheten och reproducerbarheten.

Med det i fig 3a presenterade mätsystemet kan olika sensorutformningar bli aktuella. Således visar fig 5 en sensor, där elementen 15 och 16 integre- rats på ett och samma substrat. Om t ex vätskeepitaxi användes deponeras på substratet ZH skikten 23, 22, 38, 19, 18 och 17 i tur och ordning. Därefter etsas skikten 17, 18 och 19 bort med hjälp av t ex en selektiv ets. I ett Al1_xGaxAs-system definieras skikten av olika värden på x, varvid önskade optiska egenskaper erhålles samtidigt som föfufisättflinåfif fö? Sel@kfiiV ets- ning ges; En något enklare struktur visas i fig 6, varvid skikten 17, 18 och 19 är gemensamma för de båda sensorelementen. Skiktet 38 är här bort- etsat hos det övre sensorelementet, varigenom detta avger luminiscens både vid excitation från 2 och 31, medan det nedre sensorelementet endast lumini- scerar då 31 är excitationskälla. Skiktet 38 tjänstgör som ett för ljus- källorna 2 och 31 selektivt filter och kan såsom visas i fig 7 lösgöras från det luminiscerande elementet, varvid mätstorheten är anordnad att förflytta filtret 38 i vertikalled mellan fibern 5 och det luminiscerande skiktet 18.

För att öka upplösningen hos sensorn kan skiktet 18 med hjälp av litografi etsas ut till ett raster enligt fig 8. Samtidigt måste därvid ett raster H5 på ett transparent substrat UN finnas vid fiberändytan. Förutom ökad noggrannhet erhålles även bättre reproducerbarhet genom att moduleringen samtidigt görs över hela sensorytan, varför lokala defekter får mindre be- tydelse. 8200575 - 2 I de fall man önskar att filtret 38 skall följa fiberns 5 rörelse kan en del av det luminiscerande skiktet 18 etsas bort enligt fig 9. Härigenom erhålles större möjlighet att göra en linjär givarfunktion.

Anordningarna enligt ovan kan varieras på mångahanda sätt inom ramen för ne- danstående patentkrav.

Claims (9)

8200575-2) PATENTKRAV

1. Fiberoptiskt mätdon för mätning av fysikaliska storheter såsom läge, hastighet, acceleration, kraft, tryck, töjning, temperatur etc, innefatt- ande minst en optisk fiber (5) för ledning av ljus mellan en elektronikenhet (E) och en givare (G), där givaren (G) innefattar minst ett luminiscerande element (15, 16, 18 etc), fysikaliska storheten är anordnad att påverka läget hos ett optiskt spektral- k ä n n e t e c k n a t därav, att den aktuella filter (38, H2), t ex av absorptions- eller interferenstyp, relativt den optiska fiberns (5) ändyta i givaren (14) och/eller relativt nämnda lumini- scerande element, samt att nämnf epektralfilter (38) är anordnat att i Större eller mindre utsträckning befinna sig mellan den optiska fiberns (5) ändyta och minst ett av nämnda luminiscerande element (15, 16), samt att elektronik- delen (E) innehåller minst två ljuskällor (2, 31), som via den optiska fibern (5) är anordnade att belysa nämnda luminiscerande element (15, 16), samt att ljustransmissionsspektrum hos nämnda spektralfilter (38) och ljusemissions- spektrum hos nämnda ljuskällor (2, 31) väljes så, att nämnda spektralfilter släpper igenom ljus emanerande från den ena ljuskällan i större utsträckning än ljus emanerande från den andra ljuskällan.

2. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda ljuskällor (2, 31) tids- eller frekvensmultiplexas (37a), att de från de båda ljuskällorna in i fibern (5) inkopplade ljuseffekterna står i ett konstant förhållande till varandra genom optisk återkoppling (32, 33, 34, 35, 36), att det från givaren emanerande lumini- scensljuset leds till en fotodetektor (9) via den optiska fibern (5) och ett optiskt filter (7), att nämnda optiska filter (7) är anordnat att blockera ljusreflexer från ljuskällorna (2, 31) samt att detektorsignalen från fotodetektorn (9) är anordnad att demultiplexas för erhållande av två signaler, motsvarande den av de båda ljuskällorna (2, 31) exciterade lumi- niscensen i givaren (1H). 8200575 '-2

3. Fiberoptiškt mätdon enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att en anordning finnes för kvotbildning av ie demultiplexade detek- torsignalerna i och för erhållande av en av mätstorhet J entydigt beroende signal.

4. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda optiska spektralfilter (38) utgöres av ett absorptions- filter (H2) med en absorptionskant våglängdsmässigt placerad mellan de båda ljuskällornas (2, 31) emissionsspektra (25, H1).

5. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda luminis,:rande element har så lika materialsammansättning som möjligt över hela den under *tningen belysta ytan.

6. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att det luminiscerande materialet (18, 22) i nämnda luminiscerande element (15, 16) utgöres av halvledarskikt (18, 22) och att omgivande mate- rial (17, 19, 38, 23) utgöres av halvledarskikt som så nära som möjligt ansluter till gitterkonstanten hos det luminiscerande skiktet (18, 22) och som har större bandgap än det luminiscerande skiktet (18, 22).

7. Fíberoptiskt mätdon enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda halvledarskikt (17, 18, 19, 38, 22, 23) tillverkas av Ga Al As, In Ga As P och/eller andra ternära och kvarternära 1-x x x 1-x y 1-y III-V-halvledare, där x och y fås att variera från skikt till skikt för erhållande av önskade bandgapsrelationer, samt att de luniniscerande halv- ledarskikten (18, 22) dopas för erhållande av önskat luminiscensspektrum, t ex med Si, Mg eller Ge.

8. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 7, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda optiska spektralfilter (38) utgöres av ett av nämnda halvledarskikt (38) samt att detta skikt genom selektiv etsning avlägsnats på en eller flera delytor hos underliggande halvledarskikt (17).

9. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav8 , k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda delytor utformats som ett raster (fig 8), vilket kan röra sig relativt ett annat raster (H5).