SE511634C2 - Anordning för elektrooptisk mätning av tryck - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 511 634 2 kiselteknologi på det sätt som anges i patentansökan PCT/SE93/00393.

Det finns förut känt olika varianter av optiska sensorer för mätning av tryck. Oberoende av antalet delar som utnyttjas för sammanfogning av sensorkroppen ges den uppfinningsenliga sensorkroppen beteckningen "1, 2, 3".

Anordningens principiella uppbyggnad visas i figur 1.

Sensorkroppen 1, 2, 3 med kaviteten 4 sätts samman med en optisk sändare-mottagarenhet 6 via ett medium utgörande vacuum, luft, vätska, annan gas eller transparent fast material 5 för transport av den optiska signalen. Avståndet mellan sändare-mottagarenheten 6 och sensorkroppen l, 2, 3 kan variera beroende på tillämpning, från en variant där sändare-mottagarenheten 6 placeras i direkt kontakt med sensorkroppen 1, 2, 3 till längre avstånd där längden hos materialet 5 kan bestämmas av exempelvis ett rör. Sändare- mottagarenheten 6 består av en ljuskälla som emitterar ljus genonumediet 5 mot sensorkroppen 1, 2, 3. Ljuset penetrerar delen 1, interfererar i kaviteten 4, reflekteras mot delen 2 och återföres till mediet 5, varpå det tas emot i sändare-mottagarenheten 6 av en fotodetektor som levererar en elektrisk signal. Det återförda ljusets intensitet beror av interferensförhållandena inuti kaviteten 4, som är avhängiga kavitetens djup, vilket i sin tur bestäms av delens 2 böjning på grund av det yttre trycket. Den från fotodetektorn avgivna elektriska signalen blir därigenom ett mått på det yttre trycket. Sändare-mottagarenheten, bestående av ljuskälla och fotodetektor, kan även tänkas innehålla en elektronisk krets för matning av dessa båda komponenter samt för behandling av de elektriska signalerna från fotodetektorn. En sådan elektronik som kan utföras som en integrerad krets kan exempelvis innehålla en del för bruseliminering, en del för analog till digitalomvandling av den elektriska signalen eller en del för linearisering 10 15 20 25 30 35 511 634 3 av den elektriska sensorsignalen. Kombinationen av delar ingående i anordningen enligt figur l kan varieras på ett antal sätt så som anges i patentkraven och i nedanstående text.

Figur 2 visar en variant av anordningen i figur 1, där en ljuskälla 7 anbringas direkt mot sensorkroppen 1, 2, 3 så att ljuset 12 från ljuskällan 7 efter interferens i kaviteten 4 reflekteras tillbaka (13) till fotodetektorn 9.

Ljuskällan kan exempelvis vara en lysdiod matad från spänningskällan 8 och fotodetektorn kan vara en fotodiod matad från spänningskällan 10 med en amperemeter ll i den senare kretsen för att erhålla strömmen genom fotodioden som ett mått på det tryck som påverkar sensorkroppen 1, 2, 3.

Figur 3 visar en variant där ljuskällan 7 och fotodioden 9 är placerade på ytan av och elektriskt anslutna till en integrerad krets i form av ett halvledarchip 14, vilket innehåller den elektronik som beskrevs i stycket ovan. En annan, liknande möjlighet visas i figur 4 där ljuskällan 7 nedsänkts i en fördjupning i halvledarchipet 14 och fotodetektorn 9 utförts som en i halvledarchipet integrerad fotodiod.

I figur' 5 visas en variant där sensorkroppen 1, 2, 3 separerats från sändare-mottagarenheten 6, som kan utgöras av någon av varianterna beskrivna i anslutning till ovanstående eller nedanstående figurer, genom att anbringa de båda enheterna i varsin ände av ett rörformat distansstycke 15 med ett transmissionshål 16. Fördelen med denna geometri är att sändare-mottagarenheten 6 separeras från mätpunkten, där sensorkroppen finns, i sådana fall där mätpunkten står i kontakt med hög temperatur, aggressiva kemiska media eller annan svår miljö. Ljuset transporteras här i det medium som existerar inuti röret: vacuum, luft, 10 15 20 25 30 35 511 654 4 gas, vätska eller annat ämne som är transparent för ljusvåglängden ifråga. Vidare gäller att distansstycket 15 företrädesvis är sammanfogat med sensorkroppen 1, 2, 3 med hjälp av termisk eller anodisk bondning.

Figur 6 visar en variant av ovanstående, där det medium, hos vilket man önskar mäta trycket, leds in i transmissionshålet 16 hos röret 15 genom en öppning 17, varvid sensorkroppen 1, 2, 3 och sändare-mottagarenheten 6 hålls på plats av ändförslutningarna 18 och 19.

I figur 7 visas en praktisk lösning, där röret 15 med transmissionshålet 16 placerats i en kapsel, där det fasthålles av ändförslutningen 21. Kapseln 20 har en gängning 22 för infästning. Sändare-mottagarenheten representeras i figuren av en kapsel 23 med ljuskällan 7 och fotodetektorn 9 monterade och elektriskt kopplade till anslutningsbenen 24 för sammankoppling med elektronikkrets utanför sensoranordningen. Man kan naturligtvis även tänka sig att anordningen 7, 9, 23, 24 ersätts med en kapsel som innehåller en integrerad krets med ljuskälla och fotodiod så som beskrivits ovan. Sensorkroppen l, 2, 3 tätas mot insidan av kapseln 20 med en tätningsring 25. Längden hos röret 15 kan varieras beroende på tillämpning. För sådana fall där temperaturen hos mätpunkten inte är tillräckligt hög för att negativt påverka sändare-mottagarenheten kan röret 15 förkortas för att erhålla maximal effektivitet i en optiska överföringen mellan sändare-mottagarenheten 9, 7, 23, 24 och sensorkroppen 1, 2, 3.

Om sensorkroppen utföres i halvledande material, exempelvis kisel, kan ljuskälla och fotodetektor integreras som pn-övergångar med själva sensorkroppen l, 2, 3 på det sätt som visas i figur 8. Det kan man åstadkomma genom att ge områdena 26 och 27 omvända dopningar jämfört med delarna l och 2. Om exempelvis del l är en n-typ halvledare dopas 10 15 20 25 30 35 511 634 5 området 27 till att bli p-typ och vice versa. Därigenom uppstår pn-övergångar mellan områdena 1 och 27 samt på motsvarande sätt mellan områdena 2 och 26. Exempelvis kan pn-övergången 2, 26 utnyttjas som en fotodiod genom att den backspännes. För att åstadkomma detta görs en kontaktdopning 28 av samma laddningstyp som delen 2 men med högre koncentration av dopämne på det sätt som är vanligt inom IC-teknologi. Områdena 26 och 28 kan därmed anslutas galvaniskt till en spänningskälla 29 seriekopplad med en amperemeter 30. På motsvarande sätt kan en kontaktdopning 31 utföras för galvanisk anslutning av pn-övergången 1, 27 via en spänningskälla 32 så att pn-övergången 1, 27 blir framspänd. pn-övergången l, 27 fungerar därigenom som en lysdiod. Det emitterade ljuset 33 interfererar i kaviteten och transporteras vidare (34) till fotodioden 2, 26 där dess intensitet detekteras och blir ett mått på det yttre trycket när kavitetens 4 djup ändras på grund av en tryckändring på samma sätt som tidigare. Som nämnts ovan, kan sensorkroppen 1, 2, 3 även utföras utan distansskiktet 3 men med en i övrigt om delarna 1 och 2 utföres i n-respektive p-typ material.

De luminiscerande egenskaperna hos kisel är i regel mycket svaga även om en framspänd pn-övergång ofta ger en ljusemission som är enkelt detekterbar med en fotodiod i samma material. Under senare tid har en hel del forskning genomförts för att skapa effektivare lysdioder i kisel.

Sådana strukturer kan åstadkommas genom att dopa kislet med ett lämpligt rekombinationscentrum, exempelvis erbium (se E.King och D.G.Hall, Physical Review B, 50, 10661 (1994) samt referenser däri). Därigenom får man ljusemission i ett våglängdsområde som normalt inte är detekterbart med fotodioder i kisel. Emellertid kan känsligheten utökas hos fotodioden geom att dopa även den med ett generationscentrum som har en energinivå nära mitten av kislets energibandgap (se exempelvis O.Engström och 10 15 20 25 30 35 511 634' 6 H.G.Grimmeiss, Journal of Applied Physics 47, 4090 (1976)).

En variant av anordningen i figur 8 visas i figur 9. Här ligger fotodiodens dopning 26 i samma del 2 som lysdiodens 27. Ljuset 33 från lysdioden 27 interfererar i kaviteten 4 men reflekteras nu tillbaka till fotodioden 26. Såväl lysdiod som fotodiod är i detta fall anslutna till samma kontaktdopning 36 men lysdioden är framspänd av spänningskällan 35 medan fotodioden är backspänd av spänningskällan 29 samtidigt som dess ström mätes med den seriekopplade amperemetern 30. Figur 9 visar även en möjlighet att samtidigt mäta temperatur hos en komponent enligt figur 8 eller 9. Man skapar en pn-övergång 1,40 som inte påverkas av ljuset från lysdioden 2, 27 genom att placera den på sensorkroppen på ett sådant sätt att den är optiskt skärmad från lysdioden 2, 27. I figuren har detta angetts genom att placera pn-övergången 1,40 nära sensorkroppens kant. Även andra placeringar är möjliga, där optisk kontakt förhindras mellan lysdioden 2, 27 och pn-övergången 1, 40. Genom att backspänna pn-övergången 1, 40 genom en galvanisk koppling till kontaktdopningen 37 via spänningskällan 38 seriekopplad med amperemetern 39, blir den av amperemetern uppmätta strömmen ett mått på sensorkroppens temperatur. Därmed har man skapat en sensor för samtidig mätning av tryck och temperatur. Som nämnts ovan, kan sensorkroppen 1, 2, 3 även utföras utan distansskiktet 3 men med en i övrigt om delarna 1 och 2 utföres i n-respektive p-typ material.

I figur 10 visas en variant av anordningen enligt figurerna 8 och 9 där sensorkroppen är utförd som en pn-övergång med en kavitet 42 utförd i. själva övergången mellan p-typ halvledaren 40 och n-typ halvledaren 41. I var och en av delarna 40 och 41 är dopningar 43 och 44 utförda, där 43 är en n-typ-dopning och 44 är en gwtyp-dopning. Därigenom skapas även pn-övergångar 43, 40 respektive 44, 41. Två 10 15 20 25 30 511 634 7 kontaktdopingar 45 och 46 införes j. de två delarna 40 respektive 41 och spänningskällor 47 och 49 kopplas galvaniskt mellan kontaktdopningarna och pn-övergångarna i serie med varsin amperemeter 48 respektive 50 så som framgår av figur 10 så att båda pn-övergångarna 44, 41 och 43, 40 blir kontaktdopningarna 45 och 46 till en yttre spänningskälla backspända. Vidare ansluts de två 51 så att den pn-övergång som utgöres av de båda delarna 40 och 41 blir framspänd. Anordningen i figur 10 motsvarar då det ekvivalenta kretsschema som visas i figur ll. De elektriska nodernas numrering i figur ll motsvarar de numrerade områdena i figur 10. Strukturen i figur 10 utgör således tre stycken pn-övergångar där den ena är framspänd och emitterar ljus medan två är backspända och detekterar ljus. Genom att välja polarisering hos späningskällorna 47, 49 och 51, kan fotodiodfunktionen väljas lysdiodfunktionen respektive bland de tre pn-övergångarna. Vidare, genom att placera en av de ytligt godtyckligt belägna pn-övergångarna 43, 40 eller 44, 42 så att de är optiskt skärmade från den pn-övergång som valts att utgöra lysdiod, kan den utnyttjas för att mäta temperatur enligt samma princip som angavs i anslutning till figur 9.

Det påpekas att "direkt optisk kontakt" innefattar konstruktioner där en sändare-mottagarenhet är begreppet anordnad så att ingen överföring via en optisk fiber är nödvändig. Exempelvis kan detta ske genom att en ljuskälla är anordnad direkt angränsande till sensorkroppen (jfr. figur 1) eller genom att en sändar-mottagarenhet är anordnad på så att en optisk kontakt föreligger via ett transmissionshål, som eventuellt kan vara fyllt med transparent medium (jfr. figur 5).

Claims (3)

10 15 20 25 511 634 106870 PA 1998-ll-13 PATENTKRAV:

1. Anordning för tryck innefattande en sensorkropp som definieras av minst tvâ från varandra med ett molekylärt pålagt skikt (3) distanserade delar (1, 2), vilka delar (1, 2) är av halvledande material samt belägna på varsin sida om en kavitet (4), samt en i sensorkroppen integrerad optisk sändar-mottagarenhet, k ä n n e t e c k - n a d d ä r a v , att sändarenheten (1, 27) är utformad mätning av som en lysdiod och mottagarenheten (2, 26) är utformad som en fotodiod, varvid sändarenheten (1, 27) och, mottagar- enheten (2, 26) är integrerade i sensorkroppens delar (1, 2) genom att de är utformade som pn-övergångar i respektive del av sensorkroppen.

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att ytterligare en pn-övergång skapas i sensorkroppen för mätning av sensorkroppens temperatur.

3. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att den innefattar totalt tre pn-övergångar (40, 41; 43, 40; 44, 41) varvid en godtycklig av de tre pn-övergångarna utgör lysdiod medan de två andra utgör fotodiod respektive temperaturmätare.