WO2018215435A2 - Sensor und biosensor - Google Patents

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WO2018215435A2
WO2018215435A2 PCT/EP2018/063342 EP2018063342W WO2018215435A2 WO 2018215435 A2 WO2018215435 A2 WO 2018215435A2 EP 2018063342 W EP2018063342 W EP 2018063342W WO 2018215435 A2 WO2018215435 A2 WO 2018215435A2
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Simon Schwalenberg
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/064—Stray light conditioning

Definitions

  • the invention relates to a sensor and a biosensor.
  • Optical sensors may include a light source and a Lichtde ⁇ Tektor, wherein light from the light source to a sample, such as an object or body part applies, and scattered there and / or reflected. At the same time, a portion of light within the sample to absorb the ⁇ . Part of the reflected or scattered light strikes the light detector. An intensity of the light striking the light detector can then be evaluated and thus used to determine a measurement signal.
  • the light intensity of the light reflected from an object may depend on how far away the object is from the light source or the sensor. When the intensity of the reflected light exceeds a certain value, the object is close to, or at a certain distance from, the sensor. Thus, an approach of the object to the sensor can be determined.
  • the light source into a sample of biological material above the sensor depending on the biolo gical ⁇ processes that take place within the sample are absorbed to different extents.
  • the light from the light source in the sample is scattered and meets some ⁇ , to the light detector.
  • An intensity change of the scattered light leads to a variable signal of the Light detector and can be used to evaluate biological processes.
  • Such sensors should, if they are intended for installation in mobile systems such as watches, mobile phones or sensor wristbands, have the flatest possible design.
  • a disadvantage of such sensors is that generally a cover above the sensor is arranged and can enter a part of light emanating from the light source reflected from the cover, and without encountering the sample to Lichtdetek ⁇ tor. As a result, part of the existing light intensity is not used for the actual measurement, but worsens the measurement result as an interference signal. This is particularly disadvantageous if the sensor has a flat design, since then a relatively large proportion of the light emitted by the light source exits at a shallow angle, is reflected and then hits the Lichtde ⁇ detector.
  • An object of the invention is to divert light which could be incident on the light detector from the light source at a shallow angle in such a way that this light essentially does not arrive at the light detector.
  • a sensor has a light source, a light detector and a housing.
  • the housing has an upper side.
  • the light detector and the light source are arranged on the upper side of the housing. Between the light detector and the
  • Light source is arranged a web which comprises a material which absorbs or reflects light of at least one wavelength of the light ⁇ source.
  • the direct path between the light source and the light detector is influenced so that emanating from the light source Light, which emanates in the direction of the light detector, is absorbed or reflected by the web and thus can not reach the light detector.
  • a first cover is arranged, which has a deflection region and an incidence plane. The plane of incidence can be arranged pa rallel to the first ⁇ top of the housing.
  • the deflection region is designed in such a way that at least 80% of the light which strikes the plane of incidence of the first cover from a predetermined direction in the deflection region and impinges on the light detector is deflected away from the light detector due to an optical element.
  • the housing has a first cavity and a second cavity.
  • the light detector is arranged in the first cavity.
  • the light source is arranged in the second cavity.
  • Between the first cavity and the two ⁇ th cavity of the web is arranged.
  • Above the first Ka ⁇ vity the first cover is arranged.
  • the light which strikes the first cover from the predetermined direction in the deflection region has an angle of incidence of 80 degrees or greater.
  • the angle of incidence is the angle between a Senkrech ⁇ th the plane of incidence and the incident light beam.
  • An angle of incidence of 80 degrees or greater means that light falling very flat on the plane of incidence is directed away from the detector by means of the deflection range.
  • the deflection region is disposed between the light source and the light detector.
  • the first cover has a reflective coating as an optical element in the deflection region.
  • the first lid is flat on the side facing away from the housing. On the side facing the housing, the first cover is in the deflection as periodic
  • the incidence plane of the first lid is situated on the side remote from the housing side of the De ⁇ ckels.
  • the deflection region is implemented by means of prisms.
  • the prisms may be configured such that at least a portion of the light incident on the deflection region is reflected away from the light detector within the prisms.
  • the prisms have a triangular cross-section. A side surface of the prism acts as a reflection side, is reflected at the light which hits the Ablenkbe ⁇ rich, away from the light detector.
  • the triangular cross-section and thus the prisms may be executed ⁇ art that light which hits at a shallow angle of incidence to the deflection, is totally reflected on a side of the prism, and thus almost completely directed away from the detector.
  • the first lid comprises a material having a refractive index.
  • An angle of the triangular cross section of the prisms corresponds to at least twice the arc sinus of the reciprocal of the refractive index.
  • the dimensions of the prism are suitable for total reflection.
  • a second lid is disposed above the second cavity.
  • the second lid includes a plane parallel plate.
  • the light detector has a detector top side.
  • the deflection region extends from a first region near the web to a region determined by a vertical projection of the detector top onto the first cover. This will light, which is deflected starting from the light source at a shallow angle towards first cavity directed away by means of the Ablenkbe ⁇ kingdom from the detector. Light which strikes the first cover at a shallow angle above the light detector is not deflected, since no deflection region is provided there, and thus meets the first cavity without changing direction.
  • the geometrical arrangement can be chosen such that the light that meets the first lid outside the Ablenkberei ⁇ ches under such a shallow angle, does not impinge on the light detector, but the housing within the first cavity on the side opposite the light source side of the light detector meets.
  • the deflection region covers the light detector at most in half.
  • the deflection as the area is in a plane of the first lid, for example, the incident plane ⁇ executed.
  • the deflection region is subdivided into a first region and a second region, wherein the first region adjoins the bridge.
  • the second area has a curved boundary line in the plane of the first
  • the curvature of the curved boundary may be concave or convex.
  • the deflection region can be curved such that in a connection plane between the light source and the light detector, the deflection region has a smaller extent than in edge regions of the first cavity.
  • the first lid has a collection area.
  • the collecting region has a lens structure, whereby light which strikes the collecting region of the first lid with an angle of incidence of less than 60 degrees is refracted towards the light detector due to the lens structure. This allows steeper incident light, which holds with a greater probability of a signal to be evaluated, or a change in intensity evaluated ent ⁇ are bundled into the light detector.
  • the collection area is designed as a Fresnel lens.
  • Fresnel lenses are particularly suitable because a small focal length can be achieved with them despite the low height.
  • the senor is a biosensor.
  • One biosensor has a first light source, a second light source
  • Light source a light detector and a housing.
  • the housing has an upper side.
  • the light detector and the light sources are arranged on the upper side.
  • the first light source emits green light having a wavelength Zvi ⁇ rule 550 and 590 nanometers.
  • the second light source emit ⁇ advantage infrared radiation having a wavelength greater than 850 nanometers.
  • a web is arranged, which comprises a material which absorbs at least light of a wavelength of one of the two Lichtquel ⁇ len or reflected.
  • a first lid is arranged above ⁇ half of the light detector, and has a Ablenkbe- rich and a plane of incidence on.
  • the deflection region is designed in such a way that at least 80% of the light which strikes the plane of incidence of the first cover from a predetermined direction in the deflection region and would strike the light detector is deflected away from the light detector due to an optical element.
  • the two light sources mentioned which emit green light or infrared radiation, are suitable as biosensor, in particular for measuring a heart rate by means of the green light and the measurement of a Blood oxygen content by means of infrared radiation.
  • the green light is absorbed more or less strongly. Characterized applies more or less scattered green light on the light detector, wherein the periodic increase and decrease of the scattered light ge ⁇ with the same frequency as the heart frequency.
  • Oxygen-rich blood has in the region of the infra red radiation having a wavelength ⁇ larger than 850 nanometer a different absorption than the less oxygen-rich blood.
  • the reflected or scattered infrared radiation can be used to determine a blood oxygen content.
  • the light sources can be configured as a light-emitting ⁇ semiconductor chips, in particular as lichtemittie ⁇ -saving semiconductor chips with a suitable Konversionsmateri- al.
  • the biosensor, the light wel ⁇ ches from meets the predetermined direction in the deflection region on the first cover, an incident angle of 80 degrees or greater.
  • the angle of incidence is the angle between a normal of the plane of incidence and the incident light beam.
  • An angle of incidence of 80 degrees or greater means that light falling very flat on the plane of incidence is directed away from the detector by means of the deflection range.
  • the biosensor has a third light source.
  • the third light source emits red light with a wavelength between 640 and 680 nanometers.
  • Fig. 4 is a plan view of a first lid
  • FIG. 5 shows a further cross section through a sensor with a deflection region consisting of a plurality of prism-shaped structures
  • FIG. 6 is a plan view of a first lid with several ren prism-shaped structures.
  • Fig. 7 is a plan view of a sensor
  • Fig. 8 is a plan view of a sensor with a curved
  • FIG. 9 shows a cross section through a sensor, in which the first cover has a deflection region and a collecting area
  • 11 is a plan view of a biosensor.
  • FIG. 1 shows a sensor 100 with a light source 110 and a light detector 120.
  • the sensor 100 also has a housing 130. Above a top 133 of the housing 130, the light source 110 and the light detector 120 are angeord ⁇ net. Between the light source 110 and the light detector 120 a ridge 134 is disposed, wherein the ridge 134 comprises a material which at least one wavelength of the light
  • Light source 110 absorbs or reflects.
  • the web 134 may consist of the same material as the housing 130 and be part of the housing 130. It is also possible that the web 134 is placed on the housing 130.
  • the web 134 blocks the direct path from the light source 110 to the light detector 120.
  • a first lid 140 is arranged above the light detector 120.
  • the first lid 140 has a deflection region 141 and an incident plane 142.
  • the deflection region 141 is designed as a reflective coating 144 on a side of the first cover 140 facing the housing 130.
  • the reflective coating 144 of the deflection region 141 serves as an optical element 143, and is configured such that at least 80% of the light striking the deflection on the incidence plane 142 of the first De ⁇ ckels 140, is directed away from the light detector 120th
  • the deflection region 141 is arranged on a side 134 of the first cover 140 facing the web. Light which strikes the deflection region 141 of the first lid 140 from a given direction 136 with a relatively flat angle of incidence 137 and would reach the light detector 120 in a direct line is directed away from the light detector 120 by the reflective coating 144 of the deflection region 141.
  • the first lid 140 may comprise a glass or a transparent plastic.
  • the reflective coating 144 may likewise be arranged on the side of the first cover 140 facing away from the housing.
  • FIG. 2 shows a sensor 100 with a light source 110 and a light detector 120.
  • the sensor 100 also has a housing 130. Starting from a first top 133 of the
  • the housing 130 has a first cavity 131 so ⁇ as a second cavity 132. Between the first cavity 131 and the second cavity 132, a web 134 is arranged, wherein the web 134 comprises a material which absorbs or reflects light to ⁇ at least one wavelength of the light source 110.
  • the web 134 consists of the same Materi ⁇ al as the housing 130 and is part of the housing 130. Also, it is possible that the web 134 is inserted into the housing 130 and thereby separates the first cavity 131 of the second cavity 132 , The web 134 blocks the direct path from the light source 110 to the light detector 120. Above the first cavity 131, a first lid 140 is arranged above the first cavity 131.
  • the first lid 140 has a Ablenkbe ⁇ rich 141 and an incidence plane 142nd
  • the deflection region 141 is as a reflective coating 144 out ⁇ leads on a Ge ⁇ the housing 130 facing side of the first lid 140th
  • the reflective coating 144 of the deflection region 141 serves as an optical element 143 and is designed such that at least 80% of the light incident in the Ab ⁇ steering region to the incidence plane 142 of the first cover 140, is directed away from the light detector 120 while the ⁇ art.
  • the Ablenkbe rich ⁇ 141 is arranged on the web 134 of a side facing the first lid 140th Light which strikes the deflecting region 141 of the first cover 140 from a given direction 136 with a relatively flat angle of incidence 137 and would reach the light detector 120 in a direct line is directed away from the light detector 120 by the reflective coating 144 of the deflecting region 141.
  • the first lid 140 may comprise a glass or a transparent plastic.
  • a region 149 represents the vertical projection of the detector top side 121 onto the first cover 140.
  • the reflective coating 144 may likewise be arranged on the side of the first cover 140 facing away from the housing.
  • the light that hits from the predetermined direction 136 in the deflection region 141 on the first cover an incidence angle 137 of 80 degrees or RESIZE ⁇ SSER on.
  • the angle of incidence 137 is an angle between a normal to the plane of incidence 142 and the incident light.
  • the deflection region 141 is, as shown in FIG. 2, arranged between the light source 110 and the light detector 120.
  • the light source 110 can have a light emitting semi-conductor chip ⁇ . This can be provided with a conversion luminescent material.
  • the light detector 120 may include a photodiode.
  • the housing 130 may be made of a plastic or of metal, wherein connection elements not shown in the figures for the light source 110 and the Lichtdetek ⁇ gate 120 may be provided.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a sensor 100, which substantially corresponds to the sensor 100 of FIG. 2. Only the optical element 143 in the deflection region 141 of the first cover 140 is embodied differently in the sensor 100 of FIG. On a side of the first cover 140 facing the housing, a prism-shaped structure 145 which is triangular in cross-section and serves as an optical element 143 is arranged.
  • the prism-shaped structure 145 has a Refle ⁇ xionsseite 146 which is disposed on the side facing away from the web 134 of the prismatic structure 145th
  • An angle 147 between the underside of the first cover 140 and the reflection side 146 is so great that light which strikes the incidence plane 142 of the first cover 140 from a predetermined direction 136 at an angle of incidence 137 and which hits the light without the deflection region 141 Detector 120 would meet due to the refraction of light within the first lid 140 with the prismatic structure
  • FIG. 4 shows a plan view of the underside of the first cover 140 of FIG. 3.
  • the prism-shaped structure 145 is arranged on the underside.
  • the light that hits from the predetermined direction 136 in the deflection region 141 on the first cover an incidence angle 137 of 80 degrees or RESIZE ⁇ SSER on.
  • the angle of incidence 137 is an angle between a perpendicular to the plane of incidence 142 and the incident light.
  • the deflection region 141 is arranged between the light source 110 and the light detector 120.
  • the angle 147 can also be chosen so that light with a steeper angle of incidence 137, for example 70 or 65 degrees with respect to the perpendicular to the plane of incidence 142, on ⁇ basis of the total reflection at the reflection side 146 of
  • Light detector 120 is directed away.
  • FIG. 5 shows a further cross section through a sensor 100, which essentially corresponds to the sensor 100 of FIG. 3.
  • the sensor 100 of FIG. 5 has a plurality of mutually identical prismatic structures 145.
  • the prism-shaped structures 145 are arranged next to one another and adjacent to each other and each have a reflection side 146 and an angle 147 analogous to FIG. Due to the fact that the deflection region comprises an arrangement of a plurality of prism-shaped structures 145, an overall height of the first cover 140 can be reduced.
  • the first cover is thus executed in the deflection region 141 on the side facing the housing 130 as a periodic arrangement of prisms 145.
  • An area 149 represents the vertical Projection of the detector top 121 on the first cover 140 is.
  • FIG. 6 shows a plan view of the underside of the first cover 140 of FIG. 5.
  • Two prism-shaped structures 145 are arranged on the underside.
  • the incident direction from the specified differently surrounded light 136 is totally reflected at the reflection side 146, the reflection side must be 146 stei ⁇ ler as another side 148 of the prism-shaped
  • the prism-shaped structures 145 are arranged such that the reflection side 146 faces one of the two prism-shaped structures 145 of the further side 148 of the other of the two prism-shaped structures 145.
  • the prism-shaped structures 145 of the first cover 140 of FIGS. 3 to 6 may alternatively also be arranged on the side of the first cover 140 facing away from the light detector 120.
  • Shown in dashed lines in FIGS. 2, 3 and 5 is an optio ⁇ second second cover 160 which is disposed above the second cavity 132 and designed as a plane-parallel plate.
  • the second lid 160 may comprise a glass or a plastic.
  • the first cover 140 and the second cover 160 can also be made in one piece.
  • the baffle portions 146 can 141 of Fig. 3 to 6 with prisms another base, for example with egg nem quadrangular or pentagonal cross-section, are executed.
  • more than two prismatic structures 145 may be provided.
  • the first lid 140 and the prismatic structure 145 comprise a material having a first refractive index.
  • the angle 147 between the reflection ⁇ side 146 and the underside of the lid 140 corresponds to at least twice the Arkussinus the reciprocal of the Refractive index of the material.
  • a region 149 represents the vertical projection of the detector top 121 onto the first cover 140.
  • FIG. 7 shows a plan view of a sensor 100, which essentially corresponds to one of the sensors 100 of FIGS. 2 to 6.
  • the housing 130 has a first cavity 131 and a second cavity 132, wherein a light detector 120 is arranged in the first cavity and a light source 110 is arranged in the second cavity.
  • a ridge 134 is disposed between the cavities 131, 132.
  • a first cover 140 is arranged with a deflection region 141.
  • the deflection region 141 adjoins the web 134.
  • the deflection region 141 is made so narrow in the direction of the light detector 120 that the deflection region 141 does not cover the light detector 120. This corresponds Wesent ⁇ union of view of the sensor 100 of FIG. 2, wherein the reflective coating 144 to light detector 120 is not covered.
  • the deflection region 141 may also be the prismatic structures of FIGS. 3 to 6.
  • a region 149 represents the vertical projection of the
  • the Be ⁇ rich 148 is therefore angeord ⁇ net outside the deflection 141. It can be provided that the deflection region 141, as shown in FIGS. 3 and 5, partially covers the light detector 120. As a result, the deflection region 141 and the region 148 overlap. In one exemplary embodiment, the deflection region 141 covers the light detector 120 by a maximum of half.
  • Fig. 8 shows a top view of a sensor 100 which corresponds We ⁇ sentlichen the sensor 100 of Fig. 6.
  • the deflection region 141 is formed as a periodic arrangement of prismatic structures 145.
  • the prism-shaped structures 145 are curved in a plane of the first cover 140 in such a way that the prism-shaped structures 145 adjoin the web 134 in a middle 138 of the web 134 in a first region 153 and away from the web 134 outside the center 138 of the web 134 are curved.
  • the deflection region 141 In a second region 154, which is opposite the web 134, the deflection region 141 has a curved boundary line 155.
  • the prism-shaped structures 145 may be arranged at a middle 138 of the web 134 spaced from the web 134. In edge regions 135 of the first cavity 131, the prism-shaped structures 145 of the deflection region 141 thus do not adjoin the web 134. As a result, laterally incident light can also be directed away from the light detector 120.
  • the lid of Figure 8 can, even a prism-shaped structure 145 analogous to Fig. 3 or a reflec ⁇ Rende coating having analogous to FIG. 2, which is also curved as shown in Fig. 8.
  • a curvature is concave.
  • the deflection region has adjacent the center 138 of the web 134 from its greatest expansion ⁇ 141 and has a smaller extent in the edge regions of the 135th Characterized the curvature of the Ablenkbe ⁇ Reich 141 is convex.
  • the curved boundary line 155 can thus be concave or convex curved.
  • FIG. 9 shows a cross section through a sensor 100, in which the deflection region 141 is constructed analogously to FIG. 5 from a periodic arrangement of prisms 145.
  • the deflection region 141 partially covers the light detector 120 in the region 149, which in turn is a vertical projection of the detector surface 121 onto the first cover 140.
  • Adjacent to the deflection region 141, the first lid 140 has a Collection area 151 on.
  • the collecting region 151 has a lens structure, wherein light which impinges on the collecting region 151 of the first lid 140 with an incident angle of less than 60 degrees is refracted towards the light detector 120 due to the lens structure.
  • the lens structure is designed with Fresnel lens elements 152.
  • FIG. 10 shows a plan view of the underside of the first lid of FIG. 9.
  • Four prism shaped structures 145 which are arranged parallel to the web 134, forming the Ablenkbe ⁇ rich and 141 are analogous to FIGS. 3 to 6 constructed. Al ternatively ⁇ the prism-shaped structures may also have a convex or concave curvature similar to FIG. 8145.
  • Adjacent to the deflection region 141, the first cover 140 Adjacent to the deflection region 141, the first cover 140 has a collection region 151.
  • the collecting area 151 has a lens structure made with Fresnel lens elements 152. A center of the collecting area 151 is disposed above a center of the light detector 120.
  • the first lid 140 with the deflection range as prism shaped structures 145, and optionally the collecting area 151 with the Fresnel lens elements can be thereby overlapge- as a shaped body is, for example, as injection molding or casting ⁇ body.
  • the exemplary embodiments according to FIGS. 1 to 10 can also have more than one light source 110 in the second cavity 132.
  • the light sources 110 may then have different or identical wavelengths.
  • FIG. 11 shows a plan view of a biosensor 200 having a first light source 111 and a second light source 112, a light detector 120 and a housing 130.
  • the Ge ⁇ housing 130 has analogous to housing 130 of FIG. 2, a first upper surface 133. Starting from the first upper side 133, the housing 130 has a first cavity 131 and a second cavity Cavity 132 on.
  • a web 134 is analogous to Fig. 2 disposed between the first cavity 131 and second cavity 132 and consists of a material which at least light ei ⁇ ner of the light sources 111, absorbs or reflects the 112th
  • a first cover 140 is arranged with a deflection region 141.
  • the first light source 111 emits green light while a wavelength 550-590 nanometers, while the second light source 112 emits infra red radiation ⁇ having a wavelength greater than 850 nanometers.
  • the deflection region 141 is alsobil ⁇ det in such a way that at least 80% of the light, which from a pre ⁇ handed direction 136 with a relatively shallow angle of incidence 137 similar to FIGS. 2, 3 and 5 to the deflection region 141 of the first lid 140 meets and in the direct line the
  • Light detector 120 would be directed by the deflection 141 from the light detector 120 away.
  • the first lid 140 may comprise a glass or a transparent plastic.
  • the first light source 111 and the second light source 112 may each comprise a light-emitting semiconductor chip. Further, the first light source 111 and the two ⁇ te light source 112 may have a conversion phosphor.
  • a third light source 113 in the second cavity 132 angeord ⁇ net is also shown in FIG. 11, however, in dashed lines.
  • This third light source emits red light with a wavelength between 640 and 680 nanometers.
  • Light source 113 may also include a semiconductor light-emitting ⁇ conductor chip and a sen conversion phosphor comprehensive.
  • the biosensor 200 is adapted by the first light source 111 by placing the biosensor 200 on a Ge ⁇ tissue with blood vessels, a heart rate and to identify a blood ⁇ oxygen content by means of the two-th 112 and possibly the third light source 113th
  • the deflection region 141 is scattered light, which at a shallow angle of incidence 137 hits the first cover 140, deflected away from the light detector 120.
  • a plurality of light detectors each with a filter for the wavelengths emanating from the light sources 111, 112, 113, can be arranged in the first cavity 131.
  • the further embodiments of the first lid 140 and the optional second lid 160, as described in FIGS. 1 to 10, can also be arranged on the biosensor 200 of FIG. 11.
  • the biosensor 200 according to the embodiments of Figs. 1 to 10 may be formed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor, aufweisend eine Lichtquelle, einen Lichtdetektor und ein Gehäuse. Das Gehäuse weist eine erste Oberseite und ausgehend von der ersten Oberseite eine erste Kavität und eine zweite Kavität auf. Der Lichtdetektor ist in der ersten Kavität angeordnet. Die Lichtquelle ist in der zweiten Kavität angeordnet. Zwischen der ersten Kavität und der zweiten Kavität ist ein Steg angeordnet, der ein Material aufweist, welches Licht zumindest einer Wellenlänge der Lichtquelle absorbiert oder reflektiert. Ein erster Deckel ist oberhalb der ersten Kavität angeordnet und weist einen Ablenkbereich und eine Einfallsebene auf. Der Ablenkbereich ist in der Weise ausgebildet, dass mindestens 80 % des Lichts, das im Ablenkbereich auf die Einfallsebene des ersten Deckels aus einer vorgegebenen Richtung trifft und auf den Lichtdetektor treffen würde, aufgrund eines optischen Elements vom Lichtdetektor weg gelenkt wird.

Description

SENSOR UND BIOSENSOR
BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft einen Sensor und einen Biosensor.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 111 202.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Optische Sensoren können eine Lichtquelle und einen Lichtde¬ tektor aufweisen, wobei Licht der Lichtquelle auf eine Probe, beispielsweise einen Gegenstand oder ein Köperteil, trifft und dort gestreut und/oder reflektiert wird. Gleichzeitig kann ein Teil des Lichts innerhalb der Probe absorbiert wer¬ den. Ein Teil des reflektierten beziehungsweise gestreuten Lichts trifft auf den Lichtdetektor. Eine Intensität des auf den Lichtdetektor treffenden Lichts kann anschließend ausgewertet und somit zur Ermittlung eines Messsignals verwendet werden.
Bei einem optischen Näherungssensor kann beispielsweise die Lichtintensität des von einem Gegenstand reflektierten Lichts davon abhängen, wie weit der Gegenstand von der Lichtquelle beziehungsweise dem Sensor entfernt ist. Wenn die Intensität des reflektierten Lichts einen bestimmten Wert überschreitet, so ist der Gegenstand nah, oder in einem bestimmten Abstand, vom Sensor angeordnet. Damit kann eine Annäherung des Gegenstands an den Sensor bestimmt werden.
Bei einem Biosensor kann Licht der Lichtquelle in eine Probe aus biologischem Material oberhalb des Sensors je nach biolo¬ gischen Vorgängen, die innerhalb der Probe stattfinden, unterschiedlich stark absorbiert werden. Gleichzeitig wird das Licht der Lichtquelle in der Probe gestreut und trifft teil¬ weise auf den Lichtdetektor. Eine Intensitätsänderung des gestreuten Lichts führt zu einem veränderlichen Signal des Lichtdetektors und kann zur Auswertung biologischer Prozesse herangezogen werden.
Solche Sensoren sollen, wenn sie zum Einbau in mobile Systeme wie beispielsweise Uhren, Mobiltelefone oder Sensorarmbänder vorgesehen sind, eine möglichst flache Bauform aufweisen.
Nachteilig bei solchen Sensoren ist, dass im Allgemeinen eine Abdeckung oberhalb des Sensors angeordnet ist und ein Teil des von der Lichtquelle ausgehenden Lichts von der Abdeckung reflektiert und ohne auf die Probe zu treffen zum Lichtdetek¬ tor gelangen kann. Dadurch wird ein Teil der vorhandenen Lichtintensität nicht für die eigentliche Messung genutzt, sondern verschlechtert als Störsignal das Messergebnis. Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn der Sensor eine flache Bauform aufweist, da dann ein relativ großer Anteil des von der Lichtquelle ausgehenden Lichts in einem flachen Winkel austritt, reflektiert wird und anschließend auf den Lichtde¬ tektor trifft.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, Licht, welches von der Lichtquelle ausgehend in einem flachen Winkel auf den Licht¬ detektor fallen könnte, derart abzulenken, dass dieses Licht im Wesentlichen nicht am Lichtdetektor ankommt.
Diese Aufgabe wird mit dem Sensor und dem Biosensor der unab¬ hängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausge¬ staltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Ein Sensor weist eine Lichtquelle, einen Lichtdetektor und ein Gehäuse auf. Das Gehäuse weist eine Oberseite auf. Der Lichtdetektor und die Lichtquelle sind auf der Oberseite des Gehäuses angeordnet. Zwischen dem Lichtdetektor und der
Lichtquelle ist ein Steg angeordnet, der ein Material auf- weist, welches Licht zumindest einer Wellenlänge der Licht¬ quelle absorbiert oder reflektiert. Durch diesen Steg wird der direkte Weg zwischen der Lichtquelle und dem Lichtdetektor derart beeinflusst, dass von der Lichtquelle ausgehendes Licht, welches in Richtung des Lichtdetektors ausgeht, vom Steg absorbiert oder reflektiert wird und somit nicht auf den Lichtdetektor gelangen kann. Oberhalb des Lcihtdetektors ist ein erster Deckel angeordnet, der einen Ablenkbereich und ei- ne Einfallsebene aufweist. Die Einfallsebene kann dabei pa¬ rallel zur ersten Oberseite des Gehäuses angeordnet sein. Der Ablenkbereich ist in der Weise ausgebildet, dass mindestens 80 % des Lichts, das im Ablenkbereich auf die Einfallsebene des ersten Deckels aus einer vorgegebenen Richtung trifft und auf den Lichtdetektor treffen würde, aufgrund eines optischen Elements vom Lichtdetektor weg gelenkt wird.
Dies gilt insbesondere für Licht, welches die Lichtquelle un¬ ter einem sehr flachen Winkel verlässt, jedoch oberhalb des Steges von einer Abdeckung reflektiert wird und direkt auf den Lichtdetektor treffen würde.
In einer Ausführungsform weist das Gehäuse eine erste Kavität und eine zweite Kavität auf. Der Lichtdetektor ist in der ersten Kavität angeordnet. Die Lichtquelle ist in der zweiten Kavität angeordnet. Zwischen der ersten Kavität und der zwei¬ ten Kavität ist der Steg angeordnet. Oberhalb der ersten Ka¬ vität ist der erste Deckel angeordnet. In einer Ausführungsform weist das Licht, welches aus der vorgegebenen Richtung im Ablenkbereich auf den ersten Deckel trifft, einen Einfallswinkel von 80 Grad oder größer auf. Der Einfallswinkel ist dabei der Winkel zwischen einer Senkrech¬ ten der Einfallsebene und dem einfallenden Lichtstrahl. Ein Einfallswinkel von 80 Grad oder größer bedeutet, dass Licht, welches sehr flach auf die Einfallsebene fällt, mittels des Ablenkbereichs vom Detektor weg gelenkt wird.
In einer Ausführungsform ist der Ablenkbereich zwischen der Lichtquelle und dem Lichtdetektor angeordnet.
Es kann vorgesehen sein, dass auch Licht mit steileren Einfallswinkeln, beispielsweise mit mindestens 70 Grad oder min- destens 65 Grad, mittels des Ablenkbereichs vom Lichtdetektor weg gelenkt wird.
In einer Ausführungsform weist der erste Deckel im Ablenkbe- reich eine reflektierende Beschichtung als optisches Element auf .
In einer Ausführungsform ist der erste Deckel auf der dem Gehäuse abgewandten Seite eben. Auf der dem Gehäuse zugewandten Seite ist der erste Deckel im Ablenkbereich als periodische
Anordnung von Prismen ausgeführt, wobei die Prismen als opti¬ sches Element dienen. Dadurch liegt die Einfallsebene des ersten Deckels auf der dem Gehäuse abgewandten Seite des De¬ ckels. Auf der dem Lichtdetektor zugewandten Seite ist der Ablenkbereich mittels Prismen ausgeführt. Die Prismen können derart ausgeführt sein, dass mindestens ein Teil des auf den Ablenkbereich auftreffenden Lichts innerhalb der Prismen vom Lichtdetektor weg reflektiert wird. In einer Ausführungsform weisen die Prismen einen dreieckigen Querschnitt auf. Eine Seitenfläche des Prismas wirkt dabei als Reflexionsseite, an der Licht, welches auf den Ablenkbe¬ reich trifft, vom Lichtdetektor weg reflektiert wird. Der dreieckige Querschnitt und damit die Prismen können der¬ art ausgeführt sein, dass Licht, welches unter einem flachen Einfallswinkel auf den Ablenkbereich trifft, an einer Seite des Prismas totalreflektiert und somit nahezu vollständig vom Detektor weg gelenkt wird.
In einer Ausführungsform weist der erste Deckel ein Material mit einem Brechungsindex auf. Ein Winkel des dreieckigen Querschnitts der Prismen entspricht mindestens dem Doppelten des Arkussinus des Kehrwerts des Brechungsindexes. Damit sind die Abmessungen des Prismas für eine Totalreflexion geeignet.
In einer Ausführungsform ist ein zweiter Deckel oberhalb der zweiten Kavität angeordnet. Der zweite Deckel umfasst eine planparallele Platte. Dadurch kann die Lichtquelle abgedeckt und somit vor äußeren Einflüssen geschützt werden.
In einer Ausführungsform weist der Lichtdetektor eine Detek- toroberseite auf. Der Ablenkbereich erstreckt sich ausgehend von einem ersten Bereich nahe des Steges bis zu einem Bereich, der durch eine senkrechte Projektion der Detektoroberseite auf den ersten Deckel bestimmt ist. Dadurch wird Licht, welches ausgehend von der Lichtquelle in einem flachen Winkel Richtung erste Kavität abgelenkt wird, mittels des Ablenkbe¬ reichs vom Detektor weg gelenkt. Licht, welches oberhalb des Lichtdetektors in einem flachen Winkel auf den ersten Deckel trifft, wird, da dort kein Ablenkbereich vorgesehen ist, nicht abgelenkt und trifft somit ohne Richtungsänderung in die erste Kavität. Die geometrische Anordnung kann dabei so gewählt werden, dass das Licht, welches unter einem solchen flachen Winkel den ersten Deckel außerhalb des Ablenkberei¬ ches trifft, nicht auf den Lichtdetektor trifft, sondern das Gehäuse innerhalb der ersten Kavität auf der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite des Lichtdetektors trifft.
In einer Ausführungsform überdeckt der Ablenkbereich den Lichtdetektor maximal zur Hälfte. In einer Ausführungsform ist der Ablenkbereich als Fläche in einer Ebene des ersten Deckels, beispielsweise der Einfalls¬ ebene, ausgeführt. Der Ablenkbereich ist in einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich unterteilt, wobei der erste Bereich an den Steg angrenzt. Der zweite Bereich weist eine gekrümmte Begrenzungslinie auf, die in der Ebene des ersten
Deckels angeordnet sein kann. Die Krümmung der gekrümmten Begrenzungslinie kann konkav oder konvex sein. Beispielsweise kann der Ablenkbereich derart gekrümmt sein, dass in einer Verbindungsebene zwischen der Lichtquelle und dem Lichtdetek- tor der Ablenkbereich eine kleinere Ausdehnung aufweist als in Randbereichen der ersten Kavität. In einer Ausführungsform weist der erste Deckel einen Sammelbereich auf. Der Sammelbereich weist eine Linsenstruktur auf, wobei Licht, welches mit einem Einfallswinkel kleiner als 60 Grad auf den Sammelbereich des ersten Deckels trifft, auf- grund der Linsenstruktur zum Lichtdetektor hin gebrochen wird. Dadurch kann steiler einfallendes Licht, welches mit einer größeren Wahrscheinlichkeit ein auszuwertendes Signal beziehungsweise eine auszuwertende Intensitätsänderung ent¬ hält, zum Lichtdetektor hin gebündelt werden.
In einer Ausführungsform ist der Sammelbereich als Fresnel- Linse ausgeführt. Fresnel-Linsen sind insbesondere geeignet, da mit ihnen trotz geringer Bauhöhe eine kleine Brennweite erzielt werden kann.
In einer Ausführungsform ist der Sensor ein Biosensor.
Ein Biosensor weist eine erste Lichtquelle, eine zweite
Lichtquelle, einen Lichtdetektor und ein Gehäuse auf. Das Ge- häuse weist eine Oberseite auf. Der Lichtdetektor und die Lichtquellen sind auf der Oberseite angeordnet. Die erste Lichtquelle emittiert grünes Licht mit einer Wellenlänge zwi¬ schen 550 und 590 Nanometern. Die zweite Lichtquelle emit¬ tiert Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge größer als 850 Nanometer. Zwischen den Lichtquellen und dem Lichtdetektor ist ein Steg angeordnet, der ein Material aufweist, welches Licht zumindest einer Wellenlänge einer der beiden Lichtquel¬ len absorbiert oder reflektiert. Ein erster Deckel ist ober¬ halb des Lichtdetektors angeordnet und weist einen Ablenkbe- reich und eine Einfallsebene auf. Der Ablenkbereich ist in der Weise ausgebildet, dass mindestens 80 % des Lichts, das im Ablenkbereich auf die Einfallsebene des ersten Deckels aus einer vorgegebenen Richtung trifft und auf den Lichtdetektor treffen würde, aufgrund eines optischen Elements vom Lichtde- tektor weg gelenkt wird. Die beiden genannten Lichtquellen, die grünes Licht beziehungsweise Infrarotstrahlung aussenden, sind als Biosensor geeignet, insbesondere zur Messung einer Herzfrequenz mittels des grünen Lichts und der Messung eines Blutsauerstoffgehalts mittels der Infrarotstrahlung. Je nach Anzahl der roten Blutkörperchen in einem Blutgefäß wird das grüne Licht stärker oder weniger stark absorbiert. Dadurch trifft mehr oder weniger gestreutes grünes Licht auf den Lichtdetektor, wobei die periodische Zu- und Abnahme des ge¬ streuten Lichts mit derselben Frequenz wie die Herzfrequenz erfolgt. Sauerstoffreiches Blut weist im Bereich der Infra¬ rotstrahlung mit einer Wellenlänge größer als 850 Nanometer eine andere Absorption auf als weniger Sauerstoffreiches Blut. Somit kann die reflektierte beziehungsweise gestreute Infrarotstrahlung zur Ermittlung eines Blutsauerstoffgehalts verwendet werden. Die Lichtquellen können dabei als licht¬ emittierende Halbleiterchips, insbesondere als lichtemittie¬ rende Halbleiterchips mit einem geeigneten Konversionsmateri- al ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform des Biosensors weist das Licht, wel¬ ches aus der vorgegebenen Richtung im Ablenkbereich auf den ersten Deckel trifft, einen Einfallswinkel von 80 Grad oder größer auf. Der Einfallswinkel ist dabei der Winkel zwischen einer Senkrechten der Einfallsebene und dem einfallenden Lichtstrahl. Ein Einfallswinkel von 80 Grad oder größer bedeutet, dass Licht, welches sehr flach auf die Einfallsebene fällt, mittels des Ablenkbereichs vom Detektor weg gelenkt wird.
In einer Ausführungsform weist der Biosensor eine dritte Lichtquelle auf. Die dritte Lichtquelle emittiert rotes Licht mit einer Wellenlänge zwischen 640 und 680 Nanometern.
Dadurch kann die Messung des Blutsauerstoffgehalts verbessert werden .
Die für den Sensor beschriebenen weiteren Ausführungsformen können ebenso für den Biosensor angewendet werden.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam- menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Darstel lung
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Sensor;
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Sensor;
Fig. 3 einen weiteren Querschnitt durch einen Sensor;
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen ersten Deckel;
Fig. 5 einen weiteren Querschnitt durch einen Sensor mit einem Ablenkbereich bestehend aus mehreren pris- menförmigen Strukturen;
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen ersten Deckel mit mehre ren prismenförmigen Strukturen;
Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Sensor;
Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Sensor mit gekrümmtem
Ablenkbereich;
Fig. 9 einen Querschnitt durch einen Sensor, bei dem der erste Deckel einen Ablenkbereich und einen Sammel bereich aufweist;
Fig.10 eine Draufsicht auf einen ersten Deckel mit Ab¬ lenkbereich und Sammelbereich; und
Fig. 11 eine Draufsicht auf einen Biosensor.
Fig. 1 zeigt einen Sensor 100 mit einer Lichtquelle 110 und einem Lichtdetektor 120. Der Sensor 100 weist ferner ein Gehäuse 130 auf. Oberhalb einer Oberseite 133 des Gehäuses 130 sind die Lichtquelle 110 und der Lichtdetektor 120 angeord¬ net. Zwischen der Lichtquelle 110 und dem Lichtdetektor 120 ist ein Steg 134 angeordnet, wobei der Steg 134 ein Material aufweist, welches Licht zumindest einer Wellenlänge der
Lichtquelle 110 absorbiert oder reflektiert. Der Steg 134 kann dabei aus demselben Material wie das Gehäuse 130 beste- hen und Teil des Gehäuses 130 sein. Ebenfalls ist es möglich, dass der Steg 134 auf das Gehäuse 130 aufgesetzt. Durch den Steg 134 ist der direkte Weg von der Lichtquelle 110 zum Lichtdetektor 120 versperrt. Oberhalb des Lichtdetektors 120 ist ein erster Deckel 140 angeordnet. Der erste Deckel 140 weist einen Ablenkbereich 141 und eine Einfallsebene 142 auf. Der Ablenkbereich 141 ist als reflektierende Beschichtung 144 auf einer dem Gehäuse 130 zugewandten Seite des ersten Deckels 140 ausgeführt. Die reflektierende Beschichtung 144 des Ablenkbereichs 141 dient dabei als optisches Element 143 und ist dabei derart ausgeführt, dass mindestens 80 % des Lichts, das im Ablenkbereich auf die Einfallsebene 142 des ersten De¬ ckels 140 trifft, vom Lichtdetektor 120 weggelenkt wird. Der Ablenkbereich 141 ist dabei auf einer dem Steg 134 zugewandten Seite des ersten Deckels 140 angeordnet. Licht, welches aus einer vorgegebenen Richtung 136 mit einem relativ flachen Einfallswinkel 137 auf den Ablenkbereich 141 des ersten Deckels 140 trifft und in direkter Linie den Lichtdetektor 120 erreichen würde, wird durch die reflektierende Beschichtung 144 des Ablenkbereichs 141 vom Lichtdetektor 120 weg gelenkt. Der erste Deckel 140 kann ein Glas oder einen transparenten Kunststoff aufweisen.
Alternativ zum in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die reflektierende Beschichtung 144 ebenfalls auf der der dem Gehäuse abgewandten Seite des ersten Deckels 140 angeordnet sein .
Fig. 2 zeigt einen Sensor 100 mit einer Lichtquelle 110 und einem Lichtdetektor 120. Der Sensor 100 weist ferner ein Ge- häuse 130 auf. Ausgehend von einer ersten Oberseite 133 des
Gehäuses 130 weist das Gehäuse 130 eine erste Kavität 131 so¬ wie eine zweite Kavität 132 auf. Zwischen der ersten Kavität 131 und der zweiten Kavität 132 ist ein Steg 134 angeordnet, wobei der Steg 134 ein Material aufweist, welches Licht zu¬ mindest einer Wellenlänge der Lichtquelle 110 absorbiert oder reflektiert. Der Steg 134 besteht dabei aus demselben Materi¬ al wie das Gehäuse 130 und ist Teil des Gehäuses 130. Eben- falls ist es möglich, dass der Steg 134 in das Gehäuse 130 eingesetzt wird und dadurch die erste Kavität 131 von der zweiten Kavität 132 trennt. Durch den Steg 134 ist der direkte Weg von der Lichtquelle 110 zum Lichtdetektor 120 versperrt. Oberhalb der ersten Kavität 131 ist ein erster Deckel 140 angeordnet. Der erste Deckel 140 weist einen Ablenkbe¬ reich 141 und eine Einfallsebene 142 auf. Der Ablenkbereich 141 ist als reflektierende Beschichtung 144 auf einer dem Ge¬ häuse 130 zugewandten Seite des ersten Deckels 140 ausge¬ führt. Die reflektierende Beschichtung 144 des Ablenkbereichs 141 dient dabei als optisches Element 143 und ist dabei der¬ art ausgeführt, dass mindestens 80 % des Lichts, das im Ab¬ lenkbereich auf die Einfallsebene 142 des ersten Deckels 140 trifft, vom Lichtdetektor 120 weggelenkt wird. Der Ablenkbe¬ reich 141 ist dabei auf einer dem Steg 134 zugewandten Seite des ersten Deckels 140 angeordnet. Licht, welches aus einer vorgegebenen Richtung 136 mit einem relativ flachen Einfallswinkel 137 auf den Ablenkbereich 141 des ersten Deckels 140 trifft und in direkter Linie den Lichtdetektor 120 erreichen würde, wird durch die reflektierende Beschichtung 144 des Ab- lenkbereichs 141 vom Lichtdetektor 120 weg gelenkt. Der erste Deckel 140 kann ein Glas oder einen transparenten Kunststoff aufweisen. Ein Bereich 149 stellt die senkrechte Projektion der Detektoroberseite 121 auf den ersten Deckel 140 dar. Alternativ zum in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die reflektierende Beschichtung 144 ebenfalls auf der der dem Gehäuse abgewandten Seite des ersten Deckels 140 angeordnet sein . In einem Ausführungsbeispiel weist das Licht, welches aus der vorgegebenen Richtung 136 im Ablenkbereich 141 auf den ersten Deckel trifft, einen Einfallswinkel 137 von 80 Grad oder grö¬ ßer auf. Der Einfallswinkel 137 ist dabei ein Winkel zwischen einer Senkrechten zur Einfallsebene 142 und dem einfallenden Licht. Der Ablenkbereich 141 ist dabei, wie in Fig. 2 gezeigt, zwischen der Lichtquelle 110 und dem Lichtdetektor 120 angeordnet .
Die Lichtquelle 110 kann dabei einen lichtemittierenden Halb¬ leiterchip aufweisen. Dieser kann mit einem Konversionsleuchtstoff versehen sein. Der Lichtdetektor 120 kann eine Fotodiode umfassen. Das Gehäuse 130 kann aus einem Kunststoff oder aus Metall bestehen, wobei in den Figuren nicht gezeigte Anschlusselemente für die Lichtquelle 110 und den Lichtdetek¬ tor 120 vorgesehen sein können.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors 100, der im Wesentlichen dem Sensor 100 der Fig. 2 entspricht. Lediglich das optische Element 143 im Ablenkbereich 141 des ersten Deckels 140 ist beim Sensor 100 der Fig. 3 anders ausgeführt. Auf einer dem Gehäuse zugewandten Seite des ersten Deckels 140 ist eine im Querschnitt dreieckige, pris- menförmige Struktur 145, die als optisches Element 143 dient, angeordnet. Die prismenförmige Struktur 145 weist eine Refle¬ xionsseite 146 auf, welche auf der dem Steg 134 abgewandten Seite der prismenförmigen Struktur 145 angeordnet ist. Ein Winkel 147 zwischen der Unterseite des ersten Deckels 140 und der Reflexionsseite 146 ist derart groß, dass Licht, welches aus einer vorgegebenen Richtung 136 unter einem Einfallswinkel 137 auf die Einfallsebene 142 des ersten Deckels 140 trifft, und welches ohne den Ablenkbereich 141 auf den Licht¬ detektor 120 treffen würde, aufgrund der Lichtbrechung inner- halb des ersten Deckels 140 mit der prismenförmigen Struktur
145 unter einem Totalreflexionswinkel auf die Reflexionsseite
146 trifft. Dadurch wird das einfallende Licht an der Refle¬ xionsseite 146 totalreflektiert und damit vom Lichtdetektor 120 weg gelenkt. Ein Bereich 149 stellt die senkrechte Pro- jektion der Detektoroberseite 121 auf den ersten Deckel 140 dar . Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite des ersten Deckels 140 der Fig. 3. Auf der Unterseite ist die prismen- förmige Struktur 145 angeordnet. Damit das aus der vorgegebe¬ nen Richtung 136 einfallende Licht an der Reflexionsseite 146 totalreflektiert wird, muss die Reflexionsseite 146 steiler sein als eine weitere Seite 148 der prismenförmigen Struktur 145.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Licht, welches aus der vorgegebenen Richtung 136 im Ablenkbereich 141 auf den ersten Deckel trifft, einen Einfallswinkel 137 von 80 Grad oder grö¬ ßer auf. Der Einfallswinkel 137 ist dabei ein Winkel zwischen einer Senkrechten zur Einfallsebene 142 und dem einfallenden Licht. Der Ablenkbereich 141 ist dabei, wie in Fig. 3 ge- zeigt, zwischen der Lichtquelle 110 und dem Lichtdetektor 120 angeordnet .
Der Winkel 147 kann auch so gewählt werden, dass Licht mit einem steileren Einfallswinkel 137, beispielsweise 70 oder 65 Grad bezogen auf die Senkrechte zur Einfallsebene 142, auf¬ grund der Totalreflexion an der Reflexionsseite 146 vom
Lichtdetektor 120 weg gelenkt wird.
Fig. 5 zeigt einen weiteren Querschnitt durch einen Sensor 100, der im Wesentlichen dem Sensor 100 der Fig. 3 entspricht. Im Ablenkbereich 141 weist der Sensor 100 der Fig. 5 mehrere, zueinander identische, prismenförmige Strukturen 145 auf. Die prismenförmigen Strukturen 145 sind nebeneinander und aneinander angrenzend angeordnet und weisen jeweils eine Reflexionsseite 146 und einen Winkel 147 analog zur Fig. 3 auf. Dadurch, dass der Ablenkbereich eine Anordnung von mehreren prismenförmigen Strukturen 145 umfasst, kann eine Bauhöhe des ersten Deckels 140 verringert werden. Der erste Deckel ist also im Ablenkbereich 141 auf der dem Gehäuse 130 zugewandten Seite als periodische Anordnung von Prismen 145 ausgeführt. Ein Bereich 149 stellt die senkrechte Projektion der Detektoroberseite 121 auf den ersten Deckel 140 dar.
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite des ersten Deckels 140 der Fig. 5. Auf der Unterseite sind zwei prismen- förmige Strukturen 145 angeordnet. Damit das aus der vorgege¬ benen Richtung 136 einfallende Licht an der Reflexionsseite 146 totalreflektiert wird, muss die Reflexionsseite 146 stei¬ ler sein als eine weitere Seite 148 der prismenförmigen
Strukturen 145. Die prismenförmigen Strukturen 145 sind dabei so angeordnet, dass die Reflexionsseite 146 einer der beiden prismenförmigen Strukturen 145 der weiteren Seite 148 der anderen der beiden prismenförmigen Strukturen 145 zugewandt ist .
Die prismenförmigen Strukturen 145 der ersten Deckel 140 der Fig. 3 bis 6 können alternativ auch auf der dem Lichtdetektor 120 abgewandten Seite des ersten Deckels 140 angeordnet sein. In den Fig. 2, 3 und 5 gestrichelt dargestellt ist ein optio¬ naler zweiter Deckel 160, der oberhalb der zweiten Kavität 132 angeordnet und als planparallele Platte ausgeführt ist. Der zweite Deckel 160 kann ein Glas oder einen Kunststoff aufweisen. Der erste Deckel 140 und der zweite Deckel 160 können dabei auch einteilig ausgeführt sein.
Neben den Prismen 145 mit dreieckigem Querschnitt und Refle¬ xionsseite 146 können die Ablenkbereiche 141 der Fig. 3 bis 6 auch mit Prismen einer anderen Basis, beispielsweise mit ei- nem viereckigen oder fünfeckigen Querschnitt, ausgeführt werden. Ebenso können mehr als zwei prismenförmige Strukturen 145 vorgesehen sein.
In einem Ausführungsbeispiel weisen der erste Deckel 140 und die prismenförmige Struktur 145 ein Material mit einem ersten Brechungsindex auf. Der Winkel 147 zwischen der Reflexions¬ seite 146 und der Unterseite des Deckels 140 entspricht dabei mindestens dem Doppelten des Arkussinus des Kehrwerts des Brechungsindexes des Materials. Dadurch wird Licht, welches unter einem flachen Einfallswinkel 137 auf die Einfallsebene 142 im Bereich des Ablenkbereichs 141 trifft, an der Reflexi¬ onsseite 146 totalreflektiert.
Ein Bereich 149 stellt die senkrechte Projektion der Detektoroberseite 121 auf den ersten Deckel 140 dar.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf einen Sensor 100, der im We- sentlichen einem der Sensoren 100 der Fig. 2 bis 6 entsprechen kann. Das Gehäuse 130 weist eine erste Kavität 131 und eine zweite Kavität 132 auf, wobei ein Lichtdetektor 120 in der ersten Kavität angeordnet ist und eine Lichtquelle 110 in der zweiten Kavität angeordnet ist. Ein Steg 134 ist zwischen den Kavitäten 131, 132 angeordnet. Oberhalb der ersten Kavität 131 ist ein erster Deckel 140 mit einem Ablenkbereich 141 angeordnet. Der Ablenkbereich 141 grenzt dabei an den Steg 134 an. Der Ablenkbereich 141 ist in Richtung des Lichtdetektors 120 so schmal ausgeführt, dass der Ablenkbereich 141 den Lichtdetektor 120 nicht überdeckt. Dies entspricht im Wesent¬ lichen der Darstellung des Sensors 100 der Fig. 2, bei der die reflektierende Beschichtung 144 den Lichtdetektor 120 nicht überdeckt. Beim Ablenkbereich 141 kann es sich jedoch auch um die prismenförmigen Strukturen der Fig. 3 bis 6 han- dein. Ein Bereich 149 stellt die senkrechte Projektion der
Detektoroberseite 121 auf den ersten Deckel 140 dar. Der Be¬ reich 148 ist also außerhalb des Ablenkbereichs 141 angeord¬ net . Es kann vorgesehen sein, dass der Ablenkbereich 141, wie in den Fig. 3 und 5 dargestellt, den Lichtdetektor 120 teilweise überdeckt. Dadurch überschneiden sich der Ablenkbereich 141 und der Bereich 148. In einem Ausführungsbeispiel ist überdeckt der Ablenkbereich 141 den Lichtdetektor 120 maximal zur Hälfte. Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf einen Sensor 100, der im We¬ sentlichen dem Sensor 100 der Fig. 6 entspricht. Der Ablenkbereich 141 ist als periodische Anordnung von prismenförmigen Strukturen 145 ausgebildet. Die prismenförmigen Strukturen 145 sind dabei in einer Ebene des ersten Deckels 140 derart gekrümmt, dass die prismenförmigen Strukturen 145 in einer Mitte 138 des Steges 134 in einem ersten Bereich 153 an den Steg 134 angrenzen und außerhalb der Mitte 138 des Steges 134 vom Steg 134 weg gekrümmt sind. In einem zweiten Bereich 154, der dem Steg 134 gegenüberliegt, weist der Ablenkbereich 141 eine gekrümmte Begrenzungslinie 155 auf. Alternativ können die prismenförmigen Strukturen 145 in einer Mitte 138 des Steges 134 vom Steg 134 beabstandet angeordnet sein. In Rand¬ bereichen 135 der ersten Kavität 131 grenzen die prismenför- migen Strukturen 145 des Ablenkbereichs 141 also nicht an den Steg 134 an. Dadurch kann seitlich einfallendes Licht ebenfalls vom Lichtdetektor 120 weg gelenkt werden.
Alternativ kann der Deckel der Fig. 8 auch nur eine prismen- förmige Struktur 145 analog zur Fig. 3 oder eine reflektie¬ rende Beschichtung analog zu Fig. 2 aufweisen, die ebenfalls gekrümmt ist wie in Fig. 8 dargestellt. Eine solche Krümmung ist konkav. Ferner kann es vorgesehen sein, dass der Ablenkbereich 141 angrenzend an die Mitte 138 des Steges 134 seine größte Aus¬ dehnung aufweist und in den Randbereichen 135 eine kleinere Ausdehnung aufweist. Dadurch ist die Krümmung des Ablenkbe¬ reichs 141 konvex. Die gekrümmte Begrenzungslinie 155 kann also konkav oder konvex gekrümmt sein.
Fig. 9 zeigt einen Querschnitt durch einen Sensor 100, bei dem der Ablenkbereich 141 analog zur Fig. 5 aus einer periodischen Anordnung von Prismen 145 aufgebaut ist. Der Ablenk- bereich 141 überdeckt dabei teilweise den Lichtdetektor 120 im Bereich 149, der wiederum eine senkrechte Projektion der Detektoroberfläche 121 auf den ersten Deckel 140 ist. An den Ablenkbereich 141 angrenzend weist der erste Deckel 140 einen Sammelbereich 151 auf. Der Sammelbereich 151 weist eine Linsenstruktur auf, wobei Licht, welches mit einem Einfallswinkel kleiner als 60 Grad auf den Sammelbereich 151 des ersten Deckels 140 trifft, aufgrund der Linsenstruktur zum Lichtde- tektor 120 hin gebrochen wird. Die Linsenstruktur ist dabei mit Fresnel-Linsenelementen 152 ausgeführt. Es ist jedoch auch eine andere Ausgestaltung der Linsenstruktur des Sammelbereichs 151 denkbar. Fig. 10 zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite des ersten Deckels der Fig. 9. Vier prismenförmige Strukturen 145, die parallel zum Steg 134 angeordnet sind, bilden den Ablenkbe¬ reich 141 und sind analog zu den Fig. 3 bis 6 aufgebaut. Al¬ ternativ können die prismenförmigen Strukturen 145 auch eine konvexe oder konkave Krümmung analog zu Fig. 8 aufweisen. An den Ablenkbereich 141 angrenzend weist der erste Deckel 140 einen Sammelbereich 151 auf. Der Sammelbereich 151 weist eine Linsenstruktur auf, die mit Fresnel-Linsenelementen 152 ausgeführt ist. Eine Mitte des Sammelbereichs 151 ist über einer Mitte des Lichtdetektors 120 angeordnet.
Der erste Deckel 140 mit dem Ablenkbereich als prismenförmige Strukturen 145 sowie optional des Sammelbereichs 151 mit den Fresnel-Linsenelementen kann dabei als Formkörper bereitge- stellt werden, beispielsweise als Spritzguss- oder Verguss¬ körper .
Die Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 1 bis 10 können auch mehr als eine Lichtquelle 110 in der zweiten Kavität 132 aufweisen. Die Lichtquellen 110 können dann unterschiedliche oder identische Wellenlängen aufweisen.
Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf einen Biosensor 200, der eine erste Lichtquelle 111 und eine zweite Lichtquelle 112, einen Lichtdetektor 120 und ein Gehäuse 130 aufweist. Das Ge¬ häuse 130 weist analog zum Gehäuse 130 der Fig. 2 eine erste Oberseite 133 auf. Ausgehend von der ersten Oberseite 133 weist das Gehäuse 130 eine erste Kavität 131 und eine zweite Kavität 132 auf. Ein Steg 134 ist analog zur Fig. 2 zwischen der ersten Kavität 131 und der zweiten Kavität 132 angeordnet und besteht aus einem Material, welches Licht mindestens ei¬ ner der Lichtquellen 111, 112 absorbiert oder reflektiert. Oberhalb der ersten Kavität 131 ist ein erster Deckel 140 mit einem Ablenkbereich 141 angeordnet. Die erste Lichtquelle 111 emittiert dabei grünes Licht einer Wellenlänge zwischen 550 und 590 Nanometern, während die zweite Lichtquelle 112 Infra¬ rotstrahlung mit einer Wellenlänge größer als 850 Nanometer emittiert. Der Ablenkbereich 141 ist in einer Weise ausgebil¬ det, dass mindestens 80 % des Licht, welches aus einer vorge¬ gebenen Richtung 136 mit einem relativ flachen Einfallswinkel 137 analog zu den Fig. 2, 3 und 5 auf den Ablenkbereich 141 des ersten Deckels 140 trifft und in direkter Linie den
Lichtdetektor 120 erreichen würde, durch den Ablenkbereich 141 vom Lichtdetektor 120 weg gelenkt. Der erste Deckel 140 kann ein Glas oder einen transparenten Kunststoff aufweisen.
Die erste Lichtquelle 111 und die zweite Lichtquelle 112 kön- nen dabei jeweils einen lichtemittierenden Halbleiterchip umfassen. Ferner können die erste Lichtquelle 111 und die zwei¬ te Lichtquelle 112 einen Konversionsleuchtstoff aufweisen.
Ebenfalls in Fig. 11, jedoch gestrichelt dargestellt, ist ei- ne dritte Lichtquelle 113 in der zweiten Kavität 132 angeord¬ net. Diese dritte Lichtquelle emittiert rotes Licht mit einer Wellenlänge zwischen 640 und 680 Nanometern. Die dritte
Lichtquelle 113 kann ebenfalls einen lichtemittierenden Halb¬ leiterchip aufweisen und einen Konversionsleuchtstoff umfas- sen.
Dadurch ist der Biosensor 200 geeignet, mittels der ersten Lichtquelle 111 durch Auflegen des Biosensors 200 auf ein Ge¬ webe mit Blutgefäßen eine Herzfrequenz und mittels der zwei- ten 112 und eventuell der dritten Lichtquelle 113 einen Blut¬ sauerstoffgehalt zu ermitteln. Durch den Ablenkbereich 141 wird Streulicht, welches unter einem flachen Einfallswinkel 137 auf den ersten Deckel 140 trifft, vom Lichtdetektor 120 weggelenkt .
Anstelle des Lichtdetektors 120 können auch mehrere Lichtde- tektoren mit jeweils einem Filter für die von den Lichtquellen 111, 112, 113 ausgehenden Wellenlängen in der ersten Ka- vität 131 angeordnet sein.
Die weiteren Ausgestaltungen des ersten Deckels 140 und des optionalen zweiten Deckels 160, wie in den Fig. 1 bis 10 beschrieben, können ebenso auf dem Biosensor 200 der Fig. 11 angeordnet werden. Somit kann der Biosensor 200 gemäß den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 10 ausgebildet sein. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
BEZUGSZEICHENLISTE
100 Sensor
110 Lichtquelle
111 erste Lichtquelle
112 zweite Lichtquelle
113 dritte Lichtquelle
120 Lichtdetektor
121 Detektoroberseite
130 Gehäuse
131 erste Kavität
132 zweite Kavität
133 Oberseite
134 Steg
135 Randbereiche
136 vorgegebene Richtung
137 Einfallswinkel
138 Mitte
140 erster Deckel
141 Ablenkbereich
142 Einfallsebene
143 optisches Element
144 reflektierende Beschichtung
145 prismenförmige Struktur
146 Reflexionsseite
147 Winkel
148 weitere Seite
149 Bereich
151 Sammelbereich
152 Fresnel-Linsenelement
153 erster Bereich
154 zweiter Bereich
155 gekrümmte Begrenzungslinie
160 zweiter Deckel
200 Biosensor

Claims

PATENTA S PRUCHE
Sensor (100), aufweisend mindestens eine Lichtquelle (110), einen Lichtdetektor (120) und ein Gehäuse (130), wobei das Gehäuse (130) eine Oberseite (133) aufweist, wobei der Lichtdetektor (120) und die Lichtquelle (110) auf der Oberseite (133) angeordnet sind, wobei zwischen der Lichtquelle (110) und dem Lichtdetektor (120) ein Steg (134) angeordnet ist, wobei der Steg (134) ein Mate¬ rial aufweist, welches Licht zumindest einer Wellenlänge der Lichtquelle (110) absorbiert oder reflektiert, wobei ein erster Deckel (140) oberhalb des Lichtdetektors (120) angeordnet ist, wobei der erste Deckel (104) einen Ab¬ lenkbereich (141) und eine Einfallsebene (142) aufweist, wobei der Ablenkbereich (141) in der Weise ausgebildet ist, dass mindestens 80 % des Lichts, das im Ablenkbe¬ reich (141) auf die Einfallsebene (142) des ersten De¬ ckels (140) aus einer vorgegebenen Richtung (136) trifft und auf den Lichtdetektor (120) treffen würde, aufgrund eines optischen Elements (143) vom Lichtdetektor (120) weg gelenkt wird.
Sensor (100) nach Anspruch 1, wobei das Licht, welches aus der vorgegebenen Richtung (136) im Ablenkbereich (141) auf den ersten Deckel (120) trifft, einen Einfalls¬ winkel (137) von 80 Grad oder größer aufweist, wobei der Einfallswinkel (137) ein Winkel zwischen einer Senkrechten zur Einfallsebene (142) und dem einfallenden Licht ist, und wobei der Ablenkbereich (141) zwischen der
Lichtquelle (110) und dem Lichtdetektor (120) angeordnet ist .
Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der erste Deckel (140) im Ablenkbereich (141) eine reflektie¬ rende Beschichtung (144) als optisches Element (143) auf¬ weist. Sensor (100) einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der ers¬ te Deckel (140) auf der dem Gehäuse (130) abgewandten Seite eben ist, und wobei der erste Deckel (140) im Ab¬ lenkbereich (141) auf der dem Gehäuse (130) zugewandten Seite als periodische Anordnung von Prismen (145) als op¬ tisches Element (143) ausgeführt ist.
Sensor (100) nach Anspruch 4, wobei die Prismen (145) einen dreieckigen Querschnitt aufweisen.
Sensor (100) nach Anspruch 5, wobei der erste Deckel
(140) ein Material mit einem Brechungsindex aufweist, wo¬ bei ein Winkel (147) des dreieckigen Querschnitts der Prismen (145) mindestens dem Doppelten des Arkussinus des Kehrwerts des Brechungsindexes entspricht.
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtdetektor (120) eine Detektoroberseite (121) aufweist, wobei sich der Ablenkbereich (141) ausgehend von einem Bereich nahe des Steges (134) bis zu einem Bereich (149) erstreckt, wobei der Bereich (149) durch eine senkrechte Projektion der Detektoroberseite (121) auf den ersten Deckel (140) bestimmt ist.
Sensor (100) nach Anspruch 7, wobei der Ablenkbereich
(141) den Lichtdetektor (120) maximal zur Hälfte überdeckt .
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ablenkbereich (141) als Fläche in einer Ebene des ersten Deckels (140) ausgeführt ist, wobei der Ablenkbe¬ reich (141) in einen ersten Bereich (153) und einen zweiten Bereich (154) unterteilt ist, wobei der erste Bereich
(153) an den Steg (134) angrenzt, und wobei der zweite Bereich (154) eine gekrümmte Begrenzungslinie (155) auf¬ weist, wobei die Krümmung der gekrümmten Begrenzungslinie
(155) konkav oder konvex ist. Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Deckel (140) einen Sammelbereich (151) auf¬ weist, wobei der Sammelbereich (151) eine Linsenstruktur aufweist, wobei Licht, welches mit einem Einfallswinkel kleiner als 60 Grad auf den Sammelbereich (151) des ers¬ ten Deckels (140) trifft, aufgrund der Linsenstruktur zum Lichtdetektor (120) hin gebrochen wird.
Sensor (100) nach Anspruch 10, wobei der Sammelbereich (151) als Ausschnitt aus einer Fresnel-Linse ausgeführt ist .
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (100) als Biosensor ausgebildet ist.
Biosensor (200), wobei der Biosensor (200) eine erste Lichtquelle (111) und eine zweite Lichtquelle (112), ei¬ nen Lichtdetektor (120) und ein Gehäuse (130) aufweist, wobei das Gehäuse (130) eine Oberseite (133) aufweist, wobei der Lichtdetektor (120) und die Lichtquellen (111, 112) auf der Oberseite (133) angeordnet sind, wobei die erste Lichtquelle (111) grünes Licht mit einer Wellenlän¬ ge zwischen 550 und 590 Nanometer emittiert und wobei die zweite Lichtquelle (112) Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge größer als 850 Nanometer emittiert, wobei zwi¬ schen den Lichtquellen (111, 112) und dem Lichtdetektor
(120) ein Steg (134) angeordnet ist, wobei der Steg (134) ein Material aufweist, welches Licht zumindest einer Wel¬ lenlänge einer der beiden Lichtquellen (111, 112) absorbiert oder reflektiert, wobei ein erster Deckel (140) oberhalb des Lichtdetektors (120) angeordnet ist, wobei der erste Deckel (140) einen Ablenkbereich (141) und eine Einfallsebene (142) aufweist, wobei der Ablenkbereich
(141) in der Weise ausgebildet ist, dass mindestens 80 % des Lichts, das im Ablenkbereich (141) auf die Einfalls¬ ebene (142) des ersten Deckels (140) aus einer vorgegebe¬ nen Richtung (136) trifft und auf den Lichtdetektor (120) treffen würde, aufgrund eines optischen Elements (143) vom Lichtdetektor (120) weg gelenkt wird.
14. Biosensor (200) nach Anspruch 13, wobei das Licht, wel¬ ches aus der vorgegebenen Richtung (136) im Ablenkbereich (141) auf den ersten Deckel (120) trifft, einen Einfalls¬ winkel (137) von 80 Grad oder größer aufweist, wobei der Einfallswinkel (137) ein Winkel zwischen einer Senkrechten zur Einfallsebene (142) und dem einfallenden Licht ist, und wobei der Ablenkbereich (141) zwischen den
Lichtquellen (111, 112) und dem Lichtdetektor (120) angeordnet ist.
15. Biosensor (200) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei der Biosensor (200) eine dritte Lichtquelle (113) aufweist, wobei die dritte Lichtquelle (113) rotes Licht mit einer Wellenlänge zwischen 640 und 680 Nanometer emittiert .
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