WO2019101933A1 - Photonischer gassensor und verfahren zur herstellung eines photonischen gassensors - Google Patents

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Boescke TIM
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Definitions

  • the invention relates to a photonic gas sensor and to a method for producing a photonic gas sensor.
  • a gas sensor is specified, for example, in the document DE 19839552 A1.
  • An object of the present application is to provide a verbes serten photonic gas sensor.
  • a photonic gas sensor is specified with a compact design who the.
  • a method for producing a verbes serten photonic gas sensor in particular be given a compact design.
  • the photonic gas sensor comprises a component housing having at least one cavity.
  • the component housing may be a one-piece compo ment housing, the molding process, for example, with a plastic, such as an injection molding process is made.
  • the component housing may also be composed of meh eral elements.
  • the component housing can be made of a substrate, such as a ceramic plate or a printed circuit board (Printed Circuit Board "PCB"), on which a frame is applied, be formed. Side surfaces of the frame in this case preferably form the side surfaces of the cavity.
  • PCB printed circuit Board
  • a radiation-emitting semiconductor chip is arranged in the cavity of the component housing.
  • the radiation-emitting semiconductor chip is preferably suitable for emitting electromagnetic radiation of a first wavelength range.
  • the electromagnetic radiation of the first wavelength range is preferably transmitted from a radiation exit surface of the radiation-emitting semiconductor chip.
  • the component housing has at least one cavity.
  • the component housing has a common Kavi ity, in which the radiation-emitting semiconductor chip and the radiation-detecting semiconductor chip are arranged.
  • the device has two Kavi activities, wherein the radiation-emitting semiconductor chip in the first cavity and the radiation-detecting semiconductor chip in the second cavity are arranged.
  • the radiation-emitting semiconductor chip encloses an epitaxial semiconductor layer sequence with an active zone, in which the electromagnetic radiation of the first wavelength range is generated during operation of the radiation-emitting semiconductor chip.
  • the radiation-emitting semiconductor chip is a light-emitting diode chip.
  • the radiation-emitting semiconductor chip can be, for example, a so-called volume-emitting semiconductor chip or a thin-film semiconductor chip.
  • the volume-emitting semiconductor chip generally has a substrate on which the epitaxial semiconductor layer sequence was epitaxially grown with the active zone.
  • the substrate may, for example, comprise one of the following materials or be made of one of the following materials: sapphire, silicon carbide.
  • Volume-emitting semiconductor chips usually emit the electromagnetic radiation generated in the active zone not only over one main surface, but also over side surfaces.
  • the thin-film semiconductor chip has an epitaxially grown semiconductor layer sequence, which is brought to a different carrier than the growth substrate for the epitaxial semiconductor layer sequence.
  • a mirror layer is arranged between the epitaxial semiconductor layer sequence and the carrier, which deflects electromagnetic radiation of the active zone to a radiation exit surface.
  • the radiation exit area is generally encompassed by a main area of the thin-film semiconductor chip.
  • Thin-film semiconductor chips generally emit the electromagnetic radiation which is generated during operation in the active zone not or only very slightly over the side surfaces of the carrier, but have a substantially Lambertian emission characteristic.
  • the electromagnetic radiation of the first wavelength range, which is generated in the active zone has, for example, ultraviolet radiation, infrared radiation or visible light bares.
  • the epitaxial semiconductor layer sequence is based on a nitride compound semiconductor material or is formed of a nitride compound semiconductor material.
  • Nitrogen compound semiconductor materials are compound semiconductor materials which contain nitrogen, such as materials from the system In x Al y Ga xy N with 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 and x + y ⁇ 1.
  • the active zone on a nitride compound semiconductor material the active zone is usually ge suitable ge to generate electromagnetic radiation from the ultraviolet to blue-green spectral range.
  • the epitaxial semiconductor layer sequence is based on a phosphide compound semiconductor material or is formed from a phosphide compound semiconductor material.
  • Phosphide compound semiconductor materials are compound semiconductor materials which contain phosphorus, such as materials from the system In x Al y Gai x _ y P with 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 and x + y ⁇ 1.
  • the active zone is usually suitable for generating electromagnetic radiation from the green to red spectral range.
  • the epitaxial semiconductor layer sequence is based on an arsenide compound semiconductor material or is formed from an arsenide compound semiconductor material.
  • Arsenide compound semiconductor materials are compound semiconductor materials containing arsenic, such as materials of the system In x Al y Ga xy As with 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 and x + y ⁇ 1.
  • the active zone is in the Usually suitable for generating electromagnetic radiation from the red to infrared spectral range.
  • this sensor comprises a radiation-detecting semiconductor chip.
  • the radiation-detecting semiconductor chip is preferably arranged in the cavity and suitable for detecting electromagnetic radiation of a second wavelength range.
  • the first wavelength range is different here from the second wavelength range.
  • the second wavelength range particularly preferably comprises longer wavelengths than the first wavelength range.
  • the radiation-detecting the semiconductor chip is a photodiode chip.
  • the photodiode chip may be based on silicon.
  • the photonic gas sensor comprises an active sensor element which is suitable for detecting electromagnetic radiation of the second wavelength range.
  • the active sensor element preferably has a fluorescent dye which emits electromagnetic radiation of the second wavelength range upon excitation with electromagnetic radiation of the first wavelength range.
  • the fluorescent dye is preferably designed to be wavelength-converting.
  • wavelength-converting means in particular that a radiated electromagnetic radiation of a first wavelength range is converted into electromagnetic radiation of a second, preferably longer wavelength, wavelength range. It converts these into electronic radiation at the atomic and / or molecular level into electromagnetic radiation in the second wavelength range and transmits the converted electromagnetic radiation again.
  • pure scattering or pure absorption is not understood to be wavelength converting.
  • the fluorescent dye is preferably designed in such a way that the intensity of the emitted electromagnetic radiation of the second wavelength range is reversibly changed in the presence of a gas to be detected, for example reduced.
  • the intensity of the electromagnetic radiation of the second wavelength range emitted from the fluorescent dye changes and returns to the initial state when the gas is removed.
  • the fluorescent dye is designed such that the intensity of the electromagnetic radiation emitted by it is reversibly changed, for example reduced, in the presence of the gas to be detected.
  • the radiation-detecting semiconductor chip is suitable and arranged for detecting the intensity of the electromagnetic radiation of the second wavelength range emitted by the fluorescent dye of the active sensor element and thus the change in the intensity of the electromagnetic radiation of the fluorescent dye in the presence of the detector to be detected
  • phase shift of the electromagnetic radiation emitted by the active sensor element is measured with intensity-modulated excitation.
  • only the intensity of the electromagnetic radiation of the second wavelength range emitted by the active sensor element is preferably measured. This may advantageously be sufficient due to the fixed position between the radiation-emitting semiconductor chip and the radiation-detecting semiconductor chip. This allows the use of simple electronics.
  • the gas to be detected is oxygen (Cg), carbon dioxide (CCg), nitrogen dioxide (NO 2) , carbon monoxide (CO), ammonia (NH 3) or a mixture of at least two of these gases.
  • fluorescence dye for example, a fluorescein, a rhodamine, a cyanine, a coumarin, a fluorescent polymer, a fluorescent metal ion complex or nanoparticles can be used.
  • fluoresceins, rhodamines, cyanines and coumarins other organic fluorescent dyes may also be suitable for use in the photonic gas sensor.
  • a fluorescent metal ion complex may have as metal ions, for example, europium (III) ions (Eu 3+ ) and / or terium bium (III) ions (Tb 3+ ).
  • metal ions for example, europium (III) ions (Eu 3+ ) and / or terium bium (III) ions (Tb 3+ ).
  • tris (2,2'-bipyridyl) dichlororutonium (II) hexahydrate (Ru (bpy) 32+) may be suitable for detecting oxygen.
  • Carboxynaphthofluorescein (CNF) for example, may be used to detect carbon dioxide, while a fluorescein or a coumarin may be suitable for the detection of ammonia.
  • suitable Materials for the fluorescent dye are described, for example, in the publication Bhopate et al. , Journal of Nanomed Nanotechnology 2017, 8.2 (DOI 10.4172 / 2157-7439.1000436)
  • the active sensor element comprises a polymer matrix.
  • the fluorescent dye of the active sensor element is preferably embedded in the polymer matrix.
  • the polymer matrix is preferably permeable to the gas to be detected.
  • the polymer matrix is a silicone or a polysilazane.
  • other polymers may be suitable as a polymer matrix, as long as they are permeable to the gas to be detected.
  • the polymer matrix can be formed, for example, from a polymer which can be cured by thermal or UV radiation.
  • the active sensor element is designed as a sensitive potting.
  • At least the radiation-emitting semiconductor chip is preferably embedded in the sensitive encapsulation.
  • the sensitive potting completely fills the first cavity in which the radiation-emitting semiconductor chip is arranged, or the second cavity in which the radiation-detecting semiconductor chip is arranged.
  • the sensitive encapsulation surrounds the radiation-emitting semiconductor chip or the radiation-detecting semiconductor chip in a hemispherical manner.
  • the sensitive potting may be formed by the polymer matrix having the embedded fluorescence dye which comprises these two materials.
  • both the radiation-emitting semiconductor chip and the radiation-detecting semiconductor chip are enveloped by the sensitive encapsulation.
  • the radiation-emitting semiconductor chip and the radiation-detecting semiconductor chip are preferably arranged in a common cavity of the component housing.
  • the sensitive encapsulation particularly preferably completely envelopes the radiation-emitting semiconductor chip and the radiation-detecting semiconductor chip.
  • the sensitive potting fills the common cavity, preferably completely.
  • the component housing has two cavities which are separated from one another.
  • the component housing on a first cavity and a second cavity, which are separated from each other, example, by a partition.
  • the radiation-detecting semiconductor chip in the first cavity and the radiation-emitting semiconductor chip in the second cavity are preferably arranged.
  • the active sensor element is preferably designed as a sensitive potting in the second cavity.
  • the sensitive encapsulation encloses the radiation-emitting semiconductor chip particularly preferably fully constantly.
  • the active sensor element is designed as a sensitive layer.
  • the main plane of extent of the sensitive layer is preferably arranged parallel to a radiation exit surface of the radiation-emitting semiconductor chip and / or parallel to a radiation entry surface of the radiation-detecting semiconductor chip.
  • the active sensitive layer comprises the polymer matrix in which the fluorescent dye is embedded or is formed from these materials.
  • the sensitive active layer is preferably applied to a transparent carrier element.
  • the carrier element is particularly preferably transparent to electromagnetic radiation of the first wavelength range and electromagnetic radiation of the second wavelength range.
  • the sensitive layer is applied over the entire surface of the trans-parent support element.
  • the transparent spinachele element preferably acts as a waveguide layer which couples the elekt romagnetician radiation of the second wavelength range and laterally trans ported to the detecting semiconductor chip trans.
  • the transparent carrier element preferably has the radiation-emitting semiconductor chip and the radiation-detecting semiconductor chip and is preferably permeable to the gas to be detected.
  • this sensor comprises a filter which filters electromagnetic radiation of the first wavelength range.
  • the filter may be formed, for example, as a band-pass filter, the single Lich electromagnetic radiation of the first Wellendorfnbe rich filter out or as a long-pass filter, wherein an upper edge of the filter is located at the upper edge of the first wavelength range.
  • the long-pass filter preferably filters electromagnetic radiation having wavelengths less than the largest wavelength of the first wavelength range and transmits electromagnetic radiation having wavelengths greater than the maximum wavelength of the wavelength first wavelength range.
  • the fil ter is permeable to the gas to be detected formed.
  • the filter can be formed, for example, as a dichroic filter.
  • dichroic layers may be deposited on a wafer, such as a glass plate, which elements form the filter.
  • the filter has color pigments which absorb the electromagnetic radiation to be filtered.
  • the color pigments may likewise be embedded in a polymeric matrix material such as silicone.
  • the color pigments can be organic materials.
  • the color pigments are preferably not formed wavelength-converting, but absorb from incident external light a certain spectral content, so that the spectral range of the restli chen visible light determines the color of the color pigments.
  • the filter is designed as a filtering layer and applied to the radiation entrance surface of the radiation-detecting semiconductor chip.
  • the filter may be formed by dichroic layers on a glass plate as described above.
  • the filtering layer may, for example, be glued to the radiation entrance surface of the radiation-detecting semiconductor chip.
  • the sensor element is designed as a sensitive layer and the filter element as a filtering layer.
  • the filtering layer is preferably arranged between the radiation entrance surface of the radiation-detecting semiconductor chip and the sensitive layer.
  • the filter is designed as a filtering potting.
  • the radiation-detecting semiconductor chip is preferably embedded in the filtering encapsulation.
  • the radiation-detecting semiconductor chip is introduced into a cavity of the component housing and the cavity is filled with the filtering encapsulation, for example completely.
  • the filtering encapsulation is, for example, formed by a polymeric matrix material with colored pigments.
  • the filtering encapsulation can be produced by dispensing or jetting in drop form.
  • the photonic gas sensor side surfaces of the radiation-detecting semiconductor chip are provided with a protective layer which prevents electromagnetic radiation couples laterally into the radiation-detecting semiconductor chip.
  • the protective layer may be formed, for example, reflective.
  • the protective layer comprises a silicone, are introduced into the reflecting particles, such as titanium dioxide particles.
  • this comprises a cover.
  • the cover element is preferably designed to be absorbent or reflective at least for the electromagnetic radiation of the first wavelength range.
  • the cover is preferably arranged in such within the photonic gas sensor that it prevents the occurrence of external electromagnetic radiation, such as sunlight, in the photonic gas sensor and in particular to the fluorescent dye. In this way, bleaching of the dye can at least be reduced. Bleaching of the dye is an irreversible decrease in the intensity of the electromagnetic radiation emitted by the dye, for example due to degradation of the fluorescent dye.
  • the cover element is preferably permeable to the gas to be detected.
  • an opening is arranged, which preferably completely penetrates the cover be preferred. Through the breakthrough advantageously penetrates the gas to be detected to the sensor element. For example, the breakthrough is a drilling.
  • the covering element which is designed to be absorbent for the electromagnetic radiation of the first wavelength range, can comprise, for example, a silicone in which black pigment particles, such as, for example, soot particles, are embedded.
  • the silicone is preferably permeable to the gas to be detected.
  • a covering element that is formed from at least the electromagnetic radiation of the first wavelength range may be formed from a polymer, such as a silicone, into which reflective particles are introduced.
  • the reflective particles may be titanium dioxide particles, for example.
  • Such a cover is in particular diffuse reflectiveavailablebil det.
  • the diffusely reflecting cover element has a white color impression in the re gel.
  • the cover member between an outer surface of the photonic gas sensor and the sensor element is arranged.
  • the photonic gas sensor comprises a waveguide layer which conducts electromagnetic radiation of the second wavelength range to the radiation-detecting semiconductor chip.
  • Electromagnetic radiation of the second wavelength range which is emitted by the sensor element, preferably couples into the waveguide layer in the waveguide layer so that it can guide the electromagnetic radiation of the second wavelength range to the radiation-detecting semiconductor chip.
  • the waveguide layer is particularly advantageous if the radiation generating semiconductor chip and the radiation-detecting semiconductor chip are arranged in separate cavities.
  • the waveguide layer can be, for example, the transparent carrier element of the sensitive element already described above. Furthermore, it is also possible for a further waveguide layer produced and arranged separately from the sensitive layer to be covered by the photonic gas sensor. Particularly preferred is the waveguide layer forms permeable to the gas to be detected out.
  • the waveguide layer is formed from a transparent potting compound such as a silicone in which a plurality of scattering particles is attached.
  • the tranotwithstanding th potting compound may be, for example, a silicone.
  • the waveguide layer comprises one of the following materials or consists of egg nem of these materials: glass, epoxy resin, polymethyl methacrylate.
  • the waveguide layer is provided with coupling structures to a main surface facing the radiation exit surface of the radiation-emitting semiconductor chip and / or to the radiation entrance surface of the radiation-detecting semiconductor chip.
  • the coupling structures are suitable for raising the coupling and / or coupling of electromagnetic radiation into and out of the waveguide layer.
  • the coupling structures can be arranged uniformly on the main surface of the cover element or else only in certain regions of the main surface, for example above the radiation-emitting semiconductor chip and / or the radiation-detecting semiconductor chip.
  • a radiation-emitting semiconductor chip and a radiation-detecting semiconductor chip are arranged on a mounting surface of a substrate.
  • the radiation-emitting semiconductor chip and the radiation-detecting semiconductor chip are net angeord on a common mounting surface of a common substrate.
  • the substrate may be, for example, a ceramic plate or a printed circuit board.
  • a frame is applied to the substrate so that the substrate and the frame form the component housing with the cavity.
  • an active sensitive layer is arranged as a sensor element on the frame and attached. All be described in connection with the photonic gas sensor embodiment and features may also be formed in the process and vice versa.
  • the present photonic gas sensor is based inter alia on the idea of using a fluorescent dye to detect a gas.
  • the fluorescent dye is suitable for reversibly changing the intensity of the electromagnetic radiation emitted by it in the presence of the Ga s to be detected, for example, to reduce it.
  • the presently described elements of the photonic gas sensor such as the radiation-emitting semiconductor chip and the radiation-detecting semiconductor chip, are to be arranged in a common component housing.
  • the component housing is particularly preferably a component housing, as is already used, for example, in light-emitting diode technology.
  • This may be an integrally formed, preformed component housing with one or more cavities.
  • the compo ment housing is composed of different elements, such as a substrate and a frame.
  • the fluorescence zenzfarbstoff is used, which is preferably embedded in a polymer matrix, which can be preferably used as a potting egg ner LED. This simplifies the production of the photonic gas sensor.
  • the photonic gas sensor is particularly preferred to appro net, in an SMT assembly process (SMT for English "Surface Mount Technology ", such as a pick-and-place method, SAC solder paste and reflow soldering using an SAC solder paste, this beneficial effect is particularly possible when using a temperature-stable polymer matrix, such as silicone Furthermore, it is also possible to verwen to other connecting elements for mounting the photonic gas sensor such as anisotropy Conductive Paste (ACP), anisotropic Conductive Film (ACF) or low melting solders. These assembly processes are particularly advantageous comparatively low.
  • the photonic gas sensor Due to the small dimensions of the photonic gas sensor is particularly suitable to be used in applications where little space is available, such as in a mobile phone or clothing.
  • FIG. 1 The schematic sectional views of Figures 1, 2, 4, 5 and 6 show a photonic gas sensor according to one embodiment.
  • FIG. 3 shows a chemical structural formula of a fluorescent dye for a photonic gas sensor according to an exemplary embodiment.
  • FIGS. 7 to 10 A method for producing a photonic gas sensor will be explained in more detail with reference to the schematic sectional views of FIGS. 7 to 10.
  • the same, similar or equivalent elements are provided in the figures with the same reference numerals.
  • the figures and the proportions of the elements shown in the figures with each other are not considered to scale to ten th. Rather, individual elements, in particular layer thickness, for exaggerated representability and / or for better understanding may be exaggerated.
  • the photonic gas sensor according to the exemplary embodiment of FIG. 1 has a component housing 1 with two cavities 2, 3 separated from one another.
  • the component housing 1 is presently a preformed Bauelementge housing 1, in which a lead frame is embedded in a plastic body.
  • a radiation-emitting semiconductor chip 4 is arranged, which emits electromagnetic radiation of a first wavelength range of a Strahlungsaustrittsflä surface.
  • a radiation-detecting semiconductor chip 5 Disposed in the second cavity 3 is a radiation-detecting semiconductor chip 5, which is suitable for detecting electromagnetic radiation of a second wavelength range which enters the radiation-detecting semiconductor chip 5 through a radiation entrance surface.
  • the radiation exit surface of the radiation-emitting semiconductor chip 4 and the radiation entrance surface of the radiation-detecting semiconductor chip 5 are arranged parallel to a main surface of the photonic gas sensor.
  • the radiation-emitting semiconductor chip 4 may be a volume-emitting semiconductor chip or a surface-emitting semiconductor chip.
  • the radiation-detecting semiconductor chip 5 is in this case a photodiode, particularly preferably a photodiode which is based on silicon.
  • the first cavity 2 and the second cavity 3 of the Bauelementge housing 1 are presently completely covered by a waveguide layer 6.
  • the waveguide layer 6 may comprise, for example, glass or a polymer or be formed from one of these materials.
  • the waveguide layer 6 is particularly preferably transmissive at least for electromagnetic radiation of the first wavelength range and / or electromagnetic radiation of the second wavelength range.
  • the goose sensor according to FIG. 1 comprises an active sensor element 7, which in the present case is designed as an active sensitive layer.
  • the active sensitive layer is placed in front of lying in direct contact with the waveguide layer 6 on.
  • the active sensitive layer 7 has a silicone polymer matrix in which a fluorescent dye 8 is introduced.
  • the fluorescent dye 8 may, for example, order
  • Tris (2,2'-bipyridyl) dichlororuthenium (II) hexahydrate Tris (2,2'-bipyridyl) dichlororuthenium (II) hexahydrate.
  • the chemical structural formula of this fluorescent dye 8 is shown by way of example in FIG.
  • the fluorescent dye 8 is capable of detecting oxygen. In the presence of oxygen, the intensity of the emitted from the fluorescent dye 8 electromagnetic radiation of the second wavelength gene range decreases in a reversible manner.
  • the reflective cover 9 has silicone as a polymer matrix. Reflecting particles, such as titanium dioxide particles, are embedded in the polymer matrix. Older- natively, it is possible that the cover 9 is black out forms, for example by soot particles are introduced into the silicone as a polymer.
  • the radiation-emitting semiconductor chip 4 emits electromagnetic radiation of the first wavelength range from its radiation exit surface.
  • the electromagnetic radiation of the first wavelength range impinges on the waveguide layer 6 and is coupled through the waveguide layer 6 into the active sensitive layer 7.
  • the electromagnetic radiation of the first wavelength range excites the fluorescent dye substance 8, so that it emits electromagnetic radiation of a second, longer wavelength range.
  • the elekt romagnetician radiation of the second wavelength range is ported through the waveguide layer 6 to the second cavity 3 trans, in which the radiation-detecting semiconductor chip 5 is arranged.
  • the radiation-detecting semiconductor chip 5 is suitable for detecting electromagnetic radiation of the second wavelength range.
  • the intensity of the electromagnetic radiation of the second wavelength range emitted by the fluorescent dye 8 is reduced.
  • the reduction of the intensity is detected by the radiation-detecting semiconductor chip 5, so that the presence of oxygen can be detected.
  • the covering element 9, which may be reflective, for example white, or absorbent, for example black, in the present case prevents bleaching of the fluorescent dye substance 8, that is to say an irreversible degradation of the fluorescence dye 8, which leads to irreversible reduction of the fluorescence dye 8 Intensity of the emitted from the fluorescent dye 8 electromagnetic radiation of the second wavelength range can lead.
  • the photonic gas sensor has a dichroic filter 10, which is upstream of the radiation entrance surface of the radiation-detecting semiconductor chip 5 in a Einstrahlrich direction.
  • the dichroic filter 10 may, for example, cover the second cavity 3 or be arranged on the radiation entrance surface of the radiation-detecting semiconductor chip 5, for example by gluing.
  • the dichroic filter 10 improves the sensitivity of the photonic gas sensor.
  • the photonic gas sensor according to the embodiment of Figure 2 in contrast to the photonic gas sensor according to the embodiment of Figure 1, a single common same cavity 11, in which the radiation-emitting semiconductor chip 4 and the radiation-detecting semiconductor chip 5 are arranged.
  • a sensitive potting is used as an active sensor element 7, which completely fills the cavity.
  • the active sensitive potting 7 comprises silicone as a polymer matrix in which the fluorescent dye 8 is embedded.
  • the cavity 11 is completely covered with the cover 9.
  • the photonic gas sensor according to the embodiment of Figure 4 like the photonic gas sensor according to the Ausense tion of Figure 1 a component housing with two from separate cavities 2, 3, wherein in the first cavity 2, a radiation-emitting semiconductor chip 4 and in the two-th cavity. 3 a radiation-detecting semiconductor chip 5 is arranged.
  • the component housing 1 comprises a present case Substrate 12, for example, a printed circuit board or a ceramic plate on which a frame 13 is placed. Wei terhin, the first cavity 2 and the second cavity 3 separated by a partition 14 from each other, which is like the frame 13 is placed on the substrate 12.
  • the frame 13 is formed vorlie lowing reflective.
  • the frame 13 is formed of a silicone with titanium dioxide particles.
  • an active sensor element 7 is arranged, which is present out forms as an active sensitive potting.
  • the active sensitive potting 7 has a silicone as a polymer matrix, in which a fluorescent dye 8 is brought.
  • the active sensitive encapsulation 7 completely encloses the radiation-emitting semiconductor chip 4 in the present case.
  • a filter 10 is further arranged, which is designed as a filtering encapsulation.
  • the filtering encapsulation 10 is a silicone in which color pigments of an organic color filter are incorporated.
  • the filter 10 is capable of absorbing electromagnetic radiation of the first wavelength range emitted from the radiation-emitting semiconductor chip 4. This increases the sensitivity of the photonic gas sensor.
  • the photonic gas sensor according to the exemplary embodiment of FIG. 4 comprises a waveguide layer 6 which covers the two cavities 2, 3 and is suitable for electromagnetically radiation of the second wavelength range emitted by the active sensitive encapsulation 7, lateral to the second cavity 3 and the radiation-detecting half lead chip 5 to lead.
  • the waveguide layer 6 is vorlie lowing formed from a silicone, are introduced into the scattering particles.
  • a cover 9 is brought up, which is designed to be reflective. From the cover element 9 is formed of a silicone, are introduced into the Titandi oxide particles.
  • the component housing 1 also includes a sub strate 12 such as a printed circuit board or a ceramic substrate to which a frame 13 is applied.
  • the frame 13 in this case forms the side walls of a common cavity 11, in which the radiation-emitting semiconductor chip 4 and the radiation-detecting semiconductor chip 5 are brought.
  • the frame 13 may, for example, be glued to the printed circuit board or the ceramic substrate.
  • the radiation-detecting semiconductor chip 5 is surrounded by a filter 10.
  • the filter 10 comprises a polymer matrix, such as a silicone, in which organic color pigments are incorporated as color filters, which absorb electromagnetic radiation of the first wavelength range.
  • the filter 10 is presently designed as a filtering potting, which can be applied for example by dispensing.
  • the filtering encapsulation 10 forms a hemispherical shape and completely embeds the radiation-detecting semiconductor chip 5.
  • the filtering encapsulation 10 does not completely fill the cavity 11.
  • the filtering encapsulation 10 is presently formed sen-shaped lin.
  • the photonic gas sensor according to the embodiment of FIG. 5 comprises the waveguide layer 6, the sensitive layer 7 and the cover element 9.
  • the active sensitive layer 7 is arranged between the waveguide layer 6 and the cover element 9, the waveguide layer 6 to the cavity 11 of the component housing 1 and the cover 9 to an outer surface of the photonic gas sensor.
  • coupling structures 15 are arranged, which are suitable for coupling or coupling electromagnetic radiation of the first wavelength range and / or the second wavelength range. In this case, the coupling structures 15 point to the cavity 11 of the photonic gas sensor.
  • an opening 16 such as a bore, is provided in the cover element 9.
  • the opening 16 penetrates the cover 9 completely. This makes it possible to transport the gas to be detected into the cavity 11.
  • the active sensor element 7 is designed as a semicircular sensitive potting that completely envelopes the radiation-detecting semiconductor chip 5, but leaves areas of the cavity 11 free.
  • thesurfaces of the detecting semiconductor chip 5 may have a reflective encapsulation, such as, for example, titanium dioxide in a polymer matrix, for example silicon, in order to protect the radiation-detecting semiconductor chip from the lateral coupling in of electromagnetic radiation.
  • the photonic cal gas sensor according to the embodiment of Figure 6 may include a filter 10, for example, a dichroic filtering layer, which is applied to the radiation entrance surface of the radiation-detecting semiconductor chip 5.
  • the filter 10 may also be designed as a filtering potting.
  • a substrate 12 is provided.
  • the substrate 12 may, for example, be a printed circuit board or a ceramic substrate (FIG. 7).
  • a radiation-emitting semiconductor chip 4 and a radiation-detecting semiconductor chip 5 are applied (Figure 8).
  • a frame 13 is placed on the substrate 12, so that a cavity 11 from the frame 13 and the sub strate 12 is formed, in which the radiation-emitting semiconductor chip 4 and the radiation-detecting semiconductor chip 5 are arranged ( Figure 9).
  • an active sensor element 7, which in the present case is designed as an active sensitive potting is filled into the cavity 11 (FIG. 10).

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Abstract

Es wird ein photonischer Gassensor mit den folgenden Merkmalen angegeben: -einem Bauelementgehäuse (1) mit mindestens einer Kavität (2, 3, 11), -einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip (4), der in der Kavität (2, 3, 11) angeordnet ist und dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs auszusenden, -einem strahlungsdetektierenden Halbleiterchip (5), der in der Kavität (2, 3, 11) angeordnet und dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs zu detektieren, und -einem aktiven Sensorelement (7), das einen Fluoreszenzfarbstoff (8) aufweist, der bei Anregung mit elektromagnetischer Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs aussendet, wobei sich die Intensität der ausgesandten elektromagnetischen Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs in Anwesenheit eines zu detektierenden Gases reversibel verändert. Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensors angegeben.

Description

PHOTONISCHER GASSENSOR UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES
PHOTONISCHEN GASSENSORS
Es werden ein photonischer Gassensor und ein Verfahren zur Herstellung eines photonischen Gassensors angegeben.
Ein Gassensor ist beispielsweise in der Druckschrift DE 19839552 Al angegeben.
Eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist es, einen verbes serten photonischen Gassensor anzugeben. Insbesondere soll ein photonischer Gassensor mit kompakter Bauweise angegeben wer den. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung eines verbes serten photonischen Gassensors, insbesondere mit kompakter Bauweise angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch einen photonischen Gassensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 19 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des photo nischen Gassensors und des Verfahrens sind Gegenstand der je weils abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der photonische Gassensor ein Bauelementgehäuse mit mindestens einer Kavität. Bei dem Bauelementgehäuse kann es sich um ein einstückiges Bauele mentgehäuse handeln, das beispielsweise mit einem Kunststoff formverfahren, wie etwa einem Spritzgussverfahren hergestellt ist. Alternativ kann das Bauelementgehäuse aber auch aus meh reren Elementen zusammengesetzt sein. Beispielsweise kann das Bauelementgehäuse aus einem Substrat, wie einer Keramikplatte oder einer gedruckten Leiterplatte (Printed Circuit Board "PCB"), auf das ein Rahmen aufgebracht ist, gebildet sein. Seitenflächen des Rahmens bilden hierbei bevorzugt die Seiten flächen der Kavität aus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des photonischen Gas sensors ist in der Kavität des Bauelementgehäuses ein strah lungsemittierender Halbleiterchip angeordnet. Der strahlungs emittierende Halbleiterchip ist bevorzugt dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs auszusenden. Die elektromagnetische Strahlung des ersten Wel lenlängenbereichs wird bevorzugt von einer Strahlungsaus trittsfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterchips aus gesandt .
Das Bauelementgehäuse weist mindestens eine Kavität auf. Bei spielsweise weist das Bauelementgehäuse eine gemeinsame Kavi tät auf, in der der strahlungsemittierende Halbleiterchip und der strahlungsdetektierende Halbleiterchip angeordnet sind. Weiterhin ist es auch möglich, dass das Bauelement zwei Kavi täten aufweist, wobei der strahlungsemittierende Halbleiter chip in der ersten Kavität und der strahlungsdetektierende Halbleiterchip in der zweiten Kavität angeordnet sind.
Gemäß einer Ausführungsform des photonischen Gassensors um fasst der strahlungsemittierende Halbleiterchip eine epitak tische Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone, in der die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbe reichs im Betrieb des strahlungsemittierenden Halbleiterchips erzeugt wird.
Bevorzugt handelt es sich bei dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip um einen Leuchtdiodenchip. Bei dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip kann es sich beispielsweise um einen sogenannten volumenemittierenden Halb leiterchip oder um einen Dünnfilmhalbleiterchip handeln.
Der volumenemittierende Halbleiterchip weist in der Regel ein Substrat auf, auf dem die epitaktische Halbleiterschichten folge mit der aktiven Zone epitaktisch gewachsen wurde. Das Substrat kann beispielsweise eines der folgenden Materialien aufweisen oder aus einem der folgenden Materialien bestehen: Saphir, Siliziumcarbid. Volumenemittierende Halbleiterchips senden die in der aktiven Zone erzeugte elektromagnetische Strahlung in der Regel nicht nur über eine Hauptfläche aus, sondern auch über Seitenflächen.
Der Dünnfilmhalbleiterchip weist eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtfolge auf, die auf einen anderen Träger auf gebracht ist als das Wachstumssubstrat für die epitaktische Halbleiterschichtenfolge. Besonders bevorzugt ist zwischen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge und dem Träger eine Spiegelschicht angeordnet, die elektromagnetische Strahlung der aktiven Zone zu einer Strahlungsaustrittsfläche lenkt. Die Strahlungsaustrittsfläche ist hierbei in der Regel von einer Hauptfläche des Dünnfilmhalbleiterchips umfasst. Dünnfilmhalb leiterchips senden die elektromagnetische Strahlung, die im Betrieb in der aktiven Zone erzeugt wird, in der Regel nicht oder nur sehr geringfügig über die Seitenflächen des Trägers aus, sondern haben eine im Wesentlichen Lambertsche Ab- strahlcharakteristik .
Die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbe reichs, die in der aktiven Zone erzeugt wird, weist beispiels weise ultraviolette Strahlung, infrarote Strahlung oder sicht bares Licht auf. Beispielsweise basiert die epitaktische Halbleiterschichten folge auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial oder ist aus einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial gebildet. Nit- rid-Verbindungshalbleitermaterialien sind Verbindungshalb leitermaterialien, die Stickstoff enthalten, wie Materialien aus dem System InxAlyGai-x-yN mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x+y < 1. Basiert die epitaktische Halbleiterschichtenfolge und ins besondere die aktive Zone auf einem Nitrid-Verbindungshalb- leitermaterial , so ist die aktive Zone in der Regel dazu ge eignet, elektromagnetische Strahlung aus dem ultravioletten bis blauen-grünen Spektralbereich zu erzeugen.
Weiterhin ist es auch möglich, dass die epitaktische Halb leiterschichtenfolge auf einem Phosphid-Verbindungshalb- leitermaterial basiert oder aus einem Phosphid-Verbindungs- halbleitermaterial gebildet ist. Phosphid-Verbindungshalb- leitermaterialien sind Verbindungshalbleitermaterialien, die Phosphor enthalten, wie Materialien aus dem System InxAlyGai-x_ yP mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x+y < 1. Basiert die epitaktische Halbleiterschichtenfolge und insbesondere die aktive Zone auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial , so ist die ak tive Zone in der Regel dazu geeignet, elektromagnetische Strah lung aus dem grünen bis roten Spektralbereich zu erzeugen.
Schließlich ist es möglich, dass die epitaktische Halbleiter schichtenfolge auf einem Arsenid-Verbindungshalbleitermate- rial basiert oder aus einem Arsenid-Verbindungshalbleiterma- terial gebildet ist. Arsenid-Verbindungshalbleitermaterialien sind Verbindungshalbleitermaterialien, die Arsen enthalten, wie Materialien aus dem System InxAlyGai-x-yAs mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x+y < 1. Basiert die epitaktische Halbleiterschich tenfolge und insbesondere die aktive Zone auf einem Arsenid- Verbindungshalbleitermaterial , so ist die aktive Zone in der Regel dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung aus dem ro ten bis infraroten Spektralbereich zu erzeugen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des photonischen Gas sensors umfasst dieser einen strahlungsdetektierenden Halb leiterchip. Der strahlungsdetektierende Halbleiterchip ist be vorzugt in der Kavität angeordnet und dazu geeignet, elektro magnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs zu detektieren. Bevorzugt ist der erste Wellenlängenbereich hier bei von dem zweiten Wellenlängenbereich verschieden. Insbeson dere umfasst der zweite Wellenlängenbereich besonders bevor zugt längere Wellenlängen als der erste Wellenlängenbereich. Beispielsweise handelt es sich bei dem strahlungsdetektieren den Halbleiterchip um einen Fotodiodenchip. Der Fotodiodenchip kann auf Silizium basieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der photonische Gassensor ein aktives Sensorelement, das dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs zu detektieren. Bevorzugt weist das aktive Sensorelement einen Fluoreszenzfarbstoff auf, der bei Anregung mit elektromagne tischer Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs elektromag netische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs aussendet.
Der Fluoreszenzfarbstoff ist vorliegend bevorzugt wellenlän genkonvertierend ausgebildet. Mit dem Begriff „wellenlängen konvertierend" ist vorliegend insbesondere gemeint, dass ein gestrahlte elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellen längenbereichs in elektromagnetische Strahlung eines zweiten, bevorzugt längerwelligen, Wellenlängenbereichs umgewandelt wird. In der Regel absorbiert ein wellenlängenkonvertierendes Element elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängen- bereiches, wandelt diese durch elektronische Vorgänge auf ato marer und/oder molekularer Ebene in elektromagnetische Strah lung des zweiten Wellenlängenbereiches um und sendet die um gewandelte elektromagnetische Strahlung wieder aus. Insbeson dere wird reine Streuung oder reine Absorption nicht als wel lenlängenkonvertierenden verstanden .
Der Fluoreszenzfarbstoff ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass die Intensität der ausgesandten elektromagnetischen Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs in Anwesenheit ei nes zu detektierenden Gases reversibel verändert wird, bei spielsweise verringert. Mit anderen Worten verändert sich die Intensität der von dem Fluoreszenzfarbstoff ausgesandten elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs, wenn das zu detektierende Gas mit dem Fluoreszenzfarbstoff in direktem Kontakt steht und geht wieder in den Ausgangs zustand zurück, wenn das Gas entfernt wird.
Bei dem vorliegenden photonischen Gassensor wird also der Flu oreszenzfarbstoff verwendet, um das Gas zu detektieren. Der Fluoreszenzfarbstoff ist derart ausgestaltet, dass sich die Intensität der von ihm ausgesandten elektromagnetischen Strah lung in Anwesenheit des zu detektierenden Gases reversibel verändert, beispielsweise verringert. Der strahlungsdetektie- rende Halbleiterchip ist dazu geeignet und angeordnet, die Intensität der von dem Fluoreszenzfarbstoff des aktiven Sen sorelements ausgesandten elektromagnetischen Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs zu detektieren und so die Verän derung der Intensität der elektromagnetischen Strahlung des Fluoreszenzfarbstoffs bei Anwesenheit des zu detektierenden
Gases zu erfassen. Beispielsweise ist es möglich, dass die Phasenverschiebung der von dem aktiven Sensorelement ausgesandten elektromagnetischen Strahlung bei intensitätsmodulierter Anregung gemessen wird.
Bevorzugt wird vorliegend nur die Intensität der von dem ak tiven Sensorelement ausgesandten elektromagnetischen Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs gemessen. Dies kann aufgrund der festen Position zwischen strahlungsemittierendem Halb leiterchip und strahlungsdetektierendem Halbleiterchips mit Vorteil ausreichend sein. Dies ermöglicht die Verwendung einer einfachen Elektronik.
Beispielsweise handelt es sich bei dem zu detektierenden Gas um Sauerstoff (Cg) , um Kohlendioxid (CCg) , um Stickstoffdioxid (NO2) , um Kohlenmonoxid (CO) , um Ammoniak (NH3) oder eine Mi schung zumindest zweier dieser Gase.
Als Fluoreszenzfarbstoff kann beispielsweise ein Fluorescein, ein Rhodamin, ein Cyanin, ein Coumarin, ein fluoreszierendes Polymer, ein fluoreszierender Metallionenkomplex oder Nanopar- tikel verwendet werden. Neben Fluoresceinen, Rhodaminen, Cya ninen und Coumarinen können auch weitere organische Fluores zenzfarbstoffe zur Verwendung in dem photonischen Gassensor geeignet sein.
Ein fluoreszierender Metallionenkomplex kann als Metallionen beispielsweise Europium (III) -Ionen (Eu3+) und/oder Ter bium (III) -Ionen (Tb3+) aufweisen. Zur Detektion von Sauerstoff kann beispielsweise Tris ( 2 , 2 ' -bipyridyl ) dichlororuthe- nium ( I I ) hexahydrat (Ru(bpy)32+) geeignet sein. Zur Detektion von Kohlendioxid kann beispielsweise Carboxynaphtofluorescein (CNF) verwendet werden, während zur Detektion von Ammoniak ein Fluorescein oder ein Coumarin geeignet sein kann. Geeignete Materialien für den Fluoreszenzfarbstoff sind beispielsweise in der Druckschrift Bhopate et al . , Journal of Nanomed Nano- technology 2017, 8.2 (DOI 10.4172/2157-7439.1000436) beschrie ben, deren Inhalt diesbezüglich durch Rückbezug aufgenommen wird .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des photonischen Gas sensors umfasst das aktive Sensorelement eine Polymermatrix. Der Fluoreszenzfarbstoff des aktiven Sensorelements ist bevor zugt in die Polymermatrix eingebettet. Weiterhin ist die Po lymermatrix bevorzugt für das zu detektierende Gas durchläs sig. Beispielsweise handelt es sich bei der Polymermatrix um ein Silikon oder ein Polysilazan. Weiterhin können auch andere Polymere als Polymermatrix geeignet sein, solange diese für das zu detektierende Gas durchlässig sind. Die Polymermatrix kann beispielsweise aus einem Polymer gebildet sein, das ther misch oder durch UV-Strahlung ausgehärtet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des photonischen Gas sensors ist das aktive Sensorelement als sensitiver Verguss ausgebildet. Bevorzugt ist zumindest der strahlungsemittie rende Halbleiterchip in den sensitiven Verguss eingebettet. Beispielsweise füllt der sensitive Verguss die erste Kavität, in der der strahlungsemittierende Halbleiterchip angeordnet ist, oder die zweite Kavität in der der strahlungsdetektie- rende Halbleiterchip angeordnet ist, vollständig. Weiterhin ist es auch möglich, dass der sensitive Verguss den strah lungsemittierenden Halbleiterchip oder den strahlungsdetektie- renden Halbleiterchip halbkugelförmig umschließt. Der sensi tive Verguss kann durch die Polymermatrix mit dem eingebette ten Fluoreszenzfarbstoff gebildet sein, der diese beiden Ma terialien umfassen. Weiterhin ist es auch möglich, dass sowohl der strahlungsemit tierende Halbleiterchip als auch der strahlungsdetektierenden Halbleiterchip von dem sensitiven Verguss umhüllt sind. Hier bei sind der strahlungsemittierende Halbleiterchip und der strahlungsdetektierende Halbleiterchip bevorzugt in einer ge meinsamen Kavität des Bauelementgehäuses angeordnet. Bei die ser Ausführungsform umhüllt der sensitive Verguss den strah lungsemittierenden Halbleiterchip und den strahlungsdetektie renden Halbleiterchip besonders bevorzugt vollständig. Bevor zugt füllt der sensitive Verguss die gemeinsame Kavität, be vorzugt vollständig.
Weiterhin ist es auch möglich, dass das Bauelementgehäuse zwei Kavitäten aufweist, die voneinander getrennt sind. Beispiels weise weist das Bauelementgehäuse eine erste Kavität und eine zweite Kavität auf, die voneinander getrennt sind, beispiels weise durch eine Trennwand. Bevorzugt ist der strahlungsdetek tierende Halbleiterchip in der ersten Kavität und der strah lungsemittierende Halbleiterchip in der zweiten Kavität ange ordnet. Bei dieser Ausführungsform ist das aktive Sensorele ment bevorzugt als sensitiver Verguss in der zweiten Kavität ausgebildet. Der sensitive Verguss umhüllt hierbei den strah lungsemittierenden Halbleiterchip besonders bevorzugt voll ständig .
Weiterhin ist es auch möglich, dass das aktive Sensorelement als sensitive Schicht ausgebildet ist. Hierbei ist die Haupt erstreckungsebene der sensitiven Schicht bevorzugt parallel zu einer Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterchips und/oder parallel zu einer Strahlungsein trittsfläche des strahlungsdetektierenden Halbleiterchips an geordnet. Beispielsweise umfasst die aktive sensitive Schicht die Polymermatrix, in die der Fluoreszenzfarbstoff eingebettet ist oder ist aus diesen Materialien gebildet.
Hierbei ist die sensitive aktive Schicht bevorzugt auf ein transparentes Trägerelement aufgebracht. Das Trägerelement ist insbesondere bevorzugt transparent für elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und elektromagneti sche Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs. Besonders be vorzugt ist die sensitive Schicht vollflächig auf das trans parente Trägerelement aufgebracht. Das transparente Trägerele ment wirkt bevorzugt als Wellenleiterschicht, die die elekt romagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs ein koppelt und lateral zum detektierenden Halbleiterchip trans portiert .
Das transparente Trägerelement weist bevorzugt zu dem strah lungsemittierenden Halbleiterchip und dem strahlungsdetektie- renden Halbleiterchip und ist bevorzugt durchlässig für das zu detektierende Gas.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des photonischen Gas sensors umfasst dieser einen Filter, der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs filtert. Dies erhöht die Sensitivität des photonischen Gassensors. Der Filter kann beispielsweise als Bandpassfilter ausgebildet sein, der ledig lich elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbe reichs herausfiltert oder auch als Langpassfilter, bei dem eine obere Kante des Filters an der oberen Kante des ersten Wellenlängenbereichs liegt. Mit anderen Worten filtert der Langpassfilter bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit Wel lenlängen kleiner als die größte Wellenlänge des ersten Wel lenlängenbereichs und transmittiert elektromagnetische Strah lung mit Wellenlängen größer als die größte Wellenlänge des ersten Wellenlängenbereichs. Besonders bevorzugt ist der Fil ter durchlässig für das zu detektierende Gas ausgebildet.
Der Filter kann beispielswiese als dichroitischer Filter aus gebildet sein. Beispielsweise können dichroitische Schichten auf einem Plättchen, wie einem Glasplättchen, aufgebracht sein, wobei diese Elemente den Filter ausbilden. Weiterhin ist es auch möglich, dass der Filter Farbpigmente aufweist, die die zu filternde elektromagnetische Strahlung absorbieren. Die Farbpigmente können hierbei beispielsweise ebenfalls in ein polymeres Matrixmaterial wie Silikon eingebettet sein. Die Farbpigmente können organische Materialien sein. Im Unter schied zu dem Fluoreszenzfarbstoff sind die Farbpigmente be vorzugt nicht wellenlängenkonvertierend ausgebildet, sondern absorbieren aus einfallendem externem Licht einen gewissen spektralen Anteil, so dass der spektrale Bereich des restli chen sichtbaren Lichts die Farbe der Farbpigmente bestimmt.
Gemäß einer Ausführungsform des photonischen Gassensors ist der Filter als filternde Schicht ausgebildet und auf die Strah- lungseintrittsfläche des strahlungsdetektierenden Halbleiter chips aufgebracht. Beispielsweise kann der Filter wie oben beschrieben durch dichroitische Schichten auf einem Glasplätt chen gebildet sein. Die filternde Schicht kann beispielsweise auf die Strahlungseintrittsfläche des strahlungsdetektieren den Halbleiterchips aufgeklebt sein.
Gemäß einer Ausführungsform des photonischen Gassensors ist das Sensorelement als sensitive Schicht ausgebildet und das Filterelement als filternde Schicht. Hierbei ist die filternde Schicht bevorzugt zwischen der Strahlungseintrittsfläche des strahlungsdetektierenden Halbleiterchips und der sensitiven Schicht angeordnet. Weiterhin ist es auch möglich, dass der Filter als filternder Verguss ausgebildet ist. Hierbei ist der strahlungsdetektie- rende Halbleiterchip bevorzugt in den filternden Verguss ein gebettet. Beispielsweise ist der strahlungsdetektierende Halb leiterchip in eine Kavität des Bauelementgehäuses eingebracht und die Kavität ist mit dem filternden Verguss gefüllt, bei spielsweise vollständig. Der filternde Verguss ist beispiels weise durch ein polymeres Matrixmaterial mit Farbpigmenten ge bildet. Der filternde Verguss kann durch Dispensen oder Jetten in Tropfenform erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des photonischen Gas sensors sind Seitenflächen des strahlungsdetektierenden Halb leiterchips mit einer Schutzschicht versehen, die verhindert, dass elektromagnetische Strahlung lateral in den strahlungs detektierenden Halbleiterchip einkoppelt. Die Schutzschicht kann beispielsweise reflektierend ausgebildet sein. Beispiels weise umfasst die Schutzschicht ein Silikon, in das reflektie rende Partikel, wie Titandioxidpartikel, eingebracht sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des photonischen Gas sensors umfasst dieser ein Abdeckelement. Das Abdeckelement ist bevorzugt absorbierend oder reflektierend zumindest für die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbe reichs ausgebildet. Das Abdeckelement ist bevorzugt derart in nerhalb des photonischen Gassensors angeordnet, dass es das Eintreten von externer elektromagnetischer Strahlung, wie bei spielsweise Sonnenlicht, in den photonischen Gassensor und insbesondere zu dem Fluoreszenzfarbstoff verhindert. Auf diese Art und Weise kann ein Bleichen des Farbstoffs zumindest ver mindert werden. Beim Bleichen des Farbstoffs handelt es sich um eine irreversible Intensitätsabnahme der von dem Farbstoff ausgesandten elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise aufgrund von Degradation des Fluoreszenzfarbstoffs. Außerdem ist das Abdeckelement bevorzugt durchlässig für das zu detek- tierende Gas. Weiterhin ist es möglich, dass in dem Abdeckele ment ein Durchbruch angeordnet ist, der das Abdeckelement be vorzugt vollständig durchdringt. Durch den Durchbruch dringt mit Vorteil das zu detektierende Gas zu dem Sensorelement. Beispielsweise handelt es sich bei dem Durchbruch um eine Boh rung .
Das Abdeckelement, das absorbierend für die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs ausgebildet ist, kann beispielsweise ein Silikon umfassen, in das schwarze Pig mentpartikel, wie beispielsweise Rußpartikel, eingebettet sind. Das Silikon ist hierbei bevorzugt durchlässig für das zu detektierende Gas.
Ein Abdeckelement, dass reflektierend zumindest für die elekt romagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs aus gebildet ist, kann beispielsweise aus einem Polymer, wie einem Silikon gebildet sein, in das reflektierende Partikel einge bracht sind. Bei den reflektierenden Partikeln kann es sich beispielsweise um Titandioxidpartikel handeln. Ein derartiges Abdeckelement ist insbesondere diffus reflektierend ausgebil det. Das diffus reflektierende Abdeckelement weist in der Re gel einen weißen Farbeindruck auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des photonischen Gas sensors ist das Abdeckelement zwischen einer Außenfläche des photonischen Gassensors und dem Sensorelement angeordnet. Bei spielsweise bildet eine Hauptfläche des Abdeckelements die Au ßenfläche des photonischen Gassensors aus. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der photonische Gassensor eine Wellenleiterschicht, die elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs zum strahlungsde- tektierenden Halbleiterchip leitet. Bevorzugt koppelt in die Wellenleiterschicht elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs, die von dem Sensorelement ausgesandt wird, in die Wellenleiterschicht ein, sodass diese die elekt romagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs zum strahlungsdetektierenden Halbleiterchip leiten kann. Die Wel lenleiterschicht ist insbesondere von Vorteil, wenn der strah lungserzeugende Halbleiterchip und der strahlungsdetektierende Halbleiterchip in voneinander getrennten Kavitäten angeordnet sind .
Bei der Wellenleiterschicht kann es sich beispielsweise um das bereits oben beschriebene transparente Trägerelement des sen sitiven Elements handeln. Weiterhin ist es auch möglich, dass eine weitere separat von der sensitiven Schicht hergestellte und angeordnete Wellenleiterschicht von dem photonischen Gas sensor umfasst ist. Besonders bevorzugt ist auch die Wellen leiterschicht für das zu detektierende Gas durchlässig ausge bildet .
Beispielsweise ist die Wellenleiterschicht aus einer transpa renten Vergussmasse wie einem Silikon gebildet, in die eine Vielzahl an Streupartikeln angebracht ist. Bei der transparen ten Vergussmasse kann es sich beispielsweise um ein Silikon handeln. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Wellenleiter schicht eines der folgenden Materialien aufweist oder aus ei nem dieser Materialien besteht: Glas, Epoxidharz, Polymethyl- methacrylat . Bevorzugt ist die Wellenleiterschicht an eine Hauptfläche, die zu der Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierten Halbleiterchips und/oder zu der Strahlungseintrittsfläche des strahlungsdetektierenden Halbleiterchips weist, mit Kopplungs strukturen versehen. Die Kopplungsstrukturen sind dazu geeig net, die Einkopplung und/oder die Auskopplung von elektromag netischer Strahlung in und aus der Wellenleiterschicht zu er höhen. Die Kopplungsstrukturen können gleichmäßig auf der Hauptfläche des Abdeckelements angeordnet sein oder auch nur in bestimmten Bereichen der Hauptfläche, beispielsweise über dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip und/oder dem strah lungsdetektierenden Halbleiterchip .
Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines photonischen Gassensors werden ein strahlungsemittieren der Halbleiterchip und ein strahlungsdetektierender Halb leiterchip auf einer Montagefläche eines Substrats angeordnet. Beispielsweise werden der strahlungsemittierende Halbleiter chip und der strahlungsdetektierende Halbleiterchip auf einer gemeinsamen Montagefläche eines gemeinsamen Substrats angeord net. Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um eine Keramikplatte oder eine gedruckte Leiterplatte handeln.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein Rahmen auf dem Substrat aufgebracht, sodass das Substrat und der Rahmen das Bauelementgehäuse mit der Kavität ausbilden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine aktive sensitive Schicht als Sensorelement auf dem Rahmen an geordnet und befestigt. Sämtliche in Verbindung mit dem photonischen Gassensor be schriebene Ausführungsform und Merkmale können ebenso bei dem Verfahren ausgebildet sein und umgekehrt.
Der vorliegende photonischen Gassensor beruht unter anderem auf der Idee einen Fluoreszenzfarbstoff zu verwenden, um ein Gas zu detektieren. Der Fluoreszenzfarbstoff ist hierbei dazu geeignet, die Intensität der von ihm ausgesandten elektromag netischen Strahlung bei Anwesenheit des zu detektierenden Ga ses reversibel zu verändern, beispielsweise zu verringern.
Außerdem sind die vorliegend beschriebenen Elemente des pho tonischen Gassensors, wie der strahlungsemittierende Halb leiterchip und der strahlungsdetektierende Halbleiterchip, in einem gemeinsamen Bauelementgehäuse anzuordnen. Dies ermög licht mit Vorteil eine möglichst kompakte Bauweise des photo nischen Gassensors. Bei dem Bauelementgehäuse handelt es sich vorliegend besonders bevorzugt um ein Bauelementgehäuse wie es beispielsweise in der Leuchtdiodentechnologie bereits verwen det wird. Hierbei kann es sich um ein einstückig ausgebildetes, vorgeformtes Bauelementgehäuse mit einer oder mehreren Kavi täten handeln. Weiterhin ist es auch möglich, dass das Bauele mentgehäuse aus verschiedenen Elementen, wie einem Substrat und einem Rahmen zusammengesetzt wird.
Zur Detektion des Gases wird vorliegend bevorzugt der Fluores zenzfarbstoff verwendet, der bevorzugt in eine Polymermatrix eingebettet ist, die vorzugsweise auch als Vergussmaterial ei ner Leuchtdiode verwendet werden kann. Dies vereinfacht die Herstellung des photonischen Gassensors.
Der photonische Gassensor ist besonders bevorzugt dazu geeig net, in einem SMT-Montageprozess (SMT für englisch „Surface Mount Technology", deutsch: Oberflächenmontagetechnologie), wie beispielsweise einem Pick-and-Place Verfahren, SAC- Lotpaste und Reflowlöten unter Verwendung einer SAC-Lotpaste montiert zu werden. Dieser vorteilhafte Effekt ist insbeson dere bei Verwendung einer temperaturstabilen Polymermatrix, wie Silikon, möglich. Weiterhin ist es aber auch möglich, an dere Verbindungselemente zur Montage des photonischen Gas sensors wie Anisotropie Conductive Paste (ACP) , Anisotropie Conductive Film (ACF) oder niederschmelzende Lote zu verwen den. Diese Montageprozesse sind insbesondere mit Vorteil ver gleichsweise günstig.
Aufgrund der geringen Abmessungen ist der photonische Gas sensor insbesondere dazu geeignet, in Anwendungen eingesetzt zu werden, bei denen wenig Platz zur Verfügung steht, wie in einem Mobiltelefon oder in Kleidung.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Die schematischen Schnittdarstellungen der Figuren 1, 2, 4, 5 und 6 zeigen einen photonischen Gassensor gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel .
Figur 3 zeigt eine chemische Strukturformel eines Fluoreszenz farbstoffs für einen photonischen Gassensor gemäß einem Aus führungsbeispiels .
Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der Figuren 7 bis 10 wird ein Verfahren zur Herstellung eines photonischen Gassensors näher erläutert. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrach ten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schicht dicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Der photonische Gassensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist ein Bauelementgehäuse 1 mit zwei voneinander getrennten Kavitäten 2, 3 auf. Bei dem Bauelementgehäuse 1 handelt es sich vorliegend um ein vorgeformtes Bauelementge häuse 1, bei dem ein Leiterrahmen in einen Kunststoffkörper eingebettet ist.
In der ersten Kavität 2 ist ein strahlungsemittierender Halb leiterchip 4 angeordnet, der von einer Strahlungsaustrittsflä che elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbe reichs aussendet. In der zweiten Kavität 3 ist ein strahlungs- detektierender Halbleiterchip 5 angeordnet, der dazu geeignet ist, elektromagnetische Strahlung eine zweiten Wellenlängen bereichs, die durch eine Strahlungseintrittsfläche in den strahlungsdetektierenden Halbleiterchip 5 eintritt, zu detek- tieren. Die Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittie renden Halbleiterchips 4 und die Strahlungseintrittsfläche des strahlungsdetektierenden Halbleiterchips 5 sind parallel zu einer Hauptfläche des photonischen Gassensors angeordnet. Bei dem strahlungsemittierenden Halbleiterchip 4 kann es sich um einen volumenemittierenden Halbleiterchip oder um einen ober flächenemittierenden Halbleiterchip handeln. Bei dem strah lungsdetektierenden Halbleiterchip 5 handelt es sich vorlie gend um eine Fotodiode, besonders bevorzugt um eine Fotodiode, die auf Silizium basiert. Die erste Kavität 2 und die zweite Kavität 3 des Bauelementge häuses 1 werden vorliegend durch eine Wellenleiterschicht 6 vollständig abgedeckt. Die Wellenleiterschicht 6 kann bei spielsweise Glas oder ein Polymer aufweisen oder aus einem dieser Materialien gebildet sein. Die Wellenleiterschicht 6 ist besonders bevorzugt durchlässig zumindest für elektromag netische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs und/oder elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs.
Weiterhin umfasst der Ganssensor gemäß der Figur 1 ein aktives Sensorelement 7, das vorliegend als eine aktive sensitive Schicht ausgebildet ist. Die aktive sensitive Schicht ist vor liegend in direktem Kontakt auf die Wellenleiterschicht 6 auf gebracht. Die aktive sensitive Schicht 7 weist ein Silikon als Polymermatrix auf, in das ein Fluoreszenzfarbstoff 8 einge bracht ist. Bei dem Fluoreszenzfarbstoff 8 kann es sich bei spielsweise um
Tris (2 , 2 ' -bipyridyl ) dichlororuthenium (II) hexahydrat handeln . Die chemische Strukturformel dieses Fluoreszenzfarbstoffs 8 ist exemplarisch in Figur 3 dargestellt.
Der Fluoreszenzfarbstoff 8 ist dazu geeignet, Sauerstoff zu detektieren. Bei der Anwesenheit von Sauerstoff vermindert sich die Intensität der von dem Fluoreszenzfarbstoff 8 ausge sandten elektromagnetischen Strahlung des zweiten Wellenlän genbereichs auf reversible Art und Weise.
In direktem Kontakt auf die aktive sensitive Schicht 7 ist vorliegend ein reflektierendes Abdeckelement 9 aufgebracht. Das reflektierende Abdeckelement 9 weist Silikon als Polymer matrix auf. In die Polymermatrix sind reflektierende Parti keln, beispielsweise Titandioxidpartikel, eingebettet. Alter- nativ ist es möglich, dass das Abdeckelement 9 schwarz ausge bildet ist, beispielsweise indem in das Silikon als Polymer matrix Rußpartikel eingebracht sind.
Im Betrieb des photonischen Gassensors sendet der strahlungs emittierende Halbleiterchip 4 von seiner Strahlungsaustritts fläche elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängen bereichs aus. Die elektromagnetische Strahlung des ersten Wel lenlängenbereichs trifft auf die Wellenleiterschicht 6 und wird durch die Wellenleiterschicht 6 in die aktive sensitive Schicht 7 eingekoppelt. Dort regt die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs den Fluoreszenzfarb stoff 8 an, sodass dieser elektromagnetische Strahlung eines zweiten, längeren Wellenlängenbereichs aussendet. Die elekt romagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs wird durch die Wellenleiterschicht 6 zu der zweiten Kavität 3 trans portiert, in der der strahlungsdetektierende Halbleiterchip 5 angeordnet ist. Der strahlungsdetektierende Halbleiterchip 5 ist dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs zu detektieren. Ist nun Sauerstoff als zu detektierendes Gas in der sensitiven aktiven Schicht 7 anwe send, so wird die Intensität der von dem Fluoreszenzfarbstoff 8 emittierten elektromagnetischen Strahlung des zweiten Wel lenlängenbereichs verringert. Die Verringerung der Intensität wird durch den strahlungsdetektierenden Halbleiterchip 5 de- tektiert, sodass die Anwesenheit von Sauerstoff festgestellt werden kann.
Das Abdeckelement 9, das reflektierend, zum Beispiel weiß, oder absorbierend, zum Beispiel schwarz, ausgebildet sein kann, verhindert vorliegend ein Bleichen des Fluoreszenzfarb stoffs 8, das heißt eine irreversible Degradation des Fluores zenzfarbstoffs 8, die zu einer irreversiblen Verminderung der Intensität der von dem Fluoreszenzfarbstoff 8 ausgesandeten elektromagnetischen Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs führen kann.
Bevorzugt weist der photonische Gassensor einen dichroitischen Filter 10 auf, der der Strahlungseintrittsfläche des strah- lungsdetektierenden Halbleiterchips 5 in einer Einstrahlrich tung vorgelagert ist. Der dichroitische Filter 10 kann bei spielsweise die zweite Kavität 3 abdecken oder auch auf der Strahlungseintrittsfläche des strahlungsdetektierenden Halb leiterchips 5 angeordnet sein, beispielsweise durch Kleben. Der dichroitische Filter 10 verbessert die Sensitivität des photonischen Gassensors.
Der photonische Gassensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 weist im Unterschied zu dem photonischen Gassensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 eine einzige gemein same Kavität 11 auf, in der der strahlungsemittierende Halb leiterchip 4 und der strahlungsdetektierende Halbleiterchip 5 angeordnet sind. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist als aktives Sensorelement 7 ein sensitiver Verguss verwendet, der die Kavität vollständig ausfüllt. Der aktive sensitive Verguss 7 umfasst Silikon als Polymermatrix, in die der Fluo reszenzfarbstoff 8 eingebettet ist. Die Kavität 11 ist mit dem Abdeckelement 9 vollständig abgedeckt.
Der photonische Gassensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 weist wie der photonische Gassensor gemäß dem Ausfüh rungsbeispiel der Figur 1 ein Bauelementgehäuse mit zwei ab getrennten Kavitäten 2, 3 auf, wobei in der ersten Kavität 2 ein strahlungsemittierender Halbleiterchip 4 und in der zwei ten Kavität 3 ein strahlungsdetektierender Halbleiterchip 5 angeordnet ist. Das Bauelementgehäuse 1 umfasst vorliegend ein Substrat 12, beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte oder eine Keramikplatte, auf die ein Rahmen 13 aufgesetzt ist. Wei terhin sind die erste Kavität 2 und die zweite Kavität 3 durch eine Trennwand 14 voneinander separiert, die wie der Rahmen 13 auf das Substrat 12 aufgesetzt ist. Der Rahmen 13 ist vorlie gend reflektierend ausgebildet. Beispielsweise ist der Rahmen 13 aus einem Silikon mit Titandioxidpartikeln gebildet.
In der ersten Kavität 2 ist ein aktives Sensorelement 7 ange ordnet, das vorliegend als aktiver sensitiver Verguss ausge bildet ist. Der aktive sensitive Verguss 7 weist ein Silikon als Polymermatrix auf, in das ein Fluoreszenzfarbstoff 8 ein gebracht ist. Der aktive sensitive Verguss 7 umhüllt den strah lungsemittierenden Halbleiterchip 4 vorliegend vollständig.
In der zweiten Kavität 3, in der der strahlungsdetektierende Halbleiterchip 5 angeordnet ist, ist weiterhin ein Filter 10 angeordnet, der als filternder Verguss ausgebildet ist. Bei dem filternden Verguss 10 handelt es sich um ein Silikon, in das Farbpigmente eines organischen Farbfilters eingebracht sind. Der Filter 10 ist dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs, der von dem strah lungsemittierenden Halbleiterchip 4 ausgesandt wird, zu absor bieren. Dies erhöht die Sensitivität des photonischen Gas sensors .
Weiterhin umfasst der photonische Gassensor gemäß dem Ausfüh rungsbeispiel der Figur 4 eine Wellenleiterschicht 6, die die beiden Kavitäten 2, 3, abdeckt und dazu geeignet ist, elekt romagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs, die von dem aktiven sensitiven Verguss 7 ausgesandt wird, lateral zu der zweiten Kavität 3 und dem strahlungsdetektierenden Halb- leiterchip 5 zu leiten. Die Wellenleiterschicht 6 ist vorlie gend aus einem Silikon gebildet, in das Streupartikel einge bracht sind.
Auf der Wellenleiterschicht 6 ist ein Abdeckelement 9 aufge bracht, das vorliegend reflektierend ausgebildet ist. Das Ab deckelement 9 ist aus einem Silikon gebildet, in das Titandi oxidpartikel eingebracht sind.
Bei dem photonischen Gassensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 umfasst das Bauelementgehäuse 1 ebenfalls ein Sub strat 12 wie beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte oder ein Keramiksubstrat, auf das ein Rahmen 13 aufgebracht ist. Der Rahmen 13 bildet hierbei die Seitenwände einer gemeinsamen Kavität 11 aus, in die der strahlungsemittierende Halbleiter chip 4 und der strahlungsdetektierende Halbleiterchip 5 ein gebracht sind. Der Rahmen 13 kann beispielsweise auf die ge druckte Leiterplatte oder das Keramiksubstrat aufgeklebt sein.
Der strahlungsdetektierende Halbleiterchip 5 ist von einem Filter 10 umgeben. Der Filter 10 umfasst eine Polymermatrix wie ein Silikon, in das als Farbfilter organische Farbpigmente eingebracht sind, die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs absorbieren. Der Filter 10 ist vorliegend als filternder Verguss ausgebildet, der beispielsweise durch Dispensen aufgebracht werden kann. Der filternde Verguss 10 bildet hierbei eine halbkugelförmige Form aus und bettet den strahlungsdetektierenden Halbleiterchip 5 vollständig ein. Al lerdings füllt der filternde Verguss 10 die Kavität 11 nicht vollständig aus. Der filternde Verguss 10 ist vorliegend lin senförmig ausgebildet. Weiterhin umfasst der photonische Gassensor gemäß dem Ausfüh rungsbeispiel der Figur 5 die Wellenleiterschicht 6, die ak tive sensitive Schicht 7 und das Abdeckelement 9. Die aktive sensitive Schicht 7 ist hierbei zwischen der Wellenleiter schicht 6 und dem Abdeckelement 9 angeordnet, wobei die Wel lenleiterschicht 6 zu der Kavität 11 des Bauelementgehäuses 1 weist und das Abdeckelement 9 zu einer Außenfläche des photo- nischen Gassensors. An einer Hauptfläche der Wellenleiter schicht 6, sind Kopplungsstrukturen 15 angeordnet, die dazu geeignet sind elektromagnetische Strahlung des ersten Wellen längenbereichs und/oder des zweiten Wellenlängenbereichs ein- oder auszukoppeln. Die Kopplungsstrukturen 15 weisen hierbei zu der Kavität 11 des photonischen Gassensors.
Bei dem photonischen Gassensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 ist ein Durchbruch 16, wie eine Bohrung, in dem Abdeckelement 9 vorgesehen. Der Durchbruch 16 durchdringt das Abdeckelement 9 vollständig. Dies ermöglicht den Transport des zu detektierenden Gases in die Kavität 11. Das aktive Senso relement 7 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als halbrunder sensitiver Verguss ausgebildet, der den strahlungsdetektieren- den Halbleiterchip 5 vollständig umhüllt, aber Bereiche der Kavität 11 frei lässt. Hierbei ist es möglich, dass auf Sei tenflächen des detektierenden Halbleiterchips 5 ein reflektie render Verguss, wie beispielsweise Titandioxid in einer Poly mermatrix etwa Silikon aufgebracht ist, um den strahlungsde- tektierenden Halbleiterchip vor der lateralen Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung zu schützen. Auch der photoni sche Gassensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 kann einen Filter 10 umfassen, beispielsweise eine dichroitische, filternde Schicht, die auf der Strahlungseinstrittsfläche des strahlungsdetektierenden Halbleiterchips 5 aufgebracht ist. Der Filter 10 kann auch als filternder Verguss ausgebildet sein .
Bei dem Verfahren gemäß der Figuren 7 bis 10 wird zunächst ein Substrat 12 bereitgestellt. Bei dem Substrat 12 kann es sich beispielsweise um eine gedruckte Leiterplatte oder ein Kera miksubstrat handeln (Figur 7) . Auf eine Montagefläche des Sub strats 12 werden ein strahlungsemittierender Halbleiterchip 4 und ein strahlungsdetektierender Halbleiterchip 5 aufgebracht (Figur 8) . Dann wird ein Rahmen 13 auf das Substrat 12 aufge bracht, sodass eine Kavität 11 aus dem Rahmen 13 und dem Sub strat 12 gebildet wird, in der der strahlungsemittierende Halb leiterchip 4 und der strahlungsdetektierende Halbleiterchip 5 angeordnet sind (Figur 9) . In einem nächsten Schritt wird ein aktives Sensorelement 7, das vorliegend als aktiver sensitiver Verguss ausgebildet ist, in die Kavität 11 eingefüllt (Figur 10) .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Aus führungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merk malen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprü chen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste
1 Bauelementgehäuse
2 erste Kavität
3 zweite Kavität
4 strahlungsemittierender Halbleiterchip
5 strahlungsdetektierender Halbleiterchip
6 WellenleiterSchicht
7 Sensorelement
8 Fluoreszenzfarbstoff
9 Abdeckelement
10 Filter
11 gemeinsame Kavität
12 Substrat
13 Rahmen
14 Trennwand
15 KopplungsStrukturen
16 Durchbruch

Claims

Patentansprüche
1. Photonischer Gassensor mit:
- einem Bauelementgehäuse (1) mit mindestens einer Kavität (2, 3, 11),
- einem strahlungsemittierenden Halbleiterchip (4), der in der Kavität (2, 3, 11) angeordnet ist und dazu geeignet ist, elekt romagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs aus zusenden,
- einem strahlungsdetektierenden Halbleiterchip (5) , der in der Kavität (2, 3, 11) angeordnet und dazu geeignet ist, elekt romagnetische Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs zu detektieren, und
- einem aktiven Sensorelement (7), das einen Fluoreszenzfarb stoff (8) aufweist, der bei Anregung mit elektromagnetischer Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs aussendet, wobei sich die Intensität der ausgesandten elektromagnetischen Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs in Anwesenheit ei nes zu detektierenden Gases reversibel verändert.
2. Photonischer Gassensor nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das aktive Sensorelement (7) eine Polymermatrix umfasst, in die der Fluoreszenzfarbstoff (8) eingebettet ist und die für das zu detektierende Gas durchlässig ist.
3. Photonischer Gassensor nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das aktive Sensorelement (7) als sensitiver Verguss aus gebildet ist, in den zumindest der strahlungsemittierende Halbleiterchip (4) eingebettet ist.
4. Photonischer Gassensor nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der strahlungsemittierende Halbleiterchip (4) und der strahlungsdetektierende Halbleiterchip (5) in einer gemeinsa men Kavität (11) des Bauelementgehäuses (1) angeordnet sind und die aktive Polymermatrix mit dem Fluoreszenzfarbstoff (8) als aktiver sensitiver Verguss ausgebildet ist, die die Kavi tät (11) füllt.
5. Photonischer Gassensor nach einem der obigen Ansprüche, bei dem
- das Bauelementgehäuse (1) eine erste Kavität (2) und eine zweite Kavität (3) aufweist, die voneinander getrennt sind,
- der strahlungsemittierende Halbleiterchip (4) in der ersten Kavität (2) und der strahlungsdetektierende Halbleiterchip (4) in der zweiten Kavität angeordnet sind,
- das aktive Sensorelement (7) als sensitiver Verguss in der ersten Kavität (2) ausgebildet ist, und
- eine Wellenleiterschicht (6) vorgesehen ist, die elektromag netische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs zum strah- lungsdetektierenden Halbleiterchip (5) leitet.
6. Photonischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem das aktive Sensorelement (7) als sensitive Schicht ausgebildet ist, deren Haupterstreckungsebene parallel zu ei ner Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterchips (4) und/oder parallel zu einer Strahlungsein trittsfläche des strahlungsdetektierenden Halbleiterchips (5) angeordnet ist.
7. Photonischer Gassensor nach dem vorherigen Anspruch, bei dem
- die aktive sensitive Schicht (7) die Polymermatrix umfasst, in die der Fluoreszenzfarbstoff (8) eingebettet ist, und
- die aktive sensitive Schicht (7) auf ein transparentes Trä gerelement aufgebracht ist.
8. Photonischer Gassensor nach einem der obigen Ansprüche, mit einem Filter (10), der elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs herausfiltert .
9. Photonischer Gassensor nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Filter (10) als filternde Schicht ausgebildet ist und auf die Strahlungseintrittsfläche des strahlungsdetektieren- den Halbleiterchips (5) aufgebracht ist.
10. Photonischer Gassensor nach einem der Ansprüche, bei dem das Sensorelement (7) als sensitive Schicht ausgebildet ist und das Filterelement (10) als filternde Schicht, wobei die filternde Schicht zwischen der Strahlungseintrittsfläche des strahlungsdetektierenden Halbleiterchips (5) und der sensiti ven Schicht (7) angeordnet ist.
11. Photonischer Gassensor nach einem der Ansprüche, bei dem der Filter (10) als filternder Verguss ausgebildet ist, in den der strahlungsdetektierende Halbleiterchip (5) eingebettet ist .
12. Photonischer Gassensor nach einem der obigen Ansprüche, mit einem Abdeckelement (9), das absorbierend oder reflektie rend zumindest für die elektromagnetische Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs ausgebildet ist.
13. Photonischer Gassensor nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Abdeckelement (9) zwischen einer Außenfläche des Gas sensors und dem Sensorelement (7) angeordnet ist.
14. Photonischer Gassensor nach einem der obigen Ansprüche, der eine Wellenleiterschicht (6) umfasst, die elektromagneti sche Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs zum strah- lungsdetektierenden Halbleiterchip (5) leitet.
15. Photonischer Gassensor nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Wellenleiterschicht (6) eine transparente Vergussmasse aufweist, in die eine Vielzahl an Streupartikeln eingebracht ist .
16. Photonischer Gassensor nach Anspruch 14, bei dem die Wel lenleiterschicht (6) eines der folgenden Materialien aufweist: Glas, Epoxidharz, Polymethylmethacrylat .
17. Photonischer Gassensor nach einem der Ansprüche, bei dem die Wellenleiterschicht (6) an einer Hauptfläche, die zu der Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden Halb leiterchips (4) und/oder der Strahlungseintrittsfläche des strahlungsdetektierenden Halbleiterchips (5) weist, Kopplungs strukturen (15) aufweist, die dazu geeignet sind, die Einkopp lung und/oder die Auskopplung von elektromagnetischer Strah lung in oder aus der Wellenleiterschicht (6) zu erhöhen.
18. Photonischer Gassensor nach einem der obigen Ansprüche, bei dem als Fluoreszenzfarbstoff (8) ein Fluorescein, ein Rho damin, ein Cyanin, ein Coumarin, ein fluoreszierendes Polymer, ein fluoreszierender Metallionenkomplex oder Nanopartikel ver wendet sind.
19. Verfahren zur Herstellung eines photonischen Gassensors nach einem der obigen Ansprüche mit den folgenden Schritten: - Anordnen eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips (4) und eines strahlungsdetektierenden Halbleiterchips (5) auf ei ner Montagefläche eines Substrats (12),
- Aufbringen eines Rahmens (13) auf das Substrat (12), so dass das Substrat (12) und der Rahmen (13) das Bauelementgehäuse
(1) mit der Kavität (2, 3, 11) ausbilden,
- Anordnen einer aktiven sensitiven Schicht (7) als Sensorel ement (7) auf dem Rahmen (13) .
20. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Sub strat (12) auf einer Keramik basiert oder eine gedruckte Lei terplatte ist.
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