WO2020074497A1 - Optoelektronischer sensor - Google Patents

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optoelectronic sensor
polarization filter
detecting
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Daniel Richter
Luca HAIBERGER
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Ams Osram International GmbH
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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    • A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
    • A61B5/6802—Sensor mounted on worn items
    • A61B5/681—Wristwatch-type devices

Definitions

  • the application relates to an optoelectronic sensor, in particular an optoelectronic sensor for measuring a vital parameter in a portable device.
  • optoelectronic sensor in a portable device for example in a sports watch, requires a particularly compact sensor with high sensitivity.
  • Specify optoelectronic sensor which is characterized by a compact structure and high sensitivity.
  • the semiconductor region has in particular an active layer suitable for emitting radiation.
  • the active layer can be used, for example, as a pn junction, as a double heterostructure, be designed as a single quantum well structure or multiple quantum well structure.
  • Quantum well structure encompasses any structure in which charge carriers by confinement include one
  • quantum well structure contains no information about the dimensionality of the quantization. It includes quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
  • the radiation-detecting semiconductor region has
  • an active layer suitable for the detection of radiation for example a photodiode or another suitable for the detection of radiation
  • optoelectronic sensor a first polarization filter, which is arranged above the radiation-emitting semiconductor region, and a second polarization filter, which is arranged above the radiation-detecting semiconductor region
  • the first polarization filter can be any suitable polarization filter.
  • the second polarization filter can be placed directly on the radiation entrance surface of the
  • Semiconductor regions for example in the form of a layer or a layer sequence, advantageously contribute to one
  • the first polarization filter has a first
  • Polarization direction and the second polarization filter has a second polarization direction.
  • the first direction of polarization is from the second
  • the direction of polarization is different, in particular the first direction of polarization and the second
  • radiation-emitting semiconductor region is arranged, linearly polarized radiation with the first
  • polarization filters form crossed ones
  • Semiconductor area is essentially impermeable.
  • emitted radiation is provided in particular as an excitation light for measuring a vital parameter.
  • the emitted radiation can be at least partially absorbed and / or reflected by an area of the body, for example tissue or blood vessels.
  • the radiation detector The semiconductor region is in particular provided to detect the radiation emitted by the body region as a result of the excitation.
  • the detected radiation can in particular be used to add one or more vital parameters such as blood pressure and / or heart rate
  • the radiation detected typically includes lower energy radiation, i.e. Radiation of a longer
  • the excitation light is advantageously separated from the radiation of the body region to be detected before reaching the radiation-detecting semiconductor region. That of the radiation-emitting semiconductor area
  • the radiation-detecting semiconductor region is arranged laterally next to the radiation-emitting semiconductor region. In this way, the space requirement for the optoelectronic sensor is kept low.
  • the radiation exit area of the optoelectronic sensor the radiation exit area of the
  • Radiation-detecting semiconductor regions are in particular arranged such that one main emission direction of the radiation-emitting semiconductor region and one
  • Semiconductor region are substantially anti-parallel to each other.
  • the radiation-emitting semiconductor region and the radiation-detecting semiconductor region are arranged on a common carrier.
  • the common carrier can for example be electrical contacts for contacting the radiation-emitting semiconductor region and the
  • the radiation-emitting semiconductor region and the radiation-detecting semiconductor region are monolithically integrated.
  • “Monolithically integrated” means in particular that the radiation-emitting semiconductor region and the radiation-detecting semiconductor region have a common growth substrate.
  • Semiconductor areas can in particular be grown epitaxially on the common growth substrate. It is possible for the radiation-emitting semiconductor region and the radiation-detecting semiconductor region to have semiconductor layers, at least in regions, which are produced in the same epitaxial growth process. Of the
  • the radiation-emitting semiconductor region and / or the radiation-detecting semiconductor regions can in particular have a mesa structure.
  • the lateral extent of the semiconductor layer sequence is thus less than the lateral extent of a carrier substrate such as that
  • the mesa structure can be created using a
  • photolithographic process are produced, in which the semiconductor layer sequence is partially removed in order to structure it to a desired shape and size.
  • the optoelectronic sensor there is a distance between the
  • the distance is preferably at least 20 ⁇ m in order to reduce optical crosstalk.
  • the semiconductor region is therefore preferably between 20 ⁇ m and 150 ⁇ m.
  • the radiation-detecting semiconductor area can be further reduced.
  • radiation absorbing layer is preferably a
  • Polarization filter and / or the side flanks of the second polarization filter may be covered by the radiation-reflecting or radiation-absorbing layer.
  • the first polarization filter and / or the second polarization filter is an absorbing polarization filter.
  • an absorbing polarizing filter light is transmitted with the transmission polarization direction and other polarization directions are within the
  • the first polarization filter and / or the second polarization filter is a reflective polarization filter.
  • a reflective polarization filter With a reflective polarization filter, light is transmitted with the transmission polarization direction and other polarization directions are reflected.
  • the first and / or second can be configured
  • Polarization filter for example a dielectric
  • the radiation-emitting semiconductor region and the radiation-detecting semiconductor region are surrounded in the lateral direction by a plastic molding compound, which
  • Plastic molding compound can be applied, for example, by injection molding, transfer molding or compression molding.
  • Plastic molding compound is advantageously opaque, i.e. not transparent, in particular for the emitted radiation.
  • the plastic molding composition preferably contains radiation-absorbing and / or radiation-reflecting particles. In this way, the crosstalk between the radiation-emitting semiconductor region and the radiation-detecting
  • Polarization filter and / or the side edges of the second polarization filter may be covered by the plastic molding compound.
  • the optoelectronic sensor is a surface-mountable component (SMD, Surface Mounted Device).
  • SMD Surface Mounted Device
  • the radiation exit surface and the radiation entrance surface facing away from the rear side so that the component can be mounted on the rear side, for example on a printed circuit board.
  • the front of the optoelectronic sensor is advantageously free of electrical leads, such as bond wires, so that absorption of the emitted light or of the light to be detected by electrical leads is avoided.
  • the radiation-emitting semiconductor region is suitable for emitting infrared radiation and the
  • the radiation-detecting semiconductor area suitable for the detection of infrared radiation.
  • radiation-detecting semiconductor region based for example on an arsenide compound semiconductor. “Based on an arsenide compound semiconductor” means in
  • the active epitaxial layer sequence or at least one layer thereof is present context that the active epitaxial layer sequence or at least one layer thereof
  • Arsenic compound semiconductor material preferably
  • the above formula only contains the essential constituents of the crystal lattice (Al, Ga, In, As), even if these can be partially replaced by small amounts of other substances.
  • the radiation-emitting semiconductor region and / or the radiation-detecting semiconductor region can be based on another semiconductor material, in particular on a III-V semiconductor material.
  • the optoelectronic sensor can in particular be set up to measure at least one vital parameter.
  • a vital sign is a measure that reflects a basic function of the human body. Such a
  • Vital parameters can be, for example, the heart rate or the blood pressure or the oxygen content in the blood.
  • the optoelectronic sensor is part of a portable device, in particular a portable device for measuring a vital parameter such as, for example, a sports watch or a fitness bracelet.
  • the compact design of the optoelectronic sensor is particularly advantageous for the integration of the optoelectronic sensor in such a device.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a cross section through an optoelectronic sensor according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a cross section through an optoelectronic sensor according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a cross section through an optoelectronic sensor according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the beam path in an exemplary embodiment of the optoelectronic sensor
  • Figure 5 is a schematic representation of the beam path in an optoelectronic sensor with less
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of the beam path in an optoelectronic sensor with a large distance between the radiation-emitting semiconductor region and the radiation-detecting semiconductor region.
  • a first exemplary embodiment of the optoelectronic sensor is shown schematically in cross section in FIG.
  • the optoelectronic sensor 1 has one
  • radiation-detecting semiconductor regions 3 are each formed by a semiconductor layer sequence
  • the radiation-emitting semiconductor region 2 and the radiation-detecting semiconductor region 3 can be any radiation-emitting semiconductor region 2 and the radiation-detecting semiconductor region 3.
  • Semiconductor region 2 can in particular be a
  • Radiation-detecting semiconductor region 3 can be designed, for example, as a photodiode.
  • the radiation-emitting semiconductor region 2 and the radiation-detecting semiconductor region 3 are arranged side by side in such a way that one
  • Semiconductor region and a radiation entry surface of the radiation-detecting semiconductor region are arranged parallel to one another, in particular in one plane.
  • the radiation-emitting semiconductor region 2 and the radiation-detecting semiconductor region 3 are arranged on a common carrier 6.
  • the common carrier 6 can in particular be a common growth substrate.
  • Semiconductor region 3 can in particular be grown epitaxially on the common growth substrate.
  • a mesa structure which can be produced, for example, by an etching process.
  • Connection layer such as a solder layer are connected to the common carrier 6.
  • Semiconductor region 3 in particular be so-called thin-film semiconductor bodies.
  • a functional one When manufacturing a thin film semiconductor body, a functional one
  • Semiconductor layer sequence which in particular comprises the active layer, first grew epitaxially on a growth substrate, then the carrier 6 onto the
  • Nitride compound semiconductors used growth substrates such as SiC, sapphire or GaN are comparatively expensive, this method offers the particular advantage that the growth substrate is recyclable. Detaching a sapphire growth substrate from one
  • Nitride compound semiconductors can be made, for example, using a laser lift-off method.
  • the common carrier 6 has electrodes 7 on the rear for electrical contacting of the radiation-emitting semiconductor region 2 and the radiation-detecting one
  • Semiconductor region 3 are not shown in detail here for simplification. For example, it is possible for these connections to be implemented by means of plated-through holes through the carrier 6.
  • the common carrier 6 can be, for example, a silicon substrate or a glass substrate.
  • the optoelectronic sensor 1 is in particular a
  • the optoelectronic sensor can in particular be mounted on a printed circuit board by means of the electrodes 7 arranged on the back of the carrier 6.
  • the optoelectronic sensor 1 can be connected to the electrodes in particular with a control unit which is set up to control the optoelectronic sensor and for signal evaluation.
  • polarization filter 4 is a radiation-absorbing polarization filter which only emits radiation of one of the emitted radiation
  • Polarization filter 4 can, in particular, linearly polarized radiation with the emitted radiation
  • the direction of polarization PI is oriented parallel to the plane of the drawing, for example.
  • a second polarization filter 5 is arranged in the semiconductor region 3.
  • the second polarization filter 5 is a radiation-absorbing one
  • Polarization filter which only allows radiation of a second polarization direction P2 and others
  • Polarization filter 5 can be, for example
  • the second The direction of polarization P2 is oriented perpendicular to the plane of the drawing, for example.
  • the first polarization filter 4 is advantageously arranged directly on the radiation-emitting semiconductor region 2, and the second polarization filter 5 is advantageously directly on the radiation-detecting semiconductor region 3
  • the first polarization filter 4 and the second polarization filter 5 can be, for example, polarizing crystal platelets which are attached to the surface by means of a connecting layer such as an adhesive
  • Polarization filters 5 can have, for example, herapathite.
  • the polarization direction P2 of the second polarization filter 5 is perpendicular to the polarization direction PI of the first
  • Polarization filter 4 The polarization directions PI and P2 are therefore crossed. This way it becomes advantageous
  • Holder area 3 for signal radiation in particular can be unpolarized, is advantageously increased in this way compared to the sensitivity to the emitted radiation.
  • the signal-to-noise ratio of the detector signal is improved in this way.
  • the radiation-emitting semiconductor region 2 and the radiation-detecting semiconductor region 3 are laterally surrounded by a plastic molding compound 9.
  • the plastic molding compound 9 is advantageously opaque.
  • the exemplary embodiment is the plastic molding compound 9, an opaque plastic molding compound, which
  • the opaque plastic molding compound 9 can in particular be a matrix material with embedded therein
  • the matrix material can be, for example, a silicone or an epoxy resin, and the particles can be, for example, TiCg particles.
  • the opaque plastic molding compound 9 can, for example, by
  • the plastic molding compound 9 serves on the one hand to protect the optoelectronic sensor 1 from external influences, for example to protect against mechanical damage, dirt or moisture.
  • the fact that the plastic molding compound 9 is opaque, is also a
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the optoelectronic sensor 1.
  • the structure of the optoelectronic sensor 1 essentially corresponds to the structure of the first exemplary embodiment.
  • a difference from the first exemplary embodiment is that the first polarization filter 4 and the second polarization filter 5 are designed as reflective polarization filters.
  • the first polarization filter 4, which is arranged on the radiation-emitting semiconductor region 2, is designed such that it transmits radiation components of the emitted radiation with a first polarization direction PI and reflects other radiation components back.
  • the second polarization filter 5, which is arranged on the radiation-detecting semiconductor region 3, can also be used as a reflective polarization filter
  • Polarization filters 5 can have a polarizing layer or layer sequence, in particular a dielectric layer sequence.
  • the first polarizing layer or layer sequence in particular a dielectric layer sequence.
  • Polarization filter 4 and the second polarization filter 5 are dielectric interference layer systems.
  • Polarization filter 5 has the advantage that a so-called Light recycling is made possible. This means that
  • photons that were not yet transmitted when they first hit the reflective polarization filter 4 of the radiation-emitting semiconductor region 2 can possibly be transmitted after a single or repeated reflection in the radiation-emitting semiconductor region 2 and thus contribute to the emitted radiation.
  • Embodiment consists in that side edges of the radiation-emitting semiconductor region 2 and
  • radiation-detecting semiconductor region 3 each with a radiation-reflecting or radiation-absorbing
  • Semiconductor region 3 with the radiation reflecting or radiation-absorbing layer 8 may be provided.
  • the side flanks of the radiation-emitting semiconductor region 2 and of the radiation-detecting semiconductor region 3 facing away from one another may be covered with the radiation-absorbing layer 8.
  • Radiation-reflecting or radiation-absorbing layer 8 can in particular also the side flanks of the first
  • Radiation-absorbing layer 8 further reduces crosstalk between the radiation-emitting semiconductor region 2 and the radiation-detecting semiconductor region 3.
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of the optoelectronic sensor 1.
  • Semiconductor region 3 do not have a common, but separate carrier 6. Rather, the radiation-emitting semiconductor region 2 and the radiation-detecting one
  • semiconductor region 3 is in each case part of a separate semiconductor chip. Nevertheless, the radiation-emitting semiconductor region 2 and
  • radiation-detecting semiconductor region 3 is also arranged next to one another at a small distance, preferably at a distance of at least 20 ⁇ m and at most 150 ⁇ m.
  • the two semiconductor chips each have electrodes on the back, so that advantageously the two semiconductor chips arranged next to one another are each surface-mountable semiconductor chips.
  • the radiation-emitting semiconductor region 2 and the radiation-detecting semiconductor region 3 are, as in the previous examples, surrounded by a radiation-opaque plastic molding compound 9.
  • the plastic molding compound 9 is advantageously a plastic molding compound which combines the two adjacent semiconductor chips with one another
  • one-piece optoelectronic sensor 1 connects.
  • the space between the two adjacent semiconductor chips can be filled with the plastic molding compound 9.
  • the plastic molding compound 9 represents the connecting link between the two semiconductor chips. Furthermore, the plastic molding compound 9 is advantageous
  • Embodiment otherwise the first embodiment.
  • FIG. 4 schematically shows a cross section through an optoelectronic sensor 1 in one for the
  • the optoelectronic sensor 1 is configured as in the first exemplary embodiment. Alternatively, it would also be possible for the optoelectronic sensor 1 to be designed, for example, as in one of the exemplary embodiments in FIGS. 2 or 3. In a method for operating the optoelectronic sensor 1, the radiation-emitting semiconductor region 2 emits radiation 10 in a main emission direction that is perpendicular to one
  • emitted radiation 10 passes the first Polarization filter 4 and is then advantageously linear
  • the emitted radiation 10 can be absorbed as an excitation light by an object 11 and there the emission of a
  • the signal radiation 12 re-emitted after absorption typically has a lower energy and thus a longer wavelength than the emitted radiation 10.
  • the object 11 can be human tissue, for example. It is also possible that the object is liquid or gaseous,
  • a drop of sweat or a gas excreted by the body can be examined.
  • FIG. 5 schematically shows the beam path in an optoelectronic sensor 1 with a short distance between the radiation-emitting semiconductor region and the
  • radiation-detecting semiconductor regions 3 are arranged next to one another on a common carrier 6, the distance advantageously being not more than 150 ⁇ m, in particular between 20 ⁇ m and 150 ⁇ m.
  • the emitted radiation 10 strikes the object 11 at different angles Q.
  • the signal radiation 12 also strikes at different angles
  • the radiation characteristic of the emitted radiation 10 can, for example, approximately correspond to the beam characteristic of a Lambert radiator.
  • the radiance I e of the emitted light is at least
  • I e (Q) Io cos Q applies.
  • Beam energy Al is proportional to the integral of the
  • FIG. 6 shows schematically the beam path in an optoelectronic sensor 1 with a greater distance between the radiation-emitting semiconductor region 2 and the radiation-detecting 3 semiconductor region.
  • the greater distance in this example is based in particular on the fact that the radiation-emitting semiconductor region 2 and the radiation-detecting semiconductor region 3 are separate
  • Half-egg chips are, which are not arranged directly next to each other on a common carrier.
  • the angles Q relative to the main radiation direction are larger than in the example in FIG. 5.
  • the beam energy A2 impinging on the object to be examined is therefore smaller than in the example in FIG. 5. It can thus be seen that the arrangement of the radiation-emitting semiconductor region 2 and the radiation-detecting semiconductor region 3 next to one another on a common carrier according to FIG. 5 is more advantageous.

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Abstract

Es wird ein optoelektronischer Sensor (1) beschrieben, umfassend einen strahlungsemittierenden Halbleiterbereich (2), einen strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich (3), einen ersten Polarisationsfilter (4), der über dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich (2) angeordnet ist und eine erste Polarisationsrichtung (PI) aufweist, und einen zweiten Polarisationsfilter (5), der über dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich (3) angeordnet ist und eine zweite Polarisationsrichtung (P2) aufweist, wobei die erste Polarisationsrichtung und die zweite Polarisationsrichtung senkrecht zueinander sind, und wobei eine strahlungsreflektierende oder strahlungsabsorbierende Schicht (8) auf Seitenflanken des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs (2) und/oder des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs (3) und/oder des ersten Polarisationsfilters (4) und/oder des zweiten Polarisationsfilters (5) aufgebracht ist.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHER SENSOR
Die Anmeldung betrifft einen optoelektronischen Sensor, insbesondere einen optoelektronischen Sensor zur Messung eines Vitalparameters in einem tragbaren Gerät.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2018 125 050.9, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Überwachung von Vitalparametern mittels eines
optoelektronischen Sensors in einem tragbaren Gerät, zum Beispiel in einer Sportuhr, erfordert einen besonders kompakten Sensor mit hoher Empfindlichkeit.
Eine zu lösende Aufgabe besteht somit darin, einen
optoelektronischen Sensor anzugeben, der sich durch einen kompakten Aufbau und ein hohe Empfindlichkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung umfasst der
optoelektronische Sensor einen strahlungsemittierenden
Halbleiterbereich und einen strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich. Der strahlungsemittierende
Halbleiterbereich weist insbesondere eine zur Emission von Strahlung geeignete aktive Schicht auf. Die aktive Schicht kann zum Beispiel als pn-Übergang, als Doppelheterostruktur, als Einfach-QuantentopfStruktur oder Mehrfach- QuantentopfStruktur ausgebildet sein. Die Bezeichnung
QuantentopfStruktur umfasst dabei jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (Confinement) eine
Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung QuantentopfStruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich weist
insbesondere eine zur Detektion von Strahlung geeignete aktive Schicht auf, beispielsweise eine Fotodiode oder eine andere zur Detektion von Strahlung geeignete
Halbleiterschichtenfolge .
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung umfasst der
optoelektronische Sensor einen ersten Polarisationsfilter, der über dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich angeordnet ist, und einen zweiten Polarisationsfilter, der über dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich
angeordnet ist. Der erste Polarisationsfilter kann
insbesondere direkt auf einer Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs angeordnet sein.
In analoger Weise kann der zweite Polarisationsfilter direkt auf der Strahlungseintrittsfläche des
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs angeordnet sein. Die Anordnung der Polarisationsfilter direkt auf den
Halbleiterbereichen, beispielsweise in Form einer Schicht oder einer Schichtenfolge, trägt vorteilhaft zu einem
kompakten Aufbau des optoelektronischen Sensors bei. Der erste Polarisationsfilter weist eine erste
Polarisationsrichtung und der zweite Polarisationsfilter weist eine zweite Polarisationsrichtung auf. Hierbei ist die erste Polarisationsrichtung von der zweiten
Polarisationsrichtung verschieden, insbesondere sind die erste Polarisationsrichtung und die zweite
Polarisationsrichtung senkrecht zueinander. Beispielsweise erzeugt der erste Polarisationsfilter, der über dem
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich angeordnet ist, linear polarisierte Strahlung mit der ersten
Polarisationsrichtung und der zweite Polarisationsfilter, der über dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich
angeordnet ist, linear polarisierte Strahlung mit einer zweiten Polarisationsrichtung, die senkrecht zu der ersten Polarisationsrichtung ist. Der erste und zweite
Polarisationsfilter bilden mit anderen Worten gekreuzte
Polarisatoren aus.
Dadurch, dass der erste und zweite Polarisationsfilter senkrecht zueinander orientierte Polarisationsrichtungen aufweisen, wird vorteilhaft erreicht, dass die von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich emittierte
Strahlung mit einer Polarisationsrichtung aus dem
optoelektronischen Sensor austritt, für die der zweite
Polarisationsfilter über dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich im Wesentlichen undurchlässig ist.
Die von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich
emittierte Strahlung ist insbesondere als Anregungslicht zur Messung eines Vitalparameters vorgesehen. Die emittierte Strahlung kann von einem Körperbereich, beispielsweise Gewebe oder Blutgefäßen, zumindest teilweise absorbiert und/oder reflektiert werden. Der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich ist insbesondere dazu vorgesehen, die von dem Körperbereich infolge der Anregung emittierte Strahlung zu detektieren. Die detektierte Strahlung kann insbesondere dazu verwendet werden, einen oder mehrere Vitalparameter wie beispielsweise den Blutdruck und/oder Herzfrequenz zu
detektieren. Die detektierte Strahlung umfasst typischerweise energiearmere Strahlung, d.h. Strahlung einer längeren
Wellenlänge. Weiterhin weist die zu detektierende Strahlung im Vergleich zur Intensität des Anregungslichts
typischerweise nur eine sehr geringe Intensität auf. Dadurch, dass das von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich erzeugte Anregungslicht aufgrund seiner Polarisationsrichtung vom zweiten Polarisationsfilter im Wesentlichen nicht
durchgelassen wird, wird das Anregungslicht vor dem Erreichen der strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs vorteilhaft von der zu detektieren Strahlung des Körperbereichs getrennt. Das von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich
emittierte Licht trägt deshalb zu dem Signallicht, das von dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich erfasst wird, nur sehr geringfügig bei. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine hohe Empfindlichkeit des optoelektronischen Sensors erreicht .
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors ist der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich seitlich neben dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich angeordnet. Auf diese Weise wird der Platzbedarf für den optoelektronischen Sensor gering gehalten.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors sind die Strahlungsaustrittsfläche des
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und die Strahlungseintrittsfläche des strahlungsdetektieren
Halbleiterbereichs parallel zueinander angeordnet.
Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich sind insbesondere derart angeordnet, dass eine Hauptemissionsrichtung des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs und eine
Haupteinfallsrichtung des strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereichs im Wesentlichen antiparallel zueinander sind .
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Der gemeinsamen Träger kann beispielsweise elektrische Kontakte zur Kontaktierung des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs und des
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich monolithisch integriert. "Monolithisch integriert" bedeutet insbesondere, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich ein gemeinsames Aufwachssubstrat aufweisen. Der strahlungsemittierende
Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende
Halbleiterbereich können insbesondere epitaktisch auf dem gemeinsamen Aufwachssubstrat aufgewachsen sein. Es ist möglich, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich zumindest bereichsweise Halbleiterschichten aufweisen, die im gleichen epitaktischen Aufwachsprozess hergestellt sind. Der
strahlungsemittierende Halbleiterbereich und/oder der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich können insbesondere eine Mesa-Struktur aufweisen. Die laterale Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge ist somit geringer als die laterale Ausdehnung eines Trägersubstrats wie beispielweise dem
Aufwachssubstrat . Die Mesa-Struktur kann durch einen
fotolithografischen Prozess hergestellt werden, bei dem die Halbleiterschichtenfolge teilweise abgetragen wird, um sie zu einer gewünschten Form und Größe zu strukturieren.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors beträgt ein Abstand zwischen dem
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich nicht mehr als 150 ym. Unter dem "Abstand" ist hier die kürzeste Distanz
zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich, also die Breite des Zwischenraums zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich, zu verstehen. Vorzugsweise beträgt der Abstand mindestens 20 ym, um ein optisches Übersprechen zu vermindern. Der Abstand zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich beträgt also vorzugsweise zwischen 20 ym und 150 ym.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors ist eine strahlungsreflektierende oder
strahlungsabsorbierende Schicht auf Seitenflanken des
strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs und/oder des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs aufgebracht.
Vorzugsweise sind sowohl die Seitenflanken des
strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs als auch die
Seitenflanken des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs mit der strahlungsreflektierenden oder
strahlungsabsorbierenden Schicht bedeckt. Auf diese Weise kann ein optisches Übersprechen zwischen dem
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich noch weiter reduziert werden. Die strahlungsreflektierende oder
strahlungsabsorbierende Schicht ist vorzugsweise eine
dielektrische Schicht oder Schichtenfolge. Alternativ oder zusätzlich können die Seitenflanken des ersten
Polarisationsfilters und/oder die Seitenflanken des zweiten Polarisationsfilters von der strahlungsreflektierenden oder strahlungsabsorbierenden Schicht bedeckt sein.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors ist der erste Polarisationsfilter und/oder der zweite Polarisationsfilter ein absorbierender Polarisationsfilter. Bei einem absorbierenden Polarisationsfilter wird Licht mit der Durchlass-Polarisationsrichtung transmittiert und andere Polarisationsrichtungen werden innerhalb des
Polarisationsfilters absorbiert. Bei dieser Ausgestaltung kann der erste und/oder zweite Polarisationsfilter
beispielsweise Herapathit aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors ist der erste Polarisationsfilter und/oder der zweite Polarisationsfilter ein reflektierender Polarisationsfilter. Bei einem reflektierenden Polarisationsfilter wird Licht mit der Durchlass-Polarisationsrichtung transmittiert und andere Polarisationsrichtungen werden reflektiert. Bei dieser
Ausgestaltung kann der erste und/oder zweite
Polarisationsfilter beispielsweise eine dielektrische
Schichtenfolge aufweisen. Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich in seitlicher Richtung von einer Kunststoff-Formmasse umgeben, die
beispielsweise Silikon oder Epoxidharz aufweist. Die
Kunststoff-Formmasse kann beispielsweise durch Spritzgießen, Spritzpressen oder Formpressen aufgebracht werden. Die
Kunststoff-Formmasse ist vorteilhaft opak, d.h. insbesondere für die emittierte Strahlung nicht transparent. Vorzugsweise enthält die Kunststoff-Formmasse strahlungsabsorbierende und/oder strahlungsreflektierende Partikel. Auf diese Weise kann das Übersprechen zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich noch weiter reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich können die Seitenflanken des ersten
Polarisationsfilters und/oder die Seitenflanken des zweiten Polarisationsfilters von der Kunststoff-Formmasse bedeckt sein .
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist der optoelektronische Sensor ein oberflächenmontierbares Bauelement (SMD, Surface Mounted Device) . Bei dieser Ausgestaltung sind insbesondere die elektrischen Kontakte an einer von der
Strahlungsaustrittsfläche und Strahlungseintrittsfläche abgewandten Rückseite angeordnet, sodass das Bauelement an der Rückseite beispielsweise auf eine Leiterplatte montierbar ist. Die Vorderseite des optoelektronischen Sensors ist in diesem Fall vorteilhaft frei von elektrischen Zuleitungen wie beispielsweise Bonddrähten, so dass eine Absorption des emittierten Lichts oder des zu detektierenden Lichts durch elektrische Zuleitungen vermieden wird. Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors ist der strahlungsemittierende Halbleiterbereich zur Emission von Infrarotstrahlung geeignet und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich zur Detektion von Infrarotstrahlung geeignet. Bei dieser Ausgestaltung können der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich beispielsweise auf einem Arsenid-Verbindungshalbleiter basieren. „Auf einem Arsenid-Verbindungshalbleiter basierend" bedeutet im
vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie- Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein
Arsenidverbindungshalbleitermaterial , vorzugsweise
AlnGamIni-n-mAs umfasst, wobei 0 < n < 1, 0 < m < 1 und n + m < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine
mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, As) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können. Es ist alternativ aber auch möglich, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und/oder der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich auf einem anderen Halbleitermaterial, insbesondere auf einem III-V- Halbleitermaterial , basieren.
Der optoelektronische Sensor kann insbesondere zur Messung von mindestens einem Vitalparameter eingerichtet sein. Ein Vitalparameter ist eine Maßzahl, die eine Grundfunktion des menschlichen Körpers widerspiegelt. Ein solcher
Vitalparameter kann beispielsweise die Herzfrequenz oder der Blutdruck oder der Sauerstoffgehalt im Blut sein. Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist der optoelektronische Sensor Bestandteil eines tragbaren Geräts, insbesondere eines tragbaren Geräts zur Messung eines Vitalparameters wie beispielweise einer Sportuhr oder eines Fitness-Armbands. Die kompakte Bauweise des optoelektronischen Sensors ist für die Integration des optoelektronischen Sensors in ein solches Gerät besonders vorteilhaft.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 6 näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Sensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Sensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Sensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Figur 4 eine schematische Darstellung des Strahlengangs bei einem Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Sensors ,
Figur 5 eine schematische Darstellung des Strahlengangs bei einem optoelektronischen Sensor mit geringer
Distanz zwischen strahlungsemittierendem Halbleiterbereich und strahlungsdetektierendem Halbleiterbereich, und
Figur 6 eine schematische Darstellung des Strahlengangs bei einem optoelektronischen Sensor mit großer Distanz zwischen strahlungsemittierendem Halbleiterbereich und strahlungsdetektierendem Halbleiterbereich.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die
dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen .
In Figur 1 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Sensors im Querschnitt dargestellt. Der optoelektronische Sensor 1 weist einen
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und einen
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 auf. Der
strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 sind jeweils durch eine Halbleiterschichtenfolge gebildet, deren
Einzelschichten hier nicht dargestellt sind.
Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 können
beispielsweise jeweils eine auf einem III-V- Halbleitermaterial basierende Halbleiterschichtenfolge aufweisen, beispielsweise eine auf einem
Arsenidverbindungshalbleitermaterial basierende
Halbleiterschichtenfolge. Der strahlungsemittierende
Halbleiterbereich 2 kann insbesondere eine
Leuchtdiodenschichtenfolge aufweisen. Der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 kann beispielsweise als Fotodiode ausgeführt sein.
Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 sind derart seitlich nebeneinander angeordnet, dass eine
Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden
Halbleiterbereichs und eine Strahlungseintrittsfläche des strahlungsdetektieren Halbleiterbereichs parallel zueinander, insbesondere in einer Ebene, angeordnet sind.
Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 sind auf einem gemeinsamen Träger 6 angeordnet. Bei dem gemeinsamen Träger 6 kann es sich insbesondere um ein gemeinsames Aufwachssubstrat handeln. Mit anderen Worten sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende
Halbleiterbereich 3 monolithisch integriert. Die
Halbleiterschichtenfolgen des strahlungsemittierenden
Halbleiterbereichs 2 und des strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereichs 3 können insbesondere epitaktisch auf dem gemeinsamen Aufwachssubstrat aufgewachsen sein. Der
strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 weisen
insbesondere eine Mesastruktur auf, die beispielsweise durch einen Ätzprozess hergestellt werden kann.
Alternativ ist es auch möglich, dass der
strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 separat
gefertigte Halbleiterchips sind, die mittels einer
Verbindungsschicht wie beispielsweise einer Lotschicht mit dem gemeinsamen Träger 6 verbunden sind. Bei dieser Ausgestaltung können der strahlungsemittierende
Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende
Halbleiterbereich 3 insbesondere sogenannte Dünnfilm- Halbleiterkörper sein. Bei der Herstellung eines Dünnfilm- Halbleiterkörpers wird eine funktionelle
Halbleiterschichtenfolge, die insbesondere die aktive Schicht umfasst, zunächst epitaktisch auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen, anschließend der Träger 6 auf die dem
Aufwachssubstrat gegenüber liegende Oberfläche der
Halbleiterschichtenfolge aufgebracht und nachfolgend das Aufwachssubstrat abgetrennt. Da insbesondere die für
Nitridverbindungshalbleiter verwendeten Aufwachssubstrate, beispielsweise SiC, Saphir oder GaN vergleichsweise teuer sind, bietet dieses Verfahren insbesondere den Vorteil, dass das Aufwachssubstrat wiederverwertbar ist. Das Ablösen eines Aufwachssubstrats aus Saphir von einer
Halbleiterschichtenfolge aus einem
Nitridverbindungshalbleiter kann beispielsweise mit einem Laser-Lift-Off-Verfahren erfolgen .
Der gemeinsame Träger 6 weist an der Rückseite Elektroden 7 zur elektrischen Kontaktierung des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs 2 und des strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereichs 3 auf. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Elektroden 7 und dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 sowie dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich 3 sind hier zur Vereinfachung nicht im Detail dargestellt. Es ist beispielsweise möglich, dass diese Verbindungen mittels Durchkontaktierungen durch den Träger 6 realisiert sind. Der gemeinsame Träger 6 kann zum Beispiel ein Siliziumsubstrat oder ein Glassubstrat sein. Der optoelektronische Sensor 1 ist insbesondere ein
oberflächenmontierbares Bauelement. Der optoelektronische Sensor kann insbesondere mittels der an der Rückseite des Trägers 6 angeordneten Elektroden 7 auf einer Leiterplatte montiert werden. Der optoelektronische Sensor 1 kann an den Elektroden insbesondere mit einer Steuereinheit verbunden sein, welche zur Ansteuerung des optoelektronischen Sensors und zur Signalauswertung eingerichtet ist.
Bei dem optoelektronischen Sensor 1 ist über dem
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 ein erster
Polarisationsfilter 4 angeordnet. Der erste
Polarisationsfilter 4 ist bei dem Ausführungsbeispiel ein strahlungsabsorbierender Polarisationsfilter, welcher von der emittierten Strahlung nur Strahlung einer
Polarisationsrichtung PI durchlässt und andere
Polarisationsrichtungen absorbiert. Der erste
Polarisationsfilter 4 kann aus der emittierten Strahlung insbesondere linear polarisierte Strahlung mit der
Polarisationsrichtung PI erzeugen. Die erste
Polarisationsrichtung PI ist beispielsweise parallel zur Zeichenebene orientiert.
Weiterhin ist über dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich 3 ein zweiter Polarisationsfilter 5 angeordnet. Der zweite Polarisationsfilter 5 ist bei dem Ausführungsbeispiel ein strahlungsabsorbierender
Polarisationsfilter, welcher nur Strahlung einer zweiten Polarisationsrichtung P2 durchlässt und andere
Polarisationsrichtungen absorbiert. Der zweite
Polarisationsfilter 5 kann beispielsweise eine
Durchlassrichtung für linear polarisierte Strahlung mit der Polarisationsrichtung P2 aufweisen. Die zweite Polarisationsrichtung P2 ist beispielsweise senkrecht zur Zeichenebene orientiert.
Der erste Polarisationsfilter 4 ist vorteilhaft direkt auf dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 angeordnet, und der zweite Polarisationsfilter 5 ist vorteilhaft direkt auf dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3
angeordnet. Der erste Polarisationsfilter 4 und der zweite Polarisationsfilter 5 können beispielsweise polarisierende Kristallplättchen sein, die mittels einer Verbindungsschicht wie beispielsweise einem Klebstoff auf dem
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und auf dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 befestigt sind. Der erste Polarisationsfilter 4 und/oder der zweite
Polarisationsfilter 5 können beispielsweise Herapathit aufweisen .
Die Polarisationsrichtung P2 des zweiten Polarisationsfilters 5 ist senkrecht zur Polarisationsrichtung PI des ersten
Polarisationsfilters 4. Die Polarisationsrichtungen PI und P2 sind also gekreuzt. Auf diese Weise wird vorteilhaft
erreicht, dass von dem strahlungsemittierenden
Halbleiterbereich 2 emittierte Strahlung, die den ersten Polarisationsfilter 4 passiert hat, von dem
Polarisationsfilter 5 über dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich 3 nicht durchgelassen wird. Der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 wird auf diese Weise von der emittierten Strahlung weitestgehend
abgeschirmt. Mit anderen Worten wird ein Übersprechen
zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 vermindert. Die Empfindlichkeit des strahlungsdetektierenden
Halterbereichs 3 für eine Signalstrahlung, die insbesondere unpolarisiert sein kann, wird auf diese Weise im Vergleich zur Empfindlichkeit für die emittierte Strahlung vorteilhaft erhöht. Insbesondere wird das Signal-zu-Rauschverhältnis des Detektorsignals auf diese Weise verbessert.
Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 sind seitlich von einer Kunststoff-Formmasse 9 umgeben. Die Kunststoff- Formmasse 9 ist vorteilhaft lichtundurchlässig. Bei dem
Ausführungsbeispiel ist die Kunststoff-Formmasse 9 eine lichtundurchlässige Kunststoff-Formmasse, die den
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2, den ersten
Polarisationsfilter 4, den strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich 3, den zweiten Polarisationsfilter 5 und den gemeinsamen Träger 6 in seitlicher Richtung umgibt. Die lichtundurchlässige Kunststoff-Formmasse 9 kann insbesondere ein Matrixmaterial mit darin eingebetteten
strahlungsreflektierenden oder strahlungsabsorbierenden
Partikeln aufweisen. Das Matrixmaterial kann beispielsweise ein Silikon oder ein Epoxidharz sein, und die Partikel können beispielsweise TiCg-Partikel sein. Die lichtundurchlässige Kunststoff-Formmasse 9 kann beispielsweise durch
Spritzgiessen, Spritzpressen oder Formpressen aufgebracht werden. Die Kunststoff-Formmasse 9 dient zum einen zum Schutz des optoelektronischen Sensors 1 vor äußeren Einflüssen, beispielsweise zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen, Schmutz oder Feuchtigkeit. Dadurch, dass die Kunststoff- Formmasse 9 lichtundurchlässig ist, wird außerdem ein
Übersprechen zwischen dem strahlungsemittierenden
Halbleiterbereich 2 und dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich 3 weiter vermindert. In der Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Sensors 1 dargestellt. Der Aufbau des optoelektronischen Sensors 1 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels. Ein Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass der erste Polarisationsfilter 4 und der zweite Polarisationsfilter 5 als reflektive Polarisationsfilter ausgeführt sind. Der erste Polarisationsfilter 4, der auf dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 angeordnet ist, ist derart ausgeführt, dass er Strahlungsanteile der emittierten Strahlung mit einer ersten Polarisationsrichtung PI transmittiert und andere Strahlungsanteile zurück reflektiert.
In analoger Weise kann auch der zweite Polarisationsfilter 5, der auf dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 angeordnet ist, als reflektiver Polarisationsfilter
ausgeführt sein. In diesem Fall ist der
strahlungsdetektierende Polarisationsfilter 5 dazu
eingerichtet, Strahlungsanteile eines einfallenden
Signallichts mit der zweiten Polarisationsrichtung P2 zu transmittieren und andere Strahlungsanteile zurück zu
reflektieren. Der.
Der erste Polarisationsfilter 4 und der zweite
Polarisationsfilter 5 können eine polarisierende Schicht oder Schichtenfolge aufweisen, insbesondere eine dielektrische Schichtenfolge. Insbesondere können der erste
Polarisationsfilter 4 und der zweite Polarisationsfilter 5 dielektrische Interferenzschichtsysteme sein.
Die reflektierende Eigenschaft des ersten
Polarisationsfilters 4 und/oder des zweiten
Polarisationsfilters 5 hat den Vorteil, dass ein so genanntes Licht-Recycling ermöglicht wird. Dies bedeutet, dass
beispielsweise Strahlung, welche in den
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 eingetreten ist, einmal oder mehrmals zwischen dem reflektierenden
Polarisationsfilter 5 und der dem Träger 6 zugewandten
Rückseite des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs 3 reflektiert werden kann, bis schließlich eine Absorption in der lichtempfindlichen aktiven Schicht des
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs 3 stattfindet. Solche Strahlung, die nach einem einmaligen Durchqueren der der aktiven Schicht noch nicht absorbiert worden ist, geht somit nicht verloren, sondern kann nach einer einmaligen oder mehrmaligen Reflexion noch absorbiert werden und so zum
Detektorsignal beitragen.
In analoger Weise können beispielsweise Photonen, welche beim ersten Auftreffen auf den reflektierenden Polarisationsfilter 4 des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs 2 noch nicht transmittiert wurden, möglicherweise nach einer einmaligen oder mehrmaligen Reflexion in dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 transmittiert werden und somit zur emittierten Strahlung beitragen.
Ein weiterer Unterschied zwischen dem zweiten
Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 und dem ersten
Ausführungsbeispiel besteht darin, dass Seitenflanken des strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und des
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 jeweils mit einer strahlungsreflektierenden oder strahlungsabsorbierenden
Schicht 8 versehen sind. Insbesondere können die einander zugewandten Seitenflanken des strahlungsemittierenden
Halbleiterbereichs und des strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereichs 3 mit der strahlungsreflektierenden oder strahlungsabsorbierenden Schicht 8 versehen sein. Zusätzlich ist es auch möglich, dass auch die voneinander abgewandten Seitenflanken des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs 2 und des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs 3 mit der strahlungsabsorbieren Schicht 8 bedeckt sind. Die
strahlungsreflektierende oder strahlungsabsorbierende Schicht 8 kann insbesondere auch die Seitenflanken des ersten
Polarisationsfilters 4 und des zweiten Polarisationsfilters 5 bedecken. Durch die strahlungsreflektierende oder
strahlungsabsorbierende Schicht 8 wird ein Übersprechen zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 weiter vermindert .
In der Figur 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Sensors 1 dargestellt. Das dritte
Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten
Ausführungsbeispiel dadurch, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende
Halbleiterbereich 3 keinen gemeinsamen, sondern separate Träger 6 aufweisen. Vielmehr sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende
Halbleiterbereich 3 bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils Bestandteil eines separaten Halbleiterchips. Dennoch sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 auch bei diesem Ausführungsbeispiel in einem geringen Abstand nebeneinander angeordnet, vorzugsweise in einem Abstand von mindesten 20 ym und höchstens 150 ym. Die beiden Halbleiterchips weisen jeweils Elektroden an der Rückseite auf, so dass vorteilhaft beide nebeneinander angeordnete Halbleiterchips jeweils oberflächenmontierbare Halbleiterchips sind. Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 sind wie bei den vorherigen Beispielen von einer strahlungsundurchlässigen Kunststoff-Formmasse 9 umgeben. Die Kunststoff-Formmasse 9 ist vorteilhaft eine Kunststoff-Formmasse, welche die beiden benachbarten Halbleiterchips miteinander zu einem
einstückigen optoelektronischen Sensor 1 verbindet.
Insbesondere kann der Zwischenraum zwischen den beiden benachbarten Halbleiterchips von der Kunststoff-Formmasse 9 ausgefüllt sein. Die Kunststoff-Formmasse 9 stellt zum einen das Verbindungsglied zwischen den beiden Halbleiterchips dar. Weiterhin ist die Kunststoff-Formmasse 9 vorteilhaft
lichtundurchlässig, so dass ein optisches Übersprechen zwischen dem strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und dem strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 vermindert wird. Hinsichtlich weiterer möglicher Ausgestaltungen und den daraus resultierenden Vorteilen entspricht das dritte
Ausführungsbeispiel ansonsten dem ersten Ausführungsbeispiel.
In Figur 4 ist schematisch ein Querschnitt durch einen optoelektronischen Sensor 1 bei einer für den
optoelektronischen Sensor 1 vorgesehenen Anwendung
dargestellt. Der optoelektronische Sensor 1 ist wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ausgestaltet. Alternativ wäre es aber auch möglich, dass der optoelektronische Sensor 1 beispielsweise wie bei einem der Ausführungsbeispiele der Figuren 2 oder 3 ausgebildet ist. Bei einem Verfahren zum Betrieb des optoelektronischen Sensors 1 emittiert der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 Strahlung 10 in eine Hauptabstrahlrichtung, die senkrecht zu einer
Hauptfläche des optoelektronischen Sensors 1 ist. Die
emittierte Strahlung 10 passiert den ersten Polarisationsfilter 4 und ist dann vorteilhaft linear
polarisiert .
Die emittierte Strahlung 10 kann als Anregungslicht von einem Objekt 11 absorbiert werden und dort die Emission einer
Signalstrahlung 12 anregen, von der ein Teil von dem
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 detektiert wird. Die nach der Absorption reemittierte Signalstrahlung 12 weist typischerweise eine geringere Energie und somit eine größere Wellenlänge auf als die emittierte Strahlung 10. Das Objekt 11 kann zum Beispiel menschliches Gewebe sein. Es ist auch möglich, dass das Objekt flüssig oder gasförmig ist,
beispielsweis kann ein Schweißtropfen oder ein vom Körper ausgeschiedenes Gas untersucht werden.
Die Figur 5 zeigt schematisch den Strahlengang bei einem optoelektronischen Sensor 1 mit geringer Distanz zwischen dem strahlungsemittierendem Halbleiterbereich und dem
strahlungsdetektierendem Halbleiterbereich. Die geringe
Distanz wird insbesondere dadurch erreicht, dass der
strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 nebeneinander auf einem gemeinsamen Träger 6 angeordnet sind, wobei der Abstand vorteilhaft nicht mehr als 150 ym, insbesondere zwischen 20 ym und 150 ym beträgt. Die emittierte Strahlung 10 trifft unter verschiedenen Winkeln Q auf das Objekt 11. Ebenso trifft auch die Signalstrahlung 12 unter verschiedenen
Winkeln Q auf den strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3. Die Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung 10 kann beispielsweise näherungsweise der Strahlcharakteristik eines Lambert-Strahlers entsprechen. In diesem Fall ist die Strahlstärke Ie des emittierten Lichts zumindest
näherungsweise proportional zum Kosinus des Winkels Q, wobei q = 0° die Hauptabstrahlrichtung kennzeichnet, es gilt also Ie (Q) = Io cos Q. Hierbei sind Ie (Q) die Strahlstärke unter dem Winkel Q zur Hauptabstrahlrichtung und Io die in der Hauptstrahlrichtung (Q = 0°) vorliegende Strahlstärke.
Die auf das zu untersuchendes Objekt auftreffende
Strahlenergie Al ist proportional zum Integral der
Strahlstärke Ie (Q) über die Winkel Q, unter denen die
Strahlung auf das Objekt trifft. Da zumindest näherungsweise Ie (Q) = Io cos Q gilt, ist die Strahlenergie umso größer, je kleiner die Winkel Q relativ zur Hauptabstrahlrichtung sind.
Die Figur 6 zeigt zum Vergleich schematisch den Strahlengang bei einem optoelektronischen Sensor 1 mit größerer Distanz zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und dem strahlungsdetektierenden 3 Halbleiterbereich. Die größere Distanz beruht bei diesem Beispiel insbesondere darauf, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 separate
Halbleierchips sind, die nicht direkt nebeneinander auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. In diesem Fall sind die Winkel Q relativ zur Hauptabstrahlrichtung größer als bei dem Beispiel der Figur 5. Die auf das zu untersuchendes Objekt auftreffende Strahlenergie A2 ist daher kleiner als bei dem Beispiel der Figur 5. Es zeigt sich also, dass die Anordnung des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs 2 und des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs 3 nebeneinander auf einem gemeinsamen Träger gemäß Figur 5 vorteilhafter ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste
1 optoelektronischer Sensor
2 strahlungsemittierender Halbleiterbereich
3 strahlungsdetektierender Halbleiterbereich
4 erster Polarisationsfilter
5 zweiter Polarisationsfilter
6 Träger
7 Elektroden
8 strahlungsreflektierende oder strahlungsabsorbierende Schicht
9 KunstStoff-Formmasse
10 emittierte Strahlung
11 Objekt
12 SignalStrahlung
PI erste Polarisationsrichtung
P2 zweite Polarisationsrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronischer Sensor (1), umfassend:
- einen strahlungsemittierenden Halbleiterbereich (2),
- einen strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich (3) ,
- einen ersten Polarisationsfilter (4), der über dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich (2) angeordnet ist und eine erste Polarisationsrichtung aufweist,
- einen zweiten Polarisationsfilter (5) , der über dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich (3)
angeordnet ist und eine zweite Polarisationsrichtung aufweist, wobei die erste Polarisationsrichtung und die zweite Polarisationsrichtung senkrecht zueinander sind, wobei eine strahlungsreflektierende oder
strahlungsabsorbierende Schicht (8) auf Seitenflanken des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs (2) und/oder des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs (3) und/oder des ersten Polarisationsfilters (4) und/oder des zweiten Polarisationsfilters (5)
aufgebracht ist.
2. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1,
wobei der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich (3) seitlich neben dem strahlungsemittierenden
Halbleiterbereich (2) angeordnet ist.
3. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der strahlungsemittierende Halbleiterbereich (2) und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich (3) auf einem gemeinsamen Träger (6) angeordnet sind.
4. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der strahlungsemittierende Halbleiterbereich (2) und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich (3) monolithisch integriert sind.
5. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei ein Abstand zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich (2) und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich (3) weniger als 150 ym beträgt.
6. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der erste Polarisationsfilter (4) und/oder der zweite Polarisationsfilter (5) ein absorbierender
Polarisationsfilter ist.
7. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der erste Polarisationsfilter (4) und/oder der zweite Polarisationsfilter (5) ein reflektierender Polarisationsfilter ist.
8. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der strahlungsemittierende Halbleiterbereich (2) und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich (3) in seitlicher Richtung von einer Kunststoff-Formmasse (9) umgeben sind.
9. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Polarisationsfilter (4) und/oder der zweite Polarisationsfilter (5) in seitlicher Richtung von einer Kunststoff-Formmasse (9) umgeben sind.
10. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 8 oder 9,
wobei die Kunststoff-Formmasse (9)
strahlungsabsorbierende oder strahlungsreflektierende Partikel enthält.
11. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der optoelektronische Sensor (1) ein
oberflächenmontierbares Bauelement ist.
12. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der strahlungsemittierende Halbleiterbereich (2) zur Emission von Infrarotstrahlung geeignet ist und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich (3) zur
Detektion von Infrarotstrahlung geeignet ist.
13. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der optoelektronische Sensor (1) zur Messung von mindestens einem Vitalparameter eingerichtet ist.
14. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der optoelektronische Sensor (1) Bestandteil eines tragbaren Geräts ist.
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