DE3588064T2

DE3588064T2 - Spektralmodulationssensor mit optischer Resonanzstruktur und diesen verwendende optische Messvorrichtungen.

Info

Publication number: DE3588064T2
Application number: DE3588064T
Authority: DE
Inventors: James C Hartl; Elric W Saaski
Original assignee: PHOTONETICS Inc
Current assignee: PHOTONETICS Inc
Priority date: 1984-07-06
Filing date: 1985-06-25
Publication date: 1996-06-13
Anticipated expiration: 2005-06-26
Also published as: US4778987A; EP0423903A2; JPS6135334A; JPH0663967B2; DE3583192D1; EP0423903A3; JPH0727696A; EP0172623A3; US4678904A; EP0665425A3; EP0423903B1; EP0172623A2; EP0172623B1; EP0665425A2; CA1266785C; DE665425T1; DE3588064D1; CA1246354A; JP2610776B2; ATE64456T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft optische Sensoren und Vorrichtungen zum Erfassen und Messen von verschiedenen physikalischen Parametern. Insbesondere betrifft ein Aspekt der Erfindung Spektralmodulations-Sensoren und sie verwendende optische Meßvorrichtungen, wobei der zu messende physikalische Parameter spektrale Änderungen des Reflexionsgrads und/oder der Durchlässigkeit bzw. Transmission der optischen Resonanzstruktur des Sensors bewirkt, so daß das Ausgangslicht des Sensors als eine Funktion des zu messenden physikalischen Parameters spektralmoduliert wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung bilden kostengünstige, stabile, zuverlässige und genaue optische Sensoren und Vorrichtungen zum Erfassen und Messen von verschiedenen physikalischen Parametern wie etwa - als nichteinschränkendes Beispiel - Druck und verschiedenen chemischen Spezies.
Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen in der Bereitstellung einer solchen Vorrichtung, die während des Betriebs der Vorrichtung gegenüber Änderungen der Intensität der Lichtquelle und Änderungen der Intensität der Lichtdurchlässigkeit infolge des Biegens eines Lichtwellenleiters und infolge von Lichtverlusten eines optischen Verbinders unempfindlich ist.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung geben Sensoren und Vorrichtungen an, die einen analogen Ausgangswert erzeugen, wenn sie den zu messenden physikalischen Parameter erfassen oder messen, so daß bei der Messung des zu messenden physikalischen Parameters ein höherer Auflösungsgrad im Vergleich mit Sensoren oder Vorrichtungen, die einen digitalen Ausgangswert liefern, erhalten wird.
Andere Ausführungsformen der Erfindung bilden Sensoren und Vorrichtungen, bei denen der Spektralmodulations-Sensor den zu messenden physikalischen Parameter mißt durch Nutzung von Mikroverlagerungen des Arbeitssegments (der -segmente) der Reflexionsgrad- und/oder Transmissionskurve der optischen Resonanzstruktur des Sensors, die durch den zu messenden physikalischen Parameter bewirkt sind.
EP-A-0013974 zeigt eine herkömmliche Streifenbilderkennungs- Meßeinrichtung. Diese Einrichtung arbeitet mit einem Fabry- Perot-Zwischenraum zwischen zwei reflexionsfähigen, planen, zueinander parallelen Oberflächen (einer optisch schwingenden bzw. Resonanzstruktur), um Bilder von optischen Streifen bzw. Interferenzstreifen zu erzeugen, wobei sich die Streifenbilder als eine Funktion des erfaßten physikalischen Parameters ändern. Um eine exakte digitale Darstellung des erfaßten physikalischen Parameters zu erhalten, ist es ausschlaggebend, daß die Endflächen der optischen Oberflächen des Fabry-Perot-Zwischenraums sowohl äußerst plan als auch zueinander parallel gehalten werden, um die Bildung eines geeigneten Fabry-Perot-Zwischenraums zu ermöglichen.
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, vol. 7, Nr. 38 (P-176)[1183], 16. Feb. 1983; und JP-A-57 190 214 (TOKYO SHIBAURA DENKI) 22-11-1982, zeigen eine optische Sensoreinrichtung, die einen Fabry-Perot-Zwischenraum nutzt. Der Sensor wird mit Wellenlängen-abgetastetem Laserlicht abgefragt, wobei Resonanzwellenform-Charakteristiken nach Maßgabe einer physischen Größe durch einen Einmoden-Lichtwellenleiter geändert werden, und erzeugt sich ändernde Resonanzwellenform-Charakteristiken, um Schwingungen in einer dünnen Platte, die einen Spiegel bildet, zu detektieren. Die optischen Oberflächen des Fabry-Perot-Zwischenraums sind plan und zueinander parallel.
FIRST INTERNATIONAL CONFERENCE ON OPTICAL FIBRE SENSORS, London, 26.-28. April 1983, S. 122-126; E.R. COX et al . . "Fibre Optic colour sensors based on Fabry-Perot interferometry", zeigt eine optische Sensoreinrichtung, die einen Fabry-Perot-Zwischenraum verwendet. Eine Reihe von Transmissions-Interferenzstreifen im Ausgangsspektrum resultiert, wenn der Zwischenraum mit einer breitbandigen Lichtquelle abgetastet wird. Die Position dieser Streifen ist eine spezielle Repräsentation der Distanz zwischen den Spiegeln im Zwischenraum, die von einem erfaßten physikalischen Parameter beeinflußt ist. Dieses Dokument betont auch die Notwendigkeit, daß die Spiegel in einer "vollkommen parallelen" Beziehung gehalten werden sollen.
Der Oberbegriff von Anspruch 1 basiert auf EP-A-0013974 und richtet sich auf einen Spektralmodulations-Sensor zum Erfassen eines Bereichs von Werten für einen erfaßten physikalischen Parameter, wobei der Sensor eine optische Resonanzstruktur aufweist, die einen Hohlraum definiert, der ein Paar von gegenüberstehenden Reflexionsflächen hat, und die eine optisch empfindliche physische Charakteristik hat, die sich als eine Funktion des erfaßten physikalischen Parameters ändert; wobei die optisch empfindliche physische Charakteristik die Distanz zwischen dem Paar von gegenüberstehenden Reflexionsflächen aufweist; wobei die optische Resonanzstruktur ausgebildet ist, um Eingangsmeßlicht von einer Quelle (48) von Eingangsmeßlicht wenigstens einer Wellenlänge zu empfangen und zu modulieren, um spektralmoduliertes Ausgangsmeßlicht als eine Funktion der genannten Änderungen der optisch empfindlichen physischen Charakteristik zu erzeugen.
Die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung sind im Kennzeichenteil von Anspruch 1 angegeben und dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Reflexionsflächen angeordnet ist, um sich als eine Funktion des erfaßten physikalischen Parameters zu wölben, so daß die Distanz zwischen den gegenüberstehenden Reflexionsflächen mit der radialen Position von den Mittelpunkten des Hohlraums und der wenigstens einen der Reflexionsflächen, die angeordnet ist, um sich zu wölben, veränderlich ist.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung bilden Sensoren und Vorrichtungen, bei denen der Spektralmodulations-Sensor den zu messenden physikalischen Parameter exakt mißt unter Anwendung eines Arbeitssegments bzw. von Arbeitssegmenten, deren Länge kleiner als ungefähr eine Resonanzperiode ist; und unter Nutzung von Eingangsmeßlicht-Wellenlänge(n), die über im wesentlichen den interessierenden Wertebereich für den zu messenden physikalischen Parameter in das Arbeitssegment bzw. die Arbeitssegmente fallen.
Andere Ausführungsformen der Erfindung bilden Sensoren und Vorrichtungen, bei denen der Spektralmodulations-Sensor hinreichend klein ist, um direkt an dem Ende eines einzelnen Lichtwellenleiters angebracht zu werden, und der Sensor das gesamte aus diesem Lichtwellenleiter aus tretende Licht nutzt, so daß die Empfindlichkeit erhöht wird.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung bilden Sensoren und Vorrichtungen, bei denen der Spektralmodulations-Sensor ausreichend klein ist, um leicht in ausgewählte Blutgefäße des menschlichen Körpers eingeführt zu werden, wobei der Sensor für den menschlichen Körper nichttoxisch ist.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung bilden Sensoren und Vorrichtungen, bei denen durch geeignete Ausbildung der optischen Resonanzstruktur in dem Spektralmodulations-Sensor das abgegebene Meßsignal sich mit Änderungen des Werts des erfaßten physikalischen Parameters entweder direkt oder umgekehrt dazu ändert.
Eine Ausführungsform einer solchen Vorrichtung weist eine Lichtquelle, eine Lichtdurchlaßeinrichtung, einen Spektralmodulations-Sensor, der eine optische Resonanzstruktur hat, und eine Detektoreinrichtung auf, um das Ausgangslicht des Spektralmodulations-Sensors in elektrische Signale umzuwandeln.
Die Lichtdurchlaßeinrichtung umfaßt einen Eingangs-Lichtwellenleiter, einen optischen Strahlteiler, einen Lichtwellenleiter-Verbinder, einen Sensor-Lichtwellenleiter und einen Ausgangs-Lichtwellenleiter. Der optische Strahlteiler und der Lichtwellenleiter-Verbinder verbinden den Sensor- Lichtwellenleiter mit dem Eingangs- und dem Ausgangs- Lichtwellenleiter.
Eingangslicht von der Lichtquelle pflanzt sich sequentiell durch den Eingangs-Lichtwellenleiter, den Strahlteiler- Lichtwellenleiter, den Lichtwellenleiter-Verbinder und den Sensor-Lichtwellenleiter in den Spektralmodulations-Sensor fort. Ausgangslicht des Spektralmodulations-Sensors pflanzt sich sequentiell durch den Sensor-Lichtwellenleiter, den Lichtwellenleiter-Verbinder, den Strahlteiler-Lichtwellenleiter und den Ausgangs-Lichtwellenleiter zu der Detektoreinrichtung fort.
Somit ist ein einziger Lichtwellenleiter, nämlich der Sensor-Lichtwellenleiter, sowohl zum Transport von Eingangslicht zu dem Spektralmodulations-Sensor als auch zum Transport von Ausgangslicht von dem Spektralmodulations-Sensor wirksam. Das vereinfacht die optische Meßvorrichtung, verringert Größe und Kosten und erhöht ihre Zuverlässigkeit gegenüber einem System, das zwei Lichtwellenleiter verwendet, die jeweils gesondert mit dem Spektralmodulations- Sensor verbunden sind, um Licht in den Spektralmodulations- Sensor einzukoppeln bzw. Licht aus dem Spektralmodulations- Sensor auszukoppeln.
Wie gesagt wurde, hat der Spektralmodulations-Sensor als sein aktives Element eine optisch schwingende bzw. optische Resonanzstruktur. Die Erfindung sieht mehrere verschiedene Formen des Spektralmodulations-Sensors vor, die fähig sind, verschiedene physikalische Parameter in Abhängigkeit von der speziellen Beschaffenheit ihrer optischen Resonanzstruktur zu erfassen.
Im allgemeinen weist eine optische Resonanzstruktur ein Paar von getrennten Reflexionsflächen auf, wobei der Reflexionsgrad und die Durchlässigkeit der optischen Resonanzstruktur Funktionen ihrer optisch empfindlichen physischen Charakteristik wie etwa der Distanz zwischen ihren Reflexionsflächen sind.
Wenn also die optisch empfindliche physische Charakteristik einer optischen Resonanzstruktur eines bestimmten Spektralmodulations-Sensors durch den zu messenden physikalischen Parameter geändert wird, dann ändert sich das von dem Spektralmodulations-Sensor reflektierte und/oder durchgelassene Licht als eine Funktion des gemessenen physikalischen Parameters. Daher wird das Ausgangslicht des Spektralmodulations-Sensors durch seine optische Resonanzstruktur als eine Funktion des gemessenen physikalischen Parameters spektralmoduliert und trägt Information in bezug auf den gemessenen physikalischen Parameter.
Das spektralmodulierte Ausgangslicht des Spektralmodulations-Sensors wird von der Detektiereinrichtung, die eine Fotodetektor- und Verstärkereinrichtung aufweist, in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt. Das elektrische Ausgangssignal liefert eine genaue Bestimmung des gemessenen physikalischen Parameters innerhalb eines bestimmten Bereichs von Werten für den gemessenen physikalischen Parameter, nachdem die optische Meßvorrichtung kalibriert worden ist.
Die soeben beschriebene Grundform der Erfindung kann jedoch Meßungenauigkeiten aufgrund von Änderungen der Intensität der Lichtquelle sowie Änderungen der Lichtdurchlaßintensität infolge einer Krümmung der Lichtwellenleiter oder infolge von Lichtverlusten des optischen Verbinders unterliegen.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind die vorstehenden potentiellen Meßungenauigkeiten beseitigt. Die zweite Ausführungsform gleicht der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, jedoch mit den nachstehenden Änderungen. Erstens ist die Lichtquelle so gewählt, daß sie Licht über wenigstens zwei Wellenlängen oder über eine Bande von Wellenlängen abgibt, und kann beispielsweise eine lichtemittierende Diode bzw. LED sein. Der Spektralmodulations-Sensor funktioniert wie vorher, wobei der spektrale Reflexionsgrad und/oder die Durchlässigkeit seiner optischen Resonanzstruktur eine Funktion des gemessenen physikalischen Parameters ist. Wie vorher wird das Ausgangslicht des Spektralmodulations-Sensors von der optischen Resonanzstruktur des Sensors als eine Funktion des gemessenen physikalischen Parameters spektralmoduliert und trägt Information in bezug auf den gemessenen physikalischen Parameter.
Aber in der Detektiereinrichtung werden die Wellenlängen des spektralmodulierten Ausgangslichts des Spektralmodulations- Sensors in zwei spektrale Komponenten getrennt, deren jede separat von der Fotodetektoreinrichtung in ein elektrisches Signal umgewandelt und dann verstärkt wird. Schließlich bildet ein Teilerschaltkreis das Verhältnis dieser beiden elektrischen Signale und erzeugt ein Ausgangssignal. Das Ausgangssignal des Teilerschaltkreises ergibt eine exakte Bestimmung des gemessenen physikalischen Parameters innerhalb eines bestimmten Bereichs von Werten für den gemessenen physikalischen Parameter, nachdem die optische Meßvorrichtung kalibriert worden ist.
Wichtig ist, daß die vorstehend beschriebene zweite Ausführungsform der Erfindung für Meßungenauigkeiten aufgrund von Änderungen der Intensität der Lichtquelle und von Änderungen der Intensität der Lichtdurchlässigkeit infolge einer Krümmung der Lichtwellenleiter und infolge von Lichtverlusten des optischen Verbinders nicht anfällig ist. Der Grund hierfür ist, daß solche Änderungen normalerweise die beiden spektralen Komponenten des Ausgangssignals des Spektralmodulations-Sensors auf gleiche Weise beeinträchtigen. Wenn daher die beiden elektrischen Signale, die den beiden spektralen Komponenten des Ausgangssignals des Spektralmodulations-Sensors entsprechen, in dem Teilerschaltkreis geteilt werden, heben solche Änderungen sich gegenseitig auf und haben keine Auswirkung auf das Ausgangssignal des Teilerschaltkreises.
Das Vorstehende soll nur eine kurze Zusammenfassung einiger der Ziele, Merkmale, Vorteile und Charakteristiken der Erfindung darstellen und keine genaue Aufzählung sein, da diese und weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Charakteristiken aufgrund der vorliegenden Gesamtoffenbarungen ausdrücklich oder inhärent für den Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung ersichtlich sind.

KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer optischen Meßvorrichtung;
Fig. 2 ist ein Diagramm einer Reflexionsgradkurve für eine optische Resonanzstruktur;
Fig. 3 zeigt einen Teil der Kurve von Fig. 2 während des Betriebs der ersten Ausführungsform 1 einer optischen Meßvorrichtung;
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform 2 einer optischen Meßvorrichtung;
Fig. 5 zeigt einen Teil der Kurve von Fig. 2 während des Betriebs der zweiten Ausführungsform 2 einer optischen Meßvorrichtung;
Fig. 6 und 7 sind Diagramme des spektralmodulierten Ausgangslichts der zweiten Ausführungsform 2 einer optischen Meßvorrichtung;
Fig. 8 ist eine schematische Seitenansicht, die die erste Ausführungsform 22A des Spektralmodulations-Sensors in einem Längs-Querschnitt entlang der Linie 8-8 von Fig. 8a zeigt;
Fig. 8a ist eine Ansicht der rechten Seite von Fig. 8;
Fig. 8b ist eine schematische Seitenansicht, die eine modifizierte Form der ersten Ausführungsform 22A des Spektralmodulations-Sensors in einem Längs- Querschnitt zeigt;
Fig. 9 ist ein Diagramm des Ausgangssignals des Spektralmodulations-Sensors 22A, wie er mit der zweiten Ausführungsform 2 einer optischen Meßvorrichtung verwendet wird;
Fig. 10 ist eine schematische Seitenansicht, die die zweite Ausführungsform 22D des Spektralmodulations-Sensors im Längs-Querschnitt entlang der Linie 10-10 von Fig. 10a zeigt;
Fig. 10a ist eine Ansicht der rechten Seite von Fig. 10;
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung der dritten Ausführungsform der optischen Meßvorrichtung;
Fig. 12 ist eine schematische Darstellung der vierten Ausführungsform der optischen Meßvorrichtung;
Fig. 13, 13b und 14 sind schematische Seitenansichten von Sensoren 22A, 22Aa bzw. 22D der Fig. 8, 8b bzw. 10, die in einem Transmissionsmodus betrieben werden, wobei die Ansichten teilweise Längs-Querschnitte entlang den Linien 13-13 bzw. 14-14 der Fig. 13a bzw. 14a sind; und
Fig. 13a und 14a sind Querschnitte entlang den Linien 13a-13a und 14a-14a der Fig. 13 bzw. 14.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM DER OPTISCHEN MESSVORRICHTUNG

Eine erste Ausführungsform 1 einer optischen Meßvorrichtung ist in Fig. 1 schematisch gezeigt. Eine Lichtquelle 10 liefert geeignetes Eingangsmeßlicht, das monochromatisch sein kann oder über zwei oder mehr benachbarte oder nichtbenachbarte Wellenlängen verteilt sein kann. Die Lichtquelle 10 kann wenigstens eine Quelle von monochromatischem Licht wie etwa einen Laser oder eine Laserdiode, wenigstens eine Quelle von zwei oder mehr Wellenlängen wie etwa eine lichtemittierende Diode (LED) und/oder geeignete optische Filter aufweisen, um das gewünschte Eingangslicht zu liefern. Geeignete Energie für die Lichtquelle 10 wird von jeder geeigneten elektrischen Stromversorgung durch eine herkömmliche elektrische Anschlußeinrichtung 11 geliefert.
Der Einfachheit halber und als nichteinschränkendes Beispiel wird nachstehend eine einzelne monochromatische Lichtquelle 10 wie etwa eine Laserdiode, die Licht einer Wellenlänge von 810 nm aussendet, beschrieben.
Eingangslicht von der Lichtquelle 10 wird in einen Sensor- Lichtwellenleiter 14 durch einen Eingangs-Lichtwellenleiter 12, einen optischen Strahlteiler 18 und einen Lichtwellenleiter-Verbinder 20 eingekoppelt.
Ein Spektralmodulations-Sensor 22, der ein fakultatives Substrat 9 hat, das eine optische Resonanzstruktur 21 trägt, ist mit dem Ende des Sensor-Lichtwellenleiters 14 optisch verbunden und empfängt Eingangslicht von diesem. Das Substrat 9 dient zwei Zwecken. Erstens verbessert es die Empfindlichkeit der optischen Resonanzstruktur 21, indem es als Abstandselement zwischen dem Ende des Sensor-Lichtwellenleiters 14 und der optischen Resonanzstruktur 21 wirkt. Bevorzugt hat das Substrat 9 eine Dicke, die ungefähr gleich dem Durchmesser des Sensor-Lichtwellenleiters 14 ist. Eine verbesserte Empfindlichkeit der optischen Resonanzstruktur 21 resultiert, wenn das Substrat 9 verwendet wird, weil Licht, das in die optische Resonanzstruktur 21 aus dem Sensor-Lichtwellenleiter 14 eintritt, relativ stärker kollimiert wird, als wenn das Substrat 9 weggelassen und der Sensor 22 direkt an dem Ende des Sensor-Lichtwellenleiters 14 angebracht wäre. Wenn das Substrat 9 weggelassen wird, kann die optische Resonanzstruktur 21 direkt an dem Ende des Sensor-Lichtwellenleiters 14 befestigt sein. Zweitens dient das Substrat 9 als Hilfsmittel bei der Herstellung des Sensors 22 und beim Zusammenbau der optischen Resonanzstruktur 21 mit dem Ende des Sensor-Lichtwellenleiters 14, da - wie noch deutlich werden wird - die optische Resonanzstruktur 21 eine Dicke von weniger als einem Mikrometer haben kann. Bevorzugt spielt das Substrat 9 keine Rolle bei der Spektralmodulation des Eingangs-Meßlichts zu der optischen Resonanzstruktur 21, es könnte aber dabei eine Rolle spielen.
Die optische Resonanzstruktur 21 umfaßt allgemein ein Paar von getrennten Reflexionsflächen 13, 15, wobei Reflexionsgrad und Durchlässigkeit der optischen Resonanzstruktur Funktionen ihrer optisch empfindlichen physischen Charakteristiken wie etwa der Distanz zwischen ihren Reflexionsflächen 13, 15, der optischen Charakteristiken ihrer Reflexionsflächen 13, 15 und des Brechungsindex von 17, was auch immer das ist, zwischen ihren Reflexionsflächen 13, 15 sind. Das Ausgangslicht des Sensors 22 wird von der optischen Resonanzstruktur 21 als eine Funktion von wenigstens einer der optisch empfindlichen physischen Charakteristiken der optischen Resonanzstruktur 21 spektralmoduliert.
Spektralmoduliertes Ausgangslicht von dem Sensor 22 pflanzt sich sequentiell durch den Sensor-Lichtwellenleiter 14, den Lichtwellenleiter-Verbinder 20, den optischen Strahlteiler 18 und den Ausgangs-Lichtwellenleiter 16 fort, von wo es optisch in den Fotodetektor 30 gekoppelt wird.
Das Ausgangssignal des Fotodetektors 30 wird über eine elektrische Verbindungseinrichtung 32 zu einem Verstärker 34 geführt. Das verstärkte Ausgangssignal des Verstärkers 34 wird einem Ausgang 36 zugeführt und liefert einen Meßwert des zu messenden physikalischen Parameters.
Elektrische Energie von jeder geeigneten elektrischen Energiequelle für den Fotodetektor 30 und den Verstärker 34 werden durch die elektrischen Anschlußeinrichtungen 31, 33 geliefert. Die Teile 30 bis 36 bilden eine Detektiereinrichtung zur Umwandlung von Ausgangslicht vom Sensor 22 in ein nützliches elektrisches Ausgangsmeßsignal am Ausgangsanschluß 36.
Die Lichtquelle 10 und der Fotodetektor 30 sind typischerweise in einem geeigneten Gehäuse untergebracht und mit einer Temperaturregeleinrichtung 38 versehen, um diese Komponenten auf einer relativ gleichbleibenden Temperatur zu halten, so daß die Stabilität und Präzision der optischen Meßvorrichtung erhöht werden. Strom von einer geeigneten elektrischen Stromversorgung für die Temperaturregeleinrichtung 38 wird durch eine elektrische Anschlußeinrichtung 39 geliefert. Als nichteinschränkendes Beispiel könnte die Temperaturregeleinrichtung 38 ein Widerstandsheizelement aufweisen, das von einem Thermostat gesteuert wird, um die genannten Komponenten auf einer vorgewählten Temperatur oberhalb normaler Raumtemperatur, beispielsweise auf 38ºC (100ºF) zu halten.

THEORETISCHE ÜBERLEGUNGEN FÜR DIE ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM DER OPTISCHEN MESSVORRICHTUNG

Nachdem nun der allgemeine Aufbau und Betrieb der ersten Ausführungsform 1 einer optischen Meßvorrichtung gezeigt wurden, soll die Funktionstheorie erläutert werden.
Die Funktionstheorie der Vorrichtung beinhaltet die periodische optische Beschaffenheit der Reflexionsgradkurven ihrer optischen Resonanzstruktur 21 nach Maßgabe des Eingangslichts und des zu messenden physikalischen Parameters und die Frage, wie kleine Verschiebungen dieser Ansprechkurven, die hier als Mikroverschiebungen bezeichnet werden, genutzt werden können, um verschiedene physikalische Erscheinungen wie Druck, Temperatur, Gasdichte und chemische Spezies zu erfassen und zu messen.
Ein nichteinschränkendes Beispiel ist folgendes: Es ist bekannt, daß für die einfachste Form einer optischen Resonanzstruktur 21, und zwar eine parallele, plane optische Resonanzstruktur 21, die nicht gemäß der Erfindung ausgebildet ist und ein Paar von getrennten, parallelen Reflexionsflächen 13, 15 aufweist, der Reflexionsgrad R der parallelen, planen optischen Resonanzstruktur 21 durch die folgende Gleichung gegeben ist:
R = 1-s²/((1-r)² + 4rsin²(theta))
wobei s = (s&sub1; s)0,5 und r = (r&sub1; r)0,5. Die Größen s&sub1; bzw. s sind die Transmissionsgrade der Reflexionsflächen 13, 15, während r&sub1; bzw. r die Reflexionsgrade der Reflexionsflächen 13, 15 sind, gesehen von innerhalb der parallelen, planen optischen Resonanzstruktur 21.
Es ist bekannt, daß der Winkel theta in dem Sinus-Term in der obigen Gleichung gegeben ist durch:
theta = 2(pi)nt cos(phi)/lambda + e
mit:
n = der Brechungsindex dessen, was 17 ist, zwischen den Reflexionsflächen 13, 15;
t = die Distanz zwischen den Reflexionsflächen 13, 15;
phi = der Winkel der Lichtreflexion zwischen den Reflexionsflächen 13, 15;
lambda = die Wellenlänge von Eingangslicht, das auf die optische Resonanzstruktur 21 trifft; und
e = jede Phasenverschiebung, die durch Reflexion an jeder der Reflexionsflächen 13, 15 bewirkt ist.
Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, die eine typische Reflexionsgradkurve 40 einer parallelen, planen optischen Resonanzstruktur 21 zeigt, die ein gegebenes Set von physischen Charakteristiken hat. Es ist zu beachten, daß die Reflexionsgradkurve 40 auch für jede andere Form von optischer Resonanzstruktur 21 typisch ist, die ein gegebenes Set von physischen Charakteristiken hat und keine parallele, plane optische Resonanzstruktur ist. Es ist ersichtlich, daß der Reflexionsgrad R der parallelen planen optischen Resonanzstruktur 21 eine periodische Funktion der Wellenlänge ihres Eingangslichts ist - was eine gemeinsame Charakteristik von optischen Resonanzstrukturen ist.
Aus den obigen Gleichungen ist zu sehen, daß mehr im allgemeinen der Reflexionsgrad R einer parallelen planen optischen Resonanzstruktur 21 eine periodische Funktion der Parametergruppe nt cos(phi)/lambda ist. Bei einer parallelen planen optischen Resonanzstruktur 21 treten maximale Reflexionsgrade bei nt cos(phi)/lambda = (2m + 1)/4 auf, wohingegen minimale Reflexionsgrade bei nt cos(phi)/lambda = m/2 auftreten; dabei ist m die Periodenzahl und ist Null oder eine positive ganze Zahl. Aus der Betrachtung dieser beiden letztgenannten Gleichungen ist zu sehen, daß benachbarte Maxima und Minima (und umgekehrt) getrennt sind, so daß sich der Absolutwert der Parametergruppe nt cos(phi)/lambda zwischen ihnen um exakt 1/4 ändert.
Wenn man eine parallele plane optische Resonanzstruktur 21 so auslegt, daß sich die Parametergruppe nt cos(phi)/lambda nach Maßgabe des zu messenden physikalischen Parameters ändert, so folgt daraus, daß bei jeder gewählten Wellenlänge von Eingangslicht die parallele plane optische Resonanzstruktur 21 einen veränderlichen Reflexionsgrad als eine Funktion des zu messenden physikalischen Parameters zeigt. Es wurde entdeckt, daß dieser veränderliche Reflexionsgrad auf eine neuartige Weise genutzt werden kann, um den zu messenden physikalischen Parameter zu erfassen und zu messen, wie nachstehend im einzelnen beschrieben wird.
Die Parametergruppe nt cos(phi)/lambda kann zu einer Änderung nach Maßgabe des zu messenden physikalischen Parameters veranlaßt werden, wenn eine der optisch empfindlichen physischen Charakteristiken der parallelen planen optischen Resonanzstruktur 21 wie etwa ihr Brechungsindex n oder die Distanz t, der Lichtbrechungswinkel phi und/oder die Phasenverschiebung e veranlaßt werden kann, sich als eine Funktion des zu messenden physikalischen Parameters zu ändern. Im allgemeinen ist eine optisch empfindliche physische Charakteristik der parallelen planen optischen Resonanzstruktur 21 jede ihrer physischen Charakteristiken, die ihren Reflexionsgrad als eine Funktion des zu messenden physikalischen Parameters ändert.
Sämtliche vorstehenden Bemerkungen im Hinblick auf parallele plane optische Resonanzstrukturen 21 treffen auf alle anderen Formen von optischen Resonanzstrukturen 21 zu, die keine parallelen planen optischen Resonanzstrukturen sind. Die folgenden Bemerkungen treffen auf alle Formen von optischen Resonanzstrukturen 21 zu, ob sie nun parallel und plan sind oder nicht.
Spezielle, nichteinschränkende Beispiele von verschiedenen Spektralmodulations-Sensoren 22, die verschiedene optische Resonanzstrukturen 21 haben, bei denen sich wenigstens eine ihrer optisch empfindlichen physischen Charakteristiken als eine Funktion eines zu messenden physikalischen Parameters ändert, werden in den folgenden Abschnitten erläutert.
Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Teil der Reflexionsgradkurve 40. Fig. 3 zeigt außerdem als nichteinschränkendes Beispiel die Auswirkung auf die Reflexionsgradkurve 40, wenn eine der optisch empfindlichen physischen Charakteristiken ihrer speziellen optischen Resonanzstruktur 21 geändert wird.
Wenn man als nichteinschränkendes Beispiel die optische Resonanzstruktur 21A des Sensors 22A von Fig. 8 betrachtet, ist die optisch empfindliche physische Charakteristik die Distanz zwischen der reflektierenden Bodenfläche 27 ihres Hohlraums 26 und der inneren Oberfläche 29 ihrer Abdeckung 28. Für die Zwecke der Erläuterung kann angenommen werden, daß die Reflexionsgradkurve 40 auch die Reflexionsgradkurve für die optische Resonanzstruktur 21A ist.
In Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Reflexionsgradkurve 40 der optischen Resonanzstruktur 21A in bezug auf eine bestimmte ausgewählte Wellenlänge L&sub1; von Eingangslicht von der Lichtquelle 10 nach links verlagert wird, um zu der Reflexionsgradkurve 40' zu werden, wenn die Distanz zwischen ihren Reflexionsflächen 27, 29 verkleinert wird; und es ist ersichtlich, daß sie in bezug auf L&sub1; nach rechts verlagert wird, um zu der Reflexionsgradkurve 40'' zu werden, wenn die Distanz zwischen ihren Reflexionsflächen 27, 29 vergrößert wird.
Es ist zu beachten, daß Fig. 3 die eigentliche Auswirkung nur schematisch zeigt, weil, wie anschließend im einzelnen unter Bezugnahme auf den Sensor 22A und seine optische Resonanzstruktur 21A erläutert wird, ihre Reflexionsflächen 27, 29 im Betrieb nicht parallel sind. Außerdem wird, wenn die Reflexionsgradkurve 40 nach links verlagert wird, die Bandbreite jeder ihrer Perioden kleiner, wohingegen bei einer Verlagerung nach rechts die Bandbreite jeder ihrer Perioden größer wird.
Im allgemeinen jedoch verlagert sich die Reflexionsgradkurve jeder Art von optischer Resonanzstruktur 21 nach links und/ oder rechts in bezug auf die Wellenlänge L&sub1; als eine Funktion einer ihrer optisch empfindlichen physischen Charakteristiken, wobei solche Verlagerungen hier als Mikroverlagerungen bezeichnet werden. Eine optisch empfindliche physische Charakteristik jeder bestimmten optischen Resonanzstruktur 21 ist definiert als jede ihrer physischen Charakteristiken, die solche Mikroverlagerungen als eine Funktion des zu messenden physikalischen Parameters bewirkt. Eine Resonanzperiode der Reflexionsgradkurve jeder speziellen optischen Resonanzstruktur 21 ist definiert als eine vollständige Periode auf ihrer Reflexionsgradkurve. Selbstverständlich gibt es eine Vielzahl von solchen Resonanzperioden auf ihrer Reflexionsgradkurve, da eine Resonanzperiode an irgendeinem Punkt auf ihrer Reflexionsgradkurve beginnen kann.
Als nichteinschränkendes Beispiel ist eine Resonanzperiode auf der Reflexionsgradkurve 40 einer optischen Resonanzstruktur 21 mit AB in Fig. 3 bezeichnet.
Es wurde entdeckt, daß exakte Messungen des zu messenden physikalischen Parameters durchgeführt werden können unter Nutzung eines Arbeitssegments bzw. von Arbeitssegmenten der Reflexionsgradkurve der jeweiligen optischen Resonanzstruktur 21, wobei die Bezeichnung "Arbeitssegment" als irgendein Bereich ihrer Reflexionsgradkurve definiert ist, dessen Länge kleiner als ungefähr eine Resonanzperiode ist, und unter Nutzung von Arbeitssegment-Mikroverlagerungen, die ebenfalls eine Länge von weniger als ungefähr eine Resonanzperiode haben, bei der Wellenlänge (den Wellenlängen) des Eingangs-Meßlichts. Da die Reflexionsgradkurve jeder bestimmten optischen Resonanzstruktur 21 periodisch ist, gibt es auf ihr eine Vielzahl von solchen Arbeitssegmenten.
Wenn - als nichteinschränkendes Beispiel - das Arbeitssegment der Reflexionsgradkurve 40 von Fig. 3 A''B'' wäre, hätte es natürlich eine Länge von einer Resonanzperiode. Wenn ferner aufgrund des zu messenden physikalischen Parameters das Arbeitssegment A''B'' nach links mikroverlagert würde, bis der Punkt B'' die Wellenlänge L&sub3; schneidet, dann hätte die Mikroverlagerung des Arbeitssegments A''B'' eine Länge von einer Resonanzperiode.
Als weiteres nichteinschränkendes Beispiel in bezug auf die erste Ausführungsform 1 der optischen Meßvorrichtung soll nunmehr die optische Resonanzstruktur 21 mit einer Lichtquelle 10 angetrieben werden, die monochromatisches Eingangslicht einer Wellenlänge wie etwa L&sub1; aussendet. Die Wellenlänge L&sub1; ändert sich natürlich nicht, wenn irgendeine der optisch empfindlichen Charakteristiken der optischen Resonanzstruktur 21 des Sensors 22 durch den zu messenden physikalischen Parameter geändert wird. Ferner soll AC das Arbeitssegment der Reflexionsgradkurve 40 für die optische Resonanzstruktur 21 sein (siehe Fig. 3).
Aus dem Studium von Fig. 3 ist ersichtlich, daß bei einer gegebenen Intensität des Eingangslichts der Wellenlänge L&sub1; zum Sensor 22 bei der Wellenlänge L&sub1; die Ausgangsintensität von der optischen Resonanzstruktur 21 des Sensors 22 verschieden ist, wenn wenigstens eine der optisch empfindlichen physischen Charakteristiken seiner optischen Resonanzstruktur 21 durch den gemessenen physikalischen Parameter geändert wird, verglichen mit dem Fall, in dem solche optisch empfindlichen physischen Charakteristiken der optischen Resonanzstruktur 21 unverändert bleiben. Das geht zurück auf die Links- und/oder Rechts-Mikroverlagerungen des Arbeitssegments AC der optischen Resonanzstruktur 21 (das zu A'C' und A''C'' wird) aufgrund des gemessenen physikalischen Parameters.
Somit ist der Sensor 22 ein Spektralmodulations-Sensor, dessen optische Resonanzstruktur 21 ihr Eingangslicht der Wellenlänge L&sub1; als eine Funktion des gemessenen physikalischen Parameters moduliert und moduliertes Ausgangslicht der Wellenlänge L&sub1; erzeugt, das Informationen in bezug auf den gemessenen physikalischen Parameter trägt. Diese Information wird von dem Fotodetektor 30 und dem Verstärker 34, wie beschrieben wurde, in ein dieselbe Information tragendes elektrisches Ausgangsmeßsignal umgewandelt.
Selbstverständlich ist/sind die Wellenlänge(n) des Eingangslichts von der Lichtquelle 10, die tatsächlich bei der Messung des zu messenden physikalischen Parameters genutzt werden und hier als Eingangsmeßlicht bezeichnet sind, etwa die Wellenlänge L&sub1;, und/oder die physischen Charakteristiken der optischen Resonanzstruktur 21 des Sensors so gewählt, daß diese Wellenlänge(n) des Eingangsmeßlichts wenigstens im wesentlichen in das gewünschte Arbeitssegment, beispielsweise AC, ihrer Reflexionsgradkurve über den gewünschten Bereich von Werten für den zu messenden physikalischen Parameter fallen. Wie also Fig. 3 zeigt, verbleibt die Wellenlänge L&sub1; in dem Arbeitssegment AC ohne Rücksicht darauf, daß das Arbeitssegment AC durch die optische Resonanzstruktur 21 aufgrund des zu messenden physikalischen Parameters mikroverlagert wurde, um zu A'C' und/oder A''C'' zu werden.
Durch geeignete Wahl des Arbeitssegments der optischen Resonanzstruktur 21, etwa durch eine geeignete Wahl ihrer optisch empfindlichen physischen Charakteristik(en), und/ oder durch geeignete Wahl der Wellenlänge(n) des Eingangsmeßlichts ist es möglich, das Ausgangsmeßsignal der optischen Meßvorrichtung 1 zu veranlassen, sich entweder direkt mit oder umgekehrt zu Änderungen des Werts des gemessenen physikalischen Parameters zu ändern. Eine umgekehrte Änderung des Ausgangsmeßsignals anstatt einer direkten Änderung kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, daß ein Arbeitssegment genutzt wird, das anstatt einer positiven Neigung eine negative Neigung hat.
Um eine größere Empfindlichkeit und/oder einen breiteren potentiellen Wertebereich, für den der gemessene physikalische Parameter durch die optische Resonanzstruktur 21 gemessen werden kann, zu erzielen, wird es bevorzugt, daß die optische Resonanzstruktur 21 so ausgebildet ist, daß Änderungen ihres Ausgangslichts, die von Mikroverlagerungen ihres Arbeitssegments nach Maßgabe des gemessenen physikalischen Parameters verursacht sind, über den Wertebereich, der für den gemessenen physikalischen Parameter von Interesse ist, maximiert werden. Das wird beispielsweise erreicht durch eine geeignete Ausbildung der optischen Resonanzstruktur 21, durch geeignete Wahl eines bestimmten Arbeitssegments dafür und/oder durch geeignete Wahl der Wellenlänge(n) und/oder der Amplitude(n) des Eingangsmeßlichts, so daß ein Arbeitssegment der größten Länge erhalten wird, das eindeutig spektralmoduliertes Ausgangslicht der optischen Resonanzstruktur 21 über den Wertebereich liefert, der für den gemessenen physikalischen Parameter von Interesse ist.
Beispielsweise und nichteinschränkend werden bei einem monochromatischen Eingangsmeßlicht der Wellenlänge L&sub1; Änderungen des Ausgangslichts der optischen Resonanzstruktur 21 maximiert, wenn sich ihr Arbeitssegment AC, wie in Fig. 3 gezeigt, zwischen irgendwelchen Maxima und einem angrenzenden Minimum (oder umgekehrt) auf ihrer Reflexionsgradkurve 40 erstreckt und wenn über den für den gemessenen physikalischen Parameter interessierenden Wertebereich der gemessene physikalische Parameter die optische Resonanzstruktur 21 so antreibt, daß ihr Arbeitssegment AC nach links und/oder rechts ausreichend weit verlagert wird, so daß das gesamte Arbeitssegment AC die Eingangsmeßlicht-Wellenlänge L&sub1; schneidet, d. h. um eine vollständige halbe Resonanzperiode mikroverlagert wird.
Arbeitssegmente der Reflexionsgradkurve 40 für eine spezielle optische Resonanzstruktur 21, die die größten potentiellen Änderungen im Ausgangslicht der optischen Resonanzstruktur 21 aufgrund der Mikroverlagerungen ihres Arbeitssegments bei der Wellenlänge (den Wellenlängen) des Eingangsmeßlichts ergeben, können sich nach Maßgabe des Frequenz- und/oder Amplitudenspektrums (der Spektren) des Eingangsmeßlichts ändern. Andererseits kann es vorteilhaft sein, nur einen Teil eines solchen Arbeitssegments (solcher Arbeitssegmente) zu nutzen, um die Linearität des Ausgangslichts der optischen Resonanzstruktur 21 zu verbessern, indem etwa ein besonders linearer Teil davon genutzt wird.
Wenn natürlich die optische Resonanzstruktur 21 von dem gemessenen physikalischen Parameter so angetrieben wird, daß sein spektralmoduliertes Ausgangslichtsignal keine einmalige Eins-zu-Eins-Beziehung zu dem gemessenen physikalischen Parameter über den interessierenden Wertebereich hat, dann kann das Ausgangslichtsignal mehrdeutige Information liefern. Beispielsweise und nichteinschränkend tritt das bei einem monochromatischen Eingangsmeßlicht L&sub1; auf, wenn die optische Resonanzstruktur 21 von dem zu messenden physikalischen Parameter so angetrieben wird, daß ihr Arbeitssegment AC nach links und/oder rechts so mikroverlagert wird, daß es die Wellenlänge L&sub1; nicht mehr schneidet.
Wenn gefunden wird, daß das spektralmodulierte Ausgangslicht der optischen Resonanzstruktur 21 nicht die gewünschte Einszu-Eins-Beziehung hat, dann kann das Problem im allgemeinen gelöst werden durch Wahl eines Eingangsmeßlichts mit anderer Wellenlänge(n) und/oder Amplitude(n), Wahl einer anderen physikalischen Struktur der optischen Resonanzstruktur 21 und/oder Wahl eines anderen Arbeitssegments (anderer Arbeitssegmente) der Reflexionsgradkurve 40 für die optische Resonanzstruktur 21, bis die gewünschte besondere Eins-zu- Eins-Beziehung erhalten wird. Außerdem ist eine richtige Kalibrierung der optischen Resonanzstruktur 21 und/oder ihre Verwendung nur über ihren konstruktionsgemäßen Wertebereich bei der Messung des zu messenden physikalischen Parameters hilfreich.
Für eine größere Empfindlichkeit ist es außerdem erwünscht, die Reflexionsgrad-Differenz von Maximum zu Minimum (oder umgekehrt) der optischen Resonanzstruktur 21 wie etwa zwischen AC in Fig. 3 zu erhöhen. Das erfolgt, indem wenigstens eine der Reflexionsflächen 13, 15 mit einer geeigneten Dicke von beispielsweise 100 bis 200 Å mit einem transparenten Medium mit hohem Brechungsindex beschichtet wird, das den Oberflächenreflexionsgrad erhöht, beispielsweise mit Rutil, Titandioxid, kubischem Zirconiumdioxid oder Silizium.

ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM DER OPTISCHEN MESSVORRICHTUNG

Eine zweite Ausführungsform 2 einer optischen Meßvorrichtung ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Die erste und die zweite Ausführungsform 1, 2 der optischen Meßvorrichtung, die in den Fig. 1 und 4 gezeigt sind, sind in bezug auf Theorie, Aufbau, Betrieb und in jeder sonstigen Weise mit Ausnahme der nachstehend erläuterten Unterschiede identisch. Daher werden für bestimmte Teile der ersten Ausführungsform in Fig. 1 verwendete Bezugszeichen für die entsprechenden Teile in der zweiten Ausführungsform von Fig. 4 der Klarheit halber ebenfalls verwendet.
Was die Unterschiede betrifft, so ist in Fig. 4 die Lichtquelle 48 nunmehr so gewählt, daß sie wenigstens zwei Lichtwellenlängen erzeugt und beispielsweise und ohne Einschränkung eine lichtemittierende Diode (LED) sein kann, die einen Bandbereich von Lichtwellenlängen emittiert, der bei ungefähr 810 nm zentriert ist, beispielsweise ein Teil #MFOE1202 von Motorola Co. ist. Strom für die Lichtquelle 48 wird von jeder geeigneten Stromversorgung durch die elektrische Anschlußeinrichtung 49 geliefert.
Spektralmoduliertes Ausgangslicht von dem Ausgangs-Lichtwellenleiter 16 wird auf einen Strahlteiler 50 gerichtet, der es in zwei Ausgangslichtstrahlen teilt.
Der erste Ausgangslichtstrahl vom Strahlteiler 50 geht durch ein optisches Kurzpaßfilter 52, das in erheblichem Maß nur Licht einer Wellenlänge durchläßt, die kürzer als eine gegebene, vorgewählte Wellenlänge ist. Die kurzwellige Ausgangslichtbande vom Filter 52 wird von dem Fotodetektor 54 in ein erstes elektrisches Signal umgewandelt und dann von der elektrischen Anschlußeinrichtung 58 zu einem Verstärker 56 geleitet, um von dem Verstärker 56 verstärkt zu werden. Beispielsweise und nichteinschränkend kann die vorgewählte Wellenlänge die Wellenlänge von die höchste Intensität aufweisendem Licht von der Lichtquelle 48 sein, etwa eine Wellenlänge von 810 nm für die vorgenannte spezielle LED.
Der zweite Ausgangslichtstrahl vom Strahlteiler 50 geht durch ein optisches Langpaßfilter 60, das in merklichem Maß nur Licht einer Wellenlänge durchläßt, die länger als die gegebene vorgewählte Wellenlänge ist. Die Bande von langwelligem Ausgangslicht von dem Filter 60 wird von dem Fotodetektor 62 in ein zweites elektrisches Signal umgewandelt und dann von der elektrischen Anschlußeinrichtung 64 zu einem Verstärker 66 geleitet, um von dem Verstärker 66 verstärkt zu werden. Die Verstärker 56, 66 verstärken ihre jeweiligen Signale bevorzugt im gleichen Maß.
Die verstärkten ersten und zweiten elektrischen Signale der Verstärker 56, 66 werden einem Teilerschaltkreis 68 über die elektrischen Anschlußeinrichtungen 70, 72 zugeführt. Der Teilerschaltkreis 68 bildet ihr Verhältnis und liefert ein Ausgangsmeßsignal an die elektrische Anschlußeinrichtung 74. Das Ausgangsmeßsignal trägt Information im Hinblick auf den gemessenen physikalischen Parameter.
Wie bereits gesagt wurde, können Änderungen der Intensität der Lichtquelle 48 und Änderungen der Lichtdurchlaßintensität infolge eines Biegens der Lichtwellenleiter 12, 14, 16 und aufgrund von Lichtverlusten im optischen Verbinder 20 zu Ungenauigkeiten im Ausgangsmeßsignal führen. Es ist jedoch zu beachten, daß sowohl die kurz- als auch die langwelligen Ausgangslichtbanden der optischen Filter 52, 60 gleichermaßen von solchen Änderungen beeinflußt werden. Wenn daher ihre jeweiligen verstärkten ersten und zweiten elektrischen Signale in dem Teilerschaltkreis 68 geteilt werden, heben solche Änderungen einander auf und wirken sich nicht auf das Ausgangsmeßsignal des Teilerschaltkreises 68 aus. Eine solche Teilung von zwei Signalen ist als eine verhältnisbildende Signalverarbeitung bekannt.
Die oben erläuterte Anordnung wird zwar bevorzugt, weil sie eine optische Meßvorrichtung mit maximaler Empfindlichkeit darstellt, es ist aber möglich, entweder das Filter 52 oder das Filter 60 wegzulassen und doch die oben genannten Ungenauigkeiten im Ausgangsmeßsignal zu beseitigen. Wenn das Kurzwellenfilter 52 weggelassen wird, bildet der Teilerschaltkreis 68 das Verhältnis der elektrischen Signale von den Verstärkern 56, 66 jeweils entsprechend der gesamten Ausgangslichtbande vom Strahlteiler 50, die auf den Fotodetektor 54 fällt, und der langwelligen Ausgangslichtbande vom Langwellenfilter 60. Wenn das Langwellenfilter 60 weggelassen wird, bildet der Teilerschaltkreis 68 das Verhältnis der elektrischen Signale von den Verstärkern 56, 66 jeweils entsprechend der kurzwelligen Ausgangslichtbande vom Kurzwellenfilter 52 und der gesamten Ausgangslichtbande des Strahlteilers 50, die auf den Fotodetektor 62 fällt. In beiden Fällen heben die genannten Ungenauigkeiten einander in dem Teilerschaltkreis 68 auf die oben erläuterte Weise auf, da sämtliche Anteile der Ausgangslichtbande vom Lichtwellenleiter 16 gleichermaßen von solchen Ungenauigkeiten beeinflußt sind.
Es ist also daran gedacht, daß die Ungenauigkeiten im Ausgangsmeßsignal, die oben erläutert wurden, dadurch beseitigt werden können, daß der Teilerschaltkreis 68 das Verhältnis der elektrischen Signale entsprechend jeweils zwei verschiedenen Anteilen des Ausgangslichts des Ausgangs-Lichtwellenleiters 16 bildet, wobei einer dieser Anteile sogar das gesamte Ausgangslicht des Ausgangs-Lichtwellenleiters 16 sein kann.
Strom für die Fotodetektoren 54, 62, die Verstärker 56, 66 und den Teilerschaltkreis 68 wird von jeder geeigneten Stromversorgung durch die elektrischen Anschlußeinrichtungen 76, 78, 80, 82, 84 bereitgestellt.
Die Teile 50 bis 84 bilden eine Detektiereinrichtung zur Umwandlung des Ausgangslichts der optischen Resonanzstruktur 21 des Sensors 22 in ein nützliches elektrisches Ausgangsmeßsignal an der elektrischen Anschlußeinrichtung 74.
Die Lichtquelle 48 und die Fotodetektoren 54, 62 sind bevorzugt in einem Gehäuse jeder geeigneten Konstruktion gemeinsam mit einer Temperaturregeleinrichtung 38 untergebracht, so daß die Temperaturregeleinrichtung 38 sie auf einer relativ gleichmäßigen Temperatur halten kann, um die Genauigkeit der optischen Meßvorrichtung zu erhöhen, wie oben unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform 1 erläutert wurde.

THEORETISCHE ÜBERLEGUNGEN FÜR DIE ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM DER OPTISCHEN MESSVORRICHTUNG

Nachdem der allgemeine Aufbau und der Betrieb der zweiten Ausführungsform 2 der optischen Meßvorrichtung erörtert wurden, wird nachstehend die Theorie des Betriebs der zweiten Ausführungsform 2 der optischen Meßvorrichtung gemäß Fig. 4 betrachtet, die sich von der Theorie des Betriebs der ersten Ausführungsform 1 unterscheidet.
Es sei daran erinnert, daß in bezug auf die erste Ausführungsform 1 der optischen Meßvorrichtung, bei der beispielhaft und nichteinschränkend das Eingangsmeßlicht als monochromatisch gewählt wurde, um jede Zweideutigkeit im Ausgangslichtsignal des Spektralmodulations-Sensors 22 auszuschließen, wenigstens zwei Grundkriterien erfüllt werden mußten. Die beiden Kriterien für monochromatisches Eingangsmeßlicht sind, daß die maximale Länge und die maximale Mikroverlagerung des Arbeitssegments der Reflexionsgradkurve der optischen Resonanzstruktur 21 eine halbe Resonanzperiode nicht überschreiten durften.
Dagegen findet man vollständig andere Beschränkungen dieser beiden Grundkriterien bei der mit Verhältnisbildung arbeitenden zweiten Ausführungsform 2 der optischen Meßvorrichtung, bei der wenigstens zwei verschiedene Eingangsmeßlicht- Wellenlängen für die optische Resonanzstruktur 21 genutzt werden und außerdem die verhältnisbildende Signalverarbeitung des spektralmodulierten Ausgangslichts der optischen Resonanzstruktur 21 angewandt wird. Bei der mit Verhältnisbildung arbeitenden zweiten Ausführungsform 2 wurde entdeckt, daß zur Beseitigung von Unklarheiten im Ausgangslichtsignal des Spektralmodulations-Sensors 22 die maximale Länge und die maximale Mikroverlagerung des Arbeitssegments auf der Reflexionsgradkurve jeweils einer vollen Resonanzperiode angenähert sein können, diese jedoch nicht überschreiten dürfen.
Dieses überraschende Ergebnis erlaubt ein potentiell breiteres Ansprechverhalten der verhältnisbildenden zweiten Ausführungsform 2 gegenüber der ersten Ausführungsform l. Das heißt, der zu messende physikalische Parameter kann seine optische Resonanzstruktur 21 treiben, um ihr Eingangsmeßlicht stärker zu modulieren, ohne daß eine Zweideutigkeit in dem spektralmodulierten Ausgangslichtsignal der optischen Resonanzstruktur 21 hervorgerufen wird. Das erlaubt entweder eine erwünschte größere Empfindlichkeit der optischen Resonanzstruktur 21 über einen gegebenen interessierenden Wertebereich des zu messenden physikalischen Parameters oder einen erwünschten größeren Bereich von Werten des zu messenden physikalischen Parameters, die mit dieser optischen Resonanzstruktur 21 gemessen werden können.
Wenn in der Praxis die maximale Länge und Mikroverlagerung des Arbeitssegments der Reflexionsgradkurve der optischen Resonanzstruktur 21 erwünscht sind, ist das Arbeitssegment bevorzugt um eines der Reflexionsgrad-Maxima auf der Reflexionsgradkurve zentriert. Wenn jedoch ein maximales Ansprechen nicht erforderlich oder erwünscht ist, braucht das Arbeitssegment nicht derart zentriert zu sein. Länge und Mikroverlagerung des Arbeitssegments können so gewählt sein, daß sie erheblich kleiner als das zulässige Maximum sind, um dadurch die Linearität im Ausgangslichtsignal der optischen Resonanzstruktur 21 zu verbessern.
Es ist zu beachten, daß die Wellenlängen der wenigstens zwei Eingangsmeßlicht-Wellenlängen, die von der Lichtquelle 48 der verhältnisbildenden zweiten Ausführungsform 2 emittiert werden, nicht nahe beieinander liegen müssen. Tatsächlich sollten sie so gewählt sein, daß sie auf verschiedene Arbeitssegmente der Reflexionsgradkurve der optischen Resonanzstruktur 21 fallen, die sogar verschiedene Periodenzahlen m haben können.
Daher könnte die Lichtquelle 48 wenigstens zwei Quellen von monochromatischem Licht wie etwa Laser oder Laserdioden aufweisen. Alternativ könnte sie ein oder mehr Quellen einer Vielzahl von Wellenlängen wie etwa LED- oder Quellen weißen Lichts zusammen mit geeigneten optischen Filtern nach Bedarf aufweisen, um die wenigstens zwei Eingangsmeßlicht-Wellenlängen und/oder Wellenlängenbanden bereitzustellen.
Es wird jedoch der Einfachheit halber bevorzugt, daß die Lichtquelle 48 eine einzige LED ist, deren Bandbreite bei den gewählten Eingangsmeßlicht-Wellenlängen erheblich kleiner als die Länge der Resonanzperiode der Reflexionsgradkurve der optischen Resonanzstruktur 21 ist. Heute verfügbare charakteristische LED erfüllen dieses Kriterium, weil sie eine Bandbreite bei ihrer halben Spitzenintensität in der Größenordnung von 10% ihrer Wellenlänge bei der Spitzenintensität haben und somit eine Gesamtbandbreite haben, die erheblich kleiner als ihre Wellenlänge der Spitzenintensität ist.
Fig. 5 zeigt schematisch und als nichteinschränkendes Beispiel mit der Kurve 86 die Intensität des Ausgangslichts der Lichtquelle 48 als eine Funktion der Wellenlänge, wobei die Lichtquelle 48 eine einzelne LED ist. Die Wellenlänge L ist beispielhaft und nichteinschränkend so gewählt, daß sie bei oder nahe der stärksten Ausgangswellenlänge von Licht der Lichtquelle 48 liegt. Ebenfalls schematisch ist in Fig. 5 ein vergrößerter Bereich der Reflexionsgradkurve 40 von Fig. 2 gezeigt, der beispielhaft und nichteinschränkend ein Arbeitssegment DE auf der Reflexionsgradkurve 40 der optischen Resonanzstruktur 21 zeigt; und entsprechend eine Reflexionsgradkurve 40' und ein Arbeitssegment D'E', die aus einer Verlagerung der Reflexionsgradkurve 40 nach links aufgrund des Einflusses des zu messenden physikalischen Parameters auf eine der optisch empfindlichen physischen Charakteristiken der optischen Resonanzstruktur 21 resultieren. Die Reflexionsgradkurve 40 und ihr Arbeitssegment DE könnten auf die gleiche Weise auch nach rechts verlagert werden, das ist aber der Klarheit halber in Fig. 5 nicht gezeigt.
Ebenso wie vorher in bezug auf Ausführungsform 1 der optischen Meßvorrichtung wird also, während der zu messende physikalische Parameter wenigstens eine der optisch empfindlichen physischen Charakteristiken der optischen Resonanzstruktur 21 des Sensors 22 ändert, das Arbeitssegment DE seiner Reflexionsgradkurve 40 dementsprechend nach links und/oder rechts verlagert; wie bereits erwähnt, wird eine solche Verlagerung nach links und/oder rechts als Arbeitssegment-Mikroverlagerung bezeichnet.
Es wurde entdeckt, daß solche Mikroverlagerungen des Arbeitssegments genutzt werden können, um den gemessenen physikalischen Parameter exakt zu messen, und außerdem genutzt werden können, um bestimmte Meßungenauigkeiten, die bereits genannt wurden, zu beseitigen, und zwar auch dann, wenn die optische Resonanzstruktur 2 des Sensors 22 von wenigstens zwei Eingangsmeßlicht-Wellenlängen wie etwa Kurve 86 getrieben wird und nicht von monochromatischem Licht getrieben wird, und auch dann, wenn eine verhältnisbildende Signalverarbeitung des Ausgangslichtsignals der optischen Resonanzstruktur 21 angewandt wird.
Fig. 6 zeigt schematisch und als nichteinschränkendes Beispiel die Kurve 88 der Spektralintensität des Ausgangslichts der optischen Resonanzstruktur 21 des Sensors 22, wenn dieser von einer Lichtquelle 48 angetrieben wird, die eine Ausgangslichtkurve 86 gemäß Fig. 5 hat, wobei die optische Resonanzstruktur 21 eine Reflexionsgradkurve 40 hat. Es ist zu beachten, daß die Bereiche F und G unter der Ausgangskurve 88 der optischen Resonanzstruktur 21 links bzw. rechts von der Wellenlänge L etwa gleich sind, und zwar mit einem Verhältnis F/G von etwa Eins.
Fig. 7 zeigt beispielhaft und nichteinschränkend die Kurve 90 der Spektralintensität des Ausgangslichts der optischen Resonanzstruktur 21, wenn diese von einer Lichtquelle 48 mit einer Ausgangslichtkurve 86 gemäß Fig. 5 angetrieben wird, wobei die optische Resonanzstruktur 21 eine Reflexionsgradkurve 40' hat. Es ist zu beachten, daß die Bereiche H und I unter der Ausgangskurve 90 der optischen Resonanzstruktur 21 links bzw. rechts von der Wellenlänge L nunmehr ungleich sind, und zwar haben sie ein Verhältnis H/I von ungefähr 2.
Im allgemeinen ist daher über einen bestimmten Bereich von Werten des zu messenden physikalischen Parameters das Verhältnis des linken und rechten Bereichs unter den Spektralintensitäts-Kurven des Ausgangslichts der optischen Resonanzstruktur 21, etwa den Kurven 88, 90, eine besondere Funktion der Links- und/oder Rechtsverlagerungen des Arbeitssegments der optischen Resonanzstruktur 21. Daher liefert ein solches Verhältnis eine exakte Messung des zu messenden physikalischen Parameters.
Die Aufspaltung des Ausgangslichts der optischen Resonanzstruktur 21 in kurz- und langwellige Bereiche links bzw. rechts von der Wellenlänge L erfolgt auf die vorher erörterte Weise. Die Fotodetektoren 54, 62 integrieren die Ausgangssignale des kurz- bzw. des langwelligen Bereichs, während der Teilerschaltkreis 68 ihr Verhältnis bildet, indem das Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Signal der Fotodetektoren 54, 62 gebildet wird.
Es ist zu beachten, daß die Aufspaltung des Ausgangsspektrums der optischen Resonanzstruktur 21 in kurz- und langwellige Bereiche und die anschließende Bildung ihres Verhältnisses gleichzeitig zwei Ziele erreicht. Nicht nur wird ein exaktes Ausgangsmeßsignal geliefert, sondern es werden auch bestimmte Ungenauigkeiten aufgehoben, für die die optische Meßvorrichtung ansonsten empfindlich sein könnte, wie bereits erörtert wurde.

ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM 22A DES SPEKTRALMODULATIONS- SENSORS (DRUCK)

In den Fig. 8 und 8a ist die erste Ausführungsform eines Spektralmodulations-Drucksensors 22A gezeigt, der eine optische Resonanzstruktur 21A hat. Die optische Resonanzstruktur 21A hat die gleiche Theorie, Charakteristiken und Funktion wie die optische Resonanzstruktur 21 mit Ausnahme der nachstehend erläuterten Unterschiede.
Der Sensor 22A umfaßt ein Substrat 24, das einen zylindrischen Hohlraum 26 definiert, und hat eine Abdeckung 28, die den Hohlraum 26 abdeckt. Der Hohlraum 26 hat eine reflexionsfähige Bodenfläche 27, und die Abdeckung 28 hat eine reflexionsfähige innere Oberfläche 29 und eine äußere Oberfläche 25. Es wird bevorzugt - ist jedoch nicht erforderlich -, daß die Dicke des Substrats 24 zwischen dem Boden 27 seines Hohlraums 26 und dem Ende des Sensor-Lichtwellenleiters 14 so ist, wie unter Bezugnahme auf das Substrat 9 des Sensors 22 erörtert wurde.
Wenn ein Absolutdrucksensor 22A gewünscht wird, dann ist der Hohlraum 26 bevorzugt evakuiert, wobei die Abdeckung 28 ihn mit einem fluiddichten Verschluß versieht. Wenn alternativ ein Differenzdrucksensor 22A gewünscht wird, könnte der Hohlraum 26 mit einer Druckquelle durch eine fakultative Leitung 41 in Fluidverbindung stehen, während die andere Druckquelle gegen die außenseitige Oberfläche 25 der Abdeckung 28 wirken würde. Selbstverständlich entfällt die fakultative Leitung 41, wenn der Sensor 22A ein Absolutdrucksensor sein soll.
Die Reflexionsflächen 27 und 29 sind bevorzugt mit ca. 100 bis 200 Å eines lichtdurchlässigen Mediums mit hohem Brechungsindex beschichtet, und zwar aus den gleichen Gründen, die in bezug auf den Sensor 22 angegeben wurden.
Der Hohlraum 26, sein reflexionsfähiger Boden 27 und die reflexionsfähige innere Oberfläche 29 der Abdeckung 28 bilden eine optische Resonanzstruktur 21A. Da der Hohlraum 26 bevorzugt evakuiert ist, bleibt der Brechungsindex seines Inhalts, also eines Vakuums, zu jeder Zeit 1,000.
Als alternative Ausbildungen des Sensors 22A ist es natürlich möglich, seinen Hohlraum 26 in seiner Abdeckung 28 und nicht in seinem Substrat 24 auszubilden; oder es ist sogar möglich, seinen Hohlraum 26 teils in dem Substrat 24 und teils in der Abdeckung 28 auszubilden.
Fig. 8b zeigt einen Sensor 22Aa, der im wesentlichen gleich dem Sensor 22A ist, so daß gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, denen der Klarheit halber ein "a" hinzugefügt ist. Der Sensor 22Aa hat einen Hohlraum 26a, der in seiner Abdeckung 28a ausgebildet ist; die Abdeckung 28a hat eine innere Reflexionsfläche 29a und eine äußere Oberfläche 25a. Das Substrat 24a hat eine Reflexionsfläche 27a. Die Reflexionsflächen 27a, 29a und der Hohlraum 26a bilden eine optische Resonanzstruktur 21Aa. Wenn der Sensor 22Aa ein Relativdrucksensor sein soll, ist die Leitung 41a vorgesehen; wenn dagegen der Sensor 22Aa ein Absolutdrucksensor sein soll, entfällt die Leitung 41a, und die Kammer 26a ist evakuiert. In beiden Fällen ist die Abdeckung 28 ebenso wie bei dem Sensor 22A mit dem Substrat 24a dicht verbunden.
Nachstehend wird die Art und Weise beschrieben, wie der Sensor 22A und seine optische Resonanzstruktur 21A hergestellt werden. Aus dieser Beschreibung geht hervor, wie der Sensor 22Aa hergestellt werden könnte.
Um Kosten zu senken, wird es bevorzugt, daß eine Vielzahl Sensoren 22A mit ihren optischen Resonanzstrukturen 21A gleichzeitig erzeugt werden. Als nichteinschränkendes Beispiel soll angenommen werden, daß die optischen Resonanzstrukturen 21A Hohlräume 26 haben, die einen Durchmesser von 200 µm und eine Tiefe von 1,27 µm haben.
Der Ausgangspunkt ist beispielsweise ein Glaswafer aus 7740 Pyrex mit einer Dicke von 0,275 ± 0,025 mm (0,011 ± 0,001 inches) und einem Durchmesser von drei inches, dessen beide Oberflächen durch Schleifen und Polieren verspiegelt sind, wie sie etwa von Vogelin Optical Co., Inc., St. Paul, Minnesota, hergestellt werden. Der Glaswafer bildet die Substrate 24 der Sensoren 22A.
Die Oberflächen des Glaswafers werden zuerst gereinigt, indem der Glaswafer in heißem Seifenwasser gewaschen wird; mit klarem Wasser gespült wird; für eine Minute in einer gepufferten HF-Lösung, die aus vier Teilen eines Gemischs aus 3 ml Wasser und 2 g NH&sub4;F plus 1 Teil 48% HF-Lösung, besteht, geätzt und poliert wird; erneut gespült und anschließend für 1/2 Stunde bei 300ºC ausgeheizt wird.
Unter Anwendung eines herkömmlichen Vakuum-Abscheidungsverfahrens wird dann auf dem Glaswafer eine 200 Å dicke Chromschicht abgeschieden. Dieses Chrom bildet eine gute Haftoberfläche für das anschließende Aufbringen eines Fotolacks auf den Glaswafer.
Fotolack wie etwa Microposit 1400-27 Fotolack, hergestellt von Shipley Company, Newton, Mass., wird dann durch Rotationsbeschichten auf die Chromoberfläche des Glaswafers mit 3000 U/min aufgebracht; danach wird der beschichtete Glaswafer für 1/2 Stunde bei 90ºC ausgeheizt.
Unter Anwendung herkömmlicher Techniken wird dann eine fotografische Maske mit einer Anordnung von Kreisen eines Durchmessers präpariert, der gleich dem gewünschten Durchmesser der Hohlräume 26 und im vorliegenden Fall beispielsweise 200 µm ist. Die Maske wird mit der Fotolack-beschichteten Oberfläche des Glaswafers ausgefluchtet; und dann wird die Anordnung aus Maske und Glaswafer belichtet. Der belichtete beschichtete Glaswafer wird dann mit Fotolack- Entwickler wie etwa Microdeposit 351CD-23 von Shipley Company entwickelt, in Wasser abgespült und getrocknet.
Als Ergebnis verbleiben auf dem Glaswafer ungeschützte Kreise mit einem Durchmesser von 200 µm. Das Chrom innerhalb der ungeschützten Kreise in dem Fotolack wird mit einer Chrom-Ätzlösung, die aus einem Teil HCl und einem Teil Glycerol besteht, abgenommen, so daß Kreise von ungeschütztem Glas mit einem Durchmesser von 200 µm auf der Oberfläche des Glaswafers verbleiben.
Die Kreise von ungeschütztem Glas auf dem Glaswafer werden dann für ca. 20 min bei 20,56ºC (69ºF) mit dieser gepufferten HF-Lösung geätzt, um die Hohlräume 26 zu erzeugen, die beispielsweise eine Tiefe von 1,27 µm haben.
Es wurde entdeckt, daß die Bodenflächen 27 der Hohlräume 26, obwohl sie durch chemisches Ätzen gebildet werden, doch ausreichend flach sind, um eine hinreichende Reflexionsfläche 27 für die Resonanzstruktur 21A des Sensors zu bilden.
Unter Anwendung herkömmlicher Vakuum-Abscheidungsverfahren wird dann auf dem Boden 27 jedes Hohlraums 26 eine Titandioxidschicht einer Dicke von 200 Å abgeschieden, um das Reflexionsvermögen der Bodenflächen 27 der Hohlräume 26 zu erhöhen. Dadurch wird die Intensität der Modulation des Ausgangslichts der optischen Resonanzstrukturen 21A erhöht, wie bereits erläutert wurde.
Dann werden der restliche Fotolack und das verbliebene Chrom auf dem Glaswafer mit Aceton bzw. mit der genannten Chrom- Ätzlösung entfernt; danach wird der Glaswafer in Wasser gewaschen und mit Luft getrocknet.

GETTERRINGE FÜR DIE ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM 22A DES SPEKTRALMODULATIONS-SENSORS

Wenn Druck der physikalische Parameter ist, den die erste Ausführungsform 22A des Spektralmodulations-Sensors 22 erfassen soll, wird es bevorzugt, daß der Hohlraum 26 seiner optischen Resonanzstruktur 21A evakuiert ist. Denn durch Evakuieren des Hohlraums 26 wird die optische Resonanzstruktur 21A unempfindlich gegenüber Fehlern, die sich sonst aufgrund von Temperaturänderungen einstellen würden, wenn der Hohlraum 26 ein Medium enthielte, das sich aufgrund von Temperaturänderungen signifikant ausdehnen oder zusammenziehen würde.
Wenn natürlich, wie bereits gesagt, ein Differenzdrucksensor 28A gewünscht wird, braucht der Hohlraum 26 nicht evakuiert zu werden.
Es gibt zwar viele Möglichkeiten, um den Hohlraum 26 zu evakuieren, es wird aber bevorzugt, eine Getterstruktur in Form eines Rings aus abgeschiedenen Chrom- und Eisenschichten im Grund jedes Hohlraums 26 zu verwenden, um Restgase oder späteres Ausgasen in dem Hohlraum 26 nach Durchführung der Erstevakuierung des Hohlraums 26 zu absorbieren.
Die Getterringe für die Hohlräume 26 in dem Glaswafer werden wie folgt hergestellt. Zuerst wird der Glaswafer, der wie oben beschrieben hergestellt ist, für 1/2 Stunde bei 125ºC ausgeheizt; dann wird er wie vorher mit Fotolack rotationsbeschichtet; und dann wird er erneut für 1/2 Stunde bei 90ºC ausgeheizt.
Unter Anwendung herkömmlicher Techniken wird dann eine zweite fotografische Maske präpariert, die eine Anordnung von pfannkuchenförmigen Masken hat. Da die Hohlräume 26 einen Durchmesser von beispielsweise 200 µm haben, hat die entsprechende pfannkuchenförmige Maske für jeden Hohlraum 26 beispielsweise einen Innendurchmesser von 140 µm und einen Außendurchmesser von 190 µm.
Dann werden die pfannkuchenförmigen Masken auf der zweiten fotografischen Maske mit den Hohlräumen 26 in dem Glaswafer ausgerichtet; und die Anordnung aus Maske und Glaswafer wird wie vorher belichtet. Dann wird der Glaswafer wie vorher entwickelt und abgespült; dann wird er bei 90ºC für 1/2 Stunde ausgeheizt. Dabei verbleibt ein ungeschütztes pfannkuchenförmiges Loch in dem Fotolack im Boden 27 jedes Hohlraums 26 mit einem Innendurchmesser von 140 µm und einem Außendurchmesser von 190 µm.
Als nächstes wird unter Anwendung herkömmlicher Vakuum- Abscheidungstechniken eine Chromschicht mit einer Dicke von 200 Å auf dem gesamten Glaswafer abgeschieden, gefolgt von einer Eisenschicht einer Dicke von 800 Å, die auf der Chromschicht abgeschieden wird. Das Chrom hilft dem Eisen, das das eigentliche Gettermaterial ist, an dem Glaswafer zu haften. Dann wird der Glaswafer in Aceton angeordnet und mittels Ultraschall bewegt. Dadurch wird der restliche Fotolack entfernt, und außerdem werden das Chrom und Eisen entfernt, jedoch nur das Chrom und das Eisen, das über den verbliebenen Bereichen des Fotolacks vorhanden war. Schließlich wird der Glaswafer mit Waschmittel gewaschen, mit Wasser abgespült und getrocknet.
Die so verbleibende Getterstruktur weist einen pfannkuchenförmigen Ring aus den abgeschiedenen Chrom- und Eisenschichten mit einem Innendurchmesser von 140 µm und einem Außendurchmesser von 190 µm auf, der im Boden 27 jedes Hohlraums 26 zentriert ist. Es ist zu beachten, daß die Getterringe einen freien zentralen Bereich mit einem Durchmesser von 140 µm im Boden jedes Hohlraums 26 belassen, durch den Licht hindurchtreten kann. Nachdem die Abdeckungen 28 mit den Hohlräumen 26 durch Bonden verbunden worden sind, entfernen die Getterringe Gase aus den Hohlräumen 26, wie nachstehend erläutert wird.

BONDEN VON ABDECKUNGEN ÜBER DIE HOHLRÄUME FÜR DIE ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM 22A DES SPEKTRALMODULATIONS-SENSORS

Die Abdeckungen 28 für die Hohlräume 26 der Sensoren 22A sind beispielsweise aus einem Siliziumwafer mit einem Durchmesser von 76,2 mm (3 inches) und einer Dicke von ca. 0,4572 mm (0,018 inches) geformt und mit 10²&sup0; Boratomen/cm³ auf eine Tiefe von 4,0 µm (4,0 microns) ätzgestoppt, wie er von Diffusion Technology, Inc., Milpitas, Calif. 95035, verkauft wird. Daher weist der Siliziumwafer eine ätzgestoppte Schicht einer Dicke von 4,0 µm (4,0 microns) auf, die auf einem Siliziumsubstrat viel größerer Dicke gehalten ist.
Bei dem Bondvorgang wird zuerst auf der ätzgestoppten Seite des Siliziumwafers eine Siliziumdioxidschicht einer Dicke von ca. 200 Å gebildet, indem der Siliziumwafer in einem Ofen für eine Stunde bei 900ºC ausgeheizt wird, um so die anschließende Haftung des Glaswafers darauf zu erhöhen, wie noch beschrieben wird.
Als nächstes werden die Glas- und Siliziumwafer, die wie vorher beschrieben präpariert worden sind, mit warmem seifenhaltigen Wasser gesäubert, in einem Ultraschallbad für ca. 15 min gereinigt, mit Wasser abgespült, mit Alkohol abgespült, mit Alkohol gereinigt, mit Alkohol abgespült und schließlich luftgetrocknet. Die ätzgestoppte Schicht des Siliziumwafers wird dann auf die Oberfläche des Glaswafers, die die Hohlräume 26 trägt, gelegt und damit ausgefluchtet, um eine Silizium/Glaswafer-Verbundstruktur zu bilden.
Dann werden die Silizium- und Glaswafer miteinander verbunden, indem sie zuerst in eine herkömmliche Vakuumkammer gelegt werden, wobei eine positive Elektrode in elektrischem Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Siliziumwafers und eine negative Elektrode in elektrischem Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Glaswafers ist; danach wird die Vakuumkammer auf ca. 6·10&supmin;&sup6; Torr für 1 h evakuiert.
Dann wird die Silizium/Glaswafer-Verbundstruktur von einem Heizelement in der Vakuumkammer auf 500ºC erwärmt und auf dieser Temperatur gehalten. Während sich die Anordnung auf dieser Temperatur befindet, wird an die positive und die negative Elektrode eine Bondspannung angelegt. Die Bondspannung wird rampenförmig von 0 auf 800 V Gleichspannung erhöht, für ca. 8-10 min auf 800 V Gleichspannung gehalten, bis der Bondstrom sich stabilisiert hat, und dann abgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt sind nun die Silizium- und Glaswafer miteinander in einer fluiddichten Verbindung verbunden, wobei die Siliziumdioxidschicht auf dem Siliziumwafer den Bondvorgang unterstützt.
Dann wird die Temperatur der nunmehr gebondeten Silizium/ Glaswafer-Verbundstruktur für eine halbe Stunde weiterhin auf 500ºC gehalten, um die Getterringe in den Bodenflächen 27 der Hohlräume 26 zu aktivieren. Wie bereits erwähnt, haben die Getterringe die Funktion, alle Restgase oder ein späteres Ausgasen in den Hohlräumen 26 zu entfernen, nachdem die Silizium/Glaswafer-Verbundstruktur gebondet wurde, um so ein sehr gutes Vakuum in den Hohlräumen 26 zu erzeugen.
Als nächstes wird das Heizelement in der Vakuumkammer ausgeschaltet, und wenn die Silizium/Glaswafer-Verbundstruktur auf ca. 300ºC abgekühlt ist, wird das Vakuum in der Vakuumkammer aufgehoben. Die gebondete Silizium/Glaswafer- Verbundstruktur wird aus der Vakuumkammer entnommen, wenn sie auf ca. 200ºC abgekühlt ist.
Dann werden 70 bis 80% der Dicke des Siliziumsubstrats des Siliziumwafers in der gebondeten Silizium/Glaswafer-Verbundstruktur durch mechanisches Polieren abgetragen. Als nächstes wird eine EDP-Ätzmittellösung präpariert, die aus 8 ml Wasser, 17 ml Ethylendiamin und 3 g Pyrocatechol besteht. Die EDP-Ätzmittellösung wird auf ungefähr 115ºC erwärmt und eingesetzt, um das reine Siliziumsubstrat chemisch wegzuätzen, so daß nur seine ätzgestoppte Schicht verbleibt, die etwa 4,0 µm (4,0 microns) dick ist und die mit dem Glaswafer gebondet ist und die Abdeckungen 28 für Hohlräume 26 bildet. Die Dicke von 4,0 µm (4,0 microns) wird festgestellt, indem die Dicke des während des Ätzvorgangs verbleibenden Siliziums periodisch geprüft wird, beispielsweise durch Messen der Lichtdurchlässigkeit durch das Silizium.

ANBRINGEN EINER LICHTABSORPTIONSBESCHICHTUNG AN DER AUSSENSEITE VON ABDECKUNGEN FÜR DIE ERSTE AUSFÜHRUNGS- FORM 22A DES SPEKTRALMODULATIONS-SENSORS

Nachdem die gebondete Silizium/Glaswafer-Verbundstruktur wie oben beschrieben hergestellt worden ist, kann beispielsweise und nichteinschränkend eine Lichtabsorptions- und/oder Lichtreflexionsbeschichtung auf der äußeren Oberfläche 25 der ätzgestoppten Schicht angebracht werden, die die Abdeckungen 28 für die Hohlräume 26 bildet. Die Lichtabsorptions- und/oder Lichtreflexionsbeschichtung kann gebildet werden unter Anwendung von herkömmlichen Vakuum-Abscheideverfahren, um zwei oder mehr alternierende Schichten aus Chrom und Silizium auf der äußeren Oberfläche 25 der ätzgestoppten Schicht des Silizium/Glaswafer-Verbundkörpers abzuscheiden. Das Chrom wird zuerst aufgebracht; dabei ist jede Schicht aus Chrom bzw. Silizium ca. 25 bzw. 100 Å dick. Der Zweck der Lichtabsorptions- und/oder Lichtreflexionsbeschichtung ist es, den Eintritt von äußerem Licht in die optische Resonanzstruktur 21A durch ihre Abdeckung 28 zu verhindern und zu verhindern, daß Licht, das durch die optische Resonanzstruktur 21A in die Abdeckung 28 durchgelas sen wird, erneut aus der Abdeckung 28 in die optische Resonanzstruktur 21A eintritt.

ZERTEILEN DER WAFERVERBUNDSTRUKTUR IN EINZELNE SENSOREN UND ANBRINGEN VON SENSOREN FÜR DIE ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM 22A DES SPEKTRALMODULATIONS-SENSORS

Nachdem die Waferverbundstruktur wie oben beschrieben präpariert worden ist, wird sie unter Anwendung herkömmlicher Techniken in einzelne Spektralmodulations-Sensoren 22A zerteilt bzw. aufgeteilt.
Zum Anbringen des Sensors 22A an dem freien Ende des Sensor- Lichtwellenleiters 14 wird das freie Ende des Sensor-Lichtwellenleiters 14 zuerst gespalten oder so geschliffen und poliert, daß es optisch flach ist. Dann wird der Sensor 22A an dem freien Ende des Sensor-Lichtwellenleiters 14 unter Verwendung eines Klebstoffs angebracht, der einen geeigneten Brechungsindex hat, etwa einem Klebstoff #415 von American Chemical and Engineering Company, Torrington, Conn. Bevorzugt stimmt der Brechungsindex eines solchen Klebstoffs mit den Brechungsindizes des Sensor-Lichtwellenleiters 14 und des Substrats 24 des Sensors 22A möglichst weitgehend überein.

KALIBRIERUNG DER ERSTEN AUSFÜHRUNGSFORM 22A DES SPEKTRALMODULATIONS-SENSORS

Nachdem der Sensor 22A an dem Ende des Sensor-Lichtwellenleiters 14 entweder der ersten oder der zweiten Ausführungsform 1, 2 der optischen Meßvorrichtung angebracht ist, kann der Sensor 22A ohne weiteres kalibriert werden, indem er einer Reihe von bekannten Drücken ausgesetzt wird und die entsprechenden Ausgangswerte an Ausgängen 36 oder 74 aufgezeichnet werden.

BETRIEB UND THEORETISCHE ÜBERLEGUNGEN FÜR DIE ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM 22A DES SPEKTRALMODULATIONS-SENSORS

Die erste Ausführungsform 22A des Spektralmodulations- Sensors, die in den Fig. 8, 8a und 8b gezeigt ist, kann entweder mit Ausführungsform 1 oder Ausführungsform 2 der optischen Meßvorrichtung verwendet werden, um Druck zu messen, indem sie wie beschrieben an dem freien Ende des Sensor-Lichtwellenleiters 14 anstelle des Spektralmodulations-Sensors 22 der Fig. 1 und 4 angebracht wird.
Die Funktion des Sensors 22A als ein Absolutdrucksensor wird zuerst beschrieben. Wenn der Sensor 22A einem äußeren Druck ausgesetzt wird, wird die Abdeckung 28 über dem evakuierten Hohlraum 26 nach innen zu dem reflexionsfähigen Boden 27 des Hohlraums 26 mehr oder weniger stark in Abhängigkeit von der Größe des äußeren Drucks gewölbt. Mit zunehmendem äußeren Druck auf die Abdeckung 28 wird diese Wölbung stärker; und wenn der äußere Druck abnimmt, nimmt die Wölbung ab und wird zu Null, wenn der äußere Druck Null ist.
Wenn daher der äußere Druck auf die Abdeckung 28 zunimmt, wird die Distanz zwischen den Reflexionsflächen 27, 29 der optischen Resonanzstruktur 21A kleiner. Umgekehrt wird, wenn der äußere Druck auf die Abdeckung 28 abnimmt, die Distanz zwischen den Reflexionsflächen 27, 29 der optischen Resonanzstruktur 21A größer und wird Maximum, wenn der äußere Druck Null ist.
Wenn der Sensor 22A als ein Differenzdrucksensor arbeitet, wird eine Druckquelle mit dem Hohlraum 26 etwa durch die Leitung 40 in Fluidverbindung gebracht, während die Oberfläche 25 der Abdeckung 28 einer zweiten Druckquelle ausgesetzt ist. Wenn der Druck auf die Oberfläche 25 denjenigen in dem Hohlraum 26 übersteigt, ist die Funktion des Differenzdrucksensors 22A ähnlich der oben in bezug auf den Absolutdrucksensor 22A beschriebenen. Das heißt, die Abdeckung 28 wölbt sich einwärts zu dem reflexionsfähigen Boden 27 des Hohlraums 26, wenn der Druck auf die Oberfläche 25 der Abdeckung denjenigen in dem Hohlraum 26 übersteigt, wobei der Grad der Wölbung von der Druckdifferenz abhängig ist, und wölbt sich überhaupt nicht, wenn die Druckdifferenz Null ist. Wenn jedoch der Druck in dem Hohlraum 26 größer als derjenige auf die Oberfläche 25 der Abdeckung 28 ist, wölbt sich die Abdeckung 28 nach außen, wobei der Grad der Wölbung wiederum von der Druckdifferenz abhängt.
Unabhängig davon, ob der Sensor 22A als Absolutdruck- oder Differenzdrucksensor verwendet wird, verursacht das Wölben der Abdeckung 28 aufgrund von Druck Änderungen der Distanz zwischen den Reflexionsflächen 27, 29 der optischen Resonanzstruktur 21A, die wiederum entsprechende Mikroverlagerungen der Reflexionsgradkurve und des Arbeitssegments (der Arbeitssegmente) der optischen Resonanzstruktur 21A als Funktion des Drucks bewirken, dem der Sensor 22A ausgesetzt ist, was weitgehend dem ähnlich ist, was vorher in bezug auf den Sensor 22 beschrieben wurde. Daher wird Ausgangslicht vom Sensor 22A als eine Funktion des Drucks, dem der Sensor 22A ausgesetzt ist, spektralmoduliert und trägt exakte Information in bezug auf diesen Druck.
Es sollte beachtet werden, daß eine ideale optische Resonanzstruktur voneinander beabstandete Reflexionsflächen aufweist, die parallel sind (was nicht der Erfindung entspricht). Aber aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß die optische Resonanzstruktur 21A vom Idealfall weit entfernt ist, weil für jeden gegebenen erfaßten Absolut- oder Differenzdruck die Reflexionsfläche 29 der Abdeckung 28 um einen entsprechenden Betrag nach innen oder außen gewölbt wird. Da die reflexionsfähige Bodenfläche 27 des Hohlraums 26 bis innerhalb ca. 150 Å oder bis innerhalb ca. 1/20 der mittleren Wellenlänge des Eingangsmeßlichts zum Sensor 22A flach ist, ist die gewölbte Reflexionsfläche 29 nicht parallel zu der Reflexionsfläche 27. Statt dessen ändert sich die Distanz zwischen den Reflexionsflächen 27, 29 mit der radialen Position vom Zentrum von Hohlraum 26 und Abdeckung 28. Daher besteht Licht, das von der optischen Resonanzstruktur 21A reflektiert wird, aus einem komplexen Lichtgemisch, das entsprechend der radialen Position, aus der jeder spezielle Lichtstrahl von der Reflexionsfläche 29 reflektiert worden ist, mehr oder weniger stark spektralmoduliert worden ist.
Es wurde jedoch entdeckt, daß der Sensor 22A exakte Druckmessungen durchführen kann, obwohl die Reflexionsfläche 29 seiner optischen Resonanzstruktur 21A, wenn sie von dem erfaßten Druck gewölbt wird, nicht parallel zu der reflexionsfähigen Bodenfläche 27 des Hohlraums 26 ist.
Fig. 9 zeigt graphisch in der Kurve 42 eine Messung des Absolutdrucks durch einen Sensor 22A, der gemäß den vorliegenden Lehren aufgebaut war und mit der Ausführungsform 2 der optischen Meßvorrichtung verwendet wurde. Das Ausgangsmeßsignal wird in beliebigen Einheiten gemessen.

ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM 22D DES SPEKTRALMODULATIONS- SENSORS (CHEMISCH)

Die Fig. 10 und 10a zeigen eine zweite Ausführungsform 22D des Spektralmodulations-Sensors 22, der ein Substrat 104, einen Hohlraum 106 mit einem reflexionsfähigen Boden 107 und eine Abdeckung 108 mit einer reflexionsfähigen inneren Oberfläche 112 hat. Alternativ könnte der Hohlraum 106 in der Abdeckung 108 ausgebildet sein, oder er könnte in der Abdeckung 108 und dem Substrat 104 ausgebildet sein, wie unter Bezugnahme auf den Sensor 22A beschrieben wurde (siehe Sensor 22Aa von Fig. 8b). Die Abdeckung 108 ist so ausgewählt, daß sie für den zu messenden physikalischen Parameter durchlässig ist, wohingegen der Hohlraum 106 mit einem empfindlichen Medium 110 gefüllt ist, dessen physische Eigenschaften sich aufgrund des zu messenden physikalischen Parameters ändern. Die optische Resonanzstruktur 21D des Sensors 22D weist die Reflexionsflächen 107, 112 und das empfindliche Medium 110 auf. Der Spektralmodulations-Sensor 22D ist ebenso wie der Sensor 22A an dem Ende des Sensor-Lichtwellenleiters 14 befestigt und kann sowohl mit Ausführungsform 1 als auch mit Ausführungsform 2 der optischen Meßvorrichtung verwendet werden, um erfaßte chemische Spezies, also Atome, Moleküle und Ionen, zu messen.
Beispielhaft und nichteinschränkend kann die Abdeckung 108 aus einem Metall oder einem anderen Material, das aus der Dampfphase in einer Struktur mit Löchern auf der äußeren Oberfläche des empfindlichen Mediums 110 abgeschieden ist, aus mikroporösem Glas oder einem Material wie Silizium mit einer durch Ätzen oder anderweitig gebildeten Struktur von durchgehenden Löchern bestehen, um die Kommunikation zwischen dem empfindlichen Medium 110 und der äußeren Umgebung zu ermöglichen. Alternativ kann die Abdeckung 108 aus einer ionen- oder gasselektiven Membran wie etwa einer permeablen oder semipermeablen Membran bestehen und kann, beispielhaft und nichteinschränkend, ein polymeres Material wie Polyethylen, Celluloseacetat oder Silastic (hergestellt von Dow Corning Corp.) sein. Eine solche alternative Abdeckung 108 kann, beispielhaft und nichteinschränkend, durch Rotations- oder Tauchbeschichten oder Vakuumabscheiden einer solchen Membran auf dem Substrat 104 und dem empfindlichen Medium 110 gebildet sein. Das Substrat 104 und der Hohlraum 106 können ebenso hergestellt werden wie das Substrat 24 und der Hohlraum 26 des Sensors 22A. Die Dicke und das Vorhandensein des Substrats 104 zwischen der Reflexionsfläche 107 und dem Ende des Sensor-Lichtwellenleiters 14 unterliegen den gleichen Parametern, die in bezug auf das Substrat 9 des Sensors 22 beschrieben wurden.
In einem ersten Fall ist das empfindliche Medium 110 so gewählt, daß es aufgrund der Konzentration oder Gegenwart des zu messenden physikalischen Parameters, also einer erfaßten chemischen Spezies wie pH, pO, pCO, bestimmter Ionen usw., sich zusammenzieht und/oder anschwillt. In diesem Fall kann die Abdeckung 108 an dem Substrat 104 durch Bonden angebracht und biegsam gewählt sein.
Im Betrieb bewirkt eine solche Kontraktion oder ein solches Anschwellen des empfindlichen Mediums 110, daß sich die Abdeckung 108 mehr oder weniger stark nach innen und/oder außen wölbt. Infolgedessen wird das Ausgangslicht des Sensors 22D von der optischen Resonanzstruktur 21D als eine Funktion der Konzentration oder der Anwesenheit der erfaßten chemischen Spezies spektralmoduliert, wie das ähnlich unter Bezugnahme auf den Drucksensor 22A beschrieben wurde. Infolgedessen trägt spektralmoduliertes Ausgangslicht von der optischen Resonanzstruktur 21D Information in bezug auf die Konzentration oder Anwesenheit der erfaßten chemischen Spezies.
Alternativ kann in diesem ersten Fall die Abdeckung 108 nicht durch Bonden mit dem Substrat 104 verbunden sein und sich nur über die äußere Oberfläche des empfindlichen Mediums 110 erstrecken. Dabei weist die optische Resonanzstruktur 21D wiederum die Reflexionsflächen 107, 112 und das Medium 110 auf. In diesem Fall kann eine Kontraktion oder ein Anschwellen des empfindlichen Mediums 110 die Abdeckung 108 und ihre Reflexionsfläche 112 nicht wölben, sondern statt dessen die Abdeckung 108 und ihre Reflexionsfläche 112 näher zu der Reflexionsfläche 107 oder weiter weg davon auf eine mehr oder weniger parallele Weise verlagern, wobei immer noch das Ausgangslicht des Sensors 22D als eine Funktion der erfaßten chemischen Spezies spektralmoduliert wird, und zwar etwa auf die gleiche Weise, wie das in bezug auf den Sensor 22 und den Drucksensor 22A erläutert wurde.
Alternativ kann in diesem ersten Fall die Abdeckung 108 entfallen, und die äußere Oberfläche des empfindlichen Mediums 110 kann, falls gewünscht, behandelt sein, um ihren Reflexionsgrad zu steigern. In einem solchen Fall weist dann die optische Resonanzstruktur 21D das empfindliche Medium 110, ihre äußere Oberfläche und die Oberfläche 107 auf. Sie würde das Ausgangslicht vom Sensor 22D spektralmodulieren, wenn eine Kontraktion oder ein Anschwellen des empfindlichen Mediums 110 ihre äußere Oberfläche und die Oberfläche 107 näher zueinander oder weiter voneinander weg bewegt, und zwar etwa auf die gleiche Weise, wie das in bezug auf die Sensoren 22 und 22A erläutert wurde.
Als nichteinschränkendes Beispiel in bezug auf den ersten Fall ist das empfindliche Medium 110 ein Siliconkautschuk, hergestellt von Dow Corning Corp., Midland, Michigan. Der Hohlraum 106 wird mit dem Siliconkautschuk gefüllt, indem der Hohlraum 106 zuerst evakuiert wird und man dann den vorpolymerisierten, aber nicht gehärteten Siliconkautschuk in den Hohlraum 106 fließen läßt.
Es ist bekannt, daß Siliconkautschuk, wenn er dem hier zu messenden physikalischen Parameter ausgesetzt wird, also bestimmten chemischen Spezies und insbesondere Lösungsmitteln wie Ethylether oder Chloroform, in Abhängigkeit von der Konzentration der erfaßten chemischen Spezies anschwillt und/oder kontrahiert.
In einem zweiten Fall ist das empfindliche Medium 110 so gewählt, daß es ein erstes Lösungsmittel oder eine erste Lösung aus Lösungsmittel/gelöstem Stoff ist, und die Abdeckung 108 ist an dem Substrat 104 durch Bonden befestigt. Im Gebrauch wird der Sensor 22D in ein zweites Lösungsmittel oder eine zweite Lösung aus Lösungsmittel/gelöstem Stoff getaucht, die nicht unbedingt die gleiche wie das erste Lösungsmittel oder die erste Lösung aus Lösungsmittel/gelöstem Stoff zu sein braucht. Die erfaßte chemische Spezies ist wenigstens eine der Komponenten der gelösten Stoffe in der ersten und/oder der zweiten Lösung aus Lösungsmittel/ gelöstem Stoff. Die Abdeckung 108 ist eine Membran, die für wenigstens eines von dem ersten und/oder zweiten Lösungsmittel und/oder wenigstens eine der Komponenten der gelösten Stoffe in der ersten und/oder zweiten Lösung aus Lösungsmittel/gelöstem Stoff durchlässig ist.
Im Gebrauch verursachen Unterschiede in der Ionenkonzentration oder der Abdeckung 108 eine osmotische Druckdifferenz, die ihrerseits bewirkt, daß sich die Abdeckung 108 als eine Funktion der erfaßten chemischen Spezies nach innen und/oder außen wölbt. Ein solches Wölben der Abdeckung 108 bewirkt, daß die optische Resonanzstruktur 21D das Ausgangslicht vom Sensor 22D als eine Funktion der Konzentration oder Anwesenheit der erfaßten chemischen Spezies spektralmoduliert, wie das in bezug auf den Sensor 22A beschrieben wurde. Infolgedessen trägt spektralmoduliertes Licht von der optischen Resonanzstruktur 21D Information in bezug auf die Konzentration oder Anwesenheit der erfaßten chemischen Spezies.
Als nichteinschränkendes Beispiel in bezug auf den zweiten Fall ist das empfindliche Medium 110 eine wäßrige Lösung eines Salzes, während die halbdurchlässige Abdeckung 108 aus Nafion besteht, das eine sulfonierte Fluorkohlenstoffverbindung von Dow Corning Chemical Co., Midland, Michigan, ist. Ein Sensor 22D mit dieser Konstruktion kann die Konzentration oder Anwesenheit von verschiedenen gelösten Salzen in Wasser nachweisen.

TRANSMISSIONS-AUSFÜHRUNGSFORMEN DER OPTISCHEN MESSVORRICHTUNG

Die Fig. 11 und 12 zeigen die dritte und die vierte Ausführungsform der optischen Meßvorrichtung. Sie sind jeweils gleich wie die erste bzw. die zweite Ausführungsform der optischen Meßvorrichtung, die in den Fig. 1 und 4 gezeigt sind, mit Ausnahme der Unterschiede, die sich aus der nachfolgenden Erörterung ergeben, so daß die gleichen Bezugszeichen für gleiche Teile in den jeweiligen Figuren verwendet werden.
In den Fig. 11 und 12 werden gesonderte Eingangs- und Ausgangs-Lichtwellenleiter 14, 16 mit dem Spektralmodulations- Sensor 22 verwendet, wie gezeigt ist. Das Eingangsmeßlicht von der Lichtquelle 10 oder 48 wird von dem Eingangs- Lichtwellenleiter 14 zu dem Spektralmodulations-Sensor 22 transportiert, wo es von der optischen Resonanzstruktur 21 als eine Funktion des gemessenen physikalischen Parameters spektralmoduliert wird. Spektralmoduliertes Ausgangslicht vom Sensor 22 wird von dem Ausgangs-Lichtwellenleiter 16 zu der Detektoreinrichtung transportiert, wo es in ein elektrisches Ausgangsmeßsignal an den Anschlüssen 36, 74 umgewandelt wird, wie das vorher unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 4 erläutert wurde.
Die Fig. 11 und 12 zeigen Transmissions-Ausführungsformen der optischen Meßvorrichtung, da das Eingangs-Meßlicht zum Sensor 22 während seines Durchgangs durch die optische Resonanzstruktur 21 im Sensor spektralmoduliert wird und nicht nach Reflexion an der optischen Resonanzstruktur 21 im Sensor 22 spektralmoduliert wird, wie das in bezug auf die Reflexions-Ausführungsformen der optischen Meßvorrichtung der Fig. 1 und 4 der Fall ist.
Es ist bekannt, daß T = 1-R, wobei T das Licht ist, das durch die optische Resonanzstruktur 212 durchgelassen wird, während R der Reflexionsgrad der optischen Resonanzstruktur 21 ist, wie bereits gesagt wurde.
Daraus folgt, daß die Transmissions- oder Durchlaßkurve für die optische Resonanzstruktur 21 die gleiche wie die Reflexionsgradkurve ist, mit der Ausnahme, daß sie um 180º phasenversetzt ist. Das heißt, die Transmissionskurve hat ein Maximum dort, wo die Reflexionsgradkurve ein Minimum hat, und umgekehrt.
Eine Verlagerung der Transmissionskurve nach rechts und/oder links als eine Funktion einer der optisch empfindlichen physischen Charakteristiken der optischen Resonanzstruktur 21 wird wiederum als Mikroverlagerung bezeichnet. Außerdem sind sämtliche übrigen Definitionen und Erläuterungen, die vorher in bezug auf die Reflexionsgradkurve der optischen Resonanzstruktur 21 und den Reflexionsgrad der ersten und zweiten Ausführungsform der Fig. 1 und 4 der optischen Meßeinrichtung gegeben wurden, etwa im Hinblick auf Theorie, Funktionsweise, Eingangsmeßlicht, Resonanzperiode und Arbeitssegment, ebenso auf die Transmissionskurve der optischen Resonanzstruktur 21 und die Transmissions-Ausführungsformen der Fig. 11 und 12 der optischen Meßvorrichtung anwendbar mit Ausnahme von Unterschieden, die für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich sind, wie etwa, daß es in bezug auf die Transmissions-Ausführungsform von Fig. 12 bevorzugt wird, daß die Länge und die Mikroverlagerung des Arbeitssegments um ein Minimum auf der Transmissionskurve zentriert sind, wenn die maximale Länge und die maximal mögliche Mikroverlagerung genutzt werden sollen, ohne daß zweideutiges spektralmoduliertes Ausgangslicht vom Spektralmodulations-Sensor 22 erzeugt wird.
Die in den Fig. 13-13b und 14-14a einschließlich gezeigten speziellen Transmissions-Ausführungsformen entsprechen jeweils den Reflexions-Ausführungsformen des Spektralmodulations-Sensors 22 gemäß den Fig. 8-8b und 10, 10a einschließlich.
Hinsichtlich der Transmissions-Ausführungsformen des Spektralmodulations-Sensors 22 der Fig. 13-13b und 14-14a ist der Eingangs-Lichtwellenleiter 14 mit einer Seite der Spektralmodulations-Sensoren 22A, 22Aa und 22D verbunden, wie dort zu sehen ist. Wie ebenfalls gezeigt ist, ist der Ausgangs-Lichtwellenleiter 16 mit der anderen Seite der Spektralmodulations-Sensoren 22A, 22Aa und 22D verbunden und davon durch ein oder mehr Abstandshalter 114 beabstandet.
Die Abstandshalter 114 erlauben auch den Zutritt der Umgebung zu der äußeren Oberfläche der Abdeckungen 28, 108. Die Abstandshalter 114 sind nur beispielhaft und nichteinschränkend, da jede andere Form von Verbinder/Abstandshalter ebenso gut verwendbar ist, die eine optische und physische Kopplung des Sensors 22 mit dem Ausgangs-Lichtwellenleiter 16 zuläßt und gleichzeitig den Zutritt der Umgebung zu der äußeren Oberfläche der Abdeckungen 28, 108 gestattet.
Es ist zu beachten, daß die in den Transmissions-Ausführungsformen der Fig. 13-13b und 14-14a gezeigten Spektralmodulations-Sensoren 22A, 22Aa, 22D mit den Spektralmodulations-Sensoren 22A-22D identisch sind, die in den Reflexions-Ausführungsformen der Fig. 8-8b und 10-10a gezeigt sind. Der einzige Unterschied zwischen diesen Transmissions- und Reflexions-Ausführungsformen ist die Art und Weise, in der Licht in sie eingekoppelt und aus ihnen ausgekoppelt wird. Daher trifft alles, was vorher in bezug auf die Sensoren 22A, 22Aa, 22D der Reflexions-Ausführungsformen der Fig. 1-10a gesagt wurde, ebenso auf die Transmissions- Ausführungsformen der Fig. 11-14a zu mit Ausnahme von Unterschieden, die für den Fachmann ersichtlich sind, wie etwa, daß die äußeren Oberflächen 25, 25a, 98 und 116 der Sensoren 22a, 22Aa, 22D in Verbindung mit den Transmissions- Ausführungsformen der Fig. 11-14a keine Lichtabsorptionsund/oder Lichtausschlußschicht oder -abdeckung aufweisen, weil das verhindern würde, daß spektralmoduliertes Licht den Ausgangs-Lichtwellenleiter erreicht.
Alle Ausführungsformen, Beispiele, Alternativen und dergleichen, die hier aufgeführt sind, sind ausdrücklich beispielhaft und bedeuten keine Einschränkung.

Claims

1. Spektralmodulations-Sensor zum Erfassen eines Bereichs von Werten für einen erfaßten physikalischen Parameter, wobei der Sensor eine optische Resonanzstruktur (21) aufweist, die einen Hohlraum (26) definiert, der ein Paar von gegenüberstehenden Reflexionsflächen (27, 29) hat, und die eine optisch empfindliche physische Charakteristik hat, die sich als eine Funktion des erfaßten physikalischen Parameters ändert; wobei die optisch empfindliche physische Charakteristik die Distanz zwischen dem Paar von gegenüberstehenden Reflexionsflächen (27, 29) aufweist; wobei die optische Resonanzstruktur (21) ausgebildet ist, um Eingangsmeßlicht von einer Quelle (48) von Eingangsmeßlicht wenigstens einer Wellenlänge zu empfangen und zu modulieren, um spektral moduliertes Ausgangsmeßlicht als eine Funktion der genannten Änderungen der optisch empfindlichen physischen Charakteristik zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Reflexionsflächen (27, 29) angeordnet ist, um sich als eine Funktion des erfaßten physikalischen Parameters zu wölben, so daß die Distanz zwischen den gegenüberstehenden Reflexionsflächen (27, 29) mit der radialen Position von den Mittelpunkten des Hohlraums (26) und der wenigstens einen der Reflexionsflächen (27, 29), die angeordnet ist, um sich zu wölben, veränderlich ist.

2. Spektralmodulations-Sensor nach Anspruch 1, wobei der erfaßte physikalische Parameter Druck an wenigstens einer Seite der wenigstens einen der Reflexionsflächen (27, 29), die angeordnet ist, um sich zu wölben, ist.

3. Spektralmodulations-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die optische Resonanzstruktur (21A) ein Substrat (24) aufweist, das gemeinsam mit einer Abdeckung (28) hermetisch eingeschlossen ist, wobei wenigstens eines von dem Substrat und der Abdeckung den Hohlraum (26) definiert; wobei der Hohlraum (26) wenigstens im wesentlichen evakuiert ist; wobei die wenigstens eine der Reflexionsflächen (27 oder 29), die angeordnet ist, um sich zu wölben, wenigstens einen Bereich einer inneren Oberfläche der Abdeckung (28) aufweist; und wobei der erfaßte physikalische Parameter den absoluten äußeren Druck an wenigstens einem Bereich einer äußeren Oberfläche der Abdeckung (28) aufweist.

4. Spektralmodulations-Sensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei die optische Resonanzstruktur (21A) ein Substrat (24) und eine Abdeckung (28) aufweist, von denen wenigstens eines den Hohlraum (26) definiert, wobei das Substrat (24) und die Abdeckung (28) gemeinsam hermetisch eingeschlossen sind und ein Vakuum in dem Hohlraum (26) enthalten; und wobei zur Unterstützung der Ausbildung und Beibehaltung des Vakuums eine Schicht aus Gettermaterial in einem pfannkuchenförmigen Ring aufgebracht ist, der in dem Boden des Hohlraums (26) zentriert ist.

5. Spektralmodulations-Sensor nach Anspruch 4, wobei das Gettermaterial Eisen ist.

6. Spektralmodulations-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die optische Resonanzstruktur (21A) ein Substrat (24) aufweist, das gemeinsam mit einer Abdeckung (28) hermetisch eingeschlossen ist, wobei wenigstens eines davon den Hohlraum (26) definiert; und ferner eine Leitungseinrichtung (41) aufweist, um eine Fluidverbindung zwischen einer ersten Druckquelle und dem Hohlraum (26) herzustellen; wobei wenigstens eine der Reflexionsflächen (27 oder 29), die ausgebildet ist, um sich zu wölben, wenigstens einen Bereich einer inneren Oberfläche der Abdeckung (28) aufweist; und wobei der erfaßte physikalische Parameter die relative Druckdifferenz zwischen der ersten Druckquelle und einer zweiten Druckquelle ist, die auf eine äußere Oberfläche der Abdeckung (28) wirkt.

7. Spektralmodulations-Sensor nach Anspruch 1, wobei die optische Resonanzstruktur (21D) ein Substrat (104) aufweist, das gemeinsam mit einer Abdeckung (108) hermetisch eingeschlossen ist, wobei wenigstens eines von dem Substrat und der Abdeckung den Hohlraum (106) definiert; wobei das Substrat (104) und die Abdeckung (108) jeweils wenigstens einen Teil einer jeweiligen der gegenüberstehenden Reflexionsflächen (107, 112) aufweisen; wobei der erfaßte physikalische Parameter eine erfaßte chemische Spezies aufweist; wobei wenigstens ein Bereich der optischen Resonanzstruktur (21C) für die erfaßte chemische Spezies durchlässig ist; und wobei der Hohlraum (106) wenigstens teilweise mit einem empfindlichen Medium (110) gefüllt ist, das für die erfaßte chemische Spezies empfindlich ist und auf die erfaßte chemische Spezies durch Änderung seines Volumens anspricht, um zu bewirken, daß die wenigstens eine der Reflexionsflächen (107, 112), die angeordnet ist, um sich zu wölben, sich als eine Funktion der erfaßten chemischen Spezies wölbt.

8. Spektralmodulations-Sensor nach Anspruch 7, wobei das empfindliche Medium (110) Siliconkautschuk aufweist.

9. Spektral-Modulationssensor nach Anspruch 8, wobei die erfaßte chemische Spezies Ethylether oder Chloroform aufweist.

10. Spektral-Modulationssensor nach Anspruch 1, wobei die optische Resonanzstruktur (21D) ein Substrat (104) aufweist, das gemeinsam mit einer Abdeckung (108) hermetisch eingeschlossen ist, wobei wenigstens eines von dem Substrat und der Abdeckung den Hohlraum (106) definiert; wobei das Substrat (104) und die Abdeckung (108) jeweils wenigstens einen Teil einer jeweiligen der gegenüberstehenden Reflexionsflächen (107, 112) aufweisen; wobei der erfaßte physikalische Parameter eine erfaßte chemische Spezies ist; wobei wenigstens ein Bereich der optischen Resonanzstruktur (21C) eine halbdurchlässige Membran aufweist; wobei der Hohlraum (106) wenigstens teilweise mit einem empfindlichen Medium (110) gefüllt ist, das für die erfaßte chemische Spezies empfindlich ist; wobei das empfindliche Medium (110) wenigstens eines von einem Lösungsmittel und einer Lösung aus Lösungsmittel/Gelöstem aufweist; und wobei das empfindliche Medium auf die erfaßte chemische Spezies anspricht durch Änderung seines Volumens aufgrund einer Differenz des osmotischen Drucks über der halbdurchlässigen Membran, um die wenigstens eine der Reflexionsflächen (107, 112) zu veranlassen, sich als eine Funktion der erfaßten chemischen Spezies zu wölben.

11. Spektralmodulations-Sensor nach Anspruch 10, wobei das empfindliche Medium (110) eine wäßrige Salzlösung aufweist, und wobei die erfaßte chemische Spezies eine Konzentration oder Gegenwart eines in Wasser gelösten Salzes aufweist.

12. Spektralmodulations-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Ausgangsmeßlicht in die wenigstens eine Wellenlänge des Eingangsmeßlichts fällt; und wobei das Eingangsmeßlicht in wenigstens einem Bereich (D, E) einer periodischen Kurve (40) des Reflexionsgrads und/oder der Durchlässigkeit der optischen Resonanzstruktur (21) liegt, wobei je nachdem der oder jeder Bereich (D, E) der periodischen Kurve (40) des Reflexionsgrads und/oder der Durchlässigkeit längenmäßig kleiner als ungefähr eine Periode ist und um weniger als ungefähr eine Periode der periodischen Kurve (40) des Reflexionsgrads und/oder der Durchlässigkeit über den Bereich von Werten verschoben wird, wobei das Ausgangsmeßlicht (42, 88) eine spezielle Eins-zu-Eins-Beziehung zu dem erfaßten physikalischen Parameter über den Bereich von Werten hat.

13. Spektralmodulations-Sensor nach Anspruch 12, wobei die spezielle Eins-zu-Eins-Beziehung über den Bereich von Werten im wesentlichen linear ist.

14. Spektralmodulations-Sensor nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Eingangsmeßlicht und die optische Resonanzstruktur (21, 21A, 21D) so gewählt sind, daß über den genannten Meßbereich von Werten der wenigstens eine Bereich (D, E) um mehr als die Hälfte einer Periode der Kurve (40) des Reflexionsgrads und/oder der Durchlässigkeit, die den wenigstens einen Bereich (D, E) einschließt, jedoch um nicht mehr als eine volle Periode verlagert wird.

15. Spektralmodulations-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Eingangsmeßlicht wenigstens einen Frequenzbereich aufweist, der bei seiner halben Spitzenintensität eine Bandbreite in der Größenordnung von 10% seiner Spitzenintensitäts-Wellenlänge hat.

16. Spektralmodulations-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Eingangsmeßlicht wenigstens zwei Wellenlängenbanden aufweist.

17. Spektralmodulations-Sensor nach Anspruch 16, wobei die wenigstens zwei Wellenlängenbanden einen Abstand zwischen sich von im wesentlichen weniger als einer Periodenlänge der Kurve (40) des Reflexionsgrads und/oder der Durchlässigkeit, die den Bereich (D, E) einschließt, haben.

18. Spektralmodulations-Sensor nach Anspruch 12 oder 14 oder einem der Ansprüche 15 bis 17 in Abhängigkeit von einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Eingangsmeßlicht eine Bande (86) von Lichtwellenlängen mit einer Bandbreite aufweist, die im wesentlichen kleiner als eine Periodenlänge der Kurve (40) des Reflexionsgrads und/oder der Durchlässigkeit ist.

19. Spektralmodulations-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Quelle von Eingangsmeßlicht umfaßt, die eine lichtemittierende Diode (48) aufweist.

20. Optische Meßvorrichtung, die einen Spektralmodulations- Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Kombination mit Lichtdurchlaßeinrichtungen (14, 16, 18, 20) aufweist, die in optischer Verbindung zwischen eine Detektoreinrichtung (30-36; 50-84) und die optische Resonanzstruktur (21A, 21D) geschaltet sind, um das spektralmodulierte Ausgangslicht von der optischen Resonanzstruktur (21A, 21D) zu der Detektoreinrichtung (30-36; 50-84) durchzulassen, wobei die Detektoreinrichtung (30-36; 50-84) auf das spektralmodulierte Ausgangslicht anspricht, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, das den erfaßten physikalischen Parameter bezeichnet.

21. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 20, wobei die optische Resonanzstruktur (21A, 21D) ein Substrat (24, 104) und eine Abdeckung (28, 108) aufweist, von denen wenigstens eines den Hohlraum (26, 106) definiert, wobei ein Bereich der Lichtdurchlaßeinrichtung (14) angrenzend an das Substrat (24, 104) eine Brechzahl hat, die an die Brechzahl des Substrats (24, 114) im wesentlichen angepaßt ist.

22. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 21, wobei das Substrat (24, 104) aus Borsilikatglas besteht.

23. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die optische Resonanzstruktur (21A, 21D) ein Substrat (24, 104) und eine Abdeckung (28, 108) aufweist, von denen wenigstens eines den Hohlraum (26, 106) definiert; und wobei das Substrat (24, 104) eine Dicke hat, die ungefähr gleich einem Durchmesser eines Bereichs der Lichtdurchlaßeinrichtung (14) benachbart dem Substrat (24, 104) ist.

24. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die Lichtdurchlaßeinrichtung (12, 14, 16, 18, 20) wenigstens einen Lichtwellenleiter aufweist.

25. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die Lichtdurchlaßeinrichtung einen gemeinsamen Lichtwellenleiter (14) aufweist, um das Eingangsmeßlicht zu der optischen Resonanzstruktur (21A, 21D) durchzulassen und um das Ausgangsmeßlicht von der optischen Resonanzstruktur (21A, 21D) zu der Detektoreinrichtung (30-36; 50-84) durchzulassen.