SE436800B - Optiskt sensorelement av fast material for avkenning av fysikaliska storheter, sasom tryck, vilket exciteras optiskt och avger fotoluminiscens - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 soovaos-e sensorn ingående luminiscerande materialet av material med låg absorption för excitations- och luminiscensljuset. Se svensk patentansökan 8006797-8 (ss utlaggningssxeift 425 752). erhålles en rad fördelar, som närmare angivits vid dessa patentansökningar.

Med denna utformning av sensorstrukturen Den fysikaliska effekt, som utnyttjas i dessa mätdon, är, att ett på mate- rialet anbringat tryck ändrar dess bandgap. Effekten är dock relativt liten, dEG = 16 - 10-6 ev/kgcm2 för GaAs vid rumstemperatur, och relativt stora hydrostatiska tryck lccävs för att få tillräcklig signalnivå.

Mekaniska (uniaxiella) krafter kan lättare mätas, då. de kan anbringas över en liten yta på materialet, men detta innebär en risk för att materialets yta skadas med eventuellt åtföljande reduktion av luminiscenssigxialen som konsek- VGXIS- Uppfinningen utgör en lösning pâ._ dessa och andra härmed sammanhängande pro- blem och känneteclmas därav, att det i sensorn ingående, luminiscerande mate- rialet utgöres av minst två halvledarskikt med inbördes olika luminiscens- spektra, vilka skikt lagts på ett' substrat med ett upptaget hål, eller att det i sensorn ingående luminiscerande materialet utgöres av minst tre halv- ledarskikt, varav minst ett är luminiscerande, omgivet på en eller båda si- dorna av icke-luminiscerande halvledarskikt med så lika gitterkonstant som möjligt för erhållande av så liten icke-strålande rekombination som möjligt i g-.r-šinsytan mellan skikten, samt att luminiscensen är anordnad att avkàlnnas medelst minst en optisk fiber.

Uppfinningen är närmare exemplifierad i bifogade figurer, av vilka fig 1 visar en utformning av en sensor. Fig 2 är en annan utformning av en sensor, under det att fig 5 visar substratet med upptaget hål och med minst två halv- ledarskikt. Fig 4a visar mätning av absoluttryck' och fig 4b mätning av tryck- differens. Fig 5 visar en struktur med ändstopp för membranet, och fig 6 visar ytterligare en sensorstrmilctur, varav fig 6a är sensorn sedd från sidan och Kfig 6b sensorn sedd framifrån. Strukturerna 1-6 kan tillverkas med utnyttjande av epitaktiska skikt och s k selektiva etsmetoder.

I fig 1 visas en sensor med en struktur' bestående av tre eller fyra êPi- taktiska skikt. Vid 1 visas ett "aktivt" luminiscerande skikt av GaAs, som omges av "fönster" av AlxGaLxAs 2, 3 för erhållande av de önskade luminiscensegenskaperna för strukturen. Detta omgivande material skall ha och det bör väljas med en gitterkonstant som så nära som möjligt :sammanfaller med det låg absorption för excitations- och luminiscensvåglängderna, 10 20 25 30 35 3007 805 - 8 3 aktiva skiktets gitterkonstant. Genom att etsa bort substratmaterial från substratet 4 bildas ett hålrum 5 i strukturen, som är begränsat av en tunn membran 1-5. Hålrummets öppning försluts på lämpligt sätt, t ex genom direkt montering på en optisk fiber 6 med en diameter DFIBER E: DHÃL. Eventuellt kan någon platta av transparent material anbringas mellan fiber och kristall (6-1-5).

När systemet utsätts för ett hydrostatiskt tryck sker en utböjning av membranet 1-5, varvid mekaniska spänningar alstras i dessa. Dessa spänningar orsakar en ändring i det av materialet utsända luminiscensspektrumet, vilket kan detek- teras på i och för sig känt sätt, se exempelvis de tidigare angivna patent- skrifterna. Fördelar med den här beskrivna strukturen, jämfört med tidigare lösningar är, att känsligheten kan bestämmas genom val av membranets area och tjocklek och härigenom göras avsevärt högre. Substratet 4 kan lätt bortetsas med en s k selektiv ets, vilken har stor skillnad i etsningshastighet för GaAs och AlxGa1_xAs. Tjockleken d1 bestämmes således vid odlingen av skikten och kan varieras mellan ca 0,5-500/uM. Sådana etsmetoder finns idag framtagna bl a för tillverkning av speciella lysdioder.

En struktur där hög känslighet kombineras med tålighet mot stora tryckstötar kan åstadkommas med utgångspunkt från epitaxilagren i fig 2. Vid efterföljande etsning etsas först hela GaAs-substratet 4 bort, sedan strukturen fästs mot t ex en glasplatta anbringad mot lager 2. Därefter etsas A1xGa1_xAs-skiktet 8 närmast substratet helt bort och slutligen etsas ett hål i det efterfölj- ande GaAs-skiktet 7. Med detta förfaringssätt kan avståndet d2 göras mycket litet (bestäms vid tillväxten), varvid membranets utsvängning vid tryck- stötar kan begränsas.

Självfallet kan strukturen enligt ovan även användas för kraftmätning, t ex genom placering i tätt utrymme, vars volym kan påverkas av en yttre kraft.

Det luminiscerande skiktet 1 i de ovan diskuterade strukturerna omges av mate- rial med låg absorption för exoitations- och luminisoensljuset. Mellan det luminiscerande materialet och ett av de omgivande skikten kan ytterligare anordnas ett eller flera skikt med mindre dopning och/eller mindre tjocklek än det luminiscerande skiktet, för erhållande av de fördelar som diskuterats i svensk patentansökan 8006797-8 (SE utläggningsskrift 425 752).

I fig 3 visas en fiber 9 ansluten till ett substrat 10 vid ett etsat eller på annat sätt upptaget hål 11 vid denna. Antalet halvledarskikt är minst två, 10 20 25 8007805-8 12, 15, varav 12 luminiscerar. Eventuellt kan båda luminiscera, men därvid ha inbördes olika Spektra. I den allra enklaste föredragna utföringsformen kan membranet utgöras av endast ett skikt.

Luminiscensen kan vara. fotolumixfiscens, vilket erhålles genom belysning av luminiscensskiktet 12. Luminiscensen kan även erhållas i form av elektro- luminiseens, där två. av halvledarskikten får bilda en Ian-övergång. Halvledar- materialen och substratet kan lämpligen utgöras av AlxGa1 _xAs.

Sensorn kan användas för mätning av absoluttryck enligt fig 4a, där man mellan fibern 14 och sensorn anbringar ett glasskikt 15. Detta glasskikt kommer där i det inneslutna hålrummet 11 att bilda en sluten luftvolym.

Trycket Px kan exempelvis appliceras invid membranen 12, 15.

I fig 4b visas mätning av en tryckdifferens mellan trycken vid fibern 14 och vid substratet 10. Trycket vid fibern betecknas här P1 och trycket vid substratet P2. I membranen 12, 13 indikeras härvid relativtrycket eller tryck- differensen P1 - P2.

I fig S visas en struktur med en sensor försedd med ändstopp eller ändläg-es- stopp 16 för membranet. Mellan ändlägesstoppen 16 och membranet 17, 18 an- ordnas härvid ett hålrum 19, och på samma sätt anordnas ett hålrum 20 vid den andra delen av membranen. Fibern 21 anordnas vid hålrummet 22 i substra- tet 25. Membranen utformas också här med selektiv etsnirzg.

I fig 6 visas en sensor, i fíg 6a sedd från sidan. 24 är en fiber, applice- n rad invid ett substrat 25 med sedvanligt membran 26, 27, 28. En balk utetsas ur membranet 26, 27, 28 och erhåller en form enligt fig 6b. Denna sensor kan användas för mätning av vibration, töjning eller lccaft.

Anordningen enligt ovan kan varieras på. mångahanda sätt inom ramen för nedan- stående patentkrav.

Claims (7)

8007805 - 8 PATENTKRAV

1. Optiskt sensorelement av fast material för avkänning av fysikaliska storheter, såsom tryck, vilket exciteras optiskt och avger fotoluminiscens, som utgör ett mått på den aktuella mätstorheten, k ä n n e t e c k n a t därav, att det i sensorn ingående, luminiscerande materialet (1, 2, 5, 12, 15) utgöres av minst två halvledarskikt med inbördes olika luminiscens- spektra, vilka skikt lagts på ett substrat med ett upptaget hål, eller att det i sensorn ingående luminiscerande materialet utgöres av minst tre halv- ledarskikt (1-5), varav minst ett är luminiscerande (1), omgivet på en eller båda sidorna av icke-luminiscerande halvledarskikt med så lika gitter- konstant som möjligt för erhållande av så liten icke-strålande rekombination som möjligt i gränsytan mellan skikten, samt att luminiscensen är anordnad att avkännas medelst minst en optisk fiber.

2. Optiskt sensorelement enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att det luminiscerande skiktet omges av material med låg absorption för excitations- och luminiscensljuset, samt att mellan det luminiscerande materialet och ett av de omgivande skikten är anordnat ytterligare ett skikt med mindre dopning och/eller mindre tjocklek än det luminiscerande skiktet.

3. Optiskt sensorelement enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k - n a t därav, att luminiscensen erhålles i form av fotoluminiscens genom belysning av luminiscensskiktet.

4. Optiskt sensorelement enligt något av patentkraven 1 och 2, k ä n n e - t e c k n a t därav, att luminiscensen erhålles i form av elektroluminiscens där två av halvledarskikten får bilda en pn-övergång.

5. Optiskt sensorelement enligt något eller några av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att halvledarmaterial och substrat utgöres av AlXGa1_xAs.

6. Optiskt sensorelement för mätning av absoluttryck eller tryckdifferens enligt något eller några av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att mellan hålet i substratet och fibern är anordnat ett glasskikt (15), avslutande en sluten luftvolym i substratet, varvid absoluttrycket 8007805-8 kan mätas, eller att fibern anordnas vid den substratet motsatta sidan av sensorn, varvid fibern ansättes med ett tryck (P1) cch substratet med ett annat (P2) och mätsigtlalen blir ett mått på tryckaifferensen (P1 _ P2).

7. Optiskt sensorelement enligt patentlæav 1-5, k ä n n e t e c k n a. t därav, att stnzkturen är försedd med ändstopp (16) för halvledarskikten.