DD261673B5

DD261673B5 - Optoelectronic sensor arrangement

Info

Publication number: DD261673B5
Application number: DD30328387A
Authority: DD
Inventors: Horst Doz Dr-Ing Habil Ahlers; Juergen Prof Dr Sc Te Waldmann
Original assignee: Ahlers Horst Dox Dr-Ing Habil; Juergen Prof Dr Sc Te Waldmann
Priority date: 1987-05-29
Filing date: 1987-05-29
Publication date: 1996-07-25
Also published as: DD261673A1

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Sensoranordnung mit wenigstens einer lumineszierenden oder lasernden Sendediode und wenigstens einer lichtempfindlichen Empfangerdiode, die auf einem gemeinsamen Trager angeordnet sind, die zu analytischen Zwecken in der Biologie, Chemie und Physik einsetzbar ist Bekannt sind optoelektronische Sensoranordnungen, die eine Lumineszenzdiode aus GaAs oder GaAIAs als Sendediode enthalten Die Koppler sind so konstruiert, daß sich Sensor und Empfanger gegenüberliegen Häufig werden dazu die Senderund Empfangerbauelemente als Chips auf einem gemeinsamen Trager montiert und anschließend in einem Biegeprozeß in die gewünschte gegenüberliegende Stellung gebracht Nach dem Verkappen der Anordnung werden die Anschlüsse gegeneinander aufgetrenntThe invention relates to an optoelectronic sensor arrangement having at least one luminescent or lasing transmitting diode and at least one light-sensitive receiving diode, which are arranged on a common carrier which can be used for analytical purposes in biology, chemistry and physics. Known are optoelectronic sensor arrangements which comprise a light-emitting diode made of GaAs or GaAIAs are included as a transmitting diode The couplers are designed so that the sensor and receiver face each other Frequently, the transmitter and receiver components are mounted as chips on a common carrier and then brought in a bending process in the desired opposite position After capping the arrangement, the connections against each other separated

In der DE-OS 2 950 649 ist beispielsweise eine derartige optoelektronische Sensoranordnung beschrieben, bei der der Sensor als Kantenstrahler ausgebildet ist, so daß der Tragerstreifen nur beidseitig um ca 45° abgewinkelt werden muß, damit die optische Information senkrecht auf den Empfanger trifftIn DE-OS 2,950,649, for example, such an optoelectronic sensor arrangement is described, in which the sensor is designed as an edge emitter, so that the carrier strip only on both sides has to be angled at about 45 °, so that the optical information is perpendicular to the receiver

Das bestimmende Merkmal anderer Anordnungen ist die Positionierung von Sende- und Empfangerbauelementen in einer Ebene, so daß Maßnahmen zur Reflexion der optischen Information notwendig sind. Dabei gelingt es fertigungstechnisch häufig nicht, Lumineszenzdiode und Fotodiode in einer exakten Ebene anzuordnen, so daß der Strahlengang von Reflexkoppler zu Reflexkoppler unterschiedlich ist und fur Meßzwecke jedesmal justiert werden muß Das laut einen reproduzierbaren massenhaften Einsatz in der Praxis nicht zuThe defining characteristic of other arrangements is the positioning of transmitter and receiver components in a plane, so that measures for the reflection of the optical information are necessary. It often fails manufacturing technology to arrange light emitting diode and photodiode in an exact plane, so that the beam path from reflex coupler to reflex coupler is different and must be adjusted for measuring purposes each time that loud a reproducible mass use in practice not

In der US-PS 4 124 860 wird vorgeschlagen, Sende- und Empfangerchip mit einem Harztropfen zu umhüllen, wobei neben der direkten Kopplung eine Reflexion der emittierten Strahlung über die Oberflache des Harztropfchens erfolgen soll In der DE-OS 2 431 375 wird demgegenüber vorgeschlagen, zusätzlich einen speziell ausgebildeten Reflektor, der zusammen mit dem Chip in einem lichtdurchlässigen Kunststoff eingebettet ist, anzubringen Ungunstig ist in diesem Fall, daß durch den funktional bedingten Isolationsspalt zwischen Sender und Empfanger erhebliche Strahlungsverluste auftreten Nachteilig ist weiterhin hierbei, wie auch bei der vorangegangenen Ausgestaltung, daß ein zusätzlicher Vergießprozeß zur Abschirmung äußerer Storeinstrahlung notwendig ist Eine fur Mehrfachkoppler gunstige Anordnung ist in der DE-OS 2 903 587 beschrieben Die Senderelemente sind in einem U-formigen Keramikprofil über den Fototransistoren angeordnet Als Vorteile werden die gleichzeitige Montage der Sendeelemente und die gute Ableitung der Verlustleistung gesehen Fur den Einsatz in Hybridschaltungen sollen die Sendeelemente einzeln oder mehrfach direkt über die integrierten Fototransistoren positioniert werden Da keine seitliche optische Isolation vorhanden ist, muß der Verband jedoch bei der Montage aufgetrennt werden In dem DD-WP 212 620 wird ein Miniaturkoppler beschrieben, der als Reflexkoppler oder Gabelkoppler ausgeführt werden kann Das Wesen dieser Erfindung besteht darin, daß Sender- und Empfangerchip auf einem gemeinsamen Trager montiert sind, der als flexible Leiterplatte geringer Dicke ausgeführt ist Diese Anordnung hat den Nachteil, daß keine ausreichende Spannungsfestigkeit bei galvanischer Trennung gegeben ist und bei der optischen Kopplung erhebliche Verluste auftreten Das Ziel der Erfindung ist eine optoelektronische Sensoranordnung, die technologisch einfach und ökonomisch gunstig herstellbar ist sowie ein breites Anwendungsgebiet ermöglichtUS Pat. No. 4,124,860 proposes enveloping the transmitter and receiver chips with a drop of resin, wherein in addition to the direct coupling, a reflection of the emitted radiation should take place via the surface of the resin droplet. In DE-OS No. 2,431,375, it is proposed to In addition, a specially trained reflector which is embedded together with the chip in a translucent plastic to install is unfavorable in this case that considerable radiation losses occur due to the functionally-related isolation gap between transmitter and receiver A disadvantage is further here, as in the previous embodiment, An additional Vergießprozeß for shielding external Storeinstrahlung is necessary for multi-coupler favorable arrangement is described in DE-OS 2 903 587. The transmitter elements are arranged in a U-shaped ceramic profile on the phototransistors as advantages, the simultaneous assembly of the Send For use in hybrid circuits, the transmission elements should be positioned individually or multiply directly via the integrated phototransistors. Since there is no lateral optical isolation, the connection must be separated during assembly In the DD-WP 212 620 The essence of this invention is that transmitter and receiver chip are mounted on a common carrier, which is designed as a flexible printed circuit board of small thickness This arrangement has the disadvantage that no sufficient dielectric strength The object of the invention is an optoelectronic sensor arrangement which is technologically simple and economical to produce and also allows a wide field of application

Dabei liegt die Aufgabe zugrunde, mittels Verfahren der Halbleitertechnologie mit geringem Justageaufwand eine optoelektronische Sensoranordnung zu realisieren, die gute mechanische Eigenschaften und geringe Strahlungsverluste aufweistThe object of the invention is to realize an optoelectronic sensor arrangement which has good mechanical properties and low radiation losses by means of semiconductor technology methods with a low adjustment effort

Erfindungsgemaß wird dies bei einer optoelektronischen Sensoranordnung mit wenigstens einer lumineszierenden oder lasernden Sendediode und wenigstens einer lichtempfindichen Empfangerdiode, die auf einem gemeinsamen Trager angeordnet sind, dadurch erreicht, daß die beiden Dioden in an sich bekannter Weise in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat derart angeordnet und durch wenigstens einen bis über den pn-Ubergang der beiden Dioden sich erstreckenden Trenngraben getrennt sind, daß die Kantenstrahlung der Sendediode auf die Empfangsflache der Empfangerdiode trifft, und daß der wenigstens eine Trenngraben fur die Aufnahme der mit dem Sensor zu erfassenden Große vorgesehen istAccording to the invention, this is achieved in an optoelectronic sensor arrangement having at least one luminescent or lasing transmitting diode and at least one light-sensitive receiver diode, which are arranged on a common carrier, characterized in that the two diodes arranged in a conventional manner in a common semiconductor substrate and by at least one are separated over the pn junction of the two diodes extending separating trench, that the edge radiation of the transmitting diode strikes the receiving surface of the receiver diode, and that the at least one separation trench for receiving the sensor to be detected with the size is provided

Die erfmdungsgemaße Sensoranordnung zeichnet sich auch durch eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und Ansprechempfindhchkeit ausThe erfmdungsgemaße sensor assembly is also characterized by a high response and Ansprechempfindhkeit

Durch die DE-OS 1 489 033 und die US-PS 4 275 404 sind an sich Halbleiteranordnungen bekannt, bei denen in einem Halbleitersubstrat jeweils eine lichtemittierende Sendediode und eine dieses Licht aufnehmende Empfangsdiode angeordnet sind, die durch eine Graben getrennt sind Dabei handelt es sich jedoch um optische Koppler beziehungsweise Monitor-Einrichtungen zur Regelung der Strahlungsleistung der Sendediode Die besonderen Probleme von Sensoren werden dabei nicht angesprochenBy DE-OS 1,489,033 and US-PS 4,275,404 semiconductor devices are known per se, in which in a semiconductor substrate each have a light emitting transmitter diode and a light receiving receiving diode are arranged, which are separated by a trench. This is However, optical couplers or monitor devices for controlling the radiation power of the transmitter diode The particular problems of sensors are not addressed

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen angegeben Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung, die Ausfuhrungsbeispiele wiedergibt, naher erläutert In der Zeichnung zeigtAdvantageous embodiments of the invention are set forth in the dependent claims. The invention will be explained in more detail with reference to a drawing which reproduces exemplary embodiments in the drawing

Fig 1 eine optoelektronische Sensoranordnung1 shows an optoelectronic sensor arrangement

Fig 2 eine optoelektronische Sensoranordnung in Mehrfachanordnung und Fig 3 eine optoelektronische Sensoranordnung als mikroelektronischer Sensor2 shows an optoelectronic sensor arrangement in a multiple arrangement and FIG. 3 shows an optoelectronic sensor arrangement as a microelectronic sensor

Figur 1 zeigt die optoelektronische Sensoranordnung in monolithischer Bauweise Auf einem gemeinsamen Substrat 4, das η-leitend ist, befindet sich ein großflächiges p-Gebiet 9 Außermittig wird das p-Gebiet 9 bis in das η-Gebiet durch Atzen aufgetrennt Die so entstehenden pn-Ubergange werden als pn-Ubergang fur die Sendediode 5 und als pn-Ubergang fur die Empfangerdiode 6 verwendet Dabei wird die Sendediode 5 in Flußrichtung und die Empfangerdiode 6 im 3 und/oder 4 Quadranten der Strom-Spannungs-Kennlinie in Sperrichtung betrieben Die pn-Ubergange der Sendediode 5 und der Empfangerdiode 6 werden über die großflächigen abdeckenden Kontakte 1, 2, 3 angesteuert Die Trenngrabenkante 8 der Empfangerdiode 6 wird nach der Realisierung des Trenngrabens 7 durch selektive Ionenimplantation hoher als das p-Gebiet der Empfangerdiode 6 dotiertFIG. 1 shows the optoelectronic sensor arrangement in monolithic construction. On a common substrate 4, which is η-conducting, there is a large-area p-region 9. Off-center, the p-region 9 is separated into the η-area by etching. Transitions are used as a pn junction for the transmitting diode 5 and as a pn junction for the receiving diode 6. The transmitting diode 5 is operated in the forward direction and the receiving diode 6 in the 3 and / or 4 quadrants of the current-voltage characteristic in the reverse direction. Transition of the transmitting diode 5 and the receiver diode 6 are controlled by the large-area covering contacts 1, 2, 3. The Trenngrabenkante 8 of the receiver diode 6 is doped higher than the p-type region of the receiver diode 6 after the realization of the trench 7 by selective ion implantation

Figur 2 zeigt eine Mehrfachkoppleranordnung mit dem gleichen Aufbau wie in Fig 1 Hierbei sind die pn-Ubergange der Sendediode 5, die in Flußrichtung betrieben sind, selektiv dotiert, beispielsweise GaP mit N oder einem Zn-O-Komplex Dadurch werden unterschiedlich lichtemittierende Übergänge realisiert Die pn-Ubergange der Empfangerdiode 6, die diesen lichtemittierenden Übergängen gegenüberliegen und in Sperrichtung betrieben werden, wirken als Fotoempfanger Diese Anordnung wird zu spektralanalytischen Untersuchungen fur Gase eingesetzt Bei Überstreichen eines Gases über die Anordnung wird das Licht je nach seiner Zusammensetzung unterschiedlich absorbiert und demzufolge mit unterschiedlicher Intensität in die Empfangerdiode 6 eingekoppeltFIG. 2 shows a multiple-coupler arrangement with the same structure as in FIG. 1. The pn-transitions of the transmitting diode 5 which are operated in the flux direction are selectively doped, for example GaP with N or a Zn-O complex. As a result, different light-emitting transitions are realized pn transitions of the receiver diode 6, which oppose and are reverse biased to these light emitting junctions, act as photoreceptors. This arrangement is used for spectral analysis of gases. When a gas is swept across the array, the light is absorbed differently depending on its composition and, consequently, with different Intensity coupled into the receiver diode 6

Eine nachfolgende elektronische Auswertung gibt Auskunft über die Zusammensetzung des Gases Um die definierte spektrale Verteilung der Absorption der Gase zu ermitteln, ist zu jeder einzelnen Sensoranordnung eine Referenzanordnung dergestalt zu schalten, daß in die Trenngraben 7 ein elektrisch isolierendes, aber optisch transparentes Material, beispielsweise Epoxydharz, Glas oder Si₂O₃, eingebracht wird, daß dem Eintritt des Gases in den Strahlengang verhindert Gunstig ist es auch, den Trenngraben 7 durch ein optisch geeignetes Material auszufüllen Beispielsweise kann der Strahlengang durch Lichtwellenleiter optisch in den Trenngraben 7 aus- und wieder eingekoppelt werden Außerdem können solche Anordnungen als Referenzelemente aufgebaut sein Eine weitere Möglichkeit besteht dann, daß der Trenngraben 7 mit Flussigkristallen ausgefüllt wird, die bei Temperaturanderung ihre optischen Eigenschaften andern Das heißt, eine solche Anordnung ist als Komperator- und/oder Temperatursensor einsetzbarA subsequent electronic evaluation provides information about the composition of the gas In order to determine the defined spectral distribution of the absorption of gases, a reference arrangement is switched to each sensor array such that in the separation trench 7 an electrically insulating, but optically transparent material, such as epoxy resin , Glass or Si ₂ O ₃ , is introduced, that prevents the entry of the gas into the beam path Favorable it is also to fill the separation trench 7 by an optically suitable material For example, the beam path optically coupled by optical fibers in the separation trench 7 and re-coupled In addition, such arrangements can be constructed as reference elements Another possibility is that the separation trench 7 is filled with Flussigkristallen that change their temperature changes their optical properties that is, such an arrangement is as a comparator and / or temperature can be used

Vorteilhaft ist es, die Kantenstrahlung fur unterschiedliche Wellenlangen auszulegen Das kann durch unterschiedliche Dotierung realisiert werden Dadurch ist eine Farbselektion möglichIt is advantageous to design the edge radiation for different wavelengths. This can be realized by different doping. This makes a color selection possible

Die Sensoranordnung kann mit Vorteil auch in biologische Gewebe eingesetzt sein, so daß im Trenngraben das biologische Gewebe durchstrahlt wird Fur solche und andere Meßzwecke können eine oder mehrere Trenngraben mit Referenzstoffen gefüllt sein, um Kompensationen oder eine besondere Selektivität zu erreichen Figur 3 zeigt eine Anordnung als mikroelektronischen Sensor, die den gleichen Aufbau wie Fig 1 aufweist Die mechanische Krafteinkopplung F auf die Sendediode 5 oder Empfangerdiode 6 fuhrt zu unterschiedlichen Koppeleigenschaften im Vergleich zu einer Referenzanordnung, die ohne Krafteinkopplung betneben wird Der Vergleich zwischen den Sensoranordnungen ermöglicht die KraftmessungThe sensor arrangement can advantageously also be used in biological tissue, so that the biological tissue is irradiated in the separation trench. For such and other measurement purposes, one or more separation trenches can be filled with reference substances in order to achieve compensations or a particular selectivity. FIG Microelectronic sensor having the same structure as FIG. 1. The mechanical force F coupling to the transmitting diode 5 or the receiving diode 6 leads to different coupling properties in comparison to a reference arrangement that will not require force coupling. The comparison between the sensor arrangements makes it possible to measure the force

Claims

1. Optoelektronische Sensoranordnung mit wenigstens einer lumineszierenden oder lasernden Sendediode und wenigstens einer lichtempfindlichen Empfängerdiode, die auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dioden in an sich bekannter Weise in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat derart angeordnet und durch wenigstens einen bis über den pn-übergang der beiden Dioden sich erstreckenden Trenngraben getrennt sind, daß die Kantenstrahlung der Sendediode auf die Empfangsfläche der Empfängerdiode trifft, und daß der wenigstens eine Trenngraben für die Aufnahme der mit dem Sensor zu erfassenden Größe vorgesehen ist.1. An optoelectronic sensor arrangement having at least one luminescent or lasing transmitting diode and at least one light-sensitive receiver diode, which are arranged on a common carrier, characterized in that the two diodes arranged in a conventional manner in a common semiconductor substrate and through at least one to above the Pn junction of the two diodes extending separating trench are separated, that the edge radiation of the transmitting diode strikes the receiving surface of the receiver diode, and that the at least one separation trench for receiving the sensor to be detected size is provided.

2. Optoelektronische Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem als Sensor vorgesehenen Paar von Sende- und Empfängerdiode ein weiteres solches Paar als Referenzanordnung zugeordnet ist.2. An optoelectronic sensor arrangement according to claim 1, characterized in that a sensor provided as a pair of transmitting and receiving diode, another such pair is assigned as a reference arrangement.

3. Optoelektronische Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß fur das als Referenzanordnung dienende Paar in dem zugehörigen Trenngraben ein Referenzstoff vorgesehen ist.3. Optoelectronic sensor arrangement according to claim 2, characterized in that a reference substance is provided for the serving as a reference arrangement pair in the associated separation trench.

4. Optoelektronische Sensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trenngraben des als Referenzanordnung dienenden Paares mit einem das Eindringen des mit dem Sensor zu analysierenden Materials verhindernden Material versehen ist.4. An optoelectronic sensor arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the separating trench of the pair serving as a reference arrangement is provided with a material which prevents the penetration of the material to be analyzed by the sensor.

5. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Trenngraben des als Sensor dienenden Paares für die Aufnahme eines zu analysierenden Gases vorgesehen ist.5. Optoelectronic sensor arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the at least one separating trench of the pair serving as a sensor for receiving a gas to be analyzed is provided.

6. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kraftmessung eine mechanische Krafteinkopplung für die Sendeoder die Empfängerdiode vorgesehen ist.6. Optoelectronic sensor arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that a mechanical force input for the transmitting or the receiver diode is provided for measuring force.

7. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturmessung in dem Trenngraben eines Paares ein seine optischen Eigenschaften temperaturabhängig ändernder Flüssigkristall vorgesehen ist.7. An optoelectronic sensor arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that a temperature-dependent changing liquid crystal is provided for the temperature measurement in the separation trench of a pair.

8. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Paare vorgesehen sind und die einzelnen Paare eine hinsichtlich der Wellenlänge unterschiedliche Kantenstrahlung haben.8. An optoelectronic sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of pairs are provided and the individual pairs have a different wavelength with respect to the wavelength.

9. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenngrabenkante der Empfängerdiode eine erhöhte Dotierung aufweist.9. Optoelectronic sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the separating trench edge of the receiver diode has an increased doping.

10. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trenngraben des einzelnen Paares außermittig angeordnet ist.10. Optoelectronic sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the separating trench of the individual pair is arranged eccentrically.

11. Schaltung mit einer optoelektronischen Sensoranordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung derart ausgebildet ist, daß die Empfängerdiode im 3. oder 4. Quadranten ihrer Strom-Spannungs-Kennlinie arbeitet.11. Circuit having an optoelectronic sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit is designed such that the receiver diode operates in the 3rd or 4th quadrant of their current-voltage characteristic.

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