DE9203101U1 - Sensoranordnung, insbesondere zur Untersuchung von biologischen und technischen Strukturen - Google Patents

Sensoranordnung, insbesondere zur Untersuchung von biologischen und technischen Strukturen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, insbesondere zur Untersuchung von biologischen und technischen Strukturen nach dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.
Aus der europäischen Patentanmeldung 0 387 793 A2 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Darstellung von Strukturen, die überwiegend biologisch sind oder technisch gefertigt wurden, bekannt.
10 Der bei dem vorstehend genannten Verfahren eingesetzte Flächensensor wird zur Erstellung von IR und NIR-Tomogrammen so-
wie zur Bestimmung des Volumenflusses in Kapillaren und Filtern eingesetzt und kann in der Medizin, Biologie sowie in der Technik zur Beobachtung und Beurteilung von Strukturen, Oberflächen, Volumina und Volumenflüssen mit darin ablaufenden chemischen oder physikalischen Prozessen eingesetzt werden.
Hierfür werden in einer Ebene IR-Lichtquellen und -Empfänger als Flächenstrahler verwendet, wobei der Flächenstrahler mit einem bestimmten Strahlungsquerschnitt und einer bestimmten Intensität strahlt.
Mit dem Flächenstrahler wird eine örtlich und volumendefinierte Streulichtmessung durchgeführt.
Der Flächenstrahler ist dabei so ausgebildet, daß mehrere Senderelemente als IR-Lichtquellen in X-, Y-Richtung einer Ebene angeordnet sind, die in die Z-Richtung strahlen. Der Flächenstrahlungs-Empfangssensor besteht aus einzelnen Bauelementen, mit denen die darzustellende Struktur bzw. das Objekt netzartig teilweise oder ganz überzogen ist. Die einzelnen Bauelemente sind in einer Makro-Sende-Empfangsmatrix angeordnet, welche an der zu untersuchenden Oberfläche aufliegt.
Der Flächenstrahlungs-Empfangssensor ist dergestalt strukturiert, daß die einzelnen diskreten Sender- und Empfänger-Bauelemente in einem Abstand von beispielsweise 10 bis 20 &mgr;&pgr;&igr; als Matrix angeordnet sind.
Bei der vorstehend geschilderten Anordnung handelt es sich also um die räumlich konzentrierte Ausbildung einer Vielzahl von diskreten Einzelsensoren, d. h., von einzelnen Senderbzw. Empfängerbauelementen.
Die Herstellung derartiger diskreter mikrostrukturierter Anordnungen ist im Fertigungsprozeß außerordentlich zeit- und kostenaufwendig, wobei insbesondere durch die hohe erforderliche Justagegenauigkeit im Mikrometerbereich eine Herstellungsrentabilität nicht gegeben ist.
Die in der Meßeinrichtung zur nichtinvasiven Feststellung venöser bzw. arterieller Abfluß- und Durchflußstörungen offenbarte Ausbildung eines Meßkopfes nach EP 63 649 Bl, besteht aus einem Strahlungsempfänger, um den herum vorzugsweise 3 Strahlungsquellen angeordnet sind.
Der Durchmesser des hier vorgestellten Meßkopfes beträgt etwa 3 0 mm, wobei in bestimmten Aussparungen des Meßkopfes der vorerwähnte Strahlungsempfänger bzw. die Strahlungsquellen angebracht sind.
Zum Erhalt einer ausreichend fokussierten Stahlung sind sowohl die Strahlungsquellen als auch die Strahlungsempfänger mit zusätzlichen Linsen ausgestattet.
Durch die Verwendung mehrerer, ringförmig um den Detektor befestigter Strahlungsquellen wird zwar eine homogenere Hautdurchleuchtung erreicht, jedoch kann durch die diskrete Ausbildung des Sensorkopfes keine Erfassung von Mikrostrukturen erfolgen. Auch erfordert die Verwendung diskreter Strahlungsquellen bzw. diskreter Strahlungsempfänger einen aufwendigen Qualitatssicherungs- und Selektionsprozess, so daß nur Bauelemente verwendet werden, die in einem entsprechenden vorge-0 gebenen engen Toleranzbereich liegen. Ebenfalls aufwendig ist die diskrete Aussteuerung und Signalauswertung der Strahlungsquellen bzw. des Empfängers.
Dadurch, daß die im Meßkopf befindlichen optoelektronischen Bauelemente leicht hervorstehend angeordnet sind, wird eine
punktuelle Reizung einer beispielsweise zu untersuchenden biologischen Struktur hervorgerufen, die jedoch unerwünscht ist.
Aus der allgemeinen optoelektronischen Sensorik sind Anordnungen in Form von optoelektronischen Kopplern bekannt, die lichtemittierende Sendedioden auf der Basis GaAs oder GaAlAs, GaP und anderen Verbindungshalbleitern und eine strahlungsempfindliche Silicium-Photodiode enthalten. Diese Koppler sind derart gestaltet, daß sich Sender und Empfänger gegenüberliegen.
So ist beispielsweise in der DE-OS 29 50 649 eine Sensoranordnung beschrieben, bei der der Sender als Kantenstahler ausgebildet ist, und wobei der Montage-Trägerstreifen beiderseitig um ca. 45° abgewinkelt werden muß, damit die optischen Strahlung senkrecht auf den Empfänger trifft.
Im DD-WP 212 620 wird ein Miniaturkoppler beschrieben, der als Reflexkoppler ausgeführt ist. Hierbei werden der diskrete Sender- und Empfängerchip auf einen gemeinsamen Träger montiert, der als flexible Leiterplatte geringer Dicke ausgeführt ist.
Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß keine ausreichende Spannungsfestigkeit bei galvanischer Trennung gegeben ist und die optische Kopplung mit erheblichen Verlusten verbunden ist.
Zur Diagnostik von Gewebestrukturen mittels optoelektronischer Bauelemente sind eine Vielzahl von Lösungen bekannt, wobei stellvertretend das Europäische Patent 14 705 Bl sowie das DD-WP 260 130 Al genannt sein mögen.
Alle diese Lösungen besitzen den gemeinsamen Nachteil, daß ein Detektor von der zu untersuchenden Oberfläche oder dem zu untersuchenden Volumen reflektiertes Licht, mehrere Zentimeter von einer oder mehreren Sendedioden entfernt, erfaßt. 5
Dadurch ist es unmöglich, eine minimierte Organregion zu messen und die erforderlichen hohen Auflösungen für eine exakte Diagnose zu erreichen.
Würde man zur Lösung dieses Problems den eingangs erwähnten Flächenstrahler benutzen, dann steht einer breiten Anwendung der damit verbundene konstruktive, insbesondere der Justageaufwand und die hohen Koppelverluste entgegen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung, insbesondere zur Untersuchung von biologischen und technischen Strukturen anzugeben, mit der bei geringem konstruktiven bzw. fertigungstechnischem Aufwand bei der Sensorherstellung sowohl kleinste Areale mit hohem Auflösungsvermögen als auch Makrostrukturen untersucht werden können.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird eine monolithische optoelektonische Sender- und Empfängerstruktur auf Halbleiterbasis geschaffen, deren Einzelelemente galvanisch nicht entkoppelt sind. Diese 0 monolithische Sender- und Empfängerstruktur ist derart ausgebildet, daß die Senderoberfläche unterhalb der des Empfängers liegt und wobei durch speziell angeordnete Kontaktstege bzw. Leitbahnen ein Übersprechschutz zwischen Sender- und Empfängerelement gegeben ist.
Durch die im halbleitertechnologischen Herstellungsprozeß möglichen Gestaltungsvarianten des Kontaktlayouts können wahlweise Längs-, Querzeilen oder Array-Anordnungen mit minimalster Strukturbreite, d.h. mit hoher Packungsdichte von Sender- und Empfängerelementen je Flächeneinheit realisiert werden.
Eine Ausbildung der komplexen Sensoranordnung auf einem Chip vermeidet ansonsten erforderlich werdende Justageschritte. Gleichzeitig wird eine Sensoranordnung im Chipformat zur Verfügung gestellt, deren einzelne Elemente hinsichtlich ihrer elektro-optischen Parameter gleich ausgebildet sind.
D.h., die Homogenität der Ausleuchtung der zu untersuchenden Objekte vergrößert sich einerseits durch die Konstanz der Parameter der einzelnen Bauelemente und andererseits durch die Vielzahl einer gegebenenfalls vorteilhafterweise alternierenden Anordnung von Sender- und Empfängerelementen auf einem Chip.
20
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung auf Verbindungshalbleiter-Materialbasis erfolgt zweckmäßigerweise wie nachstehend geschildert.
Auf einem beispielsweise AIII BV-n-Substrat wird zuerst eine breitlückige &eegr;-Schicht für den Sender, eine relativ schmallückige &eegr;-Schicht für den Empfänger, eine vorteilhafterweise höchstens 1,5 jum dicke p-Schicht für den Empfänger und eine vorteilhafterweise höchstens 0,3 Mm dicke, sehr breitlückige 0 p-Typ Fensterschicht unmittelbar nacheinander epitaktisch abgeschieden.
Hierdurch erhalten Sender und Empfänger einen gemeinsamen n-Kontakt.
35
Der pn-übergang der Sendediode wird beispielsweise durch Lokaldiffusion oder Implantation eines geeigneten Akzeptors nach selektiver Entfernung der Empfängerschichten, beispielsweise durch Ätzen, erzeugt.
5
Die p-Kontakte der Sender und Empfänger werden getrennt herausgeführt und können matrixartig oder einzeln ausgebildet und angesteuert werden.
Wie bereits angedeutet, können die Sender- und Empfängerstrukturen im Chipmaßstab als Zeilenmatrix mit einem Sender und zwei Empfängern, als Zeilenmatrix mit zwei Sendern und drei Empfängern sowie als Zeilenmatrix in alternierender Folge von Sendern und Empfängern zur Erzeugung eines quasi homogenen Strahlungsfeldes ausgebildet und angesteuert werden. Ebenfalls ist die Ausbildung als eine großflächige, quadratische, kreisförmige oder andersartig gestaltete Matrix möglich.
Durch die unterschiedliche Art der durch die Kontaktierung geschaffenen Ansteuerungsmoglichkeiten und durch den monolithischen Aufbau der Sensoranordnung mit Abständen zueinander im Mikrometerbereich, entsteht in der Anwendung der Vorteil, sowohl Mikro- als auch Makrostrukturen mit quasi homogener Strahlung zu diagnostizieren.
Durch die außerordentlich hohe Packungsdichte von Sendern und Empfängern je Flächeneinheit auf dem Chip, ergibt sich neben der bereits erwähnten hohen Auflösung die Möglichkeit, entwe-0 der mit geringerer Strahlungsleistung zu operieren oder mit gleicher oder erhöhter Strahlungsleistung ein tieferes Eindringen in das Volumen der zu untersuchenden Struktur zu ermöglichen.
Dies ermöglicht die Verwendung des Sensors zur nichtinvasiven Optodiagnostik im medizinischen Bereich. Die Erfindung soll anhand des nachstehend geschilderten Ausführungsbeispiels sowie mehrerer Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen
Fig. 1 eine Schnittdarstellung der Schichtenfolge eines Ausschnittes der erfindungsgemäßen Senso
ranordnung mit zwei Empfänger- und einem Sendebereich.
Fig. 2a -2d verschiedene Anordnungen von Sender- und Empfängerbereichen einer Sensor-Zeilenanordnung.
Fig. 3 die Anordnung von Sender- und Empfängerabschnitten in einer Gesamtmatrix.
Fig. 4 eine Kreuzzeilenanordnung der Sender- und Empfängerelemente
Fig. 5 eine vorzugsweise Gruppierung von Sender- und Empfängerelementen bei kreisförmiger Grundfiguration.
Der technologische Ablauf eines möglichen Verfahrens zur Herstellung der Sensoranordnung soll unter Hinweis auf Fig. 1 wie folgt beschrieben werden.
Als Substratmaterial wird beispielsweise n-GaAs 1 eingesetzt. Auf dem Substrat wird zunächst eine relativ breitlückige n-GaAsP-Schicht 11, 12 in unterschiedlicher Dotierung zum Erreichen eines geringen Öffnungswinkels von z.B. 16° des pn-Überganges des Senders 3 epiaxial abgeschieden. Darauf folgt
die Ausbildung einer n-GaAs-Schicht 13, welche relativ schmallückig ist sowie das Abscheiden einer dünnen p-GaAs-Schicht 14.
Nach den Arbeitsschritten der Reinigung des Substrats, beispielsweise mit einer Lösung von NH3 : H2O im Verhältnis 1 : 2 bei Raumtemperatur und Ultraschalleinwirkung, wird eine Lackhaftmaske aufgebracht. Anschließend wird ein Mesaätzschritt durchgeführt sowie das Ablacken der Haftmaske vorgenommen.
Nach der Beschichtung mit Si3N4 und einem Photolithographie-Schritt wird das Planarfenster für das Senderelement freigeätzt.
15
Die technologischen Schritte Plasmaätzen und Plasmastrippen bereiten die nachfolgende Diffusionsbehandlung und die Schaffung des pn-Überganges 3 des Senders vor.
0 Mit einem weiteren photolithographischen Schritt wird das Planarfenster 2 für den Kontakt der Photodiode geöffnet. Nach dem Entfernen von Oxidresten mittels Nachätzen wird die AIuminiumbedampfung für die p-Kontakte 5 von Sender- und Empfängerelement durchgeführt. Durch eine spezielle Maskierung werden dann die einzelnen p-Kontakte 5 für den Sender und den Empfänger hergestellt.
Die Verhinderung des Übersprechens zwischen dem pn-übergang für den Sender und dem des Empfängers erfolgt durch das Vor-0 sehen von speziellen Kontaktwinkeln 6, z.B. mittels Sputtern,
im lateralen Layout. Auf der nicht mit Kontakten 5 versehenen Fläche der Empfängerbereiche El und E2 ist eine Antireflexionsschicht 7 aufgebracht, so daß auch rückseitiger Lichteinfall nicht störend ist.
35
Der gemeinsame n-Kontakt 4 von Sender- und Empfängerelement wird durch eine AuGe-Bedampfung des n-GaAs-Substrates 1 ausgebildet.
Durch einen weiteren Kontaktausbildungsprozeß ist es möglich, ausgehend von einer Grundstruktur eine auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnittene Festverdrahtung der Einzelelemente, d.h. der Sender- und Empfängerabschnitte des Chips durchzuführen. Dies kann z.B. mittels sogenannter "hängender Kontakte" erfolgen.
Zur Realisierung des einzelnen Ansteuerns der Sender- und/oder der Empfängerelemente kann jedoch eine einzelne p-Kontaktierung mittels Drahtbonden auf einem Trägerstreifen erfolgen.
In den Fig. 2a bis 2d sind mögliche Zeilenanordnungen dargestellt. Die einfachste Konfiguration nach Fig. 2a besteht darin, daß ein Empfänger- und ein Senderelement unmittelbar benachbart nebeneinander liegend, ausgebildet sind.
Zum besseren Verständnis des Größenvergleiches sei erwähnt, daß ein derartiger monolithischer Sender/Empfängerchip nicht oder nur unwesentlich größer als der für eine herkömmliche diskrete LED-Anordnung erforderliche Chip ist.
Eine Verbesserung der Strahlungshomogenität und eine Auflösungserhöhung ohne zusätzliche mechanische Bewegung zwischen der Sensoranordnung und dem zu untersuchenden Objekt, ist beispielsweise durch die Zeilenanordnungen nach Fig. 2b bis 0 2d möglich, wobei diese dadurch gekennzeichnet sind, daß entweder einem Senderelement benachbart Empfängerelemente angeordnet sind, oder, jeweils alternierend, Sender- und Empfängerelemente ausgebildet werden.
Die Fig. 3 offenbart die mögliche Anordnung von Sender- und Empfängerelementen in einer Flächenmatrix. Durch die Auswahl einer der dargestellten Konfigurationen ist es möglich, die Sensoranordnung an die unterschiedlichsten zu erwartenden Eigenschaften der zu untersuchenden biologischen und technischen Strukturen anzupassen. D.h., es können gleichzeitig mehrere Meßstellen abgetastet werden.
Der alternierende Wechsel zwischen Sender- und Empfängerelementen kann auch in vorgegebenen beliebigen Gruppen erfolgen. D.h., es können z.B. mehrere Sender- und/oder Empfängerelemente in Gruppen größer als 1 zusammengefaßt werden, wobei sich diese Gruppen zyklisch abwechseln. Dies ist in den Figuren 3b - 3d prinzipiell dargestellt.
15
Mittels der gekreuzten Zeilenanordnung nach Fig. 4 kann bei relativ geringem Aufwand bzw. Anforderungen an die Auswerteelektronik ein größerer Bereich mikro-diagnostiziert werden.
Ein ähnlicher Vorteil entsteht, wenn eine monolithische Anordnung von Sendern und Empfängern, wie in Fig. 5 offenbart, gewählt wird. Allen vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß der Abstand der einzelnen Elemente untereinander durch die innewohnenden halbleitertechnologischen Vorteile stets in vorgegebenen Maße gleich gewählt werden kann. Ausgehend von den Strahlungseigenschaften der jeweiligen strahlenden pn-Übergänge erfolgt eine homogene Ausleuchtung der zu untersuchenden Struktur oder des zu untersuchenden Objektes, die mit herkömmlichen diskreten Anordnungen nicht zu erreichen ist.
Durch die Anordnung des pn-Überganges für das Senderelement unterhalb des pn-Überganges für das Empfängerelement wird ein ausreichender Schutz gegen optisches Übersprechen erreicht. 35
Durch den gemeinsamen &eegr;-Kontakt können die Außenanschlüsse der komplexen monolithischen Sensoranordnung minimiert werden, wodurch die Aufwendungen für den Zyklus II, nämlich das Verkappen des Bauelementes geringer werden und eine nachgeschaltete Auswerte-Elektronik einfacher aufgebaut werden kann.

Claims (8)

Schutzansprüche
1. Sensoranordnung, insbesondere zur Untersuchung von biologischen und technischen Strukturen mittels in einer Ebene angeordneten photoelektrischen Sendern und Empfängern dadurch gekennzeichnet,
5 daß eine monolithische, galvanisch nicht entkoppelte optoelektronische Sender/Empfängerstruktur in bzw. auf einem Halbleiter-Substrat vorhanden ist.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1 und 2, 10 dadurch gekennzeichnet, daß die monolithische Sender-/Empfängerstruktur aus halbleitenden-pn-Übergängen gebildet ist, welche Strahlungsquanten aussenden oder empfangen können.
15
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der monolithisch ausgebildeten pn-Über-
-2-
gänge der Senderelemente unterhalb derer der Empfängerelemente liegen.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die monolithische Sender-/Empfängerstruktur aus einer alternierenden Folge von lichtaussendenden und -empfangenden halbleitenden-pn-Übergängen besteht.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die monolithische Sender- und Empfängerstruktur zur Bildung einer Matrix in X- und Y-Richtung aus einer alternierenden Folge von lichtaussendenden und -empfangenden halbleitenden-pn-Übergängen besteht.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die monolithische Sender-/Empfängerstruktur aus einer alternierenden Folge von lichtaussendenden und -empfangenden halbleitenden-pn-Übergängen besteht, die in regelmäßigem Abstand auf konzentrischen Kreisen angeordnet sind.
7. Sensoranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die monolithische Sensor-/Empfängerstruktur aus einem Verbindungshalbleiter besteht.
8. Sensoranordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungshalbleiter ein Halbleiter aus der AIII BV-Gruppe ausgewählt ist.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996022728A1 (en) * 1995-01-27 1996-08-01 Johnson & Johnson Medical Inc. Non-invasive medical sensor
DE102010038186A1 (de) * 2010-10-14 2012-04-19 Sick Ag Optoelektronischer Sensor mit Linienanordnung von Einzelemittern
JP2016128802A (ja) * 2015-01-06 2016-07-14 株式会社リコー 光学センサ、光学検査装置、及び光学特性検出方法

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