DE102022116877A1

DE102022116877A1 - Optoelektronischer drucksensor

Info

Publication number: DE102022116877A1
Application number: DE102022116877.8A
Authority: DE
Inventors: Jakob Lindenthal; Johannes BENDUHN; Karl Leo
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2022-07-06
Filing date: 2022-07-06
Publication date: 2024-01-11

Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein optoelektronischer Drucksensor (100) bereitgestellt, welcher aufweist: einen optischen Resonator (110), aufweisend mindestens zwei (dielektrische) Spiegelschichtstrukturen (112, 114), die in einem Abstand voneinander angeordnet sind; eine Strahlungsquelle (120) zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung (120e), wobei der optische Resonator (110) und die Strahlungsquelle (120) derart eingerichtet sind, dass die erzeugte elektromagnetische Strahlung (120e) in den optischen Resonator (110) eingekoppelt wird; eine kompressible Schicht (130), welche in dem optischen Resonator (110) derart angeordnet ist, dass zumindest eine Eigenschaft des optischen Resonators (110) variiert wird, wenn aufgrund eines äußeren Druckes die kompressible Schicht (130) komprimiert und/oder ausgedehnt wird, und einen außerhalb des optischen Resonators (110) angeordneten optischen Sensor (140) zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung, welche aus dem optischen Resonator (110) austritt.

Description

Verschiedene Ausführungsformen betreffen einen optoelektronischen Drucksensor.
Im Allgemeinen können optoelektronische Drucksensoren in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Zahlreiche verschiedenen Drucksensoren mit unterschiedlichen Prinzipien sind bereits bekannt. Dazu gehören auch Piezosensoren, welche derzeit zu den kleinsten und energieeffizientesten Sensoren zählen. Allerding ist die Genauigkeit der Piezosensoren, welche in der Regel bis zu 5 % liegt, für einige Anwendungen nicht ausreichend hoch. Andere Drucksensoren, welche womöglich genauere Messergebnisse liefern, sind häufig schwer und voluminös.
Verschiedenen Ausführungsformen betreffen einen optoelektronischen Drucksensor, welcher kompakt, zuverlässig, und energieeffizient sein kann, wobei der optoelektronische Drucksensor anschaulich eine verbesserte Messgenauigkeit und eine verbesserte Lebensdauer haben kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der optoelektronische Drucksensor aufgrund seinem einfachen strukturellen Aufbau in einer weiten Druckspanne, beispielsweise abhängig von den Anwendungsbereichen des optoelektronischen Drucksensors, skalierbar sein.
In verschiedenen Aspekten wird ein optoelektronischer Drucksensor bereitgestellt. Der optoelektronische Drucksensor kann einen optischen Resonator; eine Strahlungsquelle zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung; eine kompressible Schicht, und einen außerhalb des optischen Resonators angeordneten optischen Sensor zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung aufweisen, welche aus dem optischen Resonator austreten kann. Der optische Resonator kann mindestens zwei dielektrische Spiegelschichtstrukturen aufweisen, die in einem Abstand voneinander angeordnet sein können. Der optische Resonator und die Strahlungsquelle können derart eingerichtet sein, dass die erzeugte elektromagnetische Strahlung in den optischen Resonator eingekoppelt werden kann. Die kompressible Schicht kann in dem optischen Resonator derart angeordnet sein, dass zumindest eine Eigenschaft des optischen Resonators variiert werden kann, wenn aufgrund eines äußeren mechanischen Druckes die kompressible Schicht komprimiert und/oder ausgedehnt wird.
Somit wird anschaulich in verschiedenen Ausführungsformen ein kompakter, zuverlässiger, und energieeffizienter optoelektronischer Drucksensor bereitgestellt, welcher anschaulich eine verbesserte Messgenauigkeit und eine verbesserte Lebensdauer haben kann, und welcher einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweisen kann. Dies kann den Vorteil haben, dass die Herstellungskosten niedrig gehalten werden können, und dass die Dimension des optoelektronischen Drucksensors auf einfache Weise an die jeweiligen Einsatzbereiche angepasst werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die kompressible Schicht zwischen den zwei dielektrischen Spiegelschichtstrukturen angeordnet sein, wobei die kompressible Schicht beispielsweise die einzige kompressible Funktionsschicht zwischen den zwei Spiegelschichtstrukturen sein kann.
Der erfindungsgemäße optoelektronische Drucksensor ist eingerichtet zum Messen eines äußeren mechanischen Druckes mittels Lichtabsorption basierend auf einer kompressiblen optischen (Mikro)Kavität. Dabei kann eine einzige kompressible Funktionsschicht beispielsweise ausreichend sein, um den auf dem optoelektronischen Drucksensor ausgeübten äußeren mechanischen Druckes mit hoher Genauigkeit effizient ermitteln zu können. Somit kann der optoelektronische Drucksensor einen einfachen Aufbau aufweisen, wobei beispielsweise dadurch die Herstellungskosten des optoelektronischen Drucksensors niedrig gehalten werden können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der optoelektronische Drucksensor ferner eine wellenlängenabhängige absorbierende Schicht aufweisen, welche in dem optoelektronischen Drucksensor derart angeordnet sein kann, dass zumindest ein Teil der elektromagnetischen Strahlung, welche durch den optischen Resonator durchgehen kann, von der wellenlängenabhängigen absorbierenden Schicht absorbiert sein oder werden kann.
Dies kann die Empfindlichkeit des optoelektronischen Drucksensors auf Druckänderungen des auf dem optoelektronischen Drucksensor ausgeübten mechanischen Druckes, beispielsweise auch Druckänderungen vom geringsten Umfang, erhöhen, und somit eine verbesserte Messgenauigkeit, welche beispielsweise für Internet of Things- und/oder Systemon-Chip-Anwendungen wünschenswert oder erforderlich sein können, ermöglichen, wobei aufgrund dem einfachen Aufbau der optoelektronische Drucksensor kompakt bleiben kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die absorbierende Schicht zwischen dem optischen Resonator und dem optischen Sensor angeordnet sein.
Dies kann den Vorteil haben, dass eine Übertragung einer elastischen und/oder plastischen Verformung der kompressiblen Schicht, welche aufgrund des auf dem optoelektronischen Drucksensor ausgeübten äußeren mechanischen Druckes durch das Komprimieren oder Ausdehnen der kompressiblen Schicht vorkommen kann, auf die absorbierende Schicht reduziert oder verhindert werden kann. Somit können Scherspannungen auf die absorbierende Schicht reduziert oder verhindert werden. Dadurch kann die Lebensdauer des optoelektronischen Drucksensors erhöht werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der optoelektronische Drucksensor ferner einen transparenten Träger aufweisen, welcher derart konfiguriert sein kann, dass ein mechanischer Druck, welcher auf den optischen Resonator ausgeübt sein oder werden kann, im geringeren Teil oder nicht auf den optischen Sensor übertragen werden kann.
Dies kann den Vorteil haben, dass die Bauteile des optoelektronischen Drucksensors, welche mittels des transparenten Trägers von der kompressiblen Schicht getrennt sind, eine verbesserte mechanische Entkopplung mit der kompressiblen Schicht aufweisen können, wobei die Lebensdauer des optoelektronischen Sensors dadurch erhöht werden kann.
Ausführungsformen sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen

1 eine schematische Querschnittansicht eines optoelektronischen Drucksensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2A-2B schematische Querschnittansichten eines optoelektronischen Drucksensors, welcher ferner eine absorbierende Schicht aufweist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
3 eine schematische Querschnittansicht eines optoelektronischen Drucksensors, welcher ferner einen transparenten Träger aufweist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
4 eine schematische Querschnittansicht eines optoelektronischen Drucksensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
5 eine Graphik über den Transmissionsgrad der elektromagnetischen Strahlung abhängig von der Wellenlänge, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
6 eine schematische Querschnittansicht eines optoelektronischen Drucksensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
1 veranschaulicht eine schematische Querschnittansicht eines optoelektronischen Drucksensors, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der optoelektronische Drucksensor 100 aufweisen einen optischen Resonator 110, eine Strahlungsquelle 120 zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung 120e, wobei der optische Resonator 110 und die Strahlungsquelle 120 derart eingerichtet sein können, dass die erzeugte elektromagnetische Strahlung 120e in den optischen Resonator 110 eingekoppelt werden kann, eine kompressible Schicht 130, welche in dem optischen Resonator 110 derart angeordnet sein kann, dass zumindest eine Eigenschaft des optischen Resonators 110 variiert wird, wenn aufgrund eines äußeren mechanischen Druckes die kompressible Schicht 130 komprimiert und/oder ausgedehnt wird, und einen außerhalb des optischen Resonators 110 angeordneten optischen Sensor 140 zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung, welche aus dem optischen Resonator 110 austritt.
Der optische Resonator 110 kann mindestens zwei dielektrische Spiegelschichtstrukturen 112, 114 aufweisen, die in einem Abstand voneinander angeordnet sein können. In verschiedenen Ausführungsformen können die jeweiligen Spiegelschichtstrukturen 112, 114 eine oder mehrere Spiegelschichten aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der optoelektronische Drucksensor 100 zum Messen eines äußeren mechanischen Druckes mittels Lichtabsorption basierend auf einer kompressiblen optischen (Mikro)Kavität eingerichtet sein. Das Licht (oder allgemein die elektromagnetische Strahlung) kann anschaulich zwischen den mindestens zwei dielektrischen Spiegelschichtstrukturen 112, 114 gefangen (und beispielsweise zu mindestens 99% jeweils reflektiert) werden. Somit kann sich beispielsweise eine stehende Welle in Abhängigkeit des Abstands der mindestens zwei Spiegelschichtstrukturen voneinander einstellen, und somit kann ein entsprechender Cavity-Mode (bzw. Grenzflächenzustand) entstehen. Auf kleinste Veränderungen der Schichtdicke der kompressiblen Schicht 130, die den Abstand zwischen zwei Spiegelschichtstrukturen 112, 114 voneinander verändern kann, kann die stehende Welle sehr empfindlich durch Veränderung der Wellenlänge reagieren, und den Cavity-Mode entsprechend verändern. In verschiedenen Ausführungsformen kann sich das Transmissionssignal, welches aus dem optischen Resonator 110 austreten kann, abhängig von dem Cavity-Mode verändern. Das Transmissionssignal kann anschließend von dem optischen Sensor 140 detektiert und in ein elektrisches Messsignal umgewandelt und ausgewertet werden. Somit kann eine Veränderung der Schichtdicke der kompressiblen Schicht, welche die in dem optischen Resonator bevorzugte Wellenlänge verändert kann, auch das elektrische Messsignal verändern.
Somit kann anschaulich der optoelektronische Drucksensor 100 aufgrund einer Dickenänderung der kompressiblen Schicht 130 drucksensitiv sein, und ein elektrisches Signal kann von dem optischen Sensor 140 ausgegeben werden, welches den Druck bzw. die Druckänderung repräsentiert. Dieses Funktionsprinzip kann bis zu einer Messgenauigkeit von ungefähr 1% ermöglichen.
Dadurch, dass der optoelektronische Drucksensor auf einem Cavity-Mode basieren kann, dessen Wellenlänge sensitiv auf Druck reagieren kann, kann der optoelektronische Drucksensor einen einfachen Aufbau aufweisen. Somit kann der optoelektronische Drucksensor beispielsweise kompakt gestaltet sein, wobei die Herstellungskosten beispielsweise niedrig gehalten werden können, und der optoelektronische Drucksensor energieeffizient sein kann.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen optoelektronischen Drucksensors kann beispielsweise sein, dass die Dimension des optoelektronischen Drucksensors auf einfache Weise an jeweilige Einsatzbereiche angepasst werden kann. Beispielsweise aufgrund seiner Kompaktheit kann eine einfache Integrierbarkeit des optoelektronischen Drucksensors in mikroelektronischen Systemen ermöglicht werden, wobei der optoelektronische Drucksensor, beispielsweise für Industrieroboter, Druckveränderungen in einem Bereich von 0,1 kPa bis 100 kPa gemessen oder detektiert werden kann. Alternativ kann der optoelektronische Drucksensor für Anwendungen mit Druckveränderungen in einem Bereich von 1 MPa bis 100 MPa ausgebildet oder geeignet sein, beispielsweise als Drucksensor für Brücken.
Angrenzend an den optischen Resonator 110 (z.B. auf einer der mindestens zwei dielektrischen Spiegelschichtstrukturen 112, 114) kann die Strahlungsquelle 120 angeordnet sein. Beispielsweise kann die Strahlungsquelle 120 außerhalb des optischen Resonators 110 angeordnet sein, beispielsweise an einer Seite des optischen Resonators 110, welche zu der Seite, an welcher der optischen Sensor 140 angeordnet ist, gegenüberliegt. Der optische Resonator 110 und die Strahlungsquelle 120 können derart eingerichtet sein, dass die von der Strahlungsquelle 120 erzeugte elektromagnetische Strahlung 120e (z.B. Licht) in den optischen Resonator 110 eingekoppelt und/oder eingebracht werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Strahlungsquelle 120 mindestens zwei Elektroden sowie eine zwischen den mindestens zwei Elektroden angeordnete Emissionsschicht zum Erzeugen der elektromagnetischen Strahlung aufweisen. Dabei kann die Strahlungsquelle 120 beispielsweise ein LED-Schichtstapel oder ein OLED(organische, lichtemittierende Diode)-Schichtstapel sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die kompressible Schicht 130 zwischen den zwei dielektrischen Spiegelschichtstrukturen 112, 114 angeordnet sein. Beispielsweise kann die kompressible Schicht 130 die einzige kompressible Funktionsschicht sein, welche zwischen den zwei Spiegelschichtstrukturen 112, 114 sein kann. Als kompressible Schicht kann beispielsweise ein kompensierbares Polymer verwendet werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die kompressible Schicht 130 im direkten Kontakt mit einer der mindestens zwei Spiegelschichtstrukturen 112, 114 angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die kompressible Schicht 130 in dem optischen Resonator 110, d.h. zwischen den mindestens zwei dielektrischen Spiegelschichtstrukturen 112, 114, derart angeordnet sein, dass zumindest eine Eigenschaft des optischen Resonators 110 variiert werden kann, wenn die kompressible Schicht 130 komprimiert (aufgrund eines äußeren mechanischen Druckes D) und/oder ausgedehnt Δd wird. Dabei kann die Eigenschaft des optischen Resonators 110, die variiert werden kann, wenn die kompressible Schicht 130 komprimiert oder ausgedehnt wird, beispielsweise die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung sein, die sich in dem optischen Resonator 110 bevorzugt ausbildet.
Die elektromagnetische Strahlung, die zwischen den mindestens zwei dielektrischen Spiegelschichtstrukturen 112, 114 eingefangen und/oder ausgebildet werden kann, kann von den mindestens zwei dielektrischen Spiegelschichtstrukturen 112, 114 beispielsweise zu mehr als 90 %, beispielsweise 99 %, reflektiert werden. Dadurch kann sich mindestens eine Mode (Cavity-Mode), beispielsweise in Abhängigkeit der Gesamtschichtdicke des optischen Resonators 110, ausbilden.
Anschaulich kann der optische Resonator 110 aufgrund einer Dickenänderung der kompressiblen Schicht 130 drucksensitiv sein, und die in dem optischen Resonator 110 bevorzugt ausbildete(n) Wellenlänge(n) der elektromagnetischen Strahlung kann bzw. können aus dem optischen Resonator 110 austreten, wobei zumindest ein Teil der ausgetretenen elektromagnetischen Strahlung von dem optischen Sensor 140 detektiert werden kann.
Ein elektrisches Signal kann somit von dem optischen Sensor 140 ausgeben werden, welches den Druck bzw. die Druckänderung repräsentieren kann. Bei Veränderungen der Gesamtschichtdicke, beispielsweise des Abstands zwischen den mindestens zwei Spiegelschichtstrukturen 112, 114, kann die Mode sehr empfindlich reagieren, so dass Veränderungen des auf dem optoelektronischen Drucksensor ausgeübten mechanischen Druckes analysiert werden können, die beispielsweise nur eine geringe Intensität aufweisen, und/oder dass Druckveränderungen beispielsweise sehr schnell und/oder genau analysiert werden können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der optische Sensor 140 derart eingerichtet sein, dass sich das erzeugte elektrische Signal (z.B. eine erzeugte elektrische Spannung) V_out verändern kann, wenn sich die Wellenlänge(n) der auf den optischen Sensor 140 einfallenden elektromagnetischen Strahlung verändert bzw. verändern. Anschaulich kann der optische Sensor 140 wellenlängensensitiv sein. Wenn ein äußerer mechanischer Druck auf dem optoelektronischen Drucksensor 100 ausgeübt wird, kann sich der Abstand der mindestens zwei dielektrischen Spiegelschichtstrukturen 112, 114 voneinander aufgrund der Kompression Δd der kompressiblen Schicht 130 verändern. Somit kann sich auch die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die sich in dem optischen Resonator 110 bevorzugt ausbilden kann, verändern. Anschaulich kann somit mittels des optischen Sensors 140 (z.B. mittels einer organischen Photodiodenschicht, z.B. einer organischen Solarzellenschicht) der auf den optoelektronischen Drucksensor 100 ausgeübte mechanische Druck in ein entsprechendes elektrisches Signal V_out umgewandelt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der optische Sensor 140 derart eingerichtet sein, dass ein erstes elektrisches Signal erzeugt werden kann, wenn der optische Resonator 110 eine erste Eigenschaft (beispielsweise die Wellenlänge(n) der elektromagnetischen Strahlung, die sich in dem optischen Resonator 110 bevorzugt ausbilden kann bzw. können) hat und ein zweites elektrisches Signal erzeugt werden kann, wenn der optische Resonator 110 eine zweite Eigenschaft hat, wobei das erste Signal verschieden von dem zweiten Signal ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der optoelektronische Drucksensor 100 mehrere optische Sensoren 140 aufweisen, wenn es zweckmäßig von Vorteil ist.
2A-2B veranschaulichen schematische Querschnittansichten von alternativen optoelektronischen Drucksensoren 200A, 200B, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die optoelektronischen Drucksensoren 200A, 200B dieser Ausführungsformen ähneln weitgehend derjenigen der 1, wie mit gleichen Bezugszeichen angegeben, wobei im Vergleich zu dem optoelektronischen Drucksensor 100 der 1 die optoelektronischen Drucksensoren 200A, 200B ferner eine absorbierende Schicht 150 (z.B. einem Lichtleiter) aufweisen. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen der 2A-2B identisch mit der Ausführungsform der 1 konfiguriert sind und identisch funktionieren, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die absorbierende Schicht 150 derart ausgebildet sein, dass sie spezifischen Wellenlängen absorbieren kann. In verschiedenen Ausführungsformen kann die wellenlängenabhängige absorbierende Schicht 150 in dem optoelektronischen Drucksensor 200A, 200B derart angeordnet sein, dass zumindest ein Teil der elektromagnetischen Strahlung 120e, welche durch den optischen Resonator 110 durchgehen kann, von der wellenlängenabhängigen absorbierenden Schicht 150 absorbiert sein oder werden kann, beispielsweise bevor das zumindest eine Teil der elektromagnetischen Strahlung den optischen Sensor 140 erreichen kann und/oder von dem optischen Sensor 140 detektiert werden kann.
Die absorbierende Schicht 150 in dem optoelektronischen Drucksensor 200A, 200B kann ermöglichen, dass das Transmissionsspektrum der elektromagnetischen Strahlung, welche von dem optischen Sensor 140 detektiert werden kann, schärferer Peaks aufweisen kann. Dadurch kann die Empfindlichkeit des optoelektronischen Drucksensors 200A, 200B auf Druckveränderungen erhöht werden, und somit können die Anforderungen an den optischen Sensor 140 bezüglich der Empfindlichkeit an Wellenlängenverschiebungen und/oder Veränderungen in der Intensität der Wellenlängen reduziert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die absorbierende Schicht 150 ein polymeres Material aufweisen oder daraus bestehen.
Wie in dem optoelektronischen Drucksensor der 1, wenn ein mechanischer Druck auf den optoelektronischen Drucksensor 200 ausgeübt wird, kann sich der Abstand der mindestens zwei dielektrischen Spiegelschichtstrukturen 112, 114 voneinander aufgrund der Kompression Δd der kompressiblen Schicht 130 verändern, beispielsweise kleiner werden. Dadurch kann die Wellenlänge, welche sich bevorzugt in dem optischen Resonator 110 ausbilden kann, verändern bzw. verringern. Dabei kann die resultierende optische Mode beispielsweise von der absorbierenden Schicht 150 unterschiedlich bzw. stärker absorbiert werden. Dies kann dazu führen, dass sich das Teil der elektromagnetischen Strahlung, welche von dem optischen Sensor 140 detektiert werden kann, verändern kann. Da die Absorption des Lichts mittels der absorbierenden Schicht 150 wellenlängenabhängig ist, kann eine Veränderung der Schichtdicke der kompressiblen Schicht 130, welche die Wellenlänge verändert, damit auch das elektrische Messsignal verändern.
5 zeigt eine Graphik über den Transmissionsgrad der elektromagnetischen Strahlung, welche beispielsweise von dem optischen Sensor detektiert werden kann, abhängig von der Wellenlänge, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die durchgezogene Kurve stellt das Transmissionsspektrum dar, welches detektiert wird, wenn der mechanische Druck 6,25 MPa beträgt. Die gestrichelte Kurve stellt das Transmissionsspektrum dar, welches detektiert wird, wenn der mechanische Druck 6,88 MPa beträgt. Wie in 5 veranschaulicht, können sich die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung, welche von der absorbierenden Schicht 150 durchgelassen werden und/oder nicht absorbiert werden, aufgrund der Veränderung des auf dem optoelektronischen Drucksensor ausgeübten Druckes beispielsweise in dem Transmissionsspektrum verschieben. Alternativ oder zusätzlich kann sich die Intensität der Peaks der Wellenlängen, welche von der absorbierenden Schicht 150 blockiert werden und/oder absorbiert werden, verringern.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die absorbierende Schicht 150 innerhalb des optischen Resonators 110 angeordnet sein. Wie in 2A veranschaulicht, kann die absorbierende Schicht 150 in dem optoelektronischen Drucksensor 200A in verschiedenen Ausführungsformen zwischen den mindestens zwei dielektrischen Spiegelschichtstrukturen 112, 114 angeordnet sein. Beispielsweise kann die absorbierende Schicht 150 zwischen einer dielektrischen Spiegelschichtstruktur 112, 114 der mindestens zwei dielektrischen Spiegelschichtstrukturen 112, 114 und der kompressiblen Schicht 130 angeordnet sein. Dabei kann die die absorbierende Schicht 150 beispielsweise im direkten (körperlichen) Kontakt mit einer der mindestens zwei dielektrischen Spiegelschichtstrukturen 112, 114 stehen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die absorbierende Schicht 150 außerhalb des optischen Resonators 110 angeordnet sein. Wie in 2B veranschaulicht, kann die absorbierende Schicht 150 in dem optoelektronischen Drucksensor 200B in verschiedenen Ausführungsformen zwischen dem optischen Resonator 110 und dem optischen Sensor 140 angeordnet sein.
Dies kann ermöglichen, dass eine Übertragung einer elastischen und/oder plastischen Verformung der kompressiblen Schicht 130, welche aufgrund des auf dem optoelektronischen Drucksensor 200A, 200B ausgeübten äußeren mechanischen Druckes durch das Komprimieren oder Ausdehnen der kompressiblen Schicht 130 vorkommen kann, auf die absorbierende Schicht 150 reduziert oder verhindert werden kann. Somit können Scherspannungen auf die absorbierende Schicht 150 reduziert oder verhindert werden. Dadurch kann die Lebensdauer des optoelektronischen Drucksensors 200A, 200B erhöht werden.
3 veranschaulicht eine schematische Querschnittansicht eines optoelektronischen Drucksensors 300, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Der optoelektronische Drucksensors 300 der 3 kann Ausführungsformen entsprechend den in den 1, 2A-2B beschriebenen Ausführungsformen aufweisen und/oder damit kombiniert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der optoelektronische Drucksensors 300 ferner einen transparenten Träger 160 aufweisen, welcher derart konfiguriert sein kann, dass ein mechanischer Druck, welcher auf den optischen Resonator 110 ausgeübt werden kann, im geringeren Teil oder nicht auf den optischen Sensor 140 übertragen werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der transparente Träger 160 derart eingerichtet sein, dass die elektromagnetische Strahlung 120e, welche aus dem optischen Resonator 110 und/oder aus der absorbierenden Schicht, wie in der 2B angeordnet, austreten kann, von dem transparenten Träger 160 mit einem hohen Transmissionsgrad transmittiert werden kann (optischer Lichtleiter). Dabei kann der transparente Träger 160 beispielsweise Glas oder Glasfaser aufweisen oder daraus bestehen.
Der transparente Träger 160 in dem optoelektronischen Drucksensor 300 kann den Vorteil haben, dass die Bauteile des optoelektronischen Drucksensors 300, welche mittels des transparenten Trägers 160 von der kompressiblen Schicht 130 getrennt oder entkoppelt sind, beispielsweise die absorbierende Schicht 150 und/oder der optische Sensor 140, eine verbesserte mechanische Entkopplung mit der kompressiblen Schicht 130 aufweisen können. Dadurch können die absorbierende Schicht 150 und/oder der optische Sensor 140 effizienter von der elastischen und/oder plastischen Verformung der kompressiblen Schicht 130 geschützt werden, wobei die Lebensdauer des optoelektronischen Sensors 300 dadurch erhöht werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der optoelektronische Drucksensor 100 ferner eine Druckentkopplungsstruktur aufweisen, welche derart eingerichtet sein kann, dass ein mechanischer Druck, welcher auf den optischen Resonator 110 wirken kann, im geringeren Teil oder nicht auf den optischen Sensor 140 übertragen werden kann. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Druckentkopplungsstruktur eingerichtet sein, Licht, welches aus dem optischen Resonator 110 austreten kann, zu dem optischen Sensor 140 zu leiten. Beispielsweise kann die Druckentkopplungsstruktur mindestens eins von Folgendem aufweisen: eine optisch transparente Schicht, einen optischen Lichtleiter, und/oder einen optischen Spiegel.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Druckentkopplung, beispielsweise mittels einer optisch transparenten Schicht, eines optischen Spiegels, und/oder eines optischen Lichtleiters etc., in analoger Weise zwischen der Strahlungsquelle 120 und des optischen Resonators 110 angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der optoelektronische Drucksensor derart eingerichtet sein, dass der mechanische Druck auf den ganzen Stapel aus Strahlungsquelle, optischem Resonator, und optischem Sensor wirken kann, beispielsweise wenn der optische Sensor, der optische Resonator und die Strahlungsquelle übereinander gestapelt sind.
Alternativ kann der optische Drucksensor gemäß verschiedenen Ausführungsformen derart eingerichtet sein, dass der mechanische Druck nur auf einige Bauteile des optoelektronischen Drucksensors wirken kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann beispielsweise der mechanische Druck nur auf den optischen Resonator und den optischen Sensor wirken, beispielsweise wenn die Strahlungsquelle versetzt (d.h. nicht im direkten Kontakt mit dem optischen Resonator) zu dem Stapel aus optischen Resonator und optischen Sensor angeordnet ist. Alternativ kann in analoger Weise der mechanische Druck nur auf den optischen Resonator wirken, beispielsweise wenn die Strahlungsquelle und der optische Sensor relativ zum optischen Resonator versetzt sind, oder nur auf die Strahlungsquelle und den optischen Resonator, beispielsweise wenn der optische Sensor zu dem Stapel aus Strahlungsquelle und optischen Resonator versetzt angeordnet ist. Dabei kann die elektromagnetische Strahlung beispielsweise mittels eines optischen Spiegels von der Strahlungsquelle bis zum optischen Sensor durch den optischen Resonator durchgehen.
4 veranschaulicht eine schematische Querschnittansicht eines optoelektronischen Drucksensors 400, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Der optoelektronische Drucksensor 400 der 4 kann Ausführungsformen entsprechend den in den 1, 2A-2B, 3 beschriebenen Ausführungsformen aufweisen und/oder damit kombiniert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der optoelektronische Drucksensor 400 eine Verkapselungsschicht 170, beispielweise in Form einer Membran, aufweisen, welche die Strahlungsquelle 120 vor Beschädigungen schützen kann. Beispielsweise kann der äußere mechanische Druck D auf dem optoelektronischen Drucksensor 400 auf einer Seite des optoelektronischen Drucksensors 400 ausgeübt werden, an welcher die Strahlungsquelle 120 angeordnet sein kann. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Verkapselungsschicht 170 derart eingerichtet sein, dass sie ferner die Bauteile des optoelektronischen Drucksensors 400 gegen Außeneinflüsse abschirmen kann. Dabei kann die Verkapselungsschicht 170 ein Material aufweisen, welches beispielsweise ein Polymer aufweisen oder daraus bestehen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das mittels des optischen Sensors 140 erzeugte elektrische Signal V_out anschließend auf einem auf dem optoelektronischen Drucksensor 400 befindlichen Transistor 180 verarbeitet werden.
6 veranschaulicht eine schematische Querschnittansicht eines optoelektronischen Drucksensors 500, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Der optoelektronische Drucksensor 500 der 6 kann Ausführungsformen entsprechend den in den 1, 2A-2B, 3 und 4 beschriebenen Ausführungsformen aufweisen und/oder damit kombiniert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der optoelektronische Drucksensor 500 Bolzen 190 zum gleichmäßigen Vorspannen des optoelektronischen Drucksensor 500 aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der optoelektronische Drucksensor 500 beispielsweise vor seinem Einsatz geeicht oder kalibriert werden. Die Eichung des optoelektronischen Drucksensors 500 kann von dem Anwendungsfall abhängig sein, z.B. ob permanente Lasten, wie in 5 dargestellt, vorher auf Null geeicht werden sollen.
Die Sensoreichung kann beispielsweise von besonderer Relevanz sein, beispielsweise um Prozessschwankungen zwischen den Batches von optoelektronischen Drucksensoren auszugleichen. Dadurch kann ermöglicht werden, dass sich alle optoelektronischen Drucksensoren unabhängig von der Produktionsgenauigkeit gleich verhalten können.
Im Folgenden werden einige Beispiele beschrieben, die sich auf das hierin Beschriebene und in den Figuren Dargestellte beziehen.
Beispiel 1 ist ein optoelektronischer Drucksensor, der optoelektronische Drucksensor aufweisend einen optischen Resonator, aufweisend mindestens zwei dielektrische Spiegelschichtstrukturen, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind; eine Strahlungsquelle zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung, wobei der optische Resonator und die Strahlungsquelle derart eingerichtet sind, dass die erzeugte elektromagnetische Strahlung in den optischen Resonator eingekoppelt wird; eine kompressible Schicht, welche in dem optischen Resonator derart angeordnet ist, dass zumindest eine Eigenschaft des optischen Resonators variiert wird, wenn aufgrund eines äußeren Druckes die kompressible Schicht komprimiert und/oder ausgedehnt wird; und einen außerhalb des optischen Resonators angeordneten optischen Sensor zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung, welche aus dem optischen Resonator austritt.
In Beispiel 2 kann der optoelektronische Drucksensor gemäß Beispiel 1 ferner optional eingerichtet sein, dass die kompressible Schicht zwischen den zwei dielektrischen Spiegelschichtstrukturen angeordnet ist.
In Beispiel 3 kann der optoelektronische Drucksensor gemäß Beispiel 1 oder 2 ferner optional eingerichtet sein, dass die kompressible Schicht die einzige kompressible Funktionsschicht zwischen den zwei Spiegelschichtstrukturen ist.
In Beispiel 4 kann der optoelektronische Drucksensor gemäß den Beispielen 1 bis 3 ferner optional eingerichtet sein, dass die kompressible Schicht im direkten Kontakt mit einer der mindestens zwei Spiegelschichtstrukturen angeordnet ist.
In Beispiel 5 kann der optoelektronische Drucksensor gemäß den Beispielen 1 bis 4 ferner optional eingerichtet sein, dass der optische Sensor eingerichtet ist, zumindest ein Teil der aus dem optischen Resonator ausgetretenen elektromagnetischen Strahlung in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
In Beispiel 6 kann der optoelektronische Drucksensor gemäß den Beispielen 1 bis 5 ferner optional eingerichtet sein, dass die jeweiligen Spiegelschichtstrukturen eine oder mehrere dielektrische Spiegelschichten aufweisen.
In Beispiel 7 kann der optoelektronische Drucksensor gemäß den Beispielen 1 bis 6 ferner optional eingerichtet sein, dass der optoelektronische Drucksensor ferner eine wellenlängenabhängige absorbierende Schicht aufweist, welche in dem optoelektronischen Drucksensor derart angeordnet ist, dass zumindest ein Teil der elektromagnetischen Strahlung, welche durch den optischen Resonator durchgeht, von der wellenlängenabhängigen absorbierenden Schicht absorbiert ist.
In Beispiel 8 kann der optoelektronische Drucksensor gemäß Beispiel 7 ferner optional eingerichtet sein, dass die absorbierende Schicht zwischen den mindestens zwei dielektrischen Spiegelschichtstrukturen angeordnet ist.
In Beispiel 9 kann der optoelektronische Drucksensor gemäß Beispiel 8 ferner optional eingerichtet sein, dass die absorbierende Schicht im direkten Kontakt mit einer der mindestens zwei dielektrischen Spiegelschichtstrukturen angeordnet ist.
In Beispiel 10 kann der optoelektronische Drucksensor gemäß Beispiel 7 ferner optional eingerichtet sein, dass die absorbierende Schicht zwischen dem optischen Resonator und dem optischen Sensor angeordnet ist.
In Beispiel 11 kann der optoelektronische Drucksensor gemäß den Beispielen 1 bis 10 ferner optional eingerichtet sein, dass der optoelektronische Drucksensor ferner einen transparenten Träger aufweist, welcher derart konfiguriert ist, dass ein mechanischer Druck, welcher auf den optischen Resonator ausgeübt ist, im geringeren Teil oder nicht auf den optischen Sensor übertragen wird.
In Beispiel 12 kann der optoelektronische Drucksensor gemäß Beispiel 11 ferner optional eingerichtet sein, dass der transparente Träger zwischen dem optischen Resonator und dem optischen Sensor angeordnet ist.
In Beispiel 13 kann der optoelektronische Drucksensor gemäß den Beispielen 1 bis 12 ferner optional eingerichtet sein, dass der optoelektronische Drucksensor ferner eine Druckentkopplungsstruktur aufweist, welche derart eingerichtet ist, dass ein mechanischer Druck, welcher auf den optischen Resonator wirkt, im geringeren Teil oder nicht auf den optischen Sensor übertragen wird.
In Beispiel 14 kann der optoelektronische Drucksensor gemäß Beispiel 13 ferner optional eingerichtet sein, dass die Druckentkopplungsstruktur eingerichtet ist, Licht, welches aus dem optischen Resonator austritt, zu dem optischen Sensor zu leiten.
In Beispiel 15 kann der optoelektronische Drucksensor gemäß Beispiel 13 oder 14 ferner optional eingerichtet sein, dass die Druckentkopplungsstruktur mindestens eins von Folgendem aufweist: eine optisch transparente Schicht, einen optischen Lichtleiter, und/oder einen optischen Spiegel.

Claims

Optoelektronischer Drucksensor (100, 200A, 200B, 300, 400, 500) aufweisend: einen optischen Resonator (110), aufweisend mindestens zwei Spiegelschichtstrukturen (112, 114), die in einem Abstand voneinander angeordnet sind; eine Strahlungsquelle (120) zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung (120e), wobei der optische Resonator (110) und die Strahlungsquelle (120) derart eingerichtet sind, dass die erzeugte elektromagnetische Strahlung (120e) in den optischen Resonator (110) eingekoppelt wird; eine kompressible Schicht (130), welche in dem optischen Resonator (110) derart angeordnet ist, dass zumindest eine Eigenschaft des optischen Resonators (110) variiert wird, wenn aufgrund eines äußeren Druckes die kompressible Schicht (130) komprimiert und/oder ausgedehnt wird, und einen außerhalb des optischen Resonators (110) angeordneten optischen Sensor (140) zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung, welche aus dem optischen Resonator (110) austritt.
Optoelektronischer Drucksensor (100, 200A, 200B, 300, 400, 500) nach Anspruch 1, wobei die kompressible Schicht (130) zwischen den zwei Spiegelschichtstrukturen (112, 114) angeordnet ist.
Optoelektronischer Drucksensor (100, 200A, 200B, 300, 400, 500) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die kompressible Schicht (130) die einzige kompressible Funktionsschicht zwischen den zwei Spiegelschichtstrukturen (112, 114) ist.
Optoelektronischer Drucksensor (100, 200A, 200B, 300, 400, 500) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die kompressible Schicht (130) im direkten Kontakt mit einer der mindestens zwei Spiegelschichtstrukturen (112, 114) angeordnet ist.
Optoelektronischer Drucksensor (100, 200A, 200B, 300, 400, 500) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der optische Sensor (140) eingerichtet ist, zumindest ein Teil der aus dem optischen Resonator (110) ausgetretenen elektromagnetischen Strahlung in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Optoelektronischer Drucksensor (100, 200A, 200B, 300, 400, 500) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die jeweiligen Spiegelschichtstrukturen (112, 114) eine oder mehrere dielektrische Spiegelschichten aufweisen.
Optoelektronischer Drucksensor (200A, 200B) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der optoelektronische Drucksensor (100) ferner eine wellenlängenabhängige absorbierende Schicht (150) aufweist, welche in dem optoelektronischen Drucksensor (100) derart angeordnet ist, dass zumindest ein Teil der elektromagnetischen Strahlung, welche durch den optischen Resonator (110) durchgeht, von der wellenlängenabhängigen absorbierenden Schicht (150) absorbiert ist.
Optoelektronischer Drucksensor (200A, 200B) nach Anspruch 7, wobei die absorbierende Schicht (150) zwischen den mindestens zwei Spiegelschichtstrukturen (112, 114) angeordnet ist.
Optoelektronischer Drucksensor (200A, 200B) nach Anspruch 8, wobei die absorbierende Schicht (150) im direkten Kontakt mit einer der mindestens zwei Spiegelschichtstrukturen (112, 114) angeordnet ist.
Optoelektronischer Drucksensor (200A, 200B) nach Anspruch 7, wobei die absorbierende Schicht (150) zwischen dem optischen Resonator (110) und dem optischen Sensor (140) angeordnet ist.
Optoelektronischer Drucksensor (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der optoelektronische Drucksensor (100) ferner einen transparenten Träger (160) aufweist, welcher derart konfiguriert ist, dass ein mechanischer Druck, welcher auf den optischen Resonator (110) ausgeübt ist, im geringeren Teil oder nicht auf den optischen Sensor (140) übertragen wird.
Optoelektronischer Drucksensor (300) nach Anspruch 11, wobei der transparente Träger (160) zwischen dem optischen Resonator (110) und dem optischen Sensor (140) angeordnet ist.
Optoelektronischer Drucksensor (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der optoelektronische Drucksensor (100) ferner eine Druckentkopplungsstruktur aufweist, welche derart eingerichtet ist, dass ein mechanischer Druck, welcher auf den optischen Resonator (110) wirkt, im geringeren Teil oder nicht auf den optischen Sensor (140) übertragen wird.
Optoelektronischer Drucksensor (300) nach Anspruch 13, wobei die Druckentkopplungsstruktur eingerichtet ist, Licht, welches aus dem optischen Resonator (110) austritt, zu dem optischen Sensor (140) zu leiten.
Optoelektronischer Drucksensor (300) nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Druckentkopplungsstruktur mindestens eins von Folgendem aufweist: eine optisch transparente Schicht, einen optischen Lichtleiter, und/oder einen optischen Spiegel.