專利名稱：光電傳感器的制作方法
技術(shù)現(xiàn)狀本發(fā)明涉及如獨(dú)立權(quán)利要求所述類型的光電傳感器。
各種光學(xué)測量技術(shù)的可行實(shí)施方式適用于火警技術(shù)中的光電管。一種技術(shù)就是MIRE(多次內(nèi)反射)/ATR(Atanuated全反射)，其中光如此被耦合到折射強(qiáng)的材料中，以致于光經(jīng)歷了全反射，并且一層薄膜沉淀到折射強(qiáng)的材料上，結(jié)果，耦合光的損耗場通過膜被吸收了。如果該薄膜接觸到分析物質(zhì)(被測氣體)，則薄膜的吸收性能改變，因而光的吸收也改變。因此，通過測量吸收情況，可以測量被測氣體的濃度，這是因?yàn)?，根?jù)氣體濃度的不同，薄膜改變其吸收性能。在這種情況下，一個(gè)必要條件是，只是損耗區(qū)一直延伸到薄膜并被吸入薄膜中。
另一種測量方法是透射測量。在這里，也測量吸收變化。在這種情況下，光透過接觸分析物的薄膜，其中，根據(jù)分析物而改變薄膜的吸收性能。通過利用和未利用分析物的對比測量，可以確定分析物。也可以使用沖洗液，以便在測量之間使分析物離開薄膜。
發(fā)明優(yōu)點(diǎn)相反，具有獨(dú)立權(quán)利要求特征的本發(fā)明的光電傳感器具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即光不必全反射地被耦合到光電管中，從而光以任一角度被耦合到光電管中，因?yàn)楣怆姽芫哂幸粋€(gè)鏡面，該鏡面又把在光電管邊緣上的光一直反射到光電管中。由此一來，可以將更大角用于光的耦合，從而從發(fā)光件經(jīng)過光電管到光敏傳感器的光路比只采用適用于全反射的角時(shí)長。因而，測量精度更高，因?yàn)榻柚怆姽艿墓廪D(zhuǎn)換作用可以通過更長的光路進(jìn)行?？梢越柚饷魝鞲衅黢R上查明進(jìn)入光電管中的分析氣體的測量結(jié)果。
更高的測量靈敏度可以被有利地用于在嬰兒中快速且簡單地識別黃疸病早期階段，其中檢驗(yàn)嬰兒呼出氣體中的一氧化碳含量。如果一氧化碳含量超過1.8ppm，則表示可能有黃疸病。本發(fā)明的光電傳感器馬上提供測量結(jié)果并可以開始進(jìn)行及時(shí)治療。
通過從屬權(quán)利要求所述的措施和改進(jìn)方案，可以有利地改善獨(dú)立權(quán)利要求所述的光電傳感器。
通過加入的金屬顆粒而在光電管材料外側(cè)上形成鏡面。這種方法簡單且可以容易地被整合到光電傳感器的制造過程中。
此外，通過用不透光材料覆蓋光電管材料而防止了由漏光引起的光射出。這抑制了漏光對測量的影響并因此提高了測量精度。
此外，光電管材料是聚合物是有利的，在所述聚合物中加入了顯示物質(zhì)。含顯示物質(zhì)的聚合物可以使得制造簡單，并且可以把光電管材料涂敷到半導(dǎo)體襯底上。
另外，在顯示物質(zhì)中含有顏料分子是有利的，這種分子導(dǎo)致了取決于氣體的耦合光的吸收。借助這種顏料分子，有利地以可逆方式顯示出了取決于氣體的吸收，隨后，根據(jù)測量吸收情況將這種吸收用于確定氣體濃度。
另外，聚合物采用不透光材料是有利的，這樣一來，使這種不透光層的制造工藝適應(yīng)光電管的制造工藝。由此簡化了整個(gè)生產(chǎn)過程。
另外，光敏傳感器和覆蓋它的光電管材料部分成扇形，圍繞發(fā)光件被布置成中心對稱的形式。這樣一來，來自發(fā)光件的光同時(shí)被分散并且被用于被光電管材料覆蓋的各個(gè)不同部分的測量。
因此，構(gòu)成光電傳感器的芯片可以是四方、5角、6角、7角或8角形的，它也可以是圓形的。此外，這樣的光電傳感器也可以包含少于或多于四個(gè)透射支路。
另外，有利的是，半導(dǎo)體襯底由n型導(dǎo)電硅構(gòu)成且光敏件由被整合到n型硅襯底中的p型導(dǎo)電硅構(gòu)成。這樣一來，光敏件就是光電二極管。發(fā)光件最好是發(fā)光二極管(LED)，但為了限定波長，也可以安裝多個(gè)LED。
另外，所構(gòu)成的光電管材料用于探測氮氧化物，從而通過具有光電傳感器的火警器定量探測以火焰為特征的氣體。這樣一來，可以基于本發(fā)明的光電傳感器的高測量靈敏度而實(shí)現(xiàn)火焰的早期發(fā)現(xiàn)。
此外，本發(fā)明的傳感器涂覆有氧化劑是有利的，該氧化劑被涂在基材上，這樣一來，避免了二氧化硫?qū)Ρ景l(fā)明傳感器的威脅。或者，本發(fā)明的傳感器具有濾除不希望有的氣體的分子篩。
在這種光電傳感器中，一些透射支路通過阻擋物被分開，從而這些透射支路不受來自光電管材料的漏光的影響。這個(gè)阻擋物的厚度可以被選擇成約等于中心的光敏傳感器的厚度。此外，對光不敏感(如果需要的話)的芯片的所有位置可以被制成鏡面形式，阻擋物側(cè)壁也是如此。為此，有利的是，采用了金屬化處理且最好是采用金。
此外，利用脈沖使發(fā)光件工作是有利的，這樣一來，減少了本發(fā)明的傳感器的功率吸收。
通過把各種不同的光電傳感器組合成一個(gè)傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)了用于被測氣體的高測量精度和大工作面積。為此，本發(fā)明的光電傳感器具有引線，這些引線用于驅(qū)動(dòng)發(fā)光件和光敏傳感器或截取測量信號。


在附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施例，在以下的說明中將對其進(jìn)行了詳細(xì)說明。
圖1是本發(fā)明的光電傳感器的橫截面示意圖。
圖2是本發(fā)明光電傳感器的示意性俯視圖。
具體說明光電傳感器(尤其是當(dāng)它是在半導(dǎo)體基礎(chǔ)上制成的時(shí)候)具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即它們的尺寸很小。通過光電管材料照射光，以便借助在光電管材料中的吸收來定量地確定氣體濃度，通過采用這樣的光電管材料，氣體與光電管材料的交換作用即光的吸收是這樣一段長度，即光通過光電管材料走完這段長度。路程越長，則由于氣體光電管材料吸收而引起的光衰減就越大。因此，其目的就是要提高光電管材料中的光路。光電管材料(如聚合物)中的全反射只允許這樣一個(gè)角度，即光必須至少在整個(gè)角度下被耦合，從而光不再在輸出光電管外被耦合。導(dǎo)致更長光路的陡角不再獲得全反射角，由光電管輸出耦合光。
因此，根據(jù)本發(fā)明，在外邊緣的光電管材料上設(shè)置一個(gè)鏡面，從而可以獲得光的幾乎所有的輸入耦合角，由此一來，獲得了更長的光路，光通過光電管材料走完這段光路。顯示物質(zhì)位于光電管材料中，它含有顏料分子。光電管材料本身是聚合物基材，它含有至少一種選自以下化合物的顯示物質(zhì)，即偶氮苯、乙酰苯、咕啉、卟啉、酞花氰、大環(huán)內(nèi)脂、卟啉原、無活菌素、氨基霉素和/或其與第一、第二、第五至第八副族的過渡金屬的化合物。這些物質(zhì)導(dǎo)致了在被測氣體如氮氧化物或一氧化碳的影響下，可逆地改變了吸收性能。但是，也可以利用這些顯示物質(zhì)來鑒別其它物質(zhì)如氨、水蒸汽、氧或酒精。在這里，建議用鉻離子電泳，在接觸被測氣體的情況下，它導(dǎo)致了色變并進(jìn)而導(dǎo)致了吸收性能的改變。
在圖1中，示出了本發(fā)明的光電傳感器的示意性橫截面。發(fā)光件1位于中央。在這里，發(fā)光件1是發(fā)光二極管(LED)。或者，也可以用激光二極管或小型燈或其它光源。在這里，代表性地示出了兩個(gè)來自發(fā)光件1的光束2、3。在這里，限制在幾何光學(xué)鏡組范圍內(nèi)就夠了。實(shí)際上，發(fā)光件1按照許多不同的角度發(fā)光。在這里，利用電脈沖來驅(qū)動(dòng)發(fā)光件工作，以便減少功率吸收。這導(dǎo)致了也可以只發(fā)射光脈沖。除了功率吸收小外，使用脈沖還具有以下優(yōu)點(diǎn)，即其中的熱效應(yīng)影響降低了。根據(jù)所用的發(fā)光件來選擇脈沖的適用頻率。
光束2、3射到光電管材料4的外邊緣上，光電管材料以一個(gè)小于全發(fā)射所需角度的角位于發(fā)光件1、一個(gè)半導(dǎo)體襯底10和光敏傳感器6上。這樣一來，光束2、3的光路比它在全反射條件下輸入耦合到光電管材料4中時(shí)長。由于光電管材料4直接位于發(fā)光件1上，所以確保了光的直接超臨界耦合。
在這里，如上所述，光電管材料4是含上述顯示物質(zhì)的聚合物。光電管表示光學(xué)傳感器。在這里，光電管材料4成光導(dǎo)體形式，光通過該光導(dǎo)體傳輸，其中光導(dǎo)體對光的吸收由氣體濃度來決定。通過選擇不同的顯示物質(zhì)，調(diào)節(jié)對應(yīng)氣體的吸收性能，例如，一氧化碳或氮氧化物的吸收性能。
在這里，光電管材料4也被稱為膜，因?yàn)樗竽つ菢颖煌扛苍诎l(fā)光件1、半導(dǎo)體襯底10和光敏傳感器6上。為了避免光電管材料4的光耦合，一個(gè)鏡面5位于該光電管材料4上。在這里，借助加入光電管材料4的聚合物中的金屬顆粒形成了鏡面5?；蛘?，也可以給光電管材料4蒸鍍上金屬膜，其中該金屬膜也可以利用涂覆技術(shù)被涂上去。
為了形成鏡面，把金屬顆粒加入光電管材料4聚合物中，這樣便能夠制造具有光電管材料鏡涂層的鏡面。光電管材料4的聚合物在液態(tài)下被涂到光導(dǎo)體1、半導(dǎo)體襯底10和光敏傳感器6上。通過干燥和/或加熱，聚合物轉(zhuǎn)變成固態(tài)。另一種聚合物或確切地說是一個(gè)不透光層9位于鏡面5上。該不透光層9的任務(wù)是擋住沒有被鏡面5反射到光電管材料4中的光，從而氣體濃度的測量沒有因射出來的漏光而被歪曲。不透光層9是如此設(shè)計(jì)，以致于它相對光電管材料4是惰性的，即不與其反應(yīng)或改變其性能。
在光敏傳感器6中，光電管材料4在其端部被倒圓，以便實(shí)現(xiàn)更好的輸入耦合到光敏傳感器中。
作為發(fā)光件1的LED1是通過摻雜物質(zhì)的擴(kuò)散或把LED1裝到半導(dǎo)體襯底10上而制成的。光敏傳感器6也能通過摻雜物質(zhì)在光敏傳感器6的要安裝位置上的擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)。隨后，元件通過硅半導(dǎo)體技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)工藝步驟如光刻、蝕刻、鈍化和金屬化來制造。在這里，n型導(dǎo)電硅作為半導(dǎo)體襯底10。為了制造作為光敏傳感器6的光電二極管，受體向著要制造光敏傳感器6的位置擴(kuò)散。由于它是硅，所以硼可以被用作受體。在這里，也可以進(jìn)行受體移植。
也可以適用半導(dǎo)體化合物代替硅，這些半導(dǎo)體化合物可以適用于發(fā)光元件。砷化物、磷化物、氮化物、銻化物和硅碳化物屬于這樣的半導(dǎo)體化合物。
不透光的聚合物9、鏡面5和光電管材料4允許被測氣體透過。
在圖2中，示出了本發(fā)明的光電傳感器的示意性俯視圖。發(fā)光件1位于傳感器中心的中央。透射臂8分別從發(fā)光件1伸出，通向光敏傳感器6。阻擋物7位于透射臂8之間，以防止漏光引起的串音。或者，可以采用多于四個(gè)的透射臂，在這里，也可以采用較少的透射臂。
但是，由發(fā)光件1發(fā)出的光的均勻分散能夠使最佳地利用光電傳感器表面成為可能。構(gòu)成光電管材料膜的透射臂8具有600微米-1200微米的長度和280微米的寬度以及10微米的厚度。發(fā)光件1與光敏傳感器6之間的距離應(yīng)盡可能地小。此外，由此一來，節(jié)省了芯片面積。因此，在尺寸給定的情況下，根據(jù)本發(fā)明，盡可能地延長了光路。
阻擋物7可以由半導(dǎo)體材料制成，它是絕緣的，不具有導(dǎo)電功能。阻擋物7還可以涂覆一金屬層，以便反射漏光?；蛘?，阻擋物7也由金屬或絕緣材料制成。因?yàn)樽钃跷?可以防止透射臂之間的串音，所以阻擋物7至少與LED一樣高。
通過組合各種不同的且在半導(dǎo)體襯底上制成的本發(fā)明光電傳感器，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)傳感器場即所謂的傳感器陣列。這使得同時(shí)用多個(gè)傳感器進(jìn)行測量以便產(chǎn)生更強(qiáng)的測量信號成為可能，因?yàn)橛霉怆姽懿牧细采w了更大的總面積并且這個(gè)總面積被用于測量分析。發(fā)光件1和光敏傳感器6通過中心電壓源或電流源來接受電壓或電流。載有測量信號的光敏傳感器6輸出信號被送往放大器。通過與本發(fā)明的光電傳感器相連的放大器，測量信號被放大，以便更好地計(jì)算分析。
由于光電傳感器也可以被用于火警器，其中最好將二氧化氮和/或一氧化碳或二氧化碳作為顯示火焰的氣體來探測，所以在這種情況下，必須保護(hù)傳感器不受危險(xiǎn)氣體的影響。這樣的危險(xiǎn)氣體主要是二氧化硫。二氧化硫會不可逆轉(zhuǎn)地威脅到光電管材料。為了分離二氧化硫和被測氣體如一氧化碳或二氧化碳，要利用二氧化硫到三氧化硫的氧化能力。三氧化硫不再是危險(xiǎn)氣體，因而沒有問題。在這里，采用了高錳酸鉀作為氧化劑，但是也可以采用其它氧化劑如鉻酸鹽。
二氧化碳和二氧化硫分離的另一種可能的方式是用分子篩。由于二氧化碳和二氧化硫在空間結(jié)構(gòu)方面明顯不同，所以分子篩區(qū)別地吸收它們。一個(gè)分子篩具有由管構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，在所述管的內(nèi)壁上涂覆了氧化劑。
權(quán)利要求
1.一種基于光電管的光電傳感器，它在一個(gè)半導(dǎo)體襯底上(10)具有多個(gè)分開的光敏傳感器(6)，并且在中心具有一個(gè)發(fā)光件(1)，其特征在于，發(fā)光件(1)和光敏傳感器(6)被一種透明的光電管材料覆蓋住，透明的光電管材料(4)在其背對半導(dǎo)體襯底(10)的那側(cè)上成鏡面化。
2.如權(quán)利要求1所述的光電傳感器，其特征在于，通過在透明光電管材料(4)中加入的金屬顆粒實(shí)現(xiàn)了鏡面化。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光電傳感器，其特征在于，透明的光電管材料(4)被一種不透光材料(9)覆蓋著。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的光電傳感器，其特征在于，透明的光電管材料(4)是聚合物，其中加入了顯示物質(zhì)。
5.如權(quán)利要求4所述的光電傳感器，其特征在于，顯示物質(zhì)含顏料分子。
6.如權(quán)利要求3、4或5所述的光電傳感器，其特征在于，不透光材料(9)是聚合物。
7.如前述權(quán)利要求之一所述的光電傳感器，其特征在于，光敏傳感器(6)和覆蓋它的光電管材料(8)部分成扇形圍繞發(fā)光件(1)地被布置成中心對稱形式。
8.如前述權(quán)利要求之一所述的光電傳感器，其特征在于，半導(dǎo)體襯底(10)是n型硅襯底，光敏傳感器(6)由p型硅構(gòu)成。
9.如前述權(quán)利要求之一所述的光電傳感器，其特征在于，光敏傳感器(6)是光電二極管，發(fā)光件是LED。
10.如前述權(quán)利要求之一所述的光電傳感器，其特征在于，光電管材料(4)被設(shè)計(jì)用于探測氮氧化物或一氧化碳。
11.如前述權(quán)利要求之一所述的光電傳感器，其特征在于，該傳感器涂覆有氧化劑，該氧化劑涂在基材上。
12.如前述權(quán)利要求之一所述的光電傳感器，其特征在于，光電傳感器具有分子篩。
13.如前述權(quán)利要求之一所述的光電傳感器，其特征在于，光電傳感器在透射支路之間具有阻擋物。
14.如前述權(quán)利要求之一所述的光電傳感器，其特征在于，發(fā)光件(1)可以利用電脈沖工作。
15.一種如權(quán)利要求1-14之一所述的氣體傳感器陣列，其特征在于，采用光電傳感器作為陣列元件。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于光電管而構(gòu)成的光電傳感器,它用于借助鏡面化光電管材料來實(shí)現(xiàn)光線被耦合到光電管材料中的幾乎所有的耦合角。這樣一來,獲得了比在全反射時(shí)更長的光路。因而,獲得了更高測量精度。在這里,這種光電管材料是聚合物,其中通過進(jìn)入聚合物中的金屬顆粒實(shí)現(xiàn)了鏡面化。發(fā)光件和光敏傳感器分別是LED和光電二極管。各種不同的光電傳感器可以被組合成一個(gè)氣體傳感器陣列。
文檔編號G01N21/77GK1366605SQ01800917
公開日2002年8月28日 申請日期2001年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月14日
發(fā)明者安德列亞斯·亨澤爾 申請人:羅伯特·博施有限公司