WO2001090712A1 - Device for determining or for monitoring the pressure or differential pressure of at least one process medium - Google Patents

Device for determining or for monitoring the pressure or differential pressure of at least one process medium Download PDF

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WO2001090712A1
WO2001090712A1 PCT/EP2001/005825 EP0105825W WO0190712A1 WO 2001090712 A1 WO2001090712 A1 WO 2001090712A1 EP 0105825 W EP0105825 W EP 0105825W WO 0190712 A1 WO0190712 A1 WO 0190712A1
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WO
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medium
pressure
resonator
laser
laserable
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PCT/EP2001/005825
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Dietfried Burczyk
Thomas Velten
Jörg Müller
Manfred Kasper
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Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg.
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/02Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/241Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet by photoelastic stress analysis

Definitions

  • the invention relates to a device for determining or monitoring the pressure or differential pressure of at least one process medium.
  • an optical force measuring device has become known, the main component of which is a laser, that is to say a laser-capable crystal, in particular a neodymium-doped YAG crystal, with mirrored end faces.
  • the laser is optically pumped using a laser diode.
  • the laserable crystal has photoelastic properties: if no force acts on the YAG crystal, it shows an isotropic behavior. In this case, isotropic behavior means that the light in the crystal 'sees' a refractive index that is independent of the polarization direction of the light.
  • the laser then emits coherent light of one wavelength.
  • the force measuring device can also be used to measure variables derived from the force, such as acceleration, pressure or mass.
  • the patent does not provide any information as to how the measuring device can be designed in concrete terms if it is to be used, for example, for pressure measurement.
  • the invention has for its object to propose a device for high-precision pressure or differential pressure measurement.
  • the device for determining / monitoring the pressure or differential pressure of at least one process medium has an energy supply unit, a laser-capable medium introduced into a resonator, a pressure-voltage converter and a reception / evaluation unit, the energy supply unit having the laser-capable one Pumps medium and stimulates laser activities, whereby either the laserable medium or, in addition to the laserable medium, a further medium introduced into the resonator in the unloaded state, if the same pressure acts on the laserable medium or the further medium on all sides, has isotropic properties and does so the resonator, the laser-capable medium and possibly the further medium introduced into the resonator are emitted laser radiation with a frequency dependent on the physical properties of the laser-compatible medium or the further medium, the pressure-voltage converter transmits the pressure or differential pressure to be measured of the at least one process medium to at least a portion of the laserable medium or the further medium, thereby defining a loaded state of the laserable medium or the further medium in which the iso
  • the pressure-voltage converter can be, for example, a plunger and / or an ideally incompressible liquid. If a plunger is used, the pressure or differential pressure acts on at least one membrane to which the plunger is attached, which then, depending on the pressure present, presses more or less strongly on the medium showing the photoelastic effect and induces mechanical stresses there. It is also possible that the pressure acts on a membrane which separates the process medium from the incompressible liquid, e.g. B. silicone oil separates. Then the pressure of the process medium is transferred to the incompressible liquid or the incompressible medium and from the incompressible medium to the medium which shows the photoelastic effect.
  • a membrane which separates the process medium from the incompressible liquid, e.g. B. silicone oil separates.
  • a membrane as such can also take on the function of a pressure-voltage converter. This configuration is a particularly preferred variant, which will be discussed in more detail below.
  • the laserable medium is, for example - as described in DE 43 22 291 C2 - a laserable Nd: YAG crystal, ie a neodymium-doped yttrium aluminum garnet crystal.
  • a Nd.YAG crystal has the required photoelastic properties.
  • the laserable material is preferably a laserable semiconductor material.
  • Suitable semiconductors are materials which, in accordance with a preferred embodiment of the device according to the invention, additionally show the photoelastic effect.
  • the semiconductor materials can be constructed on a gallium or silicon basis.
  • Another preferred laser-compatible material is LiNb0 3 .
  • the laserable medium also shows the photoelastic effect at the same time, this is nevertheless not a necessary requirement for the design of the pressure or differential pressure sensor according to the invention. It is also entirely possible to use a medium with photoelastic properties in addition to the laserable medium.
  • the laserable material is preferably arranged in the form of a resonator, as will be explained in more detail below.
  • the photoelastic medium can have very different shapes: it can be cylindrical or rod-shaped with a rectangular, square or triangular cross-section. Other shapes can of course also be used.
  • the photo-elastic medium can also be composed of individual partial components which are held together, for example, by soldering or gluing.
  • the photoelastic medium composed of several partial components can also be constructed in such a way that it has a cavity which is possibly evacuated.
  • the energy supply unit is, for example, a light source, e.g. B. a laser diode, or an electrical voltage.
  • the laserable material is pumped optically, while in the second case it is pumped electrically.
  • This last variant is particularly inexpensive in that the light source can be dispensed with, which saves space and money.
  • the energy requirement for the pressure or differential pressure sensor significantly reduced. This is because a z. B. with a laser diode pumped laser-capable material only achieves an efficiency of at most 10%, while the efficiency of an electrically pumped semiconductor diode laser has an efficiency of almost 50%.
  • the power consumption in electrical pumps is an order of magnitude smaller than in optical pumps. If the excitation of the laserable medium occurs optically, then the pump light can be irradiated, incidentally longitudinally or transversely - that is from the side.
  • the laser-capable medium, and possibly the medium exhibiting the photoelastic effect is preferably designed as a resonator.
  • a resonator For this purpose, either two opposite end regions are mirrored, or the resonator mirrors are designed as discrete components and positioned adjacent to the corresponding end regions or side regions of the laserable material. Any other configuration is of course also possible, as long as it is only ensured that the laserable medium and possibly the medium showing the photoelastic effect are subsequently in a resonator.
  • resonators can also be implemented as so-called ring resonators, ie, as resonator arrangements with a self-contained optical path into which light is coupled in or out in a suitable manner.
  • a ring resonator can, for example, be circular, elliptical, polygonal, or any other self-contained path, the light being guided in the resonator at the corners of the polygon, for example by total reflection and / or by suitable mirroring of the corners. In the case of a rectangular resonator, corners etched at an angle of 45 ° are sufficient without additional mirroring to guide the light in the resonator.
  • a sensor arrangement with a ring resonator has the advantage over linear resonators that the very complex mirroring of the end faces can be omitted.
  • the coupling or decoupling of the light for supplying energy to the ring resonator or for analysis can take place, for example, by means of suitable Y branches and / or by means of light guides guided next to the resonator.
  • the proportion of the extracted energy can e.g. be influenced by the distance between the ring resonator and the coupling-out light guide.
  • the quality of the resonator can also be controlled in this way.
  • the laserable medium and the resonator or the laserable medium designed as a resonator which may also show the photoelastic effect at the same time, be arranged on a corresponding membrane or in the immediate vicinity of the membrane / are that the pressure or the pressure across the membrane acts or act on the at least a portion of the laserable medium and interferes with the isotropy of the laserable medium.
  • the membrane When the membrane is pressurized, it is deflected.
  • mechanical stresses are generated in the laser-capable medium which shows the photoelastic effect.
  • the isotropy of the medium is disturbed by the introduced mechanical stresses.
  • the introduction of the mechanical stress is particularly effective if the thickness of the medium which shows the photoelastic properties is small compared to the thickness of the membrane.
  • the mechanical stresses occurring in the medium the radiation in different polarization directions no longer 'sees' the same refractive index, as a result of which the radiation emitted in different polarization directions has different frequencies.
  • the pressure or differential pressure can be determined on the basis of the frequency difference between the two different frequencies, since the frequency difference has a highly linear behavior with respect to the pressure or differential pressure that acts on the photoelastic medium over many orders of magnitude.
  • a particularly advantageous development of the device according to the invention provides that the membrane is a thinned partial area of a wafer, the laserable medium and / or the resonator preferably being arranged on the membrane using the methods of micromechanics and / or the integrated optics , When using this manufacturing method, it is possible to design the pressure sensor or differential pressure sensor according to the invention as an integrated microchip with the well-known advantages.
  • the laserable medium and / or the medium with the photoelastic properties is bonded or preferably grown on the membrane or in the immediate vicinity of the membrane.
  • the preferred position of the grown medium or the grown media is an edge region of the membrane.
  • no discrete crystal is on the membrane, the z. B. is formed from a wafer, but the crystal is directly connected to the wafer at the crystal lattice level.
  • the applied crystal is preferably a grown monocrystalline layer. The direct connection of the crystalline medium to the wafer ensures optimal transfer of the pressure from the membrane to the photoelastic medium.
  • a particularly simple and inexpensive embodiment of the device according to the invention proposes that the membrane or a thinned partial area of the wafer or an area of the wafer adjacent to the thinned partial area be designed as a laser-capable medium. Individual components of the device according to the invention can then be z. B. form an etching process from the wafer material.
  • an advantageous development of the device according to the invention provides that at least some of the components of the device for determining / monitoring the pressure or the differential pressure of the at least one process medium form an integral unit.
  • At least one optical fiber is used as the preferred connecting line for optical pumping of the laserable material.
  • Another aspect of the present invention takes into account the phenomenon that the wavelength of the pump light changes, for example of temperature fluctuations can change. This change may result in the laser medium no longer being able to be pumped.
  • this problem can be alleviated by the pressure sensor according to the invention having an amorphous laser medium.
  • An amorphous laser medium preferably amorphous YAG, has wider pump bands, so that even with a temperature-related change in the pump wavelength, this laser medium or a resonator made of this material can still be supplied with the amount of energy required for laser operation.
  • the laser material In order to control the mechanical properties of the laser material, it can be annealed, whereby a long-range order can be formed in addition to the short-range order of the atoms which is characteristic of amorphous materials.
  • Nd Nd
  • YAG basically all materials are suitable that show the photoelastic effect and can be stimulated to perform laser work.
  • Such thermally induced voltages can be present especially after the deposition of the resonator material, if the deposition temperature is not is equal to the operating temperature.
  • the mechanical stresses caused in this way lead to an offset of the pressure sensor signal. If the resonator material can deform not only purely elastically but also plastically, temperature changes result in a temperature hysteresis of the pressure sensor zero point signal.
  • a pressure sensor with two essentially identical resonators can be provided.
  • the resonators are arranged in such a way that both identical thermal conditions are exposed, but only the first resonator or measuring resonator is exposed to voltages dependent on the measuring pressure.
  • the second resonator or reference resonator is arranged so that it is independent of pressure fluctuations.
  • the sensor signal results e.g. from the difference between the signal of a first measuring resonator and the signal of the reference resonator.
  • Changes in the resonator signals which are not due to a change in pressure, but to a change in another influencing variable - such as Temperature - are due, affect the identical resonators equally and are eliminated by the difference.
  • Another approach to avoiding or reducing temperature hysteresis and other thermal influences provides single-layer or multi-layer intermediate layers between the substrate and the resonator material, the intermediate layer or the intermediate layers being chosen such that the expansion coefficient ⁇ of a layer in each case between the expansion coefficients ⁇ of the adjacent materials.
  • Fig. 2 a relative or absolute pressure sensor with a plunger as
  • a relative or absolute pressure sensor in which the laserable crystal is suspended from a tube and has a cavity and a membrane
  • 9 a differential pressure sensor in which the laserable crystal is suspended from a tube and has a cavity and a membrane.
  • Fig. 10a a schematic representation of the one shown in Fig. 10
  • 16 a a schematic view of a first exemplary embodiment of a ring resonator, a Y-branching being provided for coupling in the pump light
  • 16 b a schematic view of a second one
  • 16 c a schematic view of a third exemplary embodiment of a ring resonator, wherein a light guide guided parallel to the ring resonator is provided for coupling in the pump light,
  • 17 a a schematic view of a circular ring resonator arranged on a chip, the ring resonator being arranged along the edge of the sensor membrane,
  • 17 b a schematic view of a square ring resonator arranged on a chip, the ring resonator being arranged along the edge of the sensor membrane,
  • 17 c shows a schematic view of a square ring resonator arranged on a chip, one side of the ring resonator running along a section of the edge of the sensor membrane, and
  • FIG. 18 shows a schematic view of a resonator arrangement arranged on a sensor chip with a measuring resonator and a reference resonator and a common light guide for supplying the pump light and for deriving the
  • FIGS. 1 to 9 Different embodiments of the device according to the invention are shown in FIGS. 1 to 9. Common to all of the embodiments is that the laser-capable medium 7, which in all cases additionally has photoelastic properties, is designed as a discrete component.
  • FIGS. 10 to 15 show different configurations of a pressure sensor chip 3 with an integrated or grown laser-capable medium 7 which shows the photoelastic effect.
  • the figures 16 ac, 17 ac and 18 show different exemplary embodiments with ring resonators, the ring resonators in FIGS. 17 ac and 18 likewise having a laser-capable medium which shows the photoelastic effect and which is grown on or integrated in a pressure sensor chip.
  • the pressure sensor 1 shows in cross section a pressure sensor 1 for measuring relative pressure or absolute pressure.
  • the pressure sensor 1 is composed of three layers: a first section 16a of the wafer 16, a second section 16b of the wafer 16 and a layer 37.
  • the two sections 16a, 16b of the wafer 16 are connected to one another via a bond 39.
  • Silicon is preferably used as the wafer material; layer 37 is made, for example, from Pyrex or likewise from silicon.
  • the essential component of the pressure sensor 1 is the discrete laser crystal 7, which is arranged in a recess 36 of the section 16a of the wafer 16.
  • the laser crystal 7 in the case shown has an elliptical or round cross section.
  • the laser crystal 7 used is, for example, a neodymium-doped YAG crystal.
  • the pressure of the process medium to be determined is transmitted to the membrane 14 via the pressure feed 29 and thus acts indirectly on the laser crystal 7 via the membrane 14.
  • the isotropic properties of the laser crystal 7 are more or less disturbed under the influence of the pressure of the process medium.
  • the membrane 14 is made of the same material as the wafer 16.
  • the membrane 14 is integrated into the wafer 16 in a simple manner in that it is formed by a thinned region 17 of the wafer 16.
  • the area of the membrane 14 which is in direct contact with the laser crystal 7 is stiffened.
  • the pressure-voltage converter 11 is designed as a plunger 12.
  • the laser crystal 7 is positioned in a laser crystal housing 36.
  • the pressure of the process medium is applied to the laser crystal 7 via the process membrane 38 and the plunger 12.
  • a predetermined pressure acts on the laser crystal 7 via the pressure feed 31 perpendicular to the process pressure.
  • a relative pressure sensor or an absolute pressure sensor the feed 31 being connected to a vacuum in the latter case.
  • FIG. 3 shows a differential pressure sensor 2, in which a plunger 12 with an upper and a lower partial area is used as the pressure-voltage converter 11.
  • a first pressure p1 of the process medium acts on the upper part of the plunger 12 via the upper process membrane 38, while a second pressure p2 of the same or a different process medium acts on the lower part of the plunger 12 via the lower process membrane 38.
  • the difference between the two pressures is transferred to the laser crystal 7 via the plunger 12.
  • the laser crystal 7 is - just as in the previously described configurations - arranged in a laser crystal housing 36.
  • the Incompressible liquid, in which the plunger 12 and the laser crystal 7 are embedded, ensures that the membranes 38 do not lie in the wave bed.
  • the embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 4 is again a relative or absolute pressure sensor 1.
  • the relative or absolute pressure is applied to the laser crystal 7 via the feed 31.
  • An incompressible liquid 13 is used as the pressure-voltage converter 11.
  • the laser crystal 7 is arranged in a laser crystal housing 36.
  • the section 16b of the laser crystal housing 36 is connected to the first section 16a via a z. B. welded connection 34 connected. Any other pressure-resistant connection can of course also be used.
  • the section of the laser crystal 7 to which the pressure is transferred via the process membrane 38 and the incompressible liquid 13 is defined by the arrangement of the seals 32.
  • FIG. 5 shows a differential pressure sensor 2, in which an incompressible liquid 13 is also used as the pressure-voltage converter.
  • the two pressures p1, p2 are each transferred to the laser crystal 7 via two feeds, the pressure p1 and the pressure p2 each being transferred to two regions of the laser crystal 7 which are arranged at an angle of essentially 90 degrees to one another.
  • the laser crystal 7 is positioned in a laser crystal package 36, as in some of the previously described embodiments.
  • the sections 16a, 16b of the housing 36 are in turn connected to one another via a welded connection 34.
  • the partial areas of the laser crystal 7 to which the pressures p1, p2 are transmitted via the incompressible liquid 13 are, as already described in FIG. 4, defined by the arrangement of the seals 32.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a differential pressure sensor 2 according to the invention.
  • the pressures p1, p2 are not only one
  • FIG. 7 shows a variant of the embodiment shown in FIG. 5.
  • a plunger 12 is also used here.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of the device according to the invention, which is designed as a pressure sensor 1 for the relative or absolute pressure measurement.
  • the laserable crystal 7 consists of two sections 7a, 7b, whereby - roughly speaking - the section 7b has the shape of a pot and the section 7a has the shape of a lid.
  • the two sections 7a, 7b are connected to one another via a gas and pressure-tight connecting layer 39.
  • a cavity 35 is formed in the inner region of the laser crystal 7 due to the shape of the sections 7a, 7b.
  • there is a reference pressure in the cavity 35 in the case of an absolute pressure sensor, the cavity 35 is evacuated.
  • the laser crystal 7 again consists of two sections 7a, 7b and is suspended from a tube. It is preferably mirrored on two opposite side surfaces.
  • the laser crystal 7 is arranged in the incompressible liquid 13, which in the present case takes over the function of the pressure-voltage converter 11.
  • the oil reservoir can be attached to the tube.
  • the laser beam generated by the energy supply unit 4 (not shown separately) preferably passes through the area of the laser crystal 7 in which the greatest mechanical stresses are induced by the pressure to be measured.
  • the construction of the differential pressure sensor 2 shown in FIG. 9 is very similar to the embodiment shown in FIG. 8. A repeated description of the analog components is therefore omitted.
  • the pressure p1 of a first process medium is introduced into the cavity 35 via the first process membrane 38 and the incompressible liquid 13, which, like the variant shown in FIG. 8, takes over the function of the pressure-voltage converter.
  • the pressure p2 of a second process medium is introduced via the second process membrane 38 and the incompressible liquid 13 into the space between the housing 36 and the laser crystal 7.
  • the resonator mirrors 23, 24 can also be separately formed components.
  • the resonator mirrors 23, 24 are produced, for example, as follows: Thin walls made of the material of the wafer 16 are produced using a micromechanical method, e.g. B.
  • the laser crystal 7 is preferably designed as a monocrystalline layer 8. This is formed epitaxially on the wafer material.
  • the wafer 16 consisting of the laserable medium 7 is then structured using methods of micromechanics.
  • the laser crystal 7 can also be a discrete crystal with, for example, a round or rectangular cross section. This is preferably positioned in a guide trench.
  • the wafer 16, on which the laser crystal 7 is arranged, has a thinned, preferably central region 17 which takes over the function of the membrane 14.
  • the pressure sensor chip 3 can be produced using all common methods of micromechanics and / or the integrated optics. It preferably consists of a semiconductor material, e.g. B. made of silicon.
  • the laser crystal 7 is positioned on a membrane edge 15. Furthermore, as already mentioned above, the thickness of the laser crystal 7 is small in relation to the thickness of the membrane 14. Due to the special arrangement of the laser crystal 7 on the membrane 14 and / or due to the small thickness of the membrane 14 Laser crystal 7 optimal measurement results are achieved. This is due to the fact that the stresses which occur as a result of the bending of the membrane 14 are particularly pronounced if the two conditions described above are observed.
  • each optical fiber 27 is preferably guided on the chip 3 in a guide trench.
  • the guide trench can have a V-shaped cross section, for example. In this case, it is usually generated by KOH etching of (100) oriented silicon.
  • a guide trench can also have a rectangular or circular cross section.
  • pump laser 5, polarizer 20 and photodiode 22 are in the configurations shown in FIGS. 10 and 11 not arranged on the pressure sensor chip 3.
  • the radiation from the pump laser 5 is coupled via the optical fiber 27 and the light guide 28 to the laser crystal 7 or to the monocrystalline layer 8.
  • the radiation emitted by the laser crystal 7 or the monocrystalline layer 8 is guided to the polarizer 20 via the optical fiber 27.
  • the optical fibers 27 can have a length of several kilometers.
  • the radiation emerging from the polarizer 20 is detected by the photodiode 22.
  • the frequency of the photodiode signal represents a measure of the pressure of the process medium.
  • the pressure or the differential pressure is determined in the evaluation unit 19.
  • the 12 relates to a variant of the pressure sensor chip 3 with an integrated laser-capable medium 7, in which the radiation is coupled in and out via a common optical fiber 27.
  • the pump light of the pump laser 5 is coupled onto the optical fiber 27 via a beam splitter 25 (or mirror) that is transparent to the pump light. Since the frequency of the radiation emitted by the laser crystal 7 has a different wavelength from the pump light, this does not pass through the beam splitter through, but is directed from the beam splitter 25 to the polarizer 20.
  • the photodiode 22 detects the radiation supplied by the polarizer 20.
  • the pump laser 5 which is preferably a laser diode, is integrated directly on the pressure sensor chip 3.
  • the laser diode can be applied to the surface of the wafer 16, for example, by a self-adjusting soldering process.
  • FIG. 15 shows a schematic illustration of the device according to the invention, in which a laser-capable, photoelastic medium 7 is used Semiconductor laser 40 is used.
  • This electrically pumped variant of the invention has the advantage over the aforementioned configurations that its efficiency is significantly higher.
  • the semiconductor laser 40 is preferably applied to the edge of the membrane 14. When the diaphragm 14 is pressurized, it is deflected and generates mechanical stresses in the semiconductor laser 40.
  • the semiconductor laser 40 is also made from a material which exhibits the photoelastic effect. The isotropy of the optical properties of the semiconductor laser 40 is disturbed by the introduced mechanical tension, so that laser light polarized in different directions no longer the same Refractive index 'sees' and thus the optical length of the laser resonator is of different sizes for light polarized in different directions.
  • Gallium arsenic compounds for example, can be used as the material for the semiconductor laser 40. It is also possible to use silicon-based semiconductor lasers 40, which in many respects brings outstanding advantages for the invention.
  • the ring resonators can be pressurized according to the principles described above with a suitable pressure transducer.
  • the exemplary embodiments have optical waveguides 71; 171; 271; 371, which are arranged next to the resonators, with part of the laser light entering the optical waveguides 71; 171; 271; 371 is decoupled.
  • the proportion of the extracted energy can e.g. can be influenced by the distance between the ring resonator and the coupling-out optical waveguide, whereby the quality of the resonator can also be adjusted.
  • the figures 16 a-c show various arrangements for coupling in the pump light, which are described below.
  • the coupling takes place via a Y branch 73. That is, the light from a pump light source 75 is fed to the ring resonator 70 via a light guide section 72 which opens tangentially into the ring resonator at the Y branch 73.
  • the light guide section 72 consists of Nd: YAG, a considerable proportion of the pump light can already be absorbed in this section. Correspondingly less energy is then available for pumping the actual annular laser resonator.
  • the light guide section can, on the one hand, have a material other than material than Nd: YAG.
  • the other material preferably has approximately the same refractive index as Nd: YAG at the wavelength of the pump light.
  • the section of the light guide section 72 of the Y branch 73 can also be made as short as possible, and / or the proportion of Nd atoms in the entire (resonator + Y branch) YAG host material is chosen to be lower than in Nd: YAG lasers common.
  • Neodymium doping of 1.0% to 1.5% is customary. The lower the proportion of neodymium and the shorter the length of the light guide section 72, the more pump energy can reach the actual laser resonator.
  • the light guide section 72 contains no neodymium.
  • the ring resonator including Y-branching initially consists only of YAG.
  • the neodymium is only subsequently introduced by means of implantation or diffusion.
  • the light guide section 72 of the Y- Branching is covered by means of suitable layers during diffusion or implantation in order to prevent the penetration of neodymium. The result of this is that practically no pump light is absorbed in the light guide section 72.
  • the pumping light is coupled in via a pumping light source (such as a laser diode or LED or optical fiber into which the light of a laser diode or LED is coupled), which is arranged above the ring resonator 70.
  • a pumping light source such as a laser diode or LED or optical fiber into which the light of a laser diode or LED is coupled
  • the pump light thus reaches all areas of the ring resonator 70 directly.
  • a Y-branching with the above-mentioned disadvantages of light absorption is not required in this case.
  • Fig. 16 c there is a first optical fiber directly next to the ring resonator, into which the pump light is initially coupled. Because the first optical waveguide 74 is very close to the ring resonator, part of the pump light is coupled over from the first optical waveguide to the ring resonator.
  • the system of the first optical waveguide / pump light source can be designed in such a way that little or no pump light is reflected back from the first optical waveguide into the pump light source.
  • FIGS. 17 a - c show arrangements of ring resonators on a sensor chip.
  • Figs. 17 a, b is the resonator 70; 170 arranged along the preferably thinned membrane edge.
  • the ring resonator 170 of FIG. 17 b is arranged essentially square. This form of the resonator is preferably used for square measuring membranes.
  • the ring resonator preferably runs along the area of the membrane edge. The corners of the resonator are etched away at an angle of 45 °, as shown in FIG. 17b.
  • FIG. 17c A further special embodiment of a rectangular, in particular square, ring resonator 270 is shown in FIG. 17c.
  • a part of the square ring resonator 270 runs along a section of the membrane edge 215 or along a section of a section of the membrane edge 215 of the measuring membrane 214.
  • This is advantageous in the case of membranes with a large circumference, which are preferably used in small measuring ranges, because the length of the resonator is small and therefore the longitudinal modes of the resonator are far apart in frequency. This large separation of the longitudinal modes is desirable to ensure that only one longitudinal mode can oscillate in the resonator.
  • a rectangle should be chosen in which the sides that run perpendicular to the pressurized resonator section are as short as possible.
  • pump light and measuring light can be transported to the chip or away from the chip in different ways.
  • the pump light source can be arranged directly on the chip, as a hybrid on the chip, or the pump light is supplied via an optical fiber.
  • a polarizer can be arranged on the chip, in a fiber or after a fiber.
  • a photodiode can be arranged directly on the chip, as a hybrid on the chip (for example with a polarizer in front) or after a fiber.
  • pump light and measuring light are transported over a common fiber, i.e. there are no electrical connections to the chip, only an optical connecting fiber.
  • a fiber is used to supply the pump light and to remove the measurement light. Electrical connections to the sensor chip are not required. This is particularly advantageous for Ex applications. In addition, this sensor chip can also be used at high temperatures (approx. Up to 250 ° C).
  • the preferably circularly arranged ring-shaped measuring resonator 370 runs along the edge region of the membrane 302.
  • a second, structurally identical resonator 376 is located on the sensor chip 303 and serves as a reference.
  • the reference resonator 376 is located on a solid part of the sensor chip 303.
  • the reference resonator can also extend along the edge of a second membrane 301, whereby the second membrane is not exposed to a pressure difference.
  • TM mode in which the electric field strength is perpendicular to the chip surface.
  • polarizers 320, 321 which preferably have a thin dielectric / metal layer which is applied to part of the resonator.
  • the metal layer acts like a polarizer that weakens the TM mode. This means that the ring laser can only laser on TE mode. If the measuring membrane 302 is deflected by a measuring pressure, radial mechanical stresses arise in the membrane, the maximum of which lies in the area of the membrane edge.
  • the direction of the mechanical stresses coincides with the direction of polarization of the TE mode in the ring resonator 370.
  • the greater the mechanical stresses the more the refractive index of the resonator material changes (photoelastic effect) and thus the optical resonator length. This results in a change in the laser frequency.
  • the laser frequency of the reference resonator 376 is not influenced by the measuring pressure. Changes in the laser frequency, which can be attributed to other influencing factors, such as temperature, affect the measuring resonator and the reference resonator equally and can be eliminated by mixing the laser frequencies of the two resonators using an optical detector (e.g. photodiode) and only the difference between Laser frequencies ajs evaluates a signal proportional to the measuring pressure.
  • an optical detector e.g. photodiode
  • the pump light passes from an optical fiber onto a first waveguide 328.
  • the first waveguide 328 branches into two broad branches 305, 306 and a very narrow branch 377. Almost the entire pump light is distributed symmetrically over the two broad branches 305, 306.
  • the broad branches feed the pump light to the two resonators, preferably via Y branches.
  • a laser mode is formed in each resonator, which rotates in the direction of the arrows. No mode can develop in the opposite direction, since this mode would suffer excessive losses due to the Y-branching for coupling in the pump light.
  • Coupling light waveguides 371 are provided in addition to the resonators 370, 376 for coupling out part of the laser light.
  • the two outcoupling optical waveguides are brought together to form an optical waveguide which represents the thin branch 377 of the first optical waveguide described above. This comes from this optical fiber Measuring light into the optical fiber 327.
  • a polarizer 322 of the type described above can also be located on the outcoupling light waveguide, which ensures that only the TE mode is present in the waveguide, ie that the light has only a single polarization direction. This is the prerequisite for mixing the laser frequencies in a downstream (not shown) optical detector.
  • an optical element which separates the measuring light from the pump light.
  • This task can e.g. be fulfilled by a mirror arranged at 45 °, which allows the pump light to pass through unhindered and reflects the entire measuring light (wavelength measuring light ⁇ wavelength pump light).
  • the pressure sensor has two resonators with two modes per resonator. A mixed signal between the two modes is generated for each resonator. The difference between the two mixed signals is the actual pressure-dependent measurement signal.
  • the measuring light then passes from the mirror to the optical detector, for example a photodiode.
  • the pump light from a suitable pump light source for example an LED or laser diode, is coupled into the fiber by means of a suitable device.
  • Polarizer and photodiode are an integral part of the pressure sensor chip.
  • the polarizer is an integral part of the pressure sensor chip, the photodiode is applied to the pressure sensor chip in a hybrid construction.
  • the polarizer is an integral part of the pressure sensor chip; the light is guided to a separate photodiode by means of an optical fiber.
  • the light is guided from the coupling-out waveguide to the separate polarizer / photodiode unit.
  • the light is guided from the coupling-out waveguide to a separate photodiode.
  • the light is guided from the coupling-out waveguide to a separate photodiode. It is a polarization-maintaining fiber, which is arranged so that the polarization direction of the fiber is at an angle of 45 ° with the polarization directions of the two electromagnetic waves in the
  • Coupling light waveguide forms.

Abstract

The invention relates to a device for determining/monitoring the pressure or differential pressure of at least one process medium. The aim of the invention is to provide a device for measuring pressure or differential pressure extremely precisely. To this end, an energy supply unit (4), a medium with a laser capacity (7) introduced into a resonator, a pressure-stress converter (11) and a receiving/evaluating (19) unit are provided. Said energy supply unit (4) pumps said medium (7), exciting the medium to produce laser activities. Without the exertion of a load, when this medium with laser capacity or the other medium is subjected to the same pressure on all sides, it has isotropic properties. The laser formed by the resonator and the medium with laser capacity emits radiation whose frequency depends on the physical properties of said medium (7). The pressure-stress converter (11) transfers the pressure or differential pressure to be measured of the at least one process medium to at least one partial area of the medium with laser capacity (7). This defines a state in which the medium (7) is subject to a load and in which the isotropic properties of said medium (7) are disturbed. The radiation emitted when the medium with laser capacity (7) is subject to a load has different frequencies in different directions of polarisation and the receiving/evaluating unit (19) determines the pressure or differential pressure of the at least one process medium using the different frequencies in the various directions of polarisation.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung bzw. zur Überwachung des Drucks oder Differenzdrucks zumindest eines ProzeßmediumsDevice for determining or monitoring the pressure or differential pressure of at least one process medium
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung bzw. zur Überwachung des Drucks oder Differenzdrucks zumindest eines Prozeßmediums.The invention relates to a device for determining or monitoring the pressure or differential pressure of at least one process medium.
Aus der DE 43 22 291 C2 ist eine optische Kraftmeßeinrichtung bekannt geworden, deren Hauptkomponente ein Laser, also ein laserfähiger Kristall, insbesondere ein neodymdotierter YAG Kristall, mit verspiegelten Stirnflächen ist. Der Laser wird mittels einer Laserdiode optisch gepumpt. Gleichzeitig weist der laserfähige Kristall photoelastische Eigenschaften auf: Wirkt keine Kraft auf den YAG Kristall, so zeigt er ein isotropes Verhalten. Isotropes Verhalten bedeutet in diesem Fall, daß das Licht im Kristall einen von der Polarisationsrichtung des Lichts unabhängigen Brechungsindex 'sieht'. Der Laser emittiert dann kohärentes Licht einer Wellenlänge. Wirkt auf den YAG Kristall einseitig eine Kraft ein, so wird das Kristallgitter verzerrt; die Kristalleigenschaften werden anisotrop. Die Folge davon ist, daß die Brechungsindizes und deshalb auch die optische Resonatorlänge und infolge dessen auch die Frequenzen der in unterschiedlichen Polarisationsrichtungen emittierten Strahlung voneinander verschieden sind. Die Frequenzdifferenz zwischen der in zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen emittierten Strahlung ist hierbei proportional zu der auf den Kristall einwirkenden Kraft.From DE 43 22 291 C2 an optical force measuring device has become known, the main component of which is a laser, that is to say a laser-capable crystal, in particular a neodymium-doped YAG crystal, with mirrored end faces. The laser is optically pumped using a laser diode. At the same time, the laserable crystal has photoelastic properties: if no force acts on the YAG crystal, it shows an isotropic behavior. In this case, isotropic behavior means that the light in the crystal 'sees' a refractive index that is independent of the polarization direction of the light. The laser then emits coherent light of one wavelength. If a force acts on one side of the YAG crystal, the crystal lattice is distorted; the crystal properties become anisotropic. The consequence of this is that the refractive indices and therefore also the optical resonator length and consequently also the frequencies of the radiation emitted in different directions of polarization are different from one another. The frequency difference between the radiation emitted in two different polarization directions is proportional to the force acting on the crystal.
Zwar wird in der DE 43 22 291 C2 lapidar erwähnt, daß die Kraftmeßeinrichtung auch zur Messung von aus der Kraft abgeleiteten Größen, wie Beschleunigung, Druck oder Masse, herangezogen werden kann. Die Patentschrift liefert jedoch keinerlei Hinweise, wie die Meßeinrichtung konkret ausgestaltet sein kann, wenn sie beispielsweise zur Druckmessung herangezogen werden soll. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur hochgenauen Druck- bzw. Differenzdruckmessung vorzuschlagen.In DE 43 22 291 C2 it is mentioned succinctly that the force measuring device can also be used to measure variables derived from the force, such as acceleration, pressure or mass. However, the patent does not provide any information as to how the measuring device can be designed in concrete terms if it is to be used, for example, for pressure measurement. The invention has for its object to propose a device for high-precision pressure or differential pressure measurement.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zur Bestimmung/ Überwachung des Drucks oder Differenzdrucks zumindest eines Prozeßmediums eine Energieversorgungseinheit, ein in einen Resonator eingebrachtes laserfähiges Medium, einen Druck-Spannungswandler und eine Empfangs-/Auswerteeinheit aufweist, wobei die Energieversorgungs-einheit das laserfähige Medium pumpt und zu Laseraktivitäten anregt, wobei entweder das laserfähige Medium oder zusätzlich zu dem laserfähigen Medium ein weiteres in den Resonator eingebrachtes Medium im unbelasteten Zustand, wenn allseitig derselbe Druck auf das laserfähige Medium bzw. das weitere Medium einwirkt, isotrope Eigenschaften aufweist und der aus dem Resonator, dem laserfähigen Medium und evtl. dem weiteren in den Resonator eingebrachten Medium aufgebaute Laser Strahlung mit einer von den physikalischen Eigenschaften des laserfähigen Mediums bzw. des weiteren Mediums abhängigen Frequenz emittiert, wobei der Druck-Spannungswandler den zu messenden Druck- oder Differenzdruck des zumindest einen Prozeßmediums auf zumindest einen Teilbereich des laserfähigen Mediums bzw. des weiteren Mediums überträgt, wodurch ein belasteter Zustand des laserfähigen Mediums bzw. des weiteren Mediums definiert ist, in dem die isotropen Eigenschaften des laserfähigen Mediums bzw. des weiteren Mediums gestört sind, wobei die im belasteten Zustand des laserfähigen Mediums emittierte Strahlung in verschiedenen Polarisationsrichtungen unterschiedliche Frequenzen aufweist, und wobei die Empfangs- /Auswerte-einheit anhand der unterschiedlichen Frequenzen in den verschiedenen Polarisationsrichtungen den Druck bzw. den Differenzdruck des zumindest einen Prozeßmediums bestimmt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Druck-Spannungswandler im Falle einer Differenzdruckmessung derart ausgestaltet, daß die beiden Drucke unter einem Winkel von im wesentlichen 90° zueinander auf das laserfähige Medium bzw. auf das weitere Medium einwirken.The object is achieved in that the device for determining / monitoring the pressure or differential pressure of at least one process medium has an energy supply unit, a laser-capable medium introduced into a resonator, a pressure-voltage converter and a reception / evaluation unit, the energy supply unit having the laser-capable one Pumps medium and stimulates laser activities, whereby either the laserable medium or, in addition to the laserable medium, a further medium introduced into the resonator in the unloaded state, if the same pressure acts on the laserable medium or the further medium on all sides, has isotropic properties and does so the resonator, the laser-capable medium and possibly the further medium introduced into the resonator are emitted laser radiation with a frequency dependent on the physical properties of the laser-compatible medium or the further medium, the pressure-voltage converter transmits the pressure or differential pressure to be measured of the at least one process medium to at least a portion of the laserable medium or the further medium, thereby defining a loaded state of the laserable medium or the further medium in which the isotropic properties of the laserable medium or further medium are disturbed, the radiation emitted in the loaded state of the laserable medium having different frequencies in different polarization directions, and the receiving / evaluation unit using the different frequencies in the different polarization directions the pressure or the differential pressure of the at least one process medium certainly. According to an advantageous development of the device according to the invention, in the case of a differential pressure measurement, the pressure-voltage converter is designed such that the two pressures act on the laserable medium or on the further medium at an angle of essentially 90 ° to one another.
Bei dem Druck-Spannungswandler kann es sich beispielsweise um einen Stößel und/oder um eine idealerweise inkompressible Flüssigkeit handeln. Im Falle der Verwendung eines Stößels wirkt der Druck- bzw. der Differenzdruck auf zumindest eine Membran, an der der Stößel befestigt ist, welcher dann je nach anliegenden Druck mehr oder weniger stark auf das den photoelastischen Effekt zeigende Medium drückt und dort mechanische Spannungen induziert. Weiterhin ist es möglich, daß der Druck auf eine Membran wirkt, welche das Prozeßmedium von der inkompressiblen Flüssigkeit, z. B. Silikonöl, trennt. Dann wird der Druck des Prozeßmediums auf die inkompressible Flüssigkeit bzw. das inkompressible Medium übertragen und vom inkompressiblen Medium auf das Medium, das den photoelastischen Effekt zeigt.The pressure-voltage converter can be, for example, a plunger and / or an ideally incompressible liquid. If a plunger is used, the pressure or differential pressure acts on at least one membrane to which the plunger is attached, which then, depending on the pressure present, presses more or less strongly on the medium showing the photoelastic effect and induces mechanical stresses there. It is also possible that the pressure acts on a membrane which separates the process medium from the incompressible liquid, e.g. B. silicone oil separates. Then the pressure of the process medium is transferred to the incompressible liquid or the incompressible medium and from the incompressible medium to the medium which shows the photoelastic effect.
Zusätzlich oder separat zu den bereits genannten Druck-Spannungswandlern kann auch eine Membran als solche die Funktion eines Druck-Spannungswandlers übernehmen. Bei dieser Ausgestaltung handelt es sich um eine besonders bevorzugte Variante, auf die nachfolgend noch im Detail eingegangen wird.In addition or separately from the pressure-voltage converters already mentioned, a membrane as such can also take on the function of a pressure-voltage converter. This configuration is a particularly preferred variant, which will be discussed in more detail below.
Bei dem laserfähigen Medium handelt es sich beispielsweise - wie in der DE 43 22 291 C2 beschrieben - um einen laserfähigen Nd:YAG Kristall, also einen neodymdotierten Yttrium-Aluminium-Granat Kristall. Ein Nd.YAG Kristall besitzt übrigens die erforderlichen photoelastischen Eigenschaften. Bevorzugt handelt es sich bei dem laserfähigen Material jedoch um ein laserfähiges Halbleitermaterial. Geeignete Halbleiter sind Materialien, die entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich den photoelastischen Effekt zeigen. Insbesondere können die Halbleitermaterialien auf einer Gallium- oder einer Siliziumbasis aufgebaut sein. Ein weiteres bevorzugtes laserfähiges Material ist LiNb03. Obwohl es günstig ist, wenn das laserfähige Medium gleichzeitig auch den photoelastischen Effekt zeigt, so ist dies dennoch keine notwendige Voraussetzung für die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druck- bzw. Differenzdrucksensors. Es ist durchaus auch möglich, neben dem laserfähigen Medium zusätzlich ein Medium mit photoelastischen Eigenschaften zu verwenden. Das laserfähige Material ist bevorzugt resonatorörmig angeordnet, wie im einzelnen weiter unten erläutert wird.The laserable medium is, for example - as described in DE 43 22 291 C2 - a laserable Nd: YAG crystal, ie a neodymium-doped yttrium aluminum garnet crystal. Incidentally, a Nd.YAG crystal has the required photoelastic properties. However, the laserable material is preferably a laserable semiconductor material. Suitable semiconductors are materials which, in accordance with a preferred embodiment of the device according to the invention, additionally show the photoelastic effect. In particular, the semiconductor materials can be constructed on a gallium or silicon basis. Another preferred laser-compatible material is LiNb0 3 . Although it is favorable if the laserable medium also shows the photoelastic effect at the same time, this is nevertheless not a necessary requirement for the design of the pressure or differential pressure sensor according to the invention. It is also entirely possible to use a medium with photoelastic properties in addition to the laserable medium. The laserable material is preferably arranged in the form of a resonator, as will be explained in more detail below.
Das photoelastische Medium kann sehr unterschiedliche Formen aufweisen: So kann es zylindrisch oder stabförmig mit rechteckförmigem, quadratischem oder dreieckförmigem Querschnitt ausgebildet sein. Andere Formen sind natürlich gleichfalls verwendbar. Weiterhin kann das photo-elastische Medium auch aus einzelnen Teilkomponenten zusammengesetzt sein, die beispielsweise durch Löten oder Verkleben zusammengehalten werden. Darüber hinaus kann auch das aus mehreren Teilkomponenten zusammengesetzte photoelastische Medium so aufgebaut sein, daß es eine Kavität aufweist, die ggf. evakuiert ist.The photoelastic medium can have very different shapes: it can be cylindrical or rod-shaped with a rectangular, square or triangular cross-section. Other shapes can of course also be used. Furthermore, the photo-elastic medium can also be composed of individual partial components which are held together, for example, by soldering or gluing. In addition, the photoelastic medium composed of several partial components can also be constructed in such a way that it has a cavity which is possibly evacuated.
Bei der Energieversorgungseinheit handelt es sich je nach verwendetem laserfähigem Medium beispielsweise um eine Lichtquelle, z. B. eine Laserdiode, oder um eine elektrische Spannung. Im ersten Fall wird das laserfähige Material optisch gepumpt, während es im zweiten Fall elektrisch gepumpt wird. Diese letzte Variante ist insofern besonders günstig, da hier auf die Lichtquelle verzichtet werden kann, was Platz und Geld einspart. Außerdem wird bei dieser Ausgestaltung der Energiebedarf für den Druck- oder Differenzdrucksensor erheblich verringert. Dies liegt daran, daß ein z. B. mit einer Laserdiode gepumptes laserfähiges Material lediglich einen Wirkungsgrad von maximal 10% erreicht, während der Wirkungsgrad eines elektrisch gepumpten Halbleiterdiodenlasers einen Wirkungsgrad von nahezu 50% aufweist. Grob läßt sich daher sagen, daß bei einem Drucksensor bzw. einem Differenzdrucksensor zur Erzielung vergleichbarer Signalamplituden die Leistungsaufnahme bei elektrischem Pumpen um eine Größenordnung kleiner ist als bei optischem Pumpen. Erfolgt die Anregung des laserfähigen Mediums optisch, so kann das Pumplicht, übrigens longitudinal oder transversal - also von der Seite her - eingestrahlt werden.Depending on the laser-compatible medium used, the energy supply unit is, for example, a light source, e.g. B. a laser diode, or an electrical voltage. In the first case, the laserable material is pumped optically, while in the second case it is pumped electrically. This last variant is particularly inexpensive in that the light source can be dispensed with, which saves space and money. In addition, in this configuration, the energy requirement for the pressure or differential pressure sensor significantly reduced. This is because a z. B. with a laser diode pumped laser-capable material only achieves an efficiency of at most 10%, while the efficiency of an electrically pumped semiconductor diode laser has an efficiency of almost 50%. It can therefore be roughly said that in the case of a pressure sensor or a differential pressure sensor to achieve comparable signal amplitudes, the power consumption in electrical pumps is an order of magnitude smaller than in optical pumps. If the excitation of the laserable medium occurs optically, then the pump light can be irradiated, incidentally longitudinally or transversely - that is from the side.
Wie bereits zuvor erwähnt, ist das laserfähige, und ggf. das den photoelastischen Effekt zeigende Medium vorzugsweise als Resonator ausgebildet. Hierzu sind entweder jeweils zwei gegenüberliegende Endbereiche verspiegelt, oder die Resonatorspiegel sind als diskrete Bauteile ausgebildet und an die entsprechenden Endbereiche bzw. Seitenbereichen des laserfähigen Materials angrenzend positioniert. Jede andere Ausgestaltung ist selbstver-ständlich gleichfalls möglich, solange nur sichergestellt ist, daß sich das laserfähige Medium und ggf. das den photoelastischem Effekt zeigende Medium nachfolgend in einem Resonator befinden.As already mentioned above, the laser-capable medium, and possibly the medium exhibiting the photoelastic effect, is preferably designed as a resonator. For this purpose, either two opposite end regions are mirrored, or the resonator mirrors are designed as discrete components and positioned adjacent to the corresponding end regions or side regions of the laserable material. Any other configuration is of course also possible, as long as it is only ensured that the laserable medium and possibly the medium showing the photoelastic effect are subsequently in a resonator.
Resonatoren können insbesondere auch als sogenannte Ringresonatoren realisiert werden, d.h. als Resonatoranordnungen mit einem in sich geschlossenen optischen Pfad in den Licht in geeigneter Weise ein- bzw. ausgekoppelt wird. Ein Ringresonator kann beispielsweise kreisförmig, elliptisch, polygonal, oder als beliebeiger in sich geschlossener Pfad geformt sein, wobei an den Ecken des Polygons die Führung des Lichts im Resonator beispielsweise durch Totalreflektion und/oder aufgrund geeigneter Verspiegelung der Ecken erfolgt. Bei einem rechteckigen Resonator sind im Winkel von 45° geätzte Ecken ohne zusätzliche Verspiegelung hinreichend zur Führung des Lichts im Resonator. Eine Sensoranordnung mit einem Ringresonator hat den Vorteil gegen über linearen Resonatoren, daß die sehr aufwendige Verspiegelung der Stirnflächen entfallen kann.In particular, resonators can also be implemented as so-called ring resonators, ie, as resonator arrangements with a self-contained optical path into which light is coupled in or out in a suitable manner. A ring resonator can, for example, be circular, elliptical, polygonal, or any other self-contained path, the light being guided in the resonator at the corners of the polygon, for example by total reflection and / or by suitable mirroring of the corners. In the case of a rectangular resonator, corners etched at an angle of 45 ° are sufficient without additional mirroring to guide the light in the resonator. A sensor arrangement with a ring resonator has the advantage over linear resonators that the very complex mirroring of the end faces can be omitted.
Die Ein- bzw. Auskoppelung des Lichts zur Energieversorgung des Ringresonators bzw. zur Analyse kann dabei beispielsweise durch geeignete Y-Verzweigungen und/oder durch neben dem Resonator geführte Lichtleiter erfolgen. Der Anteil der ausgekoppelten Energie kann z.B. durch den Abstand zwischen Ringresonator und Auskoppel-Lichtleiter beeinflußt werden. Auf diese Weise ist auch die Güte des Resonators kontrollierbar.The coupling or decoupling of the light for supplying energy to the ring resonator or for analysis can take place, for example, by means of suitable Y branches and / or by means of light guides guided next to the resonator. The proportion of the extracted energy can e.g. be influenced by the distance between the ring resonator and the coupling-out light guide. The quality of the resonator can also be controlled in this way.
Einzelheiten zu den verschiedenen Resonatorkonfigurationen werden anhand der Ausführungsbeispiele erläutert.Details of the various resonator configurations are explained using the exemplary embodiments.
Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, daß das laserfähige Medium und der Resonator bzw. das als Resonator ausgestaltete laserfähige Medium, das ggf. gleichzeitig noch den photoelastischen Effekt zeigt, auf einer entsprechenden Membran oder in unmittelbarer Nähe der Membran derart angeordnet ist/sind, daß der Druck bzw. die Drucke über die Membran auf den zumindest einen Teilbereich des laserfähigen Mediums einwirkt bzw. einwirken und die Isotropie des laserfähigen Mediums stört bzw. stören. Bei Druckbeaufschlagung der Membran wird diese ausgelenkt. Hierdurch werden mechanische Spannungen in dem laserfähigen, den photoelastischen Effekt zeigenden Medium erzeugt. Durch die eingebrachten mechanischen Spannungen wird die Isotropie des Medium gestört. Das Einbringen der mechanischen Spannung ist besonders effektiv, wenn die Dicke des Mediums, das die photoelastischen Eigenschaften zeigt, klein ist gegenüber der Dicke der Membran. Als Folge der in dem Medium auftretenden mechanischen Spannungen 'sieht' die Strahlung in verschiedenen Polarisationsrichtungen nicht mehr denselben Brechungsindex, wodurch die in unterschiedliche Polarisationsrichtungen emittierte Strahlung unterschiedliche Frequenzen aufweist. Anhand der Frequenzdifferenz zwischen den beiden unterschiedlichen Frequenzen läßt sich der Druck- bzw. der Differenzdruck ermitteln, da die Frequenzdifferenz über viele Größenordnungen ein in hohem Maße lineares Verhalten bezüglich des Drucks bzw. Differenzdrucks, der auf das photoelastische Medium einwirkt, aufweist.According to a particularly advantageous development of the device according to the invention, it is proposed that the laserable medium and the resonator or the laserable medium designed as a resonator, which may also show the photoelastic effect at the same time, be arranged on a corresponding membrane or in the immediate vicinity of the membrane / are that the pressure or the pressure across the membrane acts or act on the at least a portion of the laserable medium and interferes with the isotropy of the laserable medium. When the membrane is pressurized, it is deflected. As a result, mechanical stresses are generated in the laser-capable medium which shows the photoelastic effect. The isotropy of the medium is disturbed by the introduced mechanical stresses. The introduction of the mechanical stress is particularly effective if the thickness of the medium which shows the photoelastic properties is small compared to the thickness of the membrane. As a result of the mechanical stresses occurring in the medium, the radiation in different polarization directions no longer 'sees' the same refractive index, as a result of which the radiation emitted in different polarization directions has different frequencies. The pressure or differential pressure can be determined on the basis of the frequency difference between the two different frequencies, since the frequency difference has a highly linear behavior with respect to the pressure or differential pressure that acts on the photoelastic medium over many orders of magnitude.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß es sich bei der Membran um einen abgedünnten Teilbereich eines Wafers handelt, wobei das laserfähige Medium und/oder der Resonator vorzugsweise über die Methoden der Mikromechanik und/oder der integrierten Optik auf der Membran angeordnet sind. Bei Verwendung dieser Herstellungsverfahren ist es möglich, den erfindungsgemäßen Drucksensor bzw. Differenzdrucksensor als integrierten Mikro-Chip mit den allseits bekannten Vorzügen zu entwerfen.A particularly advantageous development of the device according to the invention provides that the membrane is a thinned partial area of a wafer, the laserable medium and / or the resonator preferably being arranged on the membrane using the methods of micromechanics and / or the integrated optics , When using this manufacturing method, it is possible to design the pressure sensor or differential pressure sensor according to the invention as an integrated microchip with the well-known advantages.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das laserfähige Medium und oder das Medium mit den photoelastischen Eigenschaften auf die Membran oder in unmittelbarer Nähe der Membran aufgebondet oder vorzugsweise aufgewachsen. Bevorzugte Position des aufgewachsenen Mediums bzw. der aufgewachsenen Medien ist übrigens ein Randbereich der Membran. Bei dieser Ausgestaltung wird also kein diskreter Kristall auf die Membran, die z. B. aus einem Wafer gebildet ist, aufgebracht, sondern der Kristall wird auf Kristallgitterebene direkt mit dem Wafer verbunden. Bevorzugt handelt es sich bei dem aufgebrachten Kristall um eine aufgewachsene monokristalline Schicht. Durch die direkte Anbindung des kristallinen Mediums an den Wafer wird eine optimale Übertragung des Drucks von der Membran auf das photoelastische Medium erreicht. Eine besonders einfache und kostengünstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, daß die Membran bzw. ein abgedünnter Teilbereich des Wafers oder ein an den abgedünnten Teilbereich angrenzender Bereich des Wafers als laserfähiges Medium ausgebildet ist. Einzelkomponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich dann in einfacher Weise z. B. über einen Ätzprozeß aus dem Wafermaterial formen. In diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, daß zumindest ein Teil der Komponenten der Vorrichtung zur Bestimmung/ Überwachung des Drucks bzw. des Differenzdrucks des zumindest einen Prozeßmediums eine integrale Einheit bilden.According to a favorable embodiment of the device according to the invention, the laserable medium and / or the medium with the photoelastic properties is bonded or preferably grown on the membrane or in the immediate vicinity of the membrane. By the way, the preferred position of the grown medium or the grown media is an edge region of the membrane. In this embodiment, no discrete crystal is on the membrane, the z. B. is formed from a wafer, but the crystal is directly connected to the wafer at the crystal lattice level. The applied crystal is preferably a grown monocrystalline layer. The direct connection of the crystalline medium to the wafer ensures optimal transfer of the pressure from the membrane to the photoelastic medium. A particularly simple and inexpensive embodiment of the device according to the invention proposes that the membrane or a thinned partial area of the wafer or an area of the wafer adjacent to the thinned partial area be designed as a laser-capable medium. Individual components of the device according to the invention can then be z. B. form an etching process from the wafer material. In this context, an advantageous development of the device according to the invention provides that at least some of the components of the device for determining / monitoring the pressure or the differential pressure of the at least one process medium form an integral unit.
Gemäß einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß zumindest die Energieversorgungseinheit und/oder die Empfangs-According to a variant of the device according to the invention it is provided that at least the energy supply unit and / or the receiving
/Auswerteeinheit von dem laserfähigen Medium eine vorgegebene räumliche/ Evaluation unit of the laserable medium a predetermined spatial
Distanz aufweisen bzw. aufweist und daß zumindest eine Verbindungsleitung vorgesehen ist, über die die Anregungsenergie und/oder die emittierteHave or has distance and that at least one connecting line is provided, via which the excitation energy and / or the emitted
Strahlung zu dem laserfähigen Medium hin- bzw. von dem laserfähigen Medium weggeleitet werden/wird. Als bevorzugte Verbindungsleitung wird bei optischem Pumpen des laserfähigen Materials zumindest eine optische Faser verwendet. Unterschiedliche Designs der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden in Verbindung mit den Zeichnungen ausführlich erläutert. Wird das laserfähige Medium hingegen elektrisch gepumpt, so erfolgt die Verbindung Energieversorgungseinheit - photoelastisches Medium über elektrischeRadiation to / from the laserable medium or are guided away from the laserable medium. At least one optical fiber is used as the preferred connecting line for optical pumping of the laserable material. Different designs of the device according to the invention are explained in detail in conjunction with the drawings. If, on the other hand, the laserable medium is pumped electrically, the connection between energy supply unit and photoelastic medium takes place via electrical
Leitungen. Hier kann auf alle im Zusammenhang mit der Chip-Herstellung bekannten Varianten zurückgegriffen werden.Cables. All variants known in connection with chip production can be used here.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung trägt dem Phänomen Rechnung, daß sich die Wellenlänge des Pumplichts beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen verändern kann. Diese Veränderung kann u.U. dazu führen, das daß Lasermedium nicht mehr gepumpt werden kann.Another aspect of the present invention takes into account the phenomenon that the wavelength of the pump light changes, for example of temperature fluctuations can change. This change may result in the laser medium no longer being able to be pumped.
Nach einem Ansatz der Erfindung kann dieses Problem entschärft werden, indem der erfindungsgemäße Drucksensor ein amorphes Lasermedium aufweist. Ein amorphes Lasermedium, vorugsweise amorphes YAG, hat breitere Pumpbänder, so daß auch bei einer temperaturbedingten Änderung der Pump-Wellenlänge diesem Lasermedium bzw. einem Resonator aus diesem Material noch die für eine Lasertätigkeit notwendige Energiemenge zugeführt werden kann. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß die mechanischen Eigenschaften des Lasermaterials weiterhin den Anforderungen an einen Drucksensor genügen. Insbesondere plastisches Fließen des Lasermaterials ist zu vermeiden.According to one approach of the invention, this problem can be alleviated by the pressure sensor according to the invention having an amorphous laser medium. An amorphous laser medium, preferably amorphous YAG, has wider pump bands, so that even with a temperature-related change in the pump wavelength, this laser medium or a resonator made of this material can still be supplied with the amount of energy required for laser operation. However, it is important to ensure that the mechanical properties of the laser material continue to meet the requirements for a pressure sensor. Plastic flow of the laser material must be avoided in particular.
Zur Kontrolle der mechanischen Eigenschaften des Lasermaterials kann dieses getempert werden, wodurch sich neben der für amorphe Materialien charakteristischen Nahordnung der Atome auch eine Fernordnung ausbilden kann. Neben dem derzeit bevorzugten Nd:YAG sind grundsätzlich alle Materialien geeignet, die den den photoelastischen Effekt zeigen und zu einer Lasertätigkeit angeregt werden können.In order to control the mechanical properties of the laser material, it can be annealed, whereby a long-range order can be formed in addition to the short-range order of the atoms which is characteristic of amorphous materials. In addition to the currently preferred Nd: YAG, basically all materials are suitable that show the photoelastic effect and can be stimulated to perform laser work.
Abgesehen von dem zuvor beschriebenen Problem können Temperaturschwankungen zu thermisch induzierten Spannungen im Resonatormaterial führen, wenn sich dessen thermische Ausdehnungskoeffizient von dem des Trägermaterials unterscheidet (z.B. Nd:YAG mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α=7,8*10'6 K'1 auf einem Siliziumsubstrat mit α=2,56*10"6 K"1). Solche thermisch induzierten Spannungen können insbesondere nach der Abscheidung des Resonatormaterials vorhanden sein, falls die Abscheidetemperatur nicht gleich der Betriebstemperatur ist. Die so verursachten mechanischen Spannungen führen zu einem Offset des Drucksensorsignals. Wenn sich das Resonatormaterial nicht nur rein elastisch sondern auch plastisch verformen kann, so haben Temperaturwechsel eine Temperaturhysterese des Drucksensornullpunktsignals zur Folge.Apart from the problem described above, temperature fluctuations can lead to thermally induced stresses in the resonator material if its thermal expansion coefficient differs from that of the carrier material (e.g. Nd: YAG with a thermal expansion coefficient α = 7.8 * 10 '6 K ' 1 on a silicon substrate α = 2.56 * 10 "6 K " 1 ). Such thermally induced voltages can be present especially after the deposition of the resonator material, if the deposition temperature is not is equal to the operating temperature. The mechanical stresses caused in this way lead to an offset of the pressure sensor signal. If the resonator material can deform not only purely elastically but also plastically, temperature changes result in a temperature hysteresis of the pressure sensor zero point signal.
Um den Einfluß thermisch induzierter mechanischerSpannungen kompensieren zu können, kann ein Drucksensor mit zwei im wesentlichen identisch aufgebauten Resonatoren vorgesehen werden. Die Resonatoren werden so angeordnet, daß beide identischen thermischen Bedingungen ausgesetzt sind, aber nur der erste Resonator bzw. Meßresonator meßdruckabhängigen Spannungen ausgesetzt ist. Der zweite Resonator bzw. Referenzresonator, ist so angeordnet, daß er von Druckschwankungen unabhängig ist.In order to be able to compensate for the influence of thermally induced mechanical stresses, a pressure sensor with two essentially identical resonators can be provided. The resonators are arranged in such a way that both identical thermal conditions are exposed, but only the first resonator or measuring resonator is exposed to voltages dependent on the measuring pressure. The second resonator or reference resonator is arranged so that it is independent of pressure fluctuations.
Das Sensorsignal ergibt sich z.B. aus der Differenz des Signals eines ersten Meßresonators und des Signals des Referenzresonators. Änderungen der Resonatorsignale, welche nicht auf eine Druckänderung, sondern auf eine Änderung einer anderen Einflußgröße - wie z.B. Temperatur - zurückzuführen sind, wirken sich auf die baugleichen Resonatoren gleichermaßen aus und werden durch die Differenzbildung eliminiert.The sensor signal results e.g. from the difference between the signal of a first measuring resonator and the signal of the reference resonator. Changes in the resonator signals, which are not due to a change in pressure, but to a change in another influencing variable - such as Temperature - are due, affect the identical resonators equally and are eliminated by the difference.
Ein anderer Ansatz zur Vermeidung bzw. Minderung von Temperaturhysterese und sonstigen thermischen Einflüssen sieht einlagige bzw. mehrlagige Zwischenschichten zwischen dem Substrat und dem Resonatormaterial vor, wobei die Zwischenschicht bzw. die Zwischenschichten so gewählt sind, daß der Ausdehnungskoeffizient α einer Schicht jeweils zwischen den Ausdehnungskoeffizienten α der angrenzenden Materialien liegt. Auf diese Weise werden die mechanischen Spannungen werden auf mehrere Grenzflächen, nämlich 1+N, verteilt, wobei N die Zahl der Zwischenschichten ist (α^ < o^ < αi+1 1 j = 1 ... N ) Das führt im Ergebnis zu einer geringen Temperaturabhängigkeiten der Drucksensorsignale sowie zu einer geringen Temperaturhysterese.Another approach to avoiding or reducing temperature hysteresis and other thermal influences provides single-layer or multi-layer intermediate layers between the substrate and the resonator material, the intermediate layer or the intermediate layers being chosen such that the expansion coefficient α of a layer in each case between the expansion coefficients α of the adjacent materials. In this way the mechanical stresses are distributed over several interfaces, namely 1 + N, where N is the number of interlayers (α ^ <o ^ <α i + 1 1 j = 1 ... N) This results in a low temperature dependency of the pressure sensor signals as well to a low temperature hysteresis.
Materialien zur Bildung von Zwischenschichten zwischen einem Nd:YAG- Resonator auf einem Siliziumsubstrat sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben. Geeignete Schichtfolgen für Zwischenschichten lassen sich mit einer Auswahl aus den in der Tabelle genannten Materialien herstellen. Neben den gennannten sind selbstverständlich auch andere Materialien verwendbar, die geeignete Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.Materials for forming interlayers between an Nd: YAG resonator on a silicon substrate are given in the table below. Suitable layer sequences for intermediate layers can be produced with a selection from the materials listed in the table. In addition to the aforementioned, other materials can of course also be used which have suitable coefficients of thermal expansion.
Figure imgf000013_0001
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nun anhand einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
Figure imgf000013_0001
Further aspects and advantages of the invention will now be explained on the basis of some exemplary embodiments with reference to the drawings. It shows:
Fig. 1 : einen Drucksensor mit diskretem laserfähigem Kristall mit einer Membran als Druck-Spannungswandler,1: a pressure sensor with a discrete laser-capable crystal with a membrane as a pressure-voltage converter,
Fig. 2: einen Relativ- oder Absolutdrucksensor mit einem Stößel alsFig. 2: a relative or absolute pressure sensor with a plunger as
Druck-Spannungswandler,Pressure-voltage converter,
Fig. 3: einen Differenzdrucksensor mit einem Stößel als Druck-3: a differential pressure sensor with a plunger as a pressure
Spannungs-wandler,Voltage converters,
Fig. 4: einen Relativ- oder Absolutdrucksensor mit einer inkompressiblen Flüssigkeit als Druck-Spannungswandler,4: a relative or absolute pressure sensor with an incompressible liquid as a pressure-voltage converter,
Fig. 5: einen Differenzdrucksensor mit einer inkompressiblen5: a differential pressure sensor with an incompressible
Flüssigkeit als Druck-Spannungswandler,Liquid as pressure-voltage converter,
Fig. 6: einen Differenzdrucksensor mit schwebend gehaltenem laserfähigen Kristall,6: a differential pressure sensor with a floating laser-capable crystal,
Fig. 7: einen Differenzdrucksensor mit einem Stößel und einer inkompres-siblen Flüssigkeit als Druck-Spannungswandler,7: a differential pressure sensor with a plunger and an incompressible liquid as a pressure-voltage converter,
Fig. 8: einen Relativ- oder Absolutdrucksensor, bei dem der laserfähige Kristall an einem Röhrchen aufgehängt ist und eine Kavität und eine Membran aufweist, Fig. 9: einen Differenzdrucksensor, bei dem der laserfähige Kristall an einem Röhrchen aufgehängt ist und eine Kavität und eine Membran aufweist.8: a relative or absolute pressure sensor, in which the laserable crystal is suspended from a tube and has a cavity and a membrane, 9: a differential pressure sensor in which the laserable crystal is suspended from a tube and has a cavity and a membrane.
Fig. 10: eine erste Ausgestaltung eines Drucksensorchips mit integriertem laserfähigem Kristall,10: a first embodiment of a pressure sensor chip with integrated laser-capable crystal,
Fig. 10a: eine schematische Darstellung der in Fig. 10 gezeigtenFig. 10a: a schematic representation of the one shown in Fig. 10
Ausge-staltung in Draufsicht,Design in top view,
Fig. 11 : eine zweite Ausgestaltung eines Drucksensorchips mit integriertem laserfähigem Kristall,11: a second embodiment of a pressure sensor chip with integrated laser-capable crystal,
Fig. 12: eine dritte Ausgestaltung eines Drucksensorchips mit integriertem laserfähigem Kristall,12: a third embodiment of a pressure sensor chip with integrated laser-capable crystal,
Fig. 13: eine vierte Ausgestaltung eines Drucksensorchips mit integriertem laserfähigem Kristall,13: a fourth embodiment of a pressure sensor chip with integrated laser-capable crystal,
Fig. 14: eine fünfte Ausgestaltung eines Drucksensorchips mit integriertem laserfähigem Kristall,14: a fifth embodiment of a pressure sensor chip with integrated laser-capable crystal,
Fig. 15: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen15: a schematic representation of the invention
Vorrichtung mit einem Halbleitermaterial als laserfähiges, photoelastisches Medium,Device with a semiconductor material as a laser-capable, photo-elastic medium,
Fig. 16 a: eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Ringresonators, wobei zur Einkopplung des Pumplichts eine Y-Verzweigung vorgesehen ist, Fig. 16 b: eine schematische Ansicht eines zweiten16 a: a schematic view of a first exemplary embodiment of a ring resonator, a Y-branching being provided for coupling in the pump light, 16 b: a schematic view of a second one
Ausführungsbeispiels eines Ringresonators, wobei zurEmbodiment of a ring resonator, wherein for
Einkopplung des Pumplichts eine (nicht gezeigte) außerhalb der Ebene des Ringresonators angeordnete Pumplichtquelle vorgesehen ist,Coupling of the pump light to a pump light source (not shown) arranged outside the plane of the ring resonator is provided,
Fig. 16 c: eine schematische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Ringresonators, wobei zur Einkopplung des Pumplichts ein parallel zum Ringresonator geführter Lichtleiter vorgesehen ist,16 c: a schematic view of a third exemplary embodiment of a ring resonator, wherein a light guide guided parallel to the ring resonator is provided for coupling in the pump light,
Fig. 17 a: eine schematische Ansicht eines auf einem Chip angeordneten kreisförmigen Ringresonators, wobei der Ringresonator entlang des Randes der Sensormembran angeordnet ist,17 a: a schematic view of a circular ring resonator arranged on a chip, the ring resonator being arranged along the edge of the sensor membrane,
Fig. 17 b: eine schematische Ansicht eines auf einem Chip angeordneten quadratischen Ringresonators, wobei der Ringresonator entlang des Randes der Sensormembran angeordnet ist,17 b: a schematic view of a square ring resonator arranged on a chip, the ring resonator being arranged along the edge of the sensor membrane,
Fig. 17 c: eine schematische Ansicht eines auf einem Chip angeordneten quadratischen Ringresonators, wobei eine Seite des Ringresonators entlang eines Abschnitts des Randes der Sensormembran verläuft, und17 c shows a schematic view of a square ring resonator arranged on a chip, one side of the ring resonator running along a section of the edge of the sensor membrane, and
Fig. 18: eine schematische Ansicht einer auf einem Sensorchip angeordneten Resonatoranordnung mit einem Meßresonator und einem Referenzresonator sowie einem gemeinsamen Lichtleiter zur Zuleitung des Pumplichts und zur Ableitung des18: shows a schematic view of a resonator arrangement arranged on a sensor chip with a measuring resonator and a reference resonator and a common light guide for supplying the pump light and for deriving the
Meßsignals. In den Figuren Fig. 1 bis Fig. 9 sind unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Gemeinsam ist allen Ausführungsform, daß das laserfähige Medium 7, das in allen gezeigten Fällen zusätzlich noch photoelastische Eigenschaften aufweist, als diskrete Komponente ausgestaltet ist. In den Figuren Fig. 10 bis Fig. 15 sind unterschiedliche Ausgestaltungen eines Drucksensorchips 3 mit integriertem bzw. aufgewachsenem laserfähigem, den photoelastischen Effekt zeigendem Medium 7 dargestellt. Die Fign. 16 a-c, 17 a-c und 18 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele mit Ringresonatoren, wobei die Ringresonatoren in den Figuren 17 a-c und 18 ebenfalls ein laserfähiges, den photoelastischen Effekt zeigendes Medium aufweisen, welches auf einem Drucksensorchip aufgewachsen oder in diesen integriert ist.Measurement signal. Different embodiments of the device according to the invention are shown in FIGS. 1 to 9. Common to all of the embodiments is that the laser-capable medium 7, which in all cases additionally has photoelastic properties, is designed as a discrete component. FIGS. 10 to 15 show different configurations of a pressure sensor chip 3 with an integrated or grown laser-capable medium 7 which shows the photoelastic effect. The figures 16 ac, 17 ac and 18 show different exemplary embodiments with ring resonators, the ring resonators in FIGS. 17 ac and 18 likewise having a laser-capable medium which shows the photoelastic effect and which is grown on or integrated in a pressure sensor chip.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen Drucksensor 1 zur Relativdruck- oder Absolutdruckmessung. Der Drucksensor 1 setzt sich aus drei Schichten zusammen: einem ersten Teilstück 16a des Wafers 16, einem zweiten Teilstück 16b des Wafers 16 und einer Schicht 37. Die beiden Teilstücke 16a, 16b des Wafers 16 sind über einen Bond 39 miteinander verbunden. Als Wafermaterial wird bevorzugt Silizium verwendet; die Schicht 37 ist beispielsweise aus Pyrex oder ebenfalls aus Silizium gefertigt.1 shows in cross section a pressure sensor 1 for measuring relative pressure or absolute pressure. The pressure sensor 1 is composed of three layers: a first section 16a of the wafer 16, a second section 16b of the wafer 16 and a layer 37. The two sections 16a, 16b of the wafer 16 are connected to one another via a bond 39. Silicon is preferably used as the wafer material; layer 37 is made, for example, from Pyrex or likewise from silicon.
Wesentliche Komponente des Drucksensors 1 ist der diskrete Laserkristall 7, der in einer Ausnehmung 36 des Teilstücks 16a des Wafers 16 angeordnet ist. Der Laserkristall 7 hat im gezeigten Fall einen elliptischen oder runden Querschnitt. Wie bereits mehrfach erwähnt, handelt es sich bei dem verwendeten Laserkristall 7 beispielsweise um einen neodymdotierten YAG Kristall. Der zu bestimmende Druck des Prozeßmediums wird über die Druckzuführung 29 auf die Membran 14 übertragen und wirkt somit indirekt über die Membran 14 auf den Laserkristall 7 ein. Die isotropen Eigenschaften des Laserkristalls 7 werden unter dem Einfluß des Drucks des Prozeßmediums mehr oder weniger stark gestört.The essential component of the pressure sensor 1 is the discrete laser crystal 7, which is arranged in a recess 36 of the section 16a of the wafer 16. The laser crystal 7 in the case shown has an elliptical or round cross section. As already mentioned several times, the laser crystal 7 used is, for example, a neodymium-doped YAG crystal. The pressure of the process medium to be determined is transmitted to the membrane 14 via the pressure feed 29 and thus acts indirectly on the laser crystal 7 via the membrane 14. The isotropic properties of the laser crystal 7 are more or less disturbed under the influence of the pressure of the process medium.
Die Membran 14 ist im gezeigten Fall aus demselben Material wie der Wafer 16 gefertigt. In den Wafer 16 ist die Membran 14 in einfacher Weise dadurch integriert, daß sie durch einen abgedünnten Bereich 17 des Wafers 16 gebildet ist. Damit die Druckübertragung effektiv von der Membran 14 auf den Laserkristall 7 erfolgen kann, ist der Bereich der Membran 14, der mit dem Laserkristall 7 in direktem Kontakt steht, versteift ausgebildet.In the case shown, the membrane 14 is made of the same material as the wafer 16. The membrane 14 is integrated into the wafer 16 in a simple manner in that it is formed by a thinned region 17 of the wafer 16. In order that the pressure transfer can effectively take place from the membrane 14 to the laser crystal 7, the area of the membrane 14 which is in direct contact with the laser crystal 7 is stiffened.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei diesem Relativ- oder Absolutdrucksensor 1 ist der Druck- Spannungswandler 11 als Stößel 12 ausgebildet. Der Laserkristall 7 ist in einer Laserkristallgehäusung 36 positioniert. Der Druck des Prozeßmediums liegt über die Prozeßmembran 38 und den Stößel 12 an dem Laserkristall 7 an. Über die Druckzuführung 31 wirkt senkrecht zum Prozeßdruck ein vorgegebener Druck auf den Laserkristall 7 ein. Je nach Art des anliegenden Drucks spricht man von einem Relativdrucksensor oder einem Absolutdrucksensor, wobei im letzteren Fall die Zuführung 31 an Vakuum angeschlossen ist.2 shows a further embodiment of the device according to the invention. In this relative or absolute pressure sensor 1, the pressure-voltage converter 11 is designed as a plunger 12. The laser crystal 7 is positioned in a laser crystal housing 36. The pressure of the process medium is applied to the laser crystal 7 via the process membrane 38 and the plunger 12. A predetermined pressure acts on the laser crystal 7 via the pressure feed 31 perpendicular to the process pressure. Depending on the type of pressure present, one speaks of a relative pressure sensor or an absolute pressure sensor, the feed 31 being connected to a vacuum in the latter case.
Fig. 3 zeigt einen Differenzdrucksensor 2, bei dem als Druck-Spannungswandler 11 ein Stößel 12 mit einem oberen und einem unteren Teilbereich zum Einsatz kommt. Ein erster Druck p1 des Prozeßmediums wirkt über die obere Prozeßmembran 38 auf den oberen Teil des Stößels 12, während ein zweiter Druck p2 desselben oder eines anderen Prozeßmediums über die untere Prozeßmembran 38 auf den unteren Teil des Stößels 12 einwirkt. Die Differenz beider Drucke wird über den Stößel 12 auf den Laserkristall 7 übertragen. Der Laserkristall 7 ist - ebenso wie in den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen - in einer Laserkristallgehäusung 36 angeordnet. Die inkompressible Flüssigkeit, in die der Stößel 12 und der Laserkristall 7 eingebettet sind, sorgt dafür, daß die Membranen 38 nicht im Wellenbett anliegen.3 shows a differential pressure sensor 2, in which a plunger 12 with an upper and a lower partial area is used as the pressure-voltage converter 11. A first pressure p1 of the process medium acts on the upper part of the plunger 12 via the upper process membrane 38, while a second pressure p2 of the same or a different process medium acts on the lower part of the plunger 12 via the lower process membrane 38. The difference between the two pressures is transferred to the laser crystal 7 via the plunger 12. The laser crystal 7 is - just as in the previously described configurations - arranged in a laser crystal housing 36. The Incompressible liquid, in which the plunger 12 and the laser crystal 7 are embedded, ensures that the membranes 38 do not lie in the wave bed.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor- richtung handelt es sich wiederum um einen Relativ- oder Absolutdrucksensor 1. Der Relativ- bzw. Absolutdruck liegt über die Zuführung 31 an dem Laserkristall 7 an. Als Druck-Spannungswandler 11 wird eine inkompressible Flüssigkeit 13 verwendet. Der Laserkristall 7 ist in einer Laserkristallgehäusung 36 angeordnet. Das Teilstück 16b der Laserkristallgehäusung 36 ist mit dem ersten Teilstück 16a über eine z. B. Schweißverbindung 34 verbunden. Jede andere druckfeste Verbindung kann selbstverständlich auch verwendet werden. Der Teilbereich des Laserkristalls 7, auf den der Druck über die Prozeßmembran 38 und die inkompressible Flüssigkeit 13 übertragen wird, ist durch die Anordnung der Dichtungen 32 definiert.The embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 4 is again a relative or absolute pressure sensor 1. The relative or absolute pressure is applied to the laser crystal 7 via the feed 31. An incompressible liquid 13 is used as the pressure-voltage converter 11. The laser crystal 7 is arranged in a laser crystal housing 36. The section 16b of the laser crystal housing 36 is connected to the first section 16a via a z. B. welded connection 34 connected. Any other pressure-resistant connection can of course also be used. The section of the laser crystal 7 to which the pressure is transferred via the process membrane 38 and the incompressible liquid 13 is defined by the arrangement of the seals 32.
Fig. 5 zeigt einen Differenzdrucksensor 2, bei dem als Druck-Spannungswandler ebenfalls eine inkompressible Flüssigkeit 13 verwendet wird. Die beiden Drucke p1 , p2 werden jeweils über zwei Zuführungen auf den Laserkristall 7 übertragen, wobei der Druck p1 und der Druck p2 jeweils auf zwei in einem Winkel von im wesentlichen 90 Grad zueinander angeordnete Bereiche des Laserkristalls 7 übertragen wird. Der Laserkristall 7 ist, ebenso wie in einigen der zuvorbeschriebenen Ausführungsbeispiele, in einer Laserkristallgehäusung 36 positioniert. Wiederum sind die Teilstücke 16a, 16b der Gehäusung 36 über eine Schweißverbindung 34 miteinander verbunden. Die Teilbereiche des Laserkristalls 7, auf die die Drucke p1 , p2 über die inkompressible Flüssigkeit 13 übertragen werden, sind -wie in Fig. 4 bereits beschrieben- durch die Anordnung der Dichtungen 32 festgelegt.5 shows a differential pressure sensor 2, in which an incompressible liquid 13 is also used as the pressure-voltage converter. The two pressures p1, p2 are each transferred to the laser crystal 7 via two feeds, the pressure p1 and the pressure p2 each being transferred to two regions of the laser crystal 7 which are arranged at an angle of essentially 90 degrees to one another. The laser crystal 7 is positioned in a laser crystal package 36, as in some of the previously described embodiments. The sections 16a, 16b of the housing 36 are in turn connected to one another via a welded connection 34. The partial areas of the laser crystal 7 to which the pressures p1, p2 are transmitted via the incompressible liquid 13 are, as already described in FIG. 4, defined by the arrangement of the seals 32.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors 2. Hier werden die Drucke p1 , p2 nicht von nur einer6 shows a further embodiment of a differential pressure sensor 2 according to the invention. Here, the pressures p1, p2 are not only one
Seite, sondern von jeweils zwei Seiten auf den Laserkristall 7 übertragen. Als Druck-Spannungswandler 11 wird wiederum eine inkompressible Flüssigkeit 13 verwendet. Der Laserkristall 7 ist mittels der Dichtungen 32 schwebend in der Ausnehmung 36 aufgehängt.Side, but transferred from two sides to the laser crystal 7. As Pressure-voltage converter 11, in turn, an incompressible liquid 13 is used. The laser crystal 7 is suspended in the recess 36 by means of the seals 32.
Fig. 7 zeigt eine Variante zu der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform. Zusätzlich zu der inkompressiblen Flüssigkeit 13 als Druck-Spannungswandler 11 wird hier noch jeweils ein Stößel 12 eingesetzt.FIG. 7 shows a variant of the embodiment shown in FIG. 5. In addition to the incompressible liquid 13 as a pressure-voltage converter 11, a plunger 12 is also used here.
In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich- tung zu sehen, die als Drucksensor 1 für die Relativ- oder die Absolutdruckmessung ausgebildet ist. Der laserfähige Kristall 7 besteht aus zwei Teilstücken 7a, 7b, wobei -grob gesprochen- das Teilstück 7b die Form eines Topfes und das Teilstück 7a die Form eines Deckels hat. Die beiden Teilstücke 7a, 7b sind über eine gas- und druckdichte Verbindungsschicht 39 miteinander verbunden. Im Innenbereich des Laserkristalls 7 ist, durch die Form der Teilstücke 7a, 7b bedingt, eine Kavität 35 gebildet. Im Falle eines Relativdrucksensors herrscht in der Kavität 35 ein Referenzdruck; im Falle eines Absolutdrucksensors ist die Kavität 35 evakuiert. Der Laserkristall 7 besteht wiederum aus zwei Teilstücken 7a, 7b und ist an einem Röhrchen aufgehängt. Vorzugsweise ist er an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen verspiegelt. Der Laserkristall 7 ist in der inkompressiblen Flüssigkeit 13 angeordnet, die im vorliegenden Fall die Funktion des Druck-Spannungswandlers 11 übernimmt. Zur Minimierung des Volumens der inkompressibelen Flüssigkeit kann die Ölvorlage an das Röhrchen angebaut sein. Wie in der Figur durch das Bezugszeichen 21 angedeutet, geht der von der nicht gesondert dargestellten Energieversorgungseinheit 4 erzeugte Laserstrahl bevorzugt durch den Bereich des Laserkristalls 7, in dem durch den zu messenden Druck die größten mechanischen Spannungen induziert werden. Der Aufbau des in Fig. 9 gezeigten Differenzdrucksensors 2 ähnelt stark der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform. Daher wird auf eine wiederholte Beschreibung der analogen Komponenten verzichtet.FIG. 8 shows a further embodiment of the device according to the invention, which is designed as a pressure sensor 1 for the relative or absolute pressure measurement. The laserable crystal 7 consists of two sections 7a, 7b, whereby - roughly speaking - the section 7b has the shape of a pot and the section 7a has the shape of a lid. The two sections 7a, 7b are connected to one another via a gas and pressure-tight connecting layer 39. A cavity 35 is formed in the inner region of the laser crystal 7 due to the shape of the sections 7a, 7b. In the case of a relative pressure sensor, there is a reference pressure in the cavity 35; in the case of an absolute pressure sensor, the cavity 35 is evacuated. The laser crystal 7 again consists of two sections 7a, 7b and is suspended from a tube. It is preferably mirrored on two opposite side surfaces. The laser crystal 7 is arranged in the incompressible liquid 13, which in the present case takes over the function of the pressure-voltage converter 11. To minimize the volume of the incompressible liquid, the oil reservoir can be attached to the tube. As indicated in the figure by the reference numeral 21, the laser beam generated by the energy supply unit 4 (not shown separately) preferably passes through the area of the laser crystal 7 in which the greatest mechanical stresses are induced by the pressure to be measured. The construction of the differential pressure sensor 2 shown in FIG. 9 is very similar to the embodiment shown in FIG. 8. A repeated description of the analog components is therefore omitted.
Der Druck p1 eines ersten Prozeßmediums wird über die erste Prozeßmembran 38 und die inkompressible Flüssigkeit 13, die wie bereits bei der in Fig. 8 dargestellten Variante die Funktion des Druck-Spannungswandlers übernimmt, in die Kavität 35 eingeleitet. Der Druck p2 eines zweiten Prozeßmediums wird über die zweite Prozeßmembran 38 und die inkompressible Flüssigkeit 13 in den Raumbereich zwischen Gehäusung 36 und Laserkristall 7 eingeleitet.The pressure p1 of a first process medium is introduced into the cavity 35 via the first process membrane 38 and the incompressible liquid 13, which, like the variant shown in FIG. 8, takes over the function of the pressure-voltage converter. The pressure p2 of a second process medium is introduced via the second process membrane 38 and the incompressible liquid 13 into the space between the housing 36 and the laser crystal 7.
In Fig. 10 ist eine erste Ausgestaltung eines Drucksensorchips bzw. Differenzdrucksensorchips 3 mit integriertem Laserkristall 7 gezeigt. Zwecks Realisierung der Resonatoreigenschaften des Laserkristalls 7 sind beispielsweise die im wesentlichen vertikalen Endflächen des Laserkristalls 7 verspiegelt. Alternativ können die Lichtwellenleiter 28 in ihren den optischen Fasern 27 zugewandten Endbereichen verspiegelt sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Endflächen der optischen Fasern 27 zu verspiegeln. Wie in Fig. 11 gezeigt, kann es sich bei den Resonatorspiegeln 23, 24 auch um separat ausgebildete Komponenten handeln. Die Resonatorspiegel 23, 24 werden beispielsweise folgendermaßen erzeugt: Dünne Wände aus dem Material des Wafers 16 werden über eine mikromechanische Methode erzeugt, z. B. über einen anisotropen, naßchemischen Ätzprozeß oder einen anisotropen Plasma-Ätzprozeß. Hierbei werden wenige Mikrometer der Oberfläche des Wafers 16 weggeätzt, so daß nur zwei dünne Wände zu beiden Seiten des Laserkristalls 7 übrigbleiben. Diese werden nachfolgend mittels einer dielektrischen Schicht oder mittels einer dünnen Metallschicht verspiegelt und bilden die beiden Resonatorspiegel 23, 24. Bevorzugt ist der Laserkristall 7 als monokristalline Schicht 8 ausgebildet. Diese wird epitaktisch auf dem Wafermaterial gebildet. Außerdem ist es möglich, einen Laserkristall in Form eines Wafers 16 zu fertigen und diesen mit dem Wafer 16 zu verbinden. Der aus dem laserfähigen Medium 7 bestehende Wafer 16 wird anschließend mit Methoden der Mikromechanik strukturiert. Es kann sich bei dem Laserkristall 7 jedoch auch um einen diskreten Kristall mit z.B. rundem oder rechteckigem Querschnitt handeln. Vorzugsweise wird dieser in einem Führungsgraben positioniert. Der Wafer 16, auf dem der Laserkristall 7 angeordnet ist, weist einen abgedünnten, vorzugsweise mittig liegenden Bereich 17 auf, der die Funktion der Membran 14 übernimmt. Der Drucksensorchip 3 kann übrigens mit allen gängigen Methoden der Mikromechanik und/oder der integrierten Optik hergestellt werden. Bevorzugt besteht er aus einem Halbleitermaterial, z. B. aus Silizium.10 shows a first embodiment of a pressure sensor chip or differential pressure sensor chip 3 with an integrated laser crystal 7. For the realization of the resonator properties of the laser crystal 7, the essentially vertical end faces of the laser crystal 7 are mirrored, for example. Alternatively, the optical waveguides 28 can be mirrored in their end regions facing the optical fibers 27. Of course, it is also possible to mirror the end faces of the optical fibers 27. As shown in FIG. 11, the resonator mirrors 23, 24 can also be separately formed components. The resonator mirrors 23, 24 are produced, for example, as follows: Thin walls made of the material of the wafer 16 are produced using a micromechanical method, e.g. B. via an anisotropic, wet chemical etching process or an anisotropic plasma etching process. Here, a few micrometers of the surface of the wafer 16 are etched away, so that only two thin walls remain on both sides of the laser crystal 7. These are subsequently mirrored by means of a dielectric layer or by means of a thin metal layer and form the two resonator mirrors 23, 24. The laser crystal 7 is preferably designed as a monocrystalline layer 8. This is formed epitaxially on the wafer material. In addition, it is possible to manufacture a laser crystal in the form of a wafer 16 and to connect it to the wafer 16. The wafer 16 consisting of the laserable medium 7 is then structured using methods of micromechanics. However, the laser crystal 7 can also be a discrete crystal with, for example, a round or rectangular cross section. This is preferably positioned in a guide trench. The wafer 16, on which the laser crystal 7 is arranged, has a thinned, preferably central region 17 which takes over the function of the membrane 14. Incidentally, the pressure sensor chip 3 can be produced using all common methods of micromechanics and / or the integrated optics. It preferably consists of a semiconductor material, e.g. B. made of silicon.
Wie aus der in Fig. 10a gezeigten Draufsicht zu sehen ist, ist der Laserkristall 7 an einem Membranrand 15 positioniert. Weiterhin ist, wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, die Dicke des Laserkristalls 7 klein in Bezug auf die Dicke der Membran 14. Durch die spezielle Anordnung des Laserkristalls 7 auf der Membran 14 und/oder durch die in Bezug auf die Membran 14 geringe Dicke des Laserkristalls 7 werden optimale Meßergebnisse erzielt. Dies rührt daher, daß die infolge des Verbiegens der Membran 14 auftretenden Spannungen besonders stark ausgeprägt sind, wenn die beiden zuvor beschriebenen Bedingungen eingehalten werden.As can be seen from the plan view shown in FIG. 10 a, the laser crystal 7 is positioned on a membrane edge 15. Furthermore, as already mentioned above, the thickness of the laser crystal 7 is small in relation to the thickness of the membrane 14. Due to the special arrangement of the laser crystal 7 on the membrane 14 and / or due to the small thickness of the membrane 14 Laser crystal 7 optimal measurement results are achieved. This is due to the fact that the stresses which occur as a result of the bending of the membrane 14 are particularly pronounced if the two conditions described above are observed.
Bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform ist der Laserkristall -wie bereits erwähnt- integraler Bestandteil des Drucksensorchips 3. Auf dem Drucksensorchip 3 sind lediglich noch die Lichtwellenleiter 28 angeordnet. Diese sind übrigens optional. Das Licht kann auch aus der optischen Faser 27 direkt in den Laserkristall 7 eingekoppelt werden. Um eine optimale Kopplung zwischen den optischen Fasern 27 bzw. der optischen Faser 27 und der optischen Komponente/den optischen Komponenten zu erzielen, wird jede optische Faser 27 auf dem Chip 3 bevorzugt in einem Führungsgraben geführt. Der Führungsgraben kann im Querschnitt beispielsweise V-förmig ausgebildet sein. In diesem Fall wird er üblicherweise durch KOH-Ätzen von (100)-orientiertem Silizium erzeugt. Selbstverständlich kann ein Führungs-graben auch einen rechteckförmigen oder einen kreisförmigen Querschnitt besitzen.In the embodiment shown in FIG. 10, the laser crystal is - as already mentioned - an integral part of the pressure sensor chip 3. Only the optical waveguides 28 are arranged on the pressure sensor chip 3. By the way, these are optional. The light can also be coupled directly from the optical fiber 27 into the laser crystal 7. For an optimal coupling between the optical fibers 27 or the optical fiber 27 and the optical component / the optical To achieve components, each optical fiber 27 is preferably guided on the chip 3 in a guide trench. The guide trench can have a V-shaped cross section, for example. In this case, it is usually generated by KOH etching of (100) oriented silicon. Of course, a guide trench can also have a rectangular or circular cross section.
Die weiteren Komponenten: Pumplaser 5, Polarisator 20 und Photodiode 22 (deren jeweilige Funktionen in der bereits zitierten Patentschrift hinreichend beschrieben sind und hiermit dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung explizit zugerechnet werden) sind bei den in den Figuren Fig. 10 und Fig. 11 gezeigten Ausgestaltungen nicht auf dem Drucksensorchip 3 angeordnet. Die Strahlung des Pumplasers 5 wird über die optische Faser 27 und den Lichtleiter 28 auf den Laserkristall 7 bzw. auf die monokristalline Schicht 8 gekoppelt. Die von dem Laserkristall 7 bzw. der monokristallinen Schicht 8 emittierte Strahlung wird über die optische Faser 27 auf den Polarisator 20 geführt. Die optischen Fasern 27 können übrigens eine Länge von mehreren Kilometern aufweisen. Die aus dem Polarisator 20 austretende Strahlung wird von der Photodiode 22 detektiert. Die Frequenz des Photodiodensignals stellt ein Maß für den Druck des Prozeßmediums dar. Die Bestimmung des Drucks bzw. des Differenzdrucks erfolgt in der Auswerteeinheit 19.The further components: pump laser 5, polarizer 20 and photodiode 22 (whose respective functions are adequately described in the patent already cited and are hereby explicitly attributed to the disclosure content of the present invention) are in the configurations shown in FIGS. 10 and 11 not arranged on the pressure sensor chip 3. The radiation from the pump laser 5 is coupled via the optical fiber 27 and the light guide 28 to the laser crystal 7 or to the monocrystalline layer 8. The radiation emitted by the laser crystal 7 or the monocrystalline layer 8 is guided to the polarizer 20 via the optical fiber 27. Incidentally, the optical fibers 27 can have a length of several kilometers. The radiation emerging from the polarizer 20 is detected by the photodiode 22. The frequency of the photodiode signal represents a measure of the pressure of the process medium. The pressure or the differential pressure is determined in the evaluation unit 19.
Fig. 12 bezieht sich auf eine Variante des Drucksensorchips 3 mit integriertem laserfähigem Medium 7, bei dem die Ein- und Auskopplung der Strahlung über eine gemeinsame optische Faser 27 erfolgt. Das Pumplicht des Pumplasers 5 wird über einen für das Pumplicht transparenten Strahlteiler 25 (bzw. Spiegel) auf die optische Faser 27 eingekoppelt. Da die Frequenz der von dem Laserkristall 7 emittierte Strahlung eine von dem Pumplicht verschiedene Wellenlänge aufweist, geht diese nicht durch den Strahlteiler durch, sondern wird von dem Strahlteiler 25 auf den Polarisator 20 geleitet. Die Photodiode 22 detektiert die von dem Polarisator 20 gelieferte Strahlung.12 relates to a variant of the pressure sensor chip 3 with an integrated laser-capable medium 7, in which the radiation is coupled in and out via a common optical fiber 27. The pump light of the pump laser 5 is coupled onto the optical fiber 27 via a beam splitter 25 (or mirror) that is transparent to the pump light. Since the frequency of the radiation emitted by the laser crystal 7 has a different wavelength from the pump light, this does not pass through the beam splitter through, but is directed from the beam splitter 25 to the polarizer 20. The photodiode 22 detects the radiation supplied by the polarizer 20.
Bei der in Fig. 13 gezeigten Variante ist der Pumplaser 5, bei dem es sich bevorzugt um eine Laserdiode handelt, direkt auf dem Drucksensorchip 3 integriert. Die Laserdiode kann beispielsweise durch einen selbstjustierenden Lötprozeß auf die Oberfläche des Wafers 16 aufgebracht werden.In the variant shown in FIG. 13, the pump laser 5, which is preferably a laser diode, is integrated directly on the pressure sensor chip 3. The laser diode can be applied to the surface of the wafer 16, for example, by a self-adjusting soldering process.
Fig. 14 zeigt eine besonders vorteilhafte kompakte Ausgestaltung, bei der alle Komponenten, also Pumplaser 5, Laserkristall 7, Polarisator 20, Photodiode 22 und Lichtwellenleiter 28 auf dem Wafer 16 angeordnet sind.14 shows a particularly advantageous compact embodiment in which all components, that is to say pump laser 5, laser crystal 7, polarizer 20, photodiode 22 and optical waveguide 28, are arranged on the wafer 16.
Während im Zusammenhang mit den vorhergehenden Ausführungsformen immer Bezug auf einen Laserkristall 7 oder eine monokristalline Schicht 8 genommen wird, der/die optisch gepumpt wird, ist in Fig. 15 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei der als laserfähiges, photoelastisches Medium 7 ein Halbleiterlaser 40 verwendet wird. Diese elektrisch gepumpte Variante der Erfindung hat gegenüber den vorgenannten Ausgestaltungen den Vorteil, daß ihr Wirkungsgrad wesentlich höher ist.While in connection with the previous embodiments reference is always made to a laser crystal 7 or a monocrystalline layer 8 which is / are optically pumped, FIG. 15 shows a schematic illustration of the device according to the invention, in which a laser-capable, photoelastic medium 7 is used Semiconductor laser 40 is used. This electrically pumped variant of the invention has the advantage over the aforementioned configurations that its efficiency is significantly higher.
Anstelle diskreter Resonatorspiegel 23, 24 können auch hier wieder die bereits zuvor genannten Weiterbildungen zum Einsatz kommen. Bevorzugt ist der Halbleiterlaser 40 auf den Rand der Membran 14 aufgebracht. Bei Druckbeaufschlagung der Membran 14 wird diese ausgelenkt und erzeugt mechanische Spannungen in dem Halbleiterlaser 40. Der Halbleiterlaser 40 ist weiterhin aus einem Material hergestellt, das den photoelastischen Effekt zeigt. Durch die eingebrachten mechanischen Spannung wird die Isotropie der optischen Eigenschaften des Halbleiterlasers 40 gestört, so daß in verschiedene Richtungen polarisiertes Laserlicht nicht mehr den gleichen Brechungsindex 'sieht' und somit die optische Länge des Laserresonators für in verschiedene Richtungen polarisiertes Licht verschieden groß ist.Instead of discrete resonator mirrors 23, 24, the further developments mentioned above can also be used here. The semiconductor laser 40 is preferably applied to the edge of the membrane 14. When the diaphragm 14 is pressurized, it is deflected and generates mechanical stresses in the semiconductor laser 40. The semiconductor laser 40 is also made from a material which exhibits the photoelastic effect. The isotropy of the optical properties of the semiconductor laser 40 is disturbed by the introduced mechanical tension, so that laser light polarized in different directions no longer the same Refractive index 'sees' and thus the optical length of the laser resonator is of different sizes for light polarized in different directions.
Als Material für den Halbleiterlaser 40 können beispielsweise Gallium-Arsen- Verbindungen verwendet werden. Möglich ist auch der Einsatz von Halbleiterlasern 40 auf Siliziumbasis, was für die Erfindung in mancher Hinsicht überragende Vorteile bringt.Gallium arsenic compounds, for example, can be used as the material for the semiconductor laser 40. It is also possible to use silicon-based semiconductor lasers 40, which in many respects brings outstanding advantages for the invention.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Fign. 16 - 18 Ausführungsbeispiele für Drucksensoren mit Ringresonatoren diskutiert.In the following, with reference to FIGS. 16-18 exemplary embodiments for pressure sensors with ring resonators discussed.
Wenngleich nicht im einzelnen dargestellt, kann die Druckbeaufschlagung der Ringresonatoren nach den zuvor beschriebenen Prinzipien mit einem geeigneten Druckwandler erfolgen.Although not shown in detail, the ring resonators can be pressurized according to the principles described above with a suitable pressure transducer.
Zur Auskopplung des Laserlichts aus einem Ringresonator 70; 170; 270; 370, 376 weisen die Ausführungsbeispiele Lichtwellenleiter 71 ; 171 ; 271 ; 371 auf, die neben den Resonatoren angeordnet sind, wobei ein Teil des Laserlichts in die Lichtwellenleiter 71 ; 171 ; 271 ; 371 ausgekoppelt wird. Der Anteil der ausgekoppelten Energie kann z.B. durch den Abstand zwischen Ringresonator und Auskoppel-Lichtwellenleiter beeinflußt werden, wodurch zugleich die Güte des Resonators einstellbar ist.To extract the laser light from a ring resonator 70; 170; 270; 370, 376, the exemplary embodiments have optical waveguides 71; 171; 271; 371, which are arranged next to the resonators, with part of the laser light entering the optical waveguides 71; 171; 271; 371 is decoupled. The proportion of the extracted energy can e.g. can be influenced by the distance between the ring resonator and the coupling-out optical waveguide, whereby the quality of the resonator can also be adjusted.
Die Fign. 16 a -c zeigen verschiedene Anordnungen zur Einkopplung des Pumplichts die nachfolgend beschrieben werden.The figures 16 a-c show various arrangements for coupling in the pump light, which are described below.
In der Anordnung nach Fig. 16 a erfolgt die Einkopplung über eine Y- Verzweigung 73. D.h., das Licht einer Pumplichtquelle 75 wird dem Ringresonator 70 über einen Lichtleiterabschnitt 72 zugeführt, welcher an der Y-Verzweigung 73 tangential in den Ringresonator mündet. Bei dem Entwurf einer Y-Verzweigung sind allgemein die folgenden Punkte zu beachten:In the arrangement according to FIG. 16 a, the coupling takes place via a Y branch 73. That is, the light from a pump light source 75 is fed to the ring resonator 70 via a light guide section 72 which opens tangentially into the ring resonator at the Y branch 73. When designing a Y-branch, the following points should generally be observed:
Besteht der Lichtleiterabschnitt 72 aus Nd:YAG, so kann in diesem Abschnitt schon ein erheblicher Anteil des Pumplichts absorbiert werden. Zum Pumpen des eigentlichen ringförmigen Laserresonators steht dann entsprechend weniger Energie zur Verfügung.If the light guide section 72 consists of Nd: YAG, a considerable proportion of the pump light can already be absorbed in this section. Correspondingly less energy is then available for pumping the actual annular laser resonator.
Um diesem Problem zu begegnen kann der Lichtleiterabschnitt einerseits ein anderes Material als Material als Nd:YAG aufweisen. Vorzugsweise hat das andere Mateπal bei der Wellenlänge des Pumplichts etwa den gleichen Brechungsindex wie Nd:YAG. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß an der Schnittstelle der beiden unterschiedlichen Materialien Reflexionen stattfinden, welche ebenfalls den im eigentlichen Resonator zur Verfügung stehenden Anteil des Pumplichts vermindern.In order to counter this problem, the light guide section can, on the one hand, have a material other than material than Nd: YAG. The other material preferably has approximately the same refractive index as Nd: YAG at the wavelength of the pump light. However, this solution has the disadvantage that reflections take place at the interface of the two different materials, which also reduce the amount of pump light available in the actual resonator.
Zur Vermeidung von Absorption im größeren Umfang kann andererseits auch der Abschnitt Lichtleiterabschnitt 72 der Y-Verzweigung 73 möglichst kurz ausgelegt werden, und/oder der Anteil der Nd-Atome im gesamten (Resonator + Y-Verzweigung) YAG-Wirtsmaterial wird geringer gewählt als bei Nd:YAG Lasern üblich. Üblich sind Neodym-Dotierungen von 1 ,0% bis 1 ,5%. Je geringer der Neodymanteil und je kürzer die Länge des Lichtleiterabschnitts 72 ist, desto mehr Pumpenergie kann bis zum eigentlichen Laserresonator gelangen.To avoid absorption on a larger scale, on the other hand, the section of the light guide section 72 of the Y branch 73 can also be made as short as possible, and / or the proportion of Nd atoms in the entire (resonator + Y branch) YAG host material is chosen to be lower than in Nd: YAG lasers common. Neodymium doping of 1.0% to 1.5% is customary. The lower the proportion of neodymium and the shorter the length of the light guide section 72, the more pump energy can reach the actual laser resonator.
In einer weiteren Ausgestaltung der Y-Verzweigung enthält der Lichtleiterabschnitt 72 kein Neodym. Dies kann durch das folgende Herstellungsverfahren erzielt werden: Der Ringresonator incl. Y-Verzweigung besteht zunächst nur aus YAG. Das Neodym wird erst nachträglich mittels Implantation oder Diffusion eingebracht. Der Lichtleiterabschnitt 72 der Y- Verzweigung wird während der Diffusion oder Implantation mittels geeigneter Schichten abgedeckt, um das Eindringen von Neodym zu verindern. Das hat zur Folge, daß im Lichtleiterabschnitt 72 praktisch kein Pumplicht absorbiert wird.In a further embodiment of the Y branch, the light guide section 72 contains no neodymium. This can be achieved by the following manufacturing process: The ring resonator including Y-branching initially consists only of YAG. The neodymium is only subsequently introduced by means of implantation or diffusion. The light guide section 72 of the Y- Branching is covered by means of suitable layers during diffusion or implantation in order to prevent the penetration of neodymium. The result of this is that practically no pump light is absorbed in the light guide section 72.
In Abbildung 16 b erfolgt die Einkopplung des Pumplichts über eine Pumplichtquelle (wie z.B. Laserdiode oder LED oder optische Faser, in welche das Licht einer Laserdiode oder LED eingekoppelt wird), welche über dem Ringresonator 70 angeordnet ist. Das Pumplicht gelangt so direkt zu allen Bereichen des Ringresonators 70. Eine Y-Verzweigung mit den oben erwähnten Nachteilen der Lichtabsorption wird in diesem Fall nicht benötigt.In Figure 16 b, the pumping light is coupled in via a pumping light source (such as a laser diode or LED or optical fiber into which the light of a laser diode or LED is coupled), which is arranged above the ring resonator 70. The pump light thus reaches all areas of the ring resonator 70 directly. A Y-branching with the above-mentioned disadvantages of light absorption is not required in this case.
In Abb. 16 c befindet sich direkt neben dem Ringresonator ein erster Lichtwellenleiter, in den das Pumplicht zunächst eingekoppelt wird. Dadurch, daß sich der erste Lichtwellenleiter 74 sehr nahe beim Ringresonator befindet, wird ein Teil des Pumplichts vom ersten Lichtwellenleiter zum Ringresonator übergekoppelt.In Fig. 16 c there is a first optical fiber directly next to the ring resonator, into which the pump light is initially coupled. Because the first optical waveguide 74 is very close to the ring resonator, part of the pump light is coupled over from the first optical waveguide to the ring resonator.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das System erster Lichtwellenleiter / Pumplichtquelle so gestaltet sein, daß kein oder nur wenig Pumplicht vom erstem Lichtwellenleiter in die Pumplichtquelle zurückreflektiert wird.In a preferred embodiment of the invention, the system of the first optical waveguide / pump light source can be designed in such a way that little or no pump light is reflected back from the first optical waveguide into the pump light source.
Fign. 17 a - c zeigen Anordnungen von Ringresonatoren auf einem Sensorchip.FIGS. 17 a - c show arrangements of ring resonators on a sensor chip.
In Fign. 17 a, b ist der Resonator 70; 170 entlang des vorzugsweise abgedünnten Membranrandes angeordnet. Hier entstehen bei einer Auslenkung der Membran die größten mechanischen Spannungen. Daher wird mit einer Anordnung gemäß 17 a, b die größtmögliche Sensorempfindlichkeit erzielt. Der Ringresonator 170 der Fig 17 b ist im wesentlichen quadratisch angeordnet. Diese Form des Resonators wird bevorzugt bei quadratischen Meßmembranen eingesetzt. Der Ringresonator verläuft bevorzugt entlang des Bereichs des Membranrandes. Die Ecken des Resonators werden wie in Fig. 17 b gezeigt unter einem Winkel von 45° abgeätzt.In Figs. 17 a, b is the resonator 70; 170 arranged along the preferably thinned membrane edge. The greatest mechanical stresses arise here when the membrane is deflected. Therefore, the greatest possible sensor sensitivity is achieved with an arrangement according to 17 a, b. The ring resonator 170 of FIG. 17 b is arranged essentially square. This form of the resonator is preferably used for square measuring membranes. The ring resonator preferably runs along the area of the membrane edge. The corners of the resonator are etched away at an angle of 45 °, as shown in FIG. 17b.
Eine weitere spezielle Ausgestaltung eines rechteckigen, insbesondere quadratischen, Ringresonators 270 ist in Fig 17c gezeigt. Ein Teil des quadratischen Ringresonators 270 verläuft entlang einer Strecke des Membranrandes 215 bzw. entlang eines Teils einer Strecke des Membranrandes 215 der Meßmembran 214. Dies ist bei Membranen mit großem Umfang, welche vorzugsweise bei kleinen Meßbereichen eingesetzt werden, von Vorteil, da so die Länge des Resonators klein ist und daher die longitudinalen Moden des Resonators frequenzmäßig weit auseinander liegen. Diese große Separation der longitudinalen Moden ist erwünscht, um zu gewährleisten, daß im Resonator nur eine longitudinale Mode anschwingen kann. Zur weiteren Verkürzung des Ringresonators ist ein Rechteck zu wählen, bei dem die Seiten, die senkrecht zur druckbeaufschlagten Resonatorabschnitt verlaufen, möglichst kurz sind.A further special embodiment of a rectangular, in particular square, ring resonator 270 is shown in FIG. 17c. A part of the square ring resonator 270 runs along a section of the membrane edge 215 or along a section of a section of the membrane edge 215 of the measuring membrane 214. This is advantageous in the case of membranes with a large circumference, which are preferably used in small measuring ranges, because the length of the resonator is small and therefore the longitudinal modes of the resonator are far apart in frequency. This large separation of the longitudinal modes is desirable to ensure that only one longitudinal mode can oscillate in the resonator. To further shorten the ring resonator, a rectangle should be chosen in which the sides that run perpendicular to the pressurized resonator section are as short as possible.
Grundsätzlich können bei jeder Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Drucksensors Pumplicht und Meßlicht auf verschiedene Arten zum Chip hin bzw. vom Chip weg transportiert werden. Die Pumplichtquelle kann direkt auf dem Chip, als Hybrid auf dem Chip angeordnet sein, oder das Pumplicht wird über einen Lichtleiter zugeführt.In principle, with each configuration of a pressure sensor according to the invention, pump light and measuring light can be transported to the chip or away from the chip in different ways. The pump light source can be arranged directly on the chip, as a hybrid on the chip, or the pump light is supplied via an optical fiber.
Ein Polarisator kann auf dem Chip, in einer Faser oder nach einer Faser angeordnet sein. Eine Photodiode kann direkt auf dem Chip, als Hybrid auf dem Chip (z.B. mit vorgesetztem Polarisator) oder nach einer Faser angeordnet sein.A polarizer can be arranged on the chip, in a fiber or after a fiber. A photodiode can be arranged directly on the chip, as a hybrid on the chip (for example with a polarizer in front) or after a fiber.
In einer besonders bevorzugten Ausführung werden Pumplicht und Meßlicht über eine gemeinsame Faser transportiert, d.h. es gibt keine elektrischen Verbindungen zum Chip, sondern nur noch eine optische Verbindungsfaser.In a particularly preferred embodiment, pump light and measuring light are transported over a common fiber, i.e. there are no electrical connections to the chip, only an optical connecting fiber.
In dieser in Fig. 18 gezeigten Ausführungsform wird eine Faser verwendet, um das Pumplicht zuzuleiten und das Meßlicht wegzuleiten. Elektrische Anschlüsse zum Sensorchip sind nicht erforderlich. Das ist insbesondere von Vorteil für Ex-Anwendungen. Außerdem ist dieser Sensorchip auch bei hohen Temperaturen (ca. bis 250°C) einsetzbar.In this embodiment shown in FIG. 18, a fiber is used to supply the pump light and to remove the measurement light. Electrical connections to the sensor chip are not required. This is particularly advantageous for Ex applications. In addition, this sensor chip can also be used at high temperatures (approx. Up to 250 ° C).
Der vorzugsweise kreisförmig angeordnete ringförmige Meßresonator 370 verläuft entlang des Randbereichs der Membran 302. Auf dem Sensorchip 303 befindet sich ein zweiter, baugleicher Resonator 376, der als Referenz dient. Der Referenzresonator 376 befindet sich auf einem massiven Teil des Sensorchips 303. Um die Baugleichheit zwischen Meßresonator 370 und Referenzresonator 376 zu erhöhen, kann der Referenzresonator sich aber auch entlang des Randes einer zweiten Membran 301 erstrecken, wobei die zweite Membran jedoch keiner Druckdifferenz ausgesetzt wird.The preferably circularly arranged ring-shaped measuring resonator 370 runs along the edge region of the membrane 302. A second, structurally identical resonator 376 is located on the sensor chip 303 and serves as a reference. The reference resonator 376 is located on a solid part of the sensor chip 303. However, in order to increase the structural similarity between the measuring resonator 370 and the reference resonator 376, the reference resonator can also extend along the edge of a second membrane 301, whereby the second membrane is not exposed to a pressure difference.
Bei dieser Ausgestaltung bildet sich pro Resonator nur eine Mode aus und zwar die TE-Mode, bei der die Richtung des elektrischen Feldes in einer Ebene parallel zur Chipoberfläche liegt. Die TM-Mode, bei der die elektrische Feldstärke senkrecht zur Chipoberfläche steht, wird unterdrückt. Dies geschieht mittels Polarisatoren, 320, 321 die vorzugsweise eine dünne Dielektrikum/Metall-Schicht aufweisen, die auf einen Teil des Resonators aufgebracht ist. Die Metallschicht wirkt wie ein Polarisator, der die TM-Mode abschwächt. Dadurch kann der Ringlaser nur auf der TE-Mode lasern. Wird die Meßmembran 302 durch einen Meßdruck ausgelenkt, so entstehen in der Membran radiale mechanische Spannungen, deren Maximum im Bereich des Membranrands liegt. Die Richtung der mechanischen Spannungen stimmt mit der Polarisationsrichtung der TE-Mode im Ringresonator 370 überein. Je größer die mechanischen Spannungen sind, desto stärker ändert sich der Brechungsindex des Resonatormaterials (photoelastischer Effekt) und damit die optische Resonatorlänge. Daraus resultiert eine Änderung der Laserfrequenz. Die Laserfrequenz des Referenzresonators 376 wird vom Meßdruck nicht beeinflußt. Änderungen der Laserfrequenz, welche auf andere Einflußfaktoren, wie z.B. Temperatur, zurückzuführen sind, wirken sich auf Meßresonator und Referenzresonator gleichermaßen aus und können eliminiert werden, indem man die Laserfrequenzen der beiden Resonatoren mittels eines optischen Detektors (z.B. Photodiode) mischt und nur die Differenz der Laserfrequenzen ajs ein zum Meßdruck proportionales Signal auswertet.In this configuration, only one mode is formed per resonator, namely the TE mode, in which the direction of the electric field lies in a plane parallel to the chip surface. The TM mode, in which the electric field strength is perpendicular to the chip surface, is suppressed. This is done by means of polarizers 320, 321, which preferably have a thin dielectric / metal layer which is applied to part of the resonator. The metal layer acts like a polarizer that weakens the TM mode. This means that the ring laser can only laser on TE mode. If the measuring membrane 302 is deflected by a measuring pressure, radial mechanical stresses arise in the membrane, the maximum of which lies in the area of the membrane edge. The direction of the mechanical stresses coincides with the direction of polarization of the TE mode in the ring resonator 370. The greater the mechanical stresses, the more the refractive index of the resonator material changes (photoelastic effect) and thus the optical resonator length. This results in a change in the laser frequency. The laser frequency of the reference resonator 376 is not influenced by the measuring pressure. Changes in the laser frequency, which can be attributed to other influencing factors, such as temperature, affect the measuring resonator and the reference resonator equally and can be eliminated by mixing the laser frequencies of the two resonators using an optical detector (e.g. photodiode) and only the difference between Laser frequencies ajs evaluates a signal proportional to the measuring pressure.
Das Pumplicht gelangt von einer optischen Faser auf ein ersten Wellenleiter 328. Der erste Wellenleiter 328 verzweigt sich in zwei breite Äste 305, 306 und einen sehr schmalen Ast 377. Fast das gesamte Pumplicht wird symmetrisch auf die beiden breiten Äste 305, 306 verteilt. Die breiten Äste führen das Pumplicht den beiden Resonatoren vorzugsweise über Y- Verzweigungen zu. In jedem Resonator bildet sich eine Lasermode aus, welche in Richtung der Pfeile umläuft. In der Gegenrichrung kann sich keine Mode ausbilden, da diese Mode zu große Verluste durch die Y-Verzweigung zur Einkopplung des Pumplichts erleiden würde.The pump light passes from an optical fiber onto a first waveguide 328. The first waveguide 328 branches into two broad branches 305, 306 and a very narrow branch 377. Almost the entire pump light is distributed symmetrically over the two broad branches 305, 306. The broad branches feed the pump light to the two resonators, preferably via Y branches. A laser mode is formed in each resonator, which rotates in the direction of the arrows. No mode can develop in the opposite direction, since this mode would suffer excessive losses due to the Y-branching for coupling in the pump light.
Zum Auskoppeln eines Teils des Laserlichts sind neben den Resonatoren 370, 376 Auskoppellichtwellenleiter 371 vorgesehen. Die beiden Auskoppellichtwellenleiter werden zu einem Lichtwellenleiter zusammengeführt, welcher den dünnen Ast 377 des oben beschriebenen ersten Lichtwellenleiters darstellt. Von diesem Lichtwellenleiter gelangt das Meßlicht in die optische Faser 327. Auf dem Auskoppellichtwellenleiter kann sich ebenfalls ein Polarisator 322 der oben beschriebenen Art befinden, der gewährleistet, daß im Wellenleiter nur die TE-Mode vorhanden ist, d.h. daß das Licht nur eine einzige Polarisationsrichtung aufweist. Das ist die Voraussetzung für ein Mischen der Laserfrequenzen in einem nachgeschalteten (nicht gezeigten) optischen Detektor.Coupling light waveguides 371 are provided in addition to the resonators 370, 376 for coupling out part of the laser light. The two outcoupling optical waveguides are brought together to form an optical waveguide which represents the thin branch 377 of the first optical waveguide described above. This comes from this optical fiber Measuring light into the optical fiber 327. A polarizer 322 of the type described above can also be located on the outcoupling light waveguide, which ensures that only the TE mode is present in the waveguide, ie that the light has only a single polarization direction. This is the prerequisite for mixing the laser frequencies in a downstream (not shown) optical detector.
Am nicht gezeichneten Ende der Faser 327 befindet sich ein optisches Element, welches das Meßlicht vom Pumplicht trennt. Diese Aufgabe kann z.B. von einem unter 45° angeordneten Spiegel erfüllt werden, welcher das Pumplicht ungehindert durchläßt und das gesamte Meßlicht reflektiert (Wellenlänge Meßlicht ≠ Wellenlänge Pumplicht).At the not shown end of the fiber 327 there is an optical element which separates the measuring light from the pump light. This task can e.g. be fulfilled by a mirror arranged at 45 °, which allows the pump light to pass through unhindered and reflects the entire measuring light (wavelength measuring light ≠ wavelength pump light).
In einer weiteren bevorzugten Variante weist der Drucksensor zwei Resonatoren mit zwei Moden je Resonator auf. Für jeden Resonator wird jeweils ein Mischsignal zwischen den beiden Moden generiert. Die Differenz zwischen dem beiden Mischsignalen ist das eigentliche druckabhängige Meßsignal.In a further preferred variant, the pressure sensor has two resonators with two modes per resonator. A mixed signal between the two modes is generated for each resonator. The difference between the two mixed signals is the actual pressure-dependent measurement signal.
Das Meßlicht gelangt dann vom Spiegel zum optischen Detektor, beispielsweise einer Photodiode. Das Pumplicht einer geeigneten Pumplichtquelle, beispielsweise einer LED oder Laserdiode, mittels einer geeigneten Vorrichtung in die Faser eingekoppelt.The measuring light then passes from the mirror to the optical detector, for example a photodiode. The pump light from a suitable pump light source, for example an LED or laser diode, is coupled into the fiber by means of a suitable device.
Abschließend sollen noch einmal mögliche Anordnungen der funktionalen Komponenten des erfindungsgemäßen Drucksensors genannt werden, wobei der Schutzgegenstand nur durch die Ansprüche definiert ist und nicht auf diese Anordnungen beschränkt ist:Finally, possible arrangements of the functional components of the pressure sensor according to the invention should be mentioned again, the subject matter of protection being defined only by the claims and not being limited to these arrangements:
a) Polarisator und Photodiode sind integraler Bestandteil des Drucksensorchips. b) Der Polarisator ist integraler Bestandteil des Drucksensorchips, die Photodiode wird in hybrider Bauweise auf den Drucksensorchip aufgebracht.a) Polarizer and photodiode are an integral part of the pressure sensor chip. b) The polarizer is an integral part of the pressure sensor chip, the photodiode is applied to the pressure sensor chip in a hybrid construction.
c) Der Polarisator ist integraler Bestandteil des Drucksensorchips; mittels einer optischen Faser wird das Licht zu einer separaten Photodiode geleitet.c) The polarizer is an integral part of the pressure sensor chip; the light is guided to a separate photodiode by means of an optical fiber.
d) Mittels einer Faser wird das Licht vom Auskoppelwellenieiter zu der separaten Einheit Polarisator / Photodiode geleitet.d) By means of a fiber, the light is guided from the coupling-out waveguide to the separate polarizer / photodiode unit.
e) Mittels einer Faser die einen Polarisator enthält, wird das Licht vom Auskoppelwellenieiter zu einer separaten Photodiode geleitet.e) By means of a fiber that contains a polarizer, the light is guided from the coupling-out waveguide to a separate photodiode.
f) Mittels einer Faser wird das Licht vom Auskoppelwellenieiter zu einer separaten Photodiode geleitet. Dabei handelt es sich um eine polarisationserhaltende Faser, welche so angeordnet ist, daß die Polarisationsrichtung der Faser einen Winkel von je 45° mit den Polarisationsrichtungen der beiden elektromagnetischen Wellen imf) By means of a fiber, the light is guided from the coupling-out waveguide to a separate photodiode. It is a polarization-maintaining fiber, which is arranged so that the polarization direction of the fiber is at an angle of 45 ° with the polarization directions of the two electromagnetic waves in the
Auskoppellichtwellenleiter bildet. Coupling light waveguide forms.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Drucksensor1 pressure sensor
2 Differenzdrucksensor 3 Drucksensor-/Differenzdrucksensorchip2 Differential pressure sensor 3 Pressure sensor / differential pressure sensor chip
4 Energieversorgungseinheit4 power supply unit
5 Pumplaser5 pump lasers
6 Elektrische Spannungsquelle6 Electrical voltage source
7 Laserfähiges Medium bzw. Laserkristall 7a Teilstück des laserfähigen Mediums bzw. des Laserkristalls7 Laser-compatible medium or laser crystal 7a Section of the laser-compatible medium or laser crystal
7b Teilstück des laserfähigen Mediums bzw. des Laserkristalls7b section of the laser-capable medium or the laser crystal
8 Monokristalline Schicht8 monocrystalline layer
9 Spiegel9 mirrors
10 Spiegel 11 Druck-Spannungswandler10 mirrors 11 pressure-voltage converters
12 Stößel12 pestles
13 Inkompressible Flüssigkeit13 Incompressible liquid
14 Membran14 membrane
15 Membranrand 16 Wafer15 membrane edge 16 wafers
16a Teilstück eines Wafers16a section of a wafer
16b Teilstück eines Wafers16b section of a wafer
17 Abgedünnter Bereich17 Thinned area
18 Versteifter Bereich 19 Empfangs-/Auswerteeinheit18 Stiffened area 19 Receiver / evaluation unit
20 Polarisator20 polarizer
21 Laserstrahl21 laser beam
22 Photodiode22 photodiode
23 Resonatorspiegel 24 Resonatorspiegel23 resonator mirrors 24 resonator mirrors
25 Strahlteiler Verbindungsleitung25 beam splitters connecting line
Optische FaserOptical fiber
Lichtwellenleiteroptical fiber
Druckzuführungpressure feed
Druckzuführungpressure feed
Zuführung für RelativdruckRelative pressure feed
Dichtungpoetry
Röhrchentube
Lötstellesoldered point
Kavitätcavity
GehäusungGehäusung
Materialschicht a Prozeßmembran b Prozeßmembran c Prozeß membran d ProzeßmembranMaterial layer a process membrane b process membrane c process membrane d process membrane
Verbindungsschichtlink layer
HalbleiterlaserSemiconductor laser
Röhrchentube
Ringresonatorring resonator
Lichtleiteroptical fiber
LichtleiterabschnittOptical waveguide section
Y-VerzweigungY-branch
Pumplichtquelle 3 Sensorchip 0 Ringresonator 1 Lichtleiter 3 Sensorchip 4 Meßmembran 5 Membran rand 0 Ringresonator 271 LichtleiterPump light source 3 sensor chip 0 ring resonator 1 light guide 3 sensor chip 4 measuring membrane 5 membrane edge 0 ring resonator 271 light guide
301 Referenzmembran301 reference membrane
301 Meßmembran301 measuring membrane
303 Sensorchip303 sensor chip
304 Verzweigung304 branching
305 breiter linker Zweig305 wide left branch
306 breiter rechter Zweig306 wide right branch
320 Polarisator320 polarizer
321 Polarisator321 polarizer
322 Polarisator322 polarizer
327 optische Faser327 optical fiber
328 Lichtleiter328 light guide
370 Meßresonator370 measuring resonator
371 Lichtleiter371 light guide
376 Referenzresonator376 reference resonator
377 schmaler Lichtleiter 377 narrow light guide

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Bestimmung/Überwachung des Drucks oder Differenzdrucks zumindest eines Prozeßmediums mit einer Energieversorgungseinheit (4), einem in einem Resonator angeordneten laserfähigen Medium (7), einem Druck-Spannungswandler (11) und einer Empfangs-/Auswerteeinheit (19), wobei die Energieversorgungseinheit (4) das laserfähige Medium (7) pumpt und zu Laseraktivitäten anregt, wobei entweder das laserfähige Medium (7) oder zusätzlich zu dem laser- fähigen Medium (7) ein weiteres in den Resonator eingebrachtes Medium im unbelasteten Zustand, wenn allseitig derselbe Druck auf das laserfähige Medium (7) bzw. das weitere Medium einwirkt, isotrope Eigenschaften aufweist und der aus dem Resonator, dem laserfähigen Medium und evtl. dem weiteren in den Resonator eingebrachten Madium aufgebaute Laser Strahlung mit einer von den physikalischen Eigenschaften des laserfähigen Mediums (7) bzw. des weiteren Mediums abhängigen Frequenz emittiert, wobei der Druck-Spannungswandler (11) den zumessenden Druck- oder Differenzdruck des zumindest einen Prozeßmediums auf zumindest einen Teilbereich des laserfähigen Mediums (7) bzw. des weiteren Mediums über- trägt, wodurch ein belasteter Zustand des laserfähigen Mediums (7) bzw. des weiteren Mediums definiert ist, in dem die isotropen Eigenschaften des laserfähigen Mediums (7) bzw. des weiteren Mediums gestört sind, wobei die im belasteten Zustand des laserfähigen Mediums (7) emittierte Strahlung in verschiedenen Polarisationsrichtungen veränderte und unterschiedliche Frequenzen aufweist, und wobei die Empfangs-/Auswerteeinheit (19) anhand mindestens einer der veränderten Frequenzen in den verschiedenen Polarisationsrichtungen den Druck p bzw. den Differenzdruck p1 , p2 des zumindest einen Prozeßmediums bestimmt. 1. Device for determining / monitoring the pressure or differential pressure of at least one process medium with an energy supply unit (4), a laser-capable medium (7) arranged in a resonator, a pressure-voltage converter (11) and a reception / evaluation unit (19), wherein the energy supply unit (4) pumps the laserable medium (7) and stimulates laser activities, either the laserable medium (7) or, in addition to the laserable medium (7), another medium introduced into the resonator in the unloaded state, if the same on all sides Pressure acts on the laserable medium (7) or the other medium, has isotropic properties and the laser radiation built up from the resonator, the laserable medium and possibly the further madium introduced into the resonator with a physical properties of the laserable medium ( 7) or the other medium dependent frequency is emitted, the pressure-voltage converter (11) transmits the metering pressure or differential pressure of the at least one process medium to at least a portion of the laserable medium (7) or the further medium, thereby defining a loaded state of the laserable medium (7) or the further medium, in which the isotropic properties of the laserable medium (7) or the further medium are disturbed, the radiation emitted in the loaded state of the laserable medium (7) having different and different frequencies in different polarization directions, and the receiving / evaluation unit (19 ) determines the pressure p or the differential pressure p1, p2 of the at least one process medium on the basis of at least one of the changed frequencies in the different polarization directions.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Empfangs-/Auswerteeinheit (19) anhand der unterschiedlichen Frequenzen in den verschiedenen Polarisationsrichtungen den Druck p bzw. den Differenzdruck p1 , p2 des zumindest einen Prozeßmediums bestimmt.2. Device according to claim 1, wherein the receiving / evaluating unit (19) determines the pressure p or the differential pressure p1, p2 of the at least one process medium on the basis of the different frequencies in the different polarization directions.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck-Spannungswandler (11) im Falle einer Differenzdruckmessung derart ausgestaltet ist, daß die beiden Drucke unter einem Winkel von im wesentlichen 90° zueinander auf das laserfähiges Medium (7) einwirken.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the pressure-voltage converter (11) is designed in the case of a differential pressure measurement such that the two pressures act at an angle of substantially 90 ° to each other on the laser-capable medium (7).
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Druck-Spannungswandler (11) um einen Stößel (12) handelt.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pressure-voltage converter (11) is a plunger (12).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Druck-Spannungswandler (11) um eine idealerweise inkompressible Flüssigkeit (13) handelt.5. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pressure-voltage converter (11) is an ideally incompressible liquid (13).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für sich genommen oder zusätzlich zu dem Stößel (12) und/oder der inkompressiblen Flüssigkeit (13) zumindest eine Membran (14) als Druck- Spannungswandler (11) vorgesehen ist.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that taken on its own or in addition to the plunger (12) and / or the incompressible liquid (13) at least one membrane (14) is provided as a pressure-voltage converter (11) ,
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das laserfähige Medium (7) bzw. der Resonator auf einer entsprechenden Membran (14) oder in unmittelbarer Nähe der Membran (14) derart angeordnet sind, daß der Druck bzw. die Drucke über die Membran (14) auf den zumindest einen Teilbereich des laserfähigen Mediums (7) einwirkt bzw. einwirken und die isotropen Eigenschaften des laserfähigen Mediums (7) stört bzw. stören.7. The device according to claim 6, characterized in that that the laserable medium (7) or the resonator on a corresponding membrane (14) or in the immediate vicinity of the membrane (14) are arranged such that the pressure or the pressure across the membrane (14) on the at least a portion of the acts or act on laser-compatible medium (7) and interferes with the isotropic properties of laser-compatible medium (7).
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Membran (14) um einen abgedünnten Teilbereich (17) eines Wafers (16) handelt, wobei das laserfähige Medium (7) und/oder der Resonator vorzugsweise über die Methoden der Mikromechanik und/oder der integrierten Optik auf der Membran (14) angeordnet sind.8. The device according to claim 1, 6 or 7, characterized in that the membrane (14) is a thinned portion (17) of a wafer (16), the laserable medium (7) and / or the resonator preferably are arranged on the membrane (14) via the methods of micromechanics and / or the integrated optics.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das laserfähige Medium (7) auf die Membran (14) oder in unmittelbarer Nähe der Membran (7) aufgewachsen ist.9. The device according to claim 6, 7 or 8, characterized in that the laserable medium (7) on the membrane (14) or in the immediate vicinity of the membrane (7) has grown.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des laserfähigen Mediums (7) klein ist gegenüber der Dicke der Membran (14).10. Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the thickness of the laserable medium (7) is small compared to the thickness of the membrane (14).
11. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (14) bzw. ein abgedünnter Teilbereich (17) des Wafers (16) oder ein sich an den abgedünnten Teilbereich anschließender Bereich des Wafers als laserfähiges Medium (7) ausgebildet ist.11. The device according to claim 6 or 10, characterized in that the membrane (14) or a thinned portion (17) of the wafer (16) or an adjoining the thinned portion of the wafer is designed as a laser-capable medium (7) ,
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Komponenten (4, 7, 9, 10, 14, 19, 23, 24, 25, 26) des Druck-/Differenzdrucksensor-Chips (3) eine integrale Einheit bilden.12. The device according to claim 1, characterized in that at least some of the components (4, 7, 9, 10, 14, 19, 23, 24, 25, 26) of the pressure / differential pressure sensor chip (3) form an integral unit.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Energieversorgungseinheit (4) und/oder die Empfangs- /Auswerteeinheit (19) von dem laserfähigen Medium (7) eine vorgegebene räumliche Distanz aufweisen bzw. aufweist und daß zumindest eine Verbindungsleitung (26) vorgesehen ist, über die die Anregungsenergie und/oder die emittierte Strahlung zu dem laserfähigen Medium (7) hin- bzw. von dem laserfähigen Medium (7) weggeleitet werden/wird.13. The apparatus according to claim 1 or 12, characterized in that at least the energy supply unit (4) and / or the receiving / evaluation unit (19) from the laserable medium (7) have or has a predetermined spatial distance and that at least one connecting line (26) is provided, via which the excitation energy and / or the emitted radiation are directed to the laserable medium (7) or away from the laserable medium (7).
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Resonator ein Ringresonator ist.14. Device according to one of the preceding claims, wherein the resonator is a ring resonator.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Ringresonator im wesentlichen kreisförmig ist.15. The apparatus of claim 14, wherein the ring resonator is substantially circular.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Ringresonator rechteckig, verläuft.16. The apparatus of claim 15, wherein the ring resonator is rectangular.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Ringresonator entlang des Randes einer Membran verläuft.17. The apparatus of claim 15 or 16, wherein the ring resonator extends along the edge of a membrane.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei eine Seite der des rechteckigen Ringresonators entlang zumindest eines Abschnitts eines Membranrands einer Meßmembran verläuft. 18. The apparatus of claim 16, wherein one side of the rectangular ring resonator extends along at least a portion of a membrane edge of a measuring membrane.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die geometrische Weglänge des Ringresonators kleiner ist als die Länge des Membranrandes.19. The apparatus of claim 18, wherein the geometric path length of the ring resonator is smaller than the length of the membrane edge.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei die Vorrichtung zwei im wesentlichen identische Ringresonatoren aufweist, wobei der erste20. Device according to one of claims 14 to 19, wherein the device comprises two substantially identical ring resonators, the first
Ringresonator als druckabhängiger Meßresonator und der zweite Ringresonator als druckunabhängiger Referenzresonator angeordnet ist.Ring resonator is arranged as a pressure-dependent measuring resonator and the second ring resonator as a pressure-independent reference resonator.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das der Resonator ein amorphes läserfähiges Material aufweist.21. Device according to one of the preceding claims, wherein the resonator has an amorphous laser-capable material.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , wobei das amorphe laserfähige Material des Resonators getempert ist.22. The apparatus of claim 21, wherein the amorphous laserable material of the resonator is annealed.
23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Resonator auf einem Sensorchip angeordnet ist, und das laserfähige Material des Resonators einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Sensortchips, wobei ferner zwischen dem Sensorchip und dem läserfähigen Material mindestens eine Zwischenschicht angeordnet ist, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Sensorchips und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des läserfähigen Materials liegt. 23. Device according to one of the preceding claims, wherein the resonator is arranged on a sensor chip, and the laserable material of the resonator has a different coefficient of thermal expansion than the material of the sensor chip, wherein at least one intermediate layer is further arranged between the sensor chip and the laserable material has a coefficient of thermal expansion that lies between the coefficient of thermal expansion of the material of the sensor chip and the coefficient of thermal expansion of the laser-capable material.
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