CN100474638C - 光学位置测量系统的扫描头 - Google Patents
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Abstract
一种光学位置测量系统的扫描头，带有一个有光敏区域(3)的接收栅(3)用于扫描不同相位的位置强度调制的光。接收栅(1.7)具有一个半导体层堆叠(1.2)构成，所述半导体层堆叠有一个掺杂的p层(1.2.1)、一个本征的i层(1.2.2)和一个掺杂的n层(1.2.3)。这些光敏区域(3)共同拥有第一个掺杂层(1.2.1)和至少一部分本征层(1.2.2)并且通过第二掺杂层(1.2.2)的中断而相互电隔离。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学位置测量系统的扫描头。这样的扫描头用于位置分辨地检测由测量杆栅格调制的光并且提供用于测定该扫描头相对于测量杆的位置的对应信号。
背景技术
在自动化程度不断提高的领域中，位置测量系统的作用越来越重要。它们在许多应用领域，例如在机床领域中，提供了精确定位驱动装置的基础。本文说明的光学位置测量系统基于扫描一种以刻线栅形式的标度而具体化的测量杆。在此采用的扫描头包含一光源，光从所述光源发出经过一个发射栅落射到测量杆刻度上。所述光由于发射栅和测量杆的交替作用而具有一个空间的强度图样，在扫描头中借助于一个接收栅来检测所述强度图样并且可用于进行定位。
对此已经公知构成一个由多个光敏区域组成的光电检测器。在扫描头中如此地安排该光敏区域，使得它能够测量强度图样的不同相位并且提供对应的输出电信号。这些单独的且规则布置的光敏区域构成一个接收栅。
优选地分别产生四个相互错开90度的信号，从这四个信号可以在一个跟随电子电路中推导出附带方向的计数信号。当测量杆相对于扫描头推移时，各个相移的信号位置相关联地发生变化。
通常从所述的四个输出信号中首先同步两个相互位移90度的、摆脱偏置误差、幅度误差和相位误差的信号，这两个信号适用于精细分段或者内插。从而这种附带方向的计数信号能够实现比，例如通过对扫描头的光敏区域上的强度图样的最大值和或最小值进行计数所能够达到的位置确定更为精细的位置确定。
由于下文说明的原因，如果各个光敏区域尽可能地相互靠近是有利的。采用分立的器件譬如光电二极管在此限制了光电检测器的小型化。因此现在已经实现了结构化的光电检测器，这种光电检测器使之能够用常规的微电子技术工艺步骤在单个半导体基片上制造结构化的光敏区域。
因为，单个光敏区域之间串扰的倾向很小，在此首先适用技术上可以良好地掌握的非晶硅(a-Si)，利用非晶硅把光转换成电流(例如在太阳光电池领域)中的应用是众所周知的。
DE10129334A1说明了带有基于上述原理的一个光接收安排的一种光学位置测量系统。用于扫描不同相位的按位置进行强度调制的光的光敏区域构成为由掺杂的和不掺杂的非晶硅组成的多个半导体层堆叠形式的接收栅。然而这种结构化的检测器非常复杂，从而其制造成本也很高。
发明内容
本发明的任务是，创造一种相对现有技术而言得到简化的光学位置检测装置的扫描头，所述扫描头提供位置测定用的尽可能良好的信号。
该任务通过具有权利要求1的特征的一种装置解决。有利的实施方式由权利要求1的从属权利要求所说明的特征得出。
说明了一种光学位置测量系统，带有一个由光敏区域构成的接收栅用于扫描不同相位的位置强度调制的光。所述接收栅由一个半导体层堆叠构成，所述半导体层堆叠由一个掺杂的p层、一个本征的i层和一个掺杂的n层组成。这些单独的光敏区域共同地拥有一个第一掺杂层和至少一部分本征层并且通过第二掺杂层的中断而相互电隔离。
在一个方面可以看出，仅掺杂层之一的分离就引起各个光敏区域充分的电分离。在各个区域相互之间非常小的间距时，就不再会发生旨在位置测定的不利的不同相位区域之间的串扰。
另一个方面，这样的层结构还避免了另一个在现有技术中说明的问题。也就是人们还通过产生本征层(并且在一定的情况下还通过产生第二掺杂层)分离光敏区域，从而构成深沟，这在刻蚀技术上非常难于掌握。本征层区域中的刻蚀缺陷还可以造成半导体材料中的晶格缺陷，由此非常负面地影响各个光敏区域的光电特性。
非晶硅特别良好地适用作半导体材料，然而还可以设想包含完全的或者部分的微晶体硅的半导体层堆叠。
其它的特征，譬如发射栅安排在接收栅的平面重心处、接收栅的近似于椭圆或者类椭圆的形状，所述接收栅沿垂直于测量方向比沿平行于检测方面有较大延展、以及在接收栅上从调制的光的相应的一个单个周期获得相移的信号，从而优化了所获得的扫描信号并从而改善了内插性能，而最终导致光学位置测量系统较高的分辨率。
扫描头的结构，并且特别是带有其光敏区域的接收栅的结构，使得能够以非常完美的方式在结构化的检测器布局中进行这样的优化。
附图说明
从下面参照附图对优选实施方式的说明中可以得出本发明的其它优点以及细节，在附图中：
图1a/b/c示出一个光学位置检测装置，
图2a/b/c/d/e示出一个双场传感器的安排，而
图3a/b/c/d示出一个单场传感器的安排。
具体实施方式
图1a示出一个测量杆2，该测量杆在一个基片2.1上承载一个光栅，所述光栅在此还应当称为测量杆刻度2.2。一个这样的测量杆刻度2.2例如可以作为幅度栅用铬制成的不透光桥片(Steg)和铬涂层中的透光缺口组成。在此基片2.1可以透光地构成，也可以如图示中的情况反射地构成。其它的测量杆2还可以具有一个相位栅或者一个由相位栅和幅度栅的组合。
对置于该测量杆安排一个扫描头1。扫描头1包含一个光源1.6，它发出的光经过一个栅1.5落在所述测量杆2上，在此被反射并且折返回扫描头1。由于栅1.5与检测刻度2.2的交替作用，所述光具有一个带有规则周期的位置强度图样。该强度图样借助于带有一个刻度周期T的接收栅1.7检测。在此接收栅1.7本身起结构化的光电检测器的作用以检测所述强度图样。
也就是接收栅1.7具有一个把落射的光转换成电流的结构化的半导体层堆叠1.2。在此在半导体层堆叠1.2上落射的光越多产生的电流越大。
图1b示出图1a的放大的截面。可以看到在其上安排一个透明电极1.3的基片1.1，所述透明电极又承载了半导体层堆叠1.2。所述半导体层堆叠沿光路的顺序具有一个第一掺杂(在此为p掺杂)层1.2.1(p层)、然后一个本征层1.2.2(i层)，以及最后的一个第二掺杂(在此为n掺杂)层(n层)。在n层1.2.3后接着一个电的背侧接点1.4。原则上p层1.2.1与n层可以交换，然而优选的是图1b中所示的结构。
通过把n层1.2.3与背侧接点1.4一起在规定为检测强度图样而使各个光接收区域分离开处的中断可以实现构成接收栅1.7的光敏区域的相互分离。仅在背侧接点1.4的区域中当光照射时于半导体层堆叠1.2内产生电流，在此背侧接触1.4限定了接收栅1.7。
如在图1b中可以看出，背侧接触1.4和n层1.2.3的构成可以用一个单个的光刻步骤，以及背侧接点1.4和半导体层堆叠1.2的各一个刻蚀步骤进行。作为半导体层堆叠1.2的刻蚀方法可以采用湿法刻蚀(例如KOH溶液)，然而优选地考虑干法刻蚀(例如有CHF3气体的RIE)。
这样的方法被广泛应用在微电子技术中，并且可以没有问题地在此选用。
图1c，是图1b的进一步的截面放大，其示出半导体层堆叠1.2的一个细节。为了确保完全地中断n层(这是分离各个光敏区域的一个绝对必需的要求)，需要调整刻蚀工艺使得不会同时去除i层1.2.2的任何部分。另一个方面必须保留i层1.2.2的至少一个较小的部分，以确实地防止p层1.2.1与n层1.2.3之间的电连接。
于是，在接收栅1.7区域中的层结构例如看起来如下：在约一个毫米厚的玻璃基片1.1上敷设一个0.3-1微米厚的ZnO：Al层，所述ZnO：AI层很适于作透明电极1.3。接着是有一个约10纳米厚的p层1.2.1的半导体层堆叠1.2、一个约400纳米厚的i层1.2.2和一个约20纳米厚的n层。背侧接点1.4由一个约80纳米厚的金属层组成，例如用铬或者铝制造的金属层。该金属层与n层1.2.3一起在适当的位置被完全去除以使各个光敏区域分离开。
通过分离光敏区域所采用的刻蚀技术还把i层1.2.2剥蚀约40纳米，以达到尽可能可靠分离n层1.2.3。这样做是必需的，因为各个层的厚度并非完全均匀，并且在半导体层1.2的掺杂分布图中没有明显划界的过渡区，尤其是在i层1.2.2与n层1.2.3之间。在这方面可以期待在光敏区域3之间i层1.2.2的余留厚度占原始厚度的5％-95％，有利地10％-90％导致良好的结果。因为从制造工艺角度上看，较短的刻蚀时间是优选的，并且在i层1.2.2的余留厚度较大时可以避免i层1.2.2的暴露的边缘上的缺陷问题，在所说明的范围相应地最好选取上限(也就是说约95％或者90％)。对于所述的光敏区域3内的400纳米层厚可以把约360纳米的i层1.2.2的余留厚度看作是理想的。
现在应当考虑可以按什么间距安排各个光敏区域以得到所希望的相移信号。该间距对应于接收栅的刻度周期T。入射到接收栅1.7上的强度的周期是P。带有构成为接收栅1.7的光敏区域的扫描头1中由于光敏区域之间串扰的危险必须把刻度周期T选择得大于所述周期P。如果希望有四个90度相移的信号，在此就应当成立
T＝(2＊n-1)＊1/4＊P(n是大于或者等于3的整数)。
对于入射光强度图样的一个周期P＝40微米，于是得出一个至少50微米的刻度周期。在此各个相移信号由强度图样的四个不同周期获得并且从而也由测量杆刻度2.2的不同区域获得。在这种情况下，这种结构的检测器也称为四场传感器。这有以下缺点：测量杆的污染不同时对相移的信号起作用而是在相位上错开地起作用。其结果导致在分析相移信号时存在不确定性。
在较好的是在接收栅1.7上于强度图样的一个周期P内扫描相移的信号。在此有一种图2a-2e中所示的两场传感器的可能性。
在图2a中大致示出光敏区域3，其结构已经借助于图1a-1c进行了说明。这些光敏区域被布置在基片1.1上。大致示出了周期为P的强度图样，同样可以看出此时在一个周期P内既量取一个0度信号也量取一个180度信号。如果接收栅1.7的刻度周期T对应于入射的位置调制的强度图样L的周期P的一半，相邻的光敏区域提供180度相移的信号，于是成立
T＝1/2＊P
从而测量杆2上的污染影响到两个相移的信号。
图2b示出，可以如何通过导电轨迹4相互连接光敏区域3以把多个0度信号与多个180度信号汇集成一个较强的输出信号。在此分别出现一个梳状结构。该梳状结构相互啮合，从而各自地一个0度信号的光敏区域3与180度信号的光敏区域3交替。如在图2b中可以看出，可以不采用交叉导电轨迹4来制造这样的结构。
图2示出，如何借助于由之相应地啮合两个对应于图2b的梳状结构，得到四个各自相移90度的信号。因为要在接收栅1.7上扫描强度图样的两个不同区域，所以在这种情况下是一种两场传感器。
图2d示出有两场传感器的这样一种扫描头1的一个特别有利的安排。在两场传感器的中心安排发射栅1.5。在此“中心”应理解为接收栅1.7的平面重心。在此四方形的发射栅1.5完全由接收栅1.7包围，以良好地充分利用强度图样L。发射栅1.5和接收栅1.7的栅条垂直于测量方向M、接收栅1.4被划分成四个区域。其中两个直接与发射栅1.5相邻的内部区域一方面用作获得0度/180度信号，另一方面用作获得90度/270度信号。在内部的0度/180度区域与发射栅1.5背离地邻接另一个90度/270度区域。在内部的90度/270度区域与发射栅1.5背离地邻接另一个0度/180度区域。这种对测量方向的反对称安排确保以可比较的强度来接收四个相移的信号。
由所述的四个区域结合而成的整个接收栅1.7的外形是一个有四个倒角的近似于类椭圆形或者椭圆的矩形，所述椭圆的长轴垂直于测量方向M。这样一种形状使得能够良好地充分利用接收栅1.7上的强度图样L。
如图2d所示的接收栅1.7的四个不同的区域由如图2c所示的啮合的梳状结构构成。在图2e所示的图2d的一个截面放大可以把这方面表现得很清楚。实践证明非常适用的两场传感器在此也使得能够不采用交叉的导电轨迹来进行制造，这就简化了制造工艺：只需要一单个的金属化面。利用这样的结构同时限定了光敏区域3。
所说明的两场传感器的优点是，可能的污染同时会并且从而在相位上正确地影响0度/180度信号的幅度或者90度/270度信号的幅度。由此降低扫描特性误差并且相对于四场传感器提高位置测定的精确度。然而四个相移的信号的幅度相位正确地受污染损害却不成立，从而可以进一步地改善扫描。
通过一个在本文被称为单场传感器的扫描头1可以获得进一步优化的信号。在图3a中示出，用一个这样的单场传感器从强度图样L的一个单个周期P分别获得四个相移信号。如果接收栅1.7的刻度周期T对应于入射的位置调制的强度图样L的周期P的四分之一，则相邻的光敏区域提供90度相移的信号，于是成立
T＝1/4＊P
从图3b可以看出，这种没有交叉导电轨迹的单场传感器不再适用。光敏区域3各在其背侧承载一个背侧接点1.4，所述背侧接点1.4应当仅在一个确定的位置上借助于接触5连接在导电轨迹4上。这就是说必须在光敏区域3与导电轨迹4之间加入一个绝缘层，所述的绝缘层仅在接触5处中断。然后简单地通过在沉积构成导电轨迹4时导电轨迹4与背侧接点1.4直接发生连接而构成。
事实表明，对于本文所述结构，一个5微米的间距足以避免各个光敏区域3之间的串扰。根据检测器的几何形状和半导体材料的具体情况而异，微米范围的较小的间距A还可以导致高性能的扫描头1。最小的间距A实质上由i层1.2.2的载流子的扩散长度确定。该扩散长度越小，所述间距A就可以越小。假定本征非晶硅有50纳米的扩散长度，一个约200纳米的间距A就不会再出现串扰。然而，出于加工工艺的原因(较小的结构成本增加并且缺陷灵敏度增加)最好选用较大的间距，可以指出对于间距A的有意义的下限可以是约1微米。
强度调制的光的周期P＝40微米的情况下，对四场传感器得出10微米的接收栅1.7的刻度周期T。在一个间距A＝5微米的情况下，光敏区域3本身仅还有5微米宽。
图3c示出一个这样的单场传感器的一个具体的实施方式。在此还是在接收栅1.7的中心或者说在平面重心安排一个发射栅1.5。如同发射栅1.5的条线方向，接收栅1.7的条线方向也垂直于测量方向M走行，该接收栅1.7具有一个近似于椭圆的外形，其中所述椭圆长轴垂直于测量方向M。根据图3b的技术接收栅1.7与横在接收栅1.7上的导电轨迹4连接。在发射栅1.5的两侧各安排四个这样的导电轨迹，以能够也完全地触及由发射栅1.5中断的光敏区域。
图3d示出一个可供选择的，并且特别地针对单场传感器的接收栅1.7的小刻度周期T而推荐的光敏区域3的接触的变例。在接收栅1.7的边缘上设有密度加大的栅线。因为每隔一个栅线被延长，这样的加大密度使得可以如栅线本身一样实施大致加倍的宽度。这显著地简化了光敏区域3与导电轨迹4通过接触5连接。在此又可以看到，不能制造这样的一种没有交叉导电轨迹4的单场传感器。
还要说明的是，发射栅1.5优选地拥有与光敏区域3同样的层结构。因为对发射栅1.5而言希望有尽可能明确限定的棱。还可以按常规的方式直接在基片1.1上只把发射栅1.5构成为结构化的金属层。在这两种情况下都可以利用同一个光刻步骤形成发射栅1.5和光敏区域3。
Claims (15)
1、光学位置测量系统的扫描头，带有一个包含光敏区域(3)的接收栅(1.7)用于扫描不同相位的位置强度调制的光，其中所述接收栅(1.7)具有一个半导体层堆叠(1.2)，所述半导体层堆叠有一个掺杂的p层(1.2.1)、一个本征的i层(1.2.2)和一个掺杂的n层(1.2.3)，其特征在于，这些光敏区域(3)共同拥有两个掺杂层中的第一掺杂层(1.2.1)和至少一部分本征层(1.2.2)并且通过两个掺杂层中的第二掺杂层(1.2.3)的中断而相互电隔离，
其中，半导体层堆叠(1.2)被布置在一个透明的基片(1.1)上，所述透明的基片带有一个导电的、同样透明的电极(1.3)，后接背侧接点(1.4)，从而得出一个如下的层结构：
-透明的基片(1.1)
-导电的电极(1.3)
-第一掺杂层或者说p层(1.2.1)
-本征层(1.2.2)
-第二掺杂层或者说n层(1.2.3)
-背侧接点，以及
其中，在基片(1.1)上安排一个发射栅(1.5)。
2、根据权利要求1所述的扫描头，其特征在于，光敏区域(3)通过背侧接点(1.4)限定。
3、根据权利要求1所述的扫描头，其特征在于，发射栅(1.5)安排在接收栅(1.7)的平面重心处。
4、根据权利要求3所述的扫描头，其特征在于，发射栅(1.5)完全由接收栅(1.7)包围。
5、根据权利要求1-4之一所述的扫描头，其特征在于，接收栅(1.7)的形状近似于一个椭圆，其中所述椭圆的长轴垂直于测量方向(M)。
6、根据权利要求1-4之一所述的扫描头，其特征在于，发射栅(1.5)安排有一个光源(1.6)。
7、根据权利要求1-4之一所述的扫描头，其特征在于，相邻的光敏区域(3)输出180度相移的信号。
8、根据权利要求7所述的扫描头，其特征在于，接收栅(1.7)的一个刻度周期(T)对应于一个落射的位置调制的强度图样(L)的周期(P)的一半。
9、根据权利要求1-4之一所述的扫描头，其特征在于，相邻的光敏区域(3)输出90度相移的信号。
10、根据权利要求9所述的扫描头，其特征在于，接收栅(1.7)的一个刻度周期(T)对应于一个落射的位置调制的强度图样(L)的周期(P)的四分之一。
11、根据权利要求1-4之一所述的扫描头，其特征在于，所述半导体层堆叠(1.2)由非晶硅构成。
12、根据权利要求1-4之一所述的扫描头，其特征在于，在光敏区域(3)之间的i层(1.2.2)余留厚度小于在光敏区域(3)中的i层(1.2.2)的厚度。
13、根据权利要求12所述的扫描头，其特征在于，i层(1.2.2)余留厚度在i层(1.2.2)厚度的5％-95％的范围。
14、根据权利要求12所述的扫描头，其特征在于，i层(1.2.2)余留厚度在i层(1.2.2)厚度的10％-90％的范围。
15、根据权利要求12所述的扫描头，其特征在于，i层(1.2.2)余留厚度为i层(1.2.2)厚度的90％。
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