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Die Erfindung betrifft einen Fotodetektor für einen optischen Positionssensor und einen optischen Positionssensor.
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Eine relativ genaue Positionserfassung ist bei vielen Anwendungen, z. B. im Industrie- oder Automobilbereich, wichtig. Eine Position kann z. B. ein Drehwinkel oder eine lineare Position in ein oder mehreren Achsen sein. Für relativ schnell bewegte Objekte kann eine Position auch dessen Beschleunigung oder Drehzahl sein. Beispielsweise aus Zuverlässigkeitsgründen werden kontaktlose Verfahren bevorzugt.
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Des Weiteren ist es oft erstrebenswert, dass die Positionserfassung relativ genau ist und in einem relativ großen Messbereich durchgeführt werden kann.
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Kontaktlose Positionssensoren sind z. B. allgemein bekannte Hallsensoren oder weisen eine CCD- oder CMOS Kamera auf. Ein die CCD- oder CMOS Kamera aufweisender optischer Positionssensor ist in einzelne Felder aufgeteilt, deren Belichtungswerte sequentiell ausgelesen werden können. Die Position eines auf dem CCD- oder CMOS Sensor aufgenommenen Lichtpunktes kann mit den Methoden der fotogrammetrischen Bildmessung direkt aus der Helligkeitsverteilung berechnet werden.
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Aus der
DE 85 05 128 U1 ist weiterhin ein Fotodetektor zur optischen Positionsbestimmung bekannt, welcher zwei dreieckförmige Teil-Fotoelemente aufweist, derart, dass sowohl die photoaktive Halbleiterschicht als auch die obere Elektrode des Fotodetektors in zwei Hälften geteilt sind.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, Fotodetektoren für einen optischen Positionssensor und einen optischen Positionssensor anzugeben, die bzw. der relativ günstig herstellbar sind bzw. ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Fotodetektor für einen optischen Positionssensor, aufweisend eine erste flächenhafte Elektrode, eine zweite flächenhafte Elektrode und wenigstens eine zwischen der ersten flächenhaften Elektrode und der zweiten flächenhaften Elektrode angeordnete fotoaktive Schicht, wobei die erste flächenhafte Elektrode in zwei flächenhafte Teilelektroden strukturiert ist und die beiden flächenhaften Teilelektroden derart ausgeführt sind, dass sich ihre Flächen bezüglich einer Längsachse des Fotodetektors monoton verjüngen. Die wenigstens eine fotoaktive Halbleiterschicht ist dabei eine organische fotoaktive Halbleiterschicht. Die organische fotoaktive Halbleiterschicht ist dabei nicht entsprechend den Teilelektroden der ersten flächenhaften Elektrode in sich verjüngende Teilflächen strukturiert.
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Der erfindungsgemäße Fotodetektor umfasst demnach die beiden flächenhaften Elektroden und die dazwischen angeordnete fotoaktive Halbleiterschicht. Eine der beiden flächenhaften Elektroden ist dafür vorgesehen, dass auf ihn Licht auftrifft, das im erfindungsgemäßen Fotodetektor eine Ladungsverteilung erzeugt, die als elektrischer Strom (Fotostrom) messbar ist.
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Der erfindungsgemäße Fotodetektor ist für einen optischen Positionssensor vorgesehen. Der optische Positionssensor umfasst z. B. zusätzlich zum erfindungsgemäßen Fotodetektor eine gerichtete Lichtquelle, deren gebündeltes Licht auf die dafür vorgesehene flächenhafte Elektrode des Fotodetektors fällt. Die Fläche des gebündelten Lichts ist dabei deutlich kleiner als die gesamte Fläche der entsprechenden flächenhaften Elektrode. Des Weiteren ist z. B. die Lichtquelle bezüglich der Längsachse des erfindungsgemäßen Fotodetektors bewegbar. Da die beiden flächenhaften Teillektroden derart ausgeführt sind, dass sich ihre Fläche bezüglich der Längsachse des Fotodetektors monoton verjüngt, wirkt je nach Position der Lichtquelle relativ zum Fotodetektor nur ein Teil der Fläche des gebündelten Lichts für die Erzeugung der Ladungsverteilung in der jeweiligen Teilelektrode. Demnach ist die Stärke des gemessenen elektrischen Fotostroms ein Maß für die Position der Lichtquelle relativ zum Fotodetektor.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fotodetektors sind die flächenhaften Teilelektroden dreieckförmig ausgebildet. Aufgrund dieser Ausführungsform ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen der Stärke des jeweils gemessenen elektrischen Stroms und der Position z. B. der gerichteten Lichtquelle.
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Ein Vorteil der organischen fotoaktiven Halbleiterschicht im Vergleich zu einer anorganischen fotoaktiven Halbleiterschicht ist es, dass durch ihre Verwendung der erfindungsgemäße Fotodetektor auch großflächig relativ preisgünstig hergestellt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch einen optischer Positionssensor, aufweisend den erfindungsgemäßen Fotodetektor und eine Vorrichtung zum Beleuchten des Fotodetektors, wobei der Fotodetektor und die Vorrichtung zum Beleuchten relativ zueinander beweglich angeordnet sind und die Vorrichtung zum Beleuchten auf der ersten oder der zweiten flächenhaften Elektrode eine Fläche mit einem vorgegebene Flächeninhalt kleiner als dem Flächeninhalt der entsprechenden flächenhaften Elektrode beleuchtet, wobei die Position der Fläche auf dem Fotodetektor von der Stellung der Vorrichtung zum Beleuchten relativ zum Fotodetektor abhängt und der Fotodetektor aufgrund der beleuchteten Fläche einen Fotostrom in Abhängigkeit der Position der Fläche erzeugt. Mit dem erfindungsgemäßen optischen Positionssensor soll z. B. die Position der auf dem Fotodetektor beleuchteten Fläche bestimmt werden. Die beleuchtete Fläche ist kleiner als die Gesamtfläche derjenigen flächenhaften Elektrode, die beleuchtet wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen Verjüngung wenigstes einer der beiden flächenhaften Elektroden hängt die effektiv beleuchtete Fläche des Fotodetektors von der Stellung der Vorrichtung zum Beleuchten relativ zum erfindungsgemäßen Fotodetektor ab.
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Aufgrund der Beleuchtung erzeugt der Fotodetektor einen Fotostrom. Dieser ist abhängig von der Größe der effektiven beleuchteten Fläche. Da jedoch aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Fotodetektors die effektiv beleuchtete Fläche des Fotodetektors von der Stellung der Vorrichtung zum Beleuchten relativ zum Fotodetektor von der Position der Vorrichtung zum Beleuchten relativ zum Fotodetektor abhängt, erzeugt der Fotodetektor auch einen Fotostrom in Abhängigkeit von der Position der Vorrichtung zum Beleuchten.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Positionssensors ist die Vorrichtung zum Beleuchten relativ zum Fotodetektor bezüglich der Längsachse des Fotodetektors bewegbar.
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Die Vorrichtung zum Beleuchten kann z. B. eine bezüglich des Fotodetektors bewegliche Blende mit einer Öffnung oder eine bezüglich des Fotodetektors bewegbare gerichtete Lichtquelle sein.
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Der erfindungsgemäße Fotodetektor kann bei Verwendung einer organischen fotoaktiven Halbleiterschicht relativ einfach und kostengünstig hergestellt werden. Durch die Option eines Aufbaus auf einem flexiblen Substrat ist eine relativ einfache Anpassung an unterschiedliche Oberflächen (Geometrien) denkbar. Damit lassen sich mit dem erfindungsgemäßen optischen Positionssensor sowohl Linearpositionen als auch Drehwinkel erfassen.
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Das Verhältnis von Länge zu Breite des Fotodetektors kann die erreichbare Genauigkeit beeinflussen. Ein Beispiel eines relativ günstigen Längen- zu Breitenverhältnis ist 5:1.
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Wird der erfindungsgemäße optische Positionssensor als Drehwinkelsensor eingesetzt, so können Winkel von einigen Grad bis mehr als 300° gemessen werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten schematischen Zeichnungen exemplarisch dargestellt. Es zeigen:
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1 einen Fotodetektor in teilweise geschnittener Darstellung,
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2 eine erste Seitenansicht des Fotodetektors der 1 mit einer relativ zum Fotodetektor verschiebbaren Blende,
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3 eine Draufsicht des Fotodetektors der 1,
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4 eine zweite Seitenansicht des Fotodetektors der 1 mit der relativ zum Fotodetektor verschiebbaren Blende und
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5 einen weiteren Fotodetektor.
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Die 1 zeigt einen Fotodetektor 1 in teilweise geschnittener Darstellung, die 2 zeigt eine Seitenansicht und die 3 zeigt eine Draufsicht des Fotodetektors 1.
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Der Fotodetektor 1 weist ein Substrat 2 auf, auf dem eine strukturierte Anode 3 aus beispielsweise ITO, Gold, Platin oder Silber z. B. durch Abscheiden aufgetragen ist. Die strukturierte Anode 3 ist im Wesentlichen rechteckig mit einer Länge L und einer Breite B, wobei das Verhältnis Länge L zu Breite B beispielsweise 5:1 beträgt.
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Die Anode 3 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels derart strukturiert, dass sie zwei getrennte dreieckige Teilanoden 3a, 3b aufweist, die längs einer Diagonale D der rechteckigen Anode 3 voneinander getrennt sind. Die Flächen der beiden Teilanoden 3a, 3b verjüngen sich also monoton bezüglich der Längsachse 13 des Fotodetektors 1.
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Auf der Anode 3 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine entsprechend der Anode 3 strukturierte Lochtransportschicht 4, z. B. aus Pedot, Pani oder einem Polyfluorenderivat, aufgetragen. Die strukturierte Lochtransportschicht 4 umfasst zwei entsprechend den Teilanoden 3a, 3b dreieckförmige Teillochtransportschichten 4a, 4b.
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Auf der strukturierten Lochtransportschicht 4 ist eine im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels strukturierte organische fotoaktive Halbleiterschicht 5, beispielsweise aufweisend ein Absorberblend aus Poly-3-Hexylthiophen und Phenyl-C61-Buttersäuremethylester, aufgetragen. Die fotoaktive Halbleiterschicht 5 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels entsprechend der strukturierten Anode 3 bzw. entsprechend der strukturierten Lochtransportschicht 4 strukturiert und weist zwei dreieckförmige Teilhalbleiterschichten 5a, 5b auf.
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Auf der strukturierten Halbleiterschicht 5 ist eine strukturierte Kathode 6, aufweisend beispielsweise Ca, Mg, Al, Ag, LiF, ITO oder eine Kombination dieser Materialien, aufgetragen. Die strukturierte Kathode 6 ist entsprechend der strukturierten Anode 3 strukturiert und weist zwei dreieckförmige Teilkathoden 6a, 6b auf.
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Demnach verjüngen sich die Teilanoden 3a, 3b und die Teilkathoden 6a, 6b jeweils monoton bezüglich der Längsachse 13 des Fotodetektors 1.
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Des Weiteren ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Fotodetektor 1 in nicht dargestellter Weise verkapselt. Das Material der Verkapselung ist für Licht zumindest semitransparent.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch die Kathode 6 mit einer nicht dargestellten Passivierungsschicht versehen sein.
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Der Fotodetektor 1 ist dafür vorgesehen, auf den Fotodetektor 1 auftreffendes Licht in elektrische Signale umzuwandeln. Je nachdem ob die nach außen gerichtete Fläche der Anode 3 oder der Kathode 6 für das Auftreffen des Lichts vorgesehen ist, ist die Passivierungsschicht, wenn vorhanden, oder das Substart 2 aus einem semitransparentem Material, beispielsweise aus Glas oder einer transparenten Folie, gefertigt.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Fotodetektor 1 derart ausgeführt, dass die Kathode 6 für den Lichteinfall vorgesehen ist. Demnach ist die Passivierungsschicht, wenn vorhanden, aus einem zumindest semitransparenten Material. Außerdem ist die Passivierungsschicht bevorzugt relativ dünn mit einer Schichtdicke kleiner als 20 nm.
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Somit umfasst der Fotodetektor 1 im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine erste Fotodiode, aufweisend die Teilanode 3a, die Teillochtransportschichten 4a, die Teilhalbleiterschicht 5a und die Teilkathode 6a, und eine zweite Fotodiode, aufweisend die Teilanode 3b, die Teillochtransportschichten 4b, die Teilhalbleiterschicht 5b und die Teilkathode 6b.
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Der Fotodetektor 1 wird als optischer Positionssensor verwendet, der die Position von auf die Kathode 6 auftreffendes Licht bestimmt.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels handelt es sich bei dem auf die Kathode 6 auftreffendem Licht um Umgebungslicht 7, das durch eine Öffnung 9 einer bezüglich eines Doppelpfeils 10 verschiebbaren Blende 8 auf die Kathode 6 trifft. Durch die Öffnung 9 hindurchtretendes Umgebungslicht 7 beleuchtet eine Fläche 11 der Kathode 6, wie dies in den 2 bis 4 gezeigt ist.
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Je nach Position der Öffnung 9 der Blende 8 relativ zum Fotodetektor 1 wird eine Teilfläche 11a der Teilkathode 6a und eine Teilfläche 11b der Teilkathode 6b beleuchtet, deren Flächeninhalte von der Position der Öffnung 9 der Blende 8 relativ zum Fotodetektor 1 abhängen. Die Summe der Flächeninhalte der Teilflächen 11a, 11b ergeben dabei den Flächeninhalt der Fläche 11.
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Die 3 zeigt beispielhaft die Fläche 11 mit ihren Teilflächen 11a, 11b für eine erste Position der Blende 8 relativ zum Fotodetektor 1 mit durchgehenden Linien und die Fläche 11 mit ihren Teilflächen 11a, 11b für eine zweite Position der Blende 8 relativ zum Fotodetektor 1 mit gestrichelten Linien. Die erste Position der Blende 8 ist in der 2 und die zweite Position der Blende relativ zum Fotodetektor 1 ist in de 4 dargestellt.
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Durch auf die Kathode 6 auftreffendes Umgebungslicht 7 entsteht im Fotodetektor 1 in allgemein bekannter Weise eine Ladungsverteilung, die als elektrischer Strom (Fotostrom) gemessen werden kann. Der Fotostrom hängt von der Größe der beleuchteten Fläche der Kathode 6 ab.
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Wie bereits beschrieben, hängen die Flächeninhalte der beleuchteten Teilflächen 11a, 11b von der Position der Blende 8 relativ zum Fotodetektor 1 ab. Somit hängen auch die den beiden Fotodioden zugeordneten Fotoströme I1, I2 von der Position der Blende 8 relativ zum Fotodetektor 1 ab.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels werden die Fotoströme I1, I2 einer mit dem Fotodetektor 1 verbundenen Auswertevorrichtung 12 weiter verarbeitet, indem die Auswertevorrichtung 12 im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels einen Differenzwert aus der Differenz der beiden Fotoströme I1, I2 bildet. Dieser Differenzwert ist ein Maß für die Position der Blende 8 relativ zum Fotodetektor 1.
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Wird anstelle von Umgebungslicht 7, also einer ungerichteten Lichtquelle, eine gerichtete Lichtquelle, beispielsweise ein Laser oder eine LED, verwendet, deren Position relativ zum Fotodetektor 1 veränderbar ist, so kann auf die Blende 8 verzichtet werden.
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Der beschriebene Fotodetektor 1 weist die strukturierte Anode 3, die strukturierte Lochtransportschicht 4, die strukturierte Halbleiterschicht 5 und die strukturierte Kathode 6 auf. Es ist auch möglich, dass die Lochtransportschicht 4 und/oder die Halbleiterschicht 5 unstrukturiert sind. Es auch nicht nötig, dass sowohl die Anode 3 als auch die Kathode 6 strukturiert sind. Es ist auch möglich, dass nur die Kathode 6 oder nur die Anode 3 strukturiert ist, also zwei Teilanoden 3a, 3b bzw. zwei Teilkathoden 6a, 6b aufweist. Als Signal zur Positionsbestimmung kann auch nur einer der beiden Teilströme I1, I2 verwendet werden. Die Lochtransportschicht 4 ist optional. Obwohl eine organische fotoaktive Halbleiterschicht 5 bevorzugt wird, kann der Fotodetektor 1 auch eine anorganische fotoaktive Halbleiterschicht aufweisen.
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Die 5 zeigt einen weiteren Fotodetektor 51, der als optischer Positionssensor verwendbar ist. Der Fotodetektor 51 weist ein Substrat 52 auf, auf dem eine rechteckförmige unstrukturierte Anode 53 aufgetragen ist. Auf der Anode 53 ist eine Lochtransportschicht 54 aufgetragen, auf der wiederum eine fotoaktive Halbleiterschicht 55, die erfindungsgemäß eine organische Halbleiterschicht ist, aufgetragen ist. Auf der fotoaktiven Halbleiterschicht 55 ist eine dreieckig strukturierte Kathode 56 aufgetragen.
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Demnach verjüngt sich die Kathoden 56 monoton bezüglich der Längsachse 57 des Fotodetektors 51.
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Der Fotodetektor 56 ist außerdem in nicht dargestellter Weise verkapselt. Zusätzlich oder alternativ umfasst er eine auf der Kathode 56 und demjenigen Teil der Halbleiterschicht 55, auf der die Kathode 56 nicht aufgetragen ist, aufgetragene Passivierungsschicht.
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Der Fotodetektor 51 kann ebenfalls in Kombination mit der Blende 8 als Positionssensor verwendet werden. Dabei ist der durch den Lichteinfall bedingte Fotostrom abhängig von der belichteten Fläche der Kathode 56. Da diese dreieckig ist, hängt der Fotostrom des Fotodetektors 51 von der Position der Blende 8 relativ zum Fotodetektor 51 ab. Wird anstelle von Umgebungslicht 7 eine gerichtete Lichtquelle verwendet, dann kann auf die Blende 8 verzichtet werden. Auch die Anode 53, die Lochtransportschicht 54, die optional ist, und/oder die fotoaktive Halbleiterschicht 55 können dreieckig strukturiert sein.
