DE102022126127A1 - VCSEL ELEMENT, SENSOR DEVICE, ELECTRONIC DEVICE AND USER INTERFACE - Google Patents
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Abstract
Ein VCSEL-Element (10) umfasst eine VCSEL-Vorrichtung (100), die an einem Substrat (110) angebracht ist, welches für von der VCSEL-Vorrichtung (100) emittierte elektromagnetische Strahlung (16) transparent ist, und eine Linse (113) zur Ablenkung von von der VCSEL-Vorrichtung (100) emittierter elektromagnetischer Strahlung (16). Die Linse (113) ist auf einer von der VCSEL-Vorrichtung (100) abgewandten Seite des Substrats (110) angeordnet, und eine Position einer Apertur (106) der VCSEL-Vorrichtung (100) ist gegenüber einer optischen Achse (115) der Linse (113) horizontal verschoben.A VCSEL element (10) comprises a VCSEL device (100) attached to a substrate (110) which is transparent to electromagnetic radiation (16) emitted by the VCSEL device (100), and a lens (113) for deflecting electromagnetic radiation (16) emitted by the VCSEL device (100). The lens (113) is arranged on a side of the substrate (110) facing away from the VCSEL device (100), and a position of an aperture (106) of the VCSEL device (100) is horizontally shifted with respect to an optical axis (115) of the lens (113).
Description
Sensorvorrichtungen, beispielsweise als Bestandteile von elektronischen Geräten der Unterhaltungselektronik, messen eine minimale Auslenkung des Gehäuses mit optischen Mitteln. Als Messprinzip wird beispielsweise sogenannte SMI („self-mixing interferometry“, selbstmischende Interferometrie) verwendet. Dabei wird beispielsweise elektromagnetische Strahlung, die von einem VCSEL emittiert worden ist, auf das Gehäuse eingestrahlt, von diesem reflektiert und mit der emittierten Strahlung überlagert. Durch Auswerten des Überlagerungssignals lassen sich Informationen über eine Auslenkung des Gehäuses ermitteln.Sensor devices, for example as components of electronic consumer electronics devices, measure a minimal deflection of the housing using optical means. The measuring principle used is, for example, SMI ("self-mixing interferometry"). In this case, electromagnetic radiation emitted by a VCSEL is radiated onto the housing, reflected by it and superimposed with the emitted radiation. By evaluating the superposition signal, information about a deflection of the housing can be determined.
Generell werden Anstrengungen unternommen, verbesserte Sensorvorrichtungen und verbesserte VCSEL-Elemente bereitzustellen.In general, efforts are being made to provide improved sensor devices and improved VCSEL elements.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes VCSEL-Element, eine verbesserte Sensorvorrichtung, eine verbesserte elektronische Vorrichtung sowie eine verbesserte Nutzerschnittstelle zur Verfügung zu stellen.The present invention is based on the object of providing an improved VCSEL element, an improved sensor device, an improved electronic device and an improved user interface.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.According to embodiments, the object is solved by the subject matter of the independent patent claims.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.Advantageous further developments are defined in the dependent claims.
Ein VCSEL-Element umfasst eine VCSEL-Vorrichtung, die an einem Substrat angebracht ist, welches für von der VCSEL-Vorrichtung emittierte, elektromagnetische Strahlung transparent ist, und eine Linse zur Ablenkung von von der VCSEL-Vorrichtung emittierter elektromagnetischer Strahlung. Die Linse ist auf einer von der VCSEL-Vorrichtung abgewandten Seite des Substrats angeordnet. Eine Position einer Apertur der VCSEL-Vorrichtung ist gegenüber einer optischen Achse der Linse horizontal verschoben. Beispielsweise ist die Position der Apertur der VCSEL-Vorrichtung entlang der Substratoberfläche gegenüber der optischen Achse der Linse verschoben.A VCSEL element comprises a VCSEL device attached to a substrate that is transparent to electromagnetic radiation emitted by the VCSEL device, and a lens for deflecting electromagnetic radiation emitted by the VCSEL device. The lens is arranged on a side of the substrate facing away from the VCSEL device. A position of an aperture of the VCSEL device is horizontally shifted relative to an optical axis of the lens. For example, the position of the aperture of the VCSEL device along the substrate surface is shifted relative to the optical axis of the lens.
Gemäß Ausführungsformen umfasst eine Sensorvorrichtung eine erste und eine zweite VCSEL-Vorrichtung, die an einem gemeinsamen Substrat angebracht sind, welches für von der VCSEL-Vorrichtung emittierte, elektromagnetische Strahlung transparent ist, und eine und eine zweite Linse. Die erste Linse ist zur Ablenkung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung emittierter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet, und die zweite Linse ist zur Ablenkung von von der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Die erste und die zweite Linse sind auf einer von den VCSEL-Vorrichtungen abgewandten Seite des Substrats angeordnet. Eine Position einer Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung ist gegenüber einer optischen Achse der ersten Linse verschoben, und eine Position der Apertur der zweiten VCSEL-Vorrichtung ist gegenüber der optischen Achse der zweiten Linse verschoben. Die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung können beispielsweise so angeordnet sein, dass die Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung und die Apertur der zweiten VCSEL-Vorrichtung bei einem Abstand angeordnet sind, der kleiner als der Abstand der optischen Achsen der ersten und der zweiten Linse ist.According to embodiments, a sensor device comprises a first and a second VCSEL device attached to a common substrate that is transparent to electromagnetic radiation emitted by the VCSEL device, and a and a second lens. The first lens is configured to deflect electromagnetic radiation emitted by the first VCSEL device, and the second lens is configured to deflect electromagnetic radiation emitted by the second VCSEL device. The first and the second lens are arranged on a side of the substrate facing away from the VCSEL devices. A position of an aperture of the first VCSEL device is shifted relative to an optical axis of the first lens, and a position of the aperture of the second VCSEL device is shifted relative to the optical axis of the second lens. For example, the first and second VCSEL devices may be arranged such that the aperture of the first VCSEL device and the aperture of the second VCSEL device are arranged at a distance that is smaller than the distance of the optical axes of the first and second lenses.
Die hier beschriebenen Linsen sind zur Ablenkung von Strahlung geeignet, die von einer zugehörigen VCSEL-Vorrichtung emittiert worden ist. Beispielsweise können die Linsen geeignet sein, elektromagnetische Strahlung zu fokussieren, weitgehend zu fokussieren, zu kollimieren oder weitgehend zu kollimieren. Jede andere Art der Ablenkung oder Ausrichtung der Strahlung ist ebenfalls umfasst.The lenses described herein are suitable for deflecting radiation emitted by an associated VCSEL device. For example, the lenses may be suitable for focusing, substantially focusing, collimating, or substantially collimating electromagnetic radiation. Any other type of deflection or direction of the radiation is also included.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann eine Verbindungslinie zwischen der Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung und der Apertur der zweiten VCSEL-Vorrichtung von einer Verbindungslinie zwischen der optischen Achse der ersten Linse und der optischen Achse der zweiten Linse verschieden ist.According to further embodiments, a connecting line between the aperture of the first VCSEL device and the aperture of the second VCSEL device may be different from a connecting line between the optical axis of the first lens and the optical axis of the second lens.
Die Sensorvorrichtung kann ferner eine Spannungsquelle aufweisen, wobei die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung gemeinsam durch die Spannungsquelle ansteuerbar sind.The sensor device may further comprise a voltage source, wherein the first and the second VCSEL device can be jointly controlled by the voltage source.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung getrennt voneinander durch die Spannungsquelle ansteuerbar sein.According to further embodiments, the first and second VCSEL devices can be controlled separately by the voltage source.
Gemäß Ausführungsformen kann ein erstes Interferenzsignal, das durch kohärente Überlagerung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung emittierter erster Strahlung mit einem ersten reflektierten Signal, das sich bei Reflexion der ersten Strahlung an einem Objekt ergibt, erhältlich ist, sowie ein zweites Interferenzsignal, das durch kohärente Überlagerung von von der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierter Strahlung mit einem zweiten reflektierten Signal, das sich bei Reflexion der zweiten Strahlung an dem Objekt ergibt, erhältlich ist, durch Auslesen eines Spannungssignals jeweils an der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung ermittelt werden.According to embodiments, a first interference signal obtainable by coherently superimposing first radiation emitted by the first VCSEL device with a first reflected signal resulting from reflection of the first radiation at an object, and a second interference signal obtainable by coherently superimposing radiation emitted by the second VCSEL device with a second reflected signal resulting from reflection of the second radiation at the object, can be determined by reading out a voltage signal at each of the first and second VCSEL devices.
Die Sensorvorrichtung kann weiterhin einen ersten Detektor zum Nachweisen eines ersten Interferenzsignals, das durch kohärente Überlagerung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung emittierter erster Strahlung mit einem ersten reflektierten Signal, das sich bei Reflexion der ersten Strahlung an einem Objekt ergibt, erhältlich ist, aufweisen. Darüber hinaus kann die Sensorvorrichtung einen zweiten Detektor zum Nachweisen eines zweiten Interferenzsignals, das durch kohärente Überlagerung von von der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierter Strahlung mit einem zweiten reflektierten Signal, das sich bei Reflexion der zweiten Strahlung an dem Objekt ergibt, erhältlich ist, enthalten.The sensor device may further comprise a first detector for detecting a first interference signal generated by coherent superposition of first radiation emitted by the first VCSEL device with a first reflected signal. nal that is obtained when the first radiation is reflected from an object. In addition, the sensor device can contain a second detector for detecting a second interference signal that is obtainable by coherently superimposing radiation emitted by the second VCSEL device with a second reflected signal that is obtained when the second radiation is reflected from the object.
Gemäß Ausführungsformen weist eine elektronische Vorrichtung die vorstehend beschriebene Sensorvorrichtung sowie ein Gehäuse auf.According to embodiments, an electronic device comprises the sensor device described above and a housing.
Beispielsweise kann die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierte Strahlung jeweils an dem Gehäuse reflektiert werden.For example, the radiation emitted by the first and second VCSEL devices may each be reflected by the housing.
Gemäß Ausführungsformen kann das Gehäuse, für die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierte elektromagnetische Strahlung transparent sein. Die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierte elektromagnetische Strahlung kann jeweils an einem Gegenstand außerhalb des Gehäuses reflektiert werden.According to embodiments, the housing may be transparent to the electromagnetic radiation emitted by the first and second VCSEL devices. The electromagnetic radiation emitted by the first and second VCSEL devices may each be reflected by an object outside the housing.
Beispielsweise kann eine Benutzerschnittstelle die vorstehend beschriebene elektronische Vorrichtung aufweisen. Eine Benutzereingabe kann über eine örtliche Verformung des Gehäuses erfolgen.For example, a user interface may comprise the electronic device described above. User input may be provided via a local deformation of the housing.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierte elektromagnetische Strahlung jeweils an einem Finger reflektiert werden. In diesem Fall kann eine Benutzereingabe über eine Bewegung des Fingers erfolgen.According to further embodiments, the electromagnetic radiation emitted by the first and the second VCSEL device can each be reflected by a finger. In this case, a user input can be made via a movement of the finger.
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.
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1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines VCSEL-Elements gemäß Ausführungsformen. -
1B zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer VCSEL-Vorrichtung. -
2A zeigt eine schematische Ansicht einer Sensorvorrichtung gemäß Ausführungsformen. -
2B zeigt eine schematische Ansicht von Elementen einer Sensorvorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen. -
2C zeigt eine schematische Draufsicht von Elementen einer Sensorvorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen. -
2D veranschaulicht das Messprinzip der Sensorvorrichtung. -
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer elektronischen Vorrichtung. -
4A und4B zeigen Querschnittsansichten zur Veranschaulichung der Herstellung einer VCSEL-Vorrichtung gemäß Ausführungsformen.
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1A shows a schematic cross-sectional view of a VCSEL element according to embodiments. -
1B shows a schematic cross-sectional view of a VCSEL device. -
2A shows a schematic view of a sensor device according to embodiments. -
2 B shows a schematic view of elements of a sensor device according to further embodiments. -
2C shows a schematic plan view of elements of a sensor device according to further embodiments. -
2D illustrates the measuring principle of the sensor device. -
3 shows a schematic cross-sectional view of a portion of an electronic device. -
4A and4B show cross-sectional views illustrating the fabrication of a VCSEL device according to embodiments.
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings, which form a part of the disclosure, and in which specific embodiments are shown for purposes of illustration. In this context, directional terminology such as "top", "bottom", "front", "back", "over", "on", "in front of", "behind", "fore", "backward", etc., refers to the orientation of the figures just described. Since the components of the embodiments can be positioned in different orientations, the directional terminology is for purposes of explanation only and is not in any way limiting.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.The description of the embodiments is not limiting, since other embodiments exist and structural or logical changes may be made without departing from the scope defined by the patent claims. In particular, elements of embodiments described below may be combined with elements of other embodiments described, unless the context indicates otherwise.
Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial, beispielsweise einem GaAs-Substrat, einem GaN-Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein.The terms "wafer" or "semiconductor substrate" used in the following description may include any semiconductor-based structure having a semiconductor surface. Wafer and structure are to be understood as including doped and undoped semiconductors, epitaxial semiconductor layers, optionally supported by a base support, and other semiconductor structures. For example, a layer of a first semiconductor material may be grown on a growth substrate of a second semiconductor material, for example a GaAs substrate, a GaN substrate or a Si substrate or of an iso ing material, for example on a sapphire substrate.
Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, Al-GaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2O3, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.Depending on the intended use, the semiconductor can be based on a direct or an indirect semiconductor material. Examples of semiconductor materials that are particularly suitable for generating electromagnetic radiation include in particular nitride semiconductor compounds, through which, for example, ultraviolet, blue or longer-wave light can be generated, such as GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, Al-GaInBN, phosphide semiconductor compounds, through which, for example, green or longer-wave light can be generated, such as GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, and other semiconductor materials such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga 2 O 3 , diamond, hexagonal BN and combinations of the materials mentioned. The stoichiometric ratio of the compound semiconductor materials can vary. Other examples of semiconductor materials can include silicon, silicon-germanium and germanium. In the context of the present description, the term "semiconductor" also includes organic semiconductor materials.
Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.The term “substrate” generally includes insulating, conductive or semiconductor substrates.
Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.The terms "lateral" and "horizontal" as used in this description are intended to describe an orientation or alignment that is substantially parallel to a first surface of a substrate or semiconductor body. This can be, for example, the surface of a wafer or a chip (die).
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.The horizontal direction can, for example, lie in a plane perpendicular to a growth direction when growing layers.
Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.The term "vertical" as used in this description is intended to describe an orientation that is substantially perpendicular to the first surface of a substrate or semiconductor body. The vertical direction can, for example, correspond to a growth direction when growing layers.
Die aktive Zone 103 kann beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf-Struktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur“ entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.The
Ein erster Resonatorspiegel 104 ist angrenzend oder benachbart zur ersten Halbleiterschicht 101 angeordnet. Ein zweiter Resonatorspiegel 105 ist angrenzend oder benachbart zur zweiten Halbleiterschicht 102 angeordnet. Beispielsweise können nun der erste und der zweite Resonatorspiegel 104, 105 als dielektrische Spiegelschicht ausgebildet sein und jeweils eine Vielzahl dielektrischer Schichten mit jeweils unterschiedlichen Brechungsindizes aufweisen.A
Generell umfasst der Begriff „dielektrische Spiegelschicht“ jegliche Anordnung, die einfallende elektromagnetische Strahlung zu einem großen Grad (beispielsweise >90%) reflektiert und nicht leitend ist. Beispielsweise kann eine dielektrische Spiegelschicht durch eine Abfolge von sehr dünnen dielektrischen Schichten mit jeweils unterschiedlichen Brechungsindizes ausgebildet werden. Beispielsweise können die Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n>n0) und einen niedrigen Brechungsindex (n<n0) haben und als Bragg-Reflektor ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Schichtdicke λ/4 betragen, wobei λ die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem jeweiligen Medium angibt. Die vom einfallenden Licht her gesehene Schicht kann eine größere Schichtdicke, beispielsweise 3λ/4 haben. Aufgrund der geringen Schichtdicke und des Unterschieds der jeweiligen Brechungsindizes stellt die dielektrische Spiegelschicht ein hohes Reflexionsvermögen bereit und ist gleichzeitig nichtleitend. Eine dielektrische Spiegelschicht kann beispielsweise 2 bis 50 dielektrische Schichten aufweisen. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 90 nm, beispielsweise etwa 50 nm betragen. Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind.In general, the term "dielectric mirror layer" covers any arrangement that reflects incident electromagnetic radiation to a high degree (for example >90%) and is non-conductive. For example, a dielectric mirror layer can be formed by a sequence of very thin dielectric layers, each with a different refractive indices. For example, the layers can alternately have a high refractive index (n>n 0 ) and a low have a constant refractive index (n<n 0 ) and be designed as a Bragg reflector. For example, the layer thickness can be λ/4, where λ indicates the wavelength of the light to be reflected in the respective medium. The layer seen from the incident light can have a greater layer thickness, for example 3λ/4. Due to the small layer thickness and the difference in the respective refractive indices, the dielectric mirror layer provides a high reflectivity and is non-conductive at the same time. A dielectric mirror layer can have, for example, 2 to 50 dielectric layers. A typical layer thickness of the individual layers can be about 30 to 90 nm, for example about 50 nm. The layer stack can further contain one or two or more layers that are thicker than about 180 nm, for example thicker than 200 nm.
Gemäß weiteren Ausgestaltungen können die Schichten der Resonatorspiegel 104 und 105 auch Halbleiterschichten enthalten.According to further embodiments, the layers of the resonator mirrors 104 and 105 may also contain semiconductor layers.
Bei Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht 102 wird elektrische Strahlung 16 emittiert. Dabei bildet sich ein optischer Resonator in vertikaler Richtung, d.h. senkrecht zur Oberfläche der einzelnen Schichten aus. Eine Apertur 106 kann beispielsweise in einer blockierenden Schicht 109, d.h. in einer für die elektromagnetische Strahlung undurchlässigen Schicht ausgebildet sein. Die elektromagnetische Strahlung wird durch die Apertur 106 emittiert. Beispielsweise kann ein Durchmesser der Apertur 106 etwa größer als 2 µm sein. Beispielsweise kann der Durchmesser der Apertur 106 kleiner als 8 µm sein. Beispielsweise kann der Durchmesser der Apertur 106 ungefähr 4 µm sein. Die blockierende Schicht 109 kann je nach Ausgestaltung auf der der ersten Halbleiterschicht 101 zugewandten oder abgewandten Seite des ersten Resonatorspiegels 104 angeordnet sein. Gemäß Ausgestaltungen bezeichnet der Begriff „Apertur“ einen Emissionsbereich einer VCSEL-Vorrichtung.When a voltage is applied between the first semiconductor layer and the
Beispielsweise kann eine elektrische Spannung durch eine Spannungsquelle 108 angelegt werden. Beispielsweise können Anschlüsse der Spannungsquelle 108 über geeignete Kontaktbereiche mit der ersten Halbleiterschicht 101 und der zweiten Halbleiterschicht 102 verbunden sein. Zusätzlich kann die VCSEL-Vorrichtung 100 einen Detektor 116, beispielsweise eine Fotodiode, die beispielsweise monolithisch mit der VCSEL-Vorrichtung 100 integriert sein kann, aufweisen. Der Detektor 116 kann beispielsweise ein Interferenzsignal nachweisen, welches durch so genannte SMI erzeugt wird, bei der die emittierte Strahlung mit reflektierter Strahlung kohärent überlagert wird. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann ein durch SMI erzeugtes Signal durch die VCSEL-Vorrichtung 100 selbst, beispielsweise durch Ermitteln der Änderung eines Spannungssignals, beispielsweise durch die Spannungsquelle 108 oder einen Bestandteil der Spannungsquelle nachgewiesen werden.For example, an electrical voltage can be applied by a
Das nachgewiesene Signal kann beispielsweise durch eine Auswerteschaltung 119 ausgewertet werden. Die Auswerteschaltung 119 kann mit der Spannungsquelle 108 verbunden sein. Insbesondere kann Information über eine Höhe der angelegten Spannung an die Auswerteschaltung weitergegeben werden.The detected signal can be evaluated, for example, by an
Dadurch, dass, wie in
Mit dem gezeigten VCSEL-Element 10 ist es beispielsweise möglich, eine Vielzahl von VCSEL-Elementen 10 räumlich dicht anzuordnen und gleichzeitig die erzeugten Strahlen 16 bei vergrößertem räumlichen Abstand zu erzeugen.With the
Die Sensorvorrichtung 15 umfasst weiterhin eine erste Linse 1131 und eine zweite Linse 1132. Die erste Linse 1131 ist zur Ablenkung, beispielsweise Fokussierung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung 101 emittierter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Die zweite Linse 1132 ist zur Ablenkung, beispielsweise Fokussierung von der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 emittierter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Die erste und die zweite Linse 1131, 1132 sind auf einer von den VCSEL-Vorrichtungen 1001, 1002 abgewandten Seite des Substrats 110 angeordnet. Eine Position einer Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 ist gegenüber der optischen Achse 115 der ersten Linse 1131 um einen Abstand d1 verschoben. Weiterhin ist eine Position der Apertur der zweite VCSEL-Vorrichtung 1002 gegenüber der optischen Achse 115 der zweite Linse 1132 um einen Abstand d2 verschoben. Beispielsweise können die Abstände d1 und d2 zueinander gleich sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Abstände d1 und d2 auch voneinander verschieden sein.The
Beispielsweise sind die erste VCSEL-Vorrichtung 1001 und die zweite VCSEL-Vorrichtung 1002 so angeordnet, dass die Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 und die Apertur der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 bei einem Abstand angeordnet sind, der kleiner als der Abstand der optischen Achsen der ersten und der zweiten Linse ist. Beispielsweise sind sowohl die erste VCSEL-Vorrichtung 1001 als auch die zweite VCSEL-Vorrichtung 1002 einander zugewandt, d.h. die erste VCSEL-Vorrichtung 1001 bzw. die Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 ist auf der Seite der optischen Achse 115 der zugehörigen ersten Linse 1131 angeordnet, die der zweiten Linse 1132 zugewandt ist. Weiterhin ist die zweite VCSEL-Vorrichtung 1002 bzw. die Apertur der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 auf der Seite der optischen Achse 115 der zweite Linse 1132 angeordnet, die der ersten Linse 1131 zugewandt ist.For example, the
Auf diese Weise ist es möglich, einzelne VCSEL-Vorrichtungen bei kleinem Abstand anzuordnen, während die elektromagnetische Strahlung 16 jeweils bei einem größeren Abstand emittiert wird.In this way, it is possible to arrange individual VCSEL devices at a small distance, while the
Ähnlich wie in
Gemäß Ausführungsformen kann ein durch SMI erzeugtes Signal auch jeweils durch die VCSELL-Vorrichtung 1001, 1002 nachgewiesen und über ein Spannungssignal ausgelesen werden. Die Auswerteschaltung 119 kann beispielsweise mit der Spannungsquelle 108 verbunden sein und weiterhin geeignet sein, die ermittelten Spannungssignale auszulesen.According to embodiments, a signal generated by SMI can also be detected by the
Bei einer optischen Sensorvorrichtung, die beispielsweise eine lokale Verformung eines Gehäuses oder die Bewegung eines Fingers nachweist und die auf der self-mixing interference beruht, werden bevorzugt mindestens zwei Messstellen verwendet, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung zu erhöhen. Dadurch, dass, wie in
Wie weiterhin in
Der Abstand zwischen den Aperturen der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 und der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 kann beispielsweise kleiner als 50 µm sein. Der Strahl 16, der von der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 emittiert wird, kann beispielsweise in eine Richtung, die um -α von der optischen Achse 115 der zweiten Linse 1132 abweicht, abgelenkt werden. Der Strahl 16, der von der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1001 emittiert wird, kann beispielsweise gegenläufig zu dem Strahl 16, der von der VCSEL-Vorrichtung 1001 emittiert wird, sein.The distance between the apertures of the
In
Ein Gehäuse 120 ist über der Sensorvorrichtung 15 angeordnet. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung 15 in einem elektronischen Gerät 30 angeordnet sein, und das Gehäuse 120 bildet gleichzeitig das Gehäuse der elektronischen Vorrichtung 120. Wie in
Üblicherweise können die erste Messstelle 122 und die zweite Messstelle 124 einen Abstand von mindestens 1 mm, beispielsweise 2 mm haben. Dadurch, dass, wie vorstehend unter Bezugnahme auf
Beispielsweise kann die Bewegung des Fingers, d.h. Abstand und Geschwindigkeit des Fingers, ermittelt werden, indem die Ausgangsleistung der VCSELs oder die Vorwärtsspannung der VCSELs moduliert wird und die von den Detektoren 1161, 1162 nachgewiesenen Signale ausgewertet werden. Diese Konzepte sind bekannt und unter dem Begriff „FMCW-LIDAR“, frequency modulated continuous wave LIDAR) ausführlich beschrieben worden.For example, the movement of the finger, i.e. distance and speed of the finger, can be determined by modulating the output power of the VCSELs or the forward voltage of the VCSELs and evaluating the signals detected by the
Gemäß Ausführungsformen können, wie vorstehend beschrieben, die VCSEL-Vorrichtungen 1001, 1002 selbst ein erzeugtes SMI-Signal durch Änderung eines Spannungssignals nachweisen. In diesem Fall sind keine separaten Detektoren 1161, 1162 erforderlich.According to embodiments, as described above, the
Die in
Gemäß weiteren Ausführungsformen stellt die in
Gemäß Ausführungsformen kann das Gehäuse 120 lichtundurchlässig sein. In diesem Fall wird die Auslenkung des Gehäuses 120 gemessen und führt zu der Erzeugung der gewünschten Signale.According to embodiments, the
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Gehäuse 120 auch transparent sein. In diesem Fall kann beispielsweise die emittierte elektromagnetische Strahlung 16 an dem Finger 121 reflektiert werden und somit zur Erzeugung der gewünschten Signale führen. Dabei kann die erste Messstelle 122 dem Schnittpunkt der von der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 emittierten Strahlung 16 mit dem Finger entsprechen. Die zweite Messstelle 124kann dem Schnittpunkt der von der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 emittierten Strahlung 16 mit dem Finger entsprechen.According to further embodiments, the
Die
Zunächst werden, wie in
Das Substrat 110 wird gedünnt und anschließend zur Ausbildung der Linsen 113 geätzt. Weiterhin werden die zu den einzelnen VCSEL-Vorrichtungen 1001, 1002 gehörenden Halbleiterschichtstapel jeweils voneinander getrennt und elektrisch isoliert, beispielsweise durch Ätzen einer Mesa. Dies ist in
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.Although specific embodiments have been illustrated and described herein, those skilled in the art will recognize that a variety of alternative and/or equivalent designs may be substituted for the specific embodiments shown and described without departing from the scope of the invention. This application is intended to cover any adaptations or variations of the specific embodiments discussed herein. Therefore, the invention is limited only by the claims and their equivalents.
BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS
- 1010
- VCSEL-ElementVCSEL element
- 1515
- SensorvorrichtungSensor device
- 1616
- emittierte Strahlungemitted radiation
- 1717
- reflektierte Strahlungreflected radiation
- 2020
- Objektobject
- 3030
- elektronische Vorrichtungelectronic device
- 3535
- BenutzerschnittstelleUser interface
- 100100
- VCSEL-VorrichtungVCSEL device
- 10011001
- erste VCSEL-Vorrichtungfirst VCSEL device
- 10021002
- zweite VCSEL-Vorrichtungsecond VCSEL device
- 101101
- erste Halbleiterschichtfirst semiconductor layer
- 102102
- zweite Halbleiterschichtsecond semiconductor layer
- 103103
- aktive Zoneactive zone
- 104104
- erster Resonatorspiegelfirst resonator mirror
- 105105
- zweiter Resonatorspiegelsecond resonator mirror
- 106106
- AperturAperture
- 108108
- SpannungsquelleVoltage source
- 109109
- blockierende Schichtblocking layer
- 110110
- SubstratSubstrat
- 111111
- erste Hauptoberflächefirst main interface
- 112112
- zweite Hauptoberflächesecond main interface
- 113113
- Linselens
- 11311131
- erste Linsefirst lens
- 11321132
- zweite Linsesecond lens
- 114114
- Oberfläche der LinseSurface of the lens
- 115115
- optische Achseoptical axis
- 116116
- Detektordetector
- 11611161
- erster Detektorfirst detector
- 11621162
- zweiter Detektorsecond detector
- 117117
- Verbindungslinie zwischen optischen AchsenConnecting line between optical axes
- 118118
- Verbindungslinie zwischen AperturenConnecting line between apertures
- 119119
- AuswerteschaltungEvaluation circuit
- 120120
- GehäuseHousing
- 121121
- Fingerfinger
- 122122
- erste Messstellefirst measuring point
- 123123
- Trägercarrier
- 124124
- zweite Messstellesecond measuring point
Claims (14)
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-
2023
- 2023-09-18 WO PCT/EP2023/075606 patent/WO2024078823A1/en unknown
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