DE19608391A1 - Reflexsensor - Google Patents

Reflexsensor

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Description

Reflexsensoren werden heutzutage auf vielen Gebieten eingesetzt beispielsweise zur Detektion und/oder Positionserkennung von Gegenständen, in Lichtschranken oder für digitale Zählvorgänge. Reflexsensoren weisen eine in einem Kunststoff­ gehäuse angeordnete optoelektronische Einheit (Sendeeinheit und Empfangsein­ heit) auf, wobei die Halbleiterbauelemente der optoelektronischen Einheit (das Sendeelement der Sendeeinheit und das Empfangselement der Empfangseinheit) gehäust oder ungehäust in das Kunststoffgehäuse eingebracht und dort vergossen werden. Der nach Durchlaufen einer Übertragungsstrecke und Reflexion wieder im Reflexsensor eintreffende Anteil des von der Sendeeinheit emittierten Sendesi­ gnals (dessen Wellenlänge liegt in der Regel im Infrarotbereich) wird von der Empfangseinheit als Empfangssignal detektiert. Werden die Reflexionseigen­ schaften variiert (bsp. durch teilweise oder vollständige Unterbrechung der Über­ tragungsstrecke zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit), wird hierdurch die Intensität des von der Empfangseinheit detektierten Empfangssignals geändert, was von einer der Empfangseinheit nachgeschalteten Verarbeitungseinheit ausge­ wertet werden kann.
Nachteilig hierbei ist, daß die Reflexsensoren einen starr vorgegebenen Aufbau aufweisen und daß die Intensitätsunterschiede im Empfangssignal nur gering sind, so daß das Empfangssignal oftmals nur geringe Aussagekraft besitzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reflexsensor mit guten opti­ schen Eigenschaften anzugeben, der auf einfache Weise und kostengünstig mit ge­ ringen Abmessungen hergestellt werden kann und der einen flexiblen Aufbau mit variierbaren Eigenschaften ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der vorgestellte Reflexsensor besteht aus folgenden Komponenten:
  • - einer optoelektronischen Einheit aus Sendeeinheit und Empfangseinheit mit einer Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen (Sende­ elemente, Empfangselemente); die äquidistant angeordneten Sendeelemen­ te (bsp. Leuchtdioden) der Sendeeinheit und die äquidistant angeordneten Empfangselemente (bsp. Fotodioden) der Empfangseinheit bilden jeweils eine Matrix mit einer vorgebbaren Anzahl von Spalten und Zeilen (und da­ mit Sendeelementen bzw. Empfangselementen); vorzugsweise wird die gleiche Anzahl von Spalten und Zeilen für die Matrix der Sendeeinheit und die Matrix der Empfangseinheit vorgegeben. Die beiden Matrizen sind so ausgebildet, daß jedes optoelektronische Halbleiterbauelement (jedes Sen­ deelement und jedes Empfangselement) für sich betrieben (d. h. einzeln an­ gesteuert) werden kann,
  • - einem Trägerkörper, auf dem die optoelektronische Einheit aufgebracht ist und der bsp. als starre oder flexible Leiterplatte, als keramische Trägerplat­ te in Dünnschichttechnik oder Dickschichttechnik oder als Siliziumsubstrat ausgebildet sein kann; das Material bzw. die Beschaffenheit des Träger­ körpers kann anhand der gewünschten bzw. geforderten optischen Eigen­ schaften gewählt werden: bsp. soll der Trägerkörper für die Wellenlänge des von den Sendeelementen der Sendeeinheit emittierten Sendesignals ei­ ne minimale Transparenz aufweisen (optisch undurchlässig sein),
  • - einer Leiterbahnanordnung, mittels der die Ansteuerung der optoelektroni­ schen Halbleiterbauelemente der optoelektronischen Einheit und die Ver­ bindung der optoelektronischen Einheit zu externen Anschlüssen (bsp. an­ gelöteten Kontakten wie Steckerkontakte, Stanzkämme, Stiftleisten o. ä.) bzw. zu nachfolgenden Schaltungsteilen gewährleistet wird; die Leiter­ bahnanordnung kann dabei sowohl auf der Unterseite als auch auf der Oberseite des Trägerkörpers angeordnet sein, wobei diese auf geeignete Weise mittels Durchkontaktierungen miteinander verbunden werden kön­ nen,
  • - einem auf der Oberseite des Trägerkörpers bzw. der optoelektronischen Einheit angeordneten, durch Vorgabe seiner Öffnungen an die Form bzw. Geometrie der optoelektronischen Halbleiterbauelemente der optoelektro­ nischen Einheit angepaßten optischen Gitter zur (optischen) Separierung der einzelnen optoelektronischen Halbleiterbauelemente voneinander; hier­ durch wird das von einem bestimmten Sendeelement emittierte Sendesi­ gnal unabhängig von den anderen Sendeelementen senkrecht zum Träger­ körper fokussiert und gleichzeitig eine direkte Einstrahlung des Sendesi­ gnals auf die Empfangselemente der Empfangseinheit vermieden (verbun­ den mit der Minimierung von direkten Störeinflüssen, der Steigerung der Empfindlichkeit und der Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses). Durch geeignete Ausgestaltung des optischen Gitters (insbesondere der Abmessungen und der Form der Öffnungen) kann neben der Separierung der optoelektronischen Halbleiterbauelemente ein Linseneffekt dergestalt erreicht werden, daß das von den Sendeelementen der Sendeeinheit emit­ tierte Sendesignal und das von den Empfangselementen der Empfangs­ einheit detektierte Empfangssignal effektiv gebündelt wird. Als Material des optischen Gitters kann ein metallischer Stoff (bsp. Edelstahl) oder ein metallisierter Kunststoff (bsp. Polycarbonat mit galvanischer Ober­ flächenveredelung) verwendet werden; die gesamte Oberfläche des opti­ schen Gitters ist zur elektrischen Isolation (Passivierung) gegenüber dem Trägerkörper mit einer geeigneten Isolierschicht (bsp. aus transparentem Isolationslack) bedeckt. Auf die Oberseite des optischen Gitters kann zur Erhöhung des Sendesignals der Sendeelemente eine reflektierende Oberflä­ chenschicht aufgebracht werden, deren Eigenschaften unter Berück­ sichtigung der Wellenlänge des Sendesignals gewählt wird. Auf der Unter­ seite des optischen Gitters können geeignete Vorrichtungen (bsp. Zen­ trierstifte) zur Gewährleistung einer paßgenauen Montage des optischen Gitters auf den Trägerkörper vorgesehen werden,
  • - einer auf der Oberseite des optischen Gitters (bsp. in eine dort vorgesehene Vertiefung) zum Schutz und zur Passivierung der optoelektronischen Halb­ leiterbauelemente der optoelektronischen Einheit gegenüber Umweltein­ flüssen aufgebrachten (vorzugsweise planaren) Abdeckschicht; das Mate­ rial der Abdeckschicht (bsp. ein Schutzfilm) wird so gewählt, daß ein mi­ nimaler Intensitätsverlust des Sendesignals, eine Resistenz gegenüber den geforderten Umgebungsbedingungen und ggf. eine Beständigkeit gegen­ über Waschvorgängen erreicht wird,
  • - optional einer Signalverarbeitungseinheit mit geeigneten aktiven und/oder passiven Halbleiterbauelementen (Verstärkerelemente, Integrierte Schalt­ kreise etc.) zur Verarbeitung und Bewertung der (zeitlichen) Intensitätsver­ teilung des von den Empfangselementen der Empfangseinheit bei sukzes­ siver Ansteuerung der einzelnen Sendeelemente der Sendeeinheit detektier­ ten Empfangssignals; die Signalverarbeitungseinheit kann entweder als se­ parate Einheit ausgeführt und mit der optoelektronischen Einheit über Steckverbindungen und/oder/Durckkontaktierungen verbunden sein oder direkt über die Leiterbahnanordnung mit den optoelektronischen Halblei­ terbauelementen der optoelektronischen Einheit verknüpft werden,
  • - optional einer Auswerteeinheit zur weiteren Verarbeitung bzw. Auswer­ tung der von der Signalverarbeitungseinheit aufbereiteten Signale.
Der Reflexsensor vereinigt mehrere Vorteile in sich:
  • - aufgrund der Vielzahl von Sendeelementen und Empfangselementen und deren beliebig wählbarer Ansteuerung kann ein aussagekräftiges Emp­ fangssignal gewonnen werden,
  • - die Anzahl der Sendeelemente der Sendeeinheit und der Emfangselemente der Empfangseinheit kann variabel vorgegeben und an die gewünschten Anforderungen bzw. Anwendungen angepaßt werden,
  • - es ist eine miniaturisierte und damit kostengünstige Anordnung des Re­ flexsensors mit geringen Abmessungen möglich, indem einerseits die Dic­ ken von Trägerkörper und optischem Gitter unter Berücksichtigung der Kriterien Handhabbarkeit und Durchbiegung minimal gewählt werden, so daß der Reflexsensor eine geringe Dicke (Höhenabmessung) aufweist, und indem andererseits die Sendeelemente und die Empfangselemente sowie die Öffnungen des optischen Gitters mit minimal möglichem Abstand zu­ einander angeordnet werden (größte Packungsdichte), so daß der Reflex­ sensor eine geringe Flächenabmessung aufweist,
  • - der Reflexsensor kann auf einfache Weise mit auf weiteren Trägerkörpern angeordneten signalverarbeitenden Schaltungsteilen verbunden werden.
Der vorgestellte Reflexsensor soll weiterhin anhand eines in der Zeichnung mit den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden. Hierbei zeigt
  • - die Fig. 1 eine Explosionsdarstellung des Reflexsensors,
  • - die Fig. 2 eine Draufsicht auf den Reflexsensor,
  • - die Fig. 3 zwei verschiedene Längsschnitte durch den in Fig. 2 darge­ stellten Reflexsensor (Fig. 3a Längsschnitt anhand der Linie A-A der Fig. 2, Fig. 3b Längsschnitt anhand der Linie B-B der Fig. 2).
Gemäß der Explosionsdarstellung der Fig. 1, der Draufsicht der Fig. 2 und den Schnittdarstellungen der Fig. 3a und 3b besteht der Reflexsensor 1 aus dem Trägerkörper 10, der auf der Oberseite 11 des Trägerkörpers 10 angeordneten op­ toelektronischen Einheit 20 aus Sendeeinheit 21 und Empfangseinheit 22 mit einer Vielzahl von äquidistant angeordneten optoelektronischen Halbleiterbauelementen 210, 220 (Sendeelemente 210, Empfangselemente 220), der die optoelektroni­ schen Halbleiterbauelemente 210, 220 der optoelektronischen Einheit 20 verbin­ denden und deren externe Kontaktierung gewährleistenden Leiterbahnanordnung 30, dem auf der Oberseite 11 des Trägerkörpers 10 und der optoelektronischen Einheit 20 angeordneten optischen Gitter 40 und einer auf der Oberseite 41 des optischen Gitters 40 angeordneten Abdeckschicht 50:
  • - der bsp. als Leiterplatte (bsp. aus FR4-Material) ausgebildete Trägerkörper 10 besitzt bsp. die Abmessungen 30 mm × 30 mm × 0,8 mm; zumindest die Oberfläche 13 der Leiterplatte 10, vorzugsweise jedoch die gesamte Leiterplatte 10, ist schwarz eingefärbt, um deren Transparenz für die von den Sendeelementen 210 der Sendeeinheit 21 emittierte Strahlung zu mi­ nimieren,
  • - auf der Oberseite 11 des Trägerkörpers 10 befindet sich die optoelektroni­ sche Einheit 20 aus der Sendeeinheit 21 mit einer Vielzahl von bsp. als Leuchtdioden (LEDs) ausgebildeten, äquidistant als Matrix angeordneten Sendeelementen 210 und aus der Empfangseinheit 22 mit einer Vielzahl von bsp. als Fotodioden ausgebildeten, äquidistant als Matrix angeordne­ ten Empfangselementen 220. Die optoelektronischen Halbleiterbauelemen­ te (LEDs 210, Fotodioden 220) sind als ungehäuste Bauelemente auf Kon­ taktpads 14 des Trägerkörpers 10 leitfähig aufgebracht (bsp. geklebt) und so kontaktiert, daß sie jeweils einzeln betrieben werden können. Bsp. be­ steht die Sendeeinheit 21 aus 49 in einer 7 × 7-Matrix mit einem Raster­ maß von 2.54 mm angeordneten LEDs 210 und die Empfangseinheit 22 aus 49 in einer der Sendeeinheit 21 überlagerten 7 × 7-Matrix mit einem Rastermaß von 2.54 mm angeordneten Fotodioden 220; die LEDs 210 und die Fotodioden 220 sind somit in einem äquidistanten Abstand zueinander angeordnet, wobei jeder LED 210 vier Fotodioden 220 bzw. jeder Fo­ todiode 220 vier LEDs 210 benachbart sind (mit Ausnahme der sich am Rand der optoelektronischen Einheit 20 befindlichen LEDs 210 bzw. Foto­ dioden 220),
  • - die optoelektronischen Halbleiterbauelemente 210, 220 der optoelektroni­ schen Einheit 20 werden über Drahtbondverbindungen 33 mit den auf der Oberseite 11 des Trägerkörpers 10 vorgesehenen Leitbahnen 31 der Lei­ terbahnanordnung 30 kontaktiert und mittels Durckkontaktierungen 32 mit auf der Unterseite 12 des Trägerkörpers 10 vorgesehenen Leitbahnen ver­ bunden. Die Leitbahnen 31 münden in (bsp. 30) Steckeranschlußpads 34, an denen Steckeranschlüsse 35 (Lötkontakte) angebracht sind, mittels de­ nen die optoelektronische Einheit 20 mit einer nicht-dargestellten Signal­ verarbeitungseinheit und/oder einer Auswerteeinheit verbunden ist. Die Leitbahnen 31 der Leiterbahnanordnung 30 sind so ausgeführt, daß die LEDs 210 und die Fotodioden 220 separat betrieben werden können,
  • - auf der Oberseite 23 der optoelektronischen Einheit 20 ist das optische Git­ ter 40 aufgebracht, das eine der Anzahl der optoelektronischen Halbleiter­ bauelemente 210, 220 entsprechende Anzahl von (an der Oberseite 41 bsp. kreisförmigen) Öffnungen 42 und Zwischenräume 43 aufweist, durch die die einzelnen optoelektronischen Halbleiterbauelemente 210, 220 optisch voneinander separiert werden; die Höhe des optischen Gitters 40 betrifft bsp. 1,4 mm. Der Durchmesser der kreisförmigen Öffnungen 42 ist an die Fläche der optoelektronischen Halbleiterbauelemente 210, 220 angepaßt und für die Sendeelemente 210 und die Empfangselemente 220 unter­ schiedlich gewählt. Die Öffnungen 42 sind zum Schutz der optoelektroni­ schen Halbleiterbauelemente 210, 220 und zur Verbesserung der optischen Eigenschaften (möglichst hohe Transparenz) mit einer einen hohen Bre­ chungsindex aufweisenden transparenten Vergußmasse 45 (bsp. ein Si­ likonelastomer) zumindest teilweise aufgefüllt (siehe Fig. 3a, 3b). Die Seitenwand 44 der Öffnungen 42 für die LEDs 210 (siehe Fig. 3a) ist zur Erhöhung der auf der Oberseite 41 des optischen Gitters 40 (senkrecht zum Trägerkörper 10) austretenden emittierten Strahlung linsenförmig aus­ geführt (Neigungswinkel bsp. 10°). Die gesamte Oberfläche 46 des op­ tischen Gitters 40 ist zur elektrischen Isolation mit einem transparenten Isolationslack passiviert. Auf der Unterseite 47 des optischen Gitters 40 sind vier, jeweils an einer Ecke des optischen Filters 40 befindliche Zen­ trierstifte 48 zur paßgenauen Montage des optischen Gitters 40 auf dem entsprechende Vertiefungen 15 aufweisenden Trägerkörper 10 angeordnet. In der Oberseite 41 des optischen Gitters 40 ist zur Aufnahme der als Schutzschicht dienenden Abdeckschicht 50 eine Vertiefung 49 einge­ bracht,
  • - die in die Vertiefung 49 auf der Oberseite 41 des optischen Gitters 40 ein­ gelegte Abdeckschicht 50 besteht bsp. aus einem einseitig selbstklebenden und transparenten Filmpolymer, das mit dem optischen Gitter 40 verklebt wird.
Der Reflexsensor 1 (bsp. mit den Maßen 30 mm × 30 mm × 2,2 mm) wird mittels geeigneter Ansteuerung der optoelektronischen Halbleiterbauelemente 210, 220 betrieben: die sukzessive angesteuerten Sendeelemente 210 strahlen auf die zu de­ tektierende Oberfläche, die Empfangselemente 220 fangen das reflektierte Licht der Sendeeinheit 21 auf. Bsp. kann der vorgestellte Reflexsensor mittels eines Bands auf der Oberseite der Haut eines Säugetiers befestigt werden und durch Auswertung der Intensitätsverteilung des detektierten Empfangssignals eine Blut­ zuckerbestimmung vorgenommen werden.

Claims (7)

1. Reflexsensor (1), bestehend aus:
  • - einem Trägerkörper (10),
  • - einer optoelektronischen Einheit (20) aus Sendeeinheit (21) und Emp­ fangseinheit (22), die eine Vielzahl von auf der Oberseite (11) des Träger­ körpers (10) aufgebrachte optoelektronische Halbleiterbauelemente (210, 220) aufweist, und bei der die Sendeeinheit (21) durch äquidistant in einer Matrix angeordnete Sendeelemente (210) und die Empfangseinheit (22) durch äquidistant in einer Matrix angeordnete Empfangselemente (220) ge­ bildet ist,
  • - einer Leiterbahnanordnung (30) mit auf mindestens einer Oberflächenseite (11, 12) des Trägerkörpers (10) angeordneten Leitbahnen (31), Durckkon­ taktierungen (32) und Steckeranschlüssen (35),
  • - einem auf der Oberseite (11) des Trägerkörpers (10) und der Oberseite (23) der optoelektronischen Einheit (20) angeordneten optischen Gitter (40), dessen Öffnungen (41) an die Form der optoelektronischen Halbleiterbau­ elementen (210, 220) angepaßt sind,
  • - einer auf der Oberseite des optischen Gitters (40) angeordneten Abdeck­ schicht (50).
2. Reflexsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Trägerkörpers (10) für die Wellenlänge des von den Sendeelementen (210) der Sendeeinheit (21) emittierte Sendesignal eine minimale Transparenz aufweist.
3. Reflexsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende­ elemente (210) der Matrix der Sendeeinheit (21) und die Empfangselemente (220) der Matrix der Empfangseinheit (22) der optoelektronischen Einheit (20) derart über die Leiterbahnanordnung (30) verbunden sind, daß alle optoelektronischen Halbleiterbauelemente (210, 220) der optoelektronischen Einheit (20) einzeln an­ steuerbar sind.
4. Reflexsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix der Sendeeinheit (21) und die Matrix der Empfangseinheit (22) jeweils die gleiche Anzahl an Spalten und Zeilen sowie die gleiche Anzahl an optoelek­ tronischen Halbleiterbauelementen (210, 220) aufweist.
5. Reflexsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Größe und Form der Öffnungen (41) des optischen Gitters (40) an die Größe und Form der optoelektronischen Halbleiterbauelemente (210, 220) der optoelektroni­ schen Einheit (20) angepaßt sind.
6. Reflexsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschicht (50) planar ausgebildet ist und für die Wellenlänge des von den Sendeelementen (210) der Sendeeinheit (21) emittierte Sendesignal eine maximale Transparenz aufweist.
7. Reflexsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalverarbeitungseinheit mit aktiven und/oder passiven Halbleiterbauele­ menten zur Verarbeitung und Bewertung der Intensitätsverteilung des von den Empfangselementen (220) der Empfangseinheit (22) detektierten Empfangssignals vorgesehen ist.
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