DE19733996A1 - Optoelektronisches Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige optoelektronische Sensoren können beispielsweise als Reflexions­ lichttaster oder als Reflexionslichtschranken aus gebildet sein. In diesem Fall sind jeweils ein Sender und ein Empfänger in einem Gehäuse integriert. Des­ weiteren kann der Sensor als Lichtschranke ausgebildet sein. In diesem Fall sind der Sender und der Empfänger in getrennten Gehäusen integriert. Schließlich kann der Sensor von einem Lichtgitter oder einem Lichtvorhang gebildet sein. In diesem Fall sind mehrere Sender bzw. Empfänger jeweils nebeneinander­ liegend angeordnet. Dabei können die Sender einerseits und die Empfänger andererseits jeweils in einem getrennten Gehäuse oder in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. In der letzteren Ausführung ist dem Gehäuse gegenüberliegend ein Reflektorband angeordnet, auf welches die von den Sendern emittierten Lichtstrahlen gerichtet sind.

Bei den bekannten Sensoren ist die Auswerteelektronik des Sensors auf einer Leiterplatte oder mehreren Leiterplatten integriert.

Im einfachsten Fall bestehen die Bauelemente der Auswerteelektronik aus auf der Leiterplatte aufgesetzten Bauelementen, welche mit der Leiterplatte durch Drähte leitend verbunden sind. Auch der Sender und/oder Empfänger ist bzw. sind mit der Leiterplatte über Drähte verbunden.

Alternativ kann der Sender bzw. der Empfänger als SMD (Surface mounted device) Bauteil auf die Leiterplatte aufgebracht sein.

In jedem Fall ist zur Fokussierung der Lichtstrahlen dem Sender bzw. dem Empfänger eine Linse vorgeordnet. Dies stellt einen zusätzlichen Bauteile­ aufwand dar, welcher zum einen die Montagezeiten und die Kosten des Sensors erhöht. Zum anderen wird dadurch auch die Baugröße des Sensors erhöht. Diese nachteiligen Effekte werden noch dadurch verstärkt, daß oftmals zur Unter­ drückung von Störsignalen der Sender und der Empfänger von einer elektri­ schen Abschirmung umgeben sein müssen. Zudem ist der Sender bzw. Empfän­ ger üblicherweise in einem Diodenhalter in Abstand zur Leiterplatte angebracht, wodurch das Bauvolumen weiter erhöht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Sensor der eingangs genannten Art möglichst montagefreundlich und kostengünstig auszubilden und gleichzeitig eine möglichst geringe Baugröße zu realisieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß weist der Sensor wenigstens eine Leiterplatte auf, auf deren Oberseite wenigstens ein aus einem Halbleiterelement bestehender Sender oder Empfänger montiert ist.

Auf der Oberseite der Leiterplatte sitzt eine Platte mit einer diese durch setzen­ den Bohrung auf. Dabei liegt zumindest ein Teil der Oberfläche des Halbleiter­ elements im Bereich der unteren Öffnung der Bohrung, so daß die optische Achse des Halbleiterelements im wesentlichen mit der Längsachse der Bohrung zusammenfällt. Die Lichtstrahlen, die auf das Halbleiterelement auftreffen oder von diesem emittiert werden, durchsetzen die Bohrung in axialer Richtung. Insbesondere die Randlichtstrahlen werden ein- oder mehrfach an der Wand der Bohrung reflektiert. Durch eine geeignete Wahl der Geometrie der Bohrung wird eine Strahlformung der Lichtstrahlen erzielt.

Mit dem erfindungsgemäßen Sensor werden folgende Vorteile erhalten. Der Sensor ist in einer sehr kleinen Bauform fertigbar. Durch eine geeignete Aus­ gestaltung der Bohrung können auf einfache Weise verschiedene optische Bauelemente adaptiert werden. Beispielsweise ist eine Lichtleiterankopplung realisierbar. Zudem wird die Montage des Sensors vereinfacht und die Herstell­ kosten gesenkt. Dies ist insbesondere dann der Fall wenn die Platte ebenfalls als Leiterplatte ausgebildet ist und zur Aufnahme von Bauelementen der Auswerte­ elektronik genutzt wird.

Besonders vorteilhaft ist die Wand der Bohrung mit einer Metallschicht über­ zogen. Dadurch wird zusätzlich eine elektrische Abschirmung des Halbleiter­ elements erzielt, insbesondere wenn das Halbleiterelement als Empfänger ausgebildet ist. Ist das Halbleiterelement als Sender ausgebildet, dient die metallisierte Wand der Bohrung zur Wärmeabfuhr.

Ein weiterer Vorteil ist in der hohen Positioniergenauigkeit der Bohrung relativ zum Halbleiterelement zu sehen. Dies beruht darauf, daß die Bohrung unmittel­ bar auf das Halbleiterelement aufsetzbar ist.

Schließlich können in einer vorteilhaften Ausführungsform weitere als Anzeige- Leuchtdioden ausgebildete Halbleiterelemente vorgesehen sein, welche in derselben Weise wie der Sender bzw. der Empfänger an der Leiterplatte mon­ tiert sind.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen optoelektroni­ schen Sensors.

Fig. 2 Ein erstes Ausführungsbeispiel der oberhalb des Halbleiterele­ ments aufsitzenden strahlformenden Bohrung:

• a) im Längsschnitt,
• b) in der Draufsicht.

Fig. 3 Ein zweites Ausführungsbeispiel der Bohrung nach Fig. 2.

Fig. 4 Ein drittes Ausführungsbeispiel der Bohrung nach Fig. 2.

• a) ohne optisches Bauelement
• b) mit optischem Bauelement.

In Fig. 1 ist ein von einer Reflexionslichtschranke gebildeter optoelektroni­ scher Sensor 1 dargestellt. Der Sensor 1 weist einen Lichtstrahlen 2 emittieren­ den Sender 3 und einen Lichtstrahlen 2 empfangenden Empfänger 4 auf, welche in einem gemeinsamen Gehäuse 5 integriert sind. Der Sender 3 und der Emp­ fänger 4 sind auf der Oberseite einer Leiterplatte 6 angeordnet. Auf der Leiter­ platte 6 sind zudem Bauelemente 7 integriert, welche Bestandteil der Auswerte­ elektronik sind, an welche der Sender 3 und der Empfänger 4 angeschlossen sind.

Auf der Oberseite der Leiterplatte 6 sitzt eine Platte 8 auf. Diese Platte 8 kann von einer Kunststoffplatte oder dergleichen gebildet sein. Besonders vorteilhaft kann die Platte 8 als zweite Leiterplatte ausgebildet sein, auf welcher ebenfalls Bauelemente 7 der Auswerteelektronik integriert sind. Dieser Fall ist in Fig. 1 dargestellt.

Die beiden Leiterplatten weisen einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf und erstrecken sich nahezu über die gesamte Querschnittsfläche des Gehäu­ ses 5. Die Leiterplatte 6 und die Platte 8 sind zweckmäßigerweise an nicht dargestellten Aufnahmen an den Innenwänden des Gehäuses 5 befestigt.

Die Leiterplatte 6 und die Platte 8 weisen jeweils eine über die gesamte Querschnittsfläche konstante Dicke auf und liegen formschlüssig aneinander an. Die Leiterplatte 7 und die Platte 8 weisen im wesentlichen dieselbe Dicke auf.

Die zweite Leiterplatte weist zwei Bohrungen 9, 10 auf, welche diese in axialer Richtung durchsetzen. Die Bohrungen 9, 10 sind so angeordnet daß der Sender 3 und der Empfänger 4 jeweils im Bereich des unteren Randes einer Bohrung 9, 10 liegt, so daß die optischen Achsen des Senders 3 und des Empfängers 4 jeweils im Inneren der Bohrung 9, 10 parallel zu deren Längsachse verlaufen.

Zur Strahlformung der vom Sender 3 emittierten Lichtstrahlen 2 bzw. der auf den Empfänger 4 auftreffenden Lichtstrahlen 2 werden die Lichtstrahlen 2 an der Innenwand der Bohrung 9, 10 ein- oder mehrfach reflektiert. Zweckmäßi­ gerweise ist die Wand der Bohrung 9, 10 mit einer Metallschicht überzogen, um eine Reflexion der Lichtstrahlen 2 zu erhalten. Zudem wirkt die metallische Schicht als Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen. Durch eine geeignete Dimensionierung läßt sich die Strahlformung in gewünschter Weise so anpassen, so daß bei der Fokussierung der Lichtstrahlen 2 die Wirkung von optischen Bauelementen wie zum Beispiel Linsen unterstützt wird. Die vom Sender 3 emittierten Lichtstrahlen 2 sind somit direkt über die Bohrung 9 auf ein Austrittsfenster 11 in der Gehäusewand geführt. Ebenso treffen die durch ein zweites Austrittsfenster 12 in das Sensorinnere dringenden Lichtstrahlen 2 direkt über die Bohrung 10 auf den Empfänger 4.

Die Anordnung der Bohrung 9, 10 relativ zu dem Halbleiterelement ist in den Fig. 2a und 2b detaillierter dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Bohrung 9 am Sender 3 kreiszylinderförmig ausgebildet. Die Dicke der zweiten Leiterplatte, welche die Bohrung 9 aufweist, ist in diesem Fall etwas größer als die Dicke der ersten Leiterplatte 6.

Der untere Rand der Bohrung 9 liegt auf der Oberseite der ersten Leiterplatte 6 auf. Das Halbleiterelement sitzt auf der Oberseite der ersten Leiterplatte 6 auf und ragt somit in das Innere der Bohrung 9. Bei dieser Anordnung ist die Querschnittsfläche der Bohrung so gewählt, daß sie größer oder gleich der Querschnittsfläche des Halbleiterelements ist.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Halbleiterelement von einer Chip- Leuchtdiode gebildet, welche mit der Leiterplatte 6 über einen Bonddraht 13 verbunden ist. Der Bonddraht 13 ist mit einer Kontaktfläche elektrisch ver­ bunden. In dieser Kontaktfläche befindet sich eine durchkontaktierte Bohrung 14b.

Auf der Rückseite des Halbleiterelements sitzt die zweite Anschlußfläche, diese wird mit der Kontaktfläche 17 elektrisch verbunden. In der Kontaktfläche 17 befindet sich eine weitere durchkontaktierte Bohrung 14a.

Über diese durchkontaktierten Bohrungen 14a und 14b wird das Halbleiterele­ ment 3 durch die Auswerteelektronik umgesteuert.

Das Verfahren läßt sich auch auf Sendedioden ohne Bonddraht (Flip-Chip- Dioden) anwenden.

Zum Schutz gegen Verschmutzungen oder Beschädigungen kann die Bohrung 9 der zweiten Leiterplatte und das im unteren Bereich der Bohrung 9 liegende Halbleiterelement mit einer nicht dargestellten Vergußmasse, vorzugsweise einer Epoxyvergußmasse, ausgegossen sein.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbespiel dieser Anordnung der Bohrung 9 relativ zum Halbleiterelement dargestellt. Der Aufbau entspricht im wesentli­ chen dem in den Fig. 2a, 2b dargestellten Ausführungsbeispiel. Unterschiede bestehen lediglich in Hinsicht der Geometrie der Bohrung 9. Die Bohrung 9 ist in Form eines sich nach oben verbreiternden Kegelstumpfes ausgebildet. Dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine möglichst große Lichtmenge eines Lichtsenders ausgekoppelt werden soll.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bohrung 9 dargestellt. Diese Bohrung 9 verjüngt sich vom unteren zum oberen Rand hin. Das Halb­ leiterelement ist im Zentrum der Bohrung 9 auf der Oberseite der Leiterplatte 6 angeordnet.

An der Wand der Bohrung 9 werden die Lichtstrahlen 2 zum Boden der Boh­ rung zurückreflektiert. Bei diesen zurückreflektierten Lichtstrahlen 2 handelt es sich vorwiegend um solche, die von den Randbereichen des Halbleiterelements emittiert werden.

Die vom Zentrum des Halbleiterelements emittierten Lichtstrahlen 2 durch­ dringen dagegen die Bohrung 9 ohne an der Wand der Bohrung 9 reflektiert zu werden. Die Bohrung 9 hat in diesem Fall die Funktion einer Blende.

Das in Fig. 4a dargestellte Ausführungsbeispiel kann somit besonders dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn bei einem Halbleiterelement ein bestimmter Anteil der Randstrahlen ausgeblendet werden soll.

In einer besonders vorteilhaften, nicht dargestellten Ausführungsform können mehrere Halbleiterelemente mit den jeweils zugeordneten Bohrungen 9, 10 in einer Mehrfachanordnung nebeneinanderliegend angeordnet sein.

Auf diese Weise kann auf einfache Weise ein Lichtgitter erzeugt werden. Dabei können die einzelnen Halbleiterelemente in sehr geringen Abständen zueinander auf der Leiterplatte 6 angeordnet sein, so daß sehr kleine Baugrößen realisierbar sind.

Die Mehrfachanordnung der Halbleiterelemente mit den zugeordneten Bohrun­ gen 9, 10 kann auch für Fertigungszwecke in vorteilhafter Weise genutzt werden. Durch diese Mehrfachanordnung lassen sich Mehrfachnutzen erstellen.

Für die Endfertigung der Sensoren lassen sich aus den Mehrfachnutzen durch einfaches Abtrennen Leiterplatten mit der gewünschten Anzahl von Halbleiter­ elementen gewinnen.

Das in Fig. 4b dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht dem Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 4a, wobei zusätzlich eine Linse 18 dargestellt ist, die auf die Bohrung 9 aufsetzbar ist. An der Bohrung 9 können Aufnahmen für die Linse 18 vorgesehen sein, wodurch eine hohe Zentriergenauigkeit erzielt wird.

Claims (15)

1. Optoelektronischer Sensor mit wenigstens einem jeweils von einem Halb­ leiterelement gebildeten Lichtstrahlen emittierenden Sender und/oder einem Lichtstrahlen empfangenden Empfänger sowie einer Auswerteelek­ tronik, welche auf wenigstens einer Leiterplatte integriert ist, wobei das Halbleiterelement auf der Oberseite der Leiterplatte aufsitzend montiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite der Leiterplatte (6) eine Platte (8) mit einer diese durchsetzenden Bohrung (9, 10) aufsitzt, so daß zumindest ein Teil der Oberfläche des Halbleiterelements im Bereich des unteren Randes der Bohrung (9, 10) liegt und daß zur Strahlformung der Lichtstrahlen (2) diese an der Wand der Bohrung (9, 10) reflektiert werden.

2. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Halbleiterelements kleiner oder gleich der Querschnittsfläche der Bohrung (9, 10) an deren Unterseite ist.

3. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dicke der Platte (8) in derselben Größenordnung wie die Dicke der Leiterplatte (6) liegt.

4. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (8) von einer zweiten Leiterplatte gebildet ist.

5. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der Bohrung (9, 10) mit einer Metall­ schicht überzogen ist.

6. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (9, 10) zylinderförmig ausgebildet ist.

7. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (9, 10) von einem sich nach unten verjüngenden Kegelstumpf gebildet ist.

8. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (9, 10) von einem sich nach oben verjüngenden Kegelstumpf gebildet ist.

9. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement über einen Bonddraht (13) mit der Leiterplatte (6) verbunden ist.

11. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leiterplatte (6) durchkontaktete Bohrungen (14a, b) auf­ weist, deren oberer Rand (zum Teil) von dem Halbleiterelement bedeckt ist.

12. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (9, 10) in der Platte (8) mit einer op­ tisch transparenten Vergußmasse ausgegossen ist.

13. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (9, 10) mit Epoxyvergußmasse ausge­ gossen ist.

14. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Halbleiterelemente nebeneinander liegend auf einer Leiterplatte (6) angeordnet sind.

15. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente eine Mehrfachanordnung von Sendern (3) und/­ oder Empfängern (4) bilden.

16. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente auf einer einen Mehrfachnutzen bildenden Leiterplatte angeordnet sind.