DE19733996B4

DE19733996B4 - Optoelektronischer Sensor

Info

Publication number: DE19733996B4
Application number: DE19733996A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dipl.-Ing. Aldiek; Ralf Dipl.-Ing. Heß; Gerald Dipl.-Phys. Dr. Quapil
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1997-08-06
Filing date: 1997-08-06
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2017-08-07
Also published as: DE19733996A1

Abstract

Optoelektronischer Sensor mit wenigstens einem Lichtstrahlen emittierenden Sender und wenigstens einem Lichtstrahlen empfangenden Empfänger, welche jeweils von einem Halbleiterelement gebildet sind, sowie einer Auswerteelektronik, welche auf wenigstens einer Leiterplatte integriert ist, wobei die Halbleiterelemente auf der Oberseite der Leiterplatte aufsitzend montiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite der Leiterplatte (6) eine zweite Leiterplatte (8) mit zwei diese durchsetzenden Bohrungen (9, 10) aufsitzt, so daß zumindest ein Teil der Oberfläche jeweils eines Halbleiterelements im Bereich des unteren Randes jeweils einer Bohrung (9, 10) liegt, dass die Bohrungen (9, 10) jeweils von einem sich nach oben verjüngenden Kegelstumpf gebildet sind, und dass zur Strahlformung der Lichtstrahlen (2) diese an der Wand der Bohrung (9, 10) reflektiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige optoelektronische Sensoren können beispielsweise als Reflexionslichttaster oder als Reflexionslichtschranken ausgebildet 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 neben einander 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 Bauteileaufwand 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 Unterdrückung von Störsignalen der Sender und der Empfänger von einer elektrischen Abschirmung umgeben sein müssen. Zudem ist der Sender bzw. Empfänger üblicherweise in einem Diodenhalter in Abstand zur Leiterplatte angebracht, wodurch das Bauvolumen weiter erhöht wird.

Aus der nachveröffentlichten DE 196 08 391 A1 ist ein gattungsgemäßer optoelektronischer Sensor bekannt, welcher einen Trägerkörper aufweist, auf welchem Sendeelemente, beispielsweise in Form von Leuchtdioden, und Empfangselemente, beispielsweise in Form von Fotodioden, aufgebracht sind. Der Trägerkörper ist beispielsweise von einer flexiblen Leiterplatte gebildet. Auf die Leiterplatte ist ein optisches Gitter aufgebracht, in dessen Öffnungen die Sende- und Empfangselemente angeordnet sind. Diese Öffnungen bewirken einen Linseneffekt der Lichtstrahlen, die von den Sendeelementen emittiert oder von den Empfangselementen empfangen werden.

Aus der US 4,857,746 ist eine Anordnung von Reflexionslichtschranken mit mehreren Lichtstrahlen emittierenden Sendern und Lichtstrahlen empfangenden Empfängern bekannt. Die Sender und Empfänger sitzen auf einem Substrat auf, welches aus Keramik, Glas oder Kunststoff besteht und welches zudem Leiterbahnen zur Kontaktierung der Sender und Empfänger aufweist. Auf dem Substrat sitzen mehrere Aufsätze auf, die vorzugsweise aus Siliziumkristallen bestehen. Die Aufsätze sind auf dem Substrat so angeordnet, dass ein Raster mit mehreren Ausnehmungen entsteht, in welchem die Sender und Empfänger optisch voreinander getrennt angeordnet sind.

Aus der US 5,291,038 A ist ein Fotosensor bekannt, der einen Lichtstrahlen emittierenden Sender und einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger aufweist. Der Sender und der Empfänger bestehen aus Chips, die in einer Matrix aus Harz optisch getrennt voneinander angeordnet sind. Die Kontaktierung des Chips erfolgt durch Aufdampfen metallischer Schichten auf die Harzmasse.

In der JP 60-262475 A ist eine Leiterplatte beschrieben, auf welcher ein Sender und ein Empfänger aufsitzen. Auf der Leiterplatte sitzt ein Rahmen auf, der von einem Keramik-Substrat gebildet ist. Das Substrat weist eine Bohrung auf, in welcher der Sender und der Empfänger angeordnet sind.

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 Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor umfasst wenigstens einen Lichtstrahlen emittierenden Sender und wenigstens einen Lichtstrahlen empfangenden Empfänger, welche jeweils von einem Halbleiterelement gebildet sind. Eine Auswerteelektronik ist auf einer Leiterplatte integriert, wobei die Halbleiterelemente auf der Oberseite der Leiterplatte aufsitzend montiert sind. Auf der Oberseite der Leiterplatte sitzt eine zweite Leiterplatte mit zwei diese durchsetzenden Bohrungen auf, so dass zumindest ein Teil der Oberfläche jeweils eines Halbleiterelements im Bereich des unteren Randes jeweils einer Bohrung liegt. Die Bohrungen sind jeweils von einem sich nach oben verjüngenden Kegelstumpf gebildet. Zur Strahlformung der Lichtstrahlen werden diese an der Wand der Bohrung reflektiert.

Mit dem erfindungsgemäßen Sensor werden folgende Vorteile erhalten. Der Sensor ist in einer sehr kleinen Bauform fertigbar. Durch eine geeignete Ausgestaltung der Bohrungen können auf einfache Weise verschiedene optische Bauelemente adaptiert werden. Beispielsweise ist eine Lichtleiterankopplung realisierbar. Zudem wird die Montage des Sensors vereinfacht und die Herstellkosten gesenkt. Dies ist insbesondere dann der Fall wenn die zweite Leiterplatte zur Aufnahme von Bauelementen der Auswerteelektronik genutzt wird.

Besonders vorteilhaft sind die Wände der Bohrungen mit einer Metallschicht überzogen. Dadurch wird zusätzlich eine elektrische Abschirmung der Halbleiterelemente erzielt, insbesondere bei dem Empfänger-Halbleiterelement.

Bei dem Sender-Halbleiterelement dient die metallisierte Wand der Bohrung zur Wärmeabfuhr.

Ein weiterer Vorteil ist in der hohen Positioniergenauigkeit einer Bohrung relativ zum Halbleiterelement zu sehen. Dies beruht darauf, dass die Bohrung unmittelbar 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 montiert sind.

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

1: Schematische Darstellung eines gattungsgemäßen optoelektronischen Sensors.

2: Ein Ausführungsbeispiel der oberhalb des Halbleiterelements aufsitzenden strahlformenden Bohrung:

a) ohne optisches Bauelement
b) mit optischem Bauelement.

In 1 ist ein von einer Reflexionslichtschranke gebildeter optoelektronischer Sensor 1 dargestellt. Der Sensor 1 weist einen Lichtstrahlen 2 emittierenden Sender 3 und einen Lichtstrahlen 2 empfangenden Empfänger 4 auf, welche in einem gemeinsamen Gehäuse 5 integriert sind. Der Sender 3 und der Empfänger 4 sind auf der Oberseite einer Leiterplatte 6 angeordnet. Auf der Leiterplatte 6 sind zudem Bauelemente 7 integriert, welche Bestandteil der Auswerteelektronik sind, an welche der Sender 3 und der Empfänger 4 angeschlossen sind.
Auf der Oberseite der Leiterplatte 6 sitzt eine zweite Leiterplatte 8 auf. Diese zweite Leiterplatte 8 kann von einer Kunststoffplatte oder dergleichen gebildet sein. Besonders vorteilhaft können auf der zweiten Leiterplatte 8 ebenfalls Bauelemente 7 der Auswerteelektronik integriert sein. Dieser Fall ist in 1 dargestellt.
Die beiden Leiterplatten weisen einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf und erstrecken sich nahezu über die gesamte Querschnittsfläche des Gehäuses 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 der Bohrungen 9, 10 liegt, so dass die optischen Achsen des Senders 3 und des Empfängers 4 jeweils im Inneren der Bohrungen 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. Zweckmäßigerweise ist die Wand der Bohrungen 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 relativ zu dem den Sender 3 bildenden Halbleiterelement ist in den 2a und 2b detaillierter dargestellt.
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 verbunden. 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 Halbleiterelement 3 durch die Auswerteelektronik angesteuert.
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 8 und das im unteren Bereich der Bohrung 9 liegende Halbleiterelement mit einer nicht dargestellten Vergussmasse, vorzugsweise einer Epoxyvergussmasse, ausgegossen sein.
Wie aus den 2a, b ersichtlich verjüngt sich die Bohrung 9 vom unteren zum oberen Rand hin. Das Halbleiterelement 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 Bohrung 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 durchdringen 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 2a 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 Bohrungen 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 Halbleiterelementen gewinnen.
Das in 2b dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß 2a, 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

Optoelektronischer Sensor mit wenigstens einem Lichtstrahlen emittierenden Sender und wenigstens einem Lichtstrahlen empfangenden Empfänger, welche jeweils von einem Halbleiterelement gebildet sind, sowie einer Auswerteelektronik, welche auf wenigstens einer Leiterplatte integriert ist, wobei die Halbleiterelemente auf der Oberseite der Leiterplatte aufsitzend montiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite der Leiterplatte (6) eine zweite Leiterplatte (8) mit zwei diese durchsetzenden Bohrungen (9, 10) aufsitzt, so daß zumindest ein Teil der Oberfläche jeweils eines Halbleiterelements im Bereich des unteren Randes jeweils einer Bohrung (9, 10) liegt, dass die Bohrungen (9, 10) jeweils von einem sich nach oben verjüngenden Kegelstumpf gebildet sind, und dass zur Strahlformung der Lichtstrahlen (2) diese an der Wand der Bohrung (9, 10) reflektiert werden.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsflächen der Halbleiterelemente kleiner oder gleich der Querschnittsflächen der zugeordneten Bohrungen (9, 10) an deren Unterseite sind.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der zweiten Leiterplatte (8) in derselben Größenordnung wie die Dicke der Leiterplatte (6) liegt.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Bohrungen (9, 10) mit einer Metallschicht überzogen sind.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelemente jeweils über einen Bonddraht (13) mit der Leiterplatte (6) verbunden sind.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (6) durchkontaktete Bohrungen (14a, b) aufweist, deren oberer Rand (zum Teil) von dem jeweiligen Halbleiterelement bedeckt ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (9, 10) in der zweiten Leiterplatte (8) mit einer optisch transparenten Vergussmasse ausgegossen sind.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (9, 10) mit Epoxyvergussmasse ausgegossen sind.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Lichtschranke ausgebildet ist, und dass dessen Sender (3) und Empfänger (4) auf separaten Leiterplatten (6) angeordnet sind.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Halbleiterelemente nebeneinander liegend auf einer Leiterplatte (6) angeordnet sind.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente eine Mehrfachanordnung von Sendern (3) und/oder Empfängern (4) bilden.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente auf einer einen Mehrfachnutzen bildenden Leiterplatte angeordnet sind.