DE19748324A1 - Optoelektronisches Sensormodul - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optoelektronisches Sensor­ modul, insbesondere zur Verwendung in magnetischen Schreib-/Le­ se-Köpfen in magnetischen Aufnahme- und/oder Wiedergabe-Ge­ räten.

Aufgrund zunehmender Komplexität der verfügbaren Computerpro­ gramme und der immer größer werdenden zu speichernden Daten­ mengen, ist es erforderlich, Speichermedien mit immer größe­ rer Speicherkapazität zu entwickeln. Eine Möglichkeit, bei­ spielsweise die Speicherkapazität der bekannten, auf einem magnetischen Speicherverfahren basierenden Floppydisk zu er­ höhen, besteht darin, die Spuren, auf denen die Informationen auf dem magnetischen Speichermedium der Floppydisk gespei­ chert sind, enger zusammenzuführen.

Bei derzeit verfügbaren Floppydisk-Laufwerken beträgt bei me­ chanischer Führung des magnetischen Schreib-/Lese-Kopfes der Spurabstand auf dem Speichermedium etwa 100 µm. Eine deutli­ che Verringerung dieses Abstandes, z. B. um den Faktor 100 (dadurch würde die Speicherkapazität des magnetischen Spei­ chermediums um das 100fache erhöht), ist mit einer herkömm­ lich verwendeten magnetomechanischen Spurführung nicht mög­ lich. Eine entsprechend präzisere Spurführung ist aber opto­ mechanisch möglich und wird seit Jahren bei Compakt-Disk(CD)- Laufwerken erfolgreich eingesetzt. Hierbei wird ein Laser­ strahl auf die entsprechende Disk-Oberfläche fokussiert und von dieser wieder auf einen geeigneten Detektor reflektiert. Entsprechend einem Strich- oder Punktmuster auf der Disk, das das Reflexionsverhalten der Disk entsprechend ändert, ent­ steht ein moduliertes elektrisches Signal am Detektor, das neben dem Datentransfer auch zur Spurerkennung und -führung benutzt werden kann. Mit diesem Verfahren sind Spurabstände im µm-Bereich realisierbar.

Halbleiterlaser-Bauelemente für die Verwendung in optischen Schreib-/Leseköpfen von optischen Aufnahme- und Wiedergabe- Geräten sind beispielsweise aus der EP 199 565 bekannt. Bei den hierin beschriebenen Bauelementen sind jeweils zwei Foto­ detektoren, ein Signaldetektor zur Aufnahme der von einer CD reflektierten optischen Signale und ein Monitordetektor zur Überwachung der Ausgangsleistung eines zugehörigen Halblei­ terlaserchips, in einer Silizium-Platte integriert.

Die beiden Fotodetektoren sind in Abstrahlrichtung des Halb­ leiterlaserchips gesehen, hintereinander angeordnet und lie­ gen auf der Strahlachse des vom Halbleiterlaserchip abge­ strahlten Laserstrahles. Über dem Signaldetektor ist ein teildurchlässiger Umlenkspiegel angeordnet, der einen kleinen Teil der von dem Halbleiterlaserchip ausgesandten Strahlung zum Monitordetektor hin durchläßt und den größeren Teil der Laserstrahlung durch Reflexion um 90° in Richtung von der Si­ lizium-Platte weg umlenkt. Die reflektierte Laserstrahlung trifft auf die CD, wird dort entsprechend dem auf dieser an­ gebrachten Reflexionsmuster wieder zum Halbleiterlaser- Bauelement hin zurückreflektiert, tritt durch den teildurch­ lässigen Umlenkspiegel hindurch und trifft auf den darunter angeordneten Signaldetektor auf.

Diese Anordnung hat jedoch die Nachteile, daß erstens eine am teildurchlässigen Umlenkspiegel gestreute Laserstrahlung vom Halbleiterlaserchip kommend direkt auf den Signaldetektor trifft und das vom optischen Datenspeicher reflektierte opti­ sche Signal stört und zweitens die Herstellung von teildurch­ lässigen Spiegeln mit hinreichenden Eigenschaften für diese Anwendung sehr schwierig ist.

Ein bekannter Vorschlag, eine optomagnetische Spurführung mit einem magnetischen Schreib-/Lese-Kopf eines magnetischen Speichergeräts zu verbinden, besteht darin, die Laserquelle als diskretes Bauelement in Form eines Halbleiter-Laserchips in einem metallischen TO-Gehäuse (Durchmesser etwa 5 mm) zu­ sammen mit den notwendigen diskreten Strahlformungs- und Strahlführungs-Optiken und den zugehörigen Detektoren, die ebenfalls in diskreten metallischen TO-Gehäusen montiert sind, nebeneinander auf dem mechanisch bewegten Trägerarm des magnetischen Schreib-/Lese-Kopfes zu befestigen. Dieser Auf­ bau der Laserquelle mit den zugehörigen Detektoren und den optischen Komponenten auf dem Trägerarm des magnetischen Schreib-/Lese-Kopfes vergrößert jedoch sowohl dessen Bauform als auch dessen Masse erheblich. Dies hat zwei entscheidende Nachteile zur Folge:
Erstens wird durch die größere träge Masse des Armes, die hö­ here Beschleunigungskräfte zur Bewegung des Armes notwendig macht, dessen Beweglichkeit beschränkt und damit die Zu­ griffszeit auf die Daten-Spuren des magnetischen Speicherme­ diums und folglich die Datenzugriffszeit erhöht. Zweitens vergrößern die TO-Komponenten des Halbleiter- Laserchips und der Detektoren die Abmessungen des Gesamtauf­ baus des entsprechenden Speicher-Laufwerks derart, daß die Standard-Gehäusehöhe von 1 Zoll nicht mehr erreicht werden kann. Ein entsprechend dieser Technik aufgebautes opto­ magnetisches Floppydisk-Laufwerk kann daher die bisher ver­ wendeten magnetischen Floppydisk-Laufwerke nicht unmittelbar ersetzen, da es in die standardmäßigen Einbauschächte von Personal-Computern und noch weniger von Laptops nicht einge­ baut werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Sensormodul zu entwickeln, das eine geringe Masse, einen geringen Platzbedarf und eine verringer­ te Störanfälligkeit aufgrund gestreuter Laserstrahlung auf­ weist. Weiterhin soll ein technisch einfaches Herstellungs­ verfahren für ein derartiges optoelektronisches Sensormodul angegeben werden, das eine wirtschaftliche Massenproduktion ermöglicht. Das Sensormodul soll mit herkömmlichen Bestückungs­ anlagen montierbar sein.

Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Sensormodul mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des optoelektronischen Sensormoduls sind Ge­ genstand der Unteransprüche 2 bis 7.

Erfindungsgemäß ist ein optoelektronisches Sensormodul zur Erkennung von Reflexionsmustern auf einem magnetischen Daten­ träger vorgesehen, bei dem auf einer ersten Hauptfläche eines Kühlelements ein Laser-Emitterbauelement mit einer Laser- Abstrahlachse befestigt ist. In dem Kühlelement ist seitlich versetzt zur Laser-Abstrahlachse neben dem Laser- Emitterbauelement mindestens ein erster Sensor-Photodetektor zum Auslesen der Spurdaten ausgebildet. An der ersten Haupt fläche des Kühlelements sind elektrisch leitende An­ schlußflächen (Bondpads) ausgebildet oder aufgebracht, die mittels an der ersten Haupt fläche ausgebildeten oder aufge­ brachten voneinander elektrisch isolierten elektrischen Lei­ terbahnen mit elektrischen Anschlüssen des Laser- Emitterbauelements bzw. des Sensor-Photodetektors verbunden sind. An der dem Kühlelement gegenüberliegenden Seite des La­ ser-Emitterbauelements ist eine Linsenanordnung vorgesehen, die mittels wenigsten eines Stützsteges auf dem Kühlelement befestigt ist. Das Laser-Emitterbauelement ist derart ange­ ordnet, daß im Betrieb wenigstens ein erster Teil einer von diesem ausgesandten Laserstrahlung direkt oder nach einer Um­ lenkung mit einem Reflexionselement durch die Linsenanordnung hindurch aus dem Sensormodul ausgekoppelt wird. Die ausgekop­ pelte Laserstrahlung wird wenigstens zum Teil von den Refle­ xionsmustern auf dem außerhalb des Sensormoduls angeordneten magnetischen Datenträger zum Sensor-Photodetektor hin modu­ liert zurückreflektiert und von diesem empfangen.

Das erfindungsgemäße optoelektronische Sensormodul löst die weiter oben beschriebenen Probleme der zu großen Masse und der zu großen Bauhöhe dadurch, daß der Sensor-Fotodetektor, das Laser-Emitterbauelement, die Leiterbahnen für diese elek­ tronischen Bauelemente, die Anschlußflächen (Bondpads) und der Stützsteg für die Linsenanordnung auf einem einzigen Küh­ lelement integriert ausgebildet (Sensor-Photodetektor) bzw. angeordnet und somit auf engstem Raum vereinigt sind.

Störende Laserstreustrahlung wird dadurch verringert, daß der Sensor-Photodetektor nicht auf der Abstrahlachse des Laser- Emitterbauelements liegt, sondern neben dieser positioniert ist.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des optoelek­ tronischen Sensorbauelments ist das Kühlelement eine im We­ sentlichen Silizium aufweisende Trägerplatte, in der die Sen­ sorphotodiode integriert ausgebildet ist. Auf der Trägerplat­ te ist eine Isolationsschicht aufgebracht, auf der die An­ schlußflächen (Bondpads) sowie die elektrischen Leiterbahnen aufgebracht sind.

Silizium ist ein sehr guter Wärmeleiter und von daher als Ma­ terial für das Kühlelement besonders geeignet. Vorteilhafter­ weise lassen sich in Silizium auf einfache Weise Photodetek­ toren, wie Photodioden und Phototransistoren, herstellen. Die zugehörige Technologie an sich ist bekannt und wird von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des zuletzt beschriebenen optoelektronischen Sensorbauelments ist das La­ ser-Emitterbauelement zwischen einem ersten und einem zweiten Stützsteg angeordnet, die im Wesentlichen aus Glas bestehen. Zwischen den Stützstegen und der Siliziumplatte ist jeweils eine Bond-Schicht, im Wesentlichen bestehend aus amorphem Si­ lizium, angeordnet und die beiden Stützstege sind mittels an­ odischem Bonden auf der entsprechenden Bond-Schicht befe­ stigt. Diese Bauweise ermöglicht vorteilhafterweise eine ra­ tionelle Massenfertigung des optoelektronischen Sensormoduls.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des erfin­ dungsgemäßen optoelektronischen Sensors ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel in Verbindung mit den Fig. 1 bis 4. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch das Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf das Kühlelement des Ausführungsbeispieles,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht des in seine Einzelteile zerlegten Ausführungsbei­ spieles und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht des Ausführungsbeispieles, montiert auf ein Leadfra­ me.

Bei dem in der Fig. 1 im Schnitt dargestellten Ausführungs­ beispiel ist auf einer ersten Hauptfläche 2 eines Silizium- Submounts (Silizium-Substrat) 3, das hier das Kühlelement 3 darstellt, ein kantenemittierender Halbleiterlaserchip 8 be­ festigt. Eine Strahlachse 19 eines von dem Halbleiterlaser­ chip 8 im Betrieb des Sensors ausgesandten Laserstrahls 7 verläuft im Wesentlichen parallel zur ersten Hauptfläche 2 des Silizium-Submounts 3. Auf einander gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterlaserchips 8 sind ein erster 29 und ein zweiter Stützsteg 30, beispielsweise in Form von Glasstrei­ fen, auf dem Silizium-Submount 3 befestigt, wobei die Strahlachse 19 im Wesentlichen senkrecht zur Längserstreckungs­ richtung der Stützstege 29, 30 steht, zumindest aber ei­ nen 29 der beiden Stützstege 29, 30 schneidet. Der Stützsteg 29 weist zumindest in einem Bereich, in dem der Laserstrahl 7 auf ihn auftrifft, eine als Spiegelfläche 17 ausgebildete Seitenfläche 15 auf, die mit der ersten Hauptfläche 2 des Si­ lizium-Submounts 3 einen Winkel α von im wesentlichen 45° einschließt und von dieser abgewandt ist, so daß der Laser­ strahl 7 um 90° vom Silizium-Submount 3 weg umgelenkt wird. Die Spiegelfläche 17 ist teildurchlässig ausgebildet, so daß nicht die gesamte von dem Halbleiterlaserchip 8 ausgesandte Laserstrahlung 7, sondern nur ein erster Teil 12 von dieser reflektiert wird, und ein zweiter Teil 13 an der Spiegelflä­ che 17 zum Silizium-Submount 3 hin gebrochen wird.

Unterhalb des ersten Stützsteges 29 ist im Silizium-Submount 3 eine Monitor-Photodiode 11 zur Überwachung der Leistung der von dem Halbleiterlaserchip 8 ausgesandten Laserstrahlung 7 integriert ausgebildet. Diese empfängt zumindest einen Teil des an der Spiegelfläche 17 gebrochenen zweiten Teiles der Laserstrahlung 7. Der Aufbau und die Herstellung von derarti­ gen Photodioden 11 in Siliziumscheiben ist in der Halbleiter­ technik bekannt und wird von an dieser Stelle nicht näher er­ läutert.

Nahezu auf der gesamten ersten Hauptfläche 2 des Silizium- Submounts 3 ist eine Isolationsschicht 31, bevorzugt eine Si­ liziumnitridschicht, aufgebracht, auf der zwischen den beiden Stützstegen 29, 30 Leiterbahnen 33 und elektrisch leitende An­ schlußflächen (Bondpads) 20-28 für Bonddrähte 34 und den Halbleiterlaserchip 8 aufgebracht sind. Die Leiterbahnen 33, die bevorzugt aus Metallisierungsschichten (z. b. Ti-Pt-Au) bestehen, verbinden im Wesentlichen die elektrischen An­ schlüsse der auf dem Submount 3 ausgebildeten bzw. aufge­ brachten elektronischen Bauelemente mit den Anschlußflächen 20-28.

Seitlich neben dem Halbleiterlaserchip 8, ebenfalls zwischen den beiden Stützstegen 29, 30, sind drei nebeneinander ange­ ordnete, bevorzugt zueinander parallel verlaufende langge­ streckte Sensor-Photodioden 4, 5, 6 in den Silizium-Submount 3 integriert, deren elektrische Anschlüsse mittels Leiterbahnen 33 mit den Anschlußflächen 20-23 elektrisch leitend verbun­ den sind. Die Längserstreckungsrichtung der Sensor- Photodioden 4, 5, 6 verläuft parallel zur Strahlachse 19 der ausgesandten Laserstrahlung 19.

Sämtliche Anschlußflächen 20-26 für Bonddrähte zum externen Anschließen des Sensormoduls liegen zwischen den beiden Stützstegen 29, 30 im Randbereich des Silizium-Submounts 3.

Die drei Sensor-Photodioden 4, 5, 6 sind bevorzugt in eine kurzgeschlossene Photodiode 35 eingebettet.

Zwischen den Stützstegen 29, 30 und dem Silizium-Submount 3 ist jeweils eine Bondschicht 32, bestehend aus amorphem Sili­ zium, angeordnet. Diese Bondschichten 32 dienen als "Oberfläche" für ein anodisches Bonden der aus Glas bestehen­ den Stützstege 29, 30. Hierdurch ist es möglich, unter den an­ odisch gebondeten Stützstegen elektrisch aktive Bauelemente zu plazieren. In diesem Fall ist dies die Monitordiode 11.

Auf den Stützstegen 29, 30 befindet sich eine Linsenanordnung, bestehend aus einem holographischen optischen Element 9 und einem refractiven optischen Element 10. Diese Linsenanordnung splittet die um 90° umgelenkte Laserstrahlung 12, bevor sie auf das magnetische Speichermedium 14 (z. B. eine magnetische Disk) trifft in mehrere Teilstrahlen auf. Die Teilstrahlen treffen auf ein auf dem Speichermedium angeordnetes Refle­ xionsmuster, z. B. ein periodisches Strichmuster, und werden von diesem entsprechend dem Reflexionsmuster moduliert zu den Sensor-Photodioden 4, 5, 6 hin reflektiert. Das somit erhaltene modulierte Signal enthält die Information über die Position des Lese-/Schreibkopfes über dem Speichermedium 14.

Das entsprechend dem Ausführungsbeispiel ausgebildete Sensor­ modul ist vorzugsweise auf einem Leadframe 36 befestigt (Fig. 4) mittels dem es auf einfache Weise an einem Arm ei­ nes Schreib-/Lesekopf befestigbar ist.

An Stelle des kantenemittierenden Halbleiterlaserchips 8 kann auch ein oberflächenemittierender Laser (Vertical Cavity Sur­ face Emitting Laser (VCSEL)) verwendet sein. Dann kann die Spiegelfläche 17 entfallen, da dieser Laser bei üblicher Mon­ tage bereits in die gewünschte Richtung abstrahlt.

Der oberflächenemittierende Laser kann auch so gestaltet sein, daß er nicht nur einen emittierten Leuchtfleck, sondern entsprechend der gewünschten Zahl von Teilstrahlen zwei, drei oder noch mehr Leuchtflecke aufweist. Dadurch kann eine gün­ stigere Energieverteilung in den Teilstrahlen erreicht und eine technisch einfachere Linsenanordnung verwendet werden.

Claims (7)

1. Optoelektronisches Sensormodul (1) zur Erkennung von Re­ flexionsmustern auf einem magnetischen Datenträger (14), bei dem
auf einer ersten Hauptfläche (2) eines Kühlelements (3) ein Laser-Emitterbauelement (8) mit einer Laser-Abstrahlachse (19) befestigt ist,
in dem Kühlelement (3) seitlich versetzt zur Laser- Abstrahlachse (19) neben dem Laser-Emitterbauelement (8) min­ destens ein erster Sensor-Photodetektor (4, 5, 6) ausgebildet ist,
an der ersten Hauptfläche (2) des Kühlelements (3) elektrisch leitende Anschlußflächen (Bondpads) (20-25) ausgebildet oder aufgebracht sind, die mittels an der ersten Hauptfläche (2) ausgebildeten oder aufgebrachten voneinander elektrisch isolierten elektrischen Leiterbahnen (33) mit elektrischen Anschlüssen des Laser-Emitterbauelements (3) bzw. des Sensor- Photodetektors (4, 5, 6) verbunden sind,
an der dem Kühlelement (3) gegenüberliegenden Seite des La­ ser-Emitterbauelements (8) eine Linsenanordnung (9, 10) vorge­ sehen ist, die mittels wenigstens einem Stützsteg (29, 30) auf dem Kühlelement (3) befestigt ist,
und bei dem das Laser-Emitterbauelement (8) derart angeordnet ist, daß im Betrieb wenigstens ein erster Teil (12) einer von dem Laser-Emitterbauelement (8) ausgesandten Laserstrahlung (7) direkt oder nach einer Umlenkung mit einem Reflexionsele­ ment (17) durch die Linsenanordnung (9, 10) hindurch aus dem Sensormodul (1) ausgekoppelt und von den Reflexionsmustern auf dem außerhalb des Sensormoduls (1) angeordneten magneti­ schen Datenträger (14) zumindest teilweise zum Sensor- Photodetektor (4, 5, 6) hin zurückreflektiert und von diesem empfangen wird.

2. Optoelektronisches Sensormodul nach Anspruch 1, bei dem das Kühlelement (3) eine Siliziumplatte ist, in der der Sen­ sor-Photodetektor (4, 5, 6) integriert ausgebildet ist, und bei dem zwischen der Siliziumplatte und den Anschlußflächen (Bondpads) (20-25) sowie zwischen der Siliziumplatte und den elektrischen Leiterbahnen (33) eine Isolationsschicht (31) aufgebracht ist.

3. Optoelektroniches Sensormodul nach Anspruch 2, bei dem das Laser-Emitterbauelement (8) zwischen einem ersten (29) und einem zweiten Stützsteg (30), im Wesentlichen bestehend aus Glas, angeordnet ist, zwischen den Stützstegen (29, 30) und der Siliziumplatte je­ weils eine Bond-Schicht (32), im Wesentlichen bestehend aus amorphem Silizium, angeordnet ist und bei dem die beiden Stützstege (29, 30) mittels anodischem Bonden auf der Bond-Schicht (32) befestigt sind.

4. Optoelektronisches Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem im Kühlelement (3) ein Monitor-Photodetektor (11) ausgebildet ist, in den wenigstens ein zweiter Teil (13) der von dem Laser-Emitterbauelement (8) ausgesandten Laser­ strahlung (7) eingekoppelt wird.

5. Optoelektronisches Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Laser-Emitterbauelement (8) ein Kantenemitter ist, dessen Laser-Abstrahlachse (19) im Wesentlichen parallel zur ersten Hauptfläche (2) des Kühlelements (3) verläuft, und dem Laser-Emitterbauelement (8) in dessen Abstrahlrichtung gesehen, eine dem Laser-Emitterbauelement (8) zugewandte und von der ersten Hauptfläche (2) abgewandte, die Abstrahlachse (19) mit einem Winkel von etwa 45° schneidene Spiegelfläche (17) nachgeordnet ist, die im Betrieb den ersten Teil (12) der Laserstrahlung (7) in eine im Wesentlichen senkrecht zur ersten Hauptfläche (2) stehenden Richtung umlenkt.

6. Optoelektronisches Sensormodul nach Anspruch 3 und 5 oder nach Anspruch 3, 4 und 5, bei dem die Abstrahlrichtung des Laser-Emitterbauelements (8) auf den ersten Stützsteg (29) gerichtet ist, und derjenige Teil einer dem Laser-Emitterbauelement (8) zu­ gewandten Seitenfläche (15) des ersten Stützsteges (29), auf welchen die Laserstrahlung (7) auftrifft, gegenüber der Ab­ strahlachse (15) mit einem Winkel von etwa 45° abgeschrägt ist und die Spiegelfläche (17) darstellt.

7. Optoelektronisches Sensormodul nach Anspruch 6, bei dem die Spiegelfläche (17) teildurchlässig ist und bei dem der Monitor-Photodetektor (11) unterhalb des zweiten Stützsteges und unterhalb der Laser-Abstrahlachse (19) derart angeordnet ist, daß der erste Teil (12) der Laserstrahlung (7) von der Spiegelfläche (17) zu der Linsenanordnung (9, 10) hin reflek­ tiert und der zweite Teil (13) der Laserstrahlung (7) an der Spiegelfläche (17) zum Monitor-Photodetektor (11) hin gebro­ chen wird.