DE19854733A1 - Abtasteinheit einer Positionsmeßeinrichtung - Google Patents

Abtasteinheit einer Positionsmeßeinrichtung

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DE19854733A1
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Wolfgang Brode
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Abstract

Eine Abtasteinheit (1) einer Positionsmeßeinrichtung besteht aus einem Optochip (100), in dem Lichtempfänger (12, 13) und eine Lichtquelle (11) integriert sind. Der Optochip (100) ist an einem Glasträger (16) mittels Flip-Chip-Technik befestigt und mit Leiterbahnen (17) des Glasträgers (16) elektrisch kontaktiert. Zur Stabilisierung des Flip-Chip-Aufbaus ist zwischen dem Optochip (100) und dem Glasträger (16) ein Underfiller (20) eingebracht. Zur Vermeidung von Streulicht ist der Raum (25) um die Lichtquelle (11) von Underfiller (20) frei gehalten (Figur 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtasteinheit einer Positionsmeßeinrichtung zur Längen- und Winkelmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der Zeitschrift F & M, Heft 10, 1996, Seiten 752 bis 756 ist eine derartige Abtasteinheit beschrieben. Eine Leuchtdiode ist auf einem Fotodiodenarray- Chip angeordnet, der in Flip-Chip-Technik bzw. Chip-on-glass-Technik über Goldbumps mit Leiterbahnen auf einer transparenten Glasplatte verbunden ist. Die Glasplatte ist auch Träger des Abtastgitters. Der Raum zwischen dem Fotodiodenarray-Chip und der Glasplatte ist mit einem transparenten Underfiller ausgefüllt, der zur mechanischen Stabilisierung des Aufbaus bei­ trägt.
Bei der Positionsmessung mit dieser Abtasteinheit durchstrahlt das Licht der Leuchtdiode das Abtastgitter, fällt auf einen Maßstab und wird vom Maß­ stabgitter reflektiert. Das reflektierte Licht gelangt noch einmal durch das Abtastgitter und fällt auf das Fotodiodenarray, wo gegeneinander phasen­ verschobene sinusförmige Abtastsignale erzeugt werden. Nachteilig bei die­ ser Konstruktion ist jedoch, daß der Underfiller ein sehr guter Lichtleiter ist, der einen großen Teil des von der Leuchtdiode ausgestrahlten Lichtes direkt zu den Fotodioden des Fotodiodenarrays leitet. Durch Kantenstrahlung der Leuchtdiode und Streulicht, erzeugt durch Streuung im Underfiller, tritt eine hohe direkte Lichteinstrahlung von der Leuchtdiode auf die Fotodioden auf. Diese direkte Strahlung erhöht den Gleichpegel der Abtastsignale erheblich und führt zu einem ungünstigen Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal.
Aus der DE 197 20 300 A1 ist ein optisches Bauelement bekannt, bei dem eine Leuchtdiode in ein Fotodiodenarray implantiert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtasteinheit einer Positi­ onsmeßeinrichtung anzugeben, die kompakt aufgebaut ist und bei der das Verhältnis von Nutzlicht zu Störlicht und somit das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch einfache Weise der Raum um die Lichtquelle frei von Underfiller ge­ halten werden kann und mit dem Underfiller eine Grenzfläche geschaffen wird, die das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht nicht direkt zu den Licht­ empfängern gelangen läßt, sondern die das Licht absorbiert oder reflektiert. Das Verhältnis der Lichtanteile von Nutzlicht und Störlicht, welche die Licht­ empfänger erreichen, wird verbessert. Der Gleichpegel der Abtastsignale wird verringert und das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal wird somit verbessert.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine erste Abtasteinheit mit einem Maßstab im Längsschnitt,
Fig. 2 eine zweite Abtasteinheit im Längsschnitt,
Fig. 3 eine dritte Abtasteinheit im Längsschnitt,
Fig. 4 eine vierte Abtasteinheit,
Fig. 5 eine fünfte Abtasteinheit,
Fig. 6 eine sechste Abtasteinheit und
Fig. 7 eine siebte Abtasteinheit.
Bei den nachfolgend beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispielen sind übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Positionsmeßeinrichtung besteht aus einer Abtasteinheit 1 und einem Maß­ stab 2. Die Abtasteinheit 1 weist eine Lichtquelle in Form einer LED 11, mehrere Lichtempfänger 12, 13 und ein Abtastgitter 14 auf. Das Licht der LED 11 durchstrahlt das Abtastgitter 14, fällt auf den Maßstab 2 und wird von der Teilung 15 des Maßstabs 2 reflektiert. Das reflektierte Licht gelangt noch einmal durch das Abtastgitter 14 und fällt auf die Lichtempfänger 12, 13. Der Lichtanteil der LED 11, der diesen Weg durchläuft wird als Nutzlicht bezeichnet, da er zur positionsabhängigen Modulation des Lichts beiträgt. Die Relativanordnung der Lichtempfänger 12, 13, des Abtastgitters 14 und des Maßstabs 2 ist in bekannter Weise so gewählt, daß die einzelnen Licht­ empfänger 12, 13 gegeneinander phasenverschobene elektrische sinusför­ mige Abtastsignale erzeugen. Besonders vorteilhaft ist eine symmetrische Anordnung einer Vielzahl von Lichtempfängern 12, 13 in Form eines Foto­ diodenarrays, wobei die LED 11 in der Mitte des Fotodiodenarrays angeord­ net ist. Diese Anordnung ist in der Zeitschrift F & M, Heft 10, 1996 auf den Seiten 752 bis 756 ausführlich beschrieben und dargestellt, weshalb sich weitere Erläuterungen hierzu erübrigen.
Das Abtastgitter 14 ist auf einer Glasscheibe 16 als abwechselnd licht­ durchlässiges und lichtundurchlässiges Strichmuster lithographisch aufge­ bracht. Die Glasscheibe 16 dient auch als Träger der LED 11 und der Licht­ empfänger 12, 13. Hierzu ist auf der dem Abtastgitter 14 gegenüberliegen­ den Seite der Glasscheibe 16 ein Leiterbahn-Layout mit lithographischen Verfahren aufgebracht. Dieses Layout weist Leiterbahnen 17 mit Kontakt­ stellen 171 zur face down Kontaktierung auf.
Die Lichtempfänger 12, 13 sind vorteilhafterweise als eine gemeinsame Ein­ heit in Form eines Optochips 100 aufgebaut. Der Optochip 100 ist durch die aufgesetzte LED 11 (Halbleiterchip) ergänzt. Die LED 11 ist am Optochip 100 elektrisch kontaktiert. Zur Kontaktierung des Optochips 100 weist dieser Kontaktstellen 101 auf, die in Richtung der Kontaktstellen 171 der Glasscheibe 16 weisen und mit diesen über Pumps 18 in Flip-Chip-Technik verbunden sind. Die LED 11 kann direkt auf einer ebenen Oberfläche des Optochips 100 aufgesetzt sein. Vorteilhafterweise ist die LED 11 aber im Optochip 100 implantiert. Das heißt, daß im Optochip 100 eine Vertiefung 102 zur Aufnahme der LED 11 eingebracht ist, wie in der DE 197 20 300 A1 beschrieben ist. Die Rückseite der LED 11 wird durch das Aufsetzen mittels Lötung oder mittels eines Leitklebers mit dem Optochip 100 kontaktiert. Die Vorderseite der LED 11 wird durch Drahtbonden mit dem Optochip 100 kontaktiert. Der Bonddraht ist mit dem Bezugszeichen 19 versehen.
Nachdem der die LED 11 und die Lichtempfänger 12 und 13 tragende Opto­ chip 100 mit den Leiterbahnen 17 der Glasscheibe 16 elektrisch kontaktiert ist, wird der Raum zwischen dem Optochip 100 und der Glasscheibe 16 mit einem Underfiller 20 ausgefüllt. Der Underfiller 20 dient insbesondere zur mechanischen Stabilisierung des Aufbaus, er besteht deshalb aus einem fest aushärtenden Kunststoffmaterial hoher Festigkeit und guter Haftfähigkeit an dem Optochip 100 und an der Glasscheibe 16.
Um den Raum 25 im Bereich der Hauptabstrahlrichtung der LED 11 vom Underfiller 20 frei zu halten, ist beim ersten Ausführungsbeispiel auf der der LED 11 gegenüberliegenden Oberfläche der Glasscheibe 16 eine insbesondere umlaufende Kante 21 ausgebildet. Diese Kante 21 verhindert das Weiterfließen des Underfillers 20 vom Bereich der Lichtempfänger 12, 13 in den Bereich der LED 11. Die Kante 21 wird deshalb nachfolgend als Fließkante 21 bezeichnet. Diese Fließkante 21 kann mit dem gleichen Lithographieprozess wie die Leiterbahnen 17 aufgebracht werden. Die Fließkante 21 wird dabei von einer metallischen Schicht-Struktur 22 gebildet, welche aus dem gleichen Material besteht, wie die Leiterbahnen 17.
Am Optochip 100 ist gegenüber der Fließkante 21 eine weitere insbesondere umlaufende Fließkante 23 ausgebildet. Diese Fließkante 23 kann von einer separaten Struktur gebildet sein, oder im Optochip 100 durch eine Vertiefung oder eine Erhöhung ausgebildet sein. Im dargestellten Beispiel wird die Fließkante 23 durch die Vertiefung 102 gebildet. Der Underfiller 20 wird von außen in den Zwischenraum von Optochip 100 und Glasscheibe 16 eingebracht, dabei fließt er aufgrund der Kapillarwirkung bis zu den Fließkanten 21, 23, bei denen das Weiterfließen verhindert wird. Der Raum 25 zwischen LED 11 und der Glasscheibe 16 kann somit auf einfache Weise underfillerfrei gehalten werden. Durch die Fließkanten 21, 23 bildet sich eine Grenzfläche 24 zwischen dem Underfiller 20 und dem freien Raum 25 aus. Diese Grenzfläche 24 ist eine Oberfläche des Underfillers 20, welche die Transmission des von der LED 11 ausgehenden Lichtes erheblich reduziert, indem das auftreffende Licht reflektiert und/oder absorbiert wird.
Beide Fließkanten 21 und 23 können als Schicht-Struktur, als Vertiefung, als Erhebung oder als Oberflächenrauhigkeit ausgebildet sein.
Der Underfiller 20 ist für den Lichtwellenlängenbereich transparent, der von der LED 11 gesendet bzw. von der Lichtempfängern 12, 13 detektiert wird. Er sollte einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der an die Komponenten des Flip-Chip-Aufbaus angepaßt ist und somit keine mecha­ nischen Spannungen hervorruft. Zur Anpassung und Verringerung des Ausdehnungskoeffizienten ist der Underfiller 20 üblicherweise mit Quarzmehl 26 oder Quarzkugeln gefüllt bzw. versetzt. Die Oberfläche des Underfillers 20 ist dadurch an der Grenzfläche 24 relativ rauh, wodurch die Transmission weiter verringert wird.
Das zu den Lichtempfängern 12, 13 gelangende Störlicht und somit auch der Gleichpegel der Abtastsignale wird erheblich reduziert. Weiterhin befin­ det sich die LED 11 in einem Freiraum 25 mit Luft, die eine beliebige Ausdehnung der LED 11 zuläßt. Eine Häufung des Underfillers 20 im Raum der LED 11 entfällt, dadurch werden die bei Temperaturänderung auftretenden mechanischen Spannungen im Bereich der LED 11 erheblich reduziert. Da die Grenzfläche 24 keine mechanische Barriere für den Bonddraht 19 darstellt, ist eine einfache Fertigung möglich. Die Grenzfläche 24 bildet eine Art Lichtdichtung, wobei sich die Bonddraht-Öffnung entsprechend dem Verlauf des Bonddrahts 19 selbständig ausbildet.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Beispiel einer Abtasteinheit. Der Grundaufbau ent­ spricht dem der Fig. 1, weshalb nur die davon abweichenden Merkmale nachfolgend erläutert werden.
Zur Ausbildung einer Grenzfläche 24 ist anstelle von Fließkanten 21, 23 eine andere Maßnahme vorgesehen. An der Stelle, an der das Weiterfließen des Underfillers 10 verhindert werden soll, ist die Oberfläche 31 der Glasscheibe 16 und die Oberfläche 32 des Optochips 100 derart behandelt, daß die Be­ netzungsfähigkeit dieser Oberflächenbereiche 31, 32 stark verringert ist. Diese Maßnahme wird auch als Hydrophobierung bezeichnet. Der physikali­ sche Effekt ist dabei die Erhöhung der Grenzflächenspannung der Oberflä­ chenbereiche 31 und 32 um das Benetzungsvermögen zu verringern. Die Oberflächenbereiche 31, 32 können Beschichtungen mit Teflon oder dia­ mant like carbon sein. Diese Maßnahme kann alternativ oder zusätzlich zu der Maßnahme gemäß Fig. 1 eingesetzt werden. Wenn sie zusätzlich ein­ gesetzt wird, kann der Oberflächenbereich 31 der Glasscheibe 16 auch die Struktur 22 sein. Es ist auch möglich, die zu Fig. 1 und 2 beschriebenen Maßnahmen miteinander zu kombinieren. Die Struktur 22 besteht dabei aus einer Schicht, die eine mechanische Barriere und eine Art chemische Bar­ riere für den Underfiller 20 bildet. Die Struktur 22 ist beispielsweise aus Te­ flon oder einer Teflon-Chrom-Verbindung, also einem Material, welches eine geringe Benetzungsfähigkeit aufweist.
Zusätzlich kann bei allen Ausführungsbeispielen das Benetzungsverhalten der Glasscheibe 16 und des Optochips 100 in dem Bereich, in dem der Un­ derfiller 20 gut einfließen soll, gezielt verbessert werden, indem dieser Ober­ flächenbereich mit einem Material 60 beschichtet wird, welches eine hohe Benetzungsfähigkeit aufweist. Die Benetzungsfähigkeit wird beispielsweise durch die Beschichtung mit Hexamethyldisilizan erheblich verbessert. Ein Ausführungsbeispiel dazu ist in Fig. 3 dargestellt.
Zur weiteren Reduzierung von Streulicht können die seitlichen Kanten der LED 11 und/oder die Oberflächenbereiche des Optochips 100 im Raum 25 um die LED 11 absorbierend ausgebildet sein. Diese Oberfläche des Opto­ chips 100 und/oder die seitlichen Kanten der LED 11 weisen dazu eine licht­ absorbierende Oberfläche beispielsweise in Form einer lichtabsorbierenden Schicht 40 auf. Dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 schematisch dar­ gestellt.
Als Alternative können die seitlichen Kanten der LED 11 und/oder die Ober­ fläche des Optochips 100 im Raum 25 reflektierend beschichtet sein. Als reflektierendes Material kann eine Metallschicht 50 verwendet werden. Die­ ses Beispiel ist in Fig. 5 schematisch dargestellt.
Ein sechstes Ausführungsbeispiel wird anhand von Fig. 6 erläutert. Dabei wird ein underfillerfreier Raum geschaffen, indem zwischen der LED 11 und der Glasscheibe 16 anstelle von Luft ein hochtransparentes Material 250 vorgesehen ist. Dieses transparente Material 250 ist vorzugsweise ein elastisches Material, beispielsweise Silikon, welches den Optochip 100 mit der Glasscheibe 16 nur elastisch verbindet. Die am Optochip 100 montierte LED 11 wird mit diesem Material 250 umgeben. Die Dicke des Materials 250 wird so gewählt, daß es beim Aufsetzen und Löten des Optochips 100 auf die Glasscheibe 16 auf dieser aufliegt und einen Raum zwischen LED 11 und Glasscheibe 16 gegenüber dem danach einzubringenden Underfiller 20 ausfüllt und abdichtet.
Das elastische transparente Material 250 kann auch auf der Glasscheibe 16 aufgebracht werden, wobei sich der abzudichtende Raum wiederum durch das Aufsetzen des Optochips 100 auf die Glasscheibe 16 ergibt. Nach dem Aufsetzen und Löten des Optochips 100 wird der Underfiller 20 eingebracht, der bis zu dem Material 250 fließt und dort die Grenzfläche 24 bildet.
Das Vorsehen eines elastischen transparenten Materials 250 im Bereich der LED 11 hat wiederum den Vorteil, daß in diesem Bereich thermische Ausdehnungen keine Spannungen erzeugen können, da sich das elastische Material 250 anpaßt. Weiterhin ist keine Kondensation in diesem Bereich möglich. Die erforderliche Stabilität wird durch den nicht elastischen Underfiller 20 erreicht, der den Optochip 100 starr mit der Glasscheibe 16 verbindet. Der Underfiller 20 härtet fest aus und haftet gut an den Oberflächen des Optochips 100 und der Glasplatte 16.
Alle oben beschriebenen Maßnahmen können alternativ oder zusätzlich auch bei nebeneinander liegenden Lichtempfängern 120 und 130 eingesetzt werden, wie nur schematisch in Fig. 7 dargestellt ist. Dabei wird ein Über­ sprechen, hervorgerufen durch Streuung von Nutzlicht im Underfiller 20, ver­ ringert. Die lichtempfindlichen Bereiche der Lichtempfänger 120, 130 werden dadurch auf einfache Weise frei vom lichtstreuenden Underfiller 20 gehalten. In den übrigen Bereichen des Optochips 100 gewährleistet der Underfiller 20 eine stabile Verbindung mit der Glasscheibe 16. Bei dieser Ausführung ist es darüber hinaus nicht erforderlich, daß der Underfiller 20 transparent ist, der Underfiller 20 kann sogar opak ausgebildet sein und die Funktion eines Lichtsperrelements bzw. Blendenelements haben.
Bei allen Ausführungsbeispielen kann der Optochip 100 auch Schaltkreise zur Verarbeitung der Abtastsignale der Lichtempfangselemente enthalten. Die Schaltkreise zur Verarbeitung der Abtastsignale können auch als sepa­ rate Bauelemente in Flip-Chip-Technik auf der Glasscheibe 16 kontaktiert und befestigt sein.
Anstelle einer Glasscheibe 16 kann als Träger auch ein anderes transpa­ rentes Material, beispielsweise Mylar verwendet werden.
Weiterhin kann das Abtastgitter 14 auch auf der anderen Seite der Glas­ scheibe 16 angebracht sein. Dies hat den Vorteil, daß das Abtastgitter 14, die Leiterbahnen 17 und die Struktur 22 für die Fließkante 21 auf der glei­ chen Oberfläche und somit im gemeinsamen Verfahrensprozeß hergestellt werden können. Die Struktur 22 zur Bildung der Fließkante 21 kann dabei Bestandteil des Abtastgitters 14 sein.
Die Teilung 15 kann eine inkrementale und/oder eine ein- bzw. mehrspurige absolute Codeteilung sein.

Claims (11)

1. Abtasteinheit (1) einer Positionsmeßeinrichtung mit
  • - einem Substrat (100), welches nebeneinander angeordnet mehrere optoelektronische Bauelemente (11, 12, 13, 120, 130) aufweist und welches Kontaktstellen (101) zur elektrischen Kontaktierung besitzt,
  • - einem Träger (16) des Substrats (100) mit elektrischen Leiterbah­ nen (17) und Kontaktstellen (171), wobei diese Kontaktstellen (171) den Kontaktstellen (101) des Substrats (100) gegenüberliegen und mit diesen elektrisch kontaktiert sind,
  • - einem Underfiller (20) in einem Raum zwischen dem Substrat (100) und dem Träger (16), dadurch gekennzeichnet, daß
  • - der Underfiller (20) zwischen dem Substrat (100) und dem Träger (16) eine Grenzfläche (24) zu einem transparenten underfillerfreien Raum (25, 250) bildet, wobei die Grenzfläche (24) den underfiller­ freien Raum (25, 250) im Bereich zumindest eines der optoelektro­ nischen Bauelemente (11, 12, 13, 120, 130) begrenzt.
2. Abtasteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Sub­ strat (100) zwischen zwei optoelektonischen Bauelementen (11, 12, 13, 120, 130) eine Kante (23) ausgebildet ist, und gegenüberliegend am Träger (16) eine weitere Kante (21) ausgebildet ist, und daß der Under­ filler (20) den Abstand zwischen den beiden Kanten (23, 21) überbrückt und dort die Grenzfläche (24) ausgebildet ist.
3. Abtasteinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Grenzfläche (24) die Benetzungsfähigkeit des Substrats (100) und des Trägers (16) verringert ist.
4. Abtasteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der underfillerfreie Raum von einem hochtranspa­ renten elastischen Material (250) gebildet ist, an das der Underfiller (20) angrenzt.
5. Abtasteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Substrat (100) nebeneinanderliegend eine Licht­ quelle (11) und einen Lichtempfänger (12, 13) aufweist, und daß der Raum (25, 250) zwischen Lichtquelle (11) und Träger (16) frei von Un­ derfiller (20) ist, und daß die Grenzfläche (24) diesen underfillerfreien Raum (25, 250) vom Raum um den Lichtempfänger (12, 13) abgrenzt.
6. Abtasteinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sub­ strat ein Halbleitersubstrat (100) ist, in dem mehrere Lichtempfänger (12, 13) ausgebildet sind, und an dem die Lichtquelle (11) befestigt und elektrisch kontaktiert ist.
7. Abtasteinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (100) eine Ausnehmung (102) aufweist, in welche die Lichtquelle (11) eingesetzt ist.
8. Abtasteinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Oberflächenbereich der Lichtquelle (11) und/oder des Sub­ strats (100) im underfillerfreien Raum (25, 250) absorbierend ausgebil­ det, insbesondere beschichtet ist.
9. Abtasteinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Oberflächenbereich des Substrats (100) im underfillerfreien Raum (25, 250) reflektierend beschichtet ist.
10. Abtasteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Oberflächenbereiche des Substrats (100) und/oder des Trägers (16), zwischen denen der Underfiller (20) vorgesehen ist, mit einem Material (60) beschichtet sind, welches eine hohe Benet­ zungsfähigkeit aufweist.
11. Abtasteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Träger (16) aus einem transparenten Material besteht, und daß auf dem Träger (16) ein Abtastgitter (14) ausgebildet ist.
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