DE19859670A1 - Abtastkopf und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Abtastkopf und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Abstract
Der erfindungsgemäße Abtastkopf weist auf seiner dem Maßstab zugewandten Seite mindestens einen strukturierten Fotodetektor auf, der in einem Halbleitersubstrat realisiert ist. Symmetrisch zu den meist mehreren Fotodetektoren weist das Halbleitetsubstrat ein anisotropes Sackloch auf, in die auf einer Grundplatte eine Lichtquelle angeordnet wird. Das Sendegitter für die Lichtquelle wird entweder in einer Metallisierungsschicht auf dem Halbleitersubstrat oder bei dem Sackloch in Form von nicht weggeätzten Stegen des Halbleitersubstrats realisiert. Dadurch ist es möglich, dass der Abstand zwischen Maßstab und Sendegitter sowie zwischen Maßstab und strukturiertem Fotodetektor im wesentlichen gleich ist. Weiterhin ermöglicht die Herstellung der strukturierten Fotodetektoren und des Sendegitters in aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten der Halbleitertechnik eine sehr gute relative Ausrichtung der beiden Strukturen zueinander.
Description
Die Erfindung betrifft einen Abtastkopf für ein Messsystem nach Anspruch 1
und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäss Anspruch 18.
Aus der GB 1,504,691 und der korrespondierenden DE 25 11 350 A1 ist ein
Messsystem bekannt, bei dem die Verschiebung einer ersten Baugruppe
relativ zu einer zweiten Baugruppe ermittelt wird. Dafür sind zwei Gitter
vorgesehen, die zueinander einen konstanten Abstand aufweisen und von
denen je eines an einer Baugruppe befestigt wird. Wird das zweite Gitter mit
divergentem Licht einer Lichtquelle bestrahlt, erzeugt das erste Gitter ein
periodisches Abbild des zweiten Gitters, wobei sich dieses Abbild bewegt,
wenn zwischen den beiden Baugruppen eine relative Bewegung vorliegt.
Weiterhin sind Fotodetektoren vorgesehen, die eine periodische Struktur
aufweisen und fest mit der zweiten Baugruppe verbunden sind. Dabei ist das
erste ein reflektierendes Gitter und das zweite Gitter und die Fotodetektoren
liegen im wesentlichen in einer Ebene. Die Lichtquelle und das zweite Gitter
können auch durch eine strukturierte Lichtquelle ersetzt werden, die das
gleiche Abbild wie eine herkömmliche Lichtquelle und ein Gitter erzeugen.
Die Struktur der Fotodetektoren interagiert mit dem Abbild derart, dass eine
periodische Änderung des Ausgabesignals der Fotodetektoren auftritt, wenn
zwischen erster und zweiter Baugruppe eine Relativbewegung vorliegt.
Dabei ist von Nachteil, dass nicht offenbart wird, wie die konkrete
Anordnung zu realisieren ist. Weiterhin nachteilig ist, daß die Fotoelemente
immer einseitig neben der Lichtquelle angeordnet sind, wodurch eine
erhöhte Kippempfindlichkeit des Abtastkopfes resultiert. Aus der
Veröffentlichung ist weiterhin nicht bekannt, daß das zweite Gitter und der
strukturierte Fotodetektor den möglichst gleichen Abstand zum ersten Gitter
aufweisen müssen, um eine optisch hochwertige Abbildung zu ermöglichen.
Dies ist jedoch bei der Anordnung aus dem Stand der Technik
fertigungstechnisch sehr schwer zu realisieren.
Aus der DE 197 01 941 A1 ist bekannt, dass auf der einem Massstab
zugewandten Seite eines lichtdurchlässigen Trägers ein Abtastgitter
angeordnet ist. Das Abtastgitter wird von einer Lichtquelle derart bestrahlt,
dass ein Abbild des Gitters auf den Massstab projeziert wird. Auf dem
Massstab befindet sich ein zweites Gitter, welches das Abbild auf einen
strukturierten Fotodetektor reflektiert. Dabei sind der lichtdurchlässige Träger
für das erste Gitter mit dem Halbleitermaterial, in dem der strukturierte
Fotodetektor realisiert ist, miteinander derart verbunden, dass Abtastgitter
und Fotodetektor ausschliesslich in Messrichtung zueinander versetzt sind,
vom Massstab aber die gleiche Entfernung aufweisen. In einer zweiten
Ausführungsform der DE 197 01 941 A1 ist das Abtastgitter auf der dem
Massstab abgewandten Seite des lichtdurchlässigen Trägers angeordnet.
Auf der gleichen Seite wie das Abtastgitter ist ein Optochip auf dem gleichen
lichtdurchlässigen Träger angeordnet, welches den Fotodetektor beinhaltet.
Auch durch diese Anordnungen wird erreicht, dass Abtastgitter und
strukturierter Fotodetektor ungefähr den gleichen Abstand vom Massstab
aufweisen.
Bei der ersten Ausführungsform besteht der Nachteil, dass der
lichtdurchlässige Träger, auf dem das Abtastgitter aufgebracht ist, mit dem
Halbleitermaterial, in dem der strukturierte Fotodetektor realisiert ist,
verbunden werden muss. Diese Verbindung muss sehr genau erfolgen, so
dass die Struktur des Fotodetektors parallel zum Gitter ausgerichtet ist und
Struktur und Gitter den gleichen Abstand vom Massstab aufweisen. Diese
exakte Verbindung zwischen Träger und Halbleitermaterial ist daher sehr
schwierig zu realisieren. Weiterhin weist die zweite Ausführungsform den
Nachteil auf, dass ein Optochip auf dem lichtdurchlässigen Träger befestigt
werden muss. Durch die Befestigung in Chip-on-Glass Technologie entsteht
zwangsläufig ein Abstand zwischen dem Optochip und dem Träger, wodurch
der Abstand zwischen Abtastgitter und Massstab sowie zwischen
Fotodetektor und Massstab wesentlich voneinander abweichen, was zu
einer deutlichen Verschlechterung der optischen Eigenschaften der
Anordnung führt.
Aus der DE 40 91 517 T1 ist bekannt, einen Abtastkopf für ein Messsystem
aus einem einzigen Block aus Halbleitermaterial zu realisieren. Dabei sind
auf der Oberfläche einer flächig ausgestalteten Leuchtdiode als Gitterlinien
ausgestaltete Fotoelemente vorgesehen, durch welche die Leuchtdiode
nicht hindurchstrahlen kann. Dadurch entsteht ein strukturierter
Fotodetektor, über bzw. unter dem eine strukturierte Lichtquelle angeordnet
ist. Dadurch werden die Strukturierung der Lichtquelle und die strukturierten
Fotoelemente in den gleichen Abstand zum Massstab gebracht.
Dieser Abtastkopf weist aber den Nachteil auf, dass die Fotodetektorstruktur
direkt von der Lichtquelle divergent bestrahlt wird und dadurch ein hoher
Untergrundsignalpegel an den Photoelementen entsteht. Dies ist sogar dann
erforderlich, wenn die Fotoelemente rückseitig durch eine Metallschicht
geschützt werden, da die Kanten der Fotoelemente weiterhin empfindlich
sind. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Fotoelemente als dünne Schichten
auf ein Trägersubstrat aufgebracht werden müssen, da dies ein sehr
aufwendiges Verfahren ist und zu keinen qualitativ hochwertigen
Fotoelementen führt.
Aus der PCT/EP 98-04658 der Anmelderin ist eine Messeinrichtung bekannt,
die neben periodischen Inkrementalsignalen auch mindestens ein
Referenzimpulssignal bei einer definierten Referenzposition eines
Massstabs und einer relativ dazu beweglichen Abtasteinheit liefert. Auf dem
Massstab ist mindestens ein Referenzmarkenfeld in eine Inkrementalteilung
integriert angeordnet und die Abtasteinheit umfasst eine Detektoranordnung,
die in Messrichtung mindestens drei benachbart angeordnete, aktive
Detektorbereiche aufweist. Zwei der Detektorbereiche werden als
Referenzimpulssignal-Detektoren benutzt und erzeugen ein
Referenzimpulssignal, wobei die Relativanordnung der
Referenzimpulssignal-Detektoren in Messrichtung in Abhängigkeit von der
Strukturierung des Referenzmarkenfeldes auf dem Massstab erfolgt. Ein
zwischen den Referenzimpulssignal-Detektoren angeordneter Detektor dient
zur Erzeugung mindestens eines Inkrementalsignals. Weiterhin sind
verschiedene Massnahmen zur Filterung des Inkrementalsignalanteils aus
dem Referenzimpulssignal vorgesehen.
Aus der DE 197 20 300 A1 ist ein elektronisches Hybridbauelement bekannt,
bei dem in Chip an Chip Anordnung ein implantiertes Chip auf einem
Trägersubstrat angeordnet wird. Dafür weist das Trägersubstrat mindestens
eine Kavität auf, in der sich eine elektrische Isolationsschicht mit einer
darüber liegenden Metallschicht befindet. Der in die Kavität implantierte Chip
wird mit der Metallschicht kontaktiert, wodurch diese als elektrische Leitung
verwendet wird. Ist der implantierte Chip eine Leuchtdiode, kann die
Metallisierungsschicht auch dazu benutzt werden, deren Strahlung an den
Wänden der Kavität zu reflektieren.
Diese Anordnung weist den Nachteil auf, dass sowohl die
Strahlungsrichtung der Leuchtdiode als auch deren elektrischen Kontakte
auf einer Seite des Halbleitersubstrats angeordnet sind bzw. auf dieser
einen Seite emittiert werden.
Aus der EP 543 513 A1 ist bekannt, dass auf einem gemeinsamen
Halbleitersubstrat aus III/IV-Halbleitermaterial, wie beispielsweise Gallium-
Arsenid Ga-As, sowohl ein strukturierter Fotodetektor als auch eine
strukturierte Lichtquelle in Form von mindestens einer Leuchtdiode eines
Abtastkopfes realisiert werden. Durch diese Realisierung der strukturierten
Lichtquelle und des strukturierten Fotodetektors auf einem gemeinsamen
Halbleitermaterial kann die Forderung, dass die Sende- und
Empfangsstrukturierung möglichst in einer Ebene zu realisieren ist, sehr gut
erfüllt werden. Weiterhin erfolgt eine Einfeldabtastung, bei der die
Fotoelemente um α + k* 360°, mit ganzzahligem k und α bevorzugt 90°,
270°, 120° oder 240°, versetzt sind. Es werden also mehrere Fotoelemente
um neunzig Winkelgrad plus ganzzahlige Vielfache von dreihundertsechzig
Winkelgrad in Messrichtung zueinander versetzt angeordnet. Dadurch wird
die Abtastung besonders störunempfindlich.
Dabei ist von Nachteil, dass nicht beschrieben wird, wie die Herstellung des
strukturierten Fotodetektors und der strukturierten Lichtquelle auf einem
gemeinsamen Halbleitermaterial aus Ga-As erfolgt. Werden aus dem Stand
der Technik bekannte Technologien der Halbleiterherstellung angewandt, so
ist dieser Herstellungsprozess sehr aufwendig und damit teuer, da dicke
Epitaxieschichten mit unterschiedlichem Aluminiumgehalt nebeneinander,
d. h. strukturiert auf das Halbleitersubstrat aufgebracht werden müssen. Nur
dadurch kann die Emissionswellenlänge der Leuchtdiode gegenüber der
Absorptionskante der Fotoelemente so verschoben werden, daß
nennenswerte Signalströme erzeugt werden können.
Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Abtastkopf und ein Verfahren zu
dessen Herstellung anzugeben, bei dem am Abtastkopf vorgesehene
Sende- und Empfangsgitter bzw. strukturierte Sende- und
Empfangsbaugruppen möglichst einen identischen Abstand vom Massstab
aufweisen und das Sendegitter möglichst mittig zu den Empfangsgittern
angeordnet werden kann. Zudem soll eine Einfeldabtastung realisiert
werden. Dabei soll das Herstellungsverfahren für den Abtastkopf möglichst
kostengünstig sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des An
spruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Anordnung und
des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der
jeweils abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemässe Anordnung weist den Vorteil auf, dass die
Strukturierung bzw. das Empfangsgitter für den Fotodetektor ebenso wie die
Strukturierung bzw. das Sendegitter für die Lichtquelle zumindest im
wesentlichen den gleichen Abstand von dem abzutastenden Massstab
aufweisen. Dadurch können optimale optische Eigenschaften des
Abtastkopfes sichergestellt werden. Weiterhin von Vorteil ist, dass die
Strukturierungen bzw. Gitter in Verfahrensschritten erzeugt werden, die aus
der Halbleitertechnik sehr gut bekannt sind. Dadurch können diese mit sehr
grosser Genauigkeit und sehr kostengünstig mit nur wenig Ausschuss
durchgeführt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Fotodetektoren
und die als Lichtquelle benutzte Leuchtdiode aus unterschiedlichen
Halbleitermaterialien hergestellt werden können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweils abhängigen Ansprü
chen und der Beschreibung zu entnehmen.
Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der in der Zeich
nung dargestellten Ausführungsform näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht des
erfindungsgemässen Abtastkopfes mit
Massstab,
Fig. 2 einen Längsschnitt A-A' durch den
erfindungsgemässen Abtastkopf aus Fig. 1
gemäss einer ersten Realisierung,
Fig. 3 eine zweite mögliche erfindungsgemässe
Realisierung des Abtastkopfes aus Fig. 1,
Fig. 4 eine dritte mögliche erfindungsgemässe
Realisierung des Abtastkopfes aus Fig. 1,
Fig. 5 eine vierte mögliche erfindungsgemässe
Realisierung des Abtastkopfes aus Fig. 1,
Fig. 6 eine fünfte mögliche erfindungsgemässe
Realisierung des Abtastkopfes aus Fig. 1,
Fig. 7 eine sechste mögliche erfindungsgemässe
Realisierung des Abtastkopfes aus Fig. 1,
Fig. 8 eine siebte mögliche erfindungsgemässe
Realisierung des Abtastkopfes aus Fig. 1,
Fig. 9 eine achte mögliche erfindungsgemässe
Realisierung des Abtastkopfes aus Fig. 1.
Der erfindungsgemässe Abtastkopf wird im folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen erläutert, die ein Längenmesssystem beinhalten. Es
besteht jedoch die Möglichkeit, ohne wesentliche Änderungen, den
erfindungsgemässen Abtastkopf auch bei einem Winkelmesssystem oder
einem zweidimensionalen Messsystem einzusetzen.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemässen Abtastkopfes
101 mit zugehörigem Massstab 110 dreidimensional dargestellt. Der
Abtastkopf 101 weist Fotodetektoren 102 auf, durch die eine
Einfeldabtastung der Teilung 111 des Massstabs 110 ermöglicht wird.
Hierfür werden die Fotodetektoren 102 um π/2 zuzüglich ganzzahlige
Vielfache von 2π in Messrichtung zueinander versetzt auf dem Abtastkopf
angeordnet und die Anzahl der Fotodetektoren 102 wird in jeder Reihe als
ein ganzzahliges Vielfaches von vier gewählt. Dadurch wird sichergestellt,
dass eine gesamte Periode des Empfangssignals detektiert wird. Die
Fotodetektoren 102 sind auf dem Abtastkopf in einer oberen und einer
unteren Reihe angeordnet, deren Ausgangssignale ebenfalls derart
miteinander verknüpft werden, dass Schwankungen in deren
Ausgangssignalen, beispielsweise wegen einer Verkippung des
Abtastkopfes, kompensiert werden.
Die Fotodetektoren 102 weisen eine in Fig. 1 nicht dargestellte Struktur
auf, die durch ein über den Fotodetektoren 102 angeordnetes Gitter
realisiert wird, falls ein einzelner Fotodetektor 102 durch einen einzigen PN-
Übergang, oder durch eine Strukturierung der Fotodetektoren 102 selbst
realisiert wird, wenn mehrere PN-Übergänge zu einem Fotodetektor 102
zusammengeschaltet werden.
Im Zentrum der Fotodetektoren 102 ist das Halbleitersubstrat vollständig
entfernt, was mittels anisotropen Ätzverfahren oder Ultraschallbohren
möglich ist. An dieser Stelle ist eine Lichtquelle, bevorzugt realisiert durch
eine Leuchtdiode 104, vorgesehen. Diese Leuchtdiode 104 wird bevorzugt
rückseitig kontaktiert. Über der Leuchtdiode 104 auf Höhe der Oberfläche
des Fotodetektoren 102 ist ein Sendegitter 105 angeordnet, so dass durch
die Lichtquelle 104 und das Gitter 105 eine strukturierte Lichtquelle realisiert
wird. Am Rand des Abtastkopfes 101 sind Kontakte 103 vorgesehen, über
die die Fotodetektoren 102 und eventuell auch die Lichtquelle 104
kontaktiert werden können. Da die Leuchtdiode 104 nicht im gleichen
Halbleitersubstrat wie die Fotodetektoren 102 realisiert wird, besteht die
Möglichkeit, ein anderes Halbleitermaterial für die Leuchtdiode 104 zu
verwenden.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Ausführungsform eines
erfindungsgemässen Abtastkopfes 101 entlang der Linie A-A' aus Fig. 1
dargestellt. Auf einer Grundplatte, die eine Platine 9 einer elektrischen
Schaltung sein kann, ist der Abtastkopf angeordnet. Auf diese Platine 9 ist
eine Lichtquelle in Form einer Leuchtdiode 1 aufgelötet, der über die Platine
9 ihre Versorgungsspannung zugeleitet wird. Die Leuchtdiode 1 ist als
separate Schaltung realisiert, so dass deren Halbleitermaterial nicht mit dem
des Abtastkopfes übereinstimmen muss. Die Leuchtdiode 1 kann in Flip-
Chip Technologie Kontakte zur Platine 9 aufweisen. Alternativ kann die
Leuchtdiode 1 auch über eine Bondverbindung mit der Platine verbunden
sein. Auf der Platine 9 befindet sich weiterhin das Halbleitersubstrat 2, für
das vorzugsweise Silizium verwendet wird. An der Stelle, an der die
Leuchtdiode 1 vorgesehen ist, wurde das Halbleitersubstrat vollständig
durchgeätzt, so dass die Leuchtdiode 1 hindurchstrahlen kann. Die
Seitenwände dieses Sacklochs sind dabei leicht geneigt, wodurch sie wie
ein Lichtleiter wirken. Dadurch kann die Lichtstrahlung der Leuchtdiode 1 auf
das Sendegitter fokussiert werden.
Auf der dem Massstab 8 zugewandten Seite des Halbleitersubstrats 2 sind
mehrere Fotodioden 3 vorgesehen, die senkrecht zur Messrichtung eine
längliche Form aufweisen. Durch die derart ausgeformten Fotodioden 3 wird
die Strukturierung der zu meistens mehreren Fotodetektoren verschalteten
Fotodioden 3 erreicht. Der Abstand zwischen zwei Fotodioden 3 eines
Fotodetektors muss dabei der Gitterkonstante des ansonsten erforderlichen
Empfangsgitters entsprechen, das nunmehr aufgrund der Strukturierung der
Fotodioden 3 eingespart werden kann. Mehrere Fotodioden 3 werden zu
einem Fotodetektor verschaltet; die Fotodetektoren weisen, wie bereits
erläutert, einen Abstand von π/2 zuzüglich ganzzahlige Vielfache von 2π
bezüglich der Periode der Empfangsstruktur auf und sind damit fingerartig
miteinander verschaltet, wodurch eine besonders vorteilhafte
Einfeldabtastung ermöglicht wird. Durch diese Verschaltung der
Fotodetektoren wird eine Einfeldabtastung des Massstabs 8 erreicht, wobei
auch mit anderen Abständen als π/2 eine Einfeldabtastung realisierbar ist.
Die Fotodioden 3 weisen einen bestimmten Abstand von der Sacklochs auf,
durch die das Licht der Leuchtdiode 1 strahlt, damit das in diesem Bereich
auf das Halbleitersubstrat treffende Licht der Leuchtdiode 1 nicht zu einem
Strom in den Fotodioden 3 führen kann.
Auf der dem Massstab 8 zugewandten Seite des Halbleitersubstrats ist eine
Oxidschicht 5 aus für Licht transparentem Siliziumdioxid vorgesehen. Über
dieser ist eine Metallisierungsschicht 6 angeordnet, die im Bereich der
Sacklochs des Halbleitersubstrats 2 das Sendegitter 4 beinhaltet. An diesem
Sendegitter 6 erfolgt eine Strukturierung des durch die Leuchtdiode 1
abgestrahlten Lichts, welches durch die optische Öffnung des Sacklochs
hindurchgetreten ist. Über der Metallisierungsschicht 6 ist eine
Passivierungsschicht 7 vorgesehen. Sämtliche Schichten 5 und 7 sind für
die von der Leuchtdiode 1 ausgestrahlte Strahlung transparent.
Die Metallisierungsschicht 6 kann auch dazu benutzt werden die
Fotodetektoren zu kontaktieren und um ein Sende- und/oder ein
Empfangsgitter zu realisieren, falls die Strukturierung der Fotodioden nicht
fein genug realisiert werden kann. Die Metallisierungsschicht 6 ist dabei
lichtundurchlässig.
Das am Sendegitter 4 strukturierte Licht trifft anschliessend auf den
Massstab 8, von dessen Teilung es teilweise zu den Fotodioden 3 hin
reflektiert wird. Am Ort der Fotodetektoren entsteht durch die
Wechselwirkung zwischen Lichtbündel, dem Sendegitter und dem Massstab
ein Streifenbild, das bei einer relativen Verschiebung zwischen Abtastkopf
und Massstab 8 tritt aufgrund der Reflexion am Massstab 8 an den
Fotodioden 3 eine sinusförmig wechselnde Lichtintensität auf, die zu einem
sinusförmig wechselnden Fotostrom führt. Dieser wird von den Fotodioden 3
einer Auswerteschaltung zugeleitet, die daraus den Wert der Verschiebung
ermittelt.
Das bei der vorliegenden Erfindung angewandte Abtastverfahren ist aus
dem Stand der Technik bereits prinzipiell bekannt. Es existieren zwei
Möglichkeiten, die als geometrisches Bild und als Beugungsbild bezeichnet
werden. Der optische Aufbau zu diesen Bildern unterscheidet sich im
wesentlichen durch die Wahl des Massstabgitters: Im geometrischen Bild
wird das Massstabgitter als Amplitudengitter ausgeführt, dessen
Gitterkonstante doppelt so gross wie die des Sendegitters ist. Alternativ
kann das Amplitudengitter auch durch ein Phasengitter mit 90° Phasenhub
bei unveränderter Gitterkonstante ersetzt werden. Im Beugungsbild wird das
Massstabgitter vorteilhafterweise als Phasengitter mit 180° Phasenhub
ausgeführt, dessen Gitterkonstante mit der des Sendegitters übereinstimmt.
Sowohl im geometrischen Bild als auch im Beugungsbild sind die
Gitterkonstanten von Sende- und Empfangsgitter identisch. Für alle
Abtastvarianten ergeben sich typische Abhängigkeiten der Signalmodulation
vom Abtastabstand, wie sie im Stand der Technik beschrieben sind.
Dementsprechend ist ein günstiger Abtastabstand zu wählen.
Grundsätzlich können bei allen, oben erwähnten Varianten die Abstände
zwischen Sendegitter und Massstab und zwischen Massstab und
Empfangsgitter unterschiedlich gewählt werden. Die Abstandstoleranzen im
Falle eines Auflichtgebers sind aber wesentlich grösser bei gleichen
Abständen, d. h. wenn das Sende- und Empfangsgitter vom Massstab gleich
beabstandet sind. Diese Anforderung ist um so stärker, je grösser die
wirksamen Flächen des Sende- und Empfangsgitters sind. In der Praxis
bedeutet dies, dass beide Flächen innerhalb von ± 20 µm, idealerweise aber
innerhalb von ± 5 µm fluchten müssen.
Das Licht das auf die strukturierten Photoelemente fällt, wird innerhalb einer
gewissen Eindringtiefe, die von der Wellenlänge abhängt absorbiert.
Typische Werte sind 5 µm bis 40 µm. Dies bedeutet, dass bei einem
strukturierten Photodetektor der effektive Abstand zum Massstab um typisch
2 µm-20 µm grösser ist, als der Abstand seiner Oberfläche zum Massstab.
Dies kann durch eine gegenüber dem Sendegitter leicht vergrösserte
Gitterkonstante des Empfangsgitters berücksichtigt werden, wie es die oben
zitierten Gesetzmässigkeiten beschreiben. In diesem Fall ist mit einer
eingeschränkten Abstandstoleranz des Gebers zu rechnen. Günstiger ist es
jedoch, über dem strukturierten Photodetektor gleichzeitig ein
Empfangsgitter anzubringen, dessen Spaltöffnungen etwas kleiner sind, als
die Breiten der darunterliegenden Einzelphotodioden. Auf diese Weise wird
die wirksame Abtastebene exakt in die Ebene des Empfangsgitters gelegt,
welcher wiederum exakt mit dem Sendegitter fluchtet. Da die divergenten
Lichtbündel an den grösseren Teilen des Empfangsgitters bereits erhebliche
Neigungswinkel aufweisen, sollten die Einzeldioden unter den
Spaltöffnungen etwas gegenüber den nach aussen verschoben werden.
Dies entspricht einer geringfügig grösseren Periode der strukturierten
Fotodiode im Vergleich zum Empfangsgitter.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen
Detektors dargestellt. Sollte die für das Empfangsgitter erforderliche
Gitterkonstante aufgrund der geforderten Abmessungen nicht durch
separate Fotodioden realisierbar sein, kann auch ein zusätzliches
Empfangsgitter 14.2 vorgesehen werden. Wie in Fig. 2 ist auch in Fig. 3
auf einer Grundplatte 19 ein Halbleitersubstrat angeordnet. Dieses weist
eine Sackloch auf, in der eine Leuchtdiode 11 als Lichtquelle angeordnet ist.
Auf der dem Massstab 18 zugewandten Seite des Halbleitersubstrats sind
Fotodioden 13 angeordnet, deren Breite aber grösser ist als die
Gitterkonstante des erforderlichen Empfangsgitters. Daher ist in der
Metallisierungsschicht 16, die sich wieder über der transparenten
Passivierungsschicht 15 befindet, nicht nur ein Sendegitter 14.1, sondern für
die Fotodioden 13 ein Empfangsgitter vorgesehen. Über der
Metallisierungsschicht 16 ist wieder eine transparente Passivierungsschicht
17 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform wird ein Fotodetektor vorteilhaft
durch einen PN-Übergang realisiert. Es besteht aber auch die Möglichkeit,
dass mehrere PN-Übergänge zu einem Fotodetektor zu verschaltet werden.
Das Empfangsgitter 14.2 ist dann für jeden Fotodetektor um π/2 in
Messrichtung versetzt anzuordnen.
Das durch die Leuchtdiode 11 abgestrahlte Licht wird zunächst, wie in Fig.
2, am Sendegitter 14.1 strukturiert und fällt auf den Massstab 18, von
dessen Teilung es teilweise zum Empfangsgitter 14.2 hin reflektiert wird. Der
in der Ebene des Empfangsgitter 14.2 entstehende Intensitätsverlauf des
Lichts wird durch die Struktur des Empfangsgitters abgetastet, so daß bei
einer Relativbewegung zwischen Massstab 18 und Abtastkopf die Intensität
und damit der Fotostrom schwankt, abhängig von der Relativverschiebung,
die durch eine Auswertung des Stroms ermittelt werden kann.
In Fig. 4 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des
erfindungsgemässen Abtastkopfes dargestellt. Im Unterschied zu Fig. 2
weist dieses Ausführungsbeispiel auf der Leuchtdiode 21 eine zusätzliche
optische Baugruppe 21.1 auf. Diese fokussiert das durch die Leuchtdiode 21
abgestrahlte Licht in Richtung des Sendegitters 24. Weiterhin ist eine
Beschichtung 22.1 der Seitenwände des Sacklochs vorgesehen, welche
Licht reflektieren soll. Durch diese Massnahmen wird verhindert, dass Licht,
welches von der Leuchtdiode 21 nicht unmittelbar in Richtung des
Sendegitters 24 abgestrahlt wurde, im Halbleitermaterial 22 Elektron-
Lochpaare und dadurch einen Strom verursacht, der den Strom der
Fotodioden 23 überlagert. Dadurch kann das Nutz- zu Störsignalverhältnis
des Abtastkopfes verbessert werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, ein niederohmiges Halbleitermaterial 22
zu wählen, so dass die Rekombinationszeiten der durch das Licht der
Leuchtdiode 21 erzeugten Elektron-Lochpaare so kurz ist, dass keine
nennenswerte Anzahl zu den Fotodioden 23 diffundieren und dort einen
fehlerhaften Strom verursachen können.
Eine weitere Massnahme, um durch die Leuchtdiode 31 verursachte
Störströme zu verhindern, ist in Fig. 5 dargestellt. Auf einer Grundplatte 39
ist das Halbleitersubstrat 32 angeordnet. Dieses weist ein Sackloch bis auf
die Oxidschicht 35 auf. Auf der dem Massstab 38 zugewandten Seite des
Halbleitersubstrats sind wieder Fotodioden 33 vorgesehen. Die Leuchtdiode
31 ist nunmehr mittels eines weichen, optisch transparenten Klebers, der
das von der Leuchtdiode 31 ausgestrahlte Licht nicht streut sondern bündelt,
auf die Oxidschicht 35 geklebt und über elektrische Leitungen mit der
Grundplatte 39 verbunden. In den nach der Klebung vom Kleber 32.1 nicht
ausgefüllten Raum des Sacklochs wird ein opaker Füllstoff 32.2 eingebracht,
der eine optische Isolation zwischen Leuchtdiode 31 und dem
Halbleitersubstrat 32 bewirkt. Lediglich das vom Sendegitter 34 strukturierte
und durch die Teilung des Massstabs 38 teilweise reflektierte Licht der
Leuchtdiode 31 gelangt zu den Fotodioden 33 des Halbleitersubstrats. Die
Schichten 35, 36 und 37 sind wieder transparent, sofern kein Sendegitter 34
im optischen Weg angeordnet ist. Auch bei dieser Anordnung wird
sichergestellt, dass nur sehr wenig Licht von der Leuchtdiode 31 direkt in
das Halbleitersubstrat 32 abgestrahlt wird und zu Störströmen führt.
Alternativ zu den Leitungen zwischen Leuchtdiode 31 und Platine 9 besteht
die Möglichkeit, die Oxidschicht 35 zwischen Leuchtdiode 31 und
Sendegitter 34 zu entfernen und mittels leitendem Kleber 32.1 die Kontakte
der Leuchtdiode 31 für die Versorgungsspannung an dem Sendegitter 34
aus leitenden Material oder an einer Kontaktstelle der Metallisierungsschicht
36 zu befestigen. Das Sendegitter 34 bzw. die Kontaktstellen mit deren
Zuleitungen werden dann dazu benutzt, der Leuchtdiode 31 die
Versorgungsspannung zuzuleiten und weist daher ausserhalb seines optisch
relevanten Bereichs Zuleitungen auf.
Eine bezüglich der mechanischen Stabilität verbessertes
Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 dargestellt. Für eine optimale optische
Qualität des Abtastkopfes ist ein möglichst identischer Abstand von
Sendegitter 44 und den strukturierten Empfängerdioden 43 jeweils zum
Massstab 48 anzustreben. Dafür muss die Oxidschicht 45 sehr dünn
ausgeführt werden. Mit Werten von ca. 1-3 µm Dicke der Oxidschicht 45 ist
dies durchaus möglich. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass dadurch die
mechanische Stabilität der Oxidschicht 45 und die Fähigkeit zusätzlich das
Sendegitter 44 zu tragen, welches bevorzugt aus Aluminiumstegen besteht,
die bei Halbleitern als elektrische Leiter verwendet werden, abnimmt.
Um die mechanische Stabilität zu erhöhen, ohne die Oxid- oder
Passivierungsschicht 45 und 47 wesentlich dicker zu machen, sind nunmehr
Stege 42.1 aus Halbleitermaterial vorgesehen, die beim Durchätzen stehen
bleiben. Diese Stege 42.1 sind zwischen dem Sendegitter 44 und der
Leuchtdiode 41 derart angeordnet, dass diese die optischen Eigenschaften
der Anordnung möglichst nicht verändern. Die Lage, Breite und Orientierung
der Stege 42.1 werden so gewählt, dass deren optische Wirkung auf die
Abtastsignale, abgesehen von einer unvermeidlichen Signalreduktion,
minimal bleibt.
Die Maskierung, die für die Ausbildung der Stege 42.1 notwendig ist, kann
vorteilhaft bereits in der Maskierung für die rückseitige Sacklochätzung
enthalten sein, so daß keine zusätzlichen Lithographieschritte erforderlich
sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung gemäss Fig. 7 der bereits
beschriebenen Ausführungsformen erfolgt keine vollständige Sackloch des
Halbleitersubstrats 52, um einen Weg für das von der Leuchtdiode 51
abgestrahlte Licht zu schaffen, sondern es werden auf der dem Massstab 58
zugewandten Seite des Halbleitersubstrats 52 Stege 52.1 belassen, durch
die das Sendegitter realisiert wird. Dadurch erübrigt es sich, zusätzlich zu
einer ersten Oxidschicht 55 eine weitere Metallisierungsschicht für das
Sendegitter und eine weitere Passivierungsschicht wie in den
vorhergehenden Ausführungsbeispielen vorzusehen. Die Stege 52.1 sind
dabei im Abstand der für das Sendegitter gewünschten Gitterkonstanten
vom Ätzprozess auszunehmen. Neben dem derart erzeugten Sendegitter
werden wieder die strukturierten Fotodioden 53 mit dem für das
Empfangsgitter gewünschten Abstand angeordnet und zu Fotodetektoren
verschaltet.
Die auf der Grundplatte 59 angeordnete Leuchtdiode 51 strahlt in Richtung
der bei der Sackloch verbliebenen Stege 52.1, die als Sendegitter wirken
und das Licht strukturieren. Das strukturierte Licht wird an der Teilung des
Massstabs 58 teilweise reflektiert und trifft auf die strukturierten Fotodioden
53, wo entsprechend einer Relativbewegung zwischen Massstab 58 und
Abtastkopf ein pulsierender Strom verursacht wird.
Diese Realisierung weist insbesondere den Vorteil auf, dass die
strukturierten Fotodioden 53 und die beim Durchätzen verbliebenen Stege
52.1 exakt den gleichen Abstand zum Massstab 58 aufweisen, was eine
optimale optische Qualität der Anordnung ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Leuchtdiode 61 nicht unmittelbar in
der Sackloch durch das Halbleitersubstrat 62 positioniert, sondern in einer
speziellen Kavität 69.1. Dies kann durch eine entsprechende Gestaltung der
Grundplatte 69 realisiert werden. Gegebenenfalls ist auch eine Ausfräsung
aus der Grundplatte bereits ausreichend, um die Leuchtdiode 61 zu
positionieren. Dadurch kann als Leuchtdiode 61 ein herkömmliches SMD-
Bauteil benutzt werden. Vorteilhaft werden, wie bereits beschrieben, die
Flächen, an die keine Strahlung der Leuchtdiode 61 gelangen soll,
entsprechend beschichtet. Erfolgt diese Beschichtung 69.2 mit
reflektierendem Material, kann dadurch nicht nur verhindert werden, dass
Störströme entstehen, sondern zusätzlich die zum Sendegitter 64 hin
abgestrahlte Licht-Leistung der Leuchtdiode 61 erhöht werden.
In Fig. 9 ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Abtastkopfes
dargestellt, die weitere Baugruppen, insbesondere zur Verarbeitung der
Ausgangssignale der Fotodioden 73, aufweist. Wie in den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen weist ein Halbleitersubstrat 72.1 ein Sackloch auf, in
das eine Leuchtdiode 71 plaziert wurde. Auf der dem Massstab 78
zugewandten Seite des Halbleitersubstrats 72.1 sind strukturierte
Fotodioden 73 mit einem der Empfangsgitterkonstanten entsprechenden
Abstand voneinander in das Halbleitersubstrat 72.1 integriert. Über die dem
Massstab 78 zugewandte Seite des Halbleitersubstrats 72.1 ist eine für die
Strahlung der Leuchtdiode 71 transparente Oxidschicht 75.1 gelegt. Über
dieser Oxidschicht 75.1 ist eine Metallisierungsschicht 75.2 vorgesehen, die
ein Sendegitter 74 beinhaltet, durch das die Strahlung der Leuchtdiode 71
hindurchtritt und dabei strukturiert wird. Danach folgt eine transparente
Passivierungsschicht 75.3, durch die die Strahlung ebenfalls hindurchtritt.
Um die weiteren Baugruppen auf dem unmittelbar angrenzenden
Halbleitersubstrat 72.2 vor der durch den Massstab 78 reflektierten
Strahlung der Leuchtdiode 71 zu schützen und um die mechanische
Stabilität des Sendegitters 74 zu erhöhen, ist zwischen Halbleitersubstrat
72.1, 72.2 und Massstab 78 eine flächige Baugruppe vorgesehen, die im
Bereich des Sendegitters 74 und der Fotodioden 73 transparent, in den
anderen Bereichen aber lichtundurchlässig beschichtet ist. Dies Baugruppe
ist bevorzugt eine Glasplatte 76.1, die auf der dem Abtastkopf zugewandten
Seite eine Beschichtung 76.2 aus Chrom trägt. Weiterhin kann die
Glasplatte 76.1 eine Struktur aufweisen, so daß ein Vier-Gitter-Geber
realisiert wird. Dadurch wird verhindert, dass Streulicht, das nicht nur vom
Massstab 78 reflektiertes Licht, sondern auch Umgebungslicht sein kann,
auf die Baugruppen auf dem angrenzenden Halbleitersubstrat 72.2 einwirkt.
Zusätzlich kann diese zusätzliche Baugruppe 76.1, 76.2 dazu benutzt
werden, den Abtastkopf zu kontaktieren. Dafür sind auf der Glasplatte
zusätzlich zu der lichtundurchlässigen Beschichtung 76.2 Leiterbahnen
vorgesehen, um die in Fig. 1 dargestellten Kontakte 103 per Flip-Chip
Montage zu kontaktieren. Die lichtundurchlässige Beschichtung 76.2 und die
Leiterbahnen auf der Glasplatte 76.1 sind dabei bevorzugt aus dem selben
Material. Die zusätzliche Baugruppe kann optional über einen transparenten,
nicht aushärtenden Kleber verbunden werden.
Im folgenden sollen die wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung des
erfindungsgemässen Abtastkopfes beschrieben werden. Da als
Grundmaterial Halbleitermaterial, bevorzugt Silizium, verwendet wird, sind
die Verfahrensschritte zumindest ähnlich denen, die bei der Herstellung von
integrierten Schaltungen angewendet werden.
In einem ersten Schritt wird davon ausgegangen, dass Halbleitermaterial in
der für die Herstellung von integrierten Schaltungen erforderlichen Qualität,
insbesondere bezüglich Reinheit, Oberflächengüte usw., vorliegt.
Anschliessend werden die PN-Übergänge der Fotodioden 3 aus Fig. 2 in
das Halbleitermaterial 2 eindiffundiert, so dass die Fotodioden 3 und
aufgrund deren Anordnung die strukturierten Fotodetektoren 102 gemäss
Fig. 1 entstehen. Die Breite und der Abstand zwischen den Fotodioden 3
aus Fig. 2 wird dabei entsprechend der für das Empfangsgitter
gewünschten Gitterkonstanten gewählt.
Im dritten Schritt wird eine Oxidschicht 5 aus SiO2 mit einer Dicke von ca.
1-3 µm auf der Seite des Halbleitersubstrats 2 erzeugt, auf der sich die
Fotodioden 3 befinden.
Anschliessend wird im vierten Schritt eine Metallisierungsschicht auf die
Oxidschicht aufgebracht. Diese Metallisierungsschicht wird in aus der
Halbleiterherstellung bekannten fotochemischen Prozessen derart
bearbeitet, dass das Sendegitter 4 mit der gewünschten Gitterkonstanten
entsteht.
Schliesslich wird in Schritt S noch eine Passivierungsschicht 7 mit einer
Dicke von ca. 0,5-3 µm aufgebracht, die die Oberfläche schützt und
insbesondere dem Sendegitter 4 zusätzliche mechanische Stabilität verleiht.
Diese Passivierungsschicht 7 besteht bevorzugt aus Siliziumnitrit, Si3N4.
Nachdem die dem Massstab 8 zugewandte Seite des Halbleitersubstrats 2
derart bearbeitet wurde, wird nunmehr auf der Rückseite der Halbleiter im
Bereich des Sendegitters 4 anisotrop geätzt, so dass im Bereich des
Sendegitters 4 kein Halbleitersubstrat 2 verbleibt. Es können auch andere
Ätzverfahren wie isotropes Nassätzen oder Trockenätzen verwendet
werden.
Im siebten und letzten Schritt wird der Halbleiter auf der Grundplatte 9
befestigt, auf der bereits die Leuchtdiode 1 angeordnet ist.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 3 und 7 ergeben sich
zwangsläufig geringfügige Änderungen des Verfahrens. Bei dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird gleichzeitig mit dem Sendegitter 14.1
das Empfangsgitter 14.2 hergestellt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 entfallen die Bearbeitungsschritte
4 und 5. Der Bearbeitungsschritt 6 wird derart modifiziert, dass bei der
anisotropen Ätzung im Bereich der dem Massstab 58 zugewandten Seite
des Halbleitersubstrats 52 noch Stege 52.1 verbleiben, die einen Abstand
gemäss der gewünschten Gitterkonstanten des Sendegitters aufweisen. Die
noch folgenden Bearbeitungsschritte werden wie bereits beschrieben
durchgeführt.
Um die mechanische Stabilität zu erhöhen können auf die
Metallisierungsschicht oder auf die Passivierungsschicht noch zusätzliche,
transparente Schichten mit großer Dicke bis ca. 100 µm aufgebracht
werden. Als Materialien eignen sich dafür Siliziumdioxid, Bor-
Phosphorsilikatglas oder Solgele.
Das Messsystem, bei dem der erfindungsgemässe Abtastkopf benutzt wird,
kann sowohl ein eindimensionales Messsystem, wie Längen- und
Winkelmesssysteme, als auch ein zweidimensionales Messsystem sein, wie
ein Kreuzgittermesssystem, das als Massstab ein Kreuzlinien- oder
Schachbrettgitter aufweist. Das dafür erforderliche Abtastsystem weist
entweder zwei erfindungsgemässe, vorteilhaft orthogonal zueinander
ausgerichtete Abtastköpfe auf. Alternativ können auch in einen Abtastkopf
zwei Gruppen von Fotoelementen mit eindimensionaler Strukturierung
integriert werden, deren Ausrichtung den Messrichtungen entsprechen oder
die orthogonal zueinander stehen. Das Sendegitter wird dann als
zweidimensionales Gitter, beispielsweise Kreuzlinien- oder
Schachbrettgitter, ausgestaltet und ist dadurch nur einfach erforderlich.
Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass die anhand unterschiedlicher
Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale des erfindungsgemässen
Abtastkopfes beliebig miteinander kombiniert werden können.
Claims (21)
1. Abtastkopf zur Abtastung eines Massstabs, der eine Teilung trägt, wobei
der Abtastkopf aus einem Halbleitersubstrat (2, 12, 22, 32, 42, 52, 62,
72.1) besteht, das auf der dem Massstab (8, 18, 28, 38, 48, 58, 68, 78)
zugewandten Seite mehrere strukturierte Fotodetektoren (3, 13, 14.2, 23,
33, 43, 53, 63, 73) aufweist, das weiterhin ein Sackloch aufweist, das auf
der dem Massstab (8, 18, 28, 38, 48, 58, 68, 78) zugewandten Seite ein
zu den strukturierten Fotodetektoren (3, 13, 14.2, 23, 33, 43, 53, 63, 73)
symmetrisch ausgerichtetes Sendegitter (4, 14.1, 24, 34, 44, 52.1, 64,
74) und unter dem Sendegitter (4, 14.1, 24, 34, 44, 52.1, 64, 74) eine
Lichtquelle (1, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71) aufweist.
2. Abtastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Lichtquelle (1, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71) divergent ist und durch eine
Leuchtdiode realisiert wird.
3. Abtastkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Leuchtdiode auf einer Grundplatte (9, 19, 29, 39, 49, 59, 69, 69.1, 79)
angeordnet wird, die auf der dem Massstab (8, 18, 28, 38, 48, 58, 68,
78) abgewandten Seite des Halbleitersubstrats (2, 12, 22, 32, 42, 52, 62,
72.1) vorgesehen ist und/oder dass die Leuchtdiode mittels eines
Klebers (32.1), der die optischen Stahlen der Leuchtdiode zum
Sendegitter (4, 14.1, 24, 34, 44, 52.1, 64, 74) leitet, mit dem Sendegitter
(4, 14.1, 24, 34, 44, 52.1, 64, 74) verbunden wird und der verbleibende
Raum des Sacklochs mittels einer opaken Füllmasse (32.2) im
wesentlichen vollständig ausgefüllt wird.
4. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass das Sendegitter (4, 14.1, 24, 34, 44, 52.1, 64, 74) entweder aus
beim Einbringen des Sacklochs stehengelassenen Stegen (52.1) des
Halbleitersubstrats (2, 12, 22, 32, 42, 52, 62, 72.1) oder durch
Metallstege einer zusätzlich aufgebrachten Metallisierungsschicht (6, 16,
26, 36, 46, 66, 75.2) realisiert wird.
5. Abtastkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass bei dem auf der dem Massstab (8, 18, 28, 38, 48,
58, 68, 78) zugewandten Seite des Halbleitersubstrats (2, 12, 22, 32, 42,
52, 62, 72.1) mindestens eine für die Lichtquelle (1, 11, 21, 31, 41, 51,
61, 71) zumindest teilweise transparente Schicht (5, 6, 7, 15, 16, 17, 25,
26, 27, 35, 36, 37, 45, 46, 47, 55, 65, 66, 67, 75.1, 75.2, 75.3, 76.1)
vorgesehen ist.
6. Abtastkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (2, 12, 22, 32, 42, 52, 62,
72.1) aus Silizium und die für die Lichtquelle (1, 11, 21, 31, 41, 51, 61,
71) transparente Schicht (5, 6, 7, 15, 16, 17, 25, 26, 27, 35, 36, 37, 45,
46, 47, 55, 65, 66, 67, 75.1, 75.2, 75.3, 76.1) aus Siliziumdioxid besteht.
7. Abtastkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass über der Metallisierung und der Oxidschicht (5, 15,
25, 35, 45, 65, 75.1) eine Passivierungsschicht (7, 17, 27, 37, 47, 55, 67,
75.3) vorgesehen ist.
8. Abtastkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die strukturierten Fotodetektoren (3, 23, 33, 43,
53, 63, 73) durch Fotodioden realisiert werden, deren Breite und Abstand
entsprechend der gewünschten Gitterkonstante für das Empfangsgitter
ausgebildet sind.
9. Abtastkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die strukturierten Fotodetektoren (13, 14.2) durch
Fotodioden (13) realisiert werden und über den Fotodioden (13) ein
Empfangsgitter (14.2) angeordnet ist, das durch Metallstege der
Metallisierungsschicht (16) realisiert wird.
10. Abtastkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Begrenzungsflächen des Halbleitersubstrats
(2, 12, 22, 32, 42, 52, 62, 72.1) und/oder der Bereich der Grundplatte (9,
19, 29, 39, 49, 59, 69, 69.1, 79) im Bereich der Sackloch eine
Beschichtung (22.1, 69.2) aufweisen, die undurchlässig ist für das von
der Leuchtdiode emittierte Licht und/oder das von der Leuchtdiode
emittierte Licht reflektieren.
11. Abtastkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass im Bereich der Sackloch mehrere optisch opake
Stege (42.1) erhalten bleiben, die eine Verbindung mit der Oxidschicht
(5, 15, 25, 35, 45, 65, 75.1) aufweisen und einen im Vergleich zum
Sendegitter (4, 14.1, 24, 34, 44, 52.1, 64, 74) grossen Abstand
zueinander aufweisen.
12. Abtastkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode in einer Aussparung (69.1) in der
Grundplatte (69) angeordnet ist.
13. Abtastkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass auf der dem Massstab (8, 18, 28, 38, 48, 58, 68,
78) zugewandten Seite der Passivierungsschicht (7, 17, 27, 37, 47, 55,
67, 75.3) ein Träger (76.1) mit einer in Teilbereichen
lichtundurchlässigen Beschichtung (76.2) angeordnet ist.
14. Abtastkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Träger (76.1) aus Glas und die Beschichtung
(76.2) aus einem leitenden Material besteht und dass die Beschichtung
(76.2) zumindest teilweise als Leiterbahnen für Zu- und Ableitungen der
elektrischen Signale des Abtastkopfes benutzt wird.
15. Abtastkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Fotodetektor (3, 13, 14.2, 23, 33, 43, 53, 63,
73) aus mindestens einer Fotodiode besteht und dass die
Fotodetektoren (3, 13, 14.2, 23, 33, 43, 53, 63, 73) um eine viertel
Periode des Empfangsgitters oder der Struktur der strukturierten
Fotodetektoren (3, 13, 14.2, 23, 33, 43, 53, 63, 73) zueinander in
Messrichtung versetzt angeordnet sind.
16. Abtastkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Abtastkopf mehrere Reihen Fotodetektoren (3,
13, 14.2, 23, 33, 43, 53, 63, 73) aufweist, wobei die Anzahl
Fotodetektoren (3, 13, 14.2, 23, 33, 43, 53, 63, 73) in jeder Reihe
abhängig von der Verschiebung der Fotodetektoren (3, 13, 14.2, 23, 33,
43, 53, 63, 73) zueinander ist.
17. Messsystem, welches einen Abtastkopf nach einem der vorhergehenden
Ansprüche beinhaltet.
18. Verfahren zur Herstellung eines Abtastkopfes nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, bei dem PN-Übergänge für Fotodioden in
die zum Massstab (8, 18, 28, 38, 48, 58, 68, 78) hin orientierte Fläche
des Halbleitersubstrats (2, 12, 22, 32, 42, 52, 62, 72.1) eindiffundiert
werden, anschliessend auf der gleichen Seite des Halbleitersubstrats (2,
12, 22, 32, 42, 52, 62, 72.1) eine Oxidschicht (5, 15, 25, 35, 45, 65, 75.1)
auf der Oberfläche erzeugt wird, anschliessend wird von der vom
Massstab (8, 18, 28, 38, 48, 58, 68, 78) abgewandten Seite ausgehend
in einem anisotropen Ätzverfahren das Halbleitersubstrat (2, 12, 22, 32,
42, 52, 62, 72.1) geätzt, wodurch das Halbleitersubstrat (2, 12, 22, 32,
42, 52, 62, 72.1) an dieser Stelle bis zur Oxidschicht (5, 15, 25, 35, 45,
65, 75.1) durchgeätzt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass über die
Oxidschicht (5, 15, 25, 35, 45, 65, 75.1) eine Metallisierungsschicht (6,
16, 26, 36, 46, 66, 75.2) angeordnet und anschliessend die
Metallisierungsschicht (6, 16, 26, 36, 46, 66, 75.2) strukturiert und
darüber eine Passivierungsschicht (7, 17, 27, 37, 47, 55, 67, 75.3)
aufgebracht wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass beim
anisotropen Ätzen von der vom Massstab (8, 18, 28, 38, 48, 58, 68, 78)
abgewandten Seite ausgehend derart geätzt wird, dass auf der dem
Massstab (8, 18, 28, 38, 48, 58, 68, 78) zugewandten Seite dünne Stege
(52.1) aus Silizium verbleiben, die einen Abstand zueinander
entsprechend der gewünschten Gitterkonstanten für das Sendegitter (4,
14.1, 24, 34, 44, 52.1, 64, 74) aufweisen und parallel zu den
strukturierten Fotodetektoren (3, 13, 14.2, 23, 33, 43, 53, 63, 73)
ausgerichtet sind.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, dass die Oxidschicht (5, 15, 25, 35, 45, 65, 75.1) aus
SiO2 besteht und eine Dicke von ca. 1 µm aufweist und dass die
Passivierungsschicht (7, 17, 27, 37, 47, 55, 67, 75.3) aus Si3N4 besteht
und eine Dicke von ca. 0,7 µm aufweist.
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