DE19937809A1 - Optical sensor for measurement of angular or linear displacement has an arrangement of thin film photo-sensitive semiconductor layers and electrodes with one of the electrodes sub- divided to provide position coding - Google Patents
Optical sensor for measurement of angular or linear displacement has an arrangement of thin film photo-sensitive semiconductor layers and electrodes with one of the electrodes sub- divided to provide position codingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Weg- und/oder Winkelsensor.The invention relates to an optical sensor according to the Preamble of claim 1 and a way and / or Angle sensor.
Optische Sensoren zur Winkel- oder Wegbestimmung werden derzeit mit einer oder mehreren Lichtquellen (z. B. Leuchtdioden) und einem Photodetektor, z. B. in Form von einer oder mehreren Photodioden bzw. Photoelementen, aufgebaut.Optical sensors for angle or path determination currently with one or more light sources (e.g. LEDs) and a photodetector, e.g. B. in the form of one or more photodiodes or photo elements, built up.
Bei Winkeldetektoren befindet sich zwischen der Lichtquelle und dem Photodetektor eine kodierte, runde Schlitzscheibe, die an dem zu detektierenden, drehenden System (z. B. ein Lenkgestänge eines Lenkrads) befestigt ist. Bei Wegdetektoren wird an Stelle der Scheibe eine kodierte Schlitzmaske eingesetzt, die an einer Linearverstellung, z. B. einem Pedal, befestigt ist.Angle detectors are located between the light source and a coded, round slit disk for the photodetector, on the rotating system to be detected (e.g. a Steering linkage of a steering wheel) is attached. With path detectors a coded slit mask is used instead of the disk used on a linear adjustment, e.g. B. one Pedal is attached.
Nachteilig bei diesen Sensorsystemen ist der hohe Aufwand zur Herstellung präziser Schlitzmasken, die vergleichsweise große Bautiefe und die durch die Schlitzmasken bedingt begrenzte Meßgenauigkeit.The disadvantage of these sensor systems is the high cost Manufacture of precise slit masks that are comparatively large Construction depth and the limited due to the slot masks Measuring accuracy.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Herstellungsaufwand von Systemen zur Winkel- oder Wegbestimmung zu reduzieren und ihre Meßgenauigkeit zu verbessern.The invention is based, the Manufacturing cost of systems for angle or To reduce path determination and their measuring accuracy improve.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 7 gelöst.This object is achieved by the features of claims 1 and 7, respectively solved.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.In the subclaims are advantageous and expedient Developments of the invention specified.
Die Erfindung geht von einem optischen Sensor mit wenigstens zwei Elektroden und einer oder mehreren dazwischen liegenden photoempfindlichen Schichten aus. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, daß die Elektroden und die eine oder mehrere photoempfindlichen Schichten auf einem flächigen Substrat aufgebracht sind, wobei wenigstens eine Elektrode zur Realisierung einer Positionskodierung, vorzugsweise Weg- oder Winkelkodierung, in mehrere aufeinander abgestimmt strukturierte Detailelektroden unterteilt ist, die separat kontaktierbar sind. Durch den Aufbau auf einem flächigen Substrat, z. B. in Dünnschichttechnik, läßt sich ein Sensor mit sehr geringer Einbautiefe realisieren. Des Weiteren erlaubt der Einsatz von auf der photoempfindlichen Beschichtung angeordneten, beispielsweise photolithographisch erzeugten Elektroden für eine Positionskodierung eine im Vergleich zu kodierten Schlitzmasken wesentlich höhere Auflösung, da sich Strukturen bis in die Größenordnung von 5 µm und darunter herstellen lassen. Darüber hinaus sind die Herstellungskosten für einen derartigen optischen Sensor gering, da sich etablierte Herstellungsverfahren (z. B. aus der Dünnschichttechnik) und häufig verwendete Materialien einsetzen lassen. The invention is based on an optical sensor with at least two electrodes and one or more in between photosensitive layers. The essence of the invention is now that the electrodes and the one or more Photosensitive layers on a flat substrate are applied, at least one electrode for Realization of a position coding, preferably path or Angular coding, coordinated in several structured detail electrodes is divided, separately are contactable. By building on a flat Substrate, e.g. B. in thin film technology, a sensor with a very small installation depth. Furthermore allows the use of on the photosensitive Coating arranged, for example photolithographically generated electrodes for a position coding in Compared to coded slit masks much higher Resolution, since structures are of the order of magnitude 5 µm and below. In addition, the Manufacturing costs for such an optical sensor low, as established manufacturing processes (e.g. from thin film technology) and frequently used materials let insert.
Besonders vorteilhaft ist die Weiterbildung der Erfindung dahingehend, daß wenigstens eine Elektrode transparent oder semitransparent ist. Dadurch lassen sich in der photoempfindlichen Schicht hohe Lichtausbeuten bezogen auf die belichtete Fläche erzielen.The development of the invention is particularly advantageous in that at least one electrode is transparent or is semi-transparent. This allows in the Photosensitive layer based on high luminous efficacy achieve the exposed area.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors umfaßt wenigstens eine Elektrode zur Ausbildung einer Positionskodierung eines auf den Sensor treffenden Lichtstrahls Teilelektroden, die derart in strukturierten Bahnen nebeneinander angeordnet sind, daß bei einer streifenförmigen Belichtung quer zur Bahnrichtung an den Teilelektroden Signale abgegriffen werden können, die in Abhängigkeit von der Position in Bahnrichtung innerhalb vordefinierter Schrittweiten jeweils unterschiedlich sind. Durch diese Maßnahme läßt sich die Zahl der Anschlüsse zu den Teilelektroden im Vergleich zu den unterscheidbaren Positionen deutlich reduzieren. Im Falle einer binären Kodierung um den Faktor Logarithmus 2 aus der Zahl der unterscheidbaren Positionen.In a further embodiment of the sensor according to the invention, at least one electrode for forming a position coding of a light beam striking the sensor comprises partial electrodes which are arranged next to one another in structured paths such that signals can be tapped at the partial electrodes in a strip-shaped exposure transverse to the direction of the path Depending on the position in the web direction are different within predefined increments. This measure allows the number of connections to the partial electrodes to be significantly reduced compared to the distinguishable positions. In the case of binary coding by the factor logarithm 2 from the number of distinguishable positions.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bestehen die eine oder mehreren photoempfindlichen Schichten aus einem organischen Material. Damit lassen sich diese Schichten auf ein Substrat, z. B. Glassubstrat, kostengünstig aufbringen, beispielsweise aufschleudern oder aufgießen. Ein Vakuumschritt ist somit entbehrlich. In diesem Zusammenhang ist es außerdem bevorzugt, wenn zwei Schichten aus organischem Material vorgesehen sind, wovon eine p- und die andere n-leitend ist. Damit kann ein stromliefernder optischer Sensor erzeugt werden, der wie eine Solarzelle auf dem Prinzip der Ladungstrennung an einem p-n-Übergang basiert.In a further embodiment of the invention, the one or more photosensitive layers from one organic material. These layers can then be opened a substrate, e.g. B. glass substrate, inexpensive to apply, for example, spin on or pour on. On Vacuum step is therefore unnecessary. In this context it is also preferred if two layers are made of organic material are provided, of which a p and the other is n-type. This enables a power supplier optical sensor are generated, which is like a solar cell the principle of charge separation at a p-n junction based.
Besonders bevorzugt ist es überdies, wenn wenigstens eine Elektrode aus einem Metall oder Metalloxyd besteht. Derartige Elektroden lassen sich einfach aufbringen (z. B. Aufdampfen, Sputtern oder im Siebdruckverfahren drucken) und können auf die photoempfindliche Schicht so abgestimmt werden, daß Verluste an den Übergangsstellen der Schichten minimiert werden, vorzugsweise ein ohmscher Kontakt entsteht.It is also particularly preferred if at least one Electrode consists of a metal or metal oxide. Such Electrodes are easy to apply (e.g. vapor deposition, Sputter or screen print) and can on the photosensitive layer can be adjusted so that Losses at the transition points of the layers are minimized are, preferably an ohmic contact.
Hinsichtlich der Elektroden ist es außerdem vorteilhaft, wenn wenigstens eine aus einem leitfähigen organischen Material besteht. Ein solches Material läßt sich wie bereits oben erwähnt ohne einen Vakuumschritt oder eine aufwendige Beschichtungsvorrichtung, z. B. in einem Spinprozeß, aufbringen, wodurch die Herstellungskosten gering gehalten werden können.With regard to the electrodes, it is also advantageous if at least one made of a conductive organic material consists. Such a material can be used as above mentioned without a vacuum step or an elaborate one Coating device, e.g. B. in a spin process, apply, keeping the manufacturing costs low can be.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf einen Weg- und/oder Winkelsensor mit einer Lichtquelle und einem photoempfindlichen Element, bei welchem das photoempfindliche Element eine oder mehrere auf einem Substrat angeordnete flächige photoempfindliche Schichten mit flächigen Elektroden zur Kontaktierung, insbesondere einen oben beschriebenen optischen Sensor umfaßt, der in Abhängigkeit von der Position eines Lichtstrahls der Lichtquelle auf den einen oder die mehreren photoempfindlichen Schichten jeweils unterscheidbare Ausgangssignale liefert. Auf diese Weise läßt sich ein Weg- oder Winkelsensor realisieren, mit welchem im Vergleich zu herkömmlichen Weg- oder Winkelsensoren, die mit einer kodierten Blende arbeiten, vergleichsweise exaktere Positionsangaben zu erhalten sind. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß eine photolitographisch erzeugte Elektrodenanordnung auf der einen oder den mehreren photoempfindlichen Schichten für eine Weg- oder Winkelkodierung ausgelegt ist.Another aspect of the invention relates to a way and / or angle sensor with a light source and a photosensitive member in which the photosensitive member Element one or more arranged on a substrate flat photosensitive layers with flat electrodes for contacting, in particular one described above optical sensor, which depends on the position a light beam from the light source to one or the other several photosensitive layers each distinguishable Provides output signals. In this way, a way- or realize angle sensor with which compared to conventional displacement or angle sensors, which with a coded aperture work, comparatively more precise Position information can be obtained. This applies in particular to the case that a photolithographically generated Electrode arrangement on the one or more photosensitive layers for a path or Angle coding is designed.
Schließlich ist es bevorzugt, wenn für eine geometrische Festlegung eines von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahls eine Schlitzblende eingesetzt wird. Dabei kann sich zur Erfassung einer Weg- oder Winkelveränderung in Bezug auf das photoempfindliche Element entweder die Blende bewegen und das photoempfindliche Element feststehen oder umgekehrt.Finally, it is preferred if for a geometric Definition of a light beam emanating from the light source a slit diaphragm is used. It can become Detection of a change in path or angle in relation to the photosensitive element either move the aperture and that photosensitive element fixed or vice versa.
Ein Ausführungsbeispiele der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert.An embodiment of the invention is in the drawings shown and in the description below Details of further advantages and details explained.
Es zeigenShow it
Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines optischen Wegsensors im Querschnitt und Fig. 1 shows a schematic structure of an optical displacement sensor in cross section and
Fig. 2 eine Elektrodenanordnung für einen optischen Wegsensor nach Fig. 1 in einer schematischen Draufsicht. Fig. 2 shows an electrode arrangement for an optical displacement sensor according to Fig. 1 in a schematic plan view.
In Fig. 1 ist ein schematischer Schichtaufbau eines optischen Wegsensors 1 im Querschnitt mit Elektronikeinheit 2 und Lichtquelle 3 dargestellt. Der optische Wegsensor 1 besteht aus einem Trägersubstrat 4, beispielsweise ein Glassubstrat, auf welches die folgenden Schichten aufgebracht sind: Unmittelbar auf das Trägersubstrat 4 folgt eine "Grundelektrode" 5, z. B. eine aufgedampfte Goldschicht. Auf der Grundelektrode 5 ist eine p-leitende organische Halbleiterschicht 6 angeordnet, gefolgt von einer n-leitenden organischen Halbleiterschicht 7. Beide organische Halbleiterschichten sind photoempfindlich. Auf diese Weise wird, wie bei einer Solarzelle, ein p-n-Übergang realisiert, durch den eine Ladungstrennung von Ladungsträgern herbeigeführt wird, die durch Lichteinstrahlung generiert werden. Durch die Grundelektrode 5 und eine auf den n- und p- Halbleiterschichten angeordnete "Topelektrode" 8 (z. B. aus ITO = Indium Tin Oxide, Indium-Zinnoxid) lassen sich die durch Lichteinstrahlung mittels der Lichtquelle 3 generierten Ladungsträger abgreifen. Ein entsprechender Stromfluß kann dann in der Elektronikeinheit 1, die mit der Grundelektrode 5 und der Topelektrode 8 über die angedeuteten Leitungen 9, 10 elektrisch verbunden ist, ausgewertet werden.In Fig. 1 is a schematic layer structure of an optical displacement sensor 1 in cross section to the electronic unit 2 and the light source 3 is shown. The optical displacement sensor 1 consists of a carrier substrate 4 , for example a glass substrate, to which the following layers are applied: Immediately on the carrier substrate 4 is a "base electrode" 5 , e.g. B. an evaporated gold layer. A p-type organic semiconductor layer 6 is arranged on the base electrode 5 , followed by an n-type organic semiconductor layer 7 . Both organic semiconductor layers are photosensitive. In this way, as in the case of a solar cell, a pn junction is implemented, by means of which charge separation is carried out from charge carriers which are generated by light irradiation. The charge carriers generated by light irradiation by means of the light source 3 can be tapped off by the base electrode 5 and a “top electrode” 8 arranged on the n- and p-semiconductor layers (for example made of ITO = indium tin oxide, indium tin oxide). A corresponding current flow can then be evaluated in the electronics unit 1 , which is electrically connected to the base electrode 5 and the top electrode 8 via the indicated lines 9 , 10 .
Vor der Lichtquelle 3 sitzt eine Schlitzblende 11, um einen balkenförmigen Lichtstrahl zu erzeugen.A slit diaphragm 11 is located in front of the light source 3 in order to generate a beam-shaped light beam.
Im Ausführungsbeispiel ist der optische Wegsensor fest angeordnet, wogegen sich die Lichtquelle 3 mit Blende 11 entsprechend einer zu detektierenden Linearbewegung bewegt. Diese Linearbewegung des balkenförmigen Lichtstrahls wird durch die gemäß Fig. 2 strukturierte Topelektrode 8 ausgewertet. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Topelektrode 8 aus transparentem oder semitransparentem Material besteht, um die darunter liegenden Halbleiterbereiche belichtet zu können. Eine lichtdurchlässige Topelektrode läßt sich mit ITO erzielen, wodurch mit in der Dünnschichttechnik üblichen Schichtdicken eine Lichtransmission von ca. 80% erzielt werden kann.In the exemplary embodiment, the optical displacement sensor is arranged in a fixed manner, whereas the light source 3 with the diaphragm 11 moves in accordance with a linear movement to be detected. This linear movement of the bar-shaped light beam is evaluated by the top electrode 8 structured according to FIG. 2. It is preferred if the top electrode 8 is made of transparent or semitransparent material in order to be able to expose the semiconductor regions underneath. A translucent top electrode can be achieved with ITO, whereby a light transmission of approx. 80% can be achieved with layer thicknesses customary in thin-film technology.
Zur Auswertung einer Linearbewegung ist die Topelektrode 8 in, hier beispielhaft dargestellt, drei Teilelektroden 12, 13, 14 unterteilt. Die Teilelektroden 12, 13, 14 sind streifenförmig und liegen parallel nebeneinander. Bei der Teilelektrode 12 besteht die erste Hälfte der Elektrodenflächen lediglich aus einem schmalen Kontaktierungssteg, bei der Teilelektrode 13 besteht das erste Viertel sowie das dritte Viertel der Elektrodenfläche aus einem Kontaktierungssteg und bei der Teilelektrode 14 das erste, dritte, fünfte, siebte Achtel der Elektrode. Die Elektroden weisen in Längsrichtung die gleiche Länge auf und sind bündig zueinander ausgerichtet. Durch diese Anordnung der Elektroden wird eine binäre 3-Bit-Kodierung für die Position eines schmalen Lichtbalkens realisiert, der quer zu den Elektroden alle drei Elektroden überdeckt und sich in Längsrichtung bewegen kann. Dabei macht man sich den Effekt zunutze, daß der Elektrodenstrom von der Fläche der Elektroden im belichteten Teil über den photoempfindlichen Schichten abhängig ist. Mit einer entsprechenden Schwellwertauswertung kann dem Elektrodenstrom für eine Positionierung des Lichtbalkens an einer ausgesparten Stelle eine "Null" zugeordnet werden, wogegen für eine Positionierung des Lichtbalkens an der flächigen Elektrode eine "Eins" zugeordnet wird. Damit sind insgesamt acht unterschiedliche Positionen anhand einer binären 3-Bit- Kodierung unterscheidbar. Beispielsweise ist einer Position für den Lichtbalken im dritten Achtel der Elektroden (in Fig. 2 von rechts nach links betrachtet) die binäre Zahl 101 zugeordnet.To evaluate a linear movement, the top electrode 8 is divided into three sub-electrodes 12 , 13 , 14 , shown here by way of example. The partial electrodes 12 , 13 , 14 are strip-shaped and lie parallel to one another. In the partial electrode 12 , the first half of the electrode surfaces consists only of a narrow contact web, in the partial electrode 13 the first quarter and the third quarter of the electrode surface consist in a contact web and in the partial electrode 14 the first, third, fifth, seventh eighth of the electrode. The electrodes have the same length in the longitudinal direction and are aligned flush with one another. This arrangement of the electrodes realizes a binary 3-bit coding for the position of a narrow light bar which covers all three electrodes transversely to the electrodes and can move in the longitudinal direction. This takes advantage of the effect that the electrode current is dependent on the area of the electrodes in the exposed part above the photosensitive layers. With a corresponding threshold value evaluation, a "zero" can be assigned to the electrode current for positioning the light bar at a recessed position, whereas a "one" can be assigned for positioning the light bar on the flat electrode. A total of eight different positions can thus be distinguished using binary 3-bit coding. For example, the binary number 101 is assigned to a position for the light bar in the third eighth of the electrodes (viewed from right to left in FIG. 2).
Dementsprechend können z. B. 256 Positionen pro Längeneinheit der Elektrode unterschieden werden, sofern acht im Sinne der Elektroden von Fig. 2 entsprechend strukturierte Teilelektroden angeordnet werden.Accordingly, e.g. B. 256 positions per unit length of the electrode can be distinguished, provided eight correspondingly structured partial electrodes are arranged in the sense of the electrodes of FIG. 2.
Der Lichtbalken, der durch die Schlitzblende 11 erzeugt wird, kann beispielsweise, wie in Fig. 1 ersichtlich, die Breite 15 aufweisen, die geringer als ein Achtel der Elektrodenlänge ist.For example, as can be seen in FIG. 1, the light bar which is generated by the slit diaphragm 11 can have a width 15 which is less than one eighth of the electrode length.
Zur Auswertung des von einem Lichtbalken erzeugten Signals verfügt jede Teilelektrode 12, 13, 14 über einen separaten elektrischen Anschluß.To evaluate the signal generated by a light bar, each sub-electrode 12 , 13 , 14 has a separate electrical connection.
Für eine Winkelbestimmung läßt sich eine derartige Elektrodenanordnung auch z. B. kreisförmig anordnen. Such an arrangement can be used for an angle determination Electrode arrangement also z. B. arrange in a circle.
In einer weiteren Ausführungsform kann die strukturierte Elektrode 8, welche in Fig. 2 aus den Teilelektroden 12, 13, 14 besteht, auch aus einem nicht undurchlässigen Kontaktmaterial bestehen, wobei die Belichtung in diesem Fall von der Rückseite erfolgt. Das heißt, sowohl das Substrat 4 als auch die Grundelektrode 5 sollten lichtdurchlässig sein. In a further embodiment, the structured electrode 8 , which in FIG. 2 consists of the partial electrodes 12 , 13 , 14 , can also consist of a non-impermeable contact material, in which case the exposure takes place from the rear. That is, both the substrate 4 and the base electrode 5 should be translucent.
11
Optischer Wegsensor
Optical displacement sensor
22nd
Elektronikeinheit
Electronics unit
33rd
Lichtquelle
Light source
44th
Trägersubstrat
Carrier substrate
55
Grundelektrode
Base electrode
66
p-Halbleiterschicht
p-type semiconductor layer
77
n-Halbleiterschicht
n semiconductor layer
88th
Topelektrode
Top electrode
99
Leitung
management
1010th
Leitung
management
1111
Blende
cover
1212th
Teilelektrode
Partial electrode
1313
Teilelektrode
Partial electrode
1414
Teilelektrode
Partial electrode
1515
Breite des Lichtbalkens
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Legal Events
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| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |