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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Sensorvorrichtung zum Detektieren von Objekten in einem Überwachungsbereich, umfassend ein Substrat, wenigstens einen gehäusefreien Laserlichtemitter, welcher auf dem Substrat innerhalb einer in dem Substrat vorgesehenen Vertiefung angeordnet ist, wobei die Vertiefung eine schräg zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats verlaufende Reflexionsfläche aufweist, welche dazu eingerichtet ist, von dem Laserlichtemitter zunächst parallel zu der Haupterstreckungsebene emittiertes Sendelicht in Richtung des Überwachungsbereichs umzulenken, und wenigstens einen auf dem Substrat angeordneten Lichtempfänger, welcher dazu eingerichtet ist, aus dem Überwachungsbereich remittiertes Sendelicht zu empfangen und in elektrische Signale umzuwandeln. Die Erfindung betrifft ferner eine in einer solchen Sensorvorrichtung einsetzbare Lichtsenderanordnung.
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Eine derartige Sensorvorrichtung kann beispielsweise als Scanvorrichtung ausgestaltet sein, bei welcher das von einem Lichtsender, insbesondere einem Laserlichtemitter oder dergleichen erzeugte Sendelicht über eine Lichtablenkeinheit in einen zu überwachenden Überwachungsbereich gelenkt und dort von einem gegebenenfalls vorhandenen Objekt remittiert wird. Erforderlichenfalls können strahlformende Elemente vorgesehen sein, welche das emittierte Sendelicht zu einem Sendelichtstrahl bündeln bzw. das remittierte Sendelicht auf den Lichtempfänger bündeln.
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Das remittierte Sendelicht gelangt wieder zurück zu der Überwachungsvorrichtung und wird dort von dem Lichtempfänger detektiert und in elektrische Signale umgewandelt. Die Lichtablenkeinheit ist zum Beispiel schwenkbar bzw. drehbar ausgestaltet, so dass der von dem Laserlichtemitter erzeugte Lichtstrahl periodisch ein der Schwenk- oder Drehbewegung entsprechendes im Überwachungsbereich vorhandenes Schutzfeld überstreicht. Wird ein von dem Lichtempfänger empfangenes reflektiertes Lichtsignal aus dem Überwachungsbereich empfangen, so kann aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit auf die Winkellage des Objektes im Schutzfeld geschlossen werden. Wenn die Sensorvorrichtung nach Auswertung der Lichtsignale ein unzulässiges Objekt in dem Überwachungsbereich detektiert, so kann diese beispielsweise ein entsprechendes Objekterfassungssignal ausgeben.
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Unter remittiertem Sendelicht wird in diesem Zusammenhang allgemein spiegelnd oder diffus reflektiertes oder remittiertes Sendelicht verstanden, wobei die Reflexion oder Remission insbesondere durch ein Objekt oder auch durch einen Reflektor erfolgen kann. Unter dem Begriff „Licht“ wird hier nicht nur sichtbare, d.h. für das menschliche Auge sichtbare elektromagnetische Strahlung verstanden, sondern jegliche Form von optischer Strahlung, d.h. insbesondere auch ultraviolettes oder infrarotes Licht subsumiert.
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Weiterhin kann die Sensorvorrichtung auch als Lichttaster oder Lichtschranke ohne periodisch ablenkende Ablenkeinheit ausgestaltet sein.
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Bei herkömmlichen Sensorvorrichtungen sind der Lichtsender und der Lichtempfänger in Form von diskreten Bauelementen, die jeweils in einem separaten Halbleitergehäuse angeordnet sind, auf einer gemeinsamen oder auch auf zwei getrennten Leiterplatten angeordnet. Der Herstellungsaufwand derartiger diskret aufgebauter Sensorvorrichtungen ist insbesondere wegen der erforderlichen Bestückung und des nachgelagerten Lötprozesses sehr kostenintensiv. Auch der Aufwand für das Design, die Integration in übergeordnete Gehäuse und nicht zuletzt für notwendige Testdurchgänge der Prototypen und Serienexemplare ist erheblich und verursacht weitere Kosten.
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Zudem sind bei einem diskreten Aufbau der Sensorvorrichtung einer weitergehenden Miniaturisierung Grenzen gesetzt, so dass häufig viele denkbare neue und verbesserte Anwendungen für herkömmliche Sensorvorrichtungen alleine aufgrund des benötigten Bauraums nicht oder nur mit Schwierigkeiten verwirklicht werden können.
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Aus der
DE 690 32 953 T2 ist ein Laserabtastsystem zum Lesen von Strichcodesymbolen oder dergleichen bekannt, bei dem die Lichtquelle und der Lichtempfänger auf einem einzelnen Halbleiter- oder elektrooptischen Substrat angeordnet sind. Als Lichtquelle ist ein Halbleiterlaser vorgesehen, dessen Ausgangsstrahl mit Hilfe eines ebenfalls auf dem Substrat angeordneten piezoelektrischen Scanelements über das abzutastende Strichcodesymbol gelenkt wird. Durch die Integration des Scanelements auf dem Substrat wird jedoch der Herstellungsprozess verkompliziert und verteuert. Zudem muss das Scanelement bereits bei der Fertigung der Sensorvorrichtung mit hoher Präzision justiert werden, da eine nachträgliche Justierung nicht mehr möglich ist. Zudem ist das dort beschriebene Abtastsystem nur für scannende Anwendungen sinnvoll einsetzbar, wodurch die Verwendbarkeit dieses Abtastsystems eingeschränkt ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optoelektronische Sensorvorrichtung zu ermöglichen, welche kompakt aufgebaut, günstig zu fertigen und vielseitig einsetzbar ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ist insbesondere vorgesehen, dass die Reflexionsfläche durch eine im Substrat ausgebildete Wandungsfläche der Vertiefung gebildet ist. Im Unterschied zu dem in
DE 690 32 953 T2 beschriebenen Abtastsystem erfolgt eine Umlenkung des von dem Laserlichtemitter emittierten Sendelichts nicht durch eine bewegliche, piezoelektrisch angetriebene Reflexionsfläche, sondern durch eine starre Wandungsfläche des Substrats. Dadurch vereinfacht sich die Fertigung erheblich. Probleme, die bei einer fehlerhaften Justierung des piezoelektrischen Scanelements entstehen können, sind bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung aufgrund der starr ausgebildeten Reflexionsfläche ausgeschlossen. Zudem lässt sich die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung nicht nur bei scannenden Überwachungssensoren verwenden, sondern auch bei Überwachungssensoren mit unbewegtem Sendelichtstrahl wie beispielsweise Lichtschranken, Lichttastern oder Lichtgittern. Sofern tatsächlich eine Ablenkeinheit benötigt wird, lässt sich diese anwendungsspezifisch mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung kombinieren, was eine erheblich höhere Flexibilität ermöglicht. Schließlich ist bei einem Ausfall der Ablenkeinheit kein Komplettaustausch des gesamten Substrats einschließlich Lichtquelle und Lichtempfänger erforderlich, sondern ist lediglich auf die Ablenkeinheit beschränkt.
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Der gehäusefreie Laserlichtemitter und/oder der vorzugsweise gehäusefrei ausgestaltete Lichtempfänger sind vorteilhafterweise nicht als ein auf das Substrat aufgelötetes gehaustes Bauteil ausgeführt, sondern durch Dotierung, Epitaxie, Schichtauftrag, Bedampfen oder vergleichbare Verfahren auf dem Substrat hergestellt. Grundsätzlich können der Laserlichtemitter und/oder der Lichtempfänger auch in Form eines entsprechenden Halbleiterchips auf das Substrat gebondet sein.
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Die schräg zu der Haupterstreckungsebene des Substrats verlaufende Reflexionsfläche bzw. Wandungsfläche verläuft insbesondere in einem Winkelbereich von 30 bis 60°, bevorzugt 35 bis 55°, insbesondere auch in einem Winkelbereich von 40 bis 50°, vorteilhafterweise auch in einem Winkel von 45° geneigt zu der Haupterstreckungsebene des Substrats.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung entspricht die Haupterstreckungsebene einer ersten Kristallebene des Substrats und die Wandungsfläche ist durch eine zweite, von der ersten Kristallebene verschiedene Kristallebene des Substrats definiert. Hierdurch lässt sich die Wandungsfläche besonders einfach und mit einer besonders glatten Oberfläche herstellen, was gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dadurch erfolgen kann, dass die Vertiefung mittels eines anisotropen nasschemischen Ätzverfahrens eingebracht ist. Beim Ätzen von Silizium werden dabei die unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeiten in den Kristallebenen in monokristallinen Siliziumsubstraten in speziellen Ätzlösungen ausgenutzt. Hierfür können beispielsweise Ätzlösungen, insbesondere basische Ätzlösungen, verwendet werden, z.B. Lösungen von Kaliumhydroxid (KOH), Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) sowie Natriumhydroyid (NaOH), Lithiumoxid (LiOH) und Ammoniumhydroxid (NH4OH).
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Das Substrat kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ein kristallines Siliziumsubstrat sein, wobei die erste Kristallebene die (100)-orientierte Kristallebene und die zweite Kristallebene die (111)-orientierte Kristallebene ist. Bei diesen Kristallebenen beträgt der Winkel zwischen der Wandungs- bzw. Reflexionsfläche und der Haupterstreckungsebene 54,7°. Die zu entfernende (100)-Ebene wird durch anisotrope nasschemische Ätzverfahren schneller als die (110)-Ebene und viel schneller als die u.a. als Reflexionsfläche verbleibende (111)-Ebene geätzt, so dass die Vertiefung die gewünschte topf- oder grabenförmige Struktur mit schrägen Wandungsflächen aufweist. Grundsätzlich können jedoch auch andere geeignete Substrate, wie beispielsweise Galliumarsenid (GaAs) und/oder andere Kristallebenen bzw. Kristallorientierungen gewählt werden.
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Vorteilhafterweise weist die Wandungsfläche eine reflektierende Beschichtung, insbesondere eine Metallbeschichtung auf. Die Beschichtung kann beispielsweise aufgedampft, elektrochemisch abgeschieden oder in anderer Weise aufgebracht werden.
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Vorteilhafterweise ist der Laserlichtemitter ein Kantenlaserlichtemitter. Derartige Kantenlaserlichtemitter zeichnen sich durch eine höhere Leistung, insbesondere eine höhere Pulsleistung und auch durch eine größere Modenstabilität im Vergleich zu Oberflächenlaserlichtemittern (VCSEL, von Englisch: vertical-cavity surface-emitting laser) aus. Allerdings tritt bei derartigen Kantenlaserlichtemittern das Licht parallel zu einer Erstreckungsebene des den Emitter bildenden Halbleiters auf. Wenn also ein derartiger Kantenlaserlichtemitter durch Schichtauftrag auf dem Substrat hergestellt wird, tritt das Sendelicht parallel zu der Haupterstreckungsebene des Substrats aus der Laserstruktur aus. In dem Fall sorgt die geneigt verlaufende Wandungsfläche für eine geeignete Umlenkung des Sendelichts in Richtung des Überwachungsbereichs.
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Vorteilhafterweise ist der Lichtempfänger eine Fotodiode, insbesondere eine Avalanche-Fotodiode (APD) bzw. in einer vorteilhaften Weiterentwicklung eine Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD, von engl. single-photon avalanche diode). APDs zeichnen sich durch ein schnelles Ansprechverhalten und eine hohe Empfindlichkeit aus.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Substrat eine erste Substratschicht und eine zweite Substratschicht, wobei die zweite Substratschicht unmittelbar an der dem Überwachungsbereich abgewandten Fläche der ersten Substratschicht angeordnet ist, wobei die Vertiefung in der zweiten Substratschicht ausgebildet ist, wobei der Laserlichtemitter im Bereich der Vertiefung auf der dem Überwachungsbereich abgewandten Fläche der ersten Substratschicht angeordnet ist, und wobei die erste Substratschicht eine der Wandungsfläche gegenüberliegende Lichtaustrittsöffnung für das umgelenkte Sendelicht aufweist. Die Schichtgrenzen verlaufen parallel zu der Haupterstreckungsebene des Substrats, wobei insbesondere beide Substratschichten miteinander verbunden oder gebondet sind. Die weiter vorne genannten Orientierungen der ersten und zweiten Kristallebenen, die sich dort allgemein auf das Substrat beziehen, können sich insbesondere auch auf die Orientierungen der Kristallebenen der ersten und/oder der zweiten Substratschicht beziehen, im Besonderen auf diejenige Substratschicht, welche die Vertiefung aufweist.
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Die erste Substratschicht befindet sich demnach zwischen der zweiten Substratschicht und dem Überwachungsbereich. Die Vertiefung ist in der zweiten Substratschicht ausgebildet und ist in Richtung der ersten Substratschicht offen, so dass der auf der ersten Substratschicht angeordnete Laserlichtemitter in die Vertiefung hineinragen kann. Die Vertiefung weist eine Höhe auf, die sinnvollerweise größer ist als die Bauhöhe des Laserlichtemitters, so dass ein Kontakt zwischen dem Laserlichtemitter und dem Boden der Vertiefung vermieden wird. Grundsätzlich ist jedoch auch eine umgekehrte Anordnung möglich, d.h. die Vertiefung ist als durchgehende Vertiefung in der ersten Substratschicht ausgebildet, während der Laserlichtemitter auf der dem Überwachungsbereich zugewandten Fläche der zweiten Substratschicht angeordnet ist. In dem Fall bildet die Vertiefung zugleich die Lichtaustrittsöffnung.
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Vorteilhafterweise ist der Lichtempfänger gehäusefrei ausgestaltet und auf der dem Überwachungsbereich zugewandten Fläche der zweiten Substratschicht angeordnet, wobei die erste Substratschicht im Bereich des Lichtempfängers eine Lichteintrittsöffnung aufweist. Demnach befindet sich der Laserlichtemitter auf der ersten Substratschicht und der Lichtempfänger auf der zweiten Substratschicht. Dadurch können die jeweiligen Substratschichten den für die Ausbildung von Laserlichtemitter und Lichtempfänger notwendigen Verfahrensschritten unabhängig voneinander unterzogen werden. Etwaige Maskierungsmaßnahmen, bei denen beispielsweise bereits hergestellte Emitter für die Herstellung der Empfänger abgedeckt werden müssen, können entfallen.
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Der Lichtempfänger erstreckt sich insbesondere in die Lichteintrittsöffnung hinein, wobei vorteilhafterweise der Querschnitt der Lichteintrittsöffnung so groß gewählt ist, dass der Lichtempfänger nirgends an die Wandungen der Lichteintrittsöffnung anstößt und ein ungehinderter Lichteintritt möglich ist. Der Querschnitt der Lichteintrittsöffnung kann über die Dicke der ersten Substratschicht konstant sein oder sich auch in Richtung des Überwachungsbereichs erweitern, z.B. als konische oder trichterförmige Öffnung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann im Bereich der Lichtaustrittsöffnung und/oder der Lichteintrittsöffnung ein jeweiliges strahlformendes optisches Element vorgesehen sein. Das strahlformende optische Element kann insbesondere als Sammellinse zur Parallelisierung des austretenden Sendelichts bzw. zur Fokussierung oder Kollimation des eintretenden remittierten Sendelichts ausgestaltet sein. Vorteilhafterweise ist das strahlformende optische Element als Mikrolinse ausgebildet.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein im Bereich der Lichtaustrittsöffnung vorgesehenes strahlformendes optisches Element dazu eingerichtet ist, die Ausbreitungsrichtung des durchtretenden Sendelichts derart zu beeinflussen, dass die optische Achse des Sendelichts nach dem Durchtritt im Wesentlichen senkrecht zu der Haupterstreckungsebene des Substrats verläuft. Um das den Laserlichtemitter parallel zur Haupterstreckungsebene verlassende Sendelicht so umzulenken, dass es senkrecht zu der Haupterstreckungsebene des Substrats in den Überwachungsbereich emittiert wird, müsste die als Reflexionsfläche dienende Wandungsfläche des Substrats idealerweise eine Neigung von 45° zu der Haupterstreckungsebene aufweisen. Falls jedoch die Reflexionsfläche durch eine Kristallebene gebildet werden soll, die eine von 45° abweichende Neigung aufweist, kann es erforderlich sein, zur Korrektur dieser Neigungsabweichung das Sendelicht nochmals geringfügig abzulenken. Dies kann beispielsweise refraktiv durch ein entsprechendes optisches Keilelement oder auch durch ein geeignetes diffraktiv wirkendes strahlformendes optisches Element erfolgen. Grundsätzlich kann das ablenkende strahlformende optische Element durch eine entsprechende Ausgestaltung auch die Funktion der Fokussierung oder Kollimation übernehmen und damit beide genannten Funktionalitäten vereinen. Geringfügige verbleibende Abweichungen von einem senkrechten Verlauf der optischen Achse des Sendelichts in Bezug auf die Haupterstreckungsebene des Substrats nach dem Durchtritt durch das strahlformende Element können sich aus tolerierten Fertigungsabweichungen oder auch aus gewollten Abweichungen ergeben, die beispielweise zu einer Reduktion des Parallaxenfehlers vorgesehen sein können.
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Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Substrat ferner eine optisch transparente dritte Substratschicht aufweist, welche an die dem Überwachungsbereich zugewandte Fläche der ersten Substratschicht angrenzt. Die dritte Substratschicht kann insbesondere die Lichteintritts- und Lichtaustrittsöffnungen überdecken und damit die darunterliegenden Substratschichten vor Verschmutzung und Beschädigung schützen. Die dritte Substratschicht kann insbesondere mit den anderen Substratschichten, insbesondere der ersten Substratschicht mechanisch verbunden (gebondet) sein. Die dritte Substratschicht kann beispielsweise aus Glas oder Kunststoff (zum Beispiel Polymethylmethacrylat (PMMA)) sein.
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Vorteilhafterweise sind das oder die strahlformenden optischen Elemente in die dritte Substratschicht integriert oder auf diese aufgebracht oder integral in der dritten Substratschicht ausgebildet. Die strahlformenden optischen Elemente können beispielsweise als separate Elemente in die dritte Substratschicht eingebettet oder auf diese aufgebracht, beispielsweise geklebt, sein. Weiterhin können die strahlformenden optischen Elemente auch in der dritten Substratschicht ausgeformt sein, beispielweise durch geeignete Spritzgussformen, welche die notwendigen Konturen für die optischen Elemente umfassen. Grundsätzlich kann die dritte Substratschicht im Bereich der strahlformenden Elemente refraktiv oder diffraktiv, z.B. mittels Fresnel-Zonen oder dergleichen, wirken.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der Laserlichtemitter und der Lichtempfänger in lateral voneinander beabstandeten Bereichen desselben Substrats angeordnet, wobei die Bereiche durch einen oder mehrere im Substrat vorgesehene Gräben voneinander getrennt sind. Der oder die Gräben bewirken eine elektrische Entkopplung zwischen dem Emitter und dem Empfänger. Sofern das Substrat zumindest eine erste und zweite Substratschicht aufweist, erstreckt sich der oder die Gräben nur durch die erste und zweite Substratschicht hindurch. Sofern gemäß einer vorstehend erläuterten entsprechenden Ausführungsform eine dritte Substratschicht vorgesehen ist, hält diese die verschiedenen, durch Gräben getrennten Bereiche mechanisch zusammen. Eine elektrische Trennung der Bereiche lässt sich alternativ oder zusätzlich auch mittels geeigneter durchschlagfester Oxidschichten herstellen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere Laserlichtemitter und/oder mehrere Lichtempfänger auf demselben Substrat vorgesehen, welche in einem Array, insbesondere in einer jeweiligen Reihe, angeordnet sind. Dadurch kann ein Lichtgitter oder ein Lichtvorhang verwirklicht werden, bei dem die mehreren Emitter und Empfänger auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Dadurch vereinfachen sich die Fertigung und die Handhabung bei der Montage eines entsprechenden Lichtgitters oder Lichtvorhangs.
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In dem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein jeweiliger Laserlichtemitter dazu eingerichtet ist, Sendelicht mit zumindest einer bestimmten Emissionswellenlänge, welche sich von der Emissionswellenlänge eines anderen Laserlichtemitters unterscheidet, zu emittieren, und/oder ein jeweiliger Lichtempfänger eine Empfangswellenlänge aufweist, welche sich von der Empfangswellenlänge eines anderen Lichtempfängers unterscheidet, wobei bevorzugt einem Laserlichtemitter mit einer bestimmten Emissionswellenlänge ein Lichtempfänger mit der korrespondierenden Empfangswellenlänge zugeordnet ist. Unter der Empfangswellenlänge wird sowohl eine einzelne mehr oder weniger diskrete Wellenlänge verstanden als auch eine charakteristische Wellenlänge eines begrenzten Spektralbereichs, z.B. eine Wellenlänge für welche der Lichtempfänger eine maximale Empfindlichkeit aufweist. Unter einer korrespondierenden Empfangswellenlänge wird dieselbe Wellenlänge wie die entsprechende Emissionswellenlänge verstanden. Insbesondere kann jedes aus einem Emitter und einem zugeordneten Empfänger bestehende Paar eine andere Emissionswellenlänge bzw. Empfangswellenlänge aufweisen. Alternativ können jedoch auch Gruppen oder Teilmengen von Emittern und/oder Empfängern mit jeweils der gleichen Wellenlänge vorgesehen sein. Eine Zuordnung eines Lichtempfängers zu einem Laserlichtemitter kann in räumlicher und/oder funktionaler Weise erfolgen.
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Durch die vorstehend beschriebene spektrale Aufspreizung der Sende- bzw. Empfangslichtwellenlängen kann beispielsweise eine Charakterisierung der Art eines erfassten Objekts erfolgen, da die Absorption und/oder Remission des Sendelichts durch das Objekt in Abhängigkeit von der Oberfläche des Objekts wellenlängenabhängig erfolgen kann.
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Weiterhin kann eine Sensorvorrichtung, welche mit mehreren Wellenlängenbereichen arbeitet, in einem sogenannten Mehrlagenscanner, bei dem mehrere übereinanderliegende Scanebenen vorgesehen sind, derart betrieben werden, dass ein Übersprechen zwischen einzelnen Scanebenen dadurch vermieden wird, dass jeder Scanebene ein bestimmter Wellenlängenbereich bzw. eine bestimmte Wellenlänge zugeordnet wird.
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Weiterhin kann dadurch auch eine Sensorvorrichtung geschaffen werden, bei welcher neben einem Emitter-Empfänger-Paar, das mit unsichtbarem Licht (UV-oder IR-Licht) betrieben wird, zusätzlich auch zumindest ein Laserlichtemitter vorgesehen ist, welcher sichtbares Sendelicht in Form eines Justagestrahls emittiert, welches den Erfassungsbereich oder Scanbereich eines die Sensorvorrichtung umfassenden Überwachungssensors visualisiert.
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Die Lösung der Aufgabe kann ferner durch eine Lichtsenderanordnung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 18 erfolgen. Die Lichtsenderanordnung umfasst ein Substrat und wenigstens einen gehäusefreien Laserlichtemitter, welcher auf dem Substrat innerhalb einer in dem Substrat vorgesehenen Vertiefung angeordnet ist, wobei die Vertiefung eine schräg zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats verlaufende Reflexionsfläche aufweist, welche dazu eingerichtet ist, von dem Laserlichtemitter zunächst parallel zu der Haupterstreckungsebene emittiertes Sendelicht umzulenken, beispielsweise in einen Überwachungsbereich einer optoelektronischen Sensorvorrichtung. Die Reflexionsfläche ist durch eine im Substrat ausgebildete Wandungsfläche der Vertiefung gebildet.
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Besonders vorteilhaft kann eine derartige Lichtsenderanordnung Teil einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung sein.
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Eine derartige Lichtsenderanordnung kann beispielsweise jedoch auch als Komponente einer optoelektronischen Sensorvorrichtung zum Detektieren von Objekten in einem Überwachungsbereich eingesetzt werden, bei welcher ein Lichtempfänger, welcher dazu eingerichtet ist, aus dem Überwachungsbereich remittiertes Sendelicht zu empfangen und in elektrische Signale umzuwandeln separat, insbesondere räumlich getrennt oder beabstandet von der Lichtsenderanordnung vorgesehen ist, beispielsweise bei einer Reflexionslichtschranke oder einem Reflexionslichttaster oder einer Einweglichtschranke.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Vorstehend beschriebene vorteilhafte Ausgestaltungen der Sensorvorrichtung einschließlich der entsprechenden Unteransprüche beziehen sich in analoger Weise auch auf die Lichtsenderanordnung, soweit sie nicht ausschließlich auf Merkmale gerichtet sind, die lediglich den Lichtempfänger betreffen.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
- 1 einen Querschnitt durch eine optoelektronische Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt eine optoelektronische Sensorvorrichtung 10, die eine Komponente eines optoelektronischen Überwachungssensors, beispielsweise eines Laserscanners, eines Lichtgitters oder eines Lichtvorhangs, bilden kann.
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Die Sensorvorrichtung 10 ist dafür eingerichtet, emittiertes Sendelicht 30 in einen Überwachungsbereich 40 abzustrahlen und von einem gegebenenfalls in dem Überwachungsbereich 40 vorhandenen Objekt (nicht dargestellt) remittiertes Sendelicht 32 zu detektieren.
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Die Sensorvorrichtung 10 umfasst ein Substrat 12, welches eine erste Substratschicht 14 und eine zweite Substratschicht 16 umfasst, wobei diese Substratschichten 14, 16 aus einem kristallinen Siliziumsubstrat hergestellt sind. Weiterhin umfasst das Substrat 12 eine dritte Substratschicht 18 aus einem optisch transparenten Material, beispielsweise Glas oder PMMA. Die zweite Substratschicht 16 ist unmittelbar an der dem Überwachungsbereich 14 abgewandten Fläche der ersten Substratschicht 14 angeordnet, während die dritte Substratschicht 18 unmittelbar an der dem Überwachungsbereich zugewandten Fläche der ersten Substratschicht 14 angeordnet ist. Die Substratschichten 14, 16, 18 können durch geeignete Bondingmittel bzw. Bondingverfahren mechanisch miteinander verbunden sein.
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In der ersten Substratschicht 14 sind eine Lichtaustrittsöffnung 34 und eine Lichteintrittsöffnung 36 in Form von Durchgängen ausgebildet.
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In der zweiten Substratschicht 16 ist eine topf- oder grabenförmige Vertiefung 26 ausgebildet, welche durch ein geeignetes nasschemisches Ätzverfahren oder auch durch andere Verfahren, insbesondere mechanische Verfahren in die zweite Substratschicht 16 eingebracht sein kann.
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Auf der dem Überwachungsbereich 40 abgewandten Seite der ersten Substratschicht 14 ist ein als Kantenlichtlaseremitter ausgestalteter Laserlichtemitter 20 angeordnet, welcher Sendelicht 30 im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats 12 emittiert. Eine beispielhafte Haupterstreckungsebene kann insbesondere durch die Grenze zwischen der ersten und der zweiten Substratschicht 14, 16 definiert sein, wobei auch eine beliebige andere, hierzu parallele Ebene als eine Haupterstreckungsebene angesehen werden kann.
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Der Laserlichtemitter 20 befindet sich ungefähr in der Mitte der Vertiefung 26 und ragt etwas in diese hinein. Die Vertiefung 26 weist zumindest eine schräg zu der Haupterstreckungsebene des Substrats 12 verlaufende Wandungsfläche 28 auf, welche als Reflexionsfläche 28 für das emittierte Sendelicht 30 dient. Im Ausführungsbeispiel ist eine Haupterstreckungsebene des Substrats 12 bzw. der Silizium-Substratschichten 14, 16 durch die (100)-Kristallebene gebildet, während die Wandungsfläche 28 durch die (111)-Kristallebene definiert ist. Daher schließen die Haupterstreckungsebene und die Wandungsfläche 28 einen Kristallwinkel α von 54,7° ein.
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Das an der Reflexions- bzw. Wandungsfläche 28 reflektierte Sendelicht 30 tritt durch die Lichtaustrittsöffnung 34 und die dritte Substratschicht 18 hindurch und passiert anschließend ein strahlformendes optisches Element 24a, welches auf der dem Überwachungsbereich 40 zugewandten Seite des dritten Substrats 18 angeordnet ist. Das optische Element 24a ändert einerseits die Ausbreitungsrichtung des emittierten Sendelichts 30 derart, dass es die Sensorvorrichtung 10 in einer senkrecht zu der Haupterstreckungsebene des Substrats 12 verlaufenden Richtung verlässt. Ferner bewirkt das optische Element 24a eine Kollimation des ursprünglich divergenten Sendelichts 30 zu einem annähernd parallelen Sendelichtstrahl.
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Auf der dem Überwachungsbereich 40 zugewandten Fläche der zweiten Substratschicht 16 ist ein Lichtempfänger 22 angeordnet, welcher ungefähr mittig in die Lichteintrittsöffnung 36 hineinragt. Der Lichtempfänger 22 kann beispielsweise als Fotodiode, insbesondere als Avalanche-Fotodiode (APD) oder als Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD, von engl. single-photon avalanche diode), ausgebildet sein.
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Aus dem Überwachungsbereich 40 remittiertes Sendelicht 32 tritt durch ein strahlformendes optisches Element 24b hindurch, wodurch es in Richtung des Lichtempfängers 22 fokussiert wird. Das remittierte Sendelicht 32 tritt dann durch die dritte Substratschicht 18 hindurch und passiert auf dem Weg zum Lichtempfänger 22 die Lichteintrittsöffnung 36.
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Die optischen Elemente 24a, 24b können - wie in 1 dargestellt - als separate Elemente auf der dritten Substratschicht 18 aufgebracht sein oder auch integral in der dritten Substratschicht 18 ausgeformt sein. Die optischen Elemente 24a, 24b können beispielsweise als Mikrolinsen ausgestaltet sein. Alternativ können anstelle der refraktiven optischen Elemente 24a, 24b auch diffraktive optische Elemente verwendet werden, die beispielsweise in Form von Fresnel-Zonen in der Oberfläche der dritten Substratschicht 18 ausgeformt sein können oder als Folien auf die dritte Substratschicht 18 aufgeklebt sein.
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Der auf der ersten Substratschicht 14 vorgesehene Laserlichtemitter 20 und/oder der auf der zweiten Substratschicht 16 vorgesehene Lichtempfänger 22 können durch geeignete Verfahren, beispielweise durch Dotierung, Epitaxie, Schichtauftrag und/oder der Bedampfen auf oder alternativ auch in der jeweiligen Substratschicht 14, 16 hergestellt sein.
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Die Reflexionsfläche 28 kann zur Verbesserung der reflektierenden Eigenschaften mit einer Beschichtung, insbesondere einer Metallbeschichtung versehen sein.
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Bei der beispielhaften Sensorvorrichtung 10 besteht ein Vorteil darin, dass der Laserlichtemitter 20 auf der ersten Substratschicht 14 und der Lichtempfänger 22 auf der zweiten Substratschicht 16 angeordnet ist. Dadurch können der Laserlichtemitter 20 und der Lichtempfänger 22 jeweils unabhängig voneinander auf der jeweils zugeordneten Substratschicht 14, 16 hergestellt werden, was die Handhabung bei der Herstellung wesentlich vereinfacht.
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Elektrische Zu- und Ableitungen zu und von dem Laserlichtemitter 20 und von und zu dem Lichtempfänger 22 können ebenso wie weitere elektrische oder elektronische Komponenten, z.B. passive Bauelemente, Verstärker oder Steuerschaltungen, auf oder in den Substratschichten 14, 16 vorgesehen sein (nicht dargestellt).
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Um eine elektrische Entkopplung zwischen dem Laserlichtemitter 20 und dem Lichtempfänger 22 zu gewährleisten, kann zwischen beiden ein Graben 38 ausgebildet sein, welcher sich vollständig durch die erste und die zweite Substratschicht 14, 16 hindurch erstreckt. Die beiden dadurch entstehenden Teilbereiche der ersten und zweiten Substratschicht 14, 16 bleiben über die dritte Substratschicht 18 mechanisch miteinander verbunden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Lichtsenderanordnung gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel denjenigen Teilabschnitt der Sensorvorrichtung 10, welcher den Laserlichtemitter 20 aufweist und sich bis an den Graben 38 erstreckt (der linke Teil von 1).
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Bezugszeichenliste
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- 10
- optoelektronische Sensorvorrichtung
- 12
- Substrat
- 14
- erste Substratschicht
- 16
- zweite Substratschicht
- 18
- dritte Substratschicht
- 20
- Laserlichtemitter
- 22
- Lichtempfänger
- 24a, 24b
- optisches Element
- 26
- Vertiefung
- 28
- Reflexionsfläche, Wandungsfläche
- 30
- emittiertes Sendelicht
- 32
- remittiertes Sendelicht
- 34
- Lichtaustrittsöffnung
- 36
- Lichteintrittsöffnung
- 38
- Graben
- 40
- Überwachungsbereich
- α
- Kristallwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69032953 T2 [0008, 0010]
