DE202022102299U1 - Empfangselement für einen optoelektronischen Sensor und optoelektronischer Sensor - Google Patents

Empfangselement für einen optoelektronischen Sensor und optoelektronischer Sensor Download PDF

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Abstract

Empfangselement (2) für einen optoelektronischen Sensor (1), umfassend eine erste Photodiode (3) und eine zweite Photodiode (4), wobei die Photodioden (3, 4) in gleicher Richtung in Reihe geschaltet sind, wobei die Anode einer Photodiode (3, 4) mit der Kathode der anderen Photodiode (4, 3) verbunden ist, wobei an der Verbindungsstelle (5) ein Kontakt angeordnet ist für ein Empfangssignal, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Photodiode (3) und die zweite Photodiode (4) in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat (6) angeordnet sind, und die Verbindungsstelle (5) auf oder in dem Halbleitersubstrat (6) angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Empfangselement für einen optoelektronischen Sensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und einen optoelektronischen Sensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6.
  • Die DE 20 2012 009 070 U1 offenbart ein Empfangselement für einen optoelektronischen Sensor, umfassend eine erste Photodiode und eine zweite Photodiode, die nebeneinander auf einer Leiterplatte angeordnet sind, wobei die erste Photodiode eine PIN-Photodiode ist und die zweite Photodiode eine NIP-Photodiode ist.
  • Gemäß der DE 20 2012 009 070 U1 ist ein Abstand zwischen den Photodioden mit einem bevorzugten Bereich von 180 bis 250µm angegeben. Das ist der Bereich, der für den erwähnten Aufbau auf einer Leiterplatte möglich ist, da getrennte Dioden noch einen Schutzring und eine Ritzkante haben, die eine nähere Platzierung ausschließen. Praktisch wäre es zwar möglich durch weitere teure Bearbeitungsschritte den Ritzgraben zu reduzieren, aber auch dann wären bei dem Aufbau auf einer Leiterplatte mit den beschriebenen Photodioden immer noch Abstände von größer 100µm vorhanden.
  • Optoelektronische Sensoren zur Abstandsbestimmung, wie beispielsweise Lichttaster mit Hintergrundausblendung (HGA) arbeiten nach dem Triangulationsverfahren: Ein Sender emittiert Licht und beleuchtet ein Objekt im Erfassungsbereich mittels einer Sendelinse. Die Lichtstrahlen werden von dem Objekt diffus zum Sensor zurückreflektiert und von einer Empfangslinse auf ein PSD-Element (Position-Sensitive-Device) oder eine CCD-Zeile (Charge-Coupled-Device) als Empfangselement fokussiert.
  • Spezielle kostengünstige Sensoren, deren Schaltabstand fest eingestellt sein soll, sollen ohne teure Elektronikbauteile, wie beispielsweise das PSD-Element, auskommen.
  • So ist es beispielsweise bekannt, das PSD-Element bzw. die CCD-Zeile durch eine Doppelphotodiode oder durch eine Anordnung zweier unmittelbar aneinander montierter Photodioden als Emfangselement zu ersetzen. In erster Näherung schaltet der Sensor, wenn der durch die diffuse Reflektion erzeugte Lichtpunkt beide Photodioden gleichstark beleuchtet. Ein nachgeschalteter Differenzverstärker bildet die Differenz aus beiden Photoströmen, welche dann als Eingangssignal der nächsten Auswertestufe dienen. Die Doppelphotodiode kann dabei so geschaltet werden, dass beide Photodioden eine gemeinsame Kathode aufweisen. Werden die beiden Photodioden in Reihe geschaltet, kann auf den Differenzverstärker verzichtet werden.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Empfangselement und einen verbesserten optoelektronischen Sensor bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Empfangselement für einen optoelektronischen Sensor, umfassend eine erste Photodiode und eine zweite Photodiode, wobei die Photodioden in gleicher Richtung in Reihe geschaltet sind, wobei die Anode einer Photodiode mit der Kathode der anderen Photodiode verbunden ist, wobei an der Verbindungsstelle ein Kontakt angeordnet ist für ein Empfangssignal, wobei die erste Photodiode und die zweite Photodiode in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnet sind, und die Verbindungsstelle auf oder in dem Halbleitersubstrat angeordnet ist.
  • Durch eine Integration beider Dioden auf einem Halbleitersubstrat bzw. einem Silizium-Chip ist es möglich, den Abstand zwischen den Photodioden weiter zu reduzieren.
  • Die aktiven Flächen der Photodioden sind dabei miteinander kontaktiert und die Kontaktierung bildet die Verbindungsstelle. Das Empfangselement hat drei Anschlüsse, einen Masseanschluss an einem Diodenende, einen Spannungsanschluss an dem anderen Diodenende und den Ansschluss an der Verbindungsstelle, um das erzeugte Empfangssignal abzugreifen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Empfangselement erfolgt die Differenzbildung bereits direkt auf dem Chip. Dabei wird einer der Kanäle positiv und der andere negativ bewertet.
  • Im Fall, dass beide Dioden gleich stark beleuchtet sind, fließt lediglich ein Querstrom durch die Dioden und an der Verbindungsstelle fließt kein Strom. Wenn die Beleuchtung auf die erste Photodiode größer ist als auf die zweite Photodiode fließt ein Differenz-Strom aus der Verbindungsstelle und wenn die Beleuchtung auf die erste Photodiode kleiner ist als auf die zweite Photodiode fließt der Differenz-Strom in die Verbindungsstelle.
  • Ein großer Vorteil liegt also darin, dass die Differenzbildung bereits in dem Empfangselement stattfindet und dass deshalb kein zweiter Transimpedanzverstärker notwendig ist. Es ist nur ein Transimpedanzverstärker an der Verbindungsstelle notwendig, der Teil einer Steuer- und Auswerteeinheit sein kann. Bereits dadurch, dass nur ein Transimpedanzverstärker notwendig ist, wird bereits ein Kostenvorteil erzielt.
  • Dadurch, dass die Photodioden in gleicher Richtung in Reihe geschaltet sind, kann auf einen Differenzverstärker verzichtet werden, was Kosten und Bauraum auf einer Leiterplatte einspart.
  • Dadurch, dass die erste Photodiode und die zweite Photodiode in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnet sind, ist ein minimaler Abstand der beiden Dioden möglich. Weiter muss auch nur ein einziges Bauteil bestückt werden, und nicht zwei getrennte Photodioden als getrennte Bauteile.
  • Weiter ist der Abstand der ersten Photodiode und der zweiten Photodiode exakt und unveränderlich vorgegeben. Dadurch entfällt eine genaue Justage der Photodioden zueinander.
  • Die Aufgabe wird weiter gemäß Anspruch 6 gelöst durch einen optoelektronischen Sensor, umfassend ein Empfangselement, einen Lichtsender zum Aussenden von Lichtsignalen in einen Überwachungsbereich, eine Steuer- und Ansteuereinheit zur Ansteuerung des Lichtsenders, eine Empfangsoptik und die Steuer- und Auswerteeinheit zur Auswertung der Signale des Empfangselements.
  • Der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor umfasst den Lichtsender oder eine Lichtquelle und das erfindungsgemäßes Empfangselement. Bei der Lichtquelle kann es sich beispielsweise um eine LED, eine Laserdiode oder einen Laser handeln.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist der Abstand zwischen der lichtempfindlichen Fläche der ersten Photodiode und der lichtempfindlichen Fläche der zweiten Photodiode des Empfangselements kleiner 100 µm.
  • Für eine präzise Detektion werden von dem Lichtsender Lichtflecke von z.B. 170 µm Breite erzeugt. Mit einer solchen Lichtfleckgröße muss eine echte Differenzauswertung möglich sein, da dafür zumindest ein Teil des Lichtes auf die zweite Photodiode (z.B. Fernbereich) und auf die ersten Photodiode (z.B. Nahbereich) fallen muss, damit eine Differenzauswertung möglich ist.
  • In Weiterbildung der Erfindung beträgt der Abstand zwischen der lichtempfindlichen Fläche der ersten Photodiode und der lichtempfindlichen Fläche der zweiten Photodiode des Empfangselements zwischen 20 µm und 40 µm.
  • Für eine noch präzisere Detektion werden Lichtflecke von z.B. 100µm Breite erzeugt. Mit einer solchen Lichtfleckgröße muss eine echte Differenzauswertung möglich sein, da dafür zumindest ein Teil des Lichtes auf die zweite Photodiode (z.B. Fernbereich) und auf die ersten Photodiode (z.B. Nahbereich) fallen muss, damit eine Differenzauswertung möglich ist.
  • In Weiterbildung der Erfindung sind die Photodioden PN-Dioden. Die Bezeichnung PN-Diode wird üblicherweise für Halbleiterdioden verwendet, die mit einem p-n-Übergang arbeiten. In der Halbleitertechnik bezieht sich der Begriff PN-Diode nur auf Siliziumdioden mit p-n-Übergang, während andere Varianten durch Namenszusätze gekennzeichnet werden.
  • Beispielsweise ist die erste Photodiode eine PN-Photodiode (Positive-Negative) und die zweite Photodiode ist eine NP-Photodiode (Negative-Positive, andere Bezeichnung für PN-Diode mit umgekehrtem Schichtaufbau) oder umgekehrt die zweite Photodiode ist eine PN-Photodiode (Positive-Negative) und die erste Photodiode ist eine NP-Photodiode (Negative-Positive).
  • Indem beispielsweise zwei unterschiedlich gepolte Photodioden verwendet werden, ist es möglich, diese mit geringem Abstand in dem Halbleitersubstrat zu integrieren.
  • In Weiterbildung der Erfindung sind die PhotodiodenPIN-Dioden.
  • Der Aufbau der PIN-Diode (englisch positive intrinsic negative diode) ist ähnlich einer PN-Diode, mit dem entscheidenden Unterschied, dass sich zwischen der p- und n-dotierten Schicht eine zusätzliche schwach oder undotierte Schicht befindet. Diese Schicht ist somit lediglich intrinsisch leitend (eigenleitend) und wird daher i-Schicht genannt. Die p- und n-Schichten sind somit nicht in direktem Kontakt, und bei Anlegen einer Sperrspannung kommt es zur Ausbildung einer größeren Raumladungszone als bei der klassischen PN-Diode. Da die i-Schicht nur wenige freie Ladungsträger enthält, ist sie hochohmig.
  • Beispielsweise ist die erste Photodiode eine PIN-Photodiode (Positive-Intrinsic-Negative) und die zweite Photodiode ist eine NIP-Photodiode (Negative-Intrinsic-Positive, andere Bezeichnung für PIN-Diode mit umgekehrtem Schichtaufbau) oder umgekehrt die zweite Photodiode ist eine PIN-Photodiode (Positive-Intrinsic-Negative) und die erste Photodiode ist eine NIP-Photodiode (Negative-Intrinsic-Positive).
  • Indem beispielsweise zwei unterschiedlich gepolte Photodioden verwendet werden, ist es möglich, diese mit geringem Abstand in dem Halbleitersubstrat zu integrieren.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist das P-Substrat einer der Photodioden als Wanne ausgebildet und in dieser Wanne das N-Substrat der anderen Photodiode des Empfangselements angeordnet.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist der optoelektronischer Sensor ein Triangulationssensor, ein Lichttaster oder eine Reflexionslichtschranke. Durch die Verwendbarkeit des erfindungsgemäßen Empfangselements in unterschiedlichen optoelektronischen Sensoren kann durch das identische Empfangselement ein kostensparender Stückzahleffekt erzielt werden.
  • Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
    • 1 ein Empfangselement;
    • 2 einen optoelektronischen Sensor;
    • 3 ein Empfangselement.
  • In den nachfolgenden Figuren sind identische Teile mit identischen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt ein Empfangselement 2 für einen optoelektronischen Sensor, umfassend eine erste Photodiode 3 und eine zweite Photodiode 4, wobei die Photodioden 3, 4 in gleicher Richtung in Reihe geschaltet sind, wobei die Anode einer Photodiode mit der Kathode der anderen Photodiode verbunden ist, wobei an der Verbindungsstelle 5 ein Kontakt angeordnet ist für ein Empfangssignal, wobei die erste Photodiode 3 und die zweite Photodiode 4 in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnet sind, und die Verbindungsstelle 5 auf oder in dem Halbleitersubstrat angeordnet ist.
  • Die aktiven Flächen der Photodioden 3, 4 sind dabei miteinander kontaktiert und die Kontaktierung bildet die Verbindungsstelle 5. Das Empfangselement 2 hat drei Anschlüsse, einen Masseanschluss an einem Diodenende, einen Spannungsanschluss an dem anderen Diodenende und den Ansschluss an der Verbindungsstelle 5 um das erzeugte Empfangssignal abzugreifen.
  • Bei dem Empfangselement 5 erfolgt die Differenzbildung bereits direkt auf dem Chip. Dabei wird einer der Kanäle positiv und der andere negativ bewertet.
  • Im Fall, dass beide Photodioden 3, 4 gleich stark beleuchtet sind fließt lediglich ein Querstrom durch die Photodioden 3, 4 und an der Verbindungsstelle 5 fließt kein Strom. Wenn die Beleuchtung auf die erste Photodiode 3 größer ist als auf die zweite Photodiode 4 fließt ein Differenz-Strom aus der Verbindungsstelle 5 und wenn die Beleuchtung auf die erste Photodiode 3 kleiner ist als auf die zweite Photodiode 4 fließt der Differenz-Strom in die Verbindungsstelle 5.
  • Die Differenzbildung erfolgt bereits in dem Empfangselement 2 und deshalb ist kein zweiter Transimpedanzverstärker notwendig. Es ist nur ein Transimpedanzverstärker an der Verbindungsstelle 5 notwendig, der Teil einer Steuer- und Auswerteeinheit sein kann.
  • Dadurch, dass die erste Photodiode 3 und die zweite Photodiode 4 in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnet sind, ist ein minimaler Abstand der beiden Dioden möglich. Weiter muss auch nur ein einziges Bauteil bestückt werden, und nicht zwei getrennte Photodioden als getrennte Bauteile.
  • 2 zeigt einen optoelektronischen Sensor 1, umfassend ein Empfangselement 2, einen Lichtsender 8 zum Aussenden von Lichtsignalen in einen Überwachungsbereich 9, einer Steuer- und Ansteuereinheit 10 zur Ansteuerung des Lichtsenders 8, eine Empfangsoptik 11 und die Steuer- und Auswerteeinheit 10 zur Auswertung der Signale des Empfangselements 2.
  • Der optoelektronische Sensor 1 umfasst den Lichtsender 8 oder eine Lichtquelle und das Empfangselement 2. Bei dem Lichtsender 8 kann es sich beispielsweise um eine LED, eine Laserdiode oder einen Laser handeln.
  • 2 zeigt einen optoelektronischen Sensor 1 zur Verwendung als Triangulationssensor bzw. Lichttaster, welcher ein Empfangselement 2 enthält. Der Lichtsender 8 emittiert Licht durch eine Sendelinse oder die Sendeoptik 12. Dieses wird von einem zu untersuchenden Objekt 14 durch eine Empfangslinse oder Empfangsoptik 11 auf das Empfangselement 2 zurückgeworfen. Das Empfangselement 2 weist eine Nahbereichsphotodiode 3 und eine Fernbereichsphotodiode 4 auf, die in Reihe geschaltet sind. In einer Objektposition, in der das Objekt 14 sich in einem Abstand B von dem optoelektronischen Sensor 1 befindet, wird der Hauptteil des von dem Lichtsender 8 emittierten Lichtes auf die Fernbereichsphotodiode 4 zurückgeworfen.
  • In einer Objektposition, in welcher das Objekt 14 sich in einem Abstand A von dem optoelektronischen Sensor 1 befindet, welcher geringer ist als der Abstand B, wird ein Großteil des von der Lichtquelle emittierten Lichts auf die Nahbereichsphotodiode 3 zurückgeworfen. An der Kathode der Nahbereichsphotodiode 3 liegt eine Spannung von beispielsweise 5 V an. Die Anode der Fernbereichsphotodiode 4 liegt auf Masse. Der von der Fernbereichsphotodiode 4 erzeugte Strom wird durch den Schaltungsaufbau von dem von der Nahbereichsphotodiode 3 erzeugten Strom subtrahiert, sodass ein Strom fließt. Die beiden Photodioden 3, 4 sind mit der elektronischen Steuer- und Auswerteeinheit 10 verbunden, welche mindestens einen Transimpedanzverstärker enthält, an dessen Eingang der Abgriff zwischen den Photodioden 3, 4 anliegt.
  • Beispielsweise ist der Abstand zwischen der lichtempfindlichen Fläche der ersten Photodiode 3 und der lichtempfindlichen Fläche der zweiten Photodiode 4 des Empfangselements 2 kleiner 100 µm.
  • Für eine präzise Detektion werden durch den Lichtsender 8 Lichtflecke von z.B. 170µm Breite bereitgestellt. Mit einer solchen Lichtfleckgröße muss eine echte Differenzauswertung möglich sein, da dafür zumindest ein Teil des Lichtes auf die zweite Photodiode 4 (z.B. Fernbereich) und auf die ersten Photodiode 3 (z.B. Nahbereich) fallen muss, damit eine Differenzauswertung möglich ist.
  • Beispielsweise beträgt der Abstand zwischen der lichtempfindlichen Fläche der ersten Photodiode 3 und der lichtempfindlichen Fläche der zweiten Photodiode 4 des Empfangselements 2 zwischen 20 µm und 40 µm. Für eine präzise Detektion werden Lichtflecke von z.B. 100µm Breite bereitgestellt.
  • Beispielsweise ist eine der Photodioden ein PIN-Diode und die andere Photodiode eine NIP-Diode. Dadurch, dass zwei unterschiedlich gepolte Photodioden verwendet werden, ist es möglich, diese mit geringem Abstand in dem Halbleitersubstrat zu integrieren.
  • 3 zeigt das Halbleitersubstrat 6 des Empfangselements 2. Gemäß 3 ist das p-Substrat der Photodiode 4 als Wanne ausgebildet und in dieser Wanne die n-Zone der Photodiode 4 des Empfangselements angeordnet. Weiter ist in dem p-Substrat der Photodiode 4 die n-Wanne der Photodiode 3 angeordnet. In der n-Wanne der Photodiode 3 ist die p-Wanne der Photodiode 3 angeordnet.ln dieser pn-Übergangszone der Photodiode 4 wird ebenfalls das Licht in Strom umgewandelt.. Es ist zusätzlich möglich, die Übergangszonen durch eine intrinsische Schicht zwischen den jeweiligen pnÜbergängen zu vergrößern, wodurch dann PIN-Dioden entstehen.
  • Beispielsweise ist der optoelektronischer Sensor 1 ein Triangulationssensor, ein Lichttaster oder eine Reflexionslichtschranke. Durch die Verwendbarkeit des Empfangselements 2 in unterschiedlichen optoelektronischen Sensoren kann durch das identische Empfangselement ein kostensparender Stückzahleffekt erzielt werden.
  • Bezugszeichen:
    • 1
    optoelektronischer Sensor
    2
    Empfangselement
    3
    erste Photodiode
    4
    zweite Photodiode
    5
    Verbindungsstelle
    6
    Halbleitersubstrat
    8
    Lichtsender
    9
    Überwachungsbereich
    10
    Steuer- und Auswerteeinheit
    11
    Empfangsoptik
    12
    Sendeoptik
    13
    Triangulationssensor
    14
    Objekt
    p
    p-dotierte Schicht, p-Substrat
    n
    n-dotierte Schicht, n-Substrat
    A
    Abstand
    B
    Abstand
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 202012009070 U1 [0002, 0003]

Claims (8)

  1. Empfangselement (2) für einen optoelektronischen Sensor (1), umfassend eine erste Photodiode (3) und eine zweite Photodiode (4), wobei die Photodioden (3, 4) in gleicher Richtung in Reihe geschaltet sind, wobei die Anode einer Photodiode (3, 4) mit der Kathode der anderen Photodiode (4, 3) verbunden ist, wobei an der Verbindungsstelle (5) ein Kontakt angeordnet ist für ein Empfangssignal, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Photodiode (3) und die zweite Photodiode (4) in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat (6) angeordnet sind, und die Verbindungsstelle (5) auf oder in dem Halbleitersubstrat (6) angeordnet ist.
  2. Empfangselement (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) zwischen der lichtempfindlichen Fläche (7) der ersten Photodiode (3) und der lichtempfindlichen Fläche (7) der zweiten Photodiode (4) kleiner 100 µm ist.
  3. Empfangselement (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) zwischen der lichtempfindlichen Fläche (7) der ersten Photodiode (3) und der lichtempfindlichen Fläche (7) der zweiten Photodiode (4) zwischen 20 µm und 40 µm beträgt.
  4. Empfangselement (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodioden (3, 4) PN-Dioden sind.
  5. Empfangselement (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodioden (3, 4) PIN-Dioden sind.
  6. Empfangselement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das P-Substrat der ersten Photodiode (3) als Wanne ausgebildet ist und in dieser Wanne das N-Substrat der zweiten Photodiode (4) angeordnet ist.
  7. Optoelektronischer Sensor (1), umfassend ein Empfangselement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, einen Lichtsender (8) zum Aussenden von Lichtsignalen in einen Überwachungsbereich (9), eine Steuer- und Auswerteeinheit (10) zur Ansteuerung des Lichtsenders (8), eine Empfangsoptik (11) und der Steuer- und Auswerteeinheit (10) zur Auswertung der Signale des Empfangselements (2).
  8. Optoelektronischer Sensor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der optoelektronische Sensor (1) ein Triangulationssensor (13), ein Lichttaster oder eine Reflexionslichtschranke ist.
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DE202012009070U1 (de) 2012-09-21 2012-11-12 Balluff Gmbh Optoelektronischer Sensor und Empfangselement

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