DE3209043C2 - Fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtung - Google Patents
Fotoelektrische Bewegungs-MeßeinrichtungInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung handelt von einer photoelektrischen Kodiereinrichtung mit einem ersten optischen Gitter, in welchem schmale lichtdurchlässige Bereiche oder schmale lichtreflektierende Bereiche in regelmäßiger Anordnung angeordnet sind. Fernerhin ist ein zweites optisches Gitter vorgesehen, welches Halbleiterschichten aufweist, die die photoelektrische Umwandlungsfunktion durchführen. Die photoelektrischen Umwandlungsbereiche und die lichtabschirmenden Bereiche sind dabei in vorgegebenen regelmäßigen Abständen angeordnet, und zwar derart, daß sie gegenüberliegend zu dem ersten optischen Gitter angeordnet sind. Das zweite optische Gitter ist dabei derart ausgebildet, daß praktisch über die gesamte Oberfläche der Halbleiterschichten eine Stromsammlung zustande kommt. Zweckmäßigerweise erfolgt die Umwandlung der einfallenden Lichtwerte mit Hilfe einer Vielzahl vorgesehener Photo-FET-Elemente. Fernerhin erscheint es zweckmäßig, die Halbleiterschicht aus einem amorphen Halbleitermaterial herzustellen, welches auf der Basisplatte aufgebracht wird.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtungen sind Geräte, welche eine physikalische Größe in Veränderungen
der Lichtintensität umwandeln, weiche wiederum fotoelektronisch umgesetzt werden, so daß der auf
diese Weise gebildete elektrische Strom der Veränderung der physikalischen Größe entspricht Da mit derartigen
fotoelektrischen Bewegungs-Meßeinrichiungen ein elektrischer Strom kontaktlos und mit geringen
Rauschsignalen behaftet erzeugt wird, sind derartige Meßeinrichtungen in den verschiedensten Bereichen
der Meßtechnik verwendbar.
Bei derartigen fotoelektrischen Bewegungs-Meßeinrichtungen sind einige derart ausgestaltet, daß sie die
Veränderungen der physikalischen Größe durch eine relative Bewegung zwischen einem Paar von optischen
Gittern feststellen. Derartige Einrichtungen werden beispielsweise in Verbindung mit Längenmeßgeräten, fotoelektrischen
Schublehren, Zifferblattlehren und Mikrometern verwendet, wobei ihre Verwendung ebenfalls
bei Koordinatenmeßgeräten vorgesehen ist.
Bei fotoelektrischen Bewegungs-Meßeinrichtungen gibt es solche der rotierenden Art, bei welchen die optischen
Gitter gegeneinander verdreht werden. Gs gibt fernerhin fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtungen
der linearen Art, bei welchen die Bewegung dieser Gitter in Längsrichtung erfolgt. Die vorliegende Erfindung
bezieht sich dabei auf eine fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtung der linearen Art.
Aus dir DE-AS 19 62 099 ist eine fotoelektrische Einrichtung
der eingangs genannten Art bekannt. Dort sind auf einer Glasträgerschicht fotoelektrische Wandlerelemente
gitterförmig aufgetragen. Bei einer Bewegung eines Skalengitters relativ zu einem Indexgitter ändert
sich das auf die Wandlerelemente auftreffende Licht periodisch, so daß fotoelektrische Stromimpulse erzeugt
werden. Die fotoelektrischen Halbleiterelcmente sind schichtweise auf dem Glasträger aufgetragen. Da
zur Bildung der Fotoelemente eine kammartige Anordnung aus einer Schaltung mit Widerständen und Kapazitäten
gebildet wird, besteht die Gefahr, daß insbesondere bei hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen den
Gittern aufgrund eines /?C-Filtereffektes hohe Frequenzen möglicherweise ausgefiltert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtung
derart zu verbessern, daß auch bei hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen den Gittern eine genaue
Messung möglich ist. Dabei soll sich die Meßeinrichtung einfach und kompakt herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche.
Die Erfindung soll nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben werden,
wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform
einer fotoelektrischen Bewegungs-Meßeinrichtung gemäß der Erfindung,
F i g. 2 eine Draufsicht des zweiten optischen Gitters gemäß der Erfindung,
F i g. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 von F ig. 2,
F i g. 4 eine schemalische Ansicht des Ausg;ingssignals
der fotoelektrischcn Bewegungs-Meßeinrichtung von Fig. 1,
F i g. 5 eine schematische Ansicht einer Ausführungs-
form des zweiten optischen Gitters,
F i g. 6 ein äquivalentes Schaltdiagramm des zweiten optischen Gitters gemäß F i g. 5,
Fig. 7A —D schematische Schnittansichten zur Erläuterung
des Herstellungsverfahrens des zweiten optischen Gitters,
Fig. 8 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung,
F i g. 9 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer fotoelektrischen Bewegungs-Meßeinrichtung
gemäß der Erfindung,
F i g. !0 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform einer fotoelektischen Bewegungs-Meßeinrichtung
gemäß der Erfindung,
F i g. 11 eine schematische Draufsicht der Bewegungs-Meßeinrichtung
von Fig. 10,
Fig. 12 eine Schnittansicht entlang der Linie 13-13
von Fi g. 11,
Fig. 13A — E schematische Ansichten zur Erläuterung
der Herstellung des zweiten optischen Gitters bei der Ausführungsform von Fig. 10,
Fig. 14 eine schematische Ansicht einer fünften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen fotoelektrischen Bewegungs-Meßeinrichtung,
Fig. 15 eine schematische Ansicht einer sechsten Ausführungsform einer fotoelektrischen Bewegungs-Meßeinrichtung
gemäß der Erfindung,
Fig. 16 eine .schematische Draufsicht auf das zweite
optische Gitter der Ausführungsform von F i g. 15,
Fig. 17 eine Schnittansicht entlang der Linie 18-18 von Fi g. 16,
Fig. 18A —F schematische Ansichten zur Erläuterung
lies Herstellungsverfahrens des zweiten optischen Gilters der Ausführungsform von Fig. 15 und
Fig. 19 eine schematische Darstellung zur Erläuterung
des Herstellungsverfahrens eines zweiten optischen Gitters, welches mit einer amorphen Halbleiterschichi
versehen ist.
F i g. 1 zeigt eine fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtung der linearen Art, mit welcher die Länge eines
Objektes gemessen werden kann, mit zwei optischen Gittern 10 und 12. Fi g. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen fotoelektrischen Bewegungs-Meßeinrichtung,
bei welcher das optische Gitter die Funktion der fotoelektrischen Umwandlung übernimmt.
Fig. 2 zeigt dabei die obere Fläche des optischen Gitters 12 von Fig. 1, während Fig.3 eine
Schniitansicht entlang der Linie 4-4 von Fig. 2 darstellt.
Das zweite optische Gitter 12 ist dabei gegenüberliegend /u dem ersten optischen Gitter 10 angeordnet,
welches an der Basispiatte des betreffenden Meßinstruments befestigt ist. Das zweite optische Gitter 12 kann
hingegen zusammen mit einer Sonde bewegt werden, die in Übereinstimmung mit der zu messenden Größe
verschiebbar ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Veränderung der Lichtintensität entsprechend
der relativen Bewegung der beiden optischen Gitter mit Hilfe einer Fotodiodengruppe in elektrischen
Strom umgewandelt, wobei diese Fotodiodengruppe auf dem zweiten optischen Gitter 12 angeordnet ist. Auf
diese Weise kann ein Strom ohne Reduzierung der Lichtnienge und mit sehr hohem Wirkungsgrad festgestellt
«.erden. Die Fotodiodengruppe bei dieser Ausführungsform
kann dabei mit Hilfe des folgenden Verfahrens hergestellt werden.
Aul der oberen Fläche eines N-Halbleiterbettes 28
wird eine Oxidschicht 30 (SiOj) hergestellt. Dabei werden
schmale Schlitzbereiche 32 gebildet, die in Längsrichtung des zweiten optischen Gitters 12 angeordnet
sind, wobei die Längserstreckung der Schlitzbereiche 32 in Breitenrichtung des zweiten optischen Gitters 12 erfolgt.
Unterhalb der Schlitzbereiche 32 sind innerhalb des Halbleiterbettes 28 P-Typ Halbleiterschichten 34
vorgesehen, welche durch Diffusion hergestellt werden. Entlang der P-N-Trennschichten der P-Typ Halbleiterschichten
34 und innerhalb des N-Typ Halbleiterbettes 28 ergibt sich somit eine Fotodiodenanordnung, deren
ίο schmale Lichtempfangsflächen in regelmäßiger Anordnung
entlang der Längsseite des optischen Gitters 12 angeordnet sind, wobei diese Anordnung in F i g. 2 gezeigt
ist. Zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit ist fernerhin das Halbleiterbett 28 durch Klebstoff an
der Basisplatte 26 befestigt, welche beispielsweise aus G!as, rostfreiem Stahl usw. bestehen kann.
Bei der beschriebenen Ausführungsform erfolgt die fotoelektrische Umwandlung mit Hilfe der Fotodiodenanordnung,
welche in genau vorgegebener Anordnung auf dem Halbleiterbett 28 angeordnet ist. Das Halbleiterbett
28 mit den schmalen Schlitzbereichen 32 der Oxidschicht 30 entsprechen dabei lichtabschirmenden
Bereichen und lichtdurchlässigen Bereichen. Bezüglich der P-N-Trennschichten des zweiten Gitters 12 sei zusätzlich
erwähnt, daß dieselben sich über die gesamte Breite des zweiten optischen Gitters 12 erstrecken, um
auf diese V/eise die lichtempfangende Fläche möglichst groß zu halten. Auf diese Weise ist es möglich, daß das
von dem ersten optischen Gitter 10 durchgelassene Licht mit hohem Wirkungsgrad in einen elektrischen
Strom umgewandelt werden kann. Um fernerhin die Genauigkeit des gemessenen Wertes zu erhöhen, besitzen
die einzelnen P-N-Trennschichten eine Breite von jeweils nur einigen μ. Der mit Hilfe dieser P-N-Trennschichten
des zweiten optischen Gitters 12 gebildete elektrische Strom wird dabei in folgender Weise abgeleitet.
Gemäß F i g. 2 und 3 ist zusätzlich eine Siromsammelschicht
36 vorgesehen, welche auf der Oxidschicht 30 und der Halbleiterschicht 34 zum Aufliegen gelangt, wobei
die gesamte obere Fläche des optischen Gitters 12 bedeckt wird. Die elektrischen Ladungsträger treten dabei
zwischen der Stromsammeischicht 36 und dem Halbleiterbett 28 auf. Die Stromsammeischicht 36 besteht
aus einem gegenüber infraroten Strahlen durchlässigen leitfähigen Material, wie oxidiertes Iridium, oxidiertem
Zinn oder dergleichen. Das Ableiten des elektrischen Stromes von der Stromsammeischicht 36 an die
anschließenden Stromkreise erfolgt mit Hilfe einer Elektrode, welche im Endbereich der Stromsammeischicht
36 vorgesehen ist. Auf der anderen Seite ist das Halbleiterbett 28 mit einer weiteren Elektrode verbunden,
die mit den anschließenden Stromkreisen verbunden ist.
Die die Stromsammeischicht 36 und die Oxidschicht 30 erreichenden Infrarotstrahlen werden daran gehindert,
an den beiden Übergangsstellen reflektiert zu werden, weil sowohl die Stromsammeischicht 36 wie auch
die Oxidschicht 30 hohe Refraktions-Indices besitzen.
Dadurch ergibt sich über die beiden Übergangsstellen hinweg ein gutes Eindringen der Infrarotstrahlen, so daß
ein sehr hoher Wirkungsgrad der fotoelektrischen Umwandlung zustandekommt. Die die Stromsammeischicht
36 t/reichenden Infrarostrahlen gelangen dabei mit hohem
Wirkungsgrad durch die Halbleiterschichten 34 in den Bereich der P-N-Trennschichten. Die Stromsammeischicht
36 wirkt dabei zusätzlich als Schutzschicht, so daß sowohl die P-N-Trennschichten als auch die P-
Halbleiterschichten 34 gegenüber dem Einfluß der Außenatmosphäre geschützt werden.
Die Funktionsweise der beschriebenen Anordnung ist wie folgt: Die von der Lichtquelle 18 erzeugten Infrarotstrahlen
werden mit Hilfe der Collimatorlinse 22 parallel ausgerichtet und auf das optische Gitter 12 geworfen.
Da in diesem Fall die Infrarotstrahlen nicht durch das zweite optische Gitter 12 hindurchgeleitet werden, erfolgt
die Zufuhr dieser Strahlen zu dem optischen Gitter 12 mit geringer Intensitätsabnahme. Die das optische
Gitter 12 erreichenden Infrarotstrahlen werden praktisch ohne Reflexion durch die Stromsammeischicht 36
geleitet, so daß sie die P-N-Trennschichten erreichen. Innerhalb der P-N-Trennschichten werden dann Elektronenlöcherpaare
erzeugt, was zur Ausbildung einer fotoelektromotorischen Kraft zwischen dem Halbleiterbett
28 und der Halbleiterschicht 34 führt. Diese fotoelektromotorische Kraft ergibt eine Spannung, welche
der an den P-N-Trennschichten empfangenen Lichtmenge entspricht. Auf diese Weise ergibt sich ein fotoelektronischer
Strom, welcher von der Elektrode der P-Typ Halbiciterschicht 34 zu der Elektrode des N-Typ
Halbleiterbettes 28 in Übereinstimmung mit der Intensität der Infrarotstrahlen fließt.
Sobald die Meßsonde einer Bewegung ausgesetzt wird und das zweite optische Gitter 12 sich gegenüber
dem ersten optischen Gitter 10 verschiebt, verändert sich die durch den lichtdurchlässigen Teil 14A des ersten
optischen Gitters 10 die P-N-Trennschichten des zweiten optischen Gitters 12 erreichende Lichtmenge, was
eine entsprechende Veränderung des elektrischen Stromes an der Elektrode der Stromsammeischicht 36 zur
Folge hat, wobei der an die anschließenden Kreise abgegebene Strom der die P-N-Trennschichten erreichenden
Lichtmenge entspricht. Der auf diese Weise abgeleitete elektrische Strom ist in F i g. 4 gezeigt, wobei es
einleuchtend ist, daß in Übereinstimmung mit der gegenseitigen Bewegung der Schlitze ein sinusförmiges
Ausgangssignal gebildet wird.
Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Licht nur durch ein einziges optisches Gitter hindurchgeleitet
wird, ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad der Lichtumwandlung, was eine Verringerung des Stromverbrauchs
im Bereich der Lichtquelle zur Folge hat. Weiterhin ergibt sich eine Verringerung der Lichtrefraktion während
auf der anderen Seite die gebildeten Meßsignale einen geringen Rauschfaktor besitzen. Im Rahmen der
vorliegenden Erfindung ergibt sich somit eine fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtung mit geringem
Stromverbrauch und sehr klein gehaltenem Meßfehler. Die Meßeinrichtung kann fernerhin sehr klein gebaut
werden.
Bei der beschriebenen Ausführungsform ergibt sich fernerhin eine geringe Phasendifferenz zwischen dem
an den Elektroden des Halbleiterbettes und der Stromsammelschicht
auftretenden Signal und der fotoelektromotorischen Kräfte, welche entlang der einzelnen Fotodioden
auftreten. Der Grund dafür ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß die Stromsammeischicht so ausgebildet
ist, daß sie sich praktisch über alle Halbleiterschichten des zweiten optischen Gitters 12 erstreckt.
Wenn beispielsweise das zweite optische Gitter 12 eine Elektrodenanordnung entsprechend F i g. 5 besitzt,
dann ergeben «,ich zwischen den fotoelektromotorischen
Kräften der entsprechenden Fotodioden auf der Ausgangsseitc des zweiten optischen Gitters relativ
große Phasendifferenzen. Bei diesem zweiten optischen Gitter 12 von Fig. 5 ist auf dem Halbleiterbett 28 eine
kammförmige Halbleiterschicht 34 aufgebracht, auf welcher wiederum entlang der Längsseite des /weiten
optischen Gitters 12 beispielsweise durch Dainpfbeschichtung eine Stromsammeischiene 38 aufgelegt wird.
Das Ausgangssignal des zweiten optischen Gitters 12 ergibt sich dann zwischen einer an der Stromsammelschiene
38 angeschlossenen Elektrode und einer ;iuf der Seite des Halbleiterbettes 28 angeordneten weiteren
Elektrode, von wo aus der Ausgangsstrom an Ausgangskiemmen 40 und 42 geführt wird.
In Fig.5 ist die Breite der aus den Halbleiterschichten
34a, 346, 34c.., gebildeten Kammzähne mit W bezeichnet, während deren Länge den Wert L besitzt. Um
die Meßgenauigkeit zu erhöhen, muß die Breite Wäußerst
klein, d. h. in der Größenordnung von einigen μ gewählt werden, während zur Verbesserung der Meßempfindlichkeit
die Länge L im Vergleich zur Breite W sehr groß gewählt werden muß. Wenn nun bei sehr
großen UW-Verhältnissen ein Stromfluß in Längsrichtung der einzelnen Bereiche zustandekommt, dann werden
die Widerstandswerte der Halbleiterschichten 34a, 34£, 34c... relativ groß, wobei sie bei einem tatsächlichen
Gerät den Wert von einigen Kiloohm annehmen können.
F i g. 6 zeigt den äquivalenten Stromkreis des zweiten optischen Gitters 12 von Fig. 5. Dieser äquivalente
Stromkreis besteht dabei aus einer C7?-Leiter, welche
aus den Widerständen R\... Rk ... Rn und den Kapazitäten Ci... Ck... Cn aufgebaut ist. Die Widerstände R1
... Rk... Rn entsprechen dabei den Widerstandswerten der Halbleiterschichten 34a, 340, 34c ..., während die
Kapazitäten Q ... Ck...Cnden zwischen den Halbleiterschichten
34a, 34£>, 34c... und dem Halbleiterbett 28
bestehenden Kapazitätswerten entsprechen.
Falls die Frequenz des an den Klemmen 40 und 42 abgegebenen Ausgangssignals hoch ist, kann es bei der
Elektrodenanordnung von F i g. 5 unter Umständen möglich sein, wegen dem /?C-Filtereffekt der entsprechenden
P-N-Trennschichten eine entsprechende Messung durchzuführen. Dies ergibt sich aufgrund der Tatsache,
daß die Widerstände R\ ... Rk ... Rn von F i g. 6 einen hohen Widerstandswert besitzen, während auf der
anderen Seite zwischen den beiden optischen Gittern 10 und 12 eine hohe Relativgeschwindigkeit vorhanden ist.
Im Gegensatz zu dem optischen Gitter von F i g. 5 kann bei dem zweiten optischen Gitter gemäß der vorliegenden
Erfindung der Widerstandswert der Widerstände R] ... Rk ... Rn von F i g. 6 vernachlässigt werden,
weil praktisch über die gesamten Halbleiterschichten hinweg eine Stromsammeischicht vorgesehen ist.
Die fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtung gemäß der Erfindung besitzt somit den Vorteil, daß die Relativgeschwindigkeit
der zwei Gitter sehr hoch gemacht werden kann, was eine sehr rasche Durchführung der
Messung erlaubt.
Aufgrund des entwickelten Herstellungsverfahrens kann das zweite optische Gitter gemäß der Erfindung
sehr einfach hergestellt werden, was ebenfalls der Genauigkeit der Meßeinrichtung zugutekommt. Das in
F i g. 7 beschriebene Verfahren dient dabei zur Herstellung des optischen Gitters 12 von F i g. 1 bis 3. Entsprechend
Fig. 7A wird auf dem N-Typ-Halbleiterbelt 28
eine dünne Oxidschicht 30, beispielsweise aus SiO2, aufgebracht.
Entsprechend F i g. 7B werden dann durch Fotoätzverfahren die Schlitzbereiche 32 hergestellt. Entsprechend
Fig. 7C wird dann eine Diffusion der P-Typ-Störstellen
bei höheren Temperaturen durchgeführt, was dazu führt, daß die Diffusion in dem Bereich des
N-Typ-Halblciterbeties unterhalb der Schlitze 32 zuslandekommi,
wodurch die Halblciterschichten 34 gebildet werden. Die Dicke der Halbleilersehichien 34 betragt
dabei einige μ. Entsprechend Fig. 7D wird dann über die gesamte obere Fläche ein lichtdurchlässiges,
leitfähiges Material aufgebracht, wodurch die Stromsammelschicht 36 gebildet wird. Auf der Seite des N-Typ-Halbleiterbettes
28 wird schließlich noch eine Elektrode befestigt, während an einem Endbereich der
Stromsammeischicht 36 die Befestigung einer weiteren Elektrode erfolgt. Auf diese Weise kann das zweite optische
Gitter 12 sehr einfach hergestellt werden. Da die Halbleiterschichten 34 in gewünschter Weise bezüglich
Anordnung, Formgebung und Größe hergestellt werden können, besitzen die erzielten Meßwerte eine hohe
Genauigkeit.
In dem Folgenden soll unter Bezugnahme auf Fig.8
eine /weite vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung
beschrieben werden, wobei gleiche Bezugszeichen Verwendung finden. Diese Ausführungsform kennzeichnet
sich dadurch, daß zusätzliche N-Typ-Halbleiterschichten
44 innerhalb der P-Typ-Halbleiterschichten 34 erzeugt werden, so daß im Gegensatz zur Ausführungsform
von Fig. 1 mit ihren Fotodioden nunmehr Fototransistoren gebildet werden. Diese N-Typ-Halbleiterschichten
44 können dabei sehr einfach durch das in Verbindung mit Fig.7 beschriebene selektive
Diffusionsverfahren erzeugt werden. Das zweite optische (Jitter 12 besteht somit aus Transistoren, welche
einen Verstärkungseffekt besitzen, so daß auf der Empfangsseite eine hohe Lichtempfindlichkeit erzielbar ist.
F i g. 9 zeigt eine dritte vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, wobei im Vergleich zu den bisher beschriebenen
Figuren entsprechende Bezugszeichen verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform wird das
von der Lichtquelle 18 der Halbleiterschicht 34 zugeführle Licht nach Reflexion an dem ersten optischen
Gitter 10 dem zweiten optischen Gitter 12 zugeführt. Die Lichtquelle 18 und die Collimatorlinse 22 sind somit
im Vergleich zu dem ersten optischen Gitter 10 unter einem vorgegebenen Winkel angeordnet. Die Basisplatte
14 des ersten optischen Gitters 10 muß fernerhin aus einem lichtreflektierenden Material, beispielsweise rostfreiem
Stahl hergestellt sein. Auf derselben müssen dann schmale lichtabsorbierende Bereiche 46 vorgesehen
sein. Bei dieser Ausführungsform werden somit die Licht reflektierenden und Licht nicht reflektierenden
Teile durch die Basisplatte 14 und die Licht absorbierenden Bereiche 46 gebildet. Von der Lichtquelle 18 abgegebenes
Licht kann somit an das zweite optische Gitter 12 gelangen, falls dasselbe durch die Collimatorlinse 22
hindurchgelassen und von den reflektierenden Bereichen des ersten optischen Gitters 10 reflektiert wird. Bei
dieser Ausführungsform ergeben sich dieselben Eigenschaften wie bei dem zuerst beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel.
Die Fig. 10 bis 12 zeigen eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist auf
der Basisplatte 26 das N-Typ-Halbleiterbett 28 aufgesetzt,
auf welche wiederum eine P-Typ-Halbleiterschicht 50 aufgebracht ist. Aufgrund der beiden Schichten
50 und 28 ergeben sich somit praktisch über die gesamte Fläche der Basisplatte 26 hinweg P-N-Trennflächun,
welche die Fotodioden bilden, aufgrund welcher das durch das erste optische Gitter 10 hindurchgelassene
Licht in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Das Ausgangssignal der Fotodiodenanordnung
wird mit Hilfe an den Endbereichen des Halbleiterbettes 28 und der Halbleiterschicht 50 vorgesehener Elektroden
nach außen geleitet. Auf der Halbleiterschicht 50 ist fernerhin eine lichtdurchlässige Isolierschicht 52 aus
Siliciumoxid aufgebracht, wodurch die gesamte Obcrfläche der Halbleitcrschicht 50 bedeckt wird. Dadurch
wird verhindert, daß du1 P-N-Trennstellen durch Alterungserscheinungen
sich verschlechtern. Auf dieser Isolierschicht 52 sind fernerhin in vorgegebener Anordnung
lichtundurchlässige Streifen 54 angeordnet, wobei
ίο die Breite dieser Streifen 54 in Längsrichtung des optischen
Gitters 12 verläuft, während die Längsrichtung der Streifen in Richtung der Breite des optischen Gitters
12 angeordnet ist. Diese Streifen müssen somit aus einem Material bestehen, welches gegenüber dem von
dem ersten optischen Gitter 10 hergeleiteten Licht nicht durchlässig ist, wobei Materialien einzeln oder in Kombination
der Stoffe Cr, Al, Ti, Mo. W, Ni. Ta, Au usw. verwendbar sind. Auf der Außenseite des zweiten optischen
Gitters 12 bzw. auf den Streifen 54 und der Isolierschicht 52 ist schließlich zur Erzielung einer flachen
Oberfläche eine lichtdurchlässige Schicht 56 aus Silicium aufgebracht, in welche das von dem ersten Gitter 10
abgegebene Licht aufgrund eines hohen Refraktionsindexes gut eindringbar ist. In diesem Fall wird als Lichtquelle
18 eine Infrarotdiode vorgesehen. Eine derartige Diode besitzt im nahen Infrarotbereich den höchsten
Wirkungsgrad für Lichtabgabe, was eine Reduzierung des Stromverbrauchs zur Folge hat. Die von der Lichtquelle
18 abgegebenen Infrarotstrahlen erreichen dabei über die lichtdurchlässige Schicht 56, die Isolierschicht
52 und die Halbleiterschicht 50 mit hohem Wirkungsgrad ohne Reflexion die P-N-Trennstellen.
Aufgrund der besonderen Auslegung des zweiten optischen Gitters 12 dieser Ausführungsform können Messungen
mit hohem Wirkungsgrad und hoher Genauigkeit durchgeführt werden, weil die P-N-Trennstellen
sich praktisch über die gesamte Basisplatte 26 erstrekken und somit das von dem ersten optischen Gitter 10
abgegebene Licht sehr wirksam in ein elektrisches Signal umwandeln. Die schmalen, nicht durchlässigen
Streifen 54 sind dabei in einer derartigen Anordnung innerhalb der P-N-Trennstellen angeordnet, daß die relative
Bewegung der beiden optischen Gitter 10 und 12 die größten Lichtveränderungen zur Folge hat. Um
fernerhin das von dem ersten optischen Gitter 10 abgegebene Licht auch an die P-N-Trennstellen bringen zu
können, erscheint es zweckmäßig die Halbleiterschicht 50 äußerst dünn zu machen, wobei in praktischen Fällen
eine Dicke von einigen μ gewählt wird. Die Breite Wder
so nicht lichtdurchlässigen Streifen 54 muß möglichst klein gemacht werden, um die Meßgenauigkeit des Gerätes
zu erhöhen. Die Länge L wird im Vergleich zur Breite W so festgelegt, um eine ausreichende Empfindlichkeit
durch Erhöhung der aufgefangenen Lichtmenge an den P-N-Trennstellen zu erreichen. In praktischen Fällen
wurde die Breite W auf einige μ festgelegt, während die
Länge L einige mm betrug.
Die Funktionsweise der beschriebenen Anordnung ist wie folgt: Die von der Lichtquelle 18 abgegebenen Infrarotstrahlen
werden mit Hilfe der Collimatorlinse 22 parallel gemacht und auf das optische Gitter 12 geworfen.
Da in diesem Fall die Infrarotstrahlen nicht durch das zweite optische Gitter 12 hindurchgeleitet werden,
gelangen die Infrarotstrahlen in größerer Menge und weniger diffraktiertem Zustand auf das optische Gitter
12. Da die lichtdurchlässige Schicht 56 nach außen hin eine flache Oberfläche besitzt, und einen großen Refraktionsindex
aufweist, können die Infrarotstrahlen in
das zweite optische Gitter 12 ohne Reflexion und mit hohem Wirkungsgrad eindringen. Die in das zweite optische
Gitter 12 eingedrungenen Infrarotstrahlen werden zum Teil durch die nicht durchlässigen Streifen 54
abgehalten, während ein Teil die P-N-Trennstellen unter Ausbildung einer fotoelektromotorischen Kraft erreicht.
Aufgrund dieser fotoelektromotorischen Kraft ergibt sich in Übereinstimmung mit der auf die P-N-Trennstellen
fallenden Lichtmenge eine Spannung, was wiederum zur Menge der infrarotstrahlung proportionalen
elektrischen Strom führt, der von der Elektode des P-Typ-Halbleiters bis zur Elektrode des N-Typ-Halbleiterbettes
28 fließt. Wenn dann die Meßsonde in Übereinstimmung mit dem zu messenden Wert bewegt
wird, ergibt sich eine Relativverschiebung zwischen den beiden Gittern 10 und 12, was aufgrund der üchtabsorbierenden
Bereiche 146 des ersten optischen Gitters 10 und der nicht durchlässigen Streifen 54 des zweiten optischen
Gitters 12 eine Veränderung der P-N-Trennstellen des zweiten optischen Gitters 12 zugeführten Lichtmenge
zur Folge hat, so daß die Lichtintensität in Übereinstimmung mit der relativen Bewegungsgröße der optischen
Gitter 10 und 12 verändert wird. Die Lichtintensitätsveränderung wird dann in einen elektrischen
Strom umgewandelt, der dem an den P-N-Trennstellen des zweiten Gitters auftretenden Licht- bzw. Stromwert
entspricht und der über die Elektroden nach außen geleitet wird.
Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Stromableitung von den P-N-Trennstellen nach außen hin ohne
Schwierigkeiten und mit hohem Wirkungsgrad, da die P-N-Trennstellen sich praktisch über die gesamte Basisplatte
26 erstrecken. Bei dieser Ausführungsform können somit innerhalb des zweiten optischen Gitters 12
die Widerstandswerte R] ... Rk ... Rn gemäß Fig.6
vernachlässigt werden, da die P-N-Trennstellen sich praktisch über die gesamte Basisplatte 26 erstrecken.
Diese fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtung hat somit den Vorteil, daß die Relativgeschwindigkeit zwischen
den beiden Gittern sehr hoch gemacht werden kann, so daß der Meßvorgang sehr rasch durchführbar
ist. Aufgrund bestehender Herstellungsverfahren kann fernerhin das zweite optische Gitter im Rahmen der
vorliegenden Erfindung sehr einfach hergestellt werden, wobei gleichzeitig eine hohe Herstellungsgenauigkeit
möglich ist.
Das Herstellungsverfahren für ein optisches Gitter 12 gemäß Fig. 10 bis 12 sei nunmehr anhand von Fig. 13
beschrieben: Gemäß Fig. 13A wird dabei auf dem N-Typ-Halbleiterbett
28 eine P-Typ-Halbleiterschicht 50 aufgebracht, welche eine Dicke von einigen μ besitzt
Gemäß Fig. 13B erfolgt dabei das Aufbringen dieser Halbleiterschicht 50 durch Diffusion von P-Typ-Störstellen
bei höheren Temperaturen.
Auf diese Weise ergeben sich praktisch über die gesamte Fläche der Basisplatte 26 hinweg zwischen dem
Halbleiterbett 28 und der Halbleiterschicht 50 P-N-Trennstellen. Gemäß Fig. 13C wird dann eine Oxidschicht
zum Schutz der auf der Halbleiterschicht 50 gebildeten P-N-Trennstellen aufgebracht, wodurch die
Isolierschicht 52 gebildet wird. Entsprechend Fig. 13D
wird dann eine undurchlässige Schicht 58 aufgebracht, welche beispielsweise aus Al, Ti, Mo, W, Ni, Ta usw.
besteht. Schließlich werden dann noch entsprechend Fig. 13E aus der nicht durchlässigen Schicht 58 durch
Fotoätzen bestimmte Bereiche entfernt, wodurch die nicht durchlässigen Streifen 54 gebildet werden. Die
Herstellung dieser Streifen 54 kann jedoch ebenfalls mit Hilfe von Dampfbeschichtung vorgenommen werden.
Die den lichtabschirmenden Bereichen lößder bekannten
Anordnung entsprechenden opaken Streifen 54 werden dabei in einer vorgegebenen regelmäßigen An-
5 Ordnung auf den P-N-Trennstellen aufgebracht. Schließlich erfolgt dann noch durch DampfbeschiL-htung
oder ein ähnliches Verfahren das Aufbringen der lichtdurchlässigen Schicht 56. Auf das Halbleiterbett 28 und
die Halbleiterschicht 50 werden dann noch die FJcktroden aufgesetzt, wodurch das zweite optische Gitter 12
durch Aufbringen auf einer Glasbasisplatte 26 entsprechend Fig. 11 und 12 vollendet wird. Diese Herstellung
des optischen Gitters 12 ist dabei sehr einfach. Da fernerhin die nicht durchlässigen Streifen 54 in vorgcgebener
Anordnung, Form und Größe herstellbar sind, können die durchzuführenden Messungen mit hoher Genauigkeit
durchgeführt werden.
Fig. 14 zeigt eine fünfte vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, wobei für das optische Gitter 12
und ähnliche Elemente gleiche Bezugszeichen Verwendung finden. Bei dieser Ausführungsform ist auf der P-Typ-Halbleiterschicht
50 zusätzlich eine N-Typ-Halbleiterschicht 60 aufgebracht, so daß im Gegensatz zu der
vierten Ausführungsform mit Fotodioden nunmehr Fototransistoren auftreten. Diese N-Typ-Halbleiterschicht
60 kann in sehr einfacher Weise mit Hilfe eines selektiven Diffusionsverfahrens hergestellt werden, so wie
dasselbe in Verbindung mit Fig. 13 bereits beschrieben worden ist. In diesem Fall entfällt das Vorsehen der
Isolierschicht. Aufgrund dieser Anordnung ergibt sich ein zweites optisches Gitter, welches eine hohe Lichtempfindlichkeit
besitzt, weil die vorgesehenen Transistoren eine Verstärkungswirkung besitzen.
Fig. 15 bis 17 zeigen eine sechste vorteilhafte Ausführungsform,
bei welcher innerhalb des zweiten Gitters eine Mehrzahl von Foto-FET-Elementen vorgesehen
ist, mit welchen das von dem ersten optischen Gitter durchgelassene Licht in ein elektrisches Signal umgewandelt
wird, das mit hoher Empfindlichkeit in Form eines elektrischen Stromes nach außen geleitet wird.
Gemäß Fig. 16 und 17 ist in diesem Fall eine aus Glas
bestehende Basisplatte 26 vorgesehen, welche der mechanischen Festigkeit des zweiten optischen Gitters 12
dient. Auf diese Basisplatte 26 ist ein N-Typ-Halblciierbett
28 aufgeklebt, wodurch die Gruppe von bereits erwähnten Foto-FET-Elementen gebildet wird. Auf
dem Halbleiterbett 28 wird eine Oxidschicht 64 aus SiO2
aufgebracht, innerhalb welcher schmale Schlitzbcreichc 62 vorgesehen sind, deren Längsseiten in Querrichtung
des optischen Gitters 12 verlaufen, während die Anordnung dieser Schlitze 62 in einem vorgegebenen regelmäßigen
Abstand in Längsrichtung dieses Gitters 12 vorgesehen ist. Unterhalb der Schlitze 62 der Oxidschicht
64 und zwar innerhalb des N-Typ-Halbleilerbettes
28, befinden sich durch Diffusion gebildete P-Typ-Halbleiterschichten 66. Innerhalb des N-Typ-Halbleiterbettes
28 sind fernerhin in der Nähe der Verbindungsflächen zwischen benachbarten P-Typ-Halbleiterschichten
66 und der Oxidschicht 64 Kanalbereiche 68 in Vcrbindung mit den entsprechenden Foto-FET-Elementen dieser
Ausführungsform hergestellt, wobei die oberen Flächen des zweiten optischen Gitters 12 oberhalb der Kanalbereiche
68 die lichtempfindlichen Gate-Bereiche 70 bilden. Bei dieser Ausführungsform sind somit Anreicherungs-Foto-FET-Elemente
des P-Kanaltyp.s in gleichmäßigem vorgegebenen Abstand in Längsrichtung
des zweiten optischen Gilters 12 vorgesehen. Auf den entsprechenden P-Typ-Halbleiterschichtcn 66 sind
fernerhin in abwechselnder Reihenfolge Drain-Elektroclcnschichtcn
72 und Source-F.lcktrodenschichten 74 vorgesehen, wobei diese Schichten 72, 74 aus einem
lichtdurchlässigen Material bestehen, so daß bei ungestörter Abgabe des Abflußstroms an die folgenden
Stromkreise das Licht ungestört eindringen kann. Die Elektrodenschichten 72, 74 sind fernerhin an einen
Drain-Leiterstreifen 76 bzw. einem Sourceleiterstreifen 78 angeschlossen, wobei diese Streifen 76, 78 aus Metall
bestehen, welche auf beiden Oberflächen der Oxidschicht in Längsrichtung angeordnet sind. Diese Leiterstreifen
76, 78 sind über entsprechende Anschlüsse mit den folgenden Außenstromkreisen verbunden. Die Ausgangsströme
der entsprechenden Foto-FET-Elemente werden durch Parallelverbindung zusammengefaßt und
gemeinsam an die Außenkreise abgegeben. Die Oberfläche dieses optischen Gitters 12 wird durch eine zweite
Oxidschicht 80 aus S1O2 gebildet, welche einen hohen
Refraktionsindex besitzt. Diese Oxidschicht 80 verhindert fernerhin, daß die Foto-FET-Elemente dem Einfluß
der Außenatmosphäre ausgesetzt werden. Auf diese Weise werden einerseits die Foto-FET-Elemente gegenüber
der Außenluft isoliert, während andererseits das Auftreten von Reflexionen an der Oberfläche des
zweiten optischen Gitters 12 verhindert werden. Die Lichtquelle 18 besteht in diesem Fall aus einer Infrarotleuchtdiode,
wodurch der elektrische Stromverbrauch verringert wird, da derartige Dioden bei sehr geringer
elektrischer Stromaufnahme einen hohen Lichtumwandlungskoeffizienten besitzen.
Die Funktionsweise der beschriebenen Bewegungs-Meßeinrichtung ist wie folgt: Die von der Lichtquelle 18
abgegebenen Infrarotstrahlen werden mit Hilfe der CoI-limatorlinse
22 in ein Parallelformat gebracht und über das erste optische Gitter 10 dem zweiten optischen Gitter
12 zugeführt. Da in diesem Fall die Lichtstrahlen nicht durch das zweite optische Gitter 12 hindurchgeleitet
werden, erreicht eine größere Lichtmenge das optische Cutter 12, wobei zusätzlich die vorhandene Diffraktion
geringer ist. Das das zweite Gitter 12 erreichende Licht wird mit Hilfe der Gruppe von Foto-FET-Elementcn
mil hoher Ansprechsempfindlichkeit in einen elektrischen Strom umgesetzt. Solange kein Licht auftritt,
sind die Kanalberciche 68 des zweiten optischen Gitters i2 äußerst dünn, wobei im wesentlichen kein Drain-Strom
fließt. Wenn jedoch auf die Gatebereiche 70 Licht auffällt, beginnt ein Drain-Strom zu fließen. Da die
Dicke der Kanalschicht in Übereinstimmung mit der auftreffenden Lichtmenge zunimmt, wird beim Auftreffen
von Licht auf die Gate-Bereiche 70 die Trägerleitfähigkeit zwischen dem Gate und der Source erhöht, so
daß in Übereinstimmung mit der auf die Gate-Bereiche 70 einfallende Lichtmenge innerhalb der Kanalbereiche
68 ein Drain-Strom zu fließen beginnt. Die für die fotoelektrische Umwandlung vorgesehenen Foto-FET-Elemente
besitzen dabei eine Verstärkungsfunktion, so daß ein elektrischer Strom mit hoher Ansprechempfindlichkeit
ableitbar ist. Der von den Foto-FET-Elementen abgegebene elektrische Strom wird über die Drain-Elektrodenschichten
72 und die Sourceelektrodenschichten 74 an die Außenkreise abgegeben. Das von dem ersten
optischen Gitter 10 durchgelassene Licht wird über das N-Typ-Halbleiterbett 28, die Halbleiterschicht 66, die
Oxidschichten 64 und 80 und die Elektrodenschichten 72 und 74 zugeführt, wobei sehr geringe Verluste auftreten.
Die foloelektrische Umwandlung kann somit mit hohem Wirkungsgrad durchgeführt werden. Wenn nun die beiden
optischen Glieder 10 und 12 relativ zueinander bewegt werden und die den Gate-Bereich 70 erreichte
Lichtmenge verändert wird, ergibt sich gleichzeitig mit dieser Veränderung eine Veränderung des Drain-Stromes,
so daß der an die Außenkreise gelieferte elektrisehe Strom in Übereinstimmung mit der relativen Bewegungsgröße
dieser beiden Gitter 10, 12 und demzufolge der zu messenden Lär.je beeinfluß! wird. Da in
diesem Fall die fotoelektrische Umwandlung mit Hilfe der Gruppe von Foto-FET-Elementen mit ihrer Ver-Stärkungswirkung
erfolgt, erzeugt das zweite optische Gitter 12 einen elektrischen Strom mit hoher AnsprechsempfindHchkeit.
Anhand von Fig. 18 soll nunmehr das Herstellungsverfahren
des zweiten optischen Gitters 12 der sechsten Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden:
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gemäß Fig. 18B durch Dampfbeschichtung eine Oxidschicht
64 aufgebracht. Entsprechend Fig. 18C werden dann in der Folge schmale Schlitzbereiche 62 derart in
die Oxidschicht 64 eingebracht, daß dieselben mit ihrer Längsrichtung in Querrichtung des zweiten optischen
Gitters 12 verlaufen. Gemäß Fig. 18D wird dann ein selektiver Diffusionsvorgang vorgenommen, wodurch
P-Typ-Halbleiterschichten 66 hergestellt werden. Gemaß
Fig. 18E wird dann auf den Halbleiterschichten 66 lichtdurchlässiges leitfähiges Material aufgebracht, wodurch
die Drain-Elektrodenschichten 72 und die Source-Elektrodenschichten 74 gebildet werden. Schließlich
wird dann noch gemäß Fig. 18F das Halbleiterbett 28 auf eine aus Glas bestehende Basisplattte 26 geklebt,
während auf den oberen Flächen des zweiten optischen Gitters 12 die beiden Drain- und Source-Leiterstreifen
76 und 78 hergestellt werden, welche in diesem Fall nicht dargestellt sind. Schließlich wird dann noch auf der
Oberfläche des zweiten optischen Gitters 12 die Oxidschicht 80 aufgebracht.
Im Rahmen der obigen Beschreibung ist davon ausgegangen worden, daß innerhalb des zweiten optischen
Gitters 12 eine Gruppe vor: Foto-FET-Elementen des Anreicherungstyps vorgesehen sind. Im Rahmen der
vorliegenden Erfindung ist es jedoch ebenfalls möglich, daß die vorgesehenen Foto-FET-Elemente schmale fotoelektrische
Bereiche besitzen, welche innerhalb des zweiten optischen Gitters 12 zu liegen gelangen. Durch
Veränderung des Haibieherbettes 28 entsprechend dem Kanalbereich 68 von Fig. 17 in ein Halbleitermaterial
des P-Typs können beispielsweise Foto-FET-Elemente erzeugt werden, welche vom Abmagerungstyp sind.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen sind die innerhalb des zweiten optischen Gitters vorgesehenen
Halbleiterschichten mit Hilfe kristalloider Halbleitermaterialien hergestellt. Es ist jedoch ebenfalls
möglich, daß das innerhalb des optischen Gitters vorgesehene Halbleiterbett für die Herstellung von einer
Gruppe von Fotodioden aus amorphem Halbleitermaterial hergestellt wird, in welchem Fall das zweite optische
Gitter im Bedarfsfall für große Längenmessungen relativ einfach und mit guter Genauigkeit herstellbar ist.
Derartige Größen und Abmessungen des zweiten optisehen Gitters lassen sich hingegen bei Verwendung
konventioneller kristalloider Halbleitermaterialien unmöglich herstellen. Bei der ersten Ausführungsform von
Fig. 1 beispielsweise kann auf der oberen Oberfläche
der die mechanische Festigkeit des zweiten optischen Gitters 12 bildenden Basisplatte 26 kontinuierlich über
die gesamte Oberfläche eine amorphe N-Typ-Halbleiterschicht
28 hergestellt werden, ohne daß dabei ein Halbleiterbett für die erwähnte FotodiodensruDne not-
13
wendig wäre. Bei einem amorphen Halbleiter handelt es sich um einen Halbleiter, bei welchem zwei oder drei
Arten von Elementen durch geeignete Mischverhältnisse
in einen amorphen Zustand gebracht werden, welcher sich von dem kristalloiden Halbleiterzustand erheblich
unterscheidet.
Fig. 19 zeigt ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens
für die Herstellung einer Halbleiterschicht 128 bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die
amorphe Halbleiterschicht 128 wird dabei auf der Oberfläche der Basisplatte 126 durch Plasmabeaufschlagung
aufgebracht. Die entweder aus Glas, rostfreiem Stahl oder dergleichen bestehende Basisplatte 126 wird dabei
in einen Hochfrequenz-Induktionsofen eingebracht und die N-Typ-amorphe Halbleiterschicht 128 aus Silicium
mit einer Dicke von etwa 1 μ kontinuierlich aufgebracht. Auf der Basisplatte 126 ergibt sich dabei durch
S1H4 + H2 eine Verfestigung, wobei eine sehr geringe
Menge von innerhalb des Plasmazustands gehaltenem Bor unter hohen Temperaturen ebenfalls zugeführt
wird. Ein aus Borionen B- und dergleichen bestehender
Akzeptor wird in die Halbleiterschicht 128 bei relativ niedrigen Temperaturen eingeführt, so daß nach Durchführung
einer Laserbehandlung Halbleiterschichten des N- oder P-Typs herstellbar sind.
Die die fotoelektrische Umwandlung durchführenden P-N-Trennstellen können in vorgegebenen Positionen,
Größen und Formgebungen durch bekannte Halbleiterherstellungsverfahren erzeugt werden. Dabei ist es im
Rahmen der beschriebenen Ausführungsformen möglieh, amorphe Halbleiter als Halbleiterbett für die P-N-Trennstellen
zu verwenden. Da das Halbieiterbett kontinuierlich herstellbar ist und ohne unmittelbare Verbindung
auf der Basisplatte zum Verfestigen gelangt, kann eine derartige Meßeinrichtung mit sehr hoher Genauigkeit
und mit geringen Herstellungsschwierigkeiten hergestellt werden, selbst für den Fall, wenn die betreffende
Meßeinrichtung einen relativ langen Licht empfangenden Teil besitzen muß. Auf diese Weise lassen sich ebenfalls
die Herstellungskosten verringern. Wenn hingegen für die Herstellung einer fotoelektrischen Meßeinrichtung
ein kristalloides Halbleitermaterial für die Herstellung eines relativ langen Licht empfangenden Teils des
zweiten optischen Gitters verwendet werden muß, dann wird das Halbleiterplättchen zuerst aus dem Halbleiterkristall
ausgeschnitten. Nachdem das Halbleiterplättchen auf die gewünschten Abmessungen geschnitten
worden ist, erfolgt dann die Herstellung des Halbleiterbettes. Die schmalen Bereiche von P-N-Trennstellen für
die fotoelektrische Umwandlung werden dann in vorgcgebener Anordnung innerhalb des Halbleiterbettes erzeugt,
worauf eine Festklebung auf einer Basisplatte vorgenommen wird, wodurch das zweite optische Gitter
entsteht. Da das krisialloide Halbleitermaterial nicht nur sehr teuer ist, sondern zusätzlich den Herstellungsprozeß
kompliziert macht, und da zusätzlich der Abstand der P-N-Trennstellen in dem verbundenen Bereich
des entsprechenden Halbleiterbettes schlecht mit Genauigkeit festlegbar ist, ergeben sich in diesem Fall
derartige Nachteile, daß eine derartige Meßeinrichtung mit hoher Genauigkeit schlecht herstellbar ist. Wenn
hingegen jedoch das Halbleiterbett aus einem amorphen Halbleitermaterial besteht, welches kontinuierlich
durch Verfestigung auf eintr Basisplatte herstellbar ist, dann kann das zweite optische Gitter nicht nur sehr
einfach hergestellt werden, sondern es ist auch die Meßgenauigkeit verbessert, wenn gleichzeitig die Herstellungskosten
verringert werden.
Hierzu 11 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtung mit zwei relativ zueinander bewegbaren optischen
Gittern, die bei Bewegung Strahlungsintensitätsänderungen an einer Vielzahl von fotoelektrischen
Halbleiter-Elementen erzeugen, welche das eine der beiden optischen Gitter bilden und dem ersten optischen
Gitter gegenüberliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrischen Halbleiter-Elemente
(28,34) derart ausgebildet sind, daß in einem Halbleiterbett (28) eines bestimmten Leitungstyps
Halbleiterbereiche (34) entgegengesetzten Leitungstyps ausgeformt sind und daß das Halbleiterbett
(28) mit den Halbleiterbereichen (34) von einer sirahlungsdurchlässigen Stromsarnmebchicht
(36) aus leitfähigem Material überzogen ist
2. Fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb
des Halbleiterbettes (28) die jeweiligen Halbleiterbereiche entgegengesetzten Leitungstyps
in einer genau vorgegebenen regelmäßigen Anordnung vorgesehen sind.
3. Fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß beinahe über das gesamte Halbleiterbett (28) des zweiten optischen Gitters (12) die aus dem strahlungsdurchlässigen,
leitfähigen Material bestehende Stromsammeischicht (36) vorgesehen ist.
4. Fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
zweite optische Gitter (12) praktisch über die gesamte Oberfläche einer Basisplatte (26) P-N-Trennstellen
aufweist, welche die Umwandlung des Lichts in einen elektrischen Strom durchführen, und daß
auf diesen P-N-Trennstellen schmale, lichtundurchlässige
Streifen (54) angeordnet sind.
5. Fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Halbleiterbett eine Mehrzahl von schmalen Halbleiterschichtbereichen (66) mit einer Leitungsart entgegengesetzt
der des Halbleiterbettes (28) aufweist, ferner daß in der Nähe der Oberfläche des Halbleiterbettes
(28) zwischen den entsprechenden Halbleiterschichten Kanalbereiche (68) vorgesehen sind,
welche als Gate der Lichtaufnahme dienen, und daß die Umwandlung der Lichtintensitätsänderungen
des ersten optischen Gitters (10) in einen elektrischen Strom mit Hilfe einer Mehrzahl von Foto-FET-Elementen
erfolgt.
6. Fotoelektrische Bewegungs-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf
einer Basisplatte (126) des zweiten optischen Gitters (12) eine amorphe Halbleiterschicht (128) aufgebracht
ist und daß auf dieser amorphen Halbleiterschicht (128) in vorgegebenen regelmäßigen Abständen
schmale P-N-Trennschichtbereiche vorhanden sind, welche das durch das erste optische Gitter (10)
hindurchgelangende Licht in einen elektrischen Strom umwandeln.
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
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