DE3605018C2

DE3605018C2 -

Info

Publication number: DE3605018C2
Application number: DE19863605018
Authority: DE
Inventors: Norbert Dipl.-Phys. Dr. 8011 Egmating De Kniffler
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1986-02-18
Filing date: 1986-02-18
Publication date: 1992-04-09
Also published as: DE3605018A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen zweidimensionalen Ortsbestimmung eines Meßpunktes auf einer Meßfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Vorrichtungen sind aus "Elektronik", Heft 13 vom 29. 06. 1984, Seiten 84-88 und "industrie-elektrik + elektronik", 28. Jhrg. 1983, Seiten 21 und 22 bereits bekannt.

Daneben sind Dünnfilmzellen mit pin-Schichtaufbauten aus amorphem Silizium mit Unterlagen und Deckschichten in der Photovoltaik auf B. K. Das und S. N. Singh (Hrsg.): Photovoltaik Materials and Devices, Halsted Press. John Wiley & Sons, N. Y., 1984, S. 205-215, bekannt.

Für die Servotechnik zur Robotersteuerung, für Nachlaufsteuerungen und Skizzen- Schrift- und Koordinatenaufnehmer für Computer besteht Bedarf, eine einfache Vorrichtung der genannten Art zu schaffen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen planaren, opto-elektronischen Positionsdetektor zu schaffen, bei dem unabhängig von der Oberflächenform die Lage eines Meßpunktes sich über einen verhältnismäßig großen Flächenbereich bestimmen läßt.

Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 wird dies dadurch erreicht, daß die Dünnfilmzelle über einen Träger (1), eine leitende Unterlage (2), einen darauf durch Aufdämpfen, Sputtern oder eine Gasentladung großflächig aufgebrachten, als pin-Diode wirkenden Schichtaufbau aus amorphem Silizium (3) und eine diesen abdeckende, transparente, leitende Schicht (4) mit einem spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, wobei die leitende Unterlage (2, 12, M_x, M_y, M_xy) als Flächenelektrode dient und die Deckschicht (4, 11, I_x, I_y) mit Meßelektroden (2a, 8a, 8b) verbunden ist.

Die Dünnfilmzelle wird durch Aufdampfen, Sputtern oder eine Gasentladung auf nahezu jeder denkbaren Oberfläche großflächig aufgetragen. Die erzielbare Homogenität der photoelektrischen Eigenschaften ist für den genannten Zweck besonders vorteilhaft, so daß lange Meßstrecken und große Meßflächen realisierbar sind.

Durch die optische Abtastung der Ortsinformation ergibt sich kein Abrieb oder mechanischer Verschleiß und demnach der Vorteil einer berührungslosen Abtastung in frei wählbarer Entfernung zu der den Lichtstrahl aussendenden Beleuchtungseinrichtung.

Die Linearität ist nicht von der Anordnung her gegeben, sondern muß durch entsprechende Maßnahmen bei der Signalauswertung hergestellt werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, worin im folgenden anhand der Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele erörtert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch den Aufbau einer Dünnfilmzelle,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild zum Gegenstand von Fig. 1,

Fig. 3 ein Kennlinien-Diagramm zu den Fig. 1 und 2,

Fig. 4 schematisch eine Anordnung zur Gewinnung eines flächenbezogenen Signals (x/y-Signal),

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform des Gegenstandes von Fig. 4,

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild zum Gegenstand von Fig. 5,

Fig. 7 den Aufbau einer Meßfläche aus zwei übereinanderliegenden Zellen mit Isolatorentkopplung,

Fig. 8 den Aufbau einer Meßfläche aus zwei übereinanderliegenden Zellen mit Diodenentkopplung,

Fig. 9 den Aufbau einer Meßfläche aus einer Schicht mit drei U-förmig um die Meßfläche angeordneten Meßelektroden und

Fig. 10 den Gegenstand von Fig. 9 in der Aufsicht.

Abb. 1 zeigt den verwendeten Aufbau einer Dünnfilmzelle mit amorphem Silizium. Auf dem Träger 1 befindet sich eine leitende Unterlage 2, die als Flächenelektrode dient und eine als pin-Diode wirkenden Schichtaufbau 3 aus amorphem Silizium trägt. Letzterer ist mit einer transparenten Schicht 4 aus ITO (= Indium Tin Oxide) abgedeckt, die einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist und mit einer Meßelektrode 2a aus Metall verbunden ist. Diese kann gleichzeitig wieder die Flächenelektrode für ein benachbartes Element sein.

Diese Dünnfilmzelle wird durch einen scharf gebündelten Laserstrahl S₁, S₂, S₃ an verschiedenen Stellen B₁, B₂, B₃ bestrahlt und der Photostrom wird an den Klemmen 5 und 6 als Funktion des Ortes B₁, B₂, B₃ als Kurzschlußstrom gemessen.

Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild der Anordnung nach Fig. 1. Der dort an den Klemmen 5 und 6 abgenommene Kurzschlußstrom wird mit der Meßanordnung 7 gemessen.

Fig. 3 zeigt ein Kennlinien-Diagramm. Der Kurzschlußstrom IK_i ist in Abhängigkeit von drei verschiedenen Bahnwiderständen bzw. Bahnpunkten dargestellt.

Mit D ist dabei die Diodenkennlinie und mit UI₁, UI₂ und UI₃ die U-I-Kennlinien des jeweiligen Bahnwiderstandes bezeichnet. Der Schnittpunkt der Kennlinien liefert die ortsabhängigen Meßströme IK₁, IK₂ und IK₃.

Dieses ortsabhängige Verhalten unterscheidet sich deutlich von dem kristalliner Silizium-Schichten gleicher Anordnung.

Zur zweidimensionalen Ortsbestimmung sind nach Fig. 4 bei einer Dünnfilmzelle 9 zwei Meßelektroden 8a und 8b zueinander orthogonal angeordnet. Sie werden abwechselnd mit Spannung versorgt. Dadurch ist es möglich, ein Flächenortssignal (x/y-Signal) zu erhalten. Mit 12 ist die als Kathode der Dünnfilmzelle dienende Flächenelektrode, mit 11 die transparente leitende Schicht mit einem spezifischen elektrischen Widerstand und mit 10 eine einzelne Bezugspotentialelektrode bezeichnet.

Abb. 5 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der von einer Dünnfilmzelle 13, die auf einem Glas/TCO-Substrat aufgebracht ist, ausgegangen wird und die ebenfalls zwei Meßelektroden 8a und 8b aufweist. Ferner werden dabei zwei Bezugspotentialelektroden 10a und 10b verwendet, die für eine elektronische Auswerteeinrichtung notwendig sind, welche dieselben elektrischen Bedingungen herstellt, wie sie im Falle des einfachen Abgriffes durch eine Metallelektrode vorliegen. Diese elektronische Schaltung besteht in der einfachsten Ausführungsform gemäß dem Ersatzschaltbild nach Fig. 6 aus einem Operationsverstärker OP mit hochohmigem Eingang in invertierender Verstärkerschaltung. Diese bewirkt, daß der Bezugspotentialpunkt virtuell auf Masse gelegt wird und so der Strom durch den Meßaufnehmer wieder proportional dem Ort wird. Mit RB_x und RB_y sind die Bahnwiderstände bezeichnet.

Die Spannung an der Meßelektrode 8a oder 8b ist bei konstanter Lichtintensität proportional zum Logarithmus des Photostromes, also des Logarithmus des Weges.

Eine weitere Möglichkeit, x/y-Koordinaten zu gewinnen, besteht in der Übereinanderanordnung zweier Dünnfilmzellen, wovon eine den x- und die andere den y-Wert liefert. Es ist dabei eine Isolatorentkopplung nach Fig. 7 und eine Diodenentkopplung nach Fig. 8 möglich.

Bei der Isolatorentkopplung nach Fig. 7 befindet sich auf dem Substrat S zunächst ein Metallfilm M_x; darauf ein pin-Schichtaufbau P_x und darauf die transparente Schicht I_x. Dieser Teil des Aufbaus dient zur Gewinnung der x-Werte. Darauf liegt eine ebenfalls lichtdurchlässige Isolatorschicht IS, die beispielsweise aus SiO₂ sein kann. Darauf ist ein gleichartiger Schichtaufbau mit den Schichten M_y, P_y und I_y angeordnet, der für die Gewinnung der y-Meßwerte dient. Die unterste Schicht des y-Sensors ist entweder eine Metallschicht M_y oder eine entsprechende TCO-Schicht und muß wenigstens teilweise lichtdurchlässig sein.

Bei der Anordnung nach Fig. 8 liegt auf dem Substrat S eine Metallschicht M_xy, darauf der pin-Schichtaufbau P_x mit der ITO-Schicht I_x. Darauf folgt unmittelbar der pin-Schichtaufbau P_y für die y-Koordinate mit der zugehörigen ITO-Schicht I_y. Die Metallschicht M_xy wird also gemeinsam benutzt; die Isolatorschicht IS entfällt.

Fig. 9 zeigt den Aufbau einer Meßfläche aus einer Schicht mit drei U-förmig um die Meßfläche angeordneten Meßelektroden. Dabei ist der pin-Schichtaufbau P beidseitig mit einer ITO-Schicht I1 und I2 versehen. An der Schicht I1 liegt die Meßelektrode ME1 an, während die Schicht I2 mit den Meßelektroden ME2 und ME3 verbunden ist. Dabei sind die letzteren beiden zueinander parallel und zur Elektrode ME1 senkrecht orientiert. Der Lichtstrahl L durchstößt die Schicht I1 am Punkt L1 und die Schicht I2 am Punkt L2. Dabei fließt ein Strom, der vom Bahnwiderstand zu den Meßelektroden ME1 und ME2 beziehungsweise zu den Meßelektroden ME1 und ME3 abhängt.

Wenn man den Strom durch das Meßelektrodenpaar ME1 und ME2 mißt, ergeben sich gleiche Bahnwiderstände für die Linien IB_1,2 nach Fig. 10. Analoges gilt für die Meßelektroden ME1 und ME3 bezüglich der Linienschar IB_1,3. Das Stromsignal zwischen den Elektroden ME1 und ME2 und zwischen ME1 und ME3 kann z. B. anhand der Koordinaten Sd1 bzw. Sd2 im Wertebereich zwischen 0 und 1 beschrieben werden.

Aus den Koordinaten Sd1 und Sd2 lassen sich normierte x,y-Werte zwischen 0 und 1 nach folgenden Gleichungen gewinnen:

Durch abwechselndes Lesen von Sd1 und Sd2 durch Messen an den Elektroden ME1, ME2 und ME1, ME3 lassen sich die x,y-Koordinaten bestimmen. Da die auszuführenden Rechenoperationen nur Additionen sind, kann x, y durch Analogschaltungen ermittelt werden.

Claims

1. Vorrichtung zur berührungslosen zweidimensionalen Ortsbestimmung eines Meßpunktes auf einer Meßfläche mit wenigstens zwei im rechten Winkel zueinander angeordneten Meßelektroden (8a, 8b, ME1, ME2, ME3) und einer Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung eines optischen Meßpunktes (B1, B2, B3, L1, L2) auf der Meßfläche, wobei sie zur Messung der zwischen den Elektroden (8a, 8b, ME1, ME2, ME3) in Abhängigkeit von der Lage des Meßpunktes (B1, B2, B3, L1, L2) fließenden Ströme und deren Auswertung zur Koordinatenbestimmung eine Meß- und Auswertevorrichtung (OP, 7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnfilmzelle über einem Träger (1) eine leitende Unterlage (2), einen darauf durch Aufdampfen, Sputtern oder eine Gasentladung großflächig aufgebrachten, als pin-Diode wirkenden Schichtaufbau aus amorphem Silizium (3) und eine diesen abdeckende, transparente, leitende Schicht (4, 11, I_x, I_y) mit einem spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, wobei die leitende Unterlage (2, 12, M_x, M_y, M_xy) als Flächenelektrode dient und die abdeckende Schicht (4, 11, I_x, I_y) mit Meßelektroden (2a, 8a, 8b) verbunden ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flächenelektrode (I₁, I₂, M_x, M_y, M_xy) eine p⁺-Schicht des Dünnfilmzellenaufbaus bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flächenelektrode (I₁, I₂, M_x, M_y, M_xy) eine n⁺-Schicht des Dünnfilmzellenaufbaus bildet.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Meßelektroden (2a, 8a, 8b) in Zusammenhang mit dem benachbarten Material als Dioden wirkende Bezugspotentialelektroden vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnfilmzelle zwei als pin-Diode wirkende Schichtaufbauten aus amorphem Silizium (P_x, P_y) aufweist, die jeweils auf einer Metall- oder TCO-Schichten (M_x, M_y) aufliegen, von denen eine (M_y) wenigstens teilweise transparent ist, und die jeweils von einer transparenten, leitenden Schicht (I_x, I_y) mit einem spezifischen elektrischen Widerstand abgedeckt werden, wobei zwischen der einen abdeckenden Schicht (I_x) und der wenigstens teilweise transparenten Metall- oder TCO-Schicht (M_y) eine transparente, isolierende Schicht (IS) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnfilmzelle zwei als pin-Diode wirkende Schichtaufbauten aus amorphem Silizium (P_x, P_y) aufweist, die gemeinsam über einer Metall- oder TCO-Schicht (M_xy) liegen und voneinander durch eine transparente, leitende Schicht (I_x) mit einem spezifischen elektrischen Widerstand getrennt sind, wobei der obere Schichtaufbau aus amorphem Silizium (P_y) durch eine weitere transparente, leitende Schicht (I_y) mit einem spezifischen elektrischen Widerstand abgedeckt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnfilmzelle aus einem als pin-Diode wirkenden Schichtaufbau aus amorphem Silizium (P) und zwei diesen einschließenden, transparenten, leitenden Schichten (I1, I2) mit einem spezifischen elektrischen Widerstand besteht, die als Flächenelektroden dienen und mit einer (ME1) oder zwei (ME2, ME3) Meßelektroden verbunden sind.