EP1934637A2 - Optoelektronischer sensor mit einem einen lichtempfindlichen bereich aufweisenden halbleitersubstrat - Google Patents

Optoelektronischer sensor mit einem einen lichtempfindlichen bereich aufweisenden halbleitersubstrat

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EP1934637A2
EP1934637A2 EP06806040A EP06806040A EP1934637A2 EP 1934637 A2 EP1934637 A2 EP 1934637A2 EP 06806040 A EP06806040 A EP 06806040A EP 06806040 A EP06806040 A EP 06806040A EP 1934637 A2 EP1934637 A2 EP 1934637A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
zones
control
optoelectronic sensor
control zone
semiconductor substrate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06806040A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Herz
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IC Haus GmbH
Original Assignee
IC Haus GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by IC Haus GmbH filed Critical IC Haus GmbH
Publication of EP1934637A2 publication Critical patent/EP1934637A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V8/00—Prospecting or detecting by optical means
    • G01V8/10—Detecting, e.g. by using light barriers
    • G01V8/12—Detecting, e.g. by using light barriers using one transmitter and one receiver
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/02—Details
    • G01C3/06—Use of electric means to obtain final indication
    • G01C3/08—Use of electric radiation detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
    • H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
    • H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H10F30/22—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes
    • H10F30/221—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier being a PN homojunction
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/10—Integrated devices
    • H10F39/103—Integrated devices the at least one element covered by H10F30/00 having potential barriers, e.g. integrated devices comprising photodiodes or phototransistors
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    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/10—Integrated devices
    • H10F39/107—Integrated devices having multiple elements covered by H10F30/00 in a repetitive configuration, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
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    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/95—Circuit arrangements
    • H10F77/953—Circuit arrangements for devices having potential barriers
    • H10F77/957—Circuit arrangements for devices having potential barriers for position-sensitive photodetectors, e.g. lateral-effect photodiodes or quadrant photodiodes

Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic sensor, in particular for use in a reflection light scanner, and to a device for detecting an object within an adjustable monitoring range in which such an optoelectronic sensor is used.
  • Optoelectronic sensors are used, for example, in the case of light barriers, reflection light barriers and reflection light sensors.
  • Diffuse reflection sensors are well known and serve to detect objects within a surveillance area and, if necessary, to measure its distance to a reflection light scanner.
  • the reflection light scanner has a light source with which a monitoring area is illuminated.
  • An object entering the surveillance area reflects the light bundle coming from the light source which impinges on an optoelectronic sensor via a lens system.
  • Such optoelectronic sensors which function as spatially resolving light sensors, are known. The reflected light is converted by the sensor into a corresponding electrical signal and a
  • Evaluation device supplied, which can detect in response to the electrical signal, whether an object has entered the monitoring range of the reflection light scanner. If the distance between the light source and the sensor known, the evaluation can under Application of the known triangulation also determine the distance of the object to the sensor.
  • a multi-element light sensor for example, has eight rectilinearly arranged adjacent sensor elements.
  • the sensor elements are designed as photodiodes.
  • Each sensor element is associated with one or more switches through which the sensor elements can be read in a controlled manner.
  • Another optoelectronic sensor is from the
  • the optoelectronic sensor has a plurality of light receivers arranged spatially next to each other, wherein all light receivers are connected to a common potential and adjacent light receivers are connected to each other via an electronic switch. Photodiodes are provided as light receivers.
  • the invention has for its object to provide a novel optoelectronic sensor.
  • An essential core idea of the invention is to provide an optoelectronic sensor, preferably for a reflection light scanner, to provide instead of a plurality of spatially juxtaposed, switchable photodiodes controllable drift fields in one
  • the drift fields ensure that minority carriers, which penetrate a
  • Light beam are generated in the semiconductor substrate, be supplied in a predeterminable collection zones.
  • the charge carriers accumulating in the collecting zones can then be read out and evaluated via a control and evaluation unit.
  • the optoelectronic sensor contains at least one semiconductor substrate, which has at least one light-sensitive area, at least two collecting zones and a controllable device for generating at least two differently oriented drift fields, wherein in operation the drift fields run at least partially between the collecting zones.
  • the drift field generator has control zones arranged in groups to produce differently oriented drift fields.
  • the collection zones which are each grouped into a group, are assigned in sections to the collection zones.
  • the control zones of each group may be associated with at least two separate collection zones.
  • the term control zone group is understood to mean a group which, in addition to control zones, also contains at least the associated collection zones or collection zone sections.
  • control zones are arranged in pairs relative to one another. Subsequently, such arranged control zones are also called control zone pairs.
  • control zones and the semiconductor substrate are of the same doping type, while the collecting zones are doped inversely to the semiconductor substrate.
  • a p-doped material forms the semiconductor substrate.
  • control zone groups may be electrically isolated from each other, for example by an oxide. This is particularly useful when the control zone groups are located in a common semiconductor substrate.
  • the semiconductor substrate is constructed on a dielectric, wherein the oxide isolation separating the groups is produced in a manner known per se in the semiconductor substrate.
  • control zone groups can be achieved by arranging them in separate semiconductor substrates. Each control zone group thus forms a single chip.
  • a controllable switching device can be assigned to the control zones, which can apply an electrical potential to each control zone, such that at least two differently oriented drift fields be generated.
  • the switching device may be arranged in the semiconductor substrate or outside.
  • the switching device can also be part of the control zone groups.
  • drift fields are meant, for example, electric fields whose field lines run parallel, but with different directions to each other, and can also be drift fields whose field lines are not parallel to each other.
  • control voltages it is possible to apply control voltages to the respective control zone pairs, such that the concentration center of gravity of a light bundle incident on the semiconductor substrate can be determined.
  • controllable switching device assigns each control zone to at least two switching elements, via which different electrical potentials can be applied to the respective control zone.
  • the switching elements can be designed as electronic switches.
  • Control zones arranged in rows and parallel to each other. In this way, there is a line-by-line guidance of the minority carriers, which are generated by a light beam incident on the semiconductor substrate. As a result of the different orientation of the drift fields and their spatial arrangement in the semiconductor substrate, the minority carriers strike at different points of the collecting zones, which are preferably arranged between the control zones forming the control zone pairs.
  • a device for detecting an object within an adjustable surveillance area comprises an optoelectronic sensor according to one of claims 1 to 6, at least one light source, at least two
  • Power supply devices that provide different output voltages, as well as a connected to the collection zones control and evaluation.
  • a device can be used for example as a reflection light scanner.
  • FIG. 1 shows an exemplary reflection light scanner with an optoelectronic sensor according to the invention
  • FIG. 2 shows a cross section through the optoelectronic sensor shown in FIG. 1.
  • Fig. 1 shows a generally designated 10 detection device which can be used as a reflection light scanner.
  • the detection device 10 comprises an optoelectronic sensor 30 shown by a dashed line.
  • the optoelectronic sensor 30 has an example p-doped semiconductor substrate 35.
  • four control zones 40, 41, 42 and 43 can be introduced in an edge area of the semiconductor substrate 35 and four further control zones, designated 70, 71, 72 and 73, in an opposite edge area.
  • the opposing control zones 40 and 70, 41 and 71, 42 and 72 and 43 and 73 are each a related Control zone pair.
  • the control zone pairs serve to generate the drift fields required for the functioning of the optoelectronic sensor 30.
  • the control zones are p-doped in the present example as the semiconductor substrate 35.
  • FIG. 2 shows a cross section of the optoelectronic sensor 30, which passes through the control zones 40 to 43.
  • FIG. 2 shows the semiconductor substrate 35 mounted on a dielectric 140 and the control zones 40 to 43 located in the semiconductor substrate 35 and oxide isolation barriers generally designated 130.
  • control zones and collecting zones a one-dimensional detection of an object can take place within the monitoring area.
  • Conceivable are any Arrangements of control zones and collection zones, with which a multi-dimensional detection of an object within the surveillance area is possible.
  • each control zone can be connected to, for example, two electronic switches.
  • the switches 90, 92, 94, 96, 81, 83, 85 and 87 are connected to a terminal 122 to which a DC voltage source 100 is connected, which provides a first DC voltage Ui.
  • the switches 91, 93, 95, 97, 80, 82, 84 and 86 are connected to a terminal 120, to which a second DC voltage source 105 is connected, which supplies a second DC voltage U 2 .
  • the present example the
  • DC voltage source 100 has a higher voltage than the DC voltage source 105th
  • the detection device 10 includes a Light source 110, with which a "area to be monitored is illuminated.
  • Detection device 10 and in particular the operation of the optoelectronic sensor 30 described.
  • the control and evaluation unit 20 can apply an algorithm based on the triangulation principle known per se.
  • the triangulation method is essentially based on the fact that the distance between the light source 110 and the optoelectronic sensor 30, which is predetermined by the geometry, and the angle between the light beam of the light source 110 and the light beam reflected at the object whose distance is to be measured by means of the optoelectronic sensor 30 and the control and Ausnceeinrichtzung 20 is determined. From this, the distance of the object to the sensor 30 can be calculated.
  • the collimated light emitted by the light source 110 is reflected on the object and impinges on the lens system via an unillustrated lens system optoelectronic sensor 30 on. If there are drift fields between the collection zones 50 and 60, minority carriers, which are generated when the light beam penetrates into the semiconductor substrate 35, are driven to the collection zones. In a p-doped semiconductor substrate, electrons form the minority carriers.
  • the angle to be measured between the light emitted by the light source 110 and the light incident on the optoelectronic sensor 30 reflected light beam can be determined based on the switch positions of the control and evaluation device 20. For example, the angle can be determined by evaluating the switch positions at which the same number of minority carriers arrive due to the drift fields generated at the collecting zones 50 and 60, ie
  • the control and evaluation unit 20 has the switches currently controlled such that the switches 80, 82, 85, 87, 90, 92, 95, 97 are closed, while the remaining switches are open.
  • two drift fields are generated, which are line by line and in the opposite direction.
  • the control zone pairs formed by the control zones 40 and 70 and 41 and 71 produce a drift field whose field lines are from right to left, while the control zone pairs formed by the control zones 42 and 72 and 43 and 73 produce a drift field whose Field lines run from left to right.
  • the control and evaluation device 20 has read out the collection zones 50 and 60 and determined that the same number of minority carriers have accumulated on both collection zones.
  • the control and Ausonneeinirchtung 20 Based on the set switch positions, the control and Ausonneeinirchtung 20 the Concentration centroid of the reflected light beam and thus determine the angle between the light emitted by the light source 110 and the light reflected at an object light.
  • the focus of concentration is in the middle of the
  • control and evaluation unit 20 Since the control and evaluation unit 20 also knows the distance between the light source 110 and the optoelectronic sensor 30, now the distance of the object, which has reflected the light coming from the light source 110, be calculated to this light source 110.
  • control and evaluation unit 20 is designed such that it uses a search algorithm to determine the
  • Switch positions can change until the difference of the collected on the collecting zones 50 and 60 minority carrier is equal to zero or exceeds a threshold or below.
  • the distance measurement can also take place in that the potentials applied to the control zones are set in such a way that the difference between the minority charge carriers collected on the collecting zones 50 and 60 is equal to zero or exceeds or falls below a threshold value.
  • the distance can also be determined by a
  • Switch position is specified, and the charge difference is evaluated in the collection zones.
  • control zone pairs are only an example. Instead of two parallel drift fields and three or more parallel drift fields can be generated by appropriately arranged control zones whose direction is alternating.

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Abstract

Um einen neuartigen optoelektronischen Sensor zu schaffen, stellt der Sensor (30), insbesondere zum Einsatz in einem Reflexionslichttaster, wenigstens ein Halbleitersubstrat (35), welches wenigstens einen lichtempfindlichen Bereich, wenigstens zwei Sammelzonen (50, 60) und eine elektrisch ansteuerbare Einrichtung (40-43, 70-73) zum Erzeugen von wenigstens zwei unterschiedlich ausgerichteten Driftfeldern aufweist, wobei im Betrieb die Driftfelder zumindest teilweise zwischen den Sammelzonen (50, 60) verlaufen, zur Verfügung.

Description

Optoelektronischer Sensor
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor, insbesondere zum Einsatz in einem Reflexionslichttaster, sowie eine Vorrichtung zum Erfassen eines Gegenstandes innerhalb eines einstellbaren Überwachungsbereichs, in dem ein derartiger optoelektronischer Sensor zum Einsatz kommt.
Optoelektronische Sensoren finden zum Beispiel bei Lichtschranken, Reflexionslichtschranken und Reflexionslichttastern Anwendung. Reflexionslichttaster sind hinlänglich bekannt und dienen dazu, Gegenstände innerhalb eines Überwachungsbereichs zu erfassen und gegebenenfalls dessen Entfernung zu einem Reflexionslichttaster zu messen. Hierzu weist der Reflexionslichttaster eine Lichtquelle auf, mit der ein Überwachungsbereich ausgeleuchtet wird. Ein in den Überwachungsbereich eintretender Gegenstand reflektiert das von der Lichtquelle kommende Lichtbündel, welches über ein Linsensystem auf einen optoelektronischen Sensor trifft. Derartige optoelektronische Sensoren, die als ortsauflösende Lichtsensoren fungieren, sind bekannt. Das reflektierte Licht wird vom Sensor in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt und einer
Auswerteeinrichtung zugeführt, die unter Ansprechen auf das elektrische Signal erkennen kann, ob ein Gegenstand in den Überwachungsbereich des Reflexionslichttasters eingetreten ist. Ist der Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Sensor bekannt, kann die Auswerteeinrichtung unter Anwendung des bekannten Triangulationsverfahrens auch die Entfernung des Gegenstandes zum Sensor ermitteln.
Aus der DE 197 21 105 C2 ist ein Mehrelemente-Lichtsensor bekannt, der beispielsweise acht geradlinig benachbart angeordnete Sensorelemente aufweist. Die Sensorelemente sind als Fotodioden ausgebildet. Jedem Sensorelement sind ein oder mehrere Schalter zugeordnet, durch welche die Sensorelemente in gesteuerter Weise ausgelesen werden können.
Ein weiterer optoelektronischer Sensor ist aus der
DE 100 01 017 B4 bekannt. Der optoelektronische Sensor weist mehrere räumlich nebeneinander angeordnete Lichtempfänger auf, wobei alle Lichtempfänger an ein gemeinsames Potential angeschlossen und benachbarte Lichtempfänger jeweils über einen elektronischen Schalter miteinander verbunden sind. Als Lichtempfänger sind Fotodioden vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen optoelektronischen Sensor zu schaffen.
Ein wesentlicher Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, einen optoelektronischen Sensor, vorzugsweise für einen Reflexionslichttaster, zu schaffen, der anstelle mehrerer, räumlich nebeneinander angeordneter, schaltbarer Fotodioden steuerbare Driftfelder in einem
Halbleitersubstrat verwendet. Die Driftfelder sorgen dafür, dass Minoritätsträger, die beim Eindringen eines
Lichtstrahls in das Halbleitersubstrat erzeugt werden, in vorbestimmbarer Weise Sammelzonen zugeführt werden. Die sich in den Sammelzonen ansammelnden Ladungsträger können über eine Steuer- und Auswerteeinheit dann ausgelesen und ausgewertet werden. Das oben genannte technische Problem wird zum einen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist ein optoelektronischer Sensor, insbesondere zum Einsatz in einem Reflexionslichttaster vorgesehen. Der optoelektronische Sensor enthält wenigstens ein Halbleitersubstrat, welches wenigstens einen lichtempfindlichen Bereich, wenigstens zwei Sammelzonen sowie eine ansteuerbare Einrichtung zum Erzeugen von wenigstens zwei unterschiedlich ausgerichteten Driftfeldern aufweist, wobei im Betrieb die Driftfelder zumindest teilweise zwischen den Sammelzonen verlaufen.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Driftfeld-Erzeugungseinrichtung weist Steuerzonen auf, die gruppenweise angeordnet sind, um unterschiedlich ausgerichtete Driftfelder zu erzeugen. Den jeweils zu einer Gruppe zusammengefassten Steuerzonen sind die Sammelzonen abschnittsweise zugeordnet. Alternativ können den Steuerzonen jeder Gruppe wenigstens zwei separate Sammelzonen zugeordnet sein. Im Folgenden wird unter dem Begriff Steuerzonengruppe eine Gruppe verstanden, die neben Steuerzonen zumindest auch die zugeordneten Sammelzonen oder Sammelzonenabschnitte enthält.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform sind die Steuerzonen paarweise zueinander angeordnet. Nachfolgend werden derart angeordnete Steuerzonen auch Steuerzonenpaare genannt.
Zweckmäßigerweise sind die Steuerzonen und das Halbleitersubstrat vom gleichen Dotierungstyp, während die Sammelzonen invers zum Halbleitersubstrat dotiert sind. Beispielsweise bildet ein p-dotiertes Material das Halbleitersubstrat .
Die Steuerzonengruppen können voneinander, beispielsweise durch ein Oxid elektrisch isoliert sein. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn die Steuerzonengruppen in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat liegen. Hierzu ist das Halbleitersubstrat auf einem Dielektrikum aufgebaut, wobei die die Gruppen trennende Oxidisolation in an sich bekannter Weise in dem Halbleitersubstrat hergestellt wird.
Alternativ kann eine elektrische Isolation der Steuerzonengruppen dadurch erreicht werden, dass diese in getrennten Halbleitersubstraten angeordnet sind. Jede Steuerzonengruppe bildet auf diese Weise ein einzelnes Chip.
Für den Fall, dass der optoelektronische Sensor beispielsweise in einem Reflexionslichttaster eingesetzt wird, welcher mit einem einstellbaren Überwachungsbereich arbeiten kann, kann eine steuerbare Schalteinrichtung den Steuerzonen zugeordnet sein, die an jede Steuerzone ein elektrisches Potential anlegen kann, derart, dass wenigstens zwei unterschiedlich ausgerichtete Driftfelder erzeugt werden.
Die Schalteinrichtung kann im Halbleitersubstrat oder außerhalb angeordnet sein. Die Schalteinrichtung kann auch Bestandteil der Steuerzonengruppen sein.
Unter dem Ausdruck „unterschiedlich ausgerichtete Driftfelder" sind zum Beispiel elektrische Felder zu verstehen, deren Feldlinien parallel, aber mit unterschiedlicher Richtung zueinander verlaufen. Ferner kann es sich um Driftfelder handeln, deren Feldlinien nicht parallel zueinander verlaufen. Mit Hilfe der steuerbaren Schalteinrichtung ist es möglich, Steuerspannungen an die jeweiligen Steuerzonenpaare anzulegen, derart, dass der Konzentrationsschwerpunkt eines auf das Halbleitersubstrat fallenden Lichtbündels ermittelt werden kann.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform ordnet die steuerbare Schalteinrichtung jeder Steuerzone wenigstens zwei Schaltelemente zu, über die unterschiedliche elektrische Potentiale an die jeweilige Steuerzone anlegbar sind. Die Schaltelemente können als elektronische Schalter ausgebildet sein.
Um eine eindimensionale Überwachung innerhalb eines Überwachungsbereichs vornehmen zu können, sind die
Steuerzonen reihenweise und parallel zueinander angeordnet. Auf diese Weise erfolgt eine zeilenweise Führung der Minoritätsträger, die durch ein auf das Halbleitersubstrat einfallendes Lichtbündel erzeugt werden. Infolge der unterschiedlichen Ausrichtung der Driftfelder und deren räumlicher Anordnung im Halbleitersubstrat treffen die Minoritätsträger an unterschiedlichen Stellen der Sammelzonen auf, die vorzugsweise zwischen den die Steuerzonenpaare bildenden Steuerzonen angeordnet sind.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass mit dem erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensor auch eine mehrdimensionale Überwachung eines vorbestimmten Überwachungsbereiches möglich ist, wenn die Steuerzonen entsprechend zueinander angeordnet sind und angesteuert werden.
Das oben genannte technische Problem wird ebenfalls durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Danach ist eine Vorrichtung zum Erfassen eines Gegenstandes innerhalb eines einstellbaren Überwachungsbereiches vorgesehen. Diese Vorrichtung umfasst einen optoelektronischen Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wenigstens eine Lichtquelle, wenigstens zwei
Energieversorgungseinrichtungen, die unterschiedliche Ausgangsspannungen liefern, sowie eine an die Sammelzonen angeschlossene Steuer- und Auswerteeinrichtung. Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise als Reflexionslichttaster verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausfϋhrungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 einen bespielhaften Reflexionslichttaster mit einem erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensor, und
Fig. 2 einen Querschnitt durch den in Fig. 1 gezeigten optoelektronischen Sensor.
Fig. 1 zeigt eine allgemein mit 10 bezeichnete Erfassungsvorrichtung, welche als Reflexionslichttaster verwendet werden kann. Als Hauptbestandteil umfasst die Erfassungsvorrichtung 10 einen durch eine gestrichelte Linie dargestellten optoelektronischen Sensor 30. Der optoelektronische Sensor 30 weist ein beispielsweise p- dotiertes Halbleitersubstrat 35 auf. Wie in Fig. 1 dargestellt, können in einem Randbereich des Halbleitersubstrats 35 vier Steuerzonen 40, 41, 42 und 43 und in einem gegenüberliegenden Randbereich vier weitere Steuerzonen, die mit 70, 71, 72 und 73 bezeichnet sind, eingebracht sein. Im vorliegenden Beispiel bilden die sich gegenüberliegenden Steuerzonen 40 und 70, 41 und 71, 42 und 72 sowie 43 und 73 jeweils ein zusammengehörendes Steuerzonenpaar. Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, dienen die Steuerzonenpaare dazu, die für die Funktionsweise des optoelektronischen Sensors 30 erforderlichen Driftfelder zu erzeugen. Die Steuerzonen sind im vorliegenden Beispiel wie das Halbleitersubstrat 35 p-dotiert .
Zwischen den die Steuerzonenpaare bildenden Steuerzonen 40 bis 43 und 70 bis 73 sind zwei n-dotierte Sammelzonen 50 und 60 fluchtend zueinander angeordnet. Die Sammelzone 50 ist gegenüber den Steuerzonen 40 bis 43 angeordnet, während die Sammelzone 60 gegenüber den Steuerzonen 70 bis 73 angeordnet ist. Die nebeneinander angeordneten Steuerzonen 40 bis 43 erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte Breite der Sammelzone 50. Auch die nebeneinander liegenden Steuerzonen 70 bis 73 decken im Wesentlichen die gesamte Breite der Sammelzone 60 ab. Jedes Steuerzonenpaar und die dem jeweiligen Paar zugeordneten Abschnitte der Sammelzonen 50 und 60 bilden eine Steuerzonengruppe. Die Steuerzonengruppen können jeweils von einer Oxidisolation zumindest teilweise umgeben sein. Auf diese Weise lassen sich die Steuerzonengruppen elektrisch voneinander isolieren und eine gegenseitige störende Beeinflussung kann verringert oder gänzlich vermieden werden. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des optoelektronischen Sensors 30, der durch die Steuerzonen 40 bis 43 verläuft. Fig. 2 zeigt das auf einem Dielektrikum 140 befestigte Halbleitersubstrat 35 und die in dem Halbleitersubstrat 35 liegenden Steuerzonen 40 bis 43 sowie allgemein mit 130 bezeichnete Oxidisolationsbarrieren.
Wie nachfolgend noch erläutert wird, kann mit der speziellen Anordnung der Steuerzonen und Sammelzonen eine eindimensionale Erfassung eines Gegenstandes innerhalb des Überwachungsbereichs erfolgen. Denkbar sind beliebige Anordnungen von Steuerzonen und Sammelzonen, mit denen eine mehrdimensionale Erfassung eines Gegenstandes innerhalb des Überwachungsbereichs möglich ist.
An dem Halbleitersubstrat 35 sind Anschlussflächen vorgesehen, über die die Sammelzonen 50 und 60 über Anschlussleitungen 23 bzw. 24 an eine Steuer- und Auswerteeinheit 20 angeschlossen werden können. An dem Halbleitersubstrat 35 sind weiterhin Anschlussflächen vorgesehen, über die jede Steuerzone mit beispielsweise zwei elektronischen Schaltern verbunden werden kann. So ist beispielsweise die Steuerzone 40 mit Schaltern 80 und 81, die Steuerzone 41 mit Schaltern 82 und 83, die Steuerzone 42 mit Schaltern 84 und 85, die Steuerzone 43 mit Schaltern 86 und 87, die Steuerzone 70 mit Schaltern 90 und 91, die Steuerzone 71 mit Schaltern 92 und 93, die Steuerzone 72 mit Schaltern 94 und 95 und die Steuerzone 73 mit Schaltern
96 und 97 verbunden. Die Schalter 90, 92, 94, 96, 81, 83, 85 und 87 sind mit einem Anschluss 122 verbunden, an dem eine Gleichspannungsquelle 100 angeschlossen ist, die eine erste Gleichspannung Ui bereitstellt. Die Schalter 91, 93, 95, 97, 80, 82, 84 und 86 sind mit einem Anschluss 120 verbunden, an dem eine zweite Gleichspannungsquelle 105 angeschlossen ist, die eine zweite Gleichspannung U2 liefert. Im vorliegenden Beispiel liefert die
Gleichspannungsquelle 100 eine höhere Spannung als die Gleichspannungsquelle 105.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass an jeder Steuerzone auch mehr als zwei Schalter angeschlossen sein können, über die jeweils unterschiedliche Gleichspannungsquellen oder auch Wechselspannungsquellen angelegt werden können. Die Schalter 80 bis 87 und 90 bis
97 können auch im Halbleitersubstrat 35 integriert sein. Weiterhin enthält die Erfassungvorrichtung 10 eine Lichtquelle 110, mit der ein "zu überwachender Bereich ausgeleuchtet wird.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass mit dem erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensor 30 nicht nur der Eintritt eines Gegenstandes in einen einstellbaren Überwachungsbereich erfasst, sondern auch der Abstand eines Gegenstandes von der Lichtquelle 110 gemessen werden kann.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der
Erfassungsvorrichtung 10 und insbesondere die Funktionsweise des optoelektronischen Sensors 30 beschrieben.
Angenommen sei, dass der Abstand eines Gegenstandes, der in den Überwachungsbereich der Erfassungsvorrichtung 10 eintritt, zu der Lichtquelle 110 gemessen werden soll. Hierzu kann die Steuer- und Auswerteeinheit 20 einen Algorithmus anwenden, der auf dem an sich bekannten Triangulationsprinzip basiert. Das Triangulationsverfahren beruht im Wesentlichen darauf, dass der Abstand zwischen der Lichtquelle 110 und dem optoelektronischen Sensor 30, der durch die Geometrie vorgegeben ist, sowie der Winkel zwischen dem Lichtstrahl der Lichtquelle 110 und dem am Gegenstand, dessen Entfernung gemessen werden soll, reflektierten Lichtstrahl mittels des optoelektronischen Sensors 30 und der Steuer- und Auswerteeinrichtzung 20 ermittelt wird. Daraus kann die Entfernung des Gegenstandes zum Sensor 30 berechnet werden.
Nunmehr sei angenommen, dass ein Gegenstand in den Überwachungsbereich der Erfassungsvorrichtung 10 getreten ist. Das von der Lichtquelle 110 ausgestrahlte gebündelte Licht wird an dem Gegenstand reflektiert und trifft über ein nicht dargestelltes Linsensystem auf den optoelektronischen Sensor 30 auf. Existieren zwischen den Sammelzonen 50 und 60 Driftfelder, werden Minoritätsträger, die beim Eindringen des Lichtstrahls in das Halbleitersubstrat 35 erzeugt werden, zu den Sammelzonen getrieben. Bei einem p-dotierten Halbleitersubstrat bilden Elektronen die Minoritätsträger. Der zu messende Winkel zwischen dem von der Lichtquelle 110 ausgestrahlten Licht und dem auf dem optoelektronischen Sensor 30 auftreffenenden reflektierten Lichtstrahl kann anhand der Schalterstellungen von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 20 ermittelt werden. Beispielsweise kann der Winkel dadurch ermittelt werden, dass die Schalterstellungen ausgewertet werden, bei denen infolge der erzeugten Driftfelder an den Sammelzonen 50 und 60 die gleiche Anzahl an Minoritätsträgern ankommen, d. h. die
Ladungsträgerdifferenz gleich Null ist.
Im vorliegenden Beispiel sei nunmehr angenommen, dass die Steuer- und Auswerteeinheit 20 die Schalter im Augenblick derart angesteuert hat, dass die Schalter 80, 82, 85, 87, 90, 92, 95, 97 geschlossen sind, während die übrigen Schalter geöffnet sind. Demzufolge werden zwei Driftfelder erzeugt, die zeilenweise und in entgegengesetzter Richtung verlaufen. Wie in der Figur dargestellt, erzeugen die durch die Steuerzonen 40 und 70 sowie 41 und 71 gebildeten Steuerzonenpaare ein Driftfeld, dessen Feldlinien von rechts nach links verlaufen, während die durch die Steuerzonen 42 und 72 sowie 43 und 73 gebildeten Steuerzonenpaare ein Driftfeld erzeugen, dessen Feldlinien von links nach rechts verlaufen. Ferner sei angenommen, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung 20 die Sammelzonen 50 und 60 ausgelesen und festgestellt hat, dass auf beiden Sammelzonen sich gleich viele Minoritätsträger angesammelt haben. Anhand der eingestellten Schalterstellungen kann die Steuer- und Auswerteeinirchtung 20 den Konzentrationsschwerpunkt des reflektierten Lichtbündels und somit den Winkel zwischen dem von der Lichtquelle 110 ausgestrahlten Licht und dem an einem Gegenstand reflektierten Licht ermitteln. Im vorliegenden Beispiel liegt der Konzentrationsschwerpunkt in der Mitte des
Halbleitersubstrats 35. Da die Steuer- und Auswerteeinheit 20 ebenfalls den Abstand zwischen der Lichtquelle 110 und dem optoelektronischen Sensor 30 kennt, kann nunmehr der Abstand des Gegenstandes, welcher das von der Lichtquelle 110 kommende Licht reflektiert hat, zu dieser Lichtquelle 110 berechnet werden.
Um die erläuterte Abstandsmessung durchführen zu können, ist die Steuer- und Auswerteeinheit 20 derart ausgebildet, dass sie mit Hilfe eines Suchalgorithmus die
Schalterstellungen solange verändern kann, bis die Differenz der auf den Sammelzonen 50 und 60 gesammelten Minoritätsladungsträger gleich Null ist oder einen Schwellwert über- oder unterschreitet. Die Abstandsmessung kann auch dadurch erfolgen, dass die an die Steuerzonen angelegten Potentiale derart eingestellt werden, dass die Differenz der auf den Sammelzonen 50 und 60 gesammelten Minoritätsladungsträger gleich Null ist oder einen Schwellwert über- oder unterschreitet. Alternativ kann der Abstand auch dadurch ermittelt werden, dass eine
Schalterstellung vorgegeben wird, und die Ladungsdifferenz in den Sammelzonen ausgewertet wird.
Angemerkt sei, dass die zeilenweise Anordnung der Steuerzonenpaare lediglich ein Beispiel darstellt. Anstelle von zwei parallel verlaufenden Driftfeldern können auch drei oder mehr parallel verlaufende Driftfelder von entsprechend angeordneten Steuerzonen erzeugt werden, deren Richtung alternierend verläuft.

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronischer Sensor (30), insbesondere zum Einsatz in einem Reflexionslichttaster, gekennzeichnet durch wenigstens ein Halbleitersubstrat (35) , welches wenigstens einen lichtempfindlichen Bereich, wenigstens zwei Sammelzonen (50, 60) und eine elektrisch ansteuerbare Einrichtung (40-43, 70-73) zum Erzeugen von wenigstens zwei unterschiedlich ausgerichteten Driftfeldern aufweist, wobei im Betrieb die Driftfelder zumindest teilweise zwischen den Sammelzonen (50, 60) verlaufen.
2. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugungseinrichtung Steuerzonen (40-43, 70-73) aufweist, die gruppenweise angeordnet sind, wobei jeder Steuerzonengruppe ein Abschnitt der Sammelzonen oder mindestens zwei separate Sammelzonen zugeordnet sind.
3. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gruppe wenigstens zwei, paarweise angeordnete
Steuerzonen (40, 70; 41, 71; 42, 72; 43, 73) aufweist.
4. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (35) auf einer dielektrischen Schicht (140) angeordnet ist, und dass die Steuerzonengruppen zumindest abschnittsweise voneinander elektrisch isoliert sind.
5. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Steuerzonengruppe und mindestens zwei Sammelzonen in einem separaten Halbleitersubstrat angeordnet sind.
6. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerzonen (40-43, 70-73) und das Halbleitersubstrat (35) vom gleichen Dotierungstyp sind und die Sammelzonen (50, 60) invers zum Halbleitersubstrat (35) dotiert sind.
7. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbare Schalteinrichtung (80-87, 90-97) den Steuerzonen (40-43, 70-73) zugeordnet ist, die an jede Steuerzone ein elektrisches Potential anlegen kann, derart, dass wenigstens zwei unterschiedlich ausgerichtete Driftfelder erzeugt werden.
8. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Schalteinrichtung (80-87, 90-97) jeder Steuerzone (40-43, 70-73) wenigstens zwei Schaltelemente zuordnet, über die unterschiedliche elektrische Potentiale an die jeweilige Steuerzone anlegbar sind.
9. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerzonenpaare (40, 70; 41, 71; 42, 72; 43, 73) reihenweise und parallel zueinander und die Sammelzonen zwischen den jeweils ein Steuerzonenpaar bildenden Steuerzonen angeordnet sind.
10. Vorrichtung (10) zum Erfassen eines Gegenstandes innerhalb eines einstellbaren Überwachungsbereichs umfassend einen optoelektronischen Sensor (30) nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, wenigstens eine Lichtquelle (110) , wenigstens zwei Energieversorgungseinrichtungen (100,
105) mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen, die an die Erzeugungseinrichtung (40-43, 70-73) anlegbar sind, und eine an die Sammelzone (50, 60) angeschlossene Steuer- und Auswerteeinrichtung (20) .
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