EP2179248A1 - Optischer positionssensor auf organischer basis - Google Patents

Optischer positionssensor auf organischer basis

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EP2179248A1
EP2179248A1 EP08786947A EP08786947A EP2179248A1 EP 2179248 A1 EP2179248 A1 EP 2179248A1 EP 08786947 A EP08786947 A EP 08786947A EP 08786947 A EP08786947 A EP 08786947A EP 2179248 A1 EP2179248 A1 EP 2179248A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical sensor
organic
photodiodes
sensor according
sensors
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08786947A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens FÜRST
Oliver Hayden
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Healthcare GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2179248A1 publication Critical patent/EP2179248A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic radiation-sensitive element covered by group H10K30/00
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic radiation-sensitive element covered by group H10K30/00
    • H10K39/30—Devices controlled by radiation
    • H—ELECTRICITY
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    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic radiation-sensitive element covered by group H10K30/00
    • H10K39/30—Devices controlled by radiation
    • H10K39/32—Organic image sensors

Definitions

  • the invention relates to an optical sensor such as for non-contact position and motion measurement with integrated or glued detectors ("on-demand”), for triangulation with one or more optical sensors, for laser tests (beam symmetry), for aligning several Objects, for testing for roughness, flatness, etc., for positioning X-ray sources and beams, for vibration testing and also for sighting can be used.
  • an optical sensor such as for non-contact position and motion measurement with integrated or glued detectors ("on-demand"), for triangulation with one or more optical sensors, for laser tests (beam symmetry), for aligning several Objects, for testing for roughness, flatness, etc., for positioning X-ray sources and beams, for vibration testing and also for sighting can be used.
  • Exact position detection is gaining in importance in an increasing number of applications in the industrial and medical sectors.
  • a contactless precise position determination as it is detected by quadrant sensors, for example, is important.
  • the conventional position sensors are accordingly expensive and difficult to manufacture and stiff to handle due to conventional semiconductor technology.
  • the price increases disproportionately.
  • Object of the present invention is therefore to provide a sensor for position determination, which is mass production suitable and inexpensive to produce.
  • the general operating principle involves the detection of a light beam, wherein the light beam to be detected has a diameter which is smaller than the total diode area but larger than the distance between the diode segments.
  • quadrant sensors work after
  • the circle formed by the photodiodes is subdivided, for example, into 4 photodiodes, so that, according to the invention, a so-called quadrant sensor of organic photodiodes is formed.
  • the currents may be represented as voltages according to the prior art.
  • Organic sensors for position determination can be produced over a large area over several square centimeters.
  • the organic diodes are manufactured at low temperatures ( ⁇ 200 ° C). They are therefore suitable for integration on flexible objects that need to be precisely aligned.
  • Figure 1 shows the scheme of a quadrant sensor with several combined diodes and an incident light beam.
  • FIG. 2 shows the scheme for the construction of an organic photodiode
  • FIG. 3 shows a schematic of peelable quadrant sensors on continuous foil.
  • FIG. 1 shows the diagram of a quadrant sensor with combined photodiodes and an incident light beam.
  • the light beam falls on all 4 quadrants A, B, C and D of the circle, so that the detection of the position signal is performed by the formula already explained above.
  • FIG. 2 shows the diagram of a structure of an organic quadrant diode. In the plan view, all four quadrants are visible, whereas in cross section the layer structure of a quadrant or segment is shown as representative of all.
  • the blend 4 of the two components P3HT (absorber and hole transport component) and PCBM (electron acceptor and transport component) is here the absorbing layer and acts as a so-called "Buik Heterojunction", i. the separation of the charge carriers occurs at the interfaces of the two materials, which form within the entire layer volume.
  • the illumination of the Competitionrantensensors can be done by the top or bottom electrode.
  • highly transparent diodes By choosing a highly transparent material for the absorbing layer and / or by diluting the light-absorbing layer, highly transparent diodes can be produced.
  • an infrared detector transparent to visible light.
  • the transparent position sensor can be mounted almost invisibly.
  • FIG. 2 shows a possible structure for the photodiodes.
  • the substrate and the lower electrode or the upper electrode and the passivation are made of an at least semi-transparent material and in a correspondingly thin layer thickness (e.g., ⁇ 20 nm metal layer).
  • only one of the two electrodes is structured as a circular segment.
  • the counterelectrode and the active organic layers can be deposited unstructured, or else roughly structured by a shadow mask or the like.
  • a quadrant sensor is composed of several, for example, four individual photodiodes.
  • FIG. 3 shows how the structure shown in the preceding figures presents a very simple and cost-effectively producible optical sensor solution.
  • Depicted are preferably detachable quadrant sensors on endless substrate or continuous foil 1, which is for example a PET film.
  • the advantages of the arrangement are made possible by the availability of organic photosensitive materials.
  • the structure illustrated in the figures enables a very simple and inexpensive producible integrable optical sensor solution.
  • the sensor can also be used with strong electromagnetic sensors. Due to the option of a construction on flexible substrates, a very simple adaptation to different surfaces (geometries) is conceivable.
  • the quadrant detector can also be manufactured in any size and matched to the spectral properties of the light source.
  • the organic quadrant sensor can also be sterilized (e.g., by UV irradiation).
  • the complete sensor can be flexibly designed.
  • An organic solar cell could supply the necessary energy to supply the electronic components. If the sensor is operated in photovoltaic mode, the detector surface itself generates energy in order, for example, to supply a wireless transmission of the measurement signals and position to a receiving unit.
  • the invention relates to an optical sensor such as for non-contact position and motion measurement with integrated or glued detectors ("on-demand"), for triangulation with multiple optical sensors, for laser tests (beam symmetry), for alignment of multiple objects, for tests on roughness, flatness, etc., for positioning of X-ray sources and beams, for vibration testing and also for sighting can be used. In contrast to the conventional expensive and inflexible quadrant sensors, these are manufactured on the basis of organic photodiodes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor wie sie beispielsweise zur kontaktfreien Positions- und Bewegungsmessung mit integrierten oder aufgeklebten Detektoren ("on-demand"), zur Triangulation mit zwei oder mehreren optischen Sensoren, für Laser Tests (Strahlsymmetrie), zur Ausrichtung von mehreren Objekten, für Tests auf Rauheit, Flachheit, etc., zur Positionierung von Röntgenquellen und -strahlen, für Vibrationstests und auch zum Visieren eingesetzt werden können. Im Gegensatz zu den herkömmlichen teuren und unflexiblen Sensoren zur Positionsbestimmung werden diese hier auf Basis organischer Photodioden hergestellt.

Description

Beschreibung
Optischer Positionssensor auf organischer Basis
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor wie er beispielsweise zur kontaktfreien Positions- und Bewegungsmessung mit integrierten oder aufgeklebten Detektoren ("on-demand") , zur Triangulation mit einem oder mehreren optischen Sensoren, für Laser Tests (Strahlsymmetrie) , zur Ausrichtung von mehre- ren Objekten, für Tests auf Rauheit, Flachheit, etc., zur Positionierung von Röntgenquellen und -strahlen, für Vibrationstests und auch zum Visieren eingesetzt werden können.
Exakte Positionserfassung gewinnt in einer zunehmenden Zahl von Applikationen auch im Industrie- und Medizinbereich an Bedeutung. Dabei ist insbesondere eine kontaktlose präzise Positionsbestimmung, wie sie von beispielsweise Quadrantensensoren erfasst wird, wichtig.
Es ist vorherrschende Meinung, dass zur Herstellung dieser
Präzisionsgeräte die herkömmlichen Silizium - und/oder III-V- Verbindungshalbleiter-Photodioden wegen Ihrer Materialien und Dimensionierung für Sensoren zur Positionsbestimmmung unersetzlich sind.
Die herkömmlichen Sensoren zur Positionsbestimmung sind durch die herkömmliche Halbleitertechnologie entsprechend teuer und schwierig herstellbar und steif in der Handhabung. Bei größeren Detektorflächen steigt der Preis überproportional an.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sensoren zur Positionsbestimmung zu schaffen, der massenfertigungstauglich und kostengünstig herstellbar ist.
Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein optischer Sensor mit mehreren zusammengefassten organischen Photodioden, die jeweils einzeln Lichtstrahlung de- tektieren, wobei der auf die einzelne organische Photodioden auftreffende Lichtstrahl einen Durchmesser hat, der kleiner als die Gesamtdiodenflache aber größer als der Abstand zwischen den einzelnen Photodioden ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform bilden mehrere zusam- mengefasste organische Photodioden einen Kreis, so dass der resultierende optische Sensor kreisförmig ist. Andere Ausführungsformen der Sensoren sind 2 Dreiecke, die in Summe ein Quadrat ergeben, oder zellenförmige Ausrichtung von Dioden- Arrays .
Sensoren zur Positionsbestimmung, wie Quadrantensensoren, können eine Ausrichtung eines Laserstrahls im Mikrometer und Sub-Mikrometerbereich erzielen.
Das allgemeine Funktionsprinzip beinhaltet die Erfassung von einem Lichtstrahl, wobei der zu detektierende Lichtstrahl einen Durchmesser hat, der kleiner ist als die Gesamtdiodenflache aber größer als der Abstand zwischen den Diodensegmenten. Beispielsweise funktionieren Quadrantensensoren nach dem
Prinzip der Differenzmessung zwischen 4, beispielsweise in einem Kreis angeordneten Photodioden in Form von Kreissegmenten .
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der aus den Photodioden gebildete Kreis beispielsweise in 4 Photodioden unterteilt, so dass sich nach der Erfindung ein so genannter Quadrantensensor aus organischen Photodioden bildet.
Die relevante Beleuchtung der einzelnen organischen Photodioden und des gesamten Sensors kommt beispielsweise durch eine gerichtete Lichtquelle wie einen Laser oder eine LED zustande. Die Detektion des Positionssignals (X und Y) erfolgt bei- spielsweise bei einem Quadratensensor sehr einfach durch die Messung zweier Ströme und Differenzbildung der Signale auf den Sensoren A, B, C und D: χ=(B +D)-(A+ Q γ=(A+B)-(C+D) A+B+C+D A+B+C+D
Die Strome können entsprechend dem Stand der Technik als Spannungen repräsentiert werden.
Organische Sensoren zur Positionsbestimmung können großflächig auf mehreren Quadratzentimeter hergestellt werden.
Crosstalk zwischen den Einzeldetektoren ist bei pixelierten Detektoren untersucht worden, wobei die Pixel bei ~100 Mikrometer Abstand weniger als 6% Ubersprechen gezeigt haben. Der organische Quadrantensensor kann in Sperrrichtung betrieben werden oder der Detektor wird photovoltaisch betrieben. Die spektrale Empfindlichkeit des optischen Sensors lasst sich mit entsprechenden leitfahigen Polymeren oder anderen Absorbermaterialien, wie zum Beispiel Nanodrahte oder Nanokristal- Ie, auf die verwendete Lichtquelle einstellen. In Kombination mit einem Szintillator kann zudem die Empfindlichkeit des Detektors auf Röntgenstrahlen, erweitert werden, wie bereits im Patent DE10244177-A1 beschrieben.
Für kontaktfreie Positionsmessung als Einwegsensor ist eine Kombination mit einem Sender möglich. Der Sender sowie der organische Quadrantendetektor kann auf einer Endlosfolie her- gestellt werden. Diese Kombination erlaubt es Detektoren "on- demand" als Einwegsensoren einzusetzen.
Die organischen Dioden werden bei geringen Temperaturen hergestellt (<200°C) . Sie eignen sich daher zur Integration auf flexiblen Objekten, die präzise ausgerichtet werden müssen.
Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von vier Figuren, die beispielhafte Ausfuhrungsformen der Erfindung zeigen, naher erläutert. Figur 1 zeigt das Schema eines Quadrantensensors mit mehreren zusammengefassten Dioden und einem einfallenden Lichtstrahl .
Figur 2 zeigt das Schema für den Aufbau einer organischen Photodiode und
Figur 3 schließlich zeigt ein Schema von abziehbaren Quadrantensensoren auf Endlosfolie.
Figur 4 zeigt weitere geometrische Ausfuhrungen von organischen Sensoren zur Positionsbestimmung
Figur 1 zeigt das Schema eines Quadrantensensors mit zusam- mengefassten Photodioden und einem einfallenden Lichtstrahl. Der Lichtstrahl fallt auf alle 4 Quadranten A, B, C und D des Kreises, so dass die Detektion des Positionssignals durch die oben bereits erläuterte Formel erfolgt.
Die Figur 2 zeigt das Schema eines Aufbaus einer organischen Quadrantendiode. In der Draufsicht sind alle vier Quadranten erkennbar, wohingegen im Querschnitt der Schichtaufbau eines Quadranten oder Segmentes stellvertretend für alle gezeigt ist .
Ganz unten ist das Substrat 1 der organischen Photodiode erkennbar. Des Weiteren ist eine Bottom-Elektrode 2, die beispielsweise aus ITO, Gold, Platin und/oder Silber sein kann, gezeigt, über der sich eine Lochtransport- und Elektronenblo- ckierschicht 3 (optional) , zum Beispiel aus PEDOT:PSS, PANI, oder einem Polyfluorenderivat befindet. Darüber erkennt man die eigentlich photoaktive Schicht 4, beispielsweise ausgebildet aus einem P3HT-PCBM-Blend, einem Poly-3-hexylthiophen und Phenyl-C61-Buttersauremethylester . Alternativ können ent- sprechend andere organische Halbleitersysteme auf Polymerbasis oder auf Basis kleiner organischer Moleküle zur Detektion verwendet werden. Über diesem wiederum befindet sich die Top- Elektrode 5, die beispielsweise als Kathode aus Calcium, Ba- rium, Magnesium, Aluminium, Silber, Lithiumfluorid und/oder ITO sowie beliebigen Kombinationen dieser Materialien ist.
Außerdem ist eine Strom bzw. Spannungsquelle 6 zu sehen. Selektive Elektroden 2, 5 sind nötig, um ein Diodenverhalten zu gewährleisten. Der Blend 4 aus den beiden Komponenten P3HT (Absorber- und Lochtransportkomponente) und PCBM (Elektronenakzeptor und -transportkomponente) ist hier die absorbierende Schicht und wirkt als sogenannte "BuIk Heterojunction" , d.h. die Trennung der Ladungsträger erfolgt an den Grenzflächen der beiden Materialien, die sich innerhalb des gesamten Schichtvolumens ausbilden.
Die Beleuchtung des Quandrantensensors kann durch die Top- oder Bottom-Elektrode erfolgen.
Durch die Wahl eines hochtransparenten Materials für die absorbierende Schicht und/oder durch die Verdünnung der Licht absorbierenden Schicht, können hochtransparente Dioden her- gestellt werden.
Weiterhin ist es möglich, einen Infrarotdetektor transparent für sichtbares Licht zu gestalten. Mit Hilfe einer infraroten Lichtquelle kann der transparente Positionssensor nahezu unsichtbar angebracht werden.
Die Figur 2 zeigt einen möglichen Aufbau für die Photodioden. Bei diesem Aufbau ist entweder das Substrat und die untere Elektrode oder die obere Elektrode und die Passivierung aus einem zumindest semitransparenten Material und in entsprechend dünner Schichtdicke (z.B. <20 nm Metallschicht) aufgebaut .
Vorteilhafterweise ist nur eine der beiden Elektroden (Anode oder Kathode) als Kreissegment strukturiert. Die Gegenelektrode sowie die aktiven organischen Schichten können unstrukturiert abgeschieden werden, oder aber ebenfalls durch eine Schattenmaske oder ähnliches grob strukturiert werden. Ein Quadrantensensor setzt sich aus mehreren, beispielsweise vier einzelnen Photodioden zusammen.
Figur 3 schließlich zeigt wie der in den vorherigen Figuren gezeigte Aufbau eine sehr einfache und kostengünstig herstellbare optische Sensorlosung präsentiert. Zu sehen sind vorzugsweise abziehbar gestaltete Quadrantensensoren auf Endlossubstrat oder Endlosfolie 1, die beispielsweise eine PET Folie ist.
Es sind vier Quadrantensensoren mit jeweils vier einzelnen organischen Photodioden erkennbar. Jeweils vier Photodioden ergeben einen vollständigen Kreis zur Positionsermittlung.
Die Vorteile der Anordnung werden durch die Verfügbarkeit organischer photosensitiver Materialien ermöglicht. Der in den Abbildungen erläuterte Aufbau ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstig herstellbare integrierbare optische Sensor- losung. Der Sensor kann auch bei starken elektromagnetischen Storfeidern eingesetzt werden. Durch die Option eines Aufbaus auf flexiblen Substraten ist eine sehr einfache Anpassung an unterschiedliche Oberflachen (Geometrien) denkbar. Der Quadrantendetektor kann zudem in beliebiger Große hergestellt werden sowie auf die spektralen Eigenschaften der Lichtquelle abgestimmt werden. Der organische Quadrantensensor kann darüber hinaus sterilisiert werden (z.B. durch UV-Bestrahlung) .
In Kombination mit weiteren organischen Bauelementen wie OFETs, kann der komplette Sensor flexibel gestaltet werden.
Eine organische Solarzelle konnte die notige Energie zur Versorgung der elektronischen Komponenten liefern. Wird der Sensor im photovoltaischen Modus betrieben, generiert die Detektorflache selbst Energie um beispielsweise eine drahtlose U- bertragung der Messsignale und Position an eine Empfangseinheit zu liefern. Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor wie sie beispielsweise zur kontaktfreien Positions- und Bewegungsmessung mit integrierten oder aufgeklebten Detektoren ("on-demand") , zur Triangulation mit mehreren optischen Sensoren, für Laser Tests (Strahlsymmetrie), zur Ausrichtung von mehreren Objekten, für Tests auf Rauheit, Flachheit, etc., zur Positionierung von Röntgenquellen und -strahlen, für Vibrationstests und auch zum Visieren eingesetzt werden können. Im Gegensatz zu den herkömmlichen teuren und unflexiblen Quadrantensenso- ren werden diese hier auf Basis organischer Photodioden hergestellt .
Figur 4 zeigt geometrische Ausführungsbeispiele mit 2 oder mehreren organischen Dioden. Die Diodenfläche entspricht bei- spielsweise einem rechtwinkligen Dreieck oder einem Rechteck. Die organischen Dioden werden in einem Array ausgeführt, wobei die Stegbreite zwischen den Diodenflächen erneut kleiner ist als der Durchmesser des einfallenden Lichtstrahles.

Claims

Patentansprüche
1. Optischer Sensor mit mehreren zusammengefassten organischen Photodioden, die jeweils einzeln Lichtstrahlung detek- tieren, wobei der auf die einzelne organische Photodioden auftreffende Lichtstrahl einen Durchmesser hat, der kleiner als die Gesamtdiodenflache aber größer als der Abstand zwischen den einzelnen Photodioden ist.
2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, wobei mehrere zusammen- gefasste organische Photodioden einen Kreis bilden.
3. Optischer Sensor nach Anspruch 1, wobei zwei oder mehrere zusammengefasste organische Photodioden einen quadratischen oder rechteckigen oder zellenförmigen Sensor bilden.
4. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei vier zusammengefasste Photodioden einen kreisförmigen Sensor bilden .
5. Optischer Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei die organischen Photodioden auf einem flexiblen Substrat herstellbar sind.
6. Optischer Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein Endlossubstrat ist.
7. Optischer Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sensor mit einem Sender oder einer organischen elektronischen Schaltung so gekoppelt ist, dass er seine Information drahtlos an eine Empfangseinheit sendet.
8. Optischer Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sensor über einen Energiespeicher oder Energiewand- ler wie eine organische photovoltaische Zelle verfügt.
9. Optischer Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die organischen Photodioden transparent sind.
EP08786947A 2007-08-17 2008-08-06 Optischer positionssensor auf organischer basis Withdrawn EP2179248A1 (de)

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