NL8502988A - Halfgeleidende radieele fotodetector, en inrichting bevattende een dergelijke detector. - Google Patents

Description

PHN 11.546 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

"Halfgeleidende radiëele fotodetector, en inrichting bevattende een dergelijke detector".

De uitvinding heeft betrekking op een fotodetector geschikt voor toepassing in een hoekverplaats ingsmeetinrichting, met een halfgeleider-gebied van een eerste geleidingstype met daarin aangebracht een aantal strookvormige fotodioden, bevattende zones van het tweede, tegengestelde 5 geleidingstype die met het gebied van het eerste geleidingstype pn-over-gangen vamen, waarbij de uiteinden van de fotodioden gelegen zijn op twee concentrische cirkelbogen en waarbij de lange zijden van de fotodioden zich uitstrekken in radiale richting, en de fotodioden in tangen-tiële richting cp regelmatige afstanden van elkaar liggen, terwijl opeen— 10 volgende fotodioden afwisselend aan het ene en aan het andere uiteinde met een uitgangselektrode zijn verbonden, waarbij boven de fotodioden een voor de straling ondoorlaatbaar beeldbegrenzend scherm is aangebracht dat de uiteinden van de fotodioden afdekt en een opening 'bevat waarbinnen de fotodioden in hoofdzaak zijn gelegen en waarvan twee overstaande randen 15 concentrisch zijn met de cirkelbogen.

Een fotodetector zoals hierboven beschreven is bekend uit het Britse octrooischrift No. 1406902.

Dergelijke fctodetectors, ook wel multipele fotocel genoemd, worden in het bijzonder gebruikt in inrichtingen voor het meten van hoek-20 verplaatsingen, die in verschillende toepassingen gebruikt kunnen warden, bijvoorbeeld voor het meten en controleren van draaisnelheden (tachometers) , hoekmeetinrichtingen in gebruik bij Röntgenstraalkristallogra-fie, en in het algemeen inrichtingen voor het meten en/of regelen van de hoekverplaats ing van een voorwerp.

25 De hoekverplaats ing van een voorwerp kan gemeten worden door afbeelding van een net het voorwerp verbonden patroon van radiëel verlopende stroken, hierna radieel strokenpatroon genoemd, op een referentie-strokenpatroon dat gevormd wordt door een multipele fotocel. Deze fotocel bevat een aantal fotodioden en schakelelektroden die de fotodioden vol-30 gens een bepaald programma met een elektronisch verwerkingscircuit verbinden. Daardoor wordt bereikt dat over het oppervlak van de multipele fotocel als het ware een referentie-strokenpatroon "loopt". Daarmee is een dynamische detektie, vrijwel onafhankelijk van omgevingsinvloeden CM ........ ......... ...............—....................................

w **ƒ « ,£ -j f) * PHN 11.546 2 mogelijk, terwijl tevens de richting van de verplaatsing gemeten kan worden. De dynamische detéktie wordt gerealiseerd zonder gebruik te maken van een afzonderlijk strokenpatroon en van bewegende delen cm dit patroon een eenparige beweging te geven, zodat een verplaatsingsopnemer met een 5 multipele fotocel eenvoudig van opbouw is en goed bestand tegen trillingen. Een hoekverplaatsingsmeetinrichting van deze soort is beschreven in de gepubliceerde Europese octrooiaanvrage EP 96448.

Voor gebruik in een dergelijke inrichting is een multipele fotocel met radiëel verlopende fotodioden zoals bekend uit het Britse octrooi-10 schrift No. 1406902 bijzonder geschikt, omdat daarbij de fotcdiodes gerangschikt kunnen worden overeenkomstig de afbeelding van de eveneens radiëel verlopende meetschijfstroken in het vlak van de fotodetector. In tegenstelling tot een lineaire detector zoals toegepast in de genoemde Europese octrooiaanvrage EP 96448, waarbij de fotodioden volgens even-15 wijdige lijnen zijn gerangschikt behoeven in dit geval geen nauwkeurig uit te richten extra optische elementen gebruikt te worden voor omzetting van de afbeelding van het radiëele meetstrokenpatroon op een lineair fotodiodenpatroon. Daar de elektrische begrenzing van de fotodioden bepaald wordt door de schakel- of stuur elektroden, moeten deze onder de 20 optische begrenzing, d.w.z. onder het scherm liggen. Men kan dan het beeldbegrenzende scherm als geleidende laag uitvoeren en als uitgangs-elektrode gebruiken, en daaronder (en elektrisch daarvan geïsoleerd) de schakelelektroden aanbrengen. Het blijkt echter dat dan de capaciteiten tussen vooral de stuurelektrode en de uitgangselektrode tot merkbare 25 overspraak van de stuurelektrodesignalen op het uitgangssignaal leiden.

Deze overspraakcapaciteiten blijken vooral zeer hinderlijk te zijn wanneer zij verschillend zijn voor fotodioden die niet aan hetzelfde uiteinde met de uitgangselektrode worden verbonden.

De uitvinding beoogt onder meer, een fotodetector bevattende een 30 multipele fotocel met via een schakelsignaal te contacteren fotodioden te verschaffen, waarvan de fotodioden in radiëele richting verlopen en waarvan de constructie zeer compact is, terwijl de hinder tengevolge van de storing door overspraakcapaciteiten zoveel mogelijk gereduceerd is.

Een fotodetector van de in de aanhef beschreven soort is volgens 35 de uitvinding daardoor gekenmerkt, dat het scherm gevormd wordt door een als uitgangselektrode dienende geleidende laag waarvan de aan de genoemde overstaande randen grenzende delen banden van homogene breedte vormen, waarvan de breedten zich verhouden nagenoeg omgekeerd evenredig met de o ïï a ** λ n a

ï λ i i j .π M y V v - = · V V

fflN 11.546 3 kromtestralen van hun hartlijnen, en dat elke fotodicde verbanden is met de uitgangselektrode via een veldeffekttransistor met een geïsoleerde stuurelektrode die onder de uitgangselektrode is gelegen.

De uitvinding heeft verder betrekking op een inrichting voor het meten van hoekverplaats ingen van een voorwerp met behulp van een met 5 het voorwerp mechanisch verbonden meetschijf die voorzien is van een patroon van zich in radiële richting uitstrekkende eerste stroken die, in tangentiële richting, afwisselen met tweede stroken, waarbij de eerste en tweede stroken verschillende optische eigenschappen hebben, welke inrichting bevat een stralingsbron voor het belichten van het strakenpatroon 10 en een fotcdetector voor het cmzetten van van het strokenpatroon afkomstige straling in elektrische signalen, waarbij de fotodetector een multipele fotocel bevat bestaande uit een aantal fotodicdes die (na elkaar) door een elektronische schakelaar met een elektronisch circuit voor het verwerken van de detektorsignalen verbonden worden, met het kenmerk , dat 15 een fotodetectorvolgens een der voorgaande conclusies wordt toegepast.

De uitvinding zal thans nader worden uiteengezet aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden en de tekening, waarin

Figuur 1 schematisch in bovenaanzicht een deel van een fotodetector volgens de uitvinding toont, 20 Figuur 2 schematisch een dwarsdoorsnede door de fotodetector van Figuur 1 toont, volgens de lijn II-II,

Figuur 3 schematisch een hoekverplaats ingsmeetinrichting volgens de uitvinding toont,

Figuur 4 en 5 details van de inrichting volgens Figuur 3 tonen, 25 en

Figuur 6 een blokschema van een verwerkingsschakeling behorende bij de inrichting volgens Figuur 3 toont.

De Figuren zijn schematisch en 'niet op schaal getekend. Overeenkomstige delen zijn in het alganeen met dezelfde verwijzingscijfers 30 aangeduid.

Figuur 1 toont schematisch in bovenaanzicht, en Figuur 2 toont schematisch in dwarsdoorsnede volgens de lijn II-II een deel van de fotodetector volgens de uitvinding. De fotcdetector bevat een halfgeleider-gebied 1 van een eerste geleidingstype, in dit voorbeeld het n-geleidings 35 type ofschoon ook kan worden uitgegaan van een p-gebied. In dit n-type gebied 1 zijn aangebracht een aantal identieke strookvormige fotodioden waarvan er in dit voorbeeld terwille van de duidelijkheid slechts vijf (11 t/m 15) zijn getékend. In werkelijkheid is het aantal van deze foto- 350 2 S 8 8 *. ^ PHN 11.546 4 dioden veel groter, bijvoorbeeld ongeveer 200. In Figuur 2 is een dwarsdoorsnede door fotodiode 13 weergegeven. De diode bevat een zone 4 van het tweede, hier dus p-, geleidingstype die net het gebied T'een pn-overgang 5 vormt. De uiteinden van de fotodioden 11 t/m 15 zijn gelegen op twee con-5 centrische cirkelbogen, waarbij de lange zijden van de fotodioden zich uitstrekken in radiale richting, zie Figuur 1. De dioden liggen in tan-gentiële richting, dat wil zeggen in de richting dwars qp hun lengterichting, op regelmatige afstanden van elkaar, terwijl zij afwisselend aan het ene en aan het andere uiteinde met de uitgangselektrode zijn verbon-10 den, zoals hieronder nog nader zal worden toegelicht. Het gebied 1 is met een referentiepotentiaal, bijvoorbeeld met aarde, verbonden.

Boven de fotodioden is een voor de opvallende straling ondcor-laatbaar beeldbegrenzend scherm 6 aangebracht dat de uiteinden van de fotodioden afdékt en het voor straling toegankelijke deel van de fotodioden 15 bepaalt, teneinde ongewenste randsignalen te vermijden. Het scherm 6 bevat een opening ABCD waarbinnen de fotodioden in hoofdzaak zijn gelegen en waarvan twee overstaande randen, AB en CD, concentrisch zijn met de genoemde cirkelbogen.

Volgens de uitvinding wordt het scherm 6 gevormd door een als uit- 20 gangselektrcde dienende geleidende laag, bijvoorbeeld een aluminiumlaag, vaan de> waarvan de/gënoemde overstaande randen AB en CD grenzende delen banden , met homogene breedte vormen, waarvan de breedten (b^, b2) zich verhouden nagenoeg omgekeerd evenredig met de kromtestralen (R^, R2) van hun hartlijnen H.j H11 en H2 H2'. Zie Figuur 1, waarin op grond van het boven-25 staande bl ^ R2 b2 ~ R1 is. Verder wordt volgens de uitvinding elke fotodiode via een veldeffekt-transistor verbonden met de uitgangselektrode 6 door middel van schakel-30 signalen “ ^5) op een stuurelektrode 7 die onder de uitgangselektrode 6 is gelegen. Zie Figuur 2; de zone 4 bevat een onderbreking waarbij het deel 4' .via een contactvenster 8 (in Figuur 1 met diagonalen aangeduid) is verbonden net de uitgangselektrode 6. De delen 4 en 4' vormen aan- en afvoerzones van een veldeffekttransistor met een geïsoleerde 35 stuurelektrode 7 die verbonden is met de schakelspanning Door deze schakelspanning de juiste waarde te geven wordt in de betreffende fotodiode op tekende wijze tussen de delen 4 en 4' een inversiekanaal aan het oppervlak gevormd waardoor de delen 4 en 4' elektrisch met elkaar 8502 98 8 .....-«Μ1-' ESN 11.546 5 worden verhanden en de door de bestraling in de zone 4 gevormde laiingen naar de uitgangselektrede 6 kunnen afvloeien en kunnen worden geneten aan de uitgangsklem ü.

De capaciteiten tussen de stuurelektroden 7 met hun toevoerlei-5 ding en de daarboven liggende, door de oxydelaag 16 (zie Figuur 2) daarvan geïsoleerde uitgangselektrcde 6 zorgen voor overspraak, die een niet van het te meten signaal te onderscheiden stoor signaal oplevert. Wanneer de breedten b^ en b2 gelijk zouden zijn, zou de overspraakcapaciteit voor de op de band AB aangesloten fotodioden 12 en 14 groter zijn dan voor de 10 op de band CD aangesloten fotodioden 11, 13 en 15 omdat, door het radieel verlopen van de lange zijden van de zones 4, deze zones ter plaatse van de band AB breder zijn dan ter plaatse van de band CD. Ruwweg zou daardoor het oppervlak, en dus de capaciteit, van de stuurelektroden 7 voor R2 de dioden 12 en 14 ongeveer in de verhouding groter zijn dan voor de 15 dioden 11, 13 en 15. Het overspraakstoorsignaal zou voor de dioden 12 en 14 in dezelfde mate groter zijn dan voor de dioden 11, 13 en 15. Door het verschil in grootte van deze stoorsignalen van opeenvolgende dioden ontstaan stoorspanningspulsen van wisselende grootte op de uitgangselek-trode waarvan het omhullende wisselsignaal een niet te verwaarlozen frac-20 tie van het te neten signaal uitmaakt.

Voor de schakel technische analyse van het signaal is het gunstig wanneer de stoorspanningspulsen voor alle dioden gelijk van grootte zijn en de omhullende dus een gelijkspanningssignaal is. Dit is bij de foto- U<| p2 detector volgens de uitvinding met goede benadering bereikt door 25 te maken, waardoor de overspraakcapaciteit van de fotodioden die cp de band AB zijn aangesloten met goede benadering gelijk is aan die van de fotodioden die op de band CD zijn aangesloten.

Bij een gerealiseerde, goed werkende fotodetector bedraagt het aantal fotodioden 220. De breedte van de, uit polykristallijn silicium 30 bestaande, schakelelektroden 7 en van hun toevoergeleiders bedraagt 8 ^um, terwijl R^ = 17 mm en R2 = 18,8 mm. Bij een dergelijke detector zou wanneer b^ = b2 zou zijn, het verschil in stoorsignaal tussen opeenvolgende fotodioden ongeveer 10% bedragen. Dit verschil wordt in de constructie volgens de uitvinding sterk gereduceerd.

35 In het halfgeleiderlichaam dat de multipele fotocel bevat wordt bij voorkeur ook de elektronische schakeling voor het opwekken van de schakels ignalen althans voor een deel cpgenanen, zodat de gehele fotodetector een monolithische geïntegreerde schakeling met multipele fotocel 8502338 V* PHN 11.546 6 en bijbehorende randelectronica vormt.

In het hierna volgende voorbeeld zal een inrichting voor het meten van hoek verplaatsingen van een voorwerp worden beschreven waarin een fotodetector volgens de uitvinding wordt toegepast.

5 In de Figuren 3 en 4 is 21 een ronde schijf met middelpunt M die verbonden is met een, niet weergegeven, voorwerp waarvan de draaiing gemeten moet worden. Deze schijf draait om de as aa'. De schijf 21 kan onderdeel zijn van een zogenaamde goniometer, dat wil zeggen een manipulator waarmee een monster van een te onderzoeken stof onder een bepaalde 10 hoek ten opzichte van een bundel meetstraling geplaatst wordt. Goniometers worden bijvoorbeeld gebruikt-'in spektrometers of mikroskopen die werken met röntgenstraling. De schijf 21 kan ook deel uitmaken van een hoekopnemer in een gereedschapswerktuig of een bewerkingsmachine. Op de schijf bevindt zich een patroon bestaande uit een aantal equidistante 15 reflekterende stroken 23 die afwisselen met niet-reflekterende, bijvoorbeeld doorzichtige of stralingsabsorberende, stroken 24. Het patroon wordt belicht door een bundel 26 afkomstig van een stralingsbron 25, bijvoorbeeld een lichtend, tterende diode of een diodelaser. Een gedeelte van de bundel 26 wordt door een halfdoorlatende spiegel 27 naar de schijf ge- 2.0 reflekteerd. De stralingsbron is geplaatst in het brandvlak van een veld-lens 28 die de bundel evenwijdig maakt. Een deel van de door het patroon 22 gereflekteerde straling wordt door de spiegel 27 doorgelaten naar een objektief stelsel 29 dat het belichte patroon van de meetschijf op een multipele fotocel 30 afbeeldt.

25 De multipele fotocel maakt deel uit van een fotodetector volgens de uitvinding en bevat een betrekkelijk groot aantal, door scheidingstro-ken 32 gescheiden, strookvormige fotodicden 31 die in een betrekkelijk klein aantal groepen verdeeld zijn. Elke groep bevat dus een betrekkelijk groot aantal fotodioden. Het aantal fotodioden per periode van het afge-30 beelde strokenpatroon 22 moet enerzijds zo groot mogelijk zijn voor een zo getrouw mogelijke elektrische weergave van het optische signaal. Anderzijds moet een zo groot mogelijk deel van het strokenpatroon 22, dat bijvoorbeeld 720 strokenpericdes over zijn gehele ontrek bevat, afgetast worden.

35 In de fotodetector zijn, zoals Fig. 5 toont, de fotodioden 31 langs een kromme 33 met kromtestraal R' gerangschikt, welke kromtestraal zo wordt gekozen dat het patroon van fotodioden overeenkomt met de op de multipele fotocel gevormde afbeelding van de stroken van het patroon 22.

83 0 2 9 8 3 ΡΗΝ 11.546 7 -ί,

Bij een vergroting M van het objektiefstelsel 29 geldt dus R' = MxR, waarin R de kromtestraal is van de kromme 34 waarlangs de stroken in het patroon 22 gerangschikt zijn. Door deze maatregel wordt bereikt dat straling afkomstig van een reflekterende strook 23 qp de meetschijf 21 steeds 5 ten hoogste één fotodiode 31, of één scheidingsstrook 32 belicht, en dat bij draaiing van de meetschijf achtereenvolgens alle fotodioden volledig belicht worden. Daardoor kan de hoekverdraaiing van de schijf 21, en dus van het daarmee verbonden voorwerp, zeer nauwkeurig gemeten worden.

In een bepaalde uitvoeringsvorm van de multipele fotocel 30 be-10 droeg het aantal fotodiodes 220 en was de lengte van elke fotodiode 1,8 nm. De breedte van elke fotodiode bedroeg 10^um en de onderlinge afstand van de fotodioden eveneens 10^ um. Het aantal fotodioden per periode van het patroon 22 bedroeg 10 zodat het gezichtsveld 22 periodes van het patroon 22 omvatte. Overeenkomstige fotodioden van elk stel van 10 qp elkaar vol-15 gende fotodioden waren met elkaar verbonden hetgeen betekent dat er 10 groepen van ieder 22 fotodioden waren.

Een stilstaand strokenpatroon met een zwart-wit verhouding 1:1 in het oppervlak van de multipele fotocel 30 wordt gesimuleerd door vijf opeenvolgende groepen van fotodioden te aktiveren. Een lopend stroken-20 patroon ontstaat wanneer de verzameling van vijf groepen steeds een groep verspringt.

In de in Fig. 6 blokschematisch weergegeven verwerkingsschake-ling worden de in de klokimpulsgenerator 40 opgewekte klokiirpulsen 41 toegevoerd aan een deler 42 en een deler 43. De deler 42 levert impulsen 41 25 die een ringteller 45 besturen. De multipele fotocel 30 wordt geaktiveerd door de ringteller 45 en produceert het msetsignaal 46. De deler 43 levert irtpulsen 41 (meestal van een andere herhalingsfrequentie dan de stuur-impulsen 44 uit de deler 42) die het referentiesignaal vormen. In de buf-ferteller 48 worden het meetsignaal 46 en de referentiepulsen 47 met el-30 kaar vergeleken. De uitgangsimpulsen van de bufferteller 48 worden bijvoorbeeld aan een indikator toegevoerd.

De ringteller 45 aktiveert de opeenvolgende groepen van fotodiodes van de multipele fotocel 30, zodat als het ware een strokenpatroon met constante snelheid over het oppervlak van de fotocel 30 loopt. De 35 periode van dat patroon is gelijk aan die van de projektie qp de ifotocel 30 van het patroon 22. Bij stilstand van het patroon 22 ten opzichte van de fotocel 30 heeft het msetsignaal een konstante frequentie. Beweegt de projektie van het patroon 22 zich in dezelfde richting als het schijnbare

8302 S3S

PHN 11.546 8 patroon geaktiveerd door de rlngteller 45/ dan daalt de frequentie van het meetsignaal 46, terwijl bij beweging in tegengestelde richting de frequentie van het meetsignaal 46 stijgt. Richting en grootte van de verplaatsing van het strokenpatroon 22, en daarmee van de verplaatsing van 5 het voorwerp, zijn zo te bepalen.

Zoals reeds eerder opgemerkt, kan een deel van de verwerkings-schakeling volgens het blokschema van Figuur 6 in hetzelfde halfgeleider-lichaam als de multipele fotocel worden opgenomen.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet beperkt is tot de 10 gegeven uitvoeringsvoorbeelden. Zo kunnen de fotodioden in plaats van uit p-type zones in een n-type halfgeleiderlichaam ook uit n-type zones in een p-type halfgeleiderlichaam bestaan. Het als uitgangselektrode dienende scherm 6 kan in plaats van door een aluminiumlaag ook door een andere geleidende laag gevormd worden. Verder kunnen de dioden op andere 15 dan de aangegeven wijze in groepen geschakeld, of niet in groepen geschakeld worden al naar gelang van de toepassing-in een meet- of regel-inrichting.

20 25 30 35 3^02 9 8 8

Claims (3)

1. Fotcdetector geschikt voor toepassing in een hcekverplaatsings- meetinr icht ing, met een halfgeleidergebied van een eerste geleidingstype met daarin aangebracht een aantal strookvormige fotodioden, bevattende zones van het tweede, tegengestelde geleidingstype die mat het gebied 5 van het eerste geleidingstype pn-overgangen vormen, waarbij de uiteinden van de fotodioden gelegen zijn op twee concentrische cirkelbogen en waarbij de lange zijden van de fotodioden zich uitstrekken in radiale richting, en de fotodioden in tangentiële richting op regelmatige afstanden van elkaar liggen, terwijl opeenvolgende fotodioden afwisselend aan het 10 ene en aan het andere uiteinde met een uitgangselektrode zijn verbonden, waarbij boven de fotodioden een voor de straling ondoorlaatbaar beeld-begrenzend scherm is aangebracht dat de uiteinden van de fotodioden afdekt en een opening bevat waarbinnen de fotodioden in hoofdzaak zijn gelegen en waarvan twee overstaande randen concentrisch zijn met de cirkel-15 bogen, met het kenmerk, dat het scherm gevormd wordt door een als uitgangselektrode dienende geleidende laag waarvan de aan de genoemde overstaande randen grenzende delen banden van homogene breedte vormen, waarvan de breedten zich verhouden nagenoeg omgekeerd evenredig met de kromtestralen van hun hartlijnen, en dat elke fotodiode verbonden is net de uitgangs-20 elektrode via een veldeffekttransistor met een geïsoleerde stnurelektro-‘ de die onder de uitgangselektrode is gelegen.

2. Fotodetector volgens conclusie 1, net het kenmerk, dat de fotodioden met althans een deel van de elektronische schakeling voer het opwekken van de schakelsignalen in hetzelfde halfgeleiderlichaam is opgeno- 25 nen.

3. Inrichting voor het meten van hoekverplaats ingen van een voorwerp met behulp van een net het voorwerp mechanisch verbonden meetschijf die voorzien is van een patroon van, zich in radiële richting uitstrekkende, eerste stroken die in tangentiële richting afwisselen met tweede 30 stroken, waarbij de eerste en tweede stroken verschillende optische eigenschappen hebben, welke inrichting bevat een stralingsbron voor het belichten van het strokenpatroon en een fotodetector voor het cmzetten van van het strokenpatroon afkomstige straling in elektrische signalen, waarbij de fotodetector een multipele fotocel bevat bestaande uit een aantal 35 fotediodes die (na elkaar) door een elektronische schakelaar met een elektronisch circuit voor het verwerken van de detektorsignalen verbonden worden, met het kenmerk, dat een fotodetector volgens een der voorgaande conclusies wordt toegepast. c Λ -'f Λ f) t Q v j o O