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 U ₂ 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.