DE19937809A1

DE19937809A1 - Optischer Sensor sowie Weg- und/oder Winkelsensor

Info

Publication number: DE19937809A1
Application number: DE1999137809
Authority: DE
Inventors: Martin Hueppauff
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-08-11
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2001-02-15

Abstract

Es wird ein optischer Sensor mit wenigstens zwei Elektroden und einer oder mehreren dazwischen liegenden photoempfindlichen Schichten vorgeschlagen, wobei die Elektroden (5, 8) und die eine oder mehreren photoempfindlichen Schichten (6, 7) auf einem flächigen Substrat aufgebracht sind, und wobei wenigstens eine Elektrode (8) zur Realisierung einer Positionskodierung in mehrere aufeinander abgestimmt strukturierte Teilelektroden (12, 13, 14) unterteilt ist, die separat kodierbar sind. Des Weiteren wird ein optischer Weg- und/oder Winkelsensor mit einer Lichtquelle (3) und einem photoempfindlichen Element (1) vorgeschlagen, das wenigstens eine auf einem Substrat angeordnete flächige photoempfindliche Schicht (6, 7) mit flächigen Elektroden (5, 8) zur Kontaktierung, insbesondere gemäß dem oben beschriebenen optischen Sensor, umfaßt, die in Abhängigkeit von der Position eines Lichtstrahls der Lichtquelle (3) auf den flächigen photoempfindlichen Schichten (6, 7) jeweils unterscheidbare Ausgangssignale liefern.

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Weg- und/oder Winkelsensor.

Stand der Technik

Optische Sensoren zur Winkel- oder Wegbestimmung werden derzeit mit einer oder mehreren Lichtquellen (z. B. Leuchtdioden) und einem Photodetektor, z. B. in Form von einer oder mehreren Photodioden bzw. Photoelementen, aufgebaut.

Bei Winkeldetektoren befindet sich zwischen der Lichtquelle und dem Photodetektor eine kodierte, runde Schlitzscheibe, die an dem zu detektierenden, drehenden System (z. B. ein Lenkgestänge eines Lenkrads) befestigt ist. Bei Wegdetektoren wird an Stelle der Scheibe eine kodierte Schlitzmaske eingesetzt, die an einer Linearverstellung, z. B. einem Pedal, befestigt ist.

Nachteilig bei diesen Sensorsystemen ist der hohe Aufwand zur Herstellung präziser Schlitzmasken, die vergleichsweise große Bautiefe und die durch die Schlitzmasken bedingt begrenzte Meßgenauigkeit.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Herstellungsaufwand von Systemen zur Winkel- oder Wegbestimmung zu reduzieren und ihre Meßgenauigkeit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 7 gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung geht von einem optischen Sensor mit wenigstens zwei Elektroden und einer oder mehreren dazwischen liegenden photoempfindlichen Schichten aus. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, daß die Elektroden und die eine oder mehrere photoempfindlichen Schichten auf einem flächigen Substrat aufgebracht sind, wobei wenigstens eine Elektrode zur Realisierung einer Positionskodierung, vorzugsweise Weg- oder Winkelkodierung, in mehrere aufeinander abgestimmt strukturierte Detailelektroden unterteilt ist, die separat kontaktierbar sind. Durch den Aufbau auf einem flächigen Substrat, z. B. in Dünnschichttechnik, läßt sich ein Sensor mit sehr geringer Einbautiefe realisieren. Des Weiteren erlaubt der Einsatz von auf der photoempfindlichen Beschichtung angeordneten, beispielsweise photolithographisch erzeugten Elektroden für eine Positionskodierung eine im Vergleich zu kodierten Schlitzmasken wesentlich höhere Auflösung, da sich Strukturen bis in die Größenordnung von 5 µm und darunter herstellen lassen. Darüber hinaus sind die Herstellungskosten für einen derartigen optischen Sensor gering, da sich etablierte Herstellungsverfahren (z. B. aus der Dünnschichttechnik) und häufig verwendete Materialien einsetzen lassen.

Besonders vorteilhaft ist die Weiterbildung der Erfindung dahingehend, daß wenigstens eine Elektrode transparent oder semitransparent ist. Dadurch lassen sich in der photoempfindlichen Schicht hohe Lichtausbeuten bezogen auf die belichtete Fläche erzielen.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors umfaßt wenigstens eine Elektrode zur Ausbildung einer Positionskodierung eines auf den Sensor treffenden Lichtstrahls Teilelektroden, die derart in strukturierten Bahnen nebeneinander angeordnet sind, daß bei einer streifenförmigen Belichtung quer zur Bahnrichtung an den Teilelektroden Signale abgegriffen werden können, die in Abhängigkeit von der Position in Bahnrichtung innerhalb vordefinierter Schrittweiten jeweils unterschiedlich sind. Durch diese Maßnahme läßt sich die Zahl der Anschlüsse zu den Teilelektroden im Vergleich zu den unterscheidbaren Positionen deutlich reduzieren. Im Falle einer binären Kodierung um den Faktor Logarithmus 2 aus der Zahl der unterscheidbaren Positionen.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bestehen die eine oder mehreren photoempfindlichen Schichten aus einem organischen Material. Damit lassen sich diese Schichten auf ein Substrat, z. B. Glassubstrat, kostengünstig aufbringen, beispielsweise aufschleudern oder aufgießen. Ein Vakuumschritt ist somit entbehrlich. In diesem Zusammenhang ist es außerdem bevorzugt, wenn zwei Schichten aus organischem Material vorgesehen sind, wovon eine p- und die andere n-leitend ist. Damit kann ein stromliefernder optischer Sensor erzeugt werden, der wie eine Solarzelle auf dem Prinzip der Ladungstrennung an einem p-n-Übergang basiert.

Besonders bevorzugt ist es überdies, wenn wenigstens eine Elektrode aus einem Metall oder Metalloxyd besteht. Derartige Elektroden lassen sich einfach aufbringen (z. B. Aufdampfen, Sputtern oder im Siebdruckverfahren drucken) und können auf die photoempfindliche Schicht so abgestimmt werden, daß Verluste an den Übergangsstellen der Schichten minimiert werden, vorzugsweise ein ohmscher Kontakt entsteht.

Hinsichtlich der Elektroden ist es außerdem vorteilhaft, wenn wenigstens eine aus einem leitfähigen organischen Material besteht. Ein solches Material läßt sich wie bereits oben erwähnt ohne einen Vakuumschritt oder eine aufwendige Beschichtungsvorrichtung, z. B. in einem Spinprozeß, aufbringen, wodurch die Herstellungskosten gering gehalten werden können.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf einen Weg- und/oder Winkelsensor mit einer Lichtquelle und einem photoempfindlichen Element, bei welchem das photoempfindliche Element eine oder mehrere auf einem Substrat angeordnete flächige photoempfindliche Schichten mit flächigen Elektroden zur Kontaktierung, insbesondere einen oben beschriebenen optischen Sensor umfaßt, der in Abhängigkeit von der Position eines Lichtstrahls der Lichtquelle auf den einen oder die mehreren photoempfindlichen Schichten jeweils unterscheidbare Ausgangssignale liefert. Auf diese Weise läßt sich ein Weg- oder Winkelsensor realisieren, mit welchem im Vergleich zu herkömmlichen Weg- oder Winkelsensoren, die mit einer kodierten Blende arbeiten, vergleichsweise exaktere Positionsangaben zu erhalten sind. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß eine photolitographisch erzeugte Elektrodenanordnung auf der einen oder den mehreren photoempfindlichen Schichten für eine Weg- oder Winkelkodierung ausgelegt ist.

Schließlich ist es bevorzugt, wenn für eine geometrische Festlegung eines von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahls eine Schlitzblende eingesetzt wird. Dabei kann sich zur Erfassung einer Weg- oder Winkelveränderung in Bezug auf das photoempfindliche Element entweder die Blende bewegen und das photoempfindliche Element feststehen oder umgekehrt.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiele der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines optischen Wegsensors im Querschnitt und

Fig. 2 eine Elektrodenanordnung für einen optischen Wegsensor nach Fig. 1 in einer schematischen Draufsicht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein schematischer Schichtaufbau eines optischen Wegsensors 1 im Querschnitt mit Elektronikeinheit 2 und Lichtquelle 3 dargestellt. Der optische Wegsensor 1 besteht aus einem Trägersubstrat 4, beispielsweise ein Glassubstrat, auf welches die folgenden Schichten aufgebracht sind: Unmittelbar auf das Trägersubstrat 4 folgt eine "Grundelektrode" 5, z. B. eine aufgedampfte Goldschicht. Auf der Grundelektrode 5 ist eine p-leitende organische Halbleiterschicht 6 angeordnet, gefolgt von einer n-leitenden organischen Halbleiterschicht 7. Beide organische Halbleiterschichten sind photoempfindlich. Auf diese Weise wird, wie bei einer Solarzelle, ein p-n-Übergang realisiert, durch den eine Ladungstrennung von Ladungsträgern herbeigeführt wird, die durch Lichteinstrahlung generiert werden. Durch die Grundelektrode 5 und eine auf den n- und p- Halbleiterschichten angeordnete "Topelektrode" 8 (z. B. aus ITO = Indium Tin Oxide, Indium-Zinnoxid) lassen sich die durch Lichteinstrahlung mittels der Lichtquelle 3 generierten Ladungsträger abgreifen. Ein entsprechender Stromfluß kann dann in der Elektronikeinheit 1, die mit der Grundelektrode 5 und der Topelektrode 8 über die angedeuteten Leitungen 9, 10 elektrisch verbunden ist, ausgewertet werden.

Vor der Lichtquelle 3 sitzt eine Schlitzblende 11, um einen balkenförmigen Lichtstrahl zu erzeugen.

Im Ausführungsbeispiel ist der optische Wegsensor fest angeordnet, wogegen sich die Lichtquelle 3 mit Blende 11 entsprechend einer zu detektierenden Linearbewegung bewegt. Diese Linearbewegung des balkenförmigen Lichtstrahls wird durch die gemäß Fig. 2 strukturierte Topelektrode 8 ausgewertet. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Topelektrode 8 aus transparentem oder semitransparentem Material besteht, um die darunter liegenden Halbleiterbereiche belichtet zu können. Eine lichtdurchlässige Topelektrode läßt sich mit ITO erzielen, wodurch mit in der Dünnschichttechnik üblichen Schichtdicken eine Lichtransmission von ca. 80% erzielt werden kann.

Zur Auswertung einer Linearbewegung ist die Topelektrode 8 in, hier beispielhaft dargestellt, drei Teilelektroden 12, 13, 14 unterteilt. Die Teilelektroden 12, 13, 14 sind streifenförmig und liegen parallel nebeneinander. Bei der Teilelektrode 12 besteht die erste Hälfte der Elektrodenflächen lediglich aus einem schmalen Kontaktierungssteg, bei der Teilelektrode 13 besteht das erste Viertel sowie das dritte Viertel der Elektrodenfläche aus einem Kontaktierungssteg und bei der Teilelektrode 14 das erste, dritte, fünfte, siebte Achtel der Elektrode. Die Elektroden weisen in Längsrichtung die gleiche Länge auf und sind bündig zueinander ausgerichtet. Durch diese Anordnung der Elektroden wird eine binäre 3-Bit-Kodierung für die Position eines schmalen Lichtbalkens realisiert, der quer zu den Elektroden alle drei Elektroden überdeckt und sich in Längsrichtung bewegen kann. Dabei macht man sich den Effekt zunutze, daß der Elektrodenstrom von der Fläche der Elektroden im belichteten Teil über den photoempfindlichen Schichten abhängig ist. Mit einer entsprechenden Schwellwertauswertung kann dem Elektrodenstrom für eine Positionierung des Lichtbalkens an einer ausgesparten Stelle eine "Null" zugeordnet werden, wogegen für eine Positionierung des Lichtbalkens an der flächigen Elektrode eine "Eins" zugeordnet wird. Damit sind insgesamt acht unterschiedliche Positionen anhand einer binären 3-Bit- Kodierung unterscheidbar. Beispielsweise ist einer Position für den Lichtbalken im dritten Achtel der Elektroden (in Fig. 2 von rechts nach links betrachtet) die binäre Zahl 101 zugeordnet.

Dementsprechend können z. B. 256 Positionen pro Längeneinheit der Elektrode unterschieden werden, sofern acht im Sinne der Elektroden von Fig. 2 entsprechend strukturierte Teilelektroden angeordnet werden.

Der Lichtbalken, der durch die Schlitzblende 11 erzeugt wird, kann beispielsweise, wie in Fig. 1 ersichtlich, die Breite 15 aufweisen, die geringer als ein Achtel der Elektrodenlänge ist.

Zur Auswertung des von einem Lichtbalken erzeugten Signals verfügt jede Teilelektrode 12, 13, 14 über einen separaten elektrischen Anschluß.

Für eine Winkelbestimmung läßt sich eine derartige Elektrodenanordnung auch z. B. kreisförmig anordnen.

In einer weiteren Ausführungsform kann die strukturierte Elektrode 8, welche in Fig. 2 aus den Teilelektroden 12, 13, 14 besteht, auch aus einem nicht undurchlässigen Kontaktmaterial bestehen, wobei die Belichtung in diesem Fall von der Rückseite erfolgt. Das heißt, sowohl das Substrat 4 als auch die Grundelektrode 5 sollten lichtdurchlässig sein.

Bezugszeichenliste

1

Optischer Wegsensor

2

Elektronikeinheit

3

Lichtquelle

4

Trägersubstrat

5

Grundelektrode

6

p-Halbleiterschicht

7

n-Halbleiterschicht

8

Topelektrode

9

Leitung

10

Leitung

11

Blende

12

Teilelektrode

13

Teilelektrode

14

Teilelektrode

15

Breite des Lichtbalkens

Claims

1. Optischer Sensor mit wenigstens zwei Elektroden und einer oder mehreren dazwischenliegenden photoempfindlichen Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden und die eine oder mehreren photoempfindlichen Schichten auf einem flächigen Substrat aufgebracht sind, wobei wenigstens eine Elektrode zur Realisierung einer Positionskodierung in mehrere aufeinander abgestimmt strukturierte Teilelektroden unterteilt ist, die separat kontaktierbar sind.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode transparent oder semitransparent ist.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode zur Ausbildung einer Positionskodierung der Position eines auf den Sensor auftreffenden Lichtstrahls Elektroden umfaßt, die derart in strukturierten Bahnen nebeneinander angeordnet sind, daß sich bei einer streifenförmigen Belichtung quer zur Bahnrichtung an den Teilelektroden Signale abgreifen lassen, die in Abhängigkeit von der Position in Bahnrichtung innerhalb vordefinierter Schrittweiten jeweils unterschiedlich sind.

4. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eine oder die mehreren photoempfindlichen Schichten aus einem organischen Material bestehen.

5. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei photoempfindliche Schichten aus organischem Material vorgesehen sind, wovon eine p- und die andere n-leitend ist.

6. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode aus einem Metall oder Metalloxid besteht.

7. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode aus einem leitfähigen, organischen Material besteht.

8. Optischer Weg- und/oder Winkelsensor mit einer Lichtquelle und einem photoempfindlichen Element, dadurch gekennzeichnet, daß das photoempfindliche Element wenigstens eine auf einem Substrat angeordnete flächige photoempfindliche Schicht (6, 7) mit flächigen Elektroden (5, 8, 12, 13, 14) zur Kontaktierung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfaßt, die in Abhängigkeit von der Position eines Lichtstrahls der Lichtquelle (3) auf der wenigstens einen flächigen photoempfindlichen Schicht jeweils unterscheidbare Ausgangssignale liefern.

9. Optischer Weg- und/oder Winkelsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für eine geometrische Festlegung eines von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahls eine Schlitzblende eingesetzt wird.