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Monolithische Lichtschranke
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Die Erfindung betrifft eine Lichtschranke mit einem Halbleiter-Lichtsender
und einem Halbleiter-Lichtempfänger, die im Abstand voneinander angeordnet sind
und zwischen denen eine den Lichtpfad vom Lichtsender zum Lichtempfänger unterbrechende
oder durchschaltende Einrichtung vorgesehen ist, die beweglich ist.
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Aus einem Halbleiter-Lichtsender, also beispielsweise einer Leuchtdiode,
und einem Halbleiter-Lichtempfänger, also beispielsweise einem Fototransistor, aufgebaute
Lichtschranken sind schon seit längerem üblich. Bei diesen bestehenden Lichtschranken
sind aber Lichtsender und Licht empfänger getrennt mit jeweils einem eigenen Halbleiterkörper
ausgeführt. Das gleiche gilt im Prinzip auch für Optokoppler, die ebenfalls aus
einer Leuchtdiode und einem Fototransistor bestehen. Solche Optokoppler sind zudem
praktisch als Lichtschranken ungeeignet, da Leuchtdiode und Fototransistor in einem
Gehäuse eng benachbart zueinander mit einem lichtdurchlässigen Kunstharz vergossen
sind.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lichtschranke zu schaffen, bei
der nur ein Halbleiterkörper benötigt wird und Lichtsender und Lichtempfänger dennoch
in einem ausreichenden Abstand gehalten sind, so daß in den Lichtpfad die diesen
unterbrechende bzw. frei gebende Einrichtung ohne weiteres eingeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Lichtsender
und Lichtempfänger in Aussparungen nur eines Halbleiterkörpers vorgesehen sind.
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Kt ; Dx / 14.06.1982
Bei der erfindungsgemäßen Lichtschranke
ist eine genaue Positionierung bzw. Justierung des Lichtsenders zum Lichtempfänger
sowie des Lichtsenders und des Lichtempfängers zu beispielsweise einer den Lichtpfad
unterbrechenden bzw. frei gebenden Codierungsscheibe möglich. Ein Übersprechen zwischen
nicht zueinander gehörigen Lichtsendern und Lichtempfängern kann unterbunden werden,
da Lichtsender und Lichtempfänger jeweils in Kanälen untergebracht werden, die die
Aussparungen bilden und das vom Lichtsender abgegebene Licht auf den zugehörigen
Lichtempfänger bündeln.
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Die erfindungsgemäße Lichtschranke kann sehr klein und kostengünstig
hergestellt werden; sie arbeitet äußerst zuverlässig, da Fehljustierungen weitgehend
zu vermeiden sind.
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Die Kanäle selbst werden beispielsweise mit einem trapezförmigen Querschnitt
in eine Siliciumscheibe geätzt. Am einen Ende eines Kanals wird als Lichtsender
eine Leuchtdiode vorgesehen, während am anderen Ende des Kanals als Lichtempfänger
eine Fotodiode oder ein Fototransistor angebracht wird. Selbstverständlich können
die Fotodiode bzw. der Fototransistor oder die Leuchtdiode mit dem Halbleiterkörper
selbst integriert sein. Die Kanäle werden von einer weiteren Siliciumscheibe abgedeckt,
die mit der zuerst genannten Siliciumscheibe fest verbunden ist.
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Beide Siliciumscheiben können beispielsweise miteinander verklebt
werden.
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Die Codierungsscheibe läuft in einer Nut senkrecht zu den Kanälen
jeweils zwischen den Lichtsendern und den Lichtempfängern um, wodurch der Lichtpfad
zwischen den Lichtsendern und den Lichtempfängern unterbrochen bzw. freigegeben
wird.
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Lg Die eine Trägerplatte darstellende erste Siliciumscheibe kann
beispielsweise auf fotolithografischem Wege strukturiert werden, so daß die geometrischen
Toleranzen äußerst genau im /um-Bereich eingehalten werden können. Auf einer Siliciumscheibe
können beispielsweise sehr viele Trägerplatten gleichzeitig hergestellt werden.
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Durch Verwendung einer Wellenlänge, die vom Silicium stark absorbiert
wird, und mittels einer geeigneten Kanallänge sowie eines ausreichenden Abstands
zwischen den Kanälen ist ein Ubersprechen zwischen verschiedenen Kanälen völlig
zu vermeiden.
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Der Lichtsender oder der Lichtempfänger kann mit der Trägerplatte
integriert hergestellt werden. Wenn beispielsweise der Lichtempfänger mit der Trägerplatte
integriert hergestellt wird, dann kann der Lichtsender, also ein Seuchtdioden-Chip,
mittels einer Siliciumdioxidschicht von der Trägerplatte isoliert werden.
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Justierungsprobleme zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger
treten nicht auf, da beide monolithisch in einem Halbleiterkörper untergebracht
sind. Im Betrieb ist somit keine Nachjustierung erforderlich. Auch treten bei Verwendung
zahlreicher Kanäle keine zusätzlichen Justierungsprobleme auf.
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Auch bei sogenannten- Reflexionslichtschranken, bei denen beispielsweise
eine mit einem reflektierenden Überzug versehene Scheibe in den Lichtpfad zwischen
Lichtsender und Lichtempfänger gebracht wird, um das vom Lichtsender abgestrahlte
Licht zum Lichtempfänger zu leiten, kann ein Ubersprechen durch ungewollte Reflexionen
auftreten. Da auch hier die zueinander in einem festen Winkel angeordneten Kanäle
in einer Siliciumscheibe auf fotolithografi-
schem Wege durch Ätzen
hergestellt werden, ist die bereits erwähnte Genauigkeit im Bereich von /um zu erreichen.
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Die Erfindung ermöglicht so Gabellichtschranken und Reflexionslichtschranken,
die sich durch äußerst genaue Justierung zwischen Lichtsender und Lichtempfänger
auszeichnen, da beide im gleichen Halbleiterkörper vorgesehen sind, in den durch
Ätzen entsprechende Kanäle eingebracht werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer monolithischen Gabellichtschranke,
Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt II-II durch Fig. 1, Fig. 3 ein gegenüber rig.
1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer monolithischen Gabellichtschranke mit
einem Lichtsender, zwei Codierungsscheiben und zwei Lichtempfängern, Fig. 4 ein
zweites Ausführungsbeispiel mit einer monolithischen Reflexionslichtschranke, Fig.
5 einen Schnitt sI-V durch Fig. 4, Fig. 6 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
der Reflexionslichtschranke mit einem Lichtsender, zwei Codierungsscheiben und zwei
Lichtempfängern, Fig. 7 ein Beispiel für den Aufbau einer Reflexionslichtschranke,
wobei zur Vereinfachung eine reflektierende Scheibe weggelassen ist, und Fig. 8
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Gabellichtschranke, bei der zusätzliche Blenden
vorgesehen sind, um ein Ubersprechen zwischen benachbarten Bauteilen vollkommen
auszuschließen.
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In den riguren sind einander entsprechende Bauteile m,it den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer
monolithischen Gabellichtschranke. In Fig. 2 ist ein Schnitt TI-II dieser Gabellichtschranke
dargestellt.
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In einen Sillciumträger 1 sind trapezförmige Gräben 2 geätzt. Der
Siliciumträger 1 ist in Seitensicht U-förmig und weist so einen Spalt 3 auf, von
dem die Gräben 2 ausgehen. Im Spalt 3 ist eine Codierungsscheibe 4 um eine Achse
5 drehbar. Diese Codierungsscheibe 4 gibt den Lichtweg zwischen einem Lichtsender
5, beispielsweise einer teuchtdiode, und einem Lichtempfänger 7, beispielsweise
einem Fototransistor, frei oder unterbricht diesen Lichtweg. Der Siliciumträger
1 ist mit einer Deckplatte 8 verklebt, die aus einem lichtundurchlässigen Material
besteht, wie beispielsweise aus Silicium.
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Die den Lichtsender ó bildende Leuchtdiode kann mit dem Si'iciu.mträger
1 integriert sein. In diesem Fall ist der den Lichtempfänger 7 darstellende Fototransistor
von dem Siliciumträger 1 durch eine Isolierschicht, beispielsweise Siliciumdioxid,
elektrisch getrennt. Selbstverständlich kann auch der Fototransistor mit dem Siliciumtrager
1 integriert ausgeführt werden, wobei dann die Leuchtdiode VC2 Siliciumträger 1
elektrisch zu isolieren ist.
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Die Codierungsscheibe 4 ist an gewünschten Stellen mit Löchern 10
versehen, so daß durch diese der Lichtweg zwischen einem Lichtsender 6 und dem zugeordneten
Lichtempfänger - im gleichen Graben 2 freigegeben wird.
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Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 und
2: Bei diesem Ausführungsbeispiel sind im 5iliciumträger 1 zwei Codierungsscheiben
4 und 4' in jeweils einem Spalt 3 bzw. 3' um eine Achse 5 drehbar. In der Mitte
des Grabens 2 liegt zwischen den beiden Codierungsscheiben 4 und 4' ein Lichtsender
5, der beidseitig zu beiden Enden des Grabens 4 Licht zu einem Lichtempfänger 7
bzw 7' abstrahlt. Mit einer solchen Anordnung ist eine Verdoppelung der Auflösung
einer bestimmten Ortsangabe möglich.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel mit einer monolithischen
Reflexionslichtschranke, wobei Fig. 5 ein Schnitt V-V von Fig. 4 ist.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei zur Oberfläche unter einem
Winkel von 450 verlaufende Gräben 20, 21 mit jeweils trapezförmigem Querschnitt
in den Siliciumträger 1 eingeätzt. Eine Deckplatte 8 aus lichtundurchsichtigem Material
sorgt dafür, daß aus diesen Gräben senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 4 kein Licht
austreten kann. Am einen Ende des Grabens 21 befindet sich ein Lichtsender 6, während
am anderen Ende des Grabens 20 ein Lichtempfänger 7 angeordnet ist. Das vom Lichtsender
6 abgestrahlte Licht wird auf eine Reflexionsscheibe 4 geworfen und von deren Oberfläche
in den Graben 20 zum Lichtempfänger 7 reflektiert. Die den Lichtstrahl reflektierende
Oberseite der Codierungsscheibe 8 ist mit einer entsprechenden Codierung ausgestattet,
beispielsweise mit Punkten, an denen keine Reflexion möglich ist.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel befinden sich der Lichtsender 6 und
der Lichtempfänger 7 in der gleichen Ebene.
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Die Gräben 20 und 21 können sehr schmal geätzt werden, so daß das
bersprechen praktisch ausgeschlossen ist und eine äußerst hohe Auflösung erzielt
werden kann.
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Die Fig. 6 zeigt ähnlich zu Fig. 3 eine Abwandlung des Ausfuhru.gsbeispiels
der Fig. 4 und 5: Ein Lichtsender 6 ist am Ende von zwei Gräben 21, 21' angeordnet
und gibt über diese beiden Gräben jeweils ein Lichtsignal an die Oberfläche einer
Codierungsscheibe 4 bzw. 4' ab, die um eine Drehachse 5 bzw. 5' drehbar ist. Von
dort gelangt das reflektierte Licht jeweils zu einem (in Fig. 6 nicht dargestellten)
Lichtempfänger.
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Mit dieser Anordnung kann eine besonders hohe Auflösung und Störsicherheit
erreicht werden, wenn beispielsweise die beiden Lichtempfänger in einer logischen
UND-Schaltung betrieben werden.
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GeseDenenfalls können vom Lichtsender 6 auch mehr als zwei Gräben
21, 21' weggeführt werden, so daß einem Lichtsender beispielsweise vier Lichtempfänger,
also vier "Spuren" zuzuordnen sind.
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Fig. 7 zeigt den Aufbau einer Reflexionslichtschranke, wobei die Codierungsscheibe
zur Vereinfachung weggelassen ist.
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In einen Siliciumträger 1 ist ein Lichtsender 6 integriert, der sein
Licht über eine lichtdurchlässige Kunststoffschicht 30 und eine (nicht dargestellte)
Reflexionsscheibe-an einen Lichtempfänger 7 abgibt, der auf den Siliciumträger 1
aufgeklebt ist. Zur Vermeidung von tibersprechen ist eine Blendenschicht 29 vorgesehen,
die vorzugsweise ebenfalls aus Silicium bestehen kann. Diese Schicht 29 ist wie
der Lichtempfänger 7 auf den Siliciumträger 1 aufgeklebt.
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Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Gabellichtschranke,
wobei Infrarot-Lichtsender 6 jeweils Feldeffekttransistoren als Lichtempfänger 7
zugeordnet
sind. Die Feldeffekttransistoren sind in einem Siliciumträger
1 integriert, während die Infrarot-Lichtsender 6 jeweils mit einer aus Silicium
bestehenden Blendenschicht 1' ausgestattet sind. Die Blendenschicht 1' und der Siliciumträger
1 sind miteinander über eine Abstands schicht 1" verklebt.
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Die Blendenschicht 1' gewährleistet, daß Licht von einem bestimmten
Infrarot-Lichtsender 6 lediglich vom zugeordneten Lichtempfänger 7 ohne Ubersprechen
übertragen wird.
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8 Figuren 11 Patentansprüche