DE4239012A1

DE4239012A1 -

Info

Publication number: DE4239012A1
Application number: DE4239012A
Authority: DE
Inventors: Akira Kobayashi; Takeshi Kawai; Hiroshi Sasaki
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1991-11-19
Filing date: 1992-11-19
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2012-11-20
Also published as: US5315100A; DE4239012C2; JPH05145049A

Description

Die Erfindung betrifft eine photoelektrische Konvertierungsvorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines Objektes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine konventionelle photoelektrische Konvertierungsvorrichtung ist zum Beispiel aus der japanischen Patent-Veröffentlichung Nr. 56-39 429 bekannt. Dort ist eine photoelektrische Konvertierungsvorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines Objektes angegeben, in welcher eine große Anzahl photoelektrischer Konvertierungselemente in elektrisch positiver und negativer Richtung so verbunden sind, daß die in positiver und negativer Richtung verbundenen Elemente auf einer Ebene in Längs- und Querrichtung wiederholt erscheinen und die Summe der Ausgangssignale der photoelektrischen Konvertierungselemente in der positiven Richtung und die Summe der photoelektrischen Konvertierungselemente in der negativen Richtung jeweils unterschiedlich miteinander verbunden sind. Wenn ein zu erfassendes Objekt sich in Ruhestellung befindet, löschen sich bei dieser Anordnung die beiden Ausgangssignale der Elemente gegenseitig aus, so daß kein Differenzausgangswert übertragen wird. Wenn sich das Objekt bewegt, werden pulsartige Differenzausgangswerte periodisch ausgegeben, so daß ein Erfassungsausgangswert mit einer Frequenz erhalten wird, die der Bewegungsgeschwindigkeit des Objektes entspricht.

Werden bei der oben beschriebenen konventionellen photoelektrischen Konvertierungsvorrichtung die photoelektrischen Konvertierungselemente und Raumfilter zum Erfassen der Bewegung eines Zielobjektes unter Verwendung monokristalliner Siliziumelemente als photoelektrische Konvertierungselemente integral hergestellt, so erfordert der Elementherstellungsprozeß eine große Auswahl von Schritten, wie Diffusion und Ätzung. Außerdem wird, wenn solche Geräte hergestellt werden, um große Flächen aufzuweisen, eine Verringerung des Ertrages verursacht, die in einem Anstieg der Kosten resultiert. Weiterhin kann, wenn aktive Elemente integriert werden, die zur Signalverarbeitung verwendet werden, der Teil, auf dem die Elemente gebildet sind, nicht als Teil genutzt werden, welches Lichtempfindlichkeit aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine photoelektrische Konvertierungsvorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines Objektes vorzuschlagen, die einen einfachen Aufbau aufweist und kostengünstig realisiert werden kann.

Ferner sollen das photoelektrische Konvertierungselement und das Raumfilter integral aufgebaut sein.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine photoelektrische Konvertierungsvorrichtung weist zwei sich gegenüberliegende Elektroden und eine amorphe Siliziumschicht auf. Die amorphe Siliziumschicht ist zwischen den beiden Elektroden angeordnet, um eine photoelektrische Konvertierung von Licht, das Licht eines Zielobjektes enthält, durchzuführen. Wenigstens eine der Elektroden ist in einen Satz strukturierter Elektroden unterteilt, die jeweils zur Ausbildung einer Raumfilterelektrode mit der amorphen Siliziumschicht in elektrisch positiver und negativer Richtung verbunden sind. Die strukturierten Elektroden, die entsprechend in positiver und negativer Richtung verbunden sind, sind unregelmäßig auf der amorphen Siliziumschicht angeordnet.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer photoelektrischen Konvertierungsvorrichtung in Draufsicht;

Fig. 2 den Hauptteil der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung in Schnittansicht;

Fig. 3 die Anordnung des Hauptteiles einer interdigitalen Elektrode in vergrößerter Draufsicht;

Fig. 4 ein Blockdiagramm, das eine Signalverarbeitungsschaltung für ein photoelektrisches Konvertierungselement wiedergibt;

Fig. 5 die Anordnung des Hauptteiles eines photoelektrischen Konvertierungselementes in vergrößerter Draufsicht; und

Fig. 6 den Hauptteil eines anderen Ausführungsbeispiels in Schnittansicht.

Die Fig. 1 und 2 zeigen den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels einer photoelektrischen Konvertierungsvorrichtung. Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, sind ein transparentes Glassubstrat 1, eine gemeinsame Elektrode 2, die aus einer transparenten, leitfähigen Schicht besteht und auf dem Glassubstrat 1 ausgebildet ist, ein Elektrodenanschluß 2a der gemeinsamen Elektrode 2, eine PIN-artige amorphe Siliziumschicht 3, die auf der gemeinsamen Elektrode 2 als eine photoelektrische Konvertierungsschicht ausgebildet ist, und eine interdigitale Elektrode 4 vorgesehen, die auf der Oberfläche der amorphen Siliziumschicht 3 ausgebildet ist, um der gemeinsamen Elektrode 2 gegenüberzuliegen, und eine Raumfilterfunktion aufweist. Die interdigitale Elektrode 4 ist so aufgebaut, daß eine dünne aus Al, Cr oder ähnlichem bestehende Metallschicht auf der Oberfläche der amorphen Siliziumschicht 3 ausgebildet und die sich ergebende Struktur in einer vorgegebenen Form gestaltet ist, um die Funktion eines Raumfilters aufzuweisen. Die amorphe Siliziumschicht 3 ist zwischen die gemeinsame Elektrode 2 und die interdigitale Elektrode 4 aufgenommen, um ein photoelektrisches Element 5 auszubilden, das ein Raumfilter darstellt. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Oberflächenschutzschicht.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die interdigitale Elektrode 4 aus einer ersten und einer zweiten Kammelektrode 41 und 42 zusammengesetzt, die eine Vielzahl rechteckiger Kammzähne zur Erzielung einer Raumfilterfunktion aufweisen. Die rechteckigen Zähne der ersten und zweiten Kammelektrode 41 und 42 sind geeignet verteilt und gemeinsam so angeordnet, so daß sie sich mit vorgegebenem Abstand einander gegenüberliegen. Die ersten und zweiten Zahnelektroden 41 und 42 sind so angeordnet, daß sie der auf dem Glassubstrat 1 ausgebildeten gemeinsamen Elektrode 2 gegenüberliegen. Weiterhin sind die rechteckigen Zähne der Kammelektroden 41 und 42 jeweils elektrisch mit Leitungen 7a bzw. 7b verbunden, die zur Verbindung mit einem Elektrodenanschluß 8a und einem Elektrodenanschluß 8b herausgeführt sind. Es ist zu bemerken, daß die oben beschriebene gemeinsame Elektrode 2 nicht in Bereichen unter den Leitungen 7a und 7b angeordnet ist. Ferner ist der Elektrodenanschluß 2a der gemeinsamen Elektrode 2 durch eine dünne, aus Al, Cr oder dergleichen gebildeten Metallschicht auf der Oberfläche der transparenten leitfähigen Schicht ausgebildet, die die gemeinsame Elektrode 2 darstellt.

Bei diesem Raumfilter sind zum Beispiel 20 (in Längsrichtung) × 26 (in Querrichtung) Zellen S, d. h. insgesamt 520 Zellen S durch die Verwendung von Zufallszahlen oder Pseudozufallszahlen so gewichtet, daß "+1" und "-1" unregelmäßig angeordnet sind, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. In diesem Fall wird zum Beispiel eine M-Reihe verwendet und zweidimensional als Pseudozufallszahlen entwickelt. Es ist zu bemerken, daß die Gesamtsumme der Wichtungen der Zellen S etwa auf "0", zu setzen ist. Wenn die Gesamtsumme der Wichtungen nicht "0" ist, ist es notwendig, daß der Absolutwert der Gesamtsumme 10% oder weniger von der Summe der absoluten Werte der Wichtungen aller Zellen S beträgt. Wenn die Autokorrelation von einem zweidimensionalen Feld von Wichtungen berechnet wird, wobei das Feld als räumliches Filter dient, ist ein Peak nur an einer Stelle vorhanden und Unregelmäßigkeiten treten in zwei Dimensionen auf. Es ist zu bemerken, daß die Anzahl der Peaks im schlimmsten Fall vier nicht überschreiten darf.

Bei diesem Aufbau ist die amorphe Siliziumschicht 3 zwischen der gemeinsamen Elektrode 2 und der interdigitalen Elektrode 4 angeordnet, um das photovoltaische photoelektrische Konvertierungselement 5 zu bilden, wobei das Raumfilter durch die erste und zweite Kammelektrode 41 und 42 der interdigitalen Elektrode 4 ausgebildet ist. Wenn bei diesem Aufbau ein Bild von zum Beispiel einem Mann als Zielobjekt von der Seite des Glassubstrats 1 in der Richtung einfällt, wie dies durch den Pfeil in Fig. 2 gezeigt ist, wird das Bild auf das photoelektrische Umwandlungselement 5 projiziert. Als Folge fließt der größte Teil des in der amorphen Siliziumschicht 3 fließenden Stromes in Längsrichtung, in der ein internes elektrisches Feld durch die PIN-Struktur erzeugt wird, da die Isoliereigenschaft der Schicht 3 in seitlicher Richtung (Querrichtung) größer als in Längsrichtung ist. Dadurch entsprechen die an den Elektrodenanschlüssen 8a und 8b abgegriffenen Signale den Lichtanteilen, die auf die erste bzw. zweite Kammelektrode 41 und 42 projiziert werden.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Raumfilter bilden die rechteckigen Kammzähne die Zellen S aus, die jeweils eine Lichtempfindlichkeit aufweisen. Die Breite P₁ jeder Zelle S beträgt 380 µm und der Abstand P₂ zwischen den jeweiligen Zellen S beträgt 140 µm. In diesem Fall ergibt sich das Verhältnis von Breite P₁ zu Abstand P₂ zu 0.4 oder weniger. Die erste und zweite Kammelektrode 41 und 42 bilden die Zellen, die jeweils mit "+1" und "-1" gewichtet sind, in Form einer 20 (in Längsrichtung) × 26 (in Querrichtung) Matrix aus und sind entsprechend an die Elektrodenanschlüsse 8a und 8b angeschlossen. Demzufolge sind alle Ausgänge zu Ausgängen "+1" bzw. "-1" zusammengefaßt, so daß ein Ausgangssignal in Abhängigkeit davon erhalten werden kann, ob die Ausgänge mit den Eingangsklemmen der in Fig. 4 dargestellten Signalverarbeitungsschaltung verbunden sind.

Fig. 4 zeigt die Signalverarbeitungsschaltung für das in den Fig. 1 und 2 dargestellte photoelektrische Konvertierungselement 5. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, sind ein Differenzverstärker 11, ein Bandpaßfilter 12, ein A/D- Wandler 13 sowie eine arithmetische Verarbeitungseinheit 14 vorgesehen.

Wenn Ausgangssignale von der ersten und zweiten Kammelektrode 41 und 42 über die Elektrodenanschlüsse 8a und 8b in den Differenzverstärker 11 eingegeben werden, wird die Differenz zwischen den Ausgangssignalen entsprechend verstärkt. Wenn zum Beispiel das Bild eines Menschen, das auf das photoelektrische Konvertierungselement 5 projiziert wird, sich über eine Wegstrecke bewegt, die dem zweifachen Wert von P₁ und P₂ entspricht (P₁: Elektrodenbreite; P₂: Elektrodenabstand), tritt eine Helligkeitsänderung ein, die einer Periode entspricht und die durch das photoelektrische Konvertierungselement 5 in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Es ist festzustellen, daß die Frequenz dieses elektrischen Signals durch die Bewegungsgeschwindigkeit des Mannes festgelegt wird. Das Signal wird in das Bandpaßfilter 12 eingegeben. Das Bandpaßfilter 12 läßt die Signalfrequenz, die auf dem sich bewegenden Mann beruht, hindurch. Das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 12 wird durch den A/D-Wandler 13 A/D- konvertiert und das resultierende Signal wird zur arithmetischen Verarbeitungseinheit 14 ausgegeben. Die arithmetische Verarbeitungseinheit 14 berechnet zum Beispiel eine Autokorrelationsfunktion, um die Bewegungsgeschwindigkeit des Objektes zu berechnen. Ein Ausgangssignal der arithmetischen Verarbeitungseinheit 14 wird als ein der Anzahl und der Bewegung der sich bewegenden Objekte entsprechendes Signal an eine Ausgangsklemme 15 angelegt. Dieses Ausgangssignal kann zum Beispiel als Bewegungsüberwachungssignal für ein Lebewesen, welches sich unregelmäßig bewegt, benutzt werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel können, wenn die erste und zweite Kammelektrode 41 und 42 auf der amorphen Siliziumschicht 3 gebildet werden, Dunkelströme, die in dem photoelektrischen Konvertierungselement 5 fließen, durch Ätzung einer n-Schicht der amorphen Siliziumschicht 3 an Stellen zwischen den entsprechenden Elektroden reduziert werden, wobei durch die Ätzung Vertiefungen 3a auf der amorphen Siliziumschicht 3 ausgebildet werden, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel sind die entsprechenden Zellen des Raumfilters jeweils mit "+1" bzw. "-1" gewichtet. Jedoch können die Zellen S auch durch "+1", "-1" bzw. "0" gewichtet werden, wobei diese gewichteten Zellen S unregelmäßig angeordnet sind, so daß die Ausgangssignale der Zellen S, die mit dem gleichen Koeffizienten gewichtet sind, zu einem Ausgangssignal zusammengefaßt werden und ein Ausgangssignal in Abhängigkeit davon erhalten werden kann, ob das Ausgangssignal an die Signalverarbeitungsschaltung angelegt wird.

Das photoelektrische Konvertierungselement 5 weist beim obigen Ausführungsbeispiel die gemeinsame Elektrode 2 auf der Seite des transparenten Glassubstrates 1 auf. Jedoch kann der gleiche Effekt wie oben erzielt werden, falls die interdigitale Elektrode 4, welche die Raumfilterfunktion aufweist, auf der Seite des Glassubstrates 1 ausgebildet ist. Weiterhin kann der gleiche oben beschriebene Effekt durch folgende Anordnung erzielt werden. Anstelle des transparenten Glassubstrates 1 wird ein Metallsubstrat verwendet und auf der Oberfläche des Metallsubstrates eine Isolierschicht ausgebildet. Ein photoelektrisches Konvertierungselement 5 wird auf der Isolierschicht ausgebildet. In diesem Fall fällt Licht von einem Zielobjekt von der gegenüberliegenden Seite des Metallsubstrates ein, d. h. das Licht fällt nach unten auf das photoelektrische Konvertierungselement 5 ein.

Fig. 6 stellt den Hauptteil eines weiteren Ausführungsbeispiels dar. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das photoelektrische Konvertierungselement 5 auf einem Glassubstrat 1 ausgebildet. Anstelle dieses Glassubstrates 1 wird in diesem Fall ein Siliziumsubstrat 101 verwendet. Eine amorphe Siliziumschicht 103 ist über eine Isolierschicht 109 auf der Siliziumschicht 101 ausgebildet, wobei das Licht von einem Zielobjekt, wie oben beschrieben, nach unten auf ein photoelektrisches Konvertierungselement 105 einfällt. Ferner ist die oben beschriebene, in Fig. 4 dargestellte Signalverarbeitungsschaltung als eine integrierte Schaltung 110 auf dem Siliziumsubstrat 101 ausgebildet. Da bei diesem Ausführungsbeispiel ein Raumfilter auf dem Siliziumsubstrat 101, auf dem sich die integrierte Schaltung 110 befindet, ausgebildet ist, kann fast die ganze Oberfläche des photoelektrischen Konvertierungselementes 105 als Bereich für das Raumfilter verwendet werden, der Lichtempfindlichkeit aufweist, ohne auf einen Photodetektorbereich des Elementes 105 verzichten zu müssen.

Da ein Raumfilter mit Unregelmäßigkeiten und ein photoelektrisches Konvertierungselement mit einer amorphen Siliziumschicht integral ausgebildet werden, kann die Entwicklung eines optischen Systemes sehr vereinfacht und ein einfacher Aufbau realisiert werden, so daß eine großdimensionierte photoelektrische Konvertierungsvorrichtung zu niedrigen Kosten hergestellt werden kann. Ferner kann bei Verwendung einer amorphen Siliziumschicht ein Raumfilterelement mit einer großen Fläche kostengünstig hergestellt werden. Da das Raumfilter Unregelmäßigkeiten aufweist, kann ferner die Bewegung von Objekten innerhalb des Sichtfeldes ohne Rücksicht auf die Bewegungsrichtungen der Objekte erfaßt werden. Weiterhin ist die Auslöschung zwischen den Bewegungen der Objekte an verschiedenen Orten innerhalb des Sichtfeldes reduziert, so daß die Unabhängigkeit eines jeden Ortes sichergestellt werden kann und ein deutliches Frequenzsignal, das auf der Bewegung eines jeden Zielobjektes beruht, erhalten werden kann. Da ferner eine amorphe Siliziumschicht bei niedrigen Temperaturen ausgebildet werden kann, kann die Schicht auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet werden. Deshalb können die entsprechenden Komponenten einschließlich der Sianalverarbeitungsschaltung integriert werden.

Claims

1. Photoelektrische Konvertierungsvorrichtung gekennzeichnet durch

- ein Paar gegenüberliegender Elektroden (2, 4) und
- eine amorphe Siliziumschicht (3), die zwischen den Elektroden (2, 4) angeordnet ist, zur Durchführung einer photoelektrischen Umwandlung von Licht, das Licht eines Zielobjektes enthält,
- wobei wenigstens eine der beiden Elektroden (2, 4) in einen Satz von strukturierten Elektroden (41, 42) unterteilt ist, die entsprechend mit der Siliziumschicht (3) zur Ausbildung einer Raumfilterelektrode in elektrisch positiver und negativer Ausrichtung verbunden und unregelmäßig auf der Siliziumschicht (3) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Satz strukturierter Elektroden (41, 42) erste und zweite Kammelektroden aufweist, die mit einen vorgegebenen Abstand einander gegenüberliegend angeordnet sind und Kammzähne aufweisen, die mit einer Vielzahl von Zellenelektroden (S) verbunden sind, wobei die Zellenelektroden (S) der ersten und zweiten Kammelektrode unregelmäßig angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unregelmäßig angeordneten Zellenelektroden (S) in Übereinstimmung mit der ersten und zweiten Kammelektrode entsprechend gewichtet sind und ein Absolutwert der Summe aller Wichtungen der Zellenelektroden (S) nicht größer als 10% einer Summe absoluter Werte der Wichtungen aller Zellen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Siliziumsubstrat (101) vorgesehen ist, auf welchem die amorphe Siliziumschicht (3) so ausgebildet ist, daß eine integrierte Schaltung (110) zur Verarbeitung der von den beiden Elektroden (2, 4) abgegebenen Signale auf dem Siliziumsubstrat (101) ausgebildet ist.