DE3223272A1

DE3223272A1 - Monolithische lichtschranke

Info

Publication number: DE3223272A1
Application number: DE19823223272
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.rer.nat. 8000 München Kuhlmann; Werner Dipl.-Phys. 8150 Holzkirchen Späth; Walter 8130 Starnberg Wegleiter
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1982-06-22
Filing date: 1982-06-22
Publication date: 1983-12-22
Also published as: DE3223272C2

Abstract

Funksystem zur Datenübertragung zwischen sich längs vorgegebener Strecken bewegenden Sende-Empfangsstationen und längs dieser Strecken in vorgegebenen Abständen angeordneten ortsfesten Sende-Empfangsstationen (OF). Die ortsfesten Stationen (OF) sind über ein vieradriges Kabel mit einer Zentrale (Z) verbunden. Am Ende des Kabels speist ein Trägersignalgenerator (G) einen sinusförmigen Träger in ein Adernpaar (A1) ein. Der Träger ist über Abzweige und erste Übertrager (Ü1) allen ortsfesten Stationen (OF) zugeführt, sowie der Zentrale (Z) als Referenzträger. In Streckenmodems (SM) der ortsfesten Stationen (OF) wird der Träger mit einer zweiwertigen PSK moduliert, über zweite Übertrager (Ü2) auf ein zweites Adernpaar (A2) gespeist, und der Zentrale (Z) zur synchronen Demodulation mit Hilfe des Referenzträgers zugeführt.

Description

Monolithische Lichtschranke
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.
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.
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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Lichtsender und Lichtempfänger in Aussparungen nur eines Halbleiterkörpers vorgesehen sind.
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.
Die erfindungsgemäße Lichtschranke kann sehr klein und kostengünstig hergestellt werden; sie arbeitet äußerst zuverlässig, da Fehljustierungen weitgehend zu vermeiden sind.
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.
Beide Siliciumscheiben können beispielsweise miteinander verklebt werden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
In den riguren sind einander entsprechende Bauteile m,it den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer monolithischen Gabellichtschranke. In Fig. 2 ist ein Schnitt TI-II dieser Gabellichtschranke dargestellt.
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.
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.
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.
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.
Die Fig. 4 und 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel mit einer monolithischen Reflexionslichtschranke, wobei Fig. 5 ein Schnitt V-V von Fig. 4 ist.
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.
Bei diesem Ausführungsbeispiel befinden sich der Lichtsender 6 und der Lichtempfänger 7 in der gleichen Ebene.
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.
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.
Mit dieser Anordnung kann eine besonders hohe Auflösung und Störsicherheit erreicht werden, wenn beispielsweise die beiden Lichtempfänger in einer logischen UND-Schaltung betrieben werden.
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.
Fig. 7 zeigt den Aufbau einer Reflexionslichtschranke, wobei die Codierungsscheibe zur Vereinfachung weggelassen ist.
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.
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.
Die Blendenschicht 1' gewährleistet, daß Licht von einem bestimmten Infrarot-Lichtsender 6 lediglich vom zugeordneten Lichtempfänger 7 ohne Ubersprechen übertragen wird.
8 Figuren 11 Patentansprüche

Claims

Patentansorüche 1. 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß Lichtsender und Lichtempfänger in Aussparungen nur eines Halbleiterkörpers vorgesehen sind.
2. Lichtschranke nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Halbleiterkörper ein monolithischer Halbleiterkörper ist.
3. Lichtschranke nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Aussparungen Kanäle sind, an deren Enden jeweils der Lichtsender bzw.

der Lichtempfänger angeordnet sind, und daß die Einrichtung eie senkrecht zur Längserstreckung der Kanäle umlaufende Scheibe oder eine senkrecht zur Längserstreckung der Kanäle linear verschiebbare Platte ist.
4. Lichtschranke nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einrichtung eine reflektIerende Scheibe ist und die Kanäle schräg zur Oberfläche des Halbleiterkörpers verlaufen.
5. Lichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Lichtsender eine Leuchtdiode und der Lichtempfänger ein Fototransistor ist.
6. 'ichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Lichtsender in der Mitte eines Kanals angeordnet ist, der an seinen beiden Enden jeweils einen Lichtempfänger aufweist, und daß zwischen dem Lichtsender und jedem Lichtempfänger jeweils eine Codiereinrichtung vorgesehen ist.
7. Lichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kanäle in den Halbleiterkörper geätzt sind.
8. Lichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Lichtsender oder der Lichtempfänger mit dem Halbleiterkörper integriert hergestellt ist.
9. Lichtschranke nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Lichtempfänger oder der Lichtsender vom Halbleiterkörper durch eine Isolierschicht elektrisch getrennt ist.
10. Lichtschranke nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jeweils mehrere Lichtsender und mehrere Lichtempfänger einander gegenüber im Abstand angeordnet sind..
11. Lichtschranke nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e 1 c h n e t , daß vor jedem Lichtsender und jedem Lichtempfänger jeweils eine Blende vorgesehen ist, die das von einem Lichtsender abgestrahlte Licht auf den zugeordneten Lichtempfänger konzentriert und ein Ubersprechen zu einem benachbarten Lichtempfänger verhindert.