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Die Erfindung betrifft einen optischen
Sensor gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Derartige optische Sensoren können insbesondere
als Lichtschranken, Reflexionslichtschranken, Lichttaster und Distanzsensoren
ausgebildet sein.
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Ein als Lichttaster ausgebildeter
optischer Sensor ist aus der
DE 299 13 148 U1 bekannt. Dieser optischer
Sensor weist einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einen
Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger auf, welche in einem gemeinsamen
Sensor-Gehäuse
integriert sind. Der Sender und der Empfänger liegen jeweils in rückseitigen Öffnungen
eines lichtundurchlässigen
Tubus. Die Tuben erstrecken sich bis dicht vor ein Fenster in der
Frontwand des Sensor-Gehäuses,
durch welches die Sendelichtstrahlen und die Empfangslichtstrahlen
geführt
sind. Durch die Tuben wird eine optische Trennung der Sendelichtstrahlen
und der Empfangslichtstrahlen erzielt. In dem Tubus sind zudem Linsen
zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen und zur Fokussierung der
Empfangslichtstrahlen integriert. Der Sender und der Empfänger sind über Anschlussleitungen
an eine Leiterplatte angeschossen, auf welcher die elektronischen
Komponenten einer Steuer- und Auswerteeinheit zur Ansteuerung des Senders
und zur Auswertung der Empfangssignale am Ausgang des Empfängers angeordnet
sind. Die Auswertung erfolgt dabei derart, dass aus den Empfangssignalen
ein Objektfeststellungssignal generiert wird, welche über einen
Ausgang des optischen Sensors ausgebbar ist.
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Nachteilig bei derartigen Sensoren
ist zum einen, dass diese eine relativ große Bauform aufweisen. Zudem
ist nachteilig, dass die Montage der optischen Komponenten, insbesondere
des Senders und des Empfängers
sowie deren Anschluss an die elektronischen Komponenten relativ
aufwendig ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen optischen Sensor der eingangs genannten Art bereitzustellen,
welcher eine möglichst
kleine Bauform aufweist und welcher möglichst rationell und kostengünstig herstellbar
ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die
Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der erfindungsgemäße optische Sensor umfasst
einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einen Empfangslichtstrahlen
empfangenden Empfänger,
sowie auf wenigstens einer Leiterplatte integrierte elektronische
Komponenten zur Ansteuerung des Senders und zur Auswertung der am
Ausgang des Empfängers
anstehenden Empfangssignale. Der Sender und/oder der Empfänger ist
bzw. sind von wenigstens einem optischen Bauelement gebildet, wobei
das optische Bauelement auf dem Boden eines isolierenden Gehäuses aufsitzt,
dessen Seitenwände das
optische Bauelement seitlich optisch abschirmen und welches eine
elektrische Kontaktierung aufweist, mittels dessen das optische
Bauelement mit der Leiterplatte kontaktiert ist, auf welcher das
Gehäuse
aufsitzt.
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Das Gehäuse mit einem darin integrierten Sender
oder Empfänger
kann als vorgefertigte Einheit direkt auf einer Leiterplatte kontaktiert
werden. Dies ermöglicht
eine schnelle und einfache Montage der optischen und elektronischen
Komponenten des optischen Sensors.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass die
Gehäuse mit
den integrierten Sendern und Empfängern eine äußerst geringe Bauform aufweisen,
wodurch ein wesentlicher Beitrag zur Miniaturisierung des optischen
Sensors erzielt wird.
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Der Sender und/oder der Empfänger sind
dabei als optische Bauelemente, insbesondere SMD-Bauteile ausgebildet,
welche eine besonders kleine Bauform aufweisen.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil
des erfindungsgemäßen optischen
Sensors besteht darin, dass der in einem lichtundurchlässigen Gehäuse liegende
Sender oder Empfänger
gegen optische Störeinstrahlungen
geschützt
ist. Zudem dient das Gehäuse
gleichzeitig als Mittel zur Fokussierung der Empfangslichtstrahlen
bzw. Strahlformung der Sendelichtstrahlen, so dass nachgeordnete
Optiken weitgehend entfallen können.
Dies führt
zu einer weiteren Senkung der Herstellkosten des optischen Sensors sowie
zu einer weiteren Verringerung der Baugröße.
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Besonders vorteilhaft ist auf ein
oder jedes Gehäuse
ein Deckel mit wenigstens einem lichtdurchlässigen Segment abgeschlossen.
Der im Gehäuse
liegende Sender oder Empfänger
ist damit dicht, vorzugsweise hermetisch dicht gekapselt und so
gegen äußere Störeinflüsse, wie
Feuchtigkeit, Staub oder andere Verschmutzungen geschützt.
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Besonders vorteilhaft besteht der
Deckel aus einer Glasscheibe, auf welche eine Blendenschicht aufgebracht
ist. Mit der Blende wird eine effektive Strahlformung der Sendelichtstrahlen
bzw. ein Fokussierungseffekt für
die Empfangslichtstrahlen erzielt.
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Im einfachsten Fall ist der Deckel
von einer planen Glasscheibe konstanter Dicke gebildet. Alternativ
kann die Glasscheibe gewölbt
ausgebildet sein und/oder eine variierende Dicke aufweisen, dass
die Glasscheibe als Linsenelement zur Fokussierung und Strahlformung
der Sende- und Empfangslichtstrahlen wirkt. Damit kann mit einer
geringen Anzahl von Bauelementen bei zudem äußerst geringen Baugrößen eine
hohe Funktionalität
derartiger optischer Baueinheiten erzielt werden.
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Die Gehäuse mit den integrierten Sendern oder
Empfängern
können
rationell in Form von Mehrfachnutzen hergestellt werden, wobei die
einzelnen Baueinheiten nach Fertigstellung vereinzelt werden.
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Das Aufbringen der Deckel kann derart
erfolgen, dass die Deckel bildenden Glasscheiben in Form eines Montageteils
auf den Gehäusen
im Mehrfachnutzen aufgesetzt und fixiert werden. Die Vereinzelung
der einzelnen Baueinheiten erfolgt dann durch Ausbrechen entlang
vorgegebener Sollbruchlinien im Mehrfachnutzen. Insbesondere für den Fall, dass
die Deckel aus Glasscheiben mit darauf aufgebrachten Blendenschichten
bestehen, müssen
dieses exakt relativ zu den Gehäusen
positioniert werden. Voraussetzung hierfür ist, dass die Gehäuse innerhalb
des Mehrfachnutzen in genau definierten Sollpositionen liegen.
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Alternativ können die Gehäuse mit
den Sendern oder Empfängern
im Mehrfachnutzen zuerst vereinzelt werden. Die Gehäuse werden
dann vereinzelt konfektioniert. Die fertigen SMD-Bauelemente können anschließend gegurtet
werden (Tape on Reel).
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Die Erfindung wird im Nachstehenden
anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen.
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1:
Schematische Darstellung eines als Lichttasters ausgebildeten optischen
Sensors.
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2:
Querschnitt durch ein den Sender des optischen Sensors gemäß 1 bildendes optisches Bauelement.
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3:
Schematische Darstellung eines Gehäuses mit einem Deckel zur Aufnahme
eines optischen Bauelements gemäß 2.
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4:
Draufsicht auf den Deckel gemäß 3.
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5:
Detaillierte Darstellung der Struktur des Deckels gemäß den 3 und 4.
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1 zeigt
schematisch den prinzipiellen Aufbau eines als Lichttaster ausgebildeten
optischen Sensors 1. Alternativ kann der optische Sensor 1 als Lichtschranke,
Reflexionslichtschranke oder als Distanzsensor ausgebildet sein.
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Der optische Sensor 1 dient
zur Erfassung von Objekten 2 in einem Überwachungsbereich und weist
einen Sendelichtstrahlen 3 emittierenden Sender 4 und
einen Empfangslichtstrahlen 5 empfangenden Empfänger 6 auf.
Die Komponenten des optischen Sensors 1 sind in einem gemeinsamen
Sensor-Gehäuse 7 integriert,
wobei die Sendelichtstrahlen 3 und die Empfangslichtstrahlen 5 durch
ein nicht dargestelltes Fenster in der Frontwand des Gehäuses 15 geführt sind.
Eine Auswerteeinheit 8 dient zur Ansteuerung des Senders 4 und
zur Auswertung der am Ausgang des Empfängers 6 anstehenden
Empfangssignale. Im vorliegenden Fall werden die Empfangssignale
mit wenigstens einem Schwellwert zur Generierung eines binären Objektfeststellungssignals
bewertet, wobei die Schaltzustände
des Objektfeststellungssignals angeben, ob sich ein Objekt 2 im Überwachungsbereich
befindet oder nicht. Das Objektfeststellungssignal ist über einen
Schaltausgang 9 ausgebbar.
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2 zeigt
den Aufbau eines den Sender 4 des optischen Sensors 1 bildenden
optischen Bauelements. Das optische Bauelement ist als Leuchtdiode
in Form eines SMD (surface mounted device) – Bauteils ausgebildet. Der
Empfänger 6 des
optischen Sensors 1 ist vorzugsweise ebenfalls von einem
derartigen optischen Bauelement gebildet. Dabei kann der Empfänger 6 von
einem Photosensor oder wenigstens einem CCD-Element oder CMOS-Element gebildet
sein.
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Das optische Bauelement weist die
Form eines Chips auf, dessen Längskanten
in der Größenordnung
von etwa 1 bis 3 mm liegen. Im vorliegenden Fall weist das optische
Bauelement einen rechteckigen Querschnitt, dessen Seitenlängen etwa
2 bis 2,5 mm betragen.
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An der Unterseite des optischen Bauelements
sind Kontaktflächen
zur elektrischen Kontaktierung 16 des optischen Bauelements
vorgesehen.
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An den längsseitigen Rändern verlaufen zwei
als n-Kontakte 10a ausgebildete Kontaktflächen. Im
Zentrum der Unterseite des optischen Bauelements ist eine als p-Kontakt 10b ausgebildete Kontaktfläche vorgesehen.
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Der Grundkörper 11 des optischen
Bauelements besteht aus n-GaAlAs, wobei oberhalb der n-Kontakte 10a Stege 12 aus
p-GaAlAs vorgesehen sind, die an die Unterseiten des Grundkörpers 11 anschließen. An
der Oberseite des optischen Bauelements befindet sich eine optisch
aktive Zone 13, welche die Sendelichtstrahlen 3 emittiert.
Diese aktive Zone 13 ist zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen 3 von
einer Reflexionsschicht 14 begrenzt.
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Das den Sender 4 bildende
optische Bauelement ist wie in 3 dargestellt
in einem isolierenden Gehäuse 15 integriert
und bildet mit diesem eine Baueinheit. Das Gehäuse 15 ist lichtundurchlässig und
besteht im vorliegenden Fall aus Keramik. Das optische Bauelement
sitzt auf dem Boden des Gehäuses 15 auf.
Die Querschnittsfläche
des Gehäuses 15 ist
an die Querschnittsfläche
des optischen Bauelements angepasst, so dass das optische Bauelement
mit geringem Spiel zwischen den Seitenwänden des Gehäuses 15 liegt.
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Das Gehäuse 15 weist wie das
optische Bauelement einen rechteckigen Querschnitt auf. Die senkrecht
vom Boden hervorstehenden Seitenwände sind höher als das optische Bauelement,
so dass die Seitenwände über die
Oberseite des optischen Bauelements hervorstehen. Die Seitenwände des
Gehäuses 15 schützen so
das optische Bauelement gegen seitliche optische Störeinstrahlung
und tragen zudem zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen 3 bei.
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Die von dem optischen Bauelement
und dem Gehäuse 15 gebildete
Baueinheit ist in sogenannten Mehrfachnutzen herstellbar. Der Mehrfachnutzen
ist von einem flächigen
Array von Gehäusen 15 gebildet.
Der Mehrfachnutzen wird mit den, optischen Bauelementen bestückt und
dann nach Bedarf vereinzelt. Die Vereinzelung kann derart erfolgen,
dass der Mehrfachnutzen in einzelne Gehäuse 15 mit jeweils
einem optischen Bauelement vereinzelt wird. Prinzipiell kann der
optische Sensor 1 auch einen Sender 4 aufweisen,
der eine Mehrfachanordnung von Sendern 4 aufweist. Dann
erfolgt die Vereinzelung des Mehrfachnutzen in Gruppen von in Gehäusen 15 integrierten
optischen Bauelementen, welche zeilenförmige oder flächige Anordnungen
bilden und als solche den Sender 4 des optischen Sensors 1 bilden.
Analog kann auch der Empfänger 6 von
derartigen Mehrfachanordnungen gebildet sein.
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Im Bodenbereich des Gehäuses 15 sind Kontaktierungen 16 zum
elektrischen Anschluss des optischen Bauelements vorgesehen. Die
Kontaktierungen 16 sind in Form von Metallisierungen ausgebildet.
Die Metallisierungen verlaufen von der Oberseite des Bodens durch
die Gehäusewände und
sind dann auf die Unterseite des Gehäuses 15 geführt.
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Diese Kontaktierungen 16 dienen
zur Ausbildung von Flip-Chip Kontakten, d. h. das optische Bauelement
wird bei Aufsetzen auf den Boden des Gehäuses 15 kontaktiert,
in dem die Kontaktflächen des
optischen Bauelements auf die entsprechenden Teilflächen auf
der Oberseite des Bodens aufgesetzt werden. Das Gehäuse 15 wird
dann mit den an der Unterseite des Bodens freiliegenden Teilflächen der Kontaktierung 16 auf
entsprechende Kontaktpads 17 auf einer Leiterplatte 18 aufgesetzt,
auf welcher die elektronischen Komponenten der Auswerteeinheit 8 integriert
sind. Die so ausgebildete Baugruppe weist eine geringe Baugröße auf und
kann zudem einfach und schnell montiert werden. Anstelle von Flip-Chip Kontakten
können
prinzipiell auch Bonddrähte
zur Kontaktierung 16 des optischen Bauelements am Gehäuse 15 vorgesehen
sein.
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Die Oberseite des Gehäuses 15 ist
offen und kann im einfachsten Fall unverschlossen bleiben. Alternativ
kann eine transparente Vergussmasse in das Gehäuse 15 gefüllt werden,
welche das optische Bauelement umschließt und diesen gegen Feuchtigkeit
und Verschmutzungen schützt.
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Bei den in 3 dargestellten Ausführungsform ist die Oberseite
des Gehäuses 15 mit
einem Deckel 19 abgeschlossen, der an den oberen Rändern des
Gehäuses 15 fixiert
ist. Die Fixierung kann prinzipiell mittels eines Klebemittels wie
zum Beispiel einem Epoxidkleber erfolgen. Der Deckel 19 weist zumindest
ein lichtdurchlässiges
Segment auf, durch welches die Sendelichtstrahlen 3 geführt sind.
Der Querschnitt des Deckels 19 entspricht dem Querschnitt
des Gehäuses 15.
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Im vorliegenden Fall weist der Deckel 19 eine
Glasscheibe 20 auf, die auf der Oberseite des Gehäuses 15 so
fixiert ist, dass der Innenraum des Gehäuses 15 hermetisch
dicht abgeschlossen ist. Hierzu ist eine an dem Rand des Deckels 19 umlaufende
Fixierschicht 21 auf der Unterseite der Glasscheibe 20 aufgebracht,
welche von einem Lot gebildet ist.
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Der Deckel 19 weist weiterhin
eine Blende auf, die zur Strahlformung der vom optischen Bauelement
emittierten Sendelichtstrahlen 3 dient. Die Blende ist
in Form einer Blendenschicht 22 ausgebildet, welche auf
die Unterseite der Glasscheibe 20 aufgebracht ist.
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4 zeigt
eine Draufsicht auf die Unterseite der Glasscheibe 20 mit
der Fixierschicht 21 und der Blendenschicht 22.
Die Fixierschicht 21 verläuft entlang der Ränder der
Glasscheibe 20 und weist dabei eine Breite auf, die an
die Breite der Gehäusewände angepasst
ist. An den innenliegenden Rand der Fixierschicht 21 schließt die Blendenschicht 22 unmittelbar
an. Der innere Rand der Blendenschicht 22 begrenzt eine
kreisförmige
Blendenöffnung 23,
die im Zentrum der Glasscheibe 20 angeordnet ist. Durch diese
Blendenöffnung 23 sind
die Sendelichtstrahlen 3 geführt.
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5 zeigt
in einer Längsschnittdarstellung die
detaillierte Struktur des Deckels 19 gemäß den 3 und 4. Dabei ist in 5 die Struktur des Deckels 19 vor
der Fixierung am Gehäuse 15 dargestellt.
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Die Glasscheibe 20 des Deckels 19 weist hier
eine über
die gesamte Fläche
konstante Dicke auf, die im vorliegenden Fall etwa 0,2 mm beträgt. Alternativ
können
auch gewölbte
Glasscheiben 20 bzw. Glasscheiben 20 mit variierenden
Dicken eingesetzt werden. Wie aus 5 ersichtlich,
bestehen die auf die Unterseite der Glasscheibe 20 aufgebrachte
Fixierschicht 21 sowie die Blendenschicht 22 jeweils aus
mehrlagigen Schichten. Die einzelnen Schichten werden durch Aufdampfen
oder Sputter-Prozesse auf die Glasscheibe 20 nacheinander
aufgebracht.
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Um eine gute Haftung der Fixierschicht 21 und
der Blendenschicht 22 auf der Glasscheibe 20 zu erhalten,
weisen die Fixierschicht 21 und die Blendenschicht 22 eine
gemeinsame CrNi-Schicht 24 auf, die unmittelbar auf die
Glasscheibe 20 aufgebracht ist. Die Schichtdicke der CrNi-Schicht 24 beträgt vorzugsweise
etwa 0,2 μm.
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Auf diese CrNi-Schicht 24 wird
als Blendenschicht 22 eine lichtundurchlässige Metallschicht 25 aufgebracht.
Im vorliegenden Fall besteht die Metallschicht 25 aus einer
zweilagigen Schicht, wobei die erste Schicht als Al-Schicht mit
einer Schichtdicke von etwa 0,5 μm
ausgebildet ist und die zweite Schicht als FeNi-Schicht mit einer
Schichtdicke von etwa 0,4 μm
ausgebildet ist. Im vorliegenden Fall erstreckt sich diese Metallschicht 25 nur
im Bereich der Blende. Prinzipiell kann diese Metallschicht 25 auch auf
die Randbereiche der Glasscheibe 20 ausgedehnt sein und
so einen Teil der Fixierschicht 21 bilden.
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Die Fixierschicht 21 besteht
aus einer PbSn-Lotschicht 26, wobei hierzu generell Lote
auf PbSn-Basis geeignet sind. Im vorliegenden Fall wird eine PbSnS-Legierung zur Bildung
der PbSn-Lotschicht 26 verwendet. Die Schichtdicke der PbSn-Lotschicht 26 beträgt vorzugsweise
etwa 20–30 μm, bevorzugt
etwa 25 μm.
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Die PbSn-Lotschicht 26 ist
durch eine dünne Au-Schicht 27 geschützt, deren
Schichtdicke etwa 1,5 μm
beträgt.
Die auf der Oberfläche
der PbSn-Lotschicht 26 aufgebrachte Au-Schicht 27 schützt diese gegen
Oxidationen.
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Zur Fixierung des Deckels 19 am Gehäuse 15 wird
der Deckel 19 auf den oberen Rand des Gehäuses 15 aufgesetzt.
Anschließend
wird die so gebildete Einheit auf Temperaturen von etwa 300° C erhitzt.
Durch die Erhitzung diffundiert das Gold der Au-Schicht 27 sofort
in die unter der Wärmeentwicklung
schmelzende PbSn-Lotschicht 26. Nach erfolgter Abkühlung ist
dann das Gehäuse 15 mit
dem Deckel 19 fest verbunden. Wesentlich hierbei ist, dass die
Lotschicht auf den Bereich der oberen Ränder des Gehäuses 15 begrenzt
ist, so dass ein Abfließen des
Lotes in den Bereich der Blendenöffnung 23 ausgeschlossen
ist.
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- 1
- Optischer
Sensor
- 2
- Objekt
- 3
- Sendelichtstrahlen
- 4
- Sender
- 5
- Empfangslichtstrahlen
- 6
- Empfänger
- 7
- Sensor-Gehäuse
- 8
- Auswerteeinheit
- 9
- Schaltausgang
- 10a
- n-Kontakt
- 10b
- p-Kontakt
- 11
- Grundkörper
- 12
- Steg
- 13
- Zone
- 14
- Reflexionsschicht
- 15
- Gehäuse
- 16
- Kontaktierung
- 17
- Kontaktpads
- 18
- Leiterplatte
- 19
- Deckel
- 20
- Glasscheibe
- 21
- Fixierschicht
- 22
- Blendenschicht
- 23
- Blendenöffnung
- 24
- CrNi-Schicht
- 25
- Metallschicht
- 26
- PbSn-Lotschicht
- 27
- Au-Schicht