Mikrofotosensoren verfügen über integrierte Verstärker und sind in verschiedenen Konfigurationen mit modulierten, nicht modulierten und polarisierten Lichtstrahlen erhältlich. Sie dienen der präzisen und stabilen Erfassung oder Positionierung von Materialien, Komponenten oder Baugruppen. Einige verfügen über integrierte Konnektivität wie IO-Link und IP 67-Umweltschutz.
Zu den Anwendungen für Mikrofotosensoren gehören Präzisionsfertigungsgeräte in Industrie-4.0-Fabriken und Wafer-Handhabung in Halbleiter Herstellungsvorgänge und Photoplethysmographie (PPG) zur Erkennung der Blutoxygenierung (SpO2) in Pulsoximetern.
In dieser FAQ werden verschiedene Designs von Mikrofotosensoren und deren Optimierung für bestimmte Anwendungen besprochen.
Transmissive Schlitz-Mikrofotosensoren erkennen das Vorhandensein eines Objekts, wenn es durch den Schlitz oder die Öffnung geht, und unterbrechen den Lichtstrahl vom Emitter. Zusätzlich zur Objekterkennung können diese Sensoren zur präzisen Positionierung von Objekten eingesetzt werden. Die optische Achse von Sender und Empfänger ist fest, was die Installation vereinfacht. Diese Sensoren sind in einer Vielzahl von Konfigurationen und Anschlusstypen erhältlich (Figure 1).
Einweg-Mikrofotosensoren bestehen aus separaten Sender- und Empfängereinheiten. Sie arbeiten nach dem gleichen Prinzip der Strahlunterbrechung wie Schlitzsensoren, allerdings können Sender und Empfänger weit voneinander entfernt platziert werden und eignen sich für Anwendungen, die große Erfassungsabstände erfordern. Bei der Verwendung dieser Sensoren ist die richtige Ausrichtung von Sender und Empfänger von entscheidender Bedeutung.
Reflektierende Mikrofotosensoren, manchmal auch diffuse Reflexionssensoren genannt, umfassen Sender und Empfänger in einem Modulen. Wenn ein Objekt in den Erfassungsbereich gelangt, wird das Licht zum Empfänger reflektiert. Einige reflektierende Mikrofotosensoren sind so konzipiert, dass sie aufgedruckte Markierungen auf der Verpackung erkennen können. Bei Sensoren mit eingeschränkter Reflexion handelt es sich um spezielle Konstruktionen, die für den Betrieb in der Nähe von Hintergrundobjekten optimiert sind, die andernfalls zu einer instabilen Erfassungsleistung führen könnten.
Retroreflektierende Mikro-Fotosensoren sind für Anwendungen konzipiert, die große Erfassungsabstände erfordern. Sender und Empfänger befinden sich in separaten Modulen und müssen für den ordnungsgemäßen Betrieb ausgerichtet werden. Wenn ein Objekt den Lichtstrahl des Senders passiert, verhindert es, dass das Licht zum Empfänger gelangt, und wird erkannt. Die Notwendigkeit einer genauen Ausrichtung von Sender und Empfänger macht es schwierig, mit diesem Sensortyp eine hohe Präzision zu erreichen.
Pulsoximeter
Ein Pulsoximeter nutzt die unterschiedlichen Lichtabsorptionseigenschaften von sauerstoffhaltigem Hämoglobin (HbO2) und sauerstofffreiem Hämoglobin (RHb) bei bestimmten Lichtwellenlängen. Ein Pulsoximeter wurde mit zwei LEDs, einer 660-nm-Rot-LED und einer 940-nm-IR-LED, sowie einem Fotodiodenempfänger implementiert, der in einer reflektiven Konfiguration in einem hochintegrierten Fotomikrosensor arbeitet.
Der Sensor arbeitet in drei Stufen. Zunächst wird die rote LED gepulst und das Rücksignal gemessen; Als nächstes wird die IR-LED gepulst und das Rücksignal gemessen; Abschließend wird das Hintergrundsignal bei ausgeschalteten beiden LEDs gemessen, um Störungen durch Fremdlichtquellen auszuschließen. Die Sensorfunktion ist in vier Fotodioden unterteilt, die je nach Designanforderungen in zwei oder vier separate optische Kanäle gemultiplext werden können, die mit dem analogen Signalverarbeitungsblock verbunden sind (Abbildung 3).
Handhabung von Wafern
Manchmal sind sogar Mikrosensoren zu groß. In einer automatisierten Halbleiterwaferfabrik werden die Wafer in speziellen Front-Opening Unified Pods (FOUPS) zwischen Verarbeitungsmaschinen bewegt. Wenn Wafer von einem Roboter in das FOUPS gelegt werden, können sie falsch ausgerichtet sein, einige Steckplätze sind möglicherweise leer oder einige Steckplätze enthalten möglicherweise mehrere Wafer. Der Roboter, der die FOUPS erhält, muss fehlende, falsch ausgerichtete oder mehrere Wafer identifizieren. Andernfalls können die sehr teuren Wafer beschädigt werden, was zu erheblichen finanziellen Verlusten führen kann.
Die Wafer im FOUPS sind nur wenige Millimeter dick und der Foto-Mikrosensor zur Waferidentifikation muss extrem dünn sein. Für diese Anwendung ist ein herkömmlicher Mikrofotosensor mit eingebautem Verstärker zu groß. Es wurden spezielle Mikrofotosensoren mit einem externen Verstärkermodul entwickelt. Diese Einweglichtschranken bestehen aus 1.5 mm dicken Sender- und Empfängereinheiten, die über flexible Kabel mit dem Verstärkermodul verbunden sind (Figure 4). Wenn sie in einen Wafer-Handler-Endeffektor eingebaut werden, können sie korrekt gefüllte Slots, geneigte Wafer und doppelte Wafer schnell und zuverlässig identifizieren.
Zusammenfassung
Mikro-Fotosensoren verfügen über integrierte Verstärker und sind für ein breites Anwendungsspektrum erhältlich. Sie werden hauptsächlich zur Objekterkennung und -positionierung verwendet, für spezielle Anwendungen wie Pulsoximeter und Materialhandhabungsgeräte in Halbleiterfabriken sind jedoch auch kundenspezifische Designs erhältlich.
Bibliographie
Design und Herstellung eines dünnen und mikrooptischen Sensors für Rapid Prototyping, MDPI-Sensoren
Mikro-Lichtschranken, Panasonic
Fotomikrosensoren, Omron
Optisches PPG-Sensormodul mit integrierten Rot-/IR-Emittern und AFE, Analog Devices
Zuverlässiges Wafer-Mapping, Balluff