Microfotosensoren hebben ingebouwde versterkers en zijn verkrijgbaar in verschillende configuraties, met gemoduleerde, niet-gemoduleerde en gepolariseerde lichtstralen. Ze worden gebruikt voor nauwkeurige en stabiele detectie of positionering van materialen, componenten of samenstellingen. Sommige hebben geïntegreerde connectiviteit, zoals IO-Link en IP 67-milieuclassificaties.
Toepassingen voor microfotosensoren omvatten precisieproductieapparatuur in Industrie 4.0-fabrieken, het hanteren van wafers in halfgeleider fabricagewerkzaamheden en fotoplethysmografie (PPG) detectie van bloedoxygenatie (SpO2) in pulsoximeters.
Deze FAQ bespreekt verschillende ontwerpen van microfotosensoren en hoe deze zijn geoptimaliseerd voor specifieke toepassingen.
Doorlatende microfotosensoren detecteren de aanwezigheid van een object terwijl dit door de sleuf of opening gaat, en onderbreken de lichtstraal van de zender. Naast objectherkenning kunnen deze sensoren worden gebruikt voor het nauwkeurig positioneren van objecten. De optische as van de zender en ontvanger zijn vast, wat de installatie vereenvoudigt. Deze sensoren zijn verkrijgbaar in een breed scala aan configuraties en connectortypen (Figuur 1).
Zenderontvanger-microfotosensoren bestaan uit afzonderlijke zender- en ontvangereenheden. Ze werken volgens hetzelfde principe van straalonderbreking als slotsensoren, maar de zender en ontvanger kunnen ver uit elkaar worden geplaatst en zijn geschikt voor toepassingen die lange detectieafstanden vereisen. Een juiste uitlijning van de zender en ontvanger is van cruciaal belang bij het gebruik van deze sensoren.
Reflecterende microfotosensoren, ook wel diffuus-reflecterende sensoren genoemd, omvatten de zender en ontvanger in dezelfde module. Wanneer een object het detectiegebied binnenkomt, wordt licht gereflecteerd naar de ontvanger. Sommige reflecterende microfotosensoren zijn ontworpen met de mogelijkheid om gedrukte markeringen op de verpakking te herkennen. Beperkte reflecterende sensoren zijn speciale ontwerpen die zijn geoptimaliseerd om te werken in de aanwezigheid van achtergrondobjecten die anders onstabiele detectieprestaties zouden kunnen veroorzaken.
Retroreflecterende microfotosensoren zijn ontworpen voor toepassingen waarbij lange detectieafstanden nodig zijn. De zender en ontvanger bevinden zich in afzonderlijke modules en moeten worden uitgelijnd voor een goede werking. Wanneer een object door de lichtstraal van de zender gaat, blokkeert het het licht om de ontvanger te bereiken en wordt het gedetecteerd. De noodzaak voor nauwkeurige uitlijning van de zender en ontvanger maakt het moeilijk om hoge nauwkeurigheid te bereiken met dit type sensor.
Pulsoximeter
Een pulsoximeter maakt gebruik van de verschillende lichtabsorptie-eigenschappen van zuurstofrijk hemoglobine (HbO2) en zuurstofarm hemoglobine (RHb) bij specifieke golflengten van licht. Er is een pulsoximeter geïmplementeerd met behulp van twee LED's, een rode LED van 660 nm en een IR-LED van 940 nm, en een fotodiodeontvanger die werkt in een reflecterende configuratie in een sterk geïntegreerde fotomicrosensor.
De sensor werkt in drie fasen. Eerst pulseert de rode LED en wordt het retoursignaal gemeten; vervolgens pulseert de IR-LED en wordt het retoursignaal gemeten; Ten slotte wordt het achtergrondsignaal gemeten terwijl beide LED's uit zijn om interferentie van externe lichtbronnen uit te sluiten. De detectiefunctie is gesegmenteerd in vier fotodiodes die kunnen worden gemultiplext in twee of vier afzonderlijke optische kanalen die zijn aangesloten op het analoge signaalverwerkingsblok, afhankelijk van de ontwerpvereisten (Figuur 3).
Behandeling van wafels
Soms zijn zelfs microsensoren te groot. In een geautomatiseerde halfgeleiderwafelfabriek worden de wafers tussen verwerkingsmachines verplaatst in gespecialiseerde front-opening unified pods (FOUPS). Wanneer wafers door een robothandler in de FOUPS worden geplaatst, kunnen ze verkeerd uitgelijnd zijn, kunnen sommige sleuven leeg zijn of kunnen sommige sleuven meerdere wafers bevatten. De robothandler die de FOUPS ontvangt, moet ontbrekende, verkeerd uitgelijnde of meerdere wafers identificeren. Anders kunnen de zeer dure wafels beschadigd raken, wat tot aanzienlijke financiële verliezen kan leiden.
De wafers in de FOUPS zijn slechts enkele millimeters dik en de foto-microsensor voor waferidentificatie moet extreem dun zijn. Voor deze toepassing is een conventionele microfotosensor met ingebouwde versterker te groot. Er zijn gespecialiseerde microfotosensoren met een externe versterkermodule ontwikkeld. Deze zender-ontvangersensoren bestaan uit 1.5 mm dikke zender- en ontvangereenheden die met flexibele kabels op de versterkermodule zijn aangesloten (Figuur 4). Wanneer ze in een eindeffector voor waferhandlers worden geïnstalleerd, kunnen ze snel en betrouwbaar correct gevulde sleuven, gekantelde wafers en dubbele wafers identificeren.
Samengevat
Micro-fotosensoren hebben ingebouwde versterkers en zijn beschikbaar voor een breed scala aan toepassingen. Ze worden meestal gebruikt voor objectdetectie en positionering, maar er zijn aangepaste ontwerpen beschikbaar voor gespecialiseerde toepassingen zoals pulsoximeters en materiaalbehandelingsapparatuur in halfgeleiderfabrieken.
Referenties
Ontwerp en fabricage van een dunne en micro-optische sensor voor Rapid Prototyping, MDPI-sensoren
Micro-foto-elektrische sensoren, Panasonic
Fotomicrosensoren, Omron
PPG optische sensormodule met geïntegreerde rood/IR-zenders en AFE, analoge apparaten
Betrouwbare wafermapping, Balluff