DE102022126127A1

DE102022126127A1 - Vcsel-element, sensorvorrichtung, elektronische vorrichtung und benutzerschnittstelle

Info

Publication number: DE102022126127A1
Application number: DE102022126127.1A
Authority: DE
Inventors: Arne Fleissner
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2022-10-10
Filing date: 2022-10-10
Publication date: 2024-04-11
Also published as: WO2024078823A1; CN119866427A

Abstract

Ein VCSEL-Element (10) umfasst eine VCSEL-Vorrichtung (100), die an einem Substrat (110) angebracht ist, welches für von der VCSEL-Vorrichtung (100) emittierte elektromagnetische Strahlung (16) transparent ist, und eine Linse (113) zur Ablenkung von von der VCSEL-Vorrichtung (100) emittierter elektromagnetischer Strahlung (16). Die Linse (113) ist auf einer von der VCSEL-Vorrichtung (100) abgewandten Seite des Substrats (110) angeordnet, und eine Position einer Apertur (106) der VCSEL-Vorrichtung (100) ist gegenüber einer optischen Achse (115) der Linse (113) horizontal verschoben.

Description

Sensorvorrichtungen, beispielsweise als Bestandteile von elektronischen Geräten der Unterhaltungselektronik, messen eine minimale Auslenkung des Gehäuses mit optischen Mitteln. Als Messprinzip wird beispielsweise sogenannte SMI („self-mixing interferometry“, selbstmischende Interferometrie) verwendet. Dabei wird beispielsweise elektromagnetische Strahlung, die von einem VCSEL emittiert worden ist, auf das Gehäuse eingestrahlt, von diesem reflektiert und mit der emittierten Strahlung überlagert. Durch Auswerten des Überlagerungssignals lassen sich Informationen über eine Auslenkung des Gehäuses ermitteln.
Generell werden Anstrengungen unternommen, verbesserte Sensorvorrichtungen und verbesserte VCSEL-Elemente bereitzustellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes VCSEL-Element, eine verbesserte Sensorvorrichtung, eine verbesserte elektronische Vorrichtung sowie eine verbesserte Nutzerschnittstelle zur Verfügung zu stellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Ein VCSEL-Element umfasst eine VCSEL-Vorrichtung, die an einem Substrat angebracht ist, welches für von der VCSEL-Vorrichtung emittierte, elektromagnetische Strahlung transparent ist, und eine Linse zur Ablenkung von von der VCSEL-Vorrichtung emittierter elektromagnetischer Strahlung. Die Linse ist auf einer von der VCSEL-Vorrichtung abgewandten Seite des Substrats angeordnet. Eine Position einer Apertur der VCSEL-Vorrichtung ist gegenüber einer optischen Achse der Linse horizontal verschoben. Beispielsweise ist die Position der Apertur der VCSEL-Vorrichtung entlang der Substratoberfläche gegenüber der optischen Achse der Linse verschoben.
Gemäß Ausführungsformen umfasst eine Sensorvorrichtung eine erste und eine zweite VCSEL-Vorrichtung, die an einem gemeinsamen Substrat angebracht sind, welches für von der VCSEL-Vorrichtung emittierte, elektromagnetische Strahlung transparent ist, und eine und eine zweite Linse. Die erste Linse ist zur Ablenkung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung emittierter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet, und die zweite Linse ist zur Ablenkung von von der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Die erste und die zweite Linse sind auf einer von den VCSEL-Vorrichtungen abgewandten Seite des Substrats angeordnet. Eine Position einer Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung ist gegenüber einer optischen Achse der ersten Linse verschoben, und eine Position der Apertur der zweiten VCSEL-Vorrichtung ist gegenüber der optischen Achse der zweiten Linse verschoben. Die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung können beispielsweise so angeordnet sein, dass die Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung und die Apertur der zweiten VCSEL-Vorrichtung bei einem Abstand angeordnet sind, der kleiner als der Abstand der optischen Achsen der ersten und der zweiten Linse ist.
Die hier beschriebenen Linsen sind zur Ablenkung von Strahlung geeignet, die von einer zugehörigen VCSEL-Vorrichtung emittiert worden ist. Beispielsweise können die Linsen geeignet sein, elektromagnetische Strahlung zu fokussieren, weitgehend zu fokussieren, zu kollimieren oder weitgehend zu kollimieren. Jede andere Art der Ablenkung oder Ausrichtung der Strahlung ist ebenfalls umfasst.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann eine Verbindungslinie zwischen der Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung und der Apertur der zweiten VCSEL-Vorrichtung von einer Verbindungslinie zwischen der optischen Achse der ersten Linse und der optischen Achse der zweiten Linse verschieden ist.
Die Sensorvorrichtung kann ferner eine Spannungsquelle aufweisen, wobei die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung gemeinsam durch die Spannungsquelle ansteuerbar sind.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung getrennt voneinander durch die Spannungsquelle ansteuerbar sein.
Gemäß Ausführungsformen kann ein erstes Interferenzsignal, das durch kohärente Überlagerung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung emittierter erster Strahlung mit einem ersten reflektierten Signal, das sich bei Reflexion der ersten Strahlung an einem Objekt ergibt, erhältlich ist, sowie ein zweites Interferenzsignal, das durch kohärente Überlagerung von von der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierter Strahlung mit einem zweiten reflektierten Signal, das sich bei Reflexion der zweiten Strahlung an dem Objekt ergibt, erhältlich ist, durch Auslesen eines Spannungssignals jeweils an der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung ermittelt werden.
Die Sensorvorrichtung kann weiterhin einen ersten Detektor zum Nachweisen eines ersten Interferenzsignals, das durch kohärente Überlagerung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung emittierter erster Strahlung mit einem ersten reflektierten Signal, das sich bei Reflexion der ersten Strahlung an einem Objekt ergibt, erhältlich ist, aufweisen. Darüber hinaus kann die Sensorvorrichtung einen zweiten Detektor zum Nachweisen eines zweiten Interferenzsignals, das durch kohärente Überlagerung von von der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierter Strahlung mit einem zweiten reflektierten Signal, das sich bei Reflexion der zweiten Strahlung an dem Objekt ergibt, erhältlich ist, enthalten.
Gemäß Ausführungsformen weist eine elektronische Vorrichtung die vorstehend beschriebene Sensorvorrichtung sowie ein Gehäuse auf.
Beispielsweise kann die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierte Strahlung jeweils an dem Gehäuse reflektiert werden.
Gemäß Ausführungsformen kann das Gehäuse, für die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierte elektromagnetische Strahlung transparent sein. Die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierte elektromagnetische Strahlung kann jeweils an einem Gegenstand außerhalb des Gehäuses reflektiert werden.
Beispielsweise kann eine Benutzerschnittstelle die vorstehend beschriebene elektronische Vorrichtung aufweisen. Eine Benutzereingabe kann über eine örtliche Verformung des Gehäuses erfolgen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierte elektromagnetische Strahlung jeweils an einem Finger reflektiert werden. In diesem Fall kann eine Benutzereingabe über eine Bewegung des Fingers erfolgen.
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.

1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines VCSEL-Elements gemäß Ausführungsformen.
1B zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer VCSEL-Vorrichtung.
2A zeigt eine schematische Ansicht einer Sensorvorrichtung gemäß Ausführungsformen.
2B zeigt eine schematische Ansicht von Elementen einer Sensorvorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.
2C zeigt eine schematische Draufsicht von Elementen einer Sensorvorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.
2D veranschaulicht das Messprinzip der Sensorvorrichtung.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer elektronischen Vorrichtung.
4A und 4B zeigen Querschnittsansichten zur Veranschaulichung der Herstellung einer VCSEL-Vorrichtung gemäß Ausführungsformen.

In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial, beispielsweise einem GaAs-Substrat, einem GaN-Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein.
Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, Al-GaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga₂O₃, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.
Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines VCSEL-Elements 10 gemäß Ausführungsformen. Das VCSEL-Element 10 umfasst eine VCSEL-Vorrichtung 100, die an einem Substrat 110 angebracht ist, welches für von der VCSEL-Vorrichtung 100 emittierte elektromagnetische Strahlung transparent ist. Das VCSEL-Element 10 umfasst weiterhin eine Linse 113 zur Ablenkung, beispielsweise Fokussierung von elektromagnetischer Strahlung, die von der VCSEL-Vorrichtung 100 emittiert worden ist. Die Linse 113 ist auf einer von der VCSEL-Vorrichtung 100 abgewandten Seite des Substrats 110 angeordnet. Beispielsweise ist die VCSEL-Vorrichtung 100 auf einer zweiten Hauptoberfläche 112 des Substrats angeordnet, und die Linse 113 ist auf einer ersten Hauptoberfläche 111 des Substrats 110 angeordnet. Eine Position einer Apertur der VCSEL-Vorrichtung 100 ist gegenüber einer optischen Achse 115 der Linse verschoben. Beispielsweise kann der Abstand zwischen der optischen Achse 115 und der Apertur 106 der VCSEL-Vorrichtung 100 d betragen. Beispielsweise kann d größer als 2 µm oder als 5 µm sein. Weiterhin kann d kleiner als 20 µm oder als 15 µm sein. Ein typischer Wert kann beispielsweise ungefähr 10 µm sein.
1B zeigt ein Beispiel eines VCSEL-Elements 100, das beispielsweise Bestandteil des in 1A gezeigten VCSEL-Elements sein kann. Die VCSEL-Vorrichtung 100 umfasst einen Halbleiterschichtstapel, der eine erste Halbleiterschicht 101 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-leitend, und eine zweite Halbleiterschicht 102 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-leitend, aufweist. Eine aktive Zone 103 ist zwischen der ersten Halbleiterschicht 101 und der zweiten Halbleiterschicht 102 angeordnet.
Die aktive Zone 103 kann beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf-Struktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur“ entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.
Ein erster Resonatorspiegel 104 ist angrenzend oder benachbart zur ersten Halbleiterschicht 101 angeordnet. Ein zweiter Resonatorspiegel 105 ist angrenzend oder benachbart zur zweiten Halbleiterschicht 102 angeordnet. Beispielsweise können nun der erste und der zweite Resonatorspiegel 104, 105 als dielektrische Spiegelschicht ausgebildet sein und jeweils eine Vielzahl dielektrischer Schichten mit jeweils unterschiedlichen Brechungsindizes aufweisen.
Generell umfasst der Begriff „dielektrische Spiegelschicht“ jegliche Anordnung, die einfallende elektromagnetische Strahlung zu einem großen Grad (beispielsweise >90%) reflektiert und nicht leitend ist. Beispielsweise kann eine dielektrische Spiegelschicht durch eine Abfolge von sehr dünnen dielektrischen Schichten mit jeweils unterschiedlichen Brechungsindizes ausgebildet werden. Beispielsweise können die Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n>n₀) und einen niedrigen Brechungsindex (n<n₀) haben und als Bragg-Reflektor ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Schichtdicke λ/4 betragen, wobei λ die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem jeweiligen Medium angibt. Die vom einfallenden Licht her gesehene Schicht kann eine größere Schichtdicke, beispielsweise 3λ/4 haben. Aufgrund der geringen Schichtdicke und des Unterschieds der jeweiligen Brechungsindizes stellt die dielektrische Spiegelschicht ein hohes Reflexionsvermögen bereit und ist gleichzeitig nichtleitend. Eine dielektrische Spiegelschicht kann beispielsweise 2 bis 50 dielektrische Schichten aufweisen. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 90 nm, beispielsweise etwa 50 nm betragen. Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind.
Gemäß weiteren Ausgestaltungen können die Schichten der Resonatorspiegel 104 und 105 auch Halbleiterschichten enthalten.
Bei Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht 102 wird elektrische Strahlung 16 emittiert. Dabei bildet sich ein optischer Resonator in vertikaler Richtung, d.h. senkrecht zur Oberfläche der einzelnen Schichten aus. Eine Apertur 106 kann beispielsweise in einer blockierenden Schicht 109, d.h. in einer für die elektromagnetische Strahlung undurchlässigen Schicht ausgebildet sein. Die elektromagnetische Strahlung wird durch die Apertur 106 emittiert. Beispielsweise kann ein Durchmesser der Apertur 106 etwa größer als 2 µm sein. Beispielsweise kann der Durchmesser der Apertur 106 kleiner als 8 µm sein. Beispielsweise kann der Durchmesser der Apertur 106 ungefähr 4 µm sein. Die blockierende Schicht 109 kann je nach Ausgestaltung auf der der ersten Halbleiterschicht 101 zugewandten oder abgewandten Seite des ersten Resonatorspiegels 104 angeordnet sein. Gemäß Ausgestaltungen bezeichnet der Begriff „Apertur“ einen Emissionsbereich einer VCSEL-Vorrichtung.
Beispielsweise kann eine elektrische Spannung durch eine Spannungsquelle 108 angelegt werden. Beispielsweise können Anschlüsse der Spannungsquelle 108 über geeignete Kontaktbereiche mit der ersten Halbleiterschicht 101 und der zweiten Halbleiterschicht 102 verbunden sein. Zusätzlich kann die VCSEL-Vorrichtung 100 einen Detektor 116, beispielsweise eine Fotodiode, die beispielsweise monolithisch mit der VCSEL-Vorrichtung 100 integriert sein kann, aufweisen. Der Detektor 116 kann beispielsweise ein Interferenzsignal nachweisen, welches durch so genannte SMI erzeugt wird, bei der die emittierte Strahlung mit reflektierter Strahlung kohärent überlagert wird. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann ein durch SMI erzeugtes Signal durch die VCSEL-Vorrichtung 100 selbst, beispielsweise durch Ermitteln der Änderung eines Spannungssignals, beispielsweise durch die Spannungsquelle 108 oder einen Bestandteil der Spannungsquelle nachgewiesen werden.
Das nachgewiesene Signal kann beispielsweise durch eine Auswerteschaltung 119 ausgewertet werden. Die Auswerteschaltung 119 kann mit der Spannungsquelle 108 verbunden sein. Insbesondere kann Information über eine Höhe der angelegten Spannung an die Auswerteschaltung weitergegeben werden.
Dadurch, dass, wie in 1A gezeigt, die Position der Apertur 106 der VCSEL-Vorrichtung 100 gegenüber der optischen Achse 115 der Linse 113 verschoben ist, werden emittierte Strahlen 16 an der Grenzfläche 114 zwischen der Linse 113 und der umgebenden Luft zur optischen Achse hin gebrochen. Entsprechend ist es möglich, die emittierte Strahlung 16 abzulenken.
Mit dem gezeigten VCSEL-Element 10 ist es beispielsweise möglich, eine Vielzahl von VCSEL-Elementen 10 räumlich dicht anzuordnen und gleichzeitig die erzeugten Strahlen 16 bei vergrößertem räumlichen Abstand zu erzeugen.
2A zeigt eine Sensorvorrichtung 15 gemäß Ausführungsformen. Die in 2A gezeigte Sensorvorrichtung 15 umfasst eine erste VCSEL-Vorrichtung 1001 und eine zweite VCSEL-Vorrichtung 1002. Die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung 1001, 1002 sind an einem gemeinsamen Substrat 110 angebracht. Das gemeinsame Substrat 110 ist für elektromagnetische Strahlung 16, die von den VCSEL-Vorrichtungen 1001, 1002 emittiert worden ist, transparent.
Die Sensorvorrichtung 15 umfasst weiterhin eine erste Linse 1131 und eine zweite Linse 1132. Die erste Linse 1131 ist zur Ablenkung, beispielsweise Fokussierung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung 101 emittierter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Die zweite Linse 1132 ist zur Ablenkung, beispielsweise Fokussierung von der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 emittierter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Die erste und die zweite Linse 1131, 1132 sind auf einer von den VCSEL-Vorrichtungen 1001, 1002 abgewandten Seite des Substrats 110 angeordnet. Eine Position einer Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 ist gegenüber der optischen Achse 115 der ersten Linse 1131 um einen Abstand d₁ verschoben. Weiterhin ist eine Position der Apertur der zweite VCSEL-Vorrichtung 1002 gegenüber der optischen Achse 115 der zweite Linse 1132 um einen Abstand d₂ verschoben. Beispielsweise können die Abstände d₁ und d₂ zueinander gleich sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Abstände d₁ und d₂ auch voneinander verschieden sein.
Beispielsweise sind die erste VCSEL-Vorrichtung 1001 und die zweite VCSEL-Vorrichtung 1002 so angeordnet, dass die Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 und die Apertur der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 bei einem Abstand angeordnet sind, der kleiner als der Abstand der optischen Achsen der ersten und der zweiten Linse ist. Beispielsweise sind sowohl die erste VCSEL-Vorrichtung 1001 als auch die zweite VCSEL-Vorrichtung 1002 einander zugewandt, d.h. die erste VCSEL-Vorrichtung 1001 bzw. die Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 ist auf der Seite der optischen Achse 115 der zugehörigen ersten Linse 1131 angeordnet, die der zweiten Linse 1132 zugewandt ist. Weiterhin ist die zweite VCSEL-Vorrichtung 1002 bzw. die Apertur der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 auf der Seite der optischen Achse 115 der zweite Linse 1132 angeordnet, die der ersten Linse 1131 zugewandt ist.
Auf diese Weise ist es möglich, einzelne VCSEL-Vorrichtungen bei kleinem Abstand anzuordnen, während die elektromagnetische Strahlung 16 jeweils bei einem größeren Abstand emittiert wird.
Ähnlich wie in 1B gezeigt, weist gemäß Ausführungsformen auch hier die erste VCSEL-Vorrichtung 1001 einen ersten Detektor 1161 auf. Weiterhin kann die zweite VCSEL-Vorrichtung 1002 einen zweiten Detektor 1162 aufweisen. Die Sensorvorrichtung 15 kann weiterhin eine Spannungsquelle 108 zum Betreiben der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 und der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 aufweisen. Beispielsweise kann durch die Spannungsquelle 108 die erste VCSEL-Vorrichtung 1001 unabhängig von der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 betrieben werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen können aber auch beide VCSEL-Vorrichtungen gemeinsam betrieben werden. Die Auswerteschaltung 119 kann beispielsweise mit der Spannungsquelle 108 verbunden sein und weiterhin geeignet sein, Signale der Detektoren 1161, 1162 auszuwerten.
Gemäß Ausführungsformen kann ein durch SMI erzeugtes Signal auch jeweils durch die VCSELL-Vorrichtung 1001, 1002 nachgewiesen und über ein Spannungssignal ausgelesen werden. Die Auswerteschaltung 119 kann beispielsweise mit der Spannungsquelle 108 verbunden sein und weiterhin geeignet sein, die ermittelten Spannungssignale auszulesen.
Bei einer optischen Sensorvorrichtung, die beispielsweise eine lokale Verformung eines Gehäuses oder die Bewegung eines Fingers nachweist und die auf der self-mixing interference beruht, werden bevorzugt mindestens zwei Messstellen verwendet, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung zu erhöhen. Dadurch, dass, wie in 2A gezeigt ist, die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung 1001 und 1002 in der beschriebenen Weise angeordnet sind, ist es möglich, die einzelnen VCSEL-Vorrichtungen bei kurzem Abstand anzuordnen und einen Mindestabstand der entsprechenden Messstellen bereitzustellen, selbst wenn das reflektierende Gehäuse oder der Finger einen geringen Abstand, beispielsweise von weniger als etwa 10 cm hat. Weiterhin wird durch die in 2A gezeigte Sensorvorrichtung die erste VCSEL-Vorrichtung 1001 und die zweite VCSEL-Vorrichtung 1002 in einem gemeinsamen VCSEL-Chip realisiert. Auf diese Weise kann eine Sensorvorrichtung als VCSEL-Chip realisiert sein, der eine geringe Größe aufweist.
Wie weiterhin in 2A gezeigt ist, kann in Abhängigkeit von der Krümmung der jeweiligen Linsen 113 der Abstand d zwischen der Apertur 106 und der optischen Achse 115 der Linse so gewählt werden, dass der Winkel α zwischen der Emissionsrichtung des emittierten Laserstrahls 16 und der optischen Achse 115 größer als 20 °, beispielsweise größer als 30 °, beispielsweise etwa 35 ° ist.
Der Abstand zwischen den Aperturen der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 und der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 kann beispielsweise kleiner als 50 µm sein. Der Strahl 16, der von der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 emittiert wird, kann beispielsweise in eine Richtung, die um -α von der optischen Achse 115 der zweiten Linse 1132 abweicht, abgelenkt werden. Der Strahl 16, der von der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1001 emittiert wird, kann beispielsweise gegenläufig zu dem Strahl 16, der von der VCSEL-Vorrichtung 1001 emittiert wird, sein.
In 2A sind die VCSEL-Vorrichtungen 1001 und 1002 jeweils als separate Elemente dargestellt. Gemäß weiteren Ausführungsformen können sie auch gemeinsame Schichten aufweisen und voneinander elektrisch getrennt sein.
2B zeigt ein weiteres Beispiel einer Anordnung von VCSEL-Vorrichtungen 1001, 1002 bei einer Sensorvorrichtung 15 gemäß weiteren Ausführungsformen. Die in 2B gezeigte Sensorvorrichtung 15 kann beispielsweise ähnliche Komponenten wie die in 2A gezeigte Sensorvorrichtung 15 aufweisen. Wie in 2B gezeigt, können die VCSEL-Vorrichtungen 1001, 1002 auch so angeordnet sein, dass ein Abstand zwischen den Aperturen 106 größer als der Abstand zwischen den optischen Achsen 115 der zugehörigen Linsen 1131, 1132 ist.
2C zeigt eine schematische Draufsicht von Elementen einer Sensorvorrichtung 15 gemäß Ausführungsformen. Wie in 2C gezeigt ist, kann beispielsweise eine Verbindungslinie 118 zwischen der Apertur 106 der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 und der Apertur 106 der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 von einer Verbindungslinie 117 zwischen der optischen Achse 115 der ersten Linse 1131 und der optischen Achse 115 der zweiten Linse 1132 verschieden sein. Beispielsweise können die beiden Verbindungslinien einander schneiden oder parallel zueinander verschoben sein. Gemäß weiteren Ausgestaltungen kann der Abstand zwischen den Aperturen 106 der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1001, 1002 von dem Abstand zwischen den optischen Achsen 115 der ersten und der zweiten Linse 1131, 1132 verschieden oder gleich sein.
2D veranschaulicht eine Messanordnung unter Verwendung der in 2A gezeigten VCSEL-Anordnung. Von einem VCSEL 100 wird ein Strahl 16 emittiert. Dieser wird an einem Objekt 20 reflektiert, so dass der reflektierte Strahl 17 erzeugt wird. Der Detektor 116 ist geeignet, ein Überlagerungssignal aus der emittierten Strahlung 16 und der reflektierten Strahlung 17 zu detektieren. Die in 2D gezeigte VCSEL-Vorrichtung 100 weist ähnliche Komponenten wie die in 1B gezeigte VCSEL-Vorrichtung auf, so dass eine detaillierte Beschreibung entfällt.
3 zeigt einen Teil einer elektronischen Vorrichtung 30 oder der Benutzerschnittstelle 35. Beispielsweise ist die Sensorvorrichtung 15, die unter Bezugnahme auf 2A beschrieben worden ist, auf einem geeigneten Träger 123 angebracht. Die VCSEL-Vorrichtungen 1001, 1002 können dabei zwischen dem Träger 123 und dem Substrat 110 angeordnet sein. Die VCSEL-Vorrichtungen 1001, 1002 können, wie in 3 angedeutet, als jeweils separate Elemente ausgebildet sein oder gemeinsame Schichten aufweisen.
Ein Gehäuse 120 ist über der Sensorvorrichtung 15 angeordnet. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung 15 in einem elektronischen Gerät 30 angeordnet sein, und das Gehäuse 120 bildet gleichzeitig das Gehäuse der elektronischen Vorrichtung 120. Wie in 3 weiterhin dargestellt ist, bewegt sich ein Finger 121 in Pfeilrichtung und übt dabei einen Druck in Richtung der Sensorvorrichtung 15 aus. Als Ergebnis findet eine Verringerung des Abstands zwischen dem Gehäuse 120 und der Sensorvorrichtung 15 statt. Durch die Position des Schnittpunkts der von der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 emittierten Strahlung 16 mit dem Gehäuse 120 wird die Position der ersten Messstelle 122 definiert. Weiterhin wird durch die Position des Schnittpunkts der von der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 emittierten Strahlung 16 mit dem Gehäuse 120 die Position der zweiten Messstelle 124 definiert.
Üblicherweise können die erste Messstelle 122 und die zweite Messstelle 124 einen Abstand von mindestens 1 mm, beispielsweise 2 mm haben. Dadurch, dass, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2A beschrieben worden ist, die Aperturen der jeweils ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 und der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 gegenüber der optischen Achse der Linse 113 verschoben sind, kann dieser Mindestabstand eingehalten werden, auch wenn die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung 1001, 1002 auf einem gemeinsamen Chip angeordnet sind und somit besonders platzsparend ausgeführt sind.
Beispielsweise kann die Bewegung des Fingers, d.h. Abstand und Geschwindigkeit des Fingers, ermittelt werden, indem die Ausgangsleistung der VCSELs oder die Vorwärtsspannung der VCSELs moduliert wird und die von den Detektoren 1161, 1162 nachgewiesenen Signale ausgewertet werden. Diese Konzepte sind bekannt und unter dem Begriff „FMCW-LIDAR“, frequency modulated continuous wave LIDAR) ausführlich beschrieben worden.
Gemäß Ausführungsformen können, wie vorstehend beschrieben, die VCSEL-Vorrichtungen 1001, 1002 selbst ein erzeugtes SMI-Signal durch Änderung eines Spannungssignals nachweisen. In diesem Fall sind keine separaten Detektoren 1161, 1162 erforderlich.
Die in 3 gezeigte Anordnung kann Teil einer elektronischen Vorrichtung, beispielsweise eines tragbaren Endgeräts, eines Smartphones, einer Kamera oder von beispielsweise Kopfhörern sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen stellt die in 3 gezeigte Anordnung auch eine Nutzerschnittstelle 35 bereit. Beispielsweise können bei schnurlosen Kopfhörern bzw. Earbuds durch Drücken auf das Gehäuse Befehle eingegeben werden. In diesem Fall kann durch Bewegen des Fingers eine Nutzereingabe vorgenommen werden, um beispielsweise die Lautstärke zu regeln oder eine andere Steuerung zu bewirken.
Gemäß Ausführungsformen kann das Gehäuse 120 lichtundurchlässig sein. In diesem Fall wird die Auslenkung des Gehäuses 120 gemessen und führt zu der Erzeugung der gewünschten Signale.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Gehäuse 120 auch transparent sein. In diesem Fall kann beispielsweise die emittierte elektromagnetische Strahlung 16 an dem Finger 121 reflektiert werden und somit zur Erzeugung der gewünschten Signale führen. Dabei kann die erste Messstelle 122 dem Schnittpunkt der von der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 emittierten Strahlung 16 mit dem Finger entsprechen. Die zweite Messstelle 124kann dem Schnittpunkt der von der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 emittierten Strahlung 16 mit dem Finger entsprechen.
Die 4A bis 4C veranschaulichen ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung der Sensorvorrichtung bzw. einer Anordnung von VCSEL-Elementen gemäß Ausführungsformen.
Zunächst werden, wie in 4A angedeutet, Schichten zur Ausbildung der jeweiligen VCSEL-Vorrichtungen 1001, 1002 auf Waferebene auf einem Substrat 110, das als Wachstumssubstrat wirkt und für die von den VCSEL-Vorrichtung 100 zu emittierende elektromagnetische Strahlung transparent ist, ausgebildet. Die zugehörigen Verfahren sind allgemein bekannt, sodass eine detaillierte Beschreibung weggelassen wird.
Das Substrat 110 wird gedünnt und anschließend zur Ausbildung der Linsen 113 geätzt. Weiterhin werden die zu den einzelnen VCSEL-Vorrichtungen 1001, 1002 gehörenden Halbleiterschichtstapel jeweils voneinander getrennt und elektrisch isoliert, beispielsweise durch Ätzen einer Mesa. Dies ist in 4C veranschaulicht. Das Ätzen der Linsen 113 wird derart durchgeführt, dass die optische Achse 115 der einzelnen Linsen gegenüber der Apertur 106 der einzelnen Laser-Vorrichtungen 100 verschoben ist, wie vorstehend beschrieben worden ist.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
BEZUGSZEICHENLISTE

10: VCSEL-Element
15: Sensorvorrichtung
16: emittierte Strahlung
17: reflektierte Strahlung
20: Objekt
30: elektronische Vorrichtung
35: Benutzerschnittstelle
100: VCSEL-Vorrichtung
1001: erste VCSEL-Vorrichtung
1002: zweite VCSEL-Vorrichtung
101: erste Halbleiterschicht
102: zweite Halbleiterschicht
103: aktive Zone
104: erster Resonatorspiegel
105: zweiter Resonatorspiegel
106: Apertur
108: Spannungsquelle
109: blockierende Schicht
110: Substrat
111: erste Hauptoberfläche
112: zweite Hauptoberfläche
113: Linse
1131: erste Linse
1132: zweite Linse
114: Oberfläche der Linse
115: optische Achse
116: Detektor
1161: erster Detektor
1162: zweiter Detektor
117: Verbindungslinie zwischen optischen Achsen
118: Verbindungslinie zwischen Aperturen
119: Auswerteschaltung
120: Gehäuse
121: Finger
122: erste Messstelle
123: Träger
124: zweite Messstelle

Claims

VCSEL-Element (10), umfassend: eine VCSEL-Vorrichtung (100), die an einem Substrat (110) angebracht ist, welches für von der VCSEL-Vorrichtung (100) emittierte elektromagnetische Strahlung (16) transparent ist; und eine Linse (113) zur Ablenkung von von der VCSEL-Vorrichtung (100) emittierter elektromagnetischer Strahlung (16), wobei die Linse (113) auf einer von der VCSEL-Vorrichtung (100) abgewandten Seite des Substrats (110) angeordnet ist, und eine Position einer Apertur (106) der VCSEL-Vorrichtung (100) gegenüber einer optischen Achse (115) der Linse (113) horizontal verschoben ist.
Sensorvorrichtung (15), umfassend: eine erste und eine zweite VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002), die an einem gemeinsamen Substrat (110) angebracht sind, welches für von der VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) emittierte elektromagnetische Strahlung (16) transparent ist; und eine und eine zweite Linse (1131, 1132), wobei die erste Linse (1131) zur Ablenkung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung (1001) emittierter elektromagnetischer Strahlung (16) eingerichtet ist und die zweite Linse (1132) zur Ablenkung von von der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1002) emittierter elektromagnetischer Strahlung (16) eingerichtet ist, wobei die erste und die zweite Linse (1131, 1132) auf einer von den VCSEL-Vorrichtungen (1001, 1002) abgewandten Seite des Substrats (110) angeordnet sind, eine Position einer Apertur (106) der ersten VCSEL-Vorrichtung (1001) gegenüber einer optischen Achse (115) der ersten Linse (1131) verschoben ist und eine Position der Apertur (106) der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1002) gegenüber der optischen Achse (115) der zweiten Linse (113) verschoben ist.
Sensorvorrichtung (15) nach Anspruch 2, wobei die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) so angeordnet sind, dass ein Abstand zwischen der Apertur (106) der ersten VCSEL-Vorrichtung (1001) und der Apertur (106) der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1002) von einem Abstand der optischen Achsen (115) der ersten und der zweiten Linse (1131, 1132) verschieden ist.
Sensorvorrichtung (15) nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Verbindungslinie (118) zwischen der Apertur (106) der ersten VCSEL-Vorrichtung (1001) und der Apertur (106) der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1002) von einer Verbindungslinie (117) zwischen der optischen Achse (115) der ersten Linse (1131) und der optischen Achse (115) der zweiten Linse (1132) verschieden ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Abstand zwischen der Apertur (106) der ersten VCSEL-Vorrichtung (1001) und der Apertur (106) der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1002) kleiner als der Abstand der optischen Achsen (115) der ersten und der zweiten Linse (1131, 1132) ist.
Sensorvorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, ferner mit einem ersten Detektor (1161) zum Nachweisen eines ersten Interferenzsignals, das durch kohärente Überlagerung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung (1001) emittierter erster Strahlung (16) mit einem ersten reflektierten Signal (17), das sich bei Reflexion der ersten Strahlung (16) an einem Objekt (20) ergibt, erhältlich ist, sowie einem zweiten Detektor (1162) zum Nachweisen eines zweiten Interferenzsignals, das durch kohärente Überlagerung von von der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1002) emittierter Strahlung mit einem zweiten reflektierten Signal (17), das sich bei Reflexion der zweiten Strahlung (16) an dem Objekt (20) ergibt, erhältlich ist.
Sensorvorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, ferner mit einer Spannungsquelle (108), wobei die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) gemeinsam durch die Spannungsquelle (108) ansteuerbar sind.
Sensorvorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, ferner mit einer Spannungsquelle (108), wobei die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) getrennt voneinander durch die Spannungsquelle (108) ansteuerbar sind.
Sensorvorrichtung (15) nach Anspruch 7 oder 8, wobei ein erstes Interferenzsignal, das durch kohärente Überlagerung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung (1001) emittierter erster Strahlung (16) mit einem ersten reflektierten Signal (17), das sich bei Reflexion der ersten Strahlung (16) an einem Objekt (20) ergibt, erhältlich ist, sowie ein zweites Interferenzsignal, das durch kohärente Überlagerung von von der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1002) emittierter Strahlung mit einem zweiten reflektierten Signal (17), das sich bei Reflexion der zweiten Strahlung (16) an dem Objekt (20) ergibt, erhältlich ist, durch Auslesen eines Spannungssignals jeweils an der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) ermittelbar ist.
Elektronische Vorrichtung (30), welche die Sensorvorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 2 bis 9 sowie ein Gehäuse (120) aufweist.
Elektronische Vorrichtung (30) nach Anspruch 10, wobei die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) emittierte Strahlung (16) jeweils an dem Gehäuse (120) reflektiert wird.
Elektronische Vorrichtung (30) nach Anspruch 10, wobei das Gehäuse (120) für die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) emittierte elektromagnetische Strahlung (16) transparent ist und die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) emittierte elektromagnetische Strahlung (16) jeweils an dem Objekt (30) außerhalb des Gehäuses (120) reflektiert wird.
Benutzerschnittstelle (35), die die elektronische Vorrichtung (30) nach Anspruch 11 aufweist, wobei eine Benutzereingabe über eine örtliche Verformung des Gehäuses (120) erfolgt.
Benutzerschnittstelle (35), die die elektronische Vorrichtung (30) nach Anspruch 12 aufweist, wobei die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) emittierte elektromagnetische Strahlung (16) jeweils an einem Finger reflektiert wird, und eine Benutzereingabe über eine Bewegung des Fingers erfolgt.