专利名称：光电子倾斜度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求I的前序部分所述的光电子傾斜度传感器，用于确定參考平面相对水平状态的傾斜度，尤其是用于同时检测关于两个轴线的傾斜度。
背景技术：
类属的光学傾斜度传感器包括以液体部分填充的传感器本体，其中，液体层提供了光学界面(例如在液体和空气之间)，该光学界面形成水平面。在传感器本体上例如构造參考平面为底部面，该參考平面的傾斜度要被确定。此外，设置有用于发射穿透液体的并且指向到界面上的光辐射的光源。用于探测由界面反射的光辐射的光学传感器面布置在传感器本体内部或布置在传感器本体之外。最后，设置有分析単元用于依赖于通过光学传感器面接收的光量来确定平面的傾斜度。
DE 19819610C1描述了ー种光学傾斜度测量仪，其中壳体填充以透明液体，该透明液体依赖于傾斜度地改变了光学辐射束的方向。设置有用于结构照明的或用于产生光点的光源，该光源使光辐射以如下方式指向到液体-空气界面上，即，该光辐射的反射入射到传感器面上并且在那里被探測。用于使结构或光点或光斑成像的光学器件布置在壳体的底部的下侧上或者是该底部的组成部分。此外，该光学器件由卩隹ー的I禹合输入和I禹合输出光的并且对结构或光点进行成像的元件形成。DE 202007002771U1描述了ー种双轴式的光学傾斜度测量仪，其具有作为射束源的LED ;带有构造了水平面的液体的壳体；用于接收射束的传感器；以及光学器件，其具有用于将射束成像在传感器上的光路。此外，该设备包括用于根据由传感器发出的信号来确定傾斜度的分析単元。光学器件将标记在传感器上以如下方式成像，即，根据标记在传感器上的状态可以确定在两个正交的轴线上的傾斜度。射束应在反射时在液体水平面上基本上垂直地被反射。在光辐射在液体水平面上垂直入射到界面上的情况下能期望的是，光的大部分并不反射而是在界面上或强或弱地经折射地出射。FR 2868834B1描述了ー种双轴式的傾斜度传感器，其包括区段地球形成型的传感器本体，在该传感器本体中布置有构造了水平面的液体。传感器本体在其旋转轴线处具有光辐射源，该光辐射源将环形光辐射引导到液体表面上。该环形光辐射在表面上被反射并且借助传感器来探測。传感器布置在传感器本体之外。该传感器本体包括四个窗ロ，被反射的光辐射通过这四个窗ロ可以入射到传感器上。这些窗ロ要么设置在传感器本体的下侧上要么设置在球形壳面上。传感器在此体现北-南轴线或者说东-西轴线。同样已知了带有水准仪的傾斜度測量器。针对ニ维测量使用了圆水准仪。具有这种圆水准仪的傾斜度传感器例如在DE 102005056736B4中予以描述。为了在圆水准仪的情况下以电子方式获知傾斜度，在盖玻璃之上布置有辐射器接收器组件，其中，由辐射器发出的光在盖玻璃-空气泡界面上在居中的空气泡的情况下至少部分被全反射。该水准仪传感器的缺点尤其在于，水准仪贴靠的表面以确定的半径弯曲。曲率在此与对水准仪的灵敏度的要求适配并且通过磨削来制造，这以一定规格使表面粗化，由此气体泡会易于跳动并且影响传感器的精度。基于气体泡的形状和盖玻璃的曲率而得到传感器的非线性的特征曲线。此外，气体泡的大小依赖于传感器的温度，这不利地影响到这种传感器的使用领域。由杂志“Technisches Messen”(第75期,2008年)公开了基于激光器的福射器接收器组件，其具有用于测量散射光的整合的微光学装置。该辐射器接收器组件以方形的硅衬底形式实现，在该硅衬底中引入旋转对称的光电ニ极管部段。这些光电ニ极管部段围绕激光器处在其中的中央深刻蚀部。在硅衬底上施布有间隔介质，该间隔介质由对于激光的波长而言非透射的玻璃制成。在激光器和光电ニ极管上，间隔保持器设有穿通部。这样，源和接收器彼此光学上被隔离。在穿通部的中央区域中安置有微光学装置。通过光学装置承载件来使传感器完备。该光学装置承载件一方面由化学上耐受的材料制成的承载件构成。另ー方面，在该承载件的下侧上施布有不透光的并且可结构化的光阑。在光阑结构上存在微光学装置。该微光学装置具有环的形状，该环具有径向对称的非球形横截面(环形透镜) 。
发明内容
本发明所基于的任务是提出一种基于形成水平面的液体的光电子傾斜度传感器，该光电子傾斜度传感器允许了精确地探测參考平面相对水平面的傾斜度，优选參考两条明确限定參考平面的状态的轴线。该倾斜度传感器应相对周围影响是鲁棒性的并且可以相对低消耗地制造。该任务根据本发明通过具有权利要求I的特征的傾斜度传感器来解決。用于确定參考平面相对水平状态的傾斜度的傾斜度传感器首先以已知的方式包括以液体部分地填充的传感器本体，该传感器本体在其内部具有形成水平面的光学界面(例如在液体和空气之间)。在传感器本体的表面上构造有參考平面，该參考平面的傾斜度应被确定。此外，传感器包括至少ー个光源，用于将光辐射穿过液体地发射到界面上。用于探測由界面反射的光辐射的光学传感器面布置在传感器本体内部。分析単元依赖于通过光学传感器面接收的光量来确定參考平面的傾斜度。根据本发明，在光源与液体之间设置有偏转元件，在穿过液体之后发生在光学界面上的第二次全反射之前，光辐射通过该偏转元件第一次被全反射。本发明的优点尤其如下地可看到，S卩，通过将光辐射面式地入射到界面上保证了近似完全的全反射。由于在界面上的散射或折射仅有非常少量的光损失，从而使得辐射器接收器组件可以价格低廉地制造。在本发明的特别优选的实施形式中，将光辐射形成为环形光辐射。光辐射源优选包括环形透镜和/或呈环形的光阑用于形成光辐射。在合乎目的的实施形式中，光源布置在硅衬底的腔体中并且垂直于传感器的平面取向。该设计方案可以利用可容易地操作的制造方法来价格低廉地产生。在有利的实施变形方案中，光学传感器面通过至少两个光电ニ极管形成，这两个光电ニ极管与光源一起布置在硅衬底上。通过合适的エ艺步骤可以将全部有源部件直接构造在承载件衬底上。该至少两个光电ニ极管在此正对面地布置在光源左侧和右侧。在參考平面没有倾斜的情况下，这两个光电ニ极管所探測的光量基本上相等，而在存在倾斜的情况下在光电ニ极管上光量相反地改变。在特别优选的实施形式中，光学传感器表面通过大量呈部段形的光电ニ极管形成，这些光电ニ极管围绕光源同心地布置。在此，各两个正对面地布置的光电ニ极管形成了提供传感器信号的一対。两个光电流之差可以被用作信号。用于制造第一全反射的偏转元件在使用环形光辐射的情况下优选呈截锥体形地实施并且伴随着光源居中地布置，其中，截锥体的指向光源的顶面具有小于环形辐射的直径的直径，并且截锥体的指向液体层的底面具有大于环形辐射的直径的直径，从而使得环形辐射完全在偏转元件的壳面上朝着界面方向被反射。截锥体的角度在此被如下地选择，即，从而使得根据所使用的介质的不同达到至少ー个根据斯涅耳折射定理获知的临界角作为光辐射的入射角。偏转元件在优选的实施形式中形成为在透光的层中的腔体。透光的层在此优选由丙烯酸玻璃制造。在透光的层的上侧上，偏转元件通过加深部设有截锥体的形状。在该透光的层上在传感器中现在布置有液体，其中，液体也填满在透光的层中的加深部。在另外的优选的实施形式中，在透光的层中的腔体填充以气体或设有真空。这可以以如下方式发生，即，薄的玻璃板例如粘合到透光的层上。在该板上于是可以布置任意的 液体。基于层的以及已提及的材料的结构化的可能性，传感器可以完整地构建在ー个晶片上，从而使得可以制造特别小的并且轻的传感器。
以下參照附图更为详细地阐述了本发明及其细节。其中图I:在横截面层模型中示出根据本发明的具有经液体填充的偏转元件的傾斜度传感器的第一实施形式；图2 :在參考平面的水平状态中示出在y_z平面中的光路；图3 :示出光学传感器面的实施形式；图4:示出根据本发明的具有经气体填充的偏转元件的传感器的第二实施形式；图5 :示出在光学传感器面上所检测的光量的分布。
具体实施例方式图I以横截面层模型示出了根据本发明的傾斜度传感器的第一实施形式的示例性结构。该传感器包括具有用于形成环形光辐射的整合的微光学装置的光电子辐射器接收器组件01。辐射器接收器组件由硅衬底制造。在硅衬底的中央引入腔体。在该腔体中作为光源布置有竖直发射的激光器02。关于激光器02正对面地布置有第一光电ニ极管03和第ニ光电ニ极管04。在辐射器接收器组件01的下侧上构造有參考平面06，该參考平面相对于水平面的傾斜度可以通过傾斜度传感器来确定。为此，具有參考平面06的傾斜度传感器被放置或牢固安装到待测量的面或平面上。传感器的傾斜度于是对应于待测量的面的倾斜度。在辐射器接收器组件01之上构造有光学上透明的、优选由B0R0FL0AT制成的盖层07。B0R0FL0AT是ー种硼硅酸盐玻璃，具有突出的光学特性。盖层07首先用于保护辐射器接收器组件01和成形所期望的环形光辐射，其方式是环形透镜05构造为在盖层07的下侧上的微光学装置并且伸入腔体中。此外，在盖层07的下侧上可以设置有不透光的和可结构化的光阑，和用于进一歩形成环形光辐射的和用于光学上分离发射器和接收器的透镜。但是，盖层07的特种玻璃也在化学上是耐受的。因此突出地适于如下，即，将不同的液体使用在傾斜度传感器中或者说在光学上耦合另外的层。在透光的盖层07之上设置有优选由丙烯酸玻璃制成的其他透光的偏转层08。在该透光的偏转层08中设置有偏转元件09，其构造为例如在透光的偏转层08中的呈截锥体形的腔体。在修改过的实施形式中，盖层07和偏转层08可以一体式地构造。在偏转层08之上有液体11，该液体构造了例如相对空气层13的光学界面12。液体11可以布置在容器中，该容器加工为在偏转层08中的面式加深部。空气层13可以通过气体、通过真空或通过其他的不能与第一液体11混合的液体形成。在此重要的是，由于不同的折射率在液体11的表面上存在光学界面12，该界面基于重力即使在传感器的傾斜度的情况下也保持其水平取向的状态。这里所示的传感器例如利用作为液体11的水和由此得到的折射率起作用。但也可以使用另外的液体，例如通过较高的粘性在倾动时实现阻尼(为此參见图4)。 傾斜度传感器在这些图中以水平状态示出，从而使得參考平面06和界面12平行。在图I中说明了示例值，以便表示在Z方向上的各个层的厚度(所有说明以毫米为単位)。在图2中示出了在图I中所示的处于水平状态的传感器中的典型光路。由激光器02发射的并且通过微光学装置形成的环形光辐射14在过渡到透光的盖层08中之后两次全反射。第一全反射在偏转元件09的壳面上发生(界面偏转元件09中的盖层08-液体
11)。第二全反射在界面12 (液体11 -空气13)上发生。在第二全反射之后，被反射的射束14’到达光电ニ极管03、04或者说到达在辐射器接收器单元01中的吸收性底部的另外的区域。如果传感器被傾斜，则液体表面改变其相对偏转元件09上的第一全反射的面的状态或者说相对參考平面06的状态。得到如下測量效应这两个光电ニ极管03、04的光电流以相反的数值失去平衡。这两个光电流之差可以用作传感器信号。应指出的是，在经修改的实施形式中第一全反射可以通过光学衍射或折射替代，以便以如下方式调节光辐射到界面12上的入射角度在传感器的所有运行状态下在那里确保全反射。例如，这可以利用整合到辐射器接收器单元01的微光学装置中的偏转单元来实现。然而使用空间上下沉的偏转元件允许了特别扁平的结构方式并且在Y方向上允许了传感器的小的延展。图3示出了两个在正对面布置的传感器元件03和04的示例性实施形式。传感器元件03和04呈圆扇段形地构造。这两个传感器元件03、04的布局这样地来选择，从而使得这些部段的外半径大致对应于环形光辐射的最大照射強度的半径。图4示出了传感器的修改过的实施形式，其中可以使用从折射率来看任意的液体。为此，在偏转元件09内部的容积填充以气体或设有真空。为此，例如将薄玻璃板16粘合到偏转层08上。在该玻璃板16之上于是可以填入任意的液体。在这里所示出的图示中未绘出液体。图4中的光路14示出，在玻璃板16与空气层13之间的界面12’处出现全反射。因此，该玻璃板可以以任意液体覆盖，于是出现在液体表面上的全反射和出现所追求的測量效应。探測器03、04的水平状态必须与液体的折射率和填充液位高度适配。液体的特性如膨胀系数、凝固点、温度相关性、折射率、蒸汽压、粘性、吸收系数、老化等等必须予以考虑并且与传感器的各自的使用目的相协调。
图5示出了在从0°到O. 3°的傾斜度角度范围上的、在传感器元件03、04上的光学功率的分布。在此，针对关于轴线的傾斜度的传感器特征曲线被记录。照射強度分布在探測器的平面中示出。在此，该分布的下部曲线示出了在探測器03上的光学功率，而该分布的上部特征曲线示出了在探測器04上的光学功率。面06的倾斜在此与时针方向相反地进行。激光器发射出ImW的光学功率。在平衡的状态中，这两个探測器中的每个接收大约61. 4 μ W的光学功率。这在O. 6A/W的灵敏度的情况下对应于36. 84 μ A的光电流。原理上，探測器03和04的光电流之差被建议作为传感器信号。应记住的是，利用该传感器可以确定关于參考平面06的两个轴线的傾斜度，尤其是通过使用其他的、扭转90°布置的探測器。附图标记列表01 辐射器接收器单元02 竖直发射的激光器/光源03 第一光电ニ极管 04 第二光电ニ极管05 环形透镜06 參考平面07 透光的盖层08 透光的偏转层09 偏转元件10 -11 液体层12 界面13 空气层14 环形光辐射15 -16 玻璃板
权利要求
1.光电子倾斜度传感器，用于确定参考平面(06)相对水平面的倾斜度，包括 -带有液体层(11)的传感器本体，所述液体层的自由表面是能够相对所述参考平面(06)倾动的水平面并且形成相对邻接的介质的光学的界面(12)； -至少一个布置在所述液体层(11)之下的光源(02 )，用于将光辐射(14 )穿过所述液体层(11)地发射到所述界面(12 )上； -至少一个光学传感器面(03、04)，用于探测由所述界面(12)所反射的光辐射(14’)，所述至少一个光学传感器面布置在所述液体层(I I)之下；以及 -分析单元，用于依赖于通过所述光学传感器面(03、04)接收的光量来确定所述参考平面(06)的倾斜度； 其特征在于，在所述光源(02)与所述液体层(11)之间布置有用于使所述光辐射(14)偏转或进行第一全反射的偏转元件(09)，从而使得所述光辐射(14)由于所述偏转或第一全反射而相对所述界面(12)以如下方式倾斜，即，不仅在倾斜的状态中而且在不倾斜的状态中在所述界面(12)上均出现第二全反射。
2.根据权利要求I所述的倾斜度传感器，其特征在于，所述光辐射成形为环形光辐射(14)。
3.根据权利要求I或2所述的倾斜度传感器，其特征在于，所述光源(02)包括环形透镜和/或呈环形的光阑用于成形所述光辐射(14)。
4.根据权利要求I至3之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，所述光源(02)布置在硅衬底的腔体中，以及以垂直于所述参考平面取向的辐射轴线发出光辐射(14)。
5.根据权利要求I至4之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，所述光学传感器面通过至少两个光电二极管(03、04)形成，所述至少两个光电二极管与所述光源(02) —起布置在硅衬底上。
6.根据权利要求5所述的倾斜度传感器，其特征在于，所述两个光电二极管(03、04)所探测的光量在所述参考平面(06)没有倾斜的情况下基本上相等，而在存在倾斜的情况下在所述光电二极管(03、04)中光量相反地改变。
7.根据权利要求5或6所述的倾斜度传感器，其特征在于，所述光学传感器面通过大量呈部段形的光电二极管(03、04)形成，所述大量呈部段形的光电二极管绕所述光源(02)同心地布置，其中，各两个正对面地布置的光电二极管(03、04)提供了传感器信号。
8.根据权利要求I至7之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，所述偏转元件(09)通过在透光的偏转层(08 )中的腔体形成，所述偏转层在所述光源(02 )与所述液体层(11)之间延伸。
9.根据权利要求8所述的倾斜度传感器，其特征在于，所述偏转元件(09)是呈截锥体形的，其中，所述截锥体的指向所述光源的顶面具有小于环形辐射(14)的直径的直径，而所述截锥体的指向所述液体层(11)的底面具有大于所述环形辐射(14)的直径的直径。
10.根据权利要求9所述的倾斜度传感器，其特征在于，所述腔体以气体、真空或液体、尤其是形成所述液体层(11)的液体填充。
全文摘要
本发明涉及用于确定参考平面(06)相对水平面的倾斜度的光电子倾斜度传感器。该传感器包括带有液体层(11)的传感器本体，液体层的自由表面是能够相对参考平面(06)倾动的水平面并且形成相对邻接的介质的光学界面(12)。布置在液体层(11)之下的光源(02)将光辐射(14)穿过液体层(11)地发射到界面(12)上。布置在液体层(11)之下的光学传感器面(03、04)探测由界面(12)反射的光辐射(14')。分析单元依赖于通过光学传感器面(03、04)接收的光量来确定参考平面(06)的倾斜度。根据本发明，在光源(02)与液体层(11)之间布置有用于使光辐射(14)偏转或进行第一全反射的偏转元件(09)，从而使得光辐射(14)由于偏转或第一全反射而相对界面(12)以如下方式倾斜，即，不仅在倾斜的状态中而且在不倾斜的状态中在界面(12)上均出现第二全反射。
文档编号G01C9/06GK102822624SQ201180017519
公开日2012年12月12日 申请日期2011年3月28日 优先权日2010年3月29日
发明者拉尔夫·米勒 申请人:赛多利斯称量技术有限责任公司