CN103453876B - 一种光源方向检测器件及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源方向检测器件及其检测方法，包括设置在P型衬底上呈阵列排列的并联的光电感应单元；光电感应单元包括遮挡墙和对称设置在其两侧的光电二极管，被照射时遮挡墙两侧光电二极管所生成的电流分别为I_L、I_R，遮挡墙与入射光的夹角为θ，R_D/B与θ成线性关系。本发明由于采用了集成电路工艺来制作光电二极管和遮挡墙，所以能够兼容其他集成电路，在检测时巧妙的通过遮挡墙所产生的阴影所导致的两侧光电电流的变化，从而对光敏元件接受的光信号强度比较转换为无光信号的比较，实现低成本小体积的光源方向检测。

Description

一种光源方向检测器件及其检测方法

技术领域

本发明属于光传感器技术领域，涉及一种光源方向检测器件及其检测方法。

背景技术

太阳是一种纯净又几乎无限的免费资源，因此对太阳能的利用一直不断研究。但是无论是采用什么方式对太阳能进行利用，均必须尽可能地使太阳能采样转换装置对准太阳垂直入射角，以最大限度的获取太阳能输入。因此，太阳能采集转换装置通常需要光源方向检测传感器进行调整。现有普遍使用的光源方向检测传感器通常直接采用光电传感器陈列，主要是利用排列在不同方向光敏元件阵列，通过光电传感器在不同方向接受的光强信号进行比较太阳未正射时不同方向光电信号差异来进行跟踪控制。这种方式的优点是结构简单，但缺点也很明显，所使用的光敏元件阵列的面积一般都很大，这样才能保证光电流差别能被探测出来，从而占用有限的发电空间；而且还需要在设备上进行布线，在较大体积发电设备或较多的发电设备集群上使用不方便。同时因为传感器的接受面积增大后，容易附着异物或偶然出现的阴影，导致传感器误判，影响精度和浪费效率。

除了上述的方法外，还有一些其它光源方向检测方法，但都基于体积较大的板箱开缝结构和其它阴影结构，例如挡板、镜子和孔径等，而且这些方法为了让不同方向过来的光线照亮不同的光传感器，需要在光窗和光传感设备之间有一个相对较长的距离，这都需要采用专门的机械装置和光学装置来实现，有体积大，制作困难，可靠性不高等缺点。目前还没有看到利用集成电路微尺度结构实现的入射光方向检测器件。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种光源方向检测器件及其检测方法，使对光敏元件接受的光信号强度比较转换为无光信号的比较，实现了低成本小体积的光源方向检测器件。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种光源方向检测器件，包括设置在P型衬底上呈阵列排列的并联的光电感应单元；光电感应单元包括遮挡墙和对称设置在其两侧的光电二极管，被照射时遮挡墙两侧光电二极管所生成的电流分别为I_L、I_R，比例系数遮挡墙与入射光的夹角为θ，R_D/B与θ成线性关系。

所述的光电二极管是由P型衬底上的N阱、N阱上的P+掺杂层组成的PN结二极管。

所述的遮挡墙两侧的PN结光电二极管的尺寸相一致。

当入射光照射在遮挡墙上产生阴影时，遮挡墙两侧的光电二极管所能被光源照射的面积并不一样，所产生的电流也不相同。

所述的遮挡墙为金属墙，是由集成电路工艺提供的金属层、金属接触孔和过孔堆叠而成的。

一种光源方向检测器件的光源方向检测，包括以下操作：

对称设置在遮挡墙两侧的光电二极管产生的电流与其所接受光照能量成正比，其产生的光电电流为：

I_DIO=kP_T=kP₀A_EFF=kP₀wL_EFF，

其中，k是常数系数，P_T是光电二极管接受到的总的光照功率，P₀表示每单位面积上入射光的功率，A_EFF和L_EFF是入射光照射到光电二极管上的有效面积和有效长度，w是光电二极管的宽度；

遮挡墙与入射光的夹角为θ，其中一侧的光电二极管有一部分因遮挡墙遮挡而没有被光源照射到；

对于全部接受光照的光电二极管D_L，其光电电流包括三部分：

I_L=I_LD+I_LR+I_LB；

其中，I_LD为光源直接照射而产生的电流；

I_LR为遮挡墙反射光照射而产生的电流；

I_LB为背景光照射而产生的电流；

I_L=kP₀w[(1+β)l·cosθ+αh·sinθ]；

对于存在阴影的光电二极管D_R，其光电电流包括两部分：

I_R=I_RD+I_RB；

其中，I_RD为光源直接照射而产生的电流；

I_RB为背景光照射而产生的电流；

I_R=kP₀w[(1+β)l·cosθ-h·sinθ]

比例系数将I_L、I_R带入得：

$R_{D/B}=\frac{I_L-I_R}{I_L}=\frac{(\mathrm{\α}+1)h\·\sin \mathrm{\θ}}{(1+\mathrm{\β})l\·\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{\αh}\·\sin \mathrm{\θ}};$

其中，α为遮挡墙对入射光的反射系数，β为背景光与入射光的比例系数，l为光电二极管的长度，h为遮挡墙的高度；对于给定的光源方向检测器件，α、β、h和l均为常数，R_D/B与θ成线性关系；

检测出光电二极管的电流I_L、I_R之后，通过计算R_D/B从而获得遮挡墙与入射光的夹角θ，确定光源方向。

具体的：

I_LD=kP₀w·l·cosθ；

I_LR=αkP₀w·h·sinθ；

I_LB=βkP₀w·l·cosθ。

I_RD=kP₀w·(l·cosθ-h·sinθ)；

I_RB=βkP₀w·l·cosθ。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的光源方向检测器件及其检测方法，由于采用了集成电路工艺来制作光电二极管和遮挡墙，所以能够兼容其他集成电路，在检测时巧妙的通过遮挡墙所产生的阴影所导致的两侧光电电流的变化，从而对光敏元件接受的光信号强度比较转换为无光信号的比较，实现低成本小体积的光源方向检测。

本发明提供的光源方向检测器件，不需要外部供电便可正常工作，而且兼容通用集成电路工艺，可以与其他电路系统集成在一起，从而大大降低了器件的成本，减小了器件所占用的体积。

附图说明

图1是本发明的光源方向检测器件的结构示意图；

图2是本发明光感应单元的光路图；

图3是本发明比例因子R_D/B与θ的线性关系图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

一种光源方向检测器件（自供电），包括设置在P型衬底上呈阵列排列的并联的光电感应单元；光电感应单元包括遮挡墙和对称设置在其两侧的光电二极管，被照射时遮挡墙两侧光电二极管所生成的电流分别为I_L、I_R，比例系数遮挡墙与入射光的夹角为θ，R_D/B与θ成线性关系。

所述的光电二极管是由P型衬底上的N阱、N阱上的P+掺杂层组成的PN结二极管。

所述的遮挡墙两侧的PN结光电二极管的尺寸相一致。

当入射光照射在遮挡墙上产生阴影时，遮挡墙两侧的光电二极管所能被光源照射的面积并不一样，所产生的电流也不相同。

所述的遮挡墙为金属墙，所述的遮挡墙为金属墙，是由集成电路工艺提供的金属层、金属接触孔和过孔堆叠而成的。

参见图1，光源方向检测器件的光电感应单元，包括两个光电二极管1和置于两个光电二极管之间的一个遮挡墙2以及P型衬底4和制作于P型衬底上的N阱3，光电二极管1是由P型衬底上的N阱、N阱上的P+掺杂层组成的PN结二极管；两个光电二极管1是关于金属墙2对称分布的。

本发明提供的光源方向检测器件的光源方向检测，包括以下操作：

对称设置在遮挡墙两侧的光电二极管产生的电流与其所接受光照能量成正比，其产生的光电电流为：

I_DIO=kP_T=kP₀A_EFF=kP₀wL_EFF，

其中，k是常数系数，P_T是光电二极管接受到的总的光照功率，P₀表示每单位面积上入射光的功率，A_EFF和L_EFF是入射光照射到光电二极管上的有效面积和有效长度，w是光电二极管的宽度；

遮挡墙与入射光的夹角为θ，其中一侧的光电二极管有一部分因遮挡墙遮挡而没有被光源照射到；

对于全部接受光照的光电二极管D_L，其光电电流包括三部分：

I_L=I_LD+I_LR+I_LB；

其中，I_LD为光源直接照射而产生的电流；

I_LR为遮挡墙反射光照射而产生的电流；

I_LB为背景光照射而产生的电流；

I_L=kP₀w[(1+β)l·cosθ+αh·sinθ]；

对于存在阴影的光电二极管D_R，其光电电流包括两部分：

I_R=I_RD+I_RB；

其中，I_RD为光源直接照射而产生的电流；

I_RB为背景光照射而产生的电流；

I_R=kP₀w[(1+β)l·cosθ-h·sinθ]

比例系数将I_L、I_R带入得：

$R_{D/B}=\frac{I_L-I_R}{I_L}=\frac{(\mathrm{\α}+1)h\·\sin \mathrm{\θ}}{(1+\mathrm{\β})l\·\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{\αh}\·\sin \mathrm{\θ}};$

其中，α为遮挡墙对入射光的反射系数，β为背景光与入射光的比例系数，l为光电二极管的长度，h为遮挡墙的高度；对于给定的光源方向检测器件，α、β、h和l均为常数，R_D/B与θ成线性关系；

检测出光电二极管的电流I_L、I_R之后，通过计算R_D/B从而获得遮挡墙与入射光的夹角θ，确定光源方向。

下面结合图2进行详细的说明，OA和OB分别表示光感应单元里金属墙左侧和右侧的光电二极管，它们的长度相同，即OE表示金属墙，箭头表示入射光，金属墙和入射光的夹角为θ。

众所周知，一个光电二极管产生的电流与它所接受光照能量成正比，光电电流可以表示为：

I_DIO=kP_T=kP₀A_EFF=kP₀wL_EFF，

其中，k是一个常数系数，P_T是二极管接受到的总的光照功率，P₀表示每单位面积上入射光的功率，A_EFF和L_EFF是入射光照射到二极管上的有效面积和有效长度，w是二极管的宽度。

这里，假设金属墙左侧光电二极管被光源全部照射到，而右侧光电二极管有一部分因金属墙遮挡而没有被光源照射到，如果光照来自右侧，就会得到所述的结果。

对于金属墙左侧的光电二极管D_L，总的光电电流包括三部分：

⑴由光源直接照射光电二极管而产生的电流，

⑵由金属墙反射光照射光电二极管所产生的电流，

⑶由背景光照射到光电二极管所产生的电流，

$I_{\mathrm{LB}}=\mathrm{\βk}{P}_{0}w\·(\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{DE}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{FG}})\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{AO}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{AB}}}=\mathrm{\βk}{P}_{0}w\·\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}.$

其中，α是金属墙的反射率，β是常数，故金属墙左侧光电二极管的总的光电电流为：

$I_L=I_{\mathrm{LD}}+I_{\mathrm{LR}}+I_{\mathrm{LB}}=k{P}_{0}w[(1+\mathrm{\β})\·\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}+\mathrm{\α}\·\stackrel{\‾}{\mathrm{DE}}].$

将图2中的入射角θ带入上式中可得：

I_L=kP₀w[(1+β)l·cosθ+αh·sinθ]。

同理，可得金属墙右侧光电二极管的光电电流包括两部分：光源入射光直接照射光电二极管所产生的电流和背景光照射光电二极管所产生的电流，因此，金属墙右侧二极管总的光电电流可以表示为：

I_R=kP₀w[(1+β)l·cosθ-h·sinθ]。

定义一个比例系数将上两式带入可得：

$R_{D/B}=\frac{I_L-I_R}{I_L}=\frac{(\mathrm{\α}+1)h\·\sin \mathrm{\θ}}{(1+\mathrm{\β})l\·\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{\αh}\·\sin \mathrm{\θ}}.$

其中，对于一个给定的芯片，α、β、h和l均可以看做是常数，因此R_D/B与θ成很好的线性关系。

在设计参数给定的情况下，可以赋给α、β一些值，然后根据R_D/B与θ的关系式画出对应的曲线图，即如图3所示，由图可知，R_D/B与θ确实成很好的线性关系。

因此，通过本发明的方法就可以用一种很简单的方法来得知光源入射光的方向。由于光电二极管只要接收能量就可以产生电流，因此所述的光电检测器件不仅可以探测可见光的方向，也可以探测其他辐射源辐射出的不可见光的方向。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光源方向检测器件，其特征在于，包括设置在P型衬底上呈阵列排列的并联的光电感应单元；光电感应单元包括遮挡墙和对称设置在其两侧的光电二极管，被照射时遮挡墙两侧光电二极管所生成的电流分别为I_L、I_R，比例系数遮挡墙与入射光的夹角为θ，当θ在0到50度的范围内时，R_D/B与θ成近似线性关系。

2.如权利要求1所述的光源方向检测器件，其特征在于，所述的光电二极管是由P型衬底上的N阱、N阱上的P+掺杂层组成的PN结二极管。

3.如权利要求2所述的光源方向检测器件，其特征在于，所述的遮挡墙两侧的PN结光电二极管的尺寸相一致。

4.如权利要求1所述的光源方向检测器件，其特征在于，当入射光照射在遮挡墙上产生阴影时，遮挡墙两侧的光电二极管所能被光源照射的面积并不一样，所产生的电流也不相同。

5.如权利要求1所述的光源方向检测器件，其特征在于，所述的遮挡墙为金属墙，是由集成电路工艺提供的金属层、金属接触孔和过孔堆叠而成的。

6.一种光源方向检测器件的光源方向检测方法，其特征在于，包括以下操作：

对称设置在遮挡墙两侧的光电二极管产生的电流与其所接受光照能量成正比，其产生的光电电流为：

I_DIO＝kP_T＝kP₀A_EFF＝kP₀wL_EFF，

其中，k是常数系数，P_T是光电二极管接受到的总的光照功率，P₀表示每单位面积上入射光的功率，A_EFF和L_EFF是入射光照射到光电二极管上的有效面积和有效长度，w是光电二极管的宽度；

遮挡墙与入射光的夹角为θ，其中一侧的光电二极管有一部分因遮挡墙遮挡而没有被光源照射到；

对于全部接受光照的光电二极管D_L，其光电电流包括三部分：

I_L＝I_LD+I_LR+I_LB；

其中，I_LD为光源直接照射而产生的电流；

I_LR为遮挡墙反射光照射而产生的电流；

I_LB为背景光照射而产生的电流；

I_L＝kP₀w[(1+β)l·cosθ+αh·sinθ]；

对于存在阴影的光电二极管D_R，其光电电流包括两部分：

I_R＝I_RD+I_RB；

其中，I_RD为光源直接照射而产生的电流；

I_RB为背景光照射而产生的电流；

I_R＝kP₀w[(1+β)l·cosθ-h·sinθ]

比例系数将I_L、I_R代入得：

$R_{D/B}=\frac{I_L-I_R}{I_L}=\frac{(\mathrm{\α}+1)h\·\sin \mathrm{\θ}}{(1+\mathrm{\β})l\·\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{\αh}\·\sin \mathrm{\θ}};$

其中，α为遮挡墙对入射光的反射系数，β为背景光与入射光的比例系数，l为光电二极管的长度，h为遮挡墙的高度；对于给定的光源方向检测器件，α、β、h和l均为常数，当θ在0到50度的范围内时，R_D/B与θ成近似线性关系；

检测出光电二极管的电流I_L、I_R之后，通过计算R_D/B从而获得遮挡墙与入射光的夹角θ，确定光源方向。

7.如权利要求6所述的光源方向检测器件的光源方向检测方法，其特征在于，

I_LD＝kP₀w·l·cosθ；

I_LR＝αkP₀w·h·sinθ；

I_LB＝βkP₀w·l·cosθ。

8.如权利要求6所述的光源方向检测器件的光源方向检测方法，其特征在于，

I_RD＝kP₀w·(l·cosθ-h·sinθ)；

I_RB＝βkP₀w·l·cosθ。