CN103759822A - 光敏元件及安装有该光敏元件的车载阳光传感器和车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光敏元件及安装有该光敏元件的车载阳光传感器和车辆，包括光敏芯片、阳极引脚和阴极引脚，所述的光敏芯片、阳极引脚和阴极引脚均封装在封装层内，阳极引脚和阴极引脚分别连接有阳极插脚和阴极插脚，所述封装层的上表面具有透镜结构，透镜结构能够使光线入射时产生折射并投射于光敏芯片上。本发明的有益效果是，通过将凸透镜和平透镜/凹透镜组合，使得凸透镜改变低角度入射的光线，凹透镜分散垂直或大致垂直入射的光线，来提高光敏元件对光照的灵敏度，从而进一步提高车载阳光传感器的检测速率和准确性。

Description

光敏元件及安装有该光敏元件的车载阳光传感器和车辆
技术领域
本发明涉及汽车电子技术领域，尤其涉及一种光敏元件及安装有该光敏元件的车载阳光传感器和车辆。
背景技术
随着电子技术的发展，现代汽车空调系统已经由计算机控制，完善的汽车计算机控制的空调系统不仅可以对车内空气的温度、湿度、清洁度、风度和方向自动调节，给乘客提供一个良好的乘车环境，保证在不同的外界气候和条件下使乘客都处于一个舒适的空气环境中，而且还能进行故障检测。但是车载计算机自动控制的空调系统在工作的时候，汽车内部温度受多方面因素影响，如：空调系统本身温度和出风量的设定、外部日照的强弱度以及外部日照时间等。
当车外的太阳光照射到车内时，车内温度的升高或者降低需要一定的缓冲时间，这段时间内空调系统仍保持原有的状态，此时乘客会感到不适。为了使车内实际温度能够根据用户设定值达到最优化，需要多个传感器来探测每个环境参数的值，从而将环境数据传递给空调控制系统，空调控制系统根据得到的数据，自动调整工作状态。
阳光传感器的作用就是检测车外太阳的辐照强度，这个参数是作为自动空调系统的算法逻辑的一个输入条件，当汽车面对着太阳行驶，阳光传感器会检测到光照强度很高，这时候空调控制器会自动调低出风温度和鼓风机转速。
现有的阳光传感器存在两个不足：一是当光线穿透侧窗和前挡玻璃进入车辆内部时，照射到传感器上的光线角度相对较低，不能均匀的照射在传感器表面，因此传感器对光线感应的灵敏度也会相对较弱；二是当光线垂直照射的时候，光线照在阳光传感器上不够均匀，因此传感器对光线感应的灵敏度也会相对较弱。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中阳光传感器对低角度照射光线和垂直照射光线灵敏度不高的技术问题，本发明提供一种光敏元件及安装有该光敏元件的车载阳光传感器和车辆。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种车载阳光传感器用光敏元件，包括光敏芯片、阳极引脚和阴极引脚，所述的光敏芯片、阳极引脚和阴极引脚均封装在封装层内，所述的阳极引脚和阴极引脚分别连接有阳极插脚和阴极插脚，所述封装层的上表面具有透镜结构，所述的透镜结构能够使光线入射时产生折射并投射于光敏芯片上。本发明中的封装层为透明或半透明，半透明状是在封装层中加入了乳白色的扩散剂，使得封装层整体呈现类似磨砂玻璃状的半透明结构，但不仅限于此。本技术方案通过透镜设计，对光线进行汇聚或扩散，当光线入射角较低时，可以通过透镜设计使得光线折射后尽可能汇聚在光敏芯片上，以此来提高光敏元件对光照的灵敏度。
所述的透镜结构包括中间的凹透镜和凹透镜周围的凸透镜。通过凸透镜和凹透镜组合，使得凸透镜改变低角度入射的光线，凹透镜分散垂直或大致垂直入射的光线，进一步提高光敏元件对光照的灵敏度。
为了使得光线能够准确照射在光敏芯片上，所述的凸透镜呈圆环状，凹透镜填充在圆环状的凸透镜的中心，凸透镜和凹透镜呈圆形且同心设置，所述的凹透镜直径大致与光敏芯片的宽度d一致，且所述凹透镜的中心轴线垂直于光敏芯片的上表面。
作为另一技术方案，所述的透镜结构包括中间的平透镜和平透镜周围的凸透镜。通过凸透镜和平透镜（上下表面为平面的透镜，光线经过时不发生角度变化）组合，使得凸透镜改变低角度入射的光线，提高光敏元件对光照的灵敏度。
为了使得光线能够准确照射在光敏芯片上，所述的平透镜呈圆环状，平透镜填充在圆环状的凹透镜的中心，平透镜和凹透镜呈圆形且同心设置。所述的平透镜直径大致与光敏芯片的宽度d一致，且所述平透镜的中心轴线垂直于光敏芯片的上表面。
为了使得光敏芯片能够多角度接受光照，所述的阳极插脚和阴极插脚上设有折痕，阳极插脚或/和阴极插脚沿其上的折痕弯折后垂直插接于线路板组上，所述光敏芯片的法线与线路板组之间的夹角为0～180°。
为了适应车辆前盖的倾斜角度，所述的光敏元件为两个，通过公共插脚相连接，其余独立的插脚插接在线路板组上，所述光敏芯片的法线与线路板组之间的夹角为30～150°。
一种设置有上述所述的光敏元件的车载阳光传感器，包括光敏元件、位于光敏元件上方用于过滤可见光的上盖和底座，所述光敏元件的线路板组通过端子线固定在底座上。
一种车辆，包括如上述所述的车载阳光传感器。
本发明的有益效果是，本发明的光敏元件及安装有该光敏元件的车载阳光传感器和车辆，通过将凸透镜和平透镜/凹透镜组合，使得凸透镜改变低角度入射的光线，凹透镜分散垂直或大致垂直入射的光线，来提高光敏元件对光照的灵敏度，从而进一步提高车载阳光传感器的检测速率和准确性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例2的结构示意图；
图2是本发明实施例3中未组装线路板组的结构示意图；
图3是本发明实施例3的结构示意图；
图4是本发明实施例4的结构示意图；
图5是图1的俯视图；
图6是图2的A-A剖视图；
图7是低角度光线入射示意图；
图8是垂直光线入射示意图；
图9是车载阳光传感器结构示意图；
图10是本发明和现有技术中阳光传感器的灵敏度对比图；
图11是本发明测试时阳光角度和汽车行驶位置关系的三维图；
图12是图11的俯视图；
图13是图11的主视图；
图14是实施例4阳光中转角为90°，仰角从0度到180度时的测试数据图；
图15是实施例4阳光中转角为45°，仰角从0度到180度时的测试数据图；
图16是实施例4阳光中转角为0°，仰角从0度到180度时的测试数据图；
图17是实施例4阳光中转角为-45°，仰角从0度到180度时的测试数据图；
图18是实施例4阳光中转角为-90°，仰角从0度到180度时的测试数据图。
图中：1、阳极插脚，11、折痕，2、阴极插脚，3、线路板组，4、凹透镜，5、凸透镜，6、封装层，7、上盖，8、底座，9、端子线，10、公共插脚，12、光敏芯片。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明的实施例1，所述的光敏元件为一字型结构包括光敏芯片、阳极引脚和阴极引脚，光敏芯片、阳极引脚和阴极引脚均封装在半透明的封装层6内，阳极引脚和阴极引脚分别引出有阳极插脚1和阴极插脚2，封装层6的上表面具有透镜结构，透镜结构包括中间的凹透镜4和凹透镜4周围的凸透镜5。凸透镜5呈圆环状，凸透镜5的内圈高于外圈，凹透镜4填充在圆环状的凸透镜5的中心，凸透镜5和凹透镜4呈圆形且同心设置。凹透镜4直径大致与光敏芯片的宽度d一致，且所述凹透镜4的中心轴线垂直于光敏芯片的上表面。
本实施例还提供一种车载阳光传感器，包括上述光敏元件、位于光敏元件上方用于过滤可见光的上盖和底座，所述光敏元件的线路板组通过端子线固定在底座上。一种车辆，包括本实施例中的车载阳光传感器。
本实施例中的凹透镜4也可以替换为平透镜。
如图1所示，是本发明的实施例2，所述的光敏元件为一字型结构包括光敏芯片、阳极引脚和阴极引脚，光敏芯片、阳极引脚和阴极引脚均封装在半透明的封装层6内，阳极引脚和阴极引脚分别引出有阳极插脚1和阴极插脚2，阳极插脚1和阴极插脚2上设有折痕11，阳极插脚1和阴极插脚2沿其上的折痕11弯折后垂直插接于线路板组3上，且光敏芯片的法线与线路板组3之间的夹角为90°，封装层6的上表面具有透镜结构，透镜结构包括中间的凹透镜4和凹透镜4周围的凸透镜5。
本实施例还提供一种车载阳光传感器，包括上述光敏元件、位于光敏元件上方用于过滤可见光的上盖和底座，所述光敏元件的线路板组通过端子线固定在底座上。一种车辆，包括本实施例中的车载阳光传感器。
本实施例中的凹透镜4也可以替换为平透镜。
如图2、3所示，是本发明的实施例3，光敏元件包括光敏芯片、两组平行设置的阳极引脚和阴极引脚，光敏芯片、阳极引脚和阴极引脚均封装在透明的封装层6内，阳极引脚和阴极引脚分别连接有阳极插脚和阴极插脚，且其中一组插脚长于另一组插脚，阳极插脚和阴极插脚上设有折痕11，阳极插脚1和阴极插脚2沿其上的折痕11弯折后垂直插接于线路板组3上，且光敏芯片的法线与线路板组3之间的夹角随两组插脚的长度差而定，封装层6的上表面具有透镜结构，透镜结构包括中间的凹透镜4和凹透镜4周围的凸透镜5，凸透镜5和凹透镜4都呈圆形且同心设置，一体结构。
本实施例还提供一种车载阳光传感器，包括上述光敏元件、位于光敏元件上方用于过滤可见光的上盖和底座，所述光敏元件的线路板组通过端子线固定在底座上。一种车辆，包括本实施例中的车载阳光传感器。
本实施例中的凹透镜4也可以替换为平透镜。
如图4-6所示，是本发明的实施例4，光敏元件为两个，左右对称设置，包括光敏芯片12、阳极引脚和阴极引脚，光敏芯片12、阳极引脚和阴极引脚均封装在透明的封装层6内，阳极引脚和阴极引脚分别连接有阳极插脚和阴极插脚，阳极插脚和阴极插脚上设有折痕，所述的两个光敏元件之间通过公共插脚10相连接，其余独立插脚沿其上的折痕弯折后垂直插接于线路板组3上，将光敏元件支撑在线路板组3上，且一字型的光敏芯片12的法线与线路板组3之间的夹角为45°（也可以为60°，但不仅限于此），公共插脚10的两端分别插入左、右光敏元件的封装层6中，且与每个光敏元件的阳极插脚和阴极插脚上的金线连接，封装层6的上表面具有透镜结构，透镜结构包括中间的凹透镜4和凹透镜4周围的凸透镜5，凸透镜5的内圈高于外圈，凸透镜5和凹透镜4呈圆形且同心设置。凹透镜4直径大致与光敏芯片12的宽度d一致，且位于光敏芯片12接受光照表面的正上方。
如图9本实施例还提供一种车载阳光传感器，包括上述光敏元件、位于光敏元件上方用于过滤可见光的上盖7和底座8，所述光敏元件的线路板组3通过端子线9固定在底座8上。一种车辆，包括本实施例中的车载阳光传感器。
本发明传感器是用来监测汽车中阳光的红外线辐射量的传感器。根据辐射量的多少，传感器将发送信号给车辆空调系统，车辆空调系统根据传感器的信号来调节输出。考虑到阳光将穿透侧窗和前挡玻璃进入车辆内部，因此阳光传感器进行设计的时候要考虑到对低角度的光要有较高的灵敏度。图7中可以看出凸透镜4可以充分利用低角度的光线（基本水平入射的光线），提高灵敏度。
考虑到汽车顶棚对光的遮挡因素，阳光传感器不应该随着阳光水平升角的增加而不停升高，在阳光垂直照射的时候，阳光传感器的灵敏度要保持平稳。本发明的光敏元件考虑到了这方面的因素，当阳光从垂直角度照射下来的时候，图8中可以看出凹透镜4可以分散垂直入射的光线，对垂直角度的光进行了扩散，从而达到了垂直照射附近灵敏度的平稳。
如图10所示，线条A为本发明使用透镜设计时阳光的水平生角/度与归一化输出关系，线条B为现有技术中未使用透镜设计时阳光的水平生角/度与归一化输出关系，图中横轴表示阳光的水平升角/度，纵轴表示归一化输出，归一化输出与传感器的灵敏度成正比。
当阳光的水平升角为0度时，表示太阳光相对于汽车从正面水平的照射；
当阳光的水平升角为90度时，表示阳光垂直的照射与车顶上；
当阳光的水平升角为180度时，表示阳光相对于汽车从后方水平照射；
本发明设计带透镜的阳光传感器，在阳光从低角度照射时，灵敏度比没有透镜的阳光传感器高。
在垂直照射时，灵敏度的稳定程度，带透镜的设计比不带透镜的设计更加稳定。
以下实施例4的一些测试数据（没有汽车上盖），左右光敏元件的灵敏度测试图：
图11中S表示太阳，Z轴垂直于汽车的水平方向，X轴正方向为汽车行驶方向右侧，φ为太阳的转角，范围是0-360°（如图12所示，Z轴正好为图中中间的圆点），θ为太阳的仰角，范围是0-180°（如图13所示）。
图14中转角为90°，仰角从0度到180度时，横轴表示阳光的水平仰角/度，纵轴表示归一化输出，归一化输出与传感器的灵敏度成正比，线条C表示右侧光敏元件的输出，线条D表示左侧光敏元件的输出。
左侧光敏元件在仰角0度时，灵敏度在0～0.2的范围内；右侧光敏元件在仰角0度时，灵敏度在0.6～0.8的范围内；
左侧光敏元件在仰角180度时，灵敏度在0.6～0.8的范围内；右侧光敏元件在仰角180度时，灵敏度在0.2～0.4的范围内；
左侧光敏元件在仰角90度时，灵敏度在0.8～1.0的范围内；左侧光敏元件在仰角90度时，灵敏度在0.8～1.0的范围内；
左侧光敏元件灵敏度的峰值在120度到150度之间；右侧光敏元件灵敏度的峰值在30度到60度之间。
图15中转角为45°，仰角从0度到180度时，横轴表示阳光的水平仰角/度，纵轴表示归一化输出，归一化输出与传感器的灵敏度成正比，线条C表示右侧光敏元件的输出，线条D表示左侧光敏元件的输出。
左侧光敏元件在仰角0度时，灵敏度在0.1～0.3的范围内；右侧光敏元件在仰角0度时，灵敏度在0.7～0.9的范围内；
左侧光敏元件在仰角180度时，灵敏度在0.2～0.4的范围内；右侧光敏元件在仰角180度时，灵敏度在0～0.2的范围内；
左侧光敏元件在仰角90度时，灵敏度在0.8～1.0的范围内；左侧光敏元件在仰角90度时，灵敏度在0.8～1.0的范围内；
左侧光敏元件灵敏度的峰值在90度到120度之间；右侧光敏元件灵敏度的峰值在40度到70度之间。
图16中转角为0°，仰角从0度到180度时，横轴表示阳光的水平仰角/度，纵轴表示归一化输出，归一化输出与传感器的灵敏度成正比，线条C表示右侧光敏元件的输出，线条D表示左侧光敏元件的输出。
左侧光敏元件在仰角0度时，灵敏度在0.5～0.8的范围内；右侧光敏元件在仰角0度时，灵敏度在0.5～0.8的范围内；
左侧光敏元件在仰角180度时，灵敏度在0～0.2的范围内；右侧光敏元件在仰角180度时，灵敏度在0～0.2的范围内；
左侧光敏元件在仰角90度时，灵敏度在0.8～1.0的范围内；左侧光敏元件在仰角90度时，灵敏度在0.8～1.0的范围内；
左侧光敏元件灵敏度的峰值在30度到60度之间；右侧光敏元件灵敏度的峰值在30度到60度之间；
总体上，左右光敏元件的输出基本重合。
图17中转角为-45°，仰角从0度到180度时，横轴表示阳光的水平仰角/度，纵轴表示归一化输出，归一化输出与传感器的灵敏度成正比，线条C表示右侧光敏元件的输出，线条D表示左侧光敏元件的输出。
左侧光敏元件在仰角0度时，灵敏度在0.7～0.9的范围内；右侧光敏元件在仰角0度时，灵敏度在0.1～0.3的范围内；
左侧光敏元件在仰角180度时，灵敏度在0～0.2的范围内；右侧光敏元件在仰角180度时，灵敏度在0.1～0.3的范围内；
左侧光敏元件在仰角90度时，灵敏度在0.8～1.0的范围内；左侧光敏元件在仰角90度时，灵敏度在0.8～1.0的范围内；
左侧光敏元件灵敏度的峰值在30度到60度之间；右侧光敏元件灵敏度的峰值在90度到120度之间。
图18中转角为-90°，仰角从0度到180度时，横轴表示阳光的水平仰角/度，纵轴表示归一化输出，归一化输出与传感器的灵敏度成正比，线条C表示右侧光敏元件的输出，线条D表示左侧光敏元件的输出。
左侧光敏元件在仰角0度时，灵敏度在0.6～0.8的范围内；右侧光敏元件在仰角0度时，灵敏度在0～0.2的范围内；
左侧光敏元件在仰角180度时，灵敏度在0～0.2的范围内；右侧光敏元件在仰角180度时，灵敏度在0.6～0.8的范围内
左侧光敏元件在仰角90度时，灵敏度在0.8～1.0的范围内；左侧光敏元件在仰角90度时，灵敏度在0.8～1.0的范围内
左侧光敏元件灵敏度的峰值在30度到60度之间；右侧光敏元件灵敏度的峰值在120度到150度之间。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (11)

1.一种车载阳光传感器用光敏元件，包括光敏芯片、阳极引脚和阴极引脚，所述的光敏芯片、阳极引脚和阴极引脚均封装在封装层（6）内，所述的阳极引脚和阴极引脚分别连接有阳极插脚（1）和阴极插脚（2），其特征在于：所述封装层（6）的上表面具有透镜结构，所述的透镜结构能够使光线入射时产生折射并投射于光敏芯片上。
2.如权利要求1所述的车载阳光传感器用光敏元件，其特征在于：所述的透镜结构包括中间的凹透镜（4）和凹透镜（4）周围的凸透镜（5）。
3.如权利要求2所述的车载阳光传感器用光敏元件，其特征在于：所述的凸透镜（5）呈圆环状，凹透镜（4）填充在圆环状的凸透镜（5）的中心，凸透镜（5）和凹透镜（4）呈圆形且同心设置。
4.如权利要求3所述的车载阳光传感器用光敏元件，其特征在于：所述的凹透镜（4）直径大致与光敏芯片的宽度d一致，且所述凹透镜（4）的中心轴线垂直于光敏芯片的上表面。
5.如权利要求1所述的车载阳光传感器用光敏元件，其特征在于：所述的透镜结构包括中间的平透镜和平透镜周围的凸透镜。
6.如权利要求5所述的车载阳光传感器用光敏元件，其特征在于：所述的凸透镜呈圆环状，平透镜填充在圆环状的凸透镜的中心，平透镜和凸透镜呈圆形且同心设置。
7.如权利要求6所述的车载阳光传感器用光敏元件，其特征在于：所述的平透镜直径大致与光敏芯片的宽度d一致，且所述平透镜的中心轴线垂直于光敏芯片的上表面。
8.如权利要求1所述的车载阳光传感器用光敏元件，其特征在于：所述的阳极插脚（1）和阴极插脚（2）上设有折痕，阳极插脚（1）或/和阴极插脚（2）沿其上的折痕弯折后垂直插接于线路板组（3）上，所述光敏芯片的法线与线路板组（3）之间的夹角为0～180°。
9.如权利要求1所述的车载阳光传感器用光敏元件，其特征在于：所述的光敏元件为两个，通过公共插脚（10）相连接，其余独立的插脚插接在线路板组（3）上，所述光敏芯片的法线与线路板组（3）之间的夹角为30～150°。
10.一种设置有如权利要求1-9中任一项所述的光敏元件的车载阳光传感器，其特征在于：包括光敏元件、位于光敏元件上方用于过滤可见光的上盖（7）和底座（8），所述光敏元件的线路板组（3）通过端子线（9）固定在底座（8）上。
11.一种车辆，其特征在于：包括如权利要求10所述的车载阳光传感器。
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