CN105651383A - 用于改进的太阳光谱和uv指数估计的多通道uv检测 - Google Patents
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Abstract
本公开内容描述了一种被配置为检测目标UV光谱(例如，UVB光谱)的紫外线(UV)传感器。所述UV传感器包括具有第一UV光谱响应的第一光电二极管和具有第二UV光谱响应的第二光电二极管。具有分级光谱响应的滤波器层形成于所述第二光电二极管之上，并且所述第二UV光谱响应受到所述滤波器层的受控参数(例如，厚度)的影响。所述UV传感器还包括与所述第一光电二极管和所述第二光电二极管耦合的减法电路。所述减法电路被配置为基于所述第一UV光谱响应与所述第二UV光谱响应之间的差来提供差分响应。所述滤波器层的受控参数可以被选择为使得所述差分响应提供所述目标光谱的所检测的光谱响应。
Description
相关申请的交叉引用
本申请依据35U.S.C§119(e)而要求于2014年11月6日提交的标题为“MULTI-CHANNELUVDETECTIONFORIMPROVEDSOLARSPECTRUMANDUVINDEXESTIMATION”的美国临时申请序列No.62/076028的权益。通过引用的方式将美国临时申请序列No.62/076028的全部内容并入本文。
背景技术
紫外线(UV)光以有利的方式(例如，维生素D和晒黑)和有害的方式(例如，皮肤起皱、皮肤癌和晒伤或红斑)二者来影响人体。因为光谱含量比可见光弱得多并且短的波长给UV传感器系统带来很多挑战，所以UV光典型地比可见光和近红外光更难以测量。
UV光谱由三个区域组成：UVA、UVB和UVC。太阳UVC辐射被地球的大气层阻挡。太阳UVB光的一部分被平流层臭氧层阻挡，并且太阳UVA光大部分透射。UVA光和UVB光二者历经显著的瑞利散射——该现象是使天空为蓝色的原因。UVB光谱范围(～280-315nm)包括比UVA光谱范围(～315-400nm)更短的波长，并且是晒伤、皮肤癌和维生素D产生的主要原因。UVA包括导致晒黑、雀斑和皮肤老化作用的较长波长。
为了有效的UV指数的计算，UV传感器必须能够精确地估计入射在地面的太阳光谱。太阳光谱随诸如天顶角、大气臭氧浓度、海拔和云量等环境变量而变化。现有的UV传感器技术典型地使用采用诸如完全耗尽(薄膜)绝缘体上硅技术、氮化镓或碳化硅技术等工艺技术所制造的、为检测280nm至400nm范围内的波长而优化的光电二极管。在大部分情况下，应用额外的滤波以进一步提高对UV波长的选择性。通常可以使用晶片级加工技术将这些滤波器直接应用在传感器上，和/或可以将这些滤波器集成到最终产品或设备的外壳内。
发明内容
本公开内容描述了被配置为检测目标UV光谱(例如，UVB光谱)的紫外线(UV)传感器。UV传感器包括具有第一UV光谱响应的第一光电二极管以及具有第二UV光谱响应的第二光电二极管。在第二光电二极管之上形成具有分级光谱响应的滤波器层，并且由滤波器层的受控参数(例如，厚度)来影响第二UV光谱响应。UV传感器还包括与第一光电二极管和第二光电二极管耦合的减法电路。减法电路被配置为基于第一UV光谱响应与第二UV光谱响应之间的差来提供差分响应。可以选择滤波器层的受控参数，使得差分响应提供目标光谱的所检测的光谱响应。
在一些实施例中，在多通道UV传感器中实施UV传感器电路。例如，第一光电二极管的输出可以提供与第一UV光谱响应(例如，UVA光谱响应)相关联的第一通道，而减法电路的输出可以提供与第二目标UV光谱响应(例如，UVB光谱响应)相关联的第二通道。就这一点而言，多通道UV传感器可以提供例如UVA传感器通道和UVB传感器通道。用UVA和UVB通道，可以由多通道UV传感器所检测的环境照度来近似UV指数和/或其它生物学相关的光谱。在其它实施例中，每个通道具有相应的光电二极管组和相应的减法电路，以使能目标光谱检测和/或泄漏电流消除。在一些实施例中，共享一个或多个部件以减少所需部件的总数。此外，可以应用一个或多个晶片级滤波器(例如，UVA和/或UVB滤波器)以对传感器通道进行更大的控制。
提供此发明内容以用于以简化形式引入下文在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。此发明内容并不旨在识别所要求的主题的关键特征或本质特征，也不旨在作为确定所要求的主题的范围的辅助。
附图说明
参考附图来描述具体实施方式。在描述和附图中的不同实例中的相同附图标记的使用可以表示相似或相同的项目。
图1是根据本公开内容的各种实施例的UV传感器的电路图。
图2是根据本公开内容的各种实施例的多通道UV传感器的电路图。
图3是根据本公开内容的各种实施例的多通道UV传感器的电路图。
图4是根据本公开内容的各种实施例的多通道UV传感器的电路图。
图5是示出根据本公开内容的各种实施例的具有形成于其上的各种厚度的滤波器层的光电二极管的光谱响应曲线的图表。
图6是示出根据本公开内容的各种实施例的与各种厚度的滤波器层和金属阻挡层相关联的差分响应曲线的图表。
图7是示出根据本公开内容的各种实施例的针对各种目标光谱的光谱响应曲线的图表。
图8是示出根据本公开内容的各种实施例的具有形成于其上的各种厚度的滤波器层的光电二极管的光谱响应曲线的图表。
具体实施方式
综述
已经发现单通道UV传感器可以与定位(例如，GPS)数据和/或其它背景因子一起使用，以估计用于UV指数计算的太阳光谱。具有两个或更多传感器通道的多通道UV传感器可以消除对定位数据的需要，其中每个通道响应于UV光谱的不同部分。例如，可以经由相应的传感器通道来测量UVA和UVB光谱响应的多通道UV传感器可以消除对基于背景数据的估计的需要。然而，在UVB光谱附近以足够的精度测量太阳光谱是有挑战性的，部分地因为滤波器可能对制造变化和入射光角度敏感。两个或更多UV传感器(例如，光电二极管)的使用需要针对每个传感器(或构成通道的传感器组)的不同的滤波模板。例如，两个或更多晶片级滤波器可以应用于相应的传感器通道。必须将这些滤波器制造到高精度水平和可重复性，以确保总体系统响应跨制造工艺变化和容差而保持一致，并且保持与可以以高容量来可靠地制造的产品相一致。
本文描述了各种构造，其对与晶片级滤波技术相结合的光电二极管制造工艺内的简单电介质滤波器、光吸收材料层、和/或现有的制造层产生影响，以利用减少数目的外部滤波器和对制造工艺变化的改进的容差来实施两个或更多光谱轮廓。例如，在光电二极管制造工艺中的现有的钝化层(例如，氮化硅层)可以被用作构成传感器通道的两个光电二极管的至少其中之一之上的吸收滤波器。就这一点而言，用两个或更多不同的光谱轮廓，传感器通道可以实现“暗二极管减法”技术，其中，一个光谱轮廓基于第一光电二极管，并且另一个光谱轮廓基于具有形成于其上的钝化层的第二(“暗”)光电二极管。在一些实施例中，第一光电二极管也可以具有形成于其上的钝化层，该钝化层的厚度不同于(小于)暗光电二极管之上的钝化层的厚度。可以通过控制暗光电二极管之上的钝化层的厚度来将由暗二极管减法得出的差分光谱响应调谐到目标光谱。于是，利用对外部滤波器的减小的负担和对制造工艺变化的改进的容差，可以获得对目标光谱(例如，UVB光谱)的灵敏度。
示例性实施方式
图1至图4图示了各种UV传感器电路构造，这些构造中的一些构造实施多传感器通道。本领域的技术人员将领会，可以将附图中所图示的实施例和/或本文所描述的实施例全部或部分地结合以产生额外的实施例。于是，所图示和所描述的实施例应当被理解为解释性的，而不是对本公开内容的限制。
如图1所示，UV传感器100可以包括至少一个传感器通道，该传感器通道具有第一(“感测”)光电二极管102和第二(“暗”)二极管104。传感器通道可以包括在第二光电二极管104之上形成的滤波器层105。滤波器层105可以具有分级光谱响应，其中，滤波器层105具有受控参数(例如，厚度或另一空间或物理属性)，受控参数影响该滤波器层的光透射和/或吸收特性，并且因此也影响第二光电二极管的光谱响应。在实施例中，滤波器层105可以包括至少一层，该层具有光谱变化的(或分级)材料吸收。就这一点而言，滤波器层105可以被配置为通过改变滤波器层105的厚度或其它空间属性或物理属性而在所选择的光谱处吸收光。例如，滤波器层105可以包括钝化层，例如，在典型的硅工艺制造期间通常存在的氮化硅层。通过控制钝化层的厚度，可以有效地实施吸收滤波器。在其它实施例中，滤波器层105可以包括电介质滤波器、玻璃层、光干涉、或选择性地吸收或阻挡光的其它层。
UV传感器100还可以包括减法电路/逻辑106，减法电路/逻辑106被配置为基于应用于与第一光电二极管102相关联的第一光谱响应和与第二光电二极管104相关联的第二光谱响应104的差分函数来输出响应。以示例的方式，可以采用模拟电路(例如，差分放大器)、在光电二极管电流的模数转换之后采用数字电路(例如，简单二进制减法器)、或者采用可由处理器/控制器执行的软件(在光电二极管电流的模数转换之后)来实施此差分函数。光电二极管102和104中的每个光电二极管提供对UV波长的不同光谱响应，其中，通过控制形成于其上的滤波器层的至少一个参数(例如，厚度)来调谐至少一个光电二极管(例如，暗光电二极管104)的光谱响应。例如，暗光电二极管104可以具有位于其上面的受控钝化层(例如，氮化物层)，并且感测光电二极管102可以在其上形成不同类型的滤波器层、具有不同(例如，更小)厚度的钝化层、或没有滤波器层。
当从感测光电二极管102中减去暗光电二极管104的响应(采用电子设备或软件)时，获得了修改的(差分)光谱响应。可以选择或调整滤波器层105的受控参数以使暗二级管的响应偏移，从而将差分响应向目标UV光谱(例如，UVB(280-320nm))偏移。在一些实施例中，为了提供额外的滤波/调谐，可以在传感器通道的第一光电二极管102和/或第二光电二极管104之上形成晶片级滤波器114(例如，UVB滤波器)。在降低的系统复杂性(例如，不需要输入用于UVB光谱估计的定位或其它背景数据)、成本、和/或对制造工艺变化的灵敏度的情况下，此传感器通道架构可以用于提供对太阳光谱和生物学相关的(例如，UV指数)或其它所选择的光谱响应的改进的估计。
在一些实施例中，如图2至图4所示，UV传感器100包括两个或更多传感器通道。在图2中示出了实施例，其中，UV传感器100包括第一(UVA)通道和第二(UVB)通道。可以根据上文所描述的实施例中的一个或多个(例如，使用用于暗二极管减法的滤波器层)来实施UVB通道。UVA通道还可以包括相应的感测光电二极管108和相应的暗光电二极管110，其中，暗光电二极管110具有形成于其上的用于为泄漏电流消除提供参考的金属层111。UVA通道还可以包括相应的减法电路/逻辑112，其在消除泄漏电流的情况下提供产生与感测光电二极管108的响应对应的光谱响应的差分响应。此外，晶片级UVA滤波器116可以应用于UVA通道的感测光电二极管108和/或暗光电二极管110，以将该通道滤波/调谐到UVA光谱灵敏度。
在太阳光谱估计的背景下，已经发现由于与跨UVA波长的太阳光谱强度的相对低得多的增长相比，跨UVB波长的太阳光谱的强度呈指数增长，因此与UVB滤波相比，可以用更高的对制造变化的容差来实施UVA滤波。因此，系统100可以采用UVA滤波器来将UVA光谱定为目标，并且至少部分地依赖利用受控暗光电二极管104的暗二极管减法来将UVB光谱定为目标。这与应用于UVA通道的暗二极管减法是不同的，因为与金属涂层不同，暗光电二极管104之上的滤波器层可以基于受控参数而透射更多或更少的UV光。例如，可以控制滤波器层的影响吸收特性的厚度或任何其它空间(例如，表面面积、密度、几何结构)或物理参数(例如，偏振)。就这一点而言，滤波器层可以作为吸收滤波器来操作，而不是如由形成在UVB通道的暗光电二极管110之上的金属阻挡层111所执行的那样简单地执行泄漏电流消除功能。此外，在本文中注意，UV传感器100可以实施不一定限于UVA和UVB通道的两个或更多传感器通道。UV传感器100可以包括具有本文所讨论的传感器架构中的一个或多个的以特定的光谱范围为目标的任何数目的通道。
图3和图4中也图示了多通道电路构造的实施例。在一些实施例中，在两个或更多通道之间共享一个或多个传感器部件以进一步降低电路复杂性。例如，一个感测光电二极管102可以同时供给UVA和UVB通道二者。如图3所示，感测光电二极管102可以通过晶片级UVA滤波器116滤波以提供以UVA光谱为目标的第一通道输出。晶片级UVA滤波器116还可以部分地对UVB通道的暗(例如，覆盖有氮化物的)光电二极管104进行滤波。然而，主要通过从感测光电二极管102输出光谱响应中减去暗光电二极管104输出光谱响应的暗二极管减法(例如，经由减法电路/逻辑106)来对UVB通道输出进行滤波，其中，根据滤波器层105的至少一个受控参数(例如，厚度)来使暗光电二极管104的UV光谱响应(和作为结果的差分响应)偏移。如图4所示，UVA通道还可以包括具有形成于其上的金属阻挡层111的相应的暗光电二极管110和相应的减法电路/逻辑112以提供泄漏电流消除。
图5至图8示出了说明系统100的各种实施例的光谱响应曲线。例如，图5是示出具有形成于其上的各种厚度的滤波器层(例如，氮化物层)的光电二极管的光谱响应曲线的图表。图6是示出将暗二极管光谱响应从感测二极管光谱响应中减去而得出的差分响应曲线的图表。可以看出，用氮化物阻挡层得出的差分响应提供了集中在UVB光谱附近的光谱响应曲线。另一方面，可以看出，用暗光电二级管之上的金属阻挡层得出的差分响应可以在UVB光谱外面具有峰值灵敏度。因此，当使用金属阻挡层时，可能需要晶片级UVB滤波器。由于上文所讨论的原因(例如，制造误差/设备容差)，用覆盖有金属的暗光电二极管的暗二极管减法可能不能良好的工作用于UVB检测。图8也图示了与用于UVB通道的各种厚度的滤波器层105相关联的差分响应曲线，其中，晶片级UVA通道应用于感测光电二极管102和暗光电二极管104。图8还示出了UVA通道的响应曲线。
图7图示了UVA和UVB通道光谱响应曲线。可以看出，采用氮化物涂层获得了较深且更针对性的UVB响应。图7还示出了太阳(例如，日光)光谱响应曲线。可以通过数学光谱建模技术结合公知的黑体辐射理论来从UVA和UVB光谱响应推导太阳光谱。此外，使用合适的算法或数学模型，太阳光谱响应可以用于推导UV指数或任何其它生物学或环境学相关的光谱。图7还示出了所推导的UV指数响应曲线。
系统100可以包括与传感器通道输出或光电二极管102、104、108、和/或110通信的一个或多个处理器。一个或多个处理器可以被配置为执行由至少一个载体介质所存储的程序指令以执行处理，所述处理包括但不限于收集传感器/通道读数、数字滤波、数据处理(例如，将暗二极管响应从感测二极管响应中减去，其中，通过一个或多个软件模块来实施减法电路/逻辑106和/或112)、和/或数学建模，以提供太阳光谱、UV指数、或任何其它目标光谱。此外，系统100可以集成到诸如智能电话、平板电脑、媒体播放器、活动追踪器或其它可穿戴设备、笔记本电脑等移动设备中。
在一些实施例中，可以经由直接链路或无线链路(例如，IP协议、基于卫星的通信、基于无线电的通信、蜂窝电话发射塔和/或蓝牙信标)来取回用于响应建模和/或确定修正因子的背景信息。相关的背景信息可以包括日期、年份、地点、海拔、方向、压力、臭氧绘图等。例如，与所检测的UV光谱相关联的地点和时间可以用于确定预期的太阳光谱，并且可以基于预期的太阳光谱来为目标(例如，UV指数)光谱提供修正因子。
工艺偏差可以在制造光电二极管时发生。例如，在具有形成于其上的滤波器层105(例如，钝化层)的暗光电二极管104的情况下，可以根据工艺容差从批次到批次推导滤波器层105的一个或多个受控参数。然而，在制造期间，周期性地测试来自每个批次的一个或多个样品设备或者一组批次的至少一个样品是不常见的。使用椭圆偏光法、反射测量术或用于测量样品的空间或物理属性的任何其它技术，可以为至少一个样品设备的滤波器层105测量感兴趣的受控参数。可以将所测量的参数与样品设备的滤波器层105的预期(例如，受控)参数相比较，并且其差可以结合滤波器层的已知透射性质一起用于确定样品设备的修正因子。在一些实施例中，可以将所测量的参数、差值、和/或修正因子存储在样品设备和属于同一批次或同组批次的其它设备(例如，光电二极管)的存储器(例如，非暂态机器可读的介质)中。该数据可以通过UV传感器100的一个或多个处理器来存取，并且可以由一个或多个工艺来使用以对物理设备部件的工艺误差进行数字补偿。
应当认识到，可以通过硬件、软件或固件的任何组合来执行在整个公开内容中所描述的各种函数、操作、模块或步骤。在一些实施例中，通过以下中的一个或多个来执行各种步骤或功能：电子电路、逻辑门、多路复用器、可编程逻辑器件、专用集成电路(ASIC)、控制器/微控制器、或计算系统。计算系统可以包括但不限于个人计算系统、主框架计算系统、工作站、图像计算机、并行处理器、或现有技术中已知的任何其它设备。通常，术语“控制器”和“计算系统”被广泛地定义为包括具有一个或多个处理器的任何设备，该处理器执行来自载体介质的指令。
实施方法(例如，通过本文所描述的实施例所显示的方法)的程序指令可以在载体介质上传送或存储于载体介质中。载体介质可以是传输介质，例如但不限于电线、电缆或无线传输链路。载体介质还可以包括非暂态信号承载介质或存储介质，例如但不限于只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘、固态存储器或闪存存储器、或磁带。
进一步考虑，上文中显示为系统或方法的本公开内容的任何实施例可以包括本文所描述的任何其它实施例的至少一部分。本领域的技术人员将领会的是，存在可以实施本文所描述的系统和方法的各种实施例，并且实施方式将随着其中设置本公开内容的实施例的背景而变化。
此外，将要理解的是，通过所附权利要求来限定本发明。尽管已经说明了本发明的实施例，但是显然，可以在不脱离本公开内容的范围和精神的情况下由本领域的技术人员做出各种修改。
Claims (20)
1.一种紫外线(UV)传感器，包括：
具有第一紫外线(UV)光谱响应的第一光电二极管；
具有第二紫外线(UV)光谱响应的第二光电二极管；
具有分级光谱响应的滤波器层，所述滤波器层形成于所述第二光电二极管之上，其中，所述第二紫外线(UV)光谱响应受到所述滤波器层的受控参数的影响；以及
与所述第一光电二极管和所述第二光电二极管耦合的减法电路，所述减法电路被配置为基于所述第一紫外线(UV)光谱响应和所述第二紫外线(UV)光谱响应之间的差来提供差分响应。
2.根据权利要求1所述的紫外线(UV)传感器，其中，所述差分响应与目标光谱相关联，并且所述受控参数被选择为获得所述目标光谱。
3.根据权利要求2所述的紫外线(UV)传感器，其中，所述目标光谱包括UVB光谱。
4.根据权利要求1所述的紫外线(UV)传感器，还包括在所述第一光电二极管和所述第二光电二极管之上形成的UVA滤波器。
5.根据权利要求1所述的紫外线(UV)传感器，其中，所述减法电路包括与所述第一光电二极管和所述第二光电二极管耦合的一个或多个模数转换器，所述一个或多个模数转换器之后紧接有与所述第一光电二极管和所述第二光电二极管耦合的二进制减法器或差分放大器。
6.根据权利要求1所述的紫外线(UV)传感器，其中，所述滤波器层包括具有光谱分级材料吸收的层。
7.根据权利要求6所述的紫外线(UV)传感器，其中，所述第二紫外线(UV)光谱响应受到所述层的厚度的影响。
8.根据权利要求6所述的紫外线(UV)传感器，其中，所述滤波器层包括钝化层。
9.根据权利要求7所述的紫外线(UV)传感器，其中，所述钝化层包括氮化硅。
10.一种多通道紫外线(UV)传感器，包括：
具有第一紫外线(UV)光谱响应的第一光电二极管；
具有第二紫外线(UV)光谱响应的第二光电二极管；
具有分级光谱响应的滤波器层，所述滤波器层形成于所述第二光电二极管之上，其中，所述第二紫外线(UV)光谱响应受到所述滤波器层的受控参数的影响；
与所述第一光电二极管和所述第二光电二极管耦合的第一减法电路，所述第一减法电路被配置为基于所述第一紫外线(UV)光谱响应和所述第二紫外线(UV)光谱响应之间的差来提供第一差分响应；
具有第三紫外线(UV)光谱响应的第三光电二极管；
在所述第三光电二极管之上形成的用于泄漏电流消除的金属层；以及
与所述第一光电二极管和所述第三光电二极管耦合的第二减法电路，所述第二减法电路被配置为基于所述第一紫外线(UV)光谱响应和所述第三紫外线(UV)光谱响应之间的差来提供第二差分响应。
11.根据权利要求10所述的多通道紫外线(UV)传感器，其中，所述第一差分响应与目标光谱相关联，并且所述受控参数被选择为获得所述目标光谱。
12.根据权利要求10所述的多通道紫外线(UV)传感器，还包括在所述第一光电二极管和所述第二光电二极管之上形成的UVA滤波器。
13.根据权利要求10所述的多通道紫外线(UV)传感器，其中，所述滤波器层包括具有光谱分级材料吸收的层。
14.根据权利要求13所述的多通道紫外线(UV)传感器，其中，所述滤波器层包括钝化层。
15.一种多通道紫外(UV)传感器，包括：
具有第一紫外线(UV)光谱响应的第一光电二极管；
具有第二紫外线(UV)光谱响应的第二光电二极管；
具有分级光谱响应的滤波器层，所述滤波器层形成于所述第二光电二极管之上，其中，所述第二紫外线(UV)光谱响应受到所述滤波器层的受控参数的影响；
与所述第一光电二极管和所述第二光电二极管耦合的第一减法电路，所述第一减法电路被配置为基于所述第一紫外线(UV)光谱响应和所述第二紫外线(UV)光谱响应之间的差来提供第一差分响应；
具有第三紫外线(UV)光谱响应的第三光电二极管；
具有第四紫外线(UV)光谱响应的第四光电二极管；
形成于所述第四光电二极管之上的用于泄漏电流消除的金属层；以及
与所述第三光电二极管和所述第四光电二极管耦合的第二减法电路，所述第二减法电路被配置为基于所述第三紫外线(UV)光谱响应和所述第四紫外线(UV)光谱响应之间的差来提供第二差分响应。
16.根据权利要求15所述的多通道紫外线(UV)传感器，其中，所述第一差分响应与第一目标光谱相关联，并且所述受控参数被选择为获得所述目标光谱。
17.根据权利要求15所述的多通道紫外线(UV)传感器，还包括：
在所述第一光电二极管和所述第二光电二极管之上形成的UVB滤波器；以及
在所述第三光电二极管和所述第四光电二极管之上形成的UVA滤波器。
18.根据权利要求15所述的多通道紫外线(UV)传感器，其中，所述滤波器层包括具有光谱分级材料吸收的层。
19.根据权利要求18所述的多通道紫外线(UV)传感器，其中，所述第二紫外线(UV)光谱响应受到所述层的厚度的影响。
20.根据权利要求18所述的多通道紫外线(UV)传感器，其中，所述滤波器层包括钝化层。
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