CN113624338A - 一种用于智能家居的光电检测芯片及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于智能家居的光电检测芯片，智能家居包括光电传感器、与光电传感器连接的放大电路、与放大电路连接的控制芯片、与控制芯片连接的终端设备、以及连接控制芯片的光电检测芯片，控制芯片接收到光电传感器在外部光强变化时传输的第一电信号，且接收到光电检测芯片发送的第二电信号，控制芯片将第二电信号与第一电信号进行对比得出外部光强的变化值，控制芯片根据变化值以控制终端设备的运行状态。本发明还提供了光电检测方法，可以精确判断外部光强的变化和感光效果好，降低了光电传感器感应外部光强变化对终端设备的误操作。

Description

一种用于智能家居的光电检测芯片及方法

技术领域

本发明涉及光传感器技术领域，尤其涉及一种用于智能家居的光电检测芯片及方法。

背景技术

随着生活水平的提高，人们对家居的高效便利的要求愈加显著，家居自动化、信息化、智能化将成为主流趋势。近年来信息化的高度发展，通信的自由化与高层次化，业务量的急速增加与人类对居住环境的节能性、安全性、舒适性、效率性要求的提高对智能家居的需求更加显著。而要实现智能化，首先要把外界的声、光、电等输入信号转换成中央处理器可以识别的电信号，然后中央处理器才能根据这些输入数据进行设定好的动作输出，控制家电等设备，从而无需人工干预，真正自动化、智能化。

在这些输入信号中，外界的光信号是最为重要和关键的输入数据，智能家居中的设备，比如自动灯光亮度调节，自动窗帘控制等均需对外界光信号的变化进行光电转换后，控制芯片再对转换后的电信号进行处理，完成对设备的动作控制。绝大部分光电传感器均为分立式设计，即采用光电传感器进行光电转换，再通过电路板布线或放大电路将转换出来的电信号放大。控制芯片通过检测电信号的变化来判断外部光强的情况，但通常由于转换出来的电信号非常微弱所以极其容易受到外界的影响，比如电信号波动，外部噪声导致的电流变化等等，此时控制芯片检测到的电信号变化并不一定是外部光强变化导致的，这就会导致对终端设备的误操作。

发明内容

针对上述背景技术中提出的问题，本发明提供了一种可以精确判断外部光强的变化、感光效果好的用于智能家居的光电检测芯片及方法，具体采用以下技术方案来实现。

第一方面，本发明提供了一种用于智能家居的光电检测芯片，所述智能家居包括光电传感器、与所述光电传感器连接的放大电路、与所述放大电路连接的控制芯片、与所述控制芯片连接的终端设备、以及连接所述控制芯片的光电检测芯片，所述控制芯片接收到所述光电传感器在外部光强变化时传输的第一电信号，且接收到所述光电检测芯片发送的第二电信号，所述控制芯片将所述第二电信号与所述第一电信号进行对比得出外部光强的变化值，所述控制芯片根据所述变化值以控制所述终端设备的运行状态，其中，所述光电检测芯片包括：

衬底；

光电二极管组，形成在所述衬底内，所述光电二极管组包括多个并联的光电二极管，所述光电二极管为自第一导电类型的第一区至第二导电类型的第二区呈叉指状，所述第一区靠近所述第二区的一侧设置有第一氧化层，所述光电二极管组外围设置有闭合的第二氧化层；

电阻模块，形成在所述衬底内并通过金属引线与所述光电二极管组连接，所述电阻模块包括串联的至少三个多晶硅电阻。

作为上述技术方案的进一步改进，所述控制芯片包括至少六个端口，所述多晶硅电阻依次并联连接每两个所述端口。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。

作为上述技术方案的进一步改进，三个多晶硅电阻的阻值沿所述第一区至所述第二区的方向依次增大。

作为上述技术方案的进一步改进，当外部光强变化时，通过所述光电二极管组的电流发生变化使所述多晶硅电阻两侧的压降变化，所述控制芯片检测每一个多晶硅电阻的压降并将所述压降与每个多晶硅电阻的预设压降进行对比，以确定所述光电二极管组的感光数据。

第二方面，本发明还提供了一种光电检测方法，包括以下步骤：

外部光强变化时，光电传感器根据光强变化转化为电流信号，放大电路将所述电流信号放大并发送至控制芯片，以得到第一电信号；

光电二极管组接收到外部光强变化并在每个多晶硅电阻两侧产生压降，所述控制芯片通过端口检测到压降信号；

所述控制芯片根据每个所述多晶硅电阻的阻值并对比每个多晶硅电阻对应的压降信号，并根据所述压降信号判断光强变化产生的电流值变化是否稳定；

若是，将所述电流值确定为第二电信号；

所述控制芯片将所述第一电信号与所述第二电信号进行对比得出误差值，判定所述误差值未超过阈值时，得到外部光强变化对应的变化值，所述控制芯片根据所述第一电信号调整终端设备。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第二电信号未经过任何电路且由所述控制芯片检测后直接输出的压降信号。

作为上述技术方案的进一步改进，当所述第一电信号和所述第二电信号分别计算出的光强变化在同一范围内时，以确定光强发生变化。

本发明提供了一种用于智能家居的光电检测芯片及方法，相对于现有技术，具备以下的有益效果：

通过将光电传感器、放大电路、控制芯片和终端设备依次连接，并在控制芯片上连接光电检测芯片，可以对光电传感器感应光强变化进行校准，以降低控制芯片对终端设备的误操作。光电检测芯片包括多个并联的光电二极管组成的光电二极管组、通过金属引线与光电二极管组连接的电阻模块，电阻模块包括多个阻值不同的多晶硅电阻，光电二极管组可以增大感光面积并提高感光结果的准确性。当外部光强变化时，通过光电二极管组的电流发生变化，三条多晶硅电阻两侧的压降会发生变化，每一组压降都会被控制芯片检测到，通过对比各自的压降，来判断感光情况变化以增强检测效果。将光电传感器感应光强变化转换的第一电信号与光电检测芯片感应光强变化转换的第二电信号进行比较，判断光强变化的及时性和有效性，以智能地调整终端设备来适配光强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的智能家居的结构框图；

图2为本发明实施例提供的光电检测芯片的电路图；

图3为本发明实施例提供的光电检测芯片的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的智能家居的电路原理图；

图5为本发明实施例提供的光电检测方法的流程图。

主要元件符号说明如下：

10-光电传感器；20-放大电路；30-控制芯片；40-终端设备；50-光电检测芯片；51-衬底；52-光电二极管组；53-光电二极管；54-

第一区；55-第二区；56-第一氧化层；57-第二氧化层；58-金属引线；59-电阻模块；60-第一多晶硅电阻；61-第二多晶硅电阻；62-

第三多晶硅电阻。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1、图2和图3，本发明提供了一种用于智能家居的光电检测芯片，所述智能家居包括光电传感器10、与所述光电传感器10连接的放大电路20、与所述放大电路20连接的控制芯片30、与所述控制芯片30连接的终端设备40、以及连接所述控制芯片30的光电检测芯片50，所述控制芯片30接收到所述光电传感器10在外部光强变化时传输的第一电信号，且接收到所述光电检测芯片50发送的第二电信号，所述控制芯片30将所述第二电信号与所述第一电信号进行对比得出外部光强的变化值，所述控制芯片30根据所述变化值以控制所述终端设备40的运行状态，其中，所述光电检测芯片50包括：

衬底51；

光电二极管组52，形成在所述衬底51内，所述光电二极管组52包括多个并联的光电二极管53，所述光电二极管53为自第一导电类型的第一区54至第二导电类型的第二区55呈叉指状，所述第一区54靠近所述第二区55的一侧设置有第一氧化层56，所述光电二极管组52外围设置有闭合的第二氧化层57；

电阻模块59，形成在所述衬底51内并通过金属引线58与所述光电二极管组52连接，所述电阻模块59包括串联的至少三个多晶硅电阻。

本实施例中，光电传感器10是一种将光信号转换为电信号的器件，其工作原理基于光电效应，光电效应是光照射在某些物质上时物质的电子吸收光子的能量而发生了相应的电效应现象，根据光电效应现象的不同将光电效应分为三类：外光电效应、内光电效应及光生伏特效应，光电器件有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管等，光电传感器10是通过将光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。放大电路20能将一个微弱的交流小信号(叠加在直流工作点上)通过一个装置(核心为三极管、场效应管)得到一个波形相似(不失真)，但幅值却大很多的交流大信号的输出，实际放大电路20通常由信号源、晶体管构成的放大器和负载组成。终端设备40可以是家用智能电视机、智能台灯等，控制芯片30是主板或键盘的核心组成部分，是联系各个设备之间的桥梁，也是控制设备运行工作的大脑，可以进行逻辑运算、闪存等。光电检测芯片50与光电传感器10均具有光电转换的功能，光电检测芯片50可以检测外部光强即环境光照的强度，光电检测芯片50和光电传感器10均与控制芯片30连接，光电检测芯片50是对光电传感器10感应外部光强变化产生的电信号进行校准的。

需要说明的是，例如自动灯光亮度调节、自动窗帘控制等均需要对外界光信号的变化进行光电转换，在早上到中午的时候，外部光强产生变化，窗户由原先关闭状态变为开启，同时灯光变暗至熄灭，这样可以实现智能控制。通常光电传感器10转换出来的电信号非常微弱并容易受到外界的影响，如电信号拨动、外部噪声导致的电流变化等，这样控制芯片30检测到的电信号变化并不一定是外部光强变化引起的，即光电传感器10的光电转换灵敏度和转换率都能直接影响转换出的电信号强度，通过光电检测芯片50的校准过程，可以提高智能家居对光强变化的响应精度，一定程度上可以降低控制芯片30对智能终端的误操作几率。

应理解，光电传感器10接收的光强变化转换的第一电信号为电流信号，光电检测芯片50接收光强变化进行光电转换成不同大小的电流，经过芯片内部电路输出不同的电压信号，使控制芯片30检测到此电压信号，即第二电信号可以是该电压信号，控制芯片30将第一电信号与第二电信号进行对比得出外部光强的变化值，采用内置算法来精确判断外部光强的变化。其中，内置算法可以理解为：当外部光强变化1cd时，电流增大1mA，经过控制芯片30后，假设电压变化1mV，此时，光电传感器10也会检测到光强变化，假设光电传感器10没有受到噪声的干扰，其输出的电流变化是1m A，那内置算法指的是将这个电流变化的电流信号转换为电压信号，并与光电检测芯片50传递过来的信号进行比较，本发明只是提出这种内置算法来进行对比，具体不做算法的限定，比如有些设计者会直接比较电流信号，有些设计者会将电流信号转换为电压信号，那算法就会不同，提高了检测光强变化的准确性。

参阅图4，另外，光电二极管组52包含多个并联的光电二极管53用于将外部光强变化转换为电流变化，控制芯片30包括至少六个端口，多晶硅电阻依次并联连接每两个端口，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型，三个多晶硅电阻的阻值沿第一区54至第二区55的方向依次增大。电阻模块59包括第一多晶硅电阻60记为R1、第二多晶硅电阻61记为R2和第三多晶硅电阻62记为R3，光电二极管组53与电阻模块59通过金属引线58连接，光电二极管组52与电阻模块59集成在同一芯片上，通过半导体制造工艺得到。第一区54即N区和第二区55即P区呈叉指状，可以增大感光面积，第一氧化层56是设置在第一区54靠近第二区55的一侧即PN结端头，用于隔离并降低转角漏电对感光结果的影响，器件外围设置有闭合的第二氧化层56，进一步增加感光结果的准确性。

可选地，当外部光强变化时，通过所述光电二极管组52的电流发生变化使所述多晶硅电阻两侧的压降变化，所述控制芯片30检测每一个多晶硅电阻的压降并将所述压降与每个多晶硅电阻的预设压降进行对比，以确定所述光电二极管组52的感光数据。

本实施例中，在光电二极管组52外侧，设置有三条阻值不同的多晶硅电阻，每个电阻的两端引出检测接口，如AA’为R1两端压降检测口，BB’为R2两端压降检测口，CC’为R3两端压降检测口，R1并联连接在控制芯片30的端口1和端口2上，R2并联连接在控制芯片30的端口3和端口4上，R3并联连接在端口5和端口6上。将多个光电二极管53并联可以增大光电二极管PN结面积，起到更好的感光效果，每一个电阻阻值不同，在同样电流下，两端的压降也是不同的，选择三个或多个多晶硅电阻作为采样点，使得采样的结果更精确。

需要说明的是，若R1为1Ω、R2为10Ω和R3为100Ω，在同样的1mA电流下，那R1两端的压降是1mV，R2两端的压降为10mV，R3两端的压降为100mV，若检测到这样的结果，则认为电流值是稳定的，也即检测到的电压值必须要和电阻值成正比，这也是设置多个采样电阻的目的。大部分外部光强变化时，通过光电二极管组52的电流发生变化，三条多晶硅电阻两侧的压降会发生变化，每一组压降都会被控制芯片30检测到，通过对比各自的压降，来判断感光情况变化，实际可以设置更多组多晶硅电阻，以增强检测效果。

参阅图5，本发明还提供了一种光电检测方法，包括以下步骤：

S1：外部光强变化时，光电传感器根据光强变化转化为电流信号，放大电路将所述电流信号放大并发送至控制芯片，以得到第一电信号；

S2：光电二极管组接收到外部光强变化并在每个多晶硅电阻两侧产生压降，所述控制芯片通过端口检测到压降信号；

S3：所述控制芯片根据每个所述多晶硅电阻的阻值并对比每个多晶硅电阻对应的压降信号，并根据所述压降信号判断光强变化产生的电流值变化是否稳定；

S4：若是，将所述电流值确定为第二电信号；

S5：所述控制芯片将所述第一电信号与所述第二电信号进行对比得出误差值，判定所述误差值未超过阈值时，得到外部光强变化对应的变化值，所述控制芯片根据所述第一电信号调整终端设备。

本实施例中，当外部光强变化时，光电传感器接收到光强变化并转化为电流变化，电信号放大电路放大此信号后，传递给控制芯片，控制芯片得到第一电信号，同时，光电二极管组也接收到此光强变化，在R1、R2和R3两侧各自产生压降，控制芯片通过端口1、端口2、端口3、端口4、端口5和端口6检测到压降信号，首先控制芯片会根据R1、R2和R3的阻值，对比各自的压降信号，来判断由光照变化导致的电流值变化是否稳定，若稳定，将此电流值判断为第二电信号。对于第二电信号而言，此信号未经过任何电路，经过控制芯片检测后直接输出的压降信号，信号保证度高。之后控制芯片将第一电信号和第二电信号进行比较，来判断误差值，将误差值和阈值进行比较。由于采样是连续的，通过高频的采样，如20Hz-50Hz的采样频率，当两个电信号分别计算出的光强变化在一个范围内时，可以确定光强发生了变化，此时控制芯片会根据第一电信号来调整终端设备，以适配光强。

需要说明的是，终端设备可以是具体的用电器如智能台灯、窗户等，例如，在家里有光强感应电灯，其会检测外部光强变化即环境光变化，光强变低，电灯会自动打开，若检测到的光强信号不准确，白天开灯或晚上关灯等误操作。采样频率高并将两组电信号进行对比，得到的光强变化信号更准确，只是在传统的控制芯片上加入了光电检测芯片来对光电传感器的光电转换进行校准，不需要改变整个智能家居系统，降低了设计成本，

本发明提供了一种用于智能家居的光电检测芯片及方法，通过将光电传感器、放大电路、控制芯片和终端设备依次连接，并在控制芯片上连接光电检测芯片，可以对光电传感器感应光强变化进行校准，以降低控制芯片对终端设备的误操作。光电检测芯片包括多个并联的光电二极管组成的光电二极管组、通过金属引线与光电二极管组连接的电阻模块，电阻模块包括多个阻值不同的多晶硅电阻，光电二极管组可以增大感光面积并提高感光结果的准确性。当外部光强变化时，通过光电二极管组的电流发生变化，三条多晶硅电阻两侧的压降会发生变化，每一组压降都会被控制芯片检测到，通过对比各自的压降，来判断感光情况变化以增强检测效果。将光电传感器感应光强变化转换的第一电信号与光电检测芯片感应光强变化转换的第二电信号进行比较，判断光强变化的及时性和有效性，以智能地调整终端设备来适配光强。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于智能家居的光电检测芯片，其特征在于，所述智能家居包括光电传感器、与所述光电传感器连接的放大电路、与所述放大电路连接的控制芯片、与所述控制芯片连接的终端设备、以及连接所述控制芯片的光电检测芯片，所述控制芯片接收到所述光电传感器在外部光强变化时传输的第一电信号，且接收到所述光电检测芯片发送的第二电信号，所述控制芯片将所述第二电信号与所述第一电信号进行对比得出外部光强的变化值，所述控制芯片根据所述变化值以控制所述终端设备的运行状态，其中，所述光电检测芯片包括：

衬底；

光电二极管组，形成在所述衬底内，所述光电二极管组包括多个并联的光电二极管，所述光电二极管为自第一导电类型的第一区至第二导电类型的第二区呈叉指状，所述第一区靠近所述第二区的一侧设置有第一氧化层，所述光电二极管组外围设置有闭合的第二氧化层；

电阻模块，形成在所述衬底内并通过金属引线与所述光电二极管组连接，所述电阻模块包括串联的至少三个多晶硅电阻。

2.根据权利要求1所述的用于智能家居的光电检测芯片，其特征在于，所述控制芯片包括至少六个端口，所述多晶硅电阻依次并联连接每两个所述端口。

3.根据权利要求1所述的用于智能家居的光电检测芯片，其特征在于，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。

4.根据权利要求1所述的用于智能家居的光电检测芯片，其特征在于，三个多晶硅电阻的阻值沿所述第一区至所述第二区的方向依次增大。

5.根据权利要求1所述的用于智能家居的光电检测芯片，其特征在于，当外部光强变化时，通过所述光电二极管组的电流发生变化使所述多晶硅电阻两侧的压降变化，所述控制芯片检测每一个多晶硅电阻的压降并将所述压降与每个多晶硅电阻的预设压降进行对比，以确定所述光电二极管组的感光数据。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的用于智能家居的光电检测芯片的光电检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

外部光强变化时，光电传感器根据光强变化转化为电流信号，放大电路将所述电流信号放大并发送至控制芯片，以得到第一电信号；

光电二极管组接收到外部光强变化并在每个多晶硅电阻两侧产生压降，所述控制芯片通过端口检测到压降信号；

所述控制芯片根据每个所述多晶硅电阻的阻值并对比每个多晶硅电阻对应的压降信号，并根据所述压降信号判断光强变化产生的电流值变化是否稳定；

若是，将所述电流值确定为第二电信号；

所述控制芯片将所述第一电信号与所述第二电信号进行对比得出误差值，判定所述误差值未超过阈值时，得到外部光强变化对应的变化值，所述控制芯片根据所述第一电信号调整终端设备。

7.根据权利要求6所述的光电检测方法，其特征在于，所述第二电信号未经过任何电路且由所述控制芯片检测后直接输出的压降信号。

8.根据权利要求6所述的光电检测方法，其特征在于，当所述第一电信号和所述第二电信号分别计算出的光强变化在同一范围内时，以确定光强发生变化。

Images