CN117999854A - Led传感器模块 - Google Patents

Abstract

一种传感器系统包括LED，该LED被布置成发射光并检测所发射的光中被散射或反射回到LED的部分。一种感测方法包括用LED检测由LED发射的且被散射或反射回到LED的光，并且确定由散射或反射的光的检测而引起LED的电压‑电流特性的变化。该传感器系统和该感测方法可以用于例如确定LED向其中发射光的流体中的颗粒的性质或者确定位于LED与反射或散射表面之间的物体的存在或不存在。

Description

LED传感器模块

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年7月14日提交的美国临时专利申请第63/221778号的优先权的权益，该申请通过引用以其全部内容并入本文。

技术领域

本公开涉及LED传感器模块，在该LED传感器模块中，一个或多个LED被配置为既发射光又检测所发射的光中被反射的或向回散射的部分。例如，这些传感器模块可以用于气体或液体中的颗粒浓度的检测。

背景技术

半导体发光二极管和激光二极管(在本文中统称为“LED”)是当前可用的最有效的光源之一。LED的发射光谱通常在由该器件的结构和由其构成的半导体材料的成分所确定的波长处表现出单一的窄峰。通过合适地选择器件结构和材料体系，LED可以被设计为在紫外、可见、或红外波长处来操作。

LED可以用作传感器系统中的光源，例如以用于气体或液体中的颗粒检测。这样的传感器系统可以用于例如烟雾检测，液滴密度确定，或者大气、水或其他流体质量监测。

按照惯例，这样的传感器系统采用LED作为光源并采用另一半导体器件(例如光电二极管)作为光检测器。不幸的是，两个半导体器件的制造成本、所需的支持电路和功率可能是显著的。需要不要求两个或更多个单独的半导体器件作为发射器和检测器的更低成本颗粒检测系统。

发明内容

本说明书公开了采用LED作为光发射器和光检测器二者的传感器系统和方法。这些系统和方法可以廉价地被用于表征流体中的颗粒(例如，确定粒径和/或浓度)或者确定在LED与散射或反射表面之间物体的存在或不存在。

在本发明的一个方面中，传感器系统包括：LED，其被布置成发射光并检测所发射的光中被散射或反射回到LED的部分；以及处理器，其被配置为确定由散射或反射的光的检测而引起的LED的电压-电流特性的变化。

处理器是指可以确定LED的电压-电流特性的变化是否已经发生以及可选地该变化的幅度的任何合适的电路或设备。处理器可以例如确定来自检测器的电流变化(例如，在恒定电压下)或电压变化(例如，在恒定电流下)是否已经发生。处理器可以进一步确定这种变化的幅度以及例如确定这种变化是否超过某个预定阈值。处理器可以是或包括例如集成电路微处理器或者更简单的模拟或数字电路。

LED可以例如是LED阵列中的两个或更多个LED中的一个，其中这两个或更多个LED中的每一个都被布置成发射光并检测它发射的光中被散射或反射回到它的部分。处理器可以被配置为确定由每个LED对散射或反射的光的检测而引起的每个LED的电压-电流特性的变化。

传感器可以包括第一LED和第二LED，其中第一LED被布置成：除了检测它发射的且被向回散射或反射到它的光之外，还检测由第二LED发射的光中被散射或反射到第一LED的部分。第二LED可以例如被配置为发射调幅光，并且处理器可以被配置为检测来自第一LED的调幅信号，该调幅信号由通过第二LED发射的光中被散射或反射到第一LED的部分引起。

传感器系统可以包括散射或反射表面，该散射或反射表面被布置成将由LED发射的光散射或反射回到LED。在这种情况下，由表面反射或散射回到LED的光的量可以通过位于LED与该表面之间的散射颗粒或者光阻挡或光散射物体的存在而减少。在不存在这种散射或反射表面的情况下，反射或散射回到LED的光的量可以通过这种光散射颗粒或物体的存在而增加。

LED可以被布置成将光发射到腔室中并检测发射到腔室中的光通过腔室被散射或反射回到LED的部分。该腔室可以具有例如半球形、球形或抛物线形的形状，并且可以相对于周围环境开放或封闭。处理器可以被配置为根据由通过腔室散射或反射回到LED的光的检测而引起的LED的电压-电流特性的变化来确定腔室中的流体中的颗粒的性质(例如，大小或浓度)。在这样的变型中，传感器系统可以包括被布置成将由LED发射到腔室中的光通过腔室散射或反射回到LED的散射或反射表面。散射或反射表面可以形成腔室的内表面的至少一部分。在一些变型中，腔室的内表面的至少一部分被配置为吸收由LED发射到腔室中的光。传感器系统可以包括光学元件，该光学元件被布置成准直由LED发射到腔室中的光，并将反射或散射回到LED的光聚焦到LED上。

在本发明的另一个方面中，一种感测方法包括用LED检测由LED发射的且被散射或反射回到LED的光，并且确定由散射或反射的光的检测而引起LED的电压-电流特性的变化。该方法可以包括根据由散射或反射回到LED的光的检测而引起的LED的电压-电流特性的变化来确定LED光发射到其中的流体中的颗粒的性质(例如，大小或浓度)。该方法可以包括根据由散射或反射回到LED的光的检测而引起的LED的电压-电流特性的变化来确定位于LED与反射或散射表面之间的物体的存在或不存在。该方法可以包括在由LED发射的光被散射或反射回到LED之前对其进行准直。该方法可以例如采用上文总结的传感器系统的变型中的任何一个。

当结合首先简要描述的附图参考本发明的以下更详细的描述理解时，本发明的这些和其他实施例、特征和优点对本领域技术人员而言将变得更加清楚。

附图说明

图1示出了示例LED的示意性截面视图。

图2A和图2B分别示出了LED阵列的示意性的截面视图和俯视图。

图3A示出了其上可以安装LED阵列的电子板的示意性俯视图，并且图3B类似地示出了安装在图3A的电子板上的LED阵列。

图4A示出了相对于波导和透镜布置的LED阵列的示意性截面视图。图4B示出了在没有波导的情况下与图4A的布置类似的布置。

图5示意性地图示了既发射又检测穿过腔室的光的LED传感器。

图6A示意性地图示了既发射又检测穿过半球形腔室的光的LED传感器。

图6B示意性地图示了既发射又检测穿过球形腔室的光的LED传感器。

图7示意性地图示了既发射又检测穿过抛物线形腔室的光的LED传感器。

图8示意性地图示了既发射又检测光的LED传感器以提供移动物体对传感器遮挡的低成本识别。

图9示意性地图示了使用既发射又检测穿过腔室的光的LED传感器的感测系统的操作。

图10是示出示例LED传感器对检测到的蓝光的灵敏度的曲线图。

具体实施方式

应该参照附图来阅读以下具体实施方式，其中遍及不同的图，相同的附图标记指代类似的元件。不一定成比例的附图描绘了选择性实施例并且不旨在限制本发明的范围。具体实施方式通过示例的方式、不通过限制的方式说明了本发明的原理。

图1示出了单独的LED 100的示例，该单独的LED 100包括设置在衬底104上的发光半导体二极管(LED)结构102。发光半导体二极管结构102通常包括设置在n型层和p型层之间的有源区。跨二极管结构施加合适的正向偏压导致光从有源区的发射。所发射的光的波长由有源区的成分和结构确定。

该LED可以是例如发射紫外光、蓝光、绿光或红光的III族氮化物LED。也可以使用由任何其他合适的材料体系形成并发射任何其他合适波长的光(例如红外光)的LED。其他合适的材料体系可以包括例如III族磷化物材料、III族砷化物材料和II-VI族材料。

图2A-图2B分别示出了设置在衬底202上的LED阵列200的截面视图和俯视图。这样的阵列可以包括以任何合适的方式布置的任何合适数量的LED。在图示的示例中，该阵列被描绘为单片地形成在共享衬底上，但是替代地，LED阵列可以由布置在衬底上的单独的机械分离的LED形成。衬底202可以可选地包括用于驱动LED的CMOS电路，并且可以由任何合适的材料形成。

尽管图2A-图2B示出了九个LED的三乘三阵列，但这种阵列可以包括例如数十个、数百个或数千个LED。各个LED在阵列平面中可以具有例如小于或等于1毫米(mm)、小于或等于500微米、小于或等于100微米、或者小于或等于50微米的宽度(例如，边长)。这种阵列中的LED可以通过隔道(street)或通道(lane)彼此间隔开，其在阵列平面中具有例如数百微米、小于或等于100微米、小于或等于50微米、小于或等于10微米、或者小于或等于5微米的宽度。

阵列平面中的尺寸(例如边长)小于或等于约50微米的LED通常被称为微LED，并且这种微LED的阵列可以被称为微LED阵列。

虽然图示的示例示出了布置在对称矩阵中的矩形LED，但是LED和阵列可以具有任何合适的形状或布置，并且不需要全部具有相同的形状或大小。例如，位于阵列的中心部分中的LED可以比位于阵列的外围部分中的LED更大。替代地，位于阵列的中心部分中的LED可以比位于阵列的外围部分中的LED更小。

LED阵列中的全部LED可以被配置为发射基本上相同光谱的光，或者该阵列可以是包括被配置为发射不同颜色的光的LED的多色阵列。

阵列中的各个LED可以是单独可操作的(可寻址的)且/或可以是作为阵列中的(例如，相邻的)LED的组或子集的一部分可操作的。

LED的阵列或者这种阵列的各部分可以形成为分段的单片结构，其中各个LED通过半导体二极管结构中的沟槽以及可选地通过沟槽中的绝缘材料彼此电隔离，但是电隔离的分段通过半导体二极管结构的其他部分保持彼此物理连接。

因此，LED阵列可以是或包括单独可操作的LED光发射器的单片多色矩阵。单片阵列中的LED可以例如是如上所述的微LED。

如图3A-图3B中所示，LED阵列200可以安装在电子板300上，该电子板300包括电源和控制(以及可选的处理器)模块302、外部输入模块304和附接区306。电源和控制模块302可以接收来自外部源的电源和控制信号以及来自外部输入模块304的信号，电源和控制模块302基于这些信号来控制LED的操作。模块302中的处理器可以监测和确定LED的操作条件(诸如例如它们的电流-电压性能)的变化。例如，外部输入模块304可以接收来自温度传感器的信号。替代地，阵列200可以安装在与电源和控制模块以及传感器模块分离的板(未示出)上。

各个LED可以可选地与定位成邻近LED或设置在LED上的透镜或其他光学元件相组合地结合或布置。图中未示出的这种光学元件可以被称为“初级光学元件”。此外，如图4A-图4B中所示，(例如，安装在电子板300上的)阵列200可以与次级光学元件(诸如波导、透镜或两者)相组合地布置，供在预期的应用中使用。在图4A中，由LED 100发射的光被波导402收集并被导向透镜404。例如，透镜404可以是菲涅耳透镜。在图4B中，由LED 100发射的光被透镜404直接收集，而不使用介于中间的波导。当LED可能彼此间隔足够近时，这种布置可能是特别合适的。

在另一示例布置中，阵列中LED的中央块可以与单个公共(共享)光学器件相关联，并且位于在中央块外围的阵列中的边缘LED各自与对应的单独光学器件相关联。

一般地，光学元件的任何合适的布置可以与本文中描述的LED和LED阵列相组合地使用。

如上所概述，本说明书公开了采用LED作为光发射器和光检测器两者的传感器系统和方法。接下来描述这样的系统和方法的示例。

图5图示了示例传感器系统500，其包括既发射又检测光512的LED传感器510。初级或次级光学器件520可以用于引导光514穿过腔室530，该腔室530包括需要被检测或具有量化的颗粒密度的流体携带的颗粒。穿过腔室530的光照射镜540，并且可以被向回反射(光516)通过腔室530和光学器件520以由LED传感器510检测。

在操作中，颗粒检测基于当其接收向回反射或向回散射的光时电流和电压(IV)特性的变化。到LED传感器510的返回光的强度是通过腔室530的光学路径中的气体或颗粒密度的函数。事实上，基于颗粒密度的差异，在镜打开(强反射导致增加的电流)和关闭(无反射导致减小的电流)时存在可测量的电流变化。信号检测可以通过恒定电压驱动的LED传感器(即电流检测)、或者通过恒定电流驱动的LED传感器(即电压检测)，并且可以用如上所述的任何合适的处理器来完成。

例如，LED传感器510可以是如上所述的任何合适的单个LED或LED阵列。优选地，一个或多个LED是具有由LED的有源区中的半导体成分确定的输出波长的直接发射LED，而不是磷光体转换LED。这是因为磷光体转换LED中的磷光体层可能阻挡散射或反射的发射到达LED的有源区并影响其电流-电压性能。

在其中LED传感器510包括用作光发射器和光检测器的两个或更多个LED(例如，LED阵列)的变型中，可以确定LED中的每一个的电流和电压(IV)特性的变化。

在其中LED传感器至少包括第一LED和第二LED的一些变型中，并且第一LED可以被布置成检测由第二LED发射的光的被散射或反射到第一LED的部分。第二LED可以例如被配置为发射调幅光，并且由第二LED发射的光的被散射或反射到第一LED的部分引起的来自第一LED的调幅信号可以被检测。在一些变型中，这种调制方案可以用于改善信噪比(signal/noise)和检测灵敏度。

(例如，如上所述的)任何合适的光学布置都可以用于光学元件520。

在一些实施例中，腔室530可以对环境开放，而在其他实施例中它可以是封闭的。例如，在一些实施例中，腔室可以用于结构支撑目的，从而使LED传感器510、光学器件520和镜540保持在固定位置中。这对于旨在测量环境大气或水体(例如海水或河水)中的颗粒密度的实施例而言是特别有用的。在其他实施例中，腔室可以被密封并连接到用于流体的流入或流出系统。对于管道或其他密封流动系统而言，这可能是有用的。

在一些实施例中，镜540可以是平坦的、弯曲的、或光学校正的反射表面。镜可以应用于腔室的整个表面或一部分表面。在一些实施例中，镜可以被定位成接触腔室530中的透明表面、壁或窗口。镜可以由诸如铝、银或金之类的反射性金属形成，或者在其他实施例中由介电材料的结构化层形成。可以使用一个或多个镜。

在一些变型中，除了镜540之外，腔室530的内表面是吸光的(例如，黑色)。

在一些变型中，镜540可以用散射(而不是镜面反射)表面取代。在一些变型中，镜540可以用吸光表面取代。在一些变型中，镜540可以用具有反射、散射和/或吸收部分的图案化(例如，规则或棋盘)表面取代。在一些变型中，镜540被吸光表面取代，并且腔室的所有其他内表面也是吸光的。

接下来描述的图6A、图6B和图7中图示的示例传感器系统类似于图5的示例传感器系统500。它们的主要区别在于腔室的内部形状。这些示例可以类似于上述传感器系统500的变型而变化。

图6A图示了既发射又检测穿过半球形腔室的光的LED传感器。传感器系统600A包括既发射又检测光的LED传感器610A。光614A被引导穿过半球形腔室630A，该半球形腔室630A包括需要被检测或具有量化的颗粒密度的流体携带的颗粒。穿过腔室630A的光照射在腔室内部上的镜640A，并且可以被向回反射(光616A)通过腔室630A以被LED传感器610A检测。虽然在该实施例中镜640A被示出为在腔室内部，但在其他实施例中腔室壁可以是透明的并且镜640A定位在腔室外部。

图6B图示了既发射又检测穿过球形腔室的光的LED传感器。传感器系统600B包括既发射又检测光的LED传感器610B。光614B被引导穿过球形腔室630B，该球形腔室630B包括需要被检测或具有量化的颗粒密度的流体携带的颗粒。穿过腔室630B的光照射在腔室内部上的镜640B，并且可以被向回反射(光616B)通过腔室630B以被LED传感器610B检测。虽然在该实施例中镜640B被示出为定位在透明腔室壁上的腔室外部，但在其他实施例中镜640B可以定位在腔室内部。

图7图示了既发射又检测穿过抛物线形腔室的光的LED传感器。传感器系统700包括既发射又检测光的LED传感器710。光714被引导穿过抛物线形腔室730，该抛物线形腔室730包括需要被检测或具有量化的颗粒密度的流体携带的颗粒。穿过腔室730的光照射在腔室内部上的抛物线形镜742和平面镜740，并且可以被向回反射(光716)通过腔室730以被LED传感器710检测。虽然在该实施例中镜742和740被示出为在抛物线形腔室730内部，但在其他实施例中腔室壁可以是透明的并且镜742和740可以被定位在腔室外部。

图8图示了包括LED传感器810的传感器系统800，该LED传感器810既发射光(箭头814)又检测从镜840返回或向回反射的光(光816)，以提供移动物体对传感器遮挡的低成本识别。例如，如果大物体850(例如纸张)以方向852移动到LED传感器810和镜840之间的中间或阻挡位置，则由LED传感器810检测到的电流或电压的变化可以用于识别物体的不存在或存在。传感器系统800可以类似于上述传感器系统500而变化。

图9图示了使用既发射又检测穿过腔室的光的LED传感器的感测系统的操作900。在步骤910中，从光发射器发射光。在步骤920中，所发射的光被引导通过可以包含颗粒或其他物体的流体介质。由光发射器/传感器检测向回反射的光(步骤930)，并且确定物体存在或颗粒浓度(步骤940)。

图10是示出LED传感器对检测到的蓝光的灵敏度的曲线图1000。该曲线图示出了针对暗检测(没有散射或反射的光到达LED)的IV曲线(虚线)与针对反射或散射的蓝光被检测到的情况的IV曲线(实线)之间的差异。随着散射或反射的光检测量的变化，这些曲线之间的差异变化可以例如被校准以提供定性、半定量或定量的颗粒密度检测。该曲线的被圈出的高电流高电压部分可以提供最大的灵敏度。

本公开是说明性，并且不是限制性的。鉴于本公开，进一步的修改对于本领域技术人员来说将是清楚的，并且旨在落入所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种传感器系统，包括：

LED，其被布置成发射光并检测所发射的光中被散射或反射回到所述LED的部分；以及

处理器，其被配置为确定由散射或反射的光的检测而引起的所述LED的电压-电流特性的变化。

2.根据权利要求1所述的传感器系统，其中：

所述LED是LED阵列中的两个或更多个LED中的一个，所述两个或更多个LED中的每一个被布置成发射光并检测它发射的光中被散射或反射回到它的部分；以及

所述处理器被配置为确定由每个LED对散射或反射的光的检测而引起的每个LED的电压-电流特性的变化。

3.根据权利要求1所述的传感器系统，包括第二LED，其中所述LED被布置成检测由所述第二LED发射的光中被散射或反射到所述LED的部分。

4.根据权利要求3所述的传感器系统，其中：

所述第二LED被配置为发射调幅光；以及

所述处理器被配置为检测来自LED的调幅信号，所述调幅信号由通过所述第二LED发射的且被散射或反射到所述LED的光的部分引起。

5.根据权利要求1所述的传感器系统，包括被布置成将由所述LED发射的光散射或反射回到所述LED的散射或反射表面。

6.根据权利要求1所述的传感器系统，其中：

所述LED被布置成将光发射到腔室中并检测发射到所述腔室中的光中通过所述腔室散射或反射回到所述LED的部分；以及

所述处理器可以被配置为根据由通过所述腔室散射或反射回到所述LED的光的检测而引起的所述LED的电压-电流特性的变化来确定所述腔室中的流体中的颗粒的性质。

7.根据权利要求6所述的传感器系统，包括散射或反射表面，所述散射或反射表面被布置成将由所述LED发射到所述腔室中的光通过所述腔室散射或反射回到所述LED。

8.根据权利要求7所述的传感器系统，其中所述散射或反射表面是形成所述腔室的内表面的至少一部分的反射表面。

9.根据权利要求7所述的传感器系统，其中所述腔室的内表面的至少一部分被配置为吸收由所述LED发射到所述腔室中的光。

10.根据权利要求7所述的传感器系统，包括被布置成准直由所述LED发射到所述腔室中的光的光学元件。

11.根据权利要求10所述的传感器系统，其中所述散射或反射表面是形成所述腔室的内表面的至少一部分且布置成将所准直的光向回反射通过所述光学元件到所述LED的反射表面。

12.根据权利要求6-11中任一项所述的传感器系统，其中所述腔室是半球形的。

13.根据权利要求6-11中任一项所述的传感器系统，其中所述腔室是球形的。

14.根据权利要求6-11中任一项所述的传感器系统，其中所述腔室是抛物线形的并且至少部分地是镜像的。

15.根据权利要求6-11中任一项所述的传感器系统，其中所述腔室对周围环境开放。

16.根据权利要求6-11中任一项所述的传感器系统，其中所述腔室相对于周围环境是封闭的。

17.一种感测方法，包括：

用LED检测由所述LED发射的且被散射或反射回到所述LED的光；以及

确定由散射或反射的光的检测而引起的所述LED的电压-电流特性的变化。

18.根据权利要求17所述的感测方法，包括：根据由散射或反射回到LED的光的检测而引起的LED的电压-电流特性的变化来确定LED光发射到其中的流体中的颗粒的性质。

19.根据权利要求17所述的感测方法，包括：根据由散射或反射回到LED的光的检测而引起的LED的电压-电流特性的变化来确定位于LED与反射或散射表面之间的物体的存在或不存在。

20.根据权利要求17-19中任一项所述的方法，包括：在由LED发射的光被散射或反射回到LED之前对其进行准直。