DE10218160C1 - Vorrichtung zur Ermittlung des Einfallwinkels einer Strahlung auf eine Strahlungseinfallfläche - Google Patents
Vorrichtung zur Ermittlung des Einfallwinkels einer Strahlung auf eine StrahlungseinfallflächeInfo
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Abstract
Die Vorrichtung zur Ermittlung des Einfallwinkels einer Strahlung auf eine Strahlungseinfallfläche weist mindestens zwei erste Photodiodenpaare (36) mit ersten Photodioden (30) auf, die entlang einer ersten Achse (12) angeordnet und paarweise in Reihe geschaltet sind, wobei jede erste Photodiode (30) eine Raumladungszone (32) mit einer zur Strahlungseinfallfläche (14) hin weisenden Raumladungszonenfläche (34) aufweist. Ferner ist die Vorrichtung mit einer mit Abstand (44) oberhalb der Raumladungszonenflächen (34) der ersten Photodioden (30) angeordneten, strahlungsdurchlässige Bereiche (48) aufweisenden Abschattungsmaske (46) versehen, wobei jeder strahlungsdurchlässige Bereich (48) den Raumladungszonenflächen (34) der beiden ersten Photodioden (30) eines ersten Photodiodenpaares (36) zugeordnet ist und wobei - bei Betrachtung in Richtung der Normalen der Strahlungseinfallfläche (14) - der Grad an Überdeckung zwischen einem strahlungsdurchlässigen Bereich (48) mit den diesem zugeordneten Raumladungszonenflächen (34) in Richtung der ersten Achse (12) für mindestens zwei der ersten Photodiodenpaare (36) unterschiedlich ist. Schließlich umfasst die Vorrichtung auch eine Auswerteeinheit (56), die den Photostrom und/oder die Photospannung jeder ersten Photodiode (30) jedes ersten Photodiodenpaares (36) abfragt und anhand eines Vergleichs der Photoströme und/oder der Photospannungen den Einfallwinkel ermittelt, unter dem die in der Projektion parallel zur ersten Achse (12) ...
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung des Einfallwinkels einer
Strahlung auf eine Strahlungseinfallfläche.
Bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen ist es zweckmäßig, den Einfallwinkel
einer Strahlung messtechnisch ermitteln zu können. So werden beispielsweise
in Kfz-Klimaanlagen Sonnensensoren eingesetzt, die die Intensität und die
Richtung, aus der die Sonnenstrahlung auf das Fahrzeug auftrifft, ermitteln.
Sonnensensoren für Kraftfahrzeuge weisen im allgemeinen eine nicht unerheb
liche Bauhöhe auf, um die sie aus dem Armaturenbrett vorstehen. Dies wird
als optisch störend empfunden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ermittlung des Einfall
winkels einer Strahlung auf eine Strahlungseinfallfläche zu schaffen, die eine
recht flache Struktur aufweist und sich somit in für den Betrachter einsehbare
Flächen integrieren lässt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Er
mittlung des Einfallwinkels einer Strahlung auf eine Strahlungseinfallfläche
vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung versehen ist mit
- - mindestens zwei ersten Photodiodenpaaren mit ersten Photodioden, die entlang einer ersten Achse angeordnet und paarweise in Reihe geschaltet sind,
- - wobei jede erste Photodiode eine Raumladungszone mit einer zur Strah lungseinfallfläche hin weisenden Raumladungszonenfläche aufweist,
- - einer mit Abstand oberhalb der Raumladungszonenflächen der ersten Photodioden angeordneten, strahlungsdurchlässige Bereiche aufweisen den Abschattungsmaske,
- - wobei jeder strahlungsdurchlässige Bereich den Raumladungszonenflä chen der beiden ersten Photodioden eines ersten Photodiodenpaares zu geordnet ist und
- - wobei - bei Betrachtung in Richtung der Normalen der Strahlungseinfall fläche - der Grad an Überdeckung zwischen einem strahlungsdurchlässi gen Bereich mit den diesem zugeordneten Raumladungszonenflächen in Richtung der ersten Achse für mindestens zwei der ersten Photodioden paare unterschiedlich ist, und
- - einer Auswerteeinheit, die den Spannungsabfall über jeder ersten Photo diode jedes ersten Photodiodenpaares und/oder den Strom durch jede erste Photodiode jedes ersten Photodiodenpaares abfragt und anhand ei nes Vergleichs Spannungsabfälle und/oder Ströme den Einfallwinkel er mittelt, unter dem die in der Projektion parallel zur ersten Achse gerich tete Komponente der Strahlung auf die Strahlungseinfallfläche auftrifft,
- - wobei die Auswerteeinheit insbesondere das Potential an dem Verbin dungspunkt zwischen den ersten Photodioden jedes ersten Photodioden paares und/oder die Ströme durch die ersten Photodioden jedes ersten Photodiodenpaares abfragt und anhand der Veränderung des Verbin dungspunktpotentials der ersten Photodiodenpaare und/oder der Verän derung des Ergebnisses eines Größer-Kleiner-Vergleichs der Ströme durch die ersten Photodioden jedes Photodiodenpaares den Einfallwinkel ermittelt, unter dem die in der Projektion parallel zur ersten Achse ge richtete Komponente der Strahlung auf die Strahlungseinfallfläche auf trifft.
Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere erste Photodioden entlang
einer ersten Achse nebeneinander liegend angeordnet sind. Jeweils zwei be
nachbarte erste Photodioden sind zu einem ersten Photodiodenpaar zusam
mengefasst. Mindestens zwei derartige erste Photodiodenpaare existieren. Für
jedes erste Photodiodenpaar gilt, dass die Kathode der einen ersten Photodio
de mit der Anode der anderen ersten Photodiode elektrisch verbunden ist.
Jede erste Photodiode weist eine Raumladungszone auf, die der einfallenden
Strahlung ausgesetzt ist. Oberhalb der Raumladungszonenflächen der ersten
Photodioden befindet sich eine Abschattungsmaske, die mit Abstand zu den
ersten Photodioden angeordnet ist. Diese Abschattungsmaske weist entlang
der ersten Achse nebeneinander liegende strahlungsdurchlässige Bereiche auf,
die von strahlungsundurchlässigen Bereichen getrennt sind. Jeder strahlungs
durchlässige Bereich ist den Raumladungszonenflächen eines ersten Photodio
denpaares zugeordnet. Die Anordnung der strahlungsdurchlässigen Bereiche
ist nun derart gewählt, dass die strahlungsdurchlässigen Bereiche gegenüber
den ihnen zugeordneten Raumladungszonenflächen unterschiedlich stark ver
setzt angeordnet sind. Mit anderen Worten ist also bei Betrachtung in Richtung
der Normalen der Strahlungseinfallfläche der Grad an Überdeckung zwischen
einem strahlungsdurchlässigen Bereich mit den diesem zugeordneten Raumla
dungszonenflächen in Richtung der ersten Achse für mindestens zwei der ers
ten Photodiodenpaare unterschiedlich.
Fällt nun Strahlung auf die Abschattungsmaske, so lassen deren strahlungs
durchlässige Bereiche Strahlung bis zu den Raumladungszonenflächen der ein
zelnen ersten Photodiodenpaare durch. Innerhalb eines durch die Geometrie
der strahlungsdurchlässigen Bereiche, der Raumladungszonenflächen und des
Abstandes der Abschattungsmaske von den Raumladungszonenflächen be
stimmten Strahlungseinfallwinkelbereichs sind die Raumladungszonenflächen
eines der ersten Photodiodenpaare im wesentlichen gleich stark der Strahlung
ausgesetzt. Dies kann messtechnisch erfasst werden, indem beispielsweise die
Spannung am Verbindungspunkt der beiden Photodioden jedes ersten Photodi
odenpaars mit der Versorgungsspannung der Photodiodenpaare verglichen
wird. Ist die Spannung bzw. das Potential am Verbindungspunkt in etwa gleich
der Hälfte des Vorsorgungspotentials, so bedeutet dies, dass die Raumla
dungszonenflächen dieses ersten Photodiodenpaars gleichmäßig der Strahlung
ausgesetzt ist. In einer Tabelle oder einem anderweitigen Speicher kann dann
abgelesen werden, welchem Strahlungseinfallwinkel dies entspricht. Dieser
Strahlungseinfallwinkel ist nämlich unter anderem von dem Versatz des strah
lungsdurchlässigen Bereichs der Abschattungsmaske abhängig, der den
Raumladungszonenflächen des betreffenden ersten Photodiodenpaares zuge
ordnet ist. Ferner geht in die Berechnung auch der Abstand der Abschat
tungsmaske von den Photodioden ein. Insoweit kann man also für jedes Pho
todiodenpaar denjenigen Einfallwinkel zuordnen, unter dem die Strahlung ein
fällt, wenn das Verbindungspunktpotential beispielsweise die Hälfte des Ver
sorgungspotentials beträgt. Auf diese Weise ist der Einfallwinkel direkt digital
bestimmbar, und zwar anhand eines Größer-Kleiner-Vergleichs der Photoströ
me (wenn an die Photodioden eine Versorgungsspannung angelegt wird, die
Photodioden also als passive Elemente betrieben werden) bzw. Photospannun
gen (wenn die Photodioden als aktive Bauelemente betrieben werden, die eine
Photospannung erzeugen, wenn auf sie Strahlung eintrifft) der Photodioden
jedes Photodiodenpaares bzw. des Vergleichs der Verbindungspunktpotentiale
jedes Photodiodenpaares.
Anstelle der halben Versorgungsspannung kann man beispielsweise auch das
Potential des Verbindungspunktes mit jedem anderen Bruchteil des Versor
gungspotentials vergleichen. Auf Grund der geometrischen Anordnung
(Versätze parallel und senkrecht zu den Raumladungszonenflächen der Photo
dioden) ist stets eine Aussage über den Einfallwinkel der Strahlung möglich.
Die zuvor beschriebenen Auswertungen werden in einer Auswerteeinheit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt. Ganz allgemein gesprochen
wird dabei die Veränderung des Verbindungspotentials von erstem Photodio
denpaar zu erstem Photodiodenpaar digital untersucht, um den Einfallwinkel zu
ermitteln, unter dem die parallel zur ersten Achse gerichtete Komponente der
Strahlung auf die Strahlungseinfallfläche auftrifft.
Die zuvor beschriebene lineare Anordnung lässt sich entlang zweier winklig
zueinander verlaufender erster und zweiter Achsen anordnen, die insbeson
dere orthogonal zueinander sind. Damit ist es dann möglich, den Einfall-
Raumwinkel zu ermitteln, unter dem die Strahlung auf die Strahlungseinfallflä
che trifft.
Der zumindest für einige der ersten Photodiodenpaare unterschiedliche
(Horizontal-)Versatz der strahlungsdurchlässigen Bereiche der Abschattungs
maske gegenüber den Raumladungszonenflächen der ersten Photodiodenpaare
wird zweckmäßigerweise dadurch realisiert, dass der Mittenabstand der strah
lungsdurchlässigen Bereiche der Abschattungsmaske verschieden ist von dem
Mittenabstand der ersten Photodiodenpaare. Hierbei ist es möglich, dass die
jeweiligen Mittenversätze über die gesamte erste bzw. zweite Achse betrachtet
konstant sind oder aber monoton zu- oder abnehmen oder sich in anderer
Weise, insbesondere willkürlich, verändern. Ferner ist jede andere Anordnung
verschiedener Positionen von strahlungsdurchlässigen Bereichen der Abschat
tungsmaske zu den Raumladungszonenflächen der ersten bzw. zweiten Photo
diodenpaare möglich. Die jeweilige Geometrie ist allerdings bei der Auswertung
zu berücksichtigen, was oben bereits beschrieben worden ist.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass die
Gesamtkonstruktion eine denkbar geringe Bauhöhe aufweist. Die erfindungs
gemäße Vorrichtung lässt sich nämlich in die Oberfläche eines halbleitenden
Substrats integrieren bzw. auf dieser aufbauen. Dabei sind die Photodioden in
die Oberfläche des halbleitenden Substrats eingebracht, während die Ab
schattungsmaske als beispielsweise Metallisierungsschicht einer Halbleiterher
stellungstechnologie durch ein Dielektrikum (beispielsweise Siliziumoxid) von
der Oberfläche des halbleitenden Substrats beabstandet angeordnet ist. Insbe
sondere eignet sich ein SOI-Substrat, das eine im wesentlichen parallel zur
Oberfläche verlaufende horizontale Isolationsschicht sowie mit dieser verbun
dene vertikale Isolationsgräben aufweist. Hierdurch entstehen einzelne elekt
risch voneinander isolierte Inseln, in denen die Photodioden bzw. die Photodio
denpaare angeordnet werden können. Andere Substrate sind selbstverständ
lich ebenfalls denkbar. So könnten die isolierten Inseln auch z. B. durch Wan
nen-Technologien realisiert werden, bei denen die Photodioden bzw. Photodio
denpaare in einzelnen in die Oberfläche des Substrats ausgebildete auch von
einander isolierte Wannen eingebracht sind. Alternativ zur integrierten Bauwei
se ist auch ein diskreter Aufbau denkbar.
Bereits oben wurde darauf hingewiesen, dass man mit der erfindungsgemäßen
linearen Anordnung von paarweise miteinander verschalteten Photodioden den
Raumwinkel der einfallenden Strahlung ermitteln kann. In einer ersten Vari
ante ist eine derartige Anordnung so aufgebaut, dass jeweils ein erstes und ein
zweites Photodiodenpaar einem gemeinsamen lichtdurchlässigen Bereich der
Abschattungsmaske zugeordnet sind. Beispielsweise handelt es sich bei den
strahlungsdurchlässigen Bereichen um Rechtecke, deren jeweils paarweise
einander gegenüberliegende Kanten jeweils einem der beiden Photodioden
paare, nämlich dem ersten oder dem zweiten Photodiodenpaar, zugeordnet
sind. Zweckmäßigerweise wird in jeder der vier durch die Diagonalen des
strahlungsdurchlässigen Bereichs definierten Teilbereiche jeweils eine Photodi
ode angeordnet. Hierdurch entsteht eine Photodioden-Array-Struktur mit einer
Gitter-Abschattungsmaske.
Die Abdeckung der Abschattungsmaske z. B. zum Schutz gegen Beschädigun
gen erfolgt beispielsweise, wie in der Halbleitertechnologie grundsätzlich be
kannt, durch eine optisch "dichte" Passivierungsschicht. Auf diese Schicht wird
ein Kunststoffmaterial aufgebracht, wie es z. B. von optischen Elementen bzw.
Bauteilen in der Photo-Elektronik bekannt ist. Das aus dem optisch dünneren
Medium, nämlich der Umgebung, d. h. Luft, auf die Kunststoffschicht auftref
fende Sonnenlicht wird in dieser zur Normalen hin gebrochen, so dass auch bei
flachem Sonnenlichteinfall der maximal zulässige Einfallwinkel nicht erreicht
wird, weshalb der erfindungsgemäße Sensor in seiner Anwendung als Sonnen
sensor den Einfall der Strahlung nahezu im gesamten Halbraum (0°-180°)
erfassen und detektieren kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigen im einzelnen:
Fig. 1 die erfindungsgemäße Anordnung im Querschnitt sowie für den Fall,
dass die Strahlung in einem ersten detektierbaren ersten Winkel auf
trifft,
Fig. 2 die erfindungsgemäße Anordnung im Querschnitt sowie für den Fall,
dass die Strahlung in einem zweiten detektierbaren zweiten Winkel
auftrifft,
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2,
Fig. 4 eine schematische teilweise auf Blockschaltbildebene dargestellte
Schaltung zur Auswertung der Photodiodenpotentiale zur Ermittlung
des Strahlungseinfallwinkels und
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine zweidimensionale Anordnung zur Ermittlung
des Einfallraumwinkels einer beispielsweise Sonnenstrahlung o. dgl.
Fig. 1 bis 3 zeigen den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung 10 zur Er
mittlung des Einfallwinkels derjenigen Komponente einer Strahlung, die ent
lang der durch den Doppelpfeil 12 angedeuteten Achse auf eine Strahlungs
einfallfläche 14 auftritt. Die Vorrichtung 10 weist ein Halbleitersubstrat 16 auf,
das in diesem Fall als SOI-Substrat ausgebildet ist und eine unterhalb der O
berfläche 18 des Substrats 16 verlaufende horizontale Isolationsschicht 20
aufweist. In die Oberfläche 18 des Substrats 16 sind vertikale Isolationsgräben
22 eingebracht, wodurch sich in der Oberfläche 18 des Substrats 16 einzelne
dielektrisch voneinander isolierte Bereiche 24 bilden. In jedem dieser Bereiche
24 ist ein p-dotiertes Gebiet 26 und ein n-dotiertes Gebiet 28 einer Photodiode
30 eingebracht. Jede Photodiode 30 weist eine Raumladungszone 32 mit einer
in der Oberfläche 18 des Substrats 16 liegenden Raumladungszonenfläche 34
auf.
Zwei jeweils benachbarte Photodioden 30 sind zu einem Photodiodenpaar 36
miteinander verschaltet (nicht dargestellt). Die p- und n-Gebiete 26,28 der
Photodioden 30 jedes Photodiodenpaares 36 sind symmetrisch zum zwischen
den Photodioden 30 angeordneten Isolationsgraben 22, wobei die Dotierstoff
konzentrationen der p-Gebiete 26 im Vergleich zu den n-Gebieten 28 gleich
oder gleich oder unterschiedlich und die p- oder die n-Gebiete 26,28 jeweils
untereinander gleich stark dotiert sind. Der Abstand benachbarter Photodio
denpaare 36 ist in diesem Fall für sämtliche Photodiodenpaare 36 konstant und
in Fig. 1 bei 40 eingezeichnet.
Auf der Oberfläche 18 des Substrats 16 befindet sich eine lichtdurchlässige
(Isolations-)Schicht 42, die eine bei 44 eingezeichnete Höhe aufweist. Auf die
ser Schicht 42 befindet sich eine Abschattungsmaske 46 mit lichtdurchlässigen
Bereichen 48 und lichtundurchlässigen Bereichen 50. Jeder lichtdurchlässige
Bereich 48 ist den Raumladungszonenflächen 34 eines Photodiodenpaares 36
zugeordnet. Dabei gilt, dass der (Mitten-)Abstand 52 benachbarter lichtdurch
lässiger Bereiche 48 der Abschattungsmaske 46 verschieden (in diesem Aus
führungsbeispiel kleiner) als der Abstand 40 benachbarter Photodiodenpaare
36 ist.
Durch diese geometrische Anordnung verändert sich die Lage jedes licht
durchlässigen Bereichs 48 der Abschattungsmaske 46 relativ zu dem jeweils
zugeordneten Photodiodenpaar 36. Die einfallende Strahlung 54 trifft also in
Abhängigkeit von der jeweiligen Relativlage von strahlungsdurchlässigem Be
reich 48 und Photodiodenpaar 36 mehr oder weniger stark auf eine oder beide
Raumladungszonen 32 auf. Damit werden in den beiden Photodioden 30 jedes
Photodiodenpaars 36 mehr oder weniger starke Photodiodenströme Ili und Iri
generiert, wobei I für die in den Figuren linke Photodiode eines Photodioden
paars, r für die rechte Photodiode steht und i = 1 bis Anzahl der Photodioden
paars ist.
In dem Beispiel gemäß Fig. 1 gilt:
Il1 < Ir1, Il2 < Ir2, Il3 < Ir3.
Der Winkel, unter dem die Strahlung einfällt, liegt also zwischen denjenigen
(Grenz-)Winkeln, die durch die Relativlage, d. h. den Versatz der in Fig. 1 in
der Mitte und rechts eingezeichneten Photodiodenpaare 36 zur den diesen
Photodiodenpaaren 36 zugeordneten lichtdurchlässigen Bereichen 48 der Ab
schattungsmake 46 bestimmt ist; denn für diese beiden Photodiodenpaare gilt,
dass der Vergleich der linken und rechten Photoströme von kleiner als auf grö
ßer als (oder umgekehrt) wechselt.
Für den Fall gemäß Fig. 2 gilt:
Il1 < Ir1, Il2 = Ir2, Il3 < Ir3.
Das bedeutet, dass der Winkel durch die Geometrie der Vorrichtung 10 im
Bereich des in den Figuren mittleren Photodiodenpaares 36 also durch den
Relativversatz vom lichtdurchlässigen Bereich zum Photodiodenpaar bestimmt
ist. Werden die Photodioden 30 dieses mittleren Photodiodenpaares 36 gleich
mäßig mit einfallender Strahlung versorgt, so muss diese Strahlung nahezu
senkrecht auf die Strahlungseinfallfläche 14 auftreffen, was sich beispielsweise
auch aus Fig. 2 ergibt. Es kann also durch digitale Auswertung eine Aussage
über den Strahlungseinfallwinkel getroffen werden.
Fig. 4 zeigt den Aufbau einer Auswerteeinheit 56 zur Ermittlung des Einfallwin
kels der auftreffenden Strahlung. Diese Auswerteeinheit 56 ist in diesem Aus
führungsbeispiel mit einem n-auf-1-Multiplexer 58 versehen, dessen n-
Eingänge 60 mit den Verbindungspunkten 62 der Photodioden 30 der Photodi
odenpaare 36 verbunden sind. Der Ausgang 64 des Multiplexers 58 ist mit ei
nem Komparator 66 verbunden, der dies jeweilige Potential am Verbindungs
punkt 62 mit dem halben Versorgungspotential VB/2 der Versorgungsspan
nung VB der Photodiodenpaare 36 vergleicht. Für jedes Photodiodenpaar 36
wird nun dieser Vergleich durchgeführt und am Ausgang des Komparators 66
entsteht dann eine Folge von den Photodiodenpaaren eindeutig zugeordneten
Nullen und Einsen, die in einem Schieberegister 68 abgelegt werden. Dieses
Schieberegister 68 wird ausgelesen, wobei der Übergang von Null auf Eins der
Sequenz aus Nullen und Einsen detektiert wird. Damit ist nun bekannt, bei
welchem der Photodiodenpaare der Übergang von Null auf Eins erfolgt. Daraus
aber wiederum kann man ermitteln, unter welchem Winkel die Strahlung ein
fällt, und zwar sowohl für - bezogen auf die Figuren - Strahlungseinfall von
links als auch von rechts. Aus einer Tabelle 70 wird dann der Strahlungsein
fallwinkel ausgelesen. Die Tabelle 70, das Schieberegister 68 und der Multiple
xer 58 werden von einer zentralen Steuereinheit 72 gesteuert.
Abschließend soll noch kurz anhand von Fig. 5 gezeigt werden, wie die Vor
richtung 10' für den Fall aufgebaut ist, dass der Raumwinkel der einfallenden
Strahlung ermittelt werden soll. In diesem Fall ist die Abschattungsmaske 46'
als Gittermaske ausgeführt. In dem Substrat 16' sind in diesem Fall quadrati
sche Bereiche definiert, die durch vertikale längs der Diagonalen verlaufende
Isolationsgräben 22' voneinander isoliert sind. In den vier so entstehenden
Bereichen 24' sind die einzelnen Photodioden ausgebildet, und zwar zwei Pho
todioden für die y-Richtung und zwei Photodioden für die x-Richtung. Die Aus
wertung in jeder Richtung erfolgt wie zuvor anhand der Fig. 1 bis 4 beschrie
ben. Der Versatz der lichtdurchlässigen Bereiche 48' der Abschattungsmaske
46' ist entsprechend gewählt, so dass diese Bereiche 48' sowohl in x- als auch
in y-Richtung gegenüber den Abständen der y-Photodiodenpaare und der x-
Photodiodenpaare jeweils unterschiedlich sind.
Der Aufbau, die Funktionsweise und die Auswertung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung lassen sich also wie folgt zusammenfassend darstellen.
Eine Anzahl von integrierten Photosensor-Paaren, bestehend aus p-n-
Übergängen in einem Halbleiter, befindet sich unterhalb einer Schattenmaske,
gebildet z. B. durch eine Metallisierungsschicht. Die einzelnen Photosensoren
können vorteilhaft zur Erhöhung der Effizienz der Auswertung horizontal ge
geneinander durch eine Isolationsschicht "IH" und für eine möglichst einfache
Signalauswertung vertikal gegenüber dem gemeinsamen Substrat durch eine
Schicht "IV" isoliert sein, wie z. B. in einer SOI-Technik realisierbar (Fig. 1).
Auch eine Isolation durch weitere p-n-Übergänge (z. B. Wannengebiete) ist
möglich.
Der Abstand "a" der Öffnungen in der Schattenmaske unterscheidet sich vom
Abstand "b" der Sensorpaare (Fig. 1). Die Abstände "a" und "b" können jeweils
konstant, aber auch variabel gewählt werden, wobei jedoch entweder die Be
dingung a < b oder b < a einzuhalten sind (siehe auch Anmerkung 1).
Dabei ergibt sich unter jeder Öffnung der Schattenmaske eine etwas andere
Lage des Sensorpaares als bei den linken und/oder rechten Nachbarn.
Je nach Einfallwinkel des Lichts und der Position des Sensorpaares unter der
Öffnung in der Schattenmaske wird der "linke" oder der "rechte" Sensor, ge
nauer dessen Raumladungszone, stärker vom Lichteinfall getroffen. Der indu
zierte Photostrom der beiden Dioden jedes Sensorpaares wird verglichen und
daraus bestimmt, welche der beiden Dioden stärker dem Licht ausgesetzt ist.
In Fig. 2 ist dies dargestellt. Die Größen Il1, Ir1. . . Il3, Ir3 sind die jeweils be
leuchteten Bereiche der Raumladungszonen der "linken" und "rechten" Dioden
eines Sensorpaares. In dieser Darstellung gilt:
Il1 < Ir1, Il2 = Ir2, Il3 < Ir3.
Il1 < Ir1, Il2 = Ir2, Il3 < Ir3.
Durch den schrittweisen Versatz zwischen Schattenmaske und Sensorpaaren
gibt es zu jeden Einfallwinkel eine Position, bei der der größere Photostrom
von der einen Seite eines Sensorpaares auf dessen andere wechselt. Diese
Position ist ein Maß für den Winkel, unter dem das Licht einfällt.
Es muss sichergestellt sein, dass der Übergang des dominierenden Photo
stroms von der einen auf die andere Seite eines Sensorpaares erkannt wird,
wie in Fig. 2 dargestellt, liegt also der Übergang zwischen dem mittleren und
dem rechten Sensorpaar.
Die Winkelauflösung wird bestimmt durch den Abstand "d" der Schattenmaske
zur Halbleiter-Oberfloäche und den Unterschied in den Step-Maßen "a" und "b"
(Fig. 3).
Der größte Versatz zwischen der Öffnung in der Schattenmaske und der Mitte
eines Sensorpaares bestimmt den maximalen Einfallwinkel.
Die Stegbreiter der Schattenmaske ist so zu wählen, dass bei maximalem Ein
fallwinkel nicht bereits der nächste Photosensor mit beleuchtet wird.
- 1. Der Aufbau muss nicht zwingend so gewählt werden, dass der Versatz zwischen Schattenmaske und Sensorpaar-Mitte monoton zu- oder ab nimmt. Jede andere Anordnung verschiedener Positionen zueinander ist möglich. Die Geometrie ist lediglich bei der Auswertung zu berücksichti gen.
- 2. Beim Aufbau der Photosensoren müssen nicht zwingend die höher do tierten Gebiete außen liegen und ein niedriger dotiertes Gebiet einschlie ßen. Andere Geometrien sind ebenso möglich, wie z. B. nur ein einseitiger p-n-Übergang oder ein höher dotierter Streifen in der Mitte.
- 3. Der Aufbau ist schließlich auch unter den Aspekten der Verhinderung ei ner Lichtbeugung und der Lichtbrechungseffekte zu wählen (optisch pas sende Materialgrenzflächen).
Die Auswertung erfolgt durch Vergleich der Photoströme jedes Sensorpaares.
Sind die Dioden elektrisch gegeneinander isoliert, so kann im einfachsten Fall
die Reihenschaltung beider Dioden an einer Spannungsreferenz VRef (z. B. der
Versorgungsspannung der Anordnung) in einem Komparator mit z. B. der hal
ben Referenzspannung verglichen werden (Fig. 4). Diese Auswertung kann für
alle Sensorpaare parallel, sequenziell unter Verwendung eines Multiplexers o
der als Kombination aus beidem realisiert werden. Man erhält so als Folge von
"Nullen" und "Einsen" in digitalisierter Form die Information über den Einfall
winkel des Lichts.
Die Winkelauflösung lässt sich weiter erhöhen, indem das Sensorpaar nicht nur
gegen eine, sondern gegen mehrere Spannungen verglichen wird.
Durch rechtwinklige Anordnung einer zweiten Gruppe von Sensorpaaren mit
zugehöriger Schattenmaske in derselben Ebene kann zweidimensional der
Einfallwinkel des Lichts erfasst werden.
Die Kombination der rechtwinklig zueinander angeordneten Sensorpaare ist
auch durch Verwendung nur einer Schattenmaske mit quadratischen oder
rechteckigen Ausschnitten möglich (Fig. 5).
Zum besseren Verständnis der Erfindung ist in den Fig. 1 bis 3 in jedem Be
reich 24 jeweils ein p- und ein n-Gebiet eingezeichnet. Eine Photodiode kann
aber auch dadurch gebildet werden, dass in einem normalerweise (schwach)
n-dotierten Bereich 24 ein (stark) p-dotiertes Gebiet ausgebildet wird (dies ist
in Fig. 5 der Fall). Insbesondere können in jedem Bereich 24 wie sich nicht
kontaktierende p-dotierte Gebiete vorgesehen sein, so dass zwei hintereinan
der geschaltete Photodioden entstehen, ein Photodiodenpaar wird dann von
den jeweils zwei Photodioden zweier Bereiche 24 gebildet. Insbesondere güns
tig ist es, wenn die beiden p-dotierten Gebiete eines Bereichs 24 symmetrisch,
z. B. an die gegenüberliegenden Isolationsgräben 22 angrenzend, positioniert
sind.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand von Photodioden als optoelektroni
sche Bauteile zur Detektion von Strahlung beschrieben. Selbstverständlich
können auch andere optoelektronische Bauelemente wie beispielsweise Photo
transistoren eingesetzt werden. Unter "Photodiode" im Sinne der Erfindung
wird demzufolge insbesondere auch ein Transistor verstanden. Ferner kann die
hier beschriebene Vorrichtung auch zur Ermittlung der Strahlungsintensität
genutzt werden, indem die Größe des Photostroms bzw. der Photospannung
ausgewertet wird.
Claims (14)
1. Vorrichtung zur Ermittlung des Einfallwinkels einer Strahlung auf eine
Strahlungseinfallfläche, mit
- - mindestens zwei ersten Photodiodenpaaren (36) mit ersten Photodio den (30), die entlang einer ersten Achse (12) angeordnet und paar weise in Reihe geschaltet sind,
- - wobei jede erste Photodiode (30) eine Raumladungszone (32) mit einer zur Strahlungseinfallfläche (14) hin weisenden Raumladungszo nenfläche (34) aufweist,
- - einer mit Abstand (44) oberhalb der Raumladungszonenflächen (34) der ersten Photodioden (30) angeordneten, strahlungsdurchlässige Bereiche (48) aufweisenden Abschattungsmaske (46),
- - wobei jeder strahlungsdurchlässige Bereich (48) den Raumladungszo nenflächen (34) der beiden ersten Photodioden (30) eines ersten Photodiodenpaares (36) zugeordnet ist und
- - wobei - bei Betrachtung in Richtung der Normalen der Strahlungsein fallfläche (14) - der Grad an Überdeckung zwischen einem strah lungsdurchlässigen Bereich (48) mit den diesem zugeordneten Raumladungszonenflächen (34) in Richtung der ersten Achse (12) für mindestens zwei der ersten Photodiodenpaare (36) unterschiedlich ist, und
- - einer Auswerteeinheit (56), die den Photostrom und/oder die Photo spannung jeder ersten Photodiode (30) jedes ersten Photodioden paares (36) abfragt und anhand eines Vergleichs der Photoströme und/oder der Photospannungen den Einfallwinkel ermittelt, unter dem die in der Projektion parallel zur ersten Achse (12) gerichtete Kompo nente der Strahlung auf die Strahlungseinfallfläche (14) auftrifft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus
werteeinheit (56) das Potential an dem Verbindungspunkt (62) zwischen
den ersten Photodioden (30) jedes ersten Photodiodenpaares (36)
und/oder die Ströme durch die ersten Photodioden (30) jedes ersten
Photodiodenpaares (36) abfragt und anhand der Veränderung des Ver
bindungspunktpotentials der ersten Photodiodenpaare (36) und/oder der
Veränderung des Ergebnisses eines Größer-Kleiner-Vergleichs der Ströme
durch die ersten Photodioden (30) jedes Photodiodenpaares (36) den
Einfallwinkel ermittelt, unter dem die in der Projektion parallel zur ersten
Achse (12) gerichtete Komponente der Strahlung auf die Strahlungsein
fallfläche (14) auftrifft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Auswerteeinheit (56) das Verbindungspunktpotential zwischen den beiden
Photodioden (30) eines ersten Photodiodenpaares (36) mit einem Refe
renzwert vergleicht, der gleich einem bestimmten Bruchteil des Versor
gungspotentials dieses ersten Photodiodenpaares (36) ist, und dass die
Auswerteeinheit (56) den Einfallwinkel anhand des Überdeckungsgrades
und des Abstandes (44) der Abschattungsmaske (46) von den Raumla
dungszonenflächen (34) zumindest eines derjenigen beiden ersten Photo
diodenpaare (36) ermittelt, für die gilt, dass das Verbindungspotential des
einen ersten Photodiodenpaares (36) kleiner und das Verbindungspoten
tial des anderen ersten Photodiodenpaares (36) größer als der jeweilige
Referenzwert ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Photodioden (30) der ersten Photodiodenpaare (36) im wesentli
chen baugleich sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der
Referenzwert gleich dem halben Versorgungspotential ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass der Mittenabstand (52) jeweils benachbarter strahlungsdurchlässiger
Bereiche (48) der Abschattungsmaske (46) verschieden ist von dem Mit
tenabstand (40) jeweils benachbarter erster Photodiodenpaare (36).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitten
abstand (52) jeweils benachbarter strahlungsdurchlässiger Bereiche (48)
der Abschattungsmaske (46) und der Mittenabstand (40) jeweils benach
barter erster Photodiodenpaare (36) jeweils konstant ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die ersten Photodioden (30) auf einem gemeinsamen halbleitenden
Substrat (16) ausgebildet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten
Photodioden (30) durch in das Substrat (16) eingebrachte vertikale Isola
tionsschichten (22) elektrisch voneinander isoliert sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das
Substrat (16) eine unterhalb der Anordnung der ersten Photodiodenpaare
(36) ausgebildete horizontale Isolationsschicht (20) aufweist.
11. Vorrichtung nach Artspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das
Substrat (16) ein SOI-Substrat ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
dass eine der Anordnung der ersten Photodiodenpaare (36) gleichende
Anordnung von zweiten Photodiodenpaaren entlang einer winklig zur
ersten Achse verlaufenden zweiten Achse vorgesehen ist und dass die
Auswerteeinheit (56) den Einfallwinkel ermittelt, unter der die parallel zur
zweiten Achse gerichtete Komponente der Strahlung auf die Strahlungs
einfallfläche (14) auftrifft.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten
und die zweiten Achsen orthogonal zueinander verlaufen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils ein erstes und ein zweites Photodiodenpaar einem gemeinsamen
strahlungsdurchlässigen Bereich (48') der Abschattungsmaske (46') zu
geordnet sind.
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