ES2337327B1 - Dispositivo para la medida del angulo de incidencia de una radiacion luminiscente. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para la medida del ángulo de
incidencia de una radiación luminiscente.
El dispositivo consta de dos fotosensores (1) y
(2) integrados en una misma oblea (3) de silicio. Estos fotodiodos
son fabricados mediante la difusión de los dopajes necesarios para
construir dos diodos PN. Estos fotodiodos están cubiertos por una
tapadera (4) de material transparente sobre la que se ha depositado
una lámina de material opaco (5). En dicha lámina de metal se ha
realizado una ventana (6) para dejar entrar la radiación (7). De
esta manera un rayo de sol es proyectado sobre ambos fotosensores.
La fotocorriente generada en cada fotosensor es proporcional al área
iluminada y por consiguiente la diferencia de las fotocorrientes
obtenidas en las metalizaciones A y B es proporcional a la tangente
del ángulo (\theta) de incidencia de la luz respecto de la
vertical.
Description
Dispositivo para la medida del ángulo de
incidencia de una radiación luminiscente.
La presente invención se refiere al desarrollo
de un sensor electrónico que tiene como objeto medir el ángulo
existente entre una radiación luminosa y la vertical respecto de la
superficie del sensor. El sensor consiste en dos fotodiodos sobre el
que incide un rayo de luz que atraviesa una ventana realizada en una
tapadera de material transparente que sirve de cubierta. El campo de
visión del sensor y la precisión de la medida del ángulo de
incidencia son determinadas por las características estructurales
del dispositivo.
La invención tiene una aplicación directa en el
campo del posicionamiento de elementos respecto una radiación
luminosa, como son los satélites artificiales, los sistemas solares
de generación de energía. También es útil para determinar del ángulo
de incidencia de la luz, como es el caso de la entrada de la
radiación solar directa en las cabinas de vehículos con objeto de
mejorar el rendimiento de los sistemas de climatización.
Actualmente, el problema de la localización de
un objeto luminiscente está en auge debido a que las nuevas
tecnologías de fabricación están posibilitando nuevas aplicaciones
comerciales.
Los dispositivos más simples que actualmente se
emplean para resolver este problema se basan en el empleo de dos
células fotosensibles colocadas simétricamente sobre un plano con un
cierto ángulo. La diferencia de radiación incidente en cada célula
proporciona una medida del ángulo de incidencia respecto de la
vertical a dicho plano. Esta aproximación tiene como ventaja su
simplicidad, pero como inconveniente se tiene una muy baja precisión
en la medida.
Una mejora de la aproximación anterior consiste
en el uso de una pantalla de manera que se proyecte una sombra o un
haz de luz que atraviesa una ventana sobre las dos células
fotosensibles. La sensibilidad aumenta considerablemente con esta
realización. En este esquema, la localización de objetos luminosos
se realiza situando el sensor en una posición perpendicular a la
radiación incidente de manera que las corrientes generadas por las
dos células sean iguales.
Existen varias técnicas y dispositivos conocidos
para el cálculo del ángulo de incidencia de una radiación luminosa.
En algunas aproximaciones, no se puede conseguir una elevada
integración del dispositivo (JP9145357).
En otras aproximaciones, existen elementos
móviles que reducen la fiabilidad del dispositivo dado el aumento de
la complejidad de la solución (JP2000193484).
Existen propuestas que permiten la integración
microelectrónica de la solución (ver, por ejemplo, la patente
US5594236), pero estas aproximaciones emplean procedimientos de
fabricación que involucran procesos de moldeado, costosos y que no
garantizan una elevada precisión.
En ES9901375 se propone un proceso de
fabricación donde la tapadera que cubre los fotodiodos se realiza
mediante el ataque químico de una oblea de silicio. Las técnicas de
microsistemas empleada en su fabricación permite alcanzar una
elevada precisión en la medida, pero su realización es compleja y
costosa.
El alto número de patentes y publicaciones
científicas orientadas a la consecución de un dispositivo de medida
del ángulo de incidencia de una radiación luminosa que se pueda
integrar fácilmente a bajo coste demuestra el interés actual por tal
dispositivo.
Las principales aplicaciones de un sensor que
determine el ángulo de incidencia de una radiación luminosa son las
siguientes:
- 1.
- Control de actitud de satélites artificiales empleando los rayos solares como elemento de referencia. La alta sensibilidad que puede conseguirse con este dispositivo permite un posicionamiento de alta precisión de los satélites a un bajo coste.
- 2.
- Posicionamiento de captadores y/o reflectores en los sistemas de generación eléctrica por energía solar. En las plantas solares de concentración de espejos es fundamental posicionar los espejos en los helióstatos. En las plantas fotovoltáicas, el seguimiento del sol por parte de los paneles fotovoltaicos aumenta sus rendimientos.
- 3.
- Determinación del ángulo de incidencia de la radiación solar en vehículos. La determinación de la radiación lateral sobre un vehículo permite optimizar los flujos de aire climatizado y maximizar el confort en sus cabinas.
\newpage
En todas estas aplicaciones, el dispositivo en
cuestión simplifica el control de posicionamiento, abaratando los
costes de instalación y mantenimiento. La inclusión de un circuito
microprocesador permite un montaje autónomo de los posicionadores en
los sistemas de seguimiento.
Figura 1. Representación del sensor de medida
del ángulo de la radiación luminosa. El dispositivo consta de dos
fotosensores (1) y (2) integrados en una misma oblea (3) de silicio
típicamente. Estos fotodiodos son fabricados introduciendo el
dopante adecuado para crear los diodos de unión PN. Los fotodiodos
están cubiertos por una capa (4) de material transparente sobre la
que se ha depositado una lámina de material opaco (5). En dicha
lámina de metal se ha realizado una ventana (6) para dejar entrar la
radiación (7). De esta manera un rayo de sol es proyectado sobre
ambos fotosensores. La fotocorriente generada en cada fotosensor es
proporcional al área iluminada y por consiguiente la diferencia de
las fotocorrientes obtenidas en las metalizaciones A y B es
proporcional a la tangente del ángulo (\theta) de incidencia de la
luz respecto de la vertical.
Figura 2. Representación de las principales
magnitudes geométricas del dispositivo. En esta figura se representa
la sección del dispositivo acotando las principales dimensiones
funcionales, como son la anchura (W) de la ventana y la
distancia (H) existente entre la lámina de material opaco y
los fotodiodos.
Figura 3. Representación de las zonas de los
fotodiodos iluminadas por la radiación incidente al entrar por la
ventana de la lámina opaca.
En esta figura se representa la dependencia
entre las zonas iluminadas en los fotodiodos y el ángulo (\theta)
de incidencia. Cuando la radiación incidente con un ángulo
(\theta) respecto la perpendicular, un fotodiodo incrementa la
distancia iluminada en (X), mientras que en el otro fotodiodo
se decrementa.
Figura 4. Vista superior del sensor.
La zona rallada en la Figura 4 representa la
lámina de material opaco, aunque se ha dibujado translúcida para
apreciar los fotodiodos (1) y (2). Las dimensiones de las ventanas
son (W) y (L). La dimensión (M) del fotodiodo
se calcula para permitir la medida del ángulo incidente respecto el
eje Y independiente del ángulo de incidencia respecto el eje X.
Figura 5. Circuito electrónico para la medida
del ángulo de incidencia de la luz.
Se pueden emplear distintos niveles electrónicos
para llevar a cabo la conversión de fotocorrientes a ángulos de
incidencia. Una primera etapa emplea amplificadores en cada
fotodiodo para convertir las fotocorrientes generadas en tensiones.
La posterior conversión analógica digital permite que los valores
digitales sean procesados de manera que se obtenga la medida del
ángulo incidente. Un microprocesador realiza los cálculos para
obtener los ángulos.
Figura 6. Planta del dispositivo con dos
sensores ortogonales.
Se pueden emplear dos sensores girados 90º entre
sí para obtener los ángulos de incidencia de la radiación luminosa
respecto los ejes X e Y.
Figura 7. Principales pasos de fabricación de
los fotodiodos en el sustrato semiconductor.
El dibujo 1 muestra el crecimiento o depósito de
un material apantanante sobre una oblea semiconductora. El dibujo 2
muestra la realización de los fotodiodos. En el dibujo 3 se muestra
la eliminación del material apantanante. En el dibujo 4 se muestra
el crecimiento de un material aislante. En los dibujos 5 y 6 se
definen las regiones de contacto de base y emisores de los
fotodiodos, respectivamente. En el dibujo 6 se realiza la
metalización para los contactos.
Figura 8. Principales pasos de fabricación de la
cubierta de metal mediante la técnica lift-off.
El dibujo 1 muestra el depósito de una resina
fotosensible sobre el material translúcido. En el dibujo 2 se
representa la definición mediante fotolitografía del área de la
cubierta sin metalizar. En el dibujo 3 se muestra el depósito de
metal en la superficie frontal del material translúcido. En el
dibujo 4 se muestra como se elimina el metal de la región que debe
dejar pasar la luz a los fotodiodos. Para este fin, en este ejemplo
concreto, se usa la técnica denominada
Lift-off.
La presente invención desarrolla un dispositivo
electrónico sensor de posicionamiento angular de un objeto
luminiscente respecto a la vertical de dicho dispositivo.
Consta de dos elementos: el primero de ellos es
una oblea semiconductora, típicamente de silicio, sobre la que se
han construido dos fotodiodos. Estos fotodiodos se realizan mediante
los dopajes necesarios. El segundo elemento es una capa de material
transparente sobre la que se ha depositado una lámina de material
opaco, típicamente un metal. En esta lámina se ha realizado una
ventana por la que se deja pasar la luz. La lámina de metal es lo
suficientemente extensa como para evitar que la entrada de luz
lateral incida sobre los fotodiodos. Los dos elementos se unen de
manera que la luz incidente atraviese la ventana e incida sobre los
fotodiodos. Ambos elementos se fabrican utilizando técnicas usuales
en la fabricación de circuitos integrados monolíticos (tecnología
planar) y/o híbridos (tecnologías de capa fina y gruesa), así como
técnicas más específicas que se pueden utilizar para la fabricación
de micro y nanosistemas. Este dispositivo se muestra en la Figura
1.
Los diodos se polarizan inversamente o en
cortocircuito para que las corrientes generadas por efecto
fotoeléctrico entren por los terminales conectados a las regiones de
emisor (1) y (2), y se recojan en el terminal común de la región de
base (3). La corriente fotogenerada en cada diodo es proporcional al
área iluminada que a su vez depende del ángulo de incidencia de la
luz. La diferencia entre las corrientes de los dos fotodiodos
permite deducir el ángulo de incidencia del rayo luminoso.
En la Figura 2 se pueden ver las características
geométricas más relevantes del dispositivo. La anchura (W) de
la ventana así como la altura (H) a la que se encuentra de
los fotodiodos están comprendidas entre unas 100 \mum hasta unos
pocos milímetros dependiendo de la aplicación y sensibilidad
requerida. La máxima desviación (\theta_{max}) del rayo que
podrá medir el sensor con respecto su dirección vertical vendrá
determinada por el tamaño de la ventana y el espesor de la capa
transparente según la expresión:
Un valor típico para \theta_{max} en esta
configuración oscila entre 10º y 120º.
Si la luz incidente es perpendicular, las áreas
iluminadas en ambos fotodiodos es la misma, por lo que la resta de
fotocorrientes será nula. Si en cambio existe un cambio en el ángulo
de incidencia, dichas áreas diferirán, y la resta de fotocorrientes
nos proporciona una medida de la tangente del ángulo de incidencia.
Según la Figura 3, si el ángulo de incidencia es (\theta),
entonces en los fotodiodos aparecen un incremento y una disminución
del área iluminada respectivamente. La longitud (X) en la que
varía el área iluminada está relacionada con la altura (H) de
la tapadera. Despreciando la separación de los fotodiodos frente a
las dimensiones de los mismos se tiene:
La superficie total iluminada en cada fotodiodo
viene dada por:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
siendo e la dimensión de los
fotodiodos perpendicular a la sección
representada.
Dado que las fotocorrientes son proporcionales a
la intensidad de la radiación, se puede tener una medida del ángulo
que no dependa de dicha radiación calculando el cociente entre la
resta y la suma de ambas fotocorrientes. Además, la dimensión
e puede determinarse para alcanzar un rango de fotocorrientes
deseado.
La relación entre el ángulo de incidencia
(\theta) y las corrientes I_{A} e I_{B}
recogidas en los terminales del sensor es:
En esta expresión destaca que el cociente
\frac{H}{W} se comporta como un factor que amplifica
estructuralmente la sensibilidad del dispositivo.
Cuando varía la el ángulo de incidencia, el
incremento de área iluminada en uno de los fotodiodos es exactamente
igual al decremento de área iluminada en el otro fotodiodo, o lo que
es lo mismo, para cualquier ángulo de incidencia la suma de las
áreas iluminadas en ambos fotodiodos permanece constante. Por
consiguiente, la suma de las fotocorrientes generadas es constante y
proporcional a la radiación incidente.
De las ecuaciones anteriores se deduce que el
comportamiento del sensor es no lineal. Además, en el planteamiento
anterior se ha despreciado la distancia entre las fotocélulas, el
espesor de la capa de material opaco y el efecto de disminución de
radiación neta de entrada por la ventana cuando aumenta el ángulo de
inclinación. Para compensar todos estos efectos se puede definir una
planta no rectangular en los fotodiodos para conseguir su
linearización.
Para aplicaciones en los que el sensor va a
recibir la luz con una inclinación lateral mínima, la posición
relativa de la ventana respecto de los fotodiodos puede desplazarse
para conseguir que ambos fotodiodos reciban una radiación
similar.
Las características del dispositivo planteado
hacen que sea un sensor muy fiable y de bajo coste. Para
aplicaciones espaciales, el material transparente que forma la
tapadera puede elegirse para proteger los fotodiodos de radiaciones
de alta energía. El material transparente de la cubierta puede
sustituirse por un material translúcido que permita reducir la
radiación incidente y evitar la saturación de las células.
Cuando el ángulo de incidencia es elevado, la
luz que incide lateralmente en el sensor puede penetrar por las
paredes laterales de la cubierta (4) y puede interferir con los
fotodiodos. Para evitar este hecho, la lámina de material opaco (5)
puede cubrir las paredes laterales de la tapadera.
El dispositivo puede opcionalmente integrar en
la misma oblea semiconductora los circuitos electrónicos para la
adaptación de señal, procesamiento y comunicaciones mostrados en la
Figura 5.
El dispositivo puede integrar dos sensores como
el descrito anteriormente para posibilitar la medida de los ángulos
de incidencia respecto los ejes X e Y mostrados en la Figura 6.
\vskip1.000000\baselineskip
En lo que sigue se explica un ejemplo de modo de
realización de la presente invención que no pretende ser ni
exhaustivo ni limitar el campo que cubre la presente invención, y
sólo se incluye a modo ilustrativo. La definición del dispositivo
viene dada por las reivindicaciones que se exponen al final de esta
patente.
Al tratarse de técnicas estándar de fabricación
de microsistemas, las dimensiones óptimas para este método de
fabricación van desde pocos micrómetros hasta unos pocos
milímetros.
Para los fotodiodos el proceso de fabricación
utiliza un sustrato u oblea semiconductora, típicamente silicio. La
secuencia de fabricación, tal como se muestra en Figura 7,
contemplaría los siguientes pasos:
- 1.a.
- Crecimiento o depósito de un material apantanante sobre una oblea semiconductora.
- 2.a.
- Definición de las regiones de emisor mediante proceso fotolitográfico o equivalente.
- 2.b.
- Introducción de dopante mediante difusión o implantación iónica.
- 3.a.
- Eliminación del material apantanante.
- 4.a.
- Crecimiento o depósito de un material apantanante, y aislante.
- 5.a.
- Definición de las regiones de contacto de base de los fotodiodos por fotolitografía o equivalente.
- 5.b.
- Opcionalmente, introducción de dopante del mismo tipo del sustrato semiconductor.
- 6.a.
- Definición de las regiones de contacto de emisor de los fotodiodos por fotolitografía o equivalente.
- 7.a.
- Depósito selectivo o no de una capa de metal.
- 7.b.
- Opcionalmente (depósito no selectivo), definición de los electrodos mediante fotolitografía o equivalente.
- 8.a.
- Recocido del metal.
- 9.
- Corte de la oblea para el aislamiento de los diferentes dispositivos.
\newpage
Para las cubiertas de metal se parte de un
sustrato aislante translúcido (por ejemplo pyrex). Su proceso de
fabricación, seguiría la siguiente secuencia:
- 1a.
- Depósito selectivo o no de un material opaco a la luz en el sustrato translúcido
- 2a.
- Opcionalmente (en el caso de un depósito no selectivo), definición de una rendija para el paso de luz mediante fotolitografía o equivalente
- 3a.
- Corte del sustrato translúcido con la cubierta de metal
En la Figura 8 se muestra, como ejemplo, los
diferentes pasos en la fabricación de la tapadera utilizando un
depósito no selectivo de metal, en conjunción con la denominada
técnica lift-off utilizada para su grabado.
Finalmente, para unir los fotodiodos con la
cubierta metálica se puede utilizar cualquier técnica de pegado o
soldado usual en los procesos de fabricación de microsistemas, como
pueden ser el glue bonding o el anodic bonding.
La dimensión W es del orden de 1 mm y la
separación entre fotodiodos de unos 10 \mum, por lo que puede
despreciarse esta última. A modo de ejemplo, para conseguir medir un
ángulo de incidencia máximo de 30º, la dimensión H debe ser
Claims (13)
1. Dispositivo para la medida del ángulo de
incidencia de una radiación luminiscente, caracterizado por
estar compuesto por dos fotodiodos integrados en una oblea
semiconductora y una tapadera de material transparente sobre la que
se ha depositado una lámina de material opaco con una ventana para
dejar entrar la radiación.
2. Dispositivo según reivindicación 1
caracterizado porque la deposición de la lámina de material
opaco también se realiza sobre las paredes laterales de la
tapadera.
3. Dispositivo según reivindicaciones anteriores
caracterizado porque la ventana no está dispuesta
simétricamente respecto de los fotodiodos para mejorar la respuesta
del dispositivo cuando la radiación incide formando un cierto ángulo
mínimo.
4. Dispositivo según reivindicaciones anteriores
caracterizado porque el tamaño relativo los fotodiodos
respecto de la ventana permite medir el ángulo de incidencia
respecto al eje Y, pero ser insensible respecto del ángulo que forme
con el eje X.
5. Dispositivo según reivindicaciones anteriores
caracterizado porque la tapadera está realizada en material
cover-glass para protección contra radiaciones de
partículas de alta energía.
6. Dispositivo según reivindicaciones anteriores
caracterizado porque la tapadera está realizada en material
translúcido.
7. Dispositivo según reivindicación 1
caracterizado porque la oblea semiconductora y la capa de
material transparente son unidas mediante
fusion-bonding, anodic-bonding, o
blue-bonding.
8. Dispositivo según reivindicaciones anteriores
caracterizado porque los fotodiodos convierten la luz
recibida en dos corrientes proporcionales a las áreas iluminadas por
la radiación incidente que entra por la ventana superior.
9. Dispositivo según reivindicaciones anteriores
caracterizado por permitir la medida de la radiación directa
a partir de la suma de las corrientes generadas por los
fotodiodos.
10. Dispositivo según reivindicaciones
anteriores caracterizado por integrar dos sensores para poder
medir los ángulos que forman la radiación con respecto los ejes X e
Y.
11. Dispositivo según reivindicaciones
anteriores caracterizado por incluir los amplificadores
integrados para la conversión
fotocorriente-tensión.
12. Dispositivo según reivindicaciones
anteriores caracterizado por integrar un convertidor
analógico digital y un microcontrolador para el procesamiento
digital de las tensiones e incluir curvas de calibración.
13. Dispositivo según reivindicaciones
anteriores caracterizado por integrar dos pares de fotodiodos
y tapaderas a distinta altura que permita trabajar con distintos
ángulos de visión y precisión de la medida del ángulo de incidencia
de la radiación.
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