ES2346624B1 - Dispositivo de alta precision para la determinacion del angulo de incidencia de una radiacion luminiscente. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente.
Cuenta con una oblea de silicio (3) donde se
integra una pluralidad de celdas fotosensoras (C1, C2... Cn)
provistas de respectivas metalizaciones terminales (M1, M2... Mn)
cubriéndose dichas celdas con una tapadera (4) de elevado grado de
transparencia y determinada altura, en la que se ha depositado una
lámina de material opaco (5) dotada de al menos una ventana (6) que
permite el paso de la radiación luminiscente (7), de manera que
dichas celdas fotosensoras convierten la luz recibida en corrientes
proporcionales a las áreas iluminadas por la radiación incidente que
entra por la o las ventanas (6).
Description
Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente.
La presente invención, tal y como se expresa en
el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un
dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de
incidencia de una radiación luminiscente; siendo objeto de la
invención el desarrollo de un sensor electrónico analógico que
permita medir el ángulo de incidencia de una radiación luminosa
respecto a la normal a la superficie del referido sensor. Para ello,
el dispositivo sensor de la invención se compone de una pluralidad
de celdas fotosensoras determinadas por fotodiodos que se protegen
con una tapadera de material transparente sobre la que se deposita
una lámina de material opaco con al menos una ventana. Dicha ventana
se puede dimensionar de modo que al incidir un rayo de luz, éste
atraviesa iluminando un par de celdas contiguas que determinan un
subsensor. El campo de visión del sensor y la precisión de la medida
del ángulo de incidencia quedan determinadas por las características
estructurales del dispositivo.
La invención tiene aplicación directa en
cualquier campo relacionado con el posicionamiento de elementos
respecto a una radiación luminosa, como el control de actitud de
satélites artificiales, de sistemas fotovoltáicos de generación de
energía, o de sistemas integrados de iluminación. Otra aplicación
está orientada a la determinación del ángulo de incidencia de la
luz, como ocurre en el caso de la medida de la radiación solar
directa en las cabinas de vehículos para la mejora del rendimiento
en los sistemas de climatización.
Las nuevas tecnologías de fabricación en
microsistemas están posibilitando la realización de dispositivos que
permiten cubrir las necesidades surgidas en diferentes aplicaciones
comerciales en relación a la localización de un objeto luminiscente.
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.
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
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 aproxi-
mación tiene como ventaja su simplicidad, pero como inconveniente que se tiene muy baja precisión en la medida.
mación tiene como ventaja su simplicidad, pero como inconveniente que se tiene muy baja precisión en la medida.
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.
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 empleadas en su fabricación permiten alcanzar una
elevada precisión en la medida, pero su realización es compleja y
costosa.
Investigaciones previas desarrolladas por los
autores de la presente invención dieron lugar al desarrollo de la
patente P200800999, donde se alcanza un elevado nivel de integración
con reducido tamaño y consumo. Sin embargo, estos resultados se ven
superados por la presente invención, donde con un nuevo dispositivo
se consigue mayor nivel de precisión y sensibilidad en el cálculo
del ángulo de incidencia de la radiación luminiscente. La mejora
respecto a la aproximación inicial es el uso de n células
fotosensibles cubiertas por una pantalla de forma que se proyecta
una sombra o haz de luz a través de una ventana, incidiendo
parcialmente sobre alguna de las celdas. La sensibilidad aumenta
considerablemente con esta realización. Mediante este esquema, la
fotocorriente generada en cada fotocélula incidida por la luz es
proporcional al área iluminada. El ángulo (\theta) de incidencia
de la luz respecto de la vertical se obtiene como función de las
electrocorrientes obtenidas en los diodos iluminados y la posición
angular de dichos fotodiodos respecto a la normal en el centro
geométrico del dispositivo. De esta forma, si el objeto luminiscente
está situado en la perpendicular del sensor, generará unas
fotocorrientes iguales a cada lado del eje central del sensor, e
iluminará aquellos fotodiodos que no sufren ningún desplazamiento
respecto al centro del dispositivo.
Para lograr los objetivos indicados
anteriormente, la invención consiste en un dispositivo de alta
precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una
radiación luminiscente, que emplea tecnologías de construcción de
dispositivos electrónicos miniaturizados con semiconductores,
utilizando preferentemente como base una oblea de silicio.
Novedosamente según la invención, en dicha base
se integra una pluralidad de celdas fotosensoras provistas de
respectivas metalizaciones terminales, cubriéndose dichas celdas con
una tapadera de elevado grado de transparencia y determinada altura,
en la que se ha depositado una lámina de material opaco, dotada de
al menos una ventana que permite el paso de la radiación
luminiscente, constituyéndose así el dispositivo; de manera que
dichas celdas fotosensoras convierten la luz recibida en corrientes
proporcionales a las áreas iluminadas por la radiación incidente que
entra por esa o esas ventanas.
Según la realización preferente de la invención,
las dimensiones de esa o esas ventanas son tales que la radiación
incidente en cada ventana se proyecta parcialmente sobre dos celdas
fotosensoras contiguas, de manera que cada dos celdas contiguas
determinan un subsensor cuya fotocorriente generada es proporcional
al área iluminada; obteniéndose el ángulo de incidencia de la luz
respecto a la dirección normal al dispositivo como función de las
fotocorrientes en las metalizaciones terminales del correspondiente
subsensor y de la posición angular del subsensor iluminado respecto
de la normal en el centro geométrico de la ventana.
Por otra parte, las aludidas celdas fotosensoras
pueden estar determinadas por respectivos circuitos de fotodiodos
construidos mediante difusión de dopajes necesarios para establecer
n diodos PN, en tanto que sus metalizaciones terminales se pueden
conectar a un circuito electrónico que está provisto de un
convertidor A/D y de un microprocesador que posibilita procesamiento
digital e inclusión de curvas de calibración; conectándose dicho
circuito electrónico a un bus de datos mediante un interface.
Además, según distintas realizaciones de la
invención, las referidas celdas fotosensoras se pueden disponer en
la base u oblea en agrupaciones paralelas según una dirección del
dispositivo, o en agrupaciones paralelas según dos direcciones
perpendiculares del dispositivo.
La correspondiente deposición de la lámina de
material opaco que se mencionó anteriormente puede realizarse sobre
las paredes laterales y superior de la aludida tapadera.
Por otra parte, cada ventana del dispositivo
puede presentar una disposición asimétrica respecto de las celdas
fotosensoras para mejorar la respuesta del dispositivo cuando la
radiación incide formando un cierto ángulo míni-
mo.
mo.
Según distintas realizaciones de la invención,
cada ventana del dispositivo se puede dimensionar para que la luz
incida sobre una, sobre dos o sobre más celdas fotosensoras.
Además, las celdas fotosensoras pueden presentar
diferentes tamaños y disposiciones simétricas o asimétricas respecto
del centro del dispositivo.
El tamaño relativo de las celdas fotosensoras
respecto de la correspondiente ventana puede ser tal que permita
medir el ángulo de incidencia respecto al eje x sin que se vea
afectado por la luz que penetra por la ventana del dispositivo del
eje y, y viceversa.
Según una realización de la invención, la
tapadera del dispositivo está realizada en material transparente o
translúcido, como pyrex o cover-glass para
protección contra radiaciones de partículas de alta energía.
Además, dicha tapadera puede realizarse con un
filtro óptico seleccionado entre diferentes espectros tales como
ultravioletas u otros.
En las realizaciones preferentes de la
invención, la oblea semiconductora que constituye la base del
dispositivo y la capa de material transparente que constituye la
tapadera se unen mediante las técnicas
fusion-bonding, anodic-bonding, o
glue-bonding.
Por otra parte, el dispositivo de la invención
es susceptible de integrarse con uno o más dispositivos análogos
provistos de respectivas tapaderas a distintas alturas, al objeto de
trabajar con distintos ángulos y aumentar la precisión de la medida
del ángulo de incidencia de la radiación.
El dispositivo de la invención puede estar
encapsulado en un formato de circuito integrado que posea una
abertura para la entrada de la radiación.
Los circuitos de fotodiodos que se mencionaron -
anteriormente pueden incluir amplificadores integrados de conversión
fotocorriente-tensión y ubicarse en un mismo
encapsulado que albergue además al convertidor A/D y microprocesador
que se mencionaron anteriormente.
Con la estructura que se ha descrito, el
dispositivo de la invención presenta ventajas relativas a que
determina un sensor de alta precisión para determinar el ángulo de
incidencia de una fuente de luz, con una construcción relativamente
sencilla y de bajo coste, presentando sin embargo una gran
fiabilidad y precisión.
\newpage
Además, el dispositivo de la invención permite
aplicaciones entre las que cabe destacar:
- -
- Orientación y control de actitudes de satélites artificiales determinando el ángulo de incidencia del sol sobre los ejes del cuerpo del satélite. La alta sensibilidad que puede conseguirse con este dispositivo permite un posicionamiento de alta precisión de los satélites a un bajo coste.
- -
- Posicionamiento de captadores y/o reflectores en los sistemas de generación eléctrica por energía solar. Control y seguimiento del sol por parte de los heliostatos en plantas foltovoltaicas y de concentración, con la mejora en el rendimiento de dichas plantas que este concepto implica.
- -
- 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.
En estas aplicaciones, así como en otras
posibles, el dispositivo de la invención simplifica el control de
posicionamiento, abaratando costes de instalación y mantenimiento.
Además, el dispositivo de la invención permite la inclusión de un
circuito microprocesador que facilite un montaje autónomo de los
posicionadores en sistemas de seguimiento.
A continuación, para facilitar una mejor
comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante
de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter
ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la
invención.
Figura 1.- Representa una vista de perfil y
seccionada de un dispositivo de alta precisión para la determinación
del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, realizado
según la presente invención.
Figura 2.- Es una vista igual que la de la
anterior figura 1 pero referenciando las principales magnitudes
geométricas del aludido dispositivo.
Figura 3.- Es una vista igual que la de las
anteriores figuras 1 y 2 pero habiéndose referenciado en dicho
dispositivo como entra la radiación hacia un subsensor del
dispositivo formado por dos celdas contiguas, indicándose los
ángulos más significativos.
Figura 4.- Representa una vista en planta
superior del dispositivo de las tres anteriores figuras.
Figura 5.- Representa una vista en planta
superior de una variante respecto al dispositivo de las anteriores
figuras, consistiendo esta variante en que el dispositivo presenta
celdas contiguas según dos direcciones perpendiculares, en vez de
según una sola dirección.
Figura 6.- Representa un diagrama de bloques
funcionales en el que un dispositivo como el de cualquiera de las
figuras anteriores conecta con bloques de circuiteria electrónica
para la medida del ángulo de incidencia de la luz.
Seguidamente se realiza una descripción de la
invención haciendo referencia a la numeración adoptada en las
figuras.
Así, el dispositivo del presente ejemplo cuenta
con una pluralidad de celdas fotosensoras C1, C2... Cn que se
integran en una base constituida por una oblea de silicio 3. Dichas
celdas son fotodiodos que se fabrican introduciendo el dopante
adecuado para crear los diodos de unión PN. Esos fotodiodos están
protegidos por una tapadera de material transparente que constituye
una tapadera 4 sobre la que se ha depositado una lámina de material
opaco 5. Esa lámina 5 es una lámina de metal en la que se ha
realizado una ventana 6 que permite que un rayo de sol se proyecte
sobre un par de fotosensores contiguos determinantes de un
subsensor, de manera que un dispositivo que tenga n celdas
fotosensoras dispondrá de n-1 subsensores. La
fotocorriente generada en cada subsensor incidido por la luz es
proporcional al área iluminada y el ángulo (\theta) de incidencia
de la luz respecto a la dirección perpendicular al dispositivo se
obtiene como función de las fotocorrientes obtenidas en las
metalizaciones terminales M1, M2... Mn y de la posición angular del
correspondiente subsensor iluminado respecto a la normal en el
centro geométrico del dispositivo.
Las características geométricas del dispositivo
de mayor importancia consisten en la anchura W de la ventana 6, y la
distancia H existente entre la lámina de material opaco 5 y las
celdas fotosensoras, según se ha ilustrado en la figura 2.
En la figura 3 se puede apreciar el subsensor
iluminado por la radiación incidente al entrar por la ventana de la
lámina opaca y los ángulos que se obtienen. Así, en esta figura 3 se
representa la dependencia entre el subsensor iluminado y el ángulo
(\theta) de incidencia, observándose que cada subsensor sufre un
desplazamiento \deltai respecto al centro geométrico del conjunto.
El ángulo (\theta) de incidencia de la luz respecto a la dirección
normal al sensor se obtiene como función de las fotocorrientes
generadas en el subsensor iluminado, que proporciona el ángulo
\Delta(\theta), y de la posición angular (\theta_{i})
de dicho subsensor respecto a la normal en el centro geométrico del
dispositivo.
En la figura 4, consistente en una vista
superior del dispositivo, la zona rayada representa la lámina de
material opaco 5, aunque se ha dibujado traslúcida para apreciar las
celdas fotosensoras. Como puede verse en dicha figura 4, las
dimensiones de la ventana 6 son W y L en tanto que la dimensión M de
las celdas fotosensoras se calcula para permitir la medida del
ángulo de incidencia respecto al eje y de forma independiente al
ángulo de incidencia respecto al eje x.
Por otra parte, el dispositivo del presente
ejemplo de la invención puede realizarse con dos grupos de sensores
ortogonales tal y como se representa en la figura 5, pudiendo
emplearse sensores girados 90º entre si para obtener los ángulos de
incidencia de la radiación luminosa respecto de los ejes x e y según
se ha representado en el dispositivo 11' de esa figura 5, en el que
se aprecian dos ventanas 6 en lugar de la única ventana 6 del
dispositivo 11 de las figuras 1 a 4.
En la figura 6 se muestran unos bloques
funcionales de la circuiteria electrónica para la medida del ángulo
de incidencia de la radiación 7, apreciándose como las celdas
fotosensoras C1, C2, Cn-1, Cn de la oblea 3 conectan
con un circuito electrónico 1 dotado de convertidor A/D 9 y de
microprocesador 10. Este circuito electrónico 1 conecta con un bus
de datos 8 a través de un interface 2; pudiendo integrarse el
circuito electrónico 1 y la oblea 3 en un mismo encapsulado con
formato de circuito integrado.
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.
Después se efectúa la conversión analógica digital que posibilita
que los correspondientes valores digitales sean procesados de manera
que se obtenga la medida del ángulo incidente, siendo el
microprocesador 10 el que realiza los cálculos necesarios para
obtener los ángulos.
Los pasos de fabricación de los fotodiodos
constituyentes de las celdas fotosensoras son técnicas
convencionales en sustratos semiconductores tales como depósito de
material apantanante sobre oblea semiconductora, realización de
fotodiodos, eliminación de material apantallante, crecimiento de
material aislante, definición de regiones de contacto de base y
emisores de fotodiodos, y metalización para los contactos.
La realización de la cubierta de metal
constituyente de la lámina opaca 5 se puede efectuar mediante la
técnica conocida como lift-off, con depósito de una
resina fotosensible sobre el material traslúcido de la tapadera 4,
definición mediante fotolitografía del área de la cubierta sin
metalizar, depósito de metal en la superficie frontal del material
traslucido y eliminación del metal de la región que debe dejar pasar
la luz hacia los fotodiodos, empleándose en este ejemplo la técnica
denominada lift-off.
Los elementos principales del dispositivo de la
invención consisten en la oblea semiconductora 3 de silicio sobre la
que se construyen n fotodiodos y la capa de material transparente en
la que se deposita la lámina de material opaco 5.
Dicha lámina 5 es lo suficientemente extensa
como para evitar que la entrada de luz lateral afecte a los
fotodiodos constituyentes de las células fotosensoras. Dicha lámina
5 es de metal y presenta la ventana o ventanas 6 para dejar entrar
la radiación. Estos elementos se unen de manera que la luz incidente
atraviese la ventana y se proyecta sobre dos fotosensores contiguos.
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 especificas que se pueden utilizar para la fabricación de micro
y nanosistemas.
Los diodos de las celdas fotosensoras se
polarizan inversamente y en cortocircuito para que las corrientes
generadas por el efecto fotoeléctrico entren por los terminales
conectados a las regiones de emisor y se recojan en el terminal
común de la región de base. La fotocorriente generada en cada diodo
incidido por la luz es proporcional al área iluminada. El ángulo
(\theta) de incidencia de la luz respecto de la vertical se
obtiene como función de las fotocorrientes generadas en estos
fotodiodos que proporcionan el ángulo \Delta(\theta) y de
la posición angular (\theta_{i}) de los mismos respecto a la
normal en el centro geométrico del dispositivo.
La anchura W de la ventana 6, así como la altura
H a la que se encuentra de los fotodiodos están comprendidas entre
unas 100 micras hasta unos pocos milímetros, dependiendo de la
aplicación y de la sensibilidad requerida, la máxima desviación
(\theta_{max}) del rayo que podrá medir el sensor con respecto a
su dirección normal vendrá determinada por el tamaño de la ventana y
el espesor de la capa transparente según la expresión:
(\theta_{max}) = arco tangente
\frac{W/2}{H}
Un valor típico para (\theta_{max}) en esta
configuración oscila entre 10º y 120º. Además, el cociente H/W se
comporta como un factor que amplifica estructuralmente la
sensibilidad del dispositivo.
La ventana o ventanas 6 están dimensionadas de
tal modo que permiten que la radiación incidente se proyecte sobre
un par de fotosensores contiguos, que como se dijo anteriormente
constituyen un subsensor. La fotocorriente generada en cada
subsensor incidido por la luz es proporcional al área iluminada, y
el ángulo (\theta) de incidencia de la luz respecto a la vertical
se obtiene como función de las fotocorrientes obtenidas en los
diodos iluminados que proporcionan el ángulo
\Delta(\theta), y de la posición angular (\theta_{i})
de dichos fotodiodos respecto a la normal en el centro geométrico
del dispositivo, tal y como puede apreciarse en la figura 3. Así, si
el objeto luminiscente está situado en la perpendicular del
dispositivo 11, generará unas fotocorrientes iguales a cada lado del
eje central del sensor, e iluminará aquellos fotodiodos que no
sufren ningún desplazamiento respecto al centro del dispositivo
11.
(\theta) =
(\theta_{i})+\Delta(\theta)
\Delta(\theta) =
f(I_{A},I_{B})
Siendo I_{A} y I_{B} las fotocorriente
generadas en los diodos iluminados. Cuando varia el ángulo de
incidencia, por cada par de celdas en funcionamiento, el incremento
del área iluminada en uno de los fotodiodos es exactamente igual al
decremento del 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. En consecuencia, se puede
tener una medida del ángulo \Delta(\theta) que no dependa
de dicha radiación calculando el cociente entre la resta y la suma
de ambas fotocorrientes.
Del funcionamiento del sensor se traduce que se
produce una discretización del ángulo de visión (FOV) del
dispositivo, que queda dividido según sea el par de fotosensores
iluminado en cada caso, y que depende directamente del ángulo de
incidencia de la radicación luminiscente. Este comportamiento tiene
como consecuencia una mayor sensibilidad y precisión en el cálculo
del ángulo en cada rango de trabajo.
Hay que reseñar que el sensor es no lineal, ya
que existen características tales como la distancia entre las
fotocélulas, el espesor de la capa de material opaco, el efecto de
disminución de radiación neta de entrada por la ventana cuando
aumenta el ángulo de inclinación y la difracción que sufre el rayo
incidente en la travesía del material que constituye la tapadera,
que se desprecian en el cálculo del ángulo. Para compensar todos
estos efectos se puede definir una planta no rectangular en los
fotodiodos para conseguir su linearización. Otra solución consiste
en definir plantas rectangulares de distintos tamaños para los
diferentes fotodiodos, existiendo o no simetría entre ellos según
interese.
Para aplicaciones en las 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 facilitar el cálculo del ángulo en esa aplicación concreta.
Según sea la aplicación, el tamaño de la ventana
puede dimensionarse de forma que la luz incida únicamente sobre un
fotodiodo, sobre dos, o sobre más fotodiodos.
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 se puede elegir para proteger los fotodiodos de radiaciones
de alta energía. El material transparente de la cubierta puede
sustituirse por un material traslúcido que permita reducir la
radiación incidente y evitar la saturación de las células. También
pueden emplearse filtros ópticos, de modo que se discriminen
aquéllas radiaciones espectrales que no sean interesantes desde el
punto de vista de la aplicación.
Cuando el ángulo de incidencia es elevado, la
luz que incide lateralmente en el sensor puede penetrar por las
paredes laterales de la cubierta o tapadera 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 4.
El dispositivo puede opcionalmente integrar en
la misma oblea semiconductora 3 los circuitos electrónicos para la
adaptación de señal, procesamiento y comunicaciones mostrados en la
figura 6.
El dispositivo puede integrar dos sensores como
el descrito anteriormente para posibilitar la medida de los ángulos
de incidencia respecto a los ejes x e y, según se muestra en la
figura 5.
También se pueden integrar varios sensores y
tapaderas de diferentes dimensiones y alturas para cubrir diferentes
rangos de sensibilidad, precisiones de medida y ángulos de
visión.
Respecto a la fabricación del dispositivo, puede
indicarse que al tratarse de técnicas estándar de fabricación de
microsistemas, las dimensiones óptimas para el método de fabricación
van desde pocos micrómetros hasta unos pocos milímetros.
Para los fotodiodos, el proceso de fabricación
utiliza un substrato u oblea semiconductora típicamente de silicio.
La secuencia de fabricación contemplarla los siguientes pasos:
- -
- Crecimiento o depósito de un material apantallante sobre una oblea semiconductora.
- -
- Definición de las regiones de emisor mediante proceso fotolitográfico o equivalente.
- -
- Introducción de dopante mediante difusión o implantación iónica.
- -
- Eliminación de material apantallante.
- -
- Crecimiento o depósito de un material apantallante y aislante.
- -
- Definición de las regiones de contacto de base de los fotodiodos por fotolitografía o equivalente.
- -
- Opcionalmente, introducción de dopante del mismo tipo del substrato semiconductor.
- -
- Definición de las regiones de contacto de emisor de los fotodiodos por fotolitografía o equivalente.
- -
- Depósito selectivo o no de una capa de metal.
- -
- Opcionalmente (depósito no selectivo), definición de los electrodos mediante fotolitografía o equivalente.
- -
- Recocido del metal.
- -
- Corte de la oblea para el aislamiento de los diferentes dispositivos.
\vskip1.000000\baselineskip
Respecto a las cubiertas de metal, se puede
partir de un substrato aislante traslúcido (por ejemplo pyrex),
consistiendo el proceso de fabricación en la siguiente
secuencia:
- -
- Depósito selectivo o no de un material opaco a la luz en el substrato traslúcido.
- -
- Opcionalmente (en el caso de un depósito no selectivo), definición de una rendija para el paso de luz mediante fotolitografía o equivalente.
- -
- Corte del substrato translúcido con la cubierta de metal.
\vskip1.000000\baselineskip
Los diferentes pasos en la fabricación de la
tapadera 4 pueden consistir en utilizar 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.
Claims (15)
1. Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente, que emplea tecnologías de construcción de dispositivos
electrónicos miniaturizados con semiconductores, utilizando
preferentemente como base una oblea de silicio (3);
caracterizado porque en dicha base (3) se integran una
pluralidad de celdas fotosensoras (C1, C2... Cn) provistas de
respectivas metalizaciones terminales (M1, M2... Mn); cubriéndose
dichas celdas con una tapadera (4) de elevado grado de transparencia
y determinada altura, en la que se ha depositado una lámina de
material opaco (5) dotada de al menos una ventana (6) que permite el
paso de la radiación luminiscente (7), constituyéndose así el
dispositivo (11, 11'); de manera que dichas celdas fotosensoras
convierten la luz recibida en corrientes proporcionales a las áreas
iluminadas por la radiación incidente que entra por esa o esas
ventanas (6).
2. Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado I
porque las dimensiones de esa o esas ventanas (6) son tales que la
radiación incidente (7) en cada ventana (6) se proyecta parcialmente
sobre dos celdas fotosensoras contiguas, de manera que cada dos
celdas contiguas determinan un subsensor cuya fotocorriente generada
es proporcional al área iluminada; obteniéndose el ángulo de
incidencia de la luz (\theta) respecto a la dirección normal al
dispositivo (11, 11') como función de las fotocorrientes en las
metalizaciones terminales del correspondiente subsensor y de la
posición angular del subsensor iluminado respecto de la normal en el
centro geométrico de la ventana (6).
3. Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque
dichas celdas fotosensoras (C1, C2... Cn) están determinadas por
respectivos circuitos de fotodiodos construidos mediante difusión de
dopajes necesarios para establecer n diodos PN, en tanto que sus
metalizaciones terminales (M1, M2... Mn) se conectan a un circuito
electrónico (1) que está provisto de un convertidos A/D (9) y de un
microprocesador (10) que posibilitan procesamiento digital e
inclusión de curvas de calibración; conectándose dicho circuito
electrónico (1) a un bus de datos (8) mediante un interfaz (2).
4. Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque
dichas celdas fotosensoras (C1, C2... Cn) se disponen en la base u
oblea (3) en agrupaciones paralelas según una dirección del
dispositivo (11) o en agrupaciones paralelas según dos direcciones
perpendiculares del dispositivo (11').
5. Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque
la deposición de la lámina de material opaco (5) se realiza sobre
las paredes laterales y superior de la tapadera (4).
6. Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque
cada ventana (6) presenta una disposición asimétrica respecto de las
celdas fotosensoras para mejorar la respuesta del dispositivo cuando
la radiación incide formando un cierto ángulo mínimo.
7. Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque
cada ventana (6) se dimensiona para que la luz pueda incidir sobre
una, sobre dos o sobre más celdas fotosensoras.
8. Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque
las celdas fotosensoras presentan diferentes tamaños y disposiciones
simétricas o asimétricas respecto al centro del dispositivo.
9. Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque
el tamaño relativo de las celdas fotosensoras respecto de la
correspondiente ventana (6) es tal que permite medir el ángulo de
incidencia respecto al eje x, sin que se vea afectado por la luz que
penetra por la ventana (6) del dispositivo (11, 11') del eje y, y
viceversa.
10. Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque
la tapadera (4) está realizada en material transparente o
translúcido, como pyrex o cover-glass para
protección contra radiaciones de partículas de alta energía.
11. Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque
la tapadera (4) está realizada con un filtro óptico, seleccionado
entre diferentes espectros, tales como ultravioletas u otros.
12. Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque
la oblea semiconductora que constituye la base (3) y la capa de
material transparente que constituye la tapadera (4) se unen
mediante fusion-bonding,
anodic-bonding, o glue-bonding.
13. Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque
dicho dispositivo es susceptible de integrarse con uno o más
dispositivos análogos provisto de respectivas tapaderas a distintas
alturas al objeto de trabajar con distintos ángulos y aumentar la
precisión de la medida del ángulo de incidencia de la radiación.
14. Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado por
estar encapsulado en un formato de circuito integrado que posee una
abertura para la entrada de radiación.
15. Dispositivo de alta precisión para la
determinación del ángulo de incidencia de una radiación
luminiscente, según la reivindicación 3, caracterizado porque
dichos circuitos de fotodiodos incluyen amplificadores integrados de
conversión fotocorriente tensión y se ubican en un encapsulado que
alberga además al convertidor A/D (9) y al microprocesador (10)
constituyentes del referido circuito electrónico (1).
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