IT201800007263A1 - Sensore ottico a bassa potenza per applicazioni di consumo, industriali e automobilistiche - Google Patents

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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: “SENSORE OTTICO A BASSA POTENZA PER APPLICAZIONI DI CONSUMO, INDUSTRIALI E AUTOMOBILISTICHE”
La presente invenzione è relativa ad un sensore ottico a bassa potenza per applicazioni di consumo (″consumer″), industriali e automobilistiche (″automotive″).
Come noto, le tecnologie fotoniche stanno diventando sempre più diffuse nella vita quotidiana. Dopo decenni di rapidi progressi, le sorgenti luminose, in particolare laser e diodi emettitori di luce, sono diventate componenti ad alte prestazioni, ma a basso costo e affidabili, alla base, ad esempio, del funzionamento della rete internet e dell'illuminazione delle città.
Una nuova frontiera della ricerca è lo sviluppo di sorgenti luminose non classiche, quali sorgenti a bassa potenza in grado di produrre flussi di fotoni con velocità di emissione controllabile, decadimento rapido (pochi nanosecondi) e larghezza di banda spettrale ben definita. In particolare, sorgenti luminose robuste ed economiche in grado di emettere singoli fotoni su richiesta sono al centro di molte tecnologie ottiche con elevati requisiti. La possibilità di disporre dispositivi in grado di emettere singoli fotoni è stata dimostrata in diversi sistemi, tra cui atomi, ioni, molecole, punti quantici (QD), molti dei quali operano a temperature criogeniche e in condizioni di disomogeneità elevata e il loro uso su larga scala è quindi impraticabile.
Ad esempio, sono state studiate sorgenti a singolo fotone, pilotate elettricamente nel campo della luce visibile e utilizzanti centri di vacanza dell'azoto (NV) nel diamante, ma la compatibilità di queste sorgenti con i processi di produzione dei circuiti integrati odierni non è ovvia.
L'avere a disposizione un dispositivo basato su sorgenti a singolo fotone è d'altra parte auspicabile, dato che queste presentano caratteristiche spazio-temporali e cromaticità particolari e vantaggiose, grazie alla loro capacità di emettere pochi fotoni (fino a un singolo fotone) ad ogni attivazione (″burst″), con breve tempo di vita (dell'ordine dei nanosecondi), potere irraggiante apprezzabile anche in presenza di bassa eccitazione elettrica e/o ottica, basso consumo, banda di emissione stretta con bassa lunghezza d'onda (includente una banda di emissione nell'intervallo dell'infrarosso) e funzionamento anche a temperatura ambiente.
Inoltre, sono sempre più elevate le applicazioni che potrebbero giovare della presenza di dispositivi a sorgente a singolo fotone, quali sensori di prossimità a bassa potenza. Fra queste, per importanza, si possono citare applicazioni di consumo, industriali, automobilistiche e telecomunicazioni. In particolare, le reti di telecomunicazione sfruttano tecniche di crittografia sempre più complesse, per le quali sarebbe utile poter usare dispositivi ottici ad elevata velocità e presentanti finestre di trasmissione/ricezione ad intervalli di frequenza stretti e precisi. Altre applicazioni prevedibili sono sistemi di metrologia industriale, sistemi per l'automazione e il controllo di qualità; sistemi di generazione di immagini (″imaging systems″) basati sulla chemi- e fotoluminescenza, ad esempio per apparecchiature mediche di indagine diagnostica; o dispositivi portatili di diagnostica, utilizzabili direttamente dai singoli pazienti, quali sensori di battito cardiaco, sensori di ossigenazione, ecc.
Attualmente, tuttavia, le soluzioni proposte non soddisfano completamente i requisiti di precisione, rapidità, basso costo e affidabilità desiderati.
Ad esempio, la figura 1 mostra la struttura di un sensore di prossimità noto, che misura il tempo impiegato dalla luce per percorrere un tragitto prefissato (detto anche sensore del tempo di volo - time-of-flight sensor), utilizzabile in una varietà di applicazioni, ad esempio per la ricostruzione di superfici tridimensionali.
Il sensore di prossimità di figura 1, indicato nel suo complesso con 1, comprende un emettitore luminoso 2, ad esempio un laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) o un LED a base di AlGaAs che emette una radiazione luminosa pulsata L1 (ad esempio, una serie di impulsi luminosi di durata brevissima, inferiore al nanosecondo con lunghezza d'onda a 940 nm); un ricevitore luminoso 3, ad esempio un fotodiodo a valanga operante in modalità Geiger, anche noto come diodo a valanga a singolo fotone (“Single Photon Avalanche Diode”, SPAD, ad esempio come descritto nella domanda di brevetto USA 2014/0339398) o un fotomoltiplicatore di silicio (″Silicon PhotoMultiplier″, SiPM), costituito da una schiera di fotodiodi SPAD, e generante in uscita un segnale di rilevamento s1; un comparatore 4, che confronta il segnale di rilevamento s1 generato dal ricevitore luminoso 3 con un soglia e genera in uscita un segnale di arresto s2; un convertitore tempo/ampiezza TAC 5, ricevente un segnale di trigger sT dall'emettitore luminoso 2 e il segnale di arresto s2 ed un convertitore analogico/digitale 6, collegato all'uscita del convertitore tempo/ampiezza 5. Un alimentatore 9 alimenta i blocchi del sensore di prossimità 1.
Nel sensore di prossimità 1 (si veda anche lo schema semplificato di figura 2), l'emettitore luminoso 2 emette la radiazione luminosa L1 verso un oggetto 7 di cui si vuole determinare la distanza e contemporaneamente il segnale di trigger sT; la radiazione luminosa riflessa dall'oggetto 7 (indicata con L2) viene rilevata dal ricevitore luminoso 3 che determina la generazione del segnale di arresto s2 da parte del comparatore 4 (ad esempio un discriminatore di frazione costante (“constant fraction discriminator”, CFD). Il convertitore tempo/ampiezza 5 (ad esempio un contatore) genera un segnale di distanza sD che, dopo digitalizzazione, può essere visualizzato su uno schermo di visualizzazione 8.
Tale schema si basa sull'uso di un circuito di pilotaggio dell'emettitore luminoso 2 realizzato in tecnologia CMOS e tale da consentire all'emettitore luminoso 2 di generare luce in tempi ridotti, elevata energia e sufficiente precisione. Tuttavia, tale circuito è piuttosto complesso, deve essere realizzato separatamente (non può essere integrato nella stessa piastrina dell'emettitore luminoso 2) per cui il sensore di prossimità 1 è complesso e costoso.
E' auspicabile quindi realizzare un sensore di prossimità che non necessiti di componenti complessi e presenti quindi struttura più semplice e costi inferiori.
Nell'ambito dei dispositivi emettitori di luce, sono stati proposti fotodiodi a base di SiC operanti in condizione di polarizzazione diretta (si veda ad esempio in figura 3). Tali diodi, che operano in modo LED, emettono luce per elettroluminescenza e si caratterizzano per un picco di emissione a lunghezza d'onda di circa 480 nm (quindi, nell'intervallo della luce blu). Studio recenti (si veda ad esempio ″Silicon carbide light-emitting diode as a prospective room temperature source for single photons″ di F. Fuchs et al., https://www.nature.com/articles/srep01637, pubblicato online il 10 aprile 2013) mostrano che simili fotodiodi possono presentare anche un picco non trascurabile a circa 900 nm (quindi, nell'intervallo infrarosso, si veda la figura 4, in cui EL è lo spettro di elettroluminescenza di un LED di carburo di silicio (SiC) e PL è lo spettro di fotoluminescenza di un campione di riferimento di SiC, registrati a temperatura ambiente). Tale emissione è stata riconosciuta come dovuta alla presenza di vacanze (″vacancies″) nel silicio, ottenibili per irradiazione di elettroni ad elevata energia. In particolare, nei dispositivi irradiati, si è visto che le vacanze determinano una transizione di livello dalla banda di valenza alla banda di conduzione e che gli elettroni, dopo l'eccitazione al livello superiore proibito, si riportano nel livello inferiore in un intervallo di tempo dei nanosecondi, emettendo luce nel campo del vicino infrarosso (NIR) con caratteristiche di emissione a singolo fotone.
Ad esempio, la figura 5 mostra sistema di prova 10 realizzato dalla Richiedente. Il sistema di prova 10 comprende un elemento emettitore 11 formato da un dispositivo emettitore di luce a singolo fotone SPLE -Single Photon Light Emitter e un elemento rilevatore 12 formato da un fotomoltiplicatore di silicio operante in condizione di rilevamento di singolo fotone e ricevente una frazione di luce emessa dall'elemento emettitore 11 e riflessa da una fetta di silicio 13 di tipo riflettente. Un primo filtro 14 (formato da un filtro passa-banda a 900 nm) è disposto sull'elemento emettitore 11 e un secondo filtro 15 (formato da un filtro long-pass -passa alto- che lascia passare radiazione nel vicino infrarosso - filtro NIR) è disposto sull'elemento rilevatore 12. La figura 6A mostra la caratteristica corrente/tensione del rivelatore 12. Come si nota, in condizione di polarizzazione inversa, dopo una zona di funzionamento in modo lineare a bassa corrente (zona A della curva di figura 6A), nella zona di funzionamento in modalità Geiger (zona B della curva di figura 6A), si ha un rapido incremento di corrente, associato all'emissione di luce, ma di valore ancora basso e visibile solo in condizione di funzionamento in modalità Geiger. Tale emissione è evidenziata nei tracciati di figura 6B, relativi alla sequenza di impulsi di corrente Geiger in condizione di buio (sopra) e in presenza di illuminazione (sotto). In particolare, tali misure sono state effettuate a temperatura ambiente con una polarizzazione diretta dell’emettitore di 2,4 V e corrente di 0,1 mA. Come si nota, il tracciato inferiore mostra picchi ascrivibili a conteggi multipli legati al rilevamento contemporaneo, da parte dell'elemento rilevatore 12, di singoli fotoni nel campo NIR emessi dai diodi della schiera dell'elemento emettitore 11. Tali picchi compaiono in modo casuale ma determinano l'emissione di una quantità di luce non trascurabile.
Il sistema di prova 10 conferma quindi che lavorando in modalità Geiger, ma non in modalità lineare, è possibile rivelare l’emissione di fotoni in campo NIR emessi dall’emettitore in modalità SPLE.
Scopo della presente invenzione è realizzare un sensore ottico perfezionato che sfrutti le potenzialità dei dispositivi SPLE.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un dispositivo sensore di prossimità, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 è uno schema a blocchi di un sensore di prossimità noto;
- la figura 2 mostra la modalità di lavoro di alcuni componenti del sensore di figura 1;
- la figura 3 è una vista prospettica della realizzazione di un componente del sensore di figura 1;
- la figura 4 mostra le curve di emissione del componente di figura 3;
- la figura 5 mostra la configurazione di un sistema di prova realizzato dalla Richiedente;
- la figura 6A mostra la caratteristica corrente/tensione del componente di figura 3;
- la figura 6B mostra la sequenza di impulsi di corrente Geiger del componente di figura 3;
- le figure 7-10 mostrano diverse configurazioni di sensori ottici secondo varie forme di realizzazione del presente sensore;
- le figure 11A e 11B sono schemi a blocchi di due possibili implementazioni di un sensore di prossimità utilizzanti il sensore ottico secondo una delle configurazioni delle figure 7-10;
- la figura 12 mostra un'altra configurazione del presente sensore ottico per la realizzazione di un sensore ottico in configurazione di misura del tempo di volo;
- la figura 13 mostra uno schema a blocchi di un'applicazione del sensore ottico di figura 12;
- le figura 14-21 mostrano sezioni trasversali attraverso un dispositivo fotoemettitore utilizzabile nelle forme di realizzazione delle figure 7-13 in successive fasi di fabbricazione;
- la figura 22 è una vista dall'alto su una porzione del dispositivo fotoemettitore di figura 19;
- le figure 23-24 mostrano sezioni trasversali attraverso del dispositivo fotoemettitore delle figure 14-19 in ulteriori fasi di fabbricazione; e
- la figura 25 mostra spettri di elettroluminescenza ottenuti con un dispositivo fotoemettitore realizzato secondo le figure 14-24.
La figura 7 mostra un sensore ottico 20 avente una configurazione in modalità a riflessione.
Il sensore ottico 20 comprende un contenitore 21, ad esempio di materiale plastico annerito, quale PVC, policarbonato, ecc., adatto per applicazioni ottiche. Il contenitore 21 presenta una prima e una seconda cavità 22A, 22B, affiancate ed estendentisi a partire da una stessa faccia 21A del contenitore 21. La prima cavità 22A alloggia un elemento emettitore di luce 24; la seconda cavità alloggia un elemento ricevitore di luce 25.
L'elemento emettitore di luce 24 è un dispositivo emettitore di luce a singolo fotone SPLE - Single Photon Light Emitter, tipicamente integrato in una piastrina. Il dispositivo SPLE è realizzato di un qualunque materiale in grado di operare a singola emissione, come sopra descritto, ad esempio può essere realizzato di SiC, GaN, AlGaN e altri materiali a larga banda proibita (″wide band gap″) con valore della banda proibita maggiore o uguale a 2,3 eV, quali ad esempio il diamante. Il dispositivo SPLE può anche essere costituito da un laser basato sul funzionamento SPLE o dal dispositivo decritto sotto con riferimento alle figure 14-24.
L'elemento ricevitore di luce 25 è costituito da un fotodiodo a valanga (APD - Avalanche PhotoDiode) o da diodi a valanga a singolo fotone (SPAD - Single Photon Avalanche Diode) a singoli pixel o in schiere, anche nella modalità SiPM - Silicon Photo Multiplier, che assorbe/assorbono luce nella banda di emissione dell'elemento emettitore di luce 24.
Il contenitore 21 alloggia anche una elettronica di controllo; in particolare un circuito di controllo e alimentazione 30 per e collegato all'elemento emettitore di luce 24 e un circuito di alimentazione e lettura 31 per e collegato all'elemento ricevitore di luce 25. I circuiti 24 e 26 sono collegati con l'esterno ad esempio tramite connessioni 27A, 27B.
Le cavità 22A e 22B possono essere chiuse superiormente da un elemento di filtro 33, ad esempio realizzato come lastra fissata alla faccia 21A del contenitore 21. L'elemento di filtro 33 è costituito da un filtro ottico passabanda che blocca la luce visibile e lascia passare solo la componente luminosa nella banda di emissione dell'elemento emettitore di luce 24 (ad esempio nell'infrarosso).
In uso, una superficie riflettente 34 viene disposta affacciata alla faccia 21A del contenitore 21. La superficie riflettente 34 è tipicamente disposta esternamente al contenitore 21. La superficie riflettente 34 è costituita da un oggetto di cui si vuole misurare una proprietà, e può essere costituita da una superficie di un oggetto esterno, un tessuto organico, una miscela di gas, ecc.
Per l'esecuzione della misura, come indicato dalle frecce, l'elemento emettitore di luce 24 viene alimentato in continua a bassa tensione (ad esempio ad una tensione compresa fra 2 e 3 V) ed emette una radiazione luminosa a singolo fotone 35 a lunghezza d'onda prefissata verso l'elemento di filtro 33. In particolare, la radiazione luminosa a singolo fotone 35 viene emessa come pacchetti di fotoni emessi in modo random nel tempo. Attualmente, l'elemento emettitore di luce 24 emette fotoni o pacchetti di fotoni (nel caso sia realizzato come schiera di elementi) ad una velocità di 10<6 >fotoni o pacchetti di fotoni al secondo (ovvero viene emesso un fotone/pacchetto di fotoni al microsecondo). L'elemento emettitore di luce 24 emette inoltre ulteriore radiazione luminosa 36(tipicamente nel visibile) verso l'elemento di filtro 33. L'elemento di filtro 33 blocca tale ulteriore radiazione luminosa 36 e lascia passare la radiazione luminosa a singolo fotone 35 che incide e viene riflessa dalla superficie riflettente 34 come radiazione di misura 37. Questo riceve la radiazione di misura 37 e fornisce in uscita un segnale che può essere elaborato, come descritto più in dettaglio con riferimento alla figura 11. In alternativa, il contenitore 21 può alloggiare l'elettronica di elaborazione e sorgenti di alimentazione e fornire in uscita (ad esempio ad un visualizzatore e/o un sistema più complesso) un segnale già elaborato.
La figura 8 mostra un sensore ottico 40 avente una configurazione in modalità di trasmissione. Il sensore ottico 40 comprende un contenitore 41 a forma di C o altra forma e dotato di due superfici di supporto 41A e 41B affacciate reciprocamente. Le superfici di supporto 41A e 41B portano rispettivamente un elemento emettitore di luce 44 e un elemento ricevitore di luce 45, che quindi sono anch'essi affacciati reciprocamente. L'elemento emettitore di luce 44 e l'elemento ricevitore di luce 45 possono essere realizzati come sopra descritto per i corrispondenti elementi 24 e 25 e sono configurati per emettere e, rispettivamente, per assorbire una radiazione luminosa a singolo fotone 55.
Un elemento di filtro 53 (realizzato come il corrispondente elemento di filtro 33 di figura 7) è disposto fra l'elemento emettitore di luce 44 e l'elemento ricevitore di luce 45; tipicamente, l'elemento di filtro 53 è disposto al di sopra della superficie emittente 44A dell'elemento emettitore di luce 44 (a contatto o a breve distanza da questo). In alternativa, l'elemento di filtro 53 è disposto al di sopra della superficie di assorbimento 45A dell'elemento ricevitore di luce 45 (a contatto o a breve distanza da questo).
Un circuito di controllo e alimentazione 50 è alloggiato nel contenitore 41 al di sotto dell'elemento emettitore di luce 44 e collegato elettricamente a questo nonché ad un'elettronica di elaborazione 57 integrata nel contenitore 41; un circuito alimentazione e lettura 51 è alloggiato nel contenitore 41 al di sotto dell'elemento ricevitore di luce 55 e collegato elettricamente a questo nonché all'elettronica di elaborazione 57.
Il funzionamento del sensore ottico 40 è simile a quello del sensore ottico 20 descritto sopra. Qui, una superficie di misura 54 viene disposta fra l'elemento emettitore di luce 44 e l'elemento ricevitore di luce 45 e può essere costituita da un materiale opaco alla luce ma trasparente alla radiazione luminosa a singolo fotone 55 e rappresenta l'oggetto da misurare, ad esempio costituito da un oggetto opaco, un tessuto organico, una miscela di gas, ecc.
La figura 9 mostra un sensore ottico 60 per funzionamento a sorgente di luce LED multibanda in configurazione a riflessione.
In dettaglio, il sensore ottico 60 di figura 9 comprende un contenitore 61 analogo al contenitore 21 di figura 7 e dotato di una prima e una seconda cavità 62A, 62B alloggianti rispettivamente un elemento emettitore di luce 64 ed un elemento ricevitore di luce 65.
L'elemento emettitore di luce 64 di figura 9 è un dispositivo emettitore di luce a singolo fotone SPLE di tipo iperspettrale, tipicamente integrato in una piastrina e configurato in modo da emettere una radiazione luminosa a singolo fotone a due distinte lunghezze d'onda. In figura 9, tale radiazione è indicata da due frecce 75A, 75B, rappresentanti ciascuna un fotone o pacchetto di fotoni avente una rispettiva, differente lunghezza d'onda. In particolare, l'elemento emettitore di luce 64 è realizzato di un materiale analogo a quello del dispositivo SPLE di figura 7, nel quale è stata realizzata una difettosità controllata, prodotta appositamente tramite irradiazione di elettroni o ioni.
L'elemento ricevitore di luce 65 è costituito da un fotodiodo a valanga (APD - Avalanche PhotoDiode) o da diodi a valanga a singolo fotone (SPAD - Single Photon Avalanche Diode) a singoli pixel o in schiere, in modo simile all'elemento ricevitore 25 di figura 7. Due filtri di ricevimento 73A, 73B sono disposti al di sopra dell'elemento ricevitore di luce 65. Ad esempio, i filtri di ricevimento 73A, 73B sono filtri di assorbimento o filtri interferenziali microsagomati (″micropatterned″), sensibili a radiazioni luminose a differenti lunghezza d'onda, corrispondenti alle lunghezze d'onda della radiazione luminosa a singolo fotone 75.
Nel sensore ottico 60 di figura 9, le cavità 62A e 62B sono chiuse superiormente da un elemento di copertura 73, trasparente, che idealmente non blocca la luce.
Il contenitore 61 alloggia anche qui un circuito di controllo e alimentazione 70 e un circuito alimentazione e lettura 71.
In uso, una superficie riflettente 74 viene disposta affacciata alla faccia 61A del contenitore 61, analogamente a quanto descritto per la superficie riflettente 54 di figura 7.
La figura 10 mostra un sensore ottico 80 per funzionamento a sorgente di luce LED multibanda in configurazione a trasmissione.
In dettaglio, il sensore ottico 80 di figura 10 comprende un contenitore 81 analogo al contenitore 41 di figura 8. Il contenitore 81 ha anche qui forma a C con due superfici di supporto 81A e 81B affacciate reciprocamente. Le superfici di supporto 81A e 81B portano rispettivamente un elemento emettitore di luce 84 e un elemento ricevitore di luce 85, affacciati reciprocamente.
L'elemento emettitore di luce 84 di figura 10 è analogo all'elemento emettitore di luce 64 di figura 9 e quindi è di tipo a singolo fotone SPLE iperspettrale, configurato in modo da emettere una radiazione luminosa a singolo fotone 95A, 95B a due distinte lunghezze d'onda.
L'elemento ricevitore di luce 85 di figura 10 è analogo all'elemento ricevitore di luce 65 e quindi può essere costituito da un fotodiodo a valanga APD o da diodi a valanga a singolo fotone SPAD ed è dotato di due filtri di ricevimento 93A, 93B, analoghi ai filtri di ricevimento 73A, 73B di figura 9.
Analogamente alla figura 9, i filtri di ricevimento 93A, 93B sono disposti al di sopra dell'elemento ricevitore di luce 85 (a contatto o a breve distanza da questo).
Un circuito di controllo e alimentazione 90 è alloggiato nel contenitore 81 e accoppiato elettricamente all'elemento emettitore di luce 84 nonché ad un'elettronica di elaborazione 97 integrata nel contenitore 81; un circuito di alimentazione e lettura 91 è alloggiato nel contenitore 81 e accoppiato elettricamente all'elemento ricevitore di luce 85 nonché all'elettronica di elaborazione 97.
Anche qui, in uso, una superficie di misura 94 viene disposta fra l'elemento emettitore di luce 84 e l'elemento ricevitore di luce 85. Analogamente alla superficie di misura 54 di figura 8, la superficie di misura 94 può essere un materiale opaco alla luce ma trasparente alla radiazione luminosa a singolo fotone, qui rappresentata da due frecce 95A, 95B, ciascuna relativa ad una rispettiva, differente lunghezza d'onda.
La figura 11A mostra la struttura di un sensore di prossimità 100 che utilizza il sensore ottico delle figure 7-10. In questa figura, alcuni dei blocchi illustrati possono essere integrati all'interno del contenitore del sensore ottico (ad esempio formati dall'elettronica di elaborazione 57, 97), possono essere integrati in uno o più dispositivi integrati esterni configurati in modo da eseguire una o più funzioni di gestione e controllo, o possono fare parte di un sistema più complesso, formato da una pluralità di dispositivi integrati e/o unità di elaborazione, ciascuna dotata di specifica funzionalità.
In dettaglio, il sensore di prossimità 100 comprende un'unità ottica 101, che può essere costituita dal sensore ottico 20, 40, 60 o 80 e comprende quindi un elemento emettitore di luce SPLE 102, un elemento ricevitore di luce SPAD/SiPM 103 ed un'unità di alimentazione (power supply) 104. L'unità di alimentazione 104 può tuttavia essere esterna.
L'uscita dell'elemento ricevitore di luce SPAD/SiPM 103 è collegata ad un'unità di filtro e amplificazione 107 a sua volta collegata in uscita ad un convertitore analogico/digitale ADC 108.
Un microcontrollore 110 è collegato al sensore ottico 101, e più precisamente all'elemento emettitore di luce SPLE 102, all'unità di filtro e amplificazione 107 e ad un apparecchio esterno 111, ad esempio un calcolatore personale, un visualizzatore o un'unità di memoria.
L'elemento emettitore di luce SPLE 102 opera in polarizzazione diretta, ad es. a tensione 2-3 V e corrente di 100 µA-10 mA in modo continuo o commutato (″gated″), tipicamente ad una frequenza di 50 Hz e un tempo di attivazione di 1-10 µs. Nel primo caso, l'elemento emettitore di luce SPLE 102 viene attivato dal microcontrollore 110 in modo da emettere luce in modo random; nel secondo caso esso viene attivato in modo da emettere luce solo negli intervalli di accensione previsti.
L'elemento ricevitore di luce SPAD/SiPM 103 può anch'esso operare in condizione di ″free running″ o commutata e, quando rileva la luce (ad esempio riflessa o trasmessa da un oggetto da esaminare, secondo uno degli schemi mostrati nelle figure 7-10), genera un segnale elettrico. Tale segnale elettrico viene filtrato e amplificato dall'unità di filtro e amplificazione 107 in modo da ridurre il rumore elettronico ed eventualmente portarlo ad un livello adatto per la sua successiva elaborazione.
Il convertitore analogico/digitale ADC 108 rileva la carica media fornita dall'elemento ricevitore di luce SPAD/SiPM 103 in un intervallo di tempo fissato. A questo scopo, esso opera in modalità di integrazione di carica, ad esempio ad una frequenza di campionamento maggiore di 50 Hz e con risoluzione di 14 bit, e fornisce il segnale digitale così ottenuto al microcontrollore 110. Questo, oltre ad operare come unità di gestione della temporizzazione per l'elemento emettitore di luce SPLE 102, comunica con il convertitore analogico/digitale ADC 108 per controllare la frequenza di digitalizzazione e fornisce le informazioni elaborate all'apparecchio esterno 111, ad esempio tramite un'unità USB.
La figura 11B mostra una variante del sensore di prossimità 100, indicata con 100', utilizzabile quando l'elemento ricevitore di luce SPAD/SiPM 103 opera in modalità Geiger. In questo caso, il convertitore analogico/digitale ADC 108 di figura 11A è sostituito da un comparatore 113 e da un contatore 114, reciprocamente in cascata. Qui, il comparatore lavora in modo continuo in modo da rilevare i segnali che superano una prefissata soglia, ad esempio (nel caso di elemento ricevitore di luce SPAD/SiPM 103 di tipo multicella) per conteggiare il rilevamento di pacchetti di fotoni, ignorando il rilevamento di singoli fotoni. Il contatore 114 conteggia quindi il numero di pacchetti di fotoni ricevuti in un intervallo di tempo prefissato (ad esempio sotto il controllo del microcontrollore 110) e fornisce il risultato del conteggio a quest'ultimo.
Le figure 12 e 13 mostrano rispettivamente la struttura di un sensore ottico 130 utilizzabile come sensore di volo e la configurazione dell'elettronica associata ad esso.
In figura 12, il sensore ottico 130 comprende un contenitore 131 avente una prima, una seconda e una terza cavità 132A, 132B, 132C, affiancate ed estendentisi a partire da una stessa faccia 131A del contenitore 131. La prima cavità 132A alloggia un elemento emettitore di luce 135; la seconda e la terza cavità 132B, 132C alloggiano rispettivamente un elemento ricevitore di luce di riferimento 136R e un elemento ricevitore di luce di misura 136M.
L'elemento emettitore di luce 135 è un dispositivo emettitore di luce a singolo fotone SPLE - Single Photon Light Emitter, tipicamente integrato in una piastrina, del tipo indicato sopra con riferimento alle figure 7-10.
Gli elementi ricevitori di luce di riferimento e di misura 136R, 136M sono costituiti ciascuno da un fotodiodo a valanga (APD - Avalanche PhotoDiode) o da schiere di diodi a valanga a singolo fotone (SPAD - Single Photon Avalanche Diode), del tipo descritto sopra con riferimento alle figure 7-10. Essi sono tipicamente uguali fra loro.
Il contenitore 131 alloggia anche un circuito di controllo e alimentazione 140 collegato all'elemento emettitore di luce 135 e due circuiti di alimentazione e lettura 141R, 141M collegati rispettivamente all'elemento ricevitore di luce 136R, 136M. I circuiti 140, 141R e 141M sono collegati con l'esterno ad esempio tramite connessioni non mostrate.
Le cavità 132, 132B, 132C possono essere chiuse superiormente da un elemento di filtro 144, ad esempio realizzato come l'elemento di filtro 33 di figura 7.
Il sensore di tempo di volo 130 comprende inoltre un divisore di fascio 145, disposto al di sopra dell'elemento emettitore di luce 135, ed uno specchio ottico 146.
Il divisore di fascio 145 è disposto sul percorso della radiazione luminosa 150 emessa dall'elemento emettitore di luce 135 ed è configurato in modo da trasmetterne una prima parte (porzione trasmessa 150A) verso una superficie riflettente 155 e da rifletterne una seconda parte (porzione riflessa 150B) verso lo specchio ottico 146.
A sua volta, lo specchio ottico 146 è disposto in modo da riflettere la porzione riflessa 150B verso l'elemento ricevitore di luce di riferimento 136R.
In uso, la superficie riflettente 145 (di cui si desidera conoscere la distanza o altre caratteristiche attraverso il tempo di volo) viene disposta affacciata alla faccia 131A del contenitore 131. Anche qui, la superficie riflettente 145 può essere costituita da una superficie di un oggetto esterno, un tessuto organico, una miscela di gas, ecc.
Per l'esecuzione della misura, può venire utilizzata un'elettronica come mostrato in figura 13.
La figura 13 mostra un sensore di prossimità 180 in configurazione a modulo di misura del tempo di volo.
Il sensore di prossimità 180 comprende il sensore ottico 130 di figura 12; un comparatore 181, un convertitore tempo/ampiezza 182, un convertitore analogico/digitale 183 e un'unità di elaborazione 184. In figura 13, i circuiti 140, 141R e 141M di alimentazione, controllo e lettura sono rappresentati da un unico blocco di alimentazione 185.
In particolare, il comparatore 181 può essere un discriminatore di frazione costante (“constant fraction discriminator”, CFD, ed è collegato all'uscita dell'elemento ricevitore di luce di misura 136M. Il convertitore tempo/ampiezza 182 è ad esempio un contatore dotato di un ingresso di attivazione (START) e di un ingresso di disattivazione (STOP) collegati rispettivamente all'uscita dell'elemento ricevitore di luce di riferimento 136R (da cui il convertitore tempo/ampiezza 182 riceve un segnale di attivazione s1) e all'uscita del comparatore 181 (da cui esso riceve un segnale di disattivazione s2). Il convertitore analogico/digitale 183 è collegato all'uscita del convertitore tempo/ampiezza 182 e può essere un semplice digitalizzatore a 14 bit; e l'unità di elaborazione 184 è collegata all'uscita del convertitore analogico/digitale 183 e può essere costituita da un microprocessore, un calcolatore o altra unità intelligente.
In uso, l'elemento emettitore di luce 135 è polarizzato in diretta in modalità continua. Quando esso emette un fotone o pacchetto di fotoni, questo viene rilevato sia dall'elemento ricevitore di luce di riferimento 136R, dopo riflessione sullo specchio ottico 146, sia dall'elemento ricevitore di luce di misura 136M, dopo riflessione sulla superficie riflettente 145.
Data la breve distanza fra l'elemento ricevitore di luce di riferimento 136R e l'elemento emettitore di luce 135, nonché dello specchio ottico 146, in generale il percorso della porzione riflessa 150B è più breve del percorso della porzione trasmessa 150A e quindi l'elemento ricevitore di luce di riferimento 136R rileva la porzione riflessa 150B prima di quando l'elemento ricevitore di luce di misura 136M rilevi la porzione trasmessa 150A.
Di conseguenza, anche considerando che la radiazione luminosa ricevuta dagli elementi ricevitori di luce di misura e di riferimento (porzione trasmessa 150A e porzione riflessa 150B) hanno le stesse caratteristiche temporali, dapprima l'elemento ricevitore di luce di riferimento 136R rileva la porzione riflessa 150B e genera il segnale di attivazione s1, che attiva il convertitore tempo/ampiezza 182. In seguito, l'elemento ricevitore di luce di misura 136M rileva la porzione trasmessa 150A e genera il segnale di disattivazione s2.
Il convertitore tempo/ampiezza 182 può quindi fornire in uscita un segnale s3 indicativo del ritardo di rilevamento dell'elemento ricevitore di luce di misura 136M rispetto all'elemento ricevitore di luce di riferimento 136R. L'unità di elaborazione 184 può quindi ricavare le informazioni desiderate relative alla superficie riflettente 145, in modo di per sé noto.
Il sensore di prossimità descritto con riferimento alle figure 7-13 presenta i seguenti vantaggi:
− elevatissima sensibilità, dato che può operare a livello di singolo fotone con elevata efficienza anche in ambienti molto scuri o su superfici fortemente illuminate, − consumo molto ridotto, dato che il funzionamento SPLE è stato dimostrato anche con sorgenti di luce a bassa potenza, fino a 50 µW, e a distanza di 10 cm dall'oggetto illuminato;
− funzionamento a temperatura ambiente, senza necessità di raffreddamento per aumentare la sensibilità;
− configurazione ottica utilizzabile per misure di prossimità standard (misure di cambi di intensità luminosa riflessa da o trasmessa attraverso un oggetto), con l'elemento emettitore di luce polarizzato in modo continuo o commutato;
− semplicità dell'elettronica associata in configurazione di misura del tempo di volo, grazie alla coerenza della luce nei dispositivi SPLE e alla possibilità di osservare segnali molto rapidi con l'elemento emettitore di luce polarizzato in modo continuo che non richiede un'elettronica di pilotaggio molto rapida ma molto complessa e poco performante;
− possibilità di utilizzare l'emissione multi-lunghezza d'onda per analisi iperspettrali, senza la necessità di utilizzare fosfori di conversione a bassa durata (″lifetime″) in resina epossidica per produrre un'emissione luminosa a lunghezze d'onda maggiori;
− elevata purezza del segnale luminoso (singolo fotone) dei dispositivi SPLE, utile in molte applicazioni; e
− possibilità di implementare strutture integrate adatte a migliorare la monocromaticità e la luminosità dell'emissione luminosa (ad esempio in modalità di funzionamento VCSEL).
Le figure 14-24 mostrano fasi di fabbricazione di un elemento emettitore di luce a singolo fotone nell'intervallo NIR utilizzabile nei sensori di prossimità delle figure 7-13 o in altre applicazioni in cui si desidera aumentare l'emissione luminosa (anche per applicazioni non limitate ai sensori di prossimità).
La figura 14 mostra una fetta 200 di materiale allo stato solido e larga banda proibita con valore della banda proibita maggiore o uguale a 2,3 eV, qui carburo di silicio (SiC), comprendente un substrato 201 di tipo N<++ >e uno strato epitassiale 202 di tipo N-. Ad esempio, il substrato 201 può essere 4H-SiC con spessore 350 µm e drogaggio pari a 1x10<19 >at/cm<3 >e lo strato epitassiale 202 può avere spessore pari a 4 µm e drogaggio pari a 1x10<14 >at/cm<3>. Lo strato epitassiale 202 forma una regione di catodo e presenta una superficie frontale 200A della fetta 200.
Dopo usuali fasi iniziali di pulizia, realizzazione di marcatori di zero layer, ecc., sulla superficie frontale 200A della fetta 200 viene deposta una maschera di anodo 203, figura 15. Ad esempio, la maschera di anodo 203 può essere una maschera hard di TEOS (TetraEtilOrtosilicato), depositata per PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) e definente una finestra di anodo 204.
Quindi, viene eseguito un impianto di anodo. Ad esempio, può essere impiantato alluminio ad un'energia compresa fra 30 keV e 80 keV e una dose compresa fra 5x10<13>cm<-2 >e 1x10<14>cm<-2>, ad una temperatura di circa 400°C. Si forma così un sottile strato di anodo 205, sotto la finestra di anodo 204.
In figura 16, la maschera di anodo 203 viene rimossa con un attacco umido, la superficie frontale 200A della fetta 200 viene coperta con uno strato protettivo (in modo non mostrato) e viene effettuata una fase termica (″annealing″) di attivazione degli ioni alluminio, ad esempio a temperatura di 1650°C per 30 minuti in ambiente di argon. Si forma in questo modo una regione di anodo 206 di tipo P<++>, formante una giunzione 208 con la regione di catodo (strato epitassiale 202).
Dopo la rimozione dello strato protettivo, figura 17, viene deposta una maschera di anello 210. La maschera di anello 210 è ad esempio una maschera hard di TEOS (TetraEtilOrtosilicato), depositata per PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), avente una finestra di anello 211. La finestra di anello 211 ha forma anulare e circonda la regione di anodo 206.
Quindi, viene eseguito un impianto di anello, ad esempio, con boro o alluminio. Nel caso venga impiantato boro, è possibile usare un'energia compresa fra 30 keV e 80 keV e una dose compresa fra 8x10<14>cm<-2 >e 1,2x10<15>cm<-2>, con trattamento rapido (RT). Si forma così un sottile strato di anello 212, sotto la finestra di anello 211.
Viene quindi eseguito un trattamento termico di riduzione dei difetti dell'impianto. Ad esempio, il trattamento viene eseguito ad una temperatura di circa 1050°C per 90 minuti in ambiente ossidante. Quindi, la maschera di anello 210 viene rimossa. Si ottiene quindi la struttura di figura 18, in cui una regione di anello 213 di tipo P<- >si estende intorno e contigua alla regione di anodo 206.
In seguito, figura 19, la superficie frontale 200A della fetta 200 viene coperta nuovamente con uno strato protettivo (non mostrato), ad esempio di resist o TEOS, e sulla superficie posteriore 200B della fetta 200 viene realizzata una regione di contatto di catodo 214. Ad esempio dapprima nichel viene depositato per sputtering; quindi lo strato protettivo (non mostrato) sulla superficie frontale 200A della fetta 200 viene rimosso e viene effettuato un trattamento termico rapido (RTA) che porta alla formazione della regione di contatto di catodo 214.
Successivamente, figura 20, sulla superficie frontale 200A della fetta 200 viene cresciuto uno strato di ossido di campo 215, in modo di per sé noto. Lo strato di ossido di campo 215 presenta una finestra 216 al di sopra della regione di anodo 206 e di buona parte della regione ad anello 213, e delimita in questo modo un'area attiva 217 all'interno della fetta 200.
Quindi, figura 21, vengono realizzati contemporaneamente una regione di contatto di anodo 220 e una regione di distribuzione potenziale 221. Ad esempio, sulla superficie frontale 200A della fetta 200 viene depositato per sputtering uno strato metallico, ad esempio nichel o siliciuro di nichel, per uno spessore di circa 200 nm, lo strato metallico viene rimosso selettivamente tramite una apposita maschera, ad esempio mediante attacco umido, e viene eseguito un trattamento termico, ad esempio un trattamento termico rapido (RTA) a 650°C per 60 s in ambiente azoto.
In tal modo, come mostrato nella vista dall'alto di figura 21 relativa a circa un quarto della struttura, la regione di contatto di anodo 220 presenta forma anulare che si estende lungo il bordo della finestra 216 dello strato di ossido di campo 215, al di sopra dello strato di ossido di campo 215 stesso, a contatto elettrico diretto con la regione anulare 213 e parte della regione di anodo 206.
Inoltre, come pure mostrato nella vista dall'alto di figura 21, la regione di distribuzione potenziale 221 è formata da una griglia di porzioni di distribuzione potenziale 222 che si estendono su tutta la superficie della regione di anodo 206. Le porzioni di distribuzione potenziale 222 sono in contatto elettrico fra loro e alla regione di contatto di anodo 220; inoltre esse sono contigue e a contatto elettrico diretto con la regione di anodo 206. Le porzioni di distribuzione potenziale 222 si estendono regolarmente su tale superficie, a distanza costante. Nell'esempio mostrato in figura 21, le porzioni di distribuzione potenziale 222 sono costituite da strisce fra loro parallele. In questo caso, secondo un esempio di realizzazione, le porzioni di distribuzione potenziale 222 possono avere larghezza compresa fra 1 e 3 µm e distare fra loro di una distanza compresa fra 4 e 10 µm. Secondo una diversa forma di realizzazione, le porzioni di distribuzione potenziale 222 possono formare una maglia, ad esempio quadrata, con porzioni intersecantisi trasversalmente fra loro. Tuttavia, la forma della regione di distribuzione potenziale 221 può anche variare, purché tale da consentire l'emissione di fotoni verso l'ambiente esterno e in grado di ridurre le cadute resistive fra la regione di contatto di anodo 220 e la parte centrale della regione di anodo 206.
Quindi, figura 23, viene eseguito un trattamento termico di annealing in ambiente azoto, in un intervallo di temperature compreso fra 400°C e 600°C, per un tempo di 30-180 minuti. Tale trattamento, compatibile con le fasi di fabbricazione precedenti, induce difetti nell'area attiva 217, dove avviene l'emissione di radiazione luminosa.
In seguito, figura 24, viene effettuato un impianto ionico tale da introdurre ulteriori difetti nell'area attiva 217, come rappresentato schematicamente dalle frecce 225. L'impianto 225 viene eseguito con dosi ed energia tali da avere il picco di atomi impiantati nella zona dell'area attiva 217 posta al di sotto della regione di anodo (zona depleta 226, nella quale gli atomi impiantati sono indicati con 227). L'impianto viene effettuato con ioni di atomi appartenenti al IV o all'VIII gruppo della tavola periodica, in modo da non modificare la conducibilità della regione di anodo 206. Ad esempio, possono essere impiantati ioni di carbonio C, di silicio Si, di elio He, di argon Ar o neon Ne. L'impianto di carbonio ad esempio può avvenire ad una dose compresa fra 10<11 >cm<-2 >e 10<13 >cm<-2>, e un'energia compresa fra 90 keV e 200 keV; l'impianto con silicio ad esempio può avvenire ad una dose compresa fra 10<11 >cm<-2 >e 10<13 >cm<-2>, e un'energia compresa fra 200 keV e 400 keV; l'impianto con elio ad esempio può avvenire ad una dose compresa fra 10<12 >cm<-2 >e 10<14 >cm<-2>, e un'energia compresa fra 30 keV e 80 keV; l'impianto con argon ad esempio può avvenire ad una dose compresa fra 10<12 >cm<-2 >e 10<14 >cm<-2>, e un'energia compresa fra 200 e 400 keV; e l'impianto con neon ad esempio può avvenire ad una dose compresa fra 10<11 >cm<-2 >e 10<13 >cm<-2>, e un'energia compresa fra 150 e 250 keV.
In questo modo, la zona depleta 226 va a formare una zona di picco di difettosità (vacanze nella struttura cristallina del silicio) disposta in posizione adiacente e contigua alla giunzione e dovuta alla concentrazione di atomi del IV o dell'VIII gruppo, non legati. Ad esempio, le vacanze nel silicio presenti nella zona di picco di difettosità 226, possono presentare una concentrazione di almeno 10<13 >atomi/cm<-3>, e quindi essere in concentrazione maggiore rispetto ad valori medi di vacanze nel silicio nella regione di anodo 206 e nello strato epitassiale 202.
Seguono le fasi di fabbricazione finali, includenti il taglio della fetta 200, per ottenere una pluralità di dispositivi emettitori di luce 250.
I dispositivi emettitori di luce 250 permettono di ottenere un aumento dell'efficienza di emissione nell'intervallo NIR, come visibile dalla figura 25 mostrante spettri di elettroluminescenza rappresentanti l'intensità In (misurata in unità arbitrarie) in funzione della lunghezza d'onda λ (per misure effettuate a corrente fissa di 2 mA) rispettivamente per un diodo vergine (curva C) e per un diodo realizzato secondo quanto descritto con riferimento alle figure 19-24 e irradiato con elio He a 40 keV (curva D).
Come si nota da tali figure, la presenza di vacanze nel silicio dovute ad atomi non legati del IV o del VIII gruppo, neutri rispetto al drogaggio della regione epitassiale 202 e della regione di anodo 206), nella zona di picco di difettosità (regione depleta 226) si è rivelato sperimentalmente estremamente efficace allo scopo di accrescere l’efficienza di emissione nell'intervallo di lunghezze d'onda vicino infrarosso (NIR), spegnendo allo stesso tempo l’emissione nel nell'intervallo della luce visibile tipica dei dispositivi di carburo di silicio. A ciò contribuiscono anche i processi termici in azoto a bassa temperatura descritti.
Il dispositivo emettitore di luce 250 può essere integrato in un'unica piastrina con strutture di applicazione ed elaborazione dei segnali, anche grazie al fatto che le modifiche di processo possono essere facilmente integrate e non inducono un degrado rilevante nelle prestazioni del dispositivo.
Inoltre, la presenza della regione di distribuzione potenziale 221 al di sopra della superficie della regione di anodo 206 riduce considerevolmente le cadute resistive tra la regione di contatto di anodo 220 e la zona centrale del dispositivo emettitore di luce 250, cadute dovute all’elevata resistenza della regione di anodo 206. Infatti, come noto al tecnico del ramo, il materiale del dispositivo emettitore di luce 250 (SiC) rende difficile attivare gli atomi droganti, anche a temperature di processo molto elevate, maggiori di 1650°C. Ne consegue che, pur impiantando alte dosi di drogante, la frazione attivata è relativamente bassa e la regione di anodo 206 ha resistenza abbastanza elevata, che causerebbe una caduta di tensione tra la regione di contatto di anodo 210 (che rappresenta il punto di raccolta della corrente) ed il centro del dispositivo emettitore di luce 250. Tale caduta di tensione provocherebbe l’accensione solo di un’area anulare in prossimità della regione di contatto di anodo 210 del dispositivo emettitore di luce 250. La regione di distribuzione potenziale 221 riduce questo fenomeno, creando una maglia di contatti allo stesso potenziale sull’area attiva 217 del dispositivo emettitore di luce 250. Sebbene la regione di distribuzione potenziale 221 riduca anche l’area di emissione della radiazione luminosa, il guadagno ottenibile grazie all’emissione uniforme su tutta l’area attiva del dispositivo 250 supera l'effetto negativo della riduzione di area attiva. In pratica, questo consente di evitare la necessità impiantare la regione di anodo 206 a dosi molto elevate e quindi evita di generare danni eccessivi alla giunzione fra la regione di anodo 206 e lo strato epitassiale 202.
Risulta infine chiaro che al sensore ottico e al procedimento di fabbricazione qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate. Ad esempio, le diverse forme di realizzazione descritte possono essere combinate in modo da fornire ulteriori soluzioni.
Inoltre, la fetta 200, in particolare lo strato epitassiale 202, può essere di un qualunque materiale allo stato solido di tipo a larga banda proibita, quale il nitruro di Gallio, AlGaN, o il diamante.

Claims (25)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sensore ottico (20; 40; 60; 80; 101; 130; 250) comprendente un dispositivo emettitore di luce (24; 44; 64; 84; 102; 135; 250) formato in un corpo (200) di materiale allo stato solido e banda proibita maggiore o uguale a 2,3 eV avente una superficie (200A) e includente: - una regione di catodo (202) di un primo tipo di conducibilità; e - una regione di anodo (206) di un secondo tipo di conducibilità, estendentesi all’interno della regione di catodo a partire dalla superficie (200A) del corpo (200), la regione di anodo (206) e la regione di catodo (202) definendo una giunzione (208), in cui la regione di catodo (202) presenta, in posizione adiacente alla giunzione (208), una zona di picco di difettosità (226) alloggiante vacanze nella struttura cristallina dovute a ioni o atomi non legati (227) del quarto o dell'ottavo gruppo della tavola periodica.
  2. 2. Sensore ottico secondo la rivendicazione 1, in cui il materiale allo stato solido e larga banda proibita è carburo di silicio.
  3. 3. Sensore ottico secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui gli ioni o atomi non legati (227) sono scelti nel gruppo comprendente carbonio, silicio, elio, neon o argon.
  4. 4. Sensore ottico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3, in cui le vacanze presentano concentrazione maggiore rispetto ad valori medi di concentrazione di vacanze presenti nella regione di anodo (206) e nella regione di catodo (202).
  5. 5. Sensore ottico secondo la rivendicazione 3, in cui le vacanze nella zona di picco di difettosità (226) presentano una concentrazione di almeno 10<13 >atomi/cm<-3>.
  6. 6. Sensore ottico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre: un elettrodo di anodo (220), estendentesi sulla superficie (200A) del corpo (200) perifericamente a e in contatto elettrico con la regione di anodo (206); e una regione di distribuzione potenziale (221), di materiale elettricamente conduttore, accoppiata elettricamente all'elettrodo di anodo (220), estendentesi sulla superficie (200A) del corpo (200), circondata dall'elettrodo di anodo (220), e coprente parzialmente la regione di anodo (206).
  7. 7. Sensore ottico, secondo la rivendicazione 5, in cui l'elettrodo di anodo (220) e la regione di distribuzione potenziale (221) sono di uno stesso materiale metallico, quale nichel o siliciuro di nichel.
  8. 8. Sensore ottico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 6 o 7, in cui la regione di distribuzione potenziale (221) è formata da una pluralità di porzioni (222) formanti una griglia o una struttura a strisce adiacenti.
  9. 9. Sensore ottico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il dispositivo emettitore di luce (20; 40; 60; 80; 101; 135) è un elemento a emettitore di luce a singolo fotone configurato per emettere una radiazione a singolo fotone di emissione avente lunghezza d'onda compresa in un primo intervallo di lunghezze d'onda, in cui il sensore ottico (20; 40; 60; 80; 101; 130) comprende inoltre un elemento ricevitore di luce (25; 45; 65; 85; 103; 136M) configurato per operare in funzionamento a valanga o a fotomoltiplicatore e disposto, in uso, in posizione affacciata, direttamente o tramite riflessione, al dispositivo emettitore di luce (20; 40; 60; 80; 101; 135).
  10. 10. Sensore ottico secondo la rivendicazione 9, comprendente un filtro passa-alto (33; 53; 73; 93A, 93B) avente banda passante corrispondente al primo intervallo di lunghezze d'onda e disposto affacciato all'elemento a emettitore di luce a singolo fotone (20; 40; 60; 80; 101; 130) e/o all' elemento ricevitore di luce (25; 45; 65; 85; 103; 136M).
  11. 11. Sensore ottico secondo la rivendicazione 9 o 10, comprendente un contenitore opaco (21; 61; 131) avente una faccia (21A; 131A) e una prima ed una seconda cavità (22A, 22B; 62A, 62B; 132A, 132C) estendentisi dalla faccia del contenitore, in cui la prima cavità (22A; 62A; 132A) alloggia l'elemento a emettitore di luce a singolo fotone 20; 60; 135) e la seconda cavità (22B; 62B; 132C) alloggia l'elemento ricevitore di luce (25; 65; 136M).
  12. 12. Sensore ottico secondo la rivendicazione 9 o 10, comprendente un contenitore opaco (41; 81) avente una prima ed una seconda superficie portante (41A, 41B; 81A, 81B) affacciate reciprocamente, la prima superficie portante (41A; 81A) portando l'elemento a emettitore di luce a singolo fotone (44; 84) e la seconda superficie portante (41B; 81B) portando l'elemento ricevitore di luce (45; 85).
  13. 13. Sensore ottico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9-12, in cui il dispositivo emettitore di luce (64; 84) è un elemento a emettitore di luce di tipo iperspettrale configurato per emettere radiazioni luminose in almeno due distinti intervalli di lunghezza d'onda di emissione e l'elemento ricevitore di luce (65; 85) comprende una pluralità di fotodiodi a valanga o a fotomoltiplicatore associati a rispettivi filtri (73A, 73B; 93A; 93B) configurati per trasmettere luce ad un rispettivo intervallo di lunghezze d'onda corrispondenti agli intervalli di lunghezza d'onda di emissione.
  14. 14. Sensore ottico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9-13, comprendente primi mezzi di alimentazione (30; 50; 70; 90; 110; 140; 185); elettricamente accoppiati all'elemento a emettitore di luce a singolo fotone (20; 40; 60; 80; 101; 135) e configurati per fornire a questo una tensione di alimentazione continua diretta e secondi mezzi di alimentazione (31; 51; 71; 91; 141M); (104; 185) elettricamente accoppiati all'elemento ricevitore di luce (25; 45; 65; 85; 103; 136M) e configurati per fornire a questo una tensione di alimentazione continua inversa.
  15. 15. Sistema ottico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9-14, operante in configurazione a sensore di prossimità ottica, comprendente inoltra uno stadio di conteggio di impulsi di corrente (108; 113), configurato per il conteggio di impulsi di corrente forniti dall'elemento ricevitore di luce (103).
  16. 16. Sistema ottico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9, 10, o 14, operante in configurazione di misura di tempo di volo, comprendente: un contenitore opaco (131) portante l'elemento a emettitore di luce a singolo fotone (135), l'elemento ricevitore di luce (136M) e un elemento ricevitore di riferimento (136R), l'elemento ricevitore di riferimento (136R) essendo un fotodiodo configurato per operare a singolo fotone in funzionamento a valanga o un fotomoltiplicatore di silicio; un divisore di fascio ottico (145) affacciato all'elemento a emettitore di luce a singolo fotone (135) e configurato per ricevere la radiazione a singolo fotone di emissione e generare una prima e una seconda frazione di radiazione (150B), (150A); un primo percorso ottico (146), fra il divisore di fascio ottico (145) e l'elemento ricevitore di riferimento (136R), configurato per trasmettere la prima frazione di radiazione (150B) verso l'elemento ricevitore di riferimento (136R), in cui l'elemento ricevitore di riferimento è configurato per generare un segnale di riferimento al rilevamento della prima frazione di radiazione; un secondo percorso ottico fra il divisore di fascio ottico (145) e l'elemento ricevitore di luce (136M) e configurato per trasmettere la seconda frazione di radiazione (150A) verso l'elemento ricevitore di luce, dopo riflessione su un oggetto da misurare (145), in cui l'elemento ricevitore di luce (136M) è configurato per generare un segnale di misura al rilevamento della seconda frazione di radiazione; un convertitore tempo/ampiezza (182), configurato per ricevere il segnale di riferimento e il segnale di misura e generare un segnale di tempo di volo correlato al tempo intercorrente fra il ricevimento del segnale di riferimento e il ricevimento del segnale di misura.
  17. 17. Sistema ottico secondo la rivendicazione 16, in cui il primo percorso ottico comprende uno specchio ottico (146) configurato per ricevere la prima frazione di radiazione (150B) e rifletterla verso l'elemento ricevitore di riferimento (136R).
  18. 18. Sistema ottico secondo la rivendicazione 16, comprendente mezzi di polarizzazione continua diretta dell'elemento ricevitore di riferimento.
  19. 19. Procedimento di fabbricazione di un sensore ottico comprendente un dispositivo emettitore di luce (24; 44; 64; 84; 102; 135; 250), il procedimento comprendendo: in un corpo (200) di materiale allo stato solido e banda proibita maggiore o uguale a 2,3 eV di un primo tipo di conducibilità e alloggiante una regione di catodo, introdurre specie ioniche droganti destinate a conferire un secondo tipo di conducibilità e formare una regione di anodo (206) di un secondo tipo di conducibilità, la regione di anodo estendendosi all’interno della regione di catodo (202) a partire da una superficie (200A) del corpo e definendo una giunzione (208) con la regione di catodo (202); impiantare ioni o atomi non legati (227) del quarto o dell'ottavo gruppo della tavola periodica all'interno nella regione di catodo (202), attraverso la regione di anodo (206), formando in tal modo una zona di picco di difettosità (226) formate da vacanze nella struttura cristallina nella regione di catodo, in posizione adiacente alla giunzione (208).
  20. 20. Procedimento secondo la rivendicazione 19, in cui gli ioni o atomi non legati (227) sono scelti nel gruppo comprendente carbonio, silicio, elio, argon o neon.
  21. 21. Procedimento secondo la rivendicazione 19 o 20, in cui le vacanze nella zona di picco di difettosità (226) presentano una concentrazione di almeno 10<13 >atomi/cm<-3>.
  22. 22. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 19-21, comprendente, prima di impiantare gli ioni o atomi non legati (227) del quarto o dell'ottavo gruppo della tavola periodica, formare uno strato isolante (215) coprente la superficie (200A) del corpo (200) ed avente una finestra (216) in corrispondenza della regione di anodo (206) ed eseguire un trattamento termico di annealing in atmosfera controllata, ad esempio in presenza di azoto, a temperatura compresa fra 400°C e 600°C, inducendo difetti nella zona del corpo 200 al di sotto della finestra (214).
  23. 23. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 19-21, comprendente, prima di impiantare gli ioni o atomi non legati (227) del quarto o dell'ottavo gruppo della tavola periodica, formare uno strato isolante (215) coprente la superficie (200A) del corpo (200) ed avente una finestra (216) in corrispondenza della regione di anodo (206), formare una regione di elettrodo di anodo (220) al di sopra della superficie perifericamente alla finestra (216) e in contatto elettrico con la regione di anodo (206) e formare una regione di distribuzione potenziale (221) al di sopra della superficie (200A), all'interno della finestra e in contatto elettrico con la regione di elettrodo di anodo (220).
  24. 24. Procedimento secondo la rivendicazione 23, in cui formare una regione di elettrodo di anodo (220) e formare una regione di distribuzione potenziale (221) comprendono formare uno strato metallico sagomato.
  25. 25. Procedimento secondo la rivendicazione 24, in cui la regione di distribuzione potenziale (221) è formata da una pluralità di porzioni (222) formanti una griglia o una struttura a strisce adiacenti.
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