WO2012000968A1 - Vorrichtung zur ermittlung des einfallwinkels einer strahlung auf eine strahlungseinfallfläche - Google Patents

Vorrichtung zur ermittlung des einfallwinkels einer strahlung auf eine strahlungseinfallfläche Download PDF

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WO2012000968A1
WO2012000968A1 PCT/EP2011/060775 EP2011060775W WO2012000968A1 WO 2012000968 A1 WO2012000968 A1 WO 2012000968A1 EP 2011060775 W EP2011060775 W EP 2011060775W WO 2012000968 A1 WO2012000968 A1 WO 2012000968A1
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WO
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radiation
incidence
angle
housing
incident
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Application number
PCT/EP2011/060775
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English (en)
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Inventor
Wolfram Budde
Fikret Abaza
Ulf Grabner
Original Assignee
Elmos Semiconductor Ag
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Publication date
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Publication of WO2012000968A1 publication Critical patent/WO2012000968A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/78—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S3/782—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/783—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using amplitude comparison of signals derived from static detectors or detector systems
    • G01S3/7835—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using amplitude comparison of signals derived from static detectors or detector systems using coding masks

Definitions

  • the invention relates to a device for determining the Einfallwinkeis radiation, which is in particular light and preferably solar radiation, on a radiation incident surface (sensor surface),
  • a radiation incident surface sensor surface
  • the effectiveness of systems such as solar panels, sun visors, blind control or orientation points for mobile robots can be increased by measuring the solar or generally expressed the angle of illumination. It is sometimes advantageous if used for these purposes radiation or light / sun sensors have the lowest possible height, so are designed substantially planar.
  • Such a sensor is known for example from DE-C-102 18 160 and EP-A-1 357 396.
  • This sensor has a radiation-sensitive component, which is provided with a radiation incident surface, on which a plurality of sensor elements, each sensitive to a radiation angle of incidence within the radiation angle range to be measured, are distributed.
  • the sensitive to different radiation angle sensor elements of individual diode pairs are formed, which are arranged one-dimensional side by side and covered by a radiation incident surface defining shadow mask, which has a lateral offset relative to the arrangement of the diodes (so-called optical vernier).
  • the known sensor has basically proven in experiments. However, the sensor is disclosed in DE-C-102 18 160 and EP-A-1 357 396 without housing.
  • the object of the invention is to provide a device for determining the angle of incidence of radiation to provide a radiation incident surface, which has relatively small dimensions, in particular in the horizontal extent and is characterized by an optimized utilization of IC chip areas for detection of the lowest possible angle of incidence.
  • the invention proposes a device for determining the angle of incidence of a radiation, in particular of light and preferably of solar radiation, within a detectable radiation incident angle range on a radiation incident surface which is provided with
  • a housing having an upper surface with a radiation aperture bounded by an aperture edge in the housing and a radiation sensitive component disposed in the housing having a radiation incident surface at least partially exposed due to the radiation incident aperture of the housing, wherein the radiation incident surface is related the opening edge in the housing, which has at least one pair of opposite edge portions defining edge portions, rises from the radiation incident surface to a height defining by the offset the radiation-sensitive component has a multiplicity of sensor elements arranged sequentially between the pair of edge sections menten, by means of each of which different radiation angles of incidence or StrahSungsemfaliwinkel Symposium Editions, and
  • those sensor elements which are representative of radiation which is incident in an orthogonal to the radiation incident surface as well as in a plane intersecting the two opposite edge portions below the flattest yet detectable angle of incidence, are arranged adjacent to that edge portion whose edge inner surface of the incident radiation iung facing.
  • a radiation-sensitive component which is produced on the basis of a semiconductor material, must be arranged in a housing in order to be manageable and ready for use.
  • the housing has a radiation incident opening in its upper side, below which the radiation-sensitive component with its radiation incident surface is at least partially exposed. It necessarily comes to a height offset between the incident surface of the radiation embedded in the housing component and the top of the housing. This height offset causes shadowing on the radiation incident surface by the opening edge of the housing projecting from the radiation incident surface.
  • the evaluation unit interrogates in particular the potential at the connection point between the first photodiodes of each first pair of photodiodes and / or the currents through the first photodiodes of each first pair of photodiodes and based on the change in the connection point potential of the first pairs of photodiodes and / or the changes - tion of the result of a larger-smaller comparison of the currents through the first photodiodes of each pair of photodiodes determines the angle of incidence at which the component of the radiation directed parallel to the first axis in the projection impinges on the radiation incident surface.
  • the invention thus relates to a particular arrangement of representative for the different angles of incidence sensor elements of a device for determining the angle of incidence of radiation to a radiation incident surface,
  • the knowledge is exploited that is exposed to obliquely incident radiation in each case one of the two pairwise opposite edge portions of the radiation. But this is also the edge region of the radiation incident surface, which is adjacent to this edge portion of the radiation incident opening exposed to radiation.
  • the sensor elements which are provided for a one-dimensional incident angle detection arranged side by side.
  • these sensor elements can be arranged either in a row or, as an advantage, in two rows next to one another.
  • the distance between the opposite edge portions of the radiation incident opening of the housing must be dimensioned such that space is given for all the sensor elements that are suitable for detection between the flattest possible angle of incidence in the one radiation direction and the lowest possible angle of incidence in the second direction of incidence of the radiation opposite this direction is required.
  • the arrangement of the sensor elements is such that the sensor elements for the detection of incident within the radiation incidence radiation between a substantially vertical incidence of radiation on the one hand and a radiation incidence in one of the two extreme directions below that for the Detection flattest possible angle of incidence on the other hand in each case between the two opposite edge portions of the Strahlenseinfaüö réelle and thus arranged in two adjacent groups.
  • the edge of the radiation input aperture is formed by two pairs of opposite edge sections arranged at 90 ° to each other, wherein the two pairs of edge sections define two radiation incident planes arranged at right angles to each other, respectively to a pair of edge sections and to the radiation infill surface orthogonal.
  • the two abovementioned groups of consecutive sensor elements arranged next to one another can then be formed twice on the radiation infill surface, the second sensor group arrangement being positioned rotated through 90 ° to and beside the first sensor group arrangement.
  • each first photodiode has a space charge zone with a space charge area facing the radiation incident area, a shading mask having radiation transmissive areas spaced above the space charge area areas of the first photodiodes,
  • each radiation-transmissive region is assigned to the space-charge zone areas of the two first photodiodes of a first pair of photodiodes
  • the degree of overlap between a radiation-transmissive region and the space-charge zone surfaces associated therewith is different in the direction of the first axis for at least two of the first pairs of photodiodes
  • an evaluation unit which interrogates the voltage drop across each first photodiode of each first pair of photodiodes and / or the current through each first photodiode of each first pair of photodiodes and determines the angle of incidence by means of a comparison of voltage drops and / or currents below that in the projection directed parallel to the first axis Component of the radiation impinges on the radiation filling surface,
  • the evaluation unit in particular the potential at the connection point between the first photodiodes of each first pair of photodiodes and / or the currents through the first photodiodes of each first Photodiode pair interrogated and determined based on the change in the connection point potential of the first pair of photodiodes and / or the change in the result of a larger-smaller comparison of the currents through the first photodiodes of each pair of photodiodes the angle of incidence, un ⁇ ter that directed in the projection parallel to the first axis component the radiation impinges on the radiation incident surface.
  • a plurality of first photodiodes are arranged side by side along a first axis. Two adjacent first photodiodes are combined to form a first pair of photodiodes. Minim ⁇ least two such first photo diode pairs exist. For each first pair of photodiodes, the cathode of one first photodiode is electrically connected to the anode of the other first photodiode. Each first photodiode has a space charge zone exposed to the incident radiation. Above the space charge zone areas of the first photodiodes is a shading mask, which is arranged at a distance from the first photodiodes.
  • This shading mask has adjacent to the first axis adjacent radiation-transmissive areas which are separated from radiation-opaque areas.
  • Each radiation-transmissive region is assigned to the space charge zone surfaces of a first pair of photodiodes.
  • the arrangement of the radiation-transmissive regions is now chosen such that the radiation-transmissive regions are arranged differently staggered with respect to the space charge zone surfaces assigned to them. In other words, when viewed in the direction of the normal of the radiation incident surface, the degree of overlap between a radiation-transmissive region with the space charge zone surfaces associated therewith in the direction of the first axis is different for at least two of the first pairs of photodiodes.
  • the shading mask If radiation is now applied to the shading mask, its radiation-permeable areas allow radiation up to the space-charge zone surfaces of the shading mask.
  • first pair of photodiodes Within a radiation incident angle range determined by the geometry of the radiation-transmissive regions, the space charge zone areas and the distance of the shading mask from the space charge zone surfaces, the space charge zone surfaces of one of the first pairs of photodiodes are exposed to substantially equal amounts of radiation. This can be detected metrologically by, for example, the voltage at the connection point of the two photodiodes of each first pair of photodiodes is compared with the supply voltage of the photodiode pairs.
  • this radiation incident angle is dependent inter alia on the offset of the radiation-transmissive region of the shading mask, which is associated with the space charge zone surfaces of the relevant first pair of photodiodes.
  • the distance of the shading mask from the photodiodes is included in the calculation, so far as one can for each pair of photodiodes that angle of incidence assign under which the radiation is incident when the connection point potential is, for example, half of the supply potential.
  • the angle of incidence can be determined directly digitally, namely by means of a larger-smaller comparison of the photocurrents (if a supply voltage is applied to the photodiodes, ie the photodiodes are operated as passive elements) or photo voltages (if the photodiodes are active components operated to generate a photo voltage when radiation arrives) of the photodiodes of each pair of photodiodes or the comparison of the junction potentials of each pair of photodiodes.
  • half the supply voltage it is also possible, for example, to compare the potential of the connection point with every other fraction of the supply potential. Due to the geometric arrangement (Ver Sets parallel and perpendicular to the space charge zone areas of the photodiodes) is always a statement about the angle of incidence of the radiation possible.
  • the evaluations described above are carried out in an evaluation unit of the device.
  • the change in the connection potential of the first pair of photodiodes to the first pair of photodiodes is digitally examined in order to determine the angle of incidence at which the component of the radiation directed parallel to the first axis impinges on the incident surface of the radiation.
  • the linear arrangement described above can be arranged along two angularly mutually extending first and second axes, which are in particular orthogonal to one another. It is then possible to determine the angle of incidence at which the radiation strikes the radiation surface.
  • the (horizontal) offset of the radiation-transmissive regions of the shading mask from the space-charge zone surfaces of the first pairs of photodiodes, which is different at least for some of the first pairs of photodiodes, is expediently realized in that the center spacing of the radiation-transmissive regions of the shading mask is different from the center distance of the first pairs of photodiodes.
  • the respective center offsets it is possible for the respective center offsets to be constant over the entire first or second axis, or to increase or decrease monotonically or to change in another way, in particular arbitrarily.
  • any other arrangement of different positions of radiation-transmissive regions of the shading mask to the space charge zone surfaces of the first or second pairs of photodiodes is possible.
  • the respective geometry is to be considered in the evaluation, which has already been described above.
  • the advantage of the device is the fact that the overall construction has a very small height.
  • the device can namely in Integrate or build up the surface of a semi-finished substrate.
  • the photodiodes are introduced into the surface of the semiconducting substrate, while the shading mask is arranged, for example, as a metallization layer of a semiconductor manufacturing technology by a dielectric (for example silicon oxide) spaced from the surface of the semiconductive substrate.
  • a dielectric for example silicon oxide
  • an SOI substrate is one substantially parallel to the surface extending horizontal insulating layer and connected to this vertical isolation trenches.
  • other substrates are also conceivable. So the isolated islands could also z. B. be realized by well technologies, in which the photodiodes or, photodiode pairs are formed in individual formed in the surface of the substrate and insulated from each other wells.
  • a discrete construction is also conceivabl
  • the solid angle of the incident radiation can be determined.
  • such an arrangement is constructed so that in each case a first and a second pair of photodiodes are assigned to a common light-permeable region of the shading mask.
  • the radiation-transmissive regions are rectangles whose pairs of mutually opposite edges are each assigned to one of the two pairs of photodiodes, namely the first or the second pair of photodiodes.
  • the diagonal of the radiation-transmissive region is used defined subregions each arranged a photodiode. This creates a photodiode array structure with a grid shading mask.
  • the cover of the shading mask z For example, to protect against damage, as is generally the case in semi-conductor technology, By means of an optically "dense" passivation layer, a plastic material is applied to this layer, as is known, for example, from optical elements or components in photoelectronics.
  • the sunlight from the optically thinner medium, namely the environment, ie air, incident on the plastic layer is refracted in this normal to, so that even with flat sunlight Einzufaii the maximum allowable angle of incidence is not reached, which is why the device in its application as a sun sensor Incidence of radiation almost in the entire half-space (0 ° to 180 °) can detect and detect.
  • Fig. 1 shows an arrangement of photodiode pairs in cross-section and for the
  • Fig. 2 shows the arrangement of pairs of photodiodes in cross-section and for the
  • FIG. 3 shows a plan view of the arrangement according to FIG. 1 or FIG. 2, FIG.
  • Fig. 4 is a schematic partially shown on block diagram level
  • Fig. 5 shows a plan view of a two-dimensional arrangement for determining the angle of incidence of a solar radiation or the like
  • Fig. 6 again summarizes the functional principle of the "optical vernius", as it is used in a variant of the radiation-sensitive component which can be used according to the invention
  • FIG. 7 shows a further explanation of the mode of operation of an embodiment for the radiation-sensitive component of the device according to the invention, the representation of a pair of diodes with shadow mask,
  • FIG. 8 shows representations of possible arrangements of the diode pairs in a row
  • FIG. 9 shows the view of a one-dimensional angle sensor (x-direction) from above
  • Fig. 10 shows a cross section through a housing with sensor or radiation-sensitive component as a semiconductor chip in a plastic housing, as it is known from ICs,
  • FIG. 11 shows the arrangement of various pairs of diodes for detecting radiation incident from different directions as a two-part sensor (partial perspective view), FIG.
  • FIG. 12 shows detail views (not in perspective) of the illustration according to FIG. 11, FIG.
  • Fig. 13 is an illustration of a less optimal arrangement of
  • FIG. 15 shows a cross section through a housing with embedded radiation-sensitive component as Halbieiter chip with integrally formed sensor elements to illustrate a non-optimal arrangement the sensor elements for the detection (one-dimensional) angle of incidence range VO n CtMeseberei-h /
  • FIG. 16 shows a cross section through a housing similar to that according to FIG. 15, but taking into account an optimized arrangement of the sensor elements with concomitant reduction in the size and, in particular, chip area and
  • 17 is a cross-sectional view through a housing similar to that shown in FIG ..
  • FIGS. 1 to 3 show the basic structure of a device 10 for determining the angle of incidence of that component of a radiation which impinges on a radiation incident surface 14 along the axis indicated by the double arrow 12.
  • the device 10 has a semiconductor substrate 16, which in this case is in the form of an SOI substrate and has a horizontal insulation layer 20 extending below the surface 18 of the substrate 16.
  • vertical isolation trenches 22 are introduced, thereby forming in the surface 18 of the substrate 16 individual dielectrically isolated regions 24.
  • a p-doped region 26 and an n-doped region 28 of a photodiode 30 are introduced.
  • Each photodiode 30 has a space charge zone 32 with a space charge zone 34 lying in the surface 18 of the substrate 16.
  • Two respectively adjacent photodiodes 30 are connected to a pair of photodiodes 36 (not shown).
  • the p and n regions 26, 28 of the photodiodes 30 of each photodiode pair 36 are symmetrical to the isolation trench 22 arranged between the photodiodes 30, the dopant concentrations of the p regions 26 being equal to or compared to the n regions 28 the same or different and the p-type or the n-type regions 26, 28 are each equally doped with one another.
  • the spacing of adjacent pairs of photodiodes 36 is constant in this case for all pairs of photodiodes 36 and in FIG. 1 at 40 located.
  • a translucent (insulation) layer 42 On the surface 18 of the substrate 16 is a translucent (insulation) layer 42, which has a height drawn at 44.
  • a shading mask 46 On this layer 42 is a shading mask 46 with translucent areas 48 and rindun miciässig areas 50.
  • leather translucent area 48 is the space charge zone surfaces 34 of a photodiode pair 36 assigned. It is true that the (center) distance 52 of adjacent transparent regions 48 of the shading mask 46 is different (smaller in this exemplary embodiment) than the distance 40 of adjacent pairs of photodiodes 36.
  • each light-permeable region 48 of the shading mask 46 changes relative to the respective associated photodiode pair 36.
  • the incident radiation 54 therefore impinges more or less strongly on one, depending on the respective position of radiation-transmissive region 48 and photodiode pair 36 or both space charge zones 32.
  • the angle at which the radiation is incident thus lies between those (limit) angles which are determined by the position of the layers, d, h. the offset of the in Fig. 1 in the photodiode pairs 36 drawn in the middle and on the right are assigned to the transparent areas 48 of the shading mask 46 assigned to these pairs of photodiodes 36; because for these two pairs of photodiodes, the comparison of the left and right photocurrents changes from less than to greater than (or vice versa).
  • the angle is determined by the geometry of the device 10 in the middle of the pair of photodiodes 36 in the figures so by the relative displacement of the light-transmissive region to the pair of photodiodes If the photodiodes 30 of this middle pair of photodiodes 36 evenly supplied with incident radiation, so this radiation impinge nearly perpendicular to the radiation incident surface 14, which results, for example, from FIG. 2.
  • digital evaluation shows the structure of an evaluation unit 56 for determining the angle of incidence of the incident radiation.
  • this evaluation unit 56 is provided with an n-type multiplexer 58 whose n inputs 60 are connected to the connection points 62 of the photodiodes 30 of the photodiode pairs 36.
  • the output 64 of the multiplexer 58 is connected to a comparator 66 which compares this respective potential at the connection point 62 with the half supply potential VB / 2 of the supply voltage VB of the photodiode pairs 36. For each photodiode pair 36, this comparison is now carried out, and at the output of the comparator 66, a sequence of zeros and ones uniquely assigned to the pairs of photodiodes is produced, which are stored in a shift register 68.
  • This shift register 68 is read out, whereby the transition from zero to one of the sequence of zeros and ones is detected. chem photodiode pairs the transition from Nuil to one takes place. From this, however, one can determine the angle at which the radiation is incident, both for the radiation incident from the left and from the right in relation to the figures. From a table 70, the radiation angle is then read out.
  • the table 70, the shift register 68 and the multiplexer 58 are controlled by a central control unit 72.
  • the shading mask 46 ' is designed as a lattice mask.
  • square regions are defined in the substrate 16 'which are insulated from one another by vertical isolation trenches 22' extending along the diagonal.
  • the individual photodiodes are formed in the four regions 24 'thus created, namely two photodiodes for the y-direction and two photodiodes for the x-direction. The evaluation in each direction is carried out as previously with reference to FIGS. 1 to 4 described.
  • the offset of the transmissive regions 48 'of the shading mask 46' is selected to be such that these regions 48 'are different in both the x and y directions from the distances of the y-photodiode pairs and the x-photodiode pairs, respectively.
  • a number of integrated photosensor pairs consisting of pn junctions in a semiconductor, are located below a shadow mask, formed e.g.
  • the individual photosensors can advantageously be used to increase the efficiency of the evaluation horizonta! against each other by an insulating layer "IH” and for the simplest possible signal evaluation vertically to the common substrate through a layer “IV” be isolated, such as in an SOI technology feasible (Fig. 1), Also isolation by further pn junctions (eg well areas) is possible.
  • the distance "a” of the openings in the shadow mask differs from the distance "b" of the sensor pairs (FIG. 1).
  • the distances "a” and “b” may be chosen constant, respectively, but also variable, but either the Be ⁇ dingung a> b or b must be observed> a (see Note 1).
  • the "left" or “right” sensor is more precisely its spatial charge zone, is more affected by the light.
  • the induced photocurrent of the two diodes of each sensor pair is compared and determined by which of the two diodes is more exposed to light. In Fig. 2 this is shown.
  • 3 , I r3 are the respective illuminated areas of the space charge zones of the "left" and “right” diodes of a pair of sensors. In this illustration:
  • the angular resolution is determined by the distance "d" of the shadow mask to the semiconductor surface and the difference in the step dimensions "a" and "b" (FIG. 3).
  • the largest offset between the opening in the shadow mask and the center of a sensor pair determines the maximum angle of incidence !.
  • the web width of the shadow mask is to be selected so that at the maximum angle of incidence the next photo sensor is not already illuminated
  • the structure does not necessarily have to be selected such that the offset between shadow mask and sensor pair center increases or decreases monotonically. Any other arrangement of different positions to each other is possible. The geometry is only to be considered in the evaluation.
  • the higher doped areas do not necessarily have to be outside and include a lower doped area.
  • the structure should also be chosen from the standpoint of preventing light diffraction and refraction effects (optically suitable material interfaces).
  • the diodes are electrically insulated from one another, in the simplest case, the series connection of both diodes at a voltage reference VRef (eg the Supply voltage of the device) in a comparator with eg half the reference voltage are compared (Fig. 4).
  • a voltage reference VRef eg the Supply voltage of the device
  • a comparator eg half the reference voltage
  • This evaluation can be realized for all sensor pairs in parallel, sequentially using a multiplexer or as a combination of both.
  • the information about the angle of incidence of the light is obtained as a consequence of "zeros" and "ones" in digitized form.
  • the angular resolution can be further increased by comparing the sensor pair not only against one, but against several voltages.
  • the angle of incidence of the light can be detected in two dimensions.
  • FIGS. 1 to 3 in each area 24 in each case a p ⁇ and an n-area drawn.
  • a photodiode can also be formed by forming a (heavily) p-doped region in a normally (weakly) n-doped region 24 (this is the case in FIG. 5).
  • 24 non-contacting p-doped regions may be provided in each region, so that two photodiodes connected in series are formed, and a pair of photodiodes is then formed by the respective two photodiodes of two regions 24. It is particularly favorable if the two p-doped regions of a region 24 are positioned symmetrically, for example adjacent to the opposing isolation trenches 22.
  • the sensor which can be used in the invention has been described above with the aid of photodiodes as opto-electronic components for the detection of radiation.
  • other optoelectronic components such as, for example, phototransistors can also be used, the term "photodiode" in the sense of the invention Accordingly, in particular, a transistor is understood.
  • the device described here can also be used to determine the radiation intensity by evaluating the size of the photocurrent or the photo voltage.
  • the sensor elements 100 each comprise a pair of diodes 102 with associated partial shading 104.
  • the photodiode currents of the diodes of each diode pair 102 are compared with the aid of a comparator 106.
  • the pairs of diodes 102 are each arranged in rows next to each other.
  • the one diode pair in which the result of the comparison of the photodiode subcurrents changes from "1" to "0" or vice versa is representative of the current radiation incidence angle.
  • FIG. 7 shows such a diode pair 102 together with the shadow mask 108.
  • Fig. 7 shows dotted the at an angle of incidence ⁇ of the incident light respectively illuminated part of the left and the right photodiode. Only for an angle of incidence ⁇ , the illuminated areas of the left and right photodiode are the same size. For smaller angles of incidence dominates the right photodiode and for larger the left photodiode.
  • a plurality of pairs of diodes FIG. 8 with suitably offset shadow masks, one obtains an angle sensor which, by a simple comparison of the photocurrents of the right and the left photodiode, allows a determination of the incidence angle of the light.
  • each diode pair is only responsible for detecting an angle of incidence
  • Fig. 9 shows an example of an arrangement of the shadow mask and the photodiode pairs from above.
  • the shadow mask is labeled 108 and the border of the diode pairs is shown in dashed lines; while the thicker dash represents the separation between the left and right diodes of a pair of diodes 102.
  • the upper, left pair of diodes in Fig. 9 is particularly sensitive to incident light from the right, the upper left is the pair of diodes for vertical Lichtetnfali and the pair below right is responsible for incident light from the left,
  • Fig. 10 shows the sensor in cross section. It has a (full-material) housing 110 with an upper side 112 in which a radiation incident opening 114 is formed.
  • a radiation-sensitive component 116 in the form of a semiconductor chip, which has a radiation incident surface 118 with a multiplicity of sensor elements 120 which are sensitive to different radiation insertion angles (namely the diode pairs 102 in this embodiment).
  • the radiation incident opening 114 is delimited by an upright edge whose height determines the offset of the upper side 112 of the housing 110 to the radiation incident surface 118.
  • the radiation incidence opening 114 is filled with transparent material 121 (glass, SiO 2 , potting compound, transparent silicone).
  • the edge of the radiation incidence opening has pairs of opposite edge sections 122 with peripheral inner surfaces 124.
  • the radiation incident surface 118 is located near the chip center. Above the radiation incident surface there is a glass or optical potting. Casting is not required for the function, but it has the advantage that even flat incident light is refracted towards the radiation incident surface and can thus still be detected.
  • optical refractive medium would have to be made very large due to the required housing height (to protect the bonding wires) the chip area,
  • FIG. 11 shows a two-part radiation incident surface 18 for angle detection in the x direction
  • the radiation incident surface 18 was divided into two halves. In principle, more than twice subdivisions (or none at all) are possible.
  • the upper half detects the incidence of light from right to vertical incidence of light, the lower half of vertical Light incidence until the light from the left.
  • the diode pair for the flattest Lichteinfali from the rightmost left and the diode pair for the flattest Lichteinfail from the leftmost right was arranged, Fig. 12 shows this arrangement from the side.
  • the advantage of this arrangement is that the radiation incident surface 118 is thus insensitive to possible shadowing due to too small an opening or assembly tolerances (eg, height offset).
  • the arrangement of FIG. 12 gets the diode pair for incident light from the right (top left) just below this illumination angle always sufficient light.
  • the pair of diodes for incident light from the left is no longer well lit at Lichteinfail from the right, but still gets enough light to produce no error signal. This significantly improves the accuracy of the angle of incidence determination.
  • Fig. 13 shows the opposite arrangement to Fig. 12; this has significantly poorer properties in practice.
  • FIGS. 15 to 17 will again discuss the advantage of the arrangement of the sensor elements according to the invention.
  • FIG. 15 again shows a cross section through the housing of an exemplary embodiment of the device according to the invention similar to that already shown in FIG.
  • the sensor elements for the two extreme radiation angles of incidence are identified by reference numbers 130, 132. If the arrangement of these sensor elements 130, 132 according to FIG. 15 is not optimized, the radiation incident opening 114 in the housing 110 must be made significantly larger than the radiation radiation.
  • the incident surface 118 so that the radiation-sensitive component 116 (semiconductor chip) has a considerable amount of unused area, which is associated with increased material costs.
  • FIG. 16 now shows an optimized arrangement of the sensor elements 130, 132.
  • the sensor element 132 is representative of radiation representative of along the line 128 at the flattest possible angle of incidence from the left (relative to the illustration in Fig. 16).
  • This sensor element 132 is located near that edge section 122 whose edge inner surface 124 faces the incident radiation, so that the sensor element 132 is not shaded by the opposite edge.
  • a comparison of Figs. 15 and 16 shows that for the same a MeS s rea the design with optimized sensor element arrangement according to FIG. 16 may be made smaller than in Fig. 15. This is accompanied by a smaller Chipfizze, saving overall production and assembly costs.
  • FIG. 17 shows an example of how a device with a housing that has the dimensions according to FIG. 15 can be used by optimized arrangement of the sensor elements in order to generate radiation within a significantly larger deflection measuring range a measurement range while maintaining the same Housing size and consistent chip area to capture.
  • the invention is therefore to be seen in such a way that a maximum measuring range can be obtained even under the conditions of a limited construction space (eg through the housing).
  • the basic idea is to knew how to place those sensor elements in a light shaded area, which is not critical for the angle of incidence to be measured. In order to a reduction of the radiation input area and thus of the chip area can be achieved,

Abstract

Die Vorrichtung zur Ermittlung des Einfallwinkels einer Strahlung, insbesondere von Licht und vorzugsweise von Sonnenstrahlung, innerhalb eines detektierbaren Strahlungseinfallwinkelbereichs auf eine Strahlungseinfallfläche, ist mit einem Gehäuse (110) versehen, das eine Oberseite (112) mit einer Strahlungseinfallöffnung (114) aufweist, welche von einem Öffnungsrand im Gehäuse (110) begrenzt ist. Ferner weist die Vorrichtung ein in dem Gehäuse (110) angeordnetes strahlungssensitives Bauteil (116) auf, das eine Strahlungseinfallfläche (118) aufweist, die aufgrund der Strahlungseinfallöffnung (114) des Gehäuses (110) zumindest teilweise freiliegt, wobei die Strahlungseinfallfläche (118) bezogen auf die Oberseite (112) des Gehäuses (110) zu dessen Inneren hin um einen Versatz versetzt angeordnet und wobei der Öffnungsrand im Gehäuse (110), der mindestens ein Paar von gegenüberliegenden, Randinnenflächen definierende Randabschnitte (122) aufweist, von der Strahlungseinfallfläche (118) bis zu einer durch den Versatz definierenden Höhe aufragt. Das strahlungssensitive Bauteil (116) weist eine Vielzahl von zwischen dem Paar von Randabschnitten (122) aufeinanderfolgend angeordneten Sensorelementen (120, 130, 132) auf, mittels derer jeweils verschiedene Strahlungseinfallwinkel oder Strahlungseinfallwinkelbereiche innerhalb des detektierbaren Strahlungseinfallwinkelbereichs detektierbar sind. Diejenigen Sensorelemente (130,132), die für Strahlung repräsentativ sind, welche in einer sowohl orthogonal zur Strahlungseinfallfläche (118) verlaufenden als auch in einer die beiden gegenüberliegenden Randabschnitte (122) schneidende Strahlungseinfallebene unter dem jeweils flachsten noch detektierbaren Einfallwinkel einfällt, sind benachbart zu demjenigen Randabschnitt (122) angeordnet, dessen Randinnenfläche der einfallenden Strahlung zugewandt ist.

Description

Vorrichtung zur Ermittlung des Einfallwinkels einer Strahlung auf eine
Strahlunqseinf allfläche
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung des Einfallwinkeis einer Strahlung, bei der es sich insbesondere um Licht und vorzugsweise um Sonnenstrahlung handelt, auf eine Strahlungseinfallfläche (Sensorfläche), Bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen ist es zweckmäßig, den Einfallwinkel einer Strahlung messtechnisch ermitteln zu können. So kann beispielsweise die Effektivität von Anlagen wie beispielsweise Solarpanels, Sonnenblenden, Rollo-Steuerung bzw. Orientierungspunkte für mobile Roboter durch Messung des Sonnen- oder allgemein ausgedrückt des Beieuchtungswinkels erhöht werden. Dabei ist es mitunter vorteilhaft, wenn zu diesen Zwecken eingesetzte Strahlungs- bzw. Licht-/Sonnensensoren eine möglichst geringe Bauhöhe aufweisen, also im Wesentlichen planar ausgeführt sind.
Ein derartiger Sensor ist beispielsweise aus DE-C-102 18 160 und EP-A-1 357 396 bekannt. Dieser Sensor weist ein strahiungssensitives Bauteil auf, das mit einer Strahlungseinfallfläche versehen ist, auf der verteilt eine Vielzahl von jeweils für einen Strahlungseinfallwinkel innerhalb des zu messenden Strah- lungswinkelbereichs empfindlichen Sensorelementen angeordnet sind. Bei dem bekannten Sensor werden die für unterschiedliche Strahlungseinfallwinkel empfindlichen Sensorelemente von einzelnen Diodenpaaren gebildet, die eindimensional nebeneinander angeordnet und von einer die Strahlungseinfallfläche definierenden Schattenmaske überdeckt sind, die einen Lateralversatz gegenüber der Anordnung der Dioden aufweist (sogenannter optischer Nonius). Der bekannte Sensor hat sich bei Versuchen grundsätzlich bewährt. Der Sensor ist in DE-C-102 18 160 und EP-A-1 357 396 allerdings ohne Gehäuse offenbart. Bei Anordnung des Sensors in einem Gehäuse hinter einer Gehäuse- Öffnung hat sich gezeigt, dass die Schattenbifdung durch den Gehäuseöffnungsrand eine vergrößerte Bauform des Gehäuses erforderlich macht, da innerhalb der Schattenbereiche angeordnete Sensorelemente für die Einfallswinkeldetektion nicht genutzt werden können, was den detektierbaren Einfaiiswinkeibereich zu flachen Einfallswinkeln hin einschränkt. Um also flache Einfallswinkel detektieren zu können, muss die Gehäuseöffnung im Vergleich zur Strahlungseinfallfläche des Sensors relativ groß sein, was mit nicht genutzter IC-Chipfläche und relativ großformatigen Gehäusen verbunden ist, Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ermittlung des Einfallwinkels einer Strahlung auf eine Strahlungseinfallfläche zu schaffen, die über relativ geringe Abmessungen insbesondere in horizontaler Erstreckung verfügt und sich durch eine optimierte Ausnutzung von IC-Chipflächen zur Detektion möglichst flacher Einfallswinkel auszeichnet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung des Einfallwinkels einer Strahlung, insbesondere von Licht und vorzugsweise von Sonnenstrahlung, innerhalb eines detektierbaren Strahlungs- einfaliwinkelbereichs auf eine Strahlungseinfallfläche vorgeschlagen, die ver- sehen ist mit
einem Gehäuse, das eine Oberseite mit einer Strahlungseinfaliöffnung aufweist, welche von einem Öffnungsrand im Gehäuse begrenzt ist, und einem in dem Gehäuse angeordneten strahlungssensitiven Bauteil, das eine Strahlungseinfallfläche aufweist, die aufgrund der Strahlungseinfall- Öffnung des Gehäuses zumindest teilweise freiliegt, wobei die Strahlungseinfallfläche bezogen auf die Oberseite des Gehäuses zu dessen Inneren hin um einen Versatz versetzt angeordnet ist und wobei der Öffnungsrand im Gehäuse, der mindestens ein Paar von gegenüberliegenden, Randinnenflächen definierende Randabschnitte aufweist, von der Strahlungsein- fallfläche bis zu einer durch den Versatz definierenden Höhe aufragt, wobei das strahlungssensitive Bauteil eine Vielzahl von zwischen dem Paar von Randabschnitten aufeinanderfolgend angeordneten Sensorele- menten aufweist, mittels derer jeweils verschiedene Strahlungseinfallwinkel oder StrahSungsemfaliwinkelbereiche innerhalb des detektierbaren Strahlungseinfallwinkeibereichs detektierbar sind, und
wobei diejenigen Sensorelemente , die für Strahlung repräsentativ sind, welche in einer sowohl orthogonal zur Strahlungseinfallfläche verlaufenden als auch in einer die beiden gegenüberliegenden Randabschnitte schneidende Strahlungseinfallebene unter dem jeweils flachsten noch detektierbaren Einfallwinkel einfällt, benachbart zu demjenigen Randabschnitt angeordnet sind, dessen Randinnenfläche der einfallenden Strah- iung zugewandt ist.
Bei der Erfindung wird davon ausgegangen, dass ein strahlungssensitives Bauteil, das auf Basis eines Halbleitermaterials hergestellt ist, in einem Gehäuse angeordnet sein muss, um handhabbar und einsatzbereit zu sein. Dabei weist das Gehäuse in seiner Oberseite eine Strahlungseinfallöffnung auf, unterhalb derer das strahlungssensitive Bauteil mit seiner Strahlungseinfallfiäche zumindest teilweise freiliegend angeordnet ist. Dabei kommt es notwendigerweise zu einem Höhenversatz zwischen der Strahlungseinfallfläche des in dem Gehäuse eingebetteten Bauteils und der Oberseite des Gehäuses. Dieser Höhenversatz verursacht Abschattungen auf der Strahlungseinfallfiäche, und zwar durch den von der Strahlungseinfallfiäche aufragenden Öffnungsrand des Gehäuses.
Den Einfluss dieser Abschattungen auf die Größe des detektierbaren Strahlungseinfallwinkelbereichs gilt es nun zu vermeiden, um nämlich dadurch klein- formatige Gehäuse und eine optimierte Ausnutzung der Halbleiterchipfläche zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch, dass die Auswerteeinheit insbesondere das Potential an dem Verbindungspunkt zwischen den ersten Fotodioden jedes ersten Fotodiodenpaares und/oder die Ströme durch die ersten Fotodioden jedes ersten Fotodiodenpaares abfragt und anhand der Veränderung des Ver- btndungspunktpotentials der ersten Fotodiodenpaare und/oder der Verände- rung des Ergebnisses eines Größer-Kleiner-Vergleichs der Ströme durch die ersten Fotodioden jedes Fotodiodenpaares den Einfallwinkel ermittelt, unter dem die in der Projektion parallel zur ersten Achse gerichtete Komponente der Strahlung auf die Strahlungseinfallfläche auftrifft.
Die Erfindung betrifft also eine besondere Anordnung der für die verschiedenen Einfallwinkel repräsentativen Sensorelemente einer Vorrichtung zur Ermittlung des Einfallwinkels einer Strahlung auf eine Strahlungseinfallfläche, Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass bei schräg einfallender Strahlung jeweils einer der beiden paarweise gegenüberliegenden Randabschnitte der Strahlung ausgesetzt ist. Damit ist aber auch der Randbereich der Strahlungseinfallfläche, der diesem Randabschnitt der Strahlungseinfallöffnung benachbart ist, der Strahlung ausgesetzt. Es ist nun zweckmäßig und nach der Erfindung vorgesehen, in diesem Randbereich der Strahlungseinfallfläche diejenigen Sensor- elemente anzuordnen, die sensitiv/repräsentativ für Strahlung aus der betreffenden Einfallrichtung unter dem flachest möglichen, noch zu detektierenden Einfallwinkels sensitiv sind.
Zweckmäßigerweise werden die Sensorelemente, die für eine eindimensionale Einfallwinkelerfassung vorgesehen sind, nebeneinander angeordnet. Dabei können diese Sensoreiemente entweder in einer Reihe oder aber vorteiihafter- weise in zwei Reihen nebeneinander angeordnet sein. Bei Anordnung der Sensorelemente in lediglich einer Reihe muss der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Randabschnitten der Strahlungseinfallöffnung des Gehäuses derart bemessen sein, dass Platz für sämtliche Sensorelemente gegeben ist, die für die Erfassung zwischen dem flachest möglichen Einfallwinkel in der einen Strahlungseinfallrichtung und dem flachest möglichen Einfallwinkel in der dieser Richtung entgegengesetzten zweiten Einfallrichtung der Strahlung erforderlich sind. Wenn man diese Anzahl von Sensoreiementen in zwei Gruppen unterteilt, und zwar in eine erste Gruppe von Sensorelementen zur Detektion einfallender Strahlung zwischen dem flachest möglichen Einfallwinkel in der einen Extremstrahlungseinfa!lrichtung und senkrechtem Strahlungseinfail ei- nerseits und senkrechtem Strahlungseinfall und dem flachest möglichen Einfallwinkel in der anderen Extremstrahiungseinfallrichtung andererseits (wobei diese beiden Extremrichtungen den detektierbaren Einfallwinkeibereich definieren), so kann der Abstand der gegenüberliegenden Randabschnitte im We- sentlichen halbiert werden, so dass zwischen beiden Randabschnitten zwei nebeneinanderlegende Gruppen von jeweils hintereinander angeordneten Sensorelementen angeordnet sind. Mit anderen Worten ist also bei dieser Ausgestaltung der Erfindung die Anordnung der SensoreSemente derart getroffen, dass die Sensorelemente für die Erfassung von innerhalb der Strahlungsein- fallebene einfallende Strahlung zwischen einem im Wesentlichen senkrechten Strahlungseinfall einerseits und einem Strahlungseinfall in einer der beiden Extremrichtungen unter dem für die Detektion flachest möglichen Einfallwinkel andererseits jeweils zwischen den beiden gegenüberliegenden Randabschnitten der Strahlungseinfaüöffnung und damit in zwei nebeneinanderliegenden Gruppen angeordnet sind.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist aus fertigungstechnischen Gründen vorgesehen, die Strahlungseinfaüöffnung des Gehäuses im Wesentlichen rechteckig und insbesondere im Wesentlichen quadratisch aus- zuführen. Zur zweidimensionalen Erfassung der Strah!ungseinfailwinkel wird der Rand der Strahlungseinfaliöffnung dabei durch zwei um 90° verdreht zueinander angeordnete Paare von gegenüberliegenden Randabschnitten gebildet, wobei die beiden Paare von Randabschnitten zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Strahlungseinfallebenen definieren, die zu jeweils einem Paar von Randabschnitten sowie zur Strahlungseinfailfläche orthogonal verlaufen. Bei einer derartigen Anordnung können dann die beiden zuvor genannten, nebeneinander angeordneten Gruppen von aufeinanderfolgenden Sensorelementen zweifach auf der Strahlungseinfailfläche ausgebildet sein, wobei die zweite Sensorgruppenanordnung um 90° verdreht zur und neben der ersten Sensor- gruppenanordnung positioniert ist. Im Rahmen der bisherigen Beschreibung der Erfindung wurde von Sensorelementen gesprochen, die repräsentativ für den jeweiligen Einfallwinkel (oder je nach der Größe der gewünschten Winkeiaufiösung für mehrere Winkel repräsentativ) sind, unter dem die Strahlung aktuell auf die Strahlungseinfallfläche auf trifft. Eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Ausbildung dieser Sensorelemente ist in DE-C-102 18 160 und EP-A-1 357 393 beschrieben. Danach ist das strahlungssensitive Bauteil versehen mit
mindestens zwei ersten Fotodiodenpaaren mit ersten Fotodioden, die entlang einer ersten Achse angeordnet und paarweise in Reihe geschaltet sind,
wobei jede erste Fotodiode eine Raumladungszone mit einer zur Strahlungseinfallfläche hin weisenden Raumladungszonenfiäche aufweist, einer mit Abstand oberhalb der Raumladungszonenflächen der ersten Fotodioden angeordneten, strahlungsdurchlässige Bereiche aufweisenden Abschattungsmaske,
wobei jeder strahlungsdurchlässige Bereich den Raumladungszonen- flächen der beiden ersten Fotodioden eines ersten Fotodiodenpaares zugeordnet ist und
wobei - bei Betrachtung in Richtung der Normalen der Strahiungseinfall- fläche - der Grad an Überdeckung zwischen einem strahlungsdurchlässigen Bereich mit den diesem zugeordneten Raumladungszonenflächen in Richtung der ersten Achse für mindestens zwei der ersten Fotodiodenpaare unterschiedlich ist, und
einer Auswerteeinheit, die den Spannungsabfall über jeder ersten Fotodiode jedes ersten Fotodiodenpaares und/oder den Strom durch jede erste Fotodiode jedes ersten Fotodiodenpaares abfragt und anhand eines Vergleichs Spannungsabfälle und/oder Ströme den Einfallwinkel ermittelt, unter dem die in der Projektion parallel zur ersten Achse gerichtete Komponente der Strahlung auf die Strahlungseinfaüfläche auftrifft,
wobei die Auswerteeinheit insbesondere das Potential an dem Verbindungspunkt zwischen den ersten Fotodioden jedes ersten Fotodiodenpaares und/oder die Ströme durch die ersten Fotodioden jedes ersten Fotodiodenpaares abfragt und anhand der Veränderung des Verbindungspunktpotentials der ersten Fotodiodenpaare und/oder der Veränderung des Ergebnisses eines Größer-Kleiner-Vergleichs der Ströme durch die ersten Fotodioden jedes Fotodiodenpaares den Einfallwinkel ermittelt, un¬ ter dem die in der Projektion parallel zur ersten Achse gerichtete Komponente der Strahlung auf die Strahlungseinfallfläche auftrifft.
Hierbei ist vorgesehen, dass mehrere erste Fotodioden entlang einer ersten Achse nebeneinander liegend angeordnet sind, Jeweils zwei benachbarte erste Fotodioden sind zu einem ersten Fotodiodenpaar zusammengefasst. Mindes¬ tens zwei derartige erste Fotodiodenpaare existieren . Für jedes erste Fotodiodenpaar gilt, dass die Kathode der einen ersten Fotodiode mit der Anode der anderen ersten Fotodiode elektrisch verbunden ist. Jede erste Fotodiode weist eine Raumladungszone auf, die der einfallenden Strahlung ausgesetzt ist. Oberhalb der Raumladungszonenflächen der ersten Fotodioden befindet sich eine Abschattungsmaske, die mit Abstand zu den ersten Fotodioden angeordnet ist. Diese Abschattungsmaske weist entlang der ersten Achse nebeneinander liegende strahlungsdurchlässige Bereiche auf, die von strahiungsundurchlässigen Bereichen getrennt sind. Jeder strahlungs- durchlässige Bereich ist den Raumladungszonenflächen eines ersten Fotodiodenpaares zugeordnet. Die Anordnung der strahlungsdurchlässigen Bereiche ist nun derart gewählt, dass die strahlungsdurchlässigen Bereiche gegenüber den ihnen zugeordneten Raumladungszonenflächen unterschiedlich stark versetzt angeordnet sind. Mit anderen Worten ist also bei Betrachtung in Richtung der Normalen der Strahlungseinfallfläche der Grad an Überdeckung zwischen einem strahlungsdurchlässigen Bereich mit den diesem zugeordneten Raumladungszonenflächen in Richtung der ersten Achse für mindestens zwei der ersten Fotodiodenpaare unterschiedlich.
Fäüt nun Strahlung auf die Abschattungsmaske, so lassen deren strahiungs- durchlässige Bereiche Strahlung bis zu den Raumladungszonenflächen der ein- zelnen ersten Fotodiodenpaare durch. Innerhalb eines durch die Geometrie der strahlungsdurchlässigen Bereiche, der Raumladungszonenfiächen und des Ab- standes der Abschattungsmaske von den Raumladungszonenflächen bestimmten Strahlungseinfallwinkelbereichs sind die Raumladungszonenflächen eines der ersten Fotodiodenpaare im wesentlichen gleich stark der Strahlung ausgesetzt. Dies kann messtechnisch erfasst werden, indem beispielsweise die Spannung am Verbindungspunkt der beiden Fotodioden jedes ersten Fotodiodenpaares mit der Versorgungsspannung der Fotodiodenpaare verglichen wird. Ist die Spannung bzw. das Potential am Verbindungspunkt in etwa gleich der Hälfte des Vorsorgungspotentials, so bedeutet dies, dass die Raumladungszonenflächen dieses ersten Fotodiodenpaares gleichmäßig der Strahlung ausgesetzt ist. In einer Tabelle oder einem anderweitigen Speicher kann dann abgelesen werden, welchem Strahlungseinfallwinkei dies entspricht. Dieser Strahlungseinfallwinkel ist nämlich unter anderem von dem Versatz des strahlungsdurchlässigen Bereichs der Abschattungsmaske abhängig, der den Raumladungszonenflächen des betreffenden ersten Fotodtodenpaares zugeordnet ist, Ferner geht in die Berechnung auch der Abstand der Abschattungsmaske von den Fotodioden ein, insoweit kann man also für jedes Fotodiodenpaar denjenigen Einfallwinkel zuordnen, unter dem die Strahlung ein- fällt, wenn das Verbindungspunktpotential beispielsweise die Hälfte des Versorgungspotentials beträgt. Auf diese Weise ist der Einfallwinkel direkt digital bestimmbar, und zwar anhand eines Größer-Kleiner-Vergleichs der Fotoströme (wenn an die Fotodioden eine Versorgungsspannung angelegt wird, die Fotodioden also als passive Elemente betrieben werden) bzw. Fotospannungen (wenn die Fotodioden als aktive Bauelemente betrieben werden, die eine Fotospannung erzeugen, wenn auf sie Strahlung eintrifft) der Fotodioden jedes Fotodiodenpaares bzw. des Vergleichs der Verbindungspunktpotentiale jedes Fotodiodenpaares. Ansteile der halben Versorgungsspannung kann man beispielsweise auch das Potential des Verbindungspunktes mit jedem anderen Bruchteil des Versorgungspotentials vergleichen. Auf Grund der geometrischen Anordnung (Ver- sätze parallel und senkrecht zu den Raumladungszonenflächen der Fotodioden) ist stets eine Aussage über den Einfallwinkel der Strahlung möglich.
Die zuvor beschriebenen Auswertungen werden in einer Auswerteeinheit der Vorrichtung durchgeführt. Ganz allgemein gesprochen wird dabei die Veränderung des Verbindungspotentials von erstem Fotodiodenpaar zu erstem Fotodiodenpaar digital untersucht, um den Einfallwinkel zu ermitteln, unter dem die parallel zur ersten Achse gerichtete Komponente der Strahlung auf die Strahlungseinfallfläche auftrifft.
Die zuvor beschriebene lineare Anordnung lässt sich entlang zweier winklig zueinander verlaufender erster und zweiter Achsen anordnen, die insbesondere orthogonal zueinander sind. Damit ist es dann möglich, den Einfall- Raumwinkel zu ermitteln, unter dem die Strahlung auf die Strahlungseinfail- fläche trifft.
Der zumindest für einige der ersten Fotodiodenpaare unterschiedliche (Hori- zontal-)Versatz der strahlungsdurchlässigen Bereiche der Abschattungsmaske gegenüber den Raumladungszonenflächen der ersten Fotodiodenpaare wird zweckmäßigerweise dadurch realisiert, dass der Mittenabstand der strahlungsdurchlässigen Bereiche der Abschattungsmaske verschieden ist von dem Mittenabstand der ersten Fotodiodenpaare. Hierbei ist es möglich, dass die jeweiligen Mittenversätze über die gesamte erste bzw. zweite Achse betrachtet konstant sind oder aber monoton zu- oder abnehmen oder sich in anderer Weise, insbesondere willkürlich, verändern. Ferner ist jede andere Anordnung verschiedener Positionen von strahlungsdurchlässigen Bereichen der Abschattungsmaske zu den Raumladungszonenflächen der ersten bzw, zweiten Fotodiodenpaare möglich. Die jeweilige Geometrie ist allerdings bei der Auswertung zu berücksichtigen, was oben bereits beschrieben worden ist.
Der Vorteil der Vorrichtung ist darin zu sehen, dass die Gesamtkonstruktion eine denkbar geringe Bauhöhe aufweist. Die Vorrichtung lässt sich nämlich in die Oberfläche eines halbie enden Substrats integrieren bzw , auf dieser aufbauen . Dabei sind die Fotodioden in die Oberfläche des halbleitenden Substrats eingebracht, während die Abschattungsmaske als beispielsweise Metallisierungsschicht einer Halbleiterhersteliungstechnologie durch ein Dielektrikum (beispielsweise Siliziumoxid) von der Oberfläche des halbleitenden Substrats beabstandet angeordnet ist, Insbesondere eignet sich ein SOI-Substrat, das eine im Wesentlichen parallel zur Oberfläche verlaufende horizontale Isola- tionsschicht sowie mit dieser verbundene vertikale Isolationsgräben aufweist. Hierdurch entstehen einzelne elektrisch voneinander isolierte Inseln, in denen die Fotodioden bzw, die Fotodiodenpaare angeordnet werden können . Andere Substrate sind selbstverständlich ebenfalls denkbar. So könnten die isolierten Inseln auch z. B. durch Wannen-Technologien realisiert werden, bei denen die Fotodioden bzw, Fotodiodenpaare in einzelnen in die Oberfläche des Substrats ausgebildeten auch voneinander isolierten Wannen eingebracht sind. Alternativ zur integrierten Bauweise ist auch ein diskreter Aufbau denkbar.
Bereits oben wurde darauf hingewiesen, dass man mit der linearen Anordnung von paarweise miteinander verschalteten Fotodioden den Raumwinkel der einfallenden Strahlung ermitteln kann. In einer ersten Variante ist eine derartige Anordnung so aufgebaut, dass jeweils ein erstes und ein zweites Fotodiodenpaar einem gemeinsamen lichtdurchlässigen Bereich der Abschattungsmaske zugeordnet sind. Beispielsweise handelt es sich bei den strahlungsdurchlässigen Bereichen um Rechtecke, deren jeweils paarweise einander gegenüberliegende Kanten jeweils einem der beiden Fotodiodenpaare, nämlich dem ersten oder dem zweiten Fotodiodenpaar, zugeordnet sind, Zweckmäßi- gerweise wird in jeder der vier durch die Diagonalen des strahlungsdurchlässi- gen Bereichs definierten Teilbereiche jeweils eine Fotodiode angeordnet. Hierdurch entsteht eine Fotodioden-Array-Struktur mit einer Gitter-Abschattungs- maske.
Die Abdeckung der Abschattungsmaske z. B. zum Schutz gegen Beschädigungen erfolgt beispielsweise, wie in der Halbieitertechnologie grundsätzlich be- kannt, durch eine optisch "dichte" Passivierungsschicht, Auf diese Schicht wird ein Kunststoffmateriaf aufgebracht, wie es z.B, von optischen Elementen bzw. Bauteilen in der Foto-Elektronik bekannt ist. Das aus dem optisch dünneren Medium, nämlich der Umgebung, d.h. Luft, auf die Kunststoffschicht auftreffende Sonnenlicht wird in dieser zur Normalen hin gebrochen, so dass auch bei flachem Sonnenlichteinfaii der maximal zulässige Einfallwinkel nicht erreicht wird, weshalb die Vorrichtung in ihrer Anwendung als Sonnensensor den Einfall der Strahlung nahezu im gesamten Halbraum (0° bis 180°) erfassen und de- tektieren kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen :
Fig. 1 eine Anordnung von Fotodiodenpaaren im Querschnitt sowie für den
Fall, dass die Strahlung in einem ersten detektierbaren ersten Winkel auftrifft,
Fig. 2 die Anordnung von Fotodiodenpaaren im Querschnitt sowie für den
Fall, dass die Strahlung in einem zweiten detektierbaren zweiten Winkel auftrifft,
Fig , 3 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig, 1 bzw. Fig, 2,
Fig. 4 eine schematische teilweise auf Blockschaltbildebene dargestellte
Schaltung zur Auswertung der Fotodiodenpotentiale zur Ermittlung des Strahlungseinfallwinkels,
Fig, 5 eine Draufsicht auf eine zweidimensionale Anordnung zur Ermittlung des Einfallraumwinkels einer beispielsweise Sonnenstrahlung o.dgl., Fig . 6 nochmals zusammengefasst das Funktionsprinzip des "optischen No- nius", wie es bei einer erfindungsgemäß verwendbaren Variante des strahlungssensitiven Bauteils Anwendung findet,
Fig. 7 zur nochmaligen Erläuterung der Funktionsweise eines Ausfuhrungsbeispiels für das strahlungssensitive Bauteil der erfsndungsgemäßen Vorrichtung die Darstellung eines Diodenpaares mit Schattenmaske,
Fig. 8 Darstellungen möglicher Anordnungen der Diodenpaare in einer Zeile, Fig. 9 die Ansicht eines eindimensionalen Winkelsensors (x-Richtung) von oben,
Fig . 10 einen Querschnitt durch ein Gehäuse mit Sensor bzw. strahlungssensitivem Bauteil als Halbleiter-Chip in einem Kunststoffgehäuse, wie es von ICs bekannt ist,
Fig. 11 die Anordnung diverser Diodenpaare zur Erfassung von aus verschiedenen Richtungen einfallender Strahlung als zweigeteilter Sensor (teil-perspektivische Darstellung),
Fig. 12 Detatiansichten (nicht perspektivisch) der Darstellung gemäß Fig. 11,
Fig. 13 eine Veranschaulichung einer weniger optimalen Anordnung der
Diodenpaare in der Darstellung gemäß Fig. 11, und zwar durch Vertauschung der Reihenfolge der Diodenpaare,
Fig. 14 eine Ansicht auf einen zweidimensionalen Winkelsensor (xy-Richtung) von oben,
Fig. 15 einen Querschnitt durch ein Gehäuse mit eingebettetem strahlungssensitiven Bauteil als Halbieiter-Chip mit integriert ausgebildeten Sensorelementen zur Verdeutlichung einer nicht optimalen Anordnung der Sensorelemente zur Erfassung (eindimensionalen) Einfallwinkelbereichs VO n CtMeseberei-h/
Fig. 16 einen Querschnitt durch ein Gehäuse ähnlich dem gemäß Fig. 15 je- doch unter Berücksichtigung einer optimierten Anordnung der Sensorelemente mit damit einhergehender Reduzierung der Baugröße und insbesondere Chipfläche und
Fig. 17 eine Querschnittsansicht durch ein Gehäuse ähnlich der gemäß Fig..
15, wobei die Sensorelementanordnung insofern optimiert ist, als bei gleicher Chipgröße und Baugröße wie in Fig. 15 ein größerer Einfallwinkelbereichs σ-Hess ereic abgedeckt werden kann .
Fign. 1 bis 3 zeigen den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung 10 zur Er- mittlung des Einfallwinkels derjenigen Komponente einer Strahlung, die entlang der durch den Doppelpfeil 12 angedeuteten Achse auf eine Strahlungs- einfalifläche 14 auftrifft. Die Vorrichtung 10 weist ein Halbleitersubstrat 16 auf, das in diesem Fall als SOI-Substrat ausgebildet ist und eine unterhalb der Oberfläche 18 des Substrats 16 verlaufende horizontale Isolationsschicht 20 aufweist. In die Oberfläche 18 des Substrats 16 sind vertikale Isolationsgräben 22 eingebracht, wodurch sich in der Oberfläche 18 des Substrats 16 einzelne dielektrisch voneinander isolierte Bereiche 24 bilden . In jedem dieser Bereiche 24 ist ein p-dotiertes Gebiet 26 und ein n-dotiertes Gebiet 28 einer Fotodiode 30 eingebracht. Jede Fotodiode 30 weist eine Raumladungszone 32 mit einer in der Oberfläche 18 des Substrats 16 liegenden RaumladungszonenfSäche 34 auf.
Zwei jeweils benachbarte Fotodioden 30 sind zu einem Fotodiodenpaar 36 miteinander verschaltet (nicht dargestellt) . Die p- und n-Gebiete 26,28 der Foto- dioden 30 jedes Fotodiodenpaares 36 sind symmetrisch zum zwischen den Fotodioden 30 angeordneten Isolationsgraben 22, wobei die Dotierstoffkonzentrationen der p-Gebiete 26 im Vergleich zu den n-Gebieten 28 gleich oder gleich oder unterschiedlich und die p-oder die n-Gebiete 26,28 jeweils untereinander gleich stark dotiert sind. Der Abstand benachbarter Fotodiodenpaare 36 ist in diesem Fall für sämtliche Fotodiodenpaare 36 konstant und in Fig . 1 bei 40 eingezeichnet.
Auf der Oberfläche 18 des Substrats 16 befindet sich eine lichtdurchlässige (Isolations-)Schicht 42, die eine bei 44 eingezeichnete Höhe aufweist. Auf dieser Schicht 42 befindet sich eine Abschattungsmaske 46 mit lichtdurchlässigen Bereichen 48 und lichtundurchiässigen Bereichen 50, .leder lichtdurchlässige Bereich 48 ist den Raumladungszonenflächen 34 eines Fotodiodenpaares 36 zugeordnet. Dabei gilt, dass der (Mitten-)Abstand 52 benachbarter lichtdurchlässiger Bereiche 48 der Abschattungsmaske 46 verschieden (in diesem Ausfuhrungsbeispiel kleiner) als der Abstand 40 benachbarter Fotodiodenpaare 36 ist.
Durch diese geometrische Anordnung verändert sich die Lage jedes lichtdurchlässigen Bereichs 48 der Abschattungsmaske 46 relativ zu dem jeweils zugeordneten Fotodiodenpaar 36. Die einfallende Strahlung 54 trifft also in Abhängigkeit von der jeweiligen eiativlage von strahlungsdurchlässigem Be- reich 48 und Fotodiodenpaar 36 mehr oder weniger stark auf eine oder beide Raumladungszonen 32 auf. Damit werden in den beiden Fotodioden 30 jedes Fotodiodenpaares 36 mehr oder weniger starke Fotodiodenströme In und In generiert, wobei I für die in den Figuren linke Fotodiode eines Fotodiodenpaares, r für die rechte Fotodiode steht und i = 1 bis Anzahl der Fotodiodenpaare ist.
In dem Beispiel gemäß Fig. 1 gilt:
Iii < In, I|2 < Ir2/ 113 > ΙΓ3 ·
Der Winkel, unter dem die Strahlung einfällt, liegt also zwischen denjenigen (Grenz-)Winkeln, die durch die Reiativlage, d,h. den Versatz der in Fig. 1 in der Mitte und rechts eingezeichneten Fotodiodenpaare 36 zur den diesen Fotodiodenpaaren 36 zugeordneten lichtdurchlässigen Bereichen 48 der Abschat- tungsmaske 46 bestimmt ist; denn für diese beiden Fotodiodenpaare gilt, dass der Vergleich der linken und rechten Fotoströme von kleiner als auf größer als (oder umgekehrt) wechselt.
Für den Fall gemäß Fig. 2 gilt:
Iii Irl, I|2 = Ir_, lo > Ir3 -
Das bedeutet, dass der Winkel durch die Geometrie der Vorrichtung 10 im Bereich des in den Figuren mittleren Fotodiodenpaares 36 also durch den Relativversatz vom lichtdurchlässigen Bereich zum Fotodiodenpaar bestimmt ist Werden die Fotodioden 30 dieses mittleren Fotodiodenpaares 36 gleichmäßig mit einfallender Strahlung versorgt, so muss diese Strahlung nahezu senkrecht auf die Strahlungseinfallfläche 14 auftreffen, was sich beispielsweise auch aus Fig , 2 ergibt. Es kann also durch digitale Auswertung eine Aussage über den Strahiungseinfallwinkel getroffen werden. Fig. 4 zeigt den Aufbau einer Auswerteeinheit 56 zur Ermittlung des Einfallwinkels der auftreffenden Strahlung. Diese Auswerteeinheit 56 ist in diesem Ausfuhrungsbeispiel mit einem n-auf~l-Multipiexer 58 versehen, dessen n-Ein- gänge 60 mit den Verbindungspunkten 62 der Fotodioden 30 der Fotodiodenpaare 36 verbunden sind, Der Ausgang 64 des Multipiexers 58 ist mit einem Komparator 66 verbunden, der dies jeweilige Potential am Verbindungspunkt 62 mit dem halben Versorgungspotential VB/2 der Versorgungsspannung VB der Fotodiodenpaare 36 vergleicht. Für jedes Fotodiodenpaar 36 wird nun dieser Vergleich durchgeführt und am Ausgang des Komparators 66 entsteht dann eine Folge von den Fotodiodenpaaren eindeutig zugeordneten Nullen und Einsen, die in einem Schieberegister 68 abgelegt werden . Dieses Schieberegister 68 wird ausgelesen, wobei der Übergang von Null auf Eins der Sequenz aus Nullen und Einsen detektiert wird, Damit ist nun bekannt, bei wel- chem der Fotodiodenpaare der Übergang von Nuil auf Eins erfolgt. Daraus aber wiederum kann man ermittein, unter welchem Winkel die Strahlung einfällt, und zwar sowohl für - bezogen auf die Figuren - Strahlungseinfall von links als auch von rechts. Aus einer Tabelle 70 wird dann der Strahlungseinfallwinkel ausgelesen. Die Tabelle 70, das Schieberegister 68 und der Multiplexer 58 werden von einer zentralen Steuereinheit 72 gesteuert.
Abschließend soll noch kurz anhand von Fig. 5 gezeigt werden, wie die Vorrichtung 10' für den Fall aufgebaut ist, dass der Raumwinkei der einfallenden Strahlung ermittelt werden soll. In diesem Fall ist die Abschattungsmaske 46' als Gittermaske ausgeführt. In dem Substrat 16' sind in diesem Fall quadratische Bereiche definiert, die durch vertikale längs der Diagonalen verlaufende Isolationsgräben 22' voneinander isoliert sind. In den vier so entstehenden Bereichen 24' sind die einzelnen Fotodioden ausgebildet, und zwar zwei Foto- dioden für die y-Richtung und zwei Fotodioden für die x-Richtung . Die Auswertung in jeder Richtung erfolgt wie zuvor anhand der Fign. 1 bis 4 beschrieben. Der Versatz der lichtdurchlässigen Bereiche 48' der Abschattungsmaske 46' ist entsprechend gewählt, so dass diese Bereiche 48' sowohl in x- als auch in y-Richtung gegenüber den Abständen der y-Fotodiodenpaare und der x- Fotodiodenpaare jeweils unterschiedlich sind.
Der Aufbau, die Funktionsweise und die Auswertung der Vorrichtung lassen sich also wie folgt zusammenfassend darstellen. Aufbau (Fig . 1, 3)
Eine Anzahl von integrierten Fotosensor-Paaren, bestehend aus p-n-Übergän- gen in einem Halbleiter, befindet sich unterhalb einer Schattenmaske, gebildet z. B. durch eine Metallisierungsschicht- Die einzelnen Fotosensoren können vor- teilhaft zur Erhöhung der Effizienz der Auswertung horizonta! gegeneinander durch eine Isolationsschicht "IH" und für eine möglichst einfache Signalauswertung vertikal gegenüber dem gemeinsamen Substrat durch eine Schicht "IV" isoliert sein, wie z.B. in einer SOI-Technik realisierbar (Fig. 1), Auch eine Isolation durch weitere p-n-Übergänge (z.B. Wannengebiete) ist möglich.
Der Abstand "a" der Öffnungen in der Schattenmaske unterscheidet sich vom Abstand "b" der Sensorpaare (Fig. 1). Die Abstände "a" und "b" können jeweils konstant, aber auch variabel gewählt werden, wobei jedoch entweder die Be¬ dingung a > b oder b > a einzuhalten sind (siehe auch Anmerkung 1).
Dabei ergibt sich unter jeder Öffnung der Schattenmaske eine etwas andere Lage des Sensorpaares als bei den linken und/oder rechten Nachbarn.
Funktion (Fig. 2)
Je nach Einfallwinkel des Lichts und der Position des Sensorpaares unter der Öffnung in der Schattenmaske wird der "linke" oder der "rechte" Sensor, ge- nauer dessen Raumiadungszone, stärker vom Lichteinfall getroffen. Der induzierte Fotostrom der beiden Dioden jedes Sensorpaares wird verglichen und daraus bestimmt, welche der beiden Dioden stärker dem Licht ausgesetzt ist. In Fig. 2 ist dies dargestellt. Die Größen In, Irl ... I|3, Ir3 sind die jeweils beleuchteten Bereiche der Raumladungszonen der "linken" und "rechten" Dioden eines Sensorpaares, In dieser Darstellung gilt:
Iii < Irl, z = Ir2/ If3 > Ir3
Durch den schrittweisen Versatz zwischen Schattenmaske und Sensorpaaren gibt es zu jeden Einfallwinkel eine Position, bei der der größere Fotostrom von der einen Seite eines Sensorpaares auf dessen andere wechselt. Diese Position ist ein Maß für den Winkel, unter dem das Licht einfällt,
Es muss sichergestellt sein, dass der Ubergang des dominierenden Fotostroms von der einen auf die andere Seite eines Sensorpaares erkannt wird, wie in Fig. 2 dargestellt, liegt also der Ubergang zwischen dem mittleren und dem rechten Sensorpaar. Die Winkelauflösung wird bestimmt durch den Abstand "d" der Schattenmaske zur Halbleiter-Oberfläche und den Unterschied in den Step-Maßen "a" und "b" (Fig . 3).
rr.
_j
Der größte Versatz zwischen der Öffnung in der Schattenmaske und der Mitte eines Sensorpaares bestimmt den maximalen Einfallwinke!.
Die Stegbreite der Schattenmaske ist so zu wählen, dass bei maximalem Einfallwinkel nicht bereits der nächste Fotosensor mit beleuchtet wird,
0
Anmerkungen
1. Der Aufbau muss nicht zwingend so gewählt werden, dass der Versatz zwischen Schattenmaske und Sensorpaar-Mitte monoton zu- oder ab-5 nimmt. Jede andere Anordnung verschiedener Positionen zueinander ist möglich. Die Geometrie ist lediglich bei der Auswertung zu berücksichtigen.
2. Beim Aufbau der Fotosensoren müssen nicht zwingend die höher dotier-0 ten Gebiete außen liegen und ein niedriger dotiertes Gebiet einschließen .
Andere Geometrien sind ebenso möglich, wie z.B. nur ein einseitiger p-n- Ubergang oder ein höher dotierter Streifen in der Mitte.
3. Der Aufbau ist schließlich auch unter den Aspekten der Verhinderung ei- 5 ner Lichtbeugung und der Lichtbrechungseffekte zu wählen (optisch passende Materialgrenzflächen).
Auswertung ( Fig. 4} 0 Die Auswertung erfolgt durch Vergleich der Fotoströme jedes Sensorpaares.
Sind die Dioden elektrisch gegeneinander isoliert, so kann im einfachsten Fall die Reihenschaltung beider Dioden an einer Spannungsreferenz VRef (z. B. der Versorgungsspannung der Anordnung) in einem Komparator mit z.B. der halben Referenzspannung verglichen werden (Fig. 4). Diese Auswertung kann für alle Sensorpaare parallel, sequenziell unter Verwendung eines Multiplexers oder als Kombination aus beidem realisiert werden. Man erhält so als Folge von "Nullen" und "Einsen" in digitalisierter Form die Information über den Einfallwinkel des Lichts.
Die Winkelauflösung lässt sich weiter erhöhen, indem das Sensorpaar nicht nur gegen eine, sondern gegen mehrere Spannungen verglichen wird.
Zweidimensionale Winkelerfassung (Fig. 5)
Durch rechtwinklige Anordnung einer zweiten Gruppe von Sensorpaaren mit zugehöriger Schattenmaske in derselben Ebene kann zweidimensional der Ein- fallwinkel des Lichts erfasst werden.
Anmerkung
Die Kombination der rechtwinklig zueinander angeordneten Sensorpaare ist auch durch Verwendung nur einer Schattenmaske mit quadratischen oder rechteckigen Ausschnitten möglich (Fig. 5).
Zum besseren Verständnis ist in den Fign. 1 bis 3 in jedem Bereich 24 jeweils ein p~ und ein n-Gebiet eingezeichnet. Eine Fotodiode kann aber auch dadurch gebildet werden, dass in einem normalerweise (schwach) n-dotierten Bereich 24 ein (stark) p-dotiertes Gebiet ausgebildet wird (dies ist in Fig. 5 der Fall). Insbesondere können in jedem Bereich 24 wie sich nicht kontaktierende p- dotierte Gebiete vorgesehen sein, so dass zwei hintereinander geschaltete Fotodioden entstehen, ein Fotodiodenpaar wird dann von den jeweils zwei Foto- dioden zweier Bereiche 24 gebildet. Insbesondere günstig ist es, wenn die beiden p-dotierten Gebiete eines Bereichs 24 symmetrisch, z.B. an die gegenüberliegenden Isolationsgräben 22 angrenzend, positioniert sind. Der bei der Erfindung einsetzbare Sensor (strahlungssensitives Bauteil) wurde vorstehend anhand von Fotodioden als opto-elektronische Bauteile zur Detek- tion von Strahlung beschrieben- Selbstverständlich können auch andere opto- elektronische Bauelemente wie beispielsweise Fototransistoren eingesetzt werden, Unter "Fotodiode" im Sinne der Erfindung wird demzufolge insbesondere auch ein Transistor verstanden. Ferner kann die hier beschriebene Vorrichtung auch zur Ermittlung der Strahlungsintensität genutzt werden, indem die Größe des Fotostroms bzw. der Fotospannung ausgewertet wird.
Anhand der Fign. 6 bis 14 soll nunmehr auf die eigentliche Erfindung eingegangen werden.
Fig. 6 zeigt nochmals zusamrnengefasst das Funktionsprinzip des "optischen Nonius". Die Sensorelemente 100 umfassen in diesem Ausführungsbeispiel jeweils ein Diodenpaar 102 mit zugeordneter Teilabschattung 104. Die Fototeilströme der Dioden jedes Diodenpaares 102 werden mit Hilfe eines Kompa- rators 106 verglichen. Die Diodenpaare 102 sind jeweils reihenweise nebeneinander angeordnet. Dasjenige Diodenpaar, bei dem das Ergebnis des Ver- gleichs der Fotodiodenteilströrne von " 1" auf "0" oder umgekehrt wechselt, ist repräsentativ für den aktuellen Strahlungseinfallwinkei.
Fig. 7 zeigt ein solches Diodenpaar 102 zusammen mit der Schattenmaske 108.
Fig. 7 zeigt gepunktet den bei einem Einfallwinkel α des einfallenden Lichts jeweils ausgeleuchteten Teil der linken und der rechten Fotodiode. Nur für einen Einfallwinkel α sind die ausgeleuchteten Bereiche der linken und rechten Fotodiode gleich groß. Für kleinere Einfallwinkel dominiert die rechte Fotodiode und für größere die linke Fotodiode. Durch Verwendung einer Vielzahl von Diodenpaaren (Fig . 8) mit geeignet versetzten Schattenmasken erhäit man einen Winkelsensor, der durch einen einfachen Vergleich der Fotoströme der rechten und der linken Fotodiode eine Bestimmung des Einfallwinkeis des Lichts erlaubt,
In Fig. 7 wird die generelle Anordnung der Diodenpaare gezeigt. Entsprechend der Anordnung der Schattenmaske ist jedes Diodenpaar nur für die Erfassung eines Einfallwinkels zuständig ,
Die Anordnung der Sensoren ist im Prinzip ohne Bedeutung, sie können in ei- ner Zeile oder in mehreren Zeilen und in beliebiger Reihenfolge angeordnet sein . Fig. 9 zeigt ein Beispiel einer Anordnung der Schattenmaske und der Fotodiodenpaare von oben.
Die Schattenmaske ist mit 108 bezeichnet und die Umrandung der Dioden- paare ist gestrichelt dargestellt; während der dicker gezeichnete Strich die Trennung zwischen linker und rechter Diode eines Diodenpaares 102 darstellt. Das obere, linke Diodenpaar in Fig. 9 ist für einfallendes Licht von rechts besonders empfindlich, oben links ist das Diodenpaar für senkrechten Lichtetnfali und das Paar unten rechts ist für von links einfallendes Licht zuständig,
Die im Prinzip freie Anordnung und Reihenfolge der Diodenpaare wird durch zwei Effekte beschränkt, den zur Verfügung stehenden Bauraum (Gehäuse und Siliziumoberfläche) und die erforderliche Homogenität. Versuche haben gezeigt, dass eine beliebige Reihung und Anordnung zu einem nichtmonotonen Verhalten des Sensors führen kann . Daher sollte die Aufreihung der Diodenpaare in einer monotonen Verschiebung der Schattenmaske erfolgen. Die Diodenpaare sollten in einer Reihe angeordnet sein; geht dies aus Gründen des Bauraums nicht, so sollten so wenig Reihen wie möglich ver- wendet werden , Fig . 10 zeigt den Sensor im Querschnitt. Er weist ein (Voll- rnaterial-)Gehäuse 110 mit einer Oberseite 112 auf, in der eine Strahlungseinfallöffnung 114 ausgebildet ist. Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein strahlungssensitives Bauteil 116 in Form eines Halbleiterchips, der eine Strah- lungseinfallfiäche 118 mit einer Vielzahl von für unterschiedliche Strahlungs- einfaüwinkel sensitive SensoreSemente 120 (nämlich in diesem Ausführungs- beispiei die Diodenpaare 102) aufweist. Die Strahlungseinfallöffnung 114 wird von einem aufragenden Rand begrenzt, dessen Höhe den Versatz der Oberseite 112 des Gehäuses 110 zur Strahlungseinfallfläche 118 bestimmt. Die Strahiungseinfallöffnung 114 ist von transparentem Material 121 (Glas, Si02, Vergussmasse, transparentes Silikon) ausgefüllt Der Rand der Strahiungseinfallöffnung weist paarweise gegenüberliegende Randabschnitte 122 mit Rand- Innenflächen 124 auf.
Die Strahlungseinfallfläche 118 befindet sich nahe der Chipmitte, Oberhalb der Strahlungseinfallfläche befindet sich ein Glas oder optischer Verguss. Der Ver- guss ist für die Funktion nicht erforderiich, bietet aber den Vorteil, dass damit auch flach einfallendes Licht zur Strahlungseinfallfläche hin gebrochen wird und damit noch detektiert werden kann. Transparente Materialien mit einem gegenüber Luft (n = l) möglichst großen Brechungsindex (z. B. n = 1,45 für transparentes Silikongel) werden bevorzugt eingesetzt. Ohne optisch brechendes Medium müsste auf Grund der erforderlichen Gehäusehöhe (zum Schutz der Bonddrähte) die Chipfläche sehr groß gemacht werden ,
Die erforderlichen Montageabmessungen und Toleranzen engen die Chipfläche für die Platzierung der Strahlungseinfallfläche dennoch ein und erfordern eine geeignete Anordnung der Sensorelemente ( Diodenpaare).
Fig, 11 zeigt eine zweigteilte Strahlungseinfallfläche 18 für eine Winkelerfassung in x-Richtung,
Um die Chipfläche optimal auszunutzen, wurde die Strahlungseinfallfläche 18 in zwei Hälften geteilt. Es sind prinzipiell auch mehr als zweifache Unterteilungen (oder gar keine) möglich. Die obere Hälfte detektiert den Lichteinfall von rechts bis hin zu senkrechtem Lichteinfall, die untere Hälfte von senkrechtem Lichteinfall bis zum Lichteinfall von links. Dabei wurde das Diodenpaar für den flachsten Lichteinfali von rechts ganz links und das Diodenpaar für den flachsten Lichteinfail von links ganz rechts angeordnet, Fig. 12 zeigt diese Anordnung von der Seite.
Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Strahlungseinfallfläche 118 damit unempfindlich auf mögliche Abschattungen durch eine zu kleine Öffnung oder durch Montagetoleranzen (z. B. Höhenversatz) reagiert. Mit der Anordnung nach Fig. 12 bekommt das Diodenpaar für einfallendes Licht von rechts (links oben) gerade unter diesem Beleuchtungswinkel immer hinreichend viel Licht. Das Diodenpaar für einfallendes Licht von links ist bei Lichteinfail von rechts zwar nicht mehr gut ausgeleuchtet, bekommt aber immer noch hinreichend viel Licht, um kein Fehlersignal zu produzieren. Damit wird die Genauigkeit der Einfallwinkelbestimmung deutlich verbessert,
Fig. 13 zeigt die gegenteilige Anordnung zu Fig, 12; diese weist in der Praxis deutlich schlechtere Eigenschaften auf.
Anhand der Fig. 14 ist nochmals dargestellt, wie die Anordnung der jeweils zweigeteilten Gruppen von Sensorelementen ( Diodenpaaren 102) für die Strahlungseinfallrichtungsdetektion in zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Richtungen und damit zweidimensional getroffen ist.
Anhand der Fign. 15 bis 17 soll nachfolgend nochmals auf den Vorteil der er- findungsgemäßen Anordnung der Sensorelemente eingegangen werden , Fig. 15 zeigt wiederum einen Querschnitt durch das Gehäuse eines Ausfuhrungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ähnlich wie bereits in Fig. 10 gezeigt. Die Sensorelemente für die beiden extremen Strahlungseinfallwinkel (siehe die Linien 126,128), die den Messbereich MeSs ereich definieren, sind mit dem Bezugszeichen 130, 132 gekennzeichnet. Bei nicht optimierter Anordnung dieser Sensorelemente 130,132 gemäß Fig. 15 muss die Strahlungseinfallöffnung 114 im Gehäuse 110 deutlich größer gemacht werden, als die Strah- iungseinfallfläche 118, so dass das strahlungssensitive Bauteil 116 ( Halbleiterchip) einen beträchtlichen Anteil an ungenutzter Fläche aufweist, was mit erhöhten Materialkosten verbunden ist. Fig. 16 zeigt nun eine optimierte Anordnung der Sensorelemente 130, 132, Das Sensorelement 132 ist repräsentativ für Strahlung, die entlang der Linie 128 unter dem flachest möglichen Einfallwinkel von links (bezogen auf die Darstellung in Fig. 16) repräsentativ ist. Dieses Sensorelement 132 befindet sich nahe demjenigen Randabschnitt 122, dessen Randinnenfläche 124 der einfallenden Strahlung zugewandt ist, so dass das Sensorelement 132 durch den gegenüberliegenden Rand nicht abgeschattet ist. In gleicher Weise verhält es sich bezüglich der Anordnung des Sensorelements 130, das für Strahlung in Richtung der Linie 126 repräsentativ ist. Ein Vergleich der Fign. 15 und 16 zeigt, dass bei gleichen aMeSs ereich die Bauform mit optimierter Sensorelementanordnung gemäß Fig. 16 kleiner ausgeführt sein kann als in Fig. 15. Damit einher geht eine kleinere Chipfiäche, was insgesamt Produktions- und Montagekosten spart. Fig. 17 zeigt ein Beispiel dafür, wie eine Vorrichtung mit einem Gehäuse, das die Ausmaße gemäß Fig. 15 aufweist, durch optimierte Anordnung der Sensorelemente dazu genutzt werden kann, um Strahlung innerhalb eines deutlich größeren Einfal!winkelmessbereich aMe-s ereich bei gleichbleibender Gehäusegröße und gleichbleibender Chipfläche erfassen zu können.
Wie sich aus der vorangegangenen Beschreibung ergibt, ist die Erfindung also darin zu sehen, die Sensorelemente derart anzuordnen, dass auch unter den Bedingungen eines eingeschränkten Bauraums (z.B. durch das Gehäuse) ein maximaler Messbereich erhalten werden kann , Die Grundidee dabei ist es, be- wusst diejenigen Sensorelemente in einen vom Licht abgeschatteten Bereich zu platzieren, der für den zu messenden Einfallwinkel unkritisch ist. Damit kann eine Reduzierung der StrahlungseinfalSfläche und damit der Chipffäche erreicht werden ,

Claims

ANSPRÜCHE , Vorrichtung zur Ermittlung des Einfallwinkels einer Strahlung, insbesondere von Licht und vorzugsweise von Sonnenstrahlung, innerhalb eines detektierbaren Strah!ungseinfal!winke!bereichs auf eine Strahlungseinfallfläche, mit
einem Gehäuse ( 110), das eine Oberseite ( 112) mit einer Strahlungseinfallöffnung ( 114) aufweist, welche von einem Öffnungsrand im Gehäuse ( 110) begrenzt ist, und
einem in dem Gehäuse ( 110) angeordneten strahlungssensitiven Bauteil ( 116), das eine Strahlungseinfallfläche (118) aufweist, die aufgrund der Strahlungseinfallöffnung ( 114) des Gehäuses ( 110) zumindest teilweise freiliegt, wobei die Strahlungseinfailfläche ( 118) bezogen auf die Oberseite ( 112) des Gehäuses (110) zu dessen Inneren hin um einen Versatz versetzt angeordnet ist und wobei der Öffnungsrand im Gehäuse ( 110), der mindestens ein Paar von gegenüberliegenden, Randinnenflächen definierende Randabschnitte ( 122) aufweist, von der Strahlungseinfallfläche ( 118) bis zu einer durch den Versatz definierenden Höhe aufragt,
wobei das strahlungssensitive Bauteil ( 116) eine Vielzahl von zwischen dem Paar von Randabschnitten ( 122) aufeinanderfolgend angeordneten Sensorelementen (120, 130, 132) aufweist, mitteis derer jeweils verschiedene Strahlungseinfaliwinkel oder Strahlungseinfallwinkelbereiche innerhalb des detektierbaren StrahlungseinfalSwinkel- bereichs detektierbar sind, und
wobei diejenigen Sensoreiemente (130, 132), die für Strahlung repräsentativ sind, welche in einer sowohl orthogonal zur Strahlungseinfailfläche ( 118) verlaufenden als auch in einer die beiden gegenüberliegenden Randabschnitte ( 122) schneidende Strahiungseinfallebene unter dem jeweils flachsten noch detektierbaren Einfallwinkel einfällt, benachbart zu demjenigen Randabschnitt (122) angeordnet sind, dessen Randinnenfläche der einfallenden Strahlung zugewandt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strah- lungseinfaliöffnung ( 114) des Gehäuses (110) viereckig und insbesondere quadratisch ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand der Strahiungseinfailöffnung (114) durch zwei um 90° verdreht zueinander angeordnete Paare von gegenüberliegenden Randabschnitten ( 122) gebildet ist, die zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Strahlungseinfallebenen definieren, welche zu jeweils einem Paar von Randabschnitten ( 122) sowie der Strahlungseinfallfläche ( 118) orthogonal verlaufen,
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahiungseinfailöffnung (114) des Gehäuses (110) von einem für die zu ermittelnde Strahlung durchlässigen Material mit einem gegenüber Luft möglichst großen Brechungsindex ausgefüllt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (120,130, 132) mit größer oder kleiner werdendem Strahlungseinfallwinkel nebeneinander angeordnet sind,
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der detektierbare Strahlungseinfallwinkelbereich Werte zwischen einem ersten Grenzwert, der dem flachsten noch detektierbaren Einfallswinkel von in einer ersten Richtung einfallender Strahlung entspricht, und einem zweiten Grenzwert aufweist, der dem flachsten noch detektierbaren Einfallswinkel von in einer zur ersten Richtung im Wesentlichen entgegengesetzten zweiten Richtung einfallender Strahlung entspricht.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreiernente ( 120,130, 132) für die Erfassung von innerhalb der Strahlungseinfallebene einfallende Strahlung zwischen einem im Wesentlichen senkrechten Strahlungseinfall einerseits und einem Strahlungseinfall in einer der beiden entgegengesetzten Richtung unter dem für die Detektion flachest möglichen Einfallwinkel andererseits jeweils zwischen den beiden gegenüberliegenden Randabschnitten (122) der Strahlungseinfallöffnung (114) und damit in zwei nebeneinanderliegenden Gruppen angeordnet sind.
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