專利名稱：一種智能可見(jiàn)光傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種傳感器，具體涉及- 種智能可見(jiàn)光傳感器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的光傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，它的敏 感波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)附近，包括近紅外波段和紫外波段，不能對(duì)紫外線和紅外 線進(jìn)行有效的衰減。在光電性能上，它的光電輸出特性是非線性的；在光譜特 性上，由于制造技術(shù)和材料的原因，這種普通的光傳感器都是用普通的硅基材 料，是廣譜光感應(yīng)，響應(yīng)峰值是850納米，雖然對(duì)可見(jiàn)光有光電流輸出，但不 是峰值響應(yīng)區(qū)，傳感器的峰值響應(yīng)在500-700納米，極容易受到近紅外線和紫 外線干擾，使得用其制造的整機(jī)的穩(wěn)定性差。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種能夠模仿人眼感光效應(yīng)的光傳感器，能夠 對(duì)可見(jiàn)光實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境光的強(qiáng)度，工作穩(wěn)定可靠，響應(yīng)速度快， 精度高，體積小。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是
一種智能可見(jiàn)光傳感器，包括多個(gè)光電二極管對(duì)組成的陣列，每個(gè)光電二 極管對(duì)中兩個(gè)光電二極管具有不同的響應(yīng)光譜特性，每個(gè)光電二極管對(duì)連接一 對(duì)兩二極管輸出的光電流進(jìn)行處理的處理電路，所述處理電路處理后的輸出電
流信號(hào)與光譜的關(guān)系與人眼的感光特性一致，所述處理電路的輸出連接一多路 選擇器，所述多路選擇器的輸出連接一對(duì)數(shù)放大器，
其特殊之處在于所述每個(gè)光電對(duì)管都包含上下兩個(gè)光電管，它們的P-N結(jié)N 層的厚度不同；其中上面光電管PN結(jié)N層具有較厚的感光元，下面光電管PN 結(jié)N層具有較薄的感光元。
上述處理電路包括依次連接的前置放大器和比較器。上述光電二極管對(duì)為2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)。
本實(shí)用新型釆用新的硅基材料，在IC內(nèi)部應(yīng)用差值原理進(jìn)行了響應(yīng)峰值修 正，傳感器的峰值響應(yīng)在500-700納米，符合人眼光強(qiáng)函數(shù)曲線，其光譜特性 及靈敏度都與人眼十分相似；應(yīng)用內(nèi)部集成電路技術(shù)，將光電元件的非線性進(jìn) 行修正、內(nèi)部穩(wěn)壓處理，從而使得傳感器的輸出電流和一段范圍內(nèi)的波長(zhǎng)光照 度完全是線性關(guān)系， 一致性和電源抑制得以保證。
本實(shí)用新型可以促使目前很多照明和顯示設(shè)備得到科學(xué)合理的使用，這樣 不僅可以節(jié)約用電，同時(shí)也可使設(shè)備使用壽命大大延長(zhǎng)。這種可實(shí)現(xiàn)環(huán)境光檢 測(cè)的智能可見(jiàn)光傳感器，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)環(huán)境光的亮度，適時(shí)調(diào)整照明設(shè)備或顯 示器的亮度，使得這些設(shè)備能在滿足人眼視覺(jué)感覺(jué)的同時(shí)，節(jié)約用電量。
本實(shí)用新型采用多個(gè)光電二極管對(duì)組成一個(gè)陣列，每個(gè)光電二極管對(duì)中兩 個(gè)光電二極管具有不同的響應(yīng)光譜特性，通過(guò)后續(xù)的電路對(duì)兩二極管輸出的光 電流進(jìn)行處理，使得處理后的輸出電流信號(hào)與光譜的關(guān)系與人眼的感光特性一 致。采用光電二極管對(duì)陣列是為了使傳感器能夠?qū)Υ蠓秶兓墓饬炼冗M(jìn)行響 應(yīng)。
每個(gè)光電對(duì)管都包含兩個(gè)光電管，它們的P-N結(jié)N層的厚度不同，光譜響 應(yīng)特性也不同，通過(guò)內(nèi)部包含的處理電路，使其總輸出光電流的光譜特性和人 眼的感光特性相似。整個(gè)結(jié)構(gòu)中包含有4個(gè)光電對(duì)管以及相應(yīng)的處理電路(在 實(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)光電對(duì)管的響應(yīng)特性也可以用3個(gè)，甚至2個(gè)光電對(duì)管)。采 用多個(gè)光電對(duì)管是為了實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光傳感器大的感光動(dòng)態(tài)范圍，不同的光電對(duì)管 響應(yīng)不同的光強(qiáng)，根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)的變化，多路選擇器(MUX)選通不同的放大電 路。選通信號(hào)由4個(gè)比較器產(chǎn)生，VR1， VR2， VR3和VR4是四個(gè)參考信號(hào)，當(dāng)光 電流II、 12、 13或14經(jīng)放大后超過(guò)對(duì)應(yīng)的參考信號(hào)時(shí)，其相應(yīng)的通路選通， 其它通路的信號(hào)無(wú)法通過(guò)。
對(duì)數(shù)放大電路是用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出光電流的線性校正。光電流和光強(qiáng)度通常呈 指數(shù)關(guān)系，將光電流進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算后，可輸出與光強(qiáng)呈線性關(guān)系的電流信號(hào)。
為了增加傳感器的亮度響應(yīng)范圍，采用探測(cè)器陣列，不同的探測(cè)器對(duì)不同亮度范圍進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于檢測(cè)暗光的探測(cè)器采取提高電流放大器的增益，對(duì)于 檢測(cè)亮光的探測(cè)器采取降低其電流放大器的增益，這樣既能使暗光情況下光電 流比較大，又可使其在亮光情況下不至于飽和。
以硅材料為基底的光電探測(cè)器響應(yīng)峰值波長(zhǎng)一般在700-900nrn，通過(guò)改變 P-N結(jié)N層的厚度，可以改變響應(yīng)光譜特性。選用兩種N層厚度不同的探測(cè)器配 對(duì)，通過(guò)硬件電路將兩路光電流結(jié)合，使得傳感器的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)達(dá)到 520-580nm，和人眼的感光特性相似。
光電探測(cè)器的光電流和接收到的光強(qiáng)一般呈指數(shù)關(guān)系，要使光電流能夠和 光強(qiáng)達(dá)到線性關(guān)系，在傳感器內(nèi)部采用集成化的對(duì)數(shù)放大器，實(shí)現(xiàn)線性化。

圖1是智能可見(jiàn)光傳感器結(jié)構(gòu)圖2是光電對(duì)管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3是光電流和光照度的關(guān)系；
圖4傳感器感光元排列圖5是多路選擇工作原理。
具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型在光電對(duì)管內(nèi)有一對(duì)結(jié)構(gòu)不同的光電二極管。它們對(duì)光譜的響 應(yīng)不同光電管A的PN結(jié)中N層較厚，而光電管B中的N層較薄，光電管A對(duì) 紅外波段的響應(yīng)B強(qiáng)，而光電管B在可見(jiàn)偏紫外波段的響應(yīng)較強(qiáng)。將Ia和Ib 結(jié)合起來(lái)，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ㄓ?jì)算即可得出一個(gè)光譜響應(yīng)特性與人眼一致的響 應(yīng)曲線。圖2中是一種經(jīng)驗(yàn)的算法。
光電管A和B分別產(chǎn)生光電流Ia和Ib，在后續(xù)電路中Ib被放大nl倍，Ia 則被放大n2倍，放大后的Ia和Ib在經(jīng)過(guò)一個(gè)減法器，輸出總的光電流Io:
Io = nlxlb - n2 Ia
從以上公式可以看出，由于Ia在紅外波段相應(yīng)比較強(qiáng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算即可減弱， 而Ib在可見(jiàn)偏紫外波段比較強(qiáng)，在計(jì)算中予以加強(qiáng)。硅光電二極管中光電流與光照強(qiáng)度一般不呈線性關(guān)系，大致呈指數(shù)關(guān)系， 如圖3所示。所以為了使得可見(jiàn)光傳感器的輸出光電流與光強(qiáng)呈線性關(guān)系，必 須進(jìn)行線性校正。在圖1中各路光電信號(hào)經(jīng)過(guò)多路選擇器選擇后，進(jìn)入一個(gè)對(duì) 數(shù)放大器，對(duì)光電流信號(hào)進(jìn)行線性化。
光電二極管的光電流在光強(qiáng)較弱時(shí)，非常微弱，當(dāng)光強(qiáng)增加到一定程度時(shí)， 光電流突然開(kāi)始急劇增加，再到一定光強(qiáng)時(shí)，光電流開(kāi)始飽和，幾乎不再增加。 在實(shí)際使用中，如果光強(qiáng)變化范圍不大，則可以根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)墓怆娏髑?線段，進(jìn)行處理；而對(duì)于大范圍的光強(qiáng)變化，則很難全部顧及。
每個(gè)光電對(duì)管都包含兩個(gè)光電管，它們的P-N結(jié)N層的厚度不同，光譜響 應(yīng)特性也不同，通過(guò)內(nèi)部包含的處理電路，使其總輸出光電流的光譜特性和人
眼的感光特性相似。整個(gè)結(jié)構(gòu)中包含有4個(gè)光電對(duì)管以及相應(yīng)的處理電路(在 實(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)光電對(duì)管的響應(yīng)特性也可以用3個(gè)，甚至2個(gè)光電對(duì)管)。 采用多個(gè)光電對(duì)管是為了實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光傳感器大的感光動(dòng)態(tài)范圍，不同的光電對(duì) 管響應(yīng)不同的光強(qiáng)，根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)的變化，多路選擇器(MUX)選通不同的放 大電路。選通信號(hào)由4個(gè)比較器產(chǎn)生，VR1， VR2， VR3和VR4是四個(gè)參考信號(hào)， 當(dāng)光電流Il、 12、 13或I4經(jīng)放大后超過(guò)對(duì)應(yīng)的參考信號(hào)時(shí)，其相應(yīng)的通路選 通，其它通路的信號(hào)無(wú)法通過(guò)。
對(duì)數(shù)放大電路是用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出光電流的線性校正。光電流和光強(qiáng)度通常呈 指數(shù)關(guān)系，將光電流進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算后，可輸出與光強(qiáng)呈線性關(guān)系的電流信號(hào)。 具體的在傳感器中采用了四個(gè)光電二極管對(duì)，如圖4所示。圖中上面四個(gè)
為PN結(jié)N層較厚的感光元，而下面四個(gè)為PN結(jié)N層較薄的感光元。 一上一下
兩個(gè)感光元組成一個(gè)光電對(duì)管。
具體增大動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)四個(gè)光電對(duì)管(即Dl、 D2、 D3和D4)分 別用于檢測(cè)不同的光亮度，參看圖1和圖5。當(dāng)光亮度很弱時(shí)，光電對(duì)管D1工 作，其相應(yīng)的放大電路A1選通；隨著亮度的增加，D2、 D3和D4相繼開(kāi)始工作， 其相應(yīng)的放大器也開(kāi)始工作。在實(shí)際工作時(shí)由于電路中的多路選擇器(MUX)每次只能選通一路，所以當(dāng)一個(gè)光電管對(duì)及其相應(yīng)的電路開(kāi)始工作時(shí)，其它光電管 對(duì)的信號(hào)無(wú)法通過(guò)。多路選擇器的選通信號(hào)是由放大電路輸出信號(hào)和一個(gè)參考 信號(hào)進(jìn)行比較而產(chǎn)生，當(dāng)輸出信號(hào)大于參考信號(hào)時(shí)比較器輸出為高電平，選通 相應(yīng)的通路，否則，不選通。
權(quán)利要求1. 一種智能可見(jiàn)光傳感器，包括多個(gè)光電二極管對(duì)組成的陣列，每個(gè)光電二極管對(duì)中兩個(gè)光電二極管具有不同的響應(yīng)光譜特性，每個(gè)光電二極管對(duì)連接一對(duì)兩二極管輸出的光電流進(jìn)行處理的處理電路，所述處理電路處理后的輸出電流信號(hào)與光譜的關(guān)系與人眼的感光特性一致，所述處理電路的輸出連接一多路選擇器，所述多路選擇器的輸出連接一對(duì)數(shù)放大器，其特征在于所述每個(gè)光電對(duì)管都包含上下兩個(gè)光電管，它們的P-N結(jié)N層的厚度不同；其中上面光電管PN結(jié)N層具有較厚的感光元，下面光電管PN結(jié)N層具有較薄的感光元。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述智能可見(jiàn)光傳感器，其特征在于所述處理電路包括依 次連接的前置放大器和比較器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述智能可見(jiàn)光傳感器，其特征在于所述光電二極管 對(duì)為2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)。
專利摘要一種智能可見(jiàn)光傳感器，包括多個(gè)光電二極管對(duì)組成的陣列，每個(gè)光電二極管對(duì)中兩個(gè)光電二極管具有不同的響應(yīng)光譜特性，每個(gè)光電二極管對(duì)連接一對(duì)兩二極管輸出的光電流進(jìn)行處理的處理電路，處理電路處理后的輸出電流信號(hào)與光譜的關(guān)系與人眼的感光特性一致，處理電路的輸出連接一多路選擇器，多路選擇器的輸出連接一對(duì)數(shù)放大器，每個(gè)光電對(duì)管都包含上下兩個(gè)光電管，它們的P-N結(jié)N層的厚度不同；其中上面光電管PN結(jié)N層具有較厚的感光元，下面光電管PN結(jié)N層具有較薄的感光元。本實(shí)用新型增加了傳感器的亮度響應(yīng)范圍，排除了近紅外線和紫外線干擾，成像穩(wěn)定性好。
文檔編號(hào)G01J1/44GK201255663SQ20082022163
公開(kāi)日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者張文松, 賀正權(quán) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所