DISPOSITIVO DE ALTA PRECISION PARA LA DETERMINACION DEL ANGULO DE INCIDENCIA DE UNA RADIACION LUMINISCENTE.

Cuenta con una oblea de silicio (3) donde se integra una pluralidad de celdas fotosensoras

(C1, C2... Cn) provistas de respectivas metalizaciones terminales (M1, M2... Mn) cubriéndose dichas celdas con una tapadera (4) de elevado grado de transparencia y determinada altura, en la que se ha depositado una lámina de material opaco (5) dotada de al menos una ventana (6) que permite el paso de la radiación luminiscente (7), de manera que dichas celdas fotosensoras convierten la luz recibida en corrientes proporcionales a las áreas iluminadas por la radiación incidente que entra por la o las ventanas (6)

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200900185.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE SEVILLA.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: SEVILLA.

Inventor/es: GARCIA ORTEGA,JUAN, LOPEZ TARRIDA,CRISTINA, CASTAÑER MUÑOZ, LUIS, ORTEGA VILLASCLARAS,PABLO, QUEROL REBOUL,JOSE MANUEL.

Fecha de Solicitud: 23 de Enero de 2009.

Fecha de Publicación: .

Fecha de Concesión: 21 de Septiembre de 2011.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > LOCALIZACION DE LA DIRECCION POR RADIO; RADIONAVEGACION;... > Localizadores de dirección para la determinación... > G01S3/784 (que utilizan un mosaico de detectores)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE DISTANCIAS, NIVELES O RUMBOS; TOPOGRAFIA;... > G01C1/00 (Medida de ángulos)

Clasificación PCT:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > LOCALIZACION DE LA DIRECCION POR RADIO; RADIONAVEGACION;... > Localizadores de dirección para la determinación... > G01S3/784 (que utilizan un mosaico de detectores)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE DISTANCIAS, NIVELES O RUMBOS; TOPOGRAFIA;... > G01C1/00 (Medida de ángulos)
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Fragmento de la descripción:

Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente.

Objeto de la invención

La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente; siendo objeto de la invención el desarrollo de un sensor electrónico analógico que permita medir el ángulo de incidencia de una radiación luminosa respecto a la normal a la superficie del referido sensor. Para ello, el dispositivo sensor de la invención se compone de una pluralidad de celdas fotosensoras determinadas por fotodiodos que se protegen con una tapadera de material transparente sobre la que se deposita una lámina de material opaco con al menos una ventana. Dicha ventana se puede dimensionar de modo que al incidir un rayo de luz, éste atraviesa iluminando un par de celdas contiguas que determinan un subsensor. El campo de visión del sensor y la precisión de la medida del ángulo de incidencia quedan determinadas por las características estructurales del dispositivo.

La invención tiene aplicación directa en cualquier campo relacionado con el posicionamiento de elementos respecto a una radiación luminosa, como el control de actitud de satélites artificiales, de sistemas fotovoltáicos de generación de energía, o de sistemas integrados de iluminación. Otra aplicación está orientada a la determinación del ángulo de incidencia de la luz, como ocurre en el caso de la medida de la radiación solar directa en las cabinas de vehículos para la mejora del rendimiento en los sistemas de climatización.

Antecedentes de la invención

Las nuevas tecnologías de fabricación en microsistemas están posibilitando la realización de dispositivos que permiten cubrir las necesidades surgidas en diferentes aplicaciones comerciales en relación a la localización de un objeto luminiscente. El alto número de patentes y publicaciones científicas orientadas a la consecución de un dispositivo de medida del ángulo de incidencia de una radiación luminosa que se pueda integrar fácilmente a bajo coste demuestra el interés actual por tal dispositivo.

Los dispositivos más simples que actualmente se emplean para resolver este problema se basan en el empleo de dos células fotosensibles colocadas simétricamente sobre un plano con cierto ángulo. La diferencia de radiación incidente en cada célula proporciona una medida del ángulo de incidencia respecto de la vertical a dicho plano. Esta aproxi- mación tiene como ventaja su simplicidad, pero como inconveniente que se tiene muy baja precisión en la medida.

Existen varias técnicas y dispositivos conocidos para el cálculo del ángulo de incidencia de una radiación luminosa. En algunas aproximaciones, no se puede conseguir una elevada integración del dispositivo (JP9145357).

En otras aproximaciones existen elementos móviles que reducen la fiabilidad del dispositivo dado el aumento de la complejidad de la solución (JP2000193484).

Existen propuestas que permiten la integración microelectrónica de la solución (ver por ejemplo la patente US5594236), pero estas aproximaciones emplean procedimientos de fabricación que involucran procesos de moldeado costosos y que no garantizan una elevada precisión.

En ES9901375 se propone un proceso de fabricación donde la tapadera que cubre los fotodiodos se realiza mediante el ataque químico de una oblea de silicio. Las técnicas de microsistemas empleadas en su fabricación permiten alcanzar una elevada precisión en la medida, pero su realización es compleja y costosa.

Investigaciones previas desarrolladas por los autores de la presente invención dieron lugar al desarrollo de la patente P200800999, donde se alcanza un elevado nivel de integración con reducido tamaño y consumo. Sin embargo, estos resultados se ven superados por la presente invención, donde con un nuevo dispositivo se consigue mayor nivel de precisión y sensibilidad en el cálculo del ángulo de incidencia de la radiación luminiscente. La mejora respecto a la aproximación inicial es el uso de n células fotosensibles cubiertas por una pantalla de forma que se proyecta una sombra o haz de luz a través de una ventana, incidiendo parcialmente sobre alguna de las celdas. La sensibilidad aumenta considerablemente con esta realización. Mediante este esquema, la fotocorriente generada en cada fotocélula incidida por la luz es proporcional al área iluminada. El ángulo (θ) de incidencia de la luz respecto de la vertical se obtiene como función de las electrocorrientes obtenidas en los diodos iluminados y la posición angular de dichos fotodiodos respecto a la normal en el centro geométrico del dispositivo. De esta forma, si el objeto luminiscente está situado en la perpendicular del sensor, generará unas fotocorrientes iguales a cada lado del eje central del sensor, e iluminará aquellos fotodiodos que no sufren ningún desplazamiento respecto al centro del dispositivo.

Descripción de la invención

Para lograr los objetivos indicados anteriormente, la invención consiste en un dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, que emplea tecnologías de construcción de dispositivos electrónicos miniaturizados con semiconductores, utilizando preferentemente como base una oblea de silicio.

Novedosamente según la invención, en dicha base se integra una pluralidad de celdas fotosensoras provistas de respectivas metalizaciones terminales, cubriéndose dichas celdas con una tapadera de elevado grado de transparencia y determinada altura, en la que se ha depositado una lámina de material opaco, dotada de al menos una ventana que permite el paso de la radiación luminiscente, constituyéndose así el dispositivo; de manera que dichas celdas fotosensoras convierten la luz recibida en corrientes proporcionales a las áreas iluminadas por la radiación incidente que entra por esa o esas ventanas.

Según la realización preferente de la invención, las dimensiones de esa o esas ventanas son tales que la radiación incidente en cada ventana se proyecta parcialmente sobre dos celdas fotosensoras contiguas, de manera que cada dos celdas contiguas determinan un subsensor cuya fotocorriente generada es proporcional al área iluminada; obteniéndose el ángulo de incidencia de la luz respecto a la dirección normal al dispositivo como función de las fotocorrientes en las metalizaciones terminales del correspondiente subsensor y de la posición angular del subsensor iluminado respecto de la normal en el centro geométrico de la ventana.

Por otra parte, las aludidas celdas fotosensoras pueden estar determinadas por respectivos circuitos de fotodiodos construidos mediante difusión de dopajes necesarios para establecer n diodos PN, en tanto que sus metalizaciones terminales se pueden conectar a un circuito electrónico que está provisto de un convertidor A/D y de un microprocesador que posibilita procesamiento digital e inclusión de curvas de calibración; conectándose dicho circuito electrónico a un bus de datos mediante un interface.

Además, según distintas realizaciones de la invención, las referidas celdas fotosensoras se pueden disponer en la base u oblea en agrupaciones paralelas según una dirección del dispositivo, o en agrupaciones paralelas según dos direcciones perpendiculares del dispositivo.

La correspondiente deposición de la lámina de material opaco que se mencionó anteriormente puede realizarse sobre las...

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, que emplea tecnologías de construcción de dispositivos electrónicos miniaturizados con semiconductores, utilizando preferentemente como base una oblea de silicio (3); caracterizado porque en dicha base (3) se integran una pluralidad de celdas fotosensoras (C1, C2... Cn) provistas de respectivas metalizaciones terminales (M1, M2... Mn); cubriéndose dichas celdas con una tapadera (4) de elevado grado de transparencia y determinada altura, en la que se ha depositado una lámina de material opaco (5) dotada de al menos una ventana (6) que permite el paso de la radiación luminiscente (7), constituyéndose así el dispositivo (11, 11'); de manera que dichas celdas fotosensoras convierten la luz recibida en corrientes proporcionales a las áreas iluminadas por la radiación incidente que entra por esa o esas ventanas (6).

2. Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado I porque las dimensiones de esa o esas ventanas (6) son tales que la radiación incidente (7) en cada ventana (6) se proyecta parcialmente sobre dos celdas fotosensoras contiguas, de manera que cada dos celdas contiguas determinan un subsensor cuya fotocorriente generada es proporcional al área iluminada; obteniéndose el ángulo de incidencia de la luz (θ) respecto a la dirección normal al dispositivo (11, 11') como función de las fotocorrientes en las metalizaciones terminales del correspondiente subsensor y de la posición angular del subsensor iluminado respecto de la normal en el centro geométrico de la ventana (6).

3. Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque dichas celdas fotosensoras (C1, C2... Cn) están determinadas por respectivos circuitos de fotodiodos construidos mediante difusión de dopajes necesarios para establecer n diodos PN, en tanto que sus metalizaciones terminales (M1, M2... Mn) se conectan a un circuito electrónico (1) que está provisto de un convertidos A/D (9) y de un microprocesador (10) que posibilitan procesamiento digital e inclusión de curvas de calibración; conectándose dicho circuito electrónico (1) a un bus de datos (8) mediante un interfaz (2).

4. Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque dichas celdas fotosensoras (C1, C2... Cn) se disponen en la base u oblea (3) en agrupaciones paralelas según una dirección del dispositivo (11) o en agrupaciones paralelas según dos direcciones perpendiculares del dispositivo (11').

5. Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque la deposición de la lámina de material opaco (5) se realiza sobre las paredes laterales y superior de la tapadera (4).

6. Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque cada ventana (6) presenta una disposición asimétrica respecto de las celdas fotosensoras para mejorar la respuesta del dispositivo cuando la radiación incide formando un cierto ángulo mínimo.

7. Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque cada ventana (6) se dimensiona para que la luz pueda incidir sobre una, sobre dos o sobre más celdas fotosensoras.

8. Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque las celdas fotosensoras presentan diferentes tamaños y disposiciones simétricas o asimétricas respecto al centro del dispositivo.

9. Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque el tamaño relativo de las celdas fotosensoras respecto de la correspondiente ventana (6) es tal que permite medir el ángulo de incidencia respecto al eje x, sin que se vea afectado por la luz que penetra por la ventana (6) del dispositivo (11, 11') del eje y, y viceversa.

10. Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque la tapadera (4) está realizada en material transparente o translúcido, como pyrex o cover-glass para protección contra radiaciones de partículas de alta energía.

11. Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque la tapadera (4) está realizada con un filtro óptico, seleccionado entre diferentes espectros, tales como ultravioletas u otros.

12. Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque la oblea semiconductora que constituye la base (3) y la capa de material transparente que constituye la tapadera (4) se unen mediante fusion-bonding, anodic-bonding, o glue-bonding.

13. Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho dispositivo es susceptible de integrarse con uno o más dispositivos análogos provisto de respectivas tapaderas a distintas alturas al objeto de trabajar con distintos ángulos y aumentar la precisión de la medida del ángulo de incidencia de la radiación.

14. Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, según la reivindicación 1, caracterizado por estar encapsulado en un formato de circuito integrado que posee una abertura para la entrada de radiación.

15. Dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, según la reivindicación 3, caracterizado porque dichos circuitos de fotodiodos incluyen amplificadores integrados de conversión fotocorriente tensión y se ubican en un encapsulado que alberga además al convertidor A/D (9) y al microprocesador (10) constituyentes del referido circuito electrónico (1).