Dispositivo para la medida del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente.

El dispositivo consta de dos fotosensores (1) y (2) integrados en una misma oblea (3) de silicio. Estos fotodiodos son fabricados mediante la difusión de los dopajes necesarios para construir dos diodos PN. Estos fotodiodos están cubiertos por una tapadera (4) de material transparente sobre la que se ha depositado una lámina de material opaco (5). En dicha lámina de metal se ha realizado una ventana (6) para dejar entrar la radiación (7). De esta manera un rayo de sol es proyectado sobre ambos fotosensores. La fotocorriente generada en cada fotosensor es proporcional al área iluminada y por consiguiente la diferencia de las fotocorrientes obtenidas en las metalizaciones A y B es proporcional a la tangente del ángulo ({ze}) de incidencia de la luz respecto de la vertical

Dispositivo para la medida del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere al desarrollo de un sensor electrónico que tiene como objeto medir el ángulo existente entre una radiación luminosa y la vertical respecto de la superficie del sensor. El sensor consiste en dos fotodiodos sobre el que incide un rayo de luz que atraviesa una ventana realizada en una tapadera de material transparente que sirve de cubierta. El campo de visión del sensor y la precisión de la medida del ángulo de incidencia son determinadas por las características estructurales del dispositivo.

La invención tiene una aplicación directa en el campo del posicionamiento de elementos respecto una radiación luminosa, como son los satélites artificiales, los sistemas solares de generación de energía. También es útil para determinar del ángulo de incidencia de la luz, como es el caso de la entrada de la radiación solar directa en las cabinas de vehículos con objeto de mejorar el rendimiento de los sistemas de climatización.

Estado de la técnica

Actualmente, el problema de la localización de un objeto luminiscente está en auge debido a que las nuevas tecnologías de fabricación están posibilitando nuevas aplicaciones comerciales.

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 un 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 aproximación tiene como ventaja su simplicidad, pero como inconveniente se tiene una muy baja precisión en la medida.

Una mejora de la aproximación anterior consiste en el uso de una pantalla de manera que se proyecte una sombra o un haz de luz que atraviesa una ventana sobre las dos células fotosensibles. La sensibilidad aumenta considerablemente con esta realización. En este esquema, la localización de objetos luminosos se realiza situando el sensor en una posición perpendicular a la radiación incidente de manera que las corrientes generadas por las dos células sean iguales.

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 empleada en su fabricación permite alcanzar una elevada precisión en la medida, pero su realización es compleja y costosa.

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.

Las principales aplicaciones de un sensor que determine el ángulo de incidencia de una radiación luminosa son las siguientes:

En todas estas aplicaciones, el dispositivo en cuestión simplifica el control de posicionamiento, abaratando los costes de instalación y mantenimiento. La inclusión de un circuito microprocesador permite un montaje autónomo de los posicionadores en los sistemas de seguimiento.

Descripción de las figuras

Figura 1. Representación del sensor de medida del ángulo de la radiación luminosa. El dispositivo consta de dos fotosensores (1) y (2) integrados en una misma oblea (3) de silicio típicamente. Estos fotodiodos son fabricados introduciendo el dopante adecuado para crear los diodos de unión PN. Los fotodiodos están cubiertos por una capa (4) de material transparente sobre la que se ha depositado una lámina de material opaco (5). En dicha lámina de metal se ha realizado una ventana (6) para dejar entrar la radiación (7). De esta manera un rayo de sol es proyectado sobre ambos fotosensores. La fotocorriente generada en cada fotosensor es proporcional al área iluminada y por consiguiente la diferencia de las fotocorrientes obtenidas en las metalizaciones A y B es proporcional a la tangente del ángulo (θ) de incidencia de la luz respecto de la vertical.

Figura 2. Representación de las principales magnitudes geométricas del dispositivo. En esta figura se representa la sección del dispositivo acotando las principales dimensiones funcionales, como son la anchura (W) de la ventana y la distancia (H) existente entre la lámina de material opaco y los fotodiodos.

Figura 3. Representación de las zonas de los fotodiodos iluminadas por la radiación incidente al entrar por la ventana de la lámina opaca.

En esta figura se representa la dependencia entre las zonas iluminadas en los fotodiodos y el ángulo (θ) de incidencia. Cuando la radiación incidente con un ángulo (θ) respecto la perpendicular, un fotodiodo incrementa la distancia iluminada en (X), mientras que en el otro fotodiodo se decrementa.

Figura 4. Vista superior del sensor.

La zona rallada en la Figura 4 representa la lámina de material opaco, aunque se ha dibujado translúcida para apreciar los fotodiodos (1) y (2). Las dimensiones de las ventanas son (W) y (L). La dimensión (M) del fotodiodo se calcula para permitir la medida del ángulo incidente respecto el eje Y independiente del ángulo de incidencia respecto el eje X.

Figura 5. Circuito electrónico para la medida del ángulo de incidencia de la luz.

Se pueden emplear distintos niveles electrónicos para llevar a cabo la conversión de fotocorrientes a ángulos de incidencia. Una primera etapa emplea amplificadores en cada fotodiodo para convertir las fotocorrientes generadas en tensiones. La posterior conversión analógica digital permite que los valores digitales sean procesados de manera que se obtenga la medida del ángulo incidente. Un microprocesador realiza los cálculos para obtener los ángulos.

Figura 6. Planta del dispositivo con dos sensores ortogonales.

Se pueden emplear dos sensores girados 90º entre sí para obtener los ángulos de incidencia de la radiación luminosa respecto los ejes X e Y.

Figura 7. Principales pasos de fabricación de los fotodiodos en el sustrato semiconductor.

El dibujo 1 muestra el crecimiento o depósito de un material apantanante sobre una oblea semiconductora. El dibujo 2 muestra la realización de los fotodiodos. En el dibujo 3 se muestra la eliminación del material apantanante. En el dibujo 4 se muestra el crecimiento de un material aislante. En los dibujos 5 y 6 se definen las regiones de contacto de base y emisores de los fotodiodos, respectivamente. En el dibujo 6 se realiza la metalización para los contactos.

Figura 8. Principales pasos de fabricación de la cubierta de metal mediante la técnica...

1. Dispositivo para la medida del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, caracterizado por estar compuesto por dos fotodiodos integrados en una oblea semiconductora y una tapadera de material transparente sobre la que se ha depositado una lámina de material opaco con una ventana para dejar entrar la radiación.

2. Dispositivo según reivindicación 1 caracterizado porque la deposición de la lámina de material opaco también se realiza sobre las paredes laterales de la tapadera.

3. Dispositivo según reivindicaciones anteriores caracterizado porque la ventana no está dispuesta simétricamente respecto de los fotodiodos para mejorar la respuesta del dispositivo cuando la radiación incide formando un cierto ángulo mínimo.

4. Dispositivo según reivindicaciones anteriores caracterizado porque el tamaño relativo los fotodiodos respecto de la ventana permite medir el ángulo de incidencia respecto al eje Y, pero ser insensible respecto del ángulo que forme con el eje X.

5. Dispositivo según reivindicaciones anteriores caracterizado porque la tapadera está realizada en material cover-glass para protección contra radiaciones de partículas de alta energía.

6. Dispositivo según reivindicaciones anteriores caracterizado porque la tapadera está realizada en material translúcido.

7. Dispositivo según reivindicación 1 caracterizado porque la oblea semiconductora y la capa de material transparente son unidas mediante fusion-bonding, anodic-bonding, o blue-bonding.

8. Dispositivo según reivindicaciones anteriores caracterizado porque los fotodiodos convierten la luz recibida en dos corrientes proporcionales a las áreas iluminadas por la radiación incidente que entra por la ventana superior.

9. Dispositivo según reivindicaciones anteriores caracterizado por permitir la medida de la radiación directa a partir de la suma de las corrientes generadas por los fotodiodos.

10. Dispositivo según reivindicaciones anteriores caracterizado por integrar dos sensores para poder medir los ángulos que forman la radiación con respecto los ejes X e Y.

11. Dispositivo según reivindicaciones anteriores caracterizado por incluir los amplificadores integrados para la conversión fotocorriente-tensión.

12. Dispositivo según reivindicaciones anteriores caracterizado por integrar un convertidor analógico digital y un microcontrolador para el procesamiento digital de las tensiones e incluir curvas de calibración.

13. Dispositivo según reivindicaciones anteriores caracterizado por integrar dos pares de fotodiodos y tapaderas a distinta altura que permita trabajar con distintos ángulos de visión y precisión de la medida del ángulo de incidencia de la radiación.