專利名稱：一種環(huán)境光探測器的制作方法
技術領域 本實用新型屬于光電轉換領域，涉及一種環(huán)境光探測器。
背景技術：
目前的環(huán)境光探測器大致分為三種類型，線性模擬輸出型、非線性模擬輸出型和數字輸出型。
線性模擬輸出型又細分為電流輸出型和電壓輸出型，電流輸出型環(huán)境光探測器將環(huán)境光光強度信號轉化成電流信號，通過外接一個電阻，將電流信號轉化成電壓信號，以供給后級電路使用。電壓輸出型環(huán)境光探測器將環(huán)境光光強度信號轉化成與之成正比的電壓信號輸出，以供給后級電路使用。相比之下，電流輸出型環(huán)境光探測器可以通過選擇負載電阻的大小來設置輸出電壓的大小，應用更加靈活方便。這兩者都是線性模擬輸出型，具有響應速度快，靈敏度高等特點。根據需要可以在輸出端增加一個低通或高通濾波器，使輸出的信號更加理想。
另一類為非線性模擬輸出型，較常見的是輸入光照度與探測器輸出電信號呈對數或開方關系。這種環(huán)境光探測器擴大了光照度的動態(tài)范圍，但是靈敏度較線性型有明顯的下降。
第三類是數字輸出型，即將環(huán)境光強度轉化成數字信號輸出。這種輸出可以直接與控制器相連，與輸出模擬信號相比，具有更好的噪聲免疫性，更易于在通用I2C總線上的網絡工作，允許將多個光傳感器置于同一個I2C總線上。缺點是電路規(guī)模相對較大，功耗高。除非是應用于多個光傳感器的系統(tǒng)中，否則價值不大。
目前的電流輸出型環(huán)境光探測器工作溫度范圍較小，在一定程度上影響了應用的廣泛性，需要一種工作溫度范圍較大的電流輸出型環(huán)境光探測器。
實用新型內容本實用新型為解決環(huán)境光探測器工作溫度范圍較小的技術問題，提供一種溫度范圍較大的環(huán)境光探測器。
一種環(huán)境光探測器，包括將可見光光強度信號轉換成電流信號的光敏元件；將光敏元件偏置在微偏電壓下的溫度特性穩(wěn)定電路；對光敏元件輸出的光電流信號進行放大的電流放大器；光敏元件與溫度特性穩(wěn)定電路連接，溫度特性穩(wěn)定電路與電流放大器連接。
上述光敏元件為只對可見光敏感的第一硅光電二級管，第一硅光電二級管由硅光電二級管和紅外濾波片組成。
上述光敏元件由對可見光及紅外光都敏感的第二硅光電二極管和只對紅外光敏感的第三硅光電二極管組成。
上述溫度特性穩(wěn)定電路包括運算放大器和MOS管；運算放大器具有正向輸入端、反向輸入端、輸出端，光敏元件連接在運算放大器的正向輸入端和反向輸入端之間，MOS管連接在運算放大器的輸出端和反向輸入端之間，MOS管還與后端電流放大器連接。
上述電流放大器為共源共柵電流鏡放大器。
本實用新型提供的環(huán)境光探測器通過溫度特性穩(wěn)定電路將光敏元件偏置在較小的電壓下，使環(huán)境光探測器能工作在較寬的溫度范圍內，環(huán)境光探測器應用更加廣泛。
圖1是本實用新型提供的環(huán)境光探測器原理框圖； 圖2是本實用新型提供的實施例1的電路圖； 圖3a為光照度范圍在0lux到1000lux之間時圖2中電流鏡放大器輸入電流圖； 圖3b為光照度范圍在0lux到1000lux之間時圖2中電流鏡放大器輸出電流圖； 圖3c為光照度范圍在0lux到1000lux之間時圖2中電流鏡放大器增益誤差曲線圖； 圖4a為光照度在100lux時、溫度范圍由-40℃到120℃變化過程中圖2中電流鏡放大器輸出電流圖； 圖4b為光照度在100lux時、溫度范圍由-40℃到120℃變化過程中圖2中電流鏡放大器輸入電流圖； 圖5為人眼及硅的光譜響應曲線圖； 圖6為N阱加P注入結構的第二硅光電二級管結構圖； 圖7為N阱結構的第三硅光電二級管結構圖； 圖8為標注了結深和耗盡層厚度的第二硅光電二級管結構圖； 圖9為標注了結深的第三硅光電二級管結構圖； 圖10為第二硅光電二極管和第三硅光電二極管的光譜響應曲線圖； 圖11為二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)的傳輸率曲線圖； 圖12為波長在420nm到840nm范圍內ARC層(ARCanti-reflect coating，防反射層)的傳輸率曲線圖； 圖13為實施例2的電路圖； 圖14為圖13中IRCurrentAMP6的內部電路圖； 圖15為圖13中GCurrentAMP6的內部電路圖。
具體實施方式
為了使本實用新型所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
本實用新型基于簡單的電流鏡放大器，提出了一種低功耗、高可靠性、高噪聲抑制能力、高電源抑制能力和較大工作溫度范圍的環(huán)境光探測器。該環(huán)境光探測器可準確的檢測周圍環(huán)境光的亮度狀況，將環(huán)境光亮度信號轉變成電流信號，反饋回控制系統(tǒng)，從而有效地實現設備顯示屏的亮度調節(jié)或者鍵盤燈的開關，可廣泛應用于手機、PDA、筆記本電腦、便攜式DVD播放器、MP3播放器、便攜式攝像機和數碼相機的節(jié)能控制。
該環(huán)境光探測器的基本原理是將環(huán)境光強度信號轉化成電流信號，系統(tǒng)通過電流信號的大小來控制顯示屏亮度。在暗環(huán)境中，該環(huán)境光探測器輸出一個相對較小的電流，控制系統(tǒng)識別到這個電流就會相應的減小顯示屏的亮度，不會讓顯示屏始終運行在高亮度環(huán)境下，從而起到了節(jié)能，延長顯示屏壽命的作用。
如圖1所示，該環(huán)境光探測器由光敏元件11、溫度特性穩(wěn)定電路12和電流放大器13組成，光敏元件11與溫度特性穩(wěn)定電路12連接，溫度特性穩(wěn)定電路12與電流放大器13連接。光敏元件11將可見光光強度信號轉換成電流信號；溫度特性穩(wěn)定電路12將光敏元件偏置在微偏電壓下，減小溫度對電流信號的影響；電流放大器13對電流信號進行放大，以供給后級電路使用。
如圖2所示，為本實用新型實施例1的電路圖，包括對可見光敏感的第一硅光電二極管D1，第一硅光電二級管D1由對可見光和紅外光都敏感的硅光電二極管貼上紅外濾光膜構成，濾除紅外光的影響，得到可見光強度信號轉換成的電流信號；運算放大器OP1和NMOS管N構成溫度特性穩(wěn)定電路，第一硅光電二極管D1的陽極接運算放大器OP1的正向輸入端Vin+，第一硅光電二極管D1的陰極接運算放大器OP1的反向輸入端Vin-，NMOS管N的柵極與運算放大器OP1的輸出端連接、源極與運算放大器OP1的反向輸入端Vin-連接、漏極與電流放大器連接，運算放大器OP1將第一硅光電二極管D1偏置在微偏電壓下，減小溫度對輸出電流的影響；運算放大器OP1的反向輸入端Vin-沒有電流流入，則流過NMOS管N的電流等于光電流，此電流作為電流鏡放大器的輸入信號；后端的8個MOS管構成兩級電流鏡放大器，PMOS管P1、P2、P3、P4構成第一級放大器，NMOS管N1、N2、N3、N4構成第二級放大器，PMOS管P1、P2構成MOS管對，放大倍數為10倍，PMOS管P3、P4構成MOS管對，放大倍數為10倍，NMOS管N1、N2構成MOS管對，放大倍數為100倍，NMOS管N3、N4構成MOS管對，放大倍數為100倍，整個電流鏡放大器的放大倍數為1000倍。這兩級放大器都采用共源共柵結構，與簡單電流鏡放大器相比，它增強了電流增益的精確性，提高了對電源噪聲的抑制能力，增加了輸出電阻。
根據電流鏡的基本原理，電流鏡放大器可以對輸入電流進行線性放大，放大倍數為前一級MOS管的寬長比比上后一級MOS管的寬長比，假設前一級MOS管寬長比為k1，后一級MOS管寬長比為k2，總的電流放大倍數為k，則k＝k2/k1，上述電流鏡放大器中二極管對的放大倍數就采用這種原理設計而成。采用共源共柵結構能夠更好的抑制電源噪聲，提高電路的電源抑制比PSRR(Power Supply Reiection Ratio)，有效的抑制溝道長度調制效應，使電流鏡的放大倍數更接近理論值。與簡單電流鏡相比，共源共柵電流鏡對電源擾動的抑制能力提高了(gm+gmb)ro倍，電流的失配減小了(gm+gmb)ro倍，其中gm為MOS管跨導，gmb為MOS管襯底跨導，ro為MOS管等效電阻。
運算放大器OP1和NMOS管N構成一個負反饋環(huán)，反饋組態(tài)為電壓-電流負反饋，它們共同構成了溫度特性穩(wěn)定電路。若將運算放大器OP1看成一個理想運算放大器，根據反饋的基本原理，則運算放大器OP1的反相輸入端Vin-電壓等于同相輸入端Vin+電壓，這時第一硅光電二極管D1的光電流受溫度影響最小。但是，實際中的運算放大器很難做到理想情況，故需要對運算放大器的內部設計做一些特殊的處理，使得運放的反相輸入端Vin-電壓略微大于同相輸入端Vin+電壓，則第一硅光電二極管D1處于微小反偏狀態(tài)，這樣既很好的控制了光電二極管的光電效應又有效的抑制了溫度對輸出光電流的影響。
對運算放大器OP1特殊處理如下分別在運算放大器OP1的正向輸入端Vin+和反向輸入端Vin-加一級輸入緩沖級，輸入管的尺寸設計相對較小，結合調節(jié)尾電流的大小，運算放大器OP1在整個工作范圍內，在保證反饋環(huán)路中的NMOS管N正常傳導光電流的情況下，保證輸入端的壓差使第一硅光電二極管D1處于微小(偏壓值小于1mV，一般在幾百uV)的反偏狀態(tài)，從而很大程度上提高了電路的性能，尤其是溫度穩(wěn)定性。
如圖3a、圖3b、圖3c所示，分別為光照度范圍在0lux到1000lux之間時圖2中電流鏡放大器輸入電流圖、電流鏡放大器輸出電流圖、電流鏡放大器增益誤差曲線圖；可以看出在給定的光照度范圍內電流鏡放大器增益誤差為(1.008-1.001)/1＝7‰。
如圖4a所示，光照度固定在100lux時，隨著溫度的變化，電流鏡放大器輸出電流增益誤差為(16.023u-16.015u)/16u＝0.5‰，圖4b所示，光照度固定在100lux時，隨著溫度的變化，電流鏡放大器輸入電流不受影響。由此可見實施例1所示的環(huán)境光探測器在較大溫度范圍內都能正常工作。
如圖5所示，雖然硅的靈敏波長范圍包含了人眼的靈敏波長范圍，但是硅對紫外線和紅外線卻有相當高的靈敏度。要使環(huán)境光探測器的光譜響應曲線接近人眼的光譜響應曲線，必須濾除硅響應光譜中紫外線和紅外線的影響。
本實用新型通過設計兩個光電二極管，實現紅外光及紫外光的去除，得到只對可見光敏感的光響應曲線。如圖6所示，為第二硅光電二級管的結構圖，具有N阱加P注入結構，根據光的滲入深度計算出第二硅光電二級光的結深和耗盡層厚度，設計成一個對可見光及紅外光都敏感的硅光電二極管；如圖7所示，為第三硅光電二級管的結構圖，具有N阱結構，根據光的滲入深度計算出硅光電二級光的結深，設計成一個只對紅外光敏感的硅光電二極管。
眾所周知，人眼靈敏的光波長范圍是350nm到700nm之間。要濾除紫外線的影響，就要將硅光電二極管的結深定義在紫外線的滲入深度以下，這樣由紫外線產生的光電載流子就會在表面復合掉，對光電流產生不了貢獻。
通過公式(1)計算得在滲入深度為0.192um的地方，波長為350nm的光已經被吸收了90％，那么小于λ＝350nm的紫外線在滲入深度0.192um處被吸收的要遠大于90％。因此我們定義0.192um為N阱加P注入結構的第二硅光電二極管的結深H1。同理，因為人眼最靈敏的波長是560nm，因此我們設計560nm的光被吸收了90％時的滲入深度為N阱結構的第三硅光電二極管的結深H3。
電子電荷量×光吸收系數×光通量×
由于在滲入深度為4.6um開始吸收的主要是紅外線，所以我們將4.6um處定義為N阱加P注入結構的第二硅光電二極管耗盡層的底端H2。
如表1所示，顯示了不同波長在不同吸收情況下的滲入深度 表1 根據上面的計算，于是我們得到了以下兩種結構的硅光電二極管如圖8和圖9所示，圖8中第二硅光電二極管的結深H1為0.192um，耗盡層低端深度H2為4.6um，圖9中第三硅光電二極管的結深H3為4.6um。
下面我們定義硅光電二極管的濃度，對于N阱加P注入結構的第二硅光電二極管要求其N阱的深度H2是4.6um、結深H1是0.192um，因此第二硅光電二極管的PN結區(qū)厚度約為4.4um(4.6-0.192＝4.408um)。由公式(2)和公式(3)的原理，我們計算出P注入的濃度為1019atoms/cm3、N阱的濃度為5×1013atoms/cm3。對于N阱結構的第三硅光電二極管，由于該結構對耗盡層厚度沒有嚴格的限制，所以我們盡量使其耗盡層厚度越厚，從而可以得到更大的光電流。設我們用的P襯底的濃度為1014atoms/cm3，N阱的濃度可為1020atoms/cm3，此時耗盡層的厚度為3.291um。
公式(2)、(3)中Vbi內建電勢；q電子電量；T熱力學溫度；k波爾茲曼常數；NA受主載流子濃度；ND施主載流子濃度；ni本征載流子濃度；W耗盡層厚度；εs介電常數 NB輕摻雜載流子濃度V外加電壓。
這兩種結構的硅光電二極管的光譜響應曲線如圖10所示，其中上面的曲線是N阱加P注入結構的第二硅光電二極管的光譜響應曲線，下面的曲線是N阱結構的第三硅光電二極管的光譜響應曲線。
圖10中的光譜曲線還可以由單獨的一個N阱加P注入結構的硅光電二極管實現。如果將N阱加P注入結構的硅光電二極管的P襯底接地、給N阱一個高電位，那么從P注入流出的電流即為人眼的光譜響應曲線。其中從N阱引出電級測量可得圖10中上面那條曲線，從P襯底引出電級測量可得圖10中下面那條曲線。但是此硅光電二極管的光譜曲線精確度不高，不能在精確度要求較高的場合使用。
上述設計的第二硅光電二極管對可見光和紅外光都敏感，第三硅光電二極管只對紅外光敏感，將第二硅光電二極管產生的光電流減去第三硅光電二極管產生的光電流，就能夠得到精確的可見光電流。
在CMOS工藝中，半導體表面會沉積很多介質層以達到保護和隔離芯片的作用，光通過這些介質層發(fā)生反射、折射和干涉現象能到達晶體表面的已經所剩無幾，這些介質層的存在，嚴重影響了硅光電二極管的傳輸率。
為解決這種問題，就要進行開窗設計，開窗設計就是將的第二硅光電二極管的P注入上面的覆蓋層、第三硅光電二極管的N阱上的覆蓋層刻蝕掉，這樣光線可以直接射到半導體表面，可是暴露在空氣中的半導體，會因為外界環(huán)境(如空氣中具有塵埃)的影響發(fā)生本質的變化，如晶格損傷。因此需要在半導體表面覆蓋一層ARC層，以達到既能保護和隔離芯片，又能使硅光電二極管傳輸率大的效果。
ARC層需要有保護、隔離及透光的作用，氮化硅(Si3N4)和二氧化硅(SiO2)都可以作為ARC層的材料。如圖11所示，氮化硅(Si3N4)的透光率比二氧化硅(SiO2)高，故選用氮化硅(Si3N4)作為ARC層的材料。
由公式(4)計算ARC層的厚度，根據氮化硅(Si3N4)所在的環(huán)境，設氮化硅(Si3N4)的折射率為2，波長選擇人眼最為敏感的560nm，考慮到工藝的質量，奇數倍倍數選擇3倍。計算出ARC層的厚度為2100埃。
用厚度為2100埃的氮化硅(Si3N4)做ARC層時，在可見光區(qū)的傳輸率如圖12所示，可見在可見光區(qū)的透光率最少都在60％以上，光透性較好。
上述設計中，通過硅光電二極管的結深濾除紫外線的影響，通過窗口刻蝕減少了光線通過多層介質的損耗，通過ARC層減少了光的反射，增加了投射到半導體表面的光通量，還能保護和隔離芯片，避免外界環(huán)境對芯片的損害。
下面將通過減法電路去除紅外光對光電流的影響，圖13為本實用新型實施例2的電路圖，圖中D3為只對紅外光敏感的第三硅光電二極管，D2為對紅外光和可見光都敏感的第二硅光電二極管，第三硅光電二極管D3的陰極連接IRCurrentAMP6的V+輸入端，第三硅光電二極管D3的陽極連接IRCurrentAMP6的V-輸入端，第二硅光電二極管的陰極連接GCurrentAMP6的V-輸入端，第二硅光電二極管的陽極連接GCurrentAMP6的V+輸入端，IRCurrentAMP6輸出端IRIout連接第二硅光電二極管D2的陽極。IRCurrentAMP6和GCurrentAMP6內部都含有同實施例1一樣的溫度特性穩(wěn)定電路和共源共柵電流鏡放大器，假設第三硅光電二極管D3產生的光電流為ID3，第二光電二級管D2產生的光電流為ID2，IRCurrentAMP6的放大倍數為k，GCurrentAMP6的放大倍數為a，則輸出光電流滿足Iout＝a(ID2-kID3)，合理設計系數k，就可以使環(huán)境光探測器有效的濾除紅外光部分，即輸出電流Iout只與可見光照度成正比。
系數k取決于兩個光電二極管對紅外光的響應度，其目的是從ID2中減去紅外光產生的光電流部分。系數k采用如下方法確定，設在某一光照環(huán)境下，D3只對紅外光敏感產生的光電流為ID3，D2對可見光和紅外光都敏感，產生的光電流為ID2，ID2＝I1+I2，I1表示可見光部分產生的光電流，I2表示紅外光部分產生的光電流，則系數 圖13中IRCurrentAMP6的內部電路圖如圖14所示，由運算放大器OP2和PMOS管P23構成溫度特性穩(wěn)定電路，后端八個MOS構成兩級共源共柵電流鏡放大器，PMOS管P21、P22、P23、P24構成第一級放大器，NMOS管N21、N22、N23、N24構成第二級放大器。PMOS管P21、P22構成MOS管對，放大倍數為1倍，PMOS管P23、P24構成MOS管對，放大倍數為1倍，NMOS管N21、N22構成MOS管對，放大倍數為k，NMOS管N23、N24構成MOS管對，放大倍數為k。此共源共柵運算放大器將第三硅光電二極管D3的輸出電流放大k倍。溫度特性穩(wěn)定電路中的PMOS管和共源共柵運算放大器的第一級放大器共用同一PMOS管P23。圖14中輸入端口V+、V-、VCC、輸出端口IRIout與圖13中IRCurrentAMP6的輸入端口V+、V-、VCC、輸出端口IRIout相對應。
圖13中GCurrentAMP6的內部電路圖如圖15所示，由運算放大器OP3和NMOS管N31構成溫度特性穩(wěn)定電路，后端八個MOS構成兩級共源共柵電流鏡放大器，NMOS管N31、N32、N33、N34構成第一級放大器，PMOS管P31、P32、P33、P34構成第二級放大器。NMOS管N31、N32構成MOS管對，放大倍數為10倍，NMOS管N33、N34構成MOS管對，放大倍數為10倍，PMOS管P31、P32構成MOS管對，放大倍數為100倍，PMOS管P33、P34構成MOS管對，放大倍數為100倍，此共源共柵運算放大器將第二硅光電二極管D2的輸出電流放大1000倍。溫度特性穩(wěn)定電路中的NMOS管和共源共柵運算放大器的第一級放大器共用同一NMOS管N31。圖15中輸入端口V-、V+、VSS、VCC、輸出端口Iout與圖13中GCurrentAMP6的輸入端口V-、V+、VSS、VCC、輸出端口Iout相對應。
實施例2的環(huán)境光探測器通過兩電路產生的光電流精確相減，得到只對可見光敏感的光譜響應曲線，該光譜響應曲線接近人眼對光譜的響應，通過IRCurrentAMP6和GCurrentAMP6中溫度特性穩(wěn)定電路的作用，提高了工作溫度范圍，使環(huán)境光探測器應用范圍更加廣泛。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種環(huán)境光探測器，其特征在于，包括
將可見光光強度信號轉換成電流信號的光敏元件；
將光敏元件偏置在微偏電壓下的溫度特性穩(wěn)定電路；
對光敏元件輸出的光電流信號進行放大的電流放大器；
光敏元件與溫度特性穩(wěn)定電路連接，溫度特性穩(wěn)定電路與電流放大器連接。
2.如權利要求1所述的環(huán)境光探測器，其特征在于所述光敏元件為只對可見光敏感的第一硅光電二級管。
3.如權利要求2所述的環(huán)境光探測器，其特征在于所述第一硅光電二級管由硅光電二級管和紅外濾波片組成。
4.如權利要求1所述的環(huán)境光探測器，其特征在于所述光敏元件由對可見光及紅外光都敏感的第二硅光電二極管和只對紅外光敏感的第三硅光電二極管組成。
5.如權利要求1所述的環(huán)境光探測器，其特征在于所述溫度特性穩(wěn)定電路包括運算放大器和MOS管；
運算放大器具有正向輸入端、反向輸入端、輸出端，光敏元件連接在運算放大器的正向輸入端和反向輸入端之間，MOS管連接在運算放大器的輸出端和反向輸入端之間，MOS管還與后端電流放大器連接。
6.如權利要求1所述的環(huán)境光探測器，其特征在于所述電流放大器為電流鏡放大器。
7.如權利要求6所述的環(huán)境光探測器，其特征在于所述電流鏡放大器為共源共柵電流鏡放大器。
專利摘要本實用新型提供了一種環(huán)境光探測器，包括將可見光光強度信號轉換成電流信號的光敏元件；將光敏元件偏置在微偏電壓下的溫度特性穩(wěn)定電路；以及對光敏元件輸出的光電流信號進行放大的電流放大器；光敏元件與溫度特性穩(wěn)定電路連接，溫度特性穩(wěn)定電路與電流放大器連接。本實用新型提供的環(huán)境光探測器通過溫度特性穩(wěn)定電路將光敏元件偏置在較小的電壓下，使環(huán)境光探測器能工作在較寬的溫度范圍內，環(huán)境光探測器應用更加廣泛。
文檔編號G01J1/44GK201561800SQ20092026064
公開日2010年8月25日 申請日期2009年11月23日 優(yōu)先權日2009年11月23日
發(fā)明者李富民, 邵光云, 高存旗 申請人:比亞迪股份有限公司