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 aproximación 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 asi 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 paredes laterales y superior de la aludida tapadera.

Por otra parte, cada ventana del dispositivo puede presentar una disposición asimétrica respecto de las celdas fotosensoras para mejorar la respuesta del dispositivo cuando la radiación incide formando un cierto ángulo minimo.

Según distintas realizaciones de la invención, cada ventana del dispositivo se puede dimensionar para que la luz incida sobre una, sobre dos o sobre más celdas fotosensoras . Además, las celdas fotosensoras pueden presentar diferentes tamaños y disposiciones simétricas o asimétricas respecto del centro del dispositivo.

El tamaño relativo de las celdas fotosensoras respecto de la correspondiente ventana puede ser tal que permita medir el ángulo de incidencia respecto al eje x sin que se vea afectado por la luz que penetra por la ventana del dispositivo del eje y, y viceversa.

Según una realización de la invención, la tapadera del dispositivo está realizada en material transparente o translúcido, como pyrex o cover-glass para protección contra radiaciones de partículas de alta energía.

Además, dicha tapadera puede realizarse con un filtro óptico seleccionado entre diferentes espectros tales como ultravioletas u otros. En las realizaciones preferentes de la invención, la oblea semiconductora que constituye la base del dispositivo y la capa de material transparente que constituye la tapadera se unen mediante las técnicas fusion-bonding, anodic-bonding, o glue-bonding. Por otra parte, el dispositivo de la invención es susceptible de integrarse con uno o más dispositivos análogos provistos 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.

El dispositivo de la invención puede estar encapsulado en un formato de circuito integrado que posea una abertura para la entrada de la radiación. Los circuitos de fotodiodos que se mencionaron anteriormente pueden incluir amplificadores integrados de conversión fotocorriente-tensión y ubicarse en un mismo encapsulado que albergue además al convertidor A/D y microprocesador que se mencionaron anteriormente. Con la estructura que se ha descrito, el dispositivo de la invención presenta ventajas relativas a que determina un sensor de alta precisión para determinar el ángulo de incidencia de una fuente de luz, con una construcción relativamente sencilla y de bajo coste, presentando sin embargo una gran fiabilidad y precisión.

Además, el dispositivo de la invención permite aplicaciones entre las que cabe destacar:

Orientación y control de actitudes de satélites artificiales determinando el ángulo de incidencia del sol sobre los ejes del cuerpo del satélite. La alta sensibilidad que puede conseguirse con este dispositivo permite un posicionamiento de alta precisión de los satélites a un bajo coste.

Posicionamiento de captadores y/o reflectores en los sistemas de generación eléctrica por energía solar. Control y seguimiento del sol por parte de los heliostatos en plantas foltovoltaicas y de concentración, con la mejora en el rendimiento de dichas plantas que este concepto implica. Determinación del ángulo de incidencia de la radiación solar en vehículos. La determinación de la radiación lateral sobre un vehículo permite optimizar los flujos de aire climatizado y maximizar el confort en sus cabinas .

En estas aplicaciones, asi como en otras posibles, el dispositivo de la invención simplifica el control de posicionamiento, abaratando costes de instalación y mantenimiento. Además, el dispositivo de la invención permite la inclusión de un circuito microprocesador que facilite un montaje autónomo de los posicionadores en sistemas de seguimiento.

A continuación, para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE IAS FIGURAS

Figura 1.- Representa una vista de perfil y seccionada de un dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente, realizado según la presente invención.

Figura 2.- Es una vista igual que la de la anterior figura 1 pero referenciando las principales magnitudes geométricas del aludido dispositivo.

Figura 3.- Es una vista igual que la de las anteriores figuras 1 y 2 pero habiéndose referenciado en dicho dispositivo como entra la radiación hacia un subsensor del dispositivo formado por dos celdas contiguas, indicándose los ángulos más significativos.

Figura 4.- Representa una vista en planta superior del dispositivo de las tres anteriores figuras.

Figura 5.- Representa una vista en planta superior de una variante respecto al dispositivo de las anteriores figuras, consistiendo esta variante en que el dispositivo presenta celdas contiguas según dos direcciones perpendiculares, en vez de según una sola dirección.

Figura 6.- Representa un diagrama de bloques funcionales en el que un dispositivo como el de cualquiera de las figuras anteriores conecta con bloques de circuiteria electrónica para la medida del ángulo de incidencia de la luz.

DESCRIPCIÓN DE UN EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN Seguidamente se realiza una descripción de la invención haciendo referencia a la numeración adoptada en las figuras.

Asi, el dispositivo del presente ejemplo cuenta con una pluralidad de celdas fotosensoras Cl, C2... Cn que se integran en una base constituida por una oblea de silicio 3. Dichas celdas son fotodiodos que se fabrican introduciendo el dopante adecuado para crear los diodos de unión PN. Esos fotodiodos están protegidos por una tapadera de material transparente que constituye una tapadera 4 sobre la que se ha depositado una lámina de material opaco 5. Esa lámina 5 es una lámina de metal en la que se ha realizado una ventana 6 que permite que un rayo de sol se proyecte sobre un par de fotosensores contiguos determinantes de un subsensor, de manera que un dispositivo que tenga n celdas fotosensoras dispondrá de n-1 subsensores. La fotocorriente generada en cada subsensor incidido por la luz es proporcional al área iluminada y el ángulo (θ) de incidencia de la luz respecto a la dirección perpendicular al dispositivo se obtiene como función de las fotocorrientes obtenidas en las metalizaciones terminales Ml, M2... Mn y de la posición angular del correspondiente subsensor iluminado respecto a la normal en el centro geométrico del dispositivo.

Las características geométricas del dispositivo de mayor importancia consisten en la anchura W de la ventana 6, y la distancia H existente entre la lámina de material opaco 5 y las celdas fotosensoras, según se ha ilustrado en la figura 2.

En la figura 3 se puede apreciar el subsensor iluminado por la radiación incidente al entrar por la ventana de la lámina opaca y los ángulos que se obtienen. Asi, en esta figura 3 se representa la dependencia entre el subsensor iluminado y el ángulo (θ) de incidencia, observándose que cada subsensor sufre un desplazamiento B ₁ respecto al centro geométrico del conjunto. El ángulo (θ) de incidencia de la luz respecto a la dirección normal al sensor se obtiene como función de las fotocorrientes generadas en el subsensor iluminado, que proporciona el ángulo Δ(θ), y de la posición angular (G ₁ ) de dicho subsensor respecto a la normal en el centro geométrico del dispositivo.

En la figura 4, consistente en una vista superior del dispositivo, la zona rayada representa la lámina de material opaco 5, aunque se ha dibujado traslúcida para apreciar las celdas fotosensoras . Como puede verse en dicha figura 4, las dimensiones de la ventana 6 son W y L en tanto que la dimensión M de las celdas fotosensoras se calcula para permitir la medida del ángulo de incidencia respecto al eje y de forma independiente al ángulo de incidencia respecto al eje x. Por otra parte, el dispositivo del presente ejemplo de la invención puede realizarse con dos grupos de sensores ortogonales tal y como se representa en la figura 5, pudiendo emplearse sensores girados 90° entre si para obtener los ángulos de incidencia de la radiación luminosa respecto de los ejes x e y según se ha representado en el dispositivo 11' de esa figura 5, en el que se aprecian dos ventanas 6 en lugar de la única ventana 6 del dispositivo 11 de las figuras 1 a 4.

En la figura 6 se muestran unos bloques funcionales de la circuitería electrónica para la medida del ángulo de incidencia de la radiación 7, apreciándose como las celdas fotosensoras Cl, C2, Cn-I, Cn de la oblea 3 conectan con un circuito electrónico 1 dotado de convertidor A/D 9 y de microprocesador 10. Este circuito electrónico 1 conecta con un bus de datos 8 a través de un interface 2; pudiendo integrarse el circuito electrónico 1 y la oblea 3 en un mismo encapsulado con formato de circuito integrado.

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. Después se efectúa la conversión analógica digital que posibilita que los correspondientes valores digitales sean procesados de manera que se obtenga la medida del ángulo incidente, siendo el microprocesador 10 el que realiza los cálculos necesarios para obtener los ángulos .

Los pasos de fabricación de los fotodiodos constituyentes de las celdas fotosensoras son técnicas convencionales en sustratos semiconductores tales como depósito de material apantallante sobre oblea semiconductora, realización de fotodiodos, eliminación de material apantallante, crecimiento de material aislante, definición de regiones de contacto de base y emisores de fotodiodos, y metalización para los contactos.

La realización de la cubierta de metal constituyente de la lámina opaca 5 se puede efectuar mediante la técnica conocida como lift-off, con depósito de una resina fotosensible sobre el material traslúcido de la tapadera 4, definición mediante fotolitografía del área de la cubierta sin metalizar, depósito de metal en la superficie frontal del material traslucido y eliminación del metal de la región que debe dejar pasar la luz hacia los fotodiodos, empleándose en este ejemplo la técnica denominada lift-off. Los elementos principales del dispositivo de la invención consisten en la oblea semiconductora 3 de silicio sobre la que se construyen n fotodiodos y la capa de material transparente en la que se deposita la lámina de material opaco 5.

Dicha lámina 5 es lo suficientemente extensa como para evitar que la entrada de luz lateral afecte a los fotodiodos constituyentes de las células fotosensoras . Dicha lámina 5 es de metal y presenta la ventana o ventanas 6 para dejar entrar la radiación. Estos elementos se unen de manera que la luz incidente atraviese la ventana y se proyecta sobre dos fotosensores contiguos. Ambos elementos se fabrican utilizando técnicas usuales en la fabricación de circuitos integrados monolíticos (tecnología planar) y/o híbridos (tecnologías de capa fina y gruesa) , asi como técnicas más especificas que se pueden utilizar para la fabricación de micro y nanosistemas .

Los diodos de las celdas fotosensoras se polarizan inversamente y en cortocircuito para que las corrientes generadas por el efecto fotoeléctrico entren por los terminales conectados a las regiones de emisor y se recojan en el terminal común de la región de base. La fotocorriente generada en cada diodo incidido 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 fotocorrientes generadas en estos fotodiodos que proporcionan el ángulo Δ(θ) y de la posición angular (θi) de los mismos respecto a la normal en el centro geométrico del dispositivo . La anchura W de la ventana 6, asi como la altura H a la que se encuentra de los fotodiodos están comprendidas entre unas 100 mieras hasta unos pocos milímetros, dependiendo de la aplicación y de la sensibilidad requerida, la máxima desviación (θ _max ) del rayo que podrá medir el sensor con respecto a su dirección normal vendrá determinada por el tamaño de la ventana y el espesor de la capa transparente según la expresión:

W/2 arco tangente ( ) H

Un valor típico para (θ _max ) en esta configuración oscila entre 10° y 120°. Además, el cociente H/W se comporta como un factor que amplifica estructuralmente la sensibilidad del dispositivo. La ventana o ventanas 6 están dimensionadas de tal modo que permiten que la radiación incidente se proyecte sobre un par de fotosensores contiguos, que como se dijo anteriormente constituyen un subsensor. La fotocorriente generada en cada subsensor incidido por la luz es proporcional al área iluminada, y el ángulo (θ) de incidencia de la luz respecto a la vertical se obtiene como función de las fotocorrientes obtenidas en los diodos iluminados que proporcionan el ángulo Δ(θ), y de la posición angular (Q _x ) de dichos fotodiodos respecto a la normal en el centro geométrico del dispositivo, tal y como puede apreciarse en la figura 3. Asi, si el objeto luminiscente está situado en la perpendicular del dispositivo 11, 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 11.

(θ) = (ΘJ+Δ(Θ)

Δ(θ) = f (I _A/ I _B )

Siendo I _A y I _B las fotocorriente generadas en los diodos iluminados. Cuando varia el ángulo de incidencia, por cada par de celdas en funcionamiento, el incremento del área iluminada en uno de los fotodiodos es exactamente igual al decremento del área iluminada en el otro fotodiodo, o lo que es lo mismo, para cualquier ángulo de incidencia la suma de las áreas iluminadas en ambos fotodiodos permanece constante. Por consiguiente, la suma de las fotocorrientes generadas es constante y proporcional a la radiación incidente. En consecuencia, se puede tener una medida del ángulo Δ(θ) que no dependa de dicha radiación calculando el cociente entre la resta y la suma de ambas fotocorrientes.

Del funcionamiento del sensor se traduce que se produce una discretización del ángulo de visión (FOV) del dispositivo, que queda dividido según sea el par de fotosensores iluminado en cada caso, y que depende directamente del ángulo de incidencia de la radicación luminiscente. Este comportamiento tiene como consecuencia una mayor sensibilidad y precisión en el cálculo del ángulo en cada rango de trabajo. Hay que reseñar que el sensor es no lineal, ya que existen características tales como la distancia entre las fotocélulas, el espesor de la capa de material opaco, el efecto de disminución de radiación neta de entrada por la ventana cuando aumenta el ángulo de inclinación y la difracción que sufre el rayo incidente en la travesía del material que constituye la tapadera, que se desprecian en el cálculo del ángulo. Para compensar todos estos efectos se puede definir una planta no rectangular en los fotodiodos para conseguir su linearización. Otra solución consiste en definir plantas rectangulares de distintos tamaños para los diferentes fotodiodos, existiendo o no simetría entre ellos según interese.

Para aplicaciones en las que el sensor va a recibir la luz con una inclinación lateral mínima, la posición relativa de la ventana respecto de los fotodiodos puede desplazarse para facilitar el cálculo del ángulo en esa aplicación concreta.

Según sea la aplicación, el tamaño de la ventana puede dimensionarse de forma que la luz incida únicamente sobre un fotodiodo, sobre dos, o sobre más fotodiodos. Las características del dispositivo planteado hacen que sea un sensor muy fiable y de bajo coste. Para aplicaciones espaciales, el material transparente que forma la tapadera se puede elegir para proteger los fotodiodos de radiaciones de alta energía. El material transparente de la cubierta puede sustituirse por un material traslúcido que permita reducir la radiación incidente y evitar la saturación de las células. También pueden emplearse filtros ópticos, de modo que se discriminen aquéllas radiaciones espectrales que no sean interesantes desde el punto de vista de la aplicación.

Cuando el ángulo de incidencia es elevado, la luz que incide lateralmente en el sensor puede penetrar por las paredes laterales de la cubierta o tapadera 4 y puede interferir con los fotodiodos. Para evitar este hecho, la lámina de material opaco 5 puede cubrir las paredes laterales de la tapadera 4.

El dispositivo puede opcionalmente integrar en la misma oblea semiconductora 3 los circuitos electrónicos para la adaptación de señal, procesamiento y comunicaciones mostrados en la figura 6.

El dispositivo puede integrar dos sensores como el descrito anteriormente para posibilitar la medida de los ángulos de incidencia respecto a los ejes x e y, según se muestra en la figura 5.

También se pueden integrar varios sensores y tapaderas de diferentes dimensiones y alturas para cubrir diferentes rangos de sensibilidad, precisiones de medida y ángulos de visión. Respecto a la fabricación del dispositivo, puede indicarse que al tratarse de técnicas estándar de fabricación de microsistemas, las dimensiones óptimas para el método de fabricación van desde pocos micrómetros hasta unos pocos milímetros. Para los fotodiodos, el proceso de fabricación utiliza un substrato u oblea semiconductora típicamente de silicio. La secuencia de fabricación contemplaría los siguientes pasos : - Crecimiento o depósito de un material apantallante sobre una oblea semiconductora.

Definición de las regiones de emisor mediante proceso fotolitográfico o equivalente.

Introducción de dopante mediante difusión o implantación iónica.

Eliminación de material apantallante.

Crecimiento o depósito de un material apantallante y aislante .

Definición de las regiones de contacto de base de los fotodiodos por fotolitografía o equivalente.

Opcionalmente, introducción de dopante del mismo tipo del substrato semiconductor.

Definición de las regiones de contacto de emisor de los fotodiodos por fotolitografía o equivalente. - Depósito selectivo o no de una capa de metal.

Opcionalmente (depósito no selectivo) , definición de los electrodos mediante fotolitografía o equivalente. Recocido del metal.

- Corte de la oblea para el aislamiento de los diferentes dispositivos.

Respecto a las cubiertas de metal, se puede partir de un substrato aislante traslúcido (por ejemplo pyrex) , consistiendo el proceso de fabricación en la siguiente secuencia: - Depósito selectivo o no de un material opaco a la luz en el substrato traslúcido.

Opcionalmente (en el caso de un depósito no selectivo) , definición de una rendija para el paso de luz mediante fotolitografía o equivalente. - Corte del substrato translúcido con la cubierta de metal.

Los diferentes pasos en la fabricación de la tapadera 4 pueden consistir en utilizar un depósito no selectivo de metal, en conjunción con la denominada técnica lift-off utilizada para su grabado.

Finalmente, para unir los fotodiodos con la cubierta metálica se puede utilizar cualquier técnica de pegado o soldado usual en los procesos de fabricación de microsistemas, como pueden ser el glue bonding o el anodic bonding.