专利名称：一种环境光探测器的制作方法
技术领域 本实用新型属于光电转换领域，涉及一种环境光探测器。
背景技术：
目前的环境光探测器大致分为三种类型，线性模拟输出型、非线性模拟输出型和数字输出型。
线性模拟输出型又细分为电流输出型和电压输出型，电流输出型环境光探测器将环境光光强度信号转化成电流信号，通过外接一个电阻，将电流信号转化成电压信号，以供给后级电路使用。电压输出型环境光探测器将环境光光强度信号转化成与之成正比的电压信号输出，以供给后级电路使用。相比之下，电流输出型环境光探测器可以通过选择负载电阻的大小来设置输出电压的大小，应用更加灵活方便。这两者都是线性模拟输出型，具有响应速度快，灵敏度高等特点。根据需要可以在输出端增加一个低通或高通滤波器，使输出的信号更加理想。
另一类为非线性模拟输出型，较常见的是输入光照度与探测器输出电信号呈对数或开方关系。这种环境光探测器扩大了光照度的动态范围，但是灵敏度较线性型有明显的下降。
第三类是数字输出型，即将环境光强度转化成数字信号输出。这种输出可以直接与控制器相连，与输出模拟信号相比，具有更好的噪声免疫性，更易于在通用I2C总线上的网络工作，允许将多个光传感器置于同一个I2C总线上。缺点是电路规模相对较大，功耗高。除非是应用于多个光传感器的系统中，否则价值不大。
目前的电流输出型环境光探测器工作温度范围较小，在一定程度上影响了应用的广泛性，需要一种工作温度范围较大的电流输出型环境光探测器。
实用新型内容本实用新型为解决环境光探测器工作温度范围较小的技术问题，提供一种温度范围较大的环境光探测器。
一种环境光探测器，包括将可见光光强度信号转换成电流信号的光敏元件；将光敏元件偏置在微偏电压下的温度特性稳定电路；对光敏元件输出的光电流信号进行放大的电流放大器；光敏元件与温度特性稳定电路连接，温度特性稳定电路与电流放大器连接。
上述光敏元件为只对可见光敏感的第一硅光电二级管，第一硅光电二级管由硅光电二级管和红外滤波片组成。
上述光敏元件由对可见光及红外光都敏感的第二硅光电二极管和只对红外光敏感的第三硅光电二极管组成。
上述温度特性稳定电路包括运算放大器和MOS管；运算放大器具有正向输入端、反向输入端、输出端，光敏元件连接在运算放大器的正向输入端和反向输入端之间，MOS管连接在运算放大器的输出端和反向输入端之间，MOS管还与后端电流放大器连接。
上述电流放大器为共源共栅电流镜放大器。
本实用新型提供的环境光探测器通过温度特性稳定电路将光敏元件偏置在较小的电压下，使环境光探测器能工作在较宽的温度范围内，环境光探测器应用更加广泛。
图1是本实用新型提供的环境光探测器原理框图； 图2是本实用新型提供的实施例1的电路图； 图3a为光照度范围在0lux到1000lux之间时图2中电流镜放大器输入电流图； 图3b为光照度范围在0lux到1000lux之间时图2中电流镜放大器输出电流图； 图3c为光照度范围在0lux到1000lux之间时图2中电流镜放大器增益误差曲线图； 图4a为光照度在100lux时、温度范围由-40℃到120℃变化过程中图2中电流镜放大器输出电流图； 图4b为光照度在100lux时、温度范围由-40℃到120℃变化过程中图2中电流镜放大器输入电流图； 图5为人眼及硅的光谱响应曲线图； 图6为N阱加P注入结构的第二硅光电二级管结构图； 图7为N阱结构的第三硅光电二级管结构图； 图8为标注了结深和耗尽层厚度的第二硅光电二级管结构图； 图9为标注了结深的第三硅光电二级管结构图； 图10为第二硅光电二极管和第三硅光电二极管的光谱响应曲线图； 图11为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)的传输率曲线图； 图12为波长在420nm到840nm范围内ARC层(ARCanti-reflect coating，防反射层)的传输率曲线图； 图13为实施例2的电路图； 图14为图13中IRCurrentAMP6的内部电路图； 图15为图13中GCurrentAMP6的内部电路图。
具体实施方式
为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，
以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型基于简单的电流镜放大器，提出了一种低功耗、高可靠性、高噪声抑制能力、高电源抑制能力和较大工作温度范围的环境光探测器。该环境光探测器可准确的检测周围环境光的亮度状况，将环境光亮度信号转变成电流信号，反馈回控制系统，从而有效地实现设备显示屏的亮度调节或者键盘灯的开关，可广泛应用于手机、PDA、笔记本电脑、便携式DVD播放器、MP3播放器、便携式摄像机和数码相机的节能控制。
该环境光探测器的基本原理是将环境光强度信号转化成电流信号，系统通过电流信号的大小来控制显示屏亮度。在暗环境中，该环境光探测器输出一个相对较小的电流，控制系统识别到这个电流就会相应的减小显示屏的亮度，不会让显示屏始终运行在高亮度环境下，从而起到了节能，延长显示屏寿命的作用。
如图1所示，该环境光探测器由光敏元件11、温度特性稳定电路12和电流放大器13组成，光敏元件11与温度特性稳定电路12连接，温度特性稳定电路12与电流放大器13连接。光敏元件11将可见光光强度信号转换成电流信号；温度特性稳定电路12将光敏元件偏置在微偏电压下，减小温度对电流信号的影响；电流放大器13对电流信号进行放大，以供给后级电路使用。
如图2所示，为本实用新型实施例1的电路图，包括对可见光敏感的第一硅光电二极管D1，第一硅光电二级管D1由对可见光和红外光都敏感的硅光电二极管贴上红外滤光膜构成，滤除红外光的影响，得到可见光强度信号转换成的电流信号；运算放大器OP1和NMOS管N构成温度特性稳定电路，第一硅光电二极管D1的阳极接运算放大器OP1的正向输入端Vin+，第一硅光电二极管D1的阴极接运算放大器OP1的反向输入端Vin-，NMOS管N的栅极与运算放大器OP1的输出端连接、源极与运算放大器OP1的反向输入端Vin-连接、漏极与电流放大器连接，运算放大器OP1将第一硅光电二极管D1偏置在微偏电压下，减小温度对输出电流的影响；运算放大器OP1的反向输入端Vin-没有电流流入，则流过NMOS管N的电流等于光电流，此电流作为电流镜放大器的输入信号；后端的8个MOS管构成两级电流镜放大器，PMOS管P1、P2、P3、P4构成第一级放大器，NMOS管N1、N2、N3、N4构成第二级放大器，PMOS管P1、P2构成MOS管对，放大倍数为10倍，PMOS管P3、P4构成MOS管对，放大倍数为10倍，NMOS管N1、N2构成MOS管对，放大倍数为100倍，NMOS管N3、N4构成MOS管对，放大倍数为100倍，整个电流镜放大器的放大倍数为1000倍。这两级放大器都采用共源共栅结构，与简单电流镜放大器相比，它增强了电流增益的精确性，提高了对电源噪声的抑制能力，增加了输出电阻。
根据电流镜的基本原理，电流镜放大器可以对输入电流进行线性放大，放大倍数为前一级MOS管的宽长比比上后一级MOS管的宽长比，假设前一级MOS管宽长比为k1，后一级MOS管宽长比为k2，总的电流放大倍数为k，则k＝k2/k1，上述电流镜放大器中二极管对的放大倍数就采用这种原理设计而成。采用共源共栅结构能够更好的抑制电源噪声，提高电路的电源抑制比PSRR(Power Supply Reiection Ratio)，有效的抑制沟道长度调制效应，使电流镜的放大倍数更接近理论值。与简单电流镜相比，共源共栅电流镜对电源扰动的抑制能力提高了(gm+gmb)ro倍，电流的失配减小了(gm+gmb)ro倍，其中gm为MOS管跨导，gmb为MOS管衬底跨导，ro为MOS管等效电阻。
运算放大器OP1和NMOS管N构成一个负反馈环，反馈组态为电压-电流负反馈，它们共同构成了温度特性稳定电路。若将运算放大器OP1看成一个理想运算放大器，根据反馈的基本原理，则运算放大器OP1的反相输入端Vin-电压等于同相输入端Vin+电压，这时第一硅光电二极管D1的光电流受温度影响最小。但是，实际中的运算放大器很难做到理想情况，故需要对运算放大器的内部设计做一些特殊的处理，使得运放的反相输入端Vin-电压略微大于同相输入端Vin+电压，则第一硅光电二极管D1处于微小反偏状态，这样既很好的控制了光电二极管的光电效应又有效的抑制了温度对输出光电流的影响。
对运算放大器OP1特殊处理如下分别在运算放大器OP1的正向输入端Vin+和反向输入端Vin-加一级输入缓冲级，输入管的尺寸设计相对较小，结合调节尾电流的大小，运算放大器OP1在整个工作范围内，在保证反馈环路中的NMOS管N正常传导光电流的情况下，保证输入端的压差使第一硅光电二极管D1处于微小(偏压值小于1mV，一般在几百uV)的反偏状态，从而很大程度上提高了电路的性能，尤其是温度稳定性。
如图3a、图3b、图3c所示，分别为光照度范围在0lux到1000lux之间时图2中电流镜放大器输入电流图、电流镜放大器输出电流图、电流镜放大器增益误差曲线图；可以看出在给定的光照度范围内电流镜放大器增益误差为(1.008-1.001)/1＝7‰。
如图4a所示，光照度固定在100lux时，随着温度的变化，电流镜放大器输出电流增益误差为(16.023u-16.015u)/16u＝0.5‰，图4b所示，光照度固定在100lux时，随着温度的变化，电流镜放大器输入电流不受影响。由此可见实施例1所示的环境光探测器在较大温度范围内都能正常工作。
如图5所示，虽然硅的灵敏波长范围包含了人眼的灵敏波长范围，但是硅对紫外线和红外线却有相当高的灵敏度。要使环境光探测器的光谱响应曲线接近人眼的光谱响应曲线，必须滤除硅响应光谱中紫外线和红外线的影响。
本实用新型通过设计两个光电二极管，实现红外光及紫外光的去除，得到只对可见光敏感的光响应曲线。如图6所示，为第二硅光电二级管的结构图，具有N阱加P注入结构，根据光的渗入深度计算出第二硅光电二级光的结深和耗尽层厚度，设计成一个对可见光及红外光都敏感的硅光电二极管；如图7所示，为第三硅光电二级管的结构图，具有N阱结构，根据光的渗入深度计算出硅光电二级光的结深，设计成一个只对红外光敏感的硅光电二极管。
众所周知，人眼灵敏的光波长范围是350nm到700nm之间。要滤除紫外线的影响，就要将硅光电二极管的结深定义在紫外线的渗入深度以下，这样由紫外线产生的光电载流子就会在表面复合掉，对光电流产生不了贡献。
通过公式(1)计算得在渗入深度为0.192um的地方，波长为350nm的光已经被吸收了90％，那么小于λ＝350nm的紫外线在渗入深度0.192um处被吸收的要远大于90％。因此我们定义0.192um为N阱加P注入结构的第二硅光电二极管的结深H1。同理，因为人眼最灵敏的波长是560nm，因此我们设计560nm的光被吸收了90％时的渗入深度为N阱结构的第三硅光电二极管的结深H3。
电子电荷量×光吸收系数×光通量×
由于在渗入深度为4.6um开始吸收的主要是红外线，所以我们将4.6um处定义为N阱加P注入结构的第二硅光电二极管耗尽层的底端H2。
如表1所示，显示了不同波长在不同吸收情况下的渗入深度 表1 根据上面的计算，于是我们得到了以下两种结构的硅光电二极管如图8和图9所示，图8中第二硅光电二极管的结深H1为0.192um，耗尽层低端深度H2为4.6um，图9中第三硅光电二极管的结深H3为4.6um。
下面我们定义硅光电二极管的浓度，对于N阱加P注入结构的第二硅光电二极管要求其N阱的深度H2是4.6um、结深H1是0.192um，因此第二硅光电二极管的PN结区厚度约为4.4um(4.6-0.192＝4.408um)。由公式(2)和公式(3)的原理，我们计算出P注入的浓度为1019atoms/cm3、N阱的浓度为5×1013atoms/cm3。对于N阱结构的第三硅光电二极管，由于该结构对耗尽层厚度没有严格的限制，所以我们尽量使其耗尽层厚度越厚，从而可以得到更大的光电流。设我们用的P衬底的浓度为1014atoms/cm3，N阱的浓度可为1020atoms/cm3，此时耗尽层的厚度为3.291um。
公式(2)、(3)中Vbi内建电势；q电子电量；T热力学温度；k波尔兹曼常数；NA受主载流子浓度；ND施主载流子浓度；ni本征载流子浓度；W耗尽层厚度；εs介电常数 NB轻掺杂载流子浓度V外加电压。
这两种结构的硅光电二极管的光谱响应曲线如图10所示，其中上面的曲线是N阱加P注入结构的第二硅光电二极管的光谱响应曲线，下面的曲线是N阱结构的第三硅光电二极管的光谱响应曲线。
图10中的光谱曲线还可以由单独的一个N阱加P注入结构的硅光电二极管实现。如果将N阱加P注入结构的硅光电二极管的P衬底接地、给N阱一个高电位，那么从P注入流出的电流即为人眼的光谱响应曲线。其中从N阱引出电级测量可得图10中上面那条曲线，从P衬底引出电级测量可得图10中下面那条曲线。但是此硅光电二极管的光谱曲线精确度不高，不能在精确度要求较高的场合使用。
上述设计的第二硅光电二极管对可见光和红外光都敏感，第三硅光电二极管只对红外光敏感，将第二硅光电二极管产生的光电流减去第三硅光电二极管产生的光电流，就能够得到精确的可见光电流。
在CMOS工艺中，半导体表面会沉积很多介质层以达到保护和隔离芯片的作用，光通过这些介质层发生反射、折射和干涉现象能到达晶体表面的已经所剩无几，这些介质层的存在，严重影响了硅光电二极管的传输率。
为解决这种问题，就要进行开窗设计，开窗设计就是将的第二硅光电二极管的P注入上面的覆盖层、第三硅光电二极管的N阱上的覆盖层刻蚀掉，这样光线可以直接射到半导体表面，可是暴露在空气中的半导体，会因为外界环境(如空气中具有尘埃)的影响发生本质的变化，如晶格损伤。因此需要在半导体表面覆盖一层ARC层，以达到既能保护和隔离芯片，又能使硅光电二极管传输率大的效果。
ARC层需要有保护、隔离及透光的作用，氮化硅(Si3N4)和二氧化硅(SiO2)都可以作为ARC层的材料。如图11所示，氮化硅(Si3N4)的透光率比二氧化硅(SiO2)高，故选用氮化硅(Si3N4)作为ARC层的材料。
由公式(4)计算ARC层的厚度，根据氮化硅(Si3N4)所在的环境，设氮化硅(Si3N4)的折射率为2，波长选择人眼最为敏感的560nm，考虑到工艺的质量，奇数倍倍数选择3倍。计算出ARC层的厚度为2100埃。
用厚度为2100埃的氮化硅(Si3N4)做ARC层时，在可见光区的传输率如图12所示，可见在可见光区的透光率最少都在60％以上，光透性较好。
上述设计中，通过硅光电二极管的结深滤除紫外线的影响，通过窗口刻蚀减少了光线通过多层介质的损耗，通过ARC层减少了光的反射，增加了投射到半导体表面的光通量，还能保护和隔离芯片，避免外界环境对芯片的损害。
下面将通过减法电路去除红外光对光电流的影响，图13为本实用新型实施例2的电路图，图中D3为只对红外光敏感的第三硅光电二极管，D2为对红外光和可见光都敏感的第二硅光电二极管，第三硅光电二极管D3的阴极连接IRCurrentAMP6的V+输入端，第三硅光电二极管D3的阳极连接IRCurrentAMP6的V-输入端，第二硅光电二极管的阴极连接GCurrentAMP6的V-输入端，第二硅光电二极管的阳极连接GCurrentAMP6的V+输入端，IRCurrentAMP6输出端IRIout连接第二硅光电二极管D2的阳极。IRCurrentAMP6和GCurrentAMP6内部都含有同实施例1一样的温度特性稳定电路和共源共栅电流镜放大器，假设第三硅光电二极管D3产生的光电流为ID3，第二光电二级管D2产生的光电流为ID2，IRCurrentAMP6的放大倍数为k，GCurrentAMP6的放大倍数为a，则输出光电流满足Iout＝a(ID2-kID3)，合理设计系数k，就可以使环境光探测器有效的滤除红外光部分，即输出电流Iout只与可见光照度成正比。
系数k取决于两个光电二极管对红外光的响应度，其目的是从ID2中减去红外光产生的光电流部分。系数k采用如下方法确定，设在某一光照环境下，D3只对红外光敏感产生的光电流为ID3，D2对可见光和红外光都敏感，产生的光电流为ID2，ID2＝I1+I2，I1表示可见光部分产生的光电流，I2表示红外光部分产生的光电流，则系数 图13中IRCurrentAMP6的内部电路图如图14所示，由运算放大器OP2和PMOS管P23构成温度特性稳定电路，后端八个MOS构成两级共源共栅电流镜放大器，PMOS管P21、P22、P23、P24构成第一级放大器，NMOS管N21、N22、N23、N24构成第二级放大器。PMOS管P21、P22构成MOS管对，放大倍数为1倍，PMOS管P23、P24构成MOS管对，放大倍数为1倍，NMOS管N21、N22构成MOS管对，放大倍数为k，NMOS管N23、N24构成MOS管对，放大倍数为k。此共源共栅运算放大器将第三硅光电二极管D3的输出电流放大k倍。温度特性稳定电路中的PMOS管和共源共栅运算放大器的第一级放大器共用同一PMOS管P23。图14中输入端口V+、V-、VCC、输出端口IRIout与图13中IRCurrentAMP6的输入端口V+、V-、VCC、输出端口IRIout相对应。
图13中GCurrentAMP6的内部电路图如图15所示，由运算放大器OP3和NMOS管N31构成温度特性稳定电路，后端八个MOS构成两级共源共栅电流镜放大器，NMOS管N31、N32、N33、N34构成第一级放大器，PMOS管P31、P32、P33、P34构成第二级放大器。NMOS管N31、N32构成MOS管对，放大倍数为10倍，NMOS管N33、N34构成MOS管对，放大倍数为10倍，PMOS管P31、P32构成MOS管对，放大倍数为100倍，PMOS管P33、P34构成MOS管对，放大倍数为100倍，此共源共栅运算放大器将第二硅光电二极管D2的输出电流放大1000倍。温度特性稳定电路中的NMOS管和共源共栅运算放大器的第一级放大器共用同一NMOS管N31。图15中输入端口V-、V+、VSS、VCC、输出端口Iout与图13中GCurrentAMP6的输入端口V-、V+、VSS、VCC、输出端口Iout相对应。
实施例2的环境光探测器通过两电路产生的光电流精确相减，得到只对可见光敏感的光谱响应曲线，该光谱响应曲线接近人眼对光谱的响应，通过IRCurrentAMP6和GCurrentAMP6中温度特性稳定电路的作用，提高了工作温度范围，使环境光探测器应用范围更加广泛。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种环境光探测器，其特征在于，包括
将可见光光强度信号转换成电流信号的光敏元件；
将光敏元件偏置在微偏电压下的温度特性稳定电路；
对光敏元件输出的光电流信号进行放大的电流放大器；
光敏元件与温度特性稳定电路连接，温度特性稳定电路与电流放大器连接。
2.如权利要求1所述的环境光探测器，其特征在于所述光敏元件为只对可见光敏感的第一硅光电二级管。
3.如权利要求2所述的环境光探测器，其特征在于所述第一硅光电二级管由硅光电二级管和红外滤波片组成。
4.如权利要求1所述的环境光探测器，其特征在于所述光敏元件由对可见光及红外光都敏感的第二硅光电二极管和只对红外光敏感的第三硅光电二极管组成。
5.如权利要求1所述的环境光探测器，其特征在于所述温度特性稳定电路包括运算放大器和MOS管；
运算放大器具有正向输入端、反向输入端、输出端，光敏元件连接在运算放大器的正向输入端和反向输入端之间，MOS管连接在运算放大器的输出端和反向输入端之间，MOS管还与后端电流放大器连接。
6.如权利要求1所述的环境光探测器，其特征在于所述电流放大器为电流镜放大器。
7.如权利要求6所述的环境光探测器，其特征在于所述电流镜放大器为共源共栅电流镜放大器。
专利摘要本实用新型提供了一种环境光探测器，包括将可见光光强度信号转换成电流信号的光敏元件；将光敏元件偏置在微偏电压下的温度特性稳定电路；以及对光敏元件输出的光电流信号进行放大的电流放大器；光敏元件与温度特性稳定电路连接，温度特性稳定电路与电流放大器连接。本实用新型提供的环境光探测器通过温度特性稳定电路将光敏元件偏置在较小的电压下，使环境光探测器能工作在较宽的温度范围内，环境光探测器应用更加广泛。
文档编号G01J1/44GK201561800SQ20092026064
公开日2010年8月25日 申请日期2009年11月23日 优先权日2009年11月23日
发明者李富民, 邵光云, 高存旗 申请人:比亚迪股份有限公司