本申请要求于2017年1月10日提交的欧洲专利申请号17150885.6的优先权，该申请通过引用并入于此。
一些实施例涉及装置，并且具体涉及但不限于零功率传感器。
背景技术：
用于确定环境光的设备和传感器是已知的。例如，这样的传感器可以用在许多应用中(例如，可以用在具有显示器的设备内)，其中传感器被配置为感测环境光水平，并且因此控制显示光水平，使得它们对于用户查看显示器并进一步优化功耗而言不会太亮或太暗。典型的环境光传感器需要外部电源。换言之，为了生成可用的输出电压/电流值水平，传感器需要被耦合到诸如电池或直流电源线(例如，为传感器供电的usb连接)的电源。
这些环境光传感器即使在待机状态下也消耗功率，因此在诸如“物联网”传感器组件和可穿戴设备的小型设备中功耗很重要(或关键)的情况下，这些环境光传感器是不可接受的。此外，这样的传感器对于提供电力或维持电力供应困难的设备(例如，在危险环境中操作的设备)是不可接受的。
技术实现要素：
一些实施例涉及装置，并且具体涉及但不限于在不需要外部电力源的情况下，具有用于提供环境光读数的光敏器件的装置。
在不需要为传感器供应或提供电力来为其提供合适的输出的情况下，实施例提供环境光感测的功能。
根据一个方面，集成电路包括衬底和在衬底上实现的至少一个光伏电池。至少一个光伏电池被配置为生成电源电压。电路装置在衬底上实现并由电源电压供电。
至少一个光伏电池中的每一个可以与衬底隔离。
通过在衬底上实现的绝缘层上的深沟槽隔离环内实现电池，可以将至少一个光伏电池中的每一个与衬底隔离。
通过将n型阱电池实现在p型阱环内和在n-epi或n-bulk衬底上实现的piso绝缘层之上，可以将至少一个光伏电池中的每一个与衬底隔离。
通过将p型阱电池实现在n型阱环内和在p-epi或p-bulk衬底上实现的niso绝缘层之上，可以将至少一个光伏电池中的每一个与衬底隔离。
被配置为生成电源电压的至少一个光伏电池可以包括多个光伏电池，其串联耦合以生成电源电压。
串联耦合以生成电源电压的多个光伏电池的面积比可以是1:1/k^n，其中k是基本在1.1至2之间的面积比因子，并且n是光伏电池串联耦合中光伏电池的数量。
串联耦合的多个光伏电池可以被进一步配置为生成至少一个另外的电源电压，至少一个另外的电源电压小于电源电压。
在衬底上实现的电路装置可以是包括光至频率振荡器的环境光传感器，光至频率振荡器包括经由开关耦合到电源电压的光电二极管，开关被配置为对光电二极管进行复位并且由光电二极管输出进行控制。
环境光传感器可以进一步包括逆变器，其中逆变器输入被耦合到光电二极管输出，逆变器输出被耦合到开关，以控制光电二极管的复位。
逆变器可以由另外的电源电压来供电。
集成电路还可以包括耦合在另外的电源电压和接地电压之间的另一电源电压平滑电容器。
集成电路还可以包括耦合到逆变器的输出的至少一个分频器。
逆变器可以包括串联连接的奇数个逆变器，其中奇数个逆变器中第一个逆变器的输入被耦合到光电二极管输出，并且奇数个逆变器中最后一个逆变器的输出被耦合到开关来控制光电二极管的复位。
集成电路可以进一步包括耦合在电源电压和接地电压之间的电源电压平滑电容器。
根据第二方面，提供了用于提供包括衬底的集成电路的方法，集成电路包括：在衬底上实现的至少一个光伏电池，至少一个光伏电池生成电源电压并为在衬底上实现的另外的电路装置供电。
方法可以包括将至少一个光伏电池中的每一个与衬底隔离。
方法可以包括通过在衬底上的绝缘层上的深沟槽隔离环内实现电池而将至少一个光伏电池中的每一个与衬底隔离。
方法可以包括通过将n型阱电池实现在p型阱环内和在n-epi或n-bulk衬底上实现的piso绝缘层之上而将至少一个光伏电池中的每一个与衬底隔离。
通过将p型阱电池实现在n型阱环内和在p-epi或p-bulk衬底上实现的niso绝缘层之上，可以将至少一个光伏电池中的每一个与衬底隔离。
至少一个光伏电池生成电源电压可以包括将多个光伏电池串联耦合来生成电源电压。
方法可以包括将串联耦合来生成电源电压的多个光伏电池的面积比确定为1：1/k^n，其中k是基本上在1.1至2之间的面积比因子，并且n是光伏电池串联耦合中的光伏电池的数量。
方法可以包括生成至少一个另外的电源电压，至少一个另外的电源电压小于电源电压。
衬底上实现的电路装置可以是环境光传感器，方法还包括提供光至频率振荡器，光至频率振荡器包括经由开关耦合到电源电压的光电二极管，开关被配置为对光电二极管进行复位并由光电二极管输出进行控制。
环境光传感器可以进一步包括逆变器，其中逆变器输入被耦合到光电二极管输出，并且逆变器输出被耦合到开关来控制光电二极管的复位。
逆变器可以由至少一个另外的电源电压供电。
方法可以进一步包括提供耦合在至少一个另外的电源电压和接地电压之间的另一电源电压平滑电容器。
方法可以进一步包括提供耦合到逆变器的输出的至少一个分频器。
逆变器可以包括串联连接的奇数个逆变器，其中奇数个逆变器中第一个逆变器的输入被耦合到光电二极管输出，并且奇数个逆变器中最后一个逆变器的输出被耦合到开关来控制光电二极管的复位。
方法可以进一步包括提供耦合在电源电压和接地电压之间的电源电压平滑电容器。
附图说明
如前所述，集成电路可以包括测距装置。
现在将仅以示例的方式并参考附图来描述一些实施例，在附图中：
图1a示意性地示出了根据一些实施例的示例环境光传感器；
图1b示意性地示出了图1a中示出的示例环境光传感器和模型化电流源；
图1c示意性地示出了如图1a所示的示例环境光传感器，光传感器被配置具有多个pv电池；
图1d示意性地示出了如图1a所示的示例环境光传感器，光传感器被配置具有多个pv电池以及电力去耦电容器；
图2a进一步详细地示出了如图1a至图1d所示的示例环境光传感器；
图2b示意性地示出了具有并联金属-金属电容器的如图1a至图1d所示的示例环境光传感器；
图2c示意性地示出了具有并联mos电容器的如图1a至图1d所示的示例环境光传感器；
图2d示意性地示出了如图1a至图1d所示的示例环境光传感器，其中使用延迟单元来复位脉冲延长；
图2e示意性地示出了如图1a至图1d所示的示例环境光传感器，其中使用附加的逆变器来复位脉冲延长；
图2f示意性地示出了如图1a至图1d所示的示例环境光传感器，其中使用附加的逆变器和二分频元件来复位脉冲延长；
图3a示出了由图2a中所示的环境光传感器生成的高光振荡波形和低光振荡波形；
图3b示出了由图2d和图2e中所示的环境光传感器生成的示例脉冲延长振荡波形；
图3c示出了由图2f中所示的环境光传感器生成的示例脉冲延长振荡波形；
图4示意性地示出了具有低消耗光电压电路的示例环境光传感器；
图5a示意性地示出了根据一些实施例的示例单个pv电池三重阱处理电压/功率发生器配置；
图5b示意性地示出了根据一些实施例的示例两个pv电池三重阱处理电压/功率发生器配置；
图5c示意性地示出了根据一些实施例的示例单个pv电池深阱隔离处理电压/功率发生器配置；
图5d示意性地示出了根据一些实施例的示例pv电池多结深阱隔离处理电压/功率发生器配置；
图5e示意性地示出了根据一些实施例的具有p型体配置的pv电池、pd和nmos晶体管集成；
图5f示意性地示出了根据一些实施例的具有n型体配置的pv电池、pd和pmos晶体管集成；
图6a和图6b进一步示意性地示出了根据一些实施例的第一电压/功率发生器配置；
图7示意性地示出了根据一些实施例的具有电压/功率发生器的示例环境光传感器；以及
图8示意性地示出了根据一些实施例的具有电压/功率发生器的另一示例环境光传感器。
具体实施方式
以上讨论的构想是提供一种不需要任何外部电源或电压源而进行操作的实际的环境光传感器。通过实现光伏(pv)功率/电压发生器来体现概念，光伏(pv)功率/电压发生器向包括光电二极管的振荡器供电，以在频率取决于环境光水平的情况下生成信号输出。
例如，图1a示出了“无功率”环境光传感器的示意性概览以及被传感器驱动以进行操作的示例负载。在具有输出引脚的合适的封装件内实现的环境光传感器101通常被安装在印刷电路板(pcb)103上，并且然后将信号输出到外部器件105。印刷电路板103通常具有10pf量级的电容负载。类似地，外部器件的杂散电容性负载通常为10pf的量级。换言之，传感器101必须服务于20pf量级的片外负载。与片上环境光传感器101的功耗相比，该负载可能是显著的。
例如，20pf的“片外负载”意味着对于具有2v摆幅和100ns上升时间的1mhz的信号，需要由器件生成的电流被限定为i＝c×δv/δt，这意味着400μa量级的峰值电流和40μa的平均电流。
在以下示例中，“无功率”环境光传感器功率/电压生成器由串联耦合的pv电池布置形成。pv器件是正向偏置的二极管，并且在通常以独立配置实现的情况下，两个端子均是浮动式端子，使得pv器件可以被堆叠来提供更高的电压输出。在将pv二极管集成到相同的硅上的情况下，通常每个pv二极管的一个端子是共用的。这可以与其中二极管被反向偏置并且阳极被共用布置(例如，接地)的光电二极管(pd)布置进行比较。
pv和pd二极管配置内的pn结由掺杂硅的两部分(相互接触放置的具有过量电子或负电荷载流子的n型以及具有过量空穴或正电荷载流子的p型)形成。电子和空穴扩散，以创建耗尽区和电场(e)。耗尽区内的任何光子撞击(在本征硅上)可以生成电子-空穴对，电子-空穴对生成电荷和电压。在存在相当数量的光子的情况下，生成更多的电子-空穴对，这导致耗尽区收缩并消失。当在阳极和阴极之间形成电路时，光生电荷可以流动并且在电路中生成电流。
光伏器件典型地被模型化为理想的电流源，换言之，当处于开路(无负载)时，器件生成电压vpv＝voc和电流ipv＝0，并且在短路时，器件生成电压vpv＝0和电流ipv＝isc。短路电流取决于光水平，使得接收的光越多，生成的电流越大。然而，通过与负载串联的输出电阻rout对实际的光伏器件进行进一步模型化，并且随着器件、分流电阻、以及与负载并联的分流电阻rshunt输出更多的电流，模型化输出电压的降低，以及随着电压增大，模型化通过负载的电流的减小。
输出电阻和分流电阻的组合产生偏离理想电流镜性能的iv曲线输出，使得当光伏器件输出电压vpv＝vmp<voc且电流ipv＝isc<isc时，发生光伏器件的最大功率输出。
对于晶体硅pv电池，voc为0.7v或更低。不幸的是，0.7v对大多数电路的供电来说太低。幸运的是，可以串联连接pv电池来生成多倍的电池电压。因此，例如，串联连接三个电池可以产生2.1v(3x0.7v)的电压。然而，这需要三倍的面积，并且两个端子需要是浮动式的(换言之，不接地)。此外，pv电池在0.7v下生成的电流取决于电池尺寸和光水平。例如，办公室照明(大约100lux)中1mm×1mm的电池可以生成125na量级的电流，在夏季英国的室外光(大约1klux)可以生成1.3μa量级的电流，以及处于赤道的新加坡室外光(约100klux)可以生成125μa量级的电流。传感器可以由100na量级的低电流电平供电，意味着不能使用许多标准电子设计。
如上所述，片外元件的小电流和功耗需要传感器被配置为使得去耦电容器被采用以使峰值电流消耗平滑，使得输出是相对较慢的输出(慢于在较低的光水平下的输出、在非常低的光水平下非常慢、在更低的光水平下非常非常慢)。
例如图1b中所示的概念是采用环境光传感器101，具体地是光频环境光传感器。在这样的实施例中，光频传感器具有在低光水平下功耗降低的优点。因此，在存在更多的光的情况下，存在更多的可用功率和更多消耗的功率，并且在光较少的情况下，存在较少的可用功率但消耗较少的功率。
图1b示出了被配置为向环境光传感器(als)电路装置153供电的光伏(pv)电池157(以及相关联的模型化电流源159)。光伏电池157中的二极管以正向偏置模式操作，并且使用所产生的电流(如由电流源159模型化的)来为als电路装置153供电。
传感器可以进一步包括光电二极管155(具有模型化电流吸收器157)，光电二极管155可以被配置为生成输入到als电路装置153的信号(可以被模型化为电荷、电压或电流信号)。
传感器还包括由pv电池157供电并接收光电二极管155信号的als电路装置153。als电路可以被配置为转换光电二极管155信号并产生输出。输出可以是电压、电流或数字信号的形式(其中入射光的水平被转换成该光水平的数字表示)。
由于pv二极管以正向偏置模式操作，而光电二极管以反向偏置模式操作，所以由光电池产生的电流的至少一部分被光电二极管消耗。这是不利的，因为对于als测量电路装置可用的电流较少。
该问题的解决方案是减少光电流。实现此目的的第一实现方法是将光电二极管设计为具有比光伏电池中使用的二极管小得多的面积。其他实施例可以尝试通过在光电二极管上实现光阻层、或者通过实现具有降低的量子效率的光电二极管来减少该问题。
减小光电二极管的尺寸产生较小的信号并使传感器的信噪比进一步降级。在一些实施例中，二极管的典型尺寸(面积)比例是10:1。换言之，在pdx和pdy是光电二极管侧面的物理尺寸、而pvx和pvy是光伏电池侧面的物理尺寸的情况下，pdx、pdy、pvx和pvy之间的关系可以是：
pdx*pdy*10＝pvy*pvx(等式1)
图1c示出了另一示例传感器。在该传感器中，als电路装置153由pv电池的串联组合供电。因此，图1c示出了第一光伏(pv)电池163(和所生成的电压vv1)以及第二光伏(pv)电池161(以及所生成的电压vv2)。因此，该示例中的als电路装置153由vv1+vv2的组合电压供电。通常，在存在生成电压vv1至vvn的1至n个堆叠的或串联组合的pv电池的情况下，组合电压为vv1+vv2+...+vvn。
图1d示出了另一示例传感器。在该传感器中，als电路装置153由pv电池的串联组合供电，并且还包括与第一光伏(pv)电池163和第二光伏(pv)电池161的串联组合并联连接的去耦电容器cdx171。稍后更详细描述的als电路装置的电流消耗不是恒定的。例如，当逻辑元件改变值或光电二极管复位时，消耗更多的电流。在一些情况下，瞬时电流消耗大于光伏电池可提供的电流量。因此，期望对电流消耗进行平滑或平均和/或在电容器中存储一些能量。如图1d所示，这可以通过并入至少一个去耦电容器来实现。在一些实施例中，去耦电容器cdx被实现为用于较高电容密度的金属-绝缘体-金属(“mim”)、金属-氧化物-金属(“mom”)或栅极氧化物(“thinox”)。
因此，可以设计消耗的功率<可用功率的传感器。
图2a示出了简化的电路实现，其中示出了操作“光”信号到频率转换器的als电路装置的第一示例。在该示例中，光电二极管201生成光依赖电流(或电流吸收器)ipd204，而光电二极管电容(模型化为电容器202)产生传递到逆变器203的电压vpd。逆变器203的输出(具有相关联的延迟)产生脉冲，脉冲作为耦合在光电二极管201和电源电压vdd之间的晶体管205的复位输入(由下文所述的pv电源/电压发生器产生)进行操作。因此，逆变器在之后的输出使晶体管脉动，晶体管将vpd复位至接近vdd(不完全是vdd，因为rst信号到vdd，存在阈值降，所以max(vpd)＝vdd-vth)。光电二极管生成的电荷然后向vpd节点放电，直到其达到开关电压，再次重复该过程。
这例如以图3a中所示的波形示出。当光电二极管vpd303、313的阴极上的电压下降到预定电压vmin306以下时，来自逆变器203rst307、317的输出上升，导致nmos晶体管205导通，这使得光电二极管vpd上的电压到增加到vmax304并且rst信号返回到低电平，关断nmos晶体管205。
撞击在反向偏置的光电二极管上的光子创建光生电荷并导致生成光电流ipd。该电流导致电压vpd衰减，直到当逆变器将再次导通复位开关时，电压vpd再次达到预定电压vmin。
如果使用标准的cmos逆变器，vmin电压是0.5*vdd。在一些实施例中，可以通过改变nmos或pmos晶体管的阈值电压来改变该电压。减小nmos的阈值电压和/或增加pmos的阈值电压导致vmin电压的降低，反之亦然。优选地具有最低的实际vmin电压，因为这将减慢电路操作，从而降低平均功耗。
vmax由vdd-vth确定，其中vdd是来自光伏电池的电源电压，并且vth206是nmos复位晶体管205的阈值电压。优选地，通过降低nmos复位晶体管206的阈值电压来增加电压vmax，其中这由所使用的工艺技术来支持。
电压vpd衰减的速率取决于光电流(取决于光水平)和该节点处的电容，电容受控于cpd202(光电二极管的固有电容)。应用等式
i＝c*dv/dt
ipd＝cpd*(vmax-vmin)/toutput
并且重新排列为：
toutput＝cpd*(vmax-vmin)/ipd。
可以清楚地看到，输出时段toutput与光电流成反比。如前所述，增加vmax或减小vmin会增加输出脉冲的时段，从而减少系统每秒复位的次数，并从而减少能耗。
高光水平301示例示出了光电二极管电流对vpd电压303的快速放电。在开关点处，复位电压rst307(逆变器的输出)脉冲持续时间treset308，并且产生由toutput309和treset308限定的第一频率或输出时段。低光水平311示例示出通过光电二极管电流对vpd电压313的更慢地放电。在开关点处，复位电压315(逆变器的输出)脉动，并且产生由toutput319和treset318(其低于高光水平301示例)限定的第二频率或输出时段(其长于高光水平301示例)。
当耦合到模拟的20pf片外负载时，例如图3a中所示的电路能够产生10lux至10klux之间的输出频率线性动态范围，并且此外，针对照明的电流消耗使得在大约10lux以上，1mmx1mm的pv电池产生大量的电流来为振荡器供电。
图2b示出了另一电路实现，其中示出了在输出时段方面的进一步增加(以及功率的降低)。在该示例中，通过向光电二极管并联添加额外的电容器来增加光电二极管节点处的电容。图2b示出了一个示例，其中额外的电容器是用于获得更好的线性的金属-金属电容器cmm212。
图2c示出了另一额外的电容器电路实现，其中使用mos电容器cmo222来产生在输出时段方面的进一步增加(以及功率的减小)，以获得更好的面积密度。
图2d示出了另一电路实现。尽管上面示出的示例使用少量的组件，由此降低了功耗，但是复位脉冲“rst”treset的时段可能太短以致不能确保光电二极管的正确复位。一旦光电二极管vpd上的电压达到vmin阈值，复位脉冲就被激活，但一旦光电二极管开始复位，则vpd>vmin，且rst电压开始下降。解决这个问题的办法是将延迟221添加到逆变器的输出，从而延长rst脉冲的宽度。可以通过在逆变器203之后添加第一延迟逆变器243和第二延迟逆变器245，由如图2e所示的偶数个逆变器来实现延迟221。
在图3b中示出了如图2d和图2e所示的由延迟221(以及偶数个逆变器243、245)产生的延迟的影响。当rst脉冲328较宽时(即，treset2>treset)，光电二极管vpd上的电压可以达到vmax电平(并保持很短的时段)，确保光电二极管可以完全复位。振荡周期然后由toutput329和treset2328限定。
当环境光传感器被连接到外部电路(例如，微控制器的输入)时，在rst信号上存在负载。该负载可能导致信号的上升时间和下降时间的减少，并且在脉冲宽度太短的情况下，可能没有足够的时间使这个较慢的改变信号达到正确的电压电平。这可能因此导致微控制器错过脉冲。这例如在图3b中进一步示出，图3b示出了vpd323、rst327和rstloaded326信号，其中rstloaded326信号没有上升到要由输出进行检测的显著电平。
该问题的解决方案在图2f中示出，图2f示出了图2e所示的示例，其中第二延迟逆变器245的输出被耦合到d型触发器251的时钟输入。d型触发器被布置为其反相输出被连接到数据输入，从而作为二分频电路进行操作。因此，每个rst脉冲使得二分频电路改变状态，即，从低电平到高电平，反之亦然。图3c示出了来自图3b的信号vpd323和rst327，还示出了d型触发器251的反相输出fout336。高电平touttd2338时的fout脉冲的宽度大致与fout为低电平时的相同(即，1：1标记-空间比)。因此不存在短脉冲，并且因此该信号不容易受到电容性负载、以及如图3b所示并且由fout_loaded337示出的输出摆率的减少的影响。该配置的另一优点是当环境光水平增加并且因此期望输出更高的fout频率时，同时存在由光伏电池产生的电流(来自增加的光水平)的增加(能够向输出提供增加的电流驱动)。
由于从光伏电池产生的大量电流被负载(微控制器的输入电容)的充电和放电消耗，所以平均电流消耗与fout的负载电容和频率成比例。尽管fout的频率在高光水平下增加，但光伏电池也产生更多的输出电流。因此，在一些实施例中，可以使用多个二分频电路来降低fout的频率，从而进一步降低平均功耗。
使用电路的精心设计方案(例如，使用长度较长的晶体管)，在较低的光水平(例如，小于100lux)下可以具有大约10na的平均电流消耗，在较高的光水平(例如，100klux)下，平均电流消耗上升至100na。如将在下文中进一步详细描述的，可以利用面积小于1平方毫米的光伏电池来产生光频的这种电流消耗。
如下文所述，在光伏电池的效率大约为10％的情况下，具有1mm×1mm的面积并且具有撞击在表面上的100lux的光的电池将生成大约1μa的电流。当前可用的典型的外部电源环境光传感器消耗大约1ma，因此下一挑战是设计用于“无功率”环境光传感器的读出电路，使得其将在由光伏电池提供的微弱电流电平下操作。
该1μa的电流低于由典型的带隙电压参考源消耗的电流。输出与温度和过程无关的电压“vbg”的带隙电压参考源通常用于控制为读出电路提供参考电流的vccs(压控电流源)，以及生成可以在运算放大器的非反相输入处使用的电压“vref”的vcvs(压控的电压源)。反馈电阻器rfb还通常与差分输入运算放大器结合使用，以产生跨导放大器(tia)。该tia输出取决于光水平的电压：
vout＝vref+iphoto*rfb。
然而，这些电路元件中的每一个都可能消耗比光伏电池所生成的电流更多的电流。图4因此示出了针对读出电路的备选电路。备选电路使用单个晶体管455来形成逆变器。由于单个晶体管不需要差分输入，所以不需要生成参考电压，而是nmos晶体管的阈值电压(vth)设定dc电压电平vpd。此外，单个晶体管455被晶体管453以及耦合在vout和vpd节点之间的反馈电阻器rfb451偏置。
vout＝vth+iphoto*rfb。
使用例如图4所示的电路的精心设计方案(例如，通过使用较长(≥10μm长度)的晶体管)，这样的电路消耗的电流大约为100na，因此适用于集成光伏光电二极管环境光系统(ppals)。
使用电压输出的优点是输出电压随时间保持恒定(或缓慢变化)。根据众所周知的等式
i＝c*dv/dt，
恒定电压(即，dv/dt＝0)不需要任何电流来对负载的输入电容(即，微控制器的adc输入)进行充电/放电。因此，该电路不使用由光伏电池生成的任何宝贵的电源电流来发信号表示光水平。
由于晶体管的阈值电压随着制造变量以及温度而变化，所以一个部分的输出电压可能变化。因此，在一些实施例中可以使用传感器来确定相对的光测量。例如，以指示房间中的环境光水平何时变亮或变暗。
在一些实施例中，可以在用户控制光水平、然后指示这是他们的优选照明设置的情况下使用als。控制系统然后可以使用来自该特定控制器的vout作为期望的环境光设置，并且控制照明来适当地增加/减少光。因此，例如，房间中的环境光撞击在传感器上。使用光来产生功率以运行如本文所述的als，而且还由读出电路来测量光，读出电路输出取决于环境光水平以及可能的零件制造变量的电压。
如本文所述来自als的输出“vout”可以被连接到具有集成的adc的微控制器，并且因此能够测量来自als的电压输出并且将其用作控制回路的一部分。微控制器也可以具有控制输入。控制输入例如可以是来自远程控制装置(例如，“向上”或“向下”的按钮)的ir(红外)信号、或者经由无线协议(例如，蓝牙、低功率蓝牙或wi-fi)、或使用有线协议(spi、i2c)等进行连接。用户通常会使用该控制电路来命令系统增加(或减少)环境光水平，并且微控制器将改变其连接到照明系统(白炽灯、紧凑型荧光灯(cfl)、发光二极管(led)等)的“level”输出，以产生更多(或更少)的光。level可以是电压信号、或者是电流信号或数字信号，其中脉冲宽度被调制，以使得照明系统或微控制器和照明系统之间可能的无线连接系统(例如，蓝牙、低功率蓝牙、或wi-fi、或专有通信系统)产生更多(或更少)的光。
当房间中的环境光水平已增加(或降低)到用户觉得愉悦的水平时，用户将停止向微控制器发送“向上”(或向下)的信号，微控制器现在使得“vout”信号近似恒定(称为vout_target)，因此微控制器的“level”信号将保持近似恒定的电压或电流或脉冲宽度，并且照明系统产生的光量将保持恒定。
通常，因为房间中的照明量是自然光(即，日光)和人造光(即，由照明系统产生的光)的组合。如果自然光的量减少(例如，日落)，则als上的光量减少，并且输出电压降低。微控制器将检测到电压vout小于vout_target，并将改变微控制器的level信号输出，使得照明系统产生更多的光，直到来自als的vout返回到vout_target电平。
使用这样的“闭环”技术，als的制造变量并不显著，因为即使在用户期望的照明水平下，电压“vout”处于与第二系统不同的绝对电压，系统在用户将环境照明设定为其优选设置时，系统已记住来自als的电压。
先前部分中所述的光电压输出的缺点在于，如果与微控制器一起使用，则微控制器需要具有模数转换器(adc)，以能够测量信号。除了adc增加微控制器的成本之外，还需要大量的能量来执行adc操作，并且这可以通过使用如本文所述的als来使节能无效。如果微控制器是由电池供电，则这可能是关键的。因此，期望来自als的数字输出。
照明时，单个光子照明的pn硅结产生大约0.4v的电压。这个低电压可能足以操作一些电子读出电路，但是它太低而不能生成可以被普通的微处理器/微控制器设备直接检测到的数字信号。典型的低电压微控制器的操作电压为1.8v，所以最小逻辑高电压约为50％，即，0.9v，因此如本文所述的als的输出至少需要这个电压。因此，需要产生大于单个光伏(pv)结可以提供的0.4v的电源电压。实现这个最简单的方法是连接多个pv电池。但是，如果在同一个衬底上实现这些pv电池，则存在将每个电池与其他电池隔离的问题。
在一些实施例中，(正向偏置的)光伏二极管和(反向偏置的)光电二极管之间的隔离可以通过使用“三重阱”工艺来实现。三重阱工艺是允许从p-bulk(p型块体)隔离p-well(p型阱)的工艺(或者如果使用n-bulk(n型块体)的情况下是n-well(n型阱)隔离)。
因此，例如，图5a示出了在p-bulk515上实现的第一pv电池，以及在n-bulk535上实现的第二pv电池。
在硅p-epi(p型外延)或p-bulk层内实现的第一pv电池包括n-well材料的环(在图5a中由n型阱509和n型阱511示出)，n-well材料的环被耦合到接地电压(通过n+掺杂区域505)。
第一pv电池进一步包括将p型阱区域507耦合到第一端子(第一电压分接头ipv)的p+掺杂区域501以及可以被耦合到接地端子(gnd)的n+掺杂区域503(也在p型阱区域内)。p型阱进一步被位于p型阱区域下方的niso层513(深n型阱，deepnwell)隔离。
在硅n-epi(n型外延)或n-bulk层内实现的备选pv电池包括p型阱材料的环(由图5中的p型阱529和p型阱531示出)，并且p型阱材料的环被耦合到第一电压分接头ipv(通过p+掺杂区域525)。备选的pv电池进一步包括将n型阱区域527耦合到接地端子(gnd)的n+掺杂区域521以及可以被耦合到电压分接头端子(ipv)的p+掺杂区域523(也在n型阱区域内)。n型阱527被位于n型阱下方的piso层533(深p型阱，deeppwell)进一步隔离。
参照图5b，示出了串联连接的两个p-bulk光伏电池的实现，并且可以看出电压是不同的。光伏电池#1551包括在光伏电池#1551上接地的n型阱509、511和niso513植入物，但n型阱539、541和niso543植入物在光伏电池#2553中处于较高电势vv1(并且耦合到光伏电池#1551的p+掺杂区域501)。换言之，niso和本体之间的电位随着串联光电池数量的增加而增加。光伏电池#2553进一步包括耦合到(甚至)更高电位vv2的p+掺杂区域531。图5b进一步示出pv#1551和pv#2553之间的p型阱隔离区域555以及经由p+掺杂区域559耦合到接地端子的本体连接p型阱557。
图5b中所示的系统的问题在于，通过隔离二极管、由pv#2553的niso/p-epi二极管收集的光生电荷支配的泄漏电流处于与pv#1551收集的光生电荷的方向相反的方向，从而消除了光生电流。
对此的解决方案是减小隔离二极管的尺寸，不幸的是，实现此目的唯一的方法是使整个pv电池更小。因此，pv#1(其中一个端子在共用本体/接地处，因此不需要任何隔离)的面积是a，pv#2电池需要面积a/k，pv#3的面积是a/k^2，pv4的面积是a/k^3等。
已发现，k约为2。因此，pv#1551二极管的面积增加，使得pv#1551的p型阱/nisopd生成比pv#2553的niso/p-epi二极管生成的光电流更多的光电流(比例约为2：1)。如果需要更大的电源电压，则需要将更多的光伏电池串联连接，并且在连续的pv电池中实现该比例的面积。因此，例如，在实现3个pv电池时，k＝2的情况下，电池之间的面积比为4：2：1，对于4个pv电池，面积比为8：4：2：1，依此类推。然而，在实验室中已经证明，电路可以使用k＝1.5的值工作。
使面积更小意味着由整个pv电池堆叠输出的电流与最小的二极管成比例(例如，pv4＝a/k^3)。
如先前所讨论的(关于等式1)，来自反向偏置的光电二极管的光电流必须小于从光伏电池生成的电流，因此光电二极管的面积应大约为最小光伏电池的面积的1/10。
niso-p-bulk二极管两端的电压升高产生了另一问题。用于实现本发明的工艺技术在击穿之前仅能支持有限的反向偏置电压。然而，由于目标是产生通常为标准电源电压(即，操作器件时从外部电源供应的电压)的电压，因此这不是一个实际的限制。
例如，来自硅光伏电池的传统输出电压大约是0.6v。对于晶体管的最小栅极长度为90nm的工艺，电源电压通常为1.2v，因此只有两个串联的光伏电池将生成足够的电压(即，2*0.6v＝1.2v)来操作测量电路。对于180nm的工艺，电源电压通常为1.8v，因此三个光伏电池将串联连接3*0.6v＝1.8v。
在一些实施例中，(正向偏置的)光伏二极管和(反向偏置的)光电二极管之间的隔离可以通过在绝缘层顶部上使用深沟槽隔离(dti)来实现。这种工艺技术被一些cmos图像传感器制造商用来减少小(≤5μm)像素的串扰。dti通常通过硅的各向异性蚀刻形成沟槽而形成，沟槽然后被填充有绝缘体材料(例如，诸如二氧化硅或原硅酸四乙酯(teos)的硅的氧化物)。绝缘层通常是二氧化硅。
图5c中的左上pv电池示出了第一示例dtipv电池570。第一dti示例pv电池示出了绝缘层577，在绝缘层577上设置有dti隔离材料576，并且p型阱575位于绝缘层577内，并且p型阱575可以经由p+掺杂区域571耦合到电压端子(ipv)。此外，n型阱区域579在p型阱575内，n型阱区域579可以经由n+掺杂区域573耦合到接地端子。
图5c中的右上pv电池示出了另一示例dtipv电池580。备选的dti示例pv电池示出了绝缘层587，dti隔离材料586位于绝缘层587上，并且n型阱585位于绝缘层587内，并且n型阱585可以经由n+掺杂区域581耦合到接地端子(gnd)。此外，p型阱区域589在n型阱585内，p型阱区域589可以经由p+掺杂区域583耦合到电压端子(ipv)。
在这些示例中，所使用的工艺技术支持制造垂直二极管(p型阱内部的n型阱或n型阱内部的p型阱)。
图5c中由下方的pv电池示出了另一备选示例dtipv电池590。进一步的备选dti示例示出了使用dti的光伏电池的实现，但是其中所使用的工艺技术不支持垂直二极管的制造。因此，pv电池示出了绝缘层597，在绝缘层597上设置有dti隔离材料596，并且n型阱599位于绝缘层597内，并且n型阱599可以经由n+掺杂区域593耦合到接地端子(gnd)。此外，p型阱区域595与n型阱585相邻并向下延伸至绝缘层597，p型阱区域595可以经由p+掺杂区域591耦合到电压端子(ipv)。
另一备选示例dtipv电池590进一步示出了在dti附近、远离pn结生成的光生载流子。为了收集该载流子，载流子需要向pn结扩散。如果光伏电池很大(例如，widthp1≥10μm或widthn1≥10μm)，则该载流子可能会与硅重新组合而无法收集。这种重新组合的解决方案是实现更多、更小的阱(如图5d所示)。
图5d示出了另一示例dtipv电池。如此，pv电池示出了绝缘层1517，dti隔离材料1501位于绝缘层1517上，并且全深度n型阱区域1507、1516(并且可以经由n+掺杂区域1509、1517耦合到接地端子(gnd))和全深度p型阱区域1503、1511(可以经由p+掺杂区域1505、1513耦合到电压端子(ipv))交替位于绝缘层1517内。
例如，如果pv电池pv2width的尺寸是100μm，并且载流子的扩散长度是10μm，则widthp2将≤20μm，并且类似地，widthn2≤20μm，以确保没有光生载流子超过pn结10μm。
在存在垂直结的情况下(如在前两个示例dtipv电池二极管的情况下)，因为光生电荷可以扩散到垂直结并被收集，所以阱的尺寸并不重要。
关于图5e，示出了如图5a至图5d所示的pv电池与环境光传感器的其他电子组件的集成。
图5e示出了示例pv电池1601，示例pv电池1601包括n型阱1611和niso1609隔离区域，p型阱1605区域、耦合到ipv的p+掺杂区域1613、以及耦合到gnd的n+掺杂区域1607处在niso1609隔离区域内。光电二极管1603在p-epi或p-bulk1621上进一步实现，光电二极管1603包括耦合(经由p+掺杂区域)到gnd的p型阱1613和耦合(经由n+掺杂区域)到ipd的n型阱1617。
在这样的实现中，端子ipv现在通过反向偏置的二极管与接地(gnd)和端子ipd隔离。p-n结niso1609到p-epi(或p-bulk)的电压为0v，因为通常pv电池的gnd将连接到其他电路的gnd。
图5e还示出了在p型阱区域1629内实现的nmos晶体管1605(由n+掺杂区域1625和1623以及栅极实现)，并且nmos晶体管1605具有通过p-bulk1621到达光伏电池1601的p型阱1605的传导路径。为了便于绘图，未示出pmos晶体管，因为pmos晶体管将处于将其与p-bulk隔离的n型阱中。
图5f还示出了使用n-bulk技术的集成实现。pv电池1601包括p型阱1711和piso1709隔离区域，n型阱1705区域、耦合到gnd的n+掺杂区域1713以及耦合到ipv的p+掺杂区域1707处在piso1709隔离区域中。光电二极管1703在n-epi或n-bulk1721上进一步实现，光电二极管1703包括耦合(经由n+掺杂区域)到ipd的n型阱1713以及耦合(经由p+掺杂区域1719)到gnd的p型阱1717。
图5f还示出了在n型阱区域1729内实现的pmos晶体管1705(由p+掺杂区域1725和1723以及栅极实现)，然而在ipd处收集的光电二极管电流将包括来自本体的光生电荷。
关于图6a，示出使用先前所示的三重阱技术、具有多个pv电池的一个示例实现的截面。这些可以例如在使用成像层的硅内实现。pv电池401、403和405在硅p-epi或p-bulk层内实现。硅p-epi或p-bulk层通过与第一pv电池401相邻的p+掺杂区域6011(以及与第二pv电池403相邻的可选的另外的p+掺杂区域6012、与第三pv电池405相邻的p+掺杂区域6013)耦合到接地。额外的p+是可选的。此外，p+区域可以位于管芯上的任何位置，但为了便于解释，示出为位于每个pv电池附近。
第一pv电池401示出将p型阱区域6091耦合到第一端子(第一电压分接头v1)的p+掺杂区域6051，以及耦合到接地端子(接地电压vss)的n+掺杂区域6071(也在p型阱区域内)。p型阱区域也被经由n+掺杂区域6031连接到接地端子(和接地电压vss)的n型阱环(在图6a中示出为两个n型阱区域6111和6131)侧向地包围。在p型阱区域下方是niso(或深n型阱)层6151。
第二pv电池403示出了将p型阱区域6092耦合到第二端子(第二电压分接头v2)的p+掺杂区域6052、以及耦合到第一端子(第一电压分接头v1)的n+掺杂区域6072(也在p型阱区域内)。p型阱区域6092还被经由n+掺杂区域6032连接到第一端子(和第一电压分接头v1)的n型阱环(在图6a中由两个n型阱区域6112和6132示出)包围。p型阱下方是niso(或深n型阱)层6152。
第三pv电池405示出将p型阱区域6093耦合到第三端子(第三电压分接头vdd)的p+掺杂区域6053、以及耦合到第二端子(第二电压分接头v2)的n+掺杂区域6073(也在p型阱区域内)。p型阱区域6093还被经由n+掺杂区域6033连接到第二端子(以及第一电压分接头v2)的n型阱环(在图6a中由两个n型阱区域6113和6133示出)包围。p型阱区域下方是niso(或深n型阱)层6153。
图6a还示出了p型阱区域609和n型阱区域611、613之间、n+掺杂607和niso区域615之间的期望的正向偏置(pv)二极管结。在图6a中还示出了p-epi或p-bulk以及第二和第三pv电池n型阱和niso区域之间的反向偏置二极管结。
关于图6b，示出了具有正向和反向偏置二极管结的图6a中示出的pv电池的示例电流模型。
已发现，在pv电池未被完全隔离的情况下(例如，如果深n型阱隔离未将每个pv电池彼此完全隔离)，第二pv电池403的隔离二极管(换言之，从p-epi或p-bulk层到n型阱区域和niso区域的正向偏置结)压倒第一pv电池401的收集二极管，导致pv电池不产生加和电压。
读出电路的操作电压将取决于用于制造的工艺技术。对于更先进的工艺技术，通常电压为3.3v、2.8v、1.8v和1.2v。从电路图中可以看出，pv可以被模型化为正向偏置二极管，所以输出电压受二极管的限制，因为较高的电压将导致二极管导通并消耗光生电流。如果使用硅来制造二极管，则二极管的典型正向电压在0.5v至0.7v的范围内。
图7中示出了根据一些实施例的光传感器的示例示意图。图7示出了20pf的芯片外410模拟负载cload431。芯片上400组件包括发生器，发生器包括三个串联的pv电池(在该示例中为350x350μm)。第一pv电池405耦合在vss(接地)端子和第一电压分接头v1之间。第二pv电池403耦合在第一电压分接头v1和第二电压分接头v2之间。第三pv电池401耦合在第二电压分接头v2和第三电压分接头vdd之间。此外，第二电压分接头v2经由第二电压分接头平滑电容器406耦合到接地端子vss。此外，第三电压分接头vdd经由第三电压平滑电容器407耦合到接地端子vss。在一些实施例中，可以在需要更高电压的情况下添加更多的pv电池。例如，片上逻辑单元从较高的电压操作，或者如果片外器件需要较高的电压摆动。复位晶体管411与栅极的复位输入耦合，并且耦合在第三电压分接头vdd与光电二极管409之间。由于复位操作需要电流来对光电二极管进行充电并且该电流是光生电流，因此光电二极管的面积应比光伏电池的面积少得多。例如，在一些实施例中，可以使用50:1的面积比率。在一些实施例中，可以实现10：1的面积比率。此外，在一些实施例中，还可以使用100：1的比率。
光电二极管409被耦合在复位晶体管411和接地端子vss之间，并且被配置为释放所存储的电荷并且生成输入到第一逆变器413的光电二极管电压vpd。第一逆变器413被配置为接收来自光电二极管409的光电二极管电压。第一逆变器413(和其他逆变器)被配置为作为比较器进行操作。在一些实施例中，第一逆变器可以可选地由第二(或低于vdd)电压分接头v2而不是第三(或vdd)电压分接头供电，“比较器”阈值较低，这导致光电二极管上较大的电压摆动，从而降低系统噪声并增加动态范围。如前所述，第一逆变器413的输出可以被耦合到另外的逆变器对。例如，如图7所示，第一逆变器413的输出被耦合到第二逆变器415的输入，第二逆变器由第三电压分接头vdd供电。第二逆变器415的输出被耦合到第三逆变器417的输入，第三逆变器由第三电压分接头vdd供电。第三逆变器的输出是复位信号，为了使振荡器复位，复位信号被返回到复位晶体管411作为栅极输入。在一些实施例中，可以使用多个逆变器对来将信号延迟。例如，可以使用四个对(8个逆变器)来减慢输出rst信号，以确保光电二极管409被完全复位。如前所述，这是因为一旦开始复位(电压vpd上升)，比较器413就变为低电平，并且如果复位停止，那么光电二极管仅略高于比较器开关阈值电压。此外，复位信号然后作为时钟输入被输入到第一锁存器419。然后，第一锁存器419的负输出作为数据输入和时钟输入被输入到第二锁存器421。第二421的负输出然后被输入到缓冲器435。
锁存器用于分频输出。因此，例如，通过使用两个锁存器，频率被除以22或4。在其他实施例中，可以通过增加或减少锁存器的数量来实现其他划分。如上所述，使用越多的触发器或锁存器，则输出信号频率降低地越多，因此降低了整个系统的功耗。这种功耗的降低可能有助于将系统操作扩展到较低的光水平。
缓冲器的输出是频率信号输出，并且可以被传递到由第三电压分接头vdd以及vssco429(提供接地vss电压)供电的器件或封装焊盘ana焊盘427。
图8中示出了根据一些实施例的另外的光传感器的示例示意图。图8示出了与图7中所示的类似的传感器，但是其中pv连接被带到片外以用于表征。20pf的芯片外510模拟负载cload431。芯片上400组件包括发生器，发生器包括三个串联的pv电池(在该示例中是350×350mm)。第一pv电池405耦合在vss(接地)端子和第一电压分接头v1之间。第二pv电池403耦合在第一电压分接头v1和第二电压分接头v2之间。第三pv电池401耦合在第二电压分接头v2和第三电压分接头vdd之间。此外，第二电压分接头v2经由第二电压分接头平滑电容器406耦合到接地端子vss。此外，第三电压分接头vdd经由第三电压平滑电容器407耦合到接地端子vss。复位晶体管411与栅极的复位输入耦合，并且耦合在第三电压分接头vdd与光电二极管409之间。
光电二极管409被耦合在复位晶体管411和接地端子vss之间，并且被配置为释放所存储的电荷并且生成输入到第一逆变器413的光电二极管电压vpd。第一逆变器413被配置为接收来自光电二极管409的光电二极管电压。第一逆变器413(和其他逆变器)被配置为作为比较器进行操作，并且通过第二电压分接头v2而不是第三电压分接头对第一逆变器供电，“比较器”阈值较低。第一逆变器413的输出被耦合到第二逆变器415的输入，第二逆变器由第三电压分接头vdd供电。第二逆变器415的输出被耦合到第三逆变器417的输入，第三逆变器由第三电压分接头vdd供电。第三逆变器的输出是复位信号，为了使振荡器复位，复位信号返回到复位晶体管411作为栅极输入。此外，复位信号然后作为时钟输入被输入到第一锁存器419。然后，第一锁存器419的负输出作为数据输入和时钟输入被输入到第二锁存器421。第二锁存器421的负输出然后被输入到缓冲器435。
锁存器用于分频输出。因此，例如，通过使用两个锁存器，频率除以22或4。在其他实施例中，可以通过增加或减少锁存器的数量来实现其他划分。
缓冲器的输出是频率信号输出，并且可以被传递到由第三电压分接头vdd和vssco429(提供接地vss电压)供电的第一器件或封装焊盘ana焊盘427。ana焊盘用于模拟信号，并且不具有任何电流消耗缓冲器，但是其具有esd保护电路。此外，还示出了器件或封装焊盘(ana焊盘)的另一集合。他们是接收第二电压分接头v2以输出片外的第二电压分接头v2焊盘535、接收第一电压分接头v1以输出片外的第一电压分接头v1焊盘537、接收外部vddext电压(用于调试以排除故障)并在片上耦合到接收第三电压分接头vpd作为栅极输入的晶体管545的第三电压分接头vdd焊盘529。在一些实施例中，存在被配置为仅在调试中使用焊盘环来驱动vddio的另外的焊盘541。
以这种方式，可以在1×1mm封装件内安装三个pv电池(每个350×350μm)、光电二极管(50×50μm)和读出电路(20×20μm)、以及去耦电容部分、信号输出、用于提供信号输出的接地焊盘。
尽管在本文所示的示例中示出了串联配置的三个pv电池，但是可以使用任何合适数量的pv电池。例如，可以使用单个pv电池，或者可以使用两个或更多个串联的pv电池。
应认识到，上述布置可以至少部分地由集成电路、芯片集合、封装在一起或封装在不同封装件中的一个或多个管芯、分立电路或这些选项的任意组合来实现。
上面已经描述了具有不同变形的各种实施例。应注意，本领域技术人员可以组合这些各种实施例和变形中的各种元素。
这样的变化、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的范围内。相应地，前面的描述仅仅是作为示例，并不旨在限制。本发明仅由以下权利要求及其等同物限定。