DE102004017776A1

DE102004017776A1 - Sonnensensor

Info

Publication number: DE102004017776A1
Application number: DE102004017776A
Authority: DE
Inventors: Manfred Glehr
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2004-04-13
Publication date: 2005-11-03

Abstract

Ein Sonnensensor (1) weist auf einem Halbleitersubstrat (2) eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Funktionseinheiten (8) auf, die es ermöglichen, den Sonnenstand zu bestimmen. Der Sonnensensor (1) weist eine besonders niedrige Bauhöhe auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sonnensensor mit einer Funktionseinheit, die aus einer vom Sonnenstand abhängigen Verteilung der Strahlungsleistung auf eine Vielzahl von Photodetektoren die Bestimmung des Sonnenstands gestattet.

Ein derartiger Sonnensensor ist aus der EP 0 625 692 A1 bekannt. Der bekannte Sonnensensor verfügt über ein transparentes Substrat. Auf eine Oberseite des transparenten Substrats ist ein opaker Abschattungsfilm mit einer zentralen Eintrittsöffnung ausgebildet. Auf der gegenüberliegenden Seite des transparenten Substrats befinden sich photoempfindliche Bereiche, die von Licht beaufschlagt werden, das durch die zentrale Eintrittsöffnung hindurchtritt. Aus der Verteilung der Strahlungsleistung des einfallenden Lichts auf die photoempfindlichen Bereiche kann dann auf den Sonnenstand geschlossen werden. Der bekannte Sonnensensor eignet sich insbesondere zur Steuerung einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs.

Ein Nachteil des bekannten Sonnensensors ist dessen nicht zu vernachlässigende Bauhöhe. Der Einbau des bekannten Sonnensensors stößt daher auf Schwierigkeiten. Denn bei einer Montage in die Karosserie eines Kraftfahrzeugs, darf die äußere Erscheinung des Kraftfahrzeugs durch den eingebauten Sonnensensor nicht beeinträchtigt werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sonnensensor mit einer möglichst geringen Bauhöhe zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Sonnensensor mit den im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmalen gelöst. In davon ab hängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.

Der Sonnensensor zeichnet sich dadurch aus, dass auf einem Substrat eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Funktionseinheiten ausgebildet ist, die jeweils aus der Verteilung der Strahlungsleistung auf eine Vielzahl von Photodetektoren die Bestimmung des Sonnenstands gestatten.

Da das Substrat weniger als ein Millimeter dick sein kann, ergeben sich sehr geringe Bauhöhen. Da ferner die einzelnen Photodetektoren der nebeneinander auf dem Substrat angeordneten Funktionseinheiten zusammengeschaltet werden können, ergeben sich trotz der zwangsläufig geringen flächenmäßigen Ausdehnung der einzelnen Funktionseinheiten gute Signal-zu-Rausch-Verhältnisse, so dass aus dem von den Photodetektoren gelieferten gemeinsamen Signal der Sonnenstand zuverlässig bestimmt werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Funktionseinheiten nebeneinander auf einem Halbleitersubstrat angeordnet. Durch die Anordnung einer Vielzahl von Funktionseinheiten nebeneinander auf einem Halbleitersubstrat ist es möglich, die einzelnen Funktionseinheiten in einen Chip zu integrieren, der unter Umständen auch einen Teil der zum Betrieb des Sonnensensors erforderlichen Schaltungen enthält.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich im Strahlengang vor den Photodetektoren Mikrolinsen, die auf lithographischem Wege hergestellt worden sind. Durch derartige Mikrolinsen kann das einfallende Sonnenlicht gezielt auf die Photodetektoren konzentriert werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Photodetektoren in schrägen Seitenwänden eines in eine Oberfläche des Halbleitersubstrats eingebrachten Grabens angeordnet. Bei einer derartigen Anordnung kann auf zusätzliche optische Elemente verzichtet werden, da die Strahlungsleistung des auf die einzelnen Photodetektoren einfallenden Sonnenlichts vom jeweiligen Sonnenstand abhängt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Photodetektoren ladungsträgergekoppelte photoempfindliche Elemente, die die Helligkeitsverteilung des einfallenden Sonnenlichts erfassen. Dadurch ist es unter Umständen möglich, den Sonnenstand mit größerer Genauigkeit als bei der Verwendung einfacher Photodioden zu bestimmen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Sonnensensor, der auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist;
2 einen Querschnitt durch einen Sonnensensor, der mit ladungsträgergekoppelten Photoelementen ausgestattet ist;
3 eine Aufsicht auf die Sonnensensoren aus den 1 und 2;
4 einen Querschnitt durch einen weiteren abgewandelten Sonnensensor mit Photodetektoren, die im Bereich von im Substrat ausgebildeten Gräben angeordnet sind;
5 eine Aufsicht auf den Sonnensensor aus 4;
6 einen Querschnitt durch einen weiteren abgewandelten Sonnensensor mit einer Abschattungsschicht; und
7 ein Blockdiagramm einer möglichen Auswerteschaltung.
1 zeigt einen Sonnensensor 1, der auf einem Halbleitersubstrat 2 ausgebildet ist. Das Halbleitersubstrat 2 umfasst eine Funktionsschicht 3, in der beispielsweise zum Auslesen des Sonnensensors 1 erforderliche Schaltungen ausgebildet sind. Auf einer Unterseite 4 des Halbleitersubstrats 2 sind Kontaktflächen 5 vorgesehen, die dazu dienen, den Sonnensensor 1 an eine externe Schaltung anzuschließen. Oberhalb der Funktionsschicht 3 sind Photodetektoren 6 angeordnet, die das Licht erfassen, das durch Mikrolinsen 7 auf die Photodetektoren 6 einfällt. Jeweils zwei unter einer Mikrolinse 7 angeordnete Photodetektoren 6 bilden eine Funktionseinheit 8, die für sich bereits dafür verwendet werden kann, den Sonnenstand zu bestimmen. Durch das Zusammenschalten einer Reihe von nebeneinander angeordneten Funktionseinheiten 8 wird jedoch die Genauigkeit bei der Bestimmung des Sonnenstands verbessert.
Anstelle der Photodetektoren 6 können auch ladungsträgergekoppelte photoempfindliche Elemente 9 nach Art einer CCD-Kamera auf dem Halbleitersubstrat 2 ausgebildet sein. Bei dem in 2 dargestellten Fall ist jeweils ein Feld von photoempfindlichen Elementen 9 unter einer Mikrolinse 7 angeordnet.
Die Mikrolinsen 7 selbst können kugelsegmentförmig ausgebildet sein. Auch eine zylinderförmige Ausgestaltung der Mikrolinsen 7 ist denkbar. So zeigt 3 eine Aufsicht auf die in den 1 und 2 dargestellten Sonnensensoren 1, aus der die zylinderförmige Gestaltung der Mikrolinsen 7 hervorgeht.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Sonnensensors 1, bei dem Photodetektoren 10 in Seitenwänden 11 von Gräben 12 mit V-förmigem Querschnitt angeordnet sind, die von einer Oberseite 13 des Halbleitersubstrats 2 aus in das Halbleitersubstrat 2 eingebracht worden sind.
Bei dem in 4 dargestellten Sonnensensor 1 kann auf zusätzliche optische Elemente verzichtet werden, da die Verteilung der Strahlungsleistung auf die Photodetektoren 10 vom Elevationswinkel und Azimutwinkel der Sonne abhängt. Die beiden in den Seitenwänden 11 eines Grabens 12 angeordneten Photodetektoren 10 bilden dabei die Funktionseinheit 8, die für sich genommen bereits eine Bestimmung des Sonnenstands erlaubt. Durch das Zusammenschalten der einzelnen Funktionseinheiten 8 wird jedoch die Genauigkeit bei der Bestimmung des Sonnenstands erhöht.
5 zeigt eine Aufsicht auf den Sonnensensor 1 aus 4. In 5 ist die lang gestreckte Ausbildung der Photodetektoren 10 deutlich erkennbar. Auf diese Weise lassen sich ausreichend große Signale für die Bestimmung des Sonnenstands gewinnen.
Bei der Bestimmung des Sonnenstands kann es von Vorteil sein, wenn mehrere Halbleitersubstrate 2 so kombiniert werden, dass ihre jeweiligen Vorzugsrichtungen 14 im Winkel zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Halbleitersubstrate 2 so angeordnet, dass die Vorzugsrichtungen 14 zueinander im rechten Winkel ausgerichtet sind.
Daneben ist es auch denkbar, auf einem Halbleitersubstrat 2 mehrere verschiedene Detektorbereiche vorzusehen, die unterschiedliche Vorzugsrichtungen 14 aufweisen.
Neben den anhand 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsformen kommen noch weitere Ausführungsformen in Frage. Beispielweise ist es denkbar, auf einer Seite eines transparenten Substrats 15 eine Abschattungschicht 16 mit einer Vielzahl von Aussparungen 17 vorzusehen und auf der gegenüberliegenden Seite oder im Substrat eine Vielzahl von Photodetektoren 18 auszubilden, die die Richtung des durch die Aussparungen 17 einfallenden Lichts erfassen und so die Bestimmung des Sonnen stands ermöglichen. Bei einer derartigen Ausführungsform kann das transparente Substrat 15 auch eine biegsame Folie sein.
7 zeigt schließlich ein Blockdiagramm, in dem der Sonnensensor 1, insbesondere dessen Funktionseinheiten 8, an eine Auswerteeinheit 19 angeschlossen sind, die aus den von den Funktionseinheiten 8 aufgenommenen Intensitäten den Elevationswinkel α und den Azimutwinkel β des Sonnenstands berechnet. Das Ergebnis wird über einen Bus 20, bei dem es sich beispielsweise um einen LIN-Bus handeln kann, an ein übergeordnetes System 21 weitergegeben. Das System 21 kann beispielsweise die Steuerung einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs sein.
Die hier beschriebenen Photosensoren 1 zeichnen sich durch eine besonders geringe Bauhöhe aus. Denkbar ist die Photosensoren auf Halbleitersubstraten 2 auszubilden, die typische Foliendichten aufweisen. Dementsprechend unauffällig können die Photosensoren 1 in die Gestaltung des äußeren Erscheinungsbilds eines Kraftfahrzeugs einbezogen werden.

1: Sonnensensor
2: Halbleitersubstrat
3: Funktionsschicht
4: Unterseite
5: Kontaktfläche
6: Photodetektor
7: Mikrolinse
8: Funktionseinheit
9: photoempfindliches Element
10: Photodetektor
11: Seitenwand
12: Graben
13: Oberseite
14: Vorzugsrichtung
15: Substrat
16: Abschattungsschicht
17: Aussparungen
18: Photodetektor
19: Auswerteeinheit
20: Bus
21: System

Claims

Sonnensensor mit einer Funktionseinheit (8), die aus einer vom Sonnenstand abhängigen Verteilung der Strahlungsleistung auf eine Vielzahl von Photodetektoren (6, 9, 10) die Bestimmung des Sonnenstands gestattet, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Substrat (2, 15) eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Funktionseinheiten (8) ausgebildet ist.
Sonnensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Halbleitersubstrat (2) ist.
Sonnensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang vor den Photodetektoren (6) Mikrolinsen (7) angeordnet sind.
Sonnensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodetektoren in abgeschrägten Seitenwänden (11) von im Substrat (2) ausgebildeten Gräben (12) angeordnet sind.
Sonnensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang vor den Photodetektoren (6) eine Abschattungschicht (16) angeordnet ist.
Sonnensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (2) Detektorbereiche mit unterschiedlicher Vorzugsrichtung (14) ausgebildet sind.
Sonnensensor nach einem der Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheiten (8) analoge Photodetektoren (6) umfassen.
Sonnensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheiten (8) ladungsträgergekoppelte Photoelemente (9) umfassen.
Sonnensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Substrat (2) Funktionsschichten (3) zum Auslesen der Photodetektoren (6, 9, 10) ausgebildet sind.
Sonnensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnensensor (1) an eine Auswerteeinheit (15) anschließbar ist, die aus den mit Hilfe der Photodetektoren (6, 9, 10) ermittelten Intensitätswerten für das einfallende Sonnenlicht den Sonnenstand und die Bestrahlungsstärke des einfallenden Sonnenlichts ermittelt.