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Dokumentenidentifikation DE102006018994A1 31.10.2007
Titel Sensorhalbleiterbauelement zur richtungssensitiven und höhensensitiven Erfassung einer optischen Strahlungsquelle und Sonnensensor
Anmelder Hella KGaA Hueck & Co., 59557 Lippstadt, DE
Erfinder Niemann, Thomas, 27753 Delmenhorst, DE;
Heilenkötter, Carsten, 28844 Weyhe, DE;
Eggers, Torsten, 28215 Bremen, DE
Vertreter Jabbusch und Kollegen, 26135 Oldenburg
DE-Anmeldedatum 25.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006018994
Offenlegungstag 31.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse G01J 1/06(2006.01)A, F, I, 20060425, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01J 1/10(2006.01)A, L, I, 20060425, B, H, DE   H01L 31/0232(2006.01)A, L, I, 20060425, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein Sensorhalbleiterbauelement zur richtungssensitiven und höhensensitiven Erfassung einer optischen Strahlungsquelle, insbesondere für Sonnensensoren zur Steuerung von Klimaanlagen, mit mindestens zwei in dem Sensorhalbleiterbauelement angeordneten photosensitiven Flächen, zeichnet sich dadurch aus, daß auf dem Sensorhalbleiterbauelement eine geometrische Struktur angeordnet ist, die geeignet ist, in Abhängigkeit von der Position der Strahlungsquelle mindestens eine photosensitive Fläche mindestens partiell zu beschatten, so daß ein vom Stand der Strahlungsquelle abhängiger Stromfluß in der photosensitiven Fläche erzeugt wird. Dadurch läßt sich ein geometrisch einfaches Sensorhalbleiterbauelement ausbilden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Sensorhalbleiterbauelement zur richtungssensitiven und höhensensitiven Erfassung einer optischen Strahlungsquelle, insbesondere für Sonnensensoren zur Steuerung von Klimaanlagen, mit mindestens zwei in dem Sensorhalbleiterbauelement angeordneten photosensitiven Flächen. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Sonnensensor mit einem Gehäuse, einer Abdeckung und einem Sensor.

Sensorhalbleiterbauelemente der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus der DE 197 48 826 C1, der DE 100 46 785 C2 und der DE 102 18 160 C1 bekannt. In den dort beschriebenen Sonnenstandsdetektoren sind eine Vielzahl von photosensitiven Flächen vorgesehen. Oberhalb der photosensitiven Fläche ist eine Schattenmaske angeordnet, die Licht hindurchläßt und durch Auswertung, welche Flächen der Vielzahl der photosensitiven Flächen durch die Schattenmaske bestrahlt werden, kann ein Rückschluß auf den Sonnenstand gezogen werden.

Aus der DE 103 12 312 A1 ist ein Sonnenstandsensor bekannt, bei dem drei in bestimmte Richtungen ausgerichtete Sensoren vorgesehen sind. Dabei ist die Sonneneinstrahlung aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtung der Sensoren für die einzelnen Sensoren unterschiedlich. Es erfolgt eine Berechnung, mit der aus den in den einzelnen Sensoren unterschiedlich erzeugten Ströme auf den Sonnenstand geschlossen werden kann. Aus der AT 403095 B ist ein Sonnenstrahlungssensor bekannt, bei dem nach Art einer Sonnenuhr ein Schatten geworfen wird, der mindestens so breit ist, daß er einen von 24 kreisförmig um diesen Schattenstab angeordneten Sensoren vollständig beschattet. Dieser Sensor soll eine Richtungsdetektion jedoch keine Höhendetektion ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorhalbleiterbauelement der eingangs genannten Art und einen Sonnensensor zu schaffen, die eine Richtungsdetektion und eine Höhendetektion der zu detektierenden Strahlungsquelle ermöglichen und die besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Sensorhalbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Hinsichtlich des Sonnensensors erfolgt die Lösung der Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16.

Bei einem Sensorhalbleiterbauelement zur richtungssensitiven und höhensensitiven Erfassung einer optischen Strahlungsquelle, insbesondere für Sonnensensoren zur Steuerung von Klimaanlagen, mit mindestens zwei in dem Sensorhalbleiterbauelement angeordneten photosensitiven Flächen, ist erfindungswesentlich vorgesehen, daß auf dem Sensorhalbleiterbauelement eine geometrische Struktur angeordnet ist, die geeignet ist, in Abhängigkeit von der Position der Strahlungsquelle mindestens eine photosensitive Fläche mindestens partiell zu beschatten, so daß ein vom Stand der Strahlungsquelle abhängiger Stromfluß in der photosensitiven Fläche erzeugt wird.

Auf diese Weise kann mit einer einfachen geometrischen Struktur eine wertkontinuierliche Messung der Richtung und der Höhe der Strahlungsquelle, insbesondere der Sonne erfolgen. Neben der Strahlungsrichtung (Azimut) und der Strahlungshöhe (Elevation) kann bevorzugt auch die Intensität wertkontinuierlich gemessen werden. Die Erfindung ist bevorzugt als integriertes opto-elektronisches Bauelement, also als Opto-ASIC, ausführbar. Das vorzugsweise CMOS basierte Opto-ASIC weist zwei, drei oder mehr vorzugsweise gleich große kreisabschnittsförmige oder rechteckige photosensivite Sensorflächen auf. Diese sind bevorzugt als Photodioden mit spektraler Empfindlichkeit zwischen &lgr; = 400 bis 900 nm ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das Bauelement planar ausgebildet. Dabei sind insbesondere alle photosensitiven Flächen des Sensorhalbleiterbauelements in einer Ebene angeordnet.

Die geometrische Struktur ist bevorzugt benachbart zu zwei photosensitiven Flächen angeordnet, insbesondere ist es bevorzugt, die geometrische Struktur zwischen zwei photosensitiven Flächen anzuordnen. Dadurch ist es möglich, die Zahl der auszubildenden geometrischen Strukturen gering zu halten, da nämlich dieselbe geometrische Struktur zur Abschattung von zwei Fläche benutzt wird. Eine einfache Richtungsdetektion ist schon bei Verwendung von zwei photosensitiven Flächen möglich, die in Abhängigkeit von dem Sonnenstand unterschiedlich beschattet werden. Bevorzugt ist zwischen den beiden photosensitiven Flächen eine geometrische Struktur angeordnet, die in Abhängigkeit von dem Sonnenstand mal die eine und mal die andere photosensitive Fläche partiell oder vollständig beschattet. Um genauere Aussagen hinsichtlich des Stands der Strahlungsquelle zu erhalten, sind bevorzugt drei oder vier oder sogar noch mehr photosensitive Flächen vorgesehen. Bevorzugt sind die photosensitiven Flächen als sich zu einem Vollkreis ergänzende Kreisausschnitte ausgebildet. Bei drei photosensitiven Flächen erstreckt sich dann jeder Kreisausschnitt bevorzugt über einen Winkel von 120° und die Kreisausschnitte sind bevorzugt durch sich im Kreismittelpunkt treffende geometrische Strukturen, die geeignet sind, die photosensitiven Flächen mindestens partiell zu beschatten, voneinander getrennt. In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung sind die photosensitiven Flächen als sich zu einem Rechteck, insbesondere Quadrat, ergänzende Flächen ausgebildet. Bevorzugt sind die photosensitiven Flächen alle gleich groß.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die geometrische Struktur als Wand ausgebildet. Die Höhe einer Wand beträgt bevorzugt mindestens 70% bevorzugt etwa 100% oder mehr der maximalen Ausdehnung der zugehörigen photosensitiven Fläche. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß eine ausreichende Beschattung der photosensitiven Flächen erfolgt. Im übrigen ist die Wand bzw. die geometrische Struktur bevorzugt so ausgebildet, daß die Stärke der Wand höchstens 1/10 der Höhe der Wand aufweist. Bevorzugt weist die Stärke der Wand etwa 1/20 ihrer Höhe auf. Die Höhe der Wände entspricht bevorzugt einer Standard Waferdicke und ist zum Beispiel etwa 525 +/– 25 &mgr;m hoch. Bei der bevorzugten Stärke der Wände im Verhältnis zur Höhe, man spricht hier auch von Aspektverhältnis, beträgt die Wanddicke hier etwa 26 &mgr;m. Bei einer solchen Wandstärke ist auch die Infrarottransmissivität der Wände, die bevorzugt aus Silizium hergestellt sind, gut definiert. Die Wände sind bevorzugt mindestens genauso lang wie hoch. Besonders bevorzugt sind die Wände mindestens genauso lang wie eine benachbarte photosensitive Fläche. Denkbar ist auch eine andere Form der Ausbildung der geometrischen Strukturen, etwa in Form von Säulen, Stäben oder anderen unterbrochenen Strukturen. Je nach Einsatz des Herstellungsverfahrens müssen die Wände auch nicht unbedingt einen geraden Verlauf haben, sondern können auch in der Dicke variieren oder z.B. im Querschnitt dreieckig ausgebildet sein.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Sensorhalbleiterbauelement mindestens eine photosensitive Referenzfläche auf. Auf diese Weise kann eine Kontrolle bzw. ein Abgleich zu den teilweise beschatteten übrigen photosensitiven Flächen erfolgen. Bevorzugt weist das Sensorhalbleiterbauelement eine unbeschattete photosensitive Referenzfläche auf. Weiterhin ist bevorzugt eine vollständig beschattete photosensitive Referenzfläche vorgesehen. Diese photosensitive Referenzfläche kann beispielsweise unter einer lichtundurchlässigen Struktur angeordnet sein, so daß eine ständige und vollständige Abschattung gewährleistet ist. Durch den Vergleich der Werte der photosensitiven Flächen mit dem Referenzwert der vollbeleuchteten Referenzfläche und dem Referenzwert für die beschattete Referenzfläche für Dunkelstrom ist eine besonders gute Auswertung möglich. Bei der Referenzfläche zur Messung des Dunkelstroms wird die Fläche mit allen oder einigen der Herstellung der Photodioden nachfolgenden Schichten des Herstellprozesses abgedeckt. Eine andere zusätzliche Referenzfläche, also eine zusätzliche Sensorfläche, dient zur Messung der absoluten Intensität der orthogonal zur ebenen Sensorfläche einfallenden Strahlungsleistung. Mit diesen Referenzflächen ist auch eine gute Aussage über die absolute Intensität der einfallenden Strahlung möglich.

Die geometrischen Strukturen, insbesondere die Wände sind in einer bevorzugten Ausführungsform in einem separaten Prozeß hergestellt und dann auf das Sensorhalbleiterbauelement aufgebracht. Dabei werden die Wände mit einem Hilfswafer mit Hilfe eines ASE-Prozesses hergestellt. Dabei werden „harte" Ätzmasken erzeugt. Dies erfolgt z.B. über eine thermische Oxidation des Wafers und Lithographie und Nassätzen und ASE-Ätzung. Dieser Wafer wird mit Hilfe von photostrukturierten BCB auf dem vorher hergestellten Sensorhalbleiterbauelement (Opto-ASIC Wafer) aufgebracht, insbesondere gebondet. Danach erfolgt ein Test und die Vereinzelung des Wafers. In einer alternativen Ausführungsform wird die geometrische Struktur, insbesondere die Wand, direkt auf dem Sensorhalbleiterbauelement hergestellt. Dabei werden photostrukturierbare Polymere auf dem Sensorhalbleiterelement aufgebracht. Hierfür kann BCB oder Polyimid aufgebracht und in einem Dicklackprozeß bearbeitet werden. Die Höhe entspricht dann der Lackdicke, die Wände können mit beispielsweise 100 &mgr;m Höhe hergestellt werden. Bei diesem Verfahren beträgt die Stärke der Wände circa 1/10 ihrer Höhe, also beispielsweise 10 &mgr;m. Die Länge der Wände richtet sich bei dieser Herstellungsart nach ihrer Höhe und ist bevorzugt mindestens drei bis fünfmal so hoch wie lang. Durch periodische Wiederholung der Anordnung kann das Signalrauschverhältnis verbessert werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Sonnensensores mit einem Gehäuse, einer Abdeckung und einem Sensors, wobei erfindungswesentlich ist, daß der Sensor als Sensorhalbleiterbauelement der oben beschriebenen Art ausgebildet ist. Ein solcher Sonnensensor ist besonders kostengünstig herstellbar. Hierfür wird auch kein dreidimensional strukturierter Träger (zum Beispiel MID) mehr benötigt, da die Richtungs- und Höhendetektion nur über die Auswertung der unterschiedlichen Abschattungen erreicht wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:

1 ein erfindungsgemäßes Sensorhalbleiterbauelement;

2 einen erfindungsgemäßen Sonnensensor.

In 1 ist das erfindungsgemäße Sensorhalbleiterbauelement 1 dargestellt. Auf diesem sind hier drei photosensitive Flächen 2, 3 angeordnet. Die dritte photosensitive Fläche ist durch die hier als Wand ausgebildeten geometrischen Strukturen 4 nicht sichtbar. Die photosensitiven Flächen 2, 3 und der nicht dargestellte Teil ergänzen sich zu einem Vollkreis und bilden Kreisausschnitte von jeweils 120°. Die Wände 4 verlaufen zwischen diesen Kreisausschnitten und unmittelbar benachbart zu diesen. In Abhängigkeit vom Stand der Strahlungsquelle, insbesondere der Sonne, beschatten die Wände 4 die photosensitiven Flächen 2, 3 gar nicht, partiell oder vollständig. Dadurch werden in den photosensitiven Flächen auf dem Sensorhalbleiterbauelement 1, der ein Opto-ASIC ist, unterschiedliche Ströme hervorgerufen. Diese Ströme werden gemessen und analog oder digitalisiert weiterverarbeitet. Eine Berechnung erfolgt beispielsweise analog der in der DE 103 12 311 A1 beschriebenen Gleichungen. Die Wände 4 entsprechen in ihrer Höhe bevorzugt etwa der Breite der photosensitiven Flächen 2, 3, so daß bei normalen Ständen der Sonne bzw. einer optischen Strahlungsquelle relevante Abschattungen hervorgerufen werden. Bevorzugt erstrecken sich die Wände 4 über die photosensitiven Flächen 2,3 hinaus bis in den Randbereich des Sensorhalbleiterbauelements 1 und gehen dort in größere Befestigungsstrukturen 5 über. Die gesamte geometrischen Struktur mit den zusammenlaufenden Wänden 4 und den Befestigungsstrukturen 5 besteht bevorzugt aus einer aufgebondeten Siliziumstruktur. Weiterhin sind zwei Referenzflächen 6 und 7 vorgesehen. Die Referenzflächen 6 und 7 entsprechen in ihrer Größe und ihrer Form den photosensitiven Flächen 2 und 3. Die Referenzfläche 6 ist in derartigem Abstand von der geometrischen Struktur 4 angeordnet, daß diese in jedem Fall unbeschattet ist. Die Referenzfläche 6 ist also die Referenzflächen "Intensität". Die Referenzfläche 7 liegt, wie durch den Pfeil 8 angedeutet, unterhalb der Struktur 5 und ist daher vollständig abgeschattet. Es handelt sich daher um die Referenzfläche „Dunkelstrom". In den Eckbereichen des Sensorhalbleiterbauelements sind weiterhin einige Bondpads 10 angeordnet.

In 2 ist ein Sonnensensor dargestellt, der ein Gehäuse 11 und eine Abdeckung 12 aufweist, die über dem Sensorhalbleiterbauelement 1 angeordnet ist. Das Sensorhalbleiterbauelement 1 ist auf einem Träger 13, insbesondere einer Leiterplatte montiert. Die Leiterplatte ist bevorzugt plan ausgebildet. Vom Sensorhalbleiterbauelement 1 sind Leiterbahnen 14 nach unten geführt. Die vordere Seite 15 des Gehäuses 11 ist die in Fahrtrichtung gerichtete Seite. Der Sonnensensor ist insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen zur Steuerung einer Mehrzonen-Klimaanlage vorgesehen.


Anspruch[de]
Sensorhalbleiterbauelement zur richtungssensitiven und höhensensitiven Erfassung einer optischen Strahlungsquelle, insbesondere für Sonnensensoren zur Steuerung von Klimaanlagen, mit mindestens zwei in dem Sensorhalbleiterbauelement (1) angeordneten photosensitiven Flächen (2, 3) dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Sensorhalbleiterbauelement (1) eine geometrische Struktur (4) angeordnet ist, die geeignet ist, in Abhängigkeit von der Position der Strahlungsquelle mindestens eine photosensitive Fläche (2, 3) mindestens partiell zu beschatten, so daß ein vom Stand der Strahlungsquelle abhängiger Stromfluß in den photosensitiven Flächen (2, 3) erzeugt wird. Sensorhalbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorhalbleiterbauelement (1) ein integriertes opto-elektronisches Bauelement ist. Sensorhalbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die photosensitiven Flächen (2, 3) des Sensorhalbleiterbauelements (1) in einer Ebene angeordnet sind. Sensorhalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Struktur (4) benachbart zu zwei photosensitiven Flächen (2, 3) angeordnet ist. Sensorhalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Struktur (4) zwischen zwei photosensitiven Flächen (2, 3) angeordnet ist. Sensorhalbleiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Struktur (4) zwischen drei, vier oder mehr photosenstitiven Flächen (2, 3) angeordnet ist. Sensorhalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die photosensitiven Flächen (2, 3) als sich zu einem Vollkreis ergänzende Kreisausschnitte ausgebildet sind. Sensorhalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die photosensitiven Flächen (2, 3) als sich zu einem Rechteck, insbesondere Quadrat, ergänzende Flächen ausgebildet sind. Sensorhalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Struktur (4) als Wand ausgebildet ist. Sensorhalbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Wand mindestens 70% bevorzugt 100% oder mehr der Ausdehnung der photosensitiven Flächen (2, 3) beträgt. Sensorhalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Wand (4) höchstens 1/10 bevorzugt etwa 1/20 der Höhe der Wand (4) aufweist. Sensorhalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (4) mindestens genauso lang wie hoch ist. Sensorhalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand mindestens genauso lang wie eine benachbarte photosensitive Fläche (2, 3) ist. Sensorhalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (4) separat hergestellt und anschließend auf das Sensorhalbleiterbauelement (1) aufgebracht ist. Sensorhalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand direkt auf dem Sensorhalbleiterbauelement (1) hergestellt ist. Sonnensensor mit einem Gehäuse (11) und einer Abdeckung (12) und einem Sensor,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Sensor als Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.






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