[发明专利]一种用于光源方向检测的自供电单片集成数字传感器

说明书

技术领域

本发明属于光传感器技术领域，一种用于光源方向检测的自供电单片集成数字传感器。

背景技术

光源与检测设备之间的相对方向与运动状态检测在很多方面发挥重要作用。卫星等航天器中，许多需要检测到与太阳的相对方向以便确定卫星的姿态，并且据此调节太阳能帆板的角度以对准太阳进行高效率的发电。在太阳能电厂，太阳能照明、太阳能汽车等各种利用太阳能进行光伏发电的应用中都有同样的需要，这对提高发电效率意义重大，甚至在光源热源的探测、跟踪制导等领域也会有应用。而根据光源（或阴影）的变化规律可以得到光源（或传感器）的速度、方向等运动特征，其应用领域更加广泛。

目前进行入射光方向检测的方法有很多种，但都基于体积较大的板箱开缝结构和其它阴影结构，例如挡板、镜子和孔径等，而且这些方法为了让不同方向过来的光线照亮不同的光传感器，需要在光窗和光传感设备之间有一个相对较长的距离，这都需要采用专门的机械装置和光学装置来实现，有体积大，制作困难，可靠性不高等缺点。目前还没有看到利用集成电路微尺度结构实现的入射光方向检测器件。

在航空航天、野郊无人区、植入式医疗电子、安全检测等很多场合，受限于电源非常有限甚至难以获取等原因，总是希望可以设计出功耗尽量低的电路以便延长设备的服役周期，电路的超低功耗设计被认为是未来十年集成电路发展的重要方向。目前最具有吸引力的是能源收割（Energy Harvesting）技术，其基本思想是在电子设备的应用环境中获取能量，通过能量转换器转换为电能供给电路工作。能量收割和自供电设计属于比较新的研究领域，近几年的研究日益增多。能量收割的研究包括许多方面（机械能、热能、光能），但大都仅着眼于能量收割，没有和信号处理结合起来进行考虑，尤其是还没有看到在集成电路上实现的能源收割的研究，实际上结合超低功耗电路设计和低电压闭锁方法可以实现很多电路功能。自供电方面的研究大多数还是基于系统级的研究，也就是由包括能源收集(比如太阳能板)，信号处理电路、执行器等的系统。目前还没看到在单一芯片上实现的完全自供电的研究。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种用于光源方向检测的自供电单片集成数字传感器，实现了输出的数字信号来检测光源入射角度，具有自供电、小体积、高集成的特点。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于光源方向检测的自供电单片集成数字传感器，包括光感应单元模块和光方向角度检测模块；

所述的光感应单元模块包括设置在P型衬底上呈阵列排列的光电感应单元；每个光电感应单元包括遮挡墙和对称设置在其两侧的光电二极管；所述的光电二极管是由集成电路工艺中的P型材料与N型材料接触时形成的PN结构成的；

所述的光方向角度检测模块包括电流镜结构的Flash ADC电路，该Flash ADC电路包括输出数字信号的左侧电流镜和右侧电流镜；

所述的左侧电流镜包括左侧基准NMOS管和左侧比较NMOS管，左侧基准NMOS管的漏极与遮挡墙右侧基准光电二极管D_Rref相连接，左侧比较NMOS管的漏极与遮挡墙左侧的量化面积光电二极管相连接，栅极互联，源极接地；

所述的右侧电流镜包括右侧基准NMOS管和右侧比较NMOS管，右侧基准NMOS管的漏极与遮挡墙左侧基准光电二极管D_Lref相连接，右侧比较NMOS管的漏极与遮挡墙右侧的量化面积光电二极管相连接，栅极互联，源极接地；

所述的基准光电二极管为遮挡墙单侧预先设定面积的PN结光电二极管；量化面积光电二极管包括面积不同的多个PN结光电二极管。

所述的光感应单元中遮挡墙两侧的PN结光电二极管的尺寸相一致，当入射光照射在遮挡墙上产生阴影时，遮挡墙两侧的PN结光电二极管所能被光源照射的面积并不一样，所产生的电流也不相同。

所述的光电二极管是由P型衬底上的N阱、N阱的P+掺杂层形成的PN结光电二极管；

所述的遮挡墙为金属墙，是由集成电路工艺提供的金属层、金属接触孔和过孔堆叠而成。

所述的角度检测电路中左侧电流镜、右侧电流镜的数字输出与光线入射角度存在一定的映射关系，根据左侧电流镜、右侧电流镜输出的数字信号和角度的映射关系确定光线入射角度。

所述的数字信号与角度的映射关系先估算，再由实际检测数据最终标定，将其对应关系构建成数据库，以作为光源入射角度θ测量的依据；