Anwendungsgebiete von Photosensoren sind unter anderem Stromsparlösungen bei adaptiven Hintergrundbeleuchtungen.

Anwendungsgebiete von Photosensoren sind unter anderem Stromsparlösungen bei adaptiven Hintergrundbeleuchtungen. Everlight Electronics

Die kontinuierlichen Verbesserungen hinsichtlich aktiver Sensorfläche und spektraler Empfindlichkeit der Photodioden eröffnen eine Vielzahl von neuen Anwendungen für IoT-Lösungen mit integrierter Stromversorgung, das heißt aus Sonnenenergie gewandelter elektrischer Energie, und miniaturisiertem mobilen Messsystem für eine höhere Unabhängigkeit von Labor-Messungen.

Umgebungslichtsensoren sind optoelektronische Bauelemente, wobei die in diesen Sensoren verwendeten Photodioden die Erzeugung von Photostrom durch physikalische Umwandlung von Licht in elektrische Energie ermöglichen. Die Energie der eingestrahlten Photonen E = h · ν bestimmt das photoelektrische Verhalten der Umgebungslichtsensoren, die aus Photodioden aus mehreren Schichten dotierten Siliziums bestehen. Die Filterschicht auf der Oberfläche der Photodioden begrenzt die spektrale Empfindlichkeit auf den Bereich, der der Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges entspricht. Die Vergütung der Sensorfläche sorgt zudem für eine Reduzierung von Interferenzen im Bereich des UV-Lichtes unterhalb von 400 nm und im Wellenlängenbereich des Infrarotlichtes oberhalb vom 650 nm, mit dem Ziel die Messgenauigkeit zu erhöhen.

EckDaten

Die Herzfrequenzmessung im Sport und im Fitnessbereich gewinnt immer mehr an Bedeutung. Mobile Messgeräte und Wearables messen dabei mithilfe von LEDs, Photodioden und Umgebungslichtsensoren den resultierenden Photostrom, aus dem sich die Herzfrequenz ableiten lässt.

Der Arbeitspunkt der Photodioden liegt im Sperrbetrieb, was zur Folge hat, dass die vom eingestrahlten Licht generierten Ladungsträger die Sperrschicht der Photodioden nur einmal durchlaufen. Der Vorteil des Betriebs im Sperrbereich ist der niedrige Dunkelstrom, beispielsweise ID = 2 nA bei UR = 5 V. Der niedrige Dunkelstrom sorgt für eine höhere dynamische Bandbreite bei der Hell-/Dunkelempfindlichkeit. Bei einer großen Sensorfläche sinkt die Fehlerrate bei wenig Licht und die Stromausbeute steigt.

Umgebungslichtsensoren im Überblick

Die Umgebungslichtsensoren (ALS – Ambient Light Sensors) im Sortiment von Everlight lassen sich unterteilen in Photodioden (PD), Photodioden mit integriertem Verstärker (PDIC) und Phototransistoren (PT). Ein Bauteil aus der Klasse der Photodioden ist die ALS-PD70-01C in SMD-Bauform mit flachem, transparentem Gehäuse. Der Photostrom bei einer Lichtintensität von EV = 100 Lux beträgt IL = 1,1 μA. Das Maximum der spektralen Empfindlichkeit liegt bei λp = 630 nm, bei erlaubten Betriebstemperaturen zwischen -40 °C und +85 °C. Anwendungsgebiete sind Stromsparlösungen bei der adaptiven Hintergrundbeleuchtung in Mobilgeräten wie Smartphones und PDAs.

Der ALS-PD50-42C eignet sich ideal für tragbare Geräte zur Herzfrequenzmessung im Sport- und Fitness-Bereich.

Der ALS-PD50-42C eignet sich ideal für tragbare Geräte zur Herzfrequenzmessung im Sport- und Fitness-Bereich. Everlight Electronics

Die Produktgruppe der Photodioden mit integriertem Verstärkerschaltkreis bildet bei diesem Hersteller die größte Gruppe mit mehr als 10 Bauelementen, wahlweise mit analogem Ausgang für den Photostrom oder digitaler I²C-Schnittstelle. Zu dieser Gruppe gehört der ALS-PDIC17-77C/TR8 mit einem linearen Verhalten an der Ausgangsseite über einen weiten Bereich der Strahlungsleistungsdichte für verschiedene Lichtquellen. Vorteil der Linearität in Bezug auf den Photostrom ist die Unabhängigkeit von der Lichtquelle in einem weiten Bereich von CIE-Normlicht Typ A mit 2.856 Kelvin, besser bekannt als Glühlampe, bis hin zu tageslichtähnlichen Leuchtstofflampen mit einer Farbtemperatur von 6.500 Kelvin. Im Vergleich zur Photodiode ohne integrierten Verstärker ist der Photostrom bei einer Norm-Lichtintensität von EV = 100 Lux um den Faktor 36 höher. Zur Erhöhung des Photostroms trägt neben dem integrierten Verstärker auch die Verschiebung der spektralen Empfindlichkeit hin zu kürzeren Wellenlängen bei.

Ein weiterer Vertreter aus dieser Produktgruppe ist der ALS-PDIC17-81B. Den wichtigsten Unterschied bildet die digitale Schnittstelle, die den I²C-Standard unterstützt, so dass sich die Messdaten über den Bus mit einer effektiven Auflösung von 20 Bit auslesen lassen. Die Diskretisierung der Strahlungsleistung erfolgt mit einer Genauigkeit von 0,04 Lux/count, was eine hohe dynamische Bandbreite von 0 Lux bis zu 10.500 kLux ermöglicht. Technisch setzt man diese hohen Werte durch die Integration einer zweiten Photodiode in dasselbe Gehäuse um, wobei man eine Photodiode vom Licht abschirmt und das von ihr gemessene Rauschen vom Signal der beleuchteten Photodiode subtrahiert. Neben der Erhöhung der dynamischen Bandbreite lässt sich so auch eine Flimmerunterdrückung für 50 oder 60 Hz umsetzen.

Die letzte Gruppe bilden die auf einem Phototransistor basierenden Umgebungslichtsensoren, wie zum Beispiel der ALS-PT17-51C/L177/TR8. Dieser preiswerte Sensor bietet eine gute Linearität über einem weiten Bereich der Strahlungsintensität, und aufgrund der spektralen Empfindlichkeit mit einem Maximum bei λp = 630 nm weist dieses Bauelement eine hohe Anhängigkeit beim Photostrom bei unterschiedlichen Lichtquellen auf.

Praktische Anwendung

Dank des zunehmenden Gesundheitsbewusstseins kümmern sich immer mehr Menschen im Rahmen ihrer täglichen Aktivitäten selbst um ihre Gesundheitsbelange. Hochentwickelte Technologie spielt daher auch in den Wachstumsmärkten Fitness und Wellness eine wichtige Rolle. Die derzeit innovativste und komfortabelste Messung der Pulsfrequenz erfolgt über innovative Sensoren. Basierend auf dem PPG-Prinzip (Photoplethysmographie) lässt sich die Herzfrequenz aufgrund der Veränderung des Photostroms bei der Transmission und Reflexion zwischen Grünlicht-LED und Sensor berechnen, um indirekt den systolischen und diastolischen Druck der Blutgefäße zu ermitteln.

Jeder Sensor repräsentiert eine Produktgruppe, die sich in der Gehäuseform, der Optik und spektralem Empfindlichkeit unterscheiden.

Jeder Sensor repräsentiert eine Produktgruppe, die sich in der Gehäuseform, der Optik und spektralem Empfindlichkeit unterscheiden. Everlight Electronics

Zur Durchführung der Messung platziert man nahe an der Hautoberfläche eine grüne LED mit einer Peak-Wellenlänge von 530 nm und einen Umgebungslichtsensor. Das grüne Licht durchdringt die Epidermis und wird von den Blutgefäßen reflektiert. Aufgrund des an- und abschwellenden Blutflusses variiert die Blutkonzentration in den Blutgefäßen, wobei der Anteil des reflektierten Lichtes ein Indikator für die Konzentration des Blutes ist. Der Blutfluss steht in direktem Zusammenhang mit dem Puls, da mit jedem Herzschlag der Blutfluss durch die Blutgefäße variiert. Damit lässt sich aus den zeitlich wiederkehrenden Maximalwerten des Photostroms die Pulsfrequenz bestimmen. Analysiert man den vollständigen zeitlichen Verlauf des Photostroms, kann man aus den Werten der ansteigenden Flanke auf den systolischen Druck schließen, da sich der Herzmuskel in diesem Bereich zusammenzieht und Blut in die Blutgefäße pumpt. Äquivalent lässt sich der diastolische Druck aus dem Photostrom nach einem Herzschlag bestimmen, wenn das Blut zurückfließt.

Mit einer großen Sensorfläche von bis zu 8,1 mm2 liefern die Umgebungslichtsensoren von Everlight eine gute und zuverlässige Signalqualität. Die überdurchschnittlich große Sensorfläche verbessert überdies die Genauigkeit bei Signalinterferenzen aufgrund von Hautfarbe, Tätowierungen und Behaarung. Dies sorgt bei mobilen Pulsmesstechnologien für eine genaue und verlässliche Erkennung, wovon vor allem Sportler profitieren, die sich auf präzise Wearables verlassen müssen.