Optoelektronische Sensoren für UV- bis IR-Licht

Bild 1: Integrierte Farbfilter im RGB-Sensor VEML6040 ermöglichen eine selektive spektrale Empfindlichkeit. Vishay

Optoelektronische Bauelemente aus Silizium-Halbleitermaterial sind empfindlich für Licht im Wellenlängenbereich von 300 bis 1100 nm, erfassen also den Bereich von ultraviolettem (UV) über sichtbares Licht bis hin zu naher Infrarotstrahlung (IR). Durch den photoelektrischen Effekt werden bei Lichteinfall bewegliche Ladungsträgerpaare im Halbleiterkristall erzeugt, sodass Silizium als Photodetektor genutzt werden kann. Der messbare Photostrom ist in erster Näherung proportional zur spektralen Empfindlichkeit und der Fläche des Detektors sowie zur Intensität und spektralen Charakteristik des einfallenden Lichts.

Auf der Bauelementseite ermöglicht die monolithische Integration von Photodetektoren und Verstärkerschaltungen in CMOS-Technologie kleine Produktabmessungen und hohe Anwenderfreundlichkeit durch Ansteuerbarkeit über digitale Busse und hohe Dynamikbereiche durch wählbare Verstärkungsstufen. Die spektrale Empfindlichkeit des Detektors ist zunächst gegeben durch die spektrale Empfindlichkeit von Silizium und den verwendeten CMOS-Herstellungsprozess.

Der Einsatz von optischen Filtern verändert die spektrale Empfindlichkeit des Bauelements. Sie können Bandpasscharakter ausweisen und beispielsweise für Umgebungslichtsensoren an die menschliche Augenempfindlichkeit oder Tageslichtfilter angepasst sein, die nur nahes Infrarotlicht passieren lassen. Die optischen Filter können beispielsweise als Farbstoffe im Vergussmaterial des Gehäuses eingebaut sein oder als Interferenzfilter vor dem Bauelement oder direkt auf dem Silizium-Photodetektor aufgebracht sein. Auch Kombinationen sind dabei möglich. Die Auswahl erfolgt im Hinblick auf die Produktanforderung, Verfügbarkeit des Filterstoffs und Kosten.

Gleichung 1 Vishay

Bei der patentierten Filtron-Technologie von Vishay Semiconductor handelt es sich um einen Fabry-Perot-Interferenzfilter, der direkt auf dem Photodetektor in Dünnschichttechnologie aufgebracht wird. Dies geschieht auf Wafer-Level im Anschluss an den CMOS-Herstellungsprozess. Der Interferenzfilter besteht aus einer Kavität, die aus zwei halbdurchlässigen Spiegelschichten und einem Dielektrikum dazwischen aufgebaut ist (Bild 2a). Diese Anordnung transmittiert Licht, dessen Wellenlänge in erster Näherung die Gleichung 1 erfüllt, das heißt, es ergibt sich eine konstruktive Interferenz der beiden dargestellten Teilstrahlen [1].

Dabei sind n der Brechungsindex und t die Schichtdicke des Dielektrikums, m ist eine ganze positive Zahl und λ0 die Wellenlänge des einfallenden Lichts. Dies entspricht einem Bandpass, dessen Transmission T(λ) durch Gleichung 2 gegeben ist.

Gleichung 2 Vishay

Die Reflektivität R der Spiegel bestimmt die Breite des Bandpasses und wird für dünne metallische Schichten über die Schichtdicke eingestellt. Für ein gewähltes Materialsystem, beispielsweise dünne Spiegelschichten aus Silber und Siliziumnitrid als Dielektrikum, kann die Transmission des Filters über die Schichtdicken eingestellt werden (Bild 2b). Die spektrale Empfindlichkeit von Photodetektor mit Kavität ändert sich dementsprechend zu einem schmalbandigen Bandpass.

Der CMOS-Herstellungsprozess ermöglicht auch die Integration eines Detektorarrays aus mehreren Photodetektoren auf einem Chip. Bei der Kavitätenherstellung wird dann durch wiederholte Abscheidung und Strukturierung auf jeden Detektor ein eigener Bandpass aufgebracht.

Umgebungslichtsensoren

Umgebungslichtsensoren (Ambient Light Sensor, ALS) liefern Messdaten über die Helligkeit, um beispielsweise die Hintergrundbeleuchtung eines Displays zu regeln. Damit soll der Eindruck passend zur Umgebung nicht zu hell oder zu dunkel sein und darüber hinaus der Energieverbrauch reduziert werden.

Bild 2: (a) Transmission durch eine Fabry-Perot-Kavität mit Spiegelabstand t und Dielektrikum mit Brechungsindex n dazwischen, (b) Beispiel zur Transmission durch eine Kavität mit Siliziumnitrid zwischen dünnen Silberspiegeln und Sensitivität eines Silizium-Photodetektors ohne und mit dieser Kavität. Vishay

Helligkeit oder Dunkelheit sind menschliche Empfindungen, die über das Auge wahrgenommen werden. Die Rezeptoren im Auge sind empfindlich für sichtbares Licht (400 bis 700 nm) mit einem Maximum im grünen Bereich. Wird nun ein breitbandiger Photodetektor aus Silizium als Umgebungslichtsensor eingesetzt, so wird das Messergebnis deutlich von der spektralen Charakteristik des zu detektierenden Umgebungslichts abhängen. Beispielsweise wird eine Glühlampe oder Sonnenlicht mit hohem Infrarotanteil (>700 nm) mehr Signalpegel hervorrufen als eine weiße LED (450 bis 700 nm) bei gleicher Beleuchtungsstärke. Die Filtron-Technologie ermöglicht nun die Anpassung der Sensorempfindlichkeit, indem ein Bandpass analog zur Augenempfindlichkeitskurve hergestellt wird. Abweichungen für verschiedene Lichtquellen werden damit auf ±15 % minimiert.

Der Umgebungslichtsensor VEML6030 hat über den Umgebungslichtkanal hinaus noch einen breitbandigen Weiß-Empfangskanal (Bild 3), der zusätzliche Informationen zur Lichtquelle liefert und eine weitere Verbesserung der Genauigkeit ermöglicht. Beide Kanäle haben 16 Bit Auflösung und werden gleichzeitig gemessen. Das Bauelement wird über den I²C-Bus angesprochen, wobei auch Integrationszeiten und Verstärkungsfaktoren eingestellt werden können. Dies ermöglicht einen hohen Dynamikbereich des Sensors von vollem Sonnenlicht (etwa 100 klx) bis hinunter zu Mondlicht (etwa 0,01 lx), oder den Einsatz hinter gestalterischen Gehäuseelementen wie abgedunkelten Sichtblenden, die das Bauelement verstecken, aber auch das eintreffende Licht dämpfen.

Neben der Anwendung zur Steuerung der Hintergrundbeleuchtung von Fernsehern, Monitoren oder Displays in Mobilgeräten kommt der VEML6030 bei der Lichtsteuerung für Räume oder Industrieanwendungen zum Einsatz.

RGB-Farbsensor mit CIE1931-Empfindlichkeitskurven

Bild 3: Spektrale Empfindlichkeiten verschiedener Sensorkanäle mit Filtron-Technologie. Einen entsprechenden RBG-Sensor zeigt Bild 1. Vishay

Ein Farbsensor mit Rot-, Grün- und Blaukanal nimmt neben der Beleuchtungsstärke weitere Teilbereiche des sichtbaren Lichts separat auf. Damit können Eigenschaften wie die Farbtemperatur (correlated color temperature, CCT) einer Lichtquelle ermittelt werden, die ein Maß für den Farbeindruck darstellt.

Der Farbsensor VEML6040 besitzt vier Kanäle für Rot, Grün, Blau und Weiß, die als 4×4-Pixalarray angeordnet sind (Bild 1). Die Farbfilter des Sensors sind in Filtron-Technologie realisiert und den Filtercharakteristiken der standardisierten Empfindlichkeitskurven der CIE1931 angenähert. Der grüne Kanal kann direkt als Umgebungslichtsensor verwendet werden. Alle vier Kanäle haben 16 Bit Auflösung und werden gleichzeitig gemessen. Auch hier erfolgen die Steuerung und das Auslesen über den I²C-Bus. Die Abmessungen dieses SMD-Bauteils betragen dabei lediglich 2 × 1,25 × 1 mm³ (L × B × H).

Mit der Farbinformation kann für Displays beispielsweise der Weißpunkt oder die Farbsättigung an die Umgebungslichtverhältnisse angepasst werden. Ferner lässt sich eine Farberkennung von Gegenständen durchführen, in dem diese beispielsweise mit breitbandigem Licht einer weißen LED beleuchtet werden und das reflektierte Licht anschließend mit dem Farbsensor analysiert wird. Im Lighting-Marksegment mit rein farbigen RGB-Beleuchtungsmitteln oder heterogenen Bestückungen aus RGB und weißen LEDs kann der Farbsensor in eine Regelschleife integriert werden, um Temperaturgänge und Alterungserscheinungen zu kompensieren [2].

Detektion von UV-A- und UV-B-Strahlung

Ultraviolettstrahlung (UV) ist kurzwelliger als das sichtbare Licht und kommt von der Sonne als natürliche Quelle auf der Erdoberfläche als Strahlung in Form von UV-A mit 380 bis 315 nm und UV-B mit 315 bis 280 nm an. Dieser Anteil des Sonnenlichtspektrums ist mit etwa 4,9 % für UV-A und etwa 0,1 % für UV-B relativ gering.

Bild 4: Der VEML6075 ist speziell für die Erfassung von UV-A- und UV-B-Spektren ausgelegt. Vishay

Die kurze Wellenlänge geht jedoch mit höherer Photonenenergie einher, die Hautschädigungen wie Sonnenbrand hervorruft. In Bezug auf die Sonnenbrandgefahr ist die UV-B-Strahlung deutlich gefährlicher als UV-A. Ferner wird UV-B durch die Ozonschicht gefiltert, während UV-A nahezu ungefiltert auf der Erdoberfläche ankommt. Deshalb hängt der Anteil der UV-B-Strahlung vom Sonnenstand und örtlichen Gegebenheiten wie Ozonschichtdicke ab.

Bei der Bestimmung des UV-Index, der die sonnenbrandwirksame Bestrahlungsstärke der Sonne beschreibt, müssen demnach UV-A und UV-B unterschiedlich gewichtet werden [3]. Dieser UV-Index ist eine international festgelegte Messgröße mit zwölf Stufen, die zur Vermeidung einer zu hohen Strahlendosis herangezogen werden kann.

Der UV-A+B-Sensor VEML6075 hat Photodetektoren für die Trennung von UV-A- und UV-B-Bereich (Bild 4) und weitere Kompensationskanäle, um Störgrößen durch die Anteile des sichtbaren Lichts und Infrarot-Bereiches zu bestimmen. Mit den Messergebnissen der einzelnen Kanäle kann der UV-Index berechnet werden [4]. Der Sensor findet Anwendung in tragbarer Elektronik, dem Wearables-Marktsegment, um Anwender rechtzeitig vor zu hoher Sonnendosis zu warnen oder an entsprechenden Schutz zu erinnern. Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Überwachung von UV-LED-Lichtquellen beispielsweise für industrielle Aushärteprozesse.

Demonstratoren für eine schnelle Inbetriebnahme

Mit der patentierten Filtron-Technologie werden optische Bandpässe auf CMOS-Photodetektoren realisiert. Die vorgestellten Sensoren stellen Kanäle für Licht von UV bis zum nahen Infrarot-Wellenlängenbereich zur Verfügung. Für alle genannten Sensoren bietet Vishay Demonstratoren an, die mit dem USB-Sensor-Starterkit einfach in Betrieb genommen werden können [5]. Vorbereitete Softwaremodule erlauben den Zugriff auf alle Einstellmöglichkeiten, um die Bauteile einfach in der eigenen Anwendung zu testen.

(jwa)