ES2400291B1

ES2400291B1 - Dispositivo sensor de cuadrante configurable

Info

Publication number: ES2400291B1
Application number: ES201131539A
Authority: ES
Inventors: José Ramón SENDRA SENDRA; Roberto ESPER-CHAÍN FALCÓN; Alfonso MEDINA ESCUELA; Jorge Emilio MONAGAS MARTÍN
Original assignee: Ingenieria Electronica Canaria S L; INGENIERIA ELECTRONICA CANARIA SL
Current assignee: Ingenieria Electronica Canaria S L; INGENIERIA ELECTRONICA CANARIA SL
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2031-09-23
Also published as: ES2400291A2; ES2400291R1

Abstract

Dispositivo sensor de cuadrante configurable (100) que comprende una matriz de fotodiodos elementales (131) que son asociados mediante una pluralidad de conmutadores electrónicos (120A, 130A) y que está configurado para componer una pluralidad de fotosensores que constituyen el sistema de detección, realizándose el centrado de los elementos sensores (101, 102, 103, 104) de forma digital, mediante la selección de los fotodiodos elementales (131) que constituyan cada uno de dichos elementos; en donde dicho dispositivo (100).

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo sensor de cuadrante configurable.

El propósito del dispositivo sensor de cuadrante configurable, objeto de la presente invención, es determinar pequeñas 5 desviaciones de la posición de un haz de láser incidente aunando una resolución del orden de los nanometros con un gran margen dinámico del orden de milímetros. En su aplicación, un haz láser, tras un proceso de colimado y reflexiones, incide sobre el dispositivo sensor, el cual comprende una pluralidad de foto-sensores. Tras un proceso de ajuste previo, se define una agrupación de fotosensores sobre los cuales el haz está centrado de tal forma que los elementos sensores detectan la misma señal. Cualquier pequeño movimiento del haz produce una variación de la 10 corriente en los elementos sensores y será detectada por la diferencia de corriente entre ellos, ante un movimiento mayor se produce una reagrupación de fotosensores para mantener el haz centrado.

En el dispositivo objeto de la invención queda constituido un sensor de cuadrante construido a partir de una matriz de fotodiodos elementales que serán asociados mediante conmutadores electrónicos. Mediante un control digital, el 15 dispositivo es configurable para componer los fotosensores que constituyen el conjunto. De esta manera, el centrado de los foto-sensores es realizable de forma digital, mediante la selección de los fotodiodos elementales de cada foto-sensor.

El sector de la técnica al que pertenece la presente invención es el de los dispositivos que consisten en una pluralidad 20 de componentes semiconductores o de otros componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común.

Estado de la técnica anterior.

Son conocidas distintas invenciones relacionadas con los sensores de cuadrante o quad-cell, o de modo más general 25 PSD (Position Sensitive Device). Estos dispositivos están configurados para detectar desviaciones de un haz de luz haciéndolo incidir sobre una estructura de cuatro fotodetectores estáticos colocados en cuadrante y monitorizando diferencias en la intensidad luminosa (extrapolada de la medición de una magnitud eléctrica relacionada) que llega a cada uno de ellos.

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El antecedente más cercano a la invención es el documento británico GB2447264. Este documento describe un detector sensible a la posición, que en uno de sus modos de realización se materializa en un sensor de cuadrante. La invención proporciona un detector de posición que se construye en base a una tecnología de circuitos integrados de silicio y que comprende una pluralidad de elementos sensibles individuales que comprenden un fotodiodo que proporciona una salida (esto es, una magnitud eléctrica) en respuesta a la luz incidente en el área. El detector es un detector de tipo 35 CMOS, que está constituido por un conjunto de diodos PN individuales, con los elementos de conmutación necesarios, en forma de transistores CMOS, para activar y desactivar los elementos individuales de acuerdo a las necesidades de la aplicación.

El documento de patente española ES 8392364 describe un diodo de cuadrantes construido en base a cuatro uniones 40 tipo PN sobre un sustrato de silicio, que se configura como un sensor de posición de acuerdo al principio conocido de detectar diferencias en una magnitud eléctrica detectada por cada área sensora individual. El dispositivo es del tipo conocido como de capa epitaxial n sobre la que se construyen áreas p para crear la unión. El dispositivo está recubierto por una capa transparente de óxido de silicio.

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En cuanto a la literatura científica, el documento titulado Linear and sensitive CMOS position-sensitive photodetector describe un dispositivo detector de posición construido a partir de un conjunto denso de fotodiodos CMOS individuales, conectados a líneas de corriente para las filas y columnas y a la circuitería MOS necesaria para dividir el conjunto en las cuatro áreas separadas que constituyen el sensor de cuadrante. El detector está pensado para su uso en exteriores, y con el fin de optimizarlo para dicho uso, el tamaño de los cuadrantes es variable eléctricamente (es decir, que “sigue” al 50 punto luminoso). El conjunto se implementa en tecnología CMOS de 1,25 µm.

No obstante, ninguno de los documentos localizados describe todas y cada una de las características técnicas reivindicadas en la presente invención y descritas a continuación.

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Explicación de la invención.

Para paliar los problemas arriba indicados se presenta el dispositivo sensor de cuadrante configurable, objeto de la presente invención, que comprende una matriz de fotodiodos elementales que son asociados mediante una pluralidad de conmutadores electrónicos y que está configurado para componer una pluralidad de fotosensores que constituyen el 60 sistema de detección, realizándose el centrado y ajuste de los elementos sensores de forma digital, mediante la selección de los fotodiodos elementales que constituyan cada uno de dichos elementos.

Esta selección es programada en una memoria estática, de tal forma que una vez programada, las señales digitales son apagadas, operando el dispositivo como un sensor puramente analógico. De esta forma se eliminan las interferencias que las señales digitales introducen en los sensores analógicos, lo cual supone un avance frente a todos los dispositivos que operan de forma digital.

5 Además, el dispositivo no solo permite variar el centrado del sensor sino ajustar el tamaño las áreas sensoras, eliminando de la medida líneas o columnas de sensores. Esto es otra innovación importante, porque permite descartar zonas que queden a oscuras y solo aportan ruido a la medida, o incluso descartar zonas donde hay reflejos (producidos por imperfecciones ópticas), que introducen errores en las medidas.

10

En un segundo aspecto de la invención, se reivindica un sistema de medida que comprende el dispositivo sensor descrito.

A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y 15 características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas.

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Breve descripción de los dibujos

FIG 1. muestra el diagrama general del sistema que emplea al dispositivo objeto de la presente invención.

FIG 2. muestra una vista esquematizada de la arquitectura general del dispositivo objeto de la presente invención.

FIG 3. muestra una vista en detalle de los elementos de conmutación horizontal. 25

FIG 4. muestra una vista en detalle de los elementos de conmutación vertical.

FIG 5. muestra una vista de un ejemplo de configuración del dispositivo objeto de la presente invención.

Exposición detallada de modos de realización y ejemplos

30

El objeto del dispositivo objeto de la presente invención es determinar pequeñas desviaciones de la posición de un haz láser incidente. El esquema general de la aplicación se muestra en la FIG.1, en el cual se muestra un haz láser 200, que tras un proceso de colimado y reflexiones 201 incide sobre el dispositivo sensor 100 objeto de la presente invención, y constituido en un ejemplo de aplicación por cuatro fotosensores (101,102,103,104). Tras un proceso de ajuste previo, se define una agrupación de fotosensores sobre los cuales el haz 200 está centrado de tal forma que los elementos 35 sensores (101,102,103,104) detecten la misma señal. Cualquier pequeño movimiento del haz producirá una variación de la corriente de los sensores y será detectada por la diferencia de corriente de estos.

El dispositivo 100 objeto de la presente invención se constituye, por tanto, en un sensor de cuadrante que comprende una matriz de fotodiodos elementales que son asociados mediante una pluralidad de conmutadores electrónicos. 40 Mediante un control digital, el dispositivo se configura para componer una pluralidad de fotosensores que constituyen el sistema de detección. De esta manera, el centrado de los elementos sensores (101,102,103,104) se realiza de forma digital, mediante la selección de los fotodiodos elementales que constituyan cada elemento.

La arquitectura de referencia se muestra en la FIG.2, la cual consiste en tres áreas principales: 45

(i) una primera área de configuración de columnas 110, en donde dicha área comprende una fila de n elementos de control de columnas 111, las cuales están conectadas en daisy chain; y donde de cada elemento de control de columnas 111 parten dos señales col_i_x y col_d_x (112,113), en donde x representa el número de elemento; y donde la señal col_i_x 112 indica que la corriente proveniente del sensor debe ser enviada a la izquierda o, dicho de otra 50 forma, que esta columna está asociada a un elemento sensor de la izquierda (101,103); y donde la señal col_d_x 113 indica que la columna está asociada al menos a un elemento sensor de la derecha (102,104); y donde la no activación de ninguna de las señales indica que la columna no está asociada a ningún elemento sensor, tal y como se muestra en la FIG.3;

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(ii) una segunda área de configuración de filas y conmutación vertical 120, que está configurada para decidir qué filas están activas mediante las señales row_en_y 121, y donde además está configurada para decidir si sus corrientes son encaminadas hacia arriba o hacia abajo; y donde la salida final comprende cuatro corrientes que son:

a. izquierda-arriba (i_arr, 122);

b. derecha-arriba (d_arr, 123); 60

c. izquierda-abajo (i_ab, 124);

d. derecha-abajo (d_ab, 125);

en donde cada una de las corrientes será la corriente total de cada uno de los sensores configurados en el dispositivo,

tal y como se muestra en la FIG.4;y

(iii) una tercera área sensora y de conmutación horizontal 130 que comprende una matriz de células, cada una de ellas asociada a un fotodiodo elemental 131; y donde en función de las señales de control de la columna, cada elemento (x,y) pude tomar tres acciones con la corriente medida en el fotodiodo 131 asociado: 5

a. si la fila está activada (row_en_y 121 activo) y la señal col_i_x 113 está activa, la corriente es enviada a la derecha, es decir, que sale por d_y 132;

b. si la fila está activada (row_en_y 121 activo) y la señal col_d_x 112 está activa, la corriente es enviada a la izquierda, es decir, que sale por i_y 133; y

c. si la fila no está activada (row_en_y 121 inactivo) o ninguno de los dos elementos de selección de columnas 10 col_i_x, col_d_x (112,113) está activa, la corriente del sensor es descartada.

Ejemplo de configuración

Un ejemplo de operación del conjunto se muestra en la FIG.5. En este ejemplo se supone que se dispone de una matriz 15 de 8x8 fotodiodos elementales 131 (filas 0 a 7 y columnas 0 a 7) y se construyen los cuatro sensores de tamaño 3x3 compuestos por:

1.- Sensor arriba_izquierda 101 y que comprende los fotodiodos elementales de las columnas dos, tres y cuatro, y las filas uno, dos y tres.

2.- Sensor arriba_derecha 102 y que comprende los fotodiodos de las columnas cinco, seis y siete y las filas 20 uno, dos y tres.

3.- Sensor abajo_izquierda 103 y que comprende los fotodiodos de las columnas dos, tres y cuatro, y las filas cuatro, cinco y seis.

4.- Sensor abajo_derecha 104 y que comprende los fotodiodos de las columnas cinco, seis y siete, así como las filas cuatro, cinco y seis. 25

En los elementos de conmutación, tanto vertical 120A como horizontal 130A, se muestra el sentido en el que se envía la corriente. Así, por ejemplo, en el elemento de la segunda fila y segunda columna, se envía la corriente hacia la izquierda. Sin embargo, el elemento de la segunda fila, columna cero, pese a que tiene activa la señal de enviar la corriente hacia la izquierda, dado que la señal row_en_0 está inactiva, la corriente del sensor es descartada. También 30 se aprecia como el elemento de conmutación vertical 120A de la fila cero tiene que enviar la corriente hacia arriba, aunque no está seleccionado y, por tanto, descarta la posible corriente que pueda llegar. Las filas 1, 2 y 3 envían la corriente hacia arriba y las filas 4, 5 y 6 hacia abajo.

Se ha implementado una realización práctica en la que el proceso de fabricación del dispositivo es el C35OPTO, que es 35 CMOS de 0,35 µm con tres niveles de metalización de ASM. Esta tecnología es una variante de la tecnología básica C35B3, a la cual se añade una capa extra de baño anti-reflectivo. Los fotodiodos son construidos con un área N+ sobre pozo N, actuando el sustrato P- como ánodo.

El dispositivo irá encapsulado en un DIL-28 y el diseño completo encaja en un área de 5 mm2 y, por tanto, tendrá un 40 lado limitado a 2236 µm. Los pads de interfaz de la biblioteca AMS IOLIB tienen una altura hasta el corte de 360 µm, lo que significa que el área sensora queda comprendida en un cuadrado de 1515 µm x 1515 µm, siendo el área sensora de aproximadamente 2,30 mm2. Esta área estará constituida por una matriz de 20 celdas sensoras de 75,8 µm x 75,8 µm. Como ha sido indicado, cada sensor incluye una cierta lógica de selección.

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Con el diseño se alcanza una corriente total de IT = 870 µA (láser de 3 mW, σ = 0,5 mm). El sensor centrado puede recibir hasta un máximo de 3,1 µA. El error máximo esperable entre cada uno de los cuadrantes es de ±14 µA, cuando la configuración del dispositivo está centrada en el haz 200. La fluctuación de corriente frente al movimiento del haz es de, aproximadamente, 400 nA/µm. La implementación descrita no excluye cualquier otra tecnología de fabricación, tamaño o tipo de encapsulado. 50

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Dispositivo sensor de cuadrante configurable (100) que comprende una matriz de fotodiodos elementales (131) que son asociados mediante una pluralidad de conmutadores electrónicos (120A,130A) y que está configurado para componer una pluralidad de fotosensores que constituyen el sistema de detección, realizándose el centrado de los 5 elementos sensores (101,102,103,104) de forma digital, mediante la selección de los fotodiodos elementales (131) que constituyan cada uno de dichos elementos; en donde dicho dispositivo (100) se caracteriza porque comprende

(i) una primera área de configuración de columnas (110), en donde dicha área comprende una fila de n elementos de control de columnas (111); y donde de cada elemento de control de columnas (111) parten dos señales col_i_x y 10 col_d_x (112,113), en donde x representa el número de elemento y el código i o d representa que la columna está asociada a un elemento sensor de la izquierda o de la derecha, respectivamente; y donde la no activación de ninguna de las señales indica que la columna no está asociada a ningún elemento sensor;

(ii) una segunda área de configuración de filas y conmutación vertical (120), que está configurada para decidir qué filas 15 están activas mediante las señales row_en_y (121), y donde además está configurada para decidir si sus corrientes son encaminadas hacia arriba o hacia abajo; y donde la salida final comprende cuatro corrientes que son: izquierda-arriba (i_arr, 122); derecha-arriba (d_arr, 123); izquierda-abajo (i_ab, 124); y derecha-abajo (d_ab, 125); y en donde cada una de las corrientes será la corriente total de cada uno de los fotodiodos elementales (131) configurados en el dispositivo; y

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(iii) una tercera área sensora y de conmutación horizontal (130) que comprende una matriz de células, cada una de ellas asociada a un fotodiodo elemental (131); y donde en función de las señales de control de la columna, cada elemento (x,y) pude tomar tres acciones con la corriente medida en el fotodiodo (131) asociado:

- si la fila está activada (row_en_y 121 activo) y la señal col_i_x (113) está activa, la corriente es enviada a la derecha, es decir, que sale por d_y (132); 25

- si la fila está activada (row_en_y 121 activo) y la señal col_d_x (112) está activa, la corriente es enviada a la izquierda, es decir, que sale por i_y (133); y

- si la fila no está activada (row_en_y 121 inactivo) o ninguno de los dos elementos de selección de columnas col_i_x, col_d_x (112,113) está activa, la corriente del sensor es descartada.

- 30

(iv) la señal producida por cada agrupación de fotodetectores es una corriente generada por la suma analógica de las corrientes de cada uno de sus fotodiodos elementales.
2.- Sistema de medida caracterizado porque comprende el dispositivo sensor de la reivindicación 1.

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