專利名稱：具有集成的溫度傳感器功能的光傳感器的制作方法
具有集成的溫度傳感器功能的光傳感器
背景技術：
燈和燈系統正越來越多地被基于發光二極管的燈和燈系統所取
代。基于LED的燈的主要優點在于，發光二極管具有顯著更高的效率 和長得多的使用壽命。此外，美感因素在許多應用中起到了主導作用。 在這里，由于基于LED的燈和燈系統提供了附加的設計選項，因此同 樣可以優選地使用基于LED的燈和燈系統。
發光二極管的最初的典型應用領域(比如信號燈)正在持續發展。 已經使用多個LED互連來替代較大的信號燈(比如交通信號燈)。此 外，在汽車領域中，發光二極管燈系統被用于倒車燈、停車燈和方向 指示器系統。在前燈中使用LED正處于實驗階段。
未來還將把LED燈使用在專業燈系統的領域中(專業市場)和消 費者領域中。在這些領域中，特別好的顏色質量以及根據用戶的期望 把燈顏色(或色溫)適配于不同條件的可能性都是特別重要的。但是 這又需要所述LED燈系統滿足某些技術前提。
通常來說，白光例如由幾種不同著色的發光二極管的組合產生。 原則上白光由例如紅色(R)、綠色(G)和藍色(B)發光二極管的顏 色混合生成。各單獨LED的光譜和亮度級受到控制，從而產生具有必 要的特性特征的所期望的光。因此，除了白光的亮度和色溫之外，例 如還可以通過借助于特殊信號僅僅控制發光二極管的非常特殊的組合 來設置不同顏色，以便例如僅僅生成紅色(R)或黃色光(作為G和B 的組合)。
這些設置可能性預示著對燈的各單獨LED的特定電子控制。此外， 傳感器電子裝置或傳感器邏輯是必要的，其檢測所述基于RGB的LED 燈的特性，以便把該信息傳送到所述控制電子裝置，所述控制電子裝 置于是可以操縱對所述LED的控制從而達到所期望的操作點。因此， 為了控制及設置LED燈的特性，電子調節是必要的。為此目的，可以 使用檢測燈的光譜和/或LED的溫度的光敏組件和/或溫度敏感元件， 以便基于其信號來操縱所述LED的屬性。
特別地，基于LED的燈系統的高溫導致光譜的顯著改變。在觀察
LED的光譜的典型溫度行為時，除了在該處出現輻射最大值的波長的改 變之外，可以確定的是該最大值的減小以及發光能力本身都是十分重 要的，并且導致對RGB (A)燈的總光譜的強烈影響。為了補償這一效 應，電子調節是必要的。
光電傳感器和/或溫度傳感器被使用在控制及設置基于RGB ( A )的 LED燈和燈系統的顏色或色溫以及亮度的已知方法中。除了特定光譜組 合的所期望的設置之外，所述傳感器還被用來隨著燈的老化和溫度波 動保持燈特性恒定，從而使得這些效應不會影響所述燈特性。為此目 的，由所述傳感器檢測及評估所述LED特性，以便隨后根據固定算法 來影響各單獨LED[RGB(A)]的控制電子裝置。通常來說，通過幅度和/ 或脈沖寬度調制來減小或增大所述LED的各單獨電流，從而使得所述 燈的光譜取得所期望的值。
所述已知控制方法的缺陷在于，僅僅可能實現對所述LED的相對 較不精確的溫度檢測。可以借助于所使用的光電傳感器測量的光譜也 被證明是成問題的。這可以歸咎于無法測量LED半導體組件的實際溫 度這一事實，這是由于所述LED以及所述光電傳感器和溫度傳感器的 空間上不同的設置而導致的。此外，所述光電傳感器被暴露于與將被 檢測的LED不同的另一溫度。這樣妨害了所述燈光譜隨著燈溫度的穩 定性。在觀察以不同緊密程度熱耦合到散熱器的RGB (A)燈的各單獨 組件(光電傳感器、溫度傳感器、LED)時，在所述散熱器與所述溫度 傳感器、光電傳感器和LED之間導致不同的熱轉變電阻(thermal transition resistance)。
發明內容
本發明希望解決上述問題。本發明的一個目的是提供一種具有降 低的溫度敏感性的光傳感器。根據本發明，該目的由權利要求1的特 征實現。
本發明提供一種光傳感器，其中光電傳感器與溫度傳感器之間的 溫度電阻被最小化，并且其允許更高程度的小型化。
在本發明的另一種形式中，利用MOS或CMOS技術來制造所述光傳 感器。利用該技術可以制造全部兩種傳感器類型(即光電傳感器和溫 度傳感器)。
在本發明的一個實施例中，所述溫度傳感器是基于半導體的熱電
元件(thermo-element )。這種所謂的熱敏電阻器是與溫度相關的多 晶體半導體電阻器，其具有負溫度系數(負溫度系數電阻器；NTC電阻 器)或正溫度系數(正溫度系數電阻器；PTC電阻器)。熱敏電阻器使 得精確的測量成為可能，并且可以按照成本有效的方式制造。
在本發明的另一個實施例中，所述溫度傳感器和光電傳感器被串 聯，其中所述溫度傳感器是具有PTC行為的熱電元件。這與適當尺寸 的熱電元件相組合允許獲得光電流關于溫度的恒定行為，其結果是可 以補償所述光電傳感器的溫度依賴性，
在本發明的另一種形式中，在所述光電傳感器與溫度傳感器之間 提供抽頭，該抽頭被設置成相對于外殼指向外部，以便檢測環境溫度。
可以在所迷光傳感器中附加地提供放大器元件。通過利用相同的 半導體技術(M0S或CMOS)來集成放大器元件，可以擴展所述組合式 光電-溫度傳感器的功能。所述放大器元件有利地是跨導轉換器。
在本發明的另一個實施例中，在所述放大器的輸出端后方附加地 提供信號濾波器模塊。借助于該信號濾波器模塊可以濾除HF開關信號 (LED通常由脈沖寬度調制(P西-脈沖寬度調制)驅動)，從而可以在 該輸出端處抽得高質量傳感器信號。該信號濾波器模塊優選地是低通 濾波器。
在另外的從屬權利要求中指出了本發明的其他形式和實施例。在 附圖中示出了本發明的一個實例，并且將在下面詳細描述。
在附圖中
圖1示出了具有集成的光電和溫度傳感器的光傳感器的原理的示 意性表示；
圖2示出了根據圖1的原理的示意性表示，其具有多傳感器設計； 圖3示出了具有受傳感器監督的LED燈的溫度轉變電阻的基本方 框圖，其中
a) 具有單獨的光電和溫度傳感器(現有技術)；
b) 具有被設置成緊鄰所述LED的集成的光電和溫度傳感器；
c) 具有被設置成與所述LED相距一定距離的集成的光電和溫度傳
感器；
圖4示出了根據圖1的光傳感器的原理的示意性表示，其在光電 傳感器與溫度傳感器之間具有抽頭以用于確定環境溫度；
圖5示出了根據圖1的光傳感器的原理的示意性表示，其具有對 光電流的集成放大；以及
圖6示出了根據圖5的光傳感器的原理的示意性表示，其具有附 加的濾波器功能。
具體實施例方式
被選擇為一個示例性實施例的光傳感器包括處在公共基板上并且 處在公共外殼中的至少一個光電傳感器1以及至少一個溫度傳感器2. M0S或CMOS技術本身是一種可能的半導體技術，這是因為所述兩種傳 感器類型(光電和溫度傳感器)都可以通過這些技術來制造。圖1示 出了組合光傳感器的原理。在基板上并且外殼內容納溫度傳感器2以 及光電傳感器1，從而使得該光電傳感器1與該溫度傳感器2之間的溫 度轉變電阻小到可以忽略.在圖1中示出了簡單的最簡解決方案。兩 個傳感器1、2都具有單獨可抽頭的接觸件3以用于光電二極管信號(通 常是光電流)以及用于溫度傳感器信息(通常是歐姆電阻值)。所述 光電傳感器l是覆蓋某一應用的整個光譜(例如可見光、UV、 IR等等) 的簡單的相對寬帶的傳感器，或者可替換的是僅僅檢測頻譜的較小的 各子部分的相對窄帶的傳感器。為了生成具有相應屬性的濾光器，本 領域技術人員已經知道足夠多的可能性。通常可以適當地使用濾色器 以及干涉濾光器，其被設置在所述光敏半導體結構的上方。
圖2示出了具有幾個光電傳感器1的解決方案，所述光電傳感器 分別被調諧到特定頻率范圍。在這里可以適當地使用三種基色RGB。對 應于人眼的敏感性的彩色傳感器具有特別的重要性。同樣可以設想被 調諧到這里沒有提到的頻率的其他光電傳感器設置和組合。此外，具 有相同光譜敏感性的多個光電二極管可以在空間上彼此分開并且同時 并聯連接，以便最小化光學失配并且增大光電流。原則上還可以使用 其他光敏元件(比如光電晶體管、太陽能電池、光敏電阻器等等)來
替換所示出的光電二極管。
基于半導體的熱電元件可以被適當地用作溫度傳感器2;其通常具
有正溫度系數，因此展現出PTC (正溫度系數)或PTC電阻器行為.使 用基于半導體的負溫度系數(NTC)電阻器同樣是可能的。但是，原則 上還可以使用被安裝在所述光電二極管的栽體基板上的NTC或PTC電 阻器(金屬層溫度傳感器)。
在圖3中示出了通過使用具有集成的光電和溫度傳感器的光傳感 器而獲得的基于LED的燈的方框圖。圖3b)涉及到其中所述光傳感器 被設置成緊鄰所述LED的情況。這樣做的優點在于可以很好地檢測所 述LED的溫度，并且在所述LED與(多個)傳感器之間僅有很小的溫 度轉變電阻(RT1)。但是利用該設置，在必要時所述光電傳感器1可 以僅僅檢測整個光譜的各部分。圖3c)示出了所述光傳感器被設置成 與所述LED相距一定距離的情況，其結果是在所述LED與(多個)傳 感器l、 2之間有較大的溫度轉變電阻(RT1)。但是這種設置的優點在 于該光傳感器的光電傳感器部分可以更好地捕獲所述光譜。
但是拋開所述光傳感器關于所述LED的設置，也可以很清楚地認 識到與圖3a)中示出的傳統的單獨傳感器解決方案相比的優點。取代 兩個不同的溫度轉變電阻(Rn和Rn),現在僅僅存在一個溫度轉變電 阻。這樣簡化了對所述燈的顏色控制，這是由于少了一個未知量，從 而可以生成更為精確并且更加快速的顏色調節。此外，可以精確地檢 測并且從而很容易補償所述光電傳感器1本身的溫度敏感性。結果， 所述傳感器數據更為精確，并且因此可以實施對所述(多個)單獨LED 的控制電子裝置的更加精確的顏色設置或校正。
此外還減少了組件的數目，從而導致更小的組裝和布線開銷，這 樣允許制造更小、更簡單并且因此更加經濟的基于LED的RGB(A)燈。
在根據圖1和2的實施例中，所述熱電元件2與所述光電傳感器1 串聯連接。由于所述半導體光電傳感器1的本征導電率隨著溫度而提 高(反向電流變得更大、前向電阻變得更小)，因此所述光電傳感器 展現出NTC行為，從而適當的串聯溫度補償元件是展現出PTC行為的 溫度補償元件。通過適當地確定在圖1和2中示出的所述設置中的熱 電元件的尺寸，可以實現所述光電流關于溫度的恒定行為，從而補償 了所述光電傳感器的總體溫度依賴性。
此外，存在使用所述光傳感器來檢測實際環境溫度的可能性，這 是通過在光電傳感器1與溫度傳感器2之間設置適當的抽頭3從而使
其(相對于外殼)指向外部而實現的。因此允許進行溫度補償。可以 使用大多數不同的連接組合(串聯、并聯連接以及幾個溫度傳感器的 混合電路)。
可以通過(利用相同的半導體技術，即M0S或CM0S)集成放大器 元件4來擴展組合在所述光傳感器中的所述光電和溫度傳感器的功能。 必須加強由于光入射而生成的通常極小的光電流，從而可以進一步處 理所述信號。為此目的，可以適當地使用具有相對較高的放大因數的 所謂的跨導轉換器，在專業文獻中已經對所述跨導轉換器做了足夠多 的描述。如果所述放大器4被設置成緊鄰所述光電傳感器1，則由于顯 著更短的傳導路徑而大大減少了亂真信號，從而該放大器4的操作具 有顯著更低的噪聲級以及顯著降低的敏感性。在圖5中示意性地示出 了這種擴展，
此外，可以在所述放大器的輸出端后方附加地放置信號濾波器模 塊5，從而濾除HF開關信號((多個)LED通常由PWM驅動)，并且 可以在該輸出端處抽得高質量傳感器信號。該高質量傳感器信號隨后 可以被直接提供到所述基于LED的RGB (A)燈的控制電子裝置。圖6 示出了相應的基本圖示。在專業文獻中已經描述了可以適當地被用作 低通濾波器的濾波器組件的大多數不同拓樸.
在另一個實施例中，除了操作電壓連接之外，上述放大器還可以 具有附加的端子，以便例如定義所述放大系數以及/或者最小和最大輸 出電壓。這是通過附加的組件(例如歐姆電阻器)進行的，所述附加 組件被附著到為此目的所提供的連接。可以按照相同的方式(通過歐 姆電阻器和/或電容器和/或電感器)修改所述低通濾波器的濾波器特 性。
權利要求
1、一種特別用于基于LED的燈的光傳感器，其包括至少一個光電傳感器(1)和溫度傳感器(2)，其中，光電傳感器(1)和溫度傳感器(2)被集成在公共外殼內的公共基板上。
2、 如權利要求l所述的光傳感器，其特征在于，所述光傳感器是 用M0S或CM0S技術制造的。
3、 如權利要求1或2所述的光傳感器，其特征在于，所述溫度傳感 器(2)是基于半導體的熱電元件。
4、 如任一條在前權利要求所述的光傳感器，其特征在于，所述溫 度傳感器(2 )和光電傳感器(1)被串聯連接，該溫度傳感器(2 )是 具有PCT行為的熱電元件。
5、 如任一條在前權利要求所述的光傳感器，其特征在于，在光電 傳感器(1 )與溫度傳感器(2 )之間提供抽頭(3 )，該抽頭被設置成 相對于所述外殼指向外部以便檢測環境溫度。
6、 如任一條在前權利要求所述的光傳感器，其特征在于，在所述 光傳感器中附加地提供放大器元件(4)。
7、 如權利要求6所迷的光傳感器，其特征在于，所述放大器元件 (4)是跨導轉換器。
8、 如權利要求6或7所述的光傳感器，其特征在于，在所述放大器 (4)的輸出端后方附加地提供信號濾波器模塊(5)。
9、 如權利要求8所迷的光傳感器，其特征在于，所述信號濾波器 模塊(5)是低通濾波器。
全文摘要
本發明涉及一種特別用于基于LED的燈的光傳感器。所述光傳感器包括至少一個光電傳感器(1)和溫度傳感器(2)。所述光電傳感器(1)和溫度傳感器(2)被集成在公共外殼內的公共基板上。
文檔編號G01J1/44GK101365929SQ200780002115
公開日2009年2月11日 申請日期2007年1月5日 優先權日2006年1月9日
發明者A·希爾格斯, B·阿克曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司