präzise bestimmen - HANSER automotive

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16lA UTOMOTIVE

5-6.2008l TITEL

© Carl Hanser Verlag, München www.hanser-automotive.de Nicht zur Verfügung im Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern

Systeme zur Messung des Winkels des einfallenden

Lichts werden für viele Anwendungen in

Fahrzeugen benötigt. Als wichtigste und bekannteste

ist sicherlich die Steuerung von Klimaanlagen zu

nennen. Hier werden Sensoren zum Beispiel auf dem

Armaturenbrett hinter der Windschutzscheibe platziert,

um dort die Energie und den Winkel des einfallenden

Sonnenlichts zu bestimmen, und damit die Klimaanlage

optimal zu regeln.

Bisherige Sensoren für die Messung des Winkels des

einfallenden Lichts nutzen zwei (oder mehr) räumlich

versetzte und gedrehte Sensoren und errechnen den

PLANARER, OPTISCHER 2-ACHSEN

WINKEL- UND TEMPERATURSENSOR

Sonnenwinkel

präzise bestimmen

Die Winkelmessung der Sonne wird im Auto immer

wichtiger – die Klimaanlage wird anhand des Sonnenstandes

optimal geregelt und das Abblendlicht

bei Dunkelheit oder im Tunnel automatisch eingeschaltet.

Ein neuer Sensor der ELMOS Semiconductor

AG ermöglicht nun eine genaue Erfassung des

Sonnenwinkels bei sehr geringer Fläche.

Winkel des einfallenden Lichts aus mehreren Sensorsignalen.

Der dazu notwendige, dreidimensionale Aufbau

ist jedoch unbefriedigend. Während er auf dem

Armaturenbrett mehr einen optischen Störfaktor darstellt,

ist er für eine Anwendung im Spiegelfuß aufgrund

des dort sehr beschränkten Bauraums nur sehr schwierig

unterzubringen.

Der neue Sensor von ELMOS ist planar aufgebaut,

benötigt keine Optik, und kann zusammen mit der Auswerteschaltung

und weiterer Elektronik in einem

CMOS-Prozess integriert werden. Platziert man diesen

Sensor hinreichend nahe an der Oberfläche des Arma-


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turenbretts, so ist erstmals ein glatter

Übergang zwischen Sensor und Umgebung

möglich.

Sensorprinzip

Das Licht gelangt unmittelbar ohne

optische Bündelung oder andere

Beeinflussung auf die Oberfläche des

Sensors. Der Sensor wird in ein nur

4 x 4 mm 2 großes Gehäuse montiert.

Das Sensorprinzip beruht auf der Differenzmessung

des Fotostroms

zweier benachbarter Fotodioden

(Bild 1). Diese Fotodioden werden

durch eine über den Dioden platzierte

Schattenmaske abgedeckt oder

offen gelassen. Als Schattenmaske

wird eine der Metallisierungsebenen

des IC-Fertigungsprozeses verwendet.

Durch Verwendung einer Vielzahl von Diodenpaaren mit

einer geeignet versetzten Schattenmaske kann somit

prinzipiell eine beliebig feine Winkelmessung des einfallenden

Lichts erfolgen. Der hier vorgestellte Winkelsensor

verwendet jeweils 64 Diodenpaare in x- und y-Richtung.

Durch den sehr geringen Flächenbedarf und die

Planarität des Sensors ist es ohne weiteres möglich, ihn

z. B. auch in den Spiegelfuß eines Fahrzeugs zu montieren.

Funktionsprinzip und technische Daten

Der Winkelsensor besteht aus einer Vielzahl an Diodenpaaren,

die mit einer Schattenmaske teilweise abgedeckt

sind. Das IC enthält zur Erfassung der Messdaten

zwei Winkelsensoren in x- und y-Richtung sowie zwei

Fotodioden verschiedener spektraler Empfindlichkeit zur

Messung der Intensität. Die Maxima der spektralen

Empfindlichkeit liegen bei 550 nm und 650 nm. Letzteres

ist insbesondere für die Regelung von Klimaanlagen

von Interesse. Der sichtbare blaue Anteil des Lichtes

wird dagegen z. B. für das automatische Einschalten des

Abblendlichts benötigt.

Bild 2: Querschnitt durch ein Diodenpaar.

Bild 1: Sensorprinzip für verschiedene Einfallsrichtungen des Lichtes.

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Die Schattenmaske wird mit jedem Diodenpaar um ein

kleines Maß versetzt. Damit wandert die bestrahlte Fläche

auf den Diodenpaaren entlang der gesamten Diodenzeile

von der einen Diode eines Paares zur anderen.

Bei dem Diodenpaar, dessen Dioden beide den gleichen

Strom führen, ändert die Differenz der beiden Fotoströme

ihr Vorzeichen. Die Schattenmaske wird so berechnet,

dass jedes Diodenpaar seinen Umschlagpunkt für

einen anderen Einfallswinkel besitzt.

Bild 2 zeigt das Funktionsprinzip im Detail. Man erkennt

die Schattenmaske (schwarze Balken) und die beiden

Fotodioden. Die rot markierte Fläche zeigt das Gebiet

der Diode, das für den Einfallswinkel α ausgeleuchtet

ist. Nur für einen Winkel sind beide Flächen gleich. Bei

allen anderen Einfallswinkeln dominiert der Fotostrom

entweder der linken oder der rechten Diode. Der zu

messende Winkel des Lichts kann damit anhand der

Position dieses Diodenpaars ermittelt werden. Bei senkrecht

einfallendem Licht befindet sich der Umschlagspunkt

in der Mitte, bei Lichteinfall von links wandert dieser

Ort nach rechts und umgekehrt. Die Anzahl der Diodenpaare

bestimmt die Winkelauflösung des Sensors.

Der Sensor wurde für eine Winkelauflösung

von ca. 3° konzipiert, entsprechend

wurden 64 Diodenpaare implementiert.

Die Schattenmaske wurde auf einen

erfassbaren Winkelbereich von 10° bis

170° ausgelegt.

Die Auswertung der Differenz der beiden

Dioden eines Paars kann am einfachsten

durch eine Reihenschaltung der Dioden

erfolgen. Diejenige Fotodiode, deren

Fotostrom überwiegt, zieht die Leitung

zum Komparator eindeutig zur Versorgungsspannung

oder nach Masse.

Die Ausdehnung des Sensors in Querrichtung

ist beliebig. Zu große Ausdehnung

in y-Richtung kostet unnötig Platz

und zu kleine Strukturen erzeugen Emp-

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Bild 3: Fahrzeugmessung X-,Y-Winkel und Intensität über eine

360°-Kurvenfahrt.

findlichkeiten hinsichtlich der unvermeidlichen Toleranzen.

Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Unempfindlichkeit

hinsichtlich möglicher Kratzer an der Oberfläche des

Sensors. Zu kleine Strukturen würden durch kleine Kratzer

zu stark beeinträchtigt. Das Sensorprinzip ist auch

gegen Kratzer robust. Ein Kratzer in Längsrichtung

beeinflusst alle Sensoren gleichmäßig und hat damit keinen

Einfluss, solange die Ausdehnung der Sensoren

quer zur Sensorrichtung größer ist als die Ausdehnung

des Kratzers. Ein Kerbe in Querrichtung kann lediglich

ein Pixel ausfallen lassen, das Gesamtergebnis der Winkelmessung

aber kaum beeinflussen.

Messung der Intensität

Die Messung der Intensität erfolgt linear über einen programmierbaren

Transimpedanzverstärker. Die Verstärkung

wird für beide spektralen Empfindlichkeiten über

die SPI-Schnittstelle programmiert. Die Ausgabe des

Intensitätssignals erfolgt über einen analogen Ausgang.

Der Fotostrom wird über den Rückkopplungswiderstand

in eine Spannung umgesetzt und über einen zweiten

Widerstand zurück in einen Strom. Das Widerstandsverhältnis

bestimmt damit die Verstärkung. Die Verstärkung

kann vom Anwender über mehr als zwei Dekaden

programmiert werden. Die Programmierung erfolgt über

die Anzahl der zugeschalteten Diodensegmente (32

Segmente) und über den Widerstand. Auf diese Weise

kann die Verstärkung auf 1% genau eingestellt werden.

Der Ausgangsstrom (max. ca. 1 mA)

kann direkt als Signal verwendet werden

oder nochmals durch einen externen

Widerstand wieder als Spannung

dargestellt werden. Letztere Möglichkeit

gibt dem Anwender die Freiheit die

Verstärkung z. B. für sehr schwache

Lichtverhältnisse weiter anzuheben.

Der Winkelsensor wurde im Labor bei

unterschiedlichen Beleuchtungsstärken,

Einfallswinkeln und Umgebungstemperaturen

verifiziert. Alle Ergebnisse

zeigen, dass das Messverfahren

einen weiten Dynamikbereich von ca. 6

Dekaden Intensität über einen Temperaturbereich

von –40 °C bis +105 °C

besitzt. Diese große Variabilität ist für

© automotive beide spektrale Empfindlichkeiten verfügbar.

Die Messungen wurde ergänzt

durch Test unter realen Tagesbedingungen.

Dazu gehören stationäre Tests („elektronische Sonnenuhr“)

wie auch Versuche im Fahrzeug. Der Sensor

wurde dazu an der Windschutzscheibe des Fahrzeuges

montiert. Die Messung erfolgte an einem sonnigen Tag

gegen 15:00 Uhr. Bild 3 zeigt den Verlauf des X- und Y-

Winkels während der Drehung des Fahrzeugs um die

Hochachse. Die y-Achse des Diagramms gibt den Winkel

in Grad wieder. Die Intensität wurde willkürlich normiert,

um anschaulich in diesem Diagramm dargestellt

zu werden. Die Minima der Intensität entsprechen

einem Lichteinfall von hinten, die Maxima stellen entsprechend

den Einfall des Sonnenlichts von vorn dar. Gut

erkennbar ist der zu erwartende sinusförmige Verlauf

der Winkelmessung.

Parameter min. typ. max. Einheit

Winkelbereich 10 170 °

Intensitätsbereich Winkelmessung 0,1 1000000 lx

Dynamik Intensitätsmessung 1 1000000 lx

Auflösung Winkelmessung 3 °

max. spekt. Empf. „blaue“ Fotodiode 550 nm

max. spekt. Empf. „rote“ Fotodiode 650 nm

Ausgangsstrom 1 mA

Genauigkeit Temperatursensor (@0 °C) -3 3 °C

TK Temperatursensor 10 mV/K

Temperaturbereich -40 105 °C

Tabelle 1: Übersicht der technischen Daten des Sensors.


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Gehäuse

Entscheidend für die Anwendung eines optischen Sensors ist

das Gehäuse. Das Gehäuse muss das IC gegen mechanischen

Stress und Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit schützen, gleichzeitig

braucht das Gehäuse ein Fenster oberhalb des Sensors

und es muss hinreichend flach sein, um einen weiten Winkelmessbereich

zu gewährleisten. Gerade der letzte Punkt führt

dazu, dass ein Glas (oder alternativ ein optischer Verguss) erforderlich

ist, um die Lichtstrahlen soweit zu brechen, dass auch

bei flachen Einfallswinkeln das Licht den Sensor noch erreicht.

Das Gehäuse hat eine Kantenlänge von 4 mm und ist nur 0,9

mm dick. Bild 4 zeigt das Gehäuse des optischen Winkelsensors.

Zusammenfassung

Der vorgestellte Sensor stellt ein

neuartiges Messprinzip zur Messung

des Einfallswinkels von

Lichtstrahlen dar. Der Sensor ist

planar aufgebaut und benötigt

keine Optik. Der Sensor detektiert

aus dem einfallenden Licht

Bild 4: Das Gehäuse

des Sonnenstandsensors.

die dominante Lichtquelle und

zeigt den Winkel zu dieser Lichtquelle

an. Durch die Differenzauswertung

der Fotoströme ist

der Winkelsensor robust gegen

Temperaturvariation und besitzt

einen großen Dynamikumfang

von ca. 5-6 Dekaden. Die Winkelauflösung

ist durch die Anzahl

der verwendeten Diodenpaare

gegeben. In dem hier vorgestellten

IC werden 2x64 Diodenpaare

verwendet. Davon werden real

52 Diodenpaare für jede Richtung

verwendet, die weiteren Diodenpaare

dienen der Kalibration des

Sensors.

Neben dem Winkelsensor enthält

das IC zwei Fotodioden mit

einem programmierbaren, linearem

Verstärker. Die Fotodioden

haben zwei verschiedene spektrale

Empfindlichkeiten (rot- und

blau-empfindlich). Ein präziser

Temperatursensor zur Temperaturkompensation

sowie zur Steu-

erung der weiteren Applikation über die Schnittstelle

erweitert die Einsatzmöglichkeiten dieses ICs. (oe)

Dr. Wolfram Budde war nach Abschluß

seines Elektrotechnik-Studiums 1985 und

seiner Promotion 1991 zunächst an den

Fraunhofer-Instituten für Mikroelektronische

Schaltungen und Systeme in Duisburg und

Dresden tätig. Seit 1998 ist er Mitarbeiter

der ELMOS Semiconductor AG und leitet

dort ein ASIC-Entwicklungsteam.

Elmos Semiconductor

@ www.elmos.de

System Architecture Rapid Prototyping ECU Autocoding HIL Testing ECU Calibration

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