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TITELl AUTOMOTIVE 5-6.2008l17 © Carl Hanser Verlag, München www.hanser-automotive.de Nicht zur Verfügung im Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern 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. © automotive 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- © automotive
18lA UTOMOTIVE 5-6.2008l TITEL © Carl Hanser Verlag, München www.hanser-automotive.de Nicht zur Verfügung im Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern 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.
Seite 1: 16lA UTOMOTIVE 5-6.2008l TITEL © C

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