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研究生:吳秉潞
研究生(外文):Ping-Lu Wu
論文名稱:類視覺反應之環境光感測元件之設計探討
論文名稱(外文):Studies on Human-Vision-Like Ambient Light Sensor Design
指導教授:林君明林君明引用關係
指導教授(外文):Jium-Ming Lin
學位類別:碩士
校院名稱:中華大學
系所名稱:機械與航太工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:65
中文關鍵詞:光二極體紅外線截止日視曲線
外文關鍵詞:PhotodiodeInfrared-cutoffPhotopic
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摘 要

1. 較佳之環境光感測器須有下列特性(1)如同日視視覺光譜響應(2)高感光度(3)寬的動態範圍(4)成本效益。此研究之目的為探討設計利用半導體製程與光學塗佈方法的環境光感測器之可行性。
2. 環境光感測器的研究包含光學探測器和信號處理電路。光學探測器為矽基材之光二極體,其可以充分地將信號處理電路整合在單晶矽基材之光電IC。
3. 矽光二極體之光譜響應範圍從紫外光到近紅外光區域,附加光學塗佈程序,如四分之一波段多層塗佈和濺鍍彩色濾光膜,用於改造光譜響應曲線。
4. 信號處理電路是一種電流放大器。高動態範圍和高增益為其特色,電流放大器可使室內與室外需求的條件互相結合。
5. 測試結果驗證了有效益的環境光感測器在設備水平的展現下可藉由以上所提到的論點來達成。
Abstract

1. A good ambient light sensor should have the characteristics of (1) photopic vision like spectral response, (2) high sensitivity, (3) wide dynamic range, and (4) being cost effective. The purpose of this research is to explore the feasibility of designing such an ambient light sensor using the available semiconductor process and optical coating techniques.
2. The ambient light sensor under research comprises an optical detector and a signal processing circuit. The optical detector is a silicon-based photodiode, which can be fully integrated with the signal processing circuit into a single silicon-based opto-electronic IC.
3. Since the spectral response of a silicon photodiode ranges from UV to NIR region, additional optical coating processes, such as quarter-wave multi-layer coating and color filter sputtering, are employed to reshape the spectral response curve.
4. The signal processing circuit is a current amplifier. Featuring high dynamic range and high gain, the current amplifier can meet both indoor and outdoor application requirements.
5. The test results demonstrate that a cost effective ambient light sensor with instrument-level performance can be achieved by using the design philosophy mentioned above.
目 錄
頁次
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
表目錄 Ⅴ
圖目錄 Ⅵ
第一章 研究目的與背景................................................................1.
第二章 原理與推導.......................................................................6.
2-1 視感度............................................................................6.
2-2 色彩原理.........................................................................9.
2-3 光吸收與光吸收係數.....................................................12.
2-4 二極體原理...................................................................15.
2-4-1 光二極體...........................................................15.
2-4-2 p-n接面太陽電池的基本元件特性.....................18.
2-5 干涉型截止濾光片之對稱膜堆......................................23.
第三章 進行方法與模擬..............................................................26.
3-1 創意之元件結構............................................................26.
3-2 模擬分析.......................................................................28.
3-3 最佳化結構與相似度.....................................................35.
第四章 實驗數據與結果..............................................................38.
第五章 環境光感測元件之系統整合............................................43.
第六章 結論................................................................................47.
第七章 未來展望........................................................................49.
第八章 附錄................................................................................51.
8-1 各種環境下的光強度變化程度......................................51.
8-2 資料庫建立...................................................................52.
8-3 皮耳森相關係數............................................................56.
8-4 The 1931 & 1976 CIE Chromaticity Diagram................57.
8-5 樺晶科技公司 製作之環境光感測IC數據表..................58.
參考文獻.......................................................................................64.















表目錄
頁次
表1-1 手機應用本元件所能的節省電池能源的調查效果。.............5.
表2-1 Spectral Luminous Efficiency for the Standard CIE Observer。..7.
表3-1 以日視曲線為標準之皮耳森相關係數(相似度)。…............37.
表3-2 最佳相似度之最終參數資料。...........................................37.
表4-1 波長為360nm~960nm 所量測出相對光譜響應感光度數據 (a)編號為G1~G5測試感測器元件之數據結果;(b)編號為G6~G10測試感測器元件之數據結果。............................40.
表4-2 比較ALS-avg.曲線與日視曲線之皮耳森相關係數。…....42.
表8-1 各種環境下的光強度變化程度。........................................51.
表8-2-1 說明資料庫參數建立的架構。........................................52.












圖目錄
頁次
圖1-1 明碁電通新平面電視之產品已開始採用環境光感測元件,據悉為HP之元件。................................................................2.
圖1-2 Purkinje phenomenon:V(λ)曲線為適應白日環境下之人眼視覺光譜,稱日視曲線(photopic efficacy, V(λ)),其感應峯值在555nm之綠光波長;S(λ)曲線為適應夜晚時,稱夜視曲線 [scotopic efficacy, S(λ)] 峯值藍移至510nm。PD曲線:矽感光元件特性;CdS曲線為傳統硫化鎘光譜特性。.....3.
圖2-1 標準CIE視感度曲線。.........................................................8.
圖2-2 人眼對三原色刺激值之感應強度。....................................10.
圖2-3 背光光源與彩色濾光片之分光特性圖。.............................10.
圖2-4 穿透式彩色濾光片之光譜(RGB Type)特性圖。..................11.
圖2-5 反射式彩色濾光片之光譜(CMY Type)特性圖。.................11.
圖2-6 半導體之中光產生電子-電洞對的形成。............................13.
圖2-7 一微長度之中的光吸收。...................................................14.
圖2-8 兩個吸收係數的光子強度對距離的圖形。.........................14.
圖2-9 數種半導體的吸收係數表示為波長的一個函數。...............15.
圖2-10 光二極體的構造圖及能階圖(a)無光之狀態;(b)入射光時之狀態;(c)開放電壓Vop及短路電流Ish。................................17.
圖2-11 光入射於光二極體時之動作特性曲線,向負方向移動因入射光而生的光電流量,A點為零偏壓的動作點,B點為逆偏壓時的動作點。....................................................................18.
圖2-12 表示矽p-n接面太陽電池的結構圖形。.............................18.
圖2-13 (a)就長的或短的波長光照下,電子-電洞對的產生率隨著自半導體表面的距離變化之關係;(b)太陽電池尺寸與副載體擴散距離;(c)假設為陡形掺雜輪廓的太陽電池。..................19.
圖2-14 對稱膜堆有交互為通道及截止帶變化的變化。................25.
圖3-1 測試感測器元件結構示意圖。...........................................26.
圖3-2 模擬IRC加上PD光譜,所得之結果為IRC+PD曲線。.......27.
圖3-3 模擬GF加上PD光譜,所得之結果為GF+PD曲線。..........28.
圖3-4 將ALS標準化形成ALS’,並與日視光譜曲線比較。...........29.
圖3-5 說明不同波長及厚度之矽晶濾光膜(PF)傳遞百分率。........30.
圖3-6 沈積矽晶濾光膜(PF)在PD外層上,因而改變原始之PD與ALS曲線。.......................................................................31.
圖3-7 改變矽晶濾光膜(PF)之厚度,其曲線峯值位移的變化。......32.
圖3-8 改變彩色濾光膜(GF)之厚度,其曲線的變化。....................33.
圖3-9 說明本創意之匹配結果的例子。(此例主要為對準峯值) ….34.
圖3-10 說明本創意之匹配結果的例子。(此例主要為對準波形兩側) ........................................................................................35.
圖3-11 本創意求得之最佳相似於日視曲線之曲線1102。……….36.
圖4-1 完成環境光感測元件之製作與封裝。.................................38.
圖4-2 不同尺寸大小之環境光感測元件。....................................38.
圖4-3 委託中山科學研究院量測之光譜響應感光度。(a)波長範圍設定在360nm~960nm;(b)波長範圍設定在400nm~800nm,以放大檢視波峰位置之變化。..........................................39.
圖4-4 將量測所得之十組光譜響應,加總後取平均並與日視曲線做比較。..............................................................................42.
圖5-1 A公司之B產品的結構示意圖。.........................................43.
圖5-2 A公司之B產品的實體外觀圖。(a)Metal can封裝方式; (b)不同需求之封裝。........................................................44.
圖5-3 A公司之B產品之光二極體及電流放大示意圖。................45.
圖5-4 A公司之B產品的交流電路量測架構示意圖。...................45.
圖5-5 A公司之B產品的應用示意圖。.........................................46.
圖8-2-1 概略說明所建立的資料庫參數。.....................................52.
圖8-2-2 TFCalc程式之物理系統模型。.......................................53.
圖8-2-3 TFCalc程式之環境參數視窗。.......................................54.
圖8-2-4 膜堆方程式之對話視窗。...............................................54.
圖8-2-5 說明前-表面膜層資料視窗。...........................................55.
圖8-2-6 得到所設計之紅外線截止光學鍍膜光譜圖。...................55.
圖8-4-1 The 1931 CIE Chromaticity Diagram............................57.
圖8-4-2 The 1976 CIE Chromaticity Diagram............................57.
參考文獻

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