- 照度感測元件的特性
- 照度感測元件的功能
- 照度感測元件的發(fā)展動向
- 偵測周圍環(huán)境的光量多寡，自動調(diào)整背光模阻的點燈狀況
- 與LSI直接連接，短起動時間與操作容易
根據(jù)國外業(yè)者統(tǒng)計資料顯示，全球照度感測元件潛在市場超過10億個，其中每年市場需求高達6億支移動電話是目前主要市場，除此之外，2008年出貨量預測將超過3000萬臺的液晶電視，以及車用儀表、顯示器、照明燈具都是適用對象，有鑑于此，本文將深入探討照度感測元件的應用與發(fā)展。
照度感測元件的特性
如圖2所示，照度感測元件具備感測夜間戶外只有（Lux；照度單位），乃至于晴天戶外亮度超過的特性，換句話說若能充分應用上述特性并作精密控制，理論上可以徹底解決各種電子設備因光源造成的影像不良等問題。例如照度感測元件可以隨時偵測周圍環(huán)境的光量多寡，自動調(diào)整背光模阻的點燈狀況，進而有效降低可攜式電子產(chǎn)品的電池消費電力（耗電量），同時延長通話與待機時間與電池的使用壽命（圖3（a））。
有關液晶電視的應用，主要是液晶顯示器的點燈時間越久消費電力就越大，相對的散熱處理與散熱風扇的噪音則變成非常棘手的問題，尤其是目前大型液晶電視的輝度大多超過時，在明亮室內(nèi)畫面非常的亮麗，不過在黑暗室內(nèi)卻會出現(xiàn)波紋現(xiàn)象，而且畫面太亮容易造成眼睛疲勞，黑暗色影像的黑色浮動現(xiàn)象非常明顯，影像對比則大幅降低。由于一般液晶電視是根據(jù)各畫素的液晶穿透率，調(diào)整背光模組的光線達成灰階化顯示目的，然而過多的背光模組光量卻有漏光之虞，如果利用照度感測元件偵測液晶電視視聽環(huán)境的亮度，依此調(diào)整背光模組的輝度，除了影像黑色浮動之外，灰階數(shù)相同的條件下還可以縮小亮度的動態(tài)范圍（dynamicrange），進而提高黑色影像表現(xiàn)能力（圖3（b）），并降低最大輝度解除影像太亮的困擾，這意味著觀賞液晶電視時，消費者不會受到視聽環(huán)境的影響，隨時可以獲得細膩的影像。
[page]
[page]照度感測元件的功能
如圖4所示，照度感測元件是利用材料制成，基本上照度感測元件可以分成三大類:
?光電晶體（PhotoTransistor）。
?光二極管（PhotoDiode）。
?內(nèi)建增幅電路光二極管（以下簡稱為PhotoIC）。
由于光電晶體的價格是光學二極管的3/4，PhotoIC的1/2左右，所以光電晶體主要是應用在要求低元件成本等領域。光電晶體利用光照射產(chǎn)生的光電流，在黑暗室內(nèi)大約是數(shù)十，明亮室內(nèi)則超過，不需利用增幅電路就可以輸出光電流，缺點是它的感測溫度變動非常大，例如某些光電晶體，的輸出電流是的2倍左右。
光二極管則是感測溫度特性的改良品，它的實際應用環(huán)境下的感測溫度分佈低于，缺點是光電流卻光學電晶體低三位數(shù)，所以必需利用增幅電路就才能輸出光電流；至于PhotoIC主要是應用在簡易照度感測設備等領域。
如上所述光二極管必需利用增幅電路，才能輸出與光電晶體同等的光電流，由于增幅電路的成本，使得光二極管的價格比光電晶體高2倍左右，不過它的輸出光電流非常大，而且感度的溫度依存性很低，所以主要是應用在高階照度感測設備等領域。2004年松下發(fā)表的新世代光二極管，它的感度溫度變化低于，時的輸出光電流更高達。
上述三種照度感測元件不論分光特性、形狀，以及與電路的整合性都各具特色，因此一般認為照度感測元件未來勢必朝下列方向發(fā)展:
①分光特性接近人眼對光線的感受。
②可隨意設置超小型外型封裝。
③可與LSI直接連接，短起動時間與操作容易。
由于廠商對分光特性非常重視，因此分光特性的開發(fā)競爭也最激烈。如表1所示目前商品化的照度感測元件，它的分光特性峰值大約是，相當接近人眼的視感度峰值，不過似乎還無法滿足市場的需求，主要理由是隨著螢光燈、白熱燈、太陽光等光源的不同，輸出光電流會出現(xiàn)極大差異，例如白熱燈的輸出光電流是螢光燈的倍，加上顯示器的輝度與人眼感受的亮度有差異，因此在不同環(huán)境下經(jīng)常因為光源的差異無法獲得預期效果。造成上述現(xiàn)象主要原因是各光源的發(fā)光頻譜差異極大，加上照度感測元件具備人眼無法感測紫外光與紅外光的感度，因此德國OSRAM推出具備適合人眼視感度，而且分光特性峰值含蓋短波長到長波長范圍的照度感測元件；OSRAM表示，光源造成該元件的輸出電流差異可望低于以下（圖5）。
[page]照度感測元件的發(fā)展動向
如圖6所示，分光特性可透過照度感測元件結構上的改良獲得調(diào)整，基本上它是改變的接合位置（吸光產(chǎn)生電力），同時配合分光特性的峰值利用光學濾光片（filter）去除紫外光與紅外光。新日本無線根據(jù)上述動作原理進行分光特性最佳化設計，再以光罩（mask）遮斷從光二極管側面入射的光線，藉此捨棄光學濾光片傳統(tǒng)結構；德國OSRAM則採用新材質(zhì)與新結構，未使用傳統(tǒng)的改善對策，大幅提升照度感測元件的分光特性。
有關照度感測元件外形封裝小型化，傳統(tǒng)的PhotoIC由于額外設置增幅電路，容易造成晶片尺寸變大，此處若能充分利用增幅電路，理論上可以縮小光二極管與晶片尺寸。具體方法是提高增幅電路的等化值，藉此使光二極管與增幅電路的等化逆數(shù)呈一定比例縮小面積。圖7是日本東芝依此改良上述結構，并使用小型封裝技術，制成外形尺寸與光電晶體與光二極管同等級，大小只有的PhotoIC。
有關封裝薄形化的發(fā)展，以TDK與半導體能源研究所共同開發(fā)的照度感測元件為例，它是採用塑膠材料當作基板，開發(fā)厚度只有與「0402size」、「0603size」等被動元件同等級的照度感測元件；相較之下傳統(tǒng)玻璃基板的照度感測元件卻高達（圖8），該公司也在開發(fā)內(nèi)建可以使光電流增幅100倍增幅電路的PhotoIC，外形尺寸則與「2015size」同等級（圖8（b））。
[page]有關照度感測元件的操作性，除了在PhotoIC內(nèi)部制作積體電路之外，各廠商非常重視利用數(shù)位信號輸出照度大小的改善。主要原因是照度感測元件大多是類比輸出，加上輸出電流幾乎與照度成比例，因此輸出電流會因檢測照度出現(xiàn)六位數(shù)的差異，這意味著精密控制光源的輸出，必需設置可以承接大電流變化的專用電路，然而實際上專用電路會引發(fā)制作成本暴增等嚴重后果，所以無專用電路又可以輕易取得的照度感測元件，成為各廠商競相開發(fā)的目標。
圖9是濱松光電（photonics）的新型照度感測元件，該元件可以將照度大小轉換成脈沖振盪頻率形式的輸出信號，該公司同時推出可以改變脈沖寬度，而且可以直接與微處理器連接的照度感測元件；OSRAM推出可以輸出對數(shù)顯示光電流，而且操作非常方便的照度感測元件，該元件計劃應用在汽車儀表等領域；東芝則開發(fā)起動時間縮短至1/5的新型照度感測元件。
由于照度感測元件受光時會消耗電力，因此利用電池驅動的電子設備，尤其是可攜式電子產(chǎn)品為抑制電池的消耗電力，所以大多採用間斷式驅動照度感測元件，然而照度感測元件的電源電壓頻繁的ON/OFF動作，對PhotoIC而言起動時間最少需要，這段期間卻形成所謂的「電力損失」，因此東芝公司針對上述問題，常時對增幅電路施加電壓，同時在增幅電路后段設置切換電路（圖10），試圖藉此電路縮短起動時間并降低消耗電力，根據(jù)測試結果顯示消耗電力是傳統(tǒng)元件一半以下。
以上介紹照度感測元件的技術發(fā)展態(tài)勢。由于行動電話與液晶電視的普及化，追求更高的影像畫質(zhì)同時降低液晶顯示器的耗電量，已經(jīng)成為相關業(yè)者必需克服的課題。
最近幾年照度感測元件（photosensordevice）技術上的進步，利用分光特性接近人眼視感度度的照度感測元件，可以有效解決上述問題。此外，根據(jù)統(tǒng)計資料顯示，全球照度感測元件潛在市場超過10億個，這包含6億支移動電話與接近近千萬臺的液晶電視，以及車用儀表、顯示器、照明燈具都是適用對象。期盼藉由本文的介紹，提醒業(yè)者降低液晶顯示器制作成本的同時，提高影像品質(zhì)等產(chǎn)品區(qū)隔化技巧也是不可忽略的一環(huán)。
