CN101036234A - 组合激光发射器和光检测接收器的封装 - Google Patents

组合激光发射器和光检测接收器的封装 Download PDF

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CN101036234A CNA2005800340407A CN200580034040A CN101036234A CN 101036234 A CN101036234 A CN 101036234A CN A2005800340407 A CNA2005800340407 A CN A2005800340407A CN 200580034040 A CN200580034040 A CN 200580034040A CN 101036234 A CN101036234 A CN 101036234A
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Abstract

反射式光传感器。用于检测物体存在的反射式光传感器可包括具有第一腔和第二腔的反射式传感器封装。所述第一和第二腔可并排位于所述传感器封装中。垂直腔表面发射激光器(VCSEL)可位于所述第一腔中,用于产生发射光。光接收器可位于所述第二腔中,并被配置为用以接收所产生的发射光中从该物体反射的至少一部分发射光,从而在反射的发射光大于阈值强度时,确定物体存在。所述光接收器可以是分流光电晶体管,以及可包括反向偏压保护特性。

Description

组合激光发射器和光检测接收器的封装
技术领域
本发明总的涉及光传感器。更具体地,本发明涉及用于检测物体是否存在的反射式光传感器。
背景技术
光传感器用在多种的应用中。光传感器特别有用的一种应用是检测物体是否存在。用于检测物体是否存在的两种类型的光传感器为中断式光传感器和反射式光传感器。
中断式光传感器包括位于待检测物体的相对两侧的光发射器和光接收器。当物体隔断在光发射器和光接收器之间的光链路时,表示存在物体。当光接收器接收到来自光发射器的光传输时,表示不存在物体。
反射式光传感器包括位于待检测物体的同一侧的光发射器和光接收器。当来自光发射器的发射光从物体的表面反射并由光接收器接收时,表示存在物体。
反射式光传感器在多个方面优于中断式光传感器。由于反射式光传感器的光发射器和光接收器位于单一封装内,所以反射式光传感器是有利的。单一封装可免除涉及到两个封装的中断式光传感器设计的附加螺丝、支架、包装和运输成本。此外,由于反射式光传感器可处于单一封装内,所以其尺寸相对较小,并且更适合于更多种不同的位置。此外,一般在制造期间就已经将反射式光传感器的光发射器和接收器配置好,而并非由用户现场配置,从而常常防止用户不适当的配置。
传统的反射式光传感器一般包括安装在传感器壳中的并排腔内的光发射二极管(“LED”)和光接收器(例如光电二极管或光电晶体管)。所述腔必须具有足够的深度,以防止当不存在物体时在LED和光接收器之间的不期望出现的干扰。尽管已经在多个应用中实施了这种典型的反射式光传感器,但是这种反射式光传感器还具有多种限制。
使用LED发射器的传统反射式光传感器的限制在于对从LED发出的光的聚焦效果,从而导致可检测物体的距离相对较短。LED还具有在与传统电灯泡类似的较宽角度的发射窗口,其投影较大未定义的角度范围。在某些应用中,这导致反射光的强度较低、干扰过多、分辨率较低、和检测物体是否存在的精度较低。
此外,使用典型的光电二极管和光电晶体管的传统反射式光传感器具有较低的对比度,从而在期望光照进行较小改变的情况下,这种传统反射式光传感器对于光照的改变并不敏感。典型的光电二极管和光电晶体管还可检测到某些较低亮级的光干扰,而错误地表示物体存在。此外,典型的光电二极管和光电晶体管可以在入射光强度和产生的光电流之间为基本线性的关系的状态下运行。结果,典型的光电二极管和光电晶体管可以在较低光级下产生干扰电流信号,而提供物体是否存在的较低的精度和潜在错误表示。
发明内容
本发明涉及反射式传感器。描述了一种用于检测物体存在的反射式光传感器。该反射式光传感器可包括具有第一腔和第二腔的反射式传感器封装,所述第一和第二腔可并排位于所述反射式传感器封装中。垂直腔表面发射激光器(VCSEL)可位于所述第一腔中,用于产生发射光。光接收器可位于所述第二腔中,并被配置为用以接收所产生的发射光中从该物体反射的至少一部分发射光,从而在反射的发射光大于阈值强度时,确定物体存在。
描述了一种反射式传感器。该反射式传感器可包括:传感器封装,其包括第一腔和与所述第一腔相邻的第二腔;激光器,位于所述第一腔中,用于产生发射光;和分流光电晶体管,位于所述第二腔中,用于接收从被检测的物体反射的发射光。
描述了一种用于检测物体存在的反射式光传感器。所述反射式传感器可包括:由弹性塑料构成的反射式传感器封装。所述反射式传感器封装可包括第一腔和第二腔。所述第二腔在所述反射式传感器封装中与所述第一腔相邻。VCSEL可位于所述第一腔中,用于产生发射光。包含反向偏压保护特性的分流光电晶体管可位于所述第二腔中,并被配置为用以接收所产生的发射光中从该物体反射的至少一部分发射光。所述分流光电晶体管可包含反向偏压保护特性。所述分流光电晶体管可包括:发射极;集电极;基极;二极管,包括阳极和阴极,所述阳极电连接至所述基极,所述阴极电连接至所述集电极;分流内部电阻,电连接在所述阳极和所述发射极之间,用于创建PN结关系,所述PN结关系被设置为与所述二极管和所述第一电阻呈并联的电关系;和反向偏压保护内部电阻,电连接在所述第一电阻和所述发射极之间。
附图说明
为了进一步阐述本发明的上述和其它优点和特点,将参照在附图中所示的本发明特定实施例来提供本发明的更具体的说明。应理解的是,这些附图仅描述本发明的典型实施例,因此不应认为是本发明范围的限制。将通过使用附图来更具体和详细的描述和说明本发明,其中:
图1示出根据本发明示例性实施例的用于检测物体是否存在的反射式传感器;
图2示出根据本发明示例性实施例的反射式传感器的侧面运行的剖视图;
图3示出根据本发明示例性实施例一方面的分流(shunt)光电晶体管的电子示意图;
图4示出根据本发明示例性实施例一方面的分流光电晶体管的电子示意图;
图5示出根据本发明示例性实施例一方面的与具有相似敏感性的标准光电晶体管相比的分流光电晶体管的光电流输出;
图6示出根据本发明示例性实施例一方面的具有反向偏压保护特性的分流光电晶体管的示意图;和
图7示出根据本发明示例性实施例一方面的具有反向偏压保护特性的分流光电晶体管的示意图。
具体实施方式
参照附图来描述本发明的原理,其中这些附图示出用于实施本发明的示例性实施例的结构和操作。以这种方式使用示图和描述来呈现本发明不应理解为对本发明范围的限制。根据说明书以及权利要求,本发明的附加特点和优点将部分地变得清楚,或者可通过本发明的实践而得知。
图1示出根据本发明示例性实施例的用于检测物体是否存在的反射式传感器100。如图所示,反射式传感器100包括反射式传感器封装110。反射式传感器封装110可包括位于并排位置的第一腔115和第二腔120。第一腔115可包括激光器125(例如,边沿发射激光器或垂直腔表面发射激光器(“VCSEL”)),用于产生发射光。第二腔120可包括光接收器130(例如,光电二极管或光电晶体管),用于接收从物体反射的部分发射光。
激光器125可位于第一电接触件135上方。激光器125可电连接至第一电接触件135和第二电接触件140。类似地,光接收器130可位于第三电接触件145上方,并且光接收器130可电连接至第三电接触件145和第四电接触件150。应理解的是,图1中所示的组件配置仅是一示例性实施例。在浏览过本说明书之后,对于所属领域的普通技术人员清楚的是,在本发明的范围内还包括其它组件配置。
例如,图2示出根据本发明示例性实施例的反射式传感器200,其包括处于相对腔中的激光器(在这里为VCSEL 225)和光接收器(在这里为光电晶体管230)。该反射式传感器200可包括由弹性塑料构成的封装210,具有第一腔215和第二腔220。VCSEL 225可位于第一电接触件235上的第一腔215中。VCSEL 225可通过电接引线电连接至第一接触件235和第二电接触件(图中未示出,例如,与图1中所述的接触件140类似)。类似地,光电晶体管230可位于第三电接触件245上的第二腔220中。光电晶体管230可电连接至第三电接触件245和第四电接触件(图中未示出,例如,与图1中所述的接触件150类似)。根据图2中所示的示例性实施例,第一腔215和第二腔220可由至少局部透明树脂材料250来填充,这种材料允许光从/至VCSEL 225和光晶体管230传输,同时对这些有源光器件和它们的电接引线提供保护。
在操作中,待检测的物体260位于反射式传感器200上方。物体260可以是任一物体,并且可以如箭头265所示穿过VCSEL 225的发射窗口,例如在自动柜员机(“ATM”)或打印机中的一张纸的情况。VCSEL 225在物体260的方向上产生发射光。至少部分的发射光从物体260的表面反射,并由光电晶体管230接收。在接收到反射光时,光电晶体管230产生光电流输出,该光电流输出可发送至与光电晶体管230电连接的第四电连接器。根据不同的应用,图2中所示的反射式传感器200可小到至少约3平方毫米或更大。
与传统的使用LED的反射式传感器相比,根据本发明的该示例性实施例使用VCSEL来产生发射光具有若干优点。例如,VCSEL发射更集中的光,这种光允许在反射式传感器和待检测物体之间具有更大的距离。VCSEL的集中的发射光也可导致由光电晶体管接收到更集中的光。这使得传感器可放置于通常不能使用LED的位置,例如与检测物体较远的距离或者处于脏乱或危险环境中。此外,VCSEL发射器的集中的发射光也可使得能够检测某种物体,该物体具有对LED的较不集中光不会提供充足反射的表面。
VCSEL还产生比LED更限定的发射光。通常,VCSEL产生角度约为20-30度的发射窗口的发射光。另一方面,LED创建的发射光不具有适当限定的发射窗口(例如,接近180度)。因此,VCSEL的发射光在VCSEL和光电晶体管之间产生的干扰较低。适当限定的VCSEL发射光也导致来自物体的更确定的反射,从而产生更高分辨率和物体的更精确检测。这种适当限定的VCSEL发射光还可在允许更大的方向性反射的特定角度方向产生,更具体地,适合于特定的应用或传感器和待检测物体之间的距离。
与传统的边沿反射激光器相比,在一些应用中,根据本发明实施例的使用VCSEL还具有特定优点。例如,VCSEL具有曲面法线发射光,并具有与易于对准并封装在本发明的示例性实施例的反射式传感器中的光电检测器相似的几何形状。VCSEL也可具有用于实现VCSEL的高密度阵列的低阈值电流,这对于实现传感器中的VCSEL或光电检测器阵列的本发明实施例的某些应用来说有利。VCSEL还具有圆形的和低发散输出波束,其可消除对于校正光的需求,并可实现低成本和可预测的对准。VCSEL还具有较低的温度敏感性和较低功耗的特点,具有允许根据本发明某些实施例的附加应用和配置的潜力。
根据本发明的另一示例性实施例,图2中所示的光电晶体管230可以是分流(shunt)光电晶体管。图3示出分流光电晶体管的示意图。分流光电晶体管是一种具有内部基极射极分流电阻的光电晶体管。分流光电晶体管包括第一电阻Rp。电阻Rp可以是内部电阻,其可通过在部分N导电型半导体材料中掺杂P+导电型材料区域来形成。
参照图4,示出另一分流光电晶体管的示意图。光电晶体管Q1包括基极、发射极和集电极。二极管D1由N导电类型材料和P+导电型材料之间的结形成,并且当在二极管D1上施加光时产生光电流S0。电阻Rp通过在部分N导电型半导体材料中掺杂P+导电型材料的第二区域来形成。在N导电型材料和P+导电型材料的第二区域之间的结关系(relationship)提供由二极管Dp表示的二极管关系,二极管Dp是由第一电阻Rp的结构形成的寄生二极管。
分流光电晶体管将标准光电晶体管的所有期望特点与低光级抑制特性的附加优点结合。当从物体反射的来自VCSEL的光增加至阈值(“曲线拐点”)以上时,发生光电晶体管切换。当光级超过分流光电晶体管的拐点时,分流光晶体管将用作标准光电晶体管。图5示出与具有相似敏感性的标准光电晶体管相比的示例性分流光电晶体管的光电流输出。图5示出对于一种示例性分流晶体管的光电流斜度的预定限度,所述示例性分流晶体管具有以拐点0.25mW/cm2为起点的斜度。示出对于高低增益和标准晶体管的光电流斜度进行比较。应该注意的是,对于相同增益的光电晶体管,斜度相同。
分流光电晶体管可具有不同的拐点和光电流斜度。光电流斜度的改变取决于由公式1所限定的光电流输出除以光照源的改变,公式如下:
IL Slope=[IL1(@H1)-IL2(@H2))]/[H1-H2]
(1)
其中:
IL Slope是以mA/mW/cm2为单位的光电流斜度;
IL是以mA为单位的光电流输出;和
H是以mW/cm2为单位的源强度。
拐点(例如,在该实例中发射源需要将IL增加50uA,但是却基于Rp值而改变)是光电晶体管电路设计的另一参数。在拐点处的变化补偿了内部保护带的光电流斜度限度,并且由公式2来限定对于电路设计的适当公式,公式2如下:
IL=IL slopemin*(HA-HKP)
(2)
其中:
IL是以mA为单位的光电流输出;
IL slopemin是关于光电流斜度的最小限度(即4.0mA/mW/cm2);
HA是入射到用于应用的检测器的光源;和
HKP是在典型拐点入射到检测器的预定级光源(例如,0.25mW/cm2)。
包含分流光电晶体管的本发明示例性实施例可特别适合于存在环境光或其它低级光情况的环境。分流光电晶体管还提供高对比率,这样可能出现不期望的背景反射或其它低级干扰。与LED相比,高对比率在与VCSEL的特别良好限定的发射光连接时特别有利,其在某实例中提供对于物体存在的几乎“数字”类型的响应。
根据本发明的另一示例性实施例,图2中所示的光电晶体管230可以是具有反向偏压保护特性的分流光电晶体管。图6中示出具有反向偏压保护特性的分流光电晶体管的示意图。如图所示,光电晶体管可配置有:第一电阻Rp,用作分流电阻;和第二电阻RN+,其用以保护器件以防止由反偏压情况所引起的损坏。
现在参照图7,示出具有反向偏压保护特性的分流光电晶体管的另一示意图。以参照图4的上述方式来配置第一电阻Rp。此外,第二电阻RN+还可连接在晶体管Q1的发射极E和寄生二极管Dp之间。寄生二极管Dp的存在创建了在晶体管Q1的发射极端子和集电极端子之间的电流路径,并且在跨接晶体管间的电压出现反向的情况下寄生二极管Dp可损坏装置。第二电阻RN+通过在寄生二极管所提供的该电流路径中设置电阻来防止这种损坏。
为了形成分流电阻Rp,通过将N导电型材料与P+导电型材料掺杂而创建PN结关系,从而可产生损坏。这种结关系创建寄生二极管,其提供在分流光电晶体管的发射极和集电极端子之间的电流路径。为了防止在反向电压连接期间可发生的损坏,将第二电阻RN+连接在晶体管Q1的发射极和第一电阻Rp之间。第二电阻RN+与用以形成第一电阻Rp的结构而导致的结关系串联,因此第二电阻RN+用于限制电流在反偏压条件下在分流晶体管的发射极和集电极端子之间流动。
通过防止由于穿过光电晶体管的集电极和发射极的反向电压而引起的损坏,包括具有反向偏压保护特性的分流光电晶体管的本发明示例性实施例可建立一种更坚固的传感器。
本发明可以以其它特定形式来实施,而没有脱离本发明的精神或实质特征。应认为所描述的实施例在各方面的仅是示例性的,而非限制性的。因此,本发明的范围由所附权利要求来表示,而并非由以上说明书表示。在权利要求等同物的含义和范围内的所有改变均包含在本发明的范围中。

Claims (18)

1.一种用于检测物体存在的反射式光传感器,包括:
反射式传感器封装,包括第一腔和第二腔,所述第一腔和第二腔并排位于所述反射式传感器封装内;
垂直腔表面发射激光器VCSEL,位于所述第一腔中,用于产生发射光;和
光接收器,位于所述第二腔中,并被配置为用以接收所产生的发射光中从该物体反射的至少一部分发射光,从而在反射的发射光大于阈值强度时,确定该物体存在。
2.如权利要求1所述的反射式光传感器,其中所述光接收器为光电晶体管。
3.如权利要求2所述的反射式光传感器,其中所述光电晶体管为分流光电晶体管。
4.如权利要求3所述的反射式光传感器,其中所述分流光电晶体管包括:
发射极;
集电极;
基极;
二极管,包括阳极和阴极,所述阳极电连接至所述基极,所述阴极电连接至所述集电极;和
第一电阻,电连接在所述阳极和所述发射极之间,用于创建PN结关系,所述PN结关系被设置为与所述二极管和所述第一电阻呈并联的电关系。
5.如权利要求2所述的反射式光传感器,其中所述光电晶体管包含在预定拐点的低光级抑制特性。
6.如权利要求2所述的反射式光传感器,其中所述光电晶体管具有预定光电流斜度。
7.如权利要求3所述的反射式光传感器,其中所述分流光电晶体管包含反向偏压保护特性。
8.如权利要求2所述的反射式光传感器,其中所述光电晶体管包括:
发射极;
集电极;
基极;
二极管,包括阳极和阴极,所述阳极电连接至所述基极,所述阴极电连接至所述集电极;
第一电阻,电连接在所述阳极和所述发射极之间,用于创建PN结关系,所述PN结关系被设置为与所述二极管和所述第一电阻呈并联的电关系;和
第二电阻,电连接在所述第一电阻和所述发射极之间。
9.如权利要求1所述的反射式光传感器,其中所述反射式传感器封装由弹性塑料构成。
10.如权利要求1所述的反射式光传感器,其中所述第一和第二腔由至少局部透明树脂填充。
11.如权利要求1所述的反射式光传感器,还包括:
第一电接触件,电连接至所述垂直腔表面发射激光器;
第二电接触件,电连接至所述垂直腔表面发射激光器;
第三电接触件,电连接至所述光接收器;和
第四电接触件,电连接至所述光接收器。
12.一种反射式光传感器,包括:
传感器封装,包括第一腔和与所述第一腔相邻的第二腔;
激光器,位于所述第一腔中,用于产生发射光;和
分流光电晶体管,位于所述第二腔中,用于接收从被检测的物体反射的发射光。
13.如权利要求12所述的反射式光传感器,其中所述分流光电晶体管包括:
集电极;
基极;
二极管,包括阳极和阴极,所述阳极电连接至所述基极,所述阴极电连接至所述集电极;和
第一电阻,电连接在所述阳极和所述发射极之间,用于创建PN结关系,所述PN结关系被设置为与所述二极管和所述第一电阻呈并联的电关系。
14.如权利要求12所述的反射式光传感器,其中所述激光器为垂直腔表面发射激光器VCSEL。
15.如权利要求12所述的反射式光传感器,其中所述分流光电晶体管包含反向偏压保护特性。
16.如权利要求13所述的反射式光传感器,还包括:
第二电阻,电连接在所述第一电阻和所述发射极之间。
17.一种用于检测物体存在的反射式光传感器,包括:
反射式传感器封装,由弹性塑料构成,包括第一腔和在所述反射式传感器封装中与所述第一腔相邻的第二腔;
垂直腔表面发射激光器VCSEL,位于所述第一腔中,用于产生发射光;
包含反向偏压保护特性的分流光电晶体管,位于所述第二腔中,并被配置为用以接收所产生的发射光中从该物体反射的至少一部分发射光,所述包含反向偏压保护特性的分流光电晶体管包括:
发射极;
集电极;
基极;
二极管,包括阳极和阴极,所述阳极电连接至所述基极,所述阴极电连接至所述集电极;
分流内部电阻,电连接在所述阳极和所述发射极之间,用于创建PN结关系,所述PN结关系被设置为与所述二极管和所述第一电阻呈并联的电关系;和
反向偏压保护内部电阻,电连接在所述第一电阻和所述发射极之间。
18.如权利要求17所述的反射式光传感器,还包括:
第一电接触件,电连接至所述激光器;
第二电接触件,电连接至所述激光器;
第三电接触件,电连接至所述光接收器;
第四电接触件,电连接至所述光接收器;和
至少局部透明树脂,填充至所述第一腔和所述第二腔,以能够进行从和至上述各有源光器件的光传输。
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