CN101689748B - 光学传感器模块及其制造 - Google Patents

光学传感器模块及其制造 Download PDF

Info

Publication number
CN101689748B
CN101689748B CN2008800220288A CN200880022028A CN101689748B CN 101689748 B CN101689748 B CN 101689748B CN 2008800220288 A CN2008800220288 A CN 2008800220288A CN 200880022028 A CN200880022028 A CN 200880022028A CN 101689748 B CN101689748 B CN 101689748B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
diode laser
optical sensor
sensor module
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN2008800220288A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101689748A (zh
Inventor
M·F·C·谢曼
A·普鲁伊姆布姆
S·M·布伊
K·P·沃纳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tongkuai Optoelectronic Device Co ltd
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Koninklijke Philips Electronics NV
Publication of CN101689748A publication Critical patent/CN101689748A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101689748B publication Critical patent/CN101689748B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/023—Mount members, e.g. sub-mount members
    • H01S5/02325—Mechanically integrated components on mount members or optical micro-benches
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/0304—Detection arrangements using opto-electronic means
    • G06F3/0317—Detection arrangements using opto-electronic means in co-operation with a patterned surface, e.g. absolute position or relative movement detection for an optical mouse or pen positioned with respect to a coded surface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/0014—Measuring characteristics or properties thereof
    • H01S5/0028—Laser diodes used as detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/484—Connecting portions
    • H01L2224/48463—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond
    • H01L2224/48465—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond the other connecting portion not on the bonding area being a wedge bond, i.e. ball-to-wedge, regular stitch
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0233—Mounting configuration of laser chips
    • H01S5/0234—Up-side down mountings, e.g. Flip-chip, epi-side down mountings or junction down mountings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface
    • H01S5/18388—Lenses

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明涉及用于测量装置的光学传感器模块(1)。所述模块包括：至少一个光学传感器(2)，其包括具有用于产生测量束的激光腔的二极管激光器(3)，该二极管激光器附接到衬底(12)，会聚构件(5)(例如透镜)。在测量期间，这种会聚构件(5)将测量束会聚到动作平面内并且在激光腔内会聚由一定目标后向散射的测量束辐射以便产生自混合效应，以及用于测量该自混合效应的构件。后一构件包括光电二极管(4)和关联的信号处理电路系统。依照本发明的一个基本方面，二极管激光器(3)被配置成发射附接到二极管激光器(3)的衬底(12)对其透明的波长的激光辐射。这种配置导致实质上简单的(并且因而廉价的)传感器模块。

Description

光学传感器模块及其制造
技术领域
本发明涉及用于测量装置(device)的光学传感器模块，所述模块包括：至少一个光学传感器，其包括具有用于产生测量束的激光腔的二极管激光器，会聚构件，其用于将测量束会聚到动作平面内并且用于在激光腔内会聚由一定目标后向散射的测量束辐射以便产生自混合效应，以及用于测量该自混合效应的构件，所述构件包括光电二极管和关联的信号处理电路系统。本发明也涉及制造这种光学传感器模块的方法。这种测量装置可以是基于目标和该装置相对于彼此的运动的光学输入装置，但是也可以形成不同类型的测量设备的一部分。所述动作平面应当被理解为表示其中所述目标的辐射接收和后向散射表面所在的平面。 
背景技术
以申请人的名义提交的美国专利6707027中描述了使用自混合效应的光学输入装置。该文献解释了测量原理并且描述了所述传感器装置的若干实施例和应用，该传感器装置可以例如包含在计算机鼠标中。 
如果外部反射器或目标设置在二极管激光器之前，从而获得外部腔，那么就出现激光自混合。在输入装置的情况下，该装置和可能是人类手指或者桌面的目标相对于彼此的运动造成外部腔的调谐。这种调谐导致激光器平衡条件的重新调整并且因而导致激光器输出功率的可检测的变化。这些变化或波动作为目标的位移的函数在等于激光辐射波长一半的距离上是重复的。这意味着激光波动的频率变得与目标(即外部反射器)的速度成比例。基于激光自混合的测量装置表现出高的灵敏度和精度，这可以归因于重新进入激光腔的后向散射辐射确定激光辐射的调制频率并且因而在激光腔中被放大这一事实。激光器充当相位敏感检测器和放大器。通过这种方式，在不使用附加的构件(比如光学滤波器)或者复杂的装置(例如干涉仪)的情况下获得了高的接收器灵敏度。 
配备了两个二极管激光器的这种类型的光学传感器模块允许测量包括这种模块的输入装置和目标相对于彼此在两个相互垂直的(X和Y)方向上以及任何中间方向上的运动。尽管这种模块已经能够检测Z方向 上的运动，但是优选的是使用第三个二极管激光器，因为具有三个二极管激光器的模块允许更精确地检测Z方向上的运动。这可以通过相互设置激光束，使得它们正交或者使得它们在检测平面内形成120度角度来实现。这样的输入装置可以用来跨显示面板导航或移动光标，例如以便选择显示器上的图标。 
优选地，当前输入装置中使用的二极管激光器为垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。激光腔的长度方向和这种激光器的辐射方向垂直于其衬底。与更常规的边缘发射激光器相比，VCSEL表现出以下优点：它可以以小得多的尺寸和低得多的成本制造，并且激光束的截面为圆形而不是椭圆形。而且，在这种类型的激光器中，所述自混合效应要强烈得多。 
上述输入装置的构思被证明是非常有用的，并且已经成功地制造出且在市场上推出配备有这种装置的光学计算机鼠标。然而，这种计算机鼠标是高端类型。鉴于其紧凑性、精度和可靠性，光学传感器模块也非常适合低端计算机鼠标和其他批量应用。对于这样的应用而言，考虑到具有更低性能的现有装置的价格，所述光学传感器模块的成本变为主要的问题。因此，强烈需要显著地降低该光学传感器模块的成本。由于该模块的主要元件的数量不能减少，因而成本的降低只能借助于更廉价的制造工艺来实现。 
发明内容
本发明的目的是提供如第一段落中所限定的光学传感器模块，其可以以低得多的成本制造，从而它变得在价格上可与具有更低性能的现有装置竞争。 
依照本发明，该传感器模块的特征在于，二极管激光器被配置成发射该二极管激光器的衬底对其透明的波长的激光辐射。 
本发明基于以下认识：如果衬底对于激光辐射透明，那么二极管激光器的后侧发射的辐射现在就可以用作测量束辐射。这允许实现所述光学传感器模块的创造性重新设计。该重新设计可以包括若干发明措施，其允许更容易且更廉价地制造所述传感器模块。 
优选地，所述光学传感器模块的特征还在于，所述二极管激光器发射波长λ在960和980nm之间的辐射，更优选地发射波长为大约970nm的辐射。如今包含在计算机鼠标中的光学传感器模块采用了发射近似λ＝850nm的辐射的VCSEL。该VCSEL的衬底(典型地为GaAs)对于该波长不透明。结果，为了获得紧凑的模块，应当将用于确定测量束变化的光电二极管或光电晶体管设置在衬底的前侧(外侧)上。这可以例如通过将二极管或晶体管结构集成到VCSEL的层中来实现。然而，这使得所述模块的制造工艺复杂并且因而增加了成本。通过采用依照本发明的激光波长，前向发射和后向发射的激光辐射二者都可以用于所述测量束或者用于确定该测量束的变化。这允许使用分离的常规和低成本光电二极管结构。
所述光学传感器模块的实用实施例的特征还在于，它在发射的测量束方向上依次包括载体、光电二极管和VCSEL型二极管激光器，所述二极管激光器的衬底避开了光电二极管。 
所述载体应当被理解为表示基板，所述模块的元件安装于其上并且其包括连接元件，所述连接元件用于所述模块与形成该模块要合并于其中的装置(例如输入装置)的部分的外部部件的电气连接。优选地，该实施例的特征还在于，所述载体为印刷电路板。 
这样的印刷电路板(PCB)提供了灵活性并且允许使用向上或向下的连接管脚和/或SMD(表面安装装置)类型的模块元件。 
已知的是，所述光学传感器模块包括用于处理来自光电二极管的信号并且用于控制二极管激光器的ASIC(专用集成电路)。在本发明的模块中，该ASIC设置在载体和光电二极管之间。同样可能的是，所述光电二极管直接安装到载体上并且该ASIC设置在载体上的另一位置。后一种配置是优选的，因为其更容易实现并且因而更廉价。 
此外，依照本发明，利用了VCSEL的上表面(即衬底)为平坦且自由的表面这一事实。会聚构件设置在二极管激光器的衬底侧。这意味着它们设置在出射束的位置。将会聚构件设置在VCSEL衬底的自由表面上如后面将要解释的那样提供了实质的制造优点。 
所述会聚构件可以是折射透镜，其由一种或多种透明材料(比如玻璃或塑料)形成并且具有弯曲的表面。该会聚构件可以是菲涅耳(Fresnel)透镜，其是正常的折射透镜的更薄版本，其通过将透镜划分成之间具有间断的同心环形部分来产生。该会聚构件也可以是衍射元件，比如光栅或波带片。可以使用振幅和相位光栅。闪耀结构(blazed structure)可以用来最小化到不希望的级次的光损失。闪耀是衍射光学中的公知技术，表示凹槽几何结构适于以不希望的方向上的辐射为代价放大所需的方向或衍射级次上的辐射量。闪耀可以通过调节凹槽壁的坡度来实现。具有倾斜凹槽壁的凹槽可以由不同高度具有不同宽度的凹槽(即阶梯式凹槽)来模仿，其更易于制造。因此，所述光学传感器模块的优选实施例的特征在于，所述会聚构件由衬底表面中的凹槽结构组成，所述凹槽与凸台交替并且具有阶梯式截面。 
所述光学传感器模块可以包括两个或更多二极管激光器和关联的光电二极管以测量两个或更多方向上的运动。原则上，每二极管激光器单个透镜可以用在所述模块中。然而，这种模块的优选、成本有效的实施例的特征在于，相对于单个会聚构件设置了至少两个二极管激光器，使得来自二极管激光器的测量束在不同的区域通过该会聚构件。因此，所述光学传感器模块仅仅需要一个会聚构件(即微型透镜)，而不管所采用的二极管激光器的数量以及测量束如何。 
所述光学传感器模块的特征还可以在于，所述载体构成模块封装的基底，其在相对侧由透明板封闭。该板形成用于测量束的窗口。由于该窗口不再具有透镜功能，就像如今市场上的光学传感器模块中的透镜盖的情况一样，因而它是成本低得多的元件。具有创造性的是，该板可以用来补偿由激光辐射的增大的波长造成的波动频率的降低。而且，该板增大了静电放电(ESD)爆破(blow-up)电压，从而防止了更高电压下的破坏，并且构成传感器部件的机械保护。此外，该封装优选地应当包括在封装基底内或者封装基底上的接地导电金属环，使得该通常不导电的板附近的任何ESD放电被传导到地而不损坏传感器。此外，该透明板可以部分被制造成是导电的，以支持ESD放电传导到地。 
可替换地，包括衍射会聚构件的光学传感器模块的特征可以在于，所述封装由透明材料填充，其在上面形成所述板。当在GaAs衬底中蚀刻会聚构件(形成为衍射或折射透镜)时以及当模制材料具有比衬底材料更小的折射率时，该实施例是特别吸引人的。模制的透明材料(例如塑料)执行透明板的功能并且是该板的更廉价的替代物。所述载体(PCB)和封装可以被配置成使得留下的空间根据需要包括附加的无源或有源部件(例如电容器)，从而所述传感器模块可以适于特定的应用。 
本发明还涉及制造光学传感器模块的方法。所述方法的特征在于， 它包括以下步骤： 
-批量制造晶片级二极管激光器阵列， 
-切割所述二极管激光器阵列以便获得具有所需数量的二极管激光器的二极管激光器组； 
-批量制造与所述二极管激光器阵列相应的晶片级光电二极管阵列， 
-将所述二极管激光器组设置在相应的光电二极管组上并且将这些组固定在一起； 
-切割所述光电二极管阵列以便获得单独的组合的二极管激光器/光电二极管组； 
-将所述组与IC阵列中的一个IC进行组合以便处理测量的信号并且控制所述二极管激光器，所述阵列以晶片级批量制造，以获得具有所需数量的二极管激光器和光电二极管的单独的模块装置，以及 
-将模块装置安装到载体上并且封装它。 
优选地，该方法的特征在于中间步骤：在切割激光器阵列之前向属于一个模块装置的每组激光器提供一个辐射会聚元件。该中间步骤是本发明的基本特征。所述模块的会聚元件(即透镜元件)因而被批量生产，即借助于晶片级工艺，从而这些透镜元件是成本非常低的。例如，折射微型透镜可以通过公知的复制或模制工艺来制造。小滴(small drop)透镜材料可以沉积在衬底后侧所述激光二极管晶片的所需区域处，借助于模制元件而定形并且通过热或UV辐射来硬化。在衍射透镜的情况下，所述凹槽可以借助于公知的平版印刷工艺来制造。 
优选地，所述方法的特征还在于，将所述两个阵列固定到彼此上的步骤借助于倒装芯片工艺来执行。该工艺是公知且低成本的工艺并且具有附加的优点：该工艺是自对准的。 
在将所述二极管激光器组固定到所述阵列的相应光电二极管组上之后，所述模块装置的光学质量可以通过在(光电二极管)晶片级下探测这些装置来确定。在这种配置中，二极管激光器的前侧面向光电二极管的辐射敏感区域，并且二极管激光器的后侧使用时面向要测量的目标。该探测过程允许选择模块装置，每个模块装置包括二极管激光器、光电二极管和透镜元件，还允许仅将通过测试的模块装置安装到ASIC上并且封装这些装置。通过这种方式，模块装置的总生产损失的成本实 际上限于VCSEL、光电二极管和透镜的生产损失。 
将一组二极管激光器、光电二极管和透镜元件与IC(ASIC)进行组合的步骤可以包括相对于IC的晶片设置所述组、将每个组固定到IC以及切割所述IC晶片。 
同样可能的是，首先切割所述IC晶片并且将单独的IC设置在载体上。随后，可以将一组激光二极管、光电二极管和透镜元件设置在IC上或者邻近载体上的IC设置。在后一种情况下，应当注意光电二极管的反电极可能在前侧上被接触。当应用该方法时，可以节省在光电二极管的后侧以及IC的前侧处的金金属化。 
本发明也在输入装置或其中包括了这种输入装置的设备中实施，因为依照本发明的传感器模块允许降低该输入装置的成本并且从而扩大应用领域。其中可以使用该输入装置的设备例如为用于桌上型电脑或笔记本计算机的鼠标、笔记本计算机、移动电话、个人数字助理(PDA)以及手持式游戏计算机。本发明也可以用于测量例如到目标的距离或目标的运动、液体的运动以及嵌入到液体中的粒子的运动的专业测量设备。通常，本发明可以用于其中使用了激光自混合效应的应用中。 
附图说明
本发明的这些方面和其他方面根据以下描述的实施例和相关附图将是清楚明白的，并且将参照这些实施例和相关附图进行阐述，在附图中 
图1示意性地以及以截面示出依照本发明的光学传感器模块。 
图2示意性地以及以截面更详细地示出依照本发明的光学传感器模块的一部分。 
应当强调的是，出于清楚性的原因，附图中所示的光学传感器模块的各个元件没有按照比例绘制。 
具体实施方式
在图1中，以示意的形式示出了适合用在测量装置中的光学传感器模块(1)。所述模块包括由二极管激光器(3)和光电二极管(4)构成的光学传感器(2)，其中光电二极管(4)实际上用作二极管激光器(3)的载体，它们相互机械和电气连接。依照本发明的一个优选实施 例，所述二极管激光器(3)为垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的形式。如将要借助于图2所详细描述的，图1中所示实施例的所述二极管激光器(3)被设计成使得它在工作期间发射两个激光束。光电二极管(4)被形成为硅pin型二极管。在二极管激光器(3)背对光电二极管(4)的表面上，提供了单微型透镜形式的会聚构件(5)，其在所述传感器模块工作期间会聚两个激光束并且将这些激光束偏转到正交方向。应当指出的是，二极管激光器、光电二极管和会聚构件的组合通常称为“光学引擎”。 
该光学引擎通过光电二极管(4)电气和机械连接到ASIC(6)。所述ASIC(6)包括所需的关联的信号处理电路系统并且也电气和机械连接到载体(7)。在该实施例中，所述载体(7)被形成为印刷电路板或PCB，其在所示的配置中用作所述模块的封装的底部。PCB之内和之上的电气轨迹(electrical track)(未示出)设置用于所述传感器到外部世界的所需的信号输出。所述封装还包括一个或多个侧壁(8)，其可以被设计成任何所需的形式，并且其可以由塑料材料或金属制成。在该封装内部，像滤波电容器(9)那样的附加无源电气部件可以存在于PCB之上。 
在本发明的当前实施例中，所述传感器的封装还设有对于工作期间由二极管激光器(3)产生的测量束的波长透明并且充当所述束的窗口的板(10)。在这里未示出的不同实施例中，所述透明板(10)由填充封装的透明材料代替。在这样的实施例中，不仅板(10)而且壁(8)都可以从所述模块中省略。 
在本发明的光学传感器模块工作期间，二极管激光器(3)产生两个借助于(单个)会聚构件(5)成像到某个动作平面(未示出)的激光束。在动作平面内相互作用时，光的一部分被后向散射，其引起激光腔中存在的光的自混合。光电二极管(4)测量该自混合光并且将光信号转换成电信号。这些电信号随后传送到ASIC(6)，其中进行必要的信号处理。得到的信号经由PCB中的电气轨迹馈送到外部世界。 
在图2中，更详细地示意性示出了由两个二极管激光器(3)、单个光电二极管(4)和会聚构件(5)构成的光学引擎。二极管激光器(3)包括在GaAs单晶衬底(12)上的多层GaAs、AlxGa1-xAs和InyGa1-yAs(0＜＝x，y＜＝1)外延生长层。该多层的外部充当反射镜，而在该多层 的中部，激光束在其工作期间产生。依照本发明的基本要素，选择所述层的厚度和组成，使得产生的激光辐射具有衬底(12)对其透明的波长。在这里所描述的实施例中，这意味着激光辐射的波长比大约950nm更长。单晶GaAs对于该波长的辐射是透明的。 
此外，所述激光辐射优选地应当可以利用用作所述光电二极管(4)的低成本硅检测器来检测。达到990nm的波长满足该要求。此外，应当考虑制造VCSEL的有源层所需的应变。VCSEL激光器具有非常短的腔并且需要多个量子阱以提供激光器工作所需的光学增益。每个量子阱层受到张力，从而总的应变可能导致影响装置寿命的缺陷。与工作在980nm下并且仅需要单个(或者有时两个)量子阱的广泛使用的边缘发射装置形成对照的是，优选地应当降低VCSEL有源层中的应变量。出于这个原因，大约970nm的波长是优选的，因为在该更短的波长下有源层应变更低。此外还应当认识到，为了获得高效的自混合以及高的光电二极管电流，激光器反射镜的反射率应当相对较低(从而大量的光子被发射并且在激光腔中被接收回来)。这反过来需要来自有源层的大的增益以实现激光阈值并且这可能需要附加的量子阱。出于这个原因，激光器的优选波长被选择成使得衬底是透明的(在960nm以上)，有源层应变得到控制(达到980nm)并且波长可由Si检测器有效地检测。还应当认识到，本发明也包括允许在更短波长下透明的可替换衬底的使用或者甚至移除该衬底以便可获得更短波长下的透明性。 
所产生的激光束可以仅在两个特定位置从所述两个激光器(3)出射。图2中由点线(11)和(13)示意性地示出了这两个激光束。在二极管激光器(3)的腔中产生了这两个测量激光束之后，它们穿过衬底(12)并且经由单个会聚构件(5)出射，所述会聚构件被设计成微型透镜的形式。在相互作用之后，该辐射的一部分被后向散射到对应的二极管激光器(3)中，其中该辐射与那里产生的激光混合。该混合造成发射的激光的光强波动，所述波动经由光电二极管(4)的光敏感区域(14)测量。该光敏感区域(14)优选地应当大于束宽度。在光电二极管(4)中，敏感区域(14，15)上接收的光信号被转换成电信号，所述电信号经由导电路径(15)送到外部世界。为了优化测量，在光敏感区域(14)的表面上提供抗反射层(19)。 
图2还示出了二极管激光器结构被倒装芯片式结合到光电二极管 (4)。在该键合配置中，所述结构经由导电金属销(stud)(16，18)连接到光电二极管(4)。这些销提供电气连接以及散热以便防止VCSEL二极管激光器(3)的过热。分别在销(16)和(18)以及VCSEL二极管激光器(3)的阴极和阳极之间存在欧姆接触。 
上述激光传感器模块已经经由以下本发明的方法制造。在一种优选的制造方法中，光电二极管晶片或晶片部分利用沉积在这些光电检测器晶片上的焊料凸块(bump)来制造。其次，制造VCSEL晶片并且这些晶片设有在衬底侧的光学会聚构件，例如透镜。切割这些VCSEL晶片并且将其分离成激光器管芯(每个包括光学衍射构件)。将这些管芯置于光电二极管晶片(部分)的焊料凸块上。随后，将这些接触部分焊接在一起，以便获得二极管激光器/光电二极管组。 
如前所示，在二极管激光器的衬底的自由表面上提供会聚构件是本发明的必不可少的部分。这些会聚构件可以直接在衬底表面内或者在衬底表面上制成。衬底内的会聚构件通过在GaAs衬底内蚀刻来实现，其实质上是相当昂贵的过程。自由衬底上的会聚构件是借助于复制工艺(利用UV可固化漆树脂)或者印刷工艺的提供来实现的。尤其今人感兴趣的是其中在GaAs衬底上施加具有预定义透镜结构的玻璃晶片的工艺。为了获得最佳的结果，优选的是抛光所述自由表面。为了降低透镜与GaAs衬底之间的界面上的不希望的内反射，优选地施加抗反射涂层。 
在一种优选的方法中，在光电检测器晶片级上执行二极管激光器/光电二极管的光电特性的测试。这允许使用低成本晶片级探测设备测试所有的关键参数并且消除其他工艺步骤中的大多数测试要求。本发明的一个目的是消除VSEL晶片上以及组装的产品级上的这样的测试步骤。本发明的另一个目的是使用VCSEL上的小的金属焊盘，其必须允许焊接，但是不必允许键合或探测。这导致VCSEL管芯尺寸的减小并且因此可以实现显著的成本降低。光电检测器晶片或管芯用作允许测试和键合的小VCSEL的载体。该光电检测器晶片然后被切割成分离的检测器/激光器/透镜单元，其可以安装到封装中并且连接到ASIC以便形成完整的激光传感器模块。 
尽管在附图和前面的说明中详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实施要求保护的本发明 时，根据对于所述附图、本公开内容和所附权利要求书的研究，应当能够理解并实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求书中，措词“包括/包含”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”并没有排除复数。在相互不同的从属权利要求中陈述若干技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。权利要求中的任何附图标记都不应当被视为对这些权利要求的范围的限制。 

Claims (7)

1.用于测量装置的光学传感器模块，所述模块包括：至少一个光学传感器(2)，其包括具有用于产生测量束的激光腔的二极管激光器(3)，该二极管激光器(3)附接到衬底(12)，会聚构件(5)，其用于将测量束会聚到动作平面内并且用于在激光腔内会聚由一定目标后向散射的测量束辐射以便产生自混合效应，以及用于测量该自混合效应的构件，所述构件包括光电二极管(4)和关联的信号处理电路系统，其特征在于，二极管激光器被配置成通过所述衬底(12)发射激光辐射，所述激光辐射具有附接到二极管激光器(3)的衬底(12)对其透明的波长，
所述会聚构件(5)设置在衬底(12)一侧并且二极管激光器(3)附接到衬底(12)另一侧，
所述光电二极管(4)用作用于所述二极管激光器(3)的载体，所述二极管激光器(3)和所述光电二极管(4)相互机械和电气连接。
2.依照权利要求1的光学传感器模块，其特征在于，它在发射的测量束方向上依次包括第一载体(7)、光电二极管(4)和垂直腔表面发射激光器(VCSEL)型二极管激光器(3)。
3.依照权利要求1的光学传感器模块，其特征在于，相对于单个会聚构件设置了至少两个二极管激光器，使得来自二极管激光器的测量束在不同的区域通过该会聚构件。
4.依照权利要求2的光学传感器模块，其特征在于，所述第一载体(7)构成模块封装的基底，其在相对侧由透明板(10)封闭。
5.依照权利要求4的光学传感器模块，其特征在于，会聚构件(5)为衍射会聚构件，并且特征在于，所述封装由透明材料填充，其在上面形成透明板(10)。
6.一种包括其中合并了光学传感器(2)的外壳的测量装置，其特征在于，使用了依照前面的权利要求之一的光学传感器模块。
7.一种计算机鼠标，包括依照权利要求1-5中任何一项的光学传感器模块。
CN2008800220288A 2007-06-27 2008-06-23 光学传感器模块及其制造 Active CN101689748B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP07111098.5 2007-06-27
EP07111098 2007-06-27
PCT/IB2008/052480 WO2009001283A2 (en) 2007-06-27 2008-06-23 Optical sensor module and its manufacture

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101689748A CN101689748A (zh) 2010-03-31
CN101689748B true CN101689748B (zh) 2012-06-20

Family

ID=40110961

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2008800220288A Active CN101689748B (zh) 2007-06-27 2008-06-23 光学传感器模块及其制造

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8378287B2 (zh)
EP (1) EP2171811B1 (zh)
JP (1) JP5753686B2 (zh)
CN (1) CN101689748B (zh)
WO (1) WO2009001283A2 (zh)

Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10203399B2 (en) 2013-11-12 2019-02-12 Big Sky Financial Corporation Methods and apparatus for array based LiDAR systems with reduced interference
US9360554B2 (en) 2014-04-11 2016-06-07 Facet Technology Corp. Methods and apparatus for object detection and identification in a multiple detector lidar array
CN103986058A (zh) * 2014-05-20 2014-08-13 深圳市易飞扬通信技术有限公司 垂直腔面发射激光器的罐形封装结构及方法
US11006828B2 (en) 2014-07-17 2021-05-18 1 Sonic Medical Corporation, S.A.S. Measurement of ocular parameters using vibrations induced in the eye
WO2016060933A1 (en) * 2014-10-15 2016-04-21 Lumentum Operations Llc Laser system and method of tuning the output power of the laser system
US9696199B2 (en) * 2015-02-13 2017-07-04 Taiwan Biophotonic Corporation Optical sensor
US10036801B2 (en) 2015-03-05 2018-07-31 Big Sky Financial Corporation Methods and apparatus for increased precision and improved range in a multiple detector LiDAR array
DE102015104208A1 (de) 2015-03-20 2016-09-22 Osram Opto Semiconductors Gmbh Sensorvorrichtung
US9866816B2 (en) 2016-03-03 2018-01-09 4D Intellectual Properties, Llc Methods and apparatus for an active pulsed 4D camera for image acquisition and analysis
JP2019522778A (ja) * 2016-05-19 2019-08-15 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． 粒子センサー、粒子検出方法及びコンピュータ・プログラム
WO2017218467A1 (en) * 2016-06-13 2017-12-21 Vixar, Llc Improved self-mix module utilizing filters
CN105977217A (zh) * 2016-06-29 2016-09-28 广州崇亿金属制品有限公司 封装器件
CN110178044B (zh) * 2017-01-23 2022-04-05 深圳源光科技有限公司 检测装置、检测系统及检测装置的制作方法
DE102017112235A1 (de) * 2017-06-02 2018-12-06 Osram Opto Semiconductors Gmbh Laserdiode und Verfahren zum Herstellen einer Laserdiode
EP3470872B1 (en) * 2017-10-11 2021-09-08 Melexis Technologies NV Sensor device
JP2019134019A (ja) * 2018-01-30 2019-08-08 セイコーエプソン株式会社 発光装置
DE102018128751A1 (de) * 2018-11-15 2020-05-20 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterlaser
US11740071B2 (en) 2018-12-21 2023-08-29 Apple Inc. Optical interferometry proximity sensor with temperature variation compensation
US20220093811A1 (en) * 2019-01-18 2022-03-24 Trinamix Gmbh Optical sensor and detector for an optical detection
TWI731296B (zh) * 2019-01-24 2021-06-21 台灣沛晶股份有限公司 光學感測晶片封裝結構
CN111508941B (zh) * 2019-01-31 2023-06-16 台湾沛晶股份有限公司 光学感测芯片封装结构
KR20200095939A (ko) * 2019-02-01 2020-08-11 현대자동차주식회사 비침습적인 광학식 내부 물질 감지기
US10811399B1 (en) * 2019-03-27 2020-10-20 Taiwan Electronic Packaging Co., Ltd. Optical sensing chip packaging structure
US11156456B2 (en) 2019-05-21 2021-10-26 Apple Inc. Optical proximity sensor integrated into a camera module for an electronic device
US11473898B2 (en) 2019-05-24 2022-10-18 Apple Inc. Wearable voice-induced vibration or silent gesture sensor
CN110118961B (zh) * 2019-06-20 2023-11-03 深圳市镭神智能系统有限公司 光线发射模块和激光雷达
JP7155455B2 (ja) * 2020-06-22 2022-10-18 シチズン電子株式会社 Ｖｃｓｅｌモジュール
CN111900623B (zh) * 2020-07-31 2021-11-30 常州纵慧芯光半导体科技有限公司 一种激光器及其制造方法与应用
US11874110B2 (en) 2020-09-25 2024-01-16 Apple Inc. Self-mixing interferometry device configured for non-reciprocal sensing
US11629948B2 (en) * 2021-02-04 2023-04-18 Apple Inc. Optical interferometry proximity sensor with optical path extender
CN115498498A (zh) * 2022-11-16 2022-12-20 合肥硅臻芯片技术有限公司 量子随机数芯片的封装结构及量子随机数的生成方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1388615A (zh) * 2001-05-25 2003-01-01 精工爱普生株式会社 面发光激光器及其制造方法和光接收元件及其制造方法
CN1408064A (zh) * 2000-11-06 2003-04-02 皇家菲利浦电子有限公司 测量材料片移动的方法和执行该方法的光学传感器
CN1431742A (zh) * 2002-01-09 2003-07-23 因芬尼昂技术股份公司 激光设备

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0419819Y2 (zh) * 1985-03-23 1992-05-06
JPH0810496B2 (ja) * 1986-11-17 1996-01-31 ソニー株式会社 光学ヘツドの製造方法
US5475701A (en) * 1993-12-29 1995-12-12 Honeywell Inc. Integrated laser power monitor
JP3639377B2 (ja) * 1996-03-26 2005-04-20 オリンパス株式会社 光学式変位センサ
JP3559453B2 (ja) * 1998-06-29 2004-09-02 株式会社東芝 発光素子
JP3610235B2 (ja) * 1998-07-22 2005-01-12 キヤノン株式会社 面型発光素子装置
US6597713B2 (en) * 1998-07-22 2003-07-22 Canon Kabushiki Kaisha Apparatus with an optical functional device having a special wiring electrode and method for fabricating the same
JP3671805B2 (ja) * 2000-03-13 2005-07-13 スズキ株式会社 振動計測装置及び方法
US6888871B1 (en) * 2000-07-12 2005-05-03 Princeton Optronics, Inc. VCSEL and VCSEL array having integrated microlenses for use in a semiconductor laser pumped solid state laser system
US6991381B2 (en) * 2001-04-18 2006-01-31 Infineon Technologies Ag Emission module for an optical signal transmission
US20030109142A1 (en) * 2001-06-22 2003-06-12 Cable James S. Integrated photodetector for VCSEL feedback control
TWI313835B (en) * 2002-06-04 2009-08-21 Koninkl Philips Electronics Nv Method of measuring the movement of an object relative to a user's input device and related input device,mobile phone apparatus, cordless phone apparatus, laptor computer, mouse and remote control
JP3941713B2 (ja) * 2003-03-11 2007-07-04 セイコーエプソン株式会社 面発光レーザを備えた半導体集積回路、半導体集積回路の製造方法および電子機器
US7245648B2 (en) * 2004-02-27 2007-07-17 Finisar Corporation Optoelectronic arrangement
JP2006120961A (ja) * 2004-10-25 2006-05-11 Ricoh Co Ltd 光電変換モジュール製造方法及び光電変換モジュール
EP1831777A2 (en) 2004-12-16 2007-09-12 Koninklijke Philips Electronics N.V. A relative movement sensor with enclosed housing
TWI247152B (en) * 2004-12-24 2006-01-11 Ind Tech Res Inst Array type optical sub-device
US9397476B2 (en) * 2007-05-07 2016-07-19 Koninklijke Philips N.V. Laser sensor for self-mixing interferometry having a vertical external cavity surface emission laser (VECSEL) as the light source

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1408064A (zh) * 2000-11-06 2003-04-02 皇家菲利浦电子有限公司 测量材料片移动的方法和执行该方法的光学传感器
CN1388615A (zh) * 2001-05-25 2003-01-01 精工爱普生株式会社 面发光激光器及其制造方法和光接收元件及其制造方法
CN1431742A (zh) * 2002-01-09 2003-07-23 因芬尼昂技术股份公司 激光设备

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Guido Giuliani等.Laser diode self-mixing technique for sensing applications.《J. Opt. A: Pure Appl. Opt》.2002,第4卷全文. *
Tucker等.A Massively Parallel Imaging System Based on the Self-Mixing Effect in a Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Array.《IEEE》.2006,全文. *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009001283A3 (en) 2009-04-02
JP2010531546A (ja) 2010-09-24
EP2171811B1 (en) 2015-05-20
CN101689748A (zh) 2010-03-31
US8378287B2 (en) 2013-02-19
JP5753686B2 (ja) 2015-07-22
EP2171811A2 (en) 2010-04-07
US20100187449A1 (en) 2010-07-29
WO2009001283A2 (en) 2008-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101689748B (zh) 光学传感器模块及其制造
CN110325878B (zh) Vcsel窄发散度接近度传感器
CN110168823B (zh) 改进的利用滤光器的自混合模块
US9091747B2 (en) Self-mixing interference device with wave guide structure
JP5028664B2 (ja) 光モジュールにおけるｖｃｓｅｌ逆バイアスリークを測定する方法
US7957448B2 (en) Optoelectronic circuit with a photoreceptor and a laser diode, and module comprising the same
JP2005234053A (ja) 光配線基板および光配線基板の製造方法
JPH09222540A (ja) 高さの低い光学的サブアセンブリ
US20060261258A1 (en) Optical assembly with optical transmitting and receiving functions
JPWO2002063730A1 (ja) 光送信器
EP1501160B1 (en) Electro-optical element
CN101897089B (zh) 具有集成光电晶体管的半导体激光器
US20200358249A1 (en) Semiconductor package and lidar transmission unit
JP2004152875A (ja) 半導体レーザモジュール
JP2009003272A (ja) 光電子回路基板
US7067854B2 (en) Optical receiver
EP3652520B1 (en) Optoelectronic modules with temperature-independent characteristics
KR100821359B1 (ko) 광 조향 센서장치 및 이를 이용하는 광모듈
KR20230022348A (ko) 사이드필을 활용한 광학차벽 및 이를 포함하는 광원모듈
KR102486332B1 (ko) 표면발광 레이저패키지 및 이를 포함하는 광 모듈
US12040587B2 (en) Optical semiconductor device
US20240264517A1 (en) Polarization switchable multi-zone illumination system using a polarization switchable light source and polarization sensitive optic
JP2001169394A (ja) 光マイクロフォン素子及び光マイクロフォン装置
JPH0755423A (ja) 光学式変位センサ
US20160365703A1 (en) Power monitoring device and transmitter having same

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CP01 Change in the name or title of a patent holder
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: Eindhoven, Netherlands

Patentee after: KONINKLIJKE PHILIPS N.V.

Address before: Eindhoven, Netherlands

Patentee before: KONINKLIJKE PHILIPS ELECTRONICS N.V.

TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20200702

Address after: Ulm

Patentee after: Tongkuai optoelectronic device Co.,Ltd.

Address before: Eindhoven, Netherlands

Patentee before: KONINKLIJKE PHILIPS N.V.