CN103081110B - 多传感器集成电路设备 - Google Patents

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Abstract

多传感器类型集成电路设备包括：半导体管芯，包括形成在其上的第一传感器类型和第二传感器类型；电绝缘封装，包围所述半导体管芯；以及多个与所述半导体管芯耦合且从所述封装延伸的导电引线。作为示例而非限制，多传感器类型集成电路管芯包括：第一极性的半导体衬底；第一极性的多个区域，形成在所述衬底中，其中所述多个区域与所述衬底相比相对更重地掺杂；多个阱，形成在所述衬底中；以及盖层，形成在所述衬底上面。

Description

多传感器集成电路设备
相关申请
本申请要求由相同的发明人在2010年7月23日提交的且名称为“Multi-Sensor Integrated Circuit Device”的美国临时申请序列号61/367344的优先权。本申请通过参考整体结合美国临时申请序列号61/367344。
技术领域
本发明涉及一种用于电子设备的传感器。更具体地，本发明涉及一种多传感器集成电路设备。
背景技术
传感器是接收并响应信号或刺激的设备。此处，术语“刺激”意思是需要转换为电形式的属性或数量。因此，传感器可以定义为接收信号并将其转换为可以进一步用于电子设备的电形式。传感器以如下方式区别于换能器：换能器将能量的一种形式转换为其他形式，然而传感器仅仅将接收到的信号转换为电形式。
存在许多种类型的传感器。例如，存在响应于光、动作、温度、磁场、重力、湿度、振动、加速度、压强、电场、声音和周围环境的其他物理方面的传感器。
传感器可以由分离部件制成，或者可以制成为集成电路设备，例如图1的集成电路设备10。集成电路设备10典型地包括包围半导体管芯14（以虚线示出）的电绝缘封装12以及若干与半导体管芯14耦合且伸出封装12外的导电引线16。封装12可以非常小，例如2mm×2mm，并且半导体管芯14甚至可以更小，例如100μm×100μm。
形成为集成电路设备的传感器可以廉价地大量生产且非常坚固。这些因素，连同它们的小尺寸，使得它们对于在诸如膝上型电脑和移动电话之类的便携式电子设备中的使用而言引人注目。
集成电路设备传感器包括光（“光学”）传感器、磁场（“磁”）传感器、温度传感器等。这些集成电路设备通常仅仅专用于特定的感测功能。因为各种传感器类型具有不同的制造和环境要求，所以每个集成电路设备仅仅提供一种传感器类型。
图2以概念性的形式示出了现有技术的包括单个传感器类型块18、控制块20和调节块22的管芯14’。例如，单个传感器类型可以是包括传感器块18的若干环境光传感器（ALS）光电二极管单元。在该示例中，控制块20可以控制光电二极管单元之间的互连并且调节块22可以“调节”光电二极管单元的输出信号。“调节”的意思是在从集成电路设备12输出之前以某种方式对传感器的输出进行增强、组合或修改。调节本质上可以是模拟和/或数字的。例如，放大是模拟调节的常见形式，而模数转换（ADC）是模/数调节的常见形式。
图3A和3B示出了现有技术的ALS光电二极管单元24，所述ALS光电二极管单元24可以形成传感器块18的一个单元，如上文所提及的那样。图3A是单元24的顶部平面视图，并且图3B是沿着图3A的线3B-3B取得的截面图。在该示例中，单元24包括：N型衬底28、第一P阱30、第二P阱32和盖层34。N型衬底典型地包括掺杂硅，虽然如本领域技术人员将认识到的，也可以使用其他半导体材料。而且，衬底和阱的极性可以是相反的。盖层34是半透明的，使得光L可以穿透盖层34至下面的层。“光”的意思是典型地范围为从红外（IR）直至紫外（UV）光谱的电磁辐射，当然包括可视光。光L进入盖层34下面的层的穿透的深度依赖于其波长，其中更长的波长的光穿透更深。盖层34可以用作滤波器以改变光L的光谱，从而可以将单元24调节为对特定波长的光比其它光敏感。例如ALS光电二极管单元24的ALS光电二极管单元的制造和使用对本领域技术人员而言是公知的。
非限制性地举例而言，图4A和4B示出了可能形成图1的传感器块18的一个单元的霍尔效应磁传感器36。图4A是霍尔效应单元36的顶部平面视图，而图4B是沿着图4A的线4B-4B取得的截面图。单元36包括：N型衬底40、四个N+区域42、44、46和48以及盖层50。N型衬底40典型地是硅，例如N掺杂硅晶片，虽然如本领域技术人员将认识到的，也可以使用其他半导体材料。盖层50典型地是不透明的，从而基本上阻止光L冲击下面的层以避免对霍尔效应磁体传感器的合适功能的潜在的干扰。例如，盖层50可以是例如铝的金属层。然而，如果管芯封装在不透明的封装中，盖层50无需是不透明的或者可以被省略。例如霍尔效应单元36之类的霍尔效应磁传感器的制造和使用对本领域技术人员而言是公知的。对于给定的磁传感器，在不存在磁场的情况下输入电流导致已知的电压。当磁场存在时，通过与已知电压比较来测量偏移电压。偏移电压的大小与磁场成比例。
图5示出了根据现有技术的形成为半导体管芯14’’的一部分的传感器单元的块18’。虽然一些单元标注为“S”且一些单元标注为“DS”，但它们都具有相同的传感器类型。例如，S单元可以是在图3A和3B中示出的光电二极管单元，而DS单元可以与S单元相同，除了盖层是不透明的而不是半透明的。这些被称为“暗单元”，它们可以用来检测传感器块18’中的噪声和随机波动。所以，从单元S（例如在调节电路中）的信号中减去由暗单元DS产生的信号以产生噪声水平降低的输出信号。
如注意到的，虽然各种传感器类型具有共同的特征，但是它们也具有非常不同的特征。例如，光电二极管单元应当暴露于光，而霍尔效应单元典型地被从光屏蔽。所以，用于光传感器的封装典型地至少是半透明的（或提供有对于感兴趣的波长的半透明的窗口），并且用于霍尔效应磁传感器的封装典型地是不透明的。正因为如此，在现有技术中，在共同的管芯上组合多种传感器类型的动机是不明显的。
对本领域技术人员而言，根据对下文的描述的阅读和对多幅附图的研究，这些和其他现有技术的限制将是显而易见的。
发明内容
作为示例而非限制，多传感器类型的集成电路设备包括：半导体管芯，包括在其上形成的第一传感器类型和第二传感器类型；电绝缘封装，包围所述半导体管芯；以及多个与所述半导体管芯耦合且从所述封装延伸的导电引线。
在实施例中，第一传感器类型是光学传感器且第二传感器类型是磁传感器。在实施例中，半导体管芯包括块，进一步地，其中所述块包括多个单元。在一些实施例中，每个单元仅仅包括光学传感器或磁传感器。在其它实施例中，每个单元包括多传感器类型传感器，所述多传感器类型传感器包括光学传感器和磁传感器。在一些实施例中，每个单元进一步包括半透明盖层。在实施例中，所述设备同样包括与所述块耦合的控制电路，其中控制电路包括配置为补偿光冲击磁传感器的影响的处理算法。在实施例中，每个单元进一步包括盖层，其中单元中的至少一个的盖层是不透明的，并且剩下单元的盖层是半透明的。在实施例中，处理来自具有不透明盖层的所述至少一个单元的磁传感器信号以确定磁场的存在。在实施例中，在具有不透明盖层的至少一个单元中的光学传感器用来测量光学传感器的暗电流。在实施例中，每个单元包括盖层，其中所述盖层包括设置在磁传感器上面的不透明部分以及设置在光学传感器上面的半透明部分。
在实施例中，所述第一传感器类型和所述第二传感器类型形成在单元中。在实施例中，第一传感器类型和第二传感器类型形成在具有多个单元的块中。在实施例中，所述块是第一块，并且进一步包括第一传感器类型的第二块。在实施例中，所述第一传感器类型形成在第一块和第二块中，并且其中所述第二传感器类型形成在第三块中。在实施例中，所述设备进一步包括形成在半导体管芯上的调节块。在实施例中，第一传感器类型和第二传感器类型都与调节块耦合。在实施例中，第一传感器类型和第二传感器类型通过多路复用器与所述调节块耦合。在实施例中，所述调节块是与所述第一传感器相关联的第一调节块，并且进一步包括与所述第二传感器相关联的第二调节块。
在实施例中，调节块包括具有与第一传感器类型和第二传感器类型中的至少一个耦合的输入端的放大器电路。在实施例中，所述调节块进一步包括具有与放大器电路的输出端耦合的输入端的模数转换器（ADC）。在实施例中，所述调节块进一步包括具有与所述ADC的输出端耦合的输入端的数字信号处理器（DSP）。在实施例中，所述调节块进一步包括耦合在放大器的输入端与输出端之间的增益控制部。在实施例中，所述增益控制部的控制输入端耦合到所述DSP。在实施例中，所述设备进一步包括耦合到第一传感器类型和第二传感器类型中的至少一个的控制电路。在实施例中，集成电路设备形成选自以本质上包括电脑、电话和手持电子设备的组的电子设备的一部分。
作为示例而非限制，多传感器类型集成电路管芯包括：第一极性的半导体衬底；第一极性的形成在所述衬底中的多个区域，所述多个区域与所述衬底相比相对更重地掺杂，其中所述多个区域包括第一传感器类型；第二极性的多个阱，形成在所述衬底中，其中所述多个阱包括与所述第一传感器类型不同的第二传感器类型；以及盖层，形成在所述衬底上面。
在实施例中，半导体衬底是N型衬底，所述多个区域是N+区域，并且所述多个阱是P阱。在实施例中，在P阱上面的所述盖层是第一类型的，并且在所述N+区域上面的所述盖层是第二类型的。在实施例中，第一类型的盖层是非金属的且第二类型的盖层是金属的。在实施例中，第一类型的盖层是半透明的且第二类型的盖层是不透明的。
作为示例而非限制，多传感器类型集成电路管芯包括：多传感器类型传感器块，所述传感器块包括第一类型的传感器和第二类型的传感器；以及调节块，所述调节块耦合到多传感器类型传感器块以处理对应于第一类型的传感器的第一传感器信号和对应于第二类型的传感器的第二信号。
在实施例中，第一类型的传感器包括光学传感器，并且第二类型的传感器包括磁传感器，进一步地，其中调节块配置为处理由多传感器类型传感器块感测的光学信号和磁信号两者。在实施例中，所述管芯进一步包括耦合在多传感器类型传感器块与调节块之间的多路复用器。在实施例中，调节块包括具有与第一传感器类型和第二传感器类型中的至少一个耦合的输入端的放大器电路。在实施例中，所述调节块进一步包括具有与放大器电路的输出端耦合的输入端的模数转换器（ADC）。在实施例中，所述调节块进一步包括具有与ADC的输出端耦合的输入端的数字信号处理器（DSP）。在实施例中，所述调节块进一步包括耦合在放大器的输入端与输出端之间的增益控制部。在实施例中，增益控制部的控制输入端耦合到DSP。在实施例中，所述管芯进一步包括与第一传感器类型和第二传感器类型中的至少一个耦合的控制电路。
对本领域技术人员而言，根据对下文的描述的阅读和对多幅附图的研究，本文中公开的这些和其他实施例以及优点和其它特征将变得显而易见。
附图说明
现在将参考附图描述几个示例性实施例，其中，为类似部件提供了类似的附图标记。所述示例性实施例意在例示而非限制本发明。附图包括以下的示图：
图1示出了集成电路设备的透视图；
图2示出了现有技术的单个传感器类型半导体管芯；
图3A示出了可以用作光传感器的现有技术的光电二极管的顶部平面视图；
图3B示出了沿着图3A的线3B-3B取得的截面图；
图4A示出了可以用作磁传感器的现有技术的霍尔效应单元的顶部平面视图。
图4B示出了沿着图4A的线4B-4B取得的截面图。
图5示出了包括多个相同类型的传感器单元的现有技术的传感器块的示图。
图6示出了多传感器类型半导体管芯。
图7示出了形成图6中的多传感器类型块的至少一部分的多传感器类型块。
图8A示出了具有第一传感器单元类型S1和第二传感器单元类型S2的传感器单元的多传感器类型块。
图8B示出了具有诸如第一传感器单元类型S1和第二传感器单元类型S2之类的多传感器类型的传感器单元的多传感器类型块。
图9示出了具有多路复用到共同的调节器的输出的多个传感器类型的框图。
图10A示出了第一组合光电二极管和霍尔效应传感器单元的顶部平面视图。
图10B示出了沿着图10A的线10B-10B取得的截面图。
图10C示出了根据实施例的包括盖层的沿着图10A的线10B-10B取得的截面图。
图10D示出了根据另一实施例的包括盖层的沿着图10A的线10B-10B取得的截面图。
图10E示出了根据另一实施例的包括盖层的沿着图10A的线10B-10B取得的截面图。
图11A示出了第二组合光电二极管和霍尔效应传感器单元的顶部平面视图。
图11B示出了根据实施例的包括盖层的沿着图11A的线11B-11B取得的截面图。
图11C示出了根据另一实施例的包括盖层的沿着图11A的线11B-11B取得的截面图。
图11D示出了根据另一实施例的包括盖层的沿着图11A的线11B-11B取得的截面图。
图12A示出了第三组合光电二极管和霍尔效应传感器单元的顶部平面视图。
图12B示出了根据实施例的包括盖层的沿着图12A的线12B-12B取得的截面图。
图12C示出了根据另一实施例的包括盖层的沿着图12A的线12B-12B取得的截面图。
图12D示出了根据另一实施例的包括盖层的沿着图12A的线12B-12B取得的截面图。
图13A示出了包括光电二极管和第二传感器的组合单元的顶部平面视图。
图13B示出了根据实施例的包括盖层的沿着图13A的线13B-13B取得的截面图。
图13C示出了根据另一实施例的包括盖层的沿着图13A的线13B-13B取得的截面图。
图13D示出了根据另一实施例的包括盖层的沿着图13A的线13B-13B取得的截面图。
图14示出了组合光电二极管和霍尔效应传感器单元的概念性框图。
图15示出了多传感器类型传感器和信号调节器的框图。
图16A示出了形成在共同的半导体管芯上的组合磁/光传感器单元。
图16B示出了形成在共同的半导体管芯上的组合光电二极管暗和磁块以及光学传感器块。
图16C示出了形成在共同的半导体管芯上的光学传感器块、光电二极管暗块和磁块。
图17示出了在翻盖手机或笔记本电脑中的多传感器类型集成电路设备的使用。
图18示出了作为百叶窗控制部或带有相对滑动构件的其它装置的一部分的多传感器类型集成电路设备的使用。
具体实施方式
本申请的实施例针对多传感器类型集成电路设备。本领域技术人员将认识到下文对多传感器类型集成电路设备的具体描述仅仅是例示性的而非意在以任何方式构成限制。这些受益于本公开内容的本领域技术人员将容易想到多传感器类型集成电路设备的其它实施例。
如在附图中示出的，现在将具体参考多传感器类型集成电路设备的实施方式。在所有的附图以及下文的具体描述中将使用相同的附图标记来指代相同或类似部分。为了清楚起见，不是所有的本文描述的实施方式的常规特征都被示出或被描述。当然，众所周知的是，在任意这样的实际实施方式的开发中，将可能做出众多对于实施方式而言特定的决定，以便实现开发者的特定目标，例如符合应用和商业相关的约束，并且这些具体目标在一个实施方式与另一个实施方式以及一个开发者与另一个开发者之间可能会有所不同。此外，需要理解的是，虽然这样的开发工作可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开内容的本领域技术人员而言，仍然是工程的常规任务。
多传感器类型集成电路设备的实施例包括形成在单个半导体管芯上的第一传感器类型和第二传感器类型。在一些实施例中，所述第一传感器类型是光学传感器，并且所述第二传感器类型是磁传感器。作为非限制性的示例，光学传感器可以是光电二极管，并且磁传感器可以是霍尔效应磁传感器。多传感器类型集成电路设备利用光学传感器和磁传感器的共同结构来形成执行光学和磁感测两者的单个半导体管芯。在其他实施例中，形成在单个半导体管芯上的所述传感器类型可以是不同于、或者除了光学和磁以外的类型。与常规的分离部件相比，在单个单元或管芯中集成多感测类型可以带来总尺寸的减小。
如本文中使用的，“磁”将表示可以用来通过检测磁场来产生电信号的半导体传感器结构。同样如本文中使用的，“光学”将表示可以用来通过检测光（如上文定义的）来产生电信号的半导体传感器结构。所以，有时，同义地使用“光传感器”和“光学传感器”。然而，在其它时间，“光学传感器”可能指的是光检测的更复杂的形式（包括多单元光检测器），或者诸如滤波器、透镜等的其它光学部件的增加。
多传感器类型集成电路设备包括多个感测单元。所述多个感测单元形成感测块。在一些实施例中，每个感测单元至少包括第一感测类型和第二感测类型。在其它实施例中，每个感测单元仅仅包括所述感测类型之一，并且具有不同感测类型的不同单元在所述感测块中被构图，例如构图成如下的交替图案：在整个感测块内，光学感测单元挨着磁感测单元设置，所述磁感测单元又挨着另一个光学感测单元设置，以此类推。可以使用除了交替图案以外的图案。
图6通过示例且非限制的方式示出了多传感器类型管芯52，包括多传感器类型块54、控制块56和调节块58。块54包括多个传感器单元。在一些实施例中，每个传感器单元配置为具有单个传感器类型，例如光传感器、磁传感器、温度传感器等。在其它实施例中，每个感测单元配置为具有两个或更多个传感器类型。为了本文介绍的示例的目的，通常所指的传感器类型是以下两种传感器类型：光传感器和磁传感器。然而，可以理解的是，同样可以采用不同或额外的传感器类型。此外，为了本文介绍的示例的目的，将光传感器描述为一个或多个光电二极管单元，并且将磁传感器描述为一个或多个霍尔效应单元。然而，可以理解的是，同样可以采用不同的光和磁传感器类型。
控制块56可以几乎如针对现有技术描述的那样操作，并且可以包括额外的功能。例如，控制块56可以使能或禁用传感器类型、通过使用开关来重新配置传感器单元，等等。同样地，调节块58可以几乎如针对现有技术描述的那样操作，并且可以包括如随后描述的额外的功能。
图7通过非限制性示例的方式示出了形成图6中的多传感器类型块54的至少一部分的多传感器类型块54’。在本实施例中，两个或更多的不同类型的传感器单元60形成在集成电路管芯52上的块54’内。随后将描述通过示例而非限制的方式介绍的各种实施例。
图8A通过非限制性示例的方式示出了具有第一传感器单元类型S1和第二传感器单元类型S2的传感器单元的多传感器类型块62。在本实施例中，每个传感器单元配置为仅仅具有单个传感器类型。在图8A所示的示例中，传感器单元S1和S2布局成棋盘状图案，但同样考虑其它图案。此外，传感器单元的比S1/S2可以变化，并且可以增加例如传感器单元类型S3、S4、…、SN等的额外的传感器单元类型。
在其它实施例中，多传感器类型块内的每个传感器单元（例如图7的块54’内的每个单元60）配置为具有多传感器类型，例如具有光传感器和磁传感器的每个单元。图8B通过非限制性示例的方式示出了具有诸如第一传感器单元类型S1和第二传感器单元类型S2的多传感器类型的传感器单元的多传感器类型块62’。在本实施例中，每个传感器单元均配置为具有传感器类型S1和S2两者。
图9是具有通过多路复用器（MUX）66与调节器块64耦合的输出端的多个传感器单元类型S1、…、SN的框图。图9中的块S1代表从多传感器类型块中的每个传感器单元类型S1发出的感测到的信号，例如从图8中的每个传感器单元类型S1输出的感测到的信号。MUX66由控制输入端68控制。作为非限制性的示例，控制输入端68由调节器块64提供。在另一非限制性的示例中，从芯片外提供控制信号。通过这种方式，调节器块的电路可以用于多传感器类型，节省芯片的“面积（real estate）”且潜在地降低成本。
图10A和10B通过示例而非限制的方式，示出了第一组合光电二极管和霍尔效应传感器单元70。图10A是单元70的顶部平面视图，并且图10B是沿着图10A的线10B-10B取得的截面。所述单元70包括N型衬底74、P阱76以及多个N+区域80a、80b、80c和80d。N型衬底典型地是硅（例如N掺杂单晶硅晶片），尽管如本领域技术人员将认识到的，可以使用其它半导体材料。虽然图10B中仅仅示出了N型衬底，其中形成单元70的半导体管芯的衬底可以包括一个或多个额外的衬底层，例如，N型衬底74可以是形成在P型衬底内的N-EPI层。同样地，应当注意的是，可以反转本文所述的极性，使得N掺杂材料可以是P掺杂的，反之亦然。
在操作中，单元70通过测量作为光冲击P阱76的结果产生的电流来用作光传感器。测量到的电流的量与光冲击P阱的量成比例。通过使电流流过两个N+区域，例如向N+区域80a供应电流且使N+区域80b接地，并且测量跨越诸如N+区域80c和80d的其它两个N+区域的差分电压，单元70用作霍尔效应磁传感器。差分电压在存在磁场时变化。为了最小化差分电压读取中的误差，测量且交替地处理不同的相位，其中每个相位对应于向不同的N+区域施加电流以及测量跨越N+区域的相应对的差分电压。例如，第一相位是如上文所述的，第二相位向N+区域80c施加电流，使N+区域80d接地，并且测量跨越N+区域80a和80b的差分电压，等等，以便向每个N+区域施加电流。
图10c示出了根据一实施例的包括盖层82的单元70。在图10C所示的实施例中，盖层82是半透明的。图10D示出了根据另一实施例的包括盖层82’的单元70’。在图10D所示的实施例中，盖层82’是不透明的，如本文使用的，“半透明”将意味着，如前面定义的光被允许通过盖层而不会有过度的衰减。所以，如本文定义的“半透明”包括透明。如本领域技术人员将认识到的，各种无机和有机材料可以用于盖层。半透明盖层可以因为前面提出的理由而有选择地过滤冲击光的一个或多个波长范围。同样地，如本文使用的，“不透明”将意味着光基本上被阻挡通过盖层。如果传输通过盖层的光量不影响下面层的操作，即使一定量的光通过并到达下面的层，盖层仍然可以被认为是不透明的。不透明层适宜地由例如铝的金属制成，尽管如本领域技术人员将认识到的，其它材料也是合适的。
图10E示出了根据另一实施例的包括盖层82’’的单元70’’。在图10E所示的实施例中，在P阱76上面的盖层82’’的部分82’’a是半透明的，并且在N+区域80a、80b、80c和80d上面的部分82’’b是不透明的。部分82’’a可以因为前面提出的理由而有选择地过滤冲击光的一个或多个波长范围。
盖层82、82’和82”中的一个的实施方式是专用的。为了将所述单元用作光传感器，P阱76必须暴露于光，这需要如图10C和10E中的半透明盖层。在一些实施例中，可以通过补偿光电二极管中的“暗电流”来改进光传感器的结果，其中暗电流是漏电流、噪声和光电二极管中的随机波动的度量。暗电流可以通过使用如图10D中的在P阱76上面的不透明盖层并测量光电二极管的对应电流来确定。以这种方式，图10D中的单元70’用作暗单元。在一些实施例中，传感器块的一个或多个单元可以包括不透明盖层以确定暗电流，所述暗电流随后可以用来补偿从具有半透明盖层的那些单元获得的光传感器信号。
所述单元可以用作具有如图10C中的半透明盖层、如图10D中的不透明盖层、或者如图10E中的组合的不透明和半透明盖层的霍尔效应磁传感器。当暴露于光时，霍尔效应传感器可能受到负面影响。在一些实施例中，冲击光的影响是微不足道的或可以被补偿，这允许使用半透明盖层。在这种情况下，霍尔效应单元上的光影响可以预先确定，并且可以将控制块和调节块配置为补偿预先确定的光影响。在其它应用中，霍尔效应传感器上的光影响太大而需要使用不透明盖层。在传感器块中的一个或多个单元包括不透明盖层的那些实施例中，例如在图10D中，一个或多个暗单元可以用来确定暗电流测量值并用作不暴露于光的霍尔效应传感器。与一些单元整体覆盖有半透明盖层而一个或多个单元整体覆盖有不透明层不同或作为该情况的补充，所述单元中的一些或全部可以配置为具有组合不透明和半透明盖层，例如在图10E中。通常，具有多个单元的传感器块可以配置成使得多个单元配置成具有诸如在图10C中的半透明盖层82、在图10D中的不透明盖层82’以及在图10E中的组合盖层82’’等的盖层的任意组合。
在图10A所示的示例性的结构中，单元70包括一个P阱和四个N+区域。在替换的结构中，单元可以包括多于一个的P阱以及多于四个的N+区域。在图10A中所示的P阱和N+区域的相对数目、尺寸和位置仅仅用于示例性目的，而并非用于限制P阱和N+区域的可能的数目、尺寸和位置。
图11A和11B通过示例而非限制的方式示出了根据实施例的第二组合光电二极管和霍尔效应传感器单元170。图11A是单元170的顶部平面视图，并且图11B是沿着图11A的线11B-11B取得的截面。单元170包括N型衬底174、P阱176、P阱178、多个N+区域180以及盖层182，所述多个N+区域180包括N+区域180a、180b、180c和180d。N型衬底典型地是硅（例如N掺杂单晶硅晶片），虽然如本领域技术人员将认识到的，也可以使用其它半导体材料。虽然图11B中仅仅示出了N型衬底，但其中形成有单元170的半导体管芯的衬底可以包括一个或多个额外的衬底层。例如，N型衬底174可以是形成在P型衬底内的N-EPI层。同样地，应当注意的是，可以反转本文所述的极性，使得N掺杂材料可以是P掺杂的，反之亦然。多P阱结构的优点在于用不同的滤光器覆盖每个P阱以提供特定的光响应。
在图11B所示的实施例中，盖层182是半透明盖层。图11C示出了根据另一实施例的包括盖层182’的单元170’。在图11C所示的实施例中，盖层182’是不透明的。图11D示出了根据另一实施例的包括盖层182’’的单元170’’。在图11D所示的实施例中，在P阱176上面的盖层182’’的部分182’’a是半透明的，并且在包括N+区域180a、180b、180c和180d的N+区域180上面的部分182’’b是不透明的。
图12A和12B通过示例而非限制的方式示出了第三组合光电二极管和霍尔效应传感器单元84。图12A是单元84的顶部平面视图，并且图12B是沿着图12A的线12B-12B取得的截面。单元84包括N型衬底88，四个P阱90a、90b、90c和90d，四个N+区域92a、92b、92c和92d，以及盖层86。N型衬底典型地是硅，虽然如本领域技术人员将认识到的，也可以使用其它半导体材料。可以反转本文所述的极性，使得N掺杂材料可以是P掺杂的，反之亦然。
在图12B所示的实施例中，盖层86是半透明盖层。图12C示出了根据另一实施例的包括盖层86’的单元84’。在图12C所示的实施例中，盖层86’是不透明的。图12D示出了根据另一实施例的包括盖层86’’的单元84’’。在图12D所示的实施例中，盖层86’’在P阱90a和90b上面的部分86’’b是半透明的，并且在包括N+区域90a、90b、90c和90d的N+区域92上面的部分86’’a是不透明的。
图13A和13B通过示例而非限制的方式示出了组合光电二极管和额外的传感器单元94。图13A是单元94的顶部平面视图，并且图13B是沿着图13A的线13B-13B取得的截面。单元94包括：N型衬底98，四个P阱100a、100b、100c和100d，盖层104以及四个额外的传感器区域102a、102b、102c和102d。N型衬底典型地是硅（例如N掺杂单晶硅晶片），虽然如本领域技术人员将认识到的，也可以使用其它半导体材料。可以反转本文所述的极性，使得N掺杂材料可以是P掺杂的，反之亦然。
在图13B所示的实施例中，盖层104是半透明盖层。图13C示出了根据另一实施例的包括盖层104’的单元94’。在图13C所示的实施例中，盖层104’是不透明的。图13D示出了根据另一实施例的包括盖层110’’的单元94’’。在图13D所示的实施例中，在P阱上面的盖层104’’的部分104’’b是半透明的，并且在包括区域102a、102b、102c和102d的区域102上面的部分104’’a是不透明的。
额外的传感器102a、102b、102c、102d可以是彼此间相同的，或者可以是彼此间不同的。例如，额外的传感器102a、102b、102c、102d可以是霍尔效应传感器单元。作为进一步的示例，额外的传感器102a、102b、102c、102d可以是诸如组合传感器单元70、170和84的组合传感器单元。在该第二示例中，如果部分104’’a是不透明的，则单元70、170和84的光电二极管可以用作“暗”光电二极管以用于上文所述的目的。
上文描述的单元中的每一个都包括盖层。替代地，单元可以配置为没有盖层。
图14示出了组合光电二极管和霍尔效应传感器单元的概念性框图，作为非限制性的示例，可以针对图12A和图12B适宜地参考所述组合光电二极管和霍尔效应传感器单元。图12A中的单元84的光电二极管部分包括P阱90a、90b、90c、90d，其功能性地表示为图14中的P阱二极管。举例而言，使用旁路开关112部分地实施控制块。P阱二极管90a、90b、90c、90d各自耦合到N型衬底88。N+区域92a、92b、92c、92d耦合到霍尔效应驱动器/多路复用器114。霍尔效应磁传感器的操作以及霍尔效应驱动器的构造和使用对于本领域技术人员而言是公知的。在操作中，使用P阱的光学感测不会与使用N+区域的磁感测同时地出现。通过关闭开关112，从而形成跨越P阱90a、90b、90c、90d的短路且使光电二极管不能操作，单元84用作霍尔效应磁传感器。为了恢复光检测，将开关112断开。
在一些实施例中，可以使用共同的调节器电路处理对应于单元的光学传感器和磁传感器两者的感测到的信号。图15示出了包括例如图6中的多传感器类型块54的多传感器类型传感器以及通过非限制性示例的方式介绍的信号调节器的电路116的框图。信号调节器可以包括，但不限于：差分放大器120，模数转换器（ADC）122，数字信号处理器（DSP）124以及增益电路126。在该非限制性示例中，多传感器类型传感器118耦合到差分放大器120。将放大器120的输出输入到具有N位输出的ADC122中。可选的DSP124可以进一步调节信号。在该示例中，增益控制电路126耦合在放大器120的输出端与其输入端中的一个输入端之间。DSP124可以向增益电路126提供线128上的控制信号。信号调节器配置为处理两个差分信号，光学相关信号和磁相关信号。可以理解，替换的信号处理电路可以用来处理从多传感器类型传感器输出的光学相关信号和磁相关信号。例如，与图15中所示的调节器电路相比包括额外的或不同的电路部件的替换的调节器电路可以用来共同地处理光学相关信号和磁相关信号。作为另一个示例，分离的处理电路可以用来处理光学相关信号和磁相关信号。
图16A-16C示出了各种元件的组合以提供多传感器类型集成电路设备。在图16A中，多传感器类型集成电路设备130A包括具有组合磁/光学单元的半导体管芯132a。在图16B中，多传感器类型集成电路设备130B包括具有组合光电二极管暗/磁块以及光学传感器块的半导体管芯132b。在图16C中，多传感器类型集成电路设备130C包括具有光学传感器块、光电二极管暗块以及磁块的半导体管芯132C。也考虑其它组合。图16A-16C中所示的结构针对在块级的不同的组合。类似的结构可以应用于块内的单元级。
上文描述的实施例针对多传感器类型单元，其中不同传感器类型的感测元件本质上是共面的。例如，用于光学感测的P阱和用于磁感测的N+区域设置在衬底的顶部表面。在替换的实施例中，光学感测元件和磁感测元件不必须是共面的。例如，由于待检测的磁场穿透至衬底的表面下面，所以光学感测元件可以堆叠在磁感测元件上面。
图17通过非限制性示例的方式示出了在“翻盖手机”或笔记本电脑134中的多传感器类型集成电路设备的使用。翻盖手机或笔记本电脑134包括具有键盘138的基础部分136以及具有屏幕142的顶部部分140。基础部分136和顶部部分140通过铰链144连接以用于如在146处指示的相对运动。在基础部分136中提供磁体148，并且在顶部部分140中提供磁/光学多传感器类型集成电路设备150。所述多传感器类型集成电路设备150可以因此用作环境光传感器（ALS），以（例如）控制屏幕142的背光，以及在笔记本电脑关闭时（通过感测磁体148的磁场）进行检测。
图18通过进一步的非限制性示例的方式示出了作为检测环境光和百叶窗的位置两者的百叶窗控制部152的部分的多传感器类型集成电路设备的使用。百叶窗控制部152包括第一部分152a，所述第一部分152a如在154处指示的那样关于第二部分152b移动。在部分152b中提供磁体156且在部分152a中提供磁体/光学多传感器类型集成电路设备158。百叶窗控制部可以随后基于环境光和窗叶部分的相对位置调整百叶窗的位置。这个布置对于例如一些手机的具有相互滑动构件的其它装置同样工作良好。
已经结合细节就特定实施例描述了本申请，以促进对多传感器类型集成电路设备的构造和操作的原理的理解。可以将各附图中示出和描述的许多部件互换以实现必要的结果，并且也应当阅读本说明书以完成这样的互换。就其本身而言，本文对特定实施例及其细节的参考并不意在限制所附的权利要求的范围。对本领域技术人员而言是显而易见的是，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以对选出用于例示的实施例做出修改。

Claims (40)

1.一种集成电路设备，包括：
半导体管芯，包括：
掺杂有第一类型的掺杂剂的衬底；
形成在所述衬底中的多个区域，其中所述多个区域掺杂有所述第一类型的掺杂剂，其中所述多个区域比所述衬底更重地掺杂，并且其中所述多个区域与所述衬底形成第一传感器；以及
形成在所述衬底中的多个阱，其中所述多个阱掺杂有第二类型的掺杂剂，其中所述第二类型的掺杂剂相对于所述第一类型的掺杂剂具有相反的极性，其中所述多个阱与所述衬底形成多个第二传感器，其中所述多个阱中的一个阱与所述衬底形成所述多个第二传感器中的一个第二传感器，其中所述第一传感器的所述多个区域与所述多个第二传感器的所述多个阱共享所述衬底，并且其中所述第二传感器与所述第一传感器不同；
包围所述半导体管芯的电绝缘封装；以及
多个与所述半导体管芯耦合且从所述封装延伸的导电引线。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一传感器是磁传感器且所述第二传感器是光学传感器。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述半导体管芯包括块，并且其中所述块包括多个单元。
4.根据权利要求3所述的设备，其中每个单元仅仅包括所述光学传感器或所述磁传感器中的一个。
5.根据权利要求3所述的设备，其中每个单元包括多传感器类型传感器，所述多传感器类型传感器包括所述光学传感器和所述磁传感器。
6.根据权利要求5所述的设备，其中每个单元进一步包括半透明盖层。
7.根据权利要求6所述的设备，进一步包括与所述块耦合的控制电路，其中所述控制电路包括配置为补偿光冲击所述磁传感器的影响的处理算法。
8.根据权利要求5所述的设备，其中每个单元进一步包括盖层，其中所述单元中的至少一个的所述盖层是不透明的，而剩余单元的所述盖层是半透明的。
9.根据权利要求8所述的设备，其中处理来自具有所述不透明盖层的所述至少一个单元的磁传感器信号，以确定磁场的存在。
10.根据权利要求8所述的设备，其中具有不透明盖层的所述至少一个单元中的所述光学传感器用来测量所述光学传感器的暗电流。
11.根据权利要求5所述的设备，其中每个单元包括盖层，其中所述盖层包括设置在所述磁传感器上面的不透明部分以及设置在所述光学传感器上面的半透明部分。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一传感器和所述第二传感器形成在单元中。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一传感器和所述第二传感器形成在包括多个单元的块中。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述块是第一块，并且进一步包括所述第一传感器的第二块。
15.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一传感器形成在第一块和第二块中，并且其中所述第二传感器形成在第三块中。
16.根据权利要求1所述的设备，进一步包括形成在所述半导体管芯上的调节块。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述第一传感器和所述第二传感器都与所述调节块耦合。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述第一传感器和所述第二传感器通过多路复用器而与所述调节块耦合。
19.根据权利要求16所述的设备，其中所述调节块是与所述第一传感器相关联的第一调节块，并且进一步包括与所述第二传感器相关联的第二调节块。
20.根据权利要求16所述的设备，其中所述调节块包括放大器电路，该放大器电路具有与所述第一传感器和所述第二传感器中的至少一个耦合的输入端。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述调节块进一步包括模数转换器(ADC)，该模数转换器(ADC)具有与所述放大器电路的输出端耦合的输入端。
22.根据权利要求21所述的设备，其中所述调节块进一步包括数字信号处理器(DSP)，该数字信号处理器(DSP)具有与所述ADC的输出端耦合的输入端。
23.根据权利要求22所述的设备，其中所述调节块进一步包括耦合在所述放大器电路的所述输入端与所述输出端之间的增益控制部。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所述增益控制部的控制输入端耦合到所述DSP。
25.根据权利要求1所述的设备，进一步包括耦合到所述第一传感器和所述第二传感器中的至少一个的控制电路。
26.根据权利要求1所述的设备，其中所述集成电路设备形成选自本质上包括电脑、电话和手持电子设备的组的电子设备的一部分。
27.一种集成电路的管芯，包括：
掺杂有第一类型的掺杂剂的衬底；
形成在所述衬底中的多个区域，其中所述多个区域掺杂有所述第一类型的掺杂剂，其中所述多个区域比所述衬底更重地掺杂，并且其中所述多个区域与所述衬底形成第一传感器；
形成在所述衬底中的多个阱，其中所述多个阱掺杂有第二类型的掺杂剂，其中所述第二类型的掺杂剂相对于所述第一类型的掺杂剂具有相反的极性，其中所述多个阱与所述衬底形成多个第二传感器，其中所述多个阱中的一个阱与所述衬底形成所述多个第二传感器中的一个第二传感器，其中所述第一传感器的所述多个区域与所述多个第二传感器的所述多个阱共享所述衬底，并且其中所述第二传感器与所述第一传感器不同；以及
盖层，形成在所述衬底上面。
28.根据权利要求27所述的管芯，其中所述衬底是N型衬底，所述多个区域是N+区域，并且所述多个阱是P阱。
29.根据权利要求28所述的管芯，其中在所述P阱上面的所述盖层是第一种类的，并且在所述N+区域上面的所述盖层是第二种类的。
30.根据权利要求29所述的管芯，其中所述第一种类的所述盖层是非金属的而所述第二种类的所述盖层是金属的。
31.根据权利要求29所述的管芯，其中所述第一种类的所述盖层是半透明的而所述第二种类的所述盖层是不透明的。
32.一种集成电路的管芯，包括：
传感器块，包括第一传感器和第二传感器；以及
调节块，耦合到所述传感器块，以处理对应于所述第一传感器的第一信号和对应于所述第二传感器的第二信号，
其中所述第二传感器与所述第一传感器不同，
其中所述传感器块包括掺杂有第一极性的掺杂剂的阱以及掺杂有第二极性的掺杂剂的多个区域，所述第二极性与所述第一极性相反，
其中所述传感器块通过产生与冲击所述阱的光成比例的电流来用作所述第一传感器，
其中所述传感器块通过使电流流过所述多个区域中的第一和第二区域并且在存在磁场的情况下使跨越所述多个区域中的第三和第四区域的差分电压发生变化来用作第二传感器，并且
其中所述调节块针对所述第二传感器测量且交替地处理不同的相位，每个相位中的测量和处理包括向第一区域施加电流，使第二区域接地，以及测量跨越第三和第四区域的差分电压。
33.根据权利要求32所述的管芯，其中所述第一传感器包括光学传感器，并且所述第二传感器包括磁传感器，并且其中所述调节块配置为处理由所述传感器块感测的光学信号和磁信号两者。
34.根据权利要求32所述的管芯，进一步包括耦合在所述传感器块与所述调节块之间的多路复用器。
35.根据权利要求32所述的管芯，其中所述调节块包括放大器电路，该放大器电路具有与所述第一传感器和所述第二传感器中的至少一个耦合的输入端。
36.根据权利要求35所述的管芯，其中所述调节块进一步包括模数转换器(ADC)，该模数转换器(ADC)具有与所述放大器电路的输出端耦合的输入端。
37.根据权利要求36所述的管芯，其中所述调节块进一步包括数字信号处理器(DSP)，该数字信号处理器(DSP)具有与所述ADC的输出端耦合的输入端。
38.根据权利要求37所述的管芯，其中所述调节块进一步包括耦合在所述放大器电路的所述输入端与所述输出端之间的增益控制部。
39.根据权利要求38所述的管芯，其中所述增益控制部的控制输入端耦合到所述DSP。
40.根据权利要求32所述的管芯，进一步包括与所述第一传感器和所述第二传感器中的至少一个耦合的控制电路。
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