CN104051488B - 光学传感器 - Google Patents

Abstract

集成电路设备包括活性半导体衬底，其包括光电二极管的阵列。集成电路设备还包括介电层，其设置成相邻于活性半导体衬底，且紧邻光电二极管的阵列。介电层具有与活性半导体衬底相邻的第一侧和与活性半导体衬底相对的第二侧。介电层包括至少基本不透明的材料层。该至少基本不透明的材料层界定配置成允许入射在介电层的第二侧上的电磁辐射到达光电二极管的阵列的孔。

Description

光学传感器

相关申请的交叉引用

本申请根据美国法典第35卷119条（e）款要求2013年3月14日提交的、且标题为“INTEGRATED OPTICAL SENSOR”的美国临时申请序列No.61/781,409的权益，该临时申请通过引用被全部并入本文。

背景技术

手势检测设备是允许电子设备的操作员使用手势（例如手、手指等的身体运动）向设备提供输入的人机接口（HMI）。例如，操作员可使用他或她的手指来操控电子显示器（例如附接到移动计算设备、个人计算机（PC）或连接到网络的终端的显示器）上的图像。在一些情况下，操作员可同时使用两个或多个手指来提供唯一的命令，例如通过使两个手指远离彼此移动而执行的放大命令，通过使两个手指朝着彼此移动而执行的缩小命令，等等。电子视觉显示器可合并手势检测设备以检测手势的存在和/或位置。手势检测设备可与诸如一体化计算机、平板计算机、卫星导航设备、游戏设备和智能电话的设备一起使用。手势检测设备能够使操作员直接与通过显示器显示的信息进行互动，而不是间接与通过鼠标或触摸板控制的指示器进行互动。

发明内容

集成电路设备包括活性半导体衬底，其包括光电二极管的阵列。集成电路设备还包括介电层，其设置成与活性半导体衬底相邻，且紧邻（proximate）光电二极管的阵列。介电层具有与活性半导体衬底相邻的第一侧和与活性半导体衬底相对的第二侧。介电层包括至少基本不透明的材料层。该至少基本不透明的材料层界定出孔，所述孔配置成允许入射在介电层的第二侧上的电磁辐射到达光电二极管的阵列。

该发明内容被提供以简化的形式引入选择概念，该概念在以下具体实施方式中被进一步描述。该发明内容并不预期识别所主张的主题的关键特征或必要特征，也不预期在确定所主张的主题的范围时用作帮助。

附图说明

参考附图描述了具体实施例。在说明书和附图中的不同实例中的相同的附图标记可指示相似或相同的项目。

图1是根据本公开的示例性实施例的针孔相机的示意图。

图2是根据本公开的示例性实施例的针孔相机的集成技术环境的示意图。

图3是根据本公开的示例性实施例使用集成技术形成的针孔相机的示意图。

图4是根据本公开的示例性实施例使用集成技术形成的多个针孔相机的示意图，其中不同相机的对应光电二极管并联连接。

图5是示出根据本公开的示例性实施例使用集成技术形成的针孔相机的俯视图。

图6是示出根据本公开的示例性实施例使用集成技术形成的多个针孔相机的俯视图。

图7是示出根据本公开的示例性实施例制造集成光学传感器的方法的流程图。

具体实施方式

概述

针孔相机是使用单个小孔的简单相机。针孔相机可用在各种成像应用中，包括不使用透镜来提供光学功率的应用。通常来说，针孔产生在不透明材料中。针孔限制来自物体的光，使得物体上的点对应于在所产生的图像上的小斑点。当针孔尺寸相对于到物体的距离是小的时，在与物体上的不同点相对应的像点之间的重叠很小，从而产生在物点和像点之间的一对一对应。光的波特性通常对针孔尺寸强加下限，从而使针孔具有比所使用的辐射的波长大的开口（衍射限制）。来自针孔的辐射以与针孔本身大致相同的尺寸投射到图像平面通常提供针孔相机的分辨率限度。

如本文所述的，集成光学传感器包括在互补金属氧化物半导体（CMOS）技术环境中实现的相机和像素阵列。示例性集成光学传感器不一定需要外部（例如半导体封装）部件，并可被制造在小集成电路（例如，作为“智能灰尘”传感器）中。在本公开的实施例中，集成光学传感器被实现为用于显示、控制、计算、和/或触摸设备的光纤跟踪和/或手势识别设备。在一些实施例中，工艺金属作为不透明材料用于形成示例性针孔。设置成与示例性针孔相邻的是在活性硅上形成的成像传感器阵列（例如，电荷采集设备（例如尺寸大约例如几十个像素的光电二极管）的阵列）。如在本文所述的，每个光电二极管具有至少基本等于针孔面积的传感器面积。可通过例如工艺介电堆栈的厚度来确定在示例性针孔相机之上的焦距。

在本公开的实施例中，使用集成光学传感器提供在距传感器阵列大约一厘米（1cm）和大约十厘米（10cm）之间的跟踪。此外，为多个物体例如多个手指提供跟踪。例如，在一些实施例中，五个物体被同时跟踪。以这种方式，集成光学传感器可用于检测复杂的手势，例如通过使两个手指远离彼此移动而执行的放大命令，通过使两个手指朝着彼此移动而执行的缩小命令，等等。

在一些实施例中，相机的阵列用于增加信号强度和信噪比（例如，用于使后端信号处理器从检测到的成像信号取得手指跟踪和手势识别信息）。例如，通过并联连接示例性相机阵列的对应光电二极管来实现信号增强，其中每个阵列提供相同的或至少基本相同的图像信息。当如本文所述的集成光学传感器以使用电磁辐射的外部源来照亮物体的设备（例如红外（IR）发光二极管（LED）设备）来实现时，电磁辐射源的强度可降低，从而改善设备的功耗特性。

如本文描述的技术和设备用于应用，包括但不一定限于手指跟踪、手势识别、用于光学感测的光检测器、手势和触摸屏应用、显示控制应用等。例如，所述技术和设备可用于与电子设备通过接口连接，这些电子设备包括但不一定限于：大触摸平板产品、触摸板产品、一体化计算机、移动计算设备（例如手持便携式计算机、个人数字助理（PDA）、膝上型计算机、笔记本计算机、平板计算机等）、移动电话设备（例如蜂窝电话和智能电话）、包括与智能电话和平板计算机（例如平板手机）相关的功能的设备、便携式游戏设备、便携式媒体播放器、多媒体设备、卫星导航设备（例如全球定位系统（GPS）导航设备）、电子书阅读器设备（eReader）、智能电视（TV）设备、表面计算设备（例如，桌上计算机）、个人计算机（PC）设备、以及使用消费和/或工业电子设备中的基于手势的人接口的其它设备。

示例性实现

参考图1，通过在平面A处的不透明材料中产生的直径d的针孔在图像平面B上观察到尺寸Δ的手指尖。在一些实施例中，手指尖由具有特定特征（例如波长）的电磁辐射源来照亮，其中电磁辐射源紧邻检测器平面（例如，侧平面B）定位。在一些实施例中，低强度LED紧邻针孔相机和像素阵列定位，以照亮操作员的身体的一部分，例如手或手指。低强度LED可配置成产生具有在可见光和/或红外光谱（例如范围从至少大约三百纳米（300nm）到至少大约一千一百纳米（1,100nm））中的一个或多个特征波长的电磁辐射。在其它实施例中，使用来自外部环境的辐射（例如，自然光、来自房间的照明设备的室内光，等）提供照明。如所示，在手指尖距平面A的某个距离处，手指尖的图像在图像平面B处（例如，在与手指尖的边缘处的点1和2相对应的位置处）被分辨出。

现在参考图2，关于针孔相机（例如，如参考图1描述的）描述了一个或多个前照明光学传感器的集成技术环境，其中B是在活性硅上形成的检测器平面，A是不透明材料（例如，工艺金属、金属上的多晶硅介电材料，等）的平面，且C是前端介电表面（例如，环氧树脂等）。在本例中，介电介质具有折射率n0、n1和n2，其中n0是外部环境（例如空气）的折射率。在本例中，对传感器操作无限制地假设n0等于至少大约一（1），而n1和n2都等于至少大约一点五（1.5）。由于工艺电介质的折射率大于外部环境（例如空气）的折射率，入射辐射的发散度变窄，以便如下从斯涅耳定律估计出到针孔的最大入射角：sin(β)≤1/n。在本例中，针孔的视场α因而变窄到大约正负（plus-or-minus）四十二度（±42°）或更小。

虽然集成技术允许亚微米大小的针孔设计，在本例中，衍射可如下将下限强加到针孔直径d：

其中f是针孔相机的焦距（例如在介电堆栈的顶金属和检测器平面之间的距离），且λ是所使用的辐射的波长（在本例中，前端介电折射率n用于将空气中λ缩短到λ/n）。在示例性集成技术配置中，近红外辐射波长λ在空气中等于至少大约八百五十纳米（850nm），且工艺（例如金属）介电堆栈的厚度f等于至少大约八微米（8μm）。从上面的表达式（例如，被校正到前端介电折射率）中，确定至少大约六微米（6μm）（例如五点八微米（5.8μm））的针孔相机。可如下根据辐射光束发散度来估计在针孔之下的活性硅B上产生的图像的直径D：

D=d+2ftan(β_max)

其对于焦距f，且在β_max的值等于至少大约四十二度（42°）的情况下给出等于至少大约二十点四微米（20.4μm）的值D。根据对图像质量的要求（例如其可在成像用于手指跟踪等时被放宽），使用五乘五（5×5）像素的大约四微米（4μm）乘四微米（4μm）面积光电二极管的阵列或四乘四（4×4）像素的大约五微米（5μm）乘五微米（5μm）面积光电二极管的阵列。在这些配置中，传感器阵列紧邻针孔的面积大约是二十一微米（21μm）乘二十一微米（21μm）。然而，应注意，这些阵列面积和像素的数量仅作为示例被提供，且并不意味着限制本公开内容。因此，不同的参数和/或对介电堆栈的配置的变化可允许其它阵列配置。参考图3，示出使用集成技术形成的示例性针孔相机，其中光电二极管位置被表示为D1、D2、D3等。

在一些实现中，用于手势感测应用的集成传感器使用入射在光电二极管处的至少大约每平方厘米一百微瓦（100μW/cm²）的信号光学功率，其中辐射源在至少大约八百五十纳米（850nm）的波长处操作，该波长对应于入射在针孔相机的示例性像素的四微米（4μm）乘四微米（4μm）面积处的至少大约十六皮瓦（16pW）功率。可如下估计一个四微米（4μm）乘四微米（4μm）面积光电二极管的光电流：

其中q_o表示电子电荷，W表示光学功率，QE表示光电二极管量子效率，c表示光速，以及h表示普朗克常数（在大约百分之三十（30%）的QE下等于大约三点二八皮安（3.28pA））。在具有大约十微秒（10μs）电子快门时间（例如图像曝光采集时间）的配置中，在曝光时间上积分的电荷等于对光电二极管的四微米（4μm）乘四微米（4μm）有效面积的大约二百（200）个电子，这利用CMOS成像技术提供足够的信噪比（例如，对于上述信号功率多于至少大约十（10））。在一些实施例中，在不使用专用成像技术的情况下，手指跟踪可能需要操作在较低的光源发射功率处。因此，为了提高信噪比而提供覆盖光电二极管可采用的面积的相机的阵列。在示例性阵列中的类似位置处的光电二极管可并联连接，且示例性传感器的图像信号之和被提供到处理器（例如，用于手指跟踪、手势识别等）。

现在参考图4，描述了示例性针孔相机的连接光电二极管。如图4所示，集成光学传感器100包括设置在针孔104之下的光电二极管102的多个阵列，针孔104形成在至少基本不透明的材料层中。每个光电二极管使用电连接106来电连接到读出电路。在本例中，热噪声和光电二极管泄漏电流例如在红外光电二极管附近在七十五摄氏度（75℃）是大约每平方微米五点五毫微微安（5.5fA/μm²），且对噪声电荷的贡献估计如下：

其中m等于C_i/C_d并表示输入晶体管与光电二极管电容之比，g_m/C_i等于f_T并表示技术的输入金属氧化物半导体（MOS）晶体管的单位增益带宽，且τ表示电子快门和/或光电流积分时间。在本例中，噪声电荷与光电二极管有效面积的平方根成比例，而信号与面积自身成比例。因此，使用例如二十微米（20μm）乘二十微米（20μm）面积的示例性针孔相机的十乘十（10×10）阵列，每个在活性硅上，信噪比由有效光电二极管面积比的平方根所提高，例如与单个示例性针孔相机阵列相比提高了十倍（10x）。应注意，十乘十（10×10）阵列仅作为示例被提供，且并不意味着限制本公开。在其它配置中，为光电二极管提供不同的数量和面积。例如，在一些实施例中，提供五十乘五十（50×50）针孔的阵列。

如图5和6所示，在一些实施例中，紧邻传感器阵列102的针孔104是八角形的。然而，该配置仅通过示例被提供且并不意味着限制本公开。因此，在其它实施例中，针孔可具有其它形状，包括但不一定限于圆形和具有三个或更多边的形状，例如三边形状（例如三角形形状）、四边形状（四边形形状、矩形形状、正方形形状等）、五边形状（例如五角形形状）、具有多于五个边的形状等。

在一些实施例中，针孔104可配置成减少来自形成针孔的材料（例如针孔壁）的反射。例如，针孔的一个或多个壁可成形为从入射在壁上的光子去除能量，以防止或最小化光子被传感器阵列接收。此外，可使用配置成防止或最小化光子被传感器阵列接收的材料来涂覆和/或构造一个或多个壁。例如，针孔的一个或多个壁可被涂覆和/或形成有不透光（可见光、红外光）的不透明材料（例如暗镜材料）等。

集成光学传感器100可包括紧邻相机和传感器阵列的辐射源108。在本公开的实施例中，辐射源108包括波长在至少大约三百纳米（300nm）与至少大约一千一百纳米（1,100nm）之间的低强度电磁辐射源，例如IRLED。在一些实施例中，辐射源被制造在与传感器阵列102相同的集成电路设备上。在其它实施例中，辐射源被制造在单独的集成电路设备上。在这些配置中，辐射源可被封装有传感器阵列102、紧邻传感器阵列102安装、等等。此外，可调制辐射源。例如，信号可在LED源108操作的情况下由传感器阵列102获取，另一信号可在不操作LED源108的情况下由传感器阵列102获取，并且可对这两个信号执行减法操作。

在一些实施例中，集成光学传感器100可包括滤光器110，其配置成对应于一个或多个光电二极管的光响应性（例如，以避免传感器阵列由于杂散光而饱和）。在本公开的实施例中，滤光器110可被实现为遮光滤光器（例如配置成减少红外光的透射同时使可见光通过的红外遮光滤光器）、颜色通过滤光器（例如配置成通过阻挡（例如吸收或反射）在波长的一个光谱内的可见光来过滤在波长的有限光谱中的可见光同时允许在波长的另一光谱中的可见光穿过滤光器的颜色滤光器）、干扰滤光器（例如，配置成过滤红外光的红外截止干扰滤光器或允许在特定的波长范围中的可见光通过的滤光器）。在实施例中，可使用各种沉积技术（例如旋涂和/或光图案化（例如用于吸收滤光器形成））来形成颜色通过滤光器。同样，适当的溅射和电镀技术可用于形成颜色干扰滤光器。此外，缓冲层可形成在集成光学传感器100的表面上，以封装颜色通过滤光器并提供对颜色通过滤光器的保护。缓冲层可由聚合物材料（例如苯并环丁烯（BCB）聚合物等）组成。然而，设想可使用其它缓冲材料。

示例性工艺

现在参考图7，描述了用于制造集成光学传感器的示例性技术。图7示出在示例性实现中用于制造集成光学传感器（例如在图1到6中示出并在上面描述的集成光学传感器100）的工艺700。

在所示工艺700中，光电二极管的阵列形成在活性半导体衬底上（块710）。例如，参考图1到6，传感器阵列102形成在活性半导体衬底上。然后，介电层相邻于活性半导体衬底且紧邻光电二极管的阵列而形成。介电层包括至少基本不透明的材料层，其界定配置成允许电磁辐射到达光电二极管阵列的孔（块720）。例如，继续参考图1到6，紧邻传感器阵列102的介电材料层包括不透明材料层，例如工艺金属、金属上的多晶硅介电材料等。不透明材料包括配置成允许电磁辐射到达传感器阵列102的针孔104。

在一些实施例中，滤光器紧邻光电二极管的阵列形成。滤光器配置成选择性地允许特定波长的电磁辐射到达光电二极管的阵列（730）。例如，继续参考图1到6，滤光器110紧邻传感器阵列102形成。在本公开的实施例中，滤光器110配置成对应于传感器阵列102的一个或多个光电二极管的光响应性。在一些实施例中，光电二极管的第二阵列形成在活性半导体衬底上。光电二极管的第二阵列相邻于由该至少基本不透明的材料层界定的第二孔而形成（块740）。例如，继续参考图1到图6，集成光学传感器100包括有两个或多个传感器阵列102。

随后，在一些实施例中，光电二极管的第一阵列和光电二极管的第二阵列的两个或多个对应的光电二极管并联连接（块742）。例如，参考图4，两个或多个传感器阵列102的对应光电二极管并联连接到读出电路。在其它实现中，光电二极管的第一阵列和光电二极管的第二阵列的两个或多个对应的光电二极管被分开连接（块744）。例如，参考图6，两个或多个传感器阵列102的对应光电二极管分开地连接到读出电路。

在一些实施例中，辐射源紧邻光电二极管的阵列放置。例如，继续参考图1到6，辐射源108紧邻一个或多个传感器阵列102定位。在一些实施例中，辐射源108被制造在与一个或多个传感器阵列102相同的半导体衬底上。在其它实施例中，辐射源108可被单独地形成并封装有一个或多个传感器阵列102。辐射源108可包括低强度电磁辐射源（例如波长在至少大约三百纳米（300nm）和至少大约一千一百纳米（1,100nm）之间），例如IR LED。

结论

虽然用结构特征和/或工艺操作特有的语言描述了主题，然而应理解，在所附权利要求中定义的主题并不一定限于上述特定特征或行动。更确切地，上述特定特征或行动作为实现权利要求的示例性形式而被公开。

Claims (20)

1.一种集成电路设备，包括：

活性半导体衬底，其包括光电二极管的阵列；

介电层，其设置成与所述活性半导体衬底相邻，且紧邻所述光电二极管的阵列，所述介电层具有与所述活性半导体衬底相邻的第一侧和与所述活性半导体衬底相对的第二侧，所述介电层包括至少不透明的材料层，所述至少不透明的材料层界定出孔，所述孔配置成允许入射在所述介电层的所述第二侧上的电磁辐射到达所述光电二极管的阵列；以及

设置在所述介电层的所述第二侧上的前端环氧树脂，所述前端环氧树脂的折射率大于外部环境的折射率，

其中所述孔的尺寸被设置成使得产生在物点和像点之间的一对一对应。

2.如权利要求1所述的集成电路设备，还包括滤光器，所述滤光器配置成选择性地允许特定波长的电磁辐射到达所述光电二极管的阵列。

3.如权利要求1所述的集成电路设备，其中所述活性半导体衬底还包括光电二极管的第二阵列，所述光电二极管的第二阵列设置成与所述至少不透明的材料层相邻，且紧邻由所述至少不透明的材料层界定的第二孔。

4.如权利要求3所述的集成电路设备，其中所述光电二极管的阵列和所述光电二极管的第二阵列中的至少两个对应的光电二极管并联连接。

5.如权利要求3所述的集成电路设备，其中所述光电二极管的阵列和所述光电二极管的第二阵列中的至少两个对应的光电二极管被分开地连接。

6.如权利要求1所述的集成电路设备，还包括辐射源，所述辐射源紧邻所述光电二极管的阵列设置。

7.如权利要求6所述的集成电路设备，其中所述辐射源包括低强度发光二极管，所述低强度发光二极管的特征波长在三百纳米(300nm)与一千一百纳米(1,100nm)之间。

8.一种方法，包括：

在活性半导体衬底上形成光电二极管的阵列；

形成介电层，所述介电层与所述活性半导体衬底相邻，且紧邻所述光电二极管的阵列，所述介电层具有与所述活性半导体衬底相邻的第一侧和与所述活性半导体衬底相对的第二侧，所述介电层包括至少不透明的材料层，所述至少不透明的材料层界定配置成允许入射在所述介电层的所述第二侧上的电磁辐射到达所述光电二极管的阵列的孔；以及

在所述介电层的所述第二侧上形成前端环氧树脂，所述前端环氧树脂的折射率大于外部环境的折射率，

其中所述孔的尺寸被设置成使得产生在物点和像点之间的一对一对应。

9.如权利要求8所述的方法，还包括形成紧邻所述光电二极管的阵列的滤光器，所述滤光器配置成选择性地允许特定波长的电磁辐射到达所述光电二极管的阵列。

10.如权利要求8所述的方法，还包括在所述活性半导体衬底上形成光电二极管的第二阵列，所述光电二极管的第二阵列布置成与所述至少不透明的材料层相邻，且紧邻由所述至少不透明的材料层界定的第二孔。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述光电二极管的阵列和所述光电二极管的第二阵列中的至少两个对应的光电二极管并联连接。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述光电二极管的阵列和所述光电二极管的第二阵列中的至少两个对应的光电二极管被分开地连接。

13.如权利要求8所述的方法，还包括将辐射源紧邻所述光电二极管的阵列放置。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述辐射源包括低强度发光二极管，所述低强度发光二极管具有在三百纳米(300nm)与一千一百纳米(1,100nm)之间的特征波长。

15.一种集成电路设备，包括：

活性半导体衬底，其包括光电二极管的第一阵列和光电二极管的第二阵列；

介电层，其布置成与所述活性半导体衬底相邻，且紧邻所述光电二极管的第一阵列和所述光电二极管的第二阵列，所述介电层具有与所述活性半导体衬底相邻的第一侧和与所述活性半导体衬底相对的第二侧，所述介电层包括至少不透明的材料层，所述至少不透明的材料层界定配置成允许入射在所述介电层的所述第二侧上的电磁辐射到达所述光电二极管的第一阵列的第一孔，所述至少不透明的材料层界定配置成允许入射在所述介电层的所述第二侧上的电磁辐射到达所述光电二极管的第二阵列的第二孔；以及

设置在所述介电层的所述第二侧上的前端环氧树脂，所述前端环氧树脂的折射率大于外部环境的折射率，

其中所述第一孔和所述第二孔的尺寸被设置成使得产生在物点和像点之间的一对一对应。

16.如权利要求15所述的集成电路设备，还包括滤光器，所述滤光器配置成选择性地允许特定波长的电磁辐射到达所述光电二极管的第一阵列或所述光电二极管的第二阵列中的至少一个。

17.如权利要求15所述的集成电路设备，其中所述光电二极管的第一阵列和所述光电二极管的第二阵列中的至少两个对应的光电二极管并联连接。

18.如权利要求15所述的集成电路设备，其中所述光电二极管的第一阵列和所述光电二极管的第二阵列中的至少两个对应的光电二极管被分开地连接。

19.如权利要求15所述的集成电路设备，还包括辐射源，所述辐射源紧邻所述光电二极管的第一阵列或所述光电二极管的第二阵列中的至少一个设置。

20.如权利要求15所述的集成电路设备，其中所述光电二极管的第一阵列和由所述至少不透明的材料层界定的所述第一孔包括第一针孔相机；所述光电二极管的第二阵列和由所述至少不透明的材料层界定的所述第二孔包括第二针孔相机；所述集成电路设备包括包含所述第一针孔相机和所述第二针孔相机的针孔相机的阵列；以及所述针孔相机的阵列中的每个针孔相机的对应光电二极管并联连接。