CN105723193A - 光传感器装置和光谱仪 - Google Patents

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Abstract

光传感器装置包括具有光传感器(1)、光学滤波器(3)以及光传感器(1)与光学滤波器(3)之间的掩模(2)的堆叠。特别地，光传感器(1)包括光敏表面(11)。掩模(2)包括上部不透明基片(M3)，其背离光敏表面(11)并且具有第一孔(AM3)，每个第一孔(AM3)分别限定掩模(2)中的光路。掩模(2)进一步包括下部不透明基片(M1)，其面向光敏表面(11)并且具有第二孔(AM1)，每个第二孔(AM1)分别限定掩模(2)中的光路。上部基片(M3)和下部基片(M1)由金属制成。光路被设计成用于允许入射光在具有来自角度的容许区间(INT)的入射角时到达光敏表面(11)，角度的容许区间(INT)分别由第一孔(AM3)的大小和第二孔(AM1)的大小确定并且相对于光路的光轴(OA)而被限定。示出了至少包括上述类型的光传感器装置的光谱仪。

Description

光传感器装置和光谱仪
本发明涉及光传感器装置和光谱仪。
颜色传感器是允许进行精确的颜色测量、确定和辨别的装置。精准的颜色传感器使用硅二极管和有机滤波器。有机滤波器用于滤掉要被检测的光谱的特定部分。然后，颜色传感器记录相应的颜色信号，该相应的颜色信号进而指示光的颜色。有机颜色滤波器主要在阻带方面具有一定的变化性，这是由于制成有机颜色滤波器的材料的厚度的变化造成的。此外，这些滤波器通常对于红外光而言是透明的。精准的颜色传感器通常采用有机颜色滤波器和干涉滤波器的组合来阻隔红外光。
干涉滤波器或二向色滤波器是以下光学滤波器，其对一个或更多个光谱带或者光谱线进行反射并且对其它光谱带或者光谱线进行透射。通常，这些类型的滤波器针对所关注的所有波长保持很低的吸收。使用干涉滤波器作为颜色滤波器具有以下优点：可以在高的程度上控制干涉滤波器的光学性质例如高通、低通、带通或带阻。然而，干涉滤波器具有以下固有缺点：干涉滤波器的光学性质取决于光入射到滤波器上的角度。
干涉滤波器的光学性质的方向变化受到入射角或孔径角的增大的影响，并且还取决于各种其它事物。例如，滤波器的光谱位置、入射光的偏振状态、用于层的材料和滤波器系统的整体上的设计是影响滤波器的光学性质的参数。由于以下事实所以甚至相同类型的滤波器可以呈现不同程度的角度相关性：系统设计取决于滤波器的光谱位置，以及系统设计必须变化以便符合要与干涉滤波器一起使用的装置的光谱规格。当增大入射角时，干涉滤波器的透射波长或边缘位置向更短的波长偏移。
最近，等离子激元(plasmonic)颜色滤波器已经变得可以用于图像传感器应用。在这个背景下，基于表面等离子激元的纳米结构由于其小的尺寸而提供有效操作光的能力。通过改变该纳米结构，可以生产如下颜色滤波器，该颜色滤波器能够在保证紧凑的装置架构的情况下以高空间分辨率来透射任意颜色。然而，等离子激元滤波器的光谱响应度也随着入射光的角度而变化。
尽管吸收滤波器不具有角度相关性，但是吸收滤波器的滤波特性受限于其化学成分。这些设计限制具有以下缺点：吸收滤波器的滤波特性仅可以在有限的范围内进行调整，例如，与角度相关的干涉滤波器相比，吸收滤波器不具有陡的响应。现有技术已经提出了若干个光学解决方案，并且现今复杂的系统可以用于将入射角限制成接近零度以克服上述滤波器类型的角度相关性影响。这样的系统可以基于使用棱镜或其它体积相当大的光学装置的光谱仪。这些光学仪器的大小可能是显著的。然而，光传感器的总高度在现今的应用中变得更加重要，其中，例如对于移动装置如手机或智能手机而言，小的产品厚度是一个关键的销售因素。
本发明的目的是提供具有减小的尺寸的光传感器装置和光谱仪。
通过独立权利要求的主题来解决这个目的。其它实施方式针对从属权利要求。
光传感器装置包括具有光传感器、光学滤波器和掩模的堆叠。光传感器进一步包括光敏表面。
掩模包括上部不透明基片，其背离光敏表面并且具有第一孔，每个第一孔均限定掩模中的光路。掩模进一步包括下部不透明基片，其面向光敏表面并且具有第二孔，每个第二孔均限定掩模中的相应的光路。掩模位于光学滤波器与光传感器之间。例如，光学滤波器连接至上部基片。上部基片和下部基片二者均由金属制成，并且可以以晶圆工艺制造。
光路被设计成允许入射光在具有来自角度的容许区间内的入射角时到达光敏表面。角度的容许区间分别由第一孔的大小和第二孔的大小确定并且相对于光路的光轴被限定。
当操作时，光传感器装置接收来自要被分析的光源的光或来自环境的环境光。在任一情况下，光以一定的入射角入射到光传感器装置上。掩模具有上述结构，并且限定光传感器装置的特定的方向性。事实上，掩模阻隔来自比角度的容许区间更大的角度的所有光，使得大部分是具有接近零的入射角的光将会到达光传感器，亦即，光传感器的光敏表面。此外，光学滤波器确定允许来自入射光的哪个波长穿过以到达光敏表面。
由于掩模特别是掩模的不透明基片和孔的方向性，所以所提出的光传感器装置具有改进的光谱性质。因此，仅被限定的(按照角度的容许区间被限定的)光可以到达光敏表面，并且因此可以使用方向光学滤波器而不需要体积较大的光学系统。因此，光传感器装置可以被堆叠成具有相当低的总高度，这在本质上要求低空间的应用中是关键因素。总高度通常在几微米的范围内。
此外，所提出的光传感器装置可以以晶圆工艺来集成，亦即，可以被制造为单个微芯片。例如，可以使用标准技术来涂覆光学滤波器。
在另一实施方式中，光学滤波器包括方向光学滤波器。方向光学滤波器例如是干涉滤波器或等离子激元滤波器。光学滤波器具有方向相关的透射特性，亦即，透射曲线取决于入射到滤波器上的光的入射角而偏移。
在另一实施方式中，掩模包括具有多个基片的堆叠，多个基片包括作为顶部基片的上部基片、作为底部基片的下部基片以及在上部基片与下部基片之间的至少一个中部基片。中部基片包括第三孔。第三孔分别被布置成限定掩模中的光路。这以由第一孔的大小、第二孔的大小和第三孔的大小来确定角度的容许区间的方式来实现。堆叠基片并且从而形成掩模，亦即，基片形成堆叠的层。优选地，掩模包括三个基片，例如下部基片、一个中部基片和上部基片，其中，基片由金属制成。
在另一实施方式中，下部基片、至少一个中部基片和上部基片借助于通孔相互堆叠。替代地，多个基片直接地相互堆叠。优选地，通孔由金属制成并且可以以晶圆工艺来制造。通孔位于相应的基片之间并且将基片垂直地相互连接。实现这样的结构的一个可行的方式是借助于3D集成电路和封装技术，例如硅通孔(through-siliconvias)。
在另一实施方式中，光路的每个光轴均与第一孔对准。特别地，每个光轴均与第一孔的几何中心对准。通常，可以限定掩模中的光路的任何角度。例如，在45°的角度情况下，光传感器装置的视场相对于光敏表面是倾斜的。
在另一实施方式中，光轴相对于光敏表面的表面法线对准。特别地，光轴与光敏表面的表面法线平行地对准。在这种情况下，光传感器装置的视场相对于光敏表面对准。
在另一实施方式中，第一孔以规则图案布置在上部基片上。特别地，第一孔以矩阵图案布置在上部基片上。优选地，以相同的矩阵图案布置其它孔。
在另一实施方式中，第一孔具有多角形形状。优选地，其它孔具有相同的多角形形状。
在另一实施方式中，第一孔具有矩形形状。优选地，其它孔具有相同的矩形形状。
在另一实施方式中，第一孔具有蜂巢形状。优选地，其它孔具有相同的蜂巢形状。
在另一实施方式中，第一孔、第二孔、第三孔和/或在更多个中部基片中的其它孔具有相同的形状和大小。
在另一实施方式中，光传感器装置包括扩散器，该扩散器连接至光传感器、光学滤波器和掩模的堆叠的上面并且背离光敏表面。
在另一实施方式中，光传感器包括光电二极管，特别是红外光电二极管。
在另一实施方式中，光传感器包括连续的光敏表面，优选地包括单个和/或非像素化的光敏表面。以这种方式，具有其相应孔的掩模被全部分配至单个光敏表面，并且入射到掩模上的光是由单个光检测器来检测的，而不是例如借助于若干光敏元件如像素来检测的。这具有以下优点：不需要相对于光传感器的单独光敏元件来对准掩模中的各个孔。
根据本原理的光谱仪至少包括根据上文所讨论的原理的第一光传感器装置和第二光传感器装置。第一光传感器装置的光学滤波器具有第一光学通带，并且第二光传感器装置的光学滤波器具有第二光学通带。
第一光传感器装置和第二光传感器装置各自对不同的光谱带敏感，并且因此相应的传感器信号可以用于确定入射光的光谱内容。光谱仪同样可以用于颜色感测。
以下，将关于附图来更详细地描述以上所提出的原理，在附图中提出了示例性实施方式。用相同的附图标记来标明与实施方式中的类似元件对应的元件。
图1示出了光传感器装置的示例性实施方式的截面图，
图2示出了光传感器装置的示例性实施方式的俯视图，
图3示出了光传感器装置的示例性实施方式的另一俯视图，
图4示出了光传感器装置的示例性实施方式的另一俯视图，
图5示出了光传感器装置的另一示例性实施方式的截面图，以及
图6示出了光传感器装置的另一示例性实施方式的截面图。
图1示出了光传感器装置的示例性实施方式的截面图。附图示出了包括光传感器1、掩模2和光学滤波器3的堆叠。在这个具体实施方式中，光学滤波器堆叠在掩模的上面，掩模堆叠在光传感器的上面。
尽管光传感器包括光电二极管，但是通常光传感器1同样可以具有别的传感器类型。优选的是连续的和/或非像素化的光传感器。光传感器1包括光敏表面11，该光敏表面11面向掩模2和光学滤波器3的堆叠。优选地，掩模具有围绕光敏表面11的区域，亦即，仅存在基本上沿掩模的区域对齐的单个光敏表面。以这种方式，单个光敏表面11检测入射到掩模上的光。通常，光敏表面在零点几平方毫米的范围中。
光学滤波器3具有方向性，亦即，光学滤波器3为方向光学滤波器。方向性影响光学滤波器的透射特性。通常，光学滤波器3具有针对垂直入射而定义的透射曲线。透射可以是高通、低通、带通或带阻的，并且由一个或更多个中心波长来表征。然而，当入射光的入射角从零增大时，光学滤波器3的(一个或多个)中心波长通常减小并且向更短的波长偏移。透射带变宽并且最大透射减小。在下文中，方向光学滤波器将会被简称为光学滤波器3。例如，光学滤波器3是干涉滤波器或等离子激元滤波器。
掩模2包括具有多个基片21的堆叠，在这个具体实施方式中具有三个基片即下部基片M1、中间基片M2和上部基片M3。上部基片M3背离光敏表面11并且耦接至光学滤波器3。至少上部基片M3包括不透明材料，优选地为金属。术语“不透明”限定材料的光学性质。不透明的物体既不是透明的(允许所有光穿过)，也不是半透明的(允许一些光通过)。在该上下文中的光包括(近)红外光、可见光和紫外光。优选地，下部基片M1和中间基片M2也包括相同的不透明材料，并且优选地由金属制成。基片可以具有几百纳米的不同深度，但是可以扩展至几微米。
在这个实施方式中，下部基片M1、中部或中间基片M2以及上部基片M3借助于通孔V相互连接。通孔优选地由相同的不透明材料制成，并且优选地由金属制成。此外，中间基片M2和上部基片M3和/或通孔V可以被涂覆有低反射率的层例如涂料，以便减少反射光的量。对于以下的讨论而言，将会假设下部基片M1、中间基片M2和上部基片M3和/或通孔V均由金属制成。这例如在晶圆工艺中具有更容易制造的优点。通孔V的高度通常是几微米。
下部基片M1、中间基片M2和上部基片M3各自包括相应的孔AM1、孔AM2、孔AM3，在其空间布置中，孔AM1、孔AM2和孔AM3限定穿过掩模的光路OP。在这个实施方式中，孔AM1、孔AM2、孔AM3均具有相同的矩形形状或正方形形状以及大小(同样参见图2)。孔AM1、孔AM2、孔AM3的几何中心相对于由孔AM1、孔AM2、孔AM3限定的光路的光轴OA对准。在这个实施方式中，光轴OA相对于光敏区域11是正交的。孔的直径在几微米的范围中。可见光和红外光的衍射的效应是可以忽略的。每个掩模均可以具有100个到数千个孔。
掩模2确定角度的容许区间INT，该角度的容许区间INT允许入射到光传感器装置上的光到达光敏表面11。相对于光传感器的表面法线来定义角度的容许区间INT。入射角是光敏表面上的入射光线与在入射点处垂直于该表面的线(亦即光传感器的表面法线，例如光轴OA)之间的角。在这个实施方式中，具有等于零的入射角的光线经由孔AM1、孔AM2、孔AM3通过掩模2，并且可以到达光敏表面11以借助于传感器信号而被检测到。以这个入射角，光学滤波器的(一个或多个)中心波长被限定，并且通常处于最大值，亦即，不向更短的波长偏移。
角度的容许区间INT限定光锥，在该光锥内光线的入射角可以不为零。然而，锥内的光线仍可以经由孔AM1、孔AM2、孔AM3通过掩模2，并且到达光敏表面11以被检测到。孔AM1、孔AM2、孔AM3的大小确定锥的半径，从而确定角度的容许区间INT。如附图中由箭头AT所描绘的，至少使具有以下角度的光线衰减，该角度大于由锥的半径限定的角度。该衰减可以借助于通孔V而进一步增大。通孔V有效地提供孔径光阑系统并且进一步使光线转向，并且最终吸收光线(参见箭头AT的虚线)。
因为仅来自锥内的光线或者具有来自角度的容许区间INT的入射角的光线能够到达光传感器1，所以掩模2向光传感器装置提供特定的方向性。光学滤波器3的方向相关性有所降低，并且(一个或多个)中心波长例如向更短的波长仅稍微偏移。因为不需要复杂的光学系统，所以光传感器装置可以被生产成具有相当低的总高度。借助于晶圆工艺来集成该光传感器装置。
图2示出了光传感器装置的示例性实施方式的俯视图。该俯视图示出了从上方例如透过光学滤波器3(未示出)所看到的掩模2。因此，附图仅示出了上部掩模M3和相应的第一孔AM3。通常，在这个附图和以下的附图中所示的掩模2可以与光传感器装置的所有实施方式一起使用。
图2的示例中的掩模2具有正方形或矩形形状的孔的矩阵图案。图3示出了光传感器装置的示例性实施方式的另一俯视图。在这个示例中，掩模具有蜂巢形状的孔的矩阵图案。图4示出了光传感器装置的示例性实施方式的另一俯视图。在这个示例中，掩模具有多角形形状的孔的规则图案。
通常，掩模2中的孔AM1、孔AM2、孔AM3可以具有多角形形状。实际形状确定到达光敏表面11的光的量。事实上，掩模2阻隔一定量的光，即使该一定量的光具有来自角度的容许区间INT内的入射角，该一定量的光也不能用于检测。图2至图4的掩模几何图形在这一点上彼此不同，其中蜂巢形状的孔允许最大量的光到达光敏表面11。
其它几何图形或形状也是可行的，并且光传感器装置不限于文中所示的实施方式。可以借助于光学模拟和光线追踪来确定其它几何图形或形状。应当注意的是，图2至图4仅示出了上部基片M3并且假设下部基片M1、中间基片M2和上部基片M3中的孔相对于掩模中的光路的光轴OA对准。这不必一定是这种情况。不同的基片M1、基片M2、基片M3中的孔可以具有不同形状和大小。此外，可以相对于掩模中的光路的光轴OA的每个有效的倾斜而使孔的相应几何中心偏移，以便改变光传感器1的视场。即使不同的基片M1、基片M2、基片M3中的孔沿孔的几何中心对准也可以具有不同的形状和大小，以创建孔径光阑的光学系统。这可以改进对比度并且进一步使具有比容许区间更大的入射角的入射光线进行衰减。
图5示出了光传感器装置的示例性实施方式的另一俯视图。除了光学滤波器3耦接至扩散器4以外，光传感器装置与图1中的光传感器装置相同。扩散器4造成了增大的视场INT＇。扩散器4增大了汇集到容许区间INT中的光锥。
图6示出了光传感器装置的另一示例性实施方式的截面图。这个示例性实施方式与图1的示例性实施方式类似。例如，可以使用相同的掩模2。然而，光学滤波器3包括具有两个薄金属层31的等离子激元滤波器。光学滤波器3被堆叠在掩模2与光传感器1之间。如以上已经提及的，等离子激元滤波器也是方向光学滤波器。
附图标记
1光传感器
11光敏表面
2掩模
3光学滤波器
31金属层
4扩散器
AM1孔
AM2孔
AM3孔
AT衰减
INT容许区间
INT＇增大的视场
M1下部基片
M2中间基片
M3上部基片
OA光轴
V通孔

Claims (15)

1.一种光传感器装置，包括具有光传感器(1)、光学滤波器(3)以及位于所述光传感器(1)与所述光学滤波器(3)之间的掩模(2)的堆叠，其中，
所述光传感器(1)包括光敏表面(11)，并且
所述掩模(2)包括上部不透明基片(M3)，所述上部不透明基片(M3)背离所述光敏表面(11)并且具有第一孔(AM3)，并且所述掩模(2)进一步包括下部不透明基片(M1)，所述下部不透明基片(M1)面向所述光敏表面(11)并且具有第二孔(AM1)，其中，所述第一孔(AM3)和所述第二孔(AM1)中的每个孔分别限定所述掩模(2)中的光路，
所述上部基片(M3)和所述下部基片(M1)由金属制成，并且
所述光路被设计成用于允许入射光在具有来自角度的容许区间(INT)的入射角时到达所述光敏表面(11)，所述角度的容许区间(INT)分别由所述第一孔(AM3)的大小和所述第二孔(AM1)的大小确定并且相对于所述光路的光轴(OA)而被限定。
2.根据权利要求1所述的光传感器装置，其中，所述光学滤波器(3)包括方向光学滤波器，特别是干涉滤波器或等离子激元滤波器，所述方向光学滤波器具有方向相关的透射特性。
3.根据权利要求1或2所述的光传感器装置，其中，
所述掩模(2)包括至少一个中部不透明基片(M2M3)，所述至少一个中部不透明基片(M2M3)在所述上部基片(M3)与所述下部基片(M1)之间并且具有第三孔(AM2)，并且
所述第三孔(AM2)分别布置成限定所述掩模(2)中的光路，以使得所述角度的容许区间(INT)由所述第一孔(AM3)的大小、所述第二孔(AM1)的大小和所述第三孔(AM2)的大小来确定。
4.根据权利要求3所述的光传感器装置，其中，所述下部基片(M1)、所述至少一个中部基片(M2)和所述上部基片(M3)借助于通孔(V)相互堆叠或者直接相互堆叠。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光传感器装置，其中，所述光路的每个光轴(OA)均与所述第一孔(AM3)对准，特别地，所述光路的每个光轴(OA)均与所述第一孔(M3)的几何中心对准。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光传感器装置，其中，所述光轴(OA)相对于所述光敏表面(11)的表面法线对准，特别地，所述光轴(OA)与所述光敏表面(11)的表面法线平行地对准。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光传感器装置，其中，所述第一孔(AM3)以规则图案布置在所述上部基片(M3)上，特别地，所述第一孔(AM3)以矩阵图案布置在所述上部基片(M3)上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光传感器装置，其中，所述第一孔(AM3)具有多角形形状。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光传感器装置，其中，所述第一孔(AM3)具有矩形形状。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光传感器装置，其中，所述第一孔(AM3)具有蜂巢形状。
11.根据权利要求3至10中任一项所述的光传感器装置，其中，所述第一孔(AM3)和其它孔(AM1，AM2)具有相同的形状和大小。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光传感器装置，其中，所述光传感器(1)包括光电二极管，特别是红外光电二极管。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的光传感器装置，其中，所述光传感器(1)的光敏表面(11)是连续的，特别地是非像素化的。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的光传感器装置，进一步包括：扩散器(4)，所述扩散器(4)连接至具有所述光传感器(1)、所述光学滤波器(3)和所述掩模(2)的所述堆叠的顶面并且背离所述光敏表面(11)。
15.一种光谱仪，所述光谱仪至少包括根据权利要求1至14中任一项所述的第一光传感器装置和第二光传感器装置，其中，所述第一光传感器装置的光学滤波器(3)具有第一光学带通，并且所述第二光传感器装置的光学滤波器(3)具有第二光学带通。
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