CN107924925A - 具有窄角度响应的光学传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于CMOS技术的光学传感器，包括：半导体衬底(21、31)；光电单元(2、3)的阵列，每一个所述光电单元包括形成在所述半导体衬底(21、31)中并且暴露在所述半导体衬底(21、31)的给定平面表面(13)上的相应光电检测器有源区(11、12、22、32)，光电单元(2、3)被设计成提供与射到相应光电检测器有源区(11、12、22、32)上的入射光相关的各自的输出电信号；多层结构(23、33)，包括金属层和介电层，所述多层结构形成在所述半导体衬底(21、31)的给定平面表面(13)上；以及遮光器件(14、15、24、35)，形成在所述多层结构(23、33)之中或之上并且由一种或多种反射和/或吸收照射在所述遮光器件上的入射光的材料制成；其中每个光电探测器有源区(11、12，22、32)与延伸通过遮光器件(14、15、24、35)并指向所述光电探测器有源区(11、12、22、32)的相应光路(26、36)相关联，以允许入射方向落入给定方向范围内的入射光到达所述光电探测器有源区(11、12、22、32)。光电传感器的特征在于：所有的光电单元(2、3)并联连接以提供与入射到所有光检测器有源区(11、12、22、32)上的入射光有关的整体输出电信号；以及所有的光路(26、36)平行于给定的方向，由此使入射方向与所述给定方向平行的入射光到达所有的光电探测器有源区(11、12、22、32)。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感器领域，具体涉及具有窄角度响应的光学传感器。尤其是，本发明在诸如可穿戴式生物监测装置等测量装置中发现有利的但非限制性的应用。
背景技术
光学传感器在小型化和检测精度方面的最新进展已经允许在许多领域中使用这样的装置。
例如，US 2007/0290284 A1公开了一种入射光角度检测器，用于调整或补偿在计量仪器(例如，光学编码器系统)或其他光学系统中使用的光学感测装置的部件的对准。具体地，所述检测器确定入射在光敏设备上的光照的方向。多个掩模层包括形成层间光路的孔，辐射穿过该层间光路到达光电检测器。层间光路提供选定的标称最大信号角度，并且检测器检测何时在该角度处或该角度附近接收到辐射。
此外，光学传感器目前也用于可穿戴式装置中，以非侵入性方式监测诸如心率和血氧等生物参数。具体来说，这些可穿戴式装置(例如手表、手臂带和头戴式耳机)可以包括：
·诸如激光器或一个或多个发光二极管(LED)的光源，配置为发射具有可见光和/或红外光谱的波长的光以照射用户身体的靶区；
·包括一个或多个光学传感器或检测器的检测模块，设计成检测来自用户身体的靶区的光；以及
·处理模块，配置为基于来自检测模块的输出信号来确定用户的一个或多个生物参数，诸如心率和/或血氧等。
例如，US2014/0276119A1公开了一种可穿戴式心率监测装置，其包括：运动传感器，配置为提供与穿戴了可穿戴式心率监测装置的用户的运动相对应的输出；心跳波形传感器以及控制逻辑。该控制逻辑包括用于以下的指令：(a)收集来自心跳波形传感器的输出数据和来自运动检测传感器的并发的输出数据，其中来自心跳波形传感器的输出数据提供关于用户心率的信息，来自运动检测传感器的输出数据提供除了心跳之外的与用户的周期性身体运动有关的信息；(b)确定来自运动检测传感器的输出数据的周期性分量；(c)使用来自运动检测传感器的输出数据的周期性分量以从来自心跳波形传感器的输出数据去除对应的周期性分量；(d)确定用户的心率；以及(e)呈现用户的心率。
具体地，心跳波形传感器是光电脉搏波传感器，该光电脉搏波传感器具有一个或多个光源(例如，LED或基于激光的光源)、定位成接收由一个或多个光源发射的与用户的皮肤相互作用之后的光的光电检测器以及从光电检测器的输出确定用户的心率的电路。
对于可穿戴式生物监测装置(例如根据US2014/0276119A1的可穿戴式生物监测装置)，应该注意的是，如果光学传感器不能完美地附着到用户的皮肤上，则环境光会影响由光学传感器执行的检测。实际上，由于光学传感器与用户的皮肤之间的非完美接触，在它们之间存在间隙，这允许侧光到达检测器，由此干扰来自用户身体的靶区的光，从而影响(具体是降低)信噪比(SNR)。
US2014/0276119A1提出了对该技术问题的有潜力的解决方案，即，使用透光结构(具体地，通过在光检测器和光源上形成的模内标记(IML)膜形成的结构)，其中所述透光结构可以包括由不透明材料构成的掩模，所述不透明材料限制所述光源和/或检测器中的一个、一些或全部的孔穴。以这种方式，透光结构可以选择性地“限定”光发射到和/或从其检测的用户身体的优选体积部分。
本发明的目的和发明内容
因此，本发明的总体目的是克服由于侧光干涉而导致的可穿戴式生物监测装置的上述技术问题。
此外，本发明的具体目的在于提供具有窄角度响应的光学传感器，以使侧光干涉最小化。
这些和其它目的是通过本发明来实现的，在于其涉及如所附权利要求所限定的光学传感器。
尤其是，本发明涉及一种基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的光学传感器，包括：
·半导体衬底；
·光电单元的阵列，每一个所述光电单元
-包括形成在所述半导体衬底中并且暴露在所述半导体衬底的给定平面表面上的相应光电检测器有源区，以及
-被设计成提供与射到相应光电检测器有源区上的入射光相关的相应输出电信号；
·多层结构，包括金属层和介电层，所述多层结构形成在所述半导体衬底的给定平面表面上；以及
·遮光器件，形成在所述多层结构之中或之上并且由一种或多种反射和/或吸收射在所述遮光器件上的入射光的材料制成；
其中每个光电探测器有源区与延伸通过遮光器件并指向所述光电探测器有源区的相应光路相关联，以允许入射方向落入给定方向范围内的入射光到达所述光电探测器有源区；
根据本发明的光电传感器的特征在于：
·所有的光电单元并联连接以提供与射到所有光检测器有源区上的入射光有关的整体输出电信号；以及
·所有的光路平行于给定的方向，由此使入射方向与所述给定方向平行的入射光到达所有的光电探测器有源区。
优选地，所述光路垂直于所述半导体衬底的所述给定平面表面。
优选地，每个光路由形成在所述遮光器件中的一个或多个各自的同轴孔穴限定，并以与所述给定方向平行的各自的轴线为中心。
优选地，光电探测器有源区具有在所述半导体衬底的所述给定平面上的同一给定平面尺寸；所述光路具有同一给定高度和同一给定宽度，所述给定高度和宽度与所述给定平面尺寸有关；所述给定平面尺寸、所述给定高度和所述给定宽度，以及每个光电检测器有源区相对于相应光路的相对位置：
·为所有的光电探测器有源区限定同一给定角度范围，以及
·仅使一定入射方向的入射光到达光探测器有源区，所述入射方向
-与所述给定方向平行，或者
-相对于所述给定方向限定落入所述给定角度范围内的入射角。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将参照附图(不按比例)描述纯粹作为示例而不被解释为限制的优选实施例，其中：
·图1示意性地示出了根据本发明的第一优选实施例的遮光器件的工作原理；
·图2示出了具有根据本发明的第一优选实施例的集成遮光器件的光电单元的示例；
·图3-9示出了制造图2的光电单元的步骤的示例；
·图10示出了具有根据本发明第二优选实施例的遮光器件的光电单元的示例；以及
·图11示出了分别是常规光学传感器的角度响应和根据本发明的光学传感器的角度响应之间的比较。
具体实施方式
提出以下讨论以使本领域技术人员能够制造和使用本发明。对于本领域技术人员来说，对实施例的各种修改将是显而易见的，而不偏离所要求保护的本发明的范围。因此，本发明并不旨在限于所示出和描述的实施例，而是要被赋予与在此公开的和在所附权利要求中限定的原理和特征一致的最宽范围。
本发明源于申请人将遮光器件集成到基于CMOS技术的光学传感器的想法，该遮光器件设计成将角度范围限定在给定入射方向周围并且抑制入射角在限定的角度范围之外的入射光。优选地，配备有遮光器件的所述光学传感器可以与读出电路、模拟信号处理器(ASP)、数字信号处理器(DSP)、模数转换器(ADC)等一起集成到片上系统(SOC)。
图1示意性地示出了根据本发明的第一优选实施例的遮光器件的工作原理。
具体地，以CMOS技术实现的光学传感器通常包括单个光敏单元或光电单元(protocell)，其又包括形成在半导体衬底上的相应光电检测器有源区，如图1所示，其中光电检测器有源区11和12描绘在半导体衬底(未示出)的前侧(平面)表面13上。
便利地，光检测器有源区11和12可以以光电二极管、光电晶体管或光敏电阻器有源区的形式实现。
例如，基于CMOS的光电二极管有源区以最简单的形式被实现为配置成使得n(或p)区被耗尽电荷载流子(例如电子/空穴对)的pn(或np)结，因此，入射光子产生由光电二极管的耗尽区收集的电子/空穴对。众所周知，也可以方便地使用pnp(或npn)结(所称的“钉扎光电二极管”)。
因此，射到光电检测器有源区11和12上的光子被转换成电荷载流子，电荷载流子产生与入射光强度成比例的输出电信号，而射到半导体衬底的前侧表面13上、在所述光电检测器有源区11和12外的光子也被转换为电荷载流子，但是不被光检测器收集，因此不会对输出电信号作出贡献。
根据本发明的所述第一优选实施例的遮光器件包括多个金属层，对于每个光电单元，所述金属层被配置为：
·对于所述光电单元限定相对于给定入射方向的角度范围；
·阻挡入射角超出限定角度范围的入射光；以及
·允许入射角落入限定角度范围内的入射光向下传播到相应光电探测器有源区(active area)。
在这方面，图1显示了一个示例，板形式的两个金属层14和15用作遮光器件。具体地，金属板14和15包括在光电检测器有源区11上方的第一同轴孔穴16和在光电检测器有源区12上方的第二同轴孔穴17，使得入射角大于由该系列孔穴16和17的纵横比限定的阈值的光子被阻挡(尤其是被金属层14和15部分地反射和部分吸收)，而入射角低于所述阈值的光子到达光电探测器有源区11和12(除了那些射在所述光电探测器有源区11和12之外的半导体衬底的前侧表面13上的光子)。
孔穴16和17可以是圆形、方形、矩形或多边形。
便利地，可以在金属层14和15上沉积抗反射涂层，以使反射最小化并使光吸收最大化，由此避免多次反射，多次反射会引起指向光电检测器有源区11和12的寄生光线。
为了更好地理解本发明，图2示出了根据所述第一优选实施例的具有集成遮光器件的光电单元(整体用2表示)的示例。具体地，图2是光电单元2的剖视图，光电单元包括：
·包括光电检测器有源区22的半导体衬底21；
·多层结构23，形成在半导体衬底21上并且包括由四个层间介电(ILD)绝缘层25分开的四个金属层24；以及
·穿过光电探测器有源区22上方的金属层24而形成的光路26(具体地由在金属层24中形成并且以穿过光电探测器有源区22的中心的轴线d为中心的同轴孔穴限定)。
图3-9示出了制造图2的光电单元的步骤的示例。
具体地，图3示出了光刻胶掩模27，该光刻胶掩模27形成在半导体衬底21上，并通过光刻工艺被图案化以将所述半导体衬底21的一部分暴露(通过窗口27a)于一个或多个后续离子注入工艺，后续离子注入工艺旨在实现光电探测器的有源区22。
图4示出了在其上已经实现了光电检测器有源区22的半导体衬底21。
图5示出了由原硅酸四乙酯(通常称为TEOS)和/或硼磷硅酸盐玻璃(通常称为BPSG)制成并且沉积(例如通过化学气相沉积(CVD))在半导体衬底21上的第一ILD绝缘层25。
图6示出了由在第一ILD绝缘层25上沉积(例如通过CVD或物理气相沉积(PVD))的第一金属层24(例如由三种金属材料如Ti、TiN和AlCu的叠层构成)。
图7示出了通过光刻工艺图案化的光致抗蚀剂掩模28，以将第一金属层24(在光电检测器有源区22上方)的一部分暴露(通过窗口28a)于后续刻蚀工艺，刻蚀工艺旨在去除所述暴露的部分以实现光路26。
图8示出了在蚀刻工艺之后被图案化的第一金属层24，以便具有在光电检测器有源区22上方的光路26。例如，可以方便使用在所述第一金属层24下方的第一ILD绝缘层25处的干燥刻蚀停止层。
图9示出了沉积在第一金属层24上并填充光路26的第二ILD绝缘层25(例如通过低压CVD(LPCVD)沉积的SiO2膜)。详细地，图9示出了基于化学机械抛光(CMP)的平坦化处理之后的第二ILD绝缘层25。
因此，可以通过重复上述制造步骤(尤其是从图6所示的步骤直到图9所示的步骤)来制造多层结构23。
上述制造工艺旨在与基于铝-铜(AlCu)合金的金属层一起使用。否则，如果使用基于铜的金属层，则方便地使用基于镶嵌方案的制造工艺，其中在ILD绝缘层25上创建凹槽图案，然后通过电镀工艺填充铜，接着进行CMP工艺。
光电单元2的角度响应可以通过适当地调整光路26的尺寸(尤其是宽度和高度)、光电检测器有源区22的尺寸(尤其是所述光电检测器有源区22所暴露的半导体衬底21的顶部平面上光电检测器有源区22上的平面尺寸)以及所述光电检测器有源区22相对于光路26的相对位置(例如，如图2所示，孔穴26的宽度W1和高度H1以及光电检测器有源区22的宽度W2)来调谐。
根据本发明的第一优选实施例的光学传感器包括如图2所示的光电单元的阵列(具体地，对于阵列中的每个单个光电单元复制图2所示的结构)。详细地，阵列的所有光电单元2并联连接以提供与(特别是指示)射到所有光电检测器有源区22上的入射光相关的总输出电信号(实际上，光学传感器的总输出电信号为由所有光电单元2的输出电信号的总和给出)。
此外，所有光路26平行(即，光学传感器中所有光路26的轴线d平行)于同一给定方向，从而使得入射方向平行于所述给定方向的入射光到达所有的光电检测器有源区22。便利地，光路26垂直于(即，光传感器中的光路26的轴线d垂直于)光电检测器有源区22所暴露的半导体衬底21的顶部平面表面。
因此，根据本发明的第一优选实施例的光学传感器包括并联电连接的光电单元阵列2，并且具有接收入射方向平行于给定方向的入射光线的光检测器有源区22，由此借助于多个小装置模拟单个大装置的运行。
优选地，为了使遮光效果最大化，光电检测器有源区22在所述光电检测器有源区22所暴露的半导体衬底21的顶部平面表面上具有同一给定的平面尺寸；此外，光路26具有同一给定高度H1和同一给定宽度W1，其中所述给定高度H1和给定宽度W1都至少与光电探测器有源区22的尺寸(尤其是光电探测器有源区22的给定平面尺寸)相当。
另外，再次参照图2，所述给定的平面尺寸、高度H1和宽度W1，以及每个光电检测器有源区22相对于相应的光路26的相对位置：
·为所有的光检测器有源区22限定同一给定的角度范围；以及
·仅使入射方向为di的入射光达到光电探测器有源区22
-平行于轴线d(或者更一般地，平行于所述给定方向)，或者
-相对于所述轴线d(或者更一般地，相对于所述给定方向)限定落入所述给定角度范围内的入射角α。
在这种关系中，值得注意的是，由于光路26的给定高度H1取决于光电探测器有源区22的给定平面尺寸(尤其是前者随着后者的增加而增加)，使用较小的光电检测器有源区22的阵列而不是一个或多个更大的光电探测器的事实允许制造厚度极大减小的光学传感器。而且，较小光路的滤光能力优于那些较大光路的滤光能力。
便利地，遮光器件包括集成在光电单元阵列的多层结构中(更便利地在光学叠层中)的金属层，并且金属层可以便利地成形为金属路径和/或金属板或它们的组合。
值得注意的是，如已知的，图像传感器包括像素阵列，并且需要对阵列的每个单个像素进行寻址以进行积分、重置和读出的操作。因此，这项任务至少需要两条金属互连线路。
相反，上述光电传感器包括并联的小光电单元，整体上作为一个较大的单个器件运行，不需要对光电单元阵列的行和列进行寻址。因此，用作遮光器件的一个金属层(例如以金属板的形式)可以用于寻址所有的光电单元，从而避免了对金属互连线路的需要。这优化了制造光学传感器的时间和成本。
图10示出了根据本发明的第二优选实施例的具有遮光器件的光电单元(整体由3表示)的示例。具体地，图10是光电单元3的剖视图，光电单元3包括：
·包括光电探测器有源区32的半导体衬底31；
·多层结构33，形成在半导体衬底31上并且包括数个透明电介质层(对于待检测的辐射的波长透明)，而且在不同高度水平处包括金属互连线路34；
·放置在多层结构33上的不透明材料35(对于待检测辐射的波长不透明)，例如不透明聚合物(例如黑色光刻胶)或金属；以及
·穿过不透明材料35形成的光路36，在光电检测器有源区32上方，从所述不透明材料35的顶表面延伸到多层结构33的上表面，并相对于穿过光电检测器有源区32的中心的轴线d并且在轴线d周围对称地延伸。
可以通过适当地调整光路36的高度H2和宽度W3、光检测器有源区32的宽度W2以及光路36相对于光检测器有源区32的相对位置来调谐遮光效果。尤其是以这种方式可以为入射光的入射方向di(相对于轴线d)的入射角α限定容许的角度范围。
根据本发明的第二优选实施例的光学传感器包括如图10所示的光电单元的阵列(具体地，对于阵列中的每个单个光电单元复制图10所示的结构)。详细地，阵列的所有光电单元3并联连接以提供与射到所有光电检测器有源区32上的入射光相关(尤其是指示)的总输出电信号(实际上，光学传感器的总输出电信号为由所有光电单元3的输出电信号的总和给出)。
从前述可以清楚地看出本发明的优点。具体而言，重要的是强调根据本发明的遮光结构允许限制、尤其是缩小光学传感器的角度响应的事实，从而最小化由于侧光干扰导致的可穿戴式生物监测装置的技术问题。
在这方面，图11示出了分别是常规光学传感器和根据本发明的光学传感器的相对信号响应(相对光入射的角度)之间的比较。具体地，在图11中，每个相对信号响应表示归一化到其最大值的信号输出。如图11清楚所示，根据本发明的光学传感器的特征在于较窄的角度信号响应。
最后，再次值得注意的是，US 2007/0290284 A1公开了一种用于感测入射到装置上的辐射的照射方向的光敏装置，用于调整或补偿在计量仪器(例如，光学编码器系统)或其他光学系统中使用的光学感测装置的部件的对准。换言之，根据US2007/0290284A1的装置与本发明不同的是利用非平行的光路(各自与相应的光电检测器有源区耦接)和不是并联连接的光电单元阵列，以便为计量目的检测入射光的照射方向。因此，根据US2007/0290284A1的装置相对于本发检测明完全不同(就特征和目的而言)，并且因此不具有各自的技术优势。
此外，值得注意的是，US2014/0276119A1中提出的可穿戴式生物监测装置的侧光问题的解决方案限于使用透光结构(尤其是通过在光检测器和光源上方形成的模内标签(IML)膜形成的结构)，其中所述透光结构可以包括由不透明材料构成的掩模，所述不透明材料限制一个、一些或全部的光源和/或检测器的孔穴。因此，US2014/0276119A1没有预料到本发明的特征，因此不具有相应的技术优点。
总之，很显然，可以对本发明作出许多修改和变化，所有这些都落入如所附权利要求所限定的本发明的范围内。例如，也可以设想之前描述的在图2和图10中示出的两个实施例的组合。
Claims (10)
1.一种基于CMOS技术的光学传感器，包括：
·半导体衬底(21、31)；
·光电单元(2、3)的阵列，每一个所述光电单元
-包括形成在所述半导体衬底(21、31)中并且暴露在所述半导体衬底(21、31)的给定平面表面(13)上的相应光电检测器有源区(11、12、22、32)，以及
-被设计成提供与射到相应光电检测器有源区(11、12、22、32)上的入射光相关的相应的输出电信号；
·多层结构(23、33)，包括金属层和介电层，所述多层结构形成在所述半导体衬底(21、31)的给定平面表面(13)上；以及
·遮光器件(14、15、24、35)，形成在所述多层结构(23、33)之中或之上并且由反射和/或吸收射在所述遮光器件上的入射光的一种或多种材料制成；
其中每个光电探测器有源区(11、12、22、32)与延伸通过遮光器件(14、15、24、35)并指向所述光电探测器有源区(11、12，22、32)的对应光路(26、36)相关联，以允许入射方向落入给定方向范围内的入射光到达所述光电探测器有源区(11、12、22、32)；
其特征在于：
·所有的光电单元(2、3)并联连接以提供与入射到所有光检测器有源区(11、12、22、32)上的入射光有关的整体输出电信号；以及
·所有的光路(26、36)平行于给定的方向，从而使入射方向与所述给定方向平行的入射光到达所有的光电探测器有源区(11、12、22、32)。
2.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述光路(26、36)垂直于所述半导体衬底(21、31)的所述给定平面表面(13)。
3.根据权利要求1或2所述的光学传感器，其中每个光路(26、36)由形成在所述遮光器件(14、15、24、35)中的一个或多个相应的同轴孔穴(16、17)限定，并且以与所述给定方向平行的相应的轴线为中心。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的光学传感器，其中：
·光电探测器有源区(11、12、22、32)具有在所述半导体衬底(21、31)的所述给定平面(13)上的同一给定平面尺寸；
·所述光路(26、36)具有同一给定高度和同一给定宽度，所述给定高度和宽度与所述给定平面尺寸有关；以及
·所述给定平面尺寸、所述给定高度和所述给定宽度，以及每个光电检测器有源区(11、12、22、32)相对于对应光路(26、36)的相对位置：
-为所有的光电探测器有源区(11、12、22、32)限定同一给定角度范围，以及
-仅使一定入射方向的入射光到达光探测器有源区(11、12、22、32)，所述入射方向
-与所述给定方向平行，或者
-相对于所述给定方向限定落入所述给定角度范围内的入射角。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光学传感器，其中所述遮光器件(14、15、24、35)由一种或多种金属材料制成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光学传感器，其中所述遮光器件(14、15、24、35)形成在所述多层结构(23、33)中的一个或多个金属层(24)和/或金属互连件中。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的光学传感器，其中所述遮光器件(14、15、24、35)由不透明聚合物制成。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的光学传感器，其中，所述遮光器件(14、15、24、35)由黑色光刻胶制成。
9.根据权利要求7或8所述的光学传感器，其中所述遮光器件(14、15、24、35)形成在所述多层结构(23、33)上。
10.一种可穿戴式生物参数检测装置，包括前述权利要求中任一项所述的光学传感器。
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