CN110892237B - 光学传感器封装件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

光学传感器封装件包括具有传感器元件(5)的光学传感器设备(4)，所述光学传感器设备布置在包括罩(2)的壳体(1、2)内。扩散器(3)布置在罩的与所述传感器元件相对的孔(11)中，并且在孔(11)内延长罩或封闭孔。方法包括：形成具有孔的罩；在孔中布置扩散材料，从而形成扩散器；并且在形成扩散器之后，在包括罩的壳体内布置具有传感器元件的光学传感器设备，使得传感器元件与扩散器相对。

Description

光学传感器封装件及其制造方法
如果入射辐射的方向基本上不偏离优选方向，则带有XYZ滤光器(根据CIE的三刺激色值)的颜色传感器允许非常精确的测量。另一方面，可以期望传感器的宽视场，其对应于大的立体入射角。
US 2012/0250022 A1公开了一种手持式颜色测量设备，其具有非球面输入透镜、输入透镜的焦平面中的用于限制入射角范围的孔、去极化扩散器、传感器透镜和具有滤光器的传感器。扩散器布置在传感器透镜的焦平面中并且在孔附近。滤光器和传感器布置成靠近光轴并暴露于基本平行的光线。滤光器适用于根据CIE的三刺激色值XYZ。对于环境光测量，能够在输入透镜前面放置一个附加的扩散器。
US 2016/0054175 A1公开了一种用于壳体中的电子设备的光传感器窗口，该壳体中安装有具有透明层的显示器。不透明遮蔽层，例如黑色墨水层，覆盖透明层的内表面。不透明遮蔽层中的窗口允许外部光线进入设备。在窗口中布置有扩散器结构，例如具有光散射颗粒、空隙或中空颗粒的聚合物层，并且该扩散器结构有助于将光散射到集成的光传感器。
本发明的目的是提供一种用于高信号强度和大视场的光学传感器封装件。本发明的另一目的是提供一种制造这种光学传感器封装件的方法。
这些目的通过根据权利要求1所述的光学传感器封装件和根据权利要求11所述的光学传感器封装件的制造方法来实现。实施例和变体由从属权利要求得出。
光学传感器封装件包括具有传感器元件的光学传感器设备，该光学传感器设备布置在包括罩的壳体内。在罩的与传感器元件相对的孔中布置由扩散器，该扩散器在孔内延长罩或封闭孔。
在光学传感器封装件的实施例中，扩散器包括环氧树脂或硅酮。在光学传感器封装件的另外的实施例中，罩包括液晶聚合物、聚苯硫醚或金属。
光学传感器封装件的另外的实施例包括光学传感器设备的盖。该盖与扩散器相距正距离布置，并且对于要检测的至少一个波长，盖的折射率是存在于盖与扩散器之间的折射率的至少1.5倍。特别地，可以相对于盖调整正距离，使得对于要检测的至少一个波长的辐射，在传感器元件处获得40°的最大入射角。
在光学传感器封装件的另外的实施例中，罩朝向扩散器逐渐变细。
制造光学传感器封装件的方法包括：形成具有孔的罩；在孔中布置扩散材料，从而形成扩散器；并且在形成扩散器之后，在包括罩的壳体内布置具有传感器元件的光学传感器设备，使得传感器元件与扩散器相对。
对于扩散材料，尤其可以使用环氧树脂或硅酮，并且对于罩，尤其可以使用液晶聚合物、聚苯硫醚或金属。
罩和扩散器可以通过注射成型来形成，罩使用不透明材料，并且扩散器使用扩散材料。
以下是结合附图对光学传感器封装件的示例和其制造方法的详细描述。
图1是光学传感器封装件的横截面。
图2示出了制造方法在形成扩散器之前的阶段。
图3示出了制造方法在形成扩散器之后的阶段。
图4是包括扩散器的图3的细节图。
图1是光学传感器封装件的横截面。壳体由板1和罩2形成，该罩安装在板1上。扩散器3布置在罩2中。具有传感器元件5的光学传感器设备4安装在形成于壳体1、2内部的隔室14中，使得传感器元件5与扩散器3相对并且能够接收穿透扩散器3的电磁辐射。光学传感器设备4可以嵌入在盖7中，该盖尤其可以是例如透明或半透明的模塑料。
罩2包括孔11。扩散器3布置在孔11中，使得扩散器在孔11内使罩2延长，从而补充罩2的形状。特别地，扩散器3可以封闭孔11。罩2尤其可以包括不透明的材料。扩散器3包括扩散材料，该扩散材料可以包括环氧树脂或硅酮。
在图1所示的示例中，光学传感器设备4包括另外的传感器元件15，并且罩2包括在该另外的传感器元件15上方的另外的孔12。例如，传感器元件5可以被设置用于环境光传感器，而另外的传感器元件15可以被设置用于接近传感器。在该示例中，另外的孔12不需要设置有另外的扩散器。在旨在用于不同应用的实施例中，另外的孔12可以设置有另外的扩散器，该另外的扩散器在另外的孔12内延长或封闭罩2，从而以类似于孔11中的扩散器3的方式补充罩2的形状。
如图1所示，可以在壳体1、2中形成另外的隔室16。例如，能够在该另外的隔室16中布置另外的光学设备6，该另外的光学设备尤其可以包括LED之类的光源。罩2的在于隔室14与另外的隔室16之间的不透明内壁17屏蔽了从传感器元件5和另外的传感器元件15发出的光。另外的光学设备6例如可以嵌入到另外的盖8中，该另外的盖尤其可以是透明或半透明的模塑料。
在另外的光学设备6上方，罩2包括另外的孔13，该另外的孔允许另外的光学设备6发射的光离开壳体1、2。在该示例中，另外的孔13不需要设置有另外的扩散器。在旨在用于不同应用的实施例中，另外的孔13也可以设置有另外的扩散器。
根据图1的光学传感器封装件形成一种模块，该模块例如能够通过检测从物体反射并被另外的传感器元件15接收的发射光的一部分来进行环境光感测以及进行接近度感测。通过改变孔的数量、隔室的数量以及壳体1、2内部的光学设备的布置，能够获得各种各样的光学传感器模块。
图1示出了光线穿过扩散器3后进入隔室14的路径示例。光线9、10由箭头表示。
盖7的上表面与扩散器3相距d。扩散器3与盖7之间的间隙例如可以充满空气。因此，可以假设间隙中的折射率约为1。盖7可以由透明的模塑料形成，对于要检测的至少一个波长，该透明的模塑料具有通常大于1.5的折射率。该波长尤其可以是标准折射率测量中使用的589nm。因此，对于要检测的至少一个波长，盖的折射率是盖与扩散器之间存在的折射率的至少1.5倍。
图1示出了入射光线9和折射光线10，它们在盖7的表面折射后朝向传感器元件5传播。根据斯涅尔定律，入射角和折射角的正弦之比等于折射率之比的倒数。因此，从扩散器3射出的入射光线9朝向传感器元件5折射，并且根据斯涅尔定律，盖7上的入射角大于传感器元件5上的入射角。
如果假设折射率之比为1.56(这对于透明的模塑料和在要检测的波长范围内的波长来说是典型的)，则最大入射角α约为40°。最大入射角α是圆锥顶角的一半，该圆锥顶角定义了由包括扩散器3的孔11获得的视场的立体角。
图1所示的光线路径例示了能够如何调整扩散器3与盖7的表面之间的距离d以及扩散器3与传感器元件5之间的距离D以获得所需的视场。在这方面，也可以考虑菲涅尔方程，菲涅尔方程描述了反射系数对入射角的依赖性。被反射而不是被折射的入射辐射的百分比随着入射角的增加而增加。此外，扩散器3的厚度和扩散材料中散射颗粒的浓度可以适用于调整传输量与散射量的关系。
图2是示出制造方法的阶段的横截面。由合适的材料形成罩2，特别是由不透明材料形成罩，例如，该不透明材料尤其可以是液晶聚合物、聚苯硫醚或金属。罩2设置有所需的孔11、12、13，包括用于扩散器3的孔11。然后将罩2倒置地固定在载体19上，使得罩2的上表面18由载体19支撑。罩2的面向孔11的侧表面20可以构造成促进或加强扩散器3的附接。
孔11填充有扩散材料。这尤其可以通过分配环氧树脂或硅酮来实现。图3是根据图2的形成扩散器3之后的横截面。在图3中，扩散器3被示出为具有与罩2相同或近似相同的厚度。可替代地，扩散器3的厚度可以不同于罩2的厚度。
两个部件的注射成型也可以用于制造具有扩散器3的罩2。该部件可以包括：不透明的材料，特别是黑色材料；以及扩散材料，特别是白色材料。
图4是包括扩散器3的图3的细节图。图4所示的部分在图3中用虚线框示出。图4示出了罩2的面向孔11的侧表面20如何具有类似锥形的结构特征，例如，结构特征将扩散器3和罩2互锁以避免分层。化学键合也是合适的选择。
所描述的光学传感器封装件允许将颜色传感器和接近传感器进行组合。如果为颜色传感器和接近传感器提供的孔在空间上分离，如根据图1的示例中所示，则能够将扩散器限制到颜色传感器，以避免接近传感器中的信号强度的损失。对于信号强度不是很严格的应用，将颜色传感器和接近传感器都布置在共用的孔下可能是合适的，该共用的孔可以部分或完全地被扩散器材料填充。
所描述的具有集成扩散器的光学传感器封装件提供了相对较宽的视野以及对最大光入射角度的适当限制。它不需要外部部件，并确保在最终测试期间校准传感器。
附图标记说明
1 板
2 罩
3 扩散器
4 光学传感器设备
5 传感器元件
6 另外的光学设备
7 盖
8 另外的盖
9 入射光线
10 折射光线
11 孔
12 另外的孔
13 另外的孔
14 隔室
15 另外的传感器元件
16 另外的隔室
17 内壁
18 上表面
19 载体
20 侧表面
α 最大入射角
d 距离
D 距离

Claims (13)

1.一种光学传感器封装件，包括：
具有传感器元件(5)的光学传感器设备(4)，
所述光学传感器设备(4)的盖(7)，和
壳体(1、2)，其包括具有孔(11)的罩(2)，所述光学传感器设备(4)布置在所述壳体(1、2)内部，
其特征在于，
在与所述传感器元件(5)相对的孔(11)中布置有扩散器(3)，
所述扩散器(3)在孔(11)内延长所述罩(2)或封闭所述孔(11)，并且
所述盖(7)与所述扩散器(3)相距正距离(d)布置，其中，所述正距离(d)被相对于所述盖(7)调整成使得对于要检测的至少一个波长的辐射，在所述传感器元件(5)处获得40°的最大入射角(α)。
2.根据权利要求1所述的光学传感器封装件，其中，所述扩散器(3)包括环氧树脂。
3.根据权利要求1所述的光学传感器封装件，其中，所述扩散器(3)包括硅酮。
4.根据权利要求1所述的光学传感器封装件，其中，所述罩(2)包括液晶聚合物。
5.根据权利要求1所述的光学传感器封装件，其中，所述罩(2)包括聚苯硫醚。
6.根据权利要求1所述的光学传感器封装件，其中，所述罩(2)包括金属。
7.根据权利要求1所述的光学传感器封装件，其中，对于要检测的至少一个波长，所述盖(7)的折射率是所述盖(7)与所述扩散器(3)之间存在的折射率的至少1.5倍。
8.根据权利要求1所述的光学传感器封装件，其中，所述罩(2)的面向所述孔(11)的侧表面(20)设置有结构特征。
9.根据权利要求8所述的光学传感器封装件，其中，所述侧表面(20)朝向所述扩散器(3)逐渐变细。
10.一种制造光学传感器封装件的方法，包括：
形成具有孔(11)的罩(2)，
在所述孔(11)中布置扩散材料，从而形成扩散器(3)；并且
在形成所述扩散器(3)之后，在包括所述罩(2)的壳体(1、2)内布置具有传感器元件(5)的光学传感器设备(4)，使得所述传感器元件(5)与所述扩散器(3)相对；
提供所述光学传感器设备(4)的盖(7)；
将所述盖(7)与所述扩散器(3)相距正距离(d)布置，其中，将所述正距离(d)相对于所述盖(7)调整成使得对于要检测的至少一个波长的辐射，在所述传感器元件(5)处获得40°的最大入射角(α)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中将环氧树脂或硅酮用作所述扩散材料。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，将选自液晶聚合物、聚苯硫醚和金属的材料用于所述罩(2)。
13.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括：
通过注射成型形成所述罩(2)和所述扩散器(3)，所述罩(2)使用不透明材料并且所述扩散器(3)使用扩散材料。
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