CN112806960A - 光感测模块及其应用的电子装置 - Google Patents

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林子钧
丘国铭
任永昌
周孟松
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Lite On Opto Technology Changzhou Co Ltd
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Abstract

本申请公开一种光感测模块及其应用的电子装置，其中光感测模块包括一基板、一光感测单元、一第一透光构件以及一挡墙。光感测单元设置于基板上，用以感测一工作光线的强度，第一透光构件覆盖光感测单元，且第一透光构件的折射率介于光感测单元的折射率与空气折射率之间，挡墙设置于基板上且包围光感测单元与第一透光构件。借此，光感测单元的感测灵敏度和准确度能有明显改善。

Description

光感测模块及其应用的电子装置
技术领域
本申请涉及一种光感测技术及其应用，特别是涉及一种光感测模块及其应用的电子装置，例如可携式电子装置及穿戴式电子装置。
背景技术
随着国民对于健康意识的重视，休闲运动的浪潮随之兴起，进而带动了穿戴式装置的发展，也受到了广大的欢迎。其中，相较于手机而言，穿戴式装置因为具有体积小、重量轻的特性，很适合于运动中或移动时使用，除了有时间显示与信息提醒的功能，也可以实时地监测生理信号(如脉搏信号等)，使消费者能时刻地了解自身的生理状态。
透过光传感器监测生理信号是常见的监测方式之一，然而，于实际使用时，仍有许多不足之处。在现有的穿戴式装置中，生理信号的光感监测很容易因为使用者的肤色、所处环境的明暗程度、穿戴的贴合度、使用者的运动状态而影响了监测信号的质量，这些因素所产生的干扰(cross talk)将可能影响所测得的微弱生理信号的判读，甚至是将测得的微弱生理信号完全地覆盖。举例而言，当使用者于户外进行剧烈运动时，户外的强太阳光很容易影响光传感器对于生理信号的监测，此外，大幅度的动作或是剧烈地运动很容易影响穿戴装置与人体的贴合程度，进而会影响生理状态数值的计算，又错误的生理状态数值可能会影响使用者改变自身的运动强度，如此将对于消费者的健康带来严重的危害。在另一方面，由于穿戴式装置普遍具有多功能、轻巧的特性需求，设置光传感器的空间大小与位置将无可避免地受到了限制，这导致了光传感器的光接收区域范围在空间上受到了限缩，如此影响了生理状态数值的计算，不易于对生理状态进行完整的评估。
因此，为了能够使使用者在室内、外的环境以及处于各种运动状态下都能够准确地读取自身生理状态的数值，如何发展一个有效降低光串扰现象并提升光监测敏感度的光传感器装置是现代重要且急需解决的课题。
发明内容
本申请所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种具有良好灵敏度和准确度的光感测模块以及应用其的电子装置。
为了解决上述的技术问题，本申请所采用的其中一技术方案是提供一种光感测模块，其包括一基板、一光感测单元、一第一透光构件以及一挡墙。所述光感测单元设置于所述基板上，用以感测一工作光线的强度；所述第一透光构件覆盖所述光感测单元，其中所述第一透光构件具有一第一折射率，且所述第一折射率介于所述光感测单元的折射率与空气折射率之间；所述挡墙设置于所述基板上，且包围所述光感测单元与所述第一透光构件。
在本申请的一实施例中，所述挡墙对于所述工作光线的穿透率小于2％。
在本申请的一实施例中，所述挡墙的厚度为50微米至200微米。
在本申请的一实施例中，所述光感测模块还包括一第二透光构件，其设置于所述光感测单元与所述第一透光构件之间且具有一第二折射率，且所述第二折射率介于所述光感测单元的折射率与所述第一折射率之间。
在本申请的一实施例中，所述第一透光构件的厚度为30微米至50微米，且所述第二透光构件的厚度为10微米至30微米。
在本申请的一实施例中，所述第一透光构件的折射率为1.45至1.5，且所述第二透光构件的折射率为1.54至1.55。
在本申请的一实施例中，所述光感测模块还包括一光遮蔽层，其设置于所述光感测单元与所述挡墙之间。
在本申请的一实施例中，所述光感测单元具有一上收光面以及一垂直于所述上收光面的侧表面，所述侧表面与所述挡墙之间具有一间隙，且所述光遮蔽层将所述间隙填满。
在本申请的一实施例中，所述光遮蔽层对于所述工作光线的穿透率小于2％。
在本申请的一实施例中，所述光感测模块还包括一第三透光构件，其包围所述第一透光构件且具有一第三折射率，且所述第三折射率小于所述第一折射率之间。
在本申请的一实施例中，所述第三透光构件的厚度为10微米至30微米。
在本发明的一实施例中，所述第三透光构件的折射率为1.35至1.45。
在本申请的一实施例中，所述第三透光构件含有光扩散粒子。
在本申请的一实施例中，所述多个光扩散粒子的平均粒径为10纳米至30纳米，且基于100重量百分比的所述第三透光构件，所述多个光扩散粒子的含量为0.01至1重量百分比。
在本申请的一实施例中，所述光感测单元具有一位于底部的第一电极以及一位于顶部的第二电极，所述基板具有彼此分离的一第一接触垫以及一第二接触垫，所述第一电极接着于所述第一接触垫上，且所述第二电极通过一导线与所述第二接触垫电导通。
为了解决上述的技术问题，本申请所采用的另外一技术方案是提供一种电子装置，其包括一光发射模块以及一具有上述构造的光感测模块，所述光发射模块用以发射一工作光线，且所述光感测模块用以感测所述工作光线的强度。
本申请的其中一有益效果在于，本申请的光感测模块，其能通过“第一透光构件覆盖光感测单元，且具有一介于光感测单元的折射率与空气折射率之间的第一折射率，挡墙设置于基板上，且包围光感测单元与第一透光构件”的技术特征，以扩大感测范围，减少感测死角，以及降低外部光线对光感测单元的干扰(crosstalk)。
为使能更进一步了解本申请的特征及技术内容，请参阅以下有关本申请的详细说明与图式，然而所提供的图式仅用于提供参考与说明，并非用来对本申请加以限制。
附图说明
图1为本申请第一实施例的光感测模块的结构示意图。
图2为本申请第二实施例的光感测模块的结构示意图。
图3为本申请第三实施例的光感测模块的结构示意图。
图4为本申请第四实施例的光感测模块的结构示意图。
图5为图4中V部分的局部放大图。
图6为本申请第五实施例的光感测模块的其中一结构示意图。
图7为图6中VII部分的局部放大图。
图8为本申请第五实施例的光感测模块的另外一结构示意图。
图9至图14为本申请第五实施例的光感测模块的制造过程示意图。
图15为本申请的电子装置的结构示意图。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例来说明本申请所公开有关“光感测模块及应用其的电子装置”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本申请的优点与效果。本申请可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不背离本申请的构思下进行各种修改与变更。另外，本申请的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本申请的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本申请的保护范围。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
第一实施例
参阅图1所示，本申请第一实施例提供一种光感测模块Z1，其包括一基板1、一光感测单元2、一第一透光构件3a及一挡墙4。光感测单元2设置于基板1上，第一透光构件3a覆盖光感测单元2，挡墙4设置于基板1上，且包围光感测单元2与第一透光构件3a。
在本实施例中，光感测单元2可通过基板1配置于一电子装置(如穿戴式电子装置)内，以感测一工作光线的强度，从而电子装置可根据感测的结果来采取动作(如量测用户的生理信号)。又，第一透光构件3a具有一第一折射率，其介于光感测单元2的折射率与空气折射率之间，可发挥折射率匹配的作用，以扩大光感测单元2的感测范围、减少感测死角，挡墙4具有低透光性，可降低外部光线对光感测单元2的干扰(crosstalk)；为此，光感测单元2的灵敏度和准确度能有明显改善。本文中，术语“光感测单元2的折射率”指的是光感测单元2与第一透光构件3a相接触的一部分的匹配折射率。
实际应用时，基板1可为一电路板，其具有多个内部连接接口及多个外部连接接口。光感测单元2可为一光感测芯片(photodetector chip)，且可与一光发射单元(图未示)配合使用，其中光发射单元用以发射工作光线(如可见光或不可见光光线)，光感测单元2用以接收工作光线，并产生与所接收光线强度对应的电流。第一透光构件3a可为一硅基树脂所形成的层状结构，又，第一透光构件3a的折射率(第一折射率)可为1.45至1.5，且可选为1.5，第一透光构件3a的厚度可为30微米至50微米。挡墙4可为一树脂组成物所形成，其包括一硅基树脂及黑碳粉(K Black)，挡墙4可通过一黏着层(图未示)结合于基板1上。在本实施例中，挡墙4的底部延伸入基板1，借以达到更好的光阻挡效果。以上所述只是可行实施方式，并非用以限定本申请。举例来说，在一未绘示的实施例中，挡墙4可一体成型于基板1表面上。
进一步而言，基板1的多个内部连接接口包括彼此分离的一第一接触垫11及一第二接触垫12，视光感测单元2的形式而定，可通过任何适当的手段将光感测单元2与第一接触垫11及第二接触垫12电性连接。举例来说，光感测单元2可具有一位于底部的第一电极21及一位于顶部的第二电极22，如图1所示；光感测单元2可通过固晶胶或焊料接着于基板1的第一接触垫11上，其中第一电极21与第一接触垫11电导通，第二电极22可通过一导线W与第二接触垫12电导通。基于成本和产品可靠性的考虑，挡墙4对于工作光线的穿透率可选为小于2％，且挡墙4的厚度可选为50微米至200微米。
第二实施例
参阅图2所示，本申请第二实施例提供一种光感测模块Z2，其包括一基板1、一光感测单元2、一第一透光构件3a、一第二透光构件3b及一挡墙4。光感测单元2设置于基板1上，第一透光构件3a覆盖光感测单元2，第二透光构件3b设置于光感测单元2与第一透光构件3a之间，挡墙4设置于基板1上，且包围光感测单元2、第一透光构件3a与第二透光构件3b。关于基板1、光感测单元2、第一透光构件3a与挡墙4的技术细节，已描述于上述实施例中，故在此不加以赘述。
在本实施例中，第一透光构件3a具有一第一折射率，其介于光感测单元2的折射率与空气折射率之间，第二透光构件3b具有一第二折射率，其介于光感测单元2的折射率与第一折射率之间；因此，第一透光构件3a与第二透光构件3b可共同发挥折射率匹配的作用，以进一步提高光感测单元的灵敏度。实际应用时，第二透光构件3b可为一硅基树脂(silicone-based resin)所形成，又第二透光构件3b的折射率(第二折射率)可为1.54至1.55，且可选为1.55，第二透光构件3b的厚度可为10微米至30微米。进一步而言，光感测单元2具有一上收光面201(图4)及一垂直于上收光面201的侧表面202(图4)，第二透光构件3b是一预先成型后再贴附光感测单元2的上收光面201的膜片，但也可以是在光感测单元2的上收光面201上进行涂布和固化而形成。以上所述只是可行实施方式，并非用以限定本申请。
第三实施例
参阅图3所示，本申请第三实施例提供一种光感测模块Z3，其包括一基板1、一光感测单元2、一第一透光构件3a、一第二透光构件3b、一挡墙4及一光遮蔽层5。光感测单元2设置于基板1上，光遮蔽层5设置于基板1上且包围光感测单元2，第一透光构件3a覆盖光感测单元2与光遮蔽层5，第二透光构件3b设置于光感测单元2与第一透光构件3a之间，挡墙4设置于基板1上，且包围光感测单元2、第一透光构件3a、第二透光构件3b与光遮蔽层5。关于基板1、光感测单元2、第一透光构件3a、第二透光构件3b与挡墙4的技术细节，已描述于上述实施例中，故在此不加以赘述。
在本实施例中，光遮蔽层5设置于光感测单元2与挡墙4之间，光遮蔽层5也具有低透光性而可与挡墙4共同发挥遮挡外部光线的作用；因此，在光遮蔽层5的存在下，光感测单元2更不容易受到外部光线的干扰，具有更高的准确度，可大幅降低误判率。实际应用时，光感测单元2的侧表面202与挡墙4之间具有一间隙G，光遮蔽层5可将间隙G完全填满或部分填满，且可选为将间隙G完全填满；光遮蔽层可为一树脂组成物所形成，其包括一硅基树脂及黑碳粉(K Black)。以上所述只是可行实施方式，并非用以限定本申请。
第四实施例
参阅图4所示，本申请第四实施例提供一种光感测模块Z4，其包括一基板1、一光感测单元2、一第一透光构件3a、一第二透光构件3b、一第三透光构件3c、一挡墙4及一光遮蔽层5。光感测单元2设置于基板1上，光遮蔽层5设置于基板1上且包围光感测单元2，第一透光构件3a覆盖光感测单元2，第二透光构件3b设置于光感测单元2与第一透光构件3a之间，第三透光构件3c包围第一透光构件3a，且位置对应光遮蔽层5，挡墙4设置于基板1上且包围光感测单元2、第一透光构件3a、第二透光构件3b与光遮蔽层5。关于基板1、光感测单元2、第一透光构件3a、第二透光构件3b、第三透光构件3c与挡墙4的技术细节，已描述于上述实施例中，故在此不加以赘述。
在本实施例中，第一透光构件3a具有一第一折射率，其介于光感测单元2的折射率与空气折射率之间，第二透光构件3b具有一第二折射率，其介于光感测单元2的折射率与第一折射率之间，第三透光构件3c具有一第三折射率，其小于第一折射率；因此，第一透光构件3a与第三透光构件3c也可共同发挥折射率匹配的作用，以更进一步提高光感测单元2的灵敏度，相关细节说明如下。实际应用时，第三透光构件3c可为一硅基树脂(silicone-based resin)所形成的层状结构，又第三透光构件3c的折射率(第三折射率)可为1.35至1.45，且可选为1.4，第三透光构件3c的厚度可为10微米至30微米。以上所述只是可行实施方式，并非用以限定本申请。
配合参阅图5所示，在本实施例所提供的架构下，部分工作光线L1没有直接进入到光感测单元2的感测范围内，而是照射至第三透光构件3c，但是由于第三透光构件3c的折射率大于第一透光构件3a的折射率，因此工作光线L1可在第一透光构件3a与第三透光构件3c的交界面发生全内反射，并被光感测单元2的上收光面201或侧表面202所接收；也就是说，由第一透光构件3a与第三透光构件3c所共同发挥的折射率匹配作用能扩大光感测单元2的感测范围，从而提高感测灵敏度。
第五实施例
参阅图6至图8，并配合图5所示，本申请第五实施例提供一种光感测模块Z5，其构造与第四实施例的光感测模块Z4的构造相同，两者主要区别在于：第三透光构件3c含有光扩散粒子P。
在本实施例中，多个光扩散粒子P可引起工作光线L2散射，而散射光线L21有机会被光感测单元2的上收光面201或侧表面202所接收，如图7所示；以如此方式，也能扩大光感测单元2的感测范围，从而提高感测灵敏度。实际应用时，光扩散粒子P可为无机纳米粒子，且可选为二氧化钛纳米粒子；基于加工性和感测效能的考虑，多个光扩散粒子P的平均粒径为10纳米至30纳米，且基于100重量百分比的第三透光构件3c，多个光扩散粒子P的含量为0.01至1重量百分比。然而，以上所述只是可行实施方式，并非用以限定本申请。举例来说，第一透光构件3c根据实际需要也可含有多个均匀分布的光扩散粒子P，如图8所示。
参阅图9至图14，本实施例的光感测模块Z5可由以下步骤所制成。首先，提供一基板1，其具有彼此分离的一第一接触垫11及一第二接触垫12，并形成一挡墙4于基板1上；接着，将一光感测单元2接着于基板1的第一接触垫11，并以一导线W连接光感测单元2与基板1的第二接触垫12；然后，形成一第一透光构件3a与一第二透光构件3b于接光感测单元2上，其中第二透光构件3b形成于接光感测单元2与第一透光构件3a之间；然后，形成一光遮蔽层5于光感测单元2与挡墙4之间；最后，形成一含有多个光扩散粒子P的第三透光构件3c于光遮蔽层5上并包围第一透光构件3a。各步骤的技术细节已描述于上述实施例中，故在此不加以赘述。
参阅图15所示，本申请还进一步提供一种电子装置D，其包括一光发射模块E及一具有上述构造的光感测模块Z1、Z2、Z3、Z4、Z5，光发射模块E用以发射一工作光线L3，且光感测模块Z1、Z2、Z3、Z4、Z5用以感测工作光线的强度。进一步而言，本申请的电子装置D可作为一穿戴式电子装置，当光发射模块E所发射的工作光线L3投射至前方的一物体Z(如用户身体的一部分)上时，可形成一反射光线L31进入光感测模块Z1、Z2、Z3、Z4、Z5内而被光感测单元2所接收，从而电子装置D可根据光感测单元2所产生的电流大小，决定是否要开始量测用户的生理信号。然而，以上所述只是可行实施方式，并非用以限定本申请。
实施例的有益效果
本申请的其中一有益效果在于，本申请的光感测模块，其能通过“第一透光构件覆盖光感测单元，且具有一介于光感测单元的折射率与空气折射率之间的第一折射率，挡墙设置于基板上，且包围光感测单元与第一透光构件”的技术特征，以扩大感测范围，减少感测死角，以及降低外部光线对光感测单元的干扰(crosstalk)。
更进一步来说，第一透光构件、第一透光构件与第二透光构件的组合及第一透光构件、第二透光构件与第三透光构件的组合，可单独或共同发挥折射率匹配的作用，以进一步提高光感测单元的灵敏度。
更进一步来说，光遮蔽层可与挡墙共同发挥遮挡外部光线的作用，使光感测单元更不容易受到外部光线的干扰，大幅降低误判率。
上述有益效果均可以从表1所示性能测试结果得到验证：
表1
Figure BDA0002697950310000091
以上所公开的内容仅为本申请的优选可行实施例，并非因此局限本申请的权利要求书的保护范围，所以凡是运用本申请说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本申请的权利要求书的保护范围内。

Claims (16)

1.一种光感测模块，其特征在于，所述光感测模块包括：
一基板；
一光感测单元，设置于所述基板上，用以感测一工作光线的强度；
一第一透光构件，覆盖所述光感测单元，其中所述第一透光构件具有一第一折射率，且所述第一折射率介于所述光感测单元的折射率与空气折射率之间；以及
一挡墙，设置于所述基板上，且包围所述光感测单元与所述第一透光构件。
2.根据权利要求1所述的光感测模块，其特征在于，所述挡墙对于所述工作光线的穿透率小于2％。
3.根据权利要求2所述的光感测模块，其特征在于，所述挡墙的厚度为50微米至200微米。
4.根据权利要求1所述的光感测模块，其特征在于，所述光感测模块还包括一第二透光构件，其设置于所述光感测单元与所述第一透光构件之间且具有一第二折射率，且所述第二折射率介于所述光感测单元的折射率与所述第一折射率之间。
5.根据权利要求4所述的光感测模块，其特征在于，所述第一透光构件的厚度为30微米至50微米，且所述第二透光构件的厚度为10微米至30微米。
6.根据权利要求4所述的光感测模块，其特征在于，所述第一透光构件的折射率为1.45至1.5，且所述第二透光构件的折射率为1.54至1.55。
7.根据权利要求4所述的光感测模块，其特征在于，所述光感测模块还包括一光遮蔽层，其设置于所述光感测单元与所述挡墙之间。
8.根据权利要求7所述的光感测模块，其特征在于，所述光感测单元具有一上收光面以及一垂直于所述上收光面的侧表面，所述侧表面与所述挡墙之间具有一间隙，且所述光遮蔽层将所述间隙填满。
9.根据权利要求7所述的光感测模块，其特征在于，所述光遮蔽层对于所述工作光线的穿透率小于2％。
10.根据权利要求4所述的光感测模块，其特征在于，所述光感测模块还包括一第三透光构件，其包围所述第一透光构件且具有一第三折射率，且所述第三折射率小于所述第一折射率之间。
11.根据权利要求10所述的光感测模块，其特征在于，所述第三透光构件的厚度为10微米至30微米。
12.根据权利要求10所述的光感测模块，其特征在于，所述第三透光构件的折射率为1.35至1.45。
13.根据权利要求10所述的光感测模块，其特征在于，所述第三透光构件含有光扩散粒子。
14.根据权利要求13所述的光感测模块，其特征在于，所述多个光扩散粒子的平均粒径为10纳米至30纳米，且基于100重量百分比的所述第三透光构件，所述多个光扩散粒子的含量为0.01至1重量百分比。
15.根据权利要求1所述的光感测模块，其特征在于，所述光感测单元具有一位于底部的第一电极以及一位于顶部的第二电极，所述基板具有彼此分离的一第一接触垫以及一第二接触垫，所述第一电极接着于所述第一接触垫上，且所述第二电极通过一导线与所述第二接触垫电导通。
16.一种电子装置，其特征在于，所述电子装置包括一光发射模块以及根据权利要求1至15中任一项所述的光感测模块，所述光发射模块用以发射一工作光线，且所述光感测模块用以感测所述工作光线的强度。
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