CN219533395U - 一种tof传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种TOF传感器，包括基板、外壳、光发射芯片、光接收芯片、匀光片、滤光片和透镜；外壳与基板之间形成有相互隔绝的第一腔室和第二腔室，外壳在位于第一腔室的顶部设置有第一光孔，在位于第二腔室的顶部设置有第二光孔；光发射芯片设置于第一腔室内，并与第一光孔相对；光接收芯片设置于第二腔室内，并与第二光孔相对；匀光片设置于第一腔室内，并贴设覆盖于第一光孔处，与光发射芯片相对；滤光片和透镜均设置于第二腔室内，滤光片贴设覆盖于第二光孔处，透镜设置于滤光片的下方，并与光接收芯片相对。本实用新型提供的TOF传感器的结构使得封装过程简单，制造成本较低。

Description

一种TOF传感器

技术领域

本实用新型涉及距离检测技术领域，更具体地，本实用新型涉及一种TOF传感器。

背景技术

TOF是飞行时间(Time of Flight)技术的缩写，即传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息。

现有的TOF传感器封装方案中，通常采用匀光片和滤光片外贴、透镜内置的设计方案，在传感器的装配过程中，匀光片、滤光片和透镜在晶圆上是结构面朝上，而匀光片和滤光片在封装结构中是结构面朝下，透镜根据光路设计通常会是结构面朝向产品顶面，导致在封装工艺过程中需要进行载板转膜或是翻转外壳进行贴装，过程中使用的辅材数量较多，制造成本较高。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种TOF传感器的新

根据本实用新型的一个方面，提供一种TOF传感器，包括：

基板和外壳，所述外壳与所述基板之间形成有相互隔绝的第一腔室和第二腔室，所述外壳在位于所述第一腔室的顶部设置有第一光孔，在位于所述第二腔室的顶部设置有第二光孔；

光发射芯片，所述光发射芯片设置于所述第一腔室内，并与所述第一光孔相对，所述光发射芯片能够对外发射特定光束；

光接收芯片，所述光接收芯片设置于所述第二腔室内，并与所述第二光孔相对，所述光接收芯片能够接收被反射的所述特定光束；

匀光片，所述匀光片设置于所述第一腔室内，并贴设覆盖于所述第一光孔处，与所述光发射芯片相对；

滤光片和透镜，所述滤光片和所述透镜均设置于所述第二腔室内，所述滤光片贴设覆盖于所述第二光孔处，所述透镜设置于所述滤光片的下方，并与所述光接收芯片相对。

可选地，所述透镜为超表面透镜，所述超表面透镜的超表面侧朝向所述滤光片。

可选地，所述滤光片和所述超表面透镜均为矩形结构，且两者呈十字交叉形设置。

可选地，所述第一光孔靠近于所述第二光孔一侧的侧壁与所述匀光片的表面夹角为直角；

所述第一光孔的其余侧壁和所述第二光孔的侧壁分别与所述匀光片和所述滤光片的表面夹角为钝角。

可选地，所述外壳的外表面在所述第一腔室和所述第二腔室之间设置有防串光结构，所述防串光结构能够阻挡串扰信号进入所述第二腔室。

可选地，所述外壳的内侧分别在位于所述第一光孔和所述第二光孔的周侧设置有第一支撑结构和第二支撑结构，所述匀光片固定于所述第一支撑结构上，所述滤光片和所述透镜分别固定于所述第二支撑结构上。

可选地，所述匀光片和所述滤光片分别具有工作区和粘接区，所述粘接区用于与所述第一支撑结构或第二支撑结构进行粘接固定；

所述第一支撑结构上设置有第一环形凸台，所述第一环形凸台贴合于所述匀光片的所述工作区和所述粘接区的交界处；

所述第二支撑结构上设置有第二环形凸台，所述第二环形凸台贴合于所述滤光片的所述工作区和所述粘接区的交界处。

可选地，所述透镜具有工作区和粘接区，所述第二支撑结构上设置有第三凸台，所述第三凸台贴合于所述透镜的所述工作区和所述粘接区的交界处。

可选地，所述第一环形凸台和所述第二环形凸台均具有断口，以形成通气通道。

可选地，所述光发射芯片为VCSEL芯片，所述VCSEL芯片能够发射激光光束；

所述光接收芯片为ASIC芯片，所述ASIC芯片具有感光区，所述感光区能够接收被反射的所述激光光束。

本实用新型的一个技术效果在于，本实用新型通过将匀光片和滤光片均贴设外壳内，并分别覆盖于第一光孔和第二光孔处，这种结构在保证匀光片和滤光片功能的基础上，使得在对传感器封装的过程中，匀光片、滤光片透镜的贴装无需对外壳进行翻转或载板转膜的工艺过程，简化了封装步骤，提高了封装效率，降低了封装难度和制造成本。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本实用新型的实施例，并且连同说明书一起用于解释本实用新型的原理。

图1是本实用新型提供的一种TOF传感器的结构示意图。

图2是图1中的基板的贴装示意图。

图3是图1中的外壳内侧的贴装示意图。

图4是图3中的外壳在位于第二腔室处的内侧结构示意图。

图5是图1中的外壳的外表面的结构示意图。

附图标记说明：

1、基板；2、外壳；21、第一光孔；22、第二光孔；23、第一支撑结构；24、第二支撑结构；25、第一环形凸台；26、第二环形凸台；27、第三凸台；28、断口；3、VCSEL芯片；4、ASIC芯片；5、匀光片；6、滤光片；7、透镜；8、防串光结构。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据图1至图5所示，本实用新型提供了一种TOF传感器，包括基板1、外壳2、光发射芯片、光接收芯片、匀光片5、滤光片6和透镜7；所述外壳2与所述基板1之间形成有相互隔绝的第一腔室和第二腔室，所述外壳2在位于所述第一腔室的顶部设置有第一光孔21，在位于所述第二腔室的顶部设置有第二光孔22；所述光发射芯片设置于所述第一腔室内，并与所述第一光孔21相对，所述光发射芯片能够对外发射特定光束；所述光接收芯片设置于所述第二腔室内，并与所述第二光孔22相对，所述光接收芯片能够接收被反射的所述特定光束；所述匀光片5设置于所述第一腔室内，并贴设覆盖于所述第一光孔21处，与所述光发射芯片相对；所述滤光片6和所述透镜7均设置于所述第二腔室内，所述滤光片6贴设覆盖于所述第二光孔22处，所述透镜7设置于所述滤光片6的下方，并与所述光接收芯片相对。

具体地，在本实施例中，TOF传感器能够用于检测被测物体的距离，其中，外壳2在对应于第一腔室和第二腔室的顶部设置有第一光孔21和第二光孔22，而光发射芯片和光接收芯片分别对应设置在与第一光孔21和第二光孔22相对的位置处，使得光发射芯片对外发射的特定光束能够通过第一光孔21传输至传感器的外部，至被测物体，而被被测物体反射回来的特定光束能够通过第二光孔22传输至光接收芯片上，被光接收芯片所接收，进而通过对发射的特定光束和接收的特定光束的时间差和相位差，来换算被测物体距离，以产生其深度信息。在一种实施例中，特定光束为红外光。

进一步地，如图1和图3所示，在外壳2的内侧位于第一光孔21处设置匀光片5，以对光发射芯片发出的较为集中的特定光束的光点转换为整面能量均匀的光束，以更加完整地拍摄被测物体。另外，在外壳2的内侧位于第二光孔22处设置滤光片6和透镜7，其中，滤光片6能够对被反射回来的特定光束进行滤除不相干的环境光，以减少环境噪声，透镜7能够对反射回来并经过滤光后的特定光束进行汇聚，以便于光接收芯片将反射光全部接收，保证检测的准确性。在此结构中，匀光片5和滤光片6的结构面均朝向基板1的方向(朝向产品下方)设置。

在上述结构中，相较于传统TOF传感器，将匀光片5和滤光片6贴合在外壳2体的内侧，使得在封装TOF传感器的过程中，可以先将外壳2倒置(即外壳2的内侧凹面朝上)装载在载板上，并依次在外壳2内装贴第一光孔21处的匀光片5、第二光孔22处的滤光片6和位于滤光片6与光接收芯片之间的透镜7，完成后，直接将贴装好的外壳2扣合贴装在基板1上即可完成整个传感器的封装工艺。其中，第一光孔21和第二光孔22的形状可以是圆形或方形等，其尺寸可根据实际需求进行设计，本实用新型对此均不做限制。

在上述封装过程中，由于匀光片5和滤光片6均设置于外壳2的内侧，使得在贴装透镜7时无需进行现有技术中的载板翻转或外壳2倒置的工序，一方面简化了封装工序，提高了封装效率，另一方面，在封装过程中，无需更多的辅材，降低了制造成本，适用于批量生产中。

可选地，参考图1，所述透镜7为超表面透镜，所述超表面透镜的超表面侧朝向所述滤光片6。

具体地，在本实施例中，透镜7采用超表面透镜，超表面透镜是在玻璃晶圆的表面制作微结构，其结构面朝向滤光片6，使得被反射回来的特定光束能够更加聚集，并且相对于传统透镜7其光路较小，无需为光路留设较大的空间，有利于实现传感器结构的小型化。

可选地，参考图1和图3，所述滤光片6和所述超表面透镜均为矩形结构，且两者呈十字交叉形设置。

具体地，在本实施例中，滤光片6和超表面透镜呈十字形交叉设置，使得滤光片6和超表面透镜的工作区的重叠区域更大，进而能够对被反射回来的特定光束进行更好地滤光和汇聚，有利于传感器的小型化。另外，十字交叉形的设置方式使得滤光片6和匀光片5的定位更加方便，有利于提高封装效率。

可选地，参考图1，所述第一光孔21靠近于所述第二光孔22一侧的侧壁与所述匀光片5的表面夹角为直角；所述第一光孔21的其余侧壁和所述第二光孔22的侧壁分别与所述匀光片5和所述滤光片6的表面夹角为钝角。

具体地，在本实施例中，光发射芯片从第一光孔21发射出去的特定光束达到一定光强值时，容易分散传输至第二光孔22形成干扰光，将第一光孔21靠近与第二光孔22一侧的侧壁设置为与匀光片5的表面夹角呈直角，一方面不会影响光发射芯片发射的特定光束的对外传输，另一方面也能够对特定光束在靠近第二光孔22一侧的散射光形成一定的导向作用，避免其不经过反射直接从第二光孔22进入到第二腔室内被光接收芯片接收。

进一步地，将第一光孔21其余侧壁设置为与匀光片5的表面夹角为钝角，能够避免第一光孔21对光发射芯片发出的特定光束造成遮挡，使得发射出去的特定光束更加均匀。而将第二光孔22的侧壁设置为与滤光片6的表面夹角为钝角，使得光接收芯片在接收被反射的特定光束时，第二光孔22不会对其造成遮挡，提高光接收芯片接收光束信号的完整性。

可选地，参考图1和图5，所述外壳2的外表面在所述第一腔室和所述第二腔室之间设置有防串光结构8，所述防串光结构8能够阻挡串扰信号进入所述第二腔室。

具体地，在实际应用中，传感器上方(即第一光孔21和第二光孔22处)会装设有盖板，部分光束在盖板内多次发射后会进入第二腔室内形成串扰信号，当串扰信号太强超过特定光束(即被被测物体反射回来的特定光束)的强度时，串扰信号则会被当成特定光束，此时传感器只会检测到盖板的距离，无法正确测量被测物体的距离。另外，串扰信号过强也会影响传感器测量距离的精度。

在本实施例中，设置防串扰结构，使得其能够阻挡串扰信号进入所述第二腔室，提高了传感器测距的准确性和可靠性。例如，将防串扰结构设计为鳍型，鳍型的防串扰结构能够改变在盖板中多次反射的光束的光路，使其无法进入第二腔室内，即可以使串扰信号无法被光接收芯片所接收，参考图5。

可选地，参考图1和图3，所述外壳2的内侧分别在位于所述第一光孔21和所述第二光孔22的周侧设置有第一支撑结构23和第二支撑结构24，所述匀光片5固定于所述第一支撑结构23上，所述滤光片6和所述透镜7分别固定于所述第二支撑结构24上。

可选地，在本实施例中，第一支撑结构23用于对匀光片5提供贴设位置，而第二支撑结构24用于对滤光片6和透镜7提供贴设位置，其结构特征可以分别与匀光片5、滤光片6和透镜7的形状相匹配，一方面提高了各镜片贴设的稳固性，另一方面能够对加强外壳2的强度。其中，第一支撑结构23和第二支撑结构24可以与外壳2为一体注塑成型。

可选地，参考图3和图4，所述匀光片5和所述滤光片6分别具有工作区和粘接区，所述粘接区用于与所述第一支撑结构23或第二支撑结构24进行粘接固定；所述第一支撑结构23上设置有第一环形凸台25，所述第一环形凸台25贴合于所述匀光片5的所述工作区和所述粘接区的交界处；所述第二支撑结构24上设置有第二环形凸台26，所述第二环形凸台26贴合于所述滤光片6的所述工作区和所述粘接区的交界处。

具体地，在实际应用中，匀光片5、滤光片6和透镜7通常通过结构胶等粘接剂粘接在外壳2上，而粘接剂涂抹过少的话，会导致镜片粘接不牢固，容易发生脱落的现象，粘接剂涂抹过多的话，会导致粘接剂会溢胶至各镜片的工作区，需要后期进行人工除胶等操作，既影响了各镜片的功能，又提高了人力成本。

在本实施例中，各镜片的工作区基本对应第一光孔21或第二光孔22的范围，在第一支撑结构23上设置第一环形凸台25，其贴合于匀光片5的工作区和粘接区的交界处，在第二支撑结构24上设置第二环形凸台26，其贴合滤光片6的工作区和粘接区的交界处，使得在对匀光片5和滤光片6进行粘接贴设时，第一环形凸台25和第二环形凸台26能够阻挡位于粘接区的多余粘接剂流向工作区处，既能够保证粘接效果，又能够避免溢胶污染镜片，且无需人力除胶，降低了人力成本。

可选地，参考图3和图4，所述透镜7具有工作区和粘接区，所述第一支撑结构23上设置有第三凸台27，所述第三凸台27贴合于所述透镜7的所述工作区和所述粘接区的交界处。

具体地，在本实施例中，透镜7是设置于滤光片6的下方，其与滤光片6具有重叠的工作区，在第二支撑结构24位于滤光片6下方的位置处设置第三凸台27，并使其贴合在透镜7的工作区和粘接区的交接处，使得在粘接透镜7时，粘接区多余的粘接剂同样不会流向其工作区处，既保证了粘接效果，又避免了溢胶污染镜片。另外，第三凸台27的形状可根据透镜7与第二支撑结构24的接触位置进行设计，本实用新型对此不做限制。

在上述实施例中，各镜片的工作区和粘接区的交接处并不是严格限定的特定区域，其工作区的范围可根据第一光孔21和第二光孔22在对应镜片上的投影区域进行确定，工作区的范围可以是第一光孔21和第二光孔22在对应镜片上的投影区域，也可以是稍微大于投影区域的范围，而各凸台的设置位置即可沿工作区的边缘设计，本实用新型对此均不做限制。

可选地，参考图3和图4，所述第一环形凸台25和所述第二环形凸台26均具有断口28，以形成通气通道。

具体地，在本实施例中，第一环形凸台25和第二环形凸台26设计有断口28，即环形结构是不连续的，这种结构设计使得在封装或烘烤与回流等工艺过程中，能够将各镜片周围膨胀的气体及时排出，避免高温膨胀的气体对各镜片或传感器的其它电子器件造成损坏，提高了传感器的可靠性和安全性。

可选地，参考图1，所述光发射芯片为VCSEL芯片3(垂直腔面发射激光器，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)，所述VCSEL芯片3能够发射激光光束；所述光接收芯片为ASIC芯片4(专用集成电路，Application Specific Integrated Circuit)芯片，所述ASIC芯片4具有感光区，所述感光区能够接收被反射的所述激光光束。

具体地，在本实施例中，光发射芯片采用VCSEL芯片3，其能够发射不同波长的激光光束，例如发射850nm、940nm等不同波长的红外不可见光。而光接收芯片采用ASIC芯片4，将ASIC芯片4的感光区设置在与第二光孔22相对的位置处，使其能够接收上述不同波长的激光光束，ASIC芯片4可根据接收的光束信息，进行对应形式的距离转换计算。另外，在本实施例中，还可在基板1上设置不同的电子器件，如电容、电阻、VCSEL驱动等功能器件，以完善整个传感器的测距功能。

在上述传感器结构中，基板1为PCB(印制电路板，Printed Circuit Board)，电子器件可通过SMT工艺贴装在PCB上，VCSEL芯片3通过银浆粘接在PCB上，ASIC芯片4通过DAF胶粘接在PCB上，并通过金线与PCB进行电气连接。整个传感器的零部件较少，且封装简单，适用于批量生产中。

上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

虽然已经通过示例对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种TOF传感器，其特征在于，包括：

基板和外壳，所述外壳与所述基板之间形成有相互隔绝的第一腔室和第二腔室，所述外壳在位于所述第一腔室的顶部设置有第一光孔，在位于所述第二腔室的顶部设置有第二光孔；

光发射芯片，所述光发射芯片设置于所述第一腔室内，并与所述第一光孔相对，所述光发射芯片能够对外发射特定光束；

光接收芯片，所述光接收芯片设置于所述第二腔室内，并与所述第二光孔相对，所述光接收芯片能够接收被反射的所述特定光束；

匀光片，所述匀光片设置于所述第一腔室内，并贴设覆盖于所述第一光孔处，与所述光发射芯片相对；

滤光片和透镜，所述滤光片和所述透镜均设置于所述第二腔室内，所述滤光片贴设覆盖于所述第二光孔处，所述透镜设置于所述滤光片的下方，并与所述光接收芯片相对。

2.根据权利要求1所述的TOF传感器，其特征在于，所述透镜为超表面透镜，所述超表面透镜的超表面侧朝向所述滤光片。

3.根据权利要求2所述的TOF传感器，其特征在于，所述滤光片和所述超表面透镜均为矩形结构，且两者呈十字交叉形设置。

4.根据权利要求1所述的TOF传感器，其特征在于，所述第一光孔靠近于所述第二光孔一侧的侧壁与所述匀光片的表面夹角为直角；

所述第一光孔的其余侧壁和所述第二光孔的侧壁分别与所述匀光片和所述滤光片的表面夹角为钝角。

5.根据权利要求1所述的TOF传感器，其特征在于，所述外壳的外表面在所述第一腔室和所述第二腔室之间设置有防串光结构，所述防串光结构能够阻挡串扰信号进入所述第二腔室。

6.根据权利要求1所述的TOF传感器，其特征在于，所述外壳的内侧分别在位于所述第一光孔和所述第二光孔的周侧设置有第一支撑结构和第二支撑结构，所述匀光片固定于所述第一支撑结构上，所述滤光片和所述透镜分别固定于所述第二支撑结构上。

7.根据权利要求6所述的TOF传感器，其特征在于，所述匀光片和所述滤光片分别具有工作区和粘接区，所述粘接区用于与所述第一支撑结构或第二支撑结构进行粘接固定；

所述第一支撑结构上设置有第一环形凸台，所述第一环形凸台贴合于所述匀光片的所述工作区和所述粘接区的交界处；

所述第二支撑结构上设置有第二环形凸台，所述第二环形凸台贴合于所述滤光片的所述工作区和所述粘接区的交界处。

8.根据权利要求7所述的TOF传感器，其特征在于，所述透镜具有工作区和粘接区，所述第二支撑结构上设置有第三凸台，所述第三凸台贴合于所述透镜的所述工作区和所述粘接区的交界处。

9.根据权利要求7所述的TOF传感器，其特征在于，所述第一环形凸台和所述第二环形凸台均具有断口，以形成通气通道。

10.根据权利要求1所述的TOF传感器，其特征在于，所述光发射芯片为VCSEL芯片，所述VCSEL芯片能够发射激光光束；

所述光接收芯片为ASIC芯片，所述ASIC芯片具有感光区，所述感光区能够接收被反射的所述激光光束。