DE102005038874A1

DE102005038874A1 - Optischer Farbsensor, der Beugungselemente verwendet

Info

Publication number: DE102005038874A1
Application number: DE102005038874A
Authority: DE
Inventors: Ken A. Fremont Nishimura
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2006-05-04
Also published as: JP2006135320A; CN1766533A; CN1766533B; US20060091300A1

Abstract

Optischer Farbsensor, der Beugungselemente verwendet. Halbleiterfertigungsprozesse werden verwendet, um Beugungsgitter als ein Teil eines Photosensors zu bilden. Bei einem ersten Ausführungsbeispiel sind Photosensoren, wie beispielsweise Photodioden, an einem Substrat gebildet und Beugungsgitter einer festen Beabstandung sind unter Verwendung der Metallisierungsschichten gebildet, die für Halbleiterfertigungstechniken üblich sind. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein lineares Photodiodenarray an einem Substrat gebildet und ein Beugungsgitter mit sich verändernder Beabstandung ist in den Metallschichten gebildet, wobei ein kontinuierlicher Farbsensor bereitgestellt ist. Andere Metallschichten, die gewöhnlich bei Halbleiterverarbeitungstechniken verwendet werden, können verwendet werden, um Aperturen vorzusehen, wie benötigt.

Description

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich allgemein auf eine elektrische Einrichtung zum Erfassen einer optischen Farbe von einfallendem Licht.

Ein Erfassen des Spektralgehalts von einfallendem Licht ist ein häufiges Problem. Eine häufig verwendete Lösung für dieses Problem ist, eine Mehrzahl von Siliziumphotodioden kombiniert mit einer Mehrzahl von Filtern zu verwenden, die selektiv Licht vorbestimmter Wellenlängen durchlassen.

Diese Lösung weist eine Anzahl von Problemen auf. Die Leistungsfähigkeit eines derartigen Sensors ist durch die Genauigkeit der Lichtdurchlasscharakteristika des Filters begrenzt. Die Selektivität eines derartigen Sensors ist durch die Verfügbarkeit von Filtermaterialien begrenzt. Die Filtermaterialien dämpfen Licht und unterschiedlich gefärbte Filter dämpfen Licht unterschiedlich, was eine zusätzliche Kalibrierung erfordert. Die Langzeitstabilität eines derartigen Sensors hängt ferner von der Langzeitstabilität der verwendeten Sensormaterialien ab.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Photosensor zum Erfassen von einfallendem Licht zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Photosensor gemäß Anspruch 1 und Anspruch 10 gelöst.

Gemäß der Erfindung sind Photodioden oder andere lichtempfindliche Elemente mit Beugungsgittern gefertigt. Ein erstes Ausführungsbeispiel verwendet einen Photosensor mit einem integrierten Einzelfrequenzgitter. Ein zweites Ausführungsbeispiel verwendet ein lineares Photosensorarray und ein integriertes Beugungsgitter, das einen Bereich von Frequenzen abdeckt. Die Beugungsgitter sind unter Verwendung von Metallisierungsschichten gebildet, die bei einer Halbleiterfertigung üblich sind. Zusätzliche Metallschichten können verwendet werden, um Aperturen zu bilden, wie benötigt.

Die Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen am besten ersichtlich.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen ersten optischen Sensor gemäß der Erfindung;
2 einen ersten optischen Sensor mit Verarbeitungselektronik; und
3 einen zweiten optischen Sensor gemäß der Erfindung.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Erfassen des Spektralgehalts von einfallendem Licht. Die folgende Beschreibung ist vorgelegt, um zu ermöglichen, dass ein Fachmann auf dem Gebiet die Erfindung herstellt und verwendet, und ist in dem Kontext einer Patentanmeldung und der Anforderungen derselben vorgesehen. Verschiedene Modifikationen an den offenbarten Ausführungsbeispielen werden Fachleuten auf dem Gebiet ohne weiteres ersichtlich und die allgemeinen Prinzipien hierin können auf andere Ausführungsbeispiele angewandt werden. Somit soll die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern derselben soll der breiteste Schutzbereich konsistent mit den beigefügten Ansprüchen und mit den Prinzipien und Merkmalen, die hierin beschrieben sind, gewährt werden.
1 zeigt einen ersten Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Substrat 100 weist Photosensoren 110, 112, 114 auf, die unter Verwendung von Fertigungstechniken gefertigt sind, die auf den Gebieten von Halbleitern und integrierten Schaltungen bekannt sind, wie beispielsweise Photolithographie. Es ist zu beachten, dass es dazwischenliegende Schichten zwischen dem Substrat 100 und den Photosensoren 110, 112, 114 geben kann. Die Photosensoren 110, 112, 114 können Photodioden, Phototransistoren oder andere lichtempfindliche Bauelemente sein, die aus Halbleitermaterialien gefertigt sind, wie beispielsweise Silizium, Silizium-Germanium oder ähnlichen Materialien. Eine dielektrische Schicht 120 lässt ferner interessierende Wellenlängen durch. Wiederum kann es zusätzliche Schichten zwischen der Schicht 120 und der Schicht geben, die die Photosensoren 110, 112, 114 enthält. Materialien, wie beispielsweise Siliziumdioxid (S_iO₂), isolierende Materialien oder andere Materialien, die auf dem Gebiet bekannt sind, können für die Schicht 120 verwendet werden. Beugungsgitter 130, 132, 134 sind auf der dielektrischen Schicht 120 gebildet. Die Beugungsgitter 130, 132, 134 sind aus einem Material gebildet, das für die interessierenden Wellenlängen undurchlässig ist, wie beispielsweise Metall.
1 zeigt eine vereinfachte Darstellung der vorliegenden Erfindung, wobei lediglich Schlüsselschichten dargestellt sind. Die Photosensoren 110, 112, 114 können bei irgendeiner Schicht in dem Halbleiterbauelement gefertigt sein. Die Beugungsgitter 130, 132, 134 sind über den Photosensoren gebildet, mit irgendeiner Anzahl dazwischenliegender Schichten 120, solange diese dazwischenliegenden Schichten Licht in dem interessierenden Wellenlängenbereich durchlassen.
Die räumliche Verteilung von Licht von einem Beugungsgitter ist einzig durch die Beziehung der Wellenlänge von einfallendem Licht verglichen mit den physischen Abmessungen des Gitters gesteuert. Das Gitter richtet in Verbindung mit der räumlichen Anordnung des Photodetektors Licht erwünschter Wellenlängen auf den Photodetektor. Es ist zu beachten, dass das einfallende Licht, das die Gitter 130, 132, 134 und die Photosensoren 110, 112, 114 erreicht, kollimiert sein sollte. Diese Kollimierung kann durch herkömmliche optische Einrichtungen erreicht werden, wie beispielsweise Schlitze, Linsen und dergleichen. Da die Gitter 130, 132, 134 mit Integrierte-Schaltung-Lithographietechniken hergestellt sind, sind die optischen Eigenschaften derselben höchst genau und wiederholbar.
Bei einem Ausführungsbeispiel, wie beispielsweise demselben, das in 1 gezeigt ist, könnten die Gitter 130, 132 und 134 entworfen sein, um rotes, grünes bzw. blaues Licht durchzulassen. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung könnten ein Photosensor-Gitter-Paar, das einen einzigen Wellenlängenbereich erfasst, zwei Photosensor-Gitter-Paare, die ein Paar von Wellenlängen erfassen, wie beispielsweise Rot und Blau, oder mehr als drei Photosensor-Gitter-Paare vorsehen, die beispielsweise rote, blaue, grüne, cyanfarbene und magentafarbene Wellenlängen erfassen. Einzelwellenlängensensoren können ansprechend auf spezielle interessierende Wellenlängen gefertigt sein, wie beispielsweise diese, die durch Laser erzeugt werden.
Eine zusätzliche Metallschicht oder eine andere undurchlässige Schicht kann verwendet werden, um eine Apertur bereitzustellen. Diese Apertur kann zwischen dem Gitter 130 und dem Photosensor 120 positioniert sein. Die Apertur 150 kann an einer zusätzlichen dielektrischen Schicht 140 getragen sein, zwischen dem Gitter und der Lichtquelle. Eine derartige Apertur kann als ein Kollimierungselement wirken. Zusätzlich kann eine derartige Apertur verwendet werden, um sicherzustellen, dass lediglich bestimmte Bereiche des Bau elements beleuchtet sind, oder um die Differenz bei einem Ansprechen der Photosensoren bei unterschiedlichen Wellenlängen zu kompensieren.
Zusätzlich können Gitter an mehr als einer Metallisierungsschicht gebildet sein, getrennt durch dazwischenliegende dielektrische Schichten, um die Beziehung zwischen einer räumlichen Verteilung des einfallenden Lichts und der Wellenlänge weiter zu definieren. Außerdem muss das Gitter nicht einzig in eine Dimension aktiv sein. Zum Beispiel ist eine zweidimensionale räumliche Verteilung als eine Funktion einer Wellenlänge unter Verwendung von Gitterelementen mit aktiven Komponenten erreichbar, die im Wesentlichen orthogonal zueinander sind.
Wenn standardmäßige integrierte Schaltungstechniken verwendet werden, kann eine zusätzliche Schaltungsanordnung ohne weiteres bei den Photosensoren eingeschlossen sein. Dies ist in 2 gezeigt, bei der Transimpedanzverstärker an dem gleichen Substrat eingeschlossen sind. Die Photodiode 110 ist mit dem Gitter 130 gefertigt, um auf eine spezielle Wellenlänge von einfallendem Licht anzusprechen. Ein Verstärker 140 bildet in Verbindung mit Widerständen 150 und 160 einen Transimpedanzverstärker, der den Photostrom von der Photodiode 110 in ein Spannungsausgangssignal 170 umwandelt. Eine zweite Wellenlänge wird durch die Photodiode 112 erfasst, die mit dem Gitter 132 gekoppelt ist. Ein Verstärker 142 bildet in Verbindung mit Widerständen 152 und 162 einen Transimpedanzverstärker, der den Photostrom von der Photodiode 112 in eine Spannung 172 umwandelt. Dieses Ausführungsbeispiel kann mit einem oder einer Mehrzahl von Wellenlängensensoren auf einem einzigen Chip bzw. Halbleiterstück gefertigt sein.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 3 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein N-Element-Photodiodenarray mit einem Gitter gekoppelt, das optional eine variierende Elementbeabstandung aufweist, wobei ein Sensor bereitgestellt ist, der eine kontinuierliche Spektralantwort liefert, die durch die Beabstandung der Beugungsgitterelemente definiert ist. Das N-Element-Photodiodensensorarray 110 ist über dem Substrat 100 gebildet. Die Schicht 120, die den Bereich interessierender Wellenlängen durchlässt, trägt das Beugungsgitter 130.
Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Beabstandung der Gitterelemente 130 einheitlich ist, wird eine variierende Frequenzantwort bei dem Photodiodenarray 110 auf Grund des Betriebs des Gitters 130 erhalten. Eine räumliche Verteilung von Licht als eine Funktion einer Wellenlänge ist von der Beabstandung zwischen Gitterelementen abhängig. Eine einheitliche Gitterbeabstandung erzeugt eine räumliche Verteilung, die logarithmisch bezüglich einer Wellenlänge ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem das Gitter 130 nicht einheitlich ist, verändert sich die Beabstandung zwischen den Elementen 132, 134 und 136, 138. Falls beispielsweise die Beabstandung zwischen den Elementen 132 und 134 größer als die Beabstandung zwischen den Elementen 136 und 138 ist, lässt das Gitter 130 in der Region der Elemente 132, 134 längere Wellenlängen als in der Region der Elemente 136, 138 durch. Eine nicht einheitliche Beabstandung von Gitterelementen fügt die Fähigkeit hinzu, die Verteilung von Licht bezüglich einer Wellenlänge zu konstruieren, um beispielsweise eine lineare Verteilung mit Bezug auf eine Wellenlänge zu erzeugen. Es ist zu beachten, dass dieses Ausführungsbeispiel die Form eines ein- oder zweidimensionalen Arrays annehmen kann, abhängig von der Beschaffenheit der Gitterstruktur.
Wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel kann eine zusätzliche Metallisierungs- oder andere undurchlässige Schicht (nicht gezeigt) verwendet werden, um eine Apertur geeigneter Abmessungen zu bilden, um als ein Kollimierungsbauelement, ein Verschluss oder ein anderer Lichtregelmechanismus zu wirken.
Andere Verarbeitungselemente können ebenfalls auf das Substrat 100 integriert sein, um beispielsweise das Ausgangssignal des Photodiodensensorarrays 110 zu verarbeiten oder um den Spektralausgang der einfallenden Lichtquelle zu steuern, wodurch ein Steuersystem mit geschlossener Schleife gebildet ist.
Die vorhergehende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist zum Zweck einer Darstellung vorgesehen und soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die präzisen, offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzen. Folglich ist der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Claims

Verbesserter Photosensor zum Erfassen von einfallendem Licht, der folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (100), einen oder mehrere Photosensoren (110, 112, 114), die auf dem Substrat (100) gefertigt sind, und ein Beugungsgitter (130, 132, 134), das auf dem Photosensor (110, 112, 114) gefertigt ist, zum Koppeln von einfallendem Licht einer vorbestimmten Wellenlänge zu dem Photosensor (110, 112, 114).
Verbesserter Photosensor gemäß Anspruch 1, der ferner zumindest eine Schicht zwischen den Photosensoren (110, 112, 114) und dem Gitter (130, 132, 134) aufweist, wobei die zumindest eine Schicht einfallendes Licht in den interessierenden Wellenlängen durchlässt.
Verbesserter Photosensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Mehrzahl von Photosensoren (110, 112, 114) und Beugungsgitter (130, 132, 134), die auf eine Mehrzahl von Wellenlängen ansprechen, auf einem einzigen Chip gefertigt sind.
Verbesserter Photosensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zusätzliche Schaltungselemente an dem Substrat (100) gefertigt sind.
Verbesserter Photosensor gemäß Anspruch 4, bei dem die zusätzlichen Schaltungselemente Transimpedanzverstärker umfassen, die mit den Photosensoren (110, 112, 114) verbunden sind.
Verbesserter Photosensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Beugungsgitter (130, 132, 134) durch eine photolithographische Definition von Metall an einem Dielektrikum gefertigt ist.
Verbesserter Photosensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine zweite Metallschicht als eine Apertur (150) gefertigt ist.
Verbesserter Photosensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Apertur (150) zwischen dem Gitter (130, 132, 134) und dem Photosensor (110, 112, 114) gefertigt ist.
Verbesserter Photosensor gemäß Anspruch 7, bei dem die Apertur (150) zwischen dem Gitter (130, 132, 134) und dem einfallenden Licht gefertigt ist.
Verbesserter Photosensor zum Erfassen von einfallendem Licht, der folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (100), ein Photodiodenarray (110), das auf dem Substrat gefertigt ist, und ein Beugungsgitter (130), das auf dem Photosensor gefertigt ist, zum Koppeln von einfallendem Licht über einen Bereich von Wellenlängen zu dem Photodiodenarray (110).
Verbesserter Photosensor gemäß Anspruch 10, bei dem die Gitterbeabstandung einheitlich ist.
Verbesserter Photosensor gemäß Anspruch 10, bei dem die Gitterbeabstandung nicht einheitlich ist.
Verbesserter Photosensor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, der ferner zusätzliche Schaltungselemente umfasst, die an dem Substrat (100) gefertigt sind.
Verbesserter Photosensor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem eine zweite Metallschicht als eine Apertur gefertigt ist.
Verbesserter Photosensor gemäß Anspruch 14, bei dem die Apertur zwischen dem Gitter (130) und dem Photodiodenarray (110) gefertigt ist.
Verbesserter Photosensor gemäß Anspruch 14, bei dem die Apertur zwischen dem Gitter (130) und dem einfallenden Licht gefertigt ist.