KR20160035796A - 광센서용 반도체 집적 회로 - Google Patents

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유야 카와사키
시게오 타무라
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미쓰미덴기가부시기가이샤
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Abstract

[과제] 고정밀도의 시감도 보정을 행하는 광센서용 반도체 집적 회로를 제공한다.
[해결 수단] 본 실시형태의 광센서용 반도체 집적 회로는, 가시광을 감쇠시키고 적외광을 투과하는 커버 부재(3)와 집광 렌즈(2)를 통하여, 환경광을 수광하고, 수광 광량에 기초하여 시감도 보정을 행하여, 환경광의 조도를 검출하는 광센서용 반도체 집적 회로(1)로서, 제 1 분광 특성을 갖는 제 1 수광 소자(21)와, 제 2 수광 소자(22)와, 제 1 수광 소자(21)의 출력과, 제 2 수광 소자(22)의 출력을 감산하는 시감도 보정 수단(30)을 갖고, 제 1 수광 소자(21)와 제 2 수광 소자(22)의 평면 형상은 대략 중공 다각 형상이며, 제 1 수광 소자(21)와, 제 2 수광 소자(22)는 서로 격리되고 또한 동심 배치됨으로써 상기 과제를 해결한다.

Description

광센서용 반도체 집적 회로{SEMICONDUCTOR INTEGRATED CIRCUIT DEVICE FOR LIGHT SENSOR}
본 발명은 광센서용 반도체 집적 회로에 관한 것이다.
최근, 휴대전화나 스마트폰 등의 모바일 기기에는 환경광에 따른 표시화면의 휘도 조정 및 시인성 향상 또는 통화시의 전력 절약화를 위해, 1개의 소형 패키지에 실장된 조도 센서 및 근접 센서가 탑재되어 있다. 이들 센서는 통상 가시광을 거의 차단하는 블랙계의 커버 유리 등의 커버 부재로 덮인다.
조도 센서용 PD(Photodiode)의 분광 특성은 인간의 눈이 밝기를 인식할 수 있는 영역(파장 400nm∼파장 700nm 정도)에 최대 감도를 갖고, 적외광 영역(파장 800nm∼파장 1000nm 정도)에서는 낮은 상대 감도를 갖는 것이 요망된다. 커버 유리에 덮인 이 PD의 분광 특성은 적외광 영역에서의 상대 감도가 높아진다. 이 때문에, 적외광 영역에 최대 감도를 갖는 PD(시감도 보정용 PD) 등을 이용하여, 적외광 영역에서의 상대 감도를 낮게 함(시감도 보정)으로써 조도 센서의 검출 정밀도를 유지하는 기술이 알려져 있다.
도 10에 도시하는 바와 같이, 조도 센서용 PD의 분광 특성은 블랙계의 유리 등의 커버 부재로 덮이는 경우, 블랙계의 커버 유리 등의 커버 부재로 덮이지 않는 경우와 비교하여 적외광 영역에서의 상대 감도가 높아진다.
수광면에 대하여 입사되는 일사광의 방향에 대응시켜, 차광 마스크 및 광감응부의 배치나 형상 등을 연구하고, 광감응부의 수광 면적과, 차광 마스크에 덮이는 광감응부의 사광(斜光) 면적을 제어함으로써 이 일사광을 효율적으로 검출하는 일사 센서 장치가 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
또한, 밴드갭 에너지가 상이한 복수의 수광 소자를 동일 기판 위에 절연층을 통하여 분리하여 배치하고 다수의 파장 성분을 갖는 광을 각 수광 소자에서 수광함으로써, 효율적인 광전 변환을 행하는 광전 변환 모듈이 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
일본 특개 평07-311084호 공보 일본 특개 평05-206500호 공보
(발명의 개요)
(발명이 해결하고자 하는 과제)
동일 기판 위에 상이한 분광 특성을 갖는 복수의 PD를 형성하는 경우, 수광면에 대하여 입사되는 광의 방향이 변화되어도, 각 PD 사이에서 수광 광량을 균일하게 하는 것은 곤란하다.
예를 들면, 조도 센서용 PD와 근접 센서용 PD를 인접하여 배치하고(도 11(a) 참조), 입사광의 방향을 변화시킨 경우에 있어서의 각 PD에 쬐는 광의 면적의 변화를 비교한다(도 11(b) 참조). 직진광(원(101))의 경우에 각 PD에 쬐는 광의 면적을 기준으로 하면, 사광(원(102))의 경우에는 조도 센서용 PD에 쬐는 광의 면적은 증가하고, 근접 센서용 PD에 쬐는 광의 면적은 감소한다. 한편, 사광(원103)의 경우에는, 조도 센서용 PD에 쬐는 광의 면적은 감소하고, 근접 센서용 PD에 쬐는 광의 면적은 증가한다.
특히, 조도 센서용 PD와 시감도 보정용 PD 사이에서, 수광 광량의 편차가 커지면, 이 수광 광량에 기초하여 행해지는 시감도 보정의 정밀도가 저하된다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기의 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 고정밀도의 시감도 보정을 행하는 광센서용 반도체 집적 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 실시형태의 광센서용 반도체 집적 회로는, 가시광을 감쇠시키고 적외광을 투과하는 커버 부재(3)와 집광 렌즈(2)를 통하여, 환경광을 수광하고, 수광 광량에 기초하여 감도 보정을 행하여, 환경광의 조도를 검출하는 광센서용 반도체 집적 회로(1)로서, 제 1 분광 특성을 갖는 제 1 수광 소자(21)와, 제 2 수광 소자(22)와, 제 1 수광 소자(21)의 출력과, 제 2 수광 소자(22)의 출력을 감산하는 시감도 보정 수단(30)을 갖고, 제 1 수광 소자(21)와 제 2 수광 소자(22)의 평면 형상은 대략 중공 다각 형상이며, 제 1 수광 소자(21)와, 제 2 수광 소자(22)는 서로 격리되고 또한 동심 배치되는 것을 요건으로 한다.
또한, 상기 괄호 내의 참조부호는 이해를 쉽게 하기 위하여 붙인 것으로, 일례에 지나지 않으며, 도시된 태양에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시형태에 의하면, 고정밀도의 시감도 보정을 행하는 광센서용 반도체 집적 회로를 제공할 수 있다.
도 1은 실시형태에 따른 광센서용 반도체 집적 회로에 광이 입사되는 모습의 일례를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 실시형태에 따른 광센서용 반도체 집적 회로의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 3은 실시형태에 따른 수광 소자에 있어서의 전압과 암전류와의 관계의 1 예를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시형태에 따른 광센서용 반도체 집적 회로의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 5는 실시형태에 따른 광센서용 반도체 집적 회로의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 6은 실시형태에 따른 광센서용 반도체 집적 회로의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7은 실시형태에 따른 광센서용 반도체 집적 회로의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 8은 실시형태에 따른 광센서용 반도체 집적 회로의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 9는 실시형태에 따른 수광 소자에 있어서의 파장과 상대 감도와의 관계의 1 예를 나타내는 그래프이다.
도 10은 분광 특성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 11은 종래의 광센서용 반도체 집적 회로의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 도면을 참조하여 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 설명한다. 각 도면에 있어서, 동일 구성 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 중복된 설명을 생략하는 경우가 있다.
본 명세서에서, 「상대 감도」란 조도 센서용 수광 소자의, 어떤 파장에서의 감도(최대 감도)를 100%로 하여 정규화한 분광 특성에 있어서의, 각각의 파장(파장 400nm∼파장 1150nm)에서의 감도를 가리킨다. 또한, 본 명세서에 있어서, 평면 형상이란 대상물을 수광부(20)의 표면(20s)의 법선 방향에서 본 형상을 나타낸다.
[광센서용 반도체 집적 회로의 구성]
우선, 본 실시형태에 따른 광센서용 반도체 집적 회로의 구성의 일례와, 이 광센서용 반도체 집적 회로가 환경광을 수광하고나서 조도를 검출할 때까지의 흐름을 도 1을 사용하여 간단하게 설명한다.
광센서용 반도체 집적 회로(1)는 수광부(20)와 시감도 보정 수단(30)을 포함한다.
광(10)(환경광)은 커버 부재(3)와, 집광 렌즈(2)를 통하여 수광부(20)에 입사된다. 수광부(20)는 동일 기판 위에 형성되는 복수의 수광 소자를 포함한다. 각 수광 소자는 광전 변환부, 전극 등을 포함하고, 수광 광량에 기초하여 전류가 흐른다. 각 수광 소자로서는 PN형 포토다이오드, PIN형 포토다이오드, 포토트랜지스터 등을 사용할 수 있다. 또한, 각 수광 소자의 출력 전류는 pA 단위의 미약 전류이다.
광(11)은 수광부(20)의 표면(20s)에 대하여 수직방향으로부터 입사되는 광(이하, 직진광이라고 기재함)이며, 광(12)은 수광부(20)의 표면(20s)에 대하여 경사 방향으로부터 입사되는 광(이하, 사광이라고 기재함)이다.
커버 부재(3)는 수광부(20)를 은폐하는 커버로서 사용되기 때문에, 흑색의 수지, 흑색의 유리 등에 의해 형성된다. 커버 부재(3)는 가시광을 감쇠시키고(90% 정도 차단), 적외광을 투과한다. 커버 부재(3)의 두께, 재질, 차광률 등을 적당히 조정함으로써 수광부(20)가 수광하는 환경광의 광량을 변화시키는 것이 가능하다.
집광 렌즈(2)는 커버 부재(3)를 투과하는 광을 집광한다. 직진광이 입사하는 경우와, 사광이 입사하는 경우에서, 수광부(20)에 집광하는 광의 위치는 다르다. 어느쪽의 경우에도, 수광부(20) 내에 형성되는 복수의 수광 소자 사이에서, 수광 광량의 편차는 적은 것이 바람직하다. 따라서, 각 수광 소자의 평면 형상, 배치, 면적 등을 적당하게 조정하는 것이 바람직하다. 집광 렌즈(2)의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 볼록 렌즈나 실린드리컬 렌즈 등을 사용할 수 있다.
시감도 보정 수단(30)은 조도 센서용 수광 소자 및 시감도 보정용 수광 소자의 수광 광량(출력 전류)에 기초하여 감도 보정을 행한다. 본 실시형태에 따른 수광부(20)에서는, 각 수광 소자의 평면 형상, 배치, 면적 등이 적당하게 조정되어 있기 때문에(상세한 것은 후술함), 수광부(20)의 표면(20s)에 대하여 입사되는 광의 방향이 변화되어도, 조도 센서용 수광 소자와 시감도 보정용 수광 소자 사이에서 수광 광량의 편차가 발생하기 어렵다. 또한, 시감도 보정 수단(30)은 조도 센서용 수광 소자 및 시감도 보정용 수광 소자의 출력 전류를 동일한 AD 컨버터에서, 시분할로 AD 변환하고, 연산 처리함으로써 시감도 보정을 행한다. 연산 처리로서는 조도 센서용 수광 소자의 출력 전류에 대응하는 디지털 신호로부터, 보정 계수를 곱한 시감도 보정용 수광 소자의 출력 전류에 대응하는 디지털 신호를 감산한다. 시감도 보정 수단(30)에서 조도 센서용 수광 소자의 분광 특성을 시감도 특성에 근접시킴으로써, 광센서용 반도체 집적 회로(1)의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
[수광부의 구성]
도 2에 본 실시형태에 따른 광센서용 반도체 집적 회로(1)가 구비하는 수광부(20)의 구성의 1 예를 도시한다.
수광부(20)는 제 1 수광 소자(21)와, 제 2 수광 소자(22)와, 제 3 수광 소자(23)를 포함한다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 제 1 수광 소자(21)는 조도 센서용의 수광 소자이며, 제 2 수광 소자(22)는 시감도 보정용의 수광 소자이며, 제 3 수광 소자(23)는 근접 센서용의 수광 소자이다.
조도 센서는 제 1 수광 소자(21)가 수광하는 환경광의 광량에 기초하여, 주위의 밝기를 검출한다. 또한, 근접 센서는 제 3 수광 소자(23)가 수광하는 적외광의 광량의 변화에 따라, 물체의 접근을 검출한다. 근접 센서는 움직이는 물체로부터 반사하는 미약한 적외광을 검출하기 위하여, 제 3 수광 소자(23)는 고감도로 설계되는 것이 바람직하다.
각 수광 소자는 서로 격리되고, 또한 중심이 일치하도록 형성되는 것이 바람직하다(동심 배치). 또한, 각 수광 소자 사이에서, 중심과, 내측 및 외측의 정점이 동일 직선 위에 존재하도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 각 수광 소자의 배치순서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 도 2에 도시하는 바와 같이, 내측부터 제 3 수광 소자(23), 제 1 수광 소자(21), 제 2 수광 소자(22)의 순으로 형성되어도 되고, 도 2와는 상이한 순으로 형성되어도 된다.
각 수광 소자의 평면 형상은 중공 정다각 형상, 다각 형상, 중공 원 형상 또는 원 형상인 것이 바람직하다. 이 다각 형상은 특별히 한정되지 않고, 사각 형상, 오각 형상, 육각 형상, 8각 형상 등이어도 된다. 예를 들면, 도 2에 도시하는 바와 같이, 제 1 수광 소자(21) 및 제 2 수광 소자(22)의 평면 형상을, 중공 정방 형상으로 하고, 제 3 수광 소자(23)의 수광 소자의 평면 형상을 정방 형상으로 해도 된다.
각 수광 소자의 면적은 동일한 것이 바람직하다. 도 3은 조도 센서용의 수광 소자 및 시감도 보정용의 수광 소자의 암전류 특성을 나타내고 있다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 면적이 동일한 수광 소자에 발생하는 암전류는 거의 동일하기 때문에, 시감도 보정 수단(30)에 의해 행해지는 연산 처리에 의해, 각 수광 소자에 발생하는 암전류를 거의 상쇄할 수 있기 때문이다.
도 4(a)에 수광부(20)의 표면(20s)에 입사하는 광과 각 수광 소자의 수광 광량의 관계에 대하여 나타낸다. 원(101)은 직진광을, 원(102) 및 원(103)은 사광을 나타내고 있다.
도 4(a)에 있어서, 제 1 수광 소자(21) 및 제 2 수광 소자(22)의 평면 형상은 대략 중공 사각 형상이며, 제 1 수광 소자(21)와 제 2 수광 소자(22)는 서로 격리되고 또한 동심 배치되어 있다. 도 4(a)의 경우에, 제 1 수광 소자(21)에 쬐는 광의 면적에 대하여 생각하면, 원(101)>원(102)=원(103)이 된다. 즉, 원(101)의 경우에 제 1 수광 소자(21)에 쬐는 광의 면적을 기준으로 하면, 원(102)과 원(103)의 경우에는 광의 면적은 감소하지만, 그 감소량은 대략 동일하게 된다. 즉, 사광에 의해 스폿의 위치가 원(102)과 같이 벗어난 경우에도, 원(103)과 같이 벗어난 경우에도 광의 면적의 감소량은 거의 동일하게 된다. 제 2 수광 소자(22)에 대해서도 동일하다. 따라서, 제 1 수광 소자(21)와 제 2 수광 소자(22) 사이에서 수광 광량을 거의 균일하게 할 수 있다(사광의 경우에 있어서의 양쪽 소자의 수광 광량의 비율의 변동을 경감할 수 있음).
여기에서, 다시 도 11(b)를 참조하여 조도 센서용 PD에 쬐는 광의 면적에 대하여 생각하면, 원(102)>원(101)이 된다. 또한, 사광에 의해 스폿의 위치가 원(101)에 대하여 원(102)과는 반대측으로 벗어난 경우에는(이 경우를 원(103)이라고 함), 원(101)>원(103)이 된다. 즉, 원(101)의 경우에 조도 센서용 PD에 쬐는 광의 면적을 기준으로 하면, 원(102)의 경우에는 광의 면적이 증가하고, 원(103)의 경우에는 광의 면적은 감소한다. 즉, 사광에 의해 스폿의 위치가 벗어난 경우에, 벗어난 방향에 의존하여 기준에 대하여 광의 면적이 증감하여, 광의 면적이 편차가 생기는 범위가 커진다(수광 광량이 편차가 생기는 범위가 커짐). 근접 센서용 PD에 대해서도 마찬가지이다.
한편, 상기한 바와 같이, 본 실시형태에서는(도 4(a) 참조), 사광에 의해 스폿의 위치가 원(102)과 같이 벗어난 경우에도, 원(103)과 같이 벗어난 경우에도, 광의 면적이 증가하지 않고, 광의 면적은 대략 동일한 양만 감소한다. 그 때문에 도 11에 도시하는 종래예와 비교하여, 사광에 의해 스폿의 위치가 벗어난 경우에도, 벗어난 방향에 의존하는 광의 면적의 편차을 억제할 수 있다(수광 광량의 편차을 억제할 수 있음).
이와 같이, 제 1 수광 소자(21) 및 제 2 수광 소자(22)의 평면 형상을 대략 중공 사각 형상으로 하고, 제 1 수광 소자(21)와 제 2 수광 소자(22)를 서로 격리하고 또한 동심 배치함으로써, 사광에 의해 스폿의 위치가 벗어난 경우에도, 벗어난 방향에 의존하는 광의 면적의 편차를 억제할 수 있다(수광 광량의 편차를 억제할 수 있음).
제 1 수광 소자(21)는 제 1 분광 특성을 갖는다. 제 1 분광 특성은 가시광 영역에 높은 상대 감도를 갖는다. 제 1 분광 특성은, 예를 들면, 파장이 약 550nm에서 최대 감도를 갖고, 파장이 약 800nm에서 미미한 상대 감도를 갖는다.
도 4(b)에 도시하는 바와 같이, 제 1 수광 소자(21)를 덮도록, 적외광 컷 필터(제 1 필터)(500)를 형성하는 것이 바람직하다. 적외광 컷 필터는 가시광을 투과하고, 적외광을 감쇠시킨다. 이 필터를 형성함으로써 제 1 분광 특성에 있어서의 적외광 영역에서의 상대 감도를 낮게 할 수 있다.
제 3 수광 소자(23)는 제 2 분광 특성을 갖는다. 제 2 분광 특성은 적외광 영역에 높은 상대 감도를 갖는다.
도 4(c)에 도시하는 바와 같이, 제 3 수광 소자(23)를 덮도록, 가시광 컷 필터(제 2 필터)(501)를 형성하는 것이 바람직하다. 가시광 컷 필터는 적외광을 투과하고, 가시광을 감쇠시킨다.
도 5는 수광부(20)의 확대도이다. 제 1 수광 소자(21)는 광전 변환부(21a), 애노드 전극(21b), 캐소드 전극(21c)을 포함한다. 제 2 수광 소자(22)는 광전 변환부(22a), 애노드 전극(22b), 캐소드 전극(22c)을 포함한다. 제 3 수광 소자(23)는 광전 변환부(23a), 애노드 전극(23b), 캐소드 전극(23c)을 포함한다.
분리부(20d)는 각 수광 소자를 서로 격리하고, 절연한다. 분리부(20d)의 평면 형상은 각 수광 소자를 효율적으로 분리할 수 있도록, 각 수광 소자의 평면 형상과 대응하는 형상인 것이 바람직하다. 분리부(20d)의 간격(w)은 적당히 조정할 수 있다.
광전 변환부(21a, 22a, 23a)는 상이한 분광 특성을 갖는 반도체 재료를 포함하여 형성되는 것이 바람직하다. 광전 변환부(21a)는 가시광 영역에 최대 감도를 갖는 반도체 재료로 형성되고, 광전 변환부(22a, 23a)는 적외광 영역에 최대 감도를 갖는 반도체 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 용도에 따라, 광전 변환부의 두께, 조성비, 밴드갭 에너지 및 불순물 농도 등을 변화시켜, 분광 특성을 적당히 조정할 수 있다.
[변형예 1]
도 6(a)에 수광부(20)의 표면(20s)에 입사하는 광과, 각 수광 소자의 수광 광량과의 관계에 대하여 나타낸다. 원(101)은 직진광을, 원(102) 및 원(103)은 사광을 나타내고 있다.
도 6(a)에서, 제 1 수광 소자(21) 및 제 2 수광 소자(22)의 평면 형상은 대략 중공 원 형상이고, 제 3 수광 소자(23)의 평면 형상은 대략 원 형상이며, 제 1 수광 소자(21)와 제 2 수광 소자(22)와 제 3 수광 소자(23)는 서로 격리되고 또한 동심 배치되어 있다. 또한, 각 수광 소자의 면적은 대략 동일하다고 한다.
도 6(a)의 경우에, 제 1 수광 소자(21)에 쬐는 광의 면적에 대하여 생각하면, 원(101)>원(102)=원(103)이 된다. 즉, 원(101)의 경우에 제 1 수광 소자(21)에 쬐는 광의 면적을 기준으로 하면, 원(102)과 원(103)의 경우에는 광의 면적은 감소하지만, 그 감소량은 대략 동일하게 된다. 즉, 사광에 의해 스폿의 위치가 원(102)과 같이 벗어난 경우에도, 원(103)과 같이 벗어난 경우에도 광의 면적의 감소량은 거의 동일하게 된다. 도 6(a)의 경우의 감소량은 도 4(a)의 경우의 감소량보다 작다.
그 때문에 사광에 의해 스폿의 위치가 벗어난 경우에도, 모든 수광 소자(제 1 수광 소자(21), 제 2 수광 소자(22), 제 3 수광 소자(23))에 쬐는 광의 면적을 거의 동일하게 할 수 있다(수광 소자 사이에서 수광 광량을 거의 균일하게 할 수 있음).
[변형예 2]
도 6(b)에 수광부(20)의 표면(20s)에 입사하는 광과, 각 수광 소자의 수광 광량과의 관계에 대하여 나타낸다. 원(101)은 직진광을, 원(102) 및 원(103)은 사광을 나타내고 있다.
도 6(b)에서, 제 1 수광 소자(21)의 평면 형상은 대략 중공 8각 형상이다.
도 6(b)의 경우에, 제 1 수광 소자(21)에 쬐는 광의 면적에 대하여 생각하면, 원(101)>원(102)=원(103)이 된다. 즉, 원(101)의 경우에 제 1 수광 소자(21)에 쬐는 광의 면적을 기준으로 하면, 원(102)과 원(103)의 경우에는 광의 면적은 감소하지만, 그 감소량은 대략 동일하게 된다. 즉, 사광에 의해 스폿의 위치가 원(102)과 같이 벗어난 경우에도, 원(103)과 같이 벗어난 경우에도 광의 면적의 감소량은 거의 동일하게 된다. 도 6(b)의 경우의 감소량은 도 6(a)의 경우의 감소량보다 크지만, 도 4(a)의 경우의 감소량보다 작아진다.
8각 형상에 있어서의 동심 다각형의 비(외접원 반경/내접원 반경)은 1/cos(π/8)=1／{(√(2＋√2))/2}이 된다. 따라서, 중심으로부터 정점(중심으로부터 가장 먼 점)까지의 거리와, 중심으로부터 각 변의 중심(중심으로부터 가장 가까운 점)까지의 거리 사이에 발생하는 오차는 8.2% 이내이다. 정방 형상에 있어서의 동심 다각형의 비는 √2이기 때문에, 다각 형상의 변의 수를 늘림으로써 사광에 의해 스폿의 위치가 벗어난 경우에도, 벗어난 방향에 의존하는 광의 면적의 편차를, 보다 억제할 수 있다.
또한, 수광 소자의 평면 형상이 대략 중공 다각 형상인 경우, 다각 형상의 외측의 모서리부에 있어서, 일부의 면적을 깎고, 내측(중공측)의 모서리부에, 깎은 부분의 면적을 더해도 된다. 이러한 평면 형상으로 함으로써 예를 들면 원(101)의 경우에, 도 4(a) 및 도 6(b)에서 제 1 수광 소자(21)에 쬐는 광의 면적을, 도 6(a)에서 제 1 수광 소자(21)에 쬐는 광의 면적에 근접시킬 수 있다.
[시감도 보정 수단]
도 7에 본 실시형태에 따른 광센서용 반도체 집적 회로(1)가 구비하는 시감도 보정 수단(30)의 1 예를 나타낸다.
시감도 보정 수단(30)은 스위치 회로(311), 스위치 회로(312), AD 컨버터(313), 제 1 데시메이션 필터(314)(조도 센서용), 제 2 데시메이션 필터(315)(시감도 보정용), 승산기(316), 제어 회로(317), 가산기(318)를 포함한다.
시감도 보정 수단(30)은 입력 신호(24, 25)를 AD 컨버터(313)에 의해 시분할로 AD 변환하고, 데시메이션 필터(314, 315)에 의해 솎아내고, 승산기(316) 및 가산기(318)에 의해 연산 처리하여, 출력 신호(170)를 출력한다.
스위치 회로(311)는 제 1 수광 소자(21)로부터의 입력 신호(24)의 AD 컨버터(313)에의 입력, 비입력의 변환을 행한다. 스위치 회로(311)의 온, 오프의 변환은 제어 회로(317)에 의해 제어된다. 예를 들면, 스위치 회로(311)가 온일 때, 입력 신호(24)는 AD 컨버터(313)에 입력된다.
스위치 회로(312)는 제 2 수광 소자(22)로부터의 입력 신호(25)의, AD 컨버터(313)에의 입력, 비입력의 변환을 행한다. 스위치 회로(312)의 온, 오프의 변환은 제어 회로(317)에 의해 제어된다. 예를 들면, 스위치 회로(312)가 온일 때, 입력 신호(25)는 AD 컨버터(313)에 입력된다.
제어 회로(317)는 스위치 회로(311)의 온(오프)의 타이밍과, 스위치 회로(312)의 온(오프)의 타이밍이 일치하지 않도록, 각 스위치 회로를 제어한다.
AD 컨버터(313)(AD 변환부)는 예를 들면 16비트의 △Σ형 AD 컨버터이며, △Σ 변조를 이용하여 AD 변환을 행한다. 구체적으로는 AD 컨버터(313)는 스위치 회로(311, 312)의 온, 오프의 변환의 타이밍과 동기하여, 입력 신호(24, 25)를 AD 변환하고, 출력 신호(120)(디지털 신호)를 생성한다. 바꿔 말하면, AD 컨버터(313)는 제 1 수광 소자(21)의 출력인 입력 신호(24)와, 제 2 수광 소자(22)의 출력인 입력 신호(25)를 시분할로 AD 변환하고, 출력 신호(120)(디지털 신호)를 생성한다. 또한, AD 컨버터(313)는 출력 신호(120)를 제 1 데시메이션 필터(314) 및 제 2 데시메이션 필터(315)에 입력한다.
제 1 데시메이션 필터(314)는 출력 신호(120)를 솎아내고, 제 1 수광 소자(21)의 출력 전류에 대응하는 신호(140)(디지털 신호)를 생성한다. 또한, 신호(140)를 연산부인 가산기(318)에 입력한다. 제 2 데시메이션 필터(315)는 출력 신호(120)를 솎아내고, 제 2 수광 소자(22)의 출력 전류에 대응하는 신호(150)(디지털 신호)를 생성한다. 또한, 신호(150)를 승산기(316)에 입력한다. 동일한 AD 컨버터에 의해 2개의 입력 신호가 시분할로 AD 변환되기 때문에, 신호(140)와 신호(150) 사이에는 거의 변환 오차는 발생하지 않는다. 또한, 데시메이션 필터에 의해, 출력 신호(120)에 발생하는 노이즈 등을 제거할 수도 있다.
제 1 데시메이션 필터(314) 및 제 2 데시메이션 필터(315)의 동작, 비동작은 제어 회로(317)에 의해 제어된다.
승산기(316)는 보정 계수와 신호(150)를 승산하고, 신호(160)(디지털 신호)를 생성한다. 또한, 승산기(316)에는 반전 회로(인버터)가 설치되기 때문에, 신호(160)는 보정 계수를 곱한 신호(150)의 반전 신호가 된다.
가산기(318)는 신호(140)와 신호(160)를 가산(실질적으로는 감산)하고, 출력 신호(170)(디지털 신호)를 생성한다.
즉, 조도 센서용 수광 소자인 제 1 수광 소자(21)의 출력 전류에 대응하는 신호(140)로부터, 보정 계수를 곱한 시감도 보정용 수광 소자인 제 2 수광 소자(22)의 출력 전류에 대응하는 신호(160)를 감산한다. 이것에 의해, 제 1 수광 소자(21)에서의 적외광 영역에서의 상대 감도를 낮게 할 수 있다.
또한, 가산기(318)에 오프셋 입력부를 설치하여, 시감도 보정 수단(30)에 의한 연산 처리에서는 암전류를 완전하게 상쇄할 수 없는 경우 등에, 오프셋 입력부에서 오프셋을 입력함으로써 암전류를 상쇄할 수 있도록 해도 된다.
승산기(316) 및 가산기(318)에서의 연산 처리는 다음 식으로 나타낼 수 있다. (신호(140))-{(보정 계수)×(신호(150)){=(신호(160))}}=출력 신호(170)
또한, 시감도 보정 수단(30)은 보정 계수를 임의로 설정하는 보정 계수 설정 회로나, 설정된 보정 계수를 적당하게 선택하는 보정 계수 선택 회로 등(도시 생략)을 구비하고 있어도 된다. 이들 회로를 사용하여, 보정 계수를 여러 조건에 맞추어 적당히 조정하는 것이 바람직하다.
여기에서, 광센서용 반도체 집적 회로(1)가 구비하는 시감도 보정 수단(30) 이외의 회로에 대하여, 도 8을 사용하여 간단하게 설명한다. 광센서용 반도체 집적 회로(1)는 시감도 보정 수단(30) 이외에도, AD 컨버터(31)(근접 센서용), 하이패스 필터(HPF)(32), 레지스터(33, 34), 검출 회로(35), 인터페이스(36), LED 구동 회로(37), 발진기(38) 등을 포함한다.
하이패스 필터(32)는 제 3 수광 소자(23)의 출력 전류로부터, 직류 성분을 제거하고, 교류 성분만을 꺼내어, 신호(180)를 생성한다.
AD 컨버터(31)는 발진기(38)로부터 출력되는 펄스 신호 및 참조 전압(Vref)을 이용하여, 신호(180)를 AD 변환하고, 출력 신호(190)(디지털 신호)를 생성한다.
레지스터(33, 34)는 임의의 값을 써 넣을 수 있는 설정 레지스터이며, 레지스터(33)에는 상한 임계값이, 레지스터(34)에는 하한 임계값이 써 넣어져 있다. 또한, 상한 임계값 및 하한 임계값은 여러 조건에 따라 적절하게 설정되는 것이 바람직하다.
검출 회로(35)는 레지스터(33)의 설정값에 기초하여, 출력 신호(170) 또는 출력 신호(190)가 상한 임계값을 상회했는지 아닌지를 검출한다. 즉 검출 회로(35)는 출력 신호(170)가 상한 임계값을 상회했을 때에, INT 단자가 "High"가 되는 신호를, 출력 신호(170)가 상한 임계값을 상회하고 있지 않을 때에, INT 단자가 "Low"가 되는 것과 같은 신호를 출력한다.
또한, 검출 회로(35)는 레지스터(34)의 설정값에 기초하여, 출력 신호(170) 또는 출력 신호(190)가 하한 임계값을 하회했는지 아닌지를 검출한다. 즉 검출 회로(35)는 출력 신호(170)가 하한 임계값을 하회앴을 때에, INT 단자가 "High"로 되는 것과 같은 신호를, 출력 신호(170)가 하한 임계값을 밑돌지 않았을 때에, INT 단자가 "Low"가 되는 것과 같은 신호를 출력한다.
인터페이스(36)는 SDA 단자, SCL 단자를 통하여 외부 기기와, 시감도 보정 수단(30), AD 컨버터(31) 등을 포함하는 광센서용 반도체 집적 회로(1)의 상호 통신을 행한다. 또한, 인터페이스(36)는 외부 기기로부터의 정보를 받아 들일 수도 있다.
예를 들면, 시감도 보정 수단(30)을 소정의 인터페이스(예를 들면, I2C 버스 등)를 통하여 CPU 등과 접속하고, CPU 등으로부터 보정 계수의 설정이나 선택을 행할 수 있도록 해도 된다. 이 경우에는, CPU 등에 의해 보정 계수 설정 수단을 실현할 수 있다. 보정 계수 설정 수단은 소프트웨어에 의해 실현해도 되고, 하드웨어에 의해 실현해도 되고, 양자를 포함하는 것이어도 된다. 또한, 예를 들면, 인터페이스를 통하여 환경광이 지나치게 밝은 물체가 접근하고 있는 등의 검출 결과를 외부 기기에 전달할 수도 있고, 외부 기기로부터 취득한 정보에 기초하여, 검출 회로(35), LED 구동 회로(37) 등을 적당하게 제어할 수도 있다.
LED 구동 회로(37)는, 인터페이스(36)로부터 출력되는 제어 신호에 기초하여, LED 제어 신호를 생성하고, IRDR 단자를 통하여 적외선 LED의 구동(발광, 비발광)을 제어한다. 근접 센서는 적외선 LED의 발광 출력이 물체에서 반사되었을 때의 반사광 유무를 검출함으로써 물체의 접근을 검출한다. 이 때문에, 예를 들면, 발진기(38) 등에 의해 LED 구동 회로(37)의 구동 타이밍과, AD 컨버터(31)에서의 AD 변환의 타이밍은 연동하여 제어될 필요가 있다. 또한, 시감도 보정 수단(30)에서의 AD 변환의 타이밍과, LED 구동 회로(37)의 구동 타이밍은 별개로 제어된다.
도 9는 보정 계수를, 0, 4, 16, 64, 256으로 변화시킨 경우의 커버 부재(3)로 덮인 제 1 수광 소자(21)의 상대 감도와 파장과의 관계를 나타내는 그래프이다. 횡축은 파장[nm](파장 400nm∼파장 1150nm), 종축은 상대 감도[%]이다.
보정 계수가 커질수록, 적외광 영역에서의 상대 감도는 낮아지는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 파장이 800[nm]인 경우, 보정 계수가 0에서의 상대 감도는 약 25%, 보정 계수가 64에서의 상대 감도는 약 8%, 보정 계수가 256에서의 상대 감도는 약 0%이다.
즉 보정 계수를 변화시킴으로써 적외광 영역에서의 상대 감도를 제어할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 베어칩(수광부(20)가 커버 부재(3)로 덮이지 않음)에서의 제 1 수광 소자(21)의 상대 감도는 파장이 800[nm], 보정 계수가 0인 경우 약 5%이다. 수광부(20)가 커버 부재(3)로 덮임으로써, 적외광 영역에서의 상대 감도는 향상되어 버린다.
이와 같이, 본 실시형태에 따른 광센서용 반도체 집적 회로에 의하면, 복수의 수광 소자의 평면 형상, 배치, 면적 등을 연구하여 형성함으로써, 수광부의 표면에 대하여 입사하는 광의 방향이 변화되어도 각 수광 소자 간에 수광 광량을 균일하게 할 수 있다. 따라서, 조도 센서에서의 시감도 보정의 정밀도를 높이면서, 근접 센서의 검출 정밀도를 유지하는 광센서용 반도체 집적 회로를 실현할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 이러한 특정 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 실시형태의 요지의 범위 내에서, 여러 변형, 변경이 가능하다.
1 광센서용 반도체 집적 회로
2 집광 렌즈
3 커버 부재
10 환경광
21 제 1 수광 소자
22 제 2 수광 소자
23 제 3 수광 소자
30 시감도 보정 수단
313 AD 컨버터
316 승산기
318 가산기
500 적외광 컷 필터(제 1 필터)
501 가시광 컷 필터(제 2 필터)

Claims (8)

  1. 가시광을 감쇠시키고 적외광을 투과하는 커버 부재와 집광 렌즈를 통하여, 환경광을 수광하고, 수광 광량에 기초하여 시감도 보정을 행하고, 상기 환경광의 조도를 검출하는 광센서용 반도체 집적 회로로서,
    제 1 분광 특성을 갖는 제 1 수광 소자와,
    제 2 수광 소자와,
    상기 제 1 수광 소자의 출력과, 상기 제 2 수광 소자의 출력을 감산하는 시감도 보정 수단
    을 갖고,
    상기 제 1 수광 소자와 상기 제 2 수광 소자의 평면 형상은 대략 중공 다각 형상이며,
    상기 제 1 수광 소자와, 상기 제 2 수광 소자는 서로 격리되고 또한 동심 배치되는 것을 특징으로 하는 광센서용 반도체 집적 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 분광 특성은 가시광을 투과하는 제 1 필터에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 광센서용 반도체 집적 회로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 시감도 보정 수단은 상기 제 2 수광 소자의 출력에 보정 계수를 승산하는 승산기와,
    상기 보정 계수를 설정하는 보정 계수 설정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 광센서용 반도체 집적 회로.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 수광 소자와 상기 제 2 수광 소자의 면적은 거의 동일한 것을 특징으로 하는 광센서용 반도체 집적 회로.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 수광 소자와 상기 제 2 수광 소자의 평면 형상은 대략 중공 원 형상인 것을 특징으로 하는 광센서용 반도체 집적 회로.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 분광 특성을 갖는 제 3 수광 소자를 구비하고,
    상기 제 3 수광 소자는 상기 제 1 수광 소자 및 상기 제 2 수광 소자보다 내측에 배치되는 것을 특징으로 하는 광센서용 반도체 집적 회로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 수광 소자와, 상기 제 3 수광 소자는 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 광센서용 반도체 집적 회로.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 제 3 수광 소자의 평면 형상은 대략 정방 형상인 것을 특징으로 하는 광센서용 반도체 집적 회로.

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