KR20190040924A - 센서 디바이스 - Google Patents

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KR20190040924A
KR20190040924A KR1020180121376A KR20180121376A KR20190040924A KR 20190040924 A KR20190040924 A KR 20190040924A KR 1020180121376 A KR1020180121376 A KR 1020180121376A KR 20180121376 A KR20180121376 A KR 20180121376A KR 20190040924 A KR20190040924 A KR 20190040924A
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KR1020180121376A
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개탄 쾨르스
바우터 레텐
샘 막달레나
로스 카이
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멜렉시스 테크놀로지스 엔브이
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Abstract

센서 디바이스(100)는 전자기 방사선을 방출하도록 배열되고 그와 연관된 방출 지역을 가진 방출기 디바이스(106)를 포함한다. 센서 디바이스(100)는 또한 전자기 방사선을 수신하도록 배열되고 그와 연관된 검출 지역을 가진 검출기 디바이스(108), 및 광학 시스템(122)을 포함한다. 방출 지역은 검출 지역으로부터 미리결정된 거리로 이격된다. 광학 시스템(122)은 복수의 주 광선들을 정의하고, 복수의 주 광선들 중 다수는 검출 지역과 교차한다. 복수의 주 광선들 중 다수는 또한 방출 지역과 교차한다.

Description

센서 디바이스{SENSOR DEVICE}
[0001] 본 발명은, 예컨대 전자기 방사선을 방출하기 위한 방출기 디바이스 및 타겟에 의해 반사된 전자기 방사선의 일부를 수신하기 위한 검출기 디바이스를 포함하는 타입의 센서 디바이스에 관한 것이다.
[0002] 소위 비행 시간(time-of-flight) 감지 시스템들 및 다른 시스템들, 예컨대 나이트 비전(night vision) 시스템들에서, 때때로 "장면"으로서 알려진 조명 소스의 시야 내의 주위 환경을 조명하기 위해 조명 소스를 이용하는 것이 알려졌다. 국제 특허 공개 번호 제 WO 2017/068199호는 관심 장면 상으로 레이저 광의 이산 스폿(spot)들의 투사에 의존하는 접근법을 설명한다. 그런 조명 기법은 적합한 빔 성형을 달성하기 위해 전용의 큰 투사 광학기기의 사용을 요구하고, 이는 그런 시스템들의 소형화 및 따라서 예컨대, 대량 생산 상용차들로의 통합을 제한한다. 또한, 그런 센서 시스템을 구현하는 것과 연관된 물자표(bill of materials)를 감소시키는 것이 바람직하다. 추가로, 기계적 제약들로 인해, 레이저 광을 방출하는 디바이스는 반사된 광을 검출하는 디바이스로부터 충분히 멀리 물리적으로 이격될 필요가 있다. 이에 관하여, 방출기와 검출기 중심 사이의 최소 이격 거리는 통상적으로 이들 개별 렌즈 어셈블리들의 반경들의 합이다.
[0003] 미국 특허 공개 번호 제 US 2016/0025855호 및 미국 특허 번호 제 4,460,259호는, 광 방출기 및 검출기가 분리되는 비행 시간 솔루션들을 개시한다. 제 US 4,460,259호는 방출기 및 검출기 둘 모두가 동일한 광학기기를 공유함으로써 위에서 언급된 기계적 제약들을 완화한다. 그러나, 그런 광학기기의 설계의 일반적 상호 성질로 인해, 반사 타겟으로부터 반사된 신호는 주로 검출기 상이 아닌 방출기 상에 다시 포커싱된다. 의도적으로 렌즈를 디포커싱(de-focusing)하거나 렌즈 어셈블리의 불완전한 성질에 의해, 반사된 광의 일부는 검출기 상으로 입사될 수 있지만, 검출기 상에 입사되는 반사된 광의 양은 반사 타겟에 의해 반사된 전체 광의 단지 작은 비율이고 따라서 제 us 4,460,259호에 설명된 센서의 효율성은 제한된다. 또한, 동일한 반도체 기판상에 고도로 민감함 검출기 및 강력한 방출기 또는 방출기 구동기를 통합하는 것은 전기, 광학 및 열적 노이즈 커플링 측면에서 상당한 난제들을 제기하고, 그런 노이즈 컴포넌트들은 매우 바람직하지 않다.
[0004] 제 US 2016/0025855호는 집적 회로(IC) 패키지 내에 통합되도록 예컨대 대략 10 μm 내지 1 mm 정도의 충분히 작고 단순한 방출 및 검출 표면들을 제공하는 2개의 빔 성형 렌즈들, 방출기 채널 렌즈 및 검출 채널 렌즈를 개시하고, 제공된 픽셀당 각도 분해능은 기껏해야 대략 몇 도 정도이며, 검출 범위는 대략 10 m 정도이다. 그러나, 검출기 또는 방출기가 많은 엘리먼트들, 예컨대 수 백개 또는 그 초과의 엘리먼트들을 포함하면, 픽셀당 각도 분해능은 예컨대 1°보다 더 나을 필요가 있거나, 또는 수신 애퍼처(aperture)는 예컨대 약 10 미터보다 더 큰 거리에서 타겟으로부터 반사들을 검출하도록 충분히 클 필요가 있고, 그리고 이것은 광을 수집 및 포커싱하기 위해 요구된 광학기기의 복잡성 및 사이즈를 증가시킨다. 그러므로, 설명된 통합 접근법은 위에서 설명된 바와 같이 다수의 엘리먼트들을 이용하는 센서 구현들에 실행가능하지 않다.
[0005] 방출기 렌즈와 수신 렌즈 사이의 물리적 거리는 또한 시차 에러들을 생기게 하고, 이는 특히 가까운 범위에서 알려진 센서들의 동작 거리 범위를 제한한다. 이 문제를 완화하기 위해, 장면에 걸쳐 레이저 스폿을 스캔하는 데 사용될 수 있는 투사 광학기기, 회전하는 기계적 미러들 또는 MEMS(microelectromechanical systems) 미러들을 이용하는 것이 알려졌지만 , 그런 시스템들은 레이저 빔의 각도를 제어하기 위해 매우 복잡한 전자장치를 요구한다. 대안적으로, 포커싱 렌즈 없는 조명, 소위 "플래시(flash)" 접근법은 다른 알려진 조명 기법이지만, 다른 알려진 조명 기법들에 의해 동일한 평균 방출 전력에 대해 크게 감소된 SNR(10배 이상 감소)로부터 고통을 겪는다. 대안적인 조명 기법은 레이저 소스들의 어레이, 예컨대 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 어레이를 포함하고, 여기서 각각의 방출기는 소형 렌즈에 커플링된다. 그러나, 그런 접근법은 각각의 소형 렌즈의 제한된 사이즈로 인해 구조화된 광 패턴 투사에 의존하는 비행 시간 조명 시스템들의 충분한 빔 시준 요건을 충족하지 못한다.
[0006] 본 발명의 제1 양상에 따라, 센서 디바이스가 제공되고, 센서 디바이스는: 전자기 방사선을 방출하도록 배열되고 전자기 방사선과 연관된 방출 영역을 가진 방출기 디바이스; 전자기 방사선을 수신하도록 배열되고 전자기 방사선과 연관된 검출 영역을 가진 검출기 디바이스; 광학 시스템을 포함하고, 광학 시스템은, 방출 지역이 검출 지역으로부터 미리결정된 거리로 이격되고, 광학 시스템이 복수의 주 광선들을 정의하고, 복수의 주 광선들 중 다수가 검출 지역을 교차하고, 그리고 복수의 주 광선들 중 다수가 또한 방출 지역을 교차하는 것을 특징으로 한다.
[0007] 방출기 디바이스는 검출기 디바이스와 광학 시스템 사이에 배치될 수 있다.
[0008] 검출기 디바이스는 방출기 디바이스와 광학 시스템들 사이에 배치될 수 있다.
[0009] 방출기 디바이스는 광학 시스템에 대해 검출기 디바이스와 공통인 주 광선들을 가질 수 있다.
[0010] 미리결정된 거리는 방출기 디바이스에 의한 검출 지역의 쉐도잉(shadowing)을 최소화하기 위해 선택될 수 있다.
[0011] 미리결정된 거리는, 검출 지역을 향해 지향된 광의 실질적으로 5% 미만이 방출 지역에 의해 쉐도잉될 수 있도록, 선택될 수 있다.
[0012] 방출기 디바이스는 전자기 방사선의 포인트 방출기일 수 있다.
[0013] 디바이스는 전력을 제공하기 위한, 방출기 디바이스에 대한 전기 커플링을 더 포함할 수 있고; 전기 커플링은 열적 로드를 제공하도록 배열될 수 있고, 이에 의해 사용 중일 때, 방출기 디바이스와 방출기 디바이스가 배치된 환경 사이의 열적 저항이 감소된다.
[0014] 방출기 디바이스는 검출기 디바이스에 인접하게 배치될 수 있다.
[0015] 디바이스는 그 상에 또는 적어도 부분적으로 그 내부에 배치된 검출기 디바이스를 포함하는 반도체 기판; 및 구동기 회로를 더 포함할 수 있고; 방출기 디바이스는 구동기 회로에 동작가능하게 커플링될 수 있고; 반도체 기판은 그 상에 또는 적어도 부분적으로 그 내부에 배치된 구동기 회로를 포함할 수 있다.
[0016] 검출기 디바이스는 반도체 기판과 방출기 디바이스 사이에 배치될 수 있다.
[0017] 디바이스는 그 상에 또는 적어도 부분적으로 그 내부에 배치된 방출기 디바이스를 포함하는 반도체 기판; 및 구동기 회로를 더 포함할 수 있고; 방출기 디바이스는 구동기 회로에 동작가능하게 커플링될 수 있고; 반도체 기판은 그 상에 또는 적어도 부분적으로 그 내부에 배치된 방출기 회로를 포함할 수 있다.
[0018] 방출기 디바이스는 반도체 기판과 검출기 디바이스 사이에 배치될 수 있다.
[0019] 디바이스는 검출기 디바이스에 대향하여 제공된 지지 기판을 더 포함할 수 있고; 지지 기판은 내향 지향 표면 및 외향 지향 표면을 가질 수 있다. 내향 지향 표면은 검출기 디바이스에 대해 이격된 관계일 수 있고 외향 지향 표면은 방출기 디바이스를 보유할 수 있다.
[0020] 지지 기판은 세장형(elongate)일 수 있다. 외향 지향 표면은 실질적으로 평면일 수 있다. 지지 기판은 브리징(bridging) 구조일 수 있다.
[0021] 지지 기판은 광 투과성 및/또는 파장 선택적일 수 있다.
[0022] 지지 기판은 유리 또는 코팅된 유리 또는 플라스틱 재료 또는 코팅된 플라스틱 재료로 형성될 수 있다.
[0023] 디바이스는 방출기 디바이스에 인접하고 광학적으로 커플링된 광학 엘리먼트를 더 포함할 수 있다.
[0024] 광학 엘리먼트는 방출기 디바이스에 커플링된 렌즈일 수 있다.
[0025] 디바이스는 방출기 디바이스를 포함하는 방출기 디바이스들의 어레이를 더 포함할 수 있다.
[0026] 디바이스는 검출기 디바이스를 포함하는 검출기 디바이스들의 어레이를 더 포함할 수 있다.
[0027] 본 발명의 제2 양상에 따라, 본 발명의 제1 양상에 관하여 위에서 설명된 바와 같이 센서 디바이스를 포함하는 비행 시간 측정 시스템이 제공된다.
[0028] 본 발명의 제3 양상에 따라, 본 발명의 제1 양상에 관하여 위에서 설명된 바와 같이 센서 디바이스를 포함하는 나이트 비전 시스템이 제공된다.
[0029] 본 발명의 제4 양상에 따라, 본 발명의 제1 양상에 관하여 위에서 설명된 바와 같이 센서 디바이스를 포함하는 LIDAR 시스템이 제공된다.
[0030] 따라서, 공유된 광학기기를 이용하는 센서 디바이스를 제공하는 것이 가능하다. 검출기 디바이스들 및 방출기 디바이스들에 의해 공유된 광학기기의 사용은 더 큰 광학 컴포넌트들이 이용되게 할 수 있고, 이에 의해 검출 신호의 개선된 신호 대 노이즈 비율을 지원한다. 이에 관하여, 센서 디바이스는 증가된 양의 반사된 광이 센서 디바이스의 검출기 디바이스들에 의해 수신되는 것을 허용한다. 센서 디바이스의 각도 분해능은 또한 개선된다. 센서 디바이스는 또한 방출기 디바이스(들)를 제어하기 위해 복잡한 제어 전자장치를 요구하지 않고 그리고 요구된 빔 시준이 달성될 수 있다. 추가로, 센서 디바이스는 제조하기에 경제적이다. 부가적으로, 예컨대, 방출기 디바이스와 검출기 디바이스 사이의 간격 및 렌즈 포커싱의 효과로 인해, 센서 디바이스는 방출기 디바이스의 방출기 표면이 검출기 디바이스의 검출기 표면보다 표면 영역이 더 이상 더 작도록 요구하지 않는다.
[0031] 본 발명의 적어도 하나의 실시예는 이제 단지 예로써 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예를 구성하는 센서 디바이스의 평면도이다.
도 2는 도 1의 센서 디바이스의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예를 구성하는 도 1 및 도 2의 센서 디바이스의 개략도가다.
도 4 내지 도 6은 도 3의 센서 디바이스의 제조 스테이지들의 개략도들이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 구성하는 도 1 및 도 2의 센서 디바이스의 개략도가다.
도 8은 본 발명의 추가 실시예를 구성하는 도 1 및 도 2의 센서 디바이스의 개략도가다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예를 구성하는 도 1 및 도 2의 센서 디바이스의 개략도가다.
[0032] 다음 상세한 설명 전반에 걸쳐, 동일한 참조 번호들은 유사한 부분들을 식별하는 데 사용될 것이다.
[0033] 비행 시간 측정 시스템들 및 다른 시스템들, 예컨대 나이트 비전 시스템은 하나 또는 그 초과의 센서 디바이스들, 예컨대 광학 센서 디바이스들을 포함한다. 도 1을 참조하면, 센서 디바이스(100)는, 이 예에서, 전자기 방사선, 예컨대 광을 방출하기 위한 복수의 방출기 디바이스들(102), 예컨대 방출기 디바이스들의 어레이, 및 전자기 방사선, 예컨대 광을 검출하기 위한 복수의 검출기 디바이스들(104), 예컨대 검출기 디바이스들의 어레이를 포함한다. 복수의 방출기 디바이스들(102)은, 광이 방출되는 방출기 지역을 각각 가지며, 복수의 방출기 디바이스들(102)은 각각 제1 표면 상에 상주한다. 복수의 검출기 디바이스들(104)은 검출된 광이 전파되는 검출기 지역을 각각 가지며, 복수의 검출기 디바이스들(104)은 제2 표면 상에 각각 상주한다.
[0034] 복수의 방출기 디바이스들(102)은 어레이로서 배열되고 유사하게 복수의 검출기 디바이스들(104)은 어레이로서 배열된다. 그러나, 본원에서 설명된 것들을 포함하는 다른 실시예들이 상이한 수들의 방출기 디바이스들 및/또는 상이한 수들의 검출기 디바이스들에 기반할 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 예컨대, 센서 디바이스는 하나의 방출기 디바이스 및 하나의 검출기 디바이스, 또는 하나의 방출기 디바이스 및 다수의 검출기 디바이스들을 포함할 수 있다. 대안적으로, 단일 검출기 디바이스와 조합하는 다수의 방출기 디바이스들이 이용될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 다른 종류의 디바이스보다 더 큰 수의 하나의 종류의 디바이스가 제공될 수 있다.
[0035] 다시 도 1을 참조하면, 이 예에서, 각각의 방출기 디바이스(106)는 예컨대, 각각의 검출기 디바이스(108)와 정합하게(in registry with) 정렬되고 그리고 포인트 소스형 방출기를 구성한다. 각각의 방출기 디바이스(106)는 각각의 검출기 디바이스(108)에 인접하게 배치되거나 각각의 검출기 디바이스(108)에 이격된 관계로 각각의 검출기 디바이스(108)에 대향하여 배치된다. 각각의 방출기 엘리먼트(106)는 각각의 방출기 디바이스(106)를 구동하기 위해 자신에 대한 개별 제1 전기 연결부(110) 및 자신에 대한 제2 전기 연결부(112)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 개별 제1 전기 연결부(110) 및/또는 개별 제2 전기 연결부는 부가적으로 열적 로드로서 역할을 할 수 있고, 이에 의해 방출기 디바이스(108)와 방출기가 배치된 환경 사이의 열적 저항이 감소된다. 당업자는 또한, 일부 실시예들에서, 센서 디바이스(100)에 이용되는 방출기 디바이스의 타입에 따라, 예컨대 방출기 디바이스가 복수의 광 소스들, 이를테면 병렬로 배치된 복수의 광 소스들을 포함하는 경우 더 많은 수의 전기 연결부들이 이용될 수 있다는 것을 인식하여야 한다.
[0036] 구동기 회로(114)는 각각의 방출기 디바이스(106)를 위해 각각 제공된다. 각각의 구동기 회로(114)는 공급 전압을 제공하기 위한 제1 공급 단자(116) 및 제2 공급 단자(118), 및 방출기 디바이스(106)를 자극된 방출이 발생하는 액티브 동작 범위로 제어가능하게 배치시키기 위한 제어 단자(120)를 포함한다. 비록 도시되지 않았지만, 검출기 디바이스들(108)은 출력 신호가 획득될 수 있도록 개별 단자들을 포함하고, 검출기 디바이스들(108) 및 방출기 디바이스(106)의 단자들은 센서 디바이스(100)의 제어 회로에 동작가능하게 커플링된다. 이에 관하여, 제어 회로는 저장, 디지털화 및/또는 추가 프로세싱을 위해 검출기 디바이스들(108) 중 하나 또는 그 초과에 의해 생성된 출력 신호들을 판독하여, 광의 수집을 제어하기 위해 동기식으로 방출기 디바이스들(106) 및 검출기 디바이스들(108)을 제어하도록 배열된다. 일부 실시예들에서, 제어 회로는 센서 디바이스(100) 외부, 예컨대 애플리케이션 PCB(Printed Circuit Board) 상에 제공될 수 있다.
[0037] 본원에서 설명된 이 예 및 다른 예들에서, 각각의 방출기 디바이스(106)는 각각의 검출기 디바이스(108)의 전면에 각각 배치되고, 센서 디바이스(100)의 전면 측은, 방출기 엘리먼트(106)에 의해 방출된 전자기 방사선이 전파되는 센서 디바이스(100) 측이다. 이에 관하여, 센서 디바이스(100)의 전면 측은 도 1의 평면에서 위로부터의 측이다.
[0038] 이후, 설명의 간략성을 위해, 방출기 디바이스들(106) 및 검출기 디바이스들(108)에 대한 참조는 단수일 것이다. 그러나, 당업자는 설명된 실시예의 맥락에 따라, 더 많은 수의 방출기 디바이스들 및/또는 검출기 디바이스들이 의도될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
[0039] 도 2를 참조하면, 방출기 디바이스(106)는 미리결정된 거리(d)만큼 검출기 디바이스(108)로부터 이격되고, 예컨대 하나 또는 그 초과의 렌즈들(122)을 포함하는 광학 시스템은 방출기 디바이스(106)에 대향하여 배치되어, 이 예에서, 방출기 디바이스(106)는 검출기 디바이스(108)와 광학 시스템(122) 사이에 위치된다. 도 2의 광선들은 검출기 디바이스(108) 및 방출기 디바이스(106) 둘 모두에 의해 공유되는 주 광선(124)을 포함한다. 의심을 회피하기 위해, 센서 디바이스(100)는 광학 시스템(122)을 포함한다. 당업자에 의해 인식될 바와 같이, 센서 디바이스(100)에 대해 복수의 주 광선들이 존재한다. 복수의 주 광선들 중 다수는 방출기 디바이스(106)와 검출기 디바이스(108) 둘 모두에 의해 공유된다. 그러나, 다수의 주 광선들 중 일부는 검출기 디바이스(108)의 전면에 배치된 방출기 디바이스(106)에 의해 검출기 디바이스(108)로부터 가려진다. 이에 관하여, 위에서 언급된 제1 및 제2 표면들, 예컨대 방출기 디바이스 및 검출기 디바이스 둘 모두를 교차하는 복수의 주 광선들 중 다수는 광학 시스템(122)에 대해 공통인 주 광선들을 가진다.
[0040] 이 예 및 다른 예에서, 미리결정된 거리(d)는 실질적으로 주어진 방출기 디바이스(106)의 방출기 지역의 표면과 공유된 중앙 주 광선의 교차 포인트 및 주어진 방출기 디바이스(106)와 연관된 주어진 검출기 디바이스(108)의 검출기 지역의 표면과 중앙 광선의 다른 교차 포인트로부터 측정된다. 이에 관하여, 방출기 지역의 표면 및/또는 검출기 지역의 표면이 예컨대 커버링 렌즈 엘리먼트 또는 다른 광학 엘리먼트의 결과로서 만곡될 수 있다는 것이 인식되어야 한다.
[0041] 이에 관하여, 방출기 디바이스(106)의 미리결정된 거리 및/또는 영역은, 방출기 디바이스(106)에 의해 방출되고 타겟(도시되지 않음)에 의해 반사된 광의 약 5% 미만이 방출기 디바이스(106)의 존재에 의해 검출기 디바이스(108)에 도달하는 것이 방지되도록 선택된다. 그런 조치의 목적은 방출기 디바이스(106)에 의한 검출기 표면의 쉐도잉을 최소화하는 것이다. 이에 관하여, 방출 영역들 및 검출 영역들은 미리결정된 거리에 기반하여, 구현 요건들을 만족시키기 위해 상이하게 사이즈가 정해질 수 있다.
[0042] 실시예(도 3)에서, 위에서 언급된 구조는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 기술을 사용하여 구현된다. 이에 관하여, 반도체 웨이퍼는 임의의 적절한 반도체 프로세싱 기법을 사용하여 성장되는 기판(200), 예컨대 실리콘 또는 갈륨 비소 기판을 포함한다. 이어서, 검출기 디바이스들은, 다시 임의의 적절한 반도체 프로세싱 기법을 이용하여, 기판, 예컨대 제1 검출기 디바이스(202) 및 제2 검출기 디바이스(204) 상에 또는 내에 형성된다. 이후, 방출기 디바이스들, 예컨대 발광 다이오드 디바이스들 또는 레이저 디바이스들, 이를테면 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)들은 각각 검출기 디바이스들 상에 형성되고, 예컨대 제1 방출기 디바이스(206)는 제1 검출기 디바이스(202) 상에 형성되고 제2 방출기 디바이스(208)는 제2 검출기 디바이스(204) 상에 형성되어, 제1 방출기 디바이스(206)는 제1 검출기 디바이스(202)에 인접하고 제2 방출기 디바이스(208)는 제2 검출기 디바이스(204)에 인접한다. 본원에서 설명된 이 예에서, 그리고 실제로 다른 예들에서, 방출기 디바이스들 및/또는 구동기 회로들(도시되지 않음)은 검출기 디바이스들을 포함하는 반도체 웨이퍼의 표면 상에 통합되고, 이에 의해 방출기 디바이스들로부터 검출기 디바이스들로 커플링되는 전기, 광학 및 열적 노이즈가 감소된다. 이 실시예 및 다른 실시예에서, 방출기 디바이스들이 예컨대 임의의 적절한 프린팅 또는 증착 기법을 사용하여 형성될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 방출기 디바이스들의 하나의 예시적인 형성은 방출기 디바이스들이 반도체 검출기 디바이스들 또는 지지 유리 웨이퍼 상에 각각 이질적으로 통합되는 것을 포함한다.
[0043] 다른 실시예에서, 센서 디바이스를 형성하기 위해 종래의 반도체 프로세싱 기법들을 이용하는 대신, 마이크로-전사 프린팅 기법이 이용될 수 있다. 이에 관하여, 도 4를 참조하여, 방출기 디바이스들(210)은 임의의 적절한 반도체 프로세싱 기법을 사용하여, 네이티브(native) 반도체 기판(212), 예컨대 III-V 반도체 재료로 형성된 웨이퍼, 이를테면 102mm(4 인치) 웨이퍼 상에 제작되어, 이웃 방출기 디바이스들은, 검출기 디바이스들과 짝을 이룰 때, 방출기 디바이스들이 검출기 디바이스들과 정합하도록 충분한 거리를 떨어져 이격된다. 방출기 디바이스들(210)은 폴리머 층(214), 예컨대 포토레지스트 내에 캡슐화된다. 전달 디바이스(216)는 방출기 디바이스들(210)을 픽업(pick up)하고 방출기 디바이스들(210)(도 5)을 수용 기판, 예컨대 검출기 디바이스들(220)이 그 내부에 형성된 반도체 기판(218), 이를테면 CMOS 또는 MEMS 웨이퍼, 이를테면 203mm(8 인치) 웨이퍼에 전달하는 데 이용된다. 방출기 디바이스들(210)은 임의의 적절한 기법을 사용하여 검출기 디바이스들(220) 상에 배치되어, 방출기 디바이스들(210)은 각각 검출기 디바이스들(220)에 인접한다(도 6). 포스트(post)-프로세싱은 이후에 프린팅된 방출기 디바이스들(210)을 웨이퍼의 표면에 전기적으로 연결하거나 또는 웨이퍼의 표면을 패시베이팅(passivate)하기 위해 수행된다. 이에 관하여, 프린팅된 방출기 디바이스들(210)은 예컨대 마스크를 이용한 임의의 적절한 기법을 사용하여 웨이퍼의 표면에 전기적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 연결들은 진공 증착 또는 금속 증발 기법을 사용하여 구현될 수 있다. 대안적으로, 스퍼터 증착 기법이 이용될 수 있거나, 금속 층은 촉매의 증착 다음 전기 도금될 수 있다. 연결들을 제공하기 위한 다른 기법은 예컨대 잉크젯 프린팅 또는 스프레이 코팅 기법들을 사용하여 전도성 잉크들을 프린팅하는 것일 수 있다. 화학 기상 증착은, 금속 층을 형성하기 위해 온도 또는 전자기 에너지에 의해 활성화된 전구체들을 사용하여 연결들을 형성하는 데 또한 이용될 수 있는 기법이다.
[0044] 다른 실시예(도 7)에서, 방출기 디바이스들(210)이 검출기 디바이스들(220)에 대향하여 이격된 관계를 유지하기 위해 반도체 기판(218)으로부터 분리된 지지 구조, 예컨대 지지 기판, 이를테면 브리징 기판(230), 이를테면 광-투과성 기판이 제공된다. 광-투과성 기판들의 예들은 유리 기판들 및 코팅된 유리 기판들 또는 임의의 다른 적절한 광-투과성 재료, 이를테면 플라스틱 재료를 포함한다. 이용된 코팅은 원하는 임의의 적절한 코팅, 예컨대 반사 방지 코팅 또는 광학 필터 코팅일 수 있다. 임의의 적절한 실시예에서, 광-투과성 기판은 하나 또는 그 초과의 광학 기능, 예컨대 광을 검출 지역에 포커싱하기 위한 기능, 즉 렌징(lensing)을 지원하기 위해 형성될 수 있다. 이에 관하여, 광-투과성 기판은 하나 또는 그 초과의 프레넬(Fresnel) 렌즈들을 포함할 수 있다.
[0045] 이 예에서, 검출기 디바이스들(220)을 포함하는 기판(218)은 브리징 기판(230) 아래에 배치되고, 브리징 기판(230)은, 센서 디바이스(100)가 예컨대 땜납 범프(bump)들(232)을 사용하여 커플링되는 위에서 언급된 애플리케이션 PCB에 동작가능하게 커플링된다. 방출기 디바이스들(210)은 예컨대 방출기 디바이스들(210)을 브리징 기판(230) 상에 마이크로-프린팅함으로써, 센서 디바이스(100)의 전면 측에 대응하는 브리징 기판(230)의 외향 지향 표면(234) 상에 배치되고, 그리고 방출기 디바이스들(210) 아래의 검출기 디바이스들(220)과 정합되도록 배열된다. 따라서, 외향 지향 표면(234)은 방출기 디바이스(210)를 보유한다. 브리징 기판의 내향 지향 표면은 검출기 디바이스들(220)과 마주한다. 브리징 기판(230)은 또한, 이 예에서, 상호연결부들(236), 예컨대 땜납 볼들 또는 리드들에 의해 기판(218)에 전기적으로 커플링된다. 상호연결부들, 예컨대 금속 상호연결부들은 전기 연결들을 방출기 디바이스들(210)에 제공하기 위해 브리징 기판(230)의 외향 지향 표면(234) 상에 제공된다. 브리징 기판(230)은 임의의 원하는 형상을 가지도록 형성될 수 있다. 예컨대, 브리징 기판(230)은 세장형일 수 있고 외향 지향 표면(234)은 실질적으로 평면형일 수 있다.
[0046] 도 8을 참조하면, 추가 실시예에서, 크래들(cradle) 패키지(240)는 검출기 디바이스들(220)을 포함하는 기판(218)을 수용하기 위한 리세스(recess)된 베이스 부분(242)을 가지도록 제공된다. 이 예에서, 크래들 패키지(240)는 세라믹 또는 플라스틱 재료로 형성되지만, 당업자는, 임의의 적절한 재료가 이 실시예 및 임의의 다른 실시예에서 크래들 패키지(240)를 형성하는 데 이용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 기판(218)은, 예컨대 패키지(240)에 전기적으로 연결되는 땜납 범프들(232)을 통해, 위에서 설명된 애플리케이션 PCB에 대한 전기 연결을 지원하기 위해, 예컨대 와이어 본드(wire bond)들에 의해, 패키지(240) 상의 대응하는 콘택들(246)에 동작가능하게 커플링되는 콘택들(244)을 포함한다. 크래들 패키지(240)는, 브리징 기판(230)이 패키지(240)의 측벽들(250), 또는 패키지(240)의 임의의 다른 적절한 부분에 연결될 때 폐쇄되는 개구 공동(248)을 정의한다. 방출기 디바이스들(210)은 도 7에 관련하여 위에서 설명된 방식으로 브리징 기판(230) 상에 증착되고 그리고 브리징 기판(230)의 외향 지향 표면(234)과 방출기 디바이스들 사이의 전기 연결은 예컨대 와이어 본드들 및/또는 땜납 범프들(도시되지 않음)에 의해 제공된다.
[0047] 위에서 설명된 본 발명의 예시적인 실시예들은 제한이 아닌 예시인 것으로 고려된다. 설명된 실시예들에 대한 다양한 변화들은 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 예컨대, 도 9를 참조하면, 또 다른 실시예에서, 위에서 설명된 도 8의 센서 디바이스(100)는, 광학 시스템(122)을 향해 방출기 디바이스들(210)의 각각에 의해 방출되는 광의 커플링을 향상시키기 위해, 방출기 디바이스들(210)에 각각 인접하게 개별 광학 엘리먼트들, 예컨대 소형 렌즈들(260)을 제공함으로써 향상될 수 있다. 다른 실시예들에서, 지지 구조는 부가적으로 또는 대안적으로 파장 선택적일 수 있다.
[0048] 다른 실시예들에서, 위의 실시예들 중 임의의 실시예는, 가능한 경우, 방출기 디바이스들(106) 중 하나 또는 그 초과가 센서 디바이스(100)의 전면 측에 대해 검출기 디바이스들(108) 중 하나 또는 그 초과의 검출기 디바이스들 뒤에 배치될 수 있도록 배열될 수 있다. 그런 실시예들에서, 검출기 디바이스 또는 디바이스들(108)은 광학 시스템(122)과 방출기 디바이스 또는 디바이스들(106) 사이에 배치된다.
[0049] 명시적으로 다르게 언급되는 경우 외에, 본원에서 "광"에 대한 언급들이 예컨대 약 350 nm 내지 약 2000 nm, 이를테면 약 550 nm 내지 약 1400 nm 또는 약 600 nm 내지 약 1000 nm 또는 약 850 nm 내지 약 1550 nm, 이를테면 약 905 nm 내지 약 940 nm의 전자기 스펙트럼의 광학 범위에 관련된 언급들로서 의도되는 것이 인식되어야 한다.

Claims (15)

  1. 센서 디바이스로서,
    전자기 방사선을 방출하도록 배열되고 상기 전자기 방사선과 연관된 방출 지역을 가진 방출기 디바이스;
    전자기 방사선을 수신하도록 배열되고 상기 전자기 방사선과 연관된 검출 지역을 가진 검출기 디바이스;
    광학 시스템
    을 포함하고,
    상기 광학 시스템은:
    상기 방출 지역이 상기 검출 지역으로부터 미리결정된 거리로 이격되고;
    상기 광학 시스템이 복수의 주 광선들을 정의하고, 상기 복수의 주 광선들 중 다수가 상기 검출 지역을 교차하고; 그리고
    상기 복수의 주 광선들 중 다수가 또한 상기 방출 지역을 교차하는,
    센서 디바이스.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 방출기 디바이스는 상기 검출기 디바이스와 상기 광학 시스템 사이에 배치되는,
    센서 디바이스.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 미리결정된 거리는 상기 방출기 디바이스에 의한 상기 검출 지역의 쉐도잉(shadowing)을 최소화하기 위해 선택되는,
    센서 디바이스.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 미리결정된 거리는, 상기 검출 지역을 향해 지향된 광의 실질적으로 5% 미만이 상기 방출 지역에 의해 쉐도잉될 수 있도록, 선택되는,
    센서 디바이스.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력을 제공하기 위한, 상기 방출기 디바이스에 대한 전기 커플링을 더 포함하고, 상기 전기 커플링은 열적 로드를 제공하도록 배열되고, 이에 의해 사용 중일 때, 상기 방출기 디바이스와 상기 방출기 디바이스가 배치된 환경 사이의 열적 저항이 감소되는,
    센서 디바이스.
  6. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출기 디바이스는 상기 검출기 디바이스에 인접하게 배치되는,
    센서 디바이스.
  7. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    그 상에 또는 적어도 부분적으로 그 내부에 배치된 상기 검출기 디바이스를 포함하는 반도체 기판; 및
    구동기 회로
    를 더 포함하고,
    상기 방출기 디바이스는 상기 구동기 회로에 동작가능하게 커플링되고;
    상기 반도체 기판은 그 상에 또는 적어도 부분적으로 그 내부에 배치된 상기 구동기 회로를 포함하는,
    센서 디바이스.
  8. 제1 항에 있어서,
    그 상에 또는 적어도 부분적으로 그 내부에 배치된 상기 방출기 디바이스를 포함하는 반도체 기판; 및
    구동기 회로
    를 더 포함하고,
    상기 방출기 디바이스는 상기 구동기 회로에 동작가능하게 커플링되고;
    상기 반도체 기판은 그 상에 또는 적어도 부분적으로 그 내부에 배치된 상기 방출기 회로를 포함하는,
    센서 디바이스.
  9. 제1 항 내지 제4 항 또는 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기 디바이스에 대향하여 제공된 지지 기판을 더 포함하고, 상기 지지 기판은 내향 지향 표면 및 외향 지향 표면을 가지며, 상기 내향 지향 표면은 상기 검출기 디바이스에 대해 이격된 관계로 있고 상기 외향 지향 표면은 상기 방출기 디바이스를 보유하는,
    센서 디바이스.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 지지 기판은 광 투과성 및/또는 파장 선택적인,
    센서 디바이스.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 지지 기판은 유리 또는 코팅된 유리 또는 플라스틱 재료 또는 코팅된 플라스틱 재료로 형성되는,
    센서 디바이스.
  12. 제1 항 내지 제4 항 또는 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출기 디바이스에 인접하고 상기 방출기 디바이스에 광학적으로 커플링된 광학 엘리먼트를 더 포함하는,
    센서 디바이스.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 광학 엘리먼트는 상기 방출기 디바이스에 커플링된 렌즈인,
    센서 디바이스.
  14. 제1 항 내지 제4 항 또는 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출기 디바이스를 포함하는 방출기 디바이스들의 어레이를 더 포함하는,
    센서 디바이스.
  15. 제1 항 내지 제4 항 또는 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기 디바이스를 포함하는 검출기 디바이스들의 어레이를 더 포함하는,
    센서 디바이스.
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