TW201546421A - 光學式感測器 - Google Patents

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Hiroshi Okamoto
Masaomi Takasaka
Yuki OKUWA
Shinya IWASHINA
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Hamamatsu Photonics Kk
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Abstract

本發明之光學式感測器之特徵在於包括：發光元件40；下部基板20，其供配置發光元件40；上部基板10，發光元件40位於其與下部基板20之間之空間內；及光學區塊30，其設置於上部基板10上；且上部基板10包括象限光電二極體SD；光學區塊30以將自發光元件40出射之光於測定對象物R之方向反射之方式構成，且經測定對象物R反射之光入射至象限光電二極體SD。

Description

光學式感測器
本發明係關於一種將自發光元件出射之光照射至對象物，並檢測對象物之反射光，且可應用於傾斜感測器之光學感測器。
自先前以來，已知有將發光元件與光檢測部組合而成之裝置。
例如，於專利文獻1中記載之發光裝置中，於收納有LED(Light Emitting Diode，發光二極體)晶片之封裝中，設置有：光檢測部，其檢測自LED晶片放射出之光；及溫度檢測部，其檢測光檢測部之溫度。藉由自光檢測部之輸出減去溫度檢測部之輸出，而自光檢測部之輸出信號去除因光檢測部之溫度而產生之雜訊。於該裝置中，藉由將光檢測部之輸出反饋至LED晶片之驅動，而謀求LED晶片之發光之穩定化，但並無感測器功能。
另一方面，專利文獻2中記載之裝置係將發光元件與光檢測部組合而成之光學式編碼器，且具有感測器功能。於該光學式編碼器中，於半導體基板上形成有光檢測器與凹部。於凹部內配置有光源，且於凹部上配置有狹縫，自光源出射之光束在通過狹縫之後，照射至編碼器用光學圖案。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2009-10044號公報
專利文獻2：日本專利特開2005-43192號公報
然而，先前，並不知道可應用於傾斜感測器之小型光學式感測器。本發明係鑒於此種問題而完成者，其目的在於提供一種可應用於傾斜感測器之小型光學式感測器。
為了解決上述問題，本發明之光學式感測器之特徵在於具備：發光元件；下部基板，其供配置上述發光元件；上部基板，上述發光元件位於其與上述下部基板之間之空間內；及光學區塊，其設置於上述上部基板上；且上述上部基板具備位置檢測型光檢測元件，上述光學區塊以將自上述發光元件出射之光於測定對象物方向反射之方式構成，經上述測定對象物反射之光入射至上述位置檢測型光檢測元件。
將下部基板、上部基板、光學區塊及發光元件集成，上部基板具備位置檢測型光檢測元件，位置檢測型光檢測元件可檢測經由光學區塊入射至測定對象物並被其反射之光。由於向位置檢測型光檢測元件之光入射位置根據測定對象物之旋轉角度而不同，故而該光學感測器可作為傾斜感測器發揮功能，且藉由積體化，可將整體裝置小型化。
又，上述上部基板之特徵在於具備：第1導電型(例：N型)半導體基板本體，其雜質濃度為1×1018/cm3以上；第1導電型(例：N型)第1半導體區域，其形成於上述半導體基板本體之表面且雜質濃度未達1×1018/cm3；及單個或複數個第2導電型(例：P型)第2半導體區域，其形成於上述第1半導體區域內；且上述位置檢測型光檢測元件具備上述第1半導體區域及上述第2半導體區域。
於半導體基板本體為高雜質濃度(1×1018/cm3以上)之情形時，可遮斷自基板背面方向入射至位於正面之位置檢測型光檢測元件之光， 因此可進行精密之測定。
又，上述上部基板之特徵在於進而具備監視器用光電二極體，且上述光學區塊以將自上述發光元件出射之光亦向上述監視器用光電二極體之方向反射之方式構成。
藉由使用監視器用光電二極體，可根據其輸出，使供給至發光元件之驅動電流穩定。監視器用光電二極體及象限光電二極體集成於上部基板內，且使用光學區塊使來自發光元件之光反射、偏向，因此可將光學式感測器小型化。
又，上述上部基板之特徵在於具備：第2導電型半導體基板本體；第1導電型第1半導體區域，其形成於上述半導體基板本體之表面；及單個或複數個第2導電型第2半導體區域，其形成於上述第1半導體區域內；且上述位置檢測型光檢測元件具備上述第1半導體區域及上述第2半導體區域。
藉由該構造，上述光學式感測器亦發揮功能，但於將半導體基板本體設為P型之情形時，於與其上部之N型半導體區域之間形成PN接面。因此，可將該PN接面用作監視器用光電二極體。該情形時，監視器用光電二極體之輸出可自分別電性連接於半導體基板本體及N型半導體區域之電極取出。
又，上述光學區塊之特徵在於具備：半反射鏡區塊；及全反射鏡區塊，其重疊於上述半反射鏡區塊；且上述半反射鏡區塊具備：第1透明平板；及半反射鏡層，其沿以相對上述第1透明平板表面之法線具有傾斜角度之直線作為其法線之第1傾斜面，嵌入至上述第1透明平板；且上述全反射鏡區塊具備：透明之第2透明平板；及全反射鏡層，其沿以相對上述第2透明平板表面之法線具有傾斜角度之直線作為其法線之第2傾斜面，嵌入至上述第2透明平板。
藉由半反射鏡層可將來自發光元件之光向測定對象物方向反 射，藉由全反射鏡層可將透過半反射鏡層之光向監視器用光電二極體方向反射。
又，上述下部基板及上述上部基板之特徵在於分別具備劃分形成收容上述發光元件之空間之凹部。由於發光元件配置於凹部內，故而可將基板厚度方向小型化。
上述位置檢測型光檢測元件可設為象限光電二極體或PSD(position sensitive detector，位置靈敏探測器)。
該光學式感測器係可應用於傾斜感測器之構造，且可設為小型。
10‧‧‧上部基板
10A‧‧‧半導體基板本體
10B‧‧‧半導體區域
10b‧‧‧半導體區域
10C‧‧‧隔離區域
10c‧‧‧隔離區域
10D‧‧‧絕緣膜
10E‧‧‧絕緣膜
10F‧‧‧第1半導體區域(N型半導體區域)
10g‧‧‧N型半導體區域
20‧‧‧下部基板
20A‧‧‧半導體基板本體
20D‧‧‧絕緣膜
20E‧‧‧絕緣膜
30‧‧‧光學區塊
30A‧‧‧半反射鏡區塊
30B‧‧‧全反射鏡區塊
40‧‧‧發光元件
40A‧‧‧化合物半導體基板
40B‧‧‧半導體區域
50‧‧‧透鏡
51‧‧‧接著劑
52‧‧‧接著劑
60‧‧‧光源驅動電路
70‧‧‧檢測電路
80‧‧‧控制電路
A~F‧‧‧貫通電極
A1‧‧‧單位反射鏡構造
A1~F1‧‧‧電極墊
A2~F2‧‧‧電極墊
A3~F3‧‧‧貫通電極
B1‧‧‧單位反射鏡構造
Ea‧‧‧電極
Eb‧‧‧電極
Ec‧‧‧電極
Ed‧‧‧電極
Ef‧‧‧電極
G‧‧‧電極墊
G1‧‧‧透明基板
G2‧‧‧透明基板
H‧‧‧光出射孔
H1‧‧‧凹部
H2‧‧‧凹部
H3‧‧‧凹部
H4‧‧‧凹部
L‧‧‧來自發光元件40之光
L1‧‧‧反射光
L2‧‧‧反射光
M‧‧‧監視器用光電二極體
M1‧‧‧半反射鏡層
M2‧‧‧全反射鏡層
PA、PB、PC、PD‧‧‧光電二極體
R‧‧‧測定對象物
SD‧‧‧象限光電二極體
X1‧‧‧電極墊
X2‧‧‧電極墊
X‧‧‧X軸
Y‧‧‧Y軸
Z‧‧‧Z軸
圖1係將第1實施形態之光學式感測器局部分解而表示之立體圖。
圖2係第1實施形態之光學式感測器及測定對象物之II-II箭頭線剖視圖。
圖3係第1實施形態之光學式感測器之III-III箭頭線剖視圖。
圖4係光學式感測器之局部區域之俯視圖。
圖5係上部基板之仰視圖。
圖6係下部基板之仰視圖。
圖7係光學式感測器之電路圖。
圖8係表示光學區塊之縱剖面構成之圖。
圖9係第2實施形態之光學式感測器及測定對象物之縱剖視圖。
圖10係第3實施形態之光學式感測器及測定對象物之縱剖視圖。
圖11係第4實施形態之光學式感測器及測定對象物之縱剖視圖。
圖12係將變化例之光學式感測器局部分解而表示之立體圖。
圖13(A)~(D)係用以對半反射鏡區塊之製造方法進行說明之圖。
圖14(A)~(D)係用以對全反射鏡區塊之製造方法進行說明之圖。
圖15(A)~(D)係用以對光學式感測器之製造方法進行說明之圖。
圖16係用以對凹部位置之變化例進行說明之圖。
圖17係用以對凹部位置之變化例進行說明之圖。
圖18係使用PSD代替象限光電二極體之光學式感測器之立體圖。
圖19係PSD之俯視圖。
圖20係表示圖19所示之PSD之縱剖面構成之圖。
以下，對實施形態之光學式感測器進行說明。設為對相同之要素使用相同之符號，並省略重複之說明。
圖1係將第1實施形態之光學式感測器局部分解而表示之立體圖，圖2係第1實施形態之光學式感測器及測定對象物之II-II箭頭線剖視圖。
該光學式感測器具備：發光元件40(參照圖2)；下部基板20，其供發光元件40配置於其上；上部基板10；及光學區塊30，其設置於上部基板10上。
於三維正交座標系統中，垂直於各基板之方向為Z軸方向，自監視器用光電二極體M朝向象限光電二極體SD之方向為Y軸方向，垂直於該等兩者之方向為X軸方向。
發光元件40位於劃分形成於上部基板10與下部基板20之間之空間內，例如為出射波長670nm之可見光之發光二極體(LED)，但亦可使用雷射二極體。發光元件40具備：化合物半導體基板40A；及半導體區域40B，其形成於化合物半導體基板40A之表面側；且該等之導電型相反。即，一導電型為P型，另一導電型為N型。
於發光元件40之光出射面，設置有透鏡(球透鏡)50。透鏡50係藉由接著劑51而固定於發光元件40之光出射面。自發光元件40出射之光 被透鏡50收斂，其後，藉由光學區塊內之半反射鏡而被反射、偏向，從而照射至測定對象物R。測定對象物R能夠以X軸及Y軸為中心旋轉，且經測定對象物R反射之光入射至象限光電二極體SD。由於向象限光電二極體SD之光入射位置係根據測定對象物R之旋轉角度而不同，故而該光學感測器可作為傾斜感測器而發揮功能。
上部基板10具備象限光電二極體SD及監視器用光電二極體M。
首先，對象限光電二極體SD進行說明。上部基板10具備：半導體基板本體10A；及複數個P型半導體區域10B，其等形成於半導體基板本體10A之表面側。於圖2之例中，半導體基板本體10A為N型，且於各個半導體區域10B與半導體基板本體10A之間形成有具有PN接面之光電二極體。於圖1中，表示有具有4個光電二極體之四象限光電二極體，但象限數並非限定於此。
各個半導體區域10B之周圍被N型隔離區域10C包圍。隔離區域10C之雜質濃度較佳為高於半導體基板本體10A之雜質濃度(1×1018/cm3以上)。
其次，對監視器用光電二極體M進行說明。
於圖1中，監視器用光電二極體M形成於與象限光電二極體SD不同之位置。詳細而言，光出射孔H位於監視器用光電二極體M與象限光電二極體SD之間，YZ平面係包含光學區塊30中之半反射鏡之法線與全反射鏡之法線而構成。即，為如下簡單之構造，即自發光元件40出射之光線係於同一平面(YZ平面)內行進，而不易產生因要素之位置偏移而導致之檢測精度之劣化。再者，根據對象物，光線亦可僅於YZ平面內行進，但於對象物繞X軸及Y軸旋轉之情形時，並非限定於YZ平面內之構造。
監視器用光電二極體M係於半導體基板本體10A之表面側具備P型半導體區域10b。由於半導體基板本體10A為N型，故而於半導體區 域10b與半導體基板本體10A之間形成有具有PN接面之光電二極體。
半導體區域10b之周圍被N型隔離區域10c包圍。隔離區域10c之雜質濃度高於半導體基板本體10A之雜質濃度(1×1018/cm3以上)，且較佳為與隔離區域10C之雜質濃度相同。
再者，上述隔離區域10C及隔離區域10c抑制多餘之載子自周圍混入至各個半導體區域10B及半導體區域10b，並且亦作為用以賦予基板電位之接觸區域而發揮功能。
於半導體基板本體10A之上下表面，分別形成有絕緣膜10D及絕緣膜10E。絕緣膜10D及絕緣膜10E之材料例如包含SiO2，但亦可使用SiNx或樹脂等其他材料。
於半導體基板本體20A之上下表面亦分別形成有絕緣膜20D及絕緣膜20E。絕緣膜20D及絕緣膜20E之材料例如包含SiO2，但亦可使用SiNx或樹脂等其他材料。
上部基板10與下部基板20被貼合。作為貼合方法，有對上部基板10與下部基板20進行加熱而使其等壓接之方法、於上部基板10與下部基板20之間介置接著劑之方法、經由凸塊連接設置於上部基板10之下表面之電極與設置於下部基板20之上表面之電極之方法等。於使用接著劑之情形時，絕緣膜10E與絕緣膜20D之間之界面成為接著層。
於上部基板10之下表面設置有凹部H1，於下部基板20之上表面設置有凹部H2，且該等沿Z軸方向重疊，藉此劃分形成有收容發光元件40及聚光透鏡50之空間。即，下部基板20及上部基板10分別具備劃分形成收容發光元件40之空間的凹部H1、H2，且發光元件40配置於凹部內，因此，基板厚度方向得到小型化。
光學區塊30係以將自發光元件40出射之光向測定對象物R之方向反射之方式構成，經測定對象物R反射之光入射至象限光電二極體SD。又，上部基板10具備監視器用光電二極體M，光學區塊30係以將 自發光元件40出射之光亦向監視器用光電二極體M之方向反射之方式構成。
於該光學式感測器中，將下部基板20、上部基板10、光學區塊30及發光元件40集成，且象限光電二極體SD可檢測經由光學區塊30入射至測定對象物R並被其反射之光。藉由該積體化，可將整體裝置小型化。又，藉由使用監視器用光電二極體M，可根據其輸出，使供給至發光元件40之驅動電流穩定。監視器用光電二極體M及象限光電二極體SD集成於上部基板10內，且使用光學區塊30將來自發光元件40之光反射、偏向，因此，光學式感測器得到小型化。
光學區塊30具備：半反射鏡區塊30A；及全反射鏡區塊30B，其重疊於半反射鏡區塊30A。
關於光學區塊30，如圖8所示，半反射鏡區塊30A具備：第1透明平板；及半反射鏡層M1，其沿以相對第1透明平板表面之法線具有傾斜角度之直線作為其法線之第1傾斜面，嵌入至上述第1透明平板。
全反射鏡區塊30B具備：透明之第2透明平板；及全反射鏡層M2，其沿以相對第2透明平板表面之法線具有傾斜角度之直線作為其法線之第2傾斜面，嵌入至第2透明平板。
藉由半反射鏡層M1，可將來自發光元件40之光L作為反射光L1而向測定對象物R之方向反射，藉由全反射鏡層M2，可將透過半反射鏡層M1之光作為反射光L2而向監視器用光電二極體M之方向反射(參照圖8)。
圖3係光學式感測器之III-III箭頭線剖視圖。
若參照圖1及圖3，則於上部基板10，設置有用以取出來自象限光電二極體SD之半導體區域10B之輸出之貫通電極A、B、C、D。又，於上部基板10，設置有用以取出來自監視器用光電二極體M之半導體區域10b之輸出之貫通電極E。於上部基板10，設置有用以賦予基 板電位之貫通電極F。
貫通電極A~F係自形成於上部基板10之下表面之凹部H3之底面貫通至上表面，且延伸至表面之絕緣膜10D上。各貫通電極A~F係沿形成於上部基板10及下部基板20之絕緣膜10E及20D上爬附，且分別電性連接於下部基板20之貫通電極A3~F3。於下部基板20之上表面形成有凹部H4，貫通電極A3~F3係自凹部H4之底面貫通至下表面，且延伸至自絕緣膜20E露出。再者，亦可於上部基板不使用凹部H3，於下部基板20不使用凹部H4，而分別於上部基板10形成貫通電極A~F，於下部基板20形成貫通電極A3~F3。
於上部基板10之上部之絕緣膜10D與光學區塊30之間介置有接著層。
圖4係光學式感測器之局部區域之俯視圖。
於上部基板10之上部之絕緣膜10D上，露出有分別電性連接於半導體區域10B、半導體區域10b及隔離區域10C及隔離區域10c之接觸電極，且各個接觸電極連接於貫通電極A~F。
圖5係上部基板10之仰視圖。
上述貫通電極A~F係沿絕緣膜10E爬附，且分別電性連接於設置於絕緣膜10E之下表面上之電極墊A1~F1。再者，亦可將用以均勻地保持基板間之間隙之虛設用電極墊X1設置於絕緣膜10E之下表面上。
圖6係下部基板20之仰視圖。
上述電極墊A1~F1、X1分別電性連接於對向地設置於絕緣膜20D之上表面上之電極墊A2~F2、X2。於連接時亦可使用焊料凸塊。於絕緣膜20D之上表面上，亦設置有用以對發光元件40之一端子供給驅動電流之電極墊G，且電極墊G電性連接於貫通電極G3。於發光元件40之另一端子，自貫通電極F3賦予有下部基板20之基板電位。
圖7係光學式感測器之電路圖。
象限光電二極體SD具備4個光電二極體PA、PB、PC、PD，且各自之輸出係經由貫通電極A、B、C、D而被輸入至檢測電路70。檢測電路70係將輸入信號轉換為電壓，並視需要放大，或者轉換為數位值，且將檢測值輸入至控制電路80。控制電路80係基於輸入之檢測值，計算測定對象物R之旋轉角度，並輸出至外部機器。
於檢測電路70，亦經由貫通電極E而輸入有來自監視器用光電二極體M之顯示器信號。檢測電路70係將輸入信號轉換為電壓，並視需要放大，或者轉換為數位值，且將檢測值輸入至控制電路80。控制電路80係以使輸入之顯示器信號之檢測值成為固定之方式，對自光源驅動電路60供給至發光元件40之驅動電流之大小進行控制。即，控制電路80進行如下處理：於顯示器信號為基準值以上之情形時，使驅動電流減少，於未達基準值之情形時，使驅動電流增加。
圖9係第2實施形態之光學式感測器及測定對象物之縱剖視圖。
於該形態中，上部基板10具備：N型半導體基板本體10A，其雜質濃度為1×1018/cm3以上；N型半導體區域10F，其形成於半導體基板本體之表面，且雜質濃度未達1×1018/cm3(例：為4×1012/cm3，較佳範圍為1×1011/cm3以上且1×1016/cm3以下)；及複數個P型半導體區域10B，其等形成於N型半導體區域10F內。象限光電二極體SD包含N型半導體區域10F及複數個P型半導體區域10B，監視器用光電二極體M包含N型半導體區域10F及複數個P型半導體區域10b。其他構成係與第1實施形態相同。再者，N型半導體區域10F為磊晶層。
如本例般，於半導體基板本體10A為高雜質濃度(1×1018/cm3以上)之情形時，可遮斷自基板背面方向入射至位於正面之象限光電二極體SD之光，因此可進行精密之測定。
圖10係第3實施形態之光學式感測器及測定對象物之縱剖視圖。
於該形態中，上部基板10具備：P型半導體基板本體10A；N型半 導體區域10G、10g，其等形成於半導體基板本體10A之表面；以及複數個P型半導體區域10B及P型半導體區域10b，其等形成於N型半導體區域10G、10g內。
象限光電二極體SD包含N型半導體區域10G及複數個P型半導體區域10B，監視器用光電二極體M包含N型半導體區域10g及複數個P型半導體區域10b。其他構成係與第1實施形態相同。
藉由該構造，上述光學式感測器亦發揮功能，但於將半導體基板本體10A設為P型之情形時，於與其上部之N型半導體區域10G之間形成PN接面。因此，可將該PN接面用作監視器用光電二極體。該情形時，監視器用光電二極體之輸出可自分別電性連接於半導體基板本體10A及N型半導體區域10G之電極取出，該情形時，監視器用光電二極體亦可省略。
圖11係第4實施形態之光學式感測器及測定對象物之縱剖視圖。
於上述例中，聚光透鏡50係固定於發光元件40，但其亦可增大貫通上部基板10之光出射孔H之直徑，而固定於其內表面。於固定時，可使用接著劑52。
圖12係將變化例之光學式感測器局部分解而表示之立體圖。
於上述例中，構成四象限光電二極體之光感應區域之各半導體區域10B之大小相同，但其亦可不同。即，可將距光出射孔H較遠側之半導體區域10B之面積設為大於距光出射孔H較近側之半導體區域10B之面積。測定對象物之旋轉角係對應於來自象限光電二極體SD之各半導體區域10B之輸出之比率，藉由如此設定面積，可提高四象限光電二極體相對於測定對象之角度之四象限光電二極體輸出值之線性，而可降低控制電路之負載。
圖13係用以對半反射鏡區塊30A之製造方法進行說明之圖。
首先，於透明基板G1上形成半反射鏡層M1，而製造單位反射鏡 構造A1(A)。其次，將單位反射鏡構造A1積層，而構成積層體(B)。繼而，以特定之角度將積層體切斷(C)。藉此，可製造半反射鏡區塊30A(D)。半反射鏡區塊30A具備包含透明基板G1之材料之第1透明平板、及半反射鏡層M1。
圖14係用以對全反射鏡區塊30B之製造方法進行說明之圖。
首先，於透明基板G2上形成全反射鏡層M2，而製造單位反射鏡構造B1(A)。其次，將單位反射鏡構造B1積層，而構成積層體(B)。其次，以特定之角度將積層體切斷(C)。藉此，可製造全反射鏡區塊30B(D)。全反射鏡區塊30B具備包含透明基板G2之材料之第1透明平板、及全反射鏡層M2。
再者，作為上述透明基板G1、G2之材料，可使用SiO2，但亦可使用其他透明材料。又，作為半反射鏡層M1之材料，可使用鋁(Al)鉻(Cr)等金屬膜、及多層介電體膜(多層介電體膜為包含上述中之至少兩種介電體之多層膜，且作為介電體膜之材料，可使用氧化鈦(TiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiO2)、氟化鎂(MgF2))等，作為全反射鏡層M2之材料，可使用鋁(Al)銀(Ag)等金屬膜、及多層介電體膜(多層介電體膜為包含上述中之至少兩種介電體之多層膜，且作為介電體膜之材料，可使用氧化鈦(TiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiO2)、氟化鎂(MgF2))等，該等層可使用濺鍍法、蒸鍍法、或鍍敷法而形成於透明基板上。
圖15係用以對光學式感測器之製造方法進行說明之圖。
將如上述般形成之半反射鏡區塊30A、與全反射鏡區塊30B貼合而進行接合(A)。於接合時，可使用熱壓接，但亦可使用接著劑。其次，對接合之光學區塊30之兩面進行研磨(B)。此後，將光學區塊30貼合於上部基板10(C)。於該貼合時，可使用熱壓接，但亦可使用接著劑。又，關於步驟(C)，除了上述方法以外，亦可使用常溫接合製 程等。繼而，將設置有透鏡及發光元件之下部基板20貼合於步驟(C)之積層體之上部基板10(D)。藉由進行步驟(D)之積層體之切割，而分離成一個個元件(E)，從而完成上述光學式感測器。又，亦能夠以如下方式更換步驟，即於上述(C)步驟後，進行積層體之切割，而進行單片化，並將設置有透鏡及發光元件之下部基板20貼合於一個個元件之上部基板10。
圖16係用以對凹部位置之變化例進行說明之圖。
於上述任一例中，均可僅於凹部H1內配置發光元件40，而將下部基板之半導體基板本體20A之表面設為平坦。再者，省略其他要素之記載。
圖17係用以對凹部位置之變化例進行說明之圖。
又，於上述任一例中，均可僅於凹部H2內配置發光元件40，而將上部基板之半導體基板本體10A之下表面設為平坦。再者，省略其他要素之記載。
又，上述光學式感測器可檢測測定對象物之旋轉角(傾斜角)，但亦可根據用途檢測其他物理量(位置等)。
再者，亦可使用PSD(光位置檢測元件)代替上述象限光電二極體。PSD係利用光電二極體之表面電阻之光點位置感測器，由於為與CCD(Charge Coupled Device，電荷耦合元件)等不同之非象限型，故而可獲得連續之電信號(X或Y座標)，而位置解析度、響應性優異。自發光元件發出且藉由透鏡50、基板10內部之光出射孔H而準直之光係被光學區塊30內之半反射鏡30A反射，並被反射至測定對象物R，從而照射於(二維)之PSD。根據自PSD之各輸出電極取出之光電流值，求出PSD上之照射位置，而算出測定對象物R之角度。以下，對其構造進行說明。
圖18係使用PSD代替象限光電二極體之光學式感測器之立體圖。 該感測器之與圖1所示者之不同點僅為於象限光電二極體之位置配置有PSD，其他構成係與圖1者相同。
圖19係PSD之俯視圖，於俯視形狀為大致長方形之半導體區域10B之表面上配置有兩組對向之一對電極(Ea與Ed)及(Eb與Ec)。於PSD中，根據入射光之光點位置，自入射位置至電極之電阻值不同，因此，若求出自對向之電極間輸出之電流之比率，則可判明光點之入射位置、即測定對象物之位置。
圖20係表示圖19所示之PSD之縱剖面構成之圖。
PSD係沿基板之厚度方向構成二極體，且於半導體區域10B與半導體基板本體10A之間構成二極體。半導體區域10B例如為P型，半導體基板本體10A例如為N型，但亦可採用上述圖9或圖10之構造。半導體基板本體10A係經由隔離區域10C及形成於其上之電極Ef而連接於接地等固定電位。隔離區域10C之導電型例如為N型，與半導體基板本體10A之導電型相同，且可賦予基板電位。再者，各電極Ea、Eb、Ec、Ed、Ef可分別連接於上述貫通電極A、B、C、D、F。又，可將隔離區域10C設為陰極，將半導體區域10B設為陽極，但亦可相反。象限型光電二極體之構成可應用於PSD，於該圖中，表示了隔離區域10C之深度與半導體區域10B之深度相同之例，但構成PSD之周緣區域之隔離區域10C較佳為比半導體區域10B深。
又，亦可如圖9所示般，於半導體基板本體10A之表面形成半導體區域10F，並於其中形成成為PSD之光檢測區域之單一之半導體區域10B。半導體之剖面構成係與圖9中之象限光電二極體SD之左右方向之一半構造相同。
如以上所說明般，於上述實施形態中，具備包含象限光電二極體或PSD之位置檢測型光檢測元件，且可應用於傾斜感測器。
又，上述半導體基板本體包含Si，但亦可採用其他材料，又，N 型(第1導電型)及P型(第2導電型)可相互替換。
如上所述，上述光學式感測器具備：發光元件40；下部基板20，其供配置發光元件40；上部基板10，發光元件40位於其與下部基板20之間之空間內；及光學區塊30，其設置於上部基板10上；且上部基板10具備位置檢測型光檢測元件(象限光電二極體或PSD)，光學區塊30係以將自發光元件40出射之光於測定對象物之方向反射之方式構成，經測定對象物反射之光入射至位置檢測型光檢測元件。
又，上部基板10具備：第1導電型(例：N型)半導體基板本體10A，其雜質濃度為1×1018/cm3以上；第1導電型(例：N型)第1半導體區域10F，其形成於半導體基板本體10A之表面，且雜質濃度未達1×1018/cm3；及單個或複數個第2導電型(例：P型)第2半導體區域10B，其形成於第1半導體區域10F內；位置檢測型光檢測元件具備第1半導體區域10F及第2半導體區域10B(參照圖9)。再者，於為PSD之情形時之縱剖面構成係第2半導體區域10B之個數為單數，且與圖9中之象限光電二極體之左右方向之一半區域之構造相同。
又，上部基板19進而具備監視器用光電二極體M，光學區塊30係以將自發光元件40出射之光亦向監視器用光電二極體M之方向反射之方式構成。
又，上部基板10具備：第2導電型(例：P型)半導體基板本體10A；第1導電型(例：N型)第1半導體區域10G，其形成於半導體基板本體之表面；及單個或複數個第2導電型第2半導體區域10B，其等形成於第1半導體區域10G內；且位置檢測型光檢測元件具備第1半導體區域10G及第2半導體區域10B(圖10)。再者，於為PSD之情形時之縱剖面構成係第2半導體區域10B之個數為單數，且與圖10中之象限光電二極體之左右方向之一半區域之構造相同。
又，光學區塊30具備半反射鏡區塊30A、及重疊於半反射鏡區塊 30A之全反射鏡區塊30B，且半反射鏡區塊30A具備：第1透明平板(半反射鏡區塊30A之本體部分)；及半反射鏡層M1，其沿以相對第1透明平板表面之法線具有傾斜角度之直線作為其法線之第1傾斜面，嵌入至第1透明平板；且全反射鏡區塊30B具備：透明之第2透明平板(全反射鏡區塊30B之本體部分)；及全反射鏡層M2，其沿以相對第2透明平板表面之法線具有傾斜角度之直線作為其法線之第2傾斜面，嵌入至第2透明平板。
又，下部基板20及上部基板10分別具備劃分形成收容發光元件40之空間之凹部。
又，上述位置檢測型光檢測元件係象限光電二極體或PSD，且可將光學式感測器應用於傾斜感測器。
10‧‧‧上部基板
10A‧‧‧半導體基板本體
10B‧‧‧半導體區域
10b‧‧‧半導體區域
10C‧‧‧隔離區域
10c‧‧‧隔離區域
10D‧‧‧絕緣膜
10E‧‧‧絕緣膜
20‧‧‧下部基板
20A‧‧‧半導體基板本體
20D‧‧‧絕緣膜
20E‧‧‧絕緣膜
30‧‧‧光學區塊
30A‧‧‧半反射鏡區塊
30B‧‧‧全反射鏡區塊
40‧‧‧發光元件
40A‧‧‧化合物半導體基板
40B‧‧‧半導體區域
50‧‧‧透鏡
51‧‧‧接著劑
H‧‧‧光出射孔
H1‧‧‧凹部
H2‧‧‧凹部
M‧‧‧監視器用光電二極體
R‧‧‧測定對象物
SD‧‧‧象限光電二極體
X‧‧‧X軸
Y‧‧‧Y軸
Z‧‧‧Z軸

Claims (7)

  1. 一種光學式感測器，其特徵在於包括：發光元件；下部基板，其供配置上述發光元件；上部基板，上述發光元件位於其與上述下部基板之間之空間內；及光學區塊，其設置於上述上部基板上；且上述上部基板具備位置檢測型光檢測元件，上述光學區塊係以將自上述發光元件出射之光於測定對象物之方向反射之方式構成，且經上述測定對象物反射之光入射至上述位置檢測型光檢測元件。
  2. 如請求項1之光學式感測器，其中上述上部基板包括：第1導電型半導體基板本體，其雜質濃度為1×1018/cm3以上；第1導電型第1半導體區域，其形成於上述半導體基板本體之表面且雜質濃度未達1×1018/cm3；及單個或複數個第2導電型第2半導體區域，其等形成於上述第1半導體區域內；且上述位置檢測型光檢測元件包括上述第1半導體區域及上述第2半導體區域。
  3. 如請求項1或2之光學式感測器，其中上述上部基板進而包括監視器用光電二極體；且上述光學區塊係以將自上述發光元件出射之光亦於上述監視器用光電二極體之方向反射之方式構成。
  4. 如請求項1之光學式感測器，其中 上述上部基板包括：第2導電型半導體基板本體；第1導電型第1半導體區域，其形成於上述半導體基板本體之表面；單個或複數個第2導電型第2半導體區域，其等形成於上述第1半導體區域內；且上述位置檢測型光檢測元件包括上述第1半導體區域及上述第2半導體區域。
  5. 如請求項1至4中任一項之光學式感測器，其中上述光學區塊包括：半反射鏡區塊；及全反射鏡區塊，其重疊於上述半反射鏡區塊；且上述半反射鏡區塊包括：第1透明平板；及半反射鏡層，其沿以相對上述第1透明平板表面之法線具有傾斜角度之直線作為其法線之第1傾斜面，嵌入至上述第1透明平板；且上述全反射鏡區塊包括：透明之第2透明平板；及全反射鏡層，其沿以相對上述第2透明平板表面之法線具有傾斜角度之直線作為其法線之第2傾斜面，嵌入至上述第2透明平板。
  6. 如請求項1至5中任一項之光學式感測器，其中上述下部基板及上述上部基板分別具備劃分形成收容上述發光元件之空間之凹部。
  7. 如請求項1至6中任一項之光學式感測器，其中上述位置檢測型光檢測元件為象限光電二極體或PSD。
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