TWI734969B - 光學裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種光學裝置，其包含一載體、一光源、一晶粒、一光導引結構及一反射結構。該載體具有一表面。該光源安置於該表面上且經組態以發射一光束。該晶粒安置於該表面上且經組態以感測該光束。該光導引結構安置於該表面上且經組態以導引該光束。該光導引結構包含面向該光源之一光接收表面及一光射出表面。該反射結構安置在該晶粒上方。該反射結構包含面向該光導引結構之該光射出表面之一光反射表面且經組態以反射自該光射出表面射出至該晶粒之該光束。該光反射表面及該光射出表面彼此分離且界定一排氣孔。
Description
本發明係關於一種光學裝置。詳言之，本發明係關於具有較小封裝大小之光學裝置。
用於氣體感測之習知光學裝置通常使用反射結構。並不需要光束之長路徑及光學裝置之封裝之較大厚度。然而，對於光學裝置難以形成較小封裝大小。
在一態樣中，一種光學裝置包含一載體、一光源、一晶粒、一光導引結構及一反射結構。該載體具有一表面。該光源安置於該表面上且經組態以發射一光束。該晶粒安置於該表面上且經組態以感測該光束。該光導引結構安置於該表面上且經組態以導引該光束。該光導引結構包含面向該光源之一光接收表面及一光射出表面。該反射結構安置在該晶粒上方。該反射結構包含面向該光導引結構之該光射出表面之一光反射表面且經組態以反射自該光射出表面射出至該晶粒之該光束。該光反射表面及該光射出表面彼此分離且界定一排氣孔。
在一態樣中，一種光學裝置包含一載體、一光源、一反射結構、一光導引結構及一晶粒。該載體具有一表面。該光源安置於該表面上。該光導引結構、該載體及該反射結構界定具有一排氣孔之一腔室。該晶粒安置於該腔室內。
除非另外規定，否則諸如「上方」、「下方」、「向上」、「左邊」、「右邊」、「向下」、「頂部」、「底部」、「豎直」、「水平」、「側部」、「較高」、「下部」、「上部」、「上方」、「下面」等空間描述相對於圖中所示之定向加以指示。應理解，本文中所使用之空間描述僅出於說明之目的，且本文中所描述之結構之實際實施可以任何定向或方式在空間上配置，其限制條件為本發明之實施例之優點不因此配置而有偏差。
圖1A為根據本發明之一實施例之光學裝置1之橫截面圖。光學裝置1包括載體10、光源30、晶粒20、晶粒80、光導引結構40及反射結構42。在一些實施例中，光源30及光導引結構40安置在載體10上方。載體10可包括基板，諸如半導體基板、電路板等。載體10具有表面101。在一或多個實施例中，表面101可為頂面。在一或多個實施例中，導電佈線(未展示)安置在載體10上方或包埋於載體10中。在一些實施例中，光學裝置1之封裝高度(大小)之範圍可為但不限於約1.9毫米(mm)至約2.1 mm。
光源30安置於載體10之表面101上。光源30經組態以朝向光接收表面407發射光束。晶粒20安置於載體10之表面101上。晶粒20經組態以感測來自光源30之光束。在一或多個實施例中，晶粒20包括光學感測器晶片。在一些實施例中，晶粒20包括但不限於氣體感測晶片。在一些實施例中，可形成具有互補金屬氧化物半導體(complementary-metal-oxide-semiconductor，CMOS)感測器、電荷耦合裝置(charge-coupled device，CCD)感測器或其他適合之感測器以感測光之晶粒20。在一些實施例中，晶粒80包括但不限於熱電堆晶片。光源30可包括發光二極體(light emitting diode，LED)，或能夠發射光之其他適合之光源。在一些實施例中，光源30可發射紅外射線。
光導引結構40安置於載體10之表面101上。光導引結構40經組態以導引光束。光導引結構40包括光接收表面407及光射出表面405。光接收表面407面向光源30。在一些實施例中，光接收表面407包括經組態為用於接收光束之透鏡結構90之彎曲表面。透鏡結構90面向光源30。光導引結構40包括藉由間隙與光源30間隔開之光接收表面407。光射出表面405自排氣孔70曝露。在一些實施例中，光射出表面405可具有選擇性經電鍍之金屬層。在一些實施例中，光射出表面405可經研磨以移除金屬層。具有光射出表面405之光導引結構40及用於反射光束之反射結構42可用於縮短光束路徑且減小光學裝置1之封裝之厚度。
在一些實施例中，光導引結構40包括非空氣介質或透明材料。在一些實施例中，光導引結構40包括但不限於封裝材料或玻璃。光導引結構40及載體10共同界定具有一或多個排氣孔70之腔室A。晶粒20及80安置於該腔室A內。
在一些實施例中，光射出表面405可包括光透射刻面。光導引結構40包括光可穿透本體44及安置於光可穿透本體44之外表面402上之反射層401。藉由光可穿透本體44外部之反射層401反射光束。可穿透本體44及反射層401形成全反射結構。在光可穿透本體44中藉由全反射透射光束。由非空氣介質形成之光導引結構40可藉由安置於光可穿透本體44之外表面402上之反射層401而導引光束。
反射結構42安置在晶粒20上方。反射結構42包括光反射表面421。在一些實施例中，反射層401安置於光反射表面421上。反射結構42之光反射表面421相對於表面101傾斜。反射結構42中朝向表面101傾斜之光反射表面421可將光束反射至晶粒20且縮短光束路徑。光反射表面421面向光導引結構40之光射出表面405。光反射表面421經組態以反射自光射出表面405射出至晶粒20之光束。取決於晶粒20相對於反射結構42之位置，光反射表面421之角度範圍可例如介於約10度至約80度，或約30度至約60度。光反射表面421及光射出表面405彼此分離。
光反射表面421上之反射層401可為或可包括經拋光金屬材料、具有金屬塗層之塑膠材料，或其他適合之反射材料。經拋光金屬材料或金屬塗層之實例包括鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)，或銀(Ag)，或其合金，或其他適合之金屬或合金。反射層401提高光反射表面421之反射率。
光反射表面421及光射出表面405共同界定排氣孔70。在一些實施例中，排氣孔70之數目為至少一或多個。在一些實施例中，光導引結構40及載體10共同界定空間B。光源30位於空間B內。在一些實施例中，待判定氣體經由排氣孔70流入腔室A。氣體將在氣體與光交互區域701處與自光射出表面405發射之光束交互。該區域可覆蓋自光射出表面405發射至光反射表面421之光束之路徑。特定波長之光束可由待判定氣體吸收。在一些實施例中，晶粒20可在交互之後藉由感測光束判定氣體之種類及濃度。
以下附圖中描繪之光學裝置或結構在某些方面類似於圖1A之光學裝置1，且參看以下附圖不再描述一些相同編號之組件。
圖1B為根據本發明之一實施例之光學裝置2之橫截面圖。圖1B之光學裝置2之結構類似於圖1A之光學裝置1之結構。光學裝置2包括載體10、光源30、晶粒20、晶粒80、光導引結構40及反射結構42。在一些實施例中，光射出表面405包括光漫射結構。光漫射結構經組態以漫射或散射光束，使得光束可更高效地與氣體交互。藉助於實例，光漫射結構可包括光射出表面405之粗糙度表面。光射出表面405之粗糙表面可藉由模製處理，諸如化學及/或機械處理或其他適合之技術形成。
圖2為根據本發明之一實施例的展示光束路徑之光學裝置1之橫截面圖。在一些實施例中，將光束路徑說明為箭頭。光束路徑自光源30發射至晶粒20。自光源30發射之光束將藉由透鏡結構90會聚。透鏡結構90可減小光束之光能之損耗。反射層401反射且會聚來自光源30之光束。在一些實施例中，光束可在光可穿透本體44中藉由全反射透射。光束經由光射出表面405透射及傳遞通過排氣孔70。接下來，藉由反射層401反射光束且反射光束可朝向晶粒20發射。在一些實施例中，光束可藉由光反射表面421反射。
圖3說明根據本發明之一實施例的光學裝置1之俯視圖2a及2b。俯視圖2a展示彼此分離之兩個排氣孔70。光學裝置1包括用於將反射結構42連接至光導引結構40之連接結構408。在一些實施例中，整合地形成光導引結構40及反射結構42。俯視圖2b展示彼此連通之兩個排氣孔70。
圖4為根據本發明之一實施例之光學裝置3之橫截面圖。光學裝置3包括載體10、光源30、晶粒20、晶粒80、罩蓋結構50及反射結構501。載體10可包括基板，諸如半導體基板、電路板等。在一或多個實施例中，導電佈線(未展示)安置於載體10上方或包埋於其中。
晶粒20安置於載體10上方。晶粒20經組態以感測來自光源30之光束。在一或多個實施例中，晶粒20包括光學感測器晶片。在一些實施例中，晶粒20包括但不限於氣體感測晶片。在一些實施例中，可形成具有CMOS感測器、CCD感測器或其他適合之感測器以感測光之晶粒20。在一些實施例中，晶粒80包括但不限於熱電堆晶片。
光束之路徑60自光源30發射至晶粒20。藉由反射結構501反射光束。光源30可包括LED，或能夠發射光之其他適合之光源。在一些實施例中，光源30可發射紅外射線。在一些實施例中，待判定氣體經由排氣孔70流入腔室。該氣體將與自光源30發射之光束交互。特定波長之光束可由待判定氣體吸收。在一些實施例中，晶粒20可在交互之後藉由感測光束判定氣體之種類及濃度。在一些實施例中，光學裝置3之封裝高度(大小)在約3.9 mm至約4.1 mm範圍內。相比於光學裝置3，光學裝置1之封裝高度可歸因於在光導引結構40中透射之光束之全反射而減小。
圖5為根據本發明之一實施例之光學裝置4之橫截面圖。光學裝置4包括載體10、光源30、晶粒20、晶粒80、光導引結構40及罩蓋結構48。在一些實施例中，光源30及光導引結構40安置在載體10上方。載體10可包括基板，諸如半導體基板、電路板等。在一或多個實施例中，導電佈線(未展示)安置在載體10上方或包埋於載體10中。晶粒20及80安置於載體10上。晶粒20經組態以感測來自光源30之光束。在一或多個實施例中，晶粒20包括光學感測器晶片。在一些實施例中，晶粒20包括但不限於氣體感測晶片。在一些實施例中，晶粒80包括但不限於熱電堆晶片。在一些實施例中，光源30可發射紅外射線。
光導引結構40經組態以導引光束。在一些實施例中，光導引結構40包括非空氣介質或透明材料。在一些實施例中，光導引結構40包括但不限於封裝材料或玻璃。光導引結構40包括光可穿透本體44及安置於光可穿透本體44之外表面402上之反射層401。由非空氣介質形成之光導引結構40可藉由安置於光可穿透本體44之外表面402上之反射層401而導引光束。
光源30經組態以發射光束。藉由反射層401反射光束。罩蓋結構48安置在晶粒20上方。在一或多個實施例中，罩蓋結構48安置在光導引結構40上方。反射結構42自罩蓋結構48朝向晶粒20突出。
在一些實施例中，反射層401安置於罩蓋結構48之反射結構42上。朝向載體10傾斜之罩蓋結構48之突出部分可將光束反射至晶粒20且縮短光束路徑。
在一些實施例中，待判定氣體流入排氣孔70。該氣體將在氣體與光交互區域701處與自光射出表面405發射之光束交互。特定波長之光束可由待判定氣體吸收。在一些實施例中，晶粒20可在交互之後藉由感測光束判定氣體之種類及濃度。
在本發明之一些實施例中，具有光射出表面之光導引結構及用於反射光束之反射結構可用於縮短光束路徑且減小光學裝置之封裝之厚度。光射出表面包括具有光漫射器功能之光漫射(粗糙度)結構。可穿透本體及反射層形成全反射結構。由非空氣介質形成之光導引結構可藉由安置於光可穿透本體之外表面上之反射層而導引光束。朝向表面傾斜之反射結構之光反射表面可將光束反射至晶粒且縮短光束路徑。反射層反射且會聚來自光源之光束。
如本文中所使用，術語「大致」及「約」用於描述及解釋較小變化。當與事件或情形結合使用時，術語可指事件或情形明確發生之情況以及事件或情形極近似於發生之情況。舉例而言，當結合數值使用時，術語可涵蓋小於或等於彼數值之±10%的變化範圍，諸如小於或等於±5%、小於或等於±4%、小於或等於±3%、小於或等於±2%、小於或等於±1%、小於或等於±0.5%、小於或等於±0.1%、或小於或等於±0.05%。對於另一實例，若第一角與第二角之間的差小於或等±10°，諸如±5、±4°、±3°、±2°、±1°、±0.5°、±0.1°或±0.05°，則第一角可與第二角大致相同。
另外，有時在本文中按範圍格式呈現量、比率及其他數值。應理解，此類範圍格式係為便利及簡潔起見而使用，且應靈活地理解為不僅包括明確指定為範圍限制之數值，而且包括涵蓋於彼範圍內之所有個別數值或子範圍，如同明確指定每一數值及子範圍一般。
雖然已參考本發明之特定實施例描述及說明本發明，但此等描述及說明並不限制本發明。熟習此項技術者應理解，在不脫離如由所附申請專利範圍界定的本發明之真實精神及範疇的情況下，可作出各種改變且可取代等效物。說明可不必按比例繪製。歸因於製造製程及容限，本發明中之藝術再現與實際設備之間可存在區別。可存在並未特定說明的本發明之其他實施例。應將本說明書及圖式視為說明性而非限制性的。可做出修改，以使特定情形、材料、物質組成、方法或製程適應於本發明之目標、精神及範疇。所有此類修改意欲在此處附加之申請專利範圍之範疇內。儘管已參考按特定次序執行之特定操作來描述本文中所揭示之方法，但應理解，在不脫離本發明之教示的情況下，可組合、再細分，或重新定序此等操作以形成等效方法。因此，除非本文中特定地指示，否則操作之次序及分組並非本發明之限制。
1:光學裝置
2:光學裝置
2a:俯視圖
2b:俯視圖
3:光學裝置
4:光學裝置
10:載體
20:晶粒
30:光源
40:光導引結構
42:反射結構
44:光可穿透本體
48:罩蓋結構
50:罩蓋結構
60:光束路徑
70:排氣孔
80:晶粒
90:透鏡結構
101:表面
401:反射層
402:外表面
405:光射出表面
407:光接收表面
408:連接結構
421:光反射表面
501:反射結構
701:氣體與光交互區域
圖1A為根據本發明之一實施例之光學裝置之橫截面圖。
圖1B為根據本發明之一實施例之光學裝置之橫截面圖。
圖2為根據本發明之一實施例的展示光束路徑之光學裝置之橫截面圖。
圖3說明根據本發明之一實施例的光學裝置之俯視圖。
圖4為根據本發明之一實施例之光學裝置之橫截面圖。
圖5為根據本發明之一實施例之光學裝置之橫截面圖。
貫穿該等圖式及實施方式使用共同參考數字以指示相同或類似元件。本發明之實施例將自結合隨附圖式之以下實施方式更顯而易見。
1:光學裝置
10:載體
20:晶粒
30:光源
40:光導引結構
42:反射結構
44:光可穿透本體
70:排氣孔
90:透鏡結構
101:表面
401:反射層
402:外表面
405:光射出表面
407:光接收表面
421:光反射表面
701:氣體與光交互區域
Claims (20)
- 一種光學裝置，其包含：一載體，其具有一表面；一光源，其安置於該表面上且經組態以發射一光束；一晶粒，其安置於該表面上；一光導引結構，其安置於該表面上且經組態以導引該光束，該光導引結構包含面向該光源之一光接收表面，及一光射出表面；及一反射結構，其安置在該晶粒上方，該反射結構包含一光反射表面，其中該光源藉由該光導引結構與該晶粒分開。
- 如請求項1之光學裝置，其中該晶粒包含一感測晶片。
- 如請求項1之光學裝置，其中該光導引結構包含一非空氣介質。
- 如請求項3之光學裝置，其中該光導引結構及該反射結構包含相同的非空氣介質。
- 如請求項1之光學裝置，其進一步包含將該反射結構連接至該光導引結構之一連接結構。
- 如請求項5之光學裝置，其中該光導引結構、該反射結構及該連接結構共同界定一排氣孔。
- 如請求項1之光學裝置，其中該光導引結構及該載體界定一空間，且該光源位於該空間內。
- 如請求項1之光學裝置，其中該光反射表面相對於該表面傾斜。
- 如請求項1之光學裝置，其中該光導引結構包含一光可穿透本體及安置於該光可穿透本體之一外表面上之一反射層。
- 一種光學裝置，其包含：一載體，其具有一表面；一光源，其安置於該表面上，且經組態以發射一光束；一晶粒，其安置於該表面上；一光導引結構，其安置於該表面上且經組態以導引該光束，該光導引結構包含面向該光源之一光接收表面、一光射出表面及一光可穿透本體，其中該光導引結構包含一非空氣介質，該光束經由該光接收表面進入該光可穿透本體，並經由該光射出表面射出；以及一反射結構，其安置在該晶粒上方。
- 如請求項10之光學裝置，其中該光導引結構包含安置於該光可穿透本體之一外表面上之一反射層。
- 如請求項10之光學裝置，其中該光導引結構及該反射結構包含相同 的非空氣介質。
- 如請求項10之光學裝置，其進一步包含將該反射結構連接至該光導引結構之一連接結構。
- 如請求項13之光學裝置，其中該光導引結構、該反射結構及該連接結構共同界定一排氣孔。
- 如請求項13之光學裝置，其中該光導引結構、該反射結構及該連接結構共同界定彼此分離的複數個排氣孔。
- 一種光學裝置，其包含：一載體，其具有一表面；一光源，其安置於該表面上且經組態以發射一光束；一晶粒，其安置於該表面上，且經組態以感測該光束之一波長；及一光導引結構，其安置於該表面上且經組態以導引該光束，該光導引結構包含面向該光源之一光接收表面，及一光射出表面，其中該光束可穿透該光接收表面及該光射出表面。
- 如請求項16之光學裝置，其中該光導引結構包含一非空氣介質。
- 如請求項16之光學裝置，其中該光導引結構及該載體界定一空間，且該光源位於該空間內。
- 如請求項16之光學裝置，其進一步包含一反射結構，該反射結構安置在該晶粒上方以用於反射自該光導引結構至該晶粒之該光束。
- 如請求項19之光學裝置，其進一步包含用於提高反射率之安置在該反射結構之一表面上的一反射層。
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