TWI814371B - 光學傳感器 - Google Patents
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Abstract
一種光學傳感器，包括基板、蓋體、光發射器以及測量光電檢測器。基板具有表面以及凹槽。蓋體伸入凹槽以與基板連接並與上述基板形成內部空間。蓋體具有突起部、第一透光部以及第二透光部，突起部朝基板延伸，並透過黏著層與表面接合，且將內部空間區分為第一腔室與第二腔室。光發射器設置於表面並位於第一腔室。測量光電檢測器設置於表面並位於第二腔室。
Description
本申請有關於一種光學傳感器，尤指一種用於飛時測距(Time of Flight,TOF)的光學傳感器。
光學三維量測技術可以分為被動及主動量測兩種方式，被動量測可為雙目立體測量(stereo matching)，而主動量測可為飛時測距。飛時測距是一種三維主動式光學測距的技術。其測量原理是以儀器向待測物體主動發出光，並於接收由待測物體反射回來的反射光後，計算發射出光與接受到反射光後的相位差或時間差，並由相位差或時間差估算光源的全部運動時間，得到儀器與待測物體的距離或深度資訊。然而，使用飛行時間測距的光學傳感器，必須注意到產品元件間結合的穩定度。
有鑑於此，在本申請一實施例中，提供一種光學傳感器，透過蓋體與基板間結構的搭配，能夠提高元件的穩定性。
本申請一實施例揭露一種光學傳感器，包括基板、蓋體、光發射器以及測量光電檢測器。基板具有一表面以及一第一凹槽；蓋體伸入上述第一凹槽以與上述基板連接並與上述基板形成內部空間，上述蓋體具有一突起部、一第一透光部以及一第二透光部，其中上述突起部朝上述基板延伸，並透過一第一黏著層與上述表面接合，且將上述內部空間區分為第一腔室與第二腔室；
光發射器設置於上述表面並位於上述第一腔室；以及測量光電檢測器設置於上述表面並位於上述第二腔室。
根據本申請一實施例，上述第一透光部對應於上述光發射器，上述第二透光部對應於上述測量光電檢測器。
根據本申請一實施例，上述蓋體包括一頂蓋以及由上述頂蓋周圍朝上述基板延伸並與上述基板連接的多個側壁，其中上述多個側壁包括一第一側壁，上述第一側壁伸入上述第一凹槽，並透過一第二黏著層以與上述基板連接，上述突起部從上述頂蓋朝上述基板延伸。
根據本申請一實施例，上述第一側壁具有朝向上述第一凹槽的一第一底面，上述第一側壁還包括一第一延伸部，上述第一延伸部由上述第一底面朝上述基板延伸。
根據本申請一實施例，上述基板還包括一第二凹槽，上述多個側壁包括一第二側壁，上述第二側壁伸入上述第二凹槽，並透過一第三黏著層以與上述基板連接。
根據本申請一實施例，上述第二側壁具有朝向上述第二凹槽的一第二底面，上述第二側壁還包括一第二延伸部，上述第二延伸部由上述第二底面朝上述基板延伸。
根據本申請一實施例，上述第一延伸部的底面位於上述第一凹槽的底部與上述第一底面之間，上述第二延伸部的底面位於上述第二凹槽的底部與上述第二底面之間。
根據本申請一實施例，上述光發射器根據一控制電路所提供的一控制信號發出一檢測光束，上述檢測光束通過上述第一透光部，經一待測目標反射後，通過上述第二透光部傳送至上述測量光電檢測器，上述測量光電檢測器根據上述檢測光束產生一測量信號，上述控制電路根據上述測量信號取得一飛行時間。
根據本申請一實施例，光學傳感器還包括一參考光電檢測器以及一控制電路，上述參考光電檢測器設置於上述第一腔室，上述光發射器根據一控制信號發出一檢測光束，上述檢測光束通過上述第一透光部，經一待測目標反射後，通過上述第二透光部傳送至上述測量光電檢測器，上述控制電路用以提供上述控制信號，上述參考光電檢測器根據上述檢測光束產生一參考信號，上述測量光電檢測器根據上述檢測光束產生一測量信號，上述控制電路根據上述參考信號以及上述測量信號取得一飛行時間。
根據本申請一實施例，光學傳感器還包括一第一光濾波片以及一第二光濾波片，分別設置於上述第一透光部以及上述第二透光部。
根據本申請實施例所提供的光學傳感器，透過在側壁增設延伸部，可以增加側壁與黏著層的接觸面，使得黏著層提供更高的黏著力，進而提高蓋體與基板間的穩定度。再者，由於黏著層能夠提供更高的黏著力，因此可減小側壁的厚度，有助於減小光學傳感器的體積，並提高了產品的良率以及產量。
10:光學傳感器
12:基板
13:表面
14:蓋體
15A:第一凹槽
15B:第二凹槽
16:光發射器
17:測量光電檢測器
18:參考光電檢測器
20:突起部
22A:第一透光部
22B:第二透光部
24A:第一光濾波片
24B:第二光濾波片
25:頂蓋
26A、26B:側壁
261A:第一底面
261B:第二底面
262A、262B:延伸部
28A:第一腔室
28B:第二腔室
29A、29B、29C:黏著層
d:距離
C:光速
t1:第一時間
t2:第二時間
圖1顯示根據本申請一實施例所述的光學傳感器的示意圖。
圖2顯示根據本申請一實施例所述的基板的側視剖面圖。
圖3顯示根據本申請一實施例所述的蓋體的側視剖面圖。
圖4A-圖4G顯示根據本申請一實施例所述的光學傳感器的製造方法的剖面示意圖。
為了便於本領域普通技術人員理解和實施本申請，下面結合附圖與實施例對本申請進一步的詳細描述，應當理解，本申請提供許多可供應用的發明概念，其可以多種特定型式實施。熟悉此技藝之人士可利用這些實施例或
其他實施例所描述之細節及其他可以利用的結構，邏輯和電性變化，在沒有離開本申請之精神與範圍之下以實施發明。
本申請說明書提供不同的實施例來說明本申請不同實施方式的技術特徵。其中，實施例中的各元件之配置係為說明之用，並非用以限制本申請。且實施例中圖式標號之部分重複，係為了簡化說明，並非意指不同實施例之間的關聯性。其中，圖示和說明書中使用之相同的元件編號係表示相同或類似之元件。本說明書之圖示為簡化之形式且並未以精確比例繪製。為清楚和方便說明起見，方向性用語(例如頂、底、上、下以及對角)係針對伴隨之圖示說明。而以下說明所使用之方向性用語在沒有明確使用在以下所附之申請專利範圍時，並非用來限制本申請之範圍。
再者，在說明本申請一些實施例中，說明書以特定步驟順序說明本申請之方法以及(或)程序。然而，由於方法以及程序並未必然根據所述之特定步驟順序實施，因此並未受限於所述之特定步驟順序。熟習此項技藝者可知其他順序也為可能之實施方式。因此，於說明書所述之特定步驟順序並未用來限定申請專利範圍。再者，本申請針對方法以及(或)程序之申請專利範圍並未受限於其撰寫之執行步驟順序，且熟習此項技藝者可瞭解調整執行步驟順序並未跳脫本申請之精神以及範圍。
圖1顯示根據本申請一實施例所述的光學傳感器的示意圖。為了方便說明，圖1顯示光學傳感器的側視剖面圖。如圖1所示，光學傳感器10包括基板12、蓋體14、光發射器16、測量光電檢測器17以及參考光電檢測器18。圖2顯示根據本申請一實施例所述的基板12的側視剖面圖。如圖1-2所示，基板12具有表面13、第一凹槽15A以及第二凹槽15B。第一凹槽15A以及第二凹槽15B位於基板12的周圍，用以容納蓋體14，在圖1-2所示的剖面圖中，第一凹槽15A以及第二凹槽15B位於基板12的兩側。第一凹槽15A以及第二凹槽15B可透過雷射切割基板12而形成。根據本申請一實施例，第一凹槽15A以及第二凹槽15B的深度約為基板12的厚度的一半。基板12可用不同的材料製作，如塑料材料、環氧材料、
複合材料、FR-4材料或陶瓷材料製作。基板12上具有預先設計的內連線結構，並具有接合墊以耦接相關電子元件，相關電子元件可包括用來實施光信號發射或接收功能所必要的電路元件以及控制電路，此為本領域技術人員所熟知，在此不予贅述以精簡說明。
圖3顯示根據本申請一實施例所述的蓋體14的側視剖面圖。如圖1與圖3所示，蓋體14與基板12連接並與基板12形成內部空間。根據本申請一實施例，蓋體14的材質可為不透明的塑膠高分子材料。蓋體14包括頂蓋25以及由頂蓋25周圍朝基板12延伸並與基板12的第一凹槽15A以及第二凹槽15B連接的側壁26A、26B。側壁26A具有朝向第一凹槽15A的第一底面261A以及延伸部262A，延伸部262A由第一底面261A朝基板12延伸。同樣的，側壁26B具有朝向第二凹槽15B的第二底面261B以及延伸部262B，延伸部262B由第二底面261B朝基板12延伸。
蓋體14還包括突起部20、第一透光部22A以及第二透光部22B。突起部20位於頂蓋25朝向基板12的表面，並朝向基板12延伸。根據本申請實施例，突起部20可為獨立的元件或是與頂蓋25一體成型。透過突起部20可將蓋體14與基板12所形成的內部空間區分為第一腔室28A與第二腔室28B。參閱圖1，當蓋體14與基板12結合時，側壁26A伸入第一凹槽15A，並透過黏著層29A以與基板12連接，此時延伸部262A的底面位於第一凹槽15A的底部與第一底面261A之間，而側壁26B伸入第二凹槽15B，並透過黏著層29B以與基板12連接，此時延伸部262B的底面位於第二凹槽15B的底部與第二底面261B之間。根據本申請一實施例，透過在側壁26A增設延伸部262A，可以增加側壁26A與黏著層29A的接觸面，使得黏著層29A提供更高的黏著力，進而提高蓋體14與基板12間的穩定度。
光發射器16設置於基板12的表面13並位於第一腔室28A。根據本申請一實施例，光發射器16可包括單個或多個垂直腔面發射雷射二極體(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode，以下簡稱VCSEL)，或稱面射型雷射二極體，多個VCSEL構成陣列，並由驅動晶片驅動而發射光訊號。在其他實施例中，亦
可使用其他可作為光源的元件，例如發光二極體、邊射型雷射二極體(Edge Emitting Laser Diode，EELD)或分散式反饋雷射器(Distributed Feedback Laser，DFB)。根據本申請一實施例，光發射器16用以發射紅外線波段的光束，在其他實施例中，光發射器16也可發射可見光、紫外線等其他波段的光束。
根據本申請一實施例，光學傳感器10還包括測量光電檢測器17以及參考光電檢測器18。測量光電檢測器17設置於基板12的表面13並位於第二腔室28B，參考光電檢測器18設置於基板12的表面13並位於第一腔室28A。測量光電檢測器17以及參考光電檢測器18的種類可包括PN型光電二極體、PIN型光電二極體和雪崩式光電二極體等。另外，第一光濾波片24A以及第二光濾波片24B，分別設置於第一透光部22A以及第二透光部22B。由於第一透光部22A的位置對應於光發射器16，第二透光部22B的位置對應於測量光電檢測器17，光發射器16根據控制電路(圖未顯示)所發出的控制信號發射一檢測光束，檢測光束通過第一透光部22A的第一光濾波片24A，經一待測目標反射後，通過第二透光部22B的第二光濾波片24B傳送至測量光電檢測器17。第一光濾波片24A以及第二光濾波片24B的設計是用來濾除光發射器16所發射頻段以外的光線，使得測量光電檢測器17能夠更精確的分析接收到的光線。根據本申請另一實施例，也可使用透鏡取代光濾波片以控制光線的方向，或者使用透鏡結合光濾波片以達到更好的光路與光傳輸質量。
根據本申請一實施例，光學傳感器10的基板12與蓋體14可透過黏著層29A、29B接合，而突起部20也透過黏著層29C與基板12接合。同樣的，光發射器16、測量光電檢測器17、以及參考光電檢測器18也可透過黏著層固定於基板12上。黏著層可包括聚醯亞胺(Polyimide，PI)、聚乙烯對苯二甲酸酯(Polyethylene Terephthalate，PET)、鐵氟龍(Teflon)、液晶高分子(Liquid Crystal Polymer，LCP)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)、尼龍(Nylon or Polyamides)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)、ABS塑膠
(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)、酚樹脂(Phenolic Resins)、環氧樹脂(Epoxy)、聚酯(Polyester)、矽膠(Silicone)、聚氨基甲酸乙酯(Polyurethane，PU)、聚醯胺-醯亞胺(polyamide-imide，PAI)或其組合，但不限於此，只要具有黏著特性的材料皆可應用於本申請。
圖4A-圖4G顯示根據本申請一實施例所述的光學傳感器的製造方法的剖面示意圖。首先，參閱圖4A，提供基板12，基板12具有表面13、第一凹槽15A以及第二凹槽15B。第一凹槽15A以及第二凹槽15B位於基板12的兩側。第一凹槽15A以及第二凹槽15B可透過雷射切割基板12而形成。根據本申請一實施例，第一凹槽15A以及第二凹槽15B的深度約為基板12的厚度的一半。基板12可用不同的材料製作，如塑料材料、環氧材料、複合材料、FR-4材料或陶瓷材料製作。基板12上具有預先設計的內連線結構，並具有接合墊以耦接相關電子元件，相關電子元件可包括用來實施光信號發射或接收功能所必要的電路元件以及控制電路，此為本領域技術人員所熟知，在此不予贅述以精簡說明。
接下來，參閱圖4B，將光發射器16、測量光電檢測器17以及參考光電檢測器18設置於基板12上。根據本申請一實施例，可透過黏著層將元件貼在基板12上，並執行打線接合(Wire Bonding)、卷帶自動接合(Tape Automated Bonding，TAB)、覆晶接合(Flip Chip，FC)等電性連接程序。根據本申請一實施例，光發射器16可包括單個或多個垂直腔面發射雷射二極體(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode，以下簡稱VCSEL)，或稱面射型雷射二極體，多個VCSEL構成陣列，並由驅動晶片驅動而發射光訊號。在其他實施例中，亦可使用其他可作為光源的元件，例如發光二極體、邊射型雷射二極體(Edge Emitting Laser Diode，EELD)或分散式反饋雷射器(Distributed Feedback Laser，DFB)。根據本申請一實施例，光發射器16用以發射紅外線波段的光束，在其他實施例中，光發射器16也可發射可見光、紫外線等其他波段的光束。根據本申請一實施例，測量光電檢測器17以及參考光電檢測器18的種類可包括PN型光電二極體、PIN型光電二極體和雪崩式光電二極體等。
接下來，參閱圖4C，分別在基板12的第一凹槽15A與第二凹槽15B以及表面13形成黏著層29A、29B、29C。黏著層可包括聚醯亞胺(Polyimide，PI)、聚乙烯對苯二甲酸酯(Polyethylene Terephthalate，PET)、鐵氟龍(Teflon)、液晶高分子(Liquid Crystal Polymer，LCP)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)、尼龍(Nylon or Polyamides)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)、ABS塑膠(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)、酚樹脂(Phenolic Resins)、環氧樹脂(Epoxy)、聚酯(Polyester)、矽膠(Silicone)、聚氨基甲酸乙酯(Polyurethane，PU)、聚醯胺-醯亞胺(polyamide-imide，PAI)或其組合，但不限於此，只要具有黏著特性的材料皆可應用於本申請。
接下來，參閱圖4D，提供蓋體14，並在蓋體14上設置第一光濾波片24A以及第二光濾波片24B。第一光濾波片24A以及第二光濾波片24B，分別透過黏著層設置於第一透光部22A以及第二透光部22B。根據本申請一實施例，蓋體14的材質可為不透明的塑膠高分子材料。蓋體14包括頂蓋25以及由頂蓋25周圍朝基板12延伸以與基板12的第一凹槽15A以及第二凹槽15B連接的側壁26A、26B。側壁26A具有朝向第一凹槽15A的第一底面261A以及延伸部262A，延伸部262A由第一底面261A朝基板12延伸。同樣的，側壁26B具有朝向第二凹槽15B的第二底面261B以及延伸部262B，延伸部262B由第二底面261B朝基板12延伸。蓋體14還包括突起部20。突起部20位於頂蓋25朝向基板12的表面，並朝向基板12延伸。根據本申請實施例，突起部20可為獨立的元件或是與頂蓋25一體成型。
接下來，參閱圖4E，對蓋體14以及第一光濾波片24A與第二光濾波片24B進行烘烤以使得第一光濾波片24A以及第二光濾波片24B與蓋體14之間的黏著層固化以將第一光濾波片24A與第二光濾波片24B固定於蓋體14上。根據本申請實施例，烘烤的溫度可根據第一光濾波片24A、第二光濾波片24B、蓋體14與黏著層的材質而控制在100℃-170℃之間。
接下來，參閱圖4F，將蓋體14與基板12連接並與基板12形成內部空間。蓋體14的突起部20可透過黏著層29C與基板12的表面13接合。透過突起部20，可將蓋體14與基板12所形成的內部空間區分為第一腔室28A與第二腔室28B。結合蓋體14與基板12後，側壁26A伸入第一凹槽15A，並透過黏著層29A以與基板12連接，此時延伸部262A的底面位於第一凹槽15A的底部與第一底面261A之間，而側壁26B伸入第二凹槽15B，並透過黏著層29B以與基板12連接，此時延伸部262B的底面位於第二凹槽15B的底部與第二底面261B之間。根據本申請其他實施例，蓋體14的突起部20可距離基板12的表面13一實體距離，使得第一腔室28A與第二腔室28B連通。由於突起部20未與基板12的表面13實體接觸，免除了突起部20與基板12連接的製程，不僅簡化了製程，還節省了黏著層的成本，甚至避免了傳統因擠壓突起部20與基板12之間的黏著層而造成溢膠的問題，提高了產品的良率以及產量。最後，參閱圖4G，對結合後的蓋體14與基板12進行烘烤以使得蓋體14與基板12之間的黏著層固化。根據本申請實施例，烘烤的溫度可根據蓋體14與基板12的材質而控制在100℃-170℃之間。
根據本申請一實施例，參閱圖1，當光學傳感器執行距離測量時，位於第一腔室28A的光發射器16根據控制電路(圖未顯示)所發出的控制信號發射一檢測光束，同時，參考光電檢測器18偵測到檢測光束並在第一時間t1產生一參考信號，而光發射器16所發出的檢測光束通過第一透光部22A的第一光濾波片24A發射到光學傳感器外部，經一待測目標(圖未顯示)反射後，通過第二透光部22B的第二光濾波片24B傳送至光學傳感器的第二腔室28B，此時測量光電檢測器17偵測到經待測目標反射的檢測光束並在第二時間t2產生一測量信號。上述參考信號以及測量信號傳送至控制電路，由於參考信號以及測量信號分別是在第一時間t1以及第二時間t2產生，控制電路根據參考信號以及測量信號即可取得檢測光束的飛行時間(t2-t1)。而光學傳感器與待測目標之間的距離d可由光速C與飛行時間(t2-t1)乘積的1/2而得(d=C*(t2-t1)/2)。
根據本申請實施例所述使用光學傳感器的距離測量系統可應用於多種設備，包括：智能手機、便攜式計算機，計算機手錶、平板電腦、遊戲裝置、電視、個人計算機、內部通信系統、家庭自動化系統、汽車安全系統、3D成像系統、手勢控制系統、觸控感測器、指紋感測器、診斷系統、交互式顯示器、3D感測系統、家用電器、掃地機器人、顯示裝置、虹膜識別系統等。
根據本申請實施例所提供的光學傳感器，透過在側壁增設延伸部，可以增加側壁與黏著層的接觸面，使得黏著層提供更高的黏著力，進而提高蓋體與基板間的穩定度。再者，由於黏著層能夠提供更高的黏著力，因此可減小側壁的厚度，有助於減小光學傳感器的體積，並提高了產品的良率以及產量。
綜上所述，本申請符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上該者僅為本申請之較佳實施方式，本申請之範圍並不以上述實施方式為限，舉凡熟悉本案技藝之人士爰依本申請之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10:光學傳感器
12:基板
13:表面
14:蓋體
16:光發射器
17:測量光電檢測器
18:參考光電檢測器
20:突起部
22A:第一透光部
22B:第二透光部
24A:第一光濾波片
24B:第二光濾波片
25:頂蓋
26A、26B:側壁
261A:第一底面
261B:第二底面
262A、262B:延伸部
28A:第一腔室
28B:第二腔室
29A、29B、29C:黏著層
Claims (8)
- 一種光學傳感器，包括：一基板，具有一表面以及一第一凹槽；一蓋體，伸入上述第一凹槽以與上述基板連接並與上述基板形成內部空間，上述蓋體具有一突起部、一第一透光部以及一第二透光部，其中上述突起部朝上述基板延伸，並透過一第一黏著層與上述表面接合，且將上述內部空間區分為第一腔室與第二腔室；上述蓋體更包括一頂蓋以及由上述頂蓋周圍朝上述基板延伸並與上述基板連接的多個側壁，上述多個側壁包括一第一側壁，上述第一側壁伸入上述第一凹槽，並透過一第二黏著層以與上述基板連接，上述突起部從上述頂蓋朝上述基板延伸，上述第一側壁具有朝向上述第一凹槽的一第一底面，上述第一側壁還包括一第一延伸部，上述第一延伸部由上述第一底面朝上述基板延伸；一光發射器，設置於上述表面並位於上述第一腔室；以及一測量光電檢測器，設置於上述表面並位於上述第二腔室。
- 如請求項1所述的光學傳感器，其中上述第一透光部對應於上述光發射器，上述第二透光部對應於上述測量光電檢測器。
- 如請求項1所述的光學傳感器，其中上述基板還包括一第二凹槽，上述多個側壁包括一第二側壁，上述第二側壁伸入上述第二凹槽，並透過一第三黏著層以與上述基板連接。
- 如請求項3所述的光學傳感器，其中上述第二側壁具有朝向上述第二凹槽的一第二底面，上述第二側壁還包括一第二延伸部，上述第二延伸部由上述第二底面朝上述基板延伸。
- 如請求項4所述的光學傳感器，其中上述第一延伸部的底面位於上述第一凹槽的底部與上述第一底面之間，上述第二延伸部的底面位於上述第二凹槽的底部與上述第二底面之間。
- 如請求項1所述的光學傳感器，其中上述光發射器根據一控制電路所提供的一控制信號發出一檢測光束，上述檢測光束通過上述第一透光部，經一待測目標反射後，通過上述第二透光部傳送至上述測量光電檢測器，上述測量光電檢測器根據上述檢測光束產生一測量信號，上述控制電路根據上述測量信號取得一飛行時間。
- 如請求項1所述的光學傳感器，更包括一參考光電檢測器以及一控制電路，其中上述參考光電檢測器設置於上述第一腔室，上述光發射器根據一控制信號發出一檢測光束，上述檢測光束通過上述第一透光部，經一待測目標反射後，通過上述第二透光部傳送至上述測量光電檢測器，上述控制電路用以提供上述控制信號，上述參考光電檢測器根據上述檢測光束產生一參考信號，上述測量光電檢測器根據上述檢測光束產生一測量信號，上述控制電路根據上述參考信號以及上述測量信號取得一飛行時間。
- 如請求項1所述的光學傳感器，更包括一第一光濾波片以及一第二光濾波片，分別設置於上述第一透光部以及上述第二透光部。
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