TWM469621U

TWM469621U - 光學感測裝置

Info

Publication number: TWM469621U
Application number: TW102211746U
Authority: TW
Inventors: 廖彥瑋
Original assignee: 昇佳電子股份有限公司
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2014-01-01

Description

光學感測裝置

本創作乃是與一種光學感測裝置相關，且尤其是與提供環境光源感測與接近感測之光學感測裝置相關。

光學感測在許多自動化機械、產業機械、半導體設備、工具機等，是不可缺少的角色之一，舉例來說，環境光源感測(ambient light sensing)、接近感測(proximity sensing)等。

環境光源感測的原理是由感光元件，如：光電晶體(photo transistor)、光電二極體(photo diode)、或其他種類的感光元件等感測射入的環境光源中的可見光強度，以產生對應的電子訊號。

接近感測的原理主要是透過兩個光學元件，一個發光元件，如發光二極體(LED)及一個感光元件，以感光元件擷取與處理來自發光元件、在物體上反射回來的光訊號，以判斷近處是否存在物體，進一步甚至可讓控制器確認物體的位置或通過數量等。詳細地說，發光單元通常是應用紅外線發光二極體發射一束紅外線訊號，在偵測範圍內若有物體接近，部份紅外線訊號射至物體時，則會進行反射，此時感光元件，如：紅外線光感測器即可偵測到反射的紅外線訊號。在後端並以訊號調節、類比數位轉換及其他處理程序進行訊號處理，使得微處理器或微控制器可應用數位化訊號進行後續處理等。

隨著元件尺寸越趨微縮、對電子產品的功能需求愈趨精緻化，目前已有將環境光源感測與接近感測功能集積於一晶片的產品問世。然而，由於環境光源感測乃是針對可見光範圍的環境光源、接近感測大多是使用紅外光範圍的光源，其上所設置於感光元件之前的濾光結構所要過濾出的光波長範圍不同。如此使得此兩種濾光結構中的膜層配方、厚度、結構不同，而無法整合製程同時製作。

請參考第1圖，其顯示目前同時具有環境光源感測功能與接近感測功能的光學感測器的結構示意圖。如圖中所示，光學感測器1包括一基板11、一可見光感光元件12、一紅外光發光元件13、一紅外光感光元件14及兩濾光膜15、16。紅外光發光元件13旁設於紅外光感光元件14，使得其所發出的紅外光可在近處物體17上反射後射入紅外光感光元件14。濾光膜15、16分別設置在可見光感光元件12與紅外光感光元件14上方，濾除射入光線中部分波段的頻譜。由於可見光感光元件12乃是用以建構環境光源感測功能，其上方的濾光膜15則是用以將可見光感光元件12感測的波段之外的頻譜，理想中即可見光波段之外的頻譜，濾除。另一方面，由於紅外光感光元件14乃是用以建構接近感測功能，因此其上方的濾光膜16則是用以將紅外光感光元件14感測的波段之外的頻譜，理想中即紅外光波段之外的頻譜，濾除。

另請參考第2圖，其顯示傳統濾光膜之一結構示意圖。在此僅顯示濾光膜15，然而濾光膜16亦是類似的結構，故不再贅述。從圖中可以看出，濾光膜15是一三層結構，包括上、下兩層的銀金屬膜層151、153與形成於銀金屬層151、153中間的氮化矽膜層152。透過銀金屬膜層151、153良好的光反射特性與氮化矽膜層152的厚度h控制，可選擇性地控制特定波段頻譜的射入光在其內進行折射與反射，進而使其耗損或無法穿透。因此，由於濾光膜15、16所欲濾除的波段頻譜不同，使得其中的銀金屬層151、153與氮化矽膜層152的厚度不同，而影響製作時製程的整合性。

實際製作時，簡單地說，需要使用四道光罩才可製作出濾光膜15、16：先以第一道光罩定義濾光膜16中最底層的銀金屬層；沉積濾光膜16中的氮化矽膜層；再以第二道光罩定義濾光膜16上方的銀金屬層；然後以第三道光罩定義濾光膜15中最底層的銀金屬層151；沉積濾光膜15中的氮化矽膜層152；最後使用第四道光罩定義濾光膜15上方的銀金屬層153。如此製作程序複雜、冗長又不經濟，因此，如何在製作具有環境光源感測與接近感測兩種功能的裝置時，同時顧及光學特性、成本及製作複雜度實乃亟需研究之課題。

本創作之一目的係在提供一種光學感測裝置，其在可見光感光元件與紅外光感測元件外側分別設置一濾光多層膜，以之將欲感測波段之外的頻譜濾除，以提升感測準確性。

本創作之另一目的係在提供一種光學感測裝置，以彼此互相交疊的多層第一材料膜及多層第二材料膜建構兩個用以濾除不同波段頻譜的濾光多層膜，以減少製作時所需要的光罩數量、簡化製程複雜度。

依據本創作，提供一種光學感測裝置，包括一可見光感光元件、一第一濾光多層膜、一紅外光發光元件、一紅外光感光元件及一第二濾光多層膜。第一濾光多層膜設置於可見光感光元件外側，過濾一環境光源可見光波段外的頻譜，使得可見光感光元件感測經過濾之環境光源之光強度，而對應產生一第一電子訊號。紅外光發光元件發出紅外光波段之一光訊號。第二濾光多層膜設置於紅外光發光元件與該紅外光感光元件之間，過濾紅外光訊號，使得紅外光感光元件感測經過濾的紅外光光訊號之光強度，而對應產生一第二電子訊號。其中，第一、第二濾光多層膜皆包括多層的第一材料膜及多層的第二材料膜彼此互相交疊。

第一、第二濾光多層膜中的第一材料膜及的第二材料膜彼此互相交疊的方式在此無須限制，舉例來說，其中一例為交疊的膜層中，單數層為第一材料膜、雙數層為第二材料膜，另一例為單數層為第二材料膜、雙數層為第一材料膜，然本創作不限於此。

由上述中可以得知，本創作之光學感測裝置提出新的濾光多層膜的結構，而在維持良好濾光特性時，亦可具有較佳的製程整合效果。

1‧‧‧光學感測器

2‧‧‧光學感測裝置

11‧‧‧基板

12‧‧‧可見光感光元件

13‧‧‧紅外光發光元件

14‧‧‧紅外光感光元件

15,16‧‧‧濾光膜

17,27‧‧‧近處物體

21‧‧‧基板

22‧‧‧可見光感光元件

23‧‧‧紅外光發光元件

24‧‧‧紅外光感光元件

25‧‧‧第一濾光多層膜

26‧‧‧第二濾光多層膜

251,253,255‧‧‧第一材料膜

252,254‧‧‧第二材料膜

第1圖顯示目前同時具有環境光源感測功能與接近感測功能的光學感測器的結構示意圖。

第2圖顯示傳統濾光膜之一結構示意圖。

第3圖顯示本創作一實施例之一光學感測裝置的結構示意圖。

第4圖顯示本創作一實施例之一濾光多層膜的結構示意圖。

為進一步說明各實施例，本創作乃提供有圖式。此些圖式乃為本創作揭露內容之一部分，其主要係用以說明實施例，並可配合說明書之相關描述來解釋實施例的運作原理。配合參考這些內容，本領域具有通常知識者應能理解其他可能的實施方式以及本創作之優點。圖中的元件並未按比例繪製，而類似的元件符號通常用來表示類似的元件。

本創作提供一種光學感測裝置，其中包括以彼此互相交疊的多層第一材料膜及多層第二材料膜建構出的兩個用以濾除不同波段頻譜的濾光多層膜，此具有嶄新結構的濾光多層膜中的多層第一材料膜及多層第二材料膜可以單一光罩所定義的圖樣製作，因此可減少製作時所需要的光罩數量、簡化製程複雜度。

首先請參考第3圖，其顯示本創作一實施例之一光學感測裝置的結構示意圖。如圖中所示，光學感測裝置2包括一基板21、一可見光感光元件22、一紅外光發光元件23、一紅外光感光元件24、一第一濾光多層膜25、一第二濾光多層膜26。

可見光感光元件22可為一檢光二極體、檢光電晶體、光閘流體、感光電阻或其他類型之可見光感光元件。

第一濾光多層膜25設置於可見光感光元件22外側，用以過濾射入之一環境光源(以箭頭表示)的一預定波段的頻譜，如：理想中是可見光波段外的頻譜，使得可見光感光元件22感測經過濾之環境光源之光強度，而對應產生一第一電子訊號。此第一電子訊號可以其電流大小、電壓變化、脈衝寬度等電子特性反映感測到的光強度，並可選擇性地經一電路(圖中未示)進行訊號處理程序後，供作判斷環境光源的強度變化，以提供環境光源感測功能。

紅外光發光元件23發出紅外光波段之一光訊號。紅外光感光元件24旁設於紅外光發光元件23近處，使得紅外光訊號得以經近處物體27反射後射入。第二濾光多層膜26設置於紅外光感光元件24的外側，而介於紅外光發光元件23與紅外光感光元件24之間，用以過濾此紅外光訊號，如：紅外光感光元件24可感測波段外的頻譜、750~1050nm波段外的頻譜、或其他波段的頻譜，使得紅外光感光元件24感測經過濾的紅外光光訊號之光強度，而對應產生一第二電子訊號。與第一電子訊號類似地，此第二電子訊號亦可以其電流大小、電壓變化、脈衝寬度等電子特性反映感測到的光強度，並可選擇性地經一電路(圖中未示)進行訊號處理程序後，供作判斷反射的紅外光源的強度變化，以提供接近感測功能。

另請一併參考第4圖，其顯示本創作一實施例之一濾光多層膜的結構示意圖。在此乃是以前圖之第一濾光多層膜25為例，然而本創作的第一濾光多層膜與第二濾光多層膜並不限於此處顯示結構的層數、厚度與第一濾光多層膜與第二濾光多層膜的排列方式。如圖中所示，第一濾光多層膜25乃是由多層的第一材料膜251、253、255及多層的第二材料膜252、254彼此互相交疊而成。第一材料膜251、253、255與第二材料膜252、254乃是選自下列材料：二氧化矽(SiO₂ )、銀(Ag)、氧化鈦(Ti₃ O₅ )。

第一濾光多層膜與第二濾光多層膜中的第一材料膜251、253、255及的第二材料膜252、254彼此互相交疊的方式在此無須限制，舉例來說，其中一例為交疊的膜層中，單數層為第一材料膜251、253、255、雙數層為第二材料膜252、254，另一例為單數層為第二材料膜252、254、雙數層為第一材料膜251、253、255，然本創作不限於此。

在其他實施例中，亦可增加光多層膜與第二濾光多層膜中的材料種類，如：增加第三材料膜，與第一材料膜及第二材料膜彼此交疊。第三材料膜可選自下列材料：二氧化矽、銀及氧化鈦。假設第一材料膜為二氧化矽膜、第二材料膜為銀膜、第一材料膜為氧化鈦膜，第一、第二、第三材料膜彼此之間的交疊方式亦無限制，舉例來說，製作順序可為製作一層第一材料膜、再疊上一層第二材料膜、再疊上一層第三材料膜、並以此順序交替層疊，然而本創作並不以此為限，亦可包括其他交疊的態樣。

製作第一濾光多層膜25與第二濾光多層膜26時，僅需使用兩道光罩即可完成：先以第一道光罩定義第二濾光多層膜26的圖樣，並重複沉積、蒸鍍或濺鍍等薄膜形成技術交替形成第一材料膜、第二材料膜、第一材料膜…等，直至製作完成第二濾光多層膜26；再以第二道光罩定義第一濾光多層膜25的圖樣，並重複沉積、蒸鍍或濺鍍等薄膜形成技術交替形成第一材料膜251、第二材料膜252、第一材料膜253、第二材料膜254及第一材料膜255…等，直至製作完成第一濾光多層膜25。因此，第一濾光多層膜25內的第一材料膜251、253、255及第二材料膜252、254的各層圖樣皆是相同圖樣，而第二濾光多層膜26亦是如此。

需注意的是，第一材料膜251、253、255與第二材料膜252、254的各層厚度h₁ ~h₅ 與第一濾光多層膜25的總厚度h_t 並無限定，乃是依據其所欲濾除的波段頻譜設計出適合的厚度。依據第1圖的例子，由於第一濾光多層膜25是供作濾除可見光波段外的頻譜，而第二濾光多層膜26是供作濾除紅外光波段外的頻譜，使得第一濾光多層膜25與第二濾光多層膜的總厚度不同及/或第一濾光多層膜25內的第一材料膜251、253、255及第二材料膜 252、254的膜層數量、厚度與第二濾光多層膜內的第一材料膜及第二材料膜的膜層數量、厚度不同。透過第一濾光多層膜與第二濾光多層膜，在進行環境光源感測或接近感測之前，可先行將欲感測波段之外的頻譜濾除，以提升感測準確性。

是故，從上述中可以得知，本創作之光學感測裝置提出新的濾光多層膜的結構，而在維持良好濾光特性時，亦可具有較佳的製程整合效果。

以上敍述依據本創作多個不同實施例，其中各項特徵可以單一或不同結合方式實施。因此，本創作實施方式之揭露為闡明本創作原則之具體實施例，應不拘限本創作於所揭示的實施例。進一步言之，先前敍述及其附圖僅為本創作示範之用，並不受其限囿。其他元件之變化或組合皆可能，且不悖于本創作之精神與範圍。

25‧‧‧第一濾光多層膜

251,253,255‧‧‧第一材料膜

252,254‧‧‧第二材料膜

Claims

一種光學感測裝置，包括：一可見光感光元件；一第一濾光多層膜，設置於該可見光感光元件外側，過濾一環境光源可見光波段外的頻譜，使得該可見光感光元件感測經過濾之環境光源之光強度，而對應產生一第一電子訊號；一紅外光發光元件，發出紅外光波段之一光訊號；及一第二濾光多層膜，設置於該紅外光發光元件與一紅外光感光元件之間，過濾該紅外光訊號，使得該紅外光感光元件感測該經過濾的紅外光光訊號之光強度，而對應產生一第二電子訊號；其中，該第一、第二濾光多層膜皆包括多層的第一材料膜及多層的第二材料膜彼此互相交疊。
如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該第一濾光多層膜與該第二濾光多層膜的總膜厚不同。
如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該些第一材料膜與該些第二材料膜乃是選自下列材料：二氧化矽、銀及氧化鈦。
如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該第一、第二濾光多層膜皆更包括多層的第三材料膜與該些第一、第二材料膜彼此互相交疊。
如申請專利範圍第4項所述之光學感測裝置，其中該些第三材料膜乃是選自下列材料：二氧化矽、銀及氧化鈦。
如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該第一濾光多層膜內的該多層第一材料膜及該多層第二材料膜的膜層數量、厚度與該第二濾光多層膜內的該多層第一材料膜及該多層第二材料膜的膜層數量、厚度不同。
如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該第一濾光多層膜與該第二濾光多層膜內的該多層第一材料膜及該多層第二材料膜的各層圖樣皆是相同圖樣。
如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其更包括一後端電路接收該第二電子訊號，對該第二電子訊號進行一訊號處理程序。
如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該第二濾光多層膜濾除該紅外光訊號中750~1050nm波段外的頻譜。