CN109655806A - 传感器设备 - Google Patents

Abstract

一种传感器器件(100)，包括发射器设备(106)，该发射器设备(106)布置为发射电磁辐射，并且具有与其相关联的发射区域。传感器设备(100)还包括：检测器设备(108)，该检测器设备(108)配置为接收电磁辐射，并且具有与其相关联的检测区域；以及光学系统(122)。将发射区域与检测区域以预定距离间隔开。光学系统(122)限定多个主射线，多个主射线中的数个主射线贯穿检测区域。该多个主射线中的数个主射线也贯穿发射区域。

Description

传感器设备

发明领域

本发明涉及例如包括用于发射电磁辐射的发射器设备以及用于接收由目标反射的电磁辐射的一部分的检测器设备的这类的传感器设备。

背景技术

在所谓的飞行时间感测系统和其他系统(例如夜视系统)中，已知采用照明源以便对在照明源的视场内的周围环境(有时被称为“场景”)进行照明。国际专利公开第WO 2017/068199号描述了依靠将离散的激光光斑投影至感兴趣的场景上的方法。这样的照明技术需要使用大的且专用的投影光学器件，用于实现适当的光束成形，这限制了这样的系统的微型化以及因此集成到例如大批量生产的商用车辆中。并且，期望减少与实现这样的传感器系统相关联的材料的花费。此外，由于机械约束，需要将发射激光的设备与检测反射光的设备足够远地物理分离。在这个方面，发射器和检测器的中心之间的最小分离距离通常是它们的相应透镜组件的半径之和。

美国专利公开第US 2016/0025855号和美国专利第4,460,259号公开了飞行时间解决方法，其中，光发射器和检测器是分离的。US 4,460,259通过发射器和检测器两者共享相同的光学器件来减轻上述机械约束。然而，由于这样的光学器件的设计的通常的相互性质，来自反射目标的反射信号主要聚焦回到发射器上且不聚焦在检测器上。通过有意地使透镜散焦或利用透镜组件的不完美的性质，可以将一部分反射光入射到检测器上，但是入射到检测器上的反射光的数量仅是反射目标所反射的全部光中的一小部分，并且从而限制了US 4,460,259中描述的传感器的效率。而且，将高灵敏度的检测器和高功率的发射器或发射器驱动器集成在相同的半导体衬底上造成关于电、光和热噪声耦合的重大挑战，这样的噪声成分是高度不期望的。

US 2016/0025855公开了两个光束成形透镜、发射信道透镜、以及检测信道透镜，这提供了集成在集成电路(IC)封装内的充分地小的和简单的发射和检测表面(例如为10μm到1mm的数量级)，所提供的每像素的角度分辨率具有最多几度的数量级，且检测范围具有10m的数量级。然而，当检测器或者发射器包括多个元件(例如数百个元件或更多)时，则每像素的角度分辨率需要优于例如1°，或者接收孔需要足够大以便检测来自目标的在例如大于约10米的距离处的反射，并且这增加了收集和聚焦光所需的光学器件的复杂度和尺寸。因此，对于采用了如上所述的大量元件的传感器的实施方式，所描述的集成方法是不可行的。

发射器透镜与接收透镜之间的物理距离还引起视差，这限制了(尤其是在近距离处的)已知传感器的操作距离范围。为了减轻该问题，已知采用投影光学器件，旋转机械镜或微机电系统(MEMS)镜可以用于扫描跨场景的激光光斑，但是这样的系统需要非常复杂的电子器件以用于控制激光光束的角度。可替代地，无聚焦透镜的照明(所谓的“闪光”方法)是另一种已知照明技术，但是对于其他已知照明技术的相同的平均发射功率，其遭受极大地降低的SNR(少于超过10倍)。可替代的照明技术包括激光源的阵列，例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列，其中每个发射器耦合至微型透镜。然而，由于每个微型透镜的有限的尺寸，这样的方法不满足依靠结构化光图案投影的飞行时间照明系统的充分光束准直要求。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种传感器设备，包括：发射器设备，该发射器设备布置为发射电磁辐射并具有与其相关的发射区域；检测器设备，该检测器设备布置为接收电磁辐射并具有与其相关联的检测区域；光学系统；其特征在于：发射区域与检测区域以预定距离间隔开；光学系统限定多个主射线，多个主射线中的数个主射线贯穿检测区域；以及多个主射线中的数个主射线也贯穿发射区域。

可以在检测器设备与光学系统之间设置发射器设备。

可以在发射器设备与光学系统之间设置检测器设备。

相对于光学系统，发射器设备可以具有与检测器设备共同的主射线。

可以选择预定距离以便使得发射器设备对检测区域的遮蔽最小化。

可以选择预定距离以便使得发射区域可以遮蔽被引导朝向检测区域的小于基本上5％的光。

发射器设备可以是电磁辐射的点发射器。

设备可以进一步包括：用于提供电力的、至发射器设备的电耦合件；该电耦合件可以布置为提供热负载，由此在使用时减少发射器设备与在其中设置发射器设备的环境之间的热阻。

可以将发射器设备设置为与检测器设备毗邻。

设备可以进一步包括：半导体衬底，该半导体衬底包括被布置在其上的或至少部分地在其中的检测器设备；以及驱动器电路；其中，发射器设备可以可操作地耦合至驱动器电路；半导体衬底可以包括被布置在其上或至少部分地在其中的驱动器电路。

可以在半导体衬底与发射器设备之间设置检测器设备。

设备可以进一步包括：半导体衬底，该半导体衬底包括被布置在其上的或至少部分地在其中的发射器设备；以及驱动器电路；其中，发射器设备可以可操作地耦合至驱动器电路；半导体衬底可以包括被布置在其上或至少部分地在其中的发射器电路。

可以在半导体衬底与检测器设备之间设置发射器设备。

设备可以进一步包括：支撑衬底，该衬底被提供为与检测器设备相对；该支撑衬底可以具有朝内面向内的表面以及面向外的表面。面向内的表面可以与检测器设备处于间隔关系，并且面向外的表面可以承载发射器设备。

支撑衬底可以是细长的。面向外的表面可以是基本平面的。支撑衬底可以是桥接结构。

支撑衬底可以是透光的和/或波长可选的。

可以由玻璃或镀膜玻璃或塑料或镀膜塑料材料来形成支撑衬底。

设备可以进一步包括毗邻于发射器且光学耦合至发射器的光学元件。

光学元件可以是耦合至发射器设备的透镜。

设备可以进一步包括：包括发射器设备的发射器设备的阵列。

设备可以进一步包括：包括检测器设备的检测器设备的阵列。

根据本发明的第二方面，提供了飞行时间测量系统，该飞行时间测量系统包括与本发明的第一方面有关的如以上所阐述的传感器设备。

根据本发明的第三方面，提供了夜视系统，该夜视系统包括与本发明的第一方面有关的如以上所阐述的传感器设备。

根据本发明的第四方面，提供了激光雷达系统，该激光雷达系统包括与本发明的第一方面有关的如以上所阐述的传感器设备。

因此有可能提供采用了共享光学器件的传感器设备。检测器设备和发射器设备对共享的光学器件的使用使得能够采用较大的光学部件，由此有助于检测信号的改善的信噪比。就此而言，传感器设备准许传感器设备的检测器设备接收反射光的增加的量。也改善传感器设备的角度分辨率。传感器设备也不需要复杂的控制电子器件来控制(多个)发射器设备，并且可以实现所需的光束准直。此外，制造传感器设备是经济的。另外，由于例如发射器设备与检测器设备之间的间隔以及透镜聚焦的影响，传感器设备不再需要发射器设备的发射器表面的表面积比检测器设备的检测器表面小。

附图说明

现在，参考附图，将仅通过示例的方式来描述本发明的至少一个实施例，在附图中：

图1是构成本发明的实施例的传感器设备的平面图；

图2是图1的传感器设备的侧视图；

图3是构成本发明的实施例的图1和图2的传感器设备的示意图；

图4至图6是图3的传感器设备的制造阶段的示意图；

图7是构成本发明的另一个实施例的图1和图2的传感器设备的示意图；

图8是构成本发明的进一步的实施例的图1和图2的传感器设备的示意图；以及

图9是构成本发明的又另一个实施例的图1和图2的传感器设备的示意图。

具体实施方式

贯穿以下描述，将使用相同的附图标记来标识相似部分。

飞行时间测量系统和其他系统(例如夜视系统)包括多个传感器设备中的一个传感器设备，例如光学传感器设备。参考图1，在该示例中，传感器设备100包括用于发射电磁辐射(例如光)的多个发射器设备102(例如发射器设备的阵列)以及用于检测电磁辐射(例如光)的多个检测器设备104(例如检测器设备的阵列)。多个发射器设备102分别具有发射器区域，光从该发射器区域发射，并且多个发射器设备102分别驻留在第一表面上。多个检测器设备104分别具有检测器区域，要被检测的光传播通过该检测器区域，并且多个检测器设备104分别驻留在第二表面内。

将多个发射器设备102布置为阵列，并且类似地将多个检测器设备104布置为阵列。然而，应当理解到，其他实施例(包括本文中所描述的实施例)可以基于不同数量的发射器设备和/或不同数量的检测器设备。例如，传感器设备可以包括一个发射器设备和一个检测器设备，或一个发射器设备和多个检测器设备。可替代地，可以采用与单个检测器设备组合的多个发射器设备。如可以看出的，一个种类的设备的数量可以被提供为比其他种类的设备多。

参考回图1，在该示例中，将每个发射器设备106与每个检测器设备108对准(例如对齐(in registry with))并且构成类点源发射器。每个发射器设备106被设置为与每个检测器设备108毗邻，或被设置为与每个检测器设备108相对，每个检测器设备与每个发射器设备处于间隔关系。为了驱动每个发射器设备106，每个发射器元件106包括连接至其的相应的第一电连接110以及连接至其的第二电连接112。在一些实施例中，相应的第一电连接110和/或相应的第二电连接可以额外地充当热负载，由此降低发射器设备108与在其中设置发射器的环境之间的热阻。技术人员也应当理解到，在一些实施例中取决于传感器设备100中所采用的发射器设备的类型(例如其中发射器设备包括多个光源(诸如被平行地设置的多个光源))，可以采用更多数量的电连接，。

为每个发射器设备106分别提供驱动器电路114。每个驱动器电路114包括：第一电源端子114和第二电源端子118，该第一电源端子114和第二电源端子118用于提供电源电压；以及控制端子120，该控制端子120用于可控制地将发射器设备106放入发生受激发射的操作的有效范围。尽管没有示出，但检测器设备108包括相应的端子，从而使得可以获取输出信号，检测器设备108和发射器设备106的端子可操作地耦合至传感器设备100的控制电路。在这个方面，将控制电路布置为同步控制发射器设备106和检测器设备108以便控制光的收集，读出检测器设备108中的一个或多个检测器设备生成的输出信号以供存储、数字化和/或进一步处理。在一些实施例中，可以在传感器设备100的外部(例如在应用印刷电路板(PCB)上)提供控制电路。

在该示例和本文中所阐述的其他示例中，在每个检测器设备108的前方分别设置每个发射器设备106，传感器设备100的面向前的侧是发射器元件106发射的电磁辐射传播通过其的传感器设备100的那一侧。就此而言，传感器设备100的面向前的侧是图1中的平面图的俯视侧。

为了描述简洁起见，下文针对发射器设备106和检测器设备108的引用是单数的。然而，技术人员将理解到，取决于所描述的实施例的情境，可以意指更多数量的发射器设备和/或检测器设备。

转至图2，发射器设备106以预定距离d与检测器设备108间隔开，并且包括例如一个或多个透镜122的光学系统被设置为与发射器设备106相对，从而使得在该示例中发射器设备106位于检测器设备108与光学系统122之间。图2的射线包括主射线124，由检测器设备108和发射器设备106两者共享该主射线124。为了避免疑义，传感器设备100包括光学系统122。如技术人员将理解的，存在关于传感器100的多个主射线。由发射器设备106和检测器设备108两者共享多个主射线中的数个主射线。然而，数个主射线中的一些从检测器设备108被发射器设备106掩蔽，该发射器设备106设置在检测器设备108前方。在这个方面，多个主射线中的数个主射线贯穿上述的第一表面和第二表面两者，例如，发射器设备和检测器设备具有关于光学系统122的共同的主射线。

在该示例以及其他示例中，基本上从中心共享的主射线与给定的发射器设备106的发射器区域的表面之间的交点和中心射线与给定的检测器设备108(其与给定的发射器设备106相关联)的检测器区域的表面之间的另一个交点，来测量预定距离d。就此而言，应当理解到，例如作为将透镜元件或其他光学元件覆盖的结果，发射器区域的表面和/或检测器区域的表面可以是弯曲的。

在这个方面，可以选择预定距离和/或发射器设备106的面积，从而使得通过发射器设备106的存在来阻止由发射器设备106发射的、且由目标(未示出)反射的光的少于约5％到达检测器设备108。这样的测量的目的是使发射器设备对检测器表面106的遮蔽最小化。就此而言，基于预定距离，可以使发射区域与检测区域的尺寸不同，以满足实现要求。

在实施例(图3)中，使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术来实现上述结构。就此而言，半导体晶圆包括使用任何合适的半导体加工技术生长的衬底200(例如硅衬底或砷化镓衬底)该。随后，再次采用任何合适的半导体加工技术，在衬底上或衬底中形成检测器设备，例如第一检测器设备202以及第二检测器设备204。之后，在检测器设备上形成发射器设备(例如光发射二极管设备或激光设备(诸如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)))，例如在第一检测器设备202上形成第一发射器设备206，并且在第二检测器设备204上形成第二发射器设备208，从而使得第一发射器设备206与第一检测器设备202毗邻，并且第二发射器设备208与第二检测器设备204毗邻。在该示例以及实际上本文中所描述的其他示例中，将发射器设备和/或驱动器电路(未示出)集成到包括检测器设备的半导体晶圆的表面上，由此减少从发射器设备到检测器设备的电、光和热噪声耦合。应当理解到，在该实施例以及其他实施例中，可以例如使用任何合适的印刷或沉积技术来形成发射器设备。发射器设备的一个示例性形成方式包括：分别将发射器设备异构地集成到半导体检测器设备或支撑玻璃晶圆上。

在另一个实施例中，替代采用传统的半导体加工技术来形成传感器设备，可以采用微转移印刷技术。就此而言，参考图4，使用任何合适的半导体加工技术，在本地半导体衬底212(例如由III-V半导体材料形成的晶圆，诸如102mm(4英寸)晶圆)上制造发射器设备210，从而使得毗邻的发射器设备以充分的距离间隔开，以使得发射器设备在与检测器设备配合时将与检测器设备对齐。将发射器设备210封装在聚合物层214(例如光致抗蚀剂)中。采用转移设备216来拾取发射器设备210并将发射器设备210(图5)转移至接收衬底(例如具有在其中形成检测器设备220的半导体衬底218(诸如CMOS或MEMS晶圆，诸如203mm(8英寸)晶圆))。使用任何合适的技术将发射器设备210安置在检测器设备220上，从而使得发射器设备210分别与检测器设备220毗邻(图6)。随后，执行后加工，以便将经打印的发射器设备210电连接至晶圆的表面或者将晶圆的表面钝化。就此而言，利用采用例如掩膜的任何合适的技术，可以将经打印的发射器设备210电连接至晶圆的表面。例如，可以使用真空沉积或金属蒸发技术来实现连接。可替代地，可以采用溅射沉积技术，或者可以在沉积催化剂之前电镀金属层。提供连接的另一种技术可以是借助于利用例如喷墨印刷或喷涂涂层技术的导电油墨的印刷。也可以采用化学气相沉积技术以使用由温度或电磁能激发的前体形成连接来形成金属层。

在另一个实施例(图7)中，为了保持发射器设备210与检测器设备220相对地间隔开，提供了与半导体衬底相分离的支撑结构(例如支撑衬底(诸如桥接衬底230，诸如透光衬底))。透光衬底的示例包括玻璃衬底和镀膜玻璃衬底，或任何其他合适的透光材料，诸如塑料材料。所采用的涂层可以是所期望的任何合适的涂层，例如抗反射涂层或滤光涂层。在任何合适的实施例中，可以形成透光衬底以便支持一个或多个光学功能，例如将光聚焦至检测区域的功能(即透镜功能)。就此而言，透光衬底可以包括一个或多个菲涅尔透镜。

在该示例中，将包括检测器设备220的衬底218设置在桥接衬底230下方，例如使用焊料凸块232将桥接衬底230可操作地耦合至上述的应用PCB，传感器设备100要耦合至该应用PCB。，例如通过将发射器设备210微印刷到桥接衬底230上，将发射器设备210设置在对应于传感器设备100的面向前的侧的桥接衬底230的面向外的表面234上，并且布置发射器设备210以便与在发射器设备210下方的检测器设备220对齐。由此，面向外的表面234承载发射器设备210。桥接衬底的面向内的表面与检测器设备220相对地面对。在该示例中，通过互连236(例如焊球或导线)，还将桥接衬底电耦合至衬底。为了提供至发射器设备210的电连接，将互连(例如金属互连)提供在桥接衬底230的面向外的表面234上。可以形成桥接衬底230以便具有任何所期望的形状。例如，桥接衬底230可以是细长的，并且面向外的表面234可以是基本上平面的。

参考图8，在进一步的实施例中，提供具有凹陷基座部242的托架(cradle)封装240，该凹陷基座部242用于接纳包括检测器设备220的衬底218。在该示例中，由陶瓷或塑料材料来形成托架封装240，但是技术人员将理解到，在该实施例或任何其他的实施例中，可以采用任何合适的材料来形成托架封装240。衬底218包括接触244，该接触244例如通过引线接合被可操作地耦合至封装240上的对应的接触246，以便例如经由电连接至封装240的焊料凸块232来支持至上述的应用PCB板的电连接。托架封装240限定开放腔248，该开放腔248在桥接衬底230连接至封装240的侧壁250或封装240的任何其他合适部分时被关闭。以关于图7的上述方式来将发射器设备210沉积在桥接衬底230上，并且由例如引线接合和/或焊料凸块(未示出)来提供桥接衬底230的面向外的表面234与发射器设备之间的电连接。

认为上述本发明的示例性实施例是说明性的而非限制性的。在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的实施例进行各种变化。例如，转至图9，在又另一个实施例中，为了加强将发射器设备210中的每一个所发射的光耦合至光学系统122，可以通过提供相应的光学元件(例如分别与发射器设备210毗邻的微型透镜260(诸如微透镜))来加强以上所述的图8的传感器设备100。在其他实施例中，额外地或可替换地，支撑结构可以是波长可选的。

在其他实施例中，如果可能的话，可以对以上实施例中的任何实施例进行布置，从而使得可以将发射器设备106中的一个或多个可以设置在相对于传感器设备100的面向前的侧的检测器设备108中的一个或多个的后方。在这样的实施例中，可以将一个或多个检测器设备108设置在光学系统122与一个或多个发射器设备106之间。

应当理解到，本文中对“光”的引用，除非另外明确说明，旨在作为涉及电磁频谱的光学范围的引用，例如在约350nm与约2000nm之间，诸如在约550nm与约1400nm之间、或在约600nm与约1000nm之间、或在约850nm与约1550nm之间，诸如在905nm与约940nm之间。

Claims (15)

1.一种传感器设备，包括：

发射器设备，所述发射器设备布置为发射电磁辐射，并且具有与所述发射器设备相关联的发射区域；

检测器设备，所述检测器设备布置为接收电磁辐射，并且具有与所述检测器设备相关联的检测区域；

光学系统；其特征在于：

将所述发射区域以预定距离与所述检测区域间隔开；

所述光学系统限定多个主射线，所述多个主射线中的数个主射线贯穿所述检测区域；

所述多个主射线中的所述数个主射线也贯穿所述发射区域。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述发射器设备被设置在所述检测器设备与所述光学系统之间。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述预定距离经选择以便使得所述发射器设备对所述检测区域的遮蔽最小化。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述预定距离经选择致使被引导朝向所述检测区域的所述光中小于基本上5％的光被所述发射区域遮蔽。

5.如前述权利要求中的任一项所述的设备，进一步包括：

至所述发射器设备的用于提供电力的电耦合件，所述电耦合件被布置为提供热负载，由此在使用时减少所述发射器设备与其中设置所述发射器设备的环境之间的热阻。

6.如权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述发射器设备被设置为与所述检测器设备毗邻。

7.如权利要求1或2所述的设备，进一步包括：

半导体衬底，所述半导体衬底包括被设置在所述半导体衬底上或至少部分地被设置在所述半导体衬底中的检测器设备；以及

驱动器电路；其中，

所述发射器设备可操作地耦合至所述驱动器电路；

所述半导体衬底包括所述驱动器电路，所述驱动器电路被设置在所述半导体衬底上或至少部分地被设置在所述半导体衬底中。

8.如权利要求1所述的设备，进一步包括：

半导体衬底，所述半导体衬底包括被设置在所述半导体衬底上或至少部分地被设置在所述半导体衬底中的发射器设备；以及

驱动器电路；其中

所述发射器设备可操作地耦合至所述驱动器电路；

所述半导体衬底包括所述发射器电路，所述发射器电路被设置在所述半导体衬底上或至少部分地被设置在所述半导体衬底中。

9.如权利要求1至4或权利要求8中的任一项所述的设备，进一步包括：

支撑衬底，所述支撑衬底被设置为与所述检测器设备相对，所述支撑衬底具有面向内的表面以及面向外的表面，所述面向内的表面与所述检测器设备处于间隔关系，并且所述面向外的表面承载所述发射器设备。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述支撑衬底是透光的和/或波长可选的。

11.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述支撑衬底由玻璃或涂覆玻璃或者塑料材料或涂覆塑料材料来形成。

12.如权利要求1至4或权利要求8中的任一项所述的设备，进一步包括与所述发射器设备毗邻并且光耦合至所述发射器设备的光学元件。

13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述光学元件是耦合至所述发射器设备的透镜。

14.如权利要求1至4或权利要求8中的任一项所述的设备，进一步包括：

发射器设备的阵列，所述发射器设备的阵列包括所述发射器设备。

15.如权利要求1至4或权利要求8中的任一项所述的设备，进一步包括：

检测器设备的阵列，所述检测器设备的阵列包括所述检测器设备。