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CN111446310A - 光学感测装置 - Google Patents

光学感测装置 Download PDF

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CN111446310A
CN111446310A CN202010297930.3A CN202010297930A CN111446310A CN 111446310 A CN111446310 A CN 111446310A CN 202010297930 A CN202010297930 A CN 202010297930A CN 111446310 A CN111446310 A CN 111446310A
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CN
China
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light
sensing device
optical sensing
layer
optical
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钟炜竣
林苏逸
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Hangzhou Silergy Semiconductor Technology Ltd
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Abstract

本发明提供了一种光学感测装置，包括：至少一个具有感光区域的半导体，以及光学结构，所述光学结构位于所述感光区域的上方；其中，所述光学结构包括交替层叠的滤光层和透光层，以阻挡大角度的入射光入射至所述感光区域，以减小光学串扰。

Description

光学感测装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种光学感测装置。
背景技术
接近传感器(Proximity Sensor)应用的主要原理为参考光源发射光，光经由物体反射后，由光电二极管(Photo Diode，PD)所接收，并将光能量转换成电讯号。藉由电讯号(光能量)的强弱来判定物体与封装体间的距离，物体近讯号强度强，物体远讯号强度弱。
现实应用中PD所接收的光能量除了来自侦测物的反射外，也包括来自其他非侦测物的反射，这些不属于侦测物反射的光我们称之为串扰(Cross-talk)，串扰过大将严重影响光感测系统的应用。一般串扰来源有终端产品的外观件反射，例如外壳、玻璃盖板、透镜等，因此串扰多为大角度的反射光。如图1所示的接近传感器包括发光元件101和感光元件102。发光元件101发出的光经待侦测物103反射后被感光元件102接收，并转换为电信号，以侦测物体的距离。但感光元件102同时也会接收到来自盖板104反射的光，这类反射光一般都为大角度的反射光，直接影响感光元件102对物体距离的感测。另外，现有技术的Proximity sensor的接受光能量与其和侦测物的距离为平方反比例关系，当物体距离Proximity sensor极近时，易出现满值(full count)现象。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光学感测装置，从而阻挡大角度的光射入，以减小光学串扰。
根据本发明的一方面，提供一种光学感测装置，包括：至少一个具有感光区域的半导体，以及光学结构，所述光学结构位于所述感光区域的上方；其中，所述光学结构包括交替层叠的滤光层和透光层，以阻挡大角度的入射光入射至所述感光区域。
优选地，还包括发光元件，所述发光元件发出的光，经过所述光学感测装置外的待感测物体反射后，再通过所述光学结构入射至所述感光区域。
优选地，大部分所述大角度的光为串扰光。
优选地，所述串扰光为非待感测物体反射的光。
优选地，还包括位于所述发光元件和所述具有感光区域的半导体上方的盖板，所述串扰光包括所述盖板反射的光。
优选地，所述滤光层包括透光区域和不透光区域。
优选地，所述不透光区域通过反射所述大角度的入射光以阻挡其通过。
优选地，所述不透光区域通过吸收所述大角度的入射光以阻挡其通过。
优选地，每层所述透光区域包括至少两种不同的尺寸。
优选地，大尺寸的所述透光区域的数量不大于小尺寸的所述透光区域的数量。
优选地，所述透光区域被设置为圆形或多边形。
优选地，所述透光区域被设置为条形。
优选地，在所述层叠方向，每层所述滤光层的对应的透光区域尺寸相同。
优选地，在所述层叠方向，每层所述滤光层的对应的透光区域对齐。
优选地，在所述层叠方向，每层所述滤光层的对应的透光区域的尺寸从顶层至底层逐渐增大。
优选地，在所述层叠方向，每层所述滤光层的对应的透光区域的尺寸从顶层至底层逐渐减小。
优选地，在所述层叠方向，每层所述滤光层交错排列，以使得相邻的所述滤光层的条形结构在长度方向上交叉，其中，所述交叉为不接触交叉。
优选地，在所述层叠方向，每层所述滤光层交错排列，以使得相邻的所述滤光层的条形结构在长度方向上垂直，其中，所述垂直为不接触垂直。
优选地，所述透光区域按预设顺序排列成规则图案。
优选地，所述不透光区域被设置为金属。
优选地，所述不透光区域被设置为黑光阻。
优选地，所述透光层和透光区域被设置为介质层。
优选地，所述具有感光区域的半导体被配置为光电二极管。
优选地，所述光学结构阻挡大量大角度的光，阻挡少量小角度的光，使得所述光学感测装置对极近距离的待感测物体具有分辨力。
本发明提供了一种光学感测装置，其中，所述光学感测装置中的所述光学结构通过层叠设置的滤光层和透光层，阻挡大角度的光入射至感光区域，以减小光学串扰，且无需设置其他的挡光装置，不仅减小光学感测装置的尺寸，还降低了工艺成本。另外，当物体距离较近时，因为所述透光层的透光区域由至少两种不同的尺寸组成，控制大角度与小角度光进入比例，因此不会出现满值(full count)的现象，具有感测较近距离的待感测物的能力。进一步地，本发明将滤光层的不透光区域设置为与具有感光区域的半导体周边的金属线路相同的金属，无需增加额外的设计成本。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出根据现有技术的光学感测装置的截面图；
图2示出根据本发明实施例的光学感测装置的截面图；
图3示出根据本发明第一实施例的光学结构的截面图；
图4示出根据本发明第一实施例的光学结构的俯视图；
图5a和5b示出根据本发明第二实施例的光学结构的两种滤光层的层叠图；
图6a和6b示出根据本发明第三实施例的两种光学结构的截面图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“A直接在B上面”或“A在B上面并与之邻接”的表述方式。在本申请中，“A直接位于B中”表示A位于B中，并且A与B直接邻接，而非A位于B中形成的掺杂区中。
在本申请中，术语“冲丝”是指在引线框上固定晶片以及进行引线键合之后，在注入封装料的过程中，彼此相邻的引线由于封装料的冲击而彼此接触导致短路的现象。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
本发明提供了一种光学感测装置，包括：至少一个具有感光区域的半导体，以及光学结构，所述光学结构位于所述感光区域的上方；其中，所述光学结构包括交替层叠的滤光层和透光层，以阻挡大角度的入射光入射至所述感光区域，以减小光学串扰。
如图2所示为本发明实施例提供的光学感测装置，所述光学感测装置包括发光元件501，具有感光区域的半导体502，以及位于所述感光区域上方的光学结构503，其中，所述光学结构503包括交替层叠的滤光层和透光层，以阻挡大角度的光入射至所述感光区域。所述光学结构包括一层以上的滤光层和透光层。具体地，发光元件501发射的光到达待感测物体510表面，然后被所述待感测物体510反射，所述被反射的光通过所述光学结构503到达所述感光区域，所述具有感光区域的半导体将所述反射光信号转换为电信号，以检测所述待感测物体的距离。由于所述反射光可能包括大角度的串扰光，当所述反射光通过所述光学结构时，所述光学结构可将大角度的光反射或吸收，使其无法到达所述感光区域，以减小光学串扰。所述串扰光为非待感测物体反射的光，例如，盖板506反射的光为串扰光。具体地，如图2所示，所述发光元件501发出的光被所述盖板506反射后，然后通过所述光学结构503时被反射或吸收，使其无法被所述感光区域接收，减小了光学串扰，提高了感测装置的准确度。其中，所述具有感光区域的半导体被配置为光电二极管，在其他实施例中，也可配置为其他光电结构。在另一实施例中，所述光学感测装置也可只包括具有感光区域的半导体502，以及位于所述感光区域上方的光学结构503。
需要注意的是，所述光学结构503以不同比例量限制不同角度的光通过，阻挡了大量大角度的光，同时也会阻挡少量小角度的光，由此使得所述感测装置可以感测到极近距离的待感测物，并不会出现满值(full count)的现象，此时接收光能量与其和侦测物的距离关系也已不再是平方反比关系。
在本实施例中，所述光学感测装置还包括基板504，所述发光元件501和所述具有感光区域的半导体502通过粘结层粘贴在所述基板的504的第一表面。所述光学感测装置还包括位于所述发光元件501和所述具有感光区域的半导体502之间的挡板505，所述挡板505可阻挡发光元件发射的光对所述待感测物体反射的光的干扰。所述挡板可以单独形成在所述基板504上，也可与所述基板504一体形成。
所述光学感测装置还包括分别包封所述发光元件501和所述具有感光区域的半导体502的第一包封体508和第二包封体509。所述盖板506位于所述第一包封体508和第二包封体509上。
如图3所示为本发明第一实施例的光学结构的截面图，图4所示为本发明第一实施例的光学结构的俯视图。所述光学结构包括交替层叠的滤光层11和透光层12，所述滤光层11包括多个透光区域112和不透光区域111，其中，所述滤光层11包括至少两个所述透光区域。当光入射至所述光学结构时，大部分小角度的入射光可以直接通过透光区域112和透光层12到达感光元件10，大部分大角度的光被所述不透光区域反射，再通过透光区域反射出去，从而无法达到所述感光元件10，减小光学串扰。其中，所述透光层12和所述滤光层的透光区域112被设置为介质层，例如氧化硅或其他氧化物。所述滤光层的不透光区域111被设置为金属，例如铝合金，铜合金或其他。所述金属和与所述感光元件10周围的金属线路选择同样的材料，也可与所述感光元件10周围的金属线路同步形成。在其他实施例中，所述滤光层的不透光区域111也可被设置为黑光阻，所述黑光阻用于吸收大角度的入射光，从而限制大角度的光到达所述感光元件10。在本实施例中，每层所述滤光层的厚度相同，例如，厚度为0.4-0.6微米，每层所述透光层的厚度相同，厚度为0.6-0.7微米，但设计不以此为限。
另外，所述透光区域112若设置为包括一种尺寸，则仅会让此尺寸所限制的角度以上的大角度光被阻挡，会减小光学串扰，但也会造成反射光在所限制的角度以上的较近距离待测物无法被感测，并不会改变原本光能量与距离的关系式。因此，在本实施例中，所述透光区域112被设置为至少包括两种不同的尺寸，其可大量减少大角度的光(近距离光信号)通过，同时少量减少小角度的光(远距离光信号)通过，则可以进行近距离光信号的感测，即所述光学感测装置可以感测到极近距离的待感测物体。进一步地，设置大尺寸的透光区域的数量不大于小尺寸的透光区域的数量。具体地，如图4所示为本发明的一种滤光层的俯视图。所述滤光层包括透光区域和不透光区域，所述滤光层的所述透光区域按预设顺序排列成规则图案，所述小尺寸的透光区域的数量多于所述大尺寸的透光区域的数量。因为本实施例中透光区域的尺寸多于两种，因此，设置越小尺寸的透光区域的数量越多，设置越大尺寸的透光区域的数量越少。当然，本发明的滤光层的透光区域的排列方式并不仅限于本实施例的排列方式，本领域的技术人员可根据实际的应用要求改变其排列方式。
在本实施例中，在所述层叠方向，每层所述滤光层的对应的透光区域尺寸相同，每层所述滤光层的对应的透光区域的位置也对齐。当然，因为工艺误差或者设计误差，每层所述滤光层对应的透光区域的位置也可存在偏差或错位。
在本实施例中，所述层叠的层数越多，每层所述滤光层的厚度越大可通过大角度的光的就越少，但其也增加了光学结构的尺寸，因此，所述层叠的层数可根据实际应用具体设置。同时，每层所述滤光层的厚度，每层所述透光层的厚度，以及透光区域之间的间距的设置也都可根据实际应用进行设置，在此并不做任何限制。
在本实施例中，每层所述滤光层的所述透光区域的形状设置为圆形，在其他实施例中，所述透光区域的形状也可设置为多边形，方形，三角形等各种形状，在此我们不作任何限制。
如图5a和5b所示为本发明第二实施例的光学结构的滤光层的层叠图。与第一实施例相比，所述第二实施例中每层所述滤光层的所述透光区域301被设置为条形结构，即透光区域301为多个间隔设置的条形，每个条形结构从所述滤光层的第一端延伸至与其第一端相对的第二端。具体地，如图5a所示，每层所述滤光层平行设置，即在所述层叠方向，每层所述滤光层的对应的透光区域对齐设置。如图5b所示，在所述层叠方向，每层所述滤光层交错排列，以使得相邻滤光层的透光区域的条形结构在长度方向上不接触交叉。优选地，在所述层叠方向，每层所述滤光层交错排列，以使得相邻滤光层的透光区域的条形结构在长度方向上不接触垂直。
在本实施例中，所述透光区域的条形结构的宽度相同，所述条形结构之间的间距相同。在其他实施例中，所述透光区域的条形结构的宽度以及所述条形结构之间的间距也可设置为不相同，在此不做任何限制。
如图6a和6b所示为本发明第三实施例的光学结构的截面图。与第一实施例相比，所述第三实施例的每层滤光层对应的透光区域的尺寸在所述层叠方向呈渐变形式。具体地，如图6a所示，在所述层叠方向，每层所述滤光层的对应的透光区域从顶层至底层的尺寸逐渐增减小。如图6b所示，在所述层叠方向，每层所述滤光层的对应地透光区域从顶层至底层的尺寸逐渐增大。本实施例中图6a和6b的光学结构可通过的入射光的最大角度由顶层与底层的透光区域交叉连线之夹角θ决定。
本发明提供了一种光学感测装置，其中，所述光学感测装置中的所述光学结构通过层叠设置的滤光层和透光层，阻挡大角度的光入射至感光区域，以减小光学串扰，且无需设置其他的挡光装置，不仅减小光学感测装置的尺寸，还降低了工艺成本。另外，当物体距离较近时，因为所述透光层的透光区域由至少两种不同的尺寸组成，控制大角度与小角度光进入比例，因此不会出现满值(full count)的现象，具有感测较近距离的待感测物的能力。进一步地，本发明将滤光层的不透光区域设置为与具有感光区域的半导体周边的金属线路相同的金属，无需增加额外的设计成本。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (24)

1.一种光学感测装置，包括：
至少一个具有感光区域的半导体，以及
光学结构，所述光学结构位于所述感光区域的上方；
其中，所述光学结构包括交替层叠的滤光层和透光层，以阻挡大角度的入射光入射至所述感光区域。
2.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中，还包括发光元件，所述发光元件发出的光，经过所述光学感测装置外的待感测物体反射后，再通过所述光学结构入射至所述感光区域。
3.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中，大部分所述大角度的光为串扰光。
4.根据权利要求3所述的光学感测装置，其中，所述串扰光为非待感测物体反射的光。
5.根据权利要求3所述的光学感测装置，其中，还包括位于所述发光元件和所述具有感光区域的半导体上方的盖板，所述串扰光包括所述盖板反射的光。
6.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中，所述滤光层包括透光区域和不透光区域。
7.根据权利要求6所述的光学感测装置，其中，所述不透光区域通过反射所述大角度的入射光以阻挡其通过。
8.根据权利要求6所述的光学感测装置，其中，所述不透光区域通过吸收所述大角度的入射光以阻挡其通过。
9.根据权利要求6所述的光学感测装置，其中，每层所述透光区域包括至少两种不同的尺寸。
10.根据权利要求6所述的光学感测装置，其中，大尺寸的所述透光区域的数量不大于小尺寸的所述透光区域的数量。
11.根据权利要求6所述的光学感测装置，其中，所述透光区域被设置为圆形或多边形。
12.根据权利要求6所述的光学感测装置，其中，所述透光区域被设置为条形。
13.根据权利要求6所述的光学感测装置，其中，在所述层叠方向，每层所述滤光层的对应的透光区域尺寸相同。
14.根据权利要求13所述的光学感测装置，其中，在所述层叠方向，每层所述滤光层的对应的透光区域对齐。
15.根据权利要求6所述的光学感测装置，其中，在所述层叠方向，每层所述滤光层的对应的透光区域的尺寸从顶层至底层逐渐增大。
16.根据权利要求6所述的光学感测装置，其中，在所述层叠方向，每层所述滤光层的对应的透光区域的尺寸从顶层至底层逐渐减小。
17.根据权利要求12所述的光学感测装置，其中，在所述层叠方向，每层所述滤光层交错排列，以使得相邻的所述滤光层的条形结构在长度方向上交叉，其中，所述交叉为不接触交叉。
18.根据权利要求12所述的光学感测装置，其中，在所述层叠方向，每层所述滤光层交错排列，以使得相邻的所述滤光层的条形结构在长度方向上垂直，其中，所述垂直为不接触垂直。
19.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中，所述透光区域按预设顺序排列成规则图案。
20.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中，所述不透光区域被设置为金属。
21.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中，所述不透光区域被设置为黑光阻。
22.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中，所述透光层和透光区域被设置为介质层。
23.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中，所述具有感光区域的半导体被配置为光电二极管。
24.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中，所述光学结构阻挡大量大角度的光，阻挡少量小角度的光，使得所述光学感测装置对极近距离的待感测物体具有分辨力。
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