TW200914803A - Methods for reducing cross talk in optical sensors - Google Patents

Description

200914803 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本申請案大致上係關於光學感應器及用於製造及使用此 種光學感應器之方法。更特定言之，本申請案係關於含有 減少串擾量的反射式光學感應器。 本專利申請案主張2007年6月1曰申請之美國申請案第 60/941,455號之優先權，該案之全部揭示内容以引用的方式 併入本文中。 【先前技術】 光學感應器被用於各種各樣之應用中。其中光學感應器 具有特定用途之一種應用係偵測一物件的存在及/或不存 在。偵測一物件之存在及不存在的兩種類型之光學感應器 為中斷式光學感應器及反射式光學感應器。 中斷式光學感應器（亦稱為透射式感應器）包括位於待感 應之物件相對兩側的一光學發射器及一光學偵測器。當物 件打斷發射器及接收器之間的光學路徑時，利測到物件 的存在。當發射器及接收ϋ之間的光學路徑保持未受擾 時’則顯示物件的不存在（即，因&物件沒有_光學路奸 另一方面，反射式光學感應器含有位於待感應之物件相 同側的—光學發射器及—光學制器。當自光學發射器的 :光發射從物件之一表面反射且接著被光學偵測器接收 日寸’物件被偵測到。反射式光學感應器典型地含有一發光 二極體（”LED")作為光學發射器以及-光二極體或光電晶 體作為光學制器。此：個組件以並列關係被安裝於光^ 131801.doc 200914803 感應器之外殼内。該等LED可具有以一未界定之大角度範 圍投射的寬角發射窗（即’類似於一傳統的燈泡）。 光學反射感應器之效能係部分地可藉由掃描一含有交替 之反射與非反射表㈣物件時所提供㈣比來測定。此對 比典型地由該等表面之反射比、感應器與物件尺寸相較之 解析度以及促使光學發射器及光學接收谓測器之間之光電 流的串擾量而決定。此串擾係發出之光内部反射、散射或 被引導至光學偵測器之部分（與藉由物件所反射之外部光 相反），以及自LED的任何直接照明。一般而言，串擾越小， 光學反射感應器之操作越佳。 當前有二種方法可將串擾相關之問題減到最少。如圖i 所不，第一種方法在感應器1〇〇中之發射器（位於一第—空 腔112中)與偵測器(位於一第二空腔i 14中)之間放置一不透 明障壁116’因此常被稱為封裝解決方案。此第—種方法雖 然在-定程度上有效地防止串擾，但其需要—複雜的裝配 製程且不考慮到精密光學。 用於將串擾減到最少之第二種方法藉由使用—雙重光二 極體及-比較器以微分方式來處理光信號。此方法因此常 ，稱為晶粒設計（die design)解決方案。晶粒設計解決方案 為光並不均勻地擴散於該兩個光二極體上而不非常有 效’且其不適用於類比輸出，以及由於其使光敏面積的大 小加倍而非常昂貴的。 【發明内容】 本申請案描述含有》咸少_擾量的反射式光學感應器，以 I3I80I.doc 200914803 及用於製造及使用此種感應器的方法。該等感應器含有一 光吸收塗層，該光吸收塗層被放置於光學感應器之外表面 之靠近偵測器的一部分之上。此吸收塗層藉由減少感應器 之一透明封裝體内反射光的量而減少串擾量。另外，該塗 層亦可減少進入感應器之周圍及/或雜散光的量。該塗層對 於感應器之製程添加的成本或複雜性很少，但在實質上不 增加感應器之大小或不增加任何可靠性風險之情況下減少 串擾。 根據圖式，以下描述將被更充分地理解。 圖式連同以下描述表明並解釋該反射式光學感應器之原 理以及製造和使用此種感應器的方法。在圖式中，為明確 起見’組件之組態可被放大或簡化。圖中，為明確起見， 層之厚度及區域可被放大。亦應瞭解，當一層、組件或基 板被提及為"在另一層、組件或基板之上"時，其可直接在 該另一層、組件或基板之上，或者也可以存在多個介入層。 不同圖中之相同參考數字代表相同元件，且因此它們的描 述將不重複。 【實施方式】 以下描述供應特定之細節以提供一徹底的理解。不過， 熟練的技術者應瞭解，在不採用此等特定細節之情況下， 光學感應器及製造和使用此種感應器之方法亦可被實施及 使用。舉例而言，雖然本發明主要探討反射式光學感應器， 但其可被修改以用於其他光學感應器中，諸如光學編碼器 及條碼讀取頭。事實上，本描述可被用於許多端點使用， 131801.doc 200914803 諸如許多列印機、運動控制、位置控制及條碼應用。 本申請案所描述之反射式光學感應器含有部分地或完全 地吸收可引起串擾之内部反射光的一塗層。另外，該塗層 亦可減少可進入感應器之周圍及/或雜散光的量。此種反射 式光學感應器之一些實例被描繪於圖式中且在本文中被描 述。 參照圖2a至圖2c中所繪示之裝置，圖2a含有反射式光學 感應器1的一俯視圖，圖2b含有感應器1的一側視圖，及圖 2c含有感應器1的一端視圖。光學感應器1包含一發光元件 (或發射器）3 1及一光偵測元件（或偵測器）3 2。發光元件3丨具 有一寬的發射窗33，其以一大角度範圍投射光以使最大量 的光可反射離開感應器正測量之期望物件。 可自發光元件3 1發出的光可為可反射離開期望物件且其 後可藉由光制元件32仙J之任何已知μ，無論該光是 否存在於可見光譜中。此種光之實例包括紅外光、單色可 見光、白光及其組合。在一些實施例中，所使用之光包含 紅光。在-些實施例中’光的波長可在大約彻細至大約 nm之範圍内變化。在其他實施例中，光的波長為大約 630 nm ° 發光元件31包含此項技術中已知之任何光源。已知光源 之實例包括垂直空腔表面發光雷mvcsEL)、共振空腔發 光二極體（RCLED)、發光二極體（LED)及其組合。在一些實 施例中’ &源包含-發光二極體。儘管任何數目之光料 被組合以建立發光元件’但典型地僅有一單一光源被用作 131801.doc 200914803 為發光元件3 1。 光偵測元件32包含可僧測自發射器”發出及其後自被測 物件反射之光的任何已知電子組件。可被使用之光偵測元 件的實例包括光二極體陣列、電荷耗合裝置（ccd)、光電晶 體、光二極體、有一跨阻抗放大器緊隨之光二極體、跨: 抗放大器，或其組合。在一些實施例中，光横測元件包含 -光電晶體。儘管任何數目之此等組件可被組合以建立光 偵測元件，但典型地僅有一單一組件被用作為光偵測元件 32 ° 發光凡件及光偵測元件被密封於一封裝材料（或封裝 體）2中。封裝體2封閉發光元件31及錢測元件32,將^ 環境隔離，並亦保護它們。在—些實施例中，封裝❿係由 邛刀或凡王光學透明材料製成，以使光可部分地或完全 地穿過該封裝體。該封裝體可由符合此等功能之任何材料 製成，諸如石夕樹脂、破璃、透明環氧樹脂或此等材料之組 合。在-些實施例中，用於封裝體之材料包含一透明環氧 樹脂。 發光7G件3 1及光谓測元件32被電連接至引線5。引線5延 伸出保護封裝體2之外以將感應W連接至-外部電組件或 裝 諸如將光學感應器連接至一控制電路的一印刷電路 此項技術中已知之任何引線可被用於反射式光學感應 包括任何導電金屬或金屬合金，諸如鋼或銅。在— -實轭例中’引線5包含鋼。如描繪的，引線5之外部實質 、L形狀彎曲以形成可被容易安裝至一印刷電路板的 13J801.doc 200914803 水平延伸端部。適於引線5之任何其他已知組態亦可被使 用。且雖然在圖中顯示了六條引線，但光學感應器可含有 任何數目的引線5，包括自4條至8條。 女圖2a中所描繪，感應器j含有一塗層i 5 , 應器i之含有光偵測元件32的區段之上。塗層15可位於^ 益之此區段的任何期望部分之上方。在圖中所繪示之實施 • 例中，此區段中塗層15的覆蓋面積係增至最大。 ( 塗層15吸收感應器1中之内部反射的光，其最後以其他方 、 ⑽射在光偵測元㈣上。如上所述，此㈣反射光促使 感應器中的串擾現象，因此當該塗層減少此光時’其亦減 =、串擾。塗層15亦可減少進人感應器之周圍及/或雜散光的 量。此周圍及/或雜散光亦可干擾光學感應⑸之操作，因 為其亦可被光偵測元件32偵測到。 塗層15可具有吸收内部反射光及/或周圍/外部雜散光的 任何厚度。實際厚度亦可視被用於製造塗層之材料以及封 u 裝體2中所使用之材料而定。在-些實施例中，塗層15之厚 度可在大約20 μι„至大約1〇〇 μηΐ2範圍内變化。 予 在-些實施例令’塗層15含有一單一層。然而在其他實 施例中’塗層15可含有複數個層，諸如 者吸收某一類型/波長的光。另-層則可被用於吸^不之同— 類型/波長的光。 在一些實施例中，塗層15並不完全覆蓋感應器】之含有光 伯測元件32的整個區段。在此等實施例中，塗層Η在自被 測物件反射之光將進入感應以且被谓測之位置處含有— I3180I.doc 200914803 開口 1 7。因此，有用光被允許穿過開口丨7進入且由光偵測 元件32偵測’而同時塗層丨5減少内部反射光及周圍/外部雜 散光。 因此開口 1 7之大小將部分地視光偵測元件32之大小而 定。在—些實施例中’諸如在偵測器之形狀為矩形或正方 形之實施例中，開口之大小可在大約〇 25 mm2至大約4 mm2 之範圍内變化。 開口 1 7可具有將自被測物件之反射光的量最大化而同時 將内部反射光及/或周圍/外部雜散光最小化的任何形狀。所 使用之形狀亦將視感應器1之預期用途而定。可使用之形狀 的實例包括實質上為矩形、正方形、圓形、長方形、三角 升乂擴圓形及梯形之形狀。在一些組態中，開口 1 7之形狀 可藉由對開口 17之側壁提供一斜度而修改以允許來自被測 物件之更多的反射光進入感應器1。 在一些實施例中，塗層15及開口 17被組態為如圖3所描 繪。在此圖所描繪之感應器中，感應器1含有一塗層15，該 塗層1 5覆蓋感應器丨之含有光偵測元件32(其在此圖中被描 繪為實貝上圓形之形狀）的區段。感應器1之含有發光元件 31的區段不含有塗層15。感應器】在塗層15中含有一實質上 成矩形形狀的開口 17，該開口允許自被測物件反射之光穿 過其並照射到偵測器上。 適於塗層15之不同組態可被用於光學感應器中。在一些 、、且L中，塗層1 5可位於感應器之外部表面之下，而非感應 之外°卩表面之上，即使如此之組態可能使製程變得複 131801.doc 200914803 雜。在其他組態中’一空氣空腔可被包括於感應器1之有效 區與塗層表面之間，無論塗層是在外部表面之内側或外 側。又在其他組態中，塗層15可被延伸以覆蓋感應器之側 部及底部。及仍在其他組態中，塗層15甚至可覆蓋感應器1 之除了發射器圓頂33及開口 17之外的整個表面。 塗層15可由吸收内部反射光及周圍/外部雜散光之任何 材料或材料之組合製成。另外，塗層中所使用之材料應可 防水及防在製造期間或操作期間可能與感應器一起使用之 任何清洗溶劑，應與被其塗佈之材料相容（即，可濕性及黏 著性），及應與分配材料中所使用之製程相容以使所形成之 厚度於批次之間係均勻及一致的。可被使用之材料的實例 包括油墨、塗料及其組合。在一些實施例中，黑色油墨可 被用作塗層15的材料。在其他實施例中，用於半導體裝置 ‘示之油墨可被使用。又在其他組態中使吸收光最優化 之裝碳油墨可被用作為塗層。 FT ’其為當沒有光自外側反

上述之感應器可藉由提供所描述及所繪示之結構的任何 塗層15之有效性的一測度係Ιρτ， 射時開啓偵測器所需之LED電流量 串擾越低。在一些實例中，對於兀 131801.doc -12- 200914803 製程而製成。在一些實施例中，以下描述之製程被用於製 造感應器。首先’ 一引線框係按此項技術中已知的來製備。 在一些實例中，該引線框可藉由將一薄金屬板壓製或衝壓 為期望形狀而產生。接著，發光元件3丨被接合或黏著至引 線框之一部分而光偵測元件32被黏著或接合至引線框之另

一部分。發光元件31及光偵測元件32可在相同製程或不同 製程令被黏著。雖然此項技術中已知之任何黏著製程可被 使用，但以帶狀或矩陣形式之一晶粒黏著製程可被用於一 些貝施例中。其後，在晶粒黏著製程中所使用之材料係藉 由此項技術中已知之任何方法而固化。 接著，發光元件31及光偵測元件32被電連接至引線框。 在二實細*例中，此製程係藉由任何已知之線接合製程而 完成。然後，封裝體2係圍著發光元件31、光偵測元件32 及引線框之除外部引線5外之大部分而形成。舉例而言，封 裝體2可藉由以帶狀形式之一轉移模製方法形成。在轉移模 製製程中所使用的模製塑膠材料在感應^之發射器側上 方對封裝體2提供一具有圓頂形狀之最終形狀。 接著，塗層15被提供於封裝體2之外側，使用在塗声15 _留下開口 之任何已知製程。在一些實例中，諸如錢 用油墨之實例中，塗層可僅僅選擇性地塗覆至封裝體2之外 ^表面的期望區域。在其他實例中，一塗層材料層可被塗 於感應盗之整個伯測器區段上而其後開…可藉由例如 用於所使用之塗層材料的任何已知移除製程而形成。 接著，封襞體2之模製塑膠材料係藉由任何已知製程而固 131801.doc •13· 200914803 化。然後，感應器被單片裝及測試，自引線框延伸之引線 被f曲為期望形狀（諸如圖中所示），且捲帶按此項技術中已 知的來完成。 反射式光學感應器!可按圖4中所繪示的操作。光”自發 光元件31發射出，穿過發射f33，及照射在期望被谓測及/ 或被量測之物件5〇上。然後來自物件5〇之反射光則是如同 光59照射在塗層15上（且被吸收），或是如同光57穿過塗層15 中之開口 17且被光偵測元件32偵測。另外，自發光元件η 發射出之某些量的光56並不離開封裝體。此光之一小部分 (現指光58)在封裝體内傳送直至其擊中其被吸收之塗心 的内側。 上文描述之在反射式光學感應器中減少串擾的能力亦可 被應用於，、他光學感應器中，包括任何其他類型的反射式 感應器，無論它們是非表面黏著、聚焦，或非聚焦反射式 光學感應器’以及近接感應器。另外，此能力可被併入其 中任何内反射光或散射光必須被減少之其他光電子裝置 中’諸如條碼掃描器、標籤掃描器、光簾、觸摸螢幕，及 發送器/接收器模組，無論是否為IrDA。 除了先前所指示之任何修改外’在不背離本描述之精神 及範脅T ’許多其㈣動&替代配置可由熟習此項技術者 所°又汁且附加請求項希望涵蓋此等修改及配置。因此， 雖然上文就目前被認為是最實際及較佳態樣才目關的特定性 和、’、節對資汛進行了描述，但一般技術者應明白在不背離 本文所闡述之原理及概念下可做出許多修改，包括（但不限 131801.doc -14 - 200914803 於）形式、功能、操作方式及用途。並且，如本文所使用， 實例僅作為例示說明且不應被視為以任何方式的限制。 【圖式簡單說明】 圖1描繪一傳統的反射式光學感應器； 圖2a至圖2c顯示一含有一吸收塗層之反射式光學感應器 之一些實施例的不同視圖； 圊3顯示一含有一吸收塗層之反射式光學感應器之其他 實施例；及 圖4仍描繪一含有一吸收塗層之反射式光學感應器之操 作的其他實施例。 【主要元件符號說明】 1 反射式光學感應器 2 封裝材料/封裝體 5 引線 15 塗層 17 開口 31 發光元件/發射器 32 光偵測元件/偵測器 33 發射窗/發射圓頂 50 物件 55 光 56 光 57 光 58 光 131801.doc -15- 200914803 59 光 100 感應器 112 第一空腔 114 第二空腔 116 不透明障壁 131801.doc •16

Claims (1)

1. 200914803 十、申請專利範圍： 1. 一種光電子裝置，其包含： 八-發光元件，其被裝納於一光學透射封裳的一第一部 —部分内； ’該光吸收 一光偵測元件，其被裝納於該封裝的—第 其中该封裝的該第二部分含有一光吸收塗層 塗層具有一緊鄰於該光偵測元件的開口。 2.

   3. 如請求们之裝置，其中該塗層吸收該裝置内的内 光以減少串擾。 如請求項1之裝置，其中該塗層吸收來自該裝置外 圍或雜散光。 4. 如=求項r裝置’其中該塗層包含油墨、塗料或其組合。 5. 如請求項！之裝置，其中該塗層之厚度的範圍係自大約2〇 ㈣至大約100 μηι。 6. 士 口月求項2之裝置，其中該申擾係藉由使用該塗層而減少 大約50❶/❶至大約80〇/〇。 7. 一種光學感應器，其包含： 發光元件，其被裝納於一光學透射封裝的一第一部 分内；及 光偵測元件，其被裝納於該封裝的一第二部分内； 八中4封裝的該第二部分含有一光吸收塗層，該光吸收 塗層具有—緊鄰於該光偵測元件的開口。 月求項7之感應器，其中遠塗層吸收該感應器内的内部 反射光以減少串擾。 131801.doc 200914803 9·如請求項7之感應器，其中該塗層吸收來自該感應器外側 之周圍或雜散光。 10·如請求項7之感應器，其中該塗層包含油墨、塗料或其組 合。 U.如請求項7之感應器，其中該塗層之厚度的範圍係自大約 20 μηι至大約 1〇〇 μιη。 1 2.如μ求項8之感應器，其中該串擾係藉由使用該塗層而減 少大約50%至大約80%。 13·如請求項7之感應器，其中該發光元件包含一LED且該光 债測元件包含一光二極體。 14. 如凊求項7之感應器，其中該開口具有一實質上為矩形、 正方形、圓形、長方形、三角形、橢圓形或梯形之形狀。 15. 如請求項14之感應器，其中該開口包含若干具有一斜度 之側壁。 16. —種反射式光學感應器，其包含： 一發光元件，其被裝納於一光學透射封裝的一第一部 分内；及 一光偵測元件’其被裝納於該封裝的一第二部分内； 其中該封裝的該第二部分含有一光吸收塗層，該光吸收 塗層具有一緊鄰於該光偵測元件的開口，且該塗層吸收 該感應器内的内部反射光及吸收來自該感應器外側之周 圍或雜散光。 17 _如請求項1 6之感應器’其中該塗層包含油墨、塗料戈其 組合。 131801.doc 200914803 18·如請求項16之感應器，其中該塗層之厚度的範圍係自大 約20 μηι至大約1〇〇 μιη。 19.如請求項16之感應器，其中該開口具有一實質上為矩 形、正方形、圓形、長方形、三角形、橢圓形或梯形之 形狀。 • 20·如請求項16之感應器，其中該開口包含若干具有一斜度 之側壁。 2 1 · —種光學感應一物件的方法，其包含： ί ' 提供一光學反射感應器，該光學反射感應器含有一被 裝納於一光學透射封裝之一第一部分内的發光元件以及 一被裝納於該封裝之一第二部分内的光偵測元件，其中 該封裝的該第二部分含有一光吸收塗層，該光吸收塗層 具有一緊鄰於該光偵測元件的開口； 在該感應器附近提供一光學反射物件； 自該發光元件發出光；及 , 偵測穿過該塗層中該開口之自物件反射的光。 22. 如請求項21之方法，其中該塗層包含油墨、塗料或其組 合。 23. 如請求項21之方法，其中該塗層之厚度的範圍係自大約 20 μπι至大約 100 μπι。 24. 如請求項21之方法，其中該開口具有一實質上為矩形、 正方形、圓形、長方形、三角形、橢圓形或梯形之形狀 及包含若干具有一斜度之側壁。 131801.doc