TW201310010A - 紅外線偵測裝置及其偵測方法 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一紅外線偵測裝置及其偵測方法。該裝置包含一屏蔽層、一第一光感測單元及一第二光感測單元。該屏蔽層係位於該第一光感測單元及該第二光感測單元之上方，用於阻隔光線。該第一光感測單元上方之屏蔽層設置有一開孔，而該第一光感測單元與該第二光感測單元之間設置有一溝槽。該第一光感測單元可感測通過該開孔之光線，而產生一光感測訊號，並將該光感測訊號中之一紅外線訊號耦合至該第二光感測單元，以輸出該紅外線訊號。

Description

紅外線偵測裝置及其偵測方法

本發明是有關於一種光感測裝置，特別是一種紅外線偵測裝置及其偵測方法，能夠有效的偵測出光線中之波長較長的紅外線成份。

近年來，光學感測器被大量的應用在電子產品上。例如，環境光感測器(Ambient Light Sensor，ALS)、距離感測器(Proximity Sensor)及色彩感測器(Color RGB Sensor)等，被大量應用於智慧型手機(Smart Phone)、桌上型電腦(Desk Top Computer)、筆記型電腦(Note Book)、平板電腦(Tablet Computer)、液晶顯示器(Liquid Crystal Displayer，LCD)、電漿電視(Plasma TV)、光學分析儀、燈光、自動櫃員機(ATM machine)及多媒體導覽機(Kiosh Station)等需要偵測特定光源之電子設置。

以環境光感測器應用於智慧型手機上為例，環境光感測器可偵測手機周圍環境的光線，使手機能夠依照周圍環境光線的強弱來調整螢幕的亮度，以延長手機之待機時間。但是，光源發出之光線常含有波長較長的紅外線成份，例如白熾燈、陽光或鹵素燈光，故即使是功能強大的環境光感測器也仍然會有雜訊的產生，進而影響環境光感測器之精確度，同樣的情況也發生在其它光感測系統上。因此，如何設計出一種紅外線偵測裝置，能夠有效的偵測出光線中之波長較長的紅外線成份，以為光感測系統提供校正因子(Correction Factor)，並能夠輕易地與其它的電子元件整合在一起，即為本發明所欲解決之問題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種紅外線偵測裝置及其偵測方法，以解決習知技藝中光感測系統精確度不佳等問題。

根據本發明之目的，提出一種紅外線偵測裝置，其包含：一屏蔽層，係阻隔光線；至少一第一光感測單元，係位於該屏蔽層之下，該至少一第一光感測單元上方之該屏蔽層設置有一開孔；以及至少一第二光感測單元，係位於該屏蔽層之下，該至少一第一光感測單元分析由該開孔進入之光線，而產生一光感測訊號，並將該光感測訊號中之一部分訊號耦合至該至少一第二光感測單元。

其中，更包含一溝槽，係位於該至少一第一光感測單元及該至少一第二光感測單元之間，而改變該溝槽之大小能改變耦合至該至少一第一光感測單元之該部分訊號之最短波長。

其中，該開孔係小於該至少一第一光感測單元之面積。

其中，該開孔的形狀係為十字形、圓形、三角形、矩形或多邊形。

其中，該至少一第一光感測單元與該至少一第二光感測單元可配置於同一平面。

其中，該至少一第一光感測單元可配置於該至少一第二光感測單元之上方。

其中，該屏蔽層之材料係包含鋁、銅、多晶矽或黑色高分子介質層。

根據本發明之目的，再提出一種紅外線偵測方法，係包含下列步驟：利用至少一第一光感測單元分析由該至少一第一光感測單元上方之一屏蔽層之一開孔射入之光線，而產生一光感測訊號；藉由該至少一第一光感測單元將該光感測訊號中之一部分訊號耦合到至少一第二光感測單元；以及由該至少一第二光感測單元輸出該部分訊號。

其中，更包含下列步驟：調整該至少一第一光感測單元及該至少一第二光感測單元之間之一溝槽之大小，以改變耦合至該至少一第一光感測單元之該部分訊號之最短波長。

其中，該開孔係小於該至少一第一光感測單元之面積。

其中，該開孔的形狀係為十字形、圓形、三角形、矩形或多邊形。

其中，該至少一第一光感測單元與該至少一第二光感測單元可配置於同一平面。

其中，該至少一第一光感測單元可配置於該至少一第二光感測單元之上方。

其中，該屏蔽層之材料係包含鋁、銅、多晶矽或黑色高分子介質層。

其中，該第一光感測單元與該第二光感測單元為光二極體。

承上所述，依本發明之紅外線偵測裝置及其偵測方法，其可具有一或多個下述優點：

(1) 此紅外線偵測裝置及其偵測方法可以輕易地與一般電子元件整合一起，因此有很高的實用性。

(2) 此紅外線偵測裝置及其偵測方法可以有效的偵測出光線中之波長較長的紅外線成份，因此能夠校正光感測系統感測到的雜訊，以提高光感測系統的精確度。

(3) 此紅外線偵測裝置及其偵測方法可藉由調整溝槽的大小，以改變耦合到第二光感測單元之部分訊號之最短波長，因此使用上有很大的彈性。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之紅外線偵測裝置及其偵測方法之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

而本發明之紅外線偵測裝置可用於感測含有紅外線成份之不同光源。例如，白熾燈、陽光或鹵素燈之光線，與環境光感測器(Ambient Light Sensor，ALS)、距離感測器(Proximity Sensor)及色彩感測器(Color RGB Sensor)等結合，能夠更精準的偵測光源。本發明之紅外線偵測裝置可應用於智慧型手機(Smart Phone)、桌上型電腦(Desk Top Computer)、筆記型電腦(Note Book)、平板電腦(Tablet Computer)、液晶顯示器(Liquid Crystal Displayer，LCD)、電漿電視(Plasma TV)、光學分析儀、燈光、自動櫃員機(ATM machine)及多媒體導覽機(Kiosh Station)及其它需要偵測特定光源之電子裝置。

請參閱第1圖，係為本發明之紅外線偵測裝置之第一實施例之方塊圖。如圖所示，紅外線偵測裝置1包含一屏蔽層11、一第一光感測單元12、一第二光感測單元13及溝槽14。屏蔽層11係阻隔光線，其材質可為鋁、銅、多晶矽或黑色高分子介質層等能夠有效地阻隔可見光及紅外光之材質。

第一光感測單元12是採部分屏蔽(Partially Shielded)的設計，其上方之屏蔽層11設置有開孔111，一般而言，開孔111會小於第一光感測單元12之面積，而開孔111及第一光感測單元12之大小則可依實際需求而調整，光源10發出之光線通過開孔111照射在第一光感測單元12之上，使第一光感測單元12產生一光感測訊號121。此時，光感測訊號121中之部分訊號122會耦合到第二光感測單元13。第二光感測單元13是採完全屏蔽(Fully Shielded)的設計，其上方之屏蔽層並未設置開孔，因此，其感測到之光訊號完全是經由第一光感測單元耦合過來的。其中，第一光感測單元12及第二光感測單元13可為光二極體(Photo Diode)等光感測元件。

值得一提的是，波長較長的紅外線(大於900nm)在矽基板上有較強的穿透率(大於10μm)，因此由紅外線產生之光電流很容易就能夠耦合到第二光感測單元13。相反的，有較短波長的光線(小於650nm) 在矽基板上的穿透率(小於3.3μm)較差，其產生之光電流很難耦合到第二光感測單元13。因此，本發明就是利用不同波長的光線對矽基板穿透力上的差異，設計出構造簡易但是功能強大的光感測裝置。

更重要的是，紅外線偵測裝置1可藉由調整溝槽14大小，改變能夠耦合到第二光感測單元13之部分訊號122之最短波長。溝槽14愈小，能夠耦合到第二光感測單元13之部分訊號122之波長則愈短。相反的，若溝槽14愈大，能夠耦合到第二光感測單元13之部分訊號122之波長則愈長。

本發明之紅外線偵測裝置1能夠有效的偵測光線中波長較長之紅外線成份，更可藉由調整溝槽14之大小來改變能夠耦合到第二光感測單元13之部分訊號122之最短波長，以因應不同的需求。因此，本發明之紅外線偵測裝置1能夠整合環境光感測器及色彩感測器，以校正環境光感測器及色彩感測器偵測到的紅外線雜訊，更可以單獨使用，以偵測光線中波長較長之紅外線成份。

請參閱第2圖，係為本發明之紅外線偵測裝置之第二實施例之示意圖。如圖所示，本發明之紅外線偵測裝置2與一般的金氧半導體元件23一起整合在積體電路中。其中，光二極體21上之屏蔽層24設有開孔25，可容許光線通過，而光二極體22上之屏蔽層25則能夠完全阻隔光線。如同前述，光二極體21可透過屏蔽層24上之開孔25偵測光線，並產生光感測訊號，再將光感測訊號中波長較長的紅外線成份耦合到光二極體22。而由於本發明之紅外線偵測裝置2巧妙的設計，可以使用一般的光二極體等作為感測元件，因此可以輕易地與晶載互補金氧半導體信號處理裝置或晶載雙極互補金氧半導體信號處理裝置(On-Chip CMOS or BICMOS Signal Processing Solution)整合在一起，可有效的減少電子產品之製作成本。

請參閱第3圖，係為本發明之紅外線偵測裝置之第三實施例之示意圖。在本實施例中，本發明之紅外線偵測裝置3與環境光感測器38及39整合在一起。光二極體32及33是採完全屏蔽的設計，而光二極體31是採部分屏蔽的設計。而光二極體32及33分別以溝漕35及36與光二極體31相隔。當然，在實際應用上，溝漕35及36之大小可做調整，藉此可改變能耦合到光二極體32及33之光感測訊號之最短波長，以因應不同的需求。而光二極體31則透過位於屏蔽層34上之十字型的開孔37偵測光線，並將部分訊號耦合到光二極體32及33。而開孔37與光二極體31的形狀可依實施需求作不同的調整，在本實施例中，開孔37的形狀為的十字形，其面積小於光二極體31，而開孔的形狀可以依光二極體31的形狀作不同的改變，其也可以圓形、三角形、矩形或多邊形等其它形狀。另外，部分屏蔽的光二極體31配置的數量與完全屏蔽的光二極體32及33配置的數量也可依實際需求而調整，本發明並不以此為限。

請參閱4圖，係為本發明之紅外線偵測裝置之第四實施例之示意圖。如圖所示，本發明之紅外線偵測裝置3與環境光感測器42及43整合在一起，而與第3圖不同的是，在本實施中，紅外線偵測裝置4之開孔41為長方形的設計，而光二極體的位置也不相同。

請參閱第5圖，係為本發明之紅外線偵測裝置之第五實施例之示意圖。如圖所示，本發明之紅外線偵測裝置5與配有法布里-珀羅濾波器之色彩感測器56(Multi-Color RGB Sensors with Fabry-Perot Filters)整合在一起。而光二極體52採完全屏蔽的設計，而光二極體51則採部分屏蔽的設計，而屏蔽層54上之開孔53及光二極體51為十字形，光二極體51及52間設置有溝槽55。而色彩感測器56分別可感測三種不同波長範圍的光線。

請參閱第6圖，係為白熾燈與鹵素燈光源之光譜圖，如圖所示，白熾燈與鹵素燈光源均含有波長700nm以上之紅外線訊號。因此，當色彩感測器56偵測白熾燈或鹵素燈光源時，同時會感測到許多不必要的雜訊，進而造成偵測上的誤差。

請參閱第7A圖，係為本發明之紅外線偵測裝置之第五實施例之色彩感測器之光譜圖。如圖所示，當色彩感測器56偵測白熾燈時，除了正常的感測訊號外，也會有雜訊7的產生，其主要為波長700nm以上之紅外線訊號。而為了要過濾掉不必要的雜訊7，則需要將紅外線訊號偵測出來，並加以過濾。

請參閱第7B圖，係為本發明之紅外線偵測裝置之第五實施例之紅外線偵測裝置之光譜響應圖。如圖所示，部分屏蔽的光二極體51可感測寬頻帶之光感測訊號，因此其光譜響應曲線71包含大部分的波長(400nm~1000nm)。而由於部分屏蔽的光二極體51將其感測到之光感測訊號之中波長900nm以上的紅外線訊號耦合到完全屏蔽的光二極體52，因此光二極體52之光譜響應曲線72則僅包含了波長900nm以上的紅外線訊號，因此本發明之紅外線偵測裝置5能確實的將波長較長的紅外線偵測出來，以消除環境光感測器及色彩感測器等偵測到的雜訊，以提高其精確度。

請參閱第8圖，係為本發明之紅外線偵測裝置之第五實施例之電路圖。如圖所示，本發明之紅外線偵測裝置5將感測到之光感測訊號傳送至類比前端放大器82(Analog Front End AMP)，經過類比前端放大器82處理後，再進入數位信號處理電路83。而色彩感測器56也將感測到之光感測訊號傳送至類比前端放大器81，經過類比前端放大器81處理後，再進入數位信號處理電路83。此時，數位信號處理電路83會依據紅外線偵測裝置5將感測到之波長700nm以上之光感測訊號，消除色彩感測器56之光感測訊號中之雜訊，再經由數位類比轉換器84輸出處理過之光感測訊號，如此則可有效提升色彩感測器56感測的精確度。

請參閱第9A圖及第9B圖，係為本發明之紅外線偵測裝置之電路配置圖。在第9A圖中，部分屏蔽的光二極體91與完全屏蔽的光二極體92係位於屏蔽層94 之下之同一平面，同樣的，兩者之間也有溝槽93。而在第9B圖中，屏蔽層97下方為部分屏蔽之光二極體95，光二極體95下方則為完全屏蔽之光二極體96，而光二極體95及96之間也設置有溝槽(未繪於圖中)。而上述二種方式為較常見且效果較好的配置方式，除了上述二種配置方式外，也可能有其它的配置方式，端視實際運用的需求而定，本發明並不以此為限。

儘管前述在說明本發明之紅外線偵測裝置的過程中，亦已同時說明本發明之紅外線偵測方法之概念，但為求清楚起見，以下仍另繪示流程圖詳細說明。

請參閱第10圖，係為本發明之紅外線偵測方法之流程圖。如圖所示，本發明之紅外線偵測方法，係適用於一紅外線偵測裝置，該紅外線偵測裝置係包含一屏蔽層、至少一第一光感測單元、至少一第二光感測單元及一溝槽。紅外線偵測裝置之紅外線偵測方法係包含下列步驟：

(S101)調整至少一第一光感測單元及至少一第二光感測單元之間之溝槽之大小；

(S102)利用至少一第一光感測單元分析由其上之屏蔽層之開孔射入之光線，而產生光感測訊號；

(S103)藉由至少一第一光感測單元將光感測訊號中之部分訊號耦合到至少一第二光感測單元；以及

(S104)經由至少一第二光感測單元輸出此部分訊號。

本發明之紅外線偵測裝置之紅外線偵測方法的詳細說明以及實施方式已於前面敘述本發明之紅外線偵測裝置時描述過，在此為了簡略說明便不再敘述。

綜上所述，本發明之紅外線偵測裝置可精確的偵測光線中之紅外線成份，因此可整合色彩感測器及環境光感測器進行光學感測，並提供光校正因子(Optical Correction Factor)，以改善在不同的光源的情況之下，色彩感測器及環境光感測器等之感測誤差，提升色彩感測器及環境光感測器等之精確度。當然，本發明之紅外線偵測裝置更可以單獨使用，以偵測光線中波長較長之紅外線成份。在另一方面，本發明之紅外線偵測裝置及其偵測方法設計上可以很輕易地跟互補式金氧半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)或雙極性互補式金氧半導體(Bipolar-Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，BICMOS)等常見的電子元件整合在一起，因此有很高的實用性。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1、2、3、4、5．．．紅外線偵測裝置

7．．．雜訊

10．．．光源

11、24、34、54、94、97．．．屏蔽層

111．．．開孔

12．．．第一光感測單元

121．．．光感測訊號

122．．．部分訊號

13．．．第二光感測單元

14、35、36、55、93．．．溝槽

21、22、31~33、51、52、91、92、95、96．．．光二極體

23．．．金氧半導體元件

25、37、41、53．．．開孔

38、39、42、43．．．環境光感測器

56．．．色彩感測器

71、72．．．光譜響應曲線

81、82．．．類比前端放大器

83．．．數位信號處理電路

84．．．數位類比轉換器

S101~S104．．．步驟流程

第1圖係為本發明之紅外線偵測裝置之第一實施例之方塊圖。
第2圖係為本發明之紅外線偵測裝置之第二實施例之示意圖。
第3圖係為本發明之紅外線偵測裝置之第三實施例之示意圖。
第4圖係為本發明之紅外線偵測裝置之第四實施例之示意圖。
第5圖係為本發明之紅外線偵測裝置之第五實施例之示意圖。
第6圖係為白熾燈與鹵素燈光源之光譜圖。
第7A圖係為本發明之紅外線偵測裝置之第五實施例之色彩感測器之光譜圖。
第7B圖係為本發明之紅外線偵測裝置之第五實施例之紅外線偵測裝置之光譜響應圖。
第8圖係為本發明之紅外線偵測裝置之第五實施例之電路圖。
第9A圖係為本發明之紅外線偵測裝置之電路配置圖。
第9B圖係為本發明之紅外線偵測裝置之電路配置圖。
第10圖係為本發明之紅外線偵測方法之流程圖。

1．．．紅外線偵測裝置

10．．．光源

11．．．屏蔽層

111．．．開孔

12．．．第一光感測單元

121．．．光感測訊號

122．．．部分訊號

13．．．第二光感測單元

14．．．溝槽

Claims (16)

1. 一種紅外線偵測裝置，其包含：
   一屏蔽層，係阻隔光線；
   至少一第一光感測單元，係位於該屏蔽層之下，該至少一第一光感測單元上方之該屏蔽層設置有一開孔；以及
   至少一第二光感測單元，係位於該屏蔽層之下；
   其中，該至少一第一光感測單元分析由該開孔進入之光線，而產生一光感測訊號，並將該光感測訊號中之一部分訊號耦合至該至少一第二光感測單元。
   
2. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線偵測裝置，更包含一溝槽，係位於該至少一第一光感測單元及該至少一第二光感測單元之間，而改變該溝槽之大小能改變耦合至該至少一第一光感測單元之該部分訊號之最短波長。
3. 如申請專利範圍第2項所述之紅外線偵測裝置，其中該開孔係小於該至少一第一光感測單元之面積。
4. 如申請專利範圍第3項所述之紅外線偵測裝置，其中該開孔的形狀係為十字形、圓形、三角形、矩形或多邊形。
5. 如申請專利範圍第4項所述之紅外線偵測裝置，其中該至少一第一光感測單元與該至少一第二光感測單元係位於同一平面。
6. 如申請專利範圍第4項所述之紅外線偵測裝置，其中該至少一第一光感測單元係位於該至少一第二光感測單元之上方。
7. 如申請專利範圍第4項所述之紅外線偵測裝置，其中該屏蔽層之材料係包含鋁、銅、多晶矽或黑色高分子介質層。
8. 如申請專利範圍第4項所述之紅外線偵測裝置，其中該第一光感測單元與該第二光感測單元為光二極體。
9. 一種紅外線偵測方法，係包含下列步驟：
   利用至少一第一光感測單元分析由該至少一第一光感測單元上方之一屏蔽層之一開孔射入之光線，而產生一光感測訊號；
   藉由該至少一第一光感測單元將該光感測訊號中之一部分訊號耦合到至少一第二光感測單元；以及
   由該至少一第二光感測單元輸出該部分訊號。
10. 如申請專利範圍第9項所述之紅外線偵測方法，更包含下列步驟：
    調整該至少一第一光感測單元及該至少一第二光感測單元之間之一溝槽之大小，以改變耦合至該至少一第一光感測單元之該部分訊號之最短波長。
11. 如申請專利範圍第10項所述之紅外線偵測方法，其中該開孔係小於該至少一第一光感測單元之面積。
12. 如申請專利範圍第11項所述之紅外線偵測方法，其中該開孔的形狀係為十字形、圓形、三角形、矩形或多邊形。
13. 如申請專利範圍第12項所述之紅外線偵測方法，其中該至少一第一光感測單元與該至少一第二光感測單元係位於同一平面。
14. 如申請專利範圍第12項所述之紅外線偵測方法，其中該至少一第一光感測單元係位於該至少一第二光感測單元之上方。
15. 如申請專利範圍第12項所述之紅外線偵測方法，其中該屏蔽層之材料係包含鋁、銅、多晶矽或黑色高分子介質層。
16. 如申請專利範圍第12項所述之紅外線偵測方法，其中該第一光感測單元與該第二光感測單元為光二極體。