光傳感器裝置和光譜儀的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】光傳感器裝置和光譜儀
[0001 ]本發(fā)明涉及光傳感器裝置和光譜儀。
[0002]顏色傳感器是允許進(jìn)行精確的顏色測(cè)量、確定和辨別的裝置。精準(zhǔn)的顏色傳感器使用硅二極管和有機(jī)濾波器。有機(jī)濾波器用于濾掉要被檢測(cè)的光譜的特定部分。然后，顏色傳感器記錄相應(yīng)的顏色信號(hào)，該相應(yīng)的顏色信號(hào)進(jìn)而指示光的顏色。有機(jī)顏色濾波器主要在阻帶方面具有一定的變化性，這是由于制成有機(jī)顏色濾波器的材料的厚度的變化造成的。此外，這些濾波器通常對(duì)于紅外光而言是透明的。精準(zhǔn)的顏色傳感器通常采用有機(jī)顏色濾波器和干涉濾波器的組合來(lái)阻隔紅外光。
[0003]干涉濾波器或二向色濾波器是以下光學(xué)濾波器，其對(duì)一個(gè)或更多個(gè)光譜帶或者光譜線(xiàn)進(jìn)行反射并且對(duì)其它光譜帶或者光譜線(xiàn)進(jìn)行透射。通常，這些類(lèi)型的濾波器針對(duì)所關(guān)注的所有波長(zhǎng)保持很低的吸收。使用干涉濾波器作為顏色濾波器具有以下優(yōu)點(diǎn):可以在高的程度上控制干涉濾波器的光學(xué)性質(zhì)例如高通、低通、帶通或帶阻。然而，干涉濾波器具有以下固有缺點(diǎn):干涉濾波器的光學(xué)性質(zhì)取決于光入射到濾波器上的角度。
[0004]干涉濾波器的光學(xué)性質(zhì)的方向變化受到入射角或孔徑角的增大的影響，并且還取決于各種其它事物。例如，濾波器的光譜位置、入射光的偏振狀態(tài)、用于層的材料和濾波器系統(tǒng)的整體上的設(shè)計(jì)是影響濾波器的光學(xué)性質(zhì)的參數(shù)。由于以下事實(shí)所以甚至相同類(lèi)型的濾波器可以呈現(xiàn)不同程度的角度相關(guān)性:系統(tǒng)設(shè)計(jì)取決于濾波器的光譜位置，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須變化以便符合要與干涉濾波器一起使用的裝置的光譜規(guī)格。當(dāng)增大入射角時(shí)，干涉濾波器的透射波長(zhǎng)或邊緣位置向更短的波長(zhǎng)偏移。
[0005]最近，等離子激元(plasmonic)顏色濾波器已經(jīng)變得可以用于圖像傳感器應(yīng)用。在這個(gè)背景下，基于表面等離子激元的納米結(jié)構(gòu)由于其小的尺寸而提供有效操作光的能力。通過(guò)改變?cè)摷{米結(jié)構(gòu)，可以生產(chǎn)如下顏色濾波器，該顏色濾波器能夠在保證緊湊的裝置架構(gòu)的情況下以高空間分辨率來(lái)透射任意顏色。然而，等離子激元濾波器的光譜響應(yīng)度也隨著入射光的角度而變化。
[0006]盡管吸收濾波器不具有角度相關(guān)性，但是吸收濾波器的濾波特性受限于其化學(xué)成分。這些設(shè)計(jì)限制具有以下缺點(diǎn):吸收濾波器的濾波特性?xún)H可以在有限的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，例如，與角度相關(guān)的干涉濾波器相比，吸收濾波器不具有陡的響應(yīng)?，F(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)提出了若干個(gè)光學(xué)解決方案，并且現(xiàn)今復(fù)雜的系統(tǒng)可以用于將入射角限制成接近零度以克服上述濾波器類(lèi)型的角度相關(guān)性影響。這樣的系統(tǒng)可以基于使用棱鏡或其它體積相當(dāng)大的光學(xué)裝置的光譜儀。這些光學(xué)儀器的大小可能是顯著的。然而，光傳感器的總高度在現(xiàn)今的應(yīng)用中變得更加重要，其中，例如對(duì)于移動(dòng)裝置如手機(jī)或智能手機(jī)而言，小的產(chǎn)品厚度是一個(gè)關(guān)鍵的銷(xiāo)售因素。
[0007]本發(fā)明的目的是提供具有減小的尺寸的光傳感器裝置和光譜儀。
[0008]通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求的主題來(lái)解決這個(gè)目的。其它實(shí)施方式針對(duì)從屬權(quán)利要求。
[0009]光傳感器裝置包括具有光傳感器、光學(xué)濾波器和掩模的堆疊。光傳感器進(jìn)一步包括光敏表面。
[0010]掩模包括上部不透明基片，其背離光敏表面并且具有第一孔，每個(gè)第一孔均限定掩模中的光路。掩模進(jìn)一步包括下部不透明基片，其面向光敏表面并且具有第二孔，每個(gè)第二孔均限定掩模中的相應(yīng)的光路。掩模位于光學(xué)濾波器與光傳感器之間。例如，光學(xué)濾波器連接至上部基片。上部基片和下部基片二者均由金屬制成，并且可以以晶圓工藝制造。
[0011]光路被設(shè)計(jì)成允許入射光在具有來(lái)自角度的容許區(qū)間內(nèi)的入射角時(shí)到達(dá)光敏表面。角度的容許區(qū)間分別由第一孔的大小和第二孔的大小確定并且相對(duì)于光路的光軸被限定。
[0012]當(dāng)操作時(shí)，光傳感器裝置接收來(lái)自要被分析的光源的光或來(lái)自環(huán)境的環(huán)境光。在任一情況下，光以一定的入射角入射到光傳感器裝置上。掩模具有上述結(jié)構(gòu)，并且限定光傳感器裝置的特定的方向性。事實(shí)上，掩模阻隔來(lái)自比角度的容許區(qū)間更大的角度的所有光，使得大部分是具有接近零的入射角的光將會(huì)到達(dá)光傳感器，亦即，光傳感器的光敏表面。此夕卜，光學(xué)濾波器確定允許來(lái)自入射光的哪個(gè)波長(zhǎng)穿過(guò)以到達(dá)光敏表面。
[0013]由于掩模特別是掩模的不透明基片和孔的方向性，所以所提出的光傳感器裝置具有改進(jìn)的光譜性質(zhì)。因此，僅被限定的(按照角度的容許區(qū)間被限定的)光可以到達(dá)光敏表面，并且因此可以使用方向光學(xué)濾波器而不需要體積較大的光學(xué)系統(tǒng)。因此，光傳感器裝置可以被堆疊成具有相當(dāng)?shù)偷目偢叨?，這在本質(zhì)上要求低空間的應(yīng)用中是關(guān)鍵因素?？偢叨韧ǔＴ趲孜⒚椎姆秶鷥?nèi)。
[0014]此外，所提出的光傳感器裝置可以以晶圓工藝來(lái)集成，亦即，可以被制造為單個(gè)微芯片。例如，可以使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)來(lái)涂覆光學(xué)濾波器。
[0015]在另一實(shí)施方式中，光學(xué)濾波器包括方向光學(xué)濾波器。方向光學(xué)濾波器例如是干涉濾波器或等離子激元濾波器。光學(xué)濾波器具有方向相關(guān)的透射特性，亦即，透射曲線(xiàn)取決于入射到濾波器上的光的入射角而偏移。
[0016]在另一實(shí)施方式中，掩模包括具有多個(gè)基片的堆疊，多個(gè)基片包括作為頂部基片的上部基片、作為底部基片的下部基片以及在上部基片與下部基片之間的至少一個(gè)中部基片。中部基片包括第三孔。第三孔分別被布置成限定掩模中的光路。這以由第一孔的大小、第二孔的大小和第三孔的大小來(lái)確定角度的容許區(qū)間的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。堆疊基片并且從而形成掩模，亦即，基片形成堆疊的層。優(yōu)選地，掩模包括三個(gè)基片，例如下部基片、一個(gè)中部基片和上部基片，其中，基片由金屬制成。
[0017]在另一實(shí)施方式中，下部基片、至少一個(gè)中部基片和上部基片借助于通孔相互堆疊。替代地，多個(gè)基片直接地相互堆疊。優(yōu)選地，通孔由金屬制成并且可以以晶圓工藝來(lái)制造。通孔位于相應(yīng)的基片之間并且將基片垂直地相互連接。實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)的一個(gè)可行的方式是借助于3D集成電路和封裝技術(shù)，例如娃通孔(through-silicon vias)。
[0018]在另一實(shí)施方式中，光路的每個(gè)光軸均與第一孔對(duì)準(zhǔn)。特別地，每個(gè)光軸均與第一孔的幾何中心對(duì)準(zhǔn)。通常，可以限定掩模中的光路的任何角度。例如，在45°的角度情況下，光傳感器裝置的視場(chǎng)相對(duì)于光敏表面是傾斜的。
[0019]在另一實(shí)施方式中，光軸相對(duì)于光敏表面的表面法線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)。特別地，光軸與光敏表面的表面法線(xiàn)平行地對(duì)準(zhǔn)。在這種情況下，光傳感器裝置的視場(chǎng)相對(duì)于光敏表面對(duì)準(zhǔn)。
[0020]在另一實(shí)施方式中，第一孔以規(guī)則圖案布置在上部基片上。特別地，第一孔以矩陣圖案布置在上部基片上。優(yōu)選地，以相同的矩陣圖案布置其它孔。
[0021]在另一實(shí)施方式中，第一孔具有多角形形狀。優(yōu)選地，其它孔具有相同的多角形形狀。
[0022]在另一實(shí)施方式中，第一孔具有矩形形狀。優(yōu)選地，其它孔具有相同的矩形形狀。
[0023]在另一實(shí)施方式中，第一孔具有蜂巢形狀。優(yōu)選地，其它孔具有相同的蜂巢形狀。
[0024]在另一實(shí)施方式中，第一孔、第二孔、第三孔和/或在更多個(gè)中部基片中的其它孔具有相同的形狀和大小。
[0025]在另一實(shí)施方式中，光傳感器裝置包括擴(kuò)散器，該擴(kuò)散器連接至光傳感器、光學(xué)濾波器和掩模的堆疊的上面并且背離光敏表面。
[0026]在另一實(shí)施方式中，光傳感器包括光電二極管，特別是紅外光電二極管。
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