CN103035656B - 一种基于cmos加工工艺的光传感*** - Google Patents
一种基于cmos加工工艺的光传感*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN103035656B CN103035656B CN201110060727.5A CN201110060727A CN103035656B CN 103035656 B CN103035656 B CN 103035656B CN 201110060727 A CN201110060727 A CN 201110060727A CN 103035656 B CN103035656 B CN 103035656B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- grating
- diffraction grating
- optical sensor
- cmos
- sensor system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 38
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000012545 processing Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 26
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 6
- 239000002355 dual-layer Substances 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- LFEUVBZXUFMACD-UHFFFAOYSA-H lead(2+);trioxido(oxo)-$l^{5}-arsane Chemical compound [Pb+2].[Pb+2].[Pb+2].[O-][As]([O-])([O-])=O.[O-][As]([O-])([O-])=O LFEUVBZXUFMACD-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000003760 hair shine Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
本发明提供了一种基于CMOS加工工艺的光传感***，包括集成设置在CMOS电路板上的光传感器以及与光传感器连接的运算电路，所述光传感器由传感单元阵列而成，所述传感单元包括衍射光栅、分析光栅和PN结阵列，分析光栅与衍射光栅之间的垂直距离为衍射光栅泰保距离的m/n倍，m和n是正整数，所述分析光栅以一定距离对所述衍射光栅形成错位遮挡，由此很方便地实现了对平面光的角度信息的检测，从而扩展了光传感***的功能应用，工艺设计简单，适合于大规模产业化制作。
Description
【技术领域】
本发明涉及光传感和光通信领域，具体地涉及一种基于CMOS加工工艺的光传感***。
【背景技术】
近30年来，半导体工业一直遵循着摩尔定律不断发展着，作为半导体工业的基础之一，半导体工艺技术也在日益地发展和完善。自20世纪60年代中期CMOS器件发明之后，CMOS工艺便开始了长足地快速发展，CMOS工艺是在PMOS和NMOS工艺基础上发展起来的，是将NMOS器件和PMOS器件同时布置在同一硅衬底上来制作CMOS集成电路的，CMOS最基础的工艺有：生产所需类型衬底的硅圆片工艺；确定加工区域的光刻工艺；向芯片中增加材料的氧化、淀积、扩散和离子注入工艺；去除芯片上的材料的刻蚀工艺；集成电路的制造就是由这些基础工艺的不同组合构成的。
随着半导体工艺技术尤其是CMOS工艺技术的快速发展，单个芯片上晶体管的数量正成几何级数不断增长，芯片这一按比例缩小的趋势使得芯片在高度集成化的同时拥有了更多、更复杂的功能。自20世纪90年代以来，集成电路、微处理器的芯片制造工艺已从“微米级”、“深亚微米级”进入到“纳米电子级”的***单芯片时代，在一个CMOS集成芯片上，可以集成包括CPU、DSP、逻辑电路、模拟电路、射频电路、存储器和其他电路模块及嵌入软件等，并相互连接构成完整的***。
近年来，作为传感器技术中十分重要的一员，光传感技术在许多应用领域得到了长足的发展，目前各种光传感器已广泛应用在各个行业。所谓光传感器就是以光为检测对象所谓光传感器就是以光为检测对象，将光信号转换成电信号的器件，通常是指紫外到红外波长范围的传感器，它是利用材料的光电效应制成的探测器，故也称为光电转换器。由于光传感技术具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰能力强、便于集成、可在线检测等众多优点，目前光传感器件在光通信、环境监测等各个领域中得到了广泛的应用和发展。目前的光传感器主要有基于光纤、光栅和平面光波导等几种类型，通过CMOS工艺，可以将光传感器集成到CMOS集成芯片上，通过集成的逻辑电路和运算电路等，可以对光传感器输出的电信号进行计算得到平面光的强度信息，进而得到待测量的信息。但现有的光传感器难以同时集成复杂的光电性能在单一芯片，以同时实现对光信号强度信息和角度信息的检测。
【发明内容】
本发明为解决上述技术问题，提供一种基于CMOS加工工艺的光传感***。
本发明实现发明目的采用的技术方案是：一种基于CMOS加工工艺的光传感***，包括集成设置在CMOS电路板上的光传感器以及与光传感器连接的运算电路，所述光传感器由传感单元阵列而成，所述传感单元包括衍射光栅、分析光栅和PN结阵列，所述衍射光栅和分析光栅呈双层平行结构设置在所述电路板的金属布线层，所述分析光栅平行设置在所述衍射光栅的下方，分析光栅与衍射光栅之间的垂直距离为衍射光栅泰保距离的m/n倍，m和n是正整数，所述分析光栅以一定距离对所述衍射光栅形成错位遮挡，所述PN结阵列位于所述分析光栅的下方并设置于所述CMOS电路板的硅衬底层内。
优选地，所述传感单元的衍射光栅两两相互垂直形成传感单元对。
优选地，所述分析光栅与所述衍射光栅之间的垂直距离为1/2倍衍射光栅泰保距离。
优选地，对应于每个PN结，在所述分析光栅中等间距地将一个遮挡光栅的宽度增加D/N，D为所述衍射光栅的栅距，N为大于等于2的整数，形成所述分析光栅以一定距离对所述衍射光栅形成错位遮挡。
优选地，对应于每个PN结，在所述分析光栅中等间距将一个光栅空隙的宽度增加D/N，D为所述衍射光栅的栅距，N为大于等于2的整数，形成所述分析光栅以一定距离对所述衍射光栅形成错位遮挡。
优选地，所述N大于或等于4。
优选地，所述运算电路为由CMOS加法器、减法器、除法器和反正切运算电路组成的对所述PN结阵列输出的信号进行计算以反推出平面光角度信息的运算电路。
本发明的有益效果是：基于CMOS工艺，在CMOS电路板中集成设置一平面光传感器，通过由衍射光栅、分析光栅和PN结阵列组成的传感单元实现对平面光的角度信息的检测，从而扩展了光传感***的功能应用，且工艺设计简单，适合于大规模产业化制作。
【附图说明】
图1，平面光传感器的平面视图。
图2，图1中传感单元对的放大视图。
图3，实施例1基于CMOS工艺的传感单元结构示意图。
图4，实施例2基于CMOS工艺的传感单元结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明进行详细地说明。
一种基于CMOS加工工艺的光传感***，包括集成设置在CMOS电路板上的平面光传感器以及与平面光传感器连接的运算电路，平面光传感器由传感单元对阵列而成，传感单元对由两个相同的传感单元100组成，附图1示出了由多个传感单元对I组成的平面光传感器的平面视图，图中I表示传感单元对。附图2示出了传感单元对的放大视图，图中，两个传感单元100中的衍射光栅101相互垂直。
实施例1：
附图3示出了实施例1基于CMOS工艺的传感单元结构示意图，传感单元100由衍射光栅101、分析光栅102和PN结阵列103组成，衍射光栅101和分析光栅102呈双层平行结构设置在CMOS电路板的金属布线层内，分析光栅102平行设置在衍射光栅101的下方，分析光栅102与衍射光栅101之间的平行距离为1/2倍衍射光栅泰保距离，4个PN结组成PN结阵列103位于分析光栅102的下方并设置于CMOS电路板的硅衬底层200内，对应于每个PN结，在分析光栅102中等间距地将一个遮挡光栅104的宽度增加1/4D，D为衍射光栅101的栅距，形成分析光栅102以1/4D、1/2D、3/4D、D的距离对衍射光栅101形成错位遮挡。
其中，衍射光栅101是以泰保效应(Talbot effect)为依据进行设计的，其内容可概括为：当周期性的光信号照射到衍射光栅101上时，其像会在离衍射光栅101的固定距离一系列倍数的位置重复出现，而这个固定距离就称为泰保距离(Talbot length)，这些像被称为自成像(Self Image)或者泰保像(Talbot Image)。本发明利用泰保效应(Talbot effect)探测光的入射角度的原理是：当光的入射角改变时，衍射光栅101的自成像(Self Image)会发生横向移动，而成像的深度却不会有明显的变化。因此，通过测量这些横向移动程度我们就可以提取出入射光的角度信息。为了提取这些横向移动信息，本发明在衍射光栅101(diffraction grating)的下层附加了一层分析光栅102(additional analyzer grating)，分析光栅102根据摩尔效应(moire effect)影响衍射光栅的自成像(Self Image)：当自成像的强度峰值与分析光栅102的透光处在同一条直线上，那么光信号便直接照射到分析光栅102下的PN结阵列上；当自成像的强度峰值与分析光栅102的透光处不在同一条直线上，光信号便会不同程度地被分析光栅102所遮挡。
这样，通过附加了一层分析光栅102，便使两层光栅结构下不同位置处的光强度产生不同，并且这些强度信息中包含了入射光的角度信息；然后我们在这些位置上布置光电感应阵列以使它们获取不同的光强度响应，而这些强度响应中包含了光的角度信息，通过对不同位置PN结的光强度响应进行运算处理，便可反推出光的入射角度。目前，大部分的光电感应元件都是利用光照射PN结产生光电流而制成的光电器件，在PN结阵列103中，PN结处于反向偏置状态，当入射光强度发生变化时，PN结附近产生的电子-空穴的浓度会发生相应变化，从而改变少数载流子的浓度，最终使光电流强度发生改变。
4个PN结阵列103的输出响应可以用如下公式进行描述：
V0＝I0(1-mcos(bθ))F(θ) (1)
V1＝I0(1+msin(bθ))F(θ)) (2)
V2＝I0(1+mcos(bθ))F(θ)) (3)
V3＝I0(1-msin(bθ))F(θ)) (4)
其中，θ表示光入射角度，m和b均为角度系数，F(θ)表示光表面反射信息，V0、V1、V2、V3表示不同位置处的输出响应；I0表示光强度。
通过公式(1)-(4)，由CMOS加法器、减法器、除法器和反正切运算电路组成的运算电路对所述PN结阵列输出的信号进行计算，可以很容易地反推出：
实施例2：
附图4示出了实施例2基于CMOS工艺的传感单元结构示意图，传感单元100由衍射光栅101、分析光栅102和PN结阵列103组成，所述衍射光栅101和分析光栅102呈双层平行结构设置在CMOS电路板的金属布线层内，分析光栅102平行设置在衍射光栅101的下方，分析光栅102与衍射光栅101之间的平行距离为衍射光栅泰保距离，4个PN结组成PN结阵列103位于分析光栅102的下方并设置于CMOS电路板的硅衬底层200内，对应于每个PN结，在分析光栅102中等间距地将一个光栅空隙105的宽度增加1/4D，D为衍射光栅101的栅距，形成分析光栅102以1/4D、1/2D、3/4D、D的距离对衍射光栅101形成错位遮挡。
实施例2的原理与实施例1相同，在此不再重述。
应当理解的是：当组成PN结阵列103的PN结个数为2、3或其他任意大于2的整数时，仍然可以通过光信号响应公式反推出光入射角度θ，只不过需要更为复杂的运算过程。
应当理解的是：分析光栅102与衍射光栅101之间的垂直距离可以为泰保距离的任意m/n倍时(m、n为正整数)。
由上述说明可知，基于CMOS工艺，在CMOS电路板中集成设置一平面光传感器，通过由衍射光栅、分析光栅和PN结阵列组成的传感单元实现对平面光的角度信息的检测，从而扩展了光传感***的功能应用，且工艺设计简单，适合于大规模产业化制作。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。
Claims (5)
1.一种基于CMOS加工工艺的光传感***，包括集成设置在CMOS电路板上的光传感器以及与光传感器连接的运算电路，其特征在于：所述光传感器由传感单元阵列而成，所述传感单元包括衍射光栅、分析光栅和PN结阵列，所述衍射光栅和分析光栅呈双层平行结构设置在所述电路板的金属布线层，所述分析光栅平行设置在所述衍射光栅的下方，分析光栅与衍射光栅之间的垂直距离为衍射光栅泰保距离的m/n倍，m和n是正整数，所述分析光栅以一定距离对所述衍射光栅形成错位遮挡，所述PN结阵列位于所述分析光栅的下方并设置于所述CMOS电路板的硅衬底层内；
对应于每个PN结，在所述分析光栅中等间距地将一个遮挡光栅的宽度或光栅空隙的宽度增加D/N，D为所述衍射光栅的栅距，N为大于等于2的整数，形成所述分析光栅以一定距离对所述衍射光栅形成错位遮挡。
2.根据权利要求1所述的一种基于CMOS加工工艺的光传感***，其特征在于：所述传感单元的衍射光栅两两相互垂直形成传感单元对。
3.根据权利要求1所述的一种基于CMOS加工工艺的光传感***，其特征在于：所述分析光栅与所述衍射光栅之间的垂直距离为1/2倍衍射光栅泰保距离。
4.根据权利要求1所述的一种基于CMOS加工工艺的光传感***，其特征在于：所述N大于或等于4。
5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的一种基于CMOS加工工艺的光传感***，其特征在于：所述运算电路为由CMOS加法器、减法器、除法器和反正切运算电路组成的对所述PN结阵列输出的信号进行计算以反推出平面光角度信息的运算电路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110060727.5A CN103035656B (zh) | 2011-03-15 | 2011-03-15 | 一种基于cmos加工工艺的光传感*** |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110060727.5A CN103035656B (zh) | 2011-03-15 | 2011-03-15 | 一种基于cmos加工工艺的光传感*** |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103035656A CN103035656A (zh) | 2013-04-10 |
| CN103035656B true CN103035656B (zh) | 2015-08-12 |
Family
ID=48022388
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201110060727.5A Active CN103035656B (zh) | 2011-03-15 | 2011-03-15 | 一种基于cmos加工工艺的光传感*** |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103035656B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010044943A2 (en) * | 2008-07-25 | 2010-04-22 | Cornell University | Light field image sensor, method and applications |
| WO2010146503A1 (en) * | 2009-06-16 | 2010-12-23 | Koninklijke Philips Electronics N. V. | Correction method for differential phase contrast imaging |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008048683A1 (de) * | 2008-09-24 | 2010-04-08 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zur Bestimmung von Phase und/oder Amplitude zwischen interferierenden benachbarten Röntgenstrahlen in einem Detektorpixel bei einem Talbot-Interferometer |
-
2011
- 2011-03-15 CN CN201110060727.5A patent/CN103035656B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010044943A2 (en) * | 2008-07-25 | 2010-04-22 | Cornell University | Light field image sensor, method and applications |
| WO2010044943A3 (en) * | 2008-07-25 | 2010-07-22 | Cornell University | Light field image sensor, method and applications |
| WO2010146503A1 (en) * | 2009-06-16 | 2010-12-23 | Koninklijke Philips Electronics N. V. | Correction method for differential phase contrast imaging |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103035656A (zh) | 2013-04-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3896746B1 (en) | Single-photon avalanche diode and manufacturing method, detector array, and image sensor | |
| KR101629044B1 (ko) | 광 필드 이미지 센서, 방법 및 적용 | |
| US9357956B2 (en) | Spectroscopic sensor and electronic apparatus | |
| KR101904033B1 (ko) | 광 필드 이미지 센서, 방법들 및 응용들 | |
| Kim et al. | Whispering gallery modes enhance the near-infrared photoresponse of hourglass-shaped silicon nanowire photodiodes | |
| EP1477776B1 (en) | Photoelectric encoder | |
| EP1607773B1 (en) | Polarization sensitive solid state image sensor | |
| JP2013167536A (ja) | 光電式エンコーダ | |
| US20100231924A1 (en) | Integrated monolithic interference detection device | |
| JP2004340612A (ja) | 光電式エンコーダ | |
| JP4834141B2 (ja) | 光電式エンコーダ | |
| CN103035656B (zh) | 一种基于cmos加工工艺的光传感*** | |
| KR20120001751A (ko) | 복사 수신 반도체 소자 및 광전 장치 | |
| GB2094974A (en) | Photoelectric encoder device | |
| CN104034459B (zh) | 光学柔性二维切向力触觉传感器 | |
| Sung et al. | Direct and continuous liquid-level sensing using gallium nitride ultraviolet photodetectors | |
| CN106024921A (zh) | 悬挂型可见光及近红外波段硅基光波导集成光电探测器 | |
| JP2013047658A (ja) | 光検出装置 | |
| JP5375840B2 (ja) | 光センサ | |
| CN102759370B (zh) | 一种基于平面光波导的光传感*** | |
| JP2012058140A (ja) | 光センサ | |
| JP4350419B2 (ja) | 光電式エンコーダ | |
| Yang et al. | Integrated colour detectors in 0.18 µm CMOS technology | |
| JP4265928B2 (ja) | 光電式エンコーダ | |
| JP2009236854A (ja) | 光学式エンコーダ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Free format text: FORMER OWNER: SHENZHEN KUANG-CHI INNOVATION TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20150715 Owner name: SHENZHEN GUANGQI INTELLIGENT PHOTONICS TECHNOLOGY Free format text: FORMER OWNER: SHENZHEN KUANG-CHI INSTITUTE OF ADVANCED TECHNOLOGY Effective date: 20150715 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20150715 Address after: 518000 Guangdong city of Shenzhen province Futian District Shennan Road and CaiTian Road intersection East Xintiandi Plaza C block 2007-27 Applicant after: Shenzhen Guang Qi intelligent photonic Technology Co., Ltd. Address before: 518057 Guangdong city of Shenzhen province Nanshan District New South Hing a City University Hong Kong No. 8 and building 3 Applicant before: Shenzhen Kuang-Chi Institute of Advanced Technology Applicant before: Shenzhen Kuang-Chi Innovation Technology Co., Ltd. |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210408 Address after: 2 / F, software building, No.9, Gaoxin Zhongyi Road, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee after: KUANG-CHI INSTITUTE OF ADVANCED TECHNOLOGY Address before: 518000 Guangdong, Shenzhen, Futian District, Shennan Road and colored field road intersection C East Block New World Plaza 2007-27 Patentee before: KUANG-CHI INTELLIGENT PHOTONIC TECHNOLOGY Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |