CN105514098B - 一种光学芯片的集成结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学芯片的集成结构，LED芯片包括设置在光学传感器上的衬底，所述衬底具有位于不同平面内的第一表面、第二表面，以及从第一表面边缘倾斜延伸至第二表面上的多个倾斜面；在所述该多个倾斜面上设置有作为LED芯片发光区的功能层。本发明的集成结构，LED芯片可通过该多个倾斜面上的功能层进行发光，实现了单颗芯片的多方向发光功能。该LED芯片与光学传感器集成在一起后，可以适用于利用接近光原理进行检测的多个测量领域中；而且LED芯片可与光学传感器分布在垂直方向上，由此可大大降低整个集成结构的尺寸，并可以提高光学芯片测量的稳定性以及精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感器领域，更具体地，本发明涉及一种光学芯片的集成结构，尤其涉及一种接近光传感器芯片。
背景技术
随着智能设备的发展，为实现其智能化的功能，越来越多的传感器被引入到智能设备中，光学传感器也不例外。在某些接近光传感器中，可通过一定的算法来实现手势识别的功能，这种接近光传感器一般包括位于中部的光学传感器以及位于光学传感器周围的多个LED芯片，光学传感器、LED芯片分别独立封装在电路基板上。由于现有技术中LED芯片结构的限制，使得上述多个LED芯片与光学传感器之间必须预留一定的距离，才能使光学传感器感应到LED芯片发出的光信号；如果LED芯片与光学传感器之间的距离太小，会导致手势无法识别或者识别不灵敏。
在智能可穿戴设备中，也可利用接近光传感器来测量某些人体的体征信息，例如测量心率等。传统用来测量人体体征信息的接近光传感器，由于其光路不对称，使得在佩戴的过程中，需要保证设备与人体皮肤紧密接触在一起，否则会造成检测信号的误判。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种光学芯片的集成结构的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种光学芯片的集成结构，包括基板、具有光学区域的光学传感器，所述光学传感器安装在基板上；还包括LED芯片，所述LED芯片包括设置在光学传感器上的衬底，所述衬底具有位于不同平面内的第一表面、第二表面，以及从第一表面边缘倾斜延伸至第二表面上的多个倾斜面；在所述该多个倾斜面上设置有作为LED芯片发光区的功能层；在所述衬底上还设置有贯通至光学传感器光学区域的通孔；还包括至少将LED芯片功能层以及光学传感器光学区域塑封起来的透光塑封体。
优选地，所述第一表面为圆形，所述多个倾斜面从第一表面的圆周边缘延伸至第二表面上；所述第一表面、倾斜面、第二表面围成了圆台结构；所述贯通光学传感器光学区域的通孔位于圆台结构的中部。
优选地，所述第一表面为矩形，所述倾斜面设置有四个，分别从第一表面的四周边缘延伸至第二表面上；所述第一表面、倾斜面、第二表面围成了四棱台结构，所述位于倾斜面上功能层发出的光信号朝向四棱台结构的外侧方向传输；所述贯通光学传感器光学区域的通孔位于四棱台结构的中部。
优选地，还设有反射部，所述反射部被配置为：将四棱台结构其中一侧功能层发射过来的光信号朝四棱台结构的相对侧方向反射。
优选地，所述倾斜面设置有四个，分别从第一表面的边缘延伸至第二表面上，所述第一表面、倾斜面、第二表面围成了一与倒立的四棱台形状匹配的梯形槽结构；所述位于倾斜面上功能层发出的光信号朝向梯形槽结构的内侧方向传输；所述贯通光学传感器光学区域的通孔位于梯形槽结构的中部。
优选地，还设有反射部，所述反射部被配置为：将梯形槽结构其中一侧功能层传输过来的光信号朝梯形槽结构的相对侧方向反射。
优选地，所述衬底上位于倾斜面与通孔之间的位置还设有遮光部。
优选地，所述衬底为具有<100>晶向的单晶硅材料，所述倾斜面通过单晶硅的各向异性腐蚀得到。
优选地，所述设置在多个倾斜面上的多个功能层彼此隔绝开。
优选地，所述功能层从倾斜面延伸到至少部分第一表面、第二表面上；在所述第一表面或第二表面的位置设有导通功能层的焊盘。
本发明的集成结构，LED芯片的衬底上设置有多个位于不同方向上的倾斜面，在该多个倾斜面上分别设置用于发光的功能层，使得所述LED芯片可通过该多个倾斜面上的功能层进行发光，实现了单颗芯片的多方向发光功能。该LED芯片与光学传感器集成在一起后，可以适用于利用接近光原理进行检测的多个测量领域中；而且LED芯片可与光学传感器分布在垂直方向上，由此可大大降低整个集成结构的尺寸，并可以提高光学芯片测量的稳定性以及精度。
本发明的发明人发现，在现有技术中，LED芯片只能发出单一方向的光信号，这大大局限了LED芯片与光学传感器的集成；同时也增大了整个封装尺寸的面积。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明集成结构的剖面示意图。
图2是图1中去掉透光塑封体的结构示意图。
图3是图1中集成结构的光路传输示意图。
图4是本发明集成结构另一实施方式的剖面示意图。
图5是本发明集成结构第三种实施方式的剖面示意图。
图6是图5中去掉透光塑封体的结构示意图。
图7是图5中集成结构的光路传输示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参考图1、图2，本发明提供了一种光学芯片的集成结构，其包括基板11以及固定在基板11上的光学传感器12，所述光学传感器12上具有光学区域12a，通过该光学区域12a来感应外界的光信号，从而使光学传感器12可以根据不同的光信号而发出不同的响应，例如可根据光线的强弱使光学传感器12发出不同的控制信号等，这种光学传感器的结构及其原理均属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
光学传感器例如可以通过贴装的方式固定在基板11上，在所述光学传感器12上还设置有LED芯片，所述LED芯片与光学传感器12分布在垂直方向上。具体地，所述LED芯片包括设置在光学传感器12上的衬底1，以及作为LED芯片发光区的功能层9，所述衬底1上设置有贯通至光学传感器12光学区域12a的通孔10，通过该通孔10将光学传感器12的光学区域12a暴露出来，使其可以感应外界的光信号。
所述衬底1具有位于不同平面内的第一表面5、第二表面6，以及从第一表面5边缘倾斜延伸至第二表面6上的多个的倾斜面7，该多个倾斜面7位于不同的方向上。其中，所述LED芯片的功能层9设置在该多个不同方向的倾斜面7上。本发明的集成结构，还包括至少将LED芯片功能层9以及光学传感器12光学区域12a塑封起来的透光塑封体13。该透光塑封体13可以对LED芯片的功能层9以及光学传感器12的光学区域12a起到防护的作用，同时不会影响LED芯片、光学传感器12的功能。透光塑封体13采用透光的材料制作，这属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。本发明优选的是，透光塑封体13将整个LED芯片、光学传感器12塑封在基板11上，形成了本发明集成结构的封装壳体。在注塑的时候，该透光塑封体13同时会填充到衬底1的通孔10内，将光学传感器12的光学区域12a覆盖住。
参考图2的视图方向，第一表面5、第二表面6可以是相互平行的水平面，且第二表面6位于第一表面5的下方，倾斜面7从第一表面5的边缘位置倾斜向下延伸至第二表面6上；该倾斜面7可以是一倾斜的平面，也可以是从第一表面5倾斜延伸至第二表面6上的曲面。
在本发明一个具体的实施方式中，所述第一表面5可以为圆形，此时该多个倾斜面7从第一表面5的圆周边缘延伸至第二表面6上，使得所述多个倾斜面7围成一筒状的锥形面，所述第一表面5、倾斜面7、第二表面6共同围成了上端小、下端大的圆台结构；所述通孔10位于圆台结构的中部。
在本发明另一具体的实施方式中，所述第一表面5为矩形，此时，所述倾斜面7设置有四个，该四个倾斜面7分别从第一表面5的四周边缘延伸倾斜向下延伸至第二表面6上；也就是说，该四个倾斜面7在第二表面6上相交成一矩形结构；使得所述第一表面5、倾斜面7、第二表面6围成了上端小、下端大的四棱台结构，参考图1、图2。当然也可以看成，该衬底1上具有一四棱台结构，四个倾斜面位于该四棱台结构的外侧侧壁上，这就使得每个倾斜面7上功能层9发出的光信号朝向四棱台结构的外侧方向传输。所述通孔10位于该四棱台结构的中部，使得该四棱台结构的四个倾斜面7相对于所述通孔10对称分布。
在该实施例中，衬底1可以采用具有<100>晶向的单晶硅材料，可通过单晶硅的各向异性腐蚀得到上述四个倾斜面7，其中，倾斜面倾斜的角度为54.74°，这种对<100>晶向的单晶硅进行各向异性腐蚀的方法属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
本发明的LED芯片，其发光区的功能层9包括P型半导体层3、N型半导体层4，该P型半导体层3、N型半导体层4可以采用GaN材料。P型半导体层3、N型半导体层4可以通过依次沉积的方式设置在倾斜面7上；例如可以首先沉积P型半导体层3，接着在P型半导体层3上沉积N型半导体层4；当然也可以是，首先在倾斜面7上沉积N型半导体层4，接着在N型半导体层4上沉积P型半导体层3，最终将LED芯片的PN结形成在倾斜面7上。上述各层沉积的方法均属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
图3示出了本发明集成结构的光路示意图，该集成结构可以应用于手势识别领域，参考图3的视图方向，当LED芯片位于左侧倾斜面7上的功能层9发出朝向左上方的光信号时，该光信号在透光塑封体13中传输，到达透光塑封体13的上端位置时，发生折射并在空气中继续传输；当人体的手指在第一位置开始滑动的时候，该光信号会被人体的手指遮挡，并被手指反射至透光塑封体13上，之后经过折射进入至衬底1的通孔10内，并被光学传感器12的光学区域12a感应到，使光学传感器12发出第一响应；LED芯片位于右侧倾斜面7上的功能层9发出朝向右上方的光信号时，该光信号在透光塑封体13中传输，到达透光塑封体13的上端位置时，发生折射并在空气中继续传输；当人体的手指滑动至右方第二位置时，该光信号会被人体的手指遮挡，并被手指反射至透光塑封体13上，之后经过折射进入至衬底1的通孔10内，并被光学传感器12的光学区域12a感应到，使光学传感器12发出第二响应；通过该光学传感器12的第一响应、第二响应，从而可以判断出此时人体手势的方向是由第一位置移动至第二位置上。
上述光信号经过人体反射并通过通孔10中时，会有某些光信号传输到通孔10的侧壁上，为了使光学传感器12光学区域12a能感应到更多的光信号，在所述通孔10的侧壁上还可以设置一层反射层；光信号从外界传输到通孔10的侧壁上后，经过反射层反射至光学传感器12的光学区域12a上。本发明的反射层可以是金属铝等本领域技术人员所熟知的材料，在此不再具体说明。
在上述实施例中，功能层9发出的光信号经过透光塑封体13的上端折射到空气中，当然还可以根据实际设计的需要来选择光信号的传输路径，例如在本发明一个优选的实施方式中，选择合适的透光塑封体13形状，使得LED芯片功能层9发出的光信号传输至透光塑封体13的侧壁位置时，发生折射并在空气中继续传输，参考图4。
上述光学芯片的集成结构，由于其结构所致的光线传输路径，使其可以作为识别手势的传感器来使用。当通过结构设计改变光线的传输路径时，该类光学芯片也可以应用到其它光学测量领域中。例如在本发明一个优选的实施方式中，可在透光塑封体13上位于LED芯片各功能层9的出光路径中设置反射部，通过该反射部将四棱台结构其中一侧功能层9发射出来的光信号反射至四棱台结构的相对侧方向上。例如参考图3的视图方向，当LED芯片位于左侧倾斜面7上的功能层9发出朝向左上方的光信号时，该光信号在透光塑封体13中传输，当该光信号遇到反射部时，使得该光信号朝向四棱台结构的右上方反射。该种结构的光学芯片例如可作为心率传感器应用到可穿戴设备中，从而可以检测人体的心率等体征信息。
上述LED芯片中，所述第一表面5、倾斜面7、第二表面6围成了上端小、下端大的四棱台结构；在本发明另一具体的实施方式中，所述第一表面5、倾斜面7、第二表面6围成了梯形槽结构，该梯形槽结构与倒立的四棱台形状相匹配，参考图5、图6。当然也可以看成，衬底1上具有一梯形槽结构，四个倾斜面7位于该梯形槽结构的内侧侧壁上，使得位于倾斜面7上功能层9发出的光信号朝向梯形槽结构的内侧方向传输。此时，所述贯通光学传感器12光学区域12a的通孔10位于梯形槽结构的中部，使得该梯形槽结构的四个倾斜面7相对于所述通孔10对称分布。
在该实施例中，衬底1可以采用具有<100>晶向的单晶硅材料，可通过单晶硅的各向异性腐蚀得到上述四个倾斜面7，其中，倾斜面倾斜的角度为54.74°，这种对<100>晶向的单晶硅进行各向异性腐蚀的方法属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
图7示出了该集成结构的光路示意图，该光学芯片的集成结构可以应用于测量人体体征信息的可穿戴设备领域，参考图7的视图方向，当LED芯片位于左侧倾斜面7上的功能层9发出朝向右上方的光信号时，该光信号在透光塑封体13中传输，到达透光塑封体13的上端时，发生折射并在空气中继续传输，该传输的光信号经过人体皮肤后，反射至透光塑封体13的上端，经过透光塑封体13的折射进入至衬底1的通孔10内，并被光学传感器12的光学区域12a感应到。通过本发明的LED芯片，使得在不同的方向上均有用于检测的光信号发出，从而提高了检测的精度；而且，由于各光信号传输的光学路径完全对称，使得该类可穿戴设备不易受到外界运动信号或佩戴不当的影响。
该光学芯片的集成结构，由于倾斜面7上功能层9发出的光信号朝向梯形槽结构的内侧方向传输，这就使得传输的光信号有可能直接被光学传感器12的光学区域12a感应到，从而影响到检测的精度。为了解决这一问题，可在衬底1上位于倾斜面7与通孔10之间的位置设置一遮光部14，参考图5、图6。通过该遮光部14可以防止功能层9发出的光信号直接被光学传感器12的光学区域12a感应到，从而保证了光学芯片的准确性。该遮光部14可以设置在第二表面6上，例如其可以从第二表面6垂直向上延伸。
上述光学芯片的集成结构，由于其结构所致的光线传输路径，使其可以作为检测人体体征的传感器来使用；当通过结构设计改变光线的传输路径时，该类光学芯片也可以应用到其它光学测量领域中。例如在本发明一个优选的实施方式中，可在透光塑封体13上对于LED芯片各功能层9的出光路径中设置反射部，通过该反射部将位于梯形槽结构其中一侧功能层9发射过来的光信号反射至梯形槽结构的相对侧方向上。例如参考图7的视图方向，当LED芯片位于左侧倾斜面7上的功能层9发出朝向右上方的光信号时，该光信号在透光塑封体13中传输，当该光信号遇到反射部时，使得该光信号朝向梯形槽结构的左上方反射。该种结构的光学芯片可以应用到上述的手势识别领域。
本发明的集成结构，LED芯片的衬底上设置有多个位于不同方向上的倾斜面，在该多个倾斜面上分别设置用于发光的功能层，使得所述LED芯片可通过该多个倾斜面上的功能层进行发光，实现了单颗芯片的多方向发光功能。该LED芯片与光学传感器集成在一起后，可以适用于利用接近光原理进行检测的多个测量领域中；而且LED芯片可与光学传感器分布在垂直方向上，由此可大大降低整个集成结构的尺寸，并可以提高光学芯片测量的稳定性以及精度。
在本发明一个优选的实施方式中，所述LED芯片的功能层9从倾斜面7上延伸到至少部分第一表面5、第二表面6上，使得该功能层9可以更好地与倾斜面7结合在一起。同时也可以在第一表面5、第二表面6的位置设置LED芯片的接线端。具体地，在所述第一表面5上或第二表面6的位置设有分别导通P型半导体层3、N型半导体层4的焊盘8。将焊盘8设置在第一表面5或第二表面6的位置，并导通各自的半导体层，使得焊盘8不会影响位于倾斜面7位置的功能层9工作。
本发明的LED芯片，为了使LED芯片的功能层9与衬底1的晶格更好地匹配在一起，在第一表面5、第二表面6、倾斜面7与功能层9之间还设置有缓冲层2。在制造的时候，首先在衬底1的第一表面5、第二表面6、倾斜面7上沉积一层缓冲层2，然后在该缓冲层2上形成功能层9。缓冲层2的材料根据衬底1以及功能层9的材料进行选择，这属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
在本发明一个优选的实施方式中，所述设置在多个倾斜面7上的功能层9连通在一起，也就是说，多个倾斜面7上的功能层9是一体的，通过单一的焊盘进行导通，使得整个功能层9同时发光。在另一优选的实施方式中，所述设置在多个倾斜面7上的功能层9彼此隔绝开，使得每个功能层9可以单独发光，此时需要在每个功能层9上设置独立的焊盘8，通过各自的焊盘8来导通相应的功能层9，从而可以控制每个功能层9独立工作。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种光学芯片的集成结构，其特征在于：包括基板(11)、具有光学区域(12a)的光学传感器(12)，所述光学传感器(12)安装在基板(11)上；还包括LED芯片，所述LED芯片包括设置在光学传感器(12)上的衬底(1)，所述衬底(1)具有位于不同平面内的第一表面(5)、第二表面(6)，以及从第一表面(5)边缘倾斜延伸至第二表面(6)上的多个倾斜面(7)；在所述该多个倾斜面(7)上设置有作为LED芯片发光区的功能层(9)；在所述衬底(1)上还设置有贯通至光学传感器(12)光学区域(12a)的通孔(10)；还包括至少将LED芯片功能层(9)以及光学传感器(12)光学区域(12a)塑封起来的透光塑封体(13)。
2.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于：所述第一表面(5)为圆形，所述多个倾斜面(7)从第一表面(5)的圆周边缘延伸至第二表面(6)上；所述第一表面(5)、倾斜面(7)、第二表面(6)围成了圆台结构；所述贯通光学传感器(12)光学区域(12a)的通孔(10)位于圆台结构的中部。
3.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于：所述第一表面(5)为矩形，所述倾斜面(7)设置有四个，分别从第一表面(5)的四周边缘延伸至第二表面(6)上；所述第一表面(5)、倾斜面(7)、第二表面(6)围成了四棱台结构，所述位于倾斜面(7)上功能层(9)发出的光信号朝向四棱台结构的外侧方向传输；所述贯通光学传感器(12)光学区域(12a)的通孔(10)位于四棱台结构的中部。
4.根据权利要求3所述的集成结构，其特征在于：还设有反射部，所述反射部被配置为：将四棱台结构其中一侧功能层(9)发射过来的光信号朝四棱台结构的相对侧方向反射。
5.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于：所述倾斜面(7)设置有四个，分别从第一表面(5)的边缘延伸至第二表面(6)上，所述第一表面(5)、倾斜面(7)、第二表面(6)围成了一与倒立的四棱台形状匹配的梯形槽结构；所述位于倾斜面(7)上功能层(9)发出的光信号朝向梯形槽结构的内侧方向传输；所述贯通光学传感器(12)光学区域(12a)的通孔(10)位于梯形槽结构的中部。
6.根据权利要求5所述的集成结构，其特征在于：还设有反射部，所述反射部被配置为：将梯形槽结构其中一侧功能层(9)传输过来的光信号朝梯形槽结构的相对侧方向反射。
7.根据权利要求5所述的集成结构，其特征在于：所述衬底(1)上位于倾斜面(7)与通孔(10)之间的位置还设有遮光部(14)。
8.根据权利要求3至7任一项所述的集成结构，其特征在于：所述衬底(1)为具有<100>晶向的单晶硅材料，所述倾斜面(7)通过单晶硅的各向异性腐蚀得到。
9.根据权利要求1至7任一项所述的集成结构，其特征在于：所述设置在多个倾斜面(7)上的多个功能层(9)彼此隔绝开。
10.根据权利要求9所述的集成结构，其特征在于：所述功能层(9)从倾斜面(7)延伸到至少部分第一表面(5)、第二表面(6)上；在所述第一表面(5)或第二表面(6)的位置设有导通功能层(9)的焊盘(8)。
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