TW201520523A - 光學感測器模組 - Google Patents
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Abstract
一種光學感測器模組係被提出，光學感測器模組包含兩部分，包括光學模組與振動感測單元。振動感測單元配置於光學模組之上。光學模組包括一光源、一光檢測器與一第二基板具有光學微反射表面。振動感測單元包括一第一基板、一振動薄膜以及一光學閘。振動薄膜配置於第一基板與光學閘之間。光源與光檢測器係配置於第二基板之上。
Description
本發明係關於一種光學感測器，特別係一種用於一光學感測系統中量測振動之光學感測器模組。
一般而言，光學感測器是將光或電磁波的能量轉換成電能。先前技術的光學感測器包括光電二極體、突崩光電二極體、光電電晶體、光電MOS、具有半導體作為其主要組成部分之CCD感測器以及CMOS感測器、利用光電效應之光電倍增器..等。
觀於前述半導體光學感測器，有些是藉由直接將載子轉變為外部電流而提取輸出信號作為電流，其中所述的載子是通過光照射而產生的電子或電洞。其他的是提取輸出信號作為多數電流之調制，其中此調制係藉由在一預定的區域中所積累的光生載子所產生的區域電場而形成。
近年來，光纖光學感測器模組的使用在感測方面的應用已經越來越普遍，特別是在那些應用中的感測器必須被放置在惡劣的環境中，其嚴重影響了相關的電子之性能/可靠性。光纖光學感測器模組具有一優勢，即它們沒有要求電子產品在或接近感測器。在光纖光學感測器模組中，光通過光纖而傳送至一遠端位置。
光纖感測器一般分為兩類，那些專為高速動態測量所設計的感測器，以及那些專為低速、相對靜態測量所設計的感測器。動態感測器的例子包括檢波器、聽音器與聲波速度感測器，在信號變化率在1赫茲及其以上。低速(靜態)感測器的例子包括溫度、壓力和結構的應變，其信號變化率可能在幾秒鐘、幾分鐘或幾小時的數量級。許多應用中主要涉及到的加速度、聲波速度以及利用光纖光學感測器模組的振動之動態測量。
本發明提供一種光學感測器模組。此光學感測器模組包含兩部分，包括光學模組與振動感測單元。振動感測單元配置(附著)於光學模組之上。
光學模組包括一光源、一光檢測器與一第二基板具有光學微反射表面。振動感測單元包括一第一基板、一振動薄膜以及一光學閘。振動薄膜配置於第一基板與光學閘之間。光源與光檢測器係配置於第二基板之上。光學感測器可以為單一光學感測器或光學感測器陣列。
根據本發明之一觀點，第二基板具有一光學微反射表面、凹槽平台結構與一定位銷以利於對準。導光層形成(填入)於第二基板之凹槽平台結構之中以利於導光。導光層之材料為高分子材料或介電材料。振動薄膜為一可撓性薄膜。
根據本發明之另一觀點，第一基板具有一開口以裸露振動薄膜，以及第一定位銷形成於振動薄膜之下以利於對準。第二定位銷形成於第二基板之上以支撐及對準第一定位銷。
光源可以發射可見光與非可見光。在一實施例中，至少一凹槽形成於第二基板之凹槽結構之上。根據此至少一凹槽，光學元件(纜線)可以被動式地對準此至少一凹槽。
此些優點及其他優點從以下較佳實施例之敘述及申請專利範圍將使讀者得以清楚了解本發明。
100、100a‧‧‧光學感測器模組
101‧‧‧第一基板
101a‧‧‧開口
101b、102d‧‧‧定位銷
102‧‧‧第二基板
102a‧‧‧凹槽平台結構
102b‧‧‧第一光學微反射表面
102c‧‧‧第二光學微反射表面
103‧‧‧振動薄膜
104‧‧‧光學閘
105‧‧‧光源
105a、105b‧‧‧光路徑
106a、106b‧‧‧導光層
107、107a‧‧‧光學檢測器
200‧‧‧光學感測系統
如下所述之對本發明的詳細描述與實施例之示意圖，應使本發明更被充分地理解；然而，應可理解此僅限於作為理解本發明應用之參考，而非限制本發明於一特定實施例之中。
第一圖顯示根據本發明之一實施例之光學感測器模組；第二圖顯示第一圖之光學感測器模組之結構；第三圖顯示第一圖之光學感測器模組之結構；第四圖顯示根據本發明之一實施例之光學感測器模組；第五圖顯示第一圖之光學感測器模組之結構；第六圖顯示根據本發明之另一實施例之光學感測器模組之結構；第七圖顯示根據本發明之一實施例之光學感測器系統；第八圖顯示根據本發明之一實施例之光學感測器陣列。
此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類
描述為解釋本發明之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。
第一圖顯示根據本發明之一實施例之光學感測器模組。光學感測器模組可以用於作為一振動感測元件，其可以藉由一標準的半導體製程來製作。光學元件應用於振動感測元件以作為感測系統。感測系統可以用於檢測聲波、機械波、地震波或者其他任何介質振動所產生震動波能量。在本實施例中，光學感測器模組包含兩部分，光學模組與振動感測單元。振動感測單元配置(附著)於光學模組之上。光學模組包括一光源105、一光檢測器107、一第二基板102具有凹槽平台結構102a與一定位銷(guide pin)。振動感測單元包括一第一基板101、一振動薄膜103、一定位銷101b以及一光學閘104。振動薄膜103配置於第一基板101與光學閘104之間。第一基板101配置(附著)於振動薄膜103之上。第一基板101具有一開口101a以裸露振動薄膜103之一區域。光學閘104形成(配置)於振動薄膜103之下。光學閘104位於第一基板101之開口101a之下。在一實施例中，光學閘104可以附著(預先形成)或固定於振動薄膜103之上。光源105以及光學檢測器107可以配置於第二基板102之上。光源105可以發射可見光或非可見光。光源105例如為一雷射光源、紅外光源或發光二極體(LED)。紅外光係存在於紅外光頻帶中，其可以藉由雷射或發光二極體所發射。
第二圖顯示第一圖之光學感測器模組沿著一水平方向108之一截面圖結構。第二基板102用以作為一微光學平台(optical bench)，並且具有一凹槽平台結構102a，以利於光學閘104配置於其中，以及具有一特定角度(例如45度角或其他角度)之光學微反射表面102b、102c。基於此凹槽結構，光學閘104得以配置於凹槽平台結構102a之中。在一實施例中，凹槽平台結構102a之大小係大於振動感測單元(第一基板101、振動薄膜103及光學閘104)之大小。在一實施例中，第二基板102具有一第一凹槽(凹槽結構)102a，位於其上表面之下一特定深度。一第一反射面定義於第二基板102之凹槽結構102a之一第一端，而一第二反射面定義於第二基板102之凹槽結構102a之一第二端。凹槽結構之一第一端構成一第一反射表面，而凹槽結構之一第二端構成一第二反射表面。第一凹槽102a具有一第一斜面102b與一第二斜面102c。在一實施例中，微光學平台(第二基板)102包括一具有一第一特定角度(例如45度角或其他角度)
之一第一微反射表面(第一斜面)102b以及一具有一第二特定角度(例如45度角或其他角度)之一第二微反射表面(第二斜面)102c，其中微反射表面102b係相對(對面)於微反射表面102c。凹槽結構102a向上。
舉例而言，光源105係位於(附著於)第二基板102之左側之上表面之上(靠近微反射表面102b)，而光檢測器107係配置(附著)於第二基板102之右側之上表面之上(靠近微反射表面102c)。因此，光源105的光路徑105a(顯示於圖一)包括光源105發射而被第二基板102之第一反射表面102b所反射而前進到達至光學閘104的光訊號，或者被第二基板102之第一反射表面102b所反射而通過光學閘104而前進到達至第二基板102之第二反射表面102c的光訊號。
光源105發射的可見光或非可見光傳播至第二基板102之第一反射表面102b以反射而前進至光學閘104，接著藉由光學閘104的反射(或阻擋)或第二基板102之第二反射表面102c，以由光檢測器107來接收。
當訊號波到達光學感測器模組(振動感測元件)100之振動薄膜103時，振動薄膜103即由於此訊號波而振動。由於光學閘104配置(附著)於振動薄膜103之上，光學閘104將同時跟著振動。舉例而言，振動薄膜103與光學閘104將一起向上與向下振動，因而光源105所發射的光即被光學閘104所反射(阻擋)或被光檢測器107所接收。因此，被光檢測器107所檢測到的光強度將隨著光學閘104的振動而改變(逐漸增加)。檢測光之強度將轉變為電訊號而輸出。結果，振動檢測之功能可以被達成。
根據光學感測器模組(振動感測元件)100之感測，振動檢測之功能可以被達成。振動感測元件100係用以作為一振動偵測元件，其具有振動感測功能以用於檢測聲波、機械波、地震波或者其他任何介質振動所產生震動波能量。振動感測元件100整合光源105以及光檢測器107以成為一光學感測系統。因此，本發明利用一光學感測系統作為振動感測系統。
此外，光學閘104之配置位置、數目、高度以及大小端視實際的應用(例如不同的訊號波、檢測源)所需而定。第一基板101、第二基板102以及振動薄膜103之材料與厚度可以依照實際的應用(不同的訊號波、檢測源)所需而選擇。舉例而言，第一基板101與第二基板102之材料為矽。因此，開口101a與凹槽平台結構102a可以利用一標準的半導體製程(微影製程、蝕刻製程)來製作。舉例而言，振動薄膜103之材料為可撓性薄膜。
此外，一導光層(light-guide layer)106a、106b係形成(填入)於第二基板102之凹槽平台結構102a之中，如第三圖所示。光學閘104係配置於導光層106a與導光層106b之間。導光層106a、106b之材料包括高分子材料或介電層材料。當訊號波到達光學感測器模(振動感測元件)100之振動薄膜103時，振動薄膜103與光學閘104即由於此訊號波而一起振動。從導光層106a傳送至導光層106b之光信號係受到光學閘104之振動所影響。因此，被光檢測器107所檢測到的光強度將隨著光學閘104的振動而改變(逐漸增加)。檢測光之強度將轉變為電訊號而輸出。結果，振動檢測之功能可以被達成。
第四圖顯示第一圖之光學感測器模組沿著一垂直方向109之一截面圖結構。定位銷101b與定位銷102d係用於作為一對準基準，如第五圖所示。因此，藉由對準定位銷101b與第二基板之定位銷102d，振動感測單元配置(附著)於光學模組之上。定位銷102d為具有第一接觸斜面之傾斜凸塊。定位銷101b為具有第二接觸斜面。定位銷101b之第二接觸斜面之角度約略等於定位銷102d之第一接觸斜面之角度。對準之後，定位銷101b與定位銷102d之總高度(垂直方向)係大於光學閘104之厚度(垂直方向)。因此當組合時，光學閘104之上部與底部的位置端視定位銷101b與定位銷102d之總高度(垂直方向)而定。定位銷101b係於接觸斜面的方向而配置於定位銷102d之上。在一實施例中，定位銷101b係藉由黏膠而附著於定位銷102d之上。舉例而言，定位銷101b係為第一基板101之一部分，或為單獨結構。另外，定位銷102d係為第二基板102之一部分，或為單獨結構。定位銷101b係附著於振動薄膜103之上(下)。定位銷101b與定位銷102d可以利用一標準的半導體製程(微影製程、蝕刻製程)來製作。在另一實施例中，振動薄膜103係藉由膠體或金屬凸塊而配置(附著)於第二基板102之上，其無需利用上述之定位銷101b與定位銷102d來對準。
第六圖顯示根據本發明之一實施例之一光學感測模組。在本實施例中，光源105之光路徑藉由一光學分光器之作用而分離以產生二個光路徑，光路徑105a與光路徑105b。光學感測器模100a包括光檢測器107與107a。光路徑105a係通過光學閘104而至光檢測器107，其與第一圖相同。在另一例子中，光路徑105b並無通過光學閘104而至光檢測器107a。光路徑105a與光路徑105b之二個光信號可以彼此比較，並進一步執行數值分析以提升精確度。
第七圖顯示根據一實施例之光學感測系統。在本實施例中，光學
感測系統200包括2 x 2光學感測模組100，因此外界訊號波之振動感測可以進一步的提升。在另一實施例中，光學感測器可以為單一光學感測器或一光學感測器陣列，如第八圖所示。光學感測器陣列例如由(m×n)矩陣的光學感測器所構成，其中m與n為大於1的整數。
除描述於此之外，可藉由敘述於本發明中之實施例及實施方式所達成之不同改良方式，皆應涵蓋於本發明之範疇中。因此，揭露於此之圖式及範例皆用以說明而非用以限制本發明，本發明之保護範疇僅應以列於其後之申請專利範圍為主。
101‧‧‧第一基板
101a‧‧‧開口
102‧‧‧第二基板
102a‧‧‧凹槽平台結構
102b‧‧‧第一光學微反射表面
102c‧‧‧第二光學微反射表面
103‧‧‧振動薄膜
104‧‧‧光學閘
105‧‧‧光源
107‧‧‧光學檢測器
Claims (10)
- 一種光學感測器模組，包含：一振動薄膜；一第一基板，具有一開口以裸露該振動薄膜，其中該第一基板配置於該振動薄膜之上；以及一光學閘，配置於該振動薄膜之下。
- 如請求項1所述之光學感測器模組，其中該振動薄膜為一可撓性薄膜。
- 如請求項1所述之光學感測器模組，更包括一第二基板具有一凹槽結構具有第一光學微反射表面與一第二光學微反射表面形成於其上，其中該光學閘配置於該凹槽結構之內。
- 如請求項3所述之光學感測器模組，其中該振動薄膜透過一黏膠或導電凸塊而配置於該第二基板之上。
- 如請求項3所述之光學感測器模組，更包括一導光層配置於該凹槽結構之內。
- 如請求項3所述之光學感測器模組，更包括一第一定位銷形成於該振動薄膜之下，與一第二定位銷形成於該第二基板之上。
- 如請求項6所述之光學感測器模組，其中該第一定位銷透過一黏膠而附著於該第二定位銷之上。
- 如請求項3所述之光學感測器模組，更包括一光源配置於該第二基板之上。
- 如請求項8所述之光學感測器模組，更包括一光檢測器配置於該第二基板之上。
- 如請求項3所述之光學感測器模組，更包括一光學分光器，以及一第二光檢測器配置於該第二基板之上。
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