用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器制造技术

用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器，涉及光电传感器。设有第1路硅基光电探测器、第1路前置放大器、第2路硅基光电探测器、第2路前置放大器、第3路硅基光电探测器、第3路前置放大器、第4路硅基光电探测器、第4路前置放大器、多路模拟‑数字转换电路、内置红外发光二极管、红外发光二极管驱动电路、内部振荡电路、内部寄存器组、中断控制电路、I2C总线接口电路。可应用于智能电子设备领域，可辅助手机、平板电脑等智能电子设备进行手势识别、轨迹探测、接近距离探测等。

Four quadrant silicon based photodetector for trajectory detection

The utility model relates to a four quadrant silicon based photoelectric detector for trajectory detection, which relates to a photoelectric sensor. With first silica based photoelectric detector, preamplifier, first road Second Road Second Road silica based photoelectric detector, preamplifier, third silica based photoelectric detector, preamplifier, Third Road Fourth Road Fourth Road silica based photoelectric detector, preamplifier, analog digital conversion circuit, built-in infrared light emitting diodes, infrared light emitting diode driving circuit the internal oscillator circuit, the internal registers, interrupt control circuit, I2C bus interface circuit. Can be applied to the field of intelligent electronic devices, can assist mobile phones, tablet PCs and other intelligent electronic devices for gesture recognition, trajectory detection, proximity detection, etc..

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电传感器，尤其是涉及一种用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器。
技术介绍
随着科学技术的进步，各种功能的传感器应运而生，各种功能的传感器推动着电子产品往智能化发展，电子产品的智能化逐渐改变着人们的生活方式。当下，轨迹识别是电子产品智能化的需求之一，因此有必要设计出能够进行手势识别、轨迹探测、接近距离探测的集成芯片以满足人们的需求。光电传感器由于反应速度快,能实现非接触测量,而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。(参见《光电传感器的发展及其应用》颜晓河，董玲娇，苏绍兴)硅作为光电集成器件制作材料来说,虽然有一些先天不足,但随着新的设计思路的不断提出，新的工艺技术的不断进步,硅基的光电器件已经可以应用于光电集成领域的各个方面,器件的各性能指标，已经具备了与其他材料的光电器件相竞争的能力。(参见《硅基光电集成器件研究进展》孙飞余金中)目前，各类硅基单片光电集成电路涉及了Bipolar、CMOS、BiCMOS、BCD、SOI等工艺，这些工艺在制造光电集成电路中比较常见。Bipolar、CMOS和BiCMOS工艺成为硅基光电探测器和硅基单片光电集成电路研究的一个热点(参见中国专利CN201310324878.6)。实现手势识别、轨迹探测、接近距离探测的光电探测器采用0.5μm CMOS工艺制备，制造成本较低、集成度高、体积小、容易嵌入智能电子设备进而实现其功能。实现轨迹探测、手势识别的光电探测器采用I2C总线协议进行通讯，该协议是微电子通讯领域常用的一种总线标准，具有接线少、控制简单、封装形式小、通讯速率高等优势。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供可采用标准的0.5μm CMOS工艺制备，可以满足智能电子设备所需的进行轨迹判断的数据输入要求，可完全集成的一种应用于智能电子设备的一种用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器。本专利技术设有第1路硅基光电探测器、第1路前置放大器、第2路硅基光电探测器、第2路前置放大器、第3路硅基光电探测器、第3路前置放大器、第4路硅基光电探测器、第4路前置放大器、多路模拟-数字转换电路、内置红外发光二极管、红外发光二极管驱动电路、内部振荡电路、内部寄存器组、中断控制电路、I2C总线接口电路；第1路硅基光电探测器的输出端接第1路前置放大器的输入端，第1路前置放大器的输出端接多路模拟-数字转换器的输入端，第2路硅基光电探测器的输出端接第2路前置放大器的输入端，第2路前置放大器的输出端接模拟-数字转换器的输入端，第3路硅基光电探测器的输出端接第3路前置放大器的输入端，第3路前置放大器的输出端接模拟-数字转换器的输入端，第4路硅基光电探测器的输出端接第4路前置放大器的输入端，第4路前置放大器的输出端接模拟-数字转换器的输入端，模拟-数字转换器将模拟量转化为数字量，并存储在内部数据寄存器中，以供外部微控制器读取；外部微控制器可根据四路硅基光电探测器所获取的光信息判断物体运动轨迹、物体接近距离等。所述模拟-数字转换电路可采用高速逐次逼近式多路模拟-数字转换电路。所述用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器设有芯片圆柱体凹槽和芯片立方体凹槽，所述用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器的红外信号发射端设有一个850nm红外发光二极管，该850nm红外发光二极管被放置于芯片圆柱体凹槽内；所述用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器的红外信号接收端设有四个完全相同正方形硅基光电探测器，四个完全相同正方形硅基光电探测器被放置于芯片立方体凹槽底部，四个完全相同正方形硅基光电探测器以芯片立方体凹槽底部的中心点为基准，分别分布于中心点的上、下、左、右四个方位。每个硅基光电探测器的边长均为500μm,硅基光电探测器对850nm左右的红外光响应度较高。所述硅基光电探测器采用“N+/N-Well/P-Sub”结构，硅基光电探测器的纵向结构自下向上依次是：第一层是低掺杂的P型硅衬底，第二层是N阱，第三层是N型重掺杂硅，P型重掺杂硅、金属铝，第四层到第六层为三层SiO2绝缘介质层，第七层是Si3N4表面钝化层；所述P型硅衬底、N阱，N型重掺杂硅，P型重掺杂硅设于同一硅片材料上，金属铝通过溅射工艺沉积在硅片表面，按制备顺序从下至上共三层二氧化硅绝缘介质层通过沉积工艺附在硅衬底上，Si3N4表面钝化层通过沉积工艺附着在SiO2绝缘层介质上。每个硅基光电探测器有效光敏面积为500μm×500μm，其总的横向尺寸为500μm。每个硅基光电探测器的所有纵向尺寸由具体的CMOS工艺标准决定。每个硅基光电探测器每个N阱的宽度为3.8μm,长度为500μm，每个N阱的间隔为4μm。总共有64条N阱，其中有32条N阱被金属Al覆盖，屏蔽光信号，工作时,只产生暗电流，另外32条N阱未被Al覆盖，接收光信号，工作时，同时产生光电流和暗电流。被金属Al覆盖的N阱和未被金属Al覆盖的N阱间隔排列，形成“插指”结构,所有未被屏蔽的N阱相连作为光电探测器的一个输出端，所有被屏蔽的N阱相连作为光电从探测器的另一输出端。用于覆盖的金属Al宽度为8μm，长度为500μm。N型重掺杂硅距离N阱边缘不小于0.4μm,宽度不小于0.8μm。在64个N型重掺杂硅区的外围P型硅衬底上注入厚度为2.1μm环状的P型重掺杂硅，形成保护环，起到了隔离探测器和其他CMOS器件作用。每个硅基光电探测器利用N阱作为阴极，外围的P型重掺杂保护环作为阳极。其中未被金属Al遮住的N阱和P型重掺杂保护环形成了主光电二极管，光照时同时产生光电流和暗电流，被金属Al遮住的N阱和P型重掺杂保护环形成了参考光电二极管，光照时仅仅产生暗电流。探测器工作时，N阱接高电压，保护环接零电位以形成光电二极管反偏，两个光电二极管的输出电流作为输出接光电探测器的前置放大电路的输入。本专利技术的前置放大器包含两个跨阻放大器和一个双端输入单端输出的差分电压放大器。跨阻放大器将硅基光电探测器输出的两路电流进行放大，并将所得的电压输入到差分电压放大器的两个输入端，达到抑制暗电流，放大光电流的目的，提高了探测精度。本专利技术设有一个高速逐次逼近式多路模拟-数字转换器，在数据采样期间，高速逐次逼近式多路模拟-数字转换器依次循环对第1路跨阻前置放大器、第2路跨阻前置放大器、第3路跨阻前置放大器、第4路跨阻前置放大器输出端的电压信号进行转换，并将所得的二进制数据按照四个一组的方式存放至内部数据寄存器，等待外部微控制器进行读取。本专利技术可应用于智能电子设备领域，可辅助手机、平板电脑等智能电子设备进行手势识别、轨迹探测、接近距离探测等。附图说明图1为硅基光电集成收发芯片的物理结构的上视图。图2为硅基光电集成收发芯片的电路模块图。图3为硅基光电集成收发芯片的前置放大器的电路模块图。图4为硅基光电集成收发芯片的硅基光电探测器的剖面图。图5为硅基光电集成收发芯片探测物接近的原理图。图6为四种基本轨迹示意图。图7为硅基光电集成收发芯片在理想状况下轨迹2的各个时间点，各个PD的响应情况图。具体实施方式以下实施例将结合附图对本专利技术作进一步的说明。参见图1～7，本专利技术实施例设有第1路硅基光电探测器、第1路前置放大器、第2路硅基本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器，其特征在于设有第1路硅基光电探测器、第1路前置放大器、第2路硅基光电探测器、第2路前置放大器、第3路硅基光电探测器、第3路前置放大器、第4路硅基光电探测器、第4路前置放大器、多路模拟‑数字转换电路、内置红外发光二极管、红外发光二极管驱动电路、内部振荡电路、内部寄存器组、中断控制电路、I2C总线接口电路；第1路硅基光电探测器的输出端接第1路前置放大器的输入端，第1路前置放大器的输出端接多路模拟‑数字转换器的输入端，第2路硅基光电探测器的输出端接第2路前置放大器的输入端，第2路前置放大器的输出端接模拟‑数字转换器的输入端，第3路硅基光电探测器的输出端接第3路前置放大器的输入端，第3路前置放大器的输出端接模拟‑数字转换器的输入端，第4路硅基光电探测器的输出端接第4路前置放大器的输入端，第4路前置放大器的输出端接模拟‑数字转换器的输入端，模拟‑数字转换器将模拟量转化为数字量，并存储在内部数据寄存器中，以供外部微控制器读取；外部微控制器根据四路硅基光电探测器所获取的光信息判断物体运动轨迹、物体接近距离。

【技术特征摘要】
1.用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器，其特征在于设有第1路硅基光电探测器、第1路前置放大器、第2路硅基光电探测器、第2路前置放大器、第3路硅基光电探测器、第3路前置放大器、第4路硅基光电探测器、第4路前置放大器、多路模拟-数字转换电路、内置红外发光二极管、红外发光二极管驱动电路、内部振荡电路、内部寄存器组、中断控制电路、I2C总线接口电路；第1路硅基光电探测器的输出端接第1路前置放大器的输入端，第1路前置放大器的输出端接多路模拟-数字转换器的输入端，第2路硅基光电探测器的输出端接第2路前置放大器的输入端，第2路前置放大器的输出端接模拟-数字转换器的输入端，第3路硅基光电探测器的输出端接第3路前置放大器的输入端，第3路前置放大器的输出端接模拟-数字转换器的输入端，第4路硅基光电探测器的输出端接第4路前置放大器的输入端，第4路前置放大器的输出端接模拟-数字转换器的输入端，模拟-数字转换器将模拟量转化为数字量，并存储在内部数据寄存器中，以供外部微控制器读取；外部微控制器根据四路硅基光电探测器所获取的光信息判断物体运动轨迹、物体接近距离。2.如权利要求1所述用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器，其特征在于所述模拟-数字转换电路采用高速逐次逼近式多路模拟-数字转换电路。3.如权利要求1所述用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器，其特征在于所述用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器设有芯片圆柱体凹槽和芯片立方体凹槽，所述用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器的红外信号发射端设有一个850nm红外发光二极管，该850nm红外发光二极管被放置于芯片圆柱体凹槽内；所述用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器的红外信号接收端设有四个完全相同正方形硅基光电探测器，四个完全相同正方形硅基光电探测器被放置于芯片立方体凹槽底部，四个完全相同正方形硅基光电探测器以芯片立方体凹槽底部的中心点为基准，分别分布于中心点的上、下、左、右四个方位。4.如权利要求1所述用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器，其特征在于所述硅基光电探测器采用“N+/N-Well/P-Sub”结构，硅基光电探测器的纵向结构自下向上依次是：第一层是低掺杂的P型硅衬底，第二层是N阱，第三层是N型重掺杂硅，P型重掺杂硅、金属铝，第四层到第六层为三层SiO2绝缘介质层，第七层是Si3N...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪峰，
申请(专利权)人：厦门中莘光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35