一种集成硅基光电探测器的光电模数转换芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种集成硅基光电探测器的光电模数转换芯片，将硅基光电探测器、跨阻放大器和模数转换器有效的集成在一块芯片上，有效的将环境光检测、手势识别、接近距离探测通过Si标准工艺结合在了同一块芯片上，且直接联接电流转换电压的放大电路及模数转换电路，简化了组装过程，能够在减少互连线和系统体积的同时保证系统的可靠性，提高了集成度，促进了设备微型化，增强了芯片的功能，达到了一芯多用的效果，并在一定程度上降低了成本，使芯片能够广泛的应用到各种小型便携式电子设备中。

【技术实现步骤摘要】
一种集成硅基光电探测器的光电模数转换芯片
本专利技术涉及一种光电模数转换芯片，特别涉及一种集成环境光检测、手势识别、接近距离探测的光电模数转换芯片。
技术介绍
随着光电传感器的多元化、智能化发展，环境光传感器能检测到周围环境光线的变化，可用于电子设备显示屏亮度的智能自动调节，距离传感器能检测到物体的位移，手势传感器用来检测和识别手势方向的变化，可用于手机、平板等智能设备的触摸屏功能，增强了人机交互。传统的光电传感芯片的探测器功能都比较分立，芯片功能单一，若需实现多种功能，则需要多个芯片进行组装，导致设备占用体积大，连线复杂。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种集成硅基光电探测器的光电模数转换芯片，将集成环境光检测、手势识别、接近距离探测的光电探测器直接在硅标准工艺中制备出来，实现光电集成的模数混合电路芯片。技术方案：一种集成硅基光电探测器的光电模数转换芯片，包括：硅基光电探测器、前置放大器、逐次逼近型模数转换器；所述硅基光电探测器包括光发射区和接收区；所述光发射区设有红外光源，所述接收区设置通过CMOS工艺制备的硅基光电二极管矩阵列；用于环境光检测的硅基光电二极管组为所述硅基光电二极管矩阵列中跨越中心的十字形区域的硅基光电二极管，所述十字形区域的硅基光电二极管表面分别设有红色滤膜、蓝色滤膜、绿色滤膜；所述十字形区域以外的硅基光电二极管表面均设有红外滤光膜，作为手势识别和接近距离探测检测用硅基光电二极管组；所述硅基光电探测器的输出端接前置放大器的输入端，所述前置放大器的输出端接逐次逼近型模数转换器的输入端。进一步的，还包括数字电路，所述数字电路集成了I2C通讯协议电路、基于I2C通讯的阈值设定模块以及数字脉宽调制电路。进一步的，所述硅基光电探测器整体采用贴片塑料开窗式封装，引脚分布于封装底面。进一步的，所述硅基光电二极管矩阵列为3×3阵列，以(i,j)表示硅基光电二极管位置，i＝1,2,3，j＝1,2,3，(2,2)硅基光电二极管表面分别设有红色滤膜，(1,2)和(3,2)硅基光电二极管表面分别设有蓝色滤膜，(2,1)和(2,3)硅基光电二极管表面分别设有绿色滤膜，(1,1)、(1,3)、(3,1)、(3,3)硅基光电二极管表面均设有波长850nm的红外滤光膜，所述光发射区的红外光源为波长850nm的红外LED，所述硅基光电探测器的光发射区和接收区之间设有隔光板。进一步的，所述前置放大器包括跨阻放大器、限幅放大电路、输出缓冲器、带隙基准电压源；所述跨阻放大器的输入端接所述硅基光电探测器的输出端，所述限幅放大电路的输入端接所述跨阻放大器的输出端，所述输出缓冲器的输入端连接所述限幅放大器的输出端，所述带隙基准电源用于为所述跨阻放大器、限幅放大电路、输出缓冲器供电。进一步的，所述逐次逼近型模数转换器包括时钟发生器、6-bit电容阵列、4-bit电阻阵列、SAR逻辑控制器、电压比较器，所述时钟发生器发出脉冲信号，6-bit电容阵列控制低六位的数字输出，4-bit电阻阵列控制高四位的数字输出，输入模拟电压和参考电压进行比较，将结果反馈保存至SAR逻辑控制器中，并控制下一周期的输出。有益效果：本专利技术将硅基光电探测器、跨阻放大器和模数转换器有效的集成在一块芯片上，有效的将环境光检测、手势识别、接近距离探测通过Si标准工艺结合在了同一块芯片上，且直接联接电流转换电压的放大电路及模数转换电路，简化了组装过程，能够在减少互连线和系统体积的同时保证系统的可靠性，提高了集成度，促进了设备微型化，增强了芯片的功能，达到了一芯多用的效果，并在一定程度上降低了成本，使芯片能够广泛的应用到各种小型便携式电子设备中。而且光电传感相比于其他传感技术具有易集成、测量范围广且容易控制调节的优势。附图说明图1为光电模数转换芯片的整体物理结构图；图2为光电模数转换芯片的硅基光电探测器布局结构；图3为光电模数转换芯片的电路模块图；图4为光电模数转换芯片的模数转换器的电路原理图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。一种集成硅基光电探测器的光电模数转换芯片，包括：硅基光电探测器、前置放大器、逐次逼近型模数转换器。硅基光电探测器由光照产生光电流，实现光电转换，前置放大器将光电探测器产生的微弱的光电流转换成电压信号并进行放大，逐次逼近型模数转换器将电压信号转换成可读的数字信号并输出给外围设备。硅基光电探测器包括光发射区和接收区。光发射区设有红外光源，接收区设置通过180nmCMOS工艺制备的硅基光电二极管矩阵列，用于检测光功率的变化来判断物体位置。其中，用于环境光检测的硅基光电二极管组为硅基光电二极管矩阵列中跨越中心的十字形区域的硅基光电二极管，十字形区域的硅基光电二极管表面分别设有红色滤膜、蓝色滤膜、绿色滤膜。十字形区域以外的硅基光电二极管表面均设有红外滤光膜，作为手势识别和接近距离探测检测用硅基光电二极管组。硅基光电探测器的输出端接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端接逐次逼近型模数转换器的输入端。本实施例如图2、图3所示，硅基光电探测器整体采用贴片塑料开窗式封装，引脚分布于封装底面。光信号接收区设有方形窗口，红外光发射区设有圆形窗口，为减少光电探测器面积，引脚分布于封装底面。硅基光电二极管矩阵列为3×3阵列，以(i,j)表示硅基光电二极管位置，i＝1,2,3，j＝1,2,3，(2,2)硅基光电二极管PD1表面分别设有红色滤膜，(1,2)和(3,2)硅基光电二极管PD2、PD3表面分别设有蓝色滤膜，(2,1)和(2,3)硅基光电二极管PD4、PD5表面分别设有绿色滤膜，(1,1)、(1,3)、(3,1)、(3,3)硅基光电二极管PD6、PD7、PD8、PD9表面均设有波长850nm的红外滤光膜。其中，PD1、PD2、PD3、PD4、PD5为一组用于环境光检测的硅基光二极管，由于不同颜色的滤光膜对光的选择透过性，不同的PD对不同波段的光产生响应，此时光源为周围环境的自然光。PD6、PD7、PD8、PD9为一组用于接近距离、手势识别的硅基光电二极管，光发射区的红外光源为波长850nm的红外LED，工作时，红外LED为硅基光电二极管提供光源。当光电探测器接受光信号后转换成光电流，并通过不同位置的硅基光电探测器接受光功率的变化判断出物体的位置以及手势的变化。硅基光电探测器的光发射区和接收区之间设有隔光板，防止红外光从内部进入接收区，对PD阵列产生影响，导致结果的不精确。人眼对于光线的响应主要集中在400～700nm波段之间，然而CMOS工艺下的硅基光电探测器的光谱响应响应峰值位于850nm左右，与人眼的光谱响应曲线不同，为了能精确模拟人眼的光谱响应曲线，在光电探测器表层涂滤光膜。接收区的五个表面覆有红、绿、蓝滤光膜的光电探测器分别探测泛红光、绿光和蓝光的强度，为使光电探测器阵列的光谱响应曲线进一步接近人眼的光谱响应曲线，在光电探测器接收区后接入不同放大倍数的跨阻放大器对光电探测器的输出进行放缩，将光谱响应曲线进行调整和优化。即不同的光电二极管连接不同放大倍数的跨阻放大器，带红、蓝、绿滤光片的硅基光电二极管分别输出对应的光电流，通过各前置放大器对光电流放大并转换成电压，并进行线性组合来模拟人眼的光谱响应曲线。如图3所示，前置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成硅基光电探测器的光电模数转换芯片，其特征在于，包括：硅基光电探测器、前置放大器、逐次逼近型模数转换器；所述硅基光电探测器包括光发射区和接收区；所述光发射区设有红外光源，所述接收区设置通过CMOS工艺制备的硅基光电二极管矩阵列；用于环境光检测的硅基光电二极管组为所述硅基光电二极管矩阵列中跨越中心的十字形区域的硅基光电二极管，所述十字形区域的硅基光电二极管表面分别设有红色滤膜、蓝色滤膜、绿色滤膜；所述十字形区域以外的硅基光电二极管表面均设有红外滤光膜，作为手势识别和接近距离探测检测用硅基光电二极管组；所述硅基光电探测器的输出端接前置放大器的输入端，所述前置放大器的输出端接逐次逼近型模数转换器的输入端。

【技术特征摘要】
1.一种集成硅基光电探测器的光电模数转换芯片，其特征在于，包括：硅基光电探测器、前置放大器、逐次逼近型模数转换器；所述硅基光电探测器包括光发射区和接收区；所述光发射区设有红外光源，所述接收区设置通过CMOS工艺制备的硅基光电二极管矩阵列；用于环境光检测的硅基光电二极管组为所述硅基光电二极管矩阵列中跨越中心的十字形区域的硅基光电二极管，所述十字形区域的硅基光电二极管表面分别设有红色滤膜、蓝色滤膜、绿色滤膜；所述十字形区域以外的硅基光电二极管表面均设有红外滤光膜，作为手势识别和接近距离探测检测用硅基光电二极管组；所述硅基光电探测器的输出端接前置放大器的输入端，所述前置放大器的输出端接逐次逼近型模数转换器的输入端。2.根据权利要求1所述的集成硅基光电探测器的光电模数转换芯片，其特征在于，还包括数字电路，所述数字电路集成了I2C通讯协议电路、基于I2C通讯的阈值设定模块以及数字脉宽调制电路。3.根据权利要求1或2所述的集成硅基光电探测器的光电模数转换芯片，其特征在于，所述硅基光电探测器整体采用贴片塑料开窗式封装，引脚分布于封装底面。4.根据权利要求3任一所述的集成硅基光电探测器的光电模数转换芯片，其特征在于，所述硅基光电二极管矩阵列为3×3阵列，以(i,j)表示硅基光电二极管位置，i＝1,2,3，j＝1,2,3...

【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