芯片级光探测和测距设备及其制造方法技术

本发明专利技术公开的芯片级LiDAR设备包括具有三层的芯片。第一层包括多个微机械(MEMS)反射镜。第二层包括激光源、与激光源连接的分束器；多个波导，每个波导均与分束器连接；多个光束偏转器，每个光束偏转器与多个波导之一耦合。第三层包括接收单元，用于接收和处理来自激光源的一个或多个激光束的反射激光信号。该第一层、第二层、第三层使用晶片键合和/或焊料键合竖直地互相连接。该芯片级LiDAR设备可大批量生产，适用于成本、重量、功率和形状因素受限制的应用领域。本发明专利技术还对应公开该芯片级LiDAR设备的制造方法。

Chip level optical detection and ranging equipment and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
芯片级光探测和测距设备及其制造方法
本专利技术的实施例总体上涉及遥感技术，尤其涉及芯片级光探测和测距(LiDAR)设备以及制造该设备的方法。
技术介绍
LiDAR设备可以通过利用激光脉冲照射环境中的物体并测量物体反射脉冲来测量到该物体的距离。LiDAR设备通常利用高级光学和旋转组件来创建广阔的视野，但是这种实现方式往往体积庞大且昂贵。固态LiDAR传感器往往成本较低，但其尺寸仍然较大。由于固态LiDAR传感器具有明显优势：可靠性更高，使用寿命更长，尺寸更小，重量更轻，成本更低，因此，在许多系统，例如高级驾驶员辅助系统(ADAS)中，此类LiDAR传感器将是首选。因此，如何将LiDAR设备的结构及应用优化成为研究难题。
技术实现思路
本专利技术所描述的为芯片级LiDAR设备及其制造方法的各种实施例。各种实施例使得LiDAR设备的大批量生产成为可能，可用于成本、重量、功率和形状因素受限制的应用领域。在一个实施例中，芯片级LiDAR设备包括具有三层的芯片。第一层包括多个微机械(MEMS)反射镜。第二层包括激光源、与激光源连接的分束器，分别与分束器连接的多个波导和多个光束偏转器，每个光束偏转器与多个波导之一耦合。第三层包括接收单元，用于接收和处理来自激光源的一个或多个激光束的反射激光信号。该第一层、第二层、第三层使用晶片键合和/或焊料键合竖直地互相连接。根据本专利技术的一方面，芯片级LiDAR设备可包括具有三层的芯片。第一层包括多个微机械(MEMS)反射镜。第二层包括激光源、连接到激光源的分束器、分别连接到分束器的多个波导和多个光束偏转器，每个光束偏转器与多个波导之一耦合。第三层包括接收单元，用于接收和处理来自激光源的一个或多个激光束的反射激光信号。该第一层、第二层、第三层使用晶片键合和/或焊料键合竖直地互相连接。在一个实施例中，第二层和第三层通过晶片键合相互连接，第一层和第三层通过焊料键合相互连接。一个或多个间隔物被用于在所述第一层与所述第三层之间产生间隔，以使来自第二层的激光源的激光束可以被导向至第一层上的相应的MEMS反射镜上。在可选实施例中，第一层和第二层直接连接，而在第一层和第三层之间不设置任何间隔物。在本实施例中，第一层可以是具有预定厚度的玻璃面板；玻璃面板的厚度使来自第二层的激光源的激光束能够被导向至第一层的相应MEMS反射镜上。在一个实施例中，可以有相等数量的MEMS反射镜、波导和光束偏转器。每个波导可以对应一个不同的光束偏转器，每个光束偏转器可以对应一个不同的MEMS反射镜。多个光束偏转器中的每一个将来自激光源的一个或多个激光束偏转出平面，从第二层偏转到第一层上相应的MEMS反射镜。一个或多个激光束通过相应的波导从激光源被引导到光束偏转器。多个MEMS反射镜中的每一个均耦合至一个或多个致动器，该致动器被配置为以Z字形或螺旋形图案对MEMS反射镜进行扫描，从而将来自激光源的激光束导向至一个或多个不同方向。在一个实施例中，第三层中的接收单元包括空间滤波器，根据第一层上的每个MEMS反射镜正在扫描的一个或多个方向而动态形成孔，该孔使得从一个或多个方向反射的光子能够通过该空间滤波器。根据本专利技术的另一方面，一种制造芯片级光探测和测距(LiDAR设备的方法包括制造具有多个第一管芯的第一晶圆，每个第一管芯上均形成有照相集成电路(PIC)管芯，其中每个PIC管芯包括激光源、连接到激光源的光束分束器、多个波导，每个波导均连接到光束分离器，以及多个光束偏转器，每个光束偏转器与多个波导之一耦合。该方法还包括制造具有多个第二管芯的第二晶圆，每个第二管芯上形成有多个单光子雪崩二极管(SPAD)，其中每个第二管芯将接收和处理来自激光源的一个或多个激光束的反射激光信号。该方法还包括将第一晶圆和所述第二晶圆背对背连接以形成集成晶圆；以及将该集成晶圆分为多个集成管芯。在一个实施例中，该方法还包括制造具有多个第三管芯的第三晶圆，每个第三管芯上均形成有微机械(MEMS)反射镜；然后将第三晶圆分成不同的第三管芯。该方法还包括将多个第三管芯中的一个或多个连接到玻璃面板上；以及将玻璃面板连接到多个集成管芯之一。在一个实施例中，玻璃面板和集成管芯通过焊料键合互相连接。上面的概述并非包括本专利技术所有方面的详尽内容。可以预期，本专利技术包括从上述各方面的所有合适组合中实践的所有系统和方法，以及本专利技术的具体实施例中所公开的系统和方法。本专利技术的各个实施例的其他功能和优点将从附图和下面的详细描述中显而易见。附图说明在附图中通过示例而非限制的方式展示本公开的实施例，其中相同的附图标记指示相同的元件。图1展示为根据一实施例可以在其中实施本专利技术的实施例的示例LiDAR设备。图2展示为根据一实施例的具有动态空间滤波器的示例LiDAR设备。图3A和3B展示如图2所示的LiDAR设备的示例实施例。图4展示图2所示的LiDAR设备的另一示例实施例。图5A-5B展示根据一实施例的空间滤波器的另一示例实施例。图6为根据一实施例的示例芯片级LiDAR设备的侧视图的框图。图7为根据一实施例的另一示例芯片级LiDAR设备的侧视图的框图。图8进一步展示根据一实施例的示例芯片级LiDAR设备。图9为根据一实施例的另一示例芯片级LiDAR设备。图10A-10E展示根据一实施例的制造芯片级LiDAR设备的过程。图11展示根据一实施例的制造芯片级LiDAR设备的示例过程1100。具体实施方式以下描述和附图是说明性的，并且不应解释为限制性的。描述了许多具体细节以提供对各种实施例的透彻理解。但是，在某些情况下，为了提供实施例的简要讨论，没有描述众所周知的或常规的细节。固态LiDAR设备图1展示为根据一实施例可以在其中实施本专利技术的实施例的示例LiDAR设备。示例LiDAR设备可以是固态LiDAR设备101，其可以通过用激光脉冲照射环境中的物体来测量到物体的距离。反射的激光脉冲和波长的返回时间的差异可用于创建环境的点云。点云可以提供空间位置和深度信息，以用于识别和跟踪物体。如图1所示，该LiDAR设备101包括激光脉冲发射单元104、激光脉冲扫描器105、激光脉冲接收单元109和控制单元107。激光脉冲发射单元104可以包括一个或多个可发射包含不同频率的光子的短脉冲激光束的激光发射器。例如，在图1中，激光脉冲发射单元104发射出射激光脉冲束113。该出射激光脉冲束113可以由激光脉冲扫描仪105使用各种机构(包括微机电系统(MEMS)反射镜以及一个或多个光学相控阵列(OPA)朝一个或多个方向转向或扫描。该一个或多个方向中的每一个可以被称为转向方向或扫描方向。与每个转向方向相关联的竖直角度和水平角度可以分别被称为转向角度或扫描角度。激光脉冲扫描仪105可以使一个或多个激光脉冲束朝某个转向方向转向。每个激光脉冲束可以具有固定数量的脉冲。控制单元107可以包括以硬件、软件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种芯片级光探测和测距(LiDAR)设备，包括：/n第一层，所述第一层上形成有多个微机械(MEMS)反射镜；/n第二层，包括：/n激光源；/n与所述激光源连接的分束器；/n多个波导，每个所述波导均与所述分束器连接；以及/n多个光束偏转器，每个所述光束偏转器与多个所述波导的之一耦合；以及/n第三层，包括接收单元，用于接收和处理来自所述激光源的一个或多个激光束的反射激光信号；/n其特征在于：所述第一层、所述第二层以及所述第三层竖直地互相连接。/n

【技术特征摘要】
20190404 US 16/375,788;20191220 US 16/723,8391.一种芯片级光探测和测距(LiDAR)设备，包括：
第一层，所述第一层上形成有多个微机械(MEMS)反射镜；
第二层，包括：
激光源；
与所述激光源连接的分束器；
多个波导，每个所述波导均与所述分束器连接；以及
多个光束偏转器，每个所述光束偏转器与多个所述波导的之一耦合；以及
第三层，包括接收单元，用于接收和处理来自所述激光源的一个或多个激光束的反射激光信号；
其特征在于：所述第一层、所述第二层以及所述第三层竖直地互相连接。


2.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其特征在于：所述第二层和所述第三层通过晶片键合互相连接，且所述第一层和所述第三层通过焊料键合互相连接。


3.根据权利要求2所述的LiDAR设备，其特征在于：一个或多个间隔物被用于在所述第一层与所述第三层之间产生间隔，以使来自所述第二层的所述激光源的激光束可以被引导至所述第一层的相应的MEMS反射镜上。


4.根据权利要求2所述的LiDAR设备，其特征在于：所述第二层和所述第三层通过晶片键合互相连接，且所述第一层和所述第二层通过焊料键合直接互相连接。


5.根据权利要求4所述的LiDAR设备，其特征在于：所述第一层为具有预定厚度的玻璃面板，所述玻璃面板使得来自所述第二层的所述激光源的激光束能够被导向至所述第一层的相应的MEMS反射镜上。


6.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其特征在于：所述MEMS反射镜的数量、所述波导的数量和光束偏转器的数量相同，其中，每个所述波导对应一个不同的所述光束偏转器，且每个所述光束偏转器对应所述第一层上的一个不同的所述MEMS反射镜。


7.根据权利要求6所述的LiDAR设备，其特征在于：多个所述光束偏转器中的每一个将来自所述激光源的一个或多个激光束偏转出平面，从所述第二层偏转到所述第一层的相应MEMS反射镜。


8.根据权利要求7所述的LiDAR设备，其特征在于：所述一个或多个激光束通过相应的波导从所述第二层的所述激光源被导向至所述光束偏转器。


9.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其特征在于：所述第一层上的多个所述MEMS反射镜中的每一个均与一个或多个致动器耦合，所述致动器被配置为以Z字形或螺旋形图案对所述MEMS反射镜进行扫描，以将来自所述激光器的激光束导向至一个或多个不同方向。


10.根据权利要求9所述的LiDAR设备，其特征在于：所述第三层中的所述接收单元包括：
空间滤波器，其中所述空间滤波器上的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋云鹏，
申请(专利权)人：光为科技广州有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44