热门光传感器产品分析

2014-04-08 21:25:05来源: 上海微技术工研院
   
    继苹果、三星在手机和平板电脑上应用了光传感器之后,光传感器开始大范围的应用在了消费类电子产品上。全球各品牌的手机平板厂商,包括中国手机厂商如中兴,华为,酷派,联想等,纷纷推出了应用组合或独立的光传感器的产品。激增的终端应用,带动了光传感器市场的迅速成长。奥地利微电子(AMS) 、凌耀科技(Capella) 、安华高(Avago)、夏普(Sharp) 、英特矽尔(Intersil) 、美信(Maxim)等厂商是光传感器的主要供应商,其中奥地利微电子(AMS)和来自台湾的凌耀科技(Capella)在整体光传感器市场的占有率之和超过五成。

光传感器在消费类电子产品中主要有四种应用类型:环境光传感器接近传感器,RGB传感器和手势传感器。环境光传感器(ALS),可用来测量手机或平板电脑周围的环境光强度,以调整屏幕亮度并节省电池电量;接近传感器,当手机放到头部附近时禁用手机的触屏,以避免不需要的输入,并关掉显示屏灯光从而节省电量;RGB传感器,通过红、绿和蓝色波长测量空间的色温,以校正设备现实的白平衡;手势传感器,可以在用户不使用触控功能的情况下也能操作手机或平板电脑,大大提升了用户体验。


TMD2771

奥地利微电子(AMS)于2011年收购了总部位于美国德州的光传感技术创新厂商Taos,为其奠定了成为首席光传感器解决方案供应商的基础。奥地利微电子(AMS)的环境光与接近传感器的组合产品TMD2771被广泛地应用在众多国内外智能手机品牌中,如国外品牌三星的Galaxy终端系列、LG的Optimus系列、Nokia的Lumia系列、Pantech、NEC、Fujistu、Xolo等,国内品牌华为Ascend系列、联想乐Phone系列、中兴中高端机型、步步高vivo系列等等,其应用涵盖了高中低端全线产品。

TMD2771为环境光,接近传感器和红外LED的三合一传感器,采用了开孔封装,封装尺寸为3.94 mm x 2.4 mm x 1.35 mm。环境光和接近传感器由同一颗集成了PD和ASIC的芯片实现。

图一 TMD2771开封概貌图

TMD2771的ASIC芯片采取了SOI工艺,工艺节点为0.35um,由三层铝布线和一层多晶硅组成,芯片面积约1.85mm2。外延层厚度约为18um。

图二 TMD2771 芯片全图以及PD区域

四个象限的PD阵列,都采用相同的结构,但在N阱的尺寸上有所差别。N阱与P型外延(衬底)构成光电二极管,金属与N+注入区相连构成器件一端,另外一端通过旁边的P阱接触孔,连接到模拟地。N阱之间的P+注入区没有参与构成光电二极管,而是为了加强对表面光生载流子的收集, 在感光单元周围设置了一圈P+ 注入保护环, 与地电平相连,同时可以防止寄生晶体管N阱-P型外延(衬底)-N阱导通。 I和II象限的N阱尺寸一致,N阱深约3.0um,N阱宽约3.2um;III和IV象限的N阱尺寸一致,N阱深约1.8um,N阱宽约2.5um。

图三 I和II象限PD的掺杂形貌

图四 III和IV象限PD的掺杂形貌

金属层覆盖的二极管主要是检测红外光,金属层未覆盖的二极管检测可见光和红外光。这两个二极管的掺杂形貌一致。根据PD的掺杂形貌推断,该区域的N阱掺杂由多次离子注入形成,相比扩散工艺,成本较高。


CM36682

台湾凌耀科技Capella Microsystems,原本专职研发光电相关应用晶片,后来在与电视客户合作时,顺势切入光感测IC技术领域,并由此再分出距离感测IC等产品线。凌耀科技于2008年推出第一颗将红外接近传感器与环境光传感器整合在一起的芯片,目前市场占有率仅次于奥地利微电子。

被应用在HTC One上的CM36682为环境光,接近传感器和红外LED的三合一传感器,采取开孔封装,封装尺寸为4.02 mm x2.02 mm x1.10 mm。环境光和接近传感器也由同一颗集成了PD和ASIC的芯片实现。

图五 CM36682 封装纵向结构

其ASIC芯片也采取了SOI工艺,工艺节点0.35um,由三层铝布线和一层多晶硅组成,芯片面积约1.38 mm2。

图六 CM36682芯片全图

该芯片内包含有7个光电二极管,PD4~PD7结构一致,PD1,PD2和PD3各不相同。

图七 CM36682 PD平面染色

除PD3以外,其余6个均覆盖有Ag。

图八 PD1纵向图


MAX88920

自今年4月份Samsung推出带有手势识别功能的Galaxy S4后,该机型迅速占领了智能手机高端市场,截止到今年10月底,S4的全球出货量已达到4000万部。S4的手势识别功能由Maxim提供的MAX88920实现。

MAX88920为手势识别,接近传感器和红外LED的三合一传感器,同样采用了开孔封装,封装尺寸为5.62 mm x 2.81 mm x 1.20 mm,相比TMD2771,大了不少。同样,其手势识别和接近传感器由同一颗集成了PD和ASIC的芯片实现。

图九 MAX88920封装纵向结构

其ASIC芯片工艺节点为0.25um,由四层布线和一层多晶硅组成,芯片面积约1.73 mm^2。

图十 MAX88920 芯片全图以及PD区域

四个象限的PD阵列,都采用相同的结构,并且阱的尺寸一致。横向尺寸较大的N阱与P型衬底构成光电二极管。横向尺寸较小的N阱没有参与构成光电二极管,起到隔离左右两个光电二极管的作用。 阱深约1.7um,构成二极管的N阱的阱宽约9.2um,起隔离作用的N阱宽约2.0um。

图十一 MAX88920 PD的掺杂形貌

该芯片内的光电二极管的结构是MAXIM专利US2012/0280904 A1中所提到的检测手势的实现方法之一。

上面介绍的三款产品都为组合产品。组合产品相比单一功能的产品,具有技术优势,有助于系统开发综合控制,同时能降低成本。市面上出现了组合程度越来越高的产品,如Sharp的GP2AP050A00F和Silicon Labs的Si114x,前者为手势、接近和RGB传感器三者的组合,后者则为手势、接近和光线传感器三者的组合。封装的开孔设计、如何提高检测灵敏度和抗干扰能力仍然是光传感器面临的技术挑战,我们将持续关注该领域的技术革新。


作者:张文燕
长期从事电子产品分析工作,关注领域包括消费类电子,半导体产品以及各类先进传感器。 对集成电路、MEMS以及先进传感器技术、市场有超过10年的深入研究。张文燕现任上海微技术工业研究院工程信息部总监。曾供职Techinsights公司,任产品分析部经理。wyzhang@sitrigroup.com


关键字:光传感器

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2014/0408/article_32155.html
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