借力高整合光学传感器 智能手机增强使用体验

2014-10-06 18:08:31来源: 新电子
  高整合光学感测器将提升手机使用体验。新一代微型光学感测器采用类3D叠设式封装技术,将环境光感测器与接近感测器整合在极小的元件中,不仅符合手机轻薄设计要求,更能创造多种新的人机互动功能,并改善能源使用效率。

近年来行动网路普及,智慧型手机、平板电脑等行动联网装置大行其道,带动行动运算平台以及周边元件的蓬勃发展。在高度整合趋势下,多数的平台供应商所提供的方案除了处理器之外,几乎也囊括大部分的周边元件,不过,在行动装置上大量使用的各式感测器,如环境光感测器(Ambient Light Sensor)、接近感测器(Proximity Sensor)、加速度计(Accelerometer)、陀螺仪(Gyroscope)、电子罗盘(Compass)等,由于制程与封装有其特殊性,故直接整合难度极高。  
目前手机业者在设计上皆希望能在最小的机构尺寸下,争取最大的萤幕空间,因此越来越多厂商投入开发薄边框的设计。为此,手机正面配置元件所占用的空间须进一步缩小,方能达成薄边框设计的目标。  

微型整合光感测元件助威 人机互动更智慧 

新一代微型整合光感测元件,整合两种应用于手持装置之光学感测器,其一为环境光感测器,另一则为接近感应器。将两者共同封装可节省电力、空间及成本,以符合消费性电子产品轻薄、省电之趋势。  

微型整合光感测器除了应用于当前火红的智慧手持装置之萤幕关闭、防误触之外,对于笔记型电脑、一体成型(All-in-one, AIO)电脑的远距离侦测,无反光式相机之液晶显示器(LCD)关闭侦测、智慧型非接触式开关等,均属其可执行的应用范围内。  

IR LED距离感测聪明省电 

目前的智慧型手机大都采用电容式触控萤幕,当通话进行时,手机会贴近脸部,当萤幕与脸部皮肤接触时会造成误触,故在设计上皆会于手机上缘建置一接近感测器,感测器可在感应到脸部接近时将触控萤幕关闭,一来可解决脸部误触萤幕的问题,二来也可达到节约能源的功效。  

一般常见的距离感测器多会搭配一颗红外线发光二极体(IR LED),它会打出人眼看不见的光源,当有物体接近时,光源会反射到旁边的距离感测器(其实距离感测器可视为一红外线感测器),可送出讯号给系统做出关闭萤幕的动作(图1)。  


图1 距离感测试器工作示意图
在笔记型电脑、AIO电脑及萤幕上,透过已进行加强的距离感测器可远距离的侦测,判读反射光线的强弱与讯号时间,掌握使用者与萤幕的距离。此类型的应用很广泛,举例来说,当小朋友离电视太近时,可自动将萤幕关闭,直到使用者与萤幕回复安全距离时,则可再开启萤幕;又或者是当使用者离开电脑时,萤幕可自动调整亮度或关闭萤幕,以节约能源等。  

目前十分普及的无反光镜式的相机上,也可利用接近感测器来侦测使用者是否正在使用电子式光学景观窗。当使用者的眼睛靠在景观窗上时,可以自动将LCD检视器关闭,使用者眼睛一离开观景窗时,再将画面跳回LCD检视器。  

除了在一般3C产业常见的应用之外,当接近感测成阵列的情况下,也可判断简单手势来做成智慧型的非接触式开关等。  
环境感测兼顾节能与使用舒适度 
现行的距离感测器多半也具有环境光感测器的功能。环境光感测器可用来判别环境中可见光的亮度,进而调节装置的萤幕亮度,以达到节约能源与增加眼睛舒适度等功能。事实上,以一般配有萤幕的装置来说,萤幕多半为整个装置中最为耗电的单一元件,也因此,配有环境光感测的装置,便能够大幅减少多余的电源损耗--在光线充足的环境,萤幕亮度会调高,以便增加萤幕可视度;于暗处使用时,萤幕亮度会自动调低,可增加阅读舒适性以及节省电量损耗。  

较高阶笔记型电脑常见的背光键盘功能,也须由环境光感测器来搭配启动。光线充足时,则自动将键盘关闭;一到暗处,则依程度自动调节键盘背光的强弱,维持最佳的显示亮度。  

环境光感测器及接近感测器为两种全然不同的光感测器,过去主要使用在工业应用方面,其市场较局限、不容易切入,且产品规格要求相当高。智慧型手持装置于2009年开始普及后,已有不少厂商将环境光感测器及接近感测器应用其中,但使用的比例仍然偏低,其原因在于主要专利技术集中在少数欧美大厂,更因为要将环境光感测器及接近感测器整合在同一封装内,须对光讯号间的干扰处理非常注重,这已超越传统堆叠及成型(Molding)技术的范畴,在性能及价格上皆无法满足市场需求。  

一般而言,主要IR干扰来自于封装(Package)内部的漏光,以及产品在手机内部因为上覆镜片(Cover Lens)造成的内反射(图2)。在封装设计中,如果将LED放置位置与感测单元太过接近,即可能造成封装内部的漏光,但若采用一般的并列式封装,目前的多合一感测器几乎没有缩小体积的可能。而Cover Lens内反射的问题,一般是利用减少产品与玻璃(Glass)的间距来获得改善,因此,绝大部分整合式光学感测器的封装高度都大于1毫米(mm)。  


图2 多合一感测器在应用上的IR干扰来源
为防止IR LED与光感测晶片的光讯号干扰,两者间再利用IR光来阻绝材料进行封装,这样的封装方式除了造成制程上的复杂,以及成本的上升之外,其封装体积也无法小型化。目前仅有并列式封装可小型化光感测晶片,并无其他有效的方式可以使产品封装小型化。光感测晶片的小型化与半导体制程有关,或许可藉由先进制程达到小型化的需求,但是其成本必然上升。  

整合型光学感测器模组是将光感测晶片及红外线LED适当的封装后形成,完整的光学感测器是由一个光学前端、类比混合讯号处理电路及封装结构所构成。其中须了解环境光及接近感测器的基本原理、电路构建模组、封装结构设计考量、光电讯号演算法及基本近接特性(图3)。  


图3 典型的整合型光感测器功能架构图
整合型光学感测器不只能感测使用者身处位置的光环境,还能感测物体正在接近或远离。两者的配合可让微处理器得以做出更复杂的控制和调整,使装置更人性化,同时改善装置的能源使用率。举例来说,当智慧型手机之环境光感测器长时间感测到环境光源非常微弱时,便可以判断手机可能放置在使用者的口袋中,这时若有人拨打电话进来,便可将铃声放大以提醒使用者。  

类3D叠设式封装 突破微型化瓶颈 

台湾晶技(TXC)为达到整合型光感测器之应用,并符合消费性电子零件体积轻薄短小之趋势,利用精密多层陶瓷材料的特性,将光感测晶片及红外线LED进行类3D叠设式封装,以达系统整合及小型化之需求(图4)。  


图4 类3D叠设式封装之概念图
类3D叠设式封装利用叠设式概念的优点如下:  

.可充分利用封装面积,在不牺牲任何产品规格下达成微型化之目的。 

.因采覆晶封装,因此可避免如传统并列式封装时须另外加上盖或二次Molding。 

.光感测晶片位于封装体的下方较深处,可减少实际应用时因玻璃内反射所造成的IR干扰疑虑。 

.封装尺寸微型化在应用上更可达成智慧型手持式装置薄边框与长待机时间等优点。 

利用多层陶瓷材料特性,以及应用GGI覆晶封装技术与精密点胶制程,将IR LED与矽基(Si Base)光感测晶片进行类3D叠设式封装,其与目前国际大厂发展之Molding技术不同,利用叠设式的设计也与并列式不同,更可缩小产品封装尺寸,以符合消费性电子元件封装体积缩小之趋势。  

关键字:高整合  光学传感器

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2014/1006/article_37396.html
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