專利名稱：使用單個照明源的光學(xué)手勢感測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電子設(shè)備的顯示器。更具體地，本發(fā)明涉及感測和確定物理手勢的設(shè)備。
背景技術(shù)：
手勢感測器是一種人類接口設(shè)備，該設(shè)備支持在無需用戶實(shí)際觸摸手勢感測器位于其中的設(shè)備的情況下檢測物理運(yùn)動。檢測到的運(yùn)動可以隨后被用作設(shè)備的輸入命令。在一些應(yīng)用中，設(shè)備被編程為識別不同的非接觸手運(yùn)動，諸如左到右、右到左、上到下、下到上、進(jìn)到出和出到進(jìn)手運(yùn)動。手勢感測器已經(jīng)在諸如平板計(jì)算設(shè)備和智能電話之類的手持設(shè)備以及諸如膝上式計(jì)算機(jī)之類的其他便攜式設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。手勢感測器也被實(shí)施在檢測視頻游戲玩家的運(yùn)動的視頻游戲控制臺中。最常規(guī)的手勢感測器實(shí)現(xiàn)方式使用三個或更多個諸如發(fā)光二極管(LED)之類的照明源、以及諸如光電檢測器之類的光感測器。照明源被接連接通和關(guān)斷或閃爍，以便使得感測器從閃爍的光的反射獲得空間信息。圖I圖示了常規(guī)手勢感測器的簡化框圖。光電感測器4位于LED ULED 2和LED 3附近?？刂齐娐?被編程為接連接通和關(guān)斷LED 1-LED3并且分析由光電感測器4感測到的所得的測量。圖2圖示了用于使用圖I的手勢感測器檢測運(yùn)動目標(biāo)的示例性方法。通過觀察來自相同軸的LED的感測信號之間的相對延遲來檢測運(yùn)動。例如，為了檢測左到右或右到左運(yùn)動，如圖2中所示，比較由LED I和LED 2感測的信號。LED I在與LED 2不同的時間閃爍。LED I和LED 2位于已知位置并且按已知序列接通和關(guān)斷。當(dāng)來自LED的光射到在LED之上運(yùn)動的目標(biāo)時，光被運(yùn)動目標(biāo)反射回到光電感測器4。所感測的反射光被轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號被發(fā)送到控制電路5?？刂齐娐?包括使用LED位置、LED發(fā)光序列和所接收的感測數(shù)據(jù)來確定目標(biāo)的相對運(yùn)動的算法。圖2示出了對于左到右運(yùn)動的情況的感測電壓信號。感測電壓信號是電壓-時間曲線。標(biāo)記為“來自LED I的信號”的曲線示出了從LED I的重復(fù)的閃爍所得的感測電壓。曲線的低部分指示目標(biāo)未在經(jīng)過LED I之上或附近。換言之，目標(biāo)不在光電感測器4的“視場”內(nèi)，憑借該視場從LED I發(fā)射的光可以被目標(biāo)反射到光電感測器4上。如果目標(biāo)不在光電感測器4的與LED I相關(guān)的視場內(nèi)，則光電感測器4并不感測從LED I發(fā)射的光的任何反射。曲線的高部分指示目標(biāo)正經(jīng)過LED I之上或附近。標(biāo)記為“來自LED 2的信號”的曲線示出了從LED 2的重復(fù)的閃爍所得的感測電壓。當(dāng)LED I接通時，LED 2關(guān)斷，反之亦然。當(dāng)目標(biāo)位于LED I之上或附近時，與LED I的閃爍相關(guān)的感測電壓為高，而與LED 2的閃爍相關(guān)的感測電壓為低。當(dāng)目標(biāo)位于兩個LED (LED I和LED 2)之間的中間時，光電感測器4從LED I和LED 2兩者的閃爍檢測反射光。當(dāng)目標(biāo)位于LED 2之上或附近時，與LED 2的閃爍相關(guān)的感測電壓為高，而與LED I的閃爍相關(guān)的感測電壓為低。當(dāng)目標(biāo)不位于LED I或LED 2之上或LED I和LED 2之間時，光電感測器4不感測與任一 LED相關(guān)聯(lián)的反射光，并且對應(yīng)的感測電壓電平為低。對于左到右運(yùn)動，如圖2中所示，“來自LED I的信號”的感測電壓電平在“來自LED 2的信號”的感測電壓電平之前變?yōu)楦?。換言之，當(dāng)目標(biāo)從左到右運(yùn)動時，“來自LED 2的信號”的電壓-時間曲線相對于“來自LED I的信號”的電壓-時間曲線延遲。圖2還示出了對于右到左運(yùn)動的情況的感測電壓信號。對于右到左運(yùn)動，如圖2的左側(cè)的兩個電壓-時間曲線所示，“來自LED 2的信號”的感測電壓電平在“來自LED I的信號”的感測電壓電平之前變高。換言之，當(dāng)目標(biāo)從右到左運(yùn)動時，“來自LED I的信號”的電壓-時間曲線相對于“來自LED 2的信號”的電壓-時間曲線延遲。
其中上和下被視作y軸上的運(yùn)動的上下運(yùn)動使用LED 2和LED 3以及對應(yīng)的電壓-時間數(shù)據(jù)來類似地確定?？刂齐娐?從光電感測器4接收感測電壓并且按與上面關(guān)于X軸描述的方式類似的方式確定I軸上的相對目標(biāo)運(yùn)動。多照明源配置的一個缺點(diǎn)是多個照明源部件必須被集成在設(shè)備中。隨著設(shè)備尺寸的不斷減小，附加的部件是不期望的。

發(fā)明內(nèi)容
一種手勢感測設(shè)備，包括單個光源和在此統(tǒng)稱為分塊式光電感測器的多分塊式單個光電感測器、或光電感測器陣列。光修改結(jié)構(gòu)將反射光從光源中繼到分塊式光電感測器的不同分塊上。光修改結(jié)構(gòu)可以是光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)或機(jī)械結(jié)構(gòu)。光電感測器的不同的分塊感測反射光并且輸出對應(yīng)的感測電壓信號?？刂齐娐方邮詹⑶姨幚砀袦y電壓信號以確定相對于分塊式光電感測器的目標(biāo)運(yùn)動。在一個方面中，公開了一種用于確定物理手勢的設(shè)備。該設(shè)備包括單個照明源；多個光感測器；光修改結(jié)構(gòu)，其將反射光中繼到多個光感測器，其中反射光是來自單個照明源的被目標(biāo)物體反射的光；以及處理電路，其耦合到多個光感測器以分析從多個光感測器接收的依賴于時間的信號，并且確定該設(shè)備附近的目標(biāo)物體定向運(yùn)動。照明源可以是發(fā)光二極管。每個光感測器可以是光電二極管。多個光感測器可以是單獨(dú)的光感測器的陣列或是被劃分為多個分塊的單個光感測器。在一些實(shí)施例中，光修改結(jié)構(gòu)是光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)。在其他實(shí)施例中，光修改結(jié)構(gòu)是機(jī)械結(jié)構(gòu)，該機(jī)械結(jié)構(gòu)被配置為依賴于目標(biāo)物體相對于多個光感測器的位置而選擇性地阻擋光的一部分。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的情況下，每個光感測器可以被形成為多個單元結(jié)構(gòu)，每個單元結(jié)構(gòu)具有兩個光電二極管，此外其中機(jī)械結(jié)構(gòu)可以包括多個壁結(jié)構(gòu)，每個單元具有一個壁結(jié)構(gòu)，其中壁結(jié)構(gòu)位于兩個光電二極管之間。在一些實(shí)施例中，每個壁結(jié)構(gòu)的頂層具有不覆蓋兩個光電二極管中的任一個光電二極管的外周界。在其他實(shí)施例中，每個壁結(jié)構(gòu)的頂層具有部分覆蓋兩個光電二極管中的每個光電二極管的外周界。每個壁結(jié)構(gòu)可以包括多個金屬層和多個介電層，介電層使每個金屬層隔開，其中每個介電層包括耦合到在介電層的兩側(cè)上的金屬層的多個金屬通孔。在一些實(shí)施例中，多個壁結(jié)構(gòu)使用半導(dǎo)體制造工藝來制造。在一些實(shí)施例中，每個壁結(jié)構(gòu)垂直于一個或多個光電二極管的頂表面。在其他實(shí)施例中，每個光感測器包括多個單元結(jié)構(gòu)，每個單元結(jié)構(gòu)包括一個或多個光電二極管，此外其中機(jī)械結(jié)構(gòu)包括多個壁結(jié)構(gòu)，每個單元具有一個壁結(jié)構(gòu)，其中壁結(jié)構(gòu)與一個或多個光電二極管的頂表面呈不垂直的角度。在該不垂直配置中，每個壁結(jié)構(gòu)可以包括按照梯級結(jié)構(gòu)配置的多個金屬層和多個通孔。在一些實(shí)施例中，每個光感測器包括多個單元結(jié)構(gòu)，每個單元結(jié)構(gòu)包括兩個光電二極管，此外其中機(jī)械結(jié)構(gòu)包括多個有槽金屬層，每個單元具有一個有槽金屬層，其中有槽金屬層位于兩個光電二極管之上，并且有槽金屬層的開槽與兩個光電二極管之間的中心點(diǎn)對準(zhǔn)。每個單兀還可以包括位于光電二極管和有槽金屬層之間的介電層，其中介電層是光學(xué)透明的。在其他實(shí)施例中，多個光感測器形成在集成電路芯片上，并且每個光感測器是光電二極管，此外其中機(jī)械結(jié)構(gòu)包括耦合到集成電路芯片的芯片封裝體，該芯片封裝體包括位于每個光電二極管之間的壁結(jié)構(gòu)。


圖I圖示了常規(guī)手勢感測器的簡化框圖。圖2圖示了用于使用圖I的手勢感測器檢測運(yùn)動目標(biāo)的示例性方法。圖3圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的手勢感測設(shè)備的概念圖。圖4和圖5圖不了從響應(yīng)于在多個方向上運(yùn)動的目標(biāo)而從分塊式光電感測器輸出的信號生成的示例性復(fù)合信號。圖6圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的日晷配置的截面圖。圖7圖示了圖6的單元的頂視圖。圖8圖示了旋轉(zhuǎn)了 90度的圖7的單元。圖9圖示了被配置為形成四個分塊的多個單元的頂視圖。圖10圖示了根據(jù)備選實(shí)施例的日晷配置的截面圖。圖11圖示了根據(jù)又一備選實(shí)施例的日晷配置的截面圖。圖12圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的針孔配置的截面圖。圖13圖示了圖12的單元的頂視平面圖。圖14圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的冠層配置的截面圖。圖15圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的拐角四元配置的頂視圖。圖16圖示了圖15的拐角四元配置的截面圖。圖17圖示了在百葉窗配置中使用的成角度壁的一個示例性實(shí)現(xiàn)方式。圖18圖示了百葉窗配置中的相鄰單元。圖19圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的微四元單元配置的頂視圖。
具體實(shí)施例方式本申請的實(shí)施例涉及一種手勢感測設(shè)備。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識到，對手勢感測設(shè)備的以下詳細(xì)描述僅僅是例示性的，并且不以任何方式旨在是限制性的。擁有本公開的益處的本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地聯(lián)想到手勢感測設(shè)備的其他實(shí)施例。現(xiàn)在將詳細(xì)對如附圖中所圖示的手勢感測設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行參考。貫穿附圖和以下詳細(xì)描述，將使用相同的參考標(biāo)記來指代相同或相似的部分。為清晰起見，并未示出和描述在此描述的實(shí)現(xiàn)方式的全部常規(guī)特征。當(dāng)然，將理解，在任何這樣的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式的開發(fā)中，將很可能將進(jìn)行許多特定于實(shí)現(xiàn)方式的決定以便實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，諸如符合應(yīng)用和商業(yè)相關(guān)約束，并且這些特定目標(biāo)可以在實(shí)現(xiàn)方式之間以及在開發(fā)者之間變化。此夕卜，將理解，這樣的開發(fā)努力可能是復(fù)雜和耗時的，但仍然將是對于擁有本公開的益處的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說的常規(guī)工程任務(wù)。手勢感測設(shè)備的實(shí)施例包括單個光源和多分塊式單個光電感測器、或光電感測器的陣列。通過添加諸如光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)或機(jī)械結(jié)構(gòu)之類的光修改結(jié)構(gòu)，反射光可以被聚焦和/或引導(dǎo)到光電感測器的不同的分塊上。光電感測器的不同的分塊同時感測反射光，并且來自每個分塊的相對幅度指示目標(biāo)的運(yùn)動。控制電路接收和處理來自分塊式光電感測器的感測數(shù)據(jù)，以確定相對于分塊式光電感測器的目標(biāo)運(yùn)動。一個光感測器的配置比多源配置更緊湊并且更廉價。該手勢感測設(shè)備的另一優(yōu)點(diǎn)是用戶可以通過手勢傳達(dá)設(shè)備命令而無需激活觸摸屏控制器或使用機(jī)械按鈕。這提供了顯著的功率和成本節(jié)省。圖3圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的手勢感測設(shè)備的概念圖。手勢感測設(shè)備10包括表示為LED 11的單個照明源和分塊式光電感測器12。在一些實(shí)施例中，分塊式光電感測器12被配置為僅感測特定的一個或多個光波長，諸如由照明源11發(fā)射的波長。這樣的配置可以通過使用濾光器來實(shí)施。分塊式光電感測器12可以是功能上劃分為多個分塊的單個感測器或單獨(dú)的光電感測器的陣列。例如，四元分塊式光電感測器功能上等效于布置成四元布局的四個單獨(dú)的光電感測器。如在此所使用的，對“分塊”的引用指代單個感測器內(nèi)的被劃分的分塊或指代感測器陣列中的單獨(dú)的感測器。圖3在將分塊式光電感測器12示出為豎直(上面的標(biāo)記為12的元件)以及用于示出不同分塊(下面的標(biāo)記為12的元件)的平面圖兩者。在圖3的示例性配置中，分塊式光電感測器12包括四個分塊分塊A、分塊B、分塊C和分塊D。盡管四分塊檢測器是最簡單的實(shí)現(xiàn)方式，但應(yīng)理解可以增加分塊的數(shù)目以增加系統(tǒng)的分辨率。隨著分塊的數(shù)目增加，信號處理電子電路變得越來越復(fù)雜。每個分塊彼此隔離。LED 11位于分塊式光電感測器12附近。當(dāng)運(yùn)動目標(biāo)經(jīng)過LED 11和分塊式光電感測器12附近時，來自LED 11的光輸出被運(yùn)動目標(biāo)反射到分塊式光電感測器12上。手勢感測設(shè)備10還包括光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)13以將光聚焦到分塊式光電感測器12上。聚焦透鏡對來自分塊式光電感測器12之上的空間中的諸如手的手勢之類的運(yùn)動目標(biāo)的反射光進(jìn)行聚焦。應(yīng)理解，僅在光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)13的“視場”內(nèi)的反射光被聚焦到分塊式光電感測器12上。雖然光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)13在圖3中被示出為單個元件13,但光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)13表示用于將光引導(dǎo)到分塊式光電感測器12的任何數(shù)目的透鏡和/或光學(xué)元件。光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)和/或光感測器的示例性實(shí)現(xiàn)方式在以下申請中描述共有并且共同待決的于2011年5月26日提交的標(biāo)題為 “Light Sensor Having Glass Substrate With Lens Formed Therein，，的美國臨時專利中請序列號61/490，568以及共有并且共同待決的于2011年5月31日提交的標(biāo)題為 “Light Sensor Having Glass Substrate With Lens Formed Therein，，的美國臨時專利申請序列號61/491，805，上述申請都通過引用整體并入于此。分塊式光電感測器12的每個分塊向控制電路14輸出分塊信號，在該控制電路14處處理分塊信號。LED 11被連續(xù)地或周期性地激勵以照亮目標(biāo)。從目標(biāo)反射的光引起在每個分塊式光電感測器上的分塊信號。這些分塊信號被處理并且存儲在緩沖存儲器中，該緩沖存儲器與控制電路14集成或與控制電路14分離?？刂齐娐?4分析所存儲的數(shù)據(jù)并且確定是否已檢測到有效手勢。也可以使用相同的數(shù)據(jù)從而使得分塊式光電感測器12作為接近感測器而工作。相同的光電感測器結(jié)構(gòu)可以與不同的信號處理電路一同使用從而使得手勢感測設(shè)備也作為環(huán)境光感測器而工作。當(dāng)LED 11通電或閃爍時，如果目標(biāo)在分塊式光電感測器12之上的附近空間內(nèi)，則目標(biāo)被照亮。運(yùn)動目標(biāo)在圖3中被概念地圖示為平面反射器。目標(biāo)反射被光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)13成像到分塊式光電感測器12上。圖3的示例圖示了目標(biāo)的右到左運(yùn)動。隨著目標(biāo)的邊緣運(yùn)動經(jīng)過成像區(qū)域的中心，目 標(biāo)邊緣的聚焦的像跨過分塊式光電感測器12運(yùn)動。分塊A和分塊C首先響應(yīng)于運(yùn)動的像，隨后是分塊B和分塊D?？刂齐娐?4被編程為檢測該事件序列，并且識別右到左目標(biāo)運(yùn)動。類似地，可以通過相反的序列識別左到右目標(biāo)運(yùn)動，并且可以使用正交的信號集合識別上到下目標(biāo)運(yùn)動和下到上目標(biāo)運(yùn)動兩者?？梢酝ㄟ^感測四個分塊A-D的和的絕對幅度(這也是接近測量)來識別進(jìn)出目標(biāo)運(yùn)動。圖4和圖5圖示了從響應(yīng)于在多個方向上運(yùn)動的目標(biāo)而從分塊式光電感測器12輸出的信號生成的示例性復(fù)合信號。復(fù)合信號是兩個或更多個分塊信號的復(fù)合，每個分塊信號提供所感測的電壓-時間數(shù)據(jù)。圖4和圖5中示出的復(fù)合信號和分析復(fù)合信號的方法示出了關(guān)于如何分析分塊信號以確定目標(biāo)運(yùn)動的一個示例性方法。應(yīng)理解，備選的分析方法可以應(yīng)用于分塊信號以確定相對目標(biāo)運(yùn)動。參考圖4，為了確定目標(biāo)是從右到左運(yùn)動還是從左到右運(yùn)動，來自分塊A和分塊C的分塊信號被加在一起以形成復(fù)合信號A+C,并且來自分塊B和分塊D的信號被加在一起以形成復(fù)合信號B+D。圖4圖示了對應(yīng)于確定目標(biāo)的右到左運(yùn)動或左到右運(yùn)動的示例性復(fù)合 目號。從復(fù)合/[目號A+C減去復(fù)合/[目號B+D以形成差分復(fù)合/[目號(A+C)-(B+D)。如果存在右到左運(yùn)動，則如圖4的左下曲線所示，差分復(fù)合信號(A+C)-(B+D)具有正峰值然后具有負(fù)峰值。如果存在左到右運(yùn)動，則如圖4的右下曲線所示，差分復(fù)合信號(A+C)-(B+D)具有負(fù)峰值然后具有正峰值。在圖3中注意到，目標(biāo)的運(yùn)動方向與像在分塊式光電感測器12上的運(yùn)動方向相反。由于光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)13使得像倒逆。在下面詳細(xì)描述的備選實(shí)施例中，光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)被若干個機(jī)械結(jié)構(gòu)中的一個機(jī)械結(jié)構(gòu)替換。在這些備選配置的一些實(shí)施例中，分塊式光電感測器12上的像按照與目標(biāo)相同的方向運(yùn)動，并且圖4中所示的復(fù)合信號(A+C)和(B+D)被互換，并且差分復(fù)合信號(A+C)-(B+D)被反轉(zhuǎn)。如圖3中所示，當(dāng)目標(biāo)從左到右運(yùn)動時，分塊式光電感測器12上的像從左到右運(yùn)動。如應(yīng)用于圖4，當(dāng)目標(biāo)從右到左運(yùn)動時，則像初始地出現(xiàn)在分塊A和分塊C上，因?yàn)槟繕?biāo)在右邊，而像尚未出現(xiàn)在分塊B和分塊D上，并且如圖4的左上曲線所示，所得的復(fù)合信號A+C開始增加，而復(fù)合信號B+D保持為零。隨著目標(biāo)向左運(yùn)動，像開始出現(xiàn)在分塊B+D上同時仍出現(xiàn)在分塊A+C上，并且如圖4的左中曲線所示，所得的復(fù)合信號B+D開始增加。最終，像完全出現(xiàn)在全部分塊A至分塊D上。當(dāng)目標(biāo)像的尾邊緣運(yùn)動離開分塊A和分塊C時，復(fù)合信號A+C返回到零，并且形成差分復(fù)合信號(A+C)-(B+D)的負(fù)峰值。類似地，當(dāng)目標(biāo)從左到右運(yùn)動時，像初始地出現(xiàn)在分塊B和分塊D上，因?yàn)槟繕?biāo)在左邊，而像尚未出現(xiàn)在分塊A和分塊C上，并且如圖4的右上曲線所示，所得的復(fù)合信號B+D開始增加，而復(fù)合信號A+C保持為零。隨著目標(biāo)向右運(yùn)動，像開始出現(xiàn)在分塊A+C上同時仍出現(xiàn)在分塊B+D上，并且如圖4的右中曲線所示，所得的復(fù)合信號A+C開始增加。最終，像完全出現(xiàn)在全部分塊A至分塊D上。當(dāng)目標(biāo)像的尾邊緣運(yùn)動離開分塊B和分塊D時，復(fù)合信號B+D返回到零，并且形成差分復(fù)合信號(A+C)-(B+D)的正峰值。類似地確定上下運(yùn)動。為了確定目標(biāo)是從上到下運(yùn)動還是從下到上運(yùn)動，來自分塊A和分塊B的分塊信號被加在一起以形成復(fù)合信號A+B，并且來自分塊C和分塊D的信號被加在一起以形成復(fù)合信號C+D。圖5圖示了對應(yīng)于確定目標(biāo)的上到下運(yùn)動或下到上運(yùn)動的示例性復(fù)合信號。從復(fù)合信號A+B減去復(fù)合信號C+D以形成差分復(fù)合信號(A+B)-(C+D)。如果存在下到上運(yùn)動，則如圖5的左下曲線所示，差分復(fù)合信號(A+B)-(C+D)具有正峰值然后具有負(fù)峰值。如果存在上到下運(yùn)動，則如圖5的右下曲線所示，差分復(fù)合信號(A+B)-(C+D)具有負(fù)峰值然后具有正峰值。當(dāng)目標(biāo)從下到上運(yùn)動時，像初始地出現(xiàn)在分塊A和分塊B上，而像尚未出現(xiàn)在分塊C和分塊D上。如圖5的左上曲線所示，所得的復(fù)合信號A+B開始增加，而復(fù)合信號C+D保持為零。隨著目標(biāo)向下運(yùn)動，像開始出現(xiàn)在分塊C+D上同時仍出現(xiàn)在分塊A+B上，并且如圖5的左中曲線所示，所得的復(fù)合信號C+D開始增加。最終，像完全出現(xiàn)在全部分塊A至分塊D上。如在右到左運(yùn)動中那樣，對于下到上運(yùn)動，如圖5的左下曲線所示，差分復(fù)合信號(A+B)-(C+D)呈現(xiàn)正峰值然后呈現(xiàn)負(fù)峰值。可以容易看到，如圖5的右下曲線所示，相反的運(yùn)動，即上到下運(yùn)動形成類似的差分復(fù)合信號(A+B)-(C+D)，但具有相反相位。執(zhí)行附加的處理以確定朝向和遠(yuǎn)離分塊式光電感測器的運(yùn)動，該運(yùn)動被稱作進(jìn)出運(yùn)動。為了確定進(jìn)出運(yùn)動，全部四個分塊A、B、C、D被相加以形成復(fù)合信號A+B+C+D。如果復(fù)合信號A+B+C+D在給定時段上增加，則確定存在朝向分塊式光電感測器的運(yùn)動，或朝內(nèi)運(yùn)動。如果復(fù)合信號A+B+C+D在給定時段上減少，則確定存在遠(yuǎn)離分塊式光電感測器的運(yùn)動，或朝外運(yùn)動。通常，酌情測量分塊并且處理分塊信號以確定復(fù)合信號的幅度改變。這些幅度改變當(dāng)在時間上與其他復(fù)合信號的幅度改變相比時，確定將光反射回到分塊式光電感測器的目標(biāo)的相對運(yùn)動。在備選實(shí)施例中，使用機(jī)械結(jié)構(gòu)來替換光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)。機(jī)械結(jié)構(gòu)被用于影響反射光如何被引導(dǎo)至分塊式光電感測器。第一機(jī)械結(jié)構(gòu)被稱作日晷配置。日晷配置實(shí)施從分塊式光電感測器的感測器表面突出的物理“壁”。隨著目標(biāo)跨過分塊式光電感測器之上的空間運(yùn)動，壁有效地在各個感測器分塊上投下“陰影”。該陰影被跟蹤，并且對應(yīng)地確定目標(biāo)運(yùn)動。圖6圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的日晷配置的截面圖。日晷配置提供了用于將反射光引導(dǎo)到光電感測器(在本實(shí)例中為光電二極管)上的機(jī)械裝置。中心結(jié)構(gòu)是用于阻擋反射光的物理日晷壁。壁的兩側(cè)上的兩個N-EPI到P-襯底結(jié)形成兩個光電二極管。壁是被構(gòu)建成使兩個光電二極管隔開的一系列金屬層。在圖6的示例性配置中，壁包括第一金屬層Ml、第二金屬層M2、第三金屬層M3和頂 金屬層TM。每個金屬層被鈍化層隔開，該鈍化層諸如其中形成有通孔的二氧化硅。使用常規(guī)半導(dǎo)體工藝技術(shù)形成金屬層、鈍化層和通孔。壁形成在被摻雜以形成也被稱作單元的光電二極管的襯底上。第一光電二極管(或光電二極管單元A)由N-EPI到P-襯底結(jié)形成。金屬接觸Ml耦合到N-EPI區(qū)以便與光電二極管單元A陰極形成接觸。P-襯底充當(dāng)光電二極管陽極，并且它對于兩個光電二極管單元A和B是公共的。存在通過在光電二極管單元A的N-EPI層頂部添加P-阱層而形成的附加的光電二極管。P-阱的接觸在P-阱的端部形成，其未在圖6中示出。在一些實(shí)施例中，當(dāng)不使用手勢功能時，P-阱光電二極管被用于測量環(huán)境光。這樣的配置和功能在共有的、于2010年 9 月 23 日提交的標(biāo)題為 “Double Layer Photodiodes in Ambient Light Sensors andProximity Detectors”的美國專利申請序列號12/889,335中描述,該申請通過引用以其整體并入于此。第二光電二極管(或光電二極管單元B)按照與光電二極管A單元相同的方式形成。兩個光電二極管單元A和B由延伸通過N-EPI區(qū)并且接觸P-襯底的兩個P+擴(kuò)散隔離。N-EPI的孤島形成在兩個P+隔離擴(kuò)散之間。該孤島形成附加的二極管，該附加的二極管收集可能從光電二極管單元A之下遷移并且本應(yīng)被光電二極管單元B收集的任何雜散光電流。該附加的二極管還收集可能從光電二極管單元B之下遷移并且本應(yīng)被光電二極管單元A收集的任何雜散光電流。兩個P+隔離擴(kuò)散和它們之間的N-EPI孤島一起形成A/B隔離區(qū)。A/B隔離區(qū)的三個元件都被第一金屬層Ml短路，該第一金屬層Ml在頂金屬層TM處連接到地。在復(fù)合的A/B隔離區(qū)中收集的任何光電流都被分流到地，從而減少光電二極管單元A和光電二極管單元B之間的串?dāng)_。 圖6中的結(jié)構(gòu)是包括光電二極管單元A、光電二極管單元B、隔離區(qū)和壁的單元。圖7圖示了圖6的單元的頂視圖。該單元被配置為確定左右運(yùn)動，因?yàn)楸诒淮怪睂?zhǔn)于要確定的運(yùn)動方向，即左右。為了確定上下運(yùn)動，如圖8中所示，單元被旋轉(zhuǎn)90度。在圖8的單元配置中，壁結(jié)構(gòu)被垂直對準(zhǔn)于要確定的上下運(yùn)動。創(chuàng)建單元的一個原因是光電二極管單元的尺寸受到限制，具體地是光電二極管單元遠(yuǎn)離壁結(jié)構(gòu)延伸的寬度受到限制。這限制了可以用于測量反射光的表面面積。圖9圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的被配置為形成四個塊的多個單元的頂視圖。每個單元由隔離區(qū)I與相鄰單元隔離。在圖9中，塊I由交替的光電二極管單元A和光電二極管單元B的陣列構(gòu)成。塊I與塊4相同，塊4也包括交替的光電二極管單元A和光電二極管單元B的陣列。塊I和塊4兩者中的全部光電二極管單元A被短路在一起以形成聚集的A節(jié)點(diǎn)。使單元的陣列聚集增加信號強(qiáng)度。類似地，塊I和塊4兩者中的全部光電二極管單元B被聚集在一起以形成單個B節(jié)點(diǎn)。使用相同的連接方案來從塊2和塊3中的交替的光電二極管單元C和光電二極管單元D形成C節(jié)點(diǎn)和D節(jié)點(diǎn)。塊2和塊3中的光電二極管單元相對于塊I和塊4中的光電二極管單元旋轉(zhuǎn)90度。以此方式，存在四個不同的信號，分別來自節(jié)點(diǎn)A、B、C和D中的每個節(jié)點(diǎn)。在左右方向和上下方向上的目標(biāo)運(yùn)動再次通過分析差分信號來確定。為了確定左右方向上的目標(biāo)運(yùn)動，形成差分信號A-B。按照與和圖3的四元單元配置有關(guān)的差分復(fù)合信號(A+C)-(B+D)類似的方式分析差分信號A-B。為了確定上下方向上的目標(biāo)運(yùn)動，形成差分信號C-D。按照與和圖3的四元單元配置有關(guān)的差分復(fù)合信號(A+B)-(C+D)類似的方式分析差分號C-D。圖6中所示的單元結(jié)構(gòu)是示例性日晷配置，并且也可想到備選結(jié)構(gòu)。圖10圖示了根據(jù)一個備選實(shí)施例的日晷配置的截面圖。在圖10的備選配置中，備選地形成壁，并且備選地?fù)诫s下面的襯底。在該實(shí)施例中，兩個光電二極管單元A和B之間的隔離區(qū)由單個P+擴(kuò)散構(gòu)成。與圖6的隔離區(qū)相比較小的圖10的隔離區(qū)允許增加的封裝密度。P-阱和N-EPI區(qū)接觸在陣列的端部形成，其未在圖10中示出。襯底中的P+隔離區(qū)在頂金屬層TM處連接到地。
圖11圖示了根據(jù)又一備選實(shí)施例的日冕配置的截面圖。在圖11的備選配置中，備選地形成壁，并且備選地?fù)诫s下面的襯底。在該配置中，光電二極管單元不包括P-阱。N-EPI接觸在陣列的端部形成，其未在圖11中示出。光電二極管單元A和光電二極管單元B之間的P+隔離區(qū)在頂金屬層TM處連接到地。在該實(shí)施例中，不存在P-阱層允許制造與圖6相比更窄的光電二極管單元A和光電二極管單元B。該結(jié)構(gòu)提供與圖6相比較更高的單元封裝密度。第二機(jī)械結(jié)構(gòu)被稱作細(xì)條(pinstripe)配置。圖12圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的細(xì)條配置的截面圖。細(xì)條配置提供了用于將反射光引導(dǎo)到光電感測器(在本實(shí)例中為光電二極管)上的機(jī)械裝置。細(xì)條配置類似于針孔照相機(jī)，其中針孔已經(jīng)被伸長為條或槽。襯底中的兩個N-EPI部分形成光電二極管單元A和光電二極管單元B的陰極，而P-襯底形成公共陽極。金屬層M3形成在單元之上，并且開槽形成在金屬層中。金屬層形成在光學(xué)透明的諸如二氧化硅之類的層間介電質(zhì)上。金屬層和開槽使用常規(guī)半導(dǎo)體制造工藝來形成。在一些實(shí)施例中，單元結(jié)構(gòu)使用常規(guī)CMOS、數(shù)字半導(dǎo)體制造工藝來形成。圖13圖示了圖12的單
元的頂視平面圖。如圖13中所示，開槽沿單元的長度對準(zhǔn)。開槽可以走行單元的整個長度或部分長度。在操作中，反射光穿過開槽并且入射到光電二極管、N-EPI部分。當(dāng)目標(biāo)位置在開槽的右側(cè)時，從目標(biāo)反射的光穿過開槽并且入射到左側(cè)光電二極管單元A。隨著目標(biāo)從右到左運(yùn)動，更多反射光入射到左側(cè)光電二極管單元A，直至目標(biāo)經(jīng)過臨界角，在該處較少反射光入射到左側(cè)光電二極管單元A，并且相反，反射光開始入射到右側(cè)光電二極管單元B。當(dāng)目標(biāo)在槽正上方時，即在跨越點(diǎn)處，從光電二極管單元A和光電二極管單元B接收的信號相同。這是最高整體信號強(qiáng)度的位置，并且也是兩個信號之間的差A(yù)-B為零的位置。隨著目標(biāo)繼續(xù)向左運(yùn)動，更多反射光入射到右側(cè)光電二極管單元B，并且差信號A-B改變符號并且變?yōu)樨?fù)。在目標(biāo)的進(jìn)一步向左運(yùn)動之后，零反射光入射到左側(cè)光電二極管單元A。類似于日晷配置，針孔配置的多個單元相鄰定位以形成塊，并且來自單獨(dú)的光電二極管單元A的信號被聚集在一起以形成公共A節(jié)點(diǎn)。對于B信號到D信號使用相同類型的信號聚集。開槽的對準(zhǔn)確定待確定的目標(biāo)運(yùn)動的方向。例如，圖13中的開槽的橫向?qū)?zhǔn)被用于確定上下運(yùn)動。諸如圖13中的單元那樣對準(zhǔn)的多個單元形成被配置為測量上下運(yùn)動的分塊。開槽的縱向?qū)?zhǔn)被用于確定左右運(yùn)動。在示例性配置中，按照與圖9中所示的具有日晷配置的那些分塊類似的方式來對準(zhǔn)具有細(xì)條配置的分塊，其中分塊A和分塊D被配置為確定左右運(yùn)動，而分塊B和分塊C被配置為確定上下運(yùn)動。按照與上述日晷配置相同的方式使用差分信號來確定左右方向和上下方向上的目標(biāo)運(yùn)動。在備選配置中，金屬層和開槽可以用使得光能夠通過限定的區(qū)域進(jìn)入而在別處阻擋光的任何類型的光阻擋元件來替換，所述光阻擋元件諸如MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))器件或其他抬升的或部分浮動元件，其中所述阻擋元件由光學(xué)透明材料支撐或懸置在開槽附近的空氣之上。MEMS器件是由電驅(qū)動的非常小的機(jī)械器件。一個備選實(shí)施例是將細(xì)條概念應(yīng)用于四元單元設(shè)計(jì)以產(chǎn)生微四元單元。圖19圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的微四元單元配置的頂視圖。微四元單元由小四元單元的陣列構(gòu)成。全部單獨(dú)A分塊被聚集在一起以形成單個A信號，并且B分塊、C分塊、D分塊也類似。四元單元的陣列由具有讓光通過的方形或圓形開口的金屬層覆蓋。按照與針對細(xì)條概念描述的方式類似的方式使用半導(dǎo)體工藝形成金屬層。四元單元A到四元單元D的尺寸、金屬層間隔、以及金屬層中的開口的尺寸與半導(dǎo)體工藝中典型可獲得的尺寸一致。金屬層中的開口被定位以使得當(dāng)光在開口正上方時，全部單元被均等地但部分地照亮。當(dāng)光的角度改變時，四個單元的相對照亮變得不平衡。按照與前面針對圖3描述的方式相同的方式處理四個信號A到D。第三機(jī)械結(jié)構(gòu)被稱作冠層配置。冠層配置與細(xì)條配置類似地操作，不同之處在于，不是如針孔配置中那樣反射光通過單元結(jié)構(gòu)的中心的開槽到達(dá)單元的光電二極管，而是單元結(jié)構(gòu)的中心被“冠層”覆蓋并且該結(jié)構(gòu)的周邊側(cè)打開以允許反射光到達(dá)單元的光電二極管。圖14圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的冠層配置的截面圖。冠層配置提供了用于將反射光引導(dǎo)到光電感測器(在本實(shí)例中為光電二極管)上的機(jī)械裝置。兩個N-EPI部分形成光電二極管單元A和光電二極管單元B。頂金屬層TM形成單元結(jié)構(gòu)的中心之上的冠層，從而覆蓋光電二極管的內(nèi)部分而不覆蓋其外部分。頂金屬層是作為使兩個光電二極管單元A和B隔開而構(gòu)建的一系列金屬層而形成的壁的頂層。按照與日晷配置的壁結(jié)構(gòu)類似的方式形成壁
結(jié)構(gòu)，不同之處在于，冠層配置的頂金屬層TM在兩個光電二極管單元A和B的部分之上延伸。頂金屬層TM的在兩個光電二極管單元A和B之上延伸的部分形成在光學(xué)透明的諸如二氧化硅之類的層間介電質(zhì)(未示出)上。與細(xì)條配置和日晷配置類似，冠層配置的多個單元相鄰定位以形成分塊，并且多個分塊被配置和定向?yàn)榇_定左右和上下運(yùn)動。反射光由光電二極管單元A和光電二極管單元B感測，并且與上述細(xì)條配置和日晷配置類似地收集和處理感測電壓。第四機(jī)械結(jié)構(gòu)被稱作拐角四元配置。拐角四元配置在概念上在使用位于光電感測元件之間的物理壁方面與日晷配置類似，不同之處在于，不是如日晷配置中那樣在硅級實(shí)施該壁并且對于每個分塊具有多個單元，而是拐角四元配置實(shí)施在芯片封裝體級，其中壁形成在分塊之間。圖15圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的拐角四元配置的頂視圖。圖16圖示了圖15的拐角四元配置的截面圖。在圖15和圖16中所示的示例性配置中，光電感測器分塊A-D被形成為集成電路芯片上的四個光電二極管。這四個光電二極管可以視作與圖3的四個光電二極管相同，不同之處在于，不是使用圖3的緊密間隔的四元幾何形狀，而是光電二極管被隔開并且放置在襯底的四個拐角中。集成電路芯片被封裝在芯片封裝體中，該芯片封裝體包括由阻擋光(諸如從運(yùn)動目標(biāo)反射的光)的光不透明材料制成的壁。芯片封裝體的在光電二極管之上的部分由光學(xué)透明材料制成。拐角四元配置中的壁的高度足夠高，從而使得每個分塊是單個感測器元件，這與日晷配置和冠層配置中的多個單元不同。目標(biāo)運(yùn)動的確定按照與日晷配置類似的方式確定，但無需針對給定分塊聚集單獨(dú)的單元電壓。拐角四元配置包括具有芯片封裝體級大小的壁，這與包括具有晶體管級大小的壁的日晷配置不同。第五機(jī)械結(jié)構(gòu)被稱作百葉窗配置。百葉窗配置類似于日晷配置，不同之處在于，每個單元中的壁結(jié)構(gòu)形成為與光電二極管單元成不垂直的角度，這與日晷配置中的垂直角度不同。如圖17所示，通過按照梯級配置形成金屬層和通孔來制造成角度的壁。另外，如圖18所示，百葉窗配置中的每個單元包括位于成角度的壁的一側(cè)的單個光電二極管單元。在百葉窗配置中，四個分塊中的每個分塊面向不同的90度方向。例如，分塊A配置有成向左角度的壁，分塊B配置有成向上角度的壁，分塊C配置有成向下角度的壁，而分塊D配置有成向右角度的壁。換言之，每個分塊具有不同的視場。使用這些對準(zhǔn)，按照與上述日晷配置相同的方式使用差分信號確定左右方向和上下方向上的目標(biāo)運(yùn)動。應(yīng)理解，可以使用備選對準(zhǔn)。在一些實(shí)施例中，在光電感測器頂上添加濾光器以濾除具有不同于照明源的波長的光。示例性實(shí)施例描述具有四個對稱配置的分塊(或光電感測器)的手勢感測設(shè)備。應(yīng)理解，在此所描述的概念可以延伸到對稱或不對稱地配置的多于四個分塊，如光電分塊或感測器的NxN、NxM、圓形或其他形狀的陣列。已經(jīng)就并入細(xì)節(jié)以促進(jìn)對手勢感測設(shè)備的構(gòu)造和操作的原理的理解的特定實(shí)施例而言描述了手勢感測設(shè)備。在此對具體實(shí)施例及其細(xì)節(jié)的此類參考并不旨在限制所附權(quán) 利要求的范圍。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將明顯的是，可以對被選為例示的實(shí)施例中進(jìn)行修改而不脫離手勢感測設(shè)備的精神實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于確定物理手勢的設(shè)備，所述設(shè)備包括 a.單個照明源； b.多個光感測器； c.光修改結(jié)構(gòu)，其將反射光中繼到所述多個光感測器，其中所述反射光是來自所述單個照明源的被目標(biāo)物體反射的光；以及 d.處理電路，其耦合到所述多個光感測器以分析從所述多個光感測器接收的依賴于時間的信號，并且確定所述設(shè)備附近的目標(biāo)物體定向運(yùn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述照明源包括發(fā)光二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中每個光感測器包括光電二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述多個光感測器包括單獨(dú)的光感測器的陣列
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述多個光感測器包括被劃分為多個分塊的單個光感測器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述光修改結(jié)構(gòu)包括光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述光修改結(jié)構(gòu)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)，所述機(jī)械結(jié)構(gòu)被配置為依賴于所述目標(biāo)物體相對于所述多個光感測器的位置而選擇性地阻擋光的一部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中每個光感測器包括多個單元結(jié)構(gòu)，每個單元結(jié)構(gòu)包括兩個光電二極管，此外其中所述機(jī)械結(jié)構(gòu)包括多個壁結(jié)構(gòu)，每個單元具有一個壁結(jié)構(gòu)，其中所述壁結(jié)構(gòu)位于所述兩個光電二極管之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中每個壁結(jié)構(gòu)的頂層具有不覆蓋所述兩個光電二極管中的任一個光電二極管的外周界。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中每個壁結(jié)構(gòu)的頂層具有部分覆蓋所述兩個光電二極管中的每個光電二極管的外周界。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備,其中每個壁結(jié)構(gòu)包括多個金屬層和多個介電層,介電層使每個金屬層隔開，其中每個介電層包括耦合到在所述介電層的兩側(cè)上的金屬層的多個金屬通孔。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中所述多個壁結(jié)構(gòu)使用半導(dǎo)體制造工藝來制造。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備,其中每個壁結(jié)構(gòu)垂直于一個或多個光電二極管的頂表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中每個光感測器包括多個單元結(jié)構(gòu)，每個單元結(jié)構(gòu)包括一個或多個光電二極管，此外其中所述機(jī)械結(jié)構(gòu)包括多個壁結(jié)構(gòu)，每個單元具有一個壁結(jié)構(gòu)，其中所述壁結(jié)構(gòu)與一個或多個光電二極管呈不垂直的角度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中每個壁結(jié)構(gòu)包括按照梯級結(jié)構(gòu)配置的多個金屬層和多個通孔。
16.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中每個光感測器包括多個單元結(jié)構(gòu)，每個單元結(jié)構(gòu)包括兩個光電二極管，此外其中所述機(jī)械結(jié)構(gòu)包括多個有槽金屬層，每個單元具有一個有槽金屬層，其中所述有槽金屬層位于所述兩個光電二極管之上，并且所述有槽金屬層的開槽與所述兩個光電二極管之間的中心點(diǎn)對準(zhǔn)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中每個單元還包括位于所述光電二極管和所述有槽金屬層之間的介電層，其中所述介電層是光學(xué)透明的。
18.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述多個光感測器形成在集成電路芯片上，并且每個光感測器是光電二極管，此外其中所述機(jī)械結(jié)構(gòu)包括耦合到所述集成電路芯片的芯片封裝體，所述芯片封裝體包括位于每個所述光電二極管之間的壁結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本申請涉及一種使用單個照明源的光學(xué)手勢感測器。具體地，涉及一種手勢感測設(shè)備，其包括單個光源和在此統(tǒng)稱為分塊式光電感測器的多分塊式單個光電感測器、或光電感測器陣列。光修改結(jié)構(gòu)將反射光從光源中繼到分塊式光電感測器的不同分塊上。光修改結(jié)構(gòu)可以是光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)或機(jī)械結(jié)構(gòu)。光電感測器的不同的分塊感測反射光并且輸出對應(yīng)的感測電壓信號。控制電路接收并且處理感測電壓信號以確定相對于分塊式光電感測器的目標(biāo)運(yùn)動。
文檔編號G06F3/01GK102880286SQ201210144278
公開日2013年1月16日 申請日期2012年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者D·斯庫爾尼克, N·A·凱斯特利, I·K·維格曼, A·查瑪庫拉, C·F·愛德華, N·克爾尼斯, P·帕爾瓦蘭德, 徐魁森 申請人:馬克西姆綜合產(chǎn)品公司