專利名稱：一種基于cmos加工工藝的光傳感系統(tǒng)的制作方法
—種基于CMOS加工エ藝的光傳感系統(tǒng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光傳感和光通信領(lǐng)域，具體地涉及一種基于CMOS加工エ藝的光傳感系統(tǒng)。
背景技木近30年來，半導(dǎo)體エ業(yè)一直遵循著摩爾定律不斷發(fā)展著，作為半導(dǎo)體エ業(yè)的基礎(chǔ)之一，半導(dǎo)體エ藝技術(shù)也在日益地發(fā)展和完善。自20世紀(jì)60年代中期CMOS器件發(fā)明之后，CMOSエ藝便開始了長足地快速發(fā)展，CMOSエ藝是在PMOS和NMOSエ藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是將NMOS器件和PMOS器件同時布置在同一硅襯底上來制作CMOS集成電路的，CMOS最基礎(chǔ)的エ藝有生產(chǎn)所需類型襯底的硅圓片エ藝；確定加工區(qū)域的光刻工藝；向芯片中增加材料的氧化、淀積、擴(kuò)散和離子注入エ藝；去除芯片上的材料的刻蝕エ藝；集成電路的制造就是由這些基礎(chǔ)エ藝的不同組合構(gòu)成的。隨著半導(dǎo)體エ藝技術(shù)尤其是CMOSエ藝技術(shù)的快速發(fā)展，單個芯片上晶體管的數(shù)量正成幾何級數(shù)不斷增長，芯片這ー按比例縮小的趨勢使得芯片在高度集成化的同時擁有了更多、更復(fù)雜的功能。自20世紀(jì)90年代以來，集成電路、微處理器的芯片制造エ藝已從“微米級”、“深亞微米級”進(jìn)入到“納米電子級”的系統(tǒng)單芯片時代，在ー個CMOS集成芯片上，可以集成包括CPU、DSP、邏輯電路、模擬電路、射頻電路、存儲器和其他電路模塊及嵌入軟件等，并相互連接構(gòu)成完整的系統(tǒng)。 近年來，作為傳感器技術(shù)中十分重要的ー員，光傳感技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域得到了長足的發(fā)展，目前各種光傳感器已廣泛應(yīng)用在各個行業(yè)。所謂光傳感器就是以光為檢測對象所謂光傳感器就是以光為檢測對象，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件，通常是指紫外到紅外波長范圍的傳感器，它是利用材料的光電效應(yīng)制成的探測器，故也稱為光電轉(zhuǎn)換器。由于光傳感技術(shù)具有靈敏度高、體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、便于集成、可在線檢測等眾多優(yōu)點(diǎn)，目前光傳感器件在光通信、環(huán)境監(jiān)測等各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。目前的光傳感器主要有基于光纖、光柵和平面光波導(dǎo)等幾種類型，通過CMOSエ藝，可以將光傳感器集成到CMOS集成芯片上，通過集成的邏輯電路和運(yùn)算電路等，可以對光傳感器輸出的電信號進(jìn)行計算得到平面光的強(qiáng)度信息，進(jìn)而得到待測量的信息。但現(xiàn)有的光傳感器難以同時集成復(fù)雜的光電性能在單ー芯片，以同時實現(xiàn)對光信號強(qiáng)度信息和角度信息的檢測。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供一種基于CMOS加工エ藝的光傳感系統(tǒng)。本發(fā)明實現(xiàn)發(fā)明目的米用的技術(shù)方案是一種基于CMOS加工エ藝的光傳感系統(tǒng)，包括集成設(shè)置在CMOS電路板上的光傳感器以及與光傳感器連接的運(yùn)算電路，所述光傳感器由傳感單元陣列而成，所述傳感単元包括衍射光柵、分析光柵和PN結(jié)陣列，所述衍射光柵和分析光柵呈雙層平行結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述電路板的金屬布線層，所述分析光柵平行設(shè)置在所述衍射光柵的下方，分析光柵與衍射光柵之間的垂直距離為衍射光柵泰保距離的m/n倍，m和n是正整數(shù)，所述分析光柵以一定距離對所述衍射光柵形成錯位遮擋，所述PN結(jié)陣列位于所述分析光柵的下方并設(shè)置于所述CMOS電路板的硅襯底層內(nèi)。優(yōu)選地，所述傳感単元的衍射光柵兩兩相互垂直形成傳感單元對。優(yōu)選地，所述分析光柵與所述衍射光柵之間的垂直距離為1/2倍衍射光柵泰保距離。優(yōu)選地，對應(yīng)于每個PN結(jié)，在所述分析光柵中等間距地將ー個遮擋光柵的寬度增加D/N，D為所述衍射光柵的柵距，N為大于等于2的整數(shù)，形成所述分析光柵以一定距離對所述衍射光柵形成錯位遮擋。優(yōu)選地，對應(yīng)于每個PN結(jié)，在所述分析光柵中等間距將一個光柵空隙的寬度增加D/N，D為所述衍射光柵的柵距，N為大于等于2的整數(shù)，形成所述分析光柵以一定距離對所述衍射光柵形成錯位遮擋。 優(yōu)選地，所述N大于或等于4。優(yōu)選地，所述運(yùn)算電路為由CMOS加法器、減法器、除法器和反正切運(yùn)算電路組成的對所述PN結(jié)陣列輸出的信號進(jìn)行計算以反推出平面光角度信息的運(yùn)算電路。本發(fā)明的有益效果是基于CMOSエ藝，在CMOS電路板中集成設(shè)置一平面光傳感器，通過由衍射光柵、分析光柵和PN結(jié)陣列組成的傳感單元實現(xiàn)對平面光的角度信息的檢測，從而擴(kuò)展了光傳感系統(tǒng)的功能應(yīng)用，且エ藝設(shè)計簡単，適合于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化制作。

圖1，平面光傳感器的平面視圖。圖2，圖1中傳感單元對的放大視圖。圖3，實施例1基于CMOSエ藝的傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖4，實施例2基于CMOSエ藝的傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說明。一種基于CMOS加工エ藝的光傳感系統(tǒng)，包括集成設(shè)置在CMOS電路板上的平面光傳感器以及與平面光傳感器連接的運(yùn)算電路，平面光傳感器由傳感單元對陣列而成，傳感單元對由兩個相同的傳感單元100組成，附圖1示出了由多個傳感單元對I組成的平面光傳感器的平面視圖，圖中I表示傳感單元對。附圖2示出了傳感單元對的放大視圖，圖中，兩個傳感單元100中的衍射光柵101相互垂直。實施例1 :附圖3示出了實施例1基于CMOSエ藝的傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖，傳感単元100由衍射光柵101、分析光柵102和PN結(jié)陣列103組成，衍射光柵101和分析光柵102呈雙層平行結(jié)構(gòu)設(shè)置在CMOS電路板的金屬布線層內(nèi)，分析光柵102平行設(shè)置在衍射光柵101的下方，分析光柵102與衍射光柵101之間的平行距離為1/2倍衍射光柵泰保距離，4個PN結(jié)組成PN結(jié)陣列103位于分析光柵102的下方并設(shè)置于CMOS電路板的娃襯底層200內(nèi)，對應(yīng)于每個PN結(jié)，在分析光柵102中等間距地將ー個遮擋光柵104的寬度增加1/4D，D為衍射光柵101的柵距，形成分析光柵102以1/4D、1/2D、3/4D、D的距離對衍射光柵101形成錯位遮擋。其中，衍射光柵101是以泰保效應(yīng)(Talbot effect)為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計的，其內(nèi)容可概括為當(dāng)周期性的光信號照射到衍射光柵101上時，其像會在離衍射光柵101的固定距離ー系列倍數(shù)的位置重復(fù)出現(xiàn)，而這個固定距離就稱為泰保距離(Talbot length)，這些像被稱為自成像(Self Image)或者泰保像(Talbot Image)。本發(fā)明利用泰保效應(yīng)(Talboteffect)探測光的入射角度的原理是當(dāng)光的入射角改變時，衍射光柵101的自成像(SelfImage)會發(fā)生橫向移動，而成像的深度卻不會有明顯的變化。因此，通過測量這些橫向移動程度我們就可以提取出入射光的角度信息。為了提取這些橫向移動信息，本發(fā)明在衍射光柵 101 (diffraction grating)的下層附加了一層分析光柵 102 (additional analyzergrating),分析光柵102根據(jù)摩爾效應(yīng)(moire effect)影響衍射光柵的自成像(SelfImage):當(dāng)自成像的強(qiáng)度峰值與分析光柵102的透光處在同一條直線上，那么光信號便直接照射到分析光柵102下的PN結(jié)陣列上；當(dāng)自成像的強(qiáng)度峰值與分析光柵102的透光處不在同一條直線上，光信號便會不同程度地被分析光柵102所遮擋。這樣，通過附加了ー層分析光柵102，便使兩層光柵結(jié)構(gòu)下不同位置處的光強(qiáng)度產(chǎn)生不同，并且這些強(qiáng)度信息中包含了入射光的角度信息；然后我們在這些位置上布置光電感應(yīng)陣列以使它們獲取不同的光強(qiáng)度響應(yīng)，而這些強(qiáng)度響應(yīng)中包含了光的角度信息，通過對不同位置PN結(jié)的光強(qiáng)度響應(yīng)進(jìn)行運(yùn)算處理，便可反推出光的入射角度。目前，大部分的光電感應(yīng)元件都是利用光照射PN結(jié)產(chǎn)生光電流而制成的光電器件，在PN結(jié)陣列103中，PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，當(dāng)入射光強(qiáng)度發(fā)生變化吋，PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴的濃度會發(fā)生相應(yīng)變化，從而改變少數(shù)載流子的濃度，最終使光電流強(qiáng)度發(fā)生改變。4個PN結(jié)陣列103的輸出響應(yīng)可以用如下公式進(jìn)行描述VO = 10 (1-mcos (b 0 )) F ( 0 )(I)Vl = 10 (1+msin (b 0 )) F ( 0 )) (2)
V2 = 10 (1+mcos (b 0 )) F ( 0 )) (3)V3 = I0(l-msin(b 0 ))F( 0 )) (4)其中，0表示光入射角度，m和b均為角度系數(shù)，F(xiàn)(0)表示光表面反射信息，V0、V1、V2、V3表示不同位置處的輸出響應(yīng)；10表示光強(qiáng)度。通過公式(1)-(4)，由CMOS加法器、減法器、除法器和反正切運(yùn)算電路組成的運(yùn)算電路對所述PN結(jié)陣列輸出的信號進(jìn)行計算，可以很容易地反推出
權(quán)利要求
1.一種基于CMOS加工工藝的光傳感系統(tǒng)，包括集成設(shè)置在CMOS電路板上的光傳感器以及與光傳感器連接的運(yùn)算電路，其特征在于所述光傳感器由傳感單元陣列而成，所述傳感單元包括衍射光柵、分析光柵和PN結(jié)陣列，所述衍射光柵和分析光柵呈雙層平行結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述電路板的金屬布線層，所述分析光柵平行設(shè)置在所述衍射光柵的下方，分析光柵與衍射光柵之間的垂直距離為衍射光柵泰保距離的m/n倍，m和η是正整數(shù)，所述分析光柵以一定距離對所述衍射光柵形成錯位遮擋，所述PN結(jié)陣列位于所述分析光柵的下方并設(shè)置于所述CMOS電路板的娃襯底層內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CMOS加工工藝的光傳感系統(tǒng),其特征在于所述傳感單元的衍射光柵兩兩相互垂直形成傳感單元對。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CMOS加工工藝的光傳感系統(tǒng),其特征在于所述分析光柵與所述衍射光柵之間的垂直距離為1/2倍衍射光柵泰保距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CMOS加工工藝的光傳感系統(tǒng),其特征在于對應(yīng)于每個PN結(jié)，在所述分析光柵中等間距地將一個遮擋光柵的寬度增加D/N，D為所述衍射光柵的柵距，N為大于等于2的整數(shù)，形成所述分析光柵以一定距離對所述衍射光柵形成錯位遮擋。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CMOS加工工藝的光傳感系統(tǒng),其特征在于對應(yīng)于每個PN結(jié)，在所述分析光柵中等間距將一個光柵空隙的寬度增加D/N，D為所述衍射光柵的柵距，N為大于等于2的整數(shù)，形成所述分析光柵以一定距離對所述衍射光柵形成錯位遮擋。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CMOS加工工藝的光傳感系統(tǒng),其特征在于所述N大于或等于4。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一權(quán)利要求所述的一種基于CMOS加工工藝的光傳感系統(tǒng),其特征在于所述運(yùn)算電路為由CMOS加法器、減法器、除法器和反正切運(yùn)算電路組成的對所述PN結(jié)陣列輸出的信號進(jìn)行計算以反推出平面光角度信息的運(yùn)算電路。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于CMOS加工工藝的光傳感系統(tǒng)，包括集成設(shè)置在CMOS電路板上的光傳感器以及與光傳感器連接的運(yùn)算電路，所述光傳感器由傳感單元陣列而成，所述傳感單元包括衍射光柵、分析光柵和PN結(jié)陣列，分析光柵與衍射光柵之間的垂直距離為衍射光柵泰保距離的m/n倍，m和n是正整數(shù)，所述分析光柵以一定距離對所述衍射光柵形成錯位遮擋，由此很方便地實現(xiàn)了對平面光的角度信息的檢測，從而擴(kuò)展了光傳感系統(tǒng)的功能應(yīng)用，工藝設(shè)計簡單，適合于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化制作。
文檔編號H01L27/146GK103035656SQ20111006072
公開日2013年4月10日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者劉若鵬, 孫豪文, 欒琳, 趙治亞 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司