滿足穿戴式產(chǎn)品對(duì)于超小型環(huán)境光傳感器的需求

摘要：本文介紹了適合穿戴式產(chǎn)品的超小型環(huán)境光傳感器及ams公司采用TSV制造技術(shù)的TSL2584TSV，其精度與靈敏度更高。

　　在如今可穿戴的健康和健身市場(chǎng)中，消費(fèi)類電子產(chǎn)品的背光顯示器越來越薄，而對(duì)于這些設(shè)備的設(shè)計(jì)人員而言，一個(gè)能整合進(jìn)最薄背光顯示器的環(huán)境光傳感器 (ambient light sensor, ALS)已經(jīng)變得比以前更為重要。隨著手機(jī)的普及以及對(duì)更好的用戶體驗(yàn)的追求，越來越多的智能手機(jī)觸控屏幕已經(jīng)采用環(huán)境光傳感器。在這些顯示器的應(yīng)用中，利用環(huán)境光傳感器來自動(dòng)控制背光強(qiáng)度能確保最佳的用戶體驗(yàn)，同時(shí)還能延長(zhǎng)電池壽命。

　　然而，提供滿足不斷發(fā)展的可穿戴設(shè)備市場(chǎng)需求的環(huán)境光傳感器所面臨的重大挑戰(zhàn)之一就是該傳感器必須非常薄，因?yàn)樗ǔＶ苯臃旁谟|控屏幕顯示器的軟性印刷電路板上。此外，該傳感器的精度和靈敏度必須足夠好，才能安裝在玻璃油墨后面。

　　光傳感器技術(shù)在1950年便已出現(xiàn)，從一開始的簡(jiǎn)單光電二極管和光敏晶體管，到智能型光電感測(cè)解決方案，后者可提供更高的集成度、更低的功耗并包含抗噪聲數(shù)字總線接口。這些現(xiàn)代的環(huán)境光傳感器解決方案包括光電二極管、模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)、中斷持續(xù)性和閾值事件的控制邏輯以及一個(gè)快速模式I2C數(shù)字接口。這樣的傳感器由于具有數(shù)字接口和中斷能力，因此非常適用于基于微控制器和微處理器的應(yīng)用，例如可穿戴式設(shè)備和智能手表等。如圖1所示，環(huán)境光傳感器是通過數(shù)字I2C 接口連接智能手表框圖中的應(yīng)用處理器的。

　　對(duì)于大部分消費(fèi)類電子設(shè)備，包括可穿戴式產(chǎn)品在內(nèi)，性價(jià)比都是一個(gè)重要因素。利用CMOS光電二極管制成光傳感器來提供低成本解決方案。然而，CMOS硅組件的光譜響應(yīng)介于300nm到1100nm之間，而峰值落在近紅外(IR)區(qū)域的700nm左右。如圖2所示，人眼可見光的范圍在390nm ~750nm波長(zhǎng)之間。

　　如圖3所示，人眼可響應(yīng)的可見光范圍僅占光電二極管響應(yīng)區(qū)域的一小部分。要制造一個(gè)可靠的環(huán)境光傳感器，挑戰(zhàn)在于要讓它能和人眼一樣，可以看見 390nm~750 nm波長(zhǎng)，但是不能對(duì)300nm~390 nm的紫外光和 750nm~1100 nm的紅外光有反應(yīng)。

　　Ams公司的TSL2584TSV 光/數(shù)字(light-to-digital)傳感器可以像人眼一樣觀察環(huán)境光。它利用一個(gè)具有專利的雙晶體管架構(gòu)且靈敏度極高的模擬前端(AFE)將光線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)值。TSL2584TSV使用一個(gè)能對(duì)可見光和紅外光有反應(yīng)的寬譜(broadband)光電二極管以及一個(gè)只對(duì)紅外光有反應(yīng)的光電二極管。微控制器通過I2C 接口讀取這兩個(gè)光電二極管的通道響應(yīng)，然后經(jīng)由相應(yīng)的勒克斯方程式(lux equation)進(jìn)行數(shù)學(xué)相減。以勒克斯(lux)表示的環(huán)境光亮度是利用近似人眼反應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)而來。TSL2584TSV如圖4所示。

　　為了優(yōu)化環(huán)境光傳感器解決方案，TSL2584TSV 包含一個(gè)片上適光(photopic)紅外光阻斷干涉濾波器，它能排除不需要的紫外光和紅外光，產(chǎn)生近適光(near-photopic)反應(yīng)。不論玻璃的透射度如何，即使安裝在非常不透明的深色玻璃后，也能產(chǎn)生高度精確的勒克斯測(cè)量量。通過先進(jìn)的濾波器沉積技術(shù)，ams能提供更為精確和可重復(fù)性更高的適光濾波器。該適光濾波器幾乎沒有溫度或濕度的變化，并可直接放置在硅芯片上。TSL2584TSV的光譜響應(yīng)如圖5所示。

對(duì)于硅穿孔(TSV)技術(shù)的需求

　　利用自身內(nèi)部晶圓制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，ams已針對(duì)先進(jìn)光傳感器技術(shù)采用硅穿孔(through-silicon via, TSV)封裝技術(shù)。TSV技術(shù)能除去焊線(wire bond)需求，讓設(shè)備的I/O能直接連接至焊球，如圖6所示。

　　通過TSV封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的小尺寸封裝能滿足穿戴式產(chǎn)品對(duì)于小尺寸的需求。由ams開發(fā)及驗(yàn)證的TSV封裝技術(shù)能在設(shè)計(jì)及制造過程中從根本上大幅度改善IC封裝，不僅體積較小且能提供更好的設(shè)備性能。

　　如圖4所示，TSL2584TSV ALS的封裝尺寸極小，為1.145x1.66mm²，高度是0.32mm，幾乎是同類產(chǎn)品尺寸的一半。

　　TSV技術(shù)利用蝕刻穿孔通至TSL2584硅晶圓。鎢會(huì)沉積至這些蝕刻孔中，一個(gè)背面重分布層(BRDL)通過此穿孔沉積至布局完成的焊球位置，然后會(huì)附加SAC305(合金組成為：Sn96.5%，Ag3.0%，Cu0.5%)或類似的無鉛焊球，如此一來，封裝整體高度僅有0.32 mm。

　　除去焊線，并將信號(hào)直接向下布線通過穿孔，這個(gè)通道是在硅制程中形成的，這樣就能減少整體封裝高度，如圖7所示。此外，由于不需采用焊線連接IC和封裝，因此能將互連電感降至最低。

　　TSV封裝的另一個(gè)重要特性則是它是無玻璃封裝。相較于芯片尺寸封裝(chip-scale)，這有助于進(jìn)一步降低整體高度。由于TSV封裝中沒有玻璃材料，因此不只是高度得以降低，這種無玻璃封裝也非常適用于不同的產(chǎn)品，當(dāng)與紫外光帶通濾波器搭配時(shí)，可以提供紫外光偵測(cè)功能。

　　TSV封裝的使用還能顯著提升設(shè)備的穩(wěn)定性，這是因?yàn)樗茏畲笙薅鹊販p少因?yàn)闈穸人鶎?dǎo)致的腐蝕，并能提升溫度循環(huán)效能。TSV封裝已將內(nèi)部與封裝互連，不像某些芯片尺寸封裝需要金屬邊緣連接，因此，TSL2584TSV的可靠度可以提升至濕度敏感度等級(jí)1標(biāo)準(zhǔn)(Moisture Sensitivity Level-1 standard)，這使它非常適用于濕度較高的環(huán)境。

　　沉積在TSL2584TSV 上的適光干涉濾波器相當(dāng)密集，耐用性極高且具有高度抗刮損特性，類似用于芯片尺寸和微機(jī)電(MEMS)封裝中的玻璃。在高加速應(yīng)力測(cè)試后，適光濾波器的光譜響應(yīng)沒有發(fā)生退化或光譜偏移，這是因?yàn)樗臑V波器特性對(duì)于溫度和濕度變化并不敏感。

未來展望

　　在2014年，穿戴式市場(chǎng)初萌芽，僅有2400萬個(gè)智能手表及運(yùn)動(dòng)手環(huán)的規(guī)模。而根據(jù)最近一份由BI Intelligence發(fā)布的報(bào)告，預(yù)計(jì)這個(gè)市場(chǎng)在2018年將以高達(dá)35%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增加至1億3500萬個(gè)設(shè)備。

　　隨著穿戴式市場(chǎng)持續(xù)發(fā)展，小尺寸、高精度和高靈敏度的環(huán)境光傳感器解決方案(例如TSL2584TSV)的提供，能讓智能手表及運(yùn)動(dòng)手環(huán)等穿戴式設(shè)備的設(shè)計(jì)師更容易地將環(huán)境光傳感器集成至最薄的背光顯示器中。精確度和敏感度等性能的提升使傳感器可以安裝在印刷了油墨的玻璃后，且能自動(dòng)控制背光強(qiáng)度并確保最佳的用戶體驗(yàn)。

本文來源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第22頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。