光检测半导体装置和移动设备的制作方法

专利名称：光检测半导体装置和移动设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及作为受光元件具备颜色用受光元件和红外用受光元件的光检测半导
体装置以及安装了光检测半导体装置的移动设备。
背景技术：
近年来，以手机等为代表的带画面的移动设备被广泛利用。由于需要提高携带性， 所以以薄而轻为特点的液晶屏作为标准配置而用于移动设备的画面。另外，对于移动设备 还要求延长电池寿命而提高便利性。例如在照度低的夜间等情况下抑制液晶背光灯的亮 度，通过减少液晶屏的消耗电力，能够使电池维持时间增长。 在这种背景下，例如在(日本)特开平9-146073号公报中提出了安装用于自动调 整画面亮度的照度传感器的方案。 这种情况下，为了以与周围照度相对应的亮度来进行显示，就需要能够安装在移 动设备上的小型且便宜的照度传感器。由于周围照度的范围(动态范围)广，所以就需要 照度检测范围广、具有宽广的动态范围和高分辨率的高精度照度传感器。
另外，例如在手机中采用带触摸屏功能的画面，提高了输入时的人机界面。但带触 摸屏功能的手机在通话中有时会由触摸屏功能检测出人的肌肤，有可能产生触摸屏功能误 动作的问题。因此，就需要检测作为被检测物的人的肌肤(主要是面颊)的检测传感器。对 于检测被检测物的功能能够适用光学式传感器，例如在(日本)特开平3-39640号公报中 就提出了光学式物体检测传感器的方案。 根据图8 (A) 图8 (C)来说明现有的光检测半导体装置(照度传感器)。 图8(A) 图8(C)是表示现有例中的光检测半导体装置的简要结构的示意图，图
8(A)是剖视图、图8(B)是俯视图、图8(C)是传感器芯片的俯视图。 现有的光检测半导体装置具备安装基板110、安装在安装基板110上的传感器芯
片111、覆盖并保护传感器芯片111的玻璃盖119、发光元件116、与发光元件116对应配置
的透镜118，而且还具备保持玻璃盖119和透镜118并遮挡外部光的遮光壁115。 在传感器芯片111的表面配置有滤色器11 lf 。玻璃盖119粘贴有截断红外光的滤
色器119f。由于使用了玻璃盖119和滤色器119f，所以难于实现小型化，在小型化的情况
下存在强度降低等问题。 在传感器芯片111的表面，与未图示的受光元件相对应配置有滤色器lllf。滤色 器lllf被区分为对应红色的区域R、对应绿色的区域G、对应蓝色的区域B。传感器芯片 111上还形成有传感器电路部lllc。 通过由传感器电路部lllc来演算处理受光元件检测出的受光电流，来实现作为 光检测半导体装置的功能(检测照度)。对于现有的传感器电路部lllc来说，进行照度测 定时的动态范围是一定的，传感器电路部lllc中内置的放大器的放大率不会变化。
因此，在想提高照度测定分辨率的情况下，仅有提高传感器电路部lllc中内置的 模拟/数字转换部的分辨率这一种方法。但若提高模拟/数字转换部的分辨率，由于电路规模变大，传感器电路部111c大型化，故存在招致封装尺寸大型化和价格上升的问题。

发明内容
本发明是鉴于这种状况而作出的，目的在于提供一种小型的光检测半导体装置，
作为受光元件，该光检测半导体装置具备对于颜色具有灵敏度峰值的颜色用受光元件和对
于红外光具有灵敏度峰值的红外用受光元件，通过具备对受光元件的受光信号输出进行演
算处理的演算部，同时具有能够适用宽广照度(照度)范围(动态范围)的照度检测功能
和能够检测接近的被检测物的接近检测功能，并且能够适用于小型的移动设备。 本发明的其他目的在于提供一种便利性高的移动设备，通过安装本发明的光检测
半导体装置而具备照度检测功能和接近检测功能。 本发明的光检测半导体装置具备将光转换成电流的由多种受光元件构成的受光 元件群、发出红外光的发光元件，该光检测半导体装置实行对被检测物的检测和对周围照 度的检测，其特征在于，具备将所述受光元件检测出的受光电流进行电荷存储(電荷蓄 積)并转换成受光电压的电压转换部，连接于所述受光元件和所述电压转换部之间并选择 是否对所述受光元件检测出的受光电流进行电荷存储的闸门部()^'7夂一部)，与所述 电压转换部连接、将所述电压转换部转换的受光电压放大并输出受光放大电压的放大部， 将该放大部输出的受光放大电压转换成数字值的模拟/数字转换部，将被该模拟/数字转 换部转换的数字值作为所述受光元件的受光信号输出并进行演算处理的演算部；所述受光 元件群中，作为所述受光元件包括对于颜色具有灵敏度峰值的颜色用受光元件和对于红外 光具有灵敏度峰值的红外用受光元件，基于所述颜色用受光元件和所述红外用受光元件检 测出的受光电流演算出受光信号输出并检测周围照度，根据使所述发光元件发光时由被检 测物反射的红外光引起的所述红外用受光元件的受光电流与由周围照度引起的所述红外 用受光元件的受光电流之间的受光电流差来检测被检测物。 根据该结构，由于能够谋求小型化，并且能够确保高精度照度检测所需的动态范 围，所以能够不降低照度检测精度和分辨率地进行周围照度的检测和被检测物的检测，能 够提供小型的光检测半导体装置。 本发明的光检测半导体装置中，所述颜色用受光元件包括对红色具有灵敏度峰值
的红色用受光元件、对绿色具有灵敏度峰值的绿色用受光元件和对蓝色具有灵敏度峰值的
蓝色用受光元件，所述演算部构成为将周围照度Y作为Y = a R+13 G+ y B+ e Ir来算出，其
中，R、G、B、Ir分别是与红色用受光元件、绿色用受光元件、蓝色用受光元件和红外用受光元
件对应的受光信号输出，a 、 13 、 y 、 e分别是对于R、G、B、 Ir的校正系数。 根据该结构，由于对应于与能见度匹配的光谱灵敏度算出周围照度，所以能够高
精度地检测周围照度。 本发明的光检测半导体装置中，所述颜色用受光元件包括对绿色具有灵敏度峰值 的绿色用受光元件，所述演算部将周围照度Y作为Y = 13 G+ e Ir来算出，其中，G、 Ir分别 是与绿色用受光元件、红外用受光元件对应的受光信号输出，P、 e分别是对于G、Ir的校 正系数。 根据该结构，由于将受光元件群简化，所以能够縮小受光元件群和传感器电路部 的面积而进行小型化，能够提供小型且便宜的光检测半导体装置。
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本发明的光检测半导体装置中，根据检测出的周围照度变更所述闸门部的打开时间。 根据该结构，能够控制电荷存储时间，在维持照度检测精度和分辨率的状态下确保照度检测的动态范围，能够不受周围照度状态影响地高精度检测周围照度。
本发明的光检测半导体装置中，所述闸门部由M0S元件构成。
根据该结构，能够容易且高精度地控制闸门部的打开时间。 本发明的光检测半导体装置中，所述受光元件群被树脂密封在树脂密封封装中。
根据该结构，能够去除滤色器而进行树脂密封封装，所以能够提供可小型化的光检测半导体装置。 本发明的光检测半导体装置中，将使所述发光元件发光时由被检测物反射的红外光引起的所述红外用受光元件的受光电流与周围照度引起的所述红外用受光元件的受光电流之间的受光电流差由所述电压转换部转换成受光电压，并通过与预先设定的接近阈值电压进行比较来实行被检测物的检测。 根据该结构，由于能够排除周围照度的影响而仅根据来自被检测物的反射光引发
的受光信号来检测被检测物，所以能够容易且高精度地检测距被检测物的距离。 本发明的移动设备具备显示画面和光检测半导体装置，其中，所述光检测半导体
装置是本发明的光检测半导体装置。 根据该结构，能够提供这样的移动设备，其能够根据周围照度来调整显示画面的
亮度，抑制显示画面进行显示所需要的电力，可延长电池寿命且便利性高。 根据本发明的移动设备，由于是具备显示画面和光检测半导体装置的移动设备，
所述光检测半导体装置是本发明的光检测半导体装置，所以能够取得这样的效果，即、可根
据周围照度来调整显示画面的亮度，抑制显示画面进行显示所需的电力，能够提供可延长
电池寿命且便利性高。


图1 (A) 图1 (C)是表示本发明实施例1的光检测半导体装置的简要结构的示意
图，图1(A)是剖视图、图1(B)是俯视图、图1(C)是传感器芯片的俯视图； 图2 (A)和图2 (B)是表示本发明实施例1的光检测半导体装置的传感器芯片中内
置的传感器电路部的等效电路的简要框图，图2(A)表示从发光元件和受光元件到输出的
电路的整体结构，图2(B)表示取出受光元件的受光电流的邻接电路的结构； 图3是说明本发明实施例1的光检测半导体装置的等效电路动作状态的时间图； 图4是表示本发明实施例1的光检测半导体装置的各受光元件的光谱灵敏度、能
见度曲线、演算光谱曲线的光谱灵敏度曲线； 图5是表示以本发明实施例1的光检测半导体装置的照度检测模式来调整动态范围的过程的流程图； 图6是本发明实施例2的光检测半导体装置的传感器芯片的俯视图； 图7是显示本发明实施例2的光检测半导体装置的各受光元件的光谱灵敏度、能
见度曲线、演算光谱曲线的光谱灵敏度图； 图8(A) 图8(C)是表示现有例中光检测半导体装置的简要结构的示意图，图8(A)是剖视图、图8(B)是俯视图、图8(C)是传感器芯片的俯视图。
具体实施例方式
下面根据

本发明的实施例。
〈实施例1〉 参照

实施例1的光检测半导体装置。 图1 (A) 图1 (C)是表示本发明实施例1的光检测半导体装置的简要结构的示意图，图1(A)是剖视图、图1(B)是俯视图、图1(C)是传感器芯片的俯视 本实施例的光检测半导体装置1具备陶瓷等安装基板10、安装在安装基板10上的传感器芯片11、将传感器芯片11用透明树脂进行树脂密封的树脂密封封装14、覆盖树脂密封封装14的周围来防止不需要的外来光入射的遮光树脂部15、配置在传感器芯片11表面的滤色器llf。 由于传感器芯片11由所谓的CMOS图像传感器(ComplementaryM0S图像传感器)构成，所以具备受光元件12(受光元件群12m)和传感器电路部llc。
光检测半导体装置1具备被安装在安装基板10上且发出红外光的发光元件16和覆盖发光元件16的发光用树脂密封部17。发光元件16由所谓的LED (Light EmittingDiode，发光二极管)构成。 传感器芯片11中形成有传感器电路部11c和受光元件群12m。受光元件群12m包括对颜色具有灵敏度峰值的颜色用受光元件12c和对红外光具有灵敏度峰值的红外用受光元件12ir。 由于具备发出红外光的发光元件16和红外用受光元件12ir，所以能够发出红外光、向被检测物照射，并且检测来自被检测物的反射光。即、能够检测被检测物存在与否(距被检测物的距离)。另外，利用颜色用受光元件12c能够检测周围照度。
颜色用受光元件12c包括对红色具有灵敏度峰值的红色用受光元件12r、对绿色具有灵敏度峰值的绿色用受光元件12g和对蓝色具有灵敏度峰值的蓝色用受光元件12b。
与颜色用受光元件12c(红色用受光元件12r、绿色用受光元件12g、蓝色用受光元件12b)相对应地配置有滤色器llf。滤色器llf被区分为对应红色的区域R、对应绿色的区域G、对应蓝色B的区域B和对应红外光的区域Ir。 由于颜色用受光元件12c和红外用受光元件12ir经由滤色器llf来接受光，所以能够具有各自的灵敏度峰值。 在不需要特别区分颜色用受光元件12c(红色用受光元件12r、绿色用受光元件12g、蓝色用受光元件12b)和红外用受光元件12ir的情况下，单纯作为受光元件12来进行说明。 如上所述，受光元件群12m被树脂密封封装14所树脂密封。因此，能够提供去除了滤色器的可小型化的光检测半导体装置1。 图2 (A)和图2 (B)是表示本发明实施例1的光检测半导体装置的传感器芯片中内置的传感器电路部的等效电路的简要框图，图2(A)表示从发光元件和受光元件到输出的电路的整体结构，图2(B)表示取出受光元件的受光电流的邻接电路的结构。详细的动作状态由图3的时间图说明。
本实施例的传感器电路部11c (光检测半导体装置1)具备将受光元件12检测出的受光电流进行电荷存储并转换成受光电压的电压转换部21v、连接于受光元件12和电压转换部21v之间并选择对受光元件12检测出的受光电流是否进行电荷存储的闸门部21s、与电压转换部21v连接而将被电压转换部21v转换了的受光电压进行放大并输出受光放大电压的放大部21a、将放大部21a输出的受光放大电压转换成数字值的模拟/数字转换部22(A/D转换部)、将被模拟/数字转换部22转换的数字值作为受光元件12的受光信号输出而进行演算处理的演算部。 在闸门部21s成为打开状态(导通状态)的时间内，来自受光元件12的电荷存储在电压转换部21v。 演算部具体是由DSP (Digital Signal Processor数字信号处理器)26构成。因此，能够根据预先装入的程序并基于受光元件12检测到的受光电流来对受光信号实施演算处理。传感器电路部11c具备与DSP26联合动作的寄存器23和12C接口部27。由于DSP26、寄存器23、I2C接口部27自身的动作一般是公知的技术，所以省略详细的说明。
来自寄存器23的输出从输出端子Pout作为"H"信号和"L"信号输出，能够输出被检测物存在与否的信息。I2C接口部27具备串行时钟端子27c和串行数据端子27d，进行处理以使与外部的联合动作能够顺利进行。能够将检测出的周围照度从串行数据端子27d输出。 另外，还具备形成进行数字信号处理所需的时钟脉冲的振荡器25、根据振荡器25所形成的时钟脉冲而产生定时信号的定时发生器24、根据来自定时发生器24的脉冲而控制发光元件16发光的LED驱动器28。 传感器电路部lie还具备对放大部21a进行切换从而能够将放大部21a的输出(受光放大电压)由模拟/数字转换部22读出的输出选择部21c，和将存储在电压转换部21v的电荷进行复位的电荷复位部21r。通过将电荷复位部21r设定为导通状态来实行电压转换部21v的初始化。电压转换部21v由电容器构成，能够精度良好地将存储的电荷转换成受光电压。 由于传感器芯片11由CM0S图像传感器构成，所以闸门部21s、电压转换部21v、放大部21a、输出选择部21c、电荷复位部21r由MOS (MetalOxide Semiconductor金属氧化物半导体)元件构成。由于由M0S元件构成，所以能够容易且高精度地控制闸门部21s的打开时间Tson(参照图3)。 闸门部21s、电荷复位部21r、输出选择部21c的控制与装入DSP26的程序对应，通过施加适当的控制脉冲就能够实行。 图3是说明实施例1的光检测半导体装置的等效电路动作状态的时间图。
光检测半导体装置1作为检测模式(传感检测功能)而具备检测被检测物的接近检测模式(接近检测功能)和检测周围照度的照度检测模式(照度检测功能)。接近检测模式与照度检测模式的切换是按预先设定的周期相互切换的分时结构(時分割構成)。
接近检测模式是使发光元件16发光，由受光元件12 (红外用受光元件12ir)来检测来自被检测物的反射光，根据是否超过预先设定的接近阈值Vthn能够检测有无被检测物。 照度检测模式是在将周围光引发的受光电流转换成受光电压的电压转换部21v(电容器)存储电荷，通过检测存储的电荷量(受光电压)就能够检测周围照度。
图3中，区分了 (A)检测物状态(B)定时发生器、(C)LED驱动器、(D)受光信号(受光电流)、(E)闸门部、(F)电荷存储量(受光电压)、(G)A/D转换部、(H)电荷复位部、(J)检测模式，以波形表示各自的状态。下面说明动作状态。 在(B)定时发生器中，以适当的周期发出使时间图进展的基本时钟脉冲，各部分的动作由基本时钟脉冲的周期来控制，与基本时钟脉冲的周期同步。 在(J)检测模式中，按预先设定的适当周期切换"接近检测模式"和"照度检测模式"。接近对应周期Tnl与接近检测模式对应，照度对应周期Tbl与照度检测模式对应，接近对应周期Tn2与接近检测模式对应，照度对应周期Tb2与照度检测模式对应。利用定时发生器24的时钟脉冲的影响产生一个脉冲部分的边界区域，使接近检测模式与照度检测模式的切换稳定化。 在(A)检测物状态中，表示被检测物的"有"、"无"状态。在接近对应周期Tnl和照度对应周期Tbl中表示被检测物不存在的状态。在接近对应周期Tn2和照度对应周期Tb2中表示被检测物存在的状态。 在接近检测模式检测出被检测物的情况下，如(C) LED驱动器所示那样，从LED驱动器28向发光元件16施加驱动脉冲，从发光元件16发出红外光。在接近检测模式中，如(E)闸门部所示那样，与发光元件16的驱动同步地使闸门部21s开闭。S卩、仅在发光元件16发光期间使闸门部21s处于打开状态，进行电压转换部21v的电荷存储，抑制不需要的干扰光入射。 由于在接近对应周期Tnl中不存在被检测物，所以如(D)受光信号(受光电流)所示那样，不产生由受光元件12引发的受光电流，因此不生成检测信息。但由于在接近对应周期Tn2中存在被检测物，所以如(D)受光信号(受光电流)所示那样，产生受光信号(受光电流)。 接近检测模式中的被检测物的检测能够利用(D)受光信号(受光电流)所示的受光信号(受光电流)来检测。例如在接近对应周期Tn2中，红外用受光元件12ir能够将来自被检测物的反射光(红外光)作为受光信号SGr来检测。另一方面，红外用受光元件12ir在检测反射光的同时，还检测周围照度(周围的明亮度)引起的入射光。
因此，受光信号的基准位置就成为周围照度信号SGc。通过将受光信号SGr与周围照度信号SGc之间的差(即受光电流差)作为检测对象(接近受光信号SGn)，就能够排除周围照度的影响而仅根据来自被检测物的反射光引起的受光信号来检测被检测物，因此能够容易且高精度地检测与被检测物之间的距离。 如上所述，与接近受光信号SGn(受光电流接近受光电流)对应而向电压转换部21v存储电荷，能够作为(F)电荷存储量(受光电压)来进行检测。如(F)电荷存储量(受光电压)的曲线所示，由接近受光信号SGn引起的电荷存储被设定为是将多次脉冲积分的形式，通过与预先设定的接近阈值电压Vthn进行比较判断就能够检测有无被检测物。
S卩、本实施例中，在使发光元件16发光时，根据由被检测物反射的红外光引起的红外用受光元件12ir的受光电流与由周围照度引起的红外用受光元件12ir的受光电流之间的受光电流差来检测被检测物。 进一步说就是，将在使发光元件16发光时，由被检测物反射的红外光引起的红外用受光元件12ir的受光电流与由周围照度引起的红外用受光元件12ir的受光电流之间的受光电流差，在电压转换部21v转换成受光电压，并通过与预先设定的接近阈值电压Vthn进行比较来实行被检测物的检测。 因此，能够排除周围照度的影响而仅根据来自被检测物的反射光引起的受光信号
来检测被检测物，所以能够容易且高精度地检测出距被检测物的距离。 如(G)A/D转换部的曲线所示，由于利用与接近检测模式的结束同步的信号Sad来
将输出选择部21c变成导通状态，所以由(F)电荷存储量(受光电压)所示的电荷存储量
(电压转换部21v的充电电压)经由放大部21a而被向模拟/数字转换部22输入，进行AD转换。 由于在信号Sad进行的处理刚刚完成就利用信号Srt将电荷复位部21r变成导通状态，所以电压转换部21v被初始化。本实施例中例如是将(F)电荷存储量(受光电压)设定成电源电压Vcc来进行初始化。 如上所述，放大部21a将电压转换部21v转换了的受光电压进行放大并作为受光放大电压。即、将与电荷存储量(受光电流)对应的受光放大电压向模拟/数字转换部22输入。 为了说明方便，虽然将接近阈值电压Vthn与(F)电荷存储量(受光电压)的波形
合并记载，但接近阈值电压Vthn被预先转换成数字值并存储在寄存器23。 由于在模拟/数字转换部22进行了 AD转换的数字值存储在寄存器23，所以在寄
存器23中比较受光电压(数字值)与接近阈值电压Vthn(数字值)，并将比较结果从输出
端子Pout作为"H"信号和"L"信号输出，能够输出被检测物存在与否的信息。 本实施例中，由于受光电流是从受光元件12向GND(接地电位)流动的结构，所以
由(F)电荷存储量(受光电压)所示的波形是在电位下降的方向存储电荷的形态。但通过
变更电路结构也能够设定成是在电位上升的方向存储电荷的结构。 在基于照度检测模式检测周围照度的情况下，发光元件16处于非发光状态((C)LED驱动器)。另一方面，在闸门部21s处于打开状态(导通状态)的打开时间Tson内，被受光元件12(颜色用受光元件12c、红外用受光元件12ir)检测出的受光电流如(F)电荷存储量(受光电压)的曲线所示作为电荷被存储。如上所述，由于电路结构的关系，电荷存储量是在电位下降的方向被存储。 能够根据周围照度来适当调整闸门部21s的打开时间Tson(电荷存储时间)(在图5会进一步说明)。 在照度检测模式完成时，通过与照度检测模式的结束同步的信号Sad来将输出选择部21c变成导通状态。因此，由(F)电荷存储量(受光电压)所示的电荷存储量(电压转换部21v的充电电压受光电压)经由放大部21a而输入到模拟/数字转换部22，进行AD转换。 与接近检测模式的情况相同，在照度检测模式的情况下也由于在信号Sad进行的处理刚刚完成就利用信号Srt将电荷复位部21r变成导通状态，所以电压转换部21v能够被初始化。本实施例中，如上所述，是将(F)电荷存储量(受光电压)设定成电源电压Vcc来进行初始化。 如上所述，放大部21a将电压转换部21v转换的受光电压进行放大并作为受光放大电压。即、将与电荷存储量(受光电流)对应的受光放大电压输入到模拟/数字转换部 22。这时的电荷存储量(即受光放大电压)成为与周围照度对应的值。模拟/数字转换部 22将放大部21a输出的受光放大电压转换成数字值，并作为受光元件12的受光信号输出 (数字值)存储在寄存器23。 向作为演算部的DSP26供给在模拟/数字转换部22转换成数字值并存储在寄存 器23的受光信号输出，根据预先装入的程序实施适当的演算处理。即、DSP26根据受光元件 12(颜色用受光元件12c、红外用受光元件12ir)检测出的受光电流来演算受光信号输出， 检测周围照度。关于DSP26的演算在图4进一步说明。 如上所述，本实施例的光检测半导体装置1具备将光转换成电流的、由多种受光 元件12构成的受光元件群12m，和发出红外光的发光元件16，该光检测半导体装置1具有 实行被检测物的检测和周围照度的检测的结构，其具备将被受光元件12检测出的受光电 流进行电荷存储并转换成受光电压的电压转换部21v，被连接于受光元件12和电压转换 部21v之间并选择是否对受光元件12检测出的受光电流进行电荷存储的闸门部21s，与电 压转换部21v连接、将电压转换部21v转换的受光电压放大并输出受光放大电压的放大部 21a，将放大部21a输出的受光放大电压转换成数字值的模拟/数字转换部22，将被模拟/ 数字转换部22转换的数字值作为受光元件12的受光信号输出并进行演算处理的演算部 (DSP26)，受光元件群12m中，作为受光元件12包括对于颜色具有灵敏度峰值的颜色用受光 元件12c和对于红外光具有灵敏度峰值的红外用受光元件12ir，根据颜色用受光元件12c 和红外用受光元件12ir检测出的受光电流演算出受光信号输出，并检测周围照度，根据使 发光元件16发光时由被检测物反射的红外光引起的红外用受光元件12ir的受光电流与由 周围照度引起的红外用受光元件12ir的受光电流之间的受光电流差来检测被检测物。
因此，由于能够不需要截断红外线的滤色器进行树脂密封封装(树脂密封封装 14)，因此能够谋求小型化，另外，由于利用闸门部21s能够控制电荷存储时间，所以能够确 保照度检测的动态范围，能够不降低照度检测精度和分辨率地提供可进行周围照度的检测 和被检测物的检测的光检测半导体装置1。 图4是表示本发明实施例1的光检测半导体装置的各受光元件的光谱灵敏度、能
见度曲线以及演算光谱曲线的光谱灵敏度曲线。 横轴表示波长(nm)，纵轴表示灵敏度(相对灵敏度)。 如图4所示，各受光元件12的光谱灵敏度(受光信号输出相对于波长的相对值) 各自不同。即、对红色具有灵敏度峰值的红色用受光元件12r的光谱灵敏度由红色元件光 谱曲线SC-R表示，对绿色具有灵敏度峰值的绿色用受光元件12g的光谱灵敏度由绿色元件 光谱曲线SC-G表示，对蓝色具有灵敏度峰值的蓝色用受光元件12b的光谱灵敏度由蓝色元 件光谱曲线SC-B表示，对红外光具有灵敏度峰值的红外用受光元件12ir的光谱灵敏度由 红外元件光谱曲线SC-Ir表示。 相对于受光元件12的光谱灵敏度，能见度是能见度曲线SC-S。在照度(周围照
度)的测定中，受光元件12需要与能见度(能见度曲线SC-S) —致的光谱灵敏度。 在适用滤色器12(与红色对应的区域R、与绿色对应的区域G、与蓝色对应的区域
B、与红外光对应的区域Ir。图1(B))的状态下测定受光元件12的光谱灵敏度。 例如，绿色元件光谱曲线SC-G具有与能见度曲线SC-S比较接近的特性。因此，可以考虑应用绿色元件光谱曲线SC-G所适用的绿色滤色器，但是，由于绿色的滤色器相对于
能见度曲线sc-s具有偏差，所以如果原封不动地应用则在精度方面不理想。 S卩、需要利用受光元件12(红色用受光元件12r、绿色用受光元件12g、蓝色用受光
元件12b、红外用受光元件12ir)的输出(成为作为演算部的DSP26的处理对象的受光信号
输出)，进行使受光元件群12m的整体输出(受光信号输出)与能见度曲线SC-S吻合的演
算处理。 本实施例中，通过进行周围照度Y =+0. 1R+1.0G-0. 3B-0. 6Ir(其中，R、 G、 B、 Ir 分别是与红色用受光元件12r、绿色用受光元件12g、蓝色用受光元件12b、红外用受光元件 12ir对应的受光信号输出)的演算，能够得到与能见度吻合的输出(受光信号输出)。艮卩、 周围照度Y成为由演算光谱曲线SC-Y表示的光谱特性，能够与能见度曲线SC-S高精度近 似。 图4所示的各受光元件12的光谱曲线仅是 一 例，周围照度Y = +0. 1R+1.0G-0. 3B-0.6Ir的演算公式能够进行一般化设定，能够表示为周围照度Y = a R+ P G+ y B+ e Ir ( a 、 p 、 y 、 e分别是对于R、 G、 B、 Ir的校正系数)。这时的校正系数 (a 、 |3 、 Y 、 e )能够利用计算机通过实行模拟计算来求出。演算式被作为程序而预先装入 DSP26，能够将寄存器23、 I2C接口部27适当联合来实行。 即、本实施例的演算部(DSP26)，将周围照度Y作为Y二 a R+13 G+y B+e Ir (其中， R、 G、 B、 Ir分别是与红色用受光元件12r、绿色用受光元件12g、蓝色用受光元件12b、红外 用受光元件12ir对应的受光信号输出。a 、 |3 、 y 、 e分别是对于R、G、B、 Ir的校正系数) 来算出(检测)。 根据该结构，由于与适合能见度的光谱灵敏度相对应来算出周围照度，所以能够 高精度地检测周围照度。 灵敏度也随受光元件12的不同而不同。因此，例如通过縮小受光面积减少输出能 够使灵敏度高的受光元件12与其他的受光元件12的灵敏度一致。即、与上述演算式无关， 通过调整受光元件12的受光面积，就能够具有实现能见度曲线SC-S近似的特性，因此，能 够将演算部(DSP26)的演算简化。 图5是表示基于本发明实施例1的光检测半导体装置的照度检测模式调整动态范 围的过程的流程图。 本实施例的光检测半导体装置1中，在照度检测模式下，闸门部21s在打开时间 Tson被设定成打开状态(导通状态)，将受光元件12(颜色用受光元件12c、红外用受光元 件12ir)检测出的受光电流作为电荷来存储并转换成受光电压。即打开时间Tson也是电 荷存储时间。 因此，通过控制闸门部21s的开闭变更打开时间Tson，就能够变更电荷存储时间。 即、控制打开时间Tson就能够变更照度测定时相对于照度的动态范围，在维持高的照度检 测精度和分辨率的状态下，能够确保最佳的动态范围。 在受光元件12(传感器电路部llc)的灵敏度例如是3V/(lx s)的情况下，在照 度为100，0001x时，电荷存储时间=10ii s，能够使电荷存储量成为3V。若照度是101x，则 需要电荷存储时间=100ms。 现有技术中，为了确保足够的动态范围，作为模拟/数字转换部22例如采用16bit (65， 536级别的分辨率)的高分辨率的AD转换器。但本实施例中，通过控制闸门部 21s的打开时间Tson就能够变更动态范围，不需要如现有技术那样利用高分辨率的AD转换 器。 通过以下的步骤Sl到步骤S10来表示变更动态范围以维持高精度分辨率的处理流程。 步骤S1 从动态范围高的一侧实行照度Y(周围照度)的测定。例如以动态范围= 100，0001x、电荷存储时间二 10ii s，能够存储与灵敏度对应的3V。因此，通过检测设定为电 荷存储时间10 y s时的受光电压(受光放大电压)就能够测定照度Y。
步骤S2 辨别在步骤S1测定的照度Y。由于是动态范围高的一侧，所以例如辨别成Y
< 20， OOOlx、 Y > 20， OOOlx这两个区段。在Y < 20， OOOlx时，由于照度Y小，所以进入将小的动态范围作为对象的步骤S3， 将动态范围向小的一侧切换。在Y^20，0001x时，由于照度Y大，所以返回步骤Sl，在步骤 Sl测定照度。
步骤S3 实行照度Y(周围照度)的测定。例如动态范围=25，6001x、电荷存储时间二 39 ii s，能够存储与灵敏度对应的3V。
步骤S4 辨别在步骤S3测定的照度Y。例如辨别成Y > 20， OOOlx、 Y < 5， OOOlx、 5， OOOlx《Y《20， OOOlx这三个区段。 在Y〉 20，0001x时，由于照度Y大，所以返回步骤S1，将动态范围扩大。在Y
< 5， OOOlx时，由于照度Y小，所以进入步骤S5，切换动态范围。在5， OOOlx《Y《20， OOOlx 时，返回步骤S3，维持动态范围。 步骤S5 实行照度Y(周围照度)的测定。例如动态范围=6，4001x、电荷存储时间二 160 ii s，能够存储与灵敏度对应的3V。
步骤S6 辨别在步骤S5测定的照度Y。例如辨别成Y > 5， OOOlx、 Y < 1， 2001x、 1， 2001x《Y《5， OOOlx这三个区段。 在Y > 5，0001x时，返回步骤S3。在Y < 1， 2001x时，进入步骤S7。在 1， 2001x《Y《5， OOOlx时，返回步骤S5。
步骤S7 实行照度Y(周围照度)的测定。例如动态范围=1，6001x、电荷存储时间二 625 ii s，能够存储与灵敏度对应的3V。
步骤S8 辨别在步骤S7测定的照度Y。例如辨别成Y > 1， 2001x、 Y < 3201x、 3201x《Y《1， 2001x这三个区段。 在Y > 1， 2001x时，返回步骤S5。
在Y < 3201x时，进入步骤S9。 在3201x《Y《1， 2001x时，返回步骤S7。
步骤S9 实行照度Y(周围照度)的测定。例如动态范围=4001x、电荷存储时间二 2. 5ms，能够存储与灵敏度对应的3V。
步骤S 10 辨别在步骤S7测定的照度Y。由于是动态范围低的一侧，所以例如辨别成Y > 3201x、 Y < 3201x这两个区段。 在Y > 3201x时，返回步骤S7。在Y < 3201x时，返回步骤S9。 如上所述，通过步骤S1至步骤SIO的处理流程，能够切换电荷存储时(闸门部21s
的打开时间Tson)，在维持高分辨率的状态下能够容易且高精度地进行动态范围的切换。 现有技术中的照度传感器中，为了使动态范围可变，需要改变放大器的增益，存在
电路结构变复杂的问题。 但根据本实施例，仅通过切换闸门部21s的打开时间Tson就能够切换动态范围，由于不需要提高模拟/数字转换部22的分辨率且能够维持简单的电路结构，所以能够提供以高精度实行照度测定的小型便宜的光检测半导体装置1。 如上所述，本实施例中，闸门部21s的打开时间Tson根据检测出的周围照度变更。因此，能够控制电荷存储时间而在维持照度检测精度和分辨率的状态下确保照度检测的动态范围，能够与周围照度状态无关地高精度检测周围照度。
〈实施例2〉 根据图6和图7说明本实施例的光检测半导体装置。 由于本实施例的光检测半导体装置与实施例1的光检测半导体装置是基本相同
的结构，所以引用实施例1中的附图标记，主要说明两者不同的地方。 图6是本发明实施例2的光检测半导体装置的传感器芯片的俯视图。 实施例1的光检测半导体装置1中，作为受光元件12(受光元件群12m)，具备颜
色用受光元件12c和红外用受光元件12ir，作为颜色用受光元件12c，具备红色用受光元件
12r、绿色用受光元件12g和蓝色用受光元件12b。 与此相对，在本实施例中，作为受光元件12(受光元件群12m)是与实施例1同样地具备颜色用受光元件12c和红外用受光元件12ir。但作为颜色用受光元件12c则仅有绿色用受光元件12g。即、本实施例将受光元件12(受光元件群12m)的结构简化，与实施例l的光检测半导体装置1相比，能够进一步谋求小型化和低价格化。 图7是表示本发明实施例2的光检测半导体装置的各受光元件的光谱灵敏度、能见度曲线以及演算光谱曲线的光谱灵敏度曲线。 横轴表示波长(nm)，纵轴表示灵敏度(相对灵敏度)。基本结构与图4相同。
如上所述，作为受光元件12仅包括绿色用受光元件12g和红外用受光元件12ir这两个。即、颜色用受光元件12c包括对绿色具有灵敏度峰值的绿色用受光元件12g。
因此，成为对绿色具有灵敏度峰值的绿色用受光元件12g的光谱灵敏度由绿色元件光谱曲线SC-G表示，对红外光具有灵敏度峰值的红外用受光元件12ir的光谱灵敏度由红外元件光谱曲线SC-Ir表示的状态。相对受光元件12的光谱灵敏度，能见度由能见度曲线SC-S表示。
本实施例具备与实施例1同样的传感器电路部llc，由演算部(DSP26)来实施演算 处理。在实施例1中规定了周围照度Y = aR+!3G+YB+e Ir的演算公式，但本实施例中， 由于将受光元件12限定为绿色用受光元件12g和红外用受光元件12ir，所以能够将演算式 简化。艮卩、演算部(DSP26)将周围照度Y作为Y二 P G+e Ir (其中，G、 Ir分别是与绿色 用受光元件12g、红外用受光元件12ir对应的受光信号输出。13 、 e分别是对于G、Ir的校 正系数)来算出。 作为本实施例的周围照度Y = a R+P G+ YB+ e Ir所求出的结果则成为以演算光 谱曲线SC-Y表示的光谱特性，能够与能见度曲线SC-S近似。 因此，由于将受光元件群12m简化，所以能够縮小受光元件群12m和传感器电路部 llc的面积而小型化，能够提供小型且便宜的光检测半导体装置1。
〈实施例3〉 本实施例的移动设备(未图示)例如是手机，具备显示画面和电池。由于移动设 备在室内、室外等多种照明环境中利用，所以通过使显示画面的亮度适应周围的照度环境 来进行显示，以求得实现低消耗电力。 本实施例的移动设备由于适用(安装)实施例1、实施例2的光检测半导体装置
l，所以容易且高精度地检测周围照度，能够与被检测物的检测一同实行。 因此，能够根据周围照度来调整显示画面的亮度，能够提供可抑制显示画面所需
的电力而延长电池寿命的便利性高的移动设备。 在移动设备具备触摸屏的情况下，由于能够适用接近检测模式而检测被检测物， 所以能够检测人体(例如面颊那样的肌肤)。因此，例如在手机的通话中触摸屏与人体接触 而能够防止误动作。 本发明在不脱离其精神或主要特点的情况下能够以其他各种形式实施。因此，上 述实施例在所有点上仅仅是例示，不是限定性解释。本发明的范围由权利要求限定的范围 表示，不被说明书正文所约束。属于权利要求的保护范围的等同范围的变形和变更都在本 发明的范围内。 本申请基于2008年11月25日在日本提交的专利申请特愿2008-299498号要求 优先权。据此，其所有内容被包含在本申请中。
权利要求
一种光检测半导体装置，具备将光转换成电流的由多种受光元件构成的受光元件群、发出红外光的发光元件，该光检测半导体装置实行对被检测物的检测和对周围照度的检测，其特征在于，具备对所述受光元件检测出的受光电流进行电荷存储并转换成受光电压的电压转换部，连接于所述受光元件和所述电压转换部之间并选择是否对所述受光元件检测出的受光电流进行电荷存储的闸门部，与所述电压转换部连接、将所述电压转换部转换的受光电压放大并输出受光放大电压的放大部，将该放大部输出的受光放大电压转换成数字值的模拟/数字转换部，将被该模拟/数字转换部转换的数字值作为所述受光元件的受光信号输出并进行演算处理的演算部；所述受光元件群中，作为所述受光元件包括对于颜色具有灵敏度峰值的颜色用受光元件和对于红外光具有灵敏度峰值的红外用受光元件，基于所述颜色用受光元件和所述红外用受光元件检测出的受光电流演算出受光信号输出并检测周围照度，根据使所述发光元件发光时由被检测物反射的红外光引起的所述红外用受光元件的受光电流与由周围照度引起的所述红外用受光元件的受光电流之间的受光电流差来检测被检测物。
2. 如权利要求1所述的光检测半导体装置，其特征在于，所述颜色用受光元件包括对红色具有灵敏度峰值的红色用受光元件、对绿色具有灵敏 度峰值的绿色用受光元件和对蓝色具有灵敏度峰值的蓝色用受光元件， 所述演算部构成为将周围照度Y作为Y二 ciR+|3G+YB+e Ir来算出， 其中，R、G、B、Ir分别是与红色用受光元件、绿色用受光元件、蓝色用受光元件和红外用 受光元件对应的受光信号输出，a 、 |3 、 Y 、 e分别是对于R、G、B、 Ir的校正系数。
3. 如权利要求1所述的光检测半导体装置，其特征在于， 所述颜色用受光元件包括对绿色具有灵敏度峰值的绿色用受光元件， 所述演算部构成为将周围照度Y作为Y二 PG+e Ir来算出，其中，G、Ir分别是与绿色用受光元件、红外用受光元件对应的受光信号输出，13、 e分 别是对于G、Ir的校正系数。
4. 如权利要求1所述的光检测半导体装置，其特征在于， 根据检测出的周围照度变更所述闸门部的打开时间。
5. 如权利要求4所述的光检测半导体装置，其特征在于， 所述闸门部由M0S元件构成。
6. 如权利要求1 5中任一项所述的光检测半导体装置，其特征在于， 所述受光元件群被树脂密封在树脂密封封装中。
7. 如权利要求1 6中任一项所述的光检测半导体装置，其特征在于， 将使所述发光元件发光时由被检测物反射的红外光引起的所述红外用受光元件的受光电流与周围照度引起的所述红外用受光元件的受光电流之间的受光电流差由所述电压 转换部转换成受光电压，并通过与预先设定的接近阈值电压进行比较来实行被检测物的检
8. —种移动设备，具备显示画面和光检测半导体装置，其特征在于， 所述光检测半导体装置是权利要求1 7中任一项所述的光检测半导体装置。
全文摘要
本发明涉及一种光检测半导体装置以及移动设备。作为一实施例的光检测半导体装置，其具备传感器芯片、将传感器芯片用透明树脂进行树脂密封的树脂密封封装、配置在传感器芯片表面的滤色器，传感器芯片中形成有传感器电路部和受光元件群。受光元件群包括对颜色具有灵敏度峰值的颜色用受光元件和对红外光具有灵敏度峰值的红外用受光元件。颜色用受光元件包括对红色具有灵敏度峰值的红色用受光元件、对绿色具有灵敏度峰值的绿色用受光元件和对蓝色具有灵敏度峰值的蓝色用受光元件。
文档编号G01J1/42GK101738255SQ20091022207
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月13日 优先权日2008年11月25日
发明者渡部恒久 申请人:夏普株式会社