一种集成硅基光电探测器的光电模数转换芯片的制作方法

本发明涉及一种光电模数转换芯片，特别涉及一种集成环境光检测、手势识别、接近距离探测的光电模数转换芯片。

背景技术

随着光电传感器的多元化、智能化发展，环境光传感器能检测到周围环境光线的变化，可用于电子设备显示屏亮度的智能自动调节，距离传感器能检测到物体的位移，手势传感器用来检测和识别手势方向的变化，可用于手机、平板等智能设备的触摸屏功能，增强了人机交互。传统的光电传感芯片的探测器功能都比较分立，芯片功能单一，若需实现多种功能，则需要多个芯片进行组装，导致设备占用体积大，连线复杂。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有技术，提出一种集成硅基光电探测器的光电模数转换芯片，将集成环境光检测、手势识别、接近距离探测的光电探测器直接在硅标准工艺中制备出来，实现光电集成的模数混合电路芯片。

技术方案：一种集成硅基光电探测器的光电模数转换芯片，包括：硅基光电探测器、前置放大器、逐次逼近型模数转换器；所述硅基光电探测器包括光发射区和接收区；所述光发射区设有红外光源，所述接收区设置通过cmos工艺制备的硅基光电二极管矩阵列；用于环境光检测的硅基光电二极管组为所述硅基光电二极管矩阵列中跨越中心的十字形区域的硅基光电二极管，所述十字形区域的硅基光电二极管表面分别设有红色滤膜、蓝色滤膜、绿色滤膜；所述十字形区域以外的硅基光电二极管表面均设有红外滤光膜，作为手势识别和接近距离探测检测用硅基光电二极管组；所述硅基光电探测器的输出端接前置放大器的输入端，所述前置放大器的输出端接逐次逼近型模数转换器的输入端。

进一步的，还包括数字电路，所述数字电路集成了i²c通讯协议电路、基于i²c通讯的阈值设定模块以及数字脉宽调制电路。

进一步的，所述硅基光电探测器整体采用贴片塑料开窗式封装，引脚分布于封装底面。

进一步的，所述硅基光电二极管矩阵列为3×3阵列，以(i,j)表示硅基光电二极管位置，i＝1,2,3，j＝1,2,3，(2,2)硅基光电二极管表面分别设有红色滤膜，(1,2)和(3,2)硅基光电二极管表面分别设有蓝色滤膜，(2,1)和(2,3)硅基光电二极管表面分别设有绿色滤膜，(1,1)、(1,3)、(3,1)、(3,3)硅基光电二极管表面均设有波长850nm的红外滤光膜，所述光发射区的红外光源为波长850nm的红外led，所述硅基光电探测器的光发射区和接收区之间设有隔光板。

进一步的，所述前置放大器包括跨阻放大器、限幅放大电路、输出缓冲器、带隙基准电压源；所述跨阻放大器的输入端接所述硅基光电探测器的输出端，所述限幅放大电路的输入端接所述跨阻放大器的输出端，所述输出缓冲器的输入端连接所述限幅放大器的输出端，所述带隙基准电源用于为所述跨阻放大器、限幅放大电路、输出缓冲器供电。

进一步的，所述逐次逼近型模数转换器包括时钟发生器、6-bit电容阵列、4-bit电阻阵列、sar逻辑控制器、电压比较器，所述时钟发生器发出脉冲信号，6-bit电容阵列控制低六位的数字输出，4-bit电阻阵列控制高四位的数字输出，输入模拟电压和参考电压进行比较，将结果反馈保存至sar逻辑控制器中，并控制下一周期的输出。

有益效果：本发明将硅基光电探测器、跨阻放大器和模数转换器有效的集成在一块芯片上，有效的将环境光检测、手势识别、接近距离探测通过si标准工艺结合在了同一块芯片上，且直接联接电流转换电压的放大电路及模数转换电路，简化了组装过程，能够在减少互连线和系统体积的同时保证系统的可靠性，提高了集成度，促进了设备微型化，增强了芯片的功能，达到了一芯多用的效果，并在一定程度上降低了成本，使芯片能够广泛的应用到各种小型便携式电子设备中。而且光电传感相比于其他传感技术具有易集成、测量范围广且容易控制调节的优势。

附图说明

图1为光电模数转换芯片的整体物理结构图；

图2为光电模数转换芯片的硅基光电探测器布局结构；

图3为光电模数转换芯片的电路模块图；

图4为光电模数转换芯片的模数转换器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种集成硅基光电探测器的光电模数转换芯片，包括：硅基光电探测器、前置放大器、逐次逼近型模数转换器。硅基光电探测器由光照产生光电流，实现光电转换，前置放大器将光电探测器产生的微弱的光电流转换成电压信号并进行放大，逐次逼近型模数转换器将电压信号转换成可读的数字信号并输出给外围设备。

硅基光电探测器包括光发射区和接收区。光发射区设有红外光源，接收区设置通过180nmcmos工艺制备的硅基光电二极管矩阵列，用于检测光功率的变化来判断物体位置。其中，用于环境光检测的硅基光电二极管组为硅基光电二极管矩阵列中跨越中心的十字形区域的硅基光电二极管，十字形区域的硅基光电二极管表面分别设有红色滤膜、蓝色滤膜、绿色滤膜。十字形区域以外的硅基光电二极管表面均设有红外滤光膜，作为手势识别和接近距离探测检测用硅基光电二极管组。硅基光电探测器的输出端接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端接逐次逼近型模数转换器的输入端。

本实施例如图2、图3所示，硅基光电探测器整体采用贴片塑料开窗式封装，引脚分布于封装底面。光信号接收区设有方形窗口，红外光发射区设有圆形窗口，为减少光电探测器面积，引脚分布于封装底面。硅基光电二极管矩阵列为3×3阵列，以(i,j)表示硅基光电二极管位置，i＝1,2,3，j＝1,2,3，(2,2)硅基光电二极管pd1表面分别设有红色滤膜，(1,2)和(3,2)硅基光电二极管pd2、pd3表面分别设有蓝色滤膜，(2,1)和(2,3)硅基光电二极管pd4、pd5表面分别设有绿色滤膜，(1,1)、(1,3)、(3,1)、(3,3)硅基光电二极管pd6、pd7、pd8、pd9表面均设有波长850nm的红外滤光膜。

其中，pd1、pd2、pd3、pd4、pd5为一组用于环境光检测的硅基光二极管，由于不同颜色的滤光膜对光的选择透过性，不同的pd对不同波段的光产生响应，此时光源为周围环境的自然光。pd6、pd7、pd8、pd9为一组用于接近距离、手势识别的硅基光电二极管，光发射区的红外光源为波长850nm的红外led，工作时，红外led为硅基光电二极管提供光源。当光电探测器接受光信号后转换成光电流，并通过不同位置的硅基光电探测器接受光功率的变化判断出物体的位置以及手势的变化。硅基光电探测器的光发射区和接收区之间设有隔光板，防止红外光从内部进入接收区，对pd阵列产生影响，导致结果的不精确。

人眼对于光线的响应主要集中在400～700nm波段之间，然而cmos工艺下的硅基光电探测器的光谱响应响应峰值位于850nm左右，与人眼的光谱响应曲线不同，为了能精确模拟人眼的光谱响应曲线，在光电探测器表层涂滤光膜。接收区的五个表面覆有红、绿、蓝滤光膜的光电探测器分别探测泛红光、绿光和蓝光的强度，为使光电探测器阵列的光谱响应曲线进一步接近人眼的光谱响应曲线，在光电探测器接收区后接入不同放大倍数的跨阻放大器对光电探测器的输出进行放缩，将光谱响应曲线进行调整和优化。即不同的光电二极管连接不同放大倍数的跨阻放大器，带红、蓝、绿滤光片的硅基光电二极管分别输出对应的光电流，通过各前置放大器对光电流放大并转换成电压，并进行线性组合来模拟人眼的光谱响应曲线。

如图3所示，前置放大器包括跨阻放大器、限幅放大电路、输出缓冲器、带隙基准电压源。跨阻放大器的输入端接硅基光电探测器的输出端，限幅放大电路的输入端接跨阻放大器的输出端，输出缓冲器的输入端连接限幅放大器的输出端。其中，跨阻放大器将光电探测器输出电流信号初步放大为电压信号，再经限幅放大电路进行限幅放大，为了实现输出与外部的衔接，在最后一级设有专门的缓冲电路。带隙基准电源用于为跨阻放大器、限幅放大电路、输出缓冲器供电，为电路提供稳定的电压源和恒定的电流源。

前置放大器的输出端接逐次逼近型模数转换器的输入端，逐次逼近型模数转换器包括时钟发生器、6-bit电容阵列、4-bit电阻阵列、sar逻辑控制器、电压比较器。时钟发生器发出脉冲信号，6-bit电容阵列控制低六位的数字输出，4-bit电阻阵列控制高四位的数字输出。电容阵列的优势在于使得最高有效位(msb)有更好的线性性能，电阻阵列的优点在于adc面积小、成本低。所以采用两类不同的阵列方式实现了10-bit精度的saradc。输入模拟电压和参考电压进行比较，将结果反馈保存至sar逻辑控制器中，并控制下一周期的输出。

如图4所示，本实施例采用了高速逐次逼近型模/数转换器，其工作过程：转换前所有的寄存器置零，时钟脉冲发生器发出脉冲将寄存器的最高位置为1，比较器将输入电压和dac输出进行比较，若比较器输出为高电平，则msb仍保持1不变；若比较器的输出为低电平，则msb将被置为0，这样完成了首次逼近。再将dac的次高位置1，其它位置0，以同样的方法进行比较来决定次高位为1或0，以此类推，逐位进行比较，并将最后的结果保存在寄存器中供微处理器进行读取。

逐次逼近型模数转换器还包括数字电路，该数字电路集成了i²c通讯协议电路、基于i2c通讯的阈值设定模块以及数字脉宽调制电路。其中，i²c通讯协议电路连接逐次逼近型模数转换器输出端，用于将模数转换器所得的数值方便地传输出来。阈值设定模块基于i²c通讯协议，可依据实际情况灵活地设置内部寄存器阈值，当采样值大于所设阈值时触发外部中断，告知外部系统采样信号的响应，信息传输快，且灵活性强。数字脉宽调制电路可基于i²c通讯设置输出pwm信号的频率以及占空比，高达256阶的调节范围，用于控制红外led的亮灭。

在测环境光时，有滤光膜的硅基光电探测器根据接收到的不同波段的光信号监测周围环境的光线变化。在检测接近距离和手势时，光发射区的红外led发出光线，光电探测器接收到反射回来的光线，根据不同位置的光电探测器接收到的光功率的变化来判断物体的位置和移动方向。光电探测器产生的光电流被放大后转换成电压信号，继而经过模数转换器输出数字信号，以便于外围设备的读取。

距离探测模式时：基光电探测器内置的850nm红外led向外发射红外信号，红外信号经实体反射形成入射光信号进入传感器的接收区，带有850nm滤光膜的光电探测器阵列接受到光照产生光电流并经过跨阻放大电路放大且转换成模拟电压信号，再送入模数转换器进行采样转换输出数字信号，最后通过i²c总线传送给上位机。随着物体与传感器的距离的变化，硅基光电探测器阵列的接收到的反射光强度不同，影响光电流的大小，输出的数值也随之变化。

手势判断模式时：根据阵列中四个光电探测器接收到的反射红外光的先后顺序来判断物体移动的方向。对四个光电探测器所在的通道设置阈值，当光电探测器获取的数据超过所设定的阈值时，传感器将设置标志，上位机对四个光电探测器的信号进行读取并作出手势移动判断。

本发明的高速逐次逼近型模数转换器有效的将电路中的模拟信号转换成了二进制信号供外围设备读取并进行相关的数据处理，将模数转换器跟光电探测器及前置放大器集成在一块芯片上，大大提高了系统的可读性和稳定性。本发明芯片在结构上有效的将光电探测器、前置放大器和模数转换器集成在了同一块芯片上，减少了互连线，在功能上实现了环境光、接近距离和手势识别的三合一，可以广泛的运用在各种电子产品设备上，根据周围环境光线自动调节电子显示屏的亮度，并在物体防碰撞和智能识别等领域起到重要的作用。高度的集成化使芯片体积小、重量轻，使用方便，实用性强，功能多，符合市场的需要。

高效、高精度、低功率的模数转换器对信息领域的发展有着重大的意义和作用。本发明在单片集成芯片上信号处理电路集成了模拟部分与数模转换部分，其中模拟部分的模拟部分将光电流初步放大并转换为输出电压，作为对外接电路的驱动与控制；为了方便数据的读取，将一支电压接入到模数转换器中，与参考电压对比，转换为数字输出，更重要的是可以通过i²c通讯协议电路采用mcu对产生的数字信号做进一步的处理，实现芯片功能的更加多元化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。