测量距离及旋转角度的光电芯片及光电系统的制作方法

本公开涉及一种测量距离及旋转角度的光电芯片及光电系统。

背景技术：

微机电系统(mems,micro-electro-mechanicalsystem)，也称为微电子机械系统、微系统、微机械等，是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。其具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产的特点。在国民经济和军事系统方面有着广泛的应用前景。

mems器件中，有时需要测量其中移动机构的移动距离以及移动过程中的旋转角度。例如mems微镜系统中的反光镜，实时监测其位置以及偏转角度，将大大提升系统的工作性能。但是，由于mems器件尺寸小，传统的测量方法完全没办法适用。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题中的至少之一，本公开提供了测量距离及旋转角度的光电芯片及光电系统。

根据本公开的一个方面，一种测量距离及旋转角度的光电芯片，包括：

时钟电路，用于产生预定频率的时钟信号；

逻辑电路，接收所述时钟电路的时钟信号，并且输出控制信号；

光源，用于发出光线；

光源驱动电路，接收所述逻辑电路的控制信号并且根据控制信号来控制所述光源发出光线；

光电探测器阵列，接收所述光源发出的光线；

光电探测器驱动电路，接收所述逻辑电路的控制信号并且根据控制信号来控制所述光电探测器阵列接收所述光线；以及

计时器，用于计算所述光源发出光线的时间至所述光电探测器阵列接收到所述光线的时间之间的时间间隔，

其中，通过确定所述光源与所述光电探测器阵列中的探测到光线的光电探测器的间距来确定所述光线的偏移距离，并且根据所述时间间隔及所述偏移距离来计算距离及旋转角度。

根据本公开的至少一个实施方式，所述逻辑电路根据所述时钟信号的上升沿来生成控制信号，使得所述光源驱动电路驱动所述光源发出光线、所述光电探测器驱动电路驱动所述光电探测器阵列接收光线；当所述光电探测器阵列接收到所述光线后，所述计时器停止计时。

根据本公开的至少一个实施方式，所述光电探测器阵列包括矩阵形状的多个光电探测器，并且通过确定多个光电探测器中接收到光线的光电探测器与所述光源的间距来确定所述偏移距离。

根据本公开的另一方面，一种测量距离及旋转角度的光电系统，包括：所述的光电芯片；以及微机电系统，所述微机电系统包括微镜，所述微镜设置在所述光源的上方，通过所述微镜反射所述光源发出的光线，所述光电芯片用于测量所述微镜的距离及旋转角度。

根据本公开的至少一个实施方式，所述微机电系统还包括驱动臂及基板，所述驱动臂的一端与所述微镜固接，用于支撑及转动所述微镜，并且所述驱动臂的另一端与所述基板固定连接，用于支撑所述微镜，

所述基板设有供所述光源发出的光线及所述微镜反射的光线通过的第一开口部。

根据本公开的至少一个实施方式，所述光电系统还包括上部基板，所述微机电系统固定设置在所述上部基板上，并且所述上部基板包括与所述第一开口部对应的第二开口部，以供所述光源发出的光线及所述微镜反射的光线通过。

根据本公开的至少一个实施方式，所述光电系统还包括下部基板，所述光电芯片固定设置在所述下部基板上。

根据本公开的至少一个实施方式，所述光电系统还包括连接柱，所述连接柱用于连接所述上部基板与下部基板。

根据本公开的至少一个实施方式，所述光源为红外发光二极管，并且所述光电探测器为光电二极管。

根据本公开的至少一个实施方式，所述光源布置在所述光电探测器阵列的中心位置处。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

需要注意的是，本公开的附图中的各个部分为了示例性的目的，并未按照比例进行绘制。

图1示出了根据本公开的一个实施方式的微机电系统的结构示意图。

图2示出了根据本公开的一个实施方式光电集成芯片与微机电系统组装成型的系统示意图。

图3示出了根据本公开的一个实施方式的光电集成芯片的结构示意图。

图4示出了根据本公开的一个实施方式的光电集成芯片的控制时序的示意图。

图5示出了根据本公开的一个实施方式的测量旋转角度的示意图。

图6示出了根据本公开的一个实施方式的光电集成芯片来测量微机电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

参照图1，示出了一种微机电系统(mems,micro-electro-mechanicalsystem)的机构示意图。

该mems包括微镜11、驱动臂12及基板13。

微镜11可以为反光微镜，用于发射其所接收的光线。驱动臂12用于将微镜11支撑在基板13上，如图1所述，驱动臂12的数量可以为4个，并且驱动臂12的一端设置在微镜11的四个角端处，驱动臂12的另一端设置在基板13上。通过对驱动臂12施加合适的信号，驱动臂12可以驱动微镜11进行上下移动、绕x轴、y轴转动等。

但是通常，微镜11的尺寸很小，通常为1×1mm,因此其上下移动距离也在1mm以内，由于其尺寸很小，因此测量难度很大。

图2示出了根据本公开的测量距离和旋转角度的光电集成芯片以及其与mems微镜组装成型的系统示意图。

如图2所示，该系统包括：微镜21、驱动臂22、基板23、上基板24、下基板25、连接柱26及光电集成芯片27。

其中，包括微镜21、驱动臂22、基板23的mems与图1所示的结构及相关描述相同。mems固定在上基板24上，并且光电集成芯片27通过标准的芯片封装工艺固定在下基板25上。上基板24与下基板25通过连接柱26键合在一起，以通过连接柱26将上基板24支撑在下基板25上。如图2所示，连接柱26的数量为四个，但是本领域的技术人员应当理解，连接柱26的数量可以为其他合适的数量。

如图2所示，在基板23和上基板24的与微镜21相对的位置处设置有开口部28。并且光电集成芯片27设置在与该开口部28对应的下基板25的相应位置处。这样，通过光电集成芯片27发出的光，穿过开口部28后，到达微镜21，并且经微镜21的反射后，光电集成芯片27接收反射光。

图3示出了根据本公开的光电集成芯片27的结构示意图。光电集成芯片27包括时钟电路271、逻辑电路272、计时电路273、led驱动电路274、光电探测器驱动电路275、led光源276及光电探测器阵列277。

时钟电路271用于产生预定频率的方波信号(时钟信号clk)，来作为整个系统的时钟信号。逻辑电路272接收时钟电路271的时钟信号，并且逻辑电路272的输出端分别连接计时电路273、led驱动电路274及光电探测器驱动电路275，以便向各电路输出控制信号，例如根据时钟信号的上升沿来生成各个控制信号。led驱动电路274接收到逻辑电路272的控制信号后，驱动led。光电探测器驱动电路275接收到逻辑电路272的控制信号后驱动光电探测器阵列来进行检测。计时电路273接收到逻辑电路272的控制信号后开始工作来进行计时。上述具体时序控制内容将在下面详细描述。

led光源276可以是红外发光二极管，也可以是诸如rcled的可见光发光二极管、或者诸如vcsel的激光器等，用于发射光。

光电探测器阵列277可以由光电二极管或者雪崩光电二极管组成(apd)，用于接收来自led光源276的光。led光源276可处于光电探测器阵列277的中心位置处。

下面，参照图4来描述上述各电路的控制信号。

时钟电路271用于产生固定频率的时钟信号clk，该固定频率可以根据测量的实际情况来进行设定，使得在一个时钟信号周期中可以进行一次测量。当进行测量时，逻辑电路272生成开始信号，生成时间为t1，并且将该开始信号作为led驱动电路274的控制信号，当该开始信号处于高电平时，led驱动电路274驱动led光源276使其发光，并且在开始信号持续一段时间(t1～t2)的高电平后，变为低电平，使得led光源276不再发光。并且开始信号生成的相同时间t1处，还生成复位信号，作为光电探测器驱动电路275的控制信号，在该复位信号处于高电平时，光电探测器驱动电路275驱动光电探测器阵列277，使其接收来自led光源276的光线，处于低电平时，不驱动光电探测器阵列277。

当光电探测器阵列277接收到光线时，则停止信号被生成。根据该停止信号，复位信号由高电平变成低电平，不驱动光电探测器阵列277来接收光线。并且根据该停止信号，计时电路273停止计时。计时电路273的计数时间起始于上述时间t1，并且终止于该停止信号的下降沿的时间t3。计时电路273可以是纯数字电路，用逻辑门电路的传输时间进行计时，因此可达到ps级别的分辨力。

并且在再次测量时，在其他的时钟信号周期中，再次进行上述时序控制。

根据计时电路273的计数时间，计算得到光电探测器阵列277能接收到光线的时间t＝t3-t1。并且通过公式s＝c×t(c为光速)来计算得到光线传播的距离。通过计算的该距离来得到实际需要测量的距离。

光电探测器阵列277包括多排设置的多个光电接收器，并且每排光电接收器为多个，形成矩阵形状的光电探测器阵列。图5示出了使用该集成光电芯片进行旋转角度检测的示例。

在图5中，led光源276发出光线，并且该光线经反射物反射后由光电探测器阵列277中的某个光电探测器接收，通过预先存储的光电探测器阵列的设计，来得知由光电探测器阵列中的哪个光电探测器接收到，并且计算出该led光源276与该光电探测器之间的距离。例如led光源276与光电探测器由相同形状的器件形成，并且均匀排布，通过相邻器件的中心之间的距离x来计算得出光线偏移距离l。通过该偏移距离l可以得出上述反射物的偏移角度。

图6示出了使用本公开的光电集成芯片27来测量mems系统的微镜的距离和旋转角度的示意图。

参照图6，微镜21设置在光电探测器阵列277的正上方，光电探测器阵列277的周边所占面积可以大于微镜21的周边所占面积，以便能够接收到微镜21的反射光线。并且包括时钟电路271、逻辑电路272、计时电路273、led驱动电路274、光电探测器驱动电路275及led光源276等的控制电路270设置在不影响光电探测器阵列277接收光线的位置处。当led光源276发出光线后，通过微镜21的反射，将反射光反射到光电探测器阵列277中的光电探测器上。当驱动led光源276发光时，根据上述时序控制方式，计时器开始计时，并且将光电探测器阵列277接收到光线时，计时器停止计时。通过计时器的时间与偏移距离来计算该微镜的距离及旋转角度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。