传感器装置和制造传感器装置的方法与流程

本公开涉及一种传感器装置、一种图像传感器和一种用于制造传感器装置的方法。

背景技术：

1、cmos图像传感器应用广泛，例如用于相机模块和智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。这些应用中的一些(例如摄影)依赖于可见光域的敏感度，而其他应用(例如3d成像和识别)则要求图像传感器在红外(ir)域敏感。例如，红外域用于黑暗环境或至少在有限亮度的情况下。但红外域也能够用于增强普通rgb图像：它带来了“纹理”(因为红外辐射能够“看穿”某些条件(如雾霾)，而可见光波长域中的光则不能)。由于现有技术设备中的空间限制，期望提供一种在可见光域和红外域中都敏感的图像传感器。为此，图像传感器的每个传感器装置包括颜色接收元件以及针对红外光谱的ir接收元件，每个颜色接收元件对可见光谱的特定部分敏感。

2、仅具有可见颜色接收元件的传感器装置通常以特定图案(即所谓的拜耳图案)布置这些元件，其中传感器装置包括以2×2阵列布置的四个接收元件，所述四个接收元件中的两个接收元件彼此相对布置并且对可见光谱的绿色部分敏感，而另外两个接收元件分别对蓝色域和红色域敏感。对于具有两个针对绿色域的接收元件的原因是人眼对绿色比对红色或蓝色敏感。图像信号处理器(isp)将单色图像元素(每个元素仅包含其接收元素的单色信息)映射到多色图像元素的阵列(每个元素存储所有接收的颜色)，这通过评估来自相邻接收元素的颜色信息来实现。此外，isp可以使用算法，例如用于图像的边缘保持。isp进行的图像转换有时被称为去马赛克。

3、在这些图像传感器中实现额外的ir接收元件通常通过牺牲拜耳过滤器阵列图案的绿色接收元件之一来实现。然而，这导致如下事实：标准的去马赛克(demosaicing或debayering)造成图像质量恶化以及/或者复杂和/或专用的计算密集型算法。此外，由于人眼对绿色最敏感，因此绿色接收元件的损失导致图像感知的恶化。

4、因此，要实现的目的是提供一种传感器装置的改进构思，该传感器装置能够感测可见光和红外波长范围内的光，并且克服了现有传感器装置的上述缺点。

5、该目的通过独立权利要求的主题得以实现。改进构思的实施例和发展如从属权利要求中所定义。

6、改进的构思是基于将拜耳图案放大四倍的想法，使得4×4的接收元件阵列由8个绿色接收元件、4个红色接收元件和4个蓝色接收元件形成。然而，蓝色(或红色)接收元件的一些能够被近红外(nir)接收元件替换。在这样的阵列中，用来自相邻接收元件的蓝色(或红色)颜色信息来填充nir接收元件相对容易，从而产生标准rggb拜耳图案，使得现有的isp芯片能够用于去马赛克。

7、在这里和下文中，绿色接收元件是指能够感测绿色波长范围内的光的接收元件。因此，蓝色接收元件和红色接收元件是指能够分别感测蓝色或红色波长范围内的光的接收元件。ir接收元件是指能够感测红外域，特别是nir域中的光的接收元件。术语“光”一般可指电磁辐射，包括红外辐射、近红外辐射和可见光。因此，绿光、蓝光、红光和nir光将指相应波长范围内的光。此外，在下文中，术语“颜色信息”是指特定波长范围内的光的强度值。例如，波长范围能够对应于蓝光、绿光或红光。然而，它也可能够对应于ir或nir光。因此，术语“颜色”是指光的各个波长域，包括ir波长域。

8、根据改进构思的传感器装置包括被配置为检测红色波长范围内的光的第一组接收元件。此外，改进构思的传感器装置包括被配置为检测绿色波长范围内的光的第二组接收元件、被配置为检测蓝色波长范围内的光的第三组接收元件和被配置为检测红外波长范围内的光的第四组接收元件。

9、在根据改进构思的传感器装置中，至少一个第一子装置通过以第一类拜耳图案布置第一组的一个接收元件、第二组的两个接收元件和第三组的一个接收元件来形成。

10、至少一个第二子装置通过以第二类拜耳图案布置第二组的两个接收元件、第四组的一个接收元件和第一组或第三组的一个接收元件来形成。

11、在这里和下文中，术语“类拜耳图案”是指四个接收元件以2×2阵列布置的图案，其中一个接收元件对第一波长范围敏感，两个接收元件彼此相对布置并且对第二波长范围敏感，而其余的接收元件分别在第三波长范围或第四波长范围内表现出敏感性。这意味着，如果两个接收元件对绿光敏感，而另外两个接收元件分别对红光和蓝光敏感，则类拜耳图案可以是原始的拜耳图案。然而，类拜耳图案还能够包括对不同颜色的光敏感的接收元件。例如，类拜耳图案的一个接收元件可以对ir光敏感，使得原始类拜耳图案的一个接收元件被该ir接收元件替换。

12、在第一类拜耳图案和第二类拜耳图案中，相同组的接收元件可以布置在相同的位置上。例如，如果第二组的接收元件被放置在第一类拜耳图案的左下角和右上角，则第二类拜耳图案也可以在这些角中具有那些接收元件。这同样适用于其他组的接收元件。

13、在优选实施例中，第一类拜耳图案是指由一个红色接收元件、两个绿色接收元件和一个蓝色接收元件形成的原始拜耳图案。在该优选实施例中，第二类拜耳图案是指原始拜耳图案的蓝色或红色接收元件被ir接收元件替换的图案。

14、在根据改进构思的传感器装置中，至少一个第一子装置和至少一个第二子装置在传感器装置的主延伸平面中彼此相邻地布置。

15、这意味着第一子装置和第二子装置在平行于传感器装置的主延伸平面的横向方向上彼此相邻布置。这还能够意味着第一子装置与第二子装置具有共同边界。然而，在形成另外的第一子装置的情况下，它们也可以彼此具有共同的边界。这同样适用于另外的第二子装置。

16、在可见光和红外波长范围内均具有敏感性的图像传感器能够方便地用于例如摄影的可见光成像，以及例如用于使用具有红外光源的主动照明的3d成像和/或识别应用的红外成像。通过红外域能够提高图像质量。不同的波长在例如潮湿空气(如霾或雾)中具有不同的吸收特性。在这些环境中红外光比可见光具有较好的吸收特性。因此，在图像传感器中增加ir/nir敏感度允许为图像添加“纹理”，从而提高图像质量。此外，在ir/nir域具有敏感度的图像传感器允许在黑暗环境中使用。

17、根据改进构思的传感器装置的每个接收元件被配置为捕获入射到相应接收元件上的光学信息，并生成表示光学信息的电信息。特别是对于根据标准cmos技术制造的图像传感器，接收元件的工作原理是使用光电二极管将光强度转换为光电流。在这方面，硅基光电二极管的常见选择，因为这些二极管在190nm至1100nm的宽波长范围内敏感，因此覆盖可见光和红外域中电磁频谱的相关部分。此外，由于硅的大带隙，硅基光电二极管与其他光电二极管(例如基于锗的光电二极管)相比，表现出优异的噪声性能。

18、为了读出目的，即为了将电荷从光电二极管转移到存储电容器、存储元件、模数转换器等，第一组接收元件、第二组接收元件、第三组接收元件和/或第四组接收元件能够连接到共享的浮置扩散。替代地，接收元件中的每一组能够连接到相应的浮置扩散，或者所有接收元件连接到单个浮置扩散。

19、为了调节对入射电磁辐射频谱的特定部分的敏感度，除了光电二极管之外，每个接收元件能够包括布置在接收元件(即光电二极管)的顶表面和入射电磁辐射源之间的过滤器。例如，每个接收元件包括波长过滤器。

20、第一组接收元件、第二组接收元件和第三组接收元件的每个接收元件的波长过滤器能够是互补滤色器之一，例如根据rgb加色模型。例如，红色滤色器对于红光是透射的或半透明的，但对于其他光是不透明的，特别是对于绿光、蓝光和/或红外光。因此，对于互补色红色、绿色和蓝色中的每一种，第一组接收元件、第二组接收元件或第三组接收元件中的至少一个接收元件对相应的互补色敏感。在这里和下面，“透射”或“半透明”指的是至少60％或至少80％的透明度。

21、类似地，第四组接收元件中的每个接收元件能够包括红外过滤器，例如近红外过滤器。为了提供对特定波长范围的红外光主要或唯一敏感的接收元件，第四组接收元件的接收元件能够包括红外过滤器。所述红外过滤器透射的波长范围能够取决于例如红外led等照明光源的光谱。例如，红外过滤器的透射波长范围包括940nm或850nm的光。

22、通过将传感器装置的接收元件布置成类拜耳图案，现有的isp芯片能够用于去马赛克。由于不需要开发单独的isp芯片，因此这降低了使用所述传感器装置的图像传感器的成本。通过去马赛克，能够生成包含可见波长域中的图像信息的数字图像。可以存在输出ir波长域中的图像信息的另一图像处理路径。

23、根据改进的构思，第二子装置与第一子装置的不同之处在于，第一组的接收元件或第三组的接收元件被第四组的接收元件替换。能够用峰值信噪比(psnr)表示的图像质量损失相对较低。这是因为在第二子装置中，分别来自第一组的接收元件或第三组的接收元件的缺失的颜色信息能够根据相邻的第一子装置来推断。相应地，在第一子装置中，能够根据相邻的第二子装置推断缺失的ir颜色信息。

24、在第二子装置由一个红色接收元件、两个绿色接收元件和一个ir接收元件形成的实施例中，所得到的传感器装置包括比蓝色接收元件多的红色接收元件。这是有利的，因为人眼对蓝色最不敏感，但对红色域有较高的敏感度。

25、在一些实施例中，传感器装置包括多个第一子装置和多个第二子装置。多个第一子装置和多个第二子装置布置成矩阵。

26、这意味着传感器装置可以包括至少两个第一子装置和至少两个第二子装置。在优选实施例中，第一子装置和第二子装置可以以棋盘图案布置。

27、为了获得足够的图像分辨率，传感器装置能够形成为所需的大小。此外，接收元件被布置成使得每组的接收元件有效地分布在矩阵上。

28、在传感器装置的一些实施例中，第一子装置中的两个和第二子装置中的两个被布置成2×2矩阵，使得第一子装置和第二子装置中的每一个布置在2×2矩阵的对角。

29、由于每个子装置由四个接收元件形成，因此传感器装置包括4×4的接收元件阵列。这种阵列包括第二组的8个(50％)接收元件和第四组的2个(12.5％)接收元件。此外，所述阵列包括第一组的4个(25％)接收元件和第三组的2个(12.5％)接收元件，反之亦然。这意味着第二组的接收元件过剩。

30、应当注意，另外的子装置可以在每个横向方向上扩展传感器装置。因此，2×2矩阵可以被理解为包括彼此相邻布置的多个这种2×2矩阵的较大传感器装置的单位单元。

31、每组的接收元件以有效的方式分布在传感器装置上。此外，传感器装置在每单位面积上包括每组的足够大量的接收元件。例如，由于人眼对绿色最敏感，因此存在过量的绿色接收元件。每个子装置被形成为类拜耳图案，这允许使用传统的isp芯片。

32、在一些实施例中，至少一个第二子装置通过以第二类拜耳图案布置第一组的一个接收元件、第二组的两个接收元件和第四组的一个接收元来形成。至少一个第三子装置通过以第三类拜耳图案布置第二组的两个接收元件、第三组的一个接收元件和第四组的一个接收元件来形成。

33、第一子装置、第二子装置和第三子装置在传感器装置的主延伸平面中彼此相邻地布置。

34、如上所述，第一类拜耳图案是指由一个红色接收元件、两个绿色接收元件和一个蓝色接收元件形成的原始拜耳图案。在该实施例中，第二类拜耳图案被定义为其中原始拜耳图案的蓝色接收元件被ir接收元件替换的图案。第三类拜耳图案是指红色接收元件被ir接收元件替换的图案。

35、在第一类拜耳图案、第二类拜耳图案和第三类拜耳图案中，第一组的接收元件、第二组的接收元件、第三组的接收元件可以布置在相同的位置。例如，如果第二组的接收元件被放置在第一类拜耳图案的左下角和右上角，则第三类拜耳图案也可以在这些角中具有那些接收元件。这同样适用于第一组的接收元件和第三组的接收元件。

36、第一子装置、第二子装置和第三子装置可以被布置成使得子装置中的一个子装置与相应的另外两个子装置具有共同的边界。然而，在形成另外的第一子装置的情况下，它们也可以彼此具有共同的边界。这适用于另外的第二子装置和另外的第三子装置。

37、由于每个子装置的缺失颜色信息能够从具有用于检测该缺失颜色的接收元件的相邻子装置推断，因此图像质量的损失低。例如，在第三子装置中，能够从相邻的第一子装置或第二子装置推断红色的缺失颜色信息。

38、在一些实施例中，传感器装置包括多个第一子装置、多个第二子装置和/或多个第三子装置，所述多个第一子装置、第二子装置和第三子装置布置成矩阵。

39、矩阵能够使得不同的子装置彼此相邻并共享共同边界。然而，相同种类的子装置也可以能够彼此相邻，使得它们共享共同边界。

40、为了获得足够的图像分辨率，传感器装置能够形成为所需的大小。此外，接收元件能够被布置成使得每组的接收元件有效地分布在矩阵上。

41、在传感器装置的一些实施例中，第一子装置中的两个、第二子装置中的一个和第三子装置中的一个布置成2×2矩阵，使得第一子装置被布置在2×2矩阵的相对角。

42、由于每个子装置由四个接收元件形成，所以接收元件装置包括4×4的接收元件阵列。这种阵列包括8个绿色接收元件(占接收元件总数的50％)、3个红色接收元件(18.75％)、3个蓝色接收元件(18.75％)和2个ir接收元件(12.5％)。

43、应当注意，传感器装置可以包括另外的第一子装置、第二子装置和第三子装置，它们可以在每个横向方向上扩展传感器元件装置。在这个意义上，2×2矩阵可以被理解为传感器装置的单元格，所述传感器装置包括彼此相邻布置的多个这种2×2矩阵。

44、每组的接收元件以有效的方式分布在传感器装置上。此外，传感器装置包括在每单位面积上包括每组的足够大量的接收元件。例如，由于人眼对绿色最敏感，因此存在过量的绿色接收元件。每个子装置被形成为类拜耳图案，这允许使用传统的isp芯片。

45、在传感器装置的一些实施例中，第一子装置中的三个、第二子装置中的三个和第三子装置中的三个被布置成3×3矩阵，使得在传感器装置延伸的主平面中，不同的子装置彼此相邻。

46、不同的子装置在横向方向上彼此相邻。这意味着第一子装置、第二子装置和第三子装置彼此相邻布置，使得第一子装置与第二子装置具有共同边界以及与第三子装置具有其他共同边界。此外，第二子装置与第三子装置具有共同边界。同类子装置彼此之间没有共同边界。

47、由于每个子装置由四个接收元件形成，所以接收元件装置包括6×6的接收元件阵列。这种阵列包括18个绿色接收元件(占接收元件总数的50％)、6个红色接收元件(16.67％)、6个蓝色接收元件(16.67％)和6个ir接收元件(16.7％)。

48、应当注意，接收元件装置可以包括另外的第一子装置、第二子装置和第三子装置，它们可以在每个横向方向上扩展传感器装置。在这个意义上，3×3矩阵可以被理解为包括多个彼此相邻布置的这种3×3矩阵的更大传感器装置的单位单元。

49、每组的接收元件以有效的方式分布在传感器装置上。此外，传感器装置在每单位面积上包括每组的足够大量的接收元件。例如，存在过量的绿色接收元件。每个子装置都形成类拜耳图案，这允许使用传统的isp芯片的。此外，图像质量的损失低，因为在子装置中的一个中缺失的颜色信息能够从相邻的子装置中推断。

50、在传感器装置的一些实施例中，接收元件具有矩形形状的顶部表面，特别是正方形形状的顶部表面。矩形形状或正方形形状的接收元件能够组合成阵列。四个接收元件能够以类拜耳图案来布置。

51、在传感器装置的一些实施例中，接收元件包括传感器元件，例如光电二极管。

52、如上所述，传感器元件被配置为从入射到相应传感器元件上的电磁辐射捕获光学信息。传感器元件产生表示光学信息的电信号。特别是对于根据标准cmos技术制造的图像传感器，传感器元件的工作原理是使用光电二极管将光强度转换为光电流。在一些实施例中，传感器元件(例如光电二极管)被调整到波长光谱的一部分。这意味着传感器元件能够根据它们要检测的波长范围而不同地实施。因此，传感器元件中的至少一些可以具有不同的特性，例如对nir光更敏感。

53、传感器元件，例如光电二极管，将光学信息有效地转换成电信号，该电信号能够通过读出电路进一步地评估。

54、在传感器装置的一些实施例中，接收元件还包括波长过滤器。

55、例如，第一组接收元件、第二组接收元件和第三组接收元件对可见域的特定部分(例如红色部分、绿色部分或蓝色部分)敏感。例如，通过使用如上所述的适当的滤色器来实现敏感度。这样，这些组的四个接收元件能够被布置成阵列，以实现上述拜耳图案或类拜耳图案。

56、第四组的接收元件包括红外过滤器。例如，红外过滤器能够是近红外过滤器。借助于如上所述的红外过滤器，提供对特定波长范围的红外光主要或唯一敏感的接收元件。所述红外过滤器透射的波长范围能够取决于例如红外led等照明光源的光谱。例如，红外过滤器的透射波长范围包括940nm或850nm的光。

57、在一些实施例中，对特定波长域的敏感度是通过多于一个过滤器的组合来实现的。例如，带通过滤器与截止过滤器相结合。带通过滤器可透射特定颜色的光，而截止过滤器可另外阻挡不同波长域中的光，例如紫外(uv)光。

58、此外，提供了一种包括传感器装置的图像传感器。这意味着针对传感器装置公开的所有特征也针对图像传感器公开并适用于图像传感器，反之亦然。图像传感器还包括用于从接收元件读出电信号的电路。

59、例如，为了读出目的，图像传感器包括存储电容器、存储器元件、模数转换器(adc)等。

60、这种图像传感器能够方便地应用于电子设备，例如智能手机、平板电脑、笔记本电脑或相机模块。例如，相机模块被配置为在可见域中操作以用于摄影和/或视频捕获，并且在红外域中操作用于3d成像和/或识别目的。此外，具有红外敏感度的图像传感器能够用于需要视频馈送的黑暗环境。这种应用范围从移动电话面部解锁到汽车驾驶员监控系统。两者都部署了近红外光谱中的照明器，使得手机用户/驾驶员不会被照明他/她的光线所晃眼。这意味着可以使用闪光灯的照明器不会干扰正在拍摄的人，因为该闪光灯在不可见波长范围内，例如nir光。

61、在一些实施例中，图像传感器还包括图像信号处理器，其被配置为基于来自接收元件的电信号生成数字图像。

62、所述电路能够被实现为使得来自接收元件的电信号被预处理用于isp。例如，预处理可以包括模拟缺失的颜色信息。针对ir波长域中的图像信息，该电路可以向isp提供另一图像处理路径。如上所述，isp将单色图像元素映射到多色图像元素的阵列，这通过评估来自相邻接收元素的颜色信息来实现。此外，isp还可以负责图像的边缘保持等任务。isp进行的图像转换被称为去马赛克。由于接收元件根据类拜耳图案布置，因此传统的isp芯片能够用于图像传感器。

63、所述目的还通过一种用于制造传感器装置的方法解决。还公开了针对传感器装置公开的所有特征，并且这些特征适用于用于制造传感器装置的方法，反之亦然。

64、所述方法包括提供被配置用于检测红色波长范围内的光的第一组接收元件、提供被配置用于检测绿色波长范围内的光的第二组接收元件以及提供被配置用于检测蓝色波长范围内的光的第三组接收元件，以及提供被配置用于检测红外波长范围内的光的第四组接收元件。

65、所述方法还包括通过以第一类拜耳图案布置第一组的一个接收元件、第二组的两个接收元件和第三组的一个接收元件来形成至少一个第一子装置。

66、所述方法还包括通过以第二类拜耳图案布置第二组的两个接收元件、第四组的一个接收元件和第一组或第三组的一个接收元件来形成至少一个第二子装置。

67、所述方法还包括将所述至少一个第一子装置和所述至少一个第二子装置布置成在传感器装置的主延伸平面中彼此相邻。

68、通过将接收元件布置成类拜耳图案，现有的isp芯片能够用于去马赛克。因为不需要开发单独的isp芯片，因此这降低了使用所述传感器装置的图像传感器的成本。由于在一个相应的子装置中缺失的颜色信息能够根据相邻的子装置来推断，因此图像质量的损失低。

69、在所述方法的变型中，其另外包括形成多个第一子装置和多个第二子装置以及将所述多个第一子装置和第二子装置布置成矩阵。

70、为了获得足够的图像分辨率，传感器装置能够形成为所需的大小。此外，接收元件能够被布置成使得每组的接收元件有效地分布在矩阵上。

71、在所述方法的变型中，第一子装置中的两个和第二子装置中的两个被布置成2×2矩阵，使得第一子装置和第二子装置中的每一个被布置在该2×2矩阵的对角中。

72、每组的接收元件以有效的方式分布在接收元件装置上。此外，传感器装置在每单位面积上包括每组的足够大量的接收元件。

73、根据上述接收元件装置的实施例，本方法的其他实施例对于本领域技术人员来说是显而易见的。

技术实现思路