满足穿戴式产品对于超小型环境光传感器的需求

摘要：本文介绍了适合穿戴式产品的超小型环境光传感器及ams公司采用TSV制造技术的TSL2584TSV，其精度与灵敏度更高。

　　在如今可穿戴的健康和健身市场中，消费类电子产品的背光显示器越来越薄，而对于这些设备的设计人员而言，一个能整合进最薄背光显示器的环境光传感器 (ambient light sensor, ALS)已经变得比以前更为重要。随着手机的普及以及对更好的用户体验的追求，越来越多的智能手机触控屏幕已经采用环境光传感器。在这些显示器的应用中，利用环境光传感器来自动控制背光强度能确保最佳的用户体验，同时还能延长电池寿命。

　　然而，提供满足不断发展的可穿戴设备市场需求的环境光传感器所面临的重大挑战之一就是该传感器必须非常薄，因为它通常直接放在触控屏幕显示器的软性印刷电路板上。此外，该传感器的精度和灵敏度必须足够好，才能安装在玻璃油墨后面。

　　光传感器技术在1950年便已出现，从一开始的简单光电二极管和光敏晶体管，到智能型光电感测解决方案，后者可提供更高的集成度、更低的功耗并包含抗噪声数字总线接口。这些现代的环境光传感器解决方案包括光电二极管、模拟 - 数字转换器 (ADC)、中断持续性和阈值事件的控制逻辑以及一个快速模式I2C数字接口。这样的传感器由于具有数字接口和中断能力，因此非常适用于基于微控制器和微处理器的应用，例如可穿戴式设备和智能手表等。如图1所示，环境光传感器是通过数字I2C 接口连接智能手表框图中的应用处理器的。

　　对于大部分消费类电子设备，包括可穿戴式产品在内，性价比都是一个重要因素。利用CMOS光电二极管制成光传感器来提供低成本解决方案。然而，CMOS硅组件的光谱响应介于300nm到1100nm之间，而峰值落在近红外(IR)区域的700nm左右。如图2所示，人眼可见光的范围在390nm ~750nm波长之间。

　　如图3所示，人眼可响应的可见光范围仅占光电二极管响应区域的一小部分。要制造一个可靠的环境光传感器，挑战在于要让它能和人眼一样，可以看见 390nm~750 nm波长，但是不能对300nm~390 nm的紫外光和 750nm~1100 nm的红外光有反应。

　　Ams公司的TSL2584TSV 光/数字(light-to-digital)传感器可以像人眼一样观察环境光。它利用一个具有专利的双晶体管架构且灵敏度极高的模拟前端(AFE)将光线强度转换为数字数值。TSL2584TSV使用一个能对可见光和红外光有反应的宽谱(broadband)光电二极管以及一个只对红外光有反应的光电二极管。微控制器通过I²C 接口读取这两个光电二极管的通道响应，然后经由相应的勒克斯方程式(lux equation)进行数学相减。以勒克斯(lux)表示的环境光亮度是利用近似人眼反应的经验公式推导而来。TSL2584TSV如图4所示。

　　为了优化环境光传感器解决方案，TSL2584TSV 包含一个片上适光(photopic)红外光阻断干涉滤波器，它能排除不需要的紫外光和红外光，产生近适光(near-photopic)反应。不论玻璃的透射度如何，即使安装在非常不透明的深色玻璃后，也能产生高度精确的勒克斯测量量。通过先进的滤波器沉积技术，ams能提供更为精确和可重复性更高的适光滤波器。该适光滤波器几乎没有温度或湿度的变化，并可直接放置在硅芯片上。TSL2584TSV的光谱响应如图5所示。

对于硅穿孔(TSV)技术的需求

　　利用自身内部晶圆制造技术的优势，ams已针对先进光传感器技术采用硅穿孔(through-silicon via, TSV)封装技术。TSV技术能除去焊线(wire bond)需求，让设备的I/O能直接连接至焊球，如图6所示。

　　通过TSV封装技术实现的小尺寸封装能满足穿戴式产品对于小尺寸的需求。由ams开发及验证的TSV封装技术能在设计及制造过程中从根本上大幅度改善IC封装，不仅体积较小且能提供更好的设备性能。

　　如图4所示，TSL2584TSV ALS的封装尺寸极小，为1.145x1.66mm²，高度是0.32mm，几乎是同类产品尺寸的一半。

　　TSV技术利用蚀刻穿孔通至TSL2584硅晶圆。钨会沉积至这些蚀刻孔中，一个背面重分布层(BRDL)通过此穿孔沉积至布局完成的焊球位置，然后会附加SAC305(合金组成为：Sn96.5%，Ag3.0%，Cu0.5%)或类似的无铅焊球，如此一来，封装整体高度仅有0.32 mm。

　　除去焊线，并将信号直接向下布线通过穿孔，这个通道是在硅制程中形成的，这样就能减少整体封装高度，如图7所示。此外，由于不需采用焊线连接IC和封装，因此能将互连电感降至最低。

　　TSV封装的另一个重要特性则是它是无玻璃封装。相较于芯片尺寸封装(chip-scale)，这有助于进一步降低整体高度。由于TSV封装中没有玻璃材料，因此不只是高度得以降低，这种无玻璃封装也非常适用于不同的产品，当与紫外光带通滤波器搭配时，可以提供紫外光侦测功能。

　　TSV封装的使用还能显著提升设备的稳定性，这是因为它能最大限度地减少因为湿度所导致的腐蚀，并能提升温度循环效能。TSV封装已将内部与封装互连，不像某些芯片尺寸封装需要金属边缘连接，因此，TSL2584TSV的可靠度可以提升至湿度敏感度等级1标准(Moisture Sensitivity Level-1 standard)，这使它非常适用于湿度较高的环境。

　　沉积在TSL2584TSV 上的适光干涉滤波器相当密集，耐用性极高且具有高度抗刮损特性，类似用于芯片尺寸和微机电(MEMS)封装中的玻璃。在高加速应力测试后，适光滤波器的光谱响应没有发生退化或光谱偏移，这是因为它的滤波器特性对于温度和湿度变化并不敏感。

未来展望

　　在2014年，穿戴式市场初萌芽，仅有2400万个智能手表及运动手环的规模。而根据最近一份由BI Intelligence发布的报告，预计这个市场在2018年将以高达35%的复合年增长率增加至1亿3500万个设备。

　　随着穿戴式市场持续发展，小尺寸、高精度和高灵敏度的环境光传感器解决方案(例如TSL2584TSV)的提供，能让智能手表及运动手环等穿戴式设备的设计师更容易地将环境光传感器集成至最薄的背光显示器中。精确度和敏感度等性能的提升使传感器可以安装在印刷了油墨的玻璃后，且能自动控制背光强度并确保最佳的用户体验。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第6期第22页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。