滿足穿戴式產品對于超小型環境光傳感器的需求

摘要：本文介紹了適合穿戴式產品的超小型環境光傳感器及ams公司采用TSV制造技術的TSL2584TSV，其精度與靈敏度更高。

　　在如今可穿戴的健康和健身市場中，消費類電子產品的背光顯示器越來越薄，而對于這些設備的設計人員而言，一個能整合進最薄背光顯示器的環境光傳感器 (ambient light sensor, ALS)已經變得比以前更為重要。隨著手機的普及以及對更好的用戶體驗的追求，越來越多的智能手機觸控屏幕已經采用環境光傳感器。在這些顯示器的應用中，利用環境光傳感器來自動控制背光強度能確保最佳的用戶體驗，同時還能延長電池壽命。

　　然而，提供滿足不斷發展的可穿戴設備市場需求的環境光傳感器所面臨的重大挑戰之一就是該傳感器必須非常薄，因為它通常直接放在觸控屏幕顯示器的軟性印刷電路板上。此外，該傳感器的精度和靈敏度必須足夠好，才能安裝在玻璃油墨后面。

　　光傳感器技術在1950年便已出現，從一開始的簡單光電二極管和光敏晶體管，到智能型光電感測解決方案，后者可提供更高的集成度、更低的功耗并包含抗噪聲數字總線接口。這些現代的環境光傳感器解決方案包括光電二極管、模擬 - 數字轉換器 (ADC)、中斷持續性和閾值事件的控制邏輯以及一個快速模式I2C數字接口。這樣的傳感器由于具有數字接口和中斷能力，因此非常適用于基于微控制器和微處理器的應用，例如可穿戴式設備和智能手表等。如圖1所示，環境光傳感器是通過數字I2C 接口連接智能手表框圖中的應用處理器的。

　　對于大部分消費類電子設備，包括可穿戴式產品在內，性價比都是一個重要因素。利用CMOS光電二極管制成光傳感器來提供低成本解決方案。然而，CMOS硅組件的光譜響應介于300nm到1100nm之間，而峰值落在近紅外(IR)區域的700nm左右。如圖2所示，人眼可見光的范圍在390nm ~750nm波長之間。

　　如圖3所示，人眼可響應的可見光范圍僅占光電二極管響應區域的一小部分。要制造一個可靠的環境光傳感器，挑戰在于要讓它能和人眼一樣，可以看見 390nm~750 nm波長，但是不能對300nm~390 nm的紫外光和 750nm~1100 nm的紅外光有反應。

　　Ams公司的TSL2584TSV 光/數字(light-to-digital)傳感器可以像人眼一樣觀察環境光。它利用一個具有專利的雙晶體管架構且靈敏度極高的模擬前端(AFE)將光線強度轉換為數字數值。TSL2584TSV使用一個能對可見光和紅外光有反應的寬譜(broadband)光電二極管以及一個只對紅外光有反應的光電二極管。微控制器通過I2C 接口讀取這兩個光電二極管的通道響應，然后經由相應的勒克斯方程式(lux equation)進行數學相減。以勒克斯(lux)表示的環境光亮度是利用近似人眼反應的經驗公式推導而來。TSL2584TSV如圖4所示。

　　為了優化環境光傳感器解決方案，TSL2584TSV 包含一個片上適光(photopic)紅外光阻斷干涉濾波器，它能排除不需要的紫外光和紅外光，產生近適光(near-photopic)反應。不論玻璃的透射度如何，即使安裝在非常不透明的深色玻璃后，也能產生高度精確的勒克斯測量量。通過先進的濾波器沉積技術，ams能提供更為精確和可重復性更高的適光濾波器。該適光濾波器幾乎沒有溫度或濕度的變化，并可直接放置在硅芯片上。TSL2584TSV的光譜響應如圖5所示。

對于硅穿孔(TSV)技術的需求

　　利用自身內部晶圓制造技術的優勢，ams已針對先進光傳感器技術采用硅穿孔(through-silicon via, TSV)封裝技術。TSV技術能除去焊線(wire bond)需求，讓設備的I/O能直接連接至焊球，如圖6所示。

　　通過TSV封裝技術實現的小尺寸封裝能滿足穿戴式產品對于小尺寸的需求。由ams開發及驗證的TSV封裝技術能在設計及制造過程中從根本上大幅度改善IC封裝，不僅體積較小且能提供更好的設備性能。

　　如圖4所示，TSL2584TSV ALS的封裝尺寸極小，為1.145x1.66mm²，高度是0.32mm，幾乎是同類產品尺寸的一半。

　　TSV技術利用蝕刻穿孔通至TSL2584硅晶圓。鎢會沉積至這些蝕刻孔中，一個背面重分布層(BRDL)通過此穿孔沉積至布局完成的焊球位置，然后會附加SAC305(合金組成為：Sn96.5%，Ag3.0%，Cu0.5%)或類似的無鉛焊球，如此一來，封裝整體高度僅有0.32 mm。

　　除去焊線，并將信號直接向下布線通過穿孔，這個通道是在硅制程中形成的，這樣就能減少整體封裝高度，如圖7所示。此外，由于不需采用焊線連接IC和封裝，因此能將互連電感降至最低。

　　TSV封裝的另一個重要特性則是它是無玻璃封裝。相較于芯片尺寸封裝(chip-scale)，這有助于進一步降低整體高度。由于TSV封裝中沒有玻璃材料，因此不只是高度得以降低，這種無玻璃封裝也非常適用于不同的產品，當與紫外光帶通濾波器搭配時，可以提供紫外光偵測功能。

　　TSV封裝的使用還能顯著提升設備的穩定性，這是因為它能最大限度地減少因為濕度所導致的腐蝕，并能提升溫度循環效能。TSV封裝已將內部與封裝互連，不像某些芯片尺寸封裝需要金屬邊緣連接，因此，TSL2584TSV的可靠度可以提升至濕度敏感度等級1標準(Moisture Sensitivity Level-1 standard)，這使它非常適用于濕度較高的環境。

　　沉積在TSL2584TSV 上的適光干涉濾波器相當密集，耐用性極高且具有高度抗刮損特性，類似用于芯片尺寸和微機電(MEMS)封裝中的玻璃。在高加速應力測試后，適光濾波器的光譜響應沒有發生退化或光譜偏移，這是因為它的濾波器特性對于溫度和濕度變化并不敏感。

未來展望

　　在2014年，穿戴式市場初萌芽，僅有2400萬個智能手表及運動手環的規模。而根據最近一份由BI Intelligence發布的報告，預計這個市場在2018年將以高達35%的復合年增長率增加至1億3500萬個設備。

　　隨著穿戴式市場持續發展，小尺寸、高精度和高靈敏度的環境光傳感器解決方案(例如TSL2584TSV)的提供，能讓智能手表及運動手環等穿戴式設備的設計師更容易地將環境光傳感器集成至最薄的背光顯示器中。精確度和敏感度等性能的提升使傳感器可以安裝在印刷了油墨的玻璃后，且能自動控制背光強度并確保最佳的用戶體驗。

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第6期第22頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。