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图像传感器
申请号	CN201520266774.9	申请日	2015-04-29	公开(公告)号	CN204516769U	公开(公告)日	2015-07-29
申请人	半导体元件工业有限责任公司;			发明人	C·帕克斯;
摘要	本实用新型涉及一种用于测量材料的折射率的图像传感器。一个技术问题是解决与现有技术中存在的一个或更多个问题相关的问题。根据一个实施例，图像传感器包含：具有面向材料的裸露表面的半导体基板，在该半导体基板上的与裸露表面间隔开的像素阵列，以及在半导体基板上的光源，该光源被配置以将光朝着裸露表面发射到半导体基板之内，反射光使其离开裸露表面射向像素阵列，其中像素阵列检测由裸露表面反射的光以计算出材料的折射率。本实用新型的一个优点是：提供了用于测量材料的折射率的新的图像传感器及方案。
权利要求	1.一种图像传感器，用于测量材料的折射率，其特征在于所述图像传感器包含：具有面向所述材料的裸露表面的半导体基板；在所述半导体基板上的与所述裸露表面间隔开的像素阵列；以及在所述半导体基板上的光源，被配置用于将光朝所述裸露表面发射到所述半导体基板内，以使所述光反射离开所述裸露表面射向所述像素阵列，所述像素阵列检测由所述裸露表面反射的光来计算所述材料的折射率。 2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于所述像素阵列被布置于所述半导体基板的一侧上，而所述裸露表面被布置于所述半导体基板的与所述一侧相反的另一侧上。 3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于所述光源被布置于所述半导体基板的所述一侧上。 4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于包含可操作以基于由所述像素阵列对反射光的检测来计算所述材料的折射率的处理器。 5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于所述光源为晶体管。 6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于所述晶体管沿着所述像素阵列的边缘延伸。 7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于包含在所述半导体基板的所述裸露表面上的过渡层。 8.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于所述过渡层具有梯度折射率。 9.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于包含布置于所述半导体基板上的外围电路。 10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于包含在所述半导体基板的所述裸露表面上的用于防止来自所述外围电路的光被所述裸露表面反射的光吸收层。
说明书全文	图像传感器技术领域 [0001] 本实用新型一般地涉及图像传感器，并且更特别地，涉及图像传感器以及用于测量材料的折射率的方案。背景技术 [0002] 提供用于测量材料的折射率的器件是已知的。一种这样的常规器件使用通过与液体材料接触的光纤传输的光来测量该液体材料的折射率。当前用于使用折射率来测量液体材料的化学浓度的测量技术需要注入到光纤内的激光。当这种情况发生时，光纤的一部分与待测试的液体材料以及由激光器注入光纤之内并注入液体材料之内的光接触。所注入的光会接触到液体材料的表面并由表面反射。与光纤分离的检测器被用来检测用于测量液体材料的折射率的反射光。 [0003] 常规器件的一个缺点是：它们需要单独的光源以及单独的检测器。常规器件的另一个缺点是：它们需要激光器或光纤。常规器件的又一个缺点是：材料的改变会影响穿过光纤的光传输。因此，期望提供将光源和检测器集成于一个构件内的图像传感器。此外，还期望提供排除激光器或光纤的使用的图像传感器。因而，在本技术领域中有必要提供满足至少一项上述期望的图像传感器。实用新型内容 [0004] 本实用新型的一个技术问题是解决与现有技术中存在的一个或更多个问题相关的问题。 [0005] 根据一个方面，本实用新型提供了用于测量材料的折射率的图像传感器。该图像传感器包含半导体基板，该半导体基板具有面向材料的裸露表面以及在该半导体基板上的与裸露表面间隔开的像素阵列。该图像传感器还包含在半导体基板上的光源，该光源被配置以将光朝着裸露表面发射到半导体基板之内，以反射光使其离开裸露表面射向像素阵列，其中像素阵列检测由裸露表面反射的光以计算出材料的折射率。 [0006] 根据一个实施例，其中所述像素阵列被布置于所述半导体基板的一侧上，而所述裸露表面被布置于所述半导体基板的与所述一侧相反的另一侧上。 [0007] 根据一个实施例，其中所述光源被布置于所述半导体基板的所述一侧上。 [0008] 根据一个实施例，其中图像传感器包含可操作以基于由所述像素阵列对反射光的检测来计算所述材料的折射率的处理器。 [0009] 根据一个实施例，其中所述光源为晶体管。 [0010] 根据一个实施例，其中所述晶体管沿着所述像素阵列的边缘延伸。 [0011] 根据一个实施例，其中图像传感器包含在所述半导体基板的所述裸露表面上的过渡层。 [0012] 根据一个实施例，其中所述过渡层具有梯度折射率。 [0013] 根据一个实施例，其中图像传感器包含布置于所述半导体基板上的外围电路。 [0014] 根据一个实施例，其中图像传感器包含在所述半导体基板的所述裸露表面上的用于防止来自所述外围电路的光被所述裸露表面反射的光吸收层。 [0015] 本实用新型的一个优点是：提供了用于测量材料的折射率的新的图像传感器及方案。本实用新型的另一个优点是：该图像传感器包含集成的光源和检测器。本实用新型的又一个优点是：该图像传感器具有相对紧凑的集成的光源和检测器并且不需要单独的构件。本实用新型的再一个优点是：该图像传感器及方案不需要激光器、光纤或光改性(light modification)。本实用新型的另外一个优点是：该图像传感器及方案使用单个硅传感器作为用于测量材料的折射率的用途的光源和检测器两者。本实用新型的还有一个优点是：该图像传感器具有存在于其上的光源，使其成为非常紧凑的感测单元。本实用新型的还有另一个优点是：该图像传感器及方案能够被用来测量液体材料的化学组成。 [0016] 本实用新型的其他特征及优点将是容易想得到的，这在阅读了结合附图来进行的后续描述之后会变得更好理解。附图说明 [0017] 图1是根据本实用新型的图像传感器的一种实施例的示出发射光和反射光的示意图。 [0018] 图2是示出从晶体管漏极到第一全反射光子在像素处被检测到的位置的距离d的与图1类似的视图。 [0019] 图3是示出沿着像素阵列的整个边的晶体管的理想位置的图1和2的图像传感器的示意图。 [0020] 图4是示出硅基板厚度为675μm的图1和2的图像传感器的测得折射率-距离的曲线。 [0021] 图5是根据本实用新型的图1和2的图像传感器的另一种实施例的示意图。 [0022] 图6是图5的图像传感器的示出发射光和反射光的示意图。具体实施方式 [0023] 参照附图，其中相同的附图标记在这些附图中通篇指示相同的部分，根据本实用新型的图像传感器10的一种实施例被示出用于测量材料12的折射率。材料12为例如液体类型的。在一种实施例中，图像传感器10被用来测量液体材料12(例如，加氯水)的化学浓度。通过测量液体材料12的折射率的变化，能够测量出液体材料12的化学浓度。应当意识到，图像传感器10可以被用来测量其他类型的材料的折射率。 [0024] 参照图1，图像传感器10包含半导体基板14。半导体基板14由半导体材料(例如，硅)制成，但是也可以由任意合适的半导体材料制成。半导体基板14的形状一般为矩形，但是也可以是任何合适的形状。半导体基板14包含在面向材料12一侧的裸露表面16以及在与裸露表面16间隔开的另一侧的基板表面18。裸露表面16可以是平面的或非平面的。应当意识到，在一种应用中，被测量的材料12是与半导体基板14接触的液体。 [0025] 图像传感器10还包含在半导体基板14上的像素22的阵列20。像素22是光敏型的。像素22的阵列20被布置于基板表面18之内或之上。应当意识到，像素22的阵列20的形状一般为矩形，但是也可以是任何合适的形状。还应当意识到，像素22检测光并产生与所检测到的光对应的电荷包(charge packet)，如同本技术领域所已知的。 [0026] 图像传感器10还包含在半导体基板14上的光源，一般以24来指示。光源24被布置于基板表面18上，与像素22的阵列20相邻。在一种实施例中，光源24是晶体管26，例如，MOSFET晶体管。晶体管26包含源极28和漏极30。源极28和漏极30是在半导体基板14之上或之内的n+掺杂剂的。晶体管26还包含布置于源极28和漏极30之间的且经由绝缘层34与基板表面18分离的栅极32。应当意识到，来自图像传感器10的在栅极32上的电压控制着从源极28到漏极30的电流大小。还应当意识到，漏极电压是足够高的，使得在栅极32之下流过的电子经历到从栅极32下方到漏极30的大的电位降。还应但当意识到，这个大的电位降会产生能够发射出光子(一般以36指示)的热电子，如同本技术领域所熟知的。 [0027] 大部分光子36具有在半导体基板14的能隙附近的波长，例如，对于硅为1.12μm(在室温下)。这些光子36不容易由半导体基板14吸收。例如，硅的吸收长度在室温下约为5mm。长的吸收长度意味着光子36能够由半导体基板14的裸露表面16反射离开并且由像素22的阵列20检测到。 [0028] 如图1所示，如果光子36由半导体基板14的裸露表面16反射离开的角度θ大于由下式给出的临界角θC： [0029] [0030] 则光子36将由裸露表面16完全反射，由此产生反射光子40。透射光子38的强度将为0。反射光子40将由像素22的阵列20检测到。 [0031] 参照图2，距离d存在于从晶体管26的漏极30到第一全反射光子40于一个像素22处被检测到的位置。如果t是半导体基板14的厚度，则将会有全内反射光子40被检测到。应当意识到，在大于d的距离处将会存在许多反射光子40，而在小于d的距离处将会有较少的反射光子。还应当意识到，在像素阵列20上的典型的强度分布被示于待描述的图3中。 [0032] 光子36的临界角θC将等于： [0033] [0034] 结合等式(1)和(2)可在下式中得到与半导体基板14的裸露表面16接触的材料12的折射率n： [0035] [0036] 图4示出了对于具有675μm的厚度t的硅半导体基板14与距离d对应的所测得的折射率n的曲线41。 [0037] 参照图3，对于图像传感器10，晶体管26的理想位置为沿着像素22的阵列20的整个边。如果像素22的阵列20是电荷耦合器件(CCD)，则图像传感器10包含沿着像素22的阵列20的底面或水平边缘的水平CCD(HCCD)移位寄存器42。在一种实施例中，HCCD移位寄存器42是低电压型的。图像传感器10包含位于晶体管26的相反侧的输出放大器44，使得在输出放大器44内的晶体管(未示出)不破坏信号。在图3的水平信号分布被数字化之后，曲线46能够拟合信号分布以更精确地求出与硅基板14接触的材料12的折射率。应当意识到，在图3中的曲线46是用于在半导体基板14的裸露侧面16上的光的强度的信号对像素22的列的曲线。 [0038] 参照图3，像素阵列20包含垂直电荷耦合器件(CCD)(VCCD)移位寄存器(未示出)，该VCCD移位寄存器使电荷包按照每次一行的方式像箭头48所指示的那样从一行像素22移入HCCD移位寄存器42内。HCCD移位寄存器42将电荷包串行地移入高压电荷倍增HCCD移位寄存器(未示出)内。通过定位光源24的晶体管26使其与VCCD移位寄存器平行，在VCCD移位寄存器内的每个行都可以被加和到HCCD移位寄存器42内，以显著提高灵敏度。应当意识到，理想的CDD类型应当是具有厚的硅外延层的全帧CCD，以提高光子能够被吸收的灵敏度深度。还应当意识到，在HCCD移位寄存器42的端部输出的电荷包被感测到并由输出放大器44转换为电压信号。还应当意识到，输出电路(未示出)连接至输出放大器44的输出，并且输出电路将模拟像素信号转换成数字像素信号。 [0039] 在图1至3所示的实施例中，像素22可以是矩形的，短边平行于HCCD移位寄存器42，以使距离d的精度最大化。像素22的长边将与VCCD移位寄存器平行，以允许较长的栅极长度，以使像素制造更容易。应当意识到，信号将是小的，使得在VCCD移位寄存器内将不需要溢流排出通道(未示出)。还应当意识到，可能需要在HCCD移位寄存器42内的横向溢流排出通道(overflow drain)(未示出)来防止由在像素22的阵列20内的所有行的求和导致的HCCD高光溢出(blooming)。 [0040] 参照图5和6，这两个图示出了根据本实用新型的图像传感器10的另一种实施例。图像传感器10的相似部分具有加上一百(100)的相似附图标记。在本实施例中，图像传感器110包含像素122的阵列120。此外，像素122的阵列120还可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器类型的。阵列120由光电二极管以及它们所关联的读出晶体管(未示出)构成。图像传感器110还包含光源124，该光源124为晶体管126(例如，MOSFET晶体管)，具有源极128、漏极130和栅极132。 [0041] 如图5所示，图像传感器110可以包含布置于半导体基板114上的外围电路。在一种实施例中，外围电路包含沿阵列120的水平边缘布置的列读出电路150、沿阵列120的与晶体管126相对的垂直边缘布置的行选择电路152，以及沿行选择电路152的垂直边缘布置的且一个端部沿列读出电路150的水平边缘布置的处理器，例如，数字信号处理及时序发生器154。晶体管126沿阵列120的垂直边缘或水平边缘布置。应当意识到，在阵列120中的像素122不需要为方形的，以便于在像素电路中更容易布置。还应当意识到，为了防止在图像传感器110上的外围电路内的热电子发光破坏在阵列120内的图像，外围电路应当必须在需要阵列120内的图像时被断电。 [0042] 对于图像传感器110的操作，数据采集过程将由清除所有像素122的全部信号开始。然后，对晶体管126的供电将被开启，并且对在列读出电路150、行选择电路152和信号处理及时序发生器154内的所有外围电路的供电将被关闭。在由半导体基板114的裸露表面116反射的光的图像已被收集之后，晶体管126被关闭，并且对在列读出电路150、行选择电路152和信号处理及时序发生器154内的外围电路供电，以允许图像被读出。 [0043] 参照图6，为了进一步防止在像素122内的图像被外围电路发光破坏，在外围电路以及像素122的阵列120的一部分之下的半导体基板114的裸露表面116可以由抗反射层或吸收层158涂覆。层158防止来自外围电路(例如，列读出电路150、行选择电路152和信号处理及时序发生器154)的光159由半导体基板114的裸露表面116反射并进入像素122的阵列120之内。应当意识到，信号处理及时序发生器154还能够分析图像，并且直接输出与基板114的裸露表面116接触的材料12的折射率。还应当意识到，外围电路的信号处理及时序发生器154可以用于图像传感器10。 [0044] 另外，图像传感器110可以包含添加于半导体基板114与被测量的材料12之间的过渡层160，以提高精确度。例如，过渡层160可以是氮化硅(SiN)层、二氧化硅(SiO2)层，或者从硅的大约n＝3.5到略大于被测量的材料12的折射率的梯度折射率，以提高精确度。应当意识到，具有梯度折射率会增大全内反射的临界角θC，这进而增大光在半导体基板114内行进的距离d。还应当意识到，过渡层160还用于保护半导体基板114的裸露表面116免受氧化或化学侵袭的用途。还应但当意识到，过渡层160可以用于图像传感器10。 [0045] CCD图像传感器10具有无噪声地将像素行加到一起以使信号强度最大化的优点，并且CCD不具有能够破坏在晶体管26附近的信号的任意晶体管。CMOS图像传感器110具有将照明光源和检测器以及处理电路全都设置于一个硅基板上的优点。而且，CMOS图像传感器110能够由单个低压电源供电并且被安置于具有小于八个(8)针脚的封装内。 [0046] 而且，本实用新型还公开用于借助图像传感器10、110来测量材料12的折射率的方法。该方法包括由光源朝着裸露表面16、116将光发射到半导体基板14、114内的步骤。该方法还包括以下步骤：使光反射离开裸露表面16、116并射向像素22、122的阵列20、120，以像素22、122的阵列20、120来检测由裸露表面16、116反射的光，并且基于所检测到的光来计算材料12的折射率。 [0047] 该方法还包括以下步骤：测量在光源与像素22、122的阵列20、120中检测到最大强度的反射光的列之间的距离d，并且基于所测得的距离来计算材料12的折射率。该方法包括以下步骤：基于由像素22、122的阵列20、120检测到的光的强度而生成与像素22、122的阵列20、120的每个像素22、122关联的电荷包，并且将电荷包传输到图像传感器10、110的水平电荷耦合器件(HCCD)移位寄存器42。该方法包括在水平电荷耦合器件中对来自像素22、122的列的电荷包求和的步骤。 [0048] 因此，本实用新型的图像传感器10、110不需要激光器、光纤或光调制。本实用新型的图像传感器10、110具有存在于半导体基板14、114上的光源24，从而制成非常紧凑的感测单元。 [0049] 本实用新型具有以说明性的方式进行了描述。应当理解，已经使用的术语意指采用这些词的描述性质而非限制性质。 [0050] 根据一个方面，图像传感器具有过渡层，其中该过渡层为氮化硅。 [0051] 根据另一个方面，图像传感器具有过渡层，其中该过渡层为二氧化硅。 [0052] 根据又一个方面，半导体基板为硅。 [0053] 根据再一个方面，图像传感器为电荷耦合器件。 [0054] 根据另外一个方面，图像传感器为互补金属氧化物半导体。 [0055] 另外，本实用新型还提供用于借助图像传感器来测量材料的折射率的方案，该图像传感器包含具有面向材料的裸露表面的半导体基板、在半导体基板上的像素阵列，以及在半导体基板上的光源。该方案包括：由光源将光朝着裸露表面发射到半导体基板之内，反射光使其离开裸露表面并射向像素阵列，并且以像素阵列来检测自裸露表面反射来的光。该方案还包括基于所测得的光来计算材料的折射率。 [0056] 根据上述教导，本实用新型的许多修改和变化都是可能的。因此，在所附权利要求书的范围内，本实用新型可以按照与以上所具体描述的方式不同的方式来实施。

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