热门光传感器产品分析

继苹果、三星在手机和平板电脑上应用了光传感器之后，光传感器开始大范围的应用在了消费类电子产品上。全球各品牌的手机平板厂商，包括中国手机厂商如中兴，华为，酷派，联想等，纷纷推出了应用组合或独立的光传感器的产品。激增的终端应用，带动了光传感器市场的迅速成长。奥地利微电子(AMS) 、凌耀科技(Capella) 、安华高(Avago)、夏普(Sharp) 、英特矽尔(Intersil) 、美信(Maxim)等厂商是光传感器的主要供应商，其中奥地利微电子(AMS)和来自台湾的凌耀科技(Capella)在整体光传感器市场的占有率之和超过五成。

光传感器在消费类电子产品中主要有四种应用类型：环境光传感器，接近传感器，RGB传感器和手势传感器。环境光传感器(ALS)，可用来测量手机或平板电脑周围的环境光强度，以调整屏幕亮度并节省电池电量；接近传感器，当手机放到头部附近时禁用手机的触屏，以避免不需要的输入，并关掉显示屏灯光从而节省电量；RGB传感器，通过红、绿和蓝色波长测量空间的色温，以校正设备现实的白平衡；手势传感器，可以在用户不使用触控功能的情况下也能操作手机或平板电脑，大大提升了用户体验。

奥地利微电子(AMS)于2011年收购了总部位于美国德州的光传感技术创新厂商Taos，为其奠定了成为首席光传感器解决方案供应商的基础。奥地利微电子(AMS)的环境光与接近传感器的组合产品TMD2771被广泛地应用在众多国内外智能手机品牌中，如国外品牌三星的Galaxy终端系列、LG的Optimus系列、Nokia的Lumia系列、Pantech、NEC、Fujistu、Xolo等，国内品牌华为Ascend系列、联想乐Phone系列、中兴中高端机型、步步高vivo系列等等，其应用涵盖了高中低端全线产品。

TMD2771为环境光，接近传感器和红外LED的三合一传感器，采用了开孔封装，封装尺寸为3.94 mm x 2.4 mm x 1.35 mm。环境光和接近传感器由同一颗集成了PD和ASIC的芯片实现。

图一 TMD2771开封概貌图

TMD2771的ASIC芯片采取了SOI工艺，工艺节点为0.35um，由三层铝布线和一层多晶硅组成，芯片面积约1.85mm2。外延层厚度约为18um。

图二 TMD2771 芯片全图以及PD区域

四个象限的PD阵列，都采用相同的结构，但在N阱的尺寸上有所差别。N阱与P型外延（衬底）构成光电二极管，金属与N+注入区相连构成器件一端，另外一端通过旁边的P阱接触孔，连接到模拟地。N阱之间的P+注入区没有参与构成光电二极管，而是为了加强对表面光生载流子的收集, 在感光单元周围设置了一圈P+ 注入保护环, 与地电平相连，同时可以防止寄生晶体管N阱-P型外延（衬底）-N阱导通。 I和II象限的N阱尺寸一致，N阱深约3.0um，N阱宽约3.2um；III和IV象限的N阱尺寸一致，N阱深约1.8um，N阱宽约2.5um。

图三 I和II象限PD的掺杂形貌

图四 III和IV象限PD的掺杂形貌

金属层覆盖的二极管主要是检测红外光，金属层未覆盖的二极管检测可见光和红外光。这两个二极管的掺杂形貌一致。根据PD的掺杂形貌推断，该区域的N阱掺杂由多次离子注入形成，相比扩散工艺，成本较高。

台湾凌耀科技Capella Microsystems，原本专职研发光电相关应用晶片，后来在与电视客户合作时，顺势切入光感测IC技术领域，并由此再分出距离感测IC等产品线。凌耀科技于2008年推出第一颗将红外接近传感器与环境光传感器整合在一起的芯片，目前市场占有率仅次于奥地利微电子。

被应用在HTC One上的CM36682为环境光，接近传感器和红外LED的三合一传感器，采取开孔封装，封装尺寸为4.02 mm x2.02 mm x1.10 mm。环境光和接近传感器也由同一颗集成了PD和ASIC的芯片实现。

图五 CM36682 封装纵向结构

其ASIC芯片也采取了SOI工艺，工艺节点0.35um，由三层铝布线和一层多晶硅组成，芯片面积约1.38 mm2。

图六 CM36682芯片全图

该芯片内包含有7个光电二极管，PD4~PD7结构一致，PD1,PD2和PD3各不相同。

图七 CM36682 PD平面染色

除PD3以外，其余6个均覆盖有Ag。

图八 PD1纵向图

自今年4月份Samsung推出带有手势识别功能的Galaxy S4后，该机型迅速占领了智能手机高端市场，截止到今年10月底，S4的全球出货量已达到4000万部。S4的手势识别功能由Maxim提供的MAX88920实现。

MAX88920为手势识别，接近传感器和红外LED的三合一传感器，同样采用了开孔封装，封装尺寸为5.62 mm x 2.81 mm x 1.20 mm，相比TMD2771，大了不少。同样，其手势识别和接近传感器由同一颗集成了PD和ASIC的芯片实现。

图九 MAX88920封装纵向结构[!--empirenews.page--]

其ASIC芯片工艺节点为0.25um,由四层布线和一层多晶硅组成，芯片面积约1.73 mm^2。

图十 MAX88920 芯片全图以及PD区域

四个象限的PD阵列，都采用相同的结构，并且阱的尺寸一致。横向尺寸较大的N阱与P型衬底构成光电二极管。横向尺寸较小的N阱没有参与构成光电二极管，起到隔离左右两个光电二极管的作用。 阱深约1.7um，构成二极管的N阱的阱宽约9.2um，起隔离作用的N阱宽约2.0um。

图十一 MAX88920 PD的掺杂形貌

该芯片内的光电二极管的结构是MAXIM专利US2012/0280904 A1中所提到的检测手势的实现方法之一。

上面介绍的三款产品都为组合产品。组合产品相比单一功能的产品，具有技术优势，有助于系统开发综合控制，同时能降低成本。市面上出现了组合程度越来越高的产品，如Sharp的GP2AP050A00F和Silicon Labs的Si114x，前者为手势、接近和RGB传感器三者的组合，后者则为手势、接近和光线传感器三者的组合。封装的开孔设计、如何提高检测灵敏度和抗干扰能力仍然是光传感器面临的技术挑战，我们将持续关注该领域的技术革新。

作者：张文燕

长期从事电子产品分析工作，关注领域包括消费类电子，半导体产品以及各类先进传感器。 对集成电路、MEMS以及先进传感器技术、市场有超过10年的深入研究。张文燕现任上海微技术工业研究院工程信息部总监。曾供职Techinsights公司，任产品分析部经理。wyzhang@sitrigroup.com