[发明专利]具有窄角度响应的光学传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光学传感器领域，具体涉及具有窄角度响应的光学传感器。尤其是，本发明在诸如可穿戴式生物监测装置等测量装置中发现有利的但非限制性的应用。

背景技术

光学传感器在小型化和检测精度方面的最新进展已经允许在许多领域中使用这样的装置。

例如，US 2007/0290284 A1公开了一种入射光角度检测器，用于调整或补偿在计量仪器(例如，光学编码器系统)或其他光学系统中使用的光学感测装置的部件的对准。具体地，所述检测器确定入射在光敏设备上的光照的方向。多个掩模层包括形成层间光路的孔，辐射穿过该层间光路到达光电检测器。层间光路提供选定的标称最大信号角度，并且检测器检测何时在该角度处或该角度附近接收到辐射。

此外，光学传感器目前也用于可穿戴式装置中，以非侵入性方式监测诸如心率和血氧等生物参数。具体来说，这些可穿戴式装置(例如手表、手臂带和头戴式耳机)可以包括：

·诸如激光器或一个或多个发光二极管(LED)的光源，配置为发射具有可见光和/或红外光谱的波长的光以照射用户身体的靶区；

·包括一个或多个光学传感器或检测器的检测模块，设计成检测来自用户身体的靶区的光；以及

·处理模块，配置为基于来自检测模块的输出信号来确定用户的一个或多个生物参数，诸如心率和/或血氧等。

例如，US2014/0276119A1公开了一种可穿戴式心率监测装置，其包括：运动传感器，配置为提供与穿戴了可穿戴式心率监测装置的用户的运动相对应的输出；心跳波形传感器以及控制逻辑。该控制逻辑包括用于以下的指令：(a)收集来自心跳波形传感器的输出数据和来自运动检测传感器的并发的输出数据，其中来自心跳波形传感器的输出数据提供关于用户心率的信息，来自运动检测传感器的输出数据提供除了心跳之外的与用户的周期性身体运动有关的信息；(b)确定来自运动检测传感器的输出数据的周期性分量；(c)使用来自运动检测传感器的输出数据的周期性分量以从来自心跳波形传感器的输出数据去除对应的周期性分量；(d)确定用户的心率；以及(e)呈现用户的心率。

具体地，心跳波形传感器是光电脉搏波传感器，该光电脉搏波传感器具有一个或多个光源(例如，LED或基于激光的光源)、定位成接收由一个或多个光源发射的与用户的皮肤相互作用之后的光的光电检测器以及从光电检测器的输出确定用户的心率的电路。

对于可穿戴式生物监测装置(例如根据US2014/0276119A1的可穿戴式生物监测装置)，应该注意的是，如果光学传感器不能完美地附着到用户的皮肤上，则环境光会影响由光学传感器执行的检测。实际上，由于光学传感器与用户的皮肤之间的非完美接触，在它们之间存在间隙，这允许侧光到达检测器，由此干扰来自用户身体的靶区的光，从而影响(具体是降低)信噪比(SNR)。

US2014/0276119A1提出了对该技术问题的有潜力的解决方案，即，使用透光结构(具体地，通过在光检测器和光源上形成的模内标记(IML)膜形成的结构)，其中所述透光结构可以包括由不透明材料构成的掩模，所述不透明材料限制所述光源和/或检测器中的一个、一些或全部的孔穴。以这种方式，透光结构可以选择性地“限定”光发射到和/或从其检测的用户身体的优选体积部分。

本发明的目的和发明内容

因此，本发明的总体目的是克服由于侧光干涉而导致的可穿戴式生物监测装置的上述技术问题。

此外，本发明的具体目的在于提供具有窄角度响应的光学传感器，以使侧光干涉最小化。

这些和其它目的是通过本发明来实现的，在于其涉及如所附权利要求所限定的光学传感器。

尤其是，本发明涉及一种基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的光学传感器，包括：

·半导体衬底；

·光电单元的阵列，每一个所述光电单元

-包括形成在所述半导体衬底中并且暴露在所述半导体衬底的给定平面表面上的相应光电检测器有源区，以及

-被设计成提供与射到相应光电检测器有源区上的入射光相关的相应输出电信号；

·多层结构，包括金属层和介电层，所述多层结构形成在所述半导体衬底的给定平面表面上；以及

·遮光器件，形成在所述多层结构之中或之上并且由一种或多种反射和/或吸收射在所述遮光器件上的入射光的材料制成；

其中每个光电探测器有源区与延伸通过遮光器件并指向所述光电探测器有源区的相应光路相关联，以允许入射方向落入给定方向范围内的入射光到达所述光电探测器有源区；