特許 7554933 光学センサおよびそれを備えた電子機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-11

(45)【発行日】2024-09-20

(54)【発明の名称】光学センサおよびそれを備えた電子機器

(51)【国際特許分類】

   H04N 25/77 20230101AFI20240912BHJP

   H04N 25/76 20230101ALI20240912BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20240912BHJP

【ＦＩ】

H04N25/77

H04N25/76

H01L27/146 A

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2023532195

(86)(22)【出願日】2021-12-14

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-12-19

(86)【国際出願番号】 EP2021085694

(87)【国際公開番号】W WO2022129051

(87)【国際公開日】2022-06-23

【審査請求日】2023-07-13

(31)【優先権主張番号】102020133510.5

(32)【優先日】2020-12-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】523058663

【氏名又は名称】アーエムエス センサーズ ベルギー ベーフェーベーアー

【氏名又は名称原語表記】ａｍｓ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｂｅｌｇｉｕｍ ＢＶＢＡ

【住所又は居所原語表記】Ｂｏｒｓｂｅｅｋｓｅｂｒｕｇ ３６， Ｂｅｒｃｈｅｍ， ＢＥＬＧＩＵＭ

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】リン トン－ロン

【審査官】辻本 寛司

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３４１０３１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００５－１９２１９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１７７８３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１３２７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｎ ２５／７７

Ｈ０４Ｎ ２５／７６

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

－ピクセルのアレイであって、各ピクセルは、光信号を受信するように構成されたフォトダイオード（１１１）と、前記フォトダイオードに結合されたフローティングノード（１１３）と、前記フォトダイオード（１１１）と前記フローティングノード（１１３）との間に結合されたアクセストランジスタ（１１２）と、を備える、ピクセルのアレイと、
－前記ピクセル（１１０、２１０）のうちの少なくとも１つの前記フローティングノード（１１３）に容量結合された、少なくとも１つのセンシング経路（１１４）と、
－前記フォトダイオードによって受信された光信号に依存する電気信号（ＣＴＲＬ）を生成するために前記少なくとも１つのセンシング経路（１１４）に結合された、評価ユニット（１１５）と、を備え、
金属線（３１０）が前記アクセストランジスタ（１１２）の拡散領域（３１５）に接続され、前記少なくとも１つのセンシング経路（１１４）が前記金属線（３１０）に容量結合される、光学センサ。

【請求項2】

前記少なくとも１つのセンシング経路（１１４）は、前記アクセストランジスタ（１１２）の前記拡散領域（３１５）に接続された前記金属線（３１０）の近傍に配置された他の金属線（３３０）を備え、前記金属線（３１０）と前記他の金属線（３３０）との間の容量結合を達成する、請求項１に記載の光学センサ。

【請求項3】

－半導体基板（３１１）であって、前記ピクセルのアレイのピクセルの前記フォトダイオード（１１１）を含む、半導体基板（３１１）と、
－半導体基板（３１１）上に配置された少なくとも１つの金属配線層（３１２）であって、互いに隣接して配置された前記金属線（３１０）および前記他の金属線（３３０）を含み、前記金属線（３１０）と前記他の金属線（３３０）との間の容量結合を達成する、少なくとも１つの金属配線層（３１２）と、をさらに備える、請求項２に記載の光学センサ。

【請求項4】

前記金属線（３１０）と前記他の金属線（３３０）との間の距離（Ｄ）は、１５０ｎｍ未満、または１１０ｎｍ未満、または９０ｎｍ未満である、請求項２または３に記載の光学センサ。

【請求項5】

前記ピクセル（１１０、２１０）のうちの少なくとも１つは、前記フローティングノード（１１３）における電圧変化を前記少なくとも１つのセンシング経路（１１４）に容量結合するように構成される、請求項１～４のいずれか一項に記載の光学センサ。

【請求項6】

複数のピクセル（７２１、７２２、７２３、７２４）がそれぞれのセンシング経路にそれぞれ接続され、前記複数のピクセルに接続されたそれぞれのセンシング経路が互いに結合されて、前記複数のピクセル（７２１、７２２、７２３、７２４）の前記フォトダイオードによって受信された光信号に依存する合成または平均電気信号（Ｓ３）を生成する、請求項１～５のいずれか一項に記載の光学センサ。

【請求項7】

前記ピクセルのアレイは、重複しない領域に配置された少なくとも２つのピクセル群（８１１、８１２）を備え、前記少なくとも１つのセンシング経路（８１３）は、第１のピクセル群のピクセルの前記フォトダイオードに結合され、少なくとも別のセンシング経路（８１４）は、第２のピクセル群のピクセルの前記フォトダイオードに結合される、請求項１～６のいずれか一項に記載の光学センサ。

【請求項8】

前記ピクセルのアレイは、
矩形形状に配置される、第１のピクセル群（７１１）と、
－それぞれ矩形形状を有する、第２のピクセル群（７１２）、第３のピクセル群（７１３）、第４のピクセル群（７１４）、および第５のピクセル群（７１５）と、を備え、
－前記第１のピクセル群（７１１）は、前記第２のピクセル群（７１２）、前記第３のピクセル群（７１３）、前記第４のピクセル群（７１４）、および前記第５のピクセル群（７１５）に対して中央に配置され、
－前記第２のピクセル群（７１２）、前記第３のピクセル群（７１３）、前記第４のピクセル群（７１４）、および前記第５のピクセル群（７１５）は、前記第１のピクセル群（７１１）を囲む重複しない領域に配置される、請求項７に記載の光学センサ。

【請求項9】

前記第１のピクセル群、前記第２のピクセル群、前記第３のピクセル群、前記第４のピクセル群、および前記第５のピクセル群のそれぞれにおいて、複数のピクセルに結合された複数のセンシング経路が、前記ピクセル群のそれぞれを表す１つのセンシング信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５）に結合される、請求項８に記載の光学センサ。

【請求項10】

前記ピクセルの各々は、前記フローティングノード（１１３）に接続されたゲート端子を有するソースフォロワトランジスタ（１３２）と、前記ソースフォロワトランジスタ（１３２）と読み出し線（１２０）との間に結合された選択トランジスタ（１３３）と、をさらに備え、前記読み出し線はいくつかの読み出し線を受け取る選択回路（１２１）に接続され、前記選択回路は前記光学センサの外部の前記読み出し線から電気信号を供給するように構成される、請求項１～９のいずれか一項に記載の光学センサ。

【請求項11】

前記評価ユニット（１１５）は、前記光信号に依存する電気信号（Ｖｓｅｎｓ）を閾値信号（Ｖｒｅｆ）と比較し、環境光変化を検出し、前記ピクセルのアレイをスタンバイ状態からパワーアップ状態にするスタートアッププロセス（４１３）をトリガする、比較器（４１１）を備える、請求項１０に記載の光学センサ。

【請求項12】

前記光信号はデジタルデータのストリームを備え、前記評価ユニット（１１５、５１１）は電気信号をデジタル信号に変換するためのアナログデジタル変換器（５１１）を備え、前記デジタル信号から前記デジタルデータ（Ｄａｔａ）を取り出すためのデータ分離ユニットまたはデータプロセッサ（５１２）をさらに備える、請求項１～１１のいずれか一項に記載の光学センサ。

【請求項13】

前記評価ユニット（８２１）は、前記第１のピクセル群（８１１）の前記少なくとも１つのセンシング経路（８１３）および前記第２のピクセル群（８１２）の前記少なくとも別のセンシング経路（８１４）に結合され、前記評価ユニット（８２１）は、前記少なくとも１つのセンシング経路（８１３）および前記少なくとも別のセンシング経路（８１４）を介して受信された電気信号に応じてエッジ検出を実行するように構成される、請求項７に記載の光学センサ。

【請求項14】

前記第１のピクセル群（７１１）、前記第２のピクセル群（７１２）、前記第３のピクセル群（７１３）、前記第４のピクセル群（７１４）、および前記第５のピクセル群（７１５）の各々によって少なくとも１つのセンシング経路が設けられ、前記評価ユニットは、前記第１、第２、第３、第４、および第５のピクセル群によって提供される前記少なくとも１つのセンシング経路を受け入れ、前記評価ユニットは、動き検出またはジェスチャ検出を実行するように構成される、請求項８または９に記載の光学センサ。

【請求項15】

－請求項１～１４のいずれか一項に記載された光学センサ（１０１０）と、
－前記光学センサによって生成された制御信号（ＣＴＲＬ）に応じてタスクを実行するように構成されたプロセッサ（１０２０）と、を備え、
前記タスクは、
－前記光学センサ（６１１）による光変化の検出に応答してウェイクアップを実行すること（６２１）と、
－前記光学センサ（６１１）による光変化の検出に応答して画像を記録すること（６２２）と、
－前記光学センサ（６１１）によるジェスチャ検出に応答してアクションを実行すること（６３１）と、
－前記光学センサ（６１１）による移動検出に応答したカウント動作（６４１）と、
－前記光学センサによって受信されたデータのストリームからのデータ（Ｄａｔａ）の取り出しと、
－前記光学センサ（８１１、８１２）によって実行されるエッジ検出（８２１）に応答した画像のコンテンツの拡張と、のうちの少なくとも１つである、電子デバイス（１０００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本特許出願は２０２０年１２月１５日に出願されたドイツ特許出願第１０２０２０１３３５１０．５号の優先権を主張し、その開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本発明は、光学センサに関する。具体的には、本開示は、フォトダイオードとフローティングノードとを含むピクセルのアレイを含む光学センサに関する。本開示は、電子機能を実行するための光学センサを含む電子デバイスにも関する。

【背景技術】

【0003】

光学センサは、光学画像などの光信号を捕捉し、表示装置または他の目的のために画像情報を処理するために、電子デバイスにおいて広く使用されている。画像センサは、行および列を有するアレイに配列された複数のピクセルを備える。画像情報は、アレイ上の走査がローリング方式または連続方式で実行されるローリングシャッタモード、またはアレイにわたるスナップショットが一度に取られるグローバルシャッタモードでキャプチャされてもよい。

【0004】

画像センサはまた、画像の情報の一部のみ、または画像コンテンツのより低い解像度、または画像全体にわたる情報の平均を必要とするタスクを実行してもよい。そのような機能は、画像センサおよび／または光変化の検出後の画像センサを含むデバイスのウェイクアップ、ジェスチャ制御による電子デバイスの動作などの移動オブジェクトの検出、産業環境におけるカウント動作、エッジ検出または他の機能に応答した画像コンテンツの強化を含むことができる。画像センサの別の用途は光データ送信の分野であってもよく、画像センサは、標準化されたＬｉＦｉ（光フェデリティ）送信などのデータで変調される光信号の受信を決定する。上述の用途のうちの少なくともいくつかについて、従来の電子デバイスは別個の専用センサ素子を含むか、またはフル解像度画像のフィルタリングを実行するが、これらの機能は粗い光変化または画像の一部の変化の判定のみを必要とする。

【0005】

したがって、上述の機能のうちの１つをより効率的に実行することができる光学センサのための新しい読み出し方式が必要とされている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本開示の目的は、光学センサのための読み出し方式を提供することである。

【0007】

本開示の別の目的は、光学センサに基づいて電子機能を実行する電子デバイスを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上述の目的のうちの１つ以上は、本願の請求項１の特徴による光学センサによって解決される。

【0009】

一実施形態によれば、光学センサは、ピクセルのアレイを備える。各ピクセルは、光学センサのサブユニットを表し、光信号を受信するように構成された少なくともフォトダイオードと、光信号の受信によって生成されたピクセルのコンテンツにアクセスし、それを読み出す回路とを含む。ピクセルは、アクセストランジスタを介してフォトダイオードに結合されるフローティングノードを含む。アクセストランジスタがイネーブルされると、フローティングノードは、フォトダイオードに結合され、光電流を表し、したがって、受光量を表す電荷を記憶する。ピクセルは、対応する選択回路が従来の読み出し中に各ピクセルにアクセスすることができるように、行および列のアレイ形態で配列されてもよい。

【0010】

少なくとも１つのセンシング経路は、ピクセルアレイの少なくとも１つのピクセルのフローティングノードに容量結合される。フローティングノードへの追加のセンシング経路の容量結合はフォトダイオードによって生成される信号に対して非破壊的であり、その結果、従来の読み出し回路を介したピクセル情報の追加の読み出しが可能になる。ピクセルは、フローティングノードにおける電圧変化を追加のセンシング経路に結合するように構成される。フローティングノードにおける電圧変化は追加のセンシング経路に容量結合され、追加のセンシングを通して得られる電圧変化はピクセル内の情報に比例する。本明細書で考慮されるほとんどの用途では、フォトダイオードによって提供される信号の全ダイナミックレンジを使用するのではなく、感知された情報を追加のセンシング経路と閾値と比較することで十分である。通常の動作電圧よりも低い電圧でセンサを動作させることが可能であり得る。追加のセンシング経路を比較閾値と比較する回路は、低電圧比較器などの低電圧で動作することもできる。

【0011】

評価ユニットは、少なくとも１つのセンシング経路に結合され、ウェイクアップ、ジェスチャ検出、エッジ検出などの追加の機能を実行するために、フォトダイオードによって受信された光信号に依存する電気信号を生成する。

【0012】

少なくとも１つのピクセルは、フォトダイオードとフローティングノードとの間に結合されたアクセストランジスタを備える。アクセストランジスタは、ドレインまたはソース領域などの半導体基板内に配置された拡散領域と、拡散領域に接続された基板上に配置された配線層内の金属線とを備える。追加のセンシング経路は、アクセストランジスタがイネーブルされたときにフローティングノードで生じる電圧変化が金属線に結合するように、アクセストランジスタの拡散領域に接続された金属線に容量結合される。

【0013】

一実施形態によれば、追加のセンシング経路は、アクセストランジスタの拡散領域に接続された金属線の近傍に配置された別の金属線を備えてもよく、その結果、追加のセンシング経路を介した非破壊読み出しを可能にする２つの金属線の間の容量結合が達成される。

【0014】

一実施形態によれば、光学センサは、行および列などのマトリクス配列でピクセルのアレイのピクセルのフォトダイオードを含む半導体基板を備える画像センサである。配線層は、半導体基板の表面に配置された誘電体材料に配置されている。光は、配線層を含む誘電体層配列を担持する表面とは反対側の表面である半導体基板の裏側で受光される。配線層は、アクセストランジスタの拡散領域に接続された金属線と、追加のセンシング経路の他の金属線とを含む。金属線と他の金属線とは、同一の配線層内において、半導体基板の表面上において水平方向に同一の高さに配置されている。アクセストランジスタの拡散領域に接続された金属線と、誘電体層スタック内の異なる高さに配置された配線層内に配置された追加の信号センシング経路のための他の金属線とを含む垂直配置も可能である。金属線と追加の金属線との間の距離は、良好な容量結合が達成されるような距離である。

【0015】

一実施形態によれば、金属線と他の金属線との間の距離は１５０ｎｍ未満または１１０ｎｍ未満の範囲内であってもよく、これは１１０ｎｍの直径または寸法を有する半導体基板内の構造を使用する製造プロセスに適用することができる。金属線と他の金属線との間の距離は、製造プロセスの性能に応じて９０ｎｍ未満であってもよい。

【0016】

一実施形態によれば、複数のピクセルはそれぞれの追加のセンシング経路を示すことができ、複数のピクセルに接続されたすべての追加のセンシング経路は、組み合わされた電気的センシング信号を生成するように互いに結合することができる。組み合わせは、複数のピクセルのフォトダイオードによって受信される光信号に依存する平均電気信号が生成されるように、すべての追加のセンシング経路ラインの配線であってもよい。複数の組み合わされたセンサ経路は、グローバルセンシング出力信号が生成されるように、ピクセルアレイ全体にわたって作製され得る。他の実施形態は、アレイからのピクセルのサブセットまたはピクセルのいくつかのサブセットの結合を使用して、１つまたは複数の局所的に組み合わされた追加のセンシング経路を生成することができる。組み合わされた追加のセンシング経路を有するピクセルを含む領域は、連続的な、重複しない領域であり得、その結果、アレイからのピクセルのいくつかの重複しない領域からのいくつかの追加のローカルセンシング経路が生成され得る。グローバルな追加のセンシング経路は、例えば、ウェイクアップ検出またはＬｉＦｉアプリケーションまたはオブジェクトのカウントのために、全ピクセルアレイ全体にわたって受信された光情報を使用する。いくつかの異なる重複しない領域の追加のローカルセンシング経路は、多次元の移動およびジェスチャ検出を含む移動検出などの用途を可能にする。

【0017】

一実施形態によれば、ピクセルのアレイは、少なくとも１つのセンシング経路が第１のピクセル群のフォトダイオードに結合され、別のセンシング経路が第２のピクセル群のフォトダイオードに結合されるように、重複しない領域に配置されたピクセルの少なくとも２つのピクセル群を備え得る。これは、追加のセンシング経路が積み重ねられた配置で中間的に記憶され得るときに、エッジ検出を可能にする。複数の追加のセンシング経路が、第１および第２のピクセル群の各々内のローカルセンシング経路に組み合わされる場合、移動またはジェスチャ検出が可能である。エッジ検出は、追加のセンシング経路からの情報を使用して画像強調アルゴリズムを実行するのに有用であり得る。エッジ検出情報がピクセルのフローティングノードへの容量結合を通して受信されるので、拡張アルゴリズムへのエッジ検出入力は、画像情報に対して非破壊的である。

【0018】

一実施形態によれば、ピクセルのアレイは、各々がピクセル群を含むいくつかの重複しない領域に分割され得る。領域は、第１のピクセル群が光学センサの中央位置に配置され、矩形形状を有するように配置されてもよい。他の第２、第３、第４、および第５のピクセル群は、第１の中央ピクセル群の外側の重複しない領域に配置される。例えば、第２～第５のピクセル群は、それらのピクセル群の画像が第１の中央ピクセル群のエッジのうちの１つに対向して配置されるように、それぞれ矩形形状を有してもよい。第２～第５のピクセル群のエッジは、第１の中央ピクセル群のエッジに平行であってもよい。第１～第５のピクセル群の各々は、アレイの対応する領域からの平均光情報を表す少なくとも１つのローカルセンシング経路に組み合わされたピクセルからのセンシング経路を含むことができ、その結果、ピクセルアレイは、この場合、ピクセルアレイ内に配置された重複しない別々の領域からの５つのローカル光信号を生成する。これは、画像コンテンツを破壊することなく対応する動作を実行することができるように、人間のオペレータのオブジェクトまたは手による移動が非破壊的に容量結合を介して検出される多次元移動を含む移動検出を可能にする。

【0019】

本開示の原理による追加のセンシング経路の概念は、ローリングシャッタ動作のために構成された光学画像センサ、ならびにグローバルシャッタ動作のために構成された光学画像センサに適用することができる。一実施形態によれば、ローリングシャッタおよびグローバルシャッタピクセルは、フローティングノードに接続されたゲート端子を有するソースフォロワトランジスタと、ソースフォロワトランジスタと読み出し線との間に結合された列選択トランジスタとを含むことができる。複数の読み出し線が列検出器などの選択回路に接続されて、読み出し線からの電気信号を光学センサの入出力端子に提供し、光学センサは、画像センサの外部に光学画像情報を提供して、画像情報をさらに処理する。追加のセンシング経路（単数）または追加のセンシング経路（複数）は、この従来の読み出し方式に加えて、全体的または局所的に提供される。

【0020】

一実施形態によれば、少なくとも１つのピクセルの追加のセンシング経路を受信する評価ユニットは、追加のセンシング経路からの電気信号を閾値信号と比較する比較器を備え得る。これは、起動プロセスをトリガするためのウェイクアップに使用され得る環境光変化を検出し、ピクセル内の情報を破壊することなく、ピクセルのアレイをスタンバイ状態からパワーアップ状態にする。

【0021】

比較器は低電圧比較器であってもよく、ピクセルアレイは低減された供給電圧で動作されてもよい。起動後、光学センサは、より高い通常の供給電圧で動作し、高品質の画像情報を処理することができる。セキュリティアプリケーションでは、起動後すぐに高画質の画像を取り込むことができる。

【0022】

別の実施形態によれば、光学画像センサによって受信される光信号は、デジタルデータのストリームを含むことができる。評価ユニットは、電気信号をデジタル信号に変換するためのアナログデジタル変換器を備え、デジタル変換された信号からデジタルデータを取り出し、さらなる処理のために得られたデジタルデータを提供するためのデータ分離ユニットをさらに備えることができる。データ分離ユニットは、データプロセッサとして実現されてもよい。フルアレイは、光信号データの受信に使用できる。光信号およびその評価のためのデジタル回路は、ＬｉＦｉ（光フェデリティ）規格に適用され得る。

【0023】

別の実施形態によれば、エッジ検出は、第１のピクセル群に結合された少なくとも１つのセンシング経路と、第２のピクセル群に結合された別のセンシング経路とから実行され得る。エッジ検出はさらに、画像情報を積み重ねるためのメモリなどの追加の回路を必要とする。

【0024】

さらに別の実施形態によれば、光学センサは第１～第５のピクセル群を備えてもよく、評価ユニットは第１～第５のピクセル群の各々によって提供されるセンシング経路を受け入れ、移動またはジェスチャ検出を実行する。

【0025】

電子デバイスは、上述の光学センサと、少なくともプロセッサとを含み、プロセッサは、ソフトウェアによって構成されて、追加のセンシング経路を通る光学センサによる光変化の検出に応答して、ウェイクアップを実行すること、または高品質画像を記録すること、光学センサによる動き検出に応答して、光学センサの追加のセンシング経路によるジェスチャ検出に応答して、電子デバイスの動作を実行すること、または産業環境におけるカウント動作を実行すること、ＬｉＦｉアプリケーションのために光学センサによって受信されたデータのストリームからデータを取り出すこと、および／または光学センサによって実行されたエッジ検出に応答して、画像のコンテンツを拡張することなどのタスクを実行するように構成される。これらすべてのアプリケーションは、捕捉された高品質画像情報が前記タスクのうちの１つに応答して処理するために利用可能であるように、非破壊的な方法で実行され得る。

【0026】

前述の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は単に例示的なものであり、特許請求の範囲の性質および特徴を理解するための概要またはフレームワークを提供することが意図されていることを理解されたい。添付の図面は、さらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は、１つまたは複数の実施形態を示し、説明と共に、様々な実施形態の原理および動作を説明するのに役立つ。図面の異なる図における同じ要素は、同じ参照符号によって示されている。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】追加のセンシング経路を含むローリングシャッタピクセルを示す。

【図2】追加のセンシング経路を含むグローバルシャッタピクセルを示す。

【図3】図１および図２に示されるピクセルの一部の断面を示す。

【図4】セキュリティアプリケーションにおける追加のセンシング経路を有するピクセルの適用を示す。

【図5】ＬｉＦｉアプリケーションにおける追加のセンシング経路を有するピクセルの適用を示す。

【図6】追加のセンシング経路を有するピクセルの適用を示す。

【図7】ローカル光センシング構造を示す。

【図8】エッジセンシングのための追加のセンシング経路を有するピクセルを示す。

【図9】図１および図２の回路からの、追加のセンシング経路を読み出すための信号を示す。

【図10】本開示による画像センサを含む電子デバイスを示す。

【発明を実施するための形態】

【0028】

ここで、本開示の実施形態を示す添付の図面を参照して、本開示を以下でより完全に説明する。しかしながら、本開示は多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が本開示の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。図面は、必ずしも縮尺通りに描かれているわけではなく、本開示を明確に示すように構成されている。

【0029】

図１は、本開示の原理による光学センサの１つのピクセルを示す。ピクセル１１０は、光学画像センサ１００のピクセルのアレイの一部である。ピクセルは、フォトダイオード１１１と、アクセス信号ＴＸによって制御されるアクセストランジスタ１１２とを含む。トランジスタ１１２のソース／ドレイン拡散領域の一方はフォトダイオード１１１に接続され、ソース／ドレイン領域の他方はソースフォロワトランジスタ１３２のゲートに接続される。トランジスタ１３２のソースは、選択信号ＳＥＬによって制御される選択トランジスタ１３３に接続される。トランジスタ１３３のドレインソース経路は、複数の列信号線１２３からの信号を外部端子に接続された少なくとも１つの出力線１２２に供給する列選択回路１２１によって受け取られる従来の列読み出し線１２０に接続される。

【0030】

追加のセンシングまたは追加の読み出し経路１１４は、アクセストランジスタ１１２のソース／ドレイン経路とソースフォロワトランジスタ１３２のゲートとの間に配置されたフローティング拡散ノード１１３に容量結合される。追加の信号センシング経路１１４は、コンデンサ１１６で象徴的に示されるように、ソース／ドレインノードに容量結合され、その結果、アクセストランジスタ１１２がイネーブルされるとき、フォトダイオード１１１によって供給される信号の非破壊読み出しが可能になる。フローティング拡散ノード１１３で利用可能な信号は、光信号の受信に応答してフォトダイオード１１１によって提供される信号に比例する。フォトダイオード１１１は、光環境から信号を受信することができる。

【0031】

光信号は例えば、光学画像センサが環境光に急速に曝露されるとき、または例えば、人間のオペレータのジェスチャまたは光学センサの表面を通過するオブジェクトの動きに応答して引き起こされる光変化に応答して変化し得る。光の変化に応答してフローティング拡散ノード１１３で引き起こされる電圧変化は、追加のセンシング経路１１４に結合する。追加のセンシング経路１１４は、フローティング拡散ノード１１３に容量結合された画像センサの配線層に配置された追加の金属ルーティングであり、その結果、高ダイナミックレンジ動作、グローバル光センシング、ジェスチャ検出、光忠実度（光フェデリティ）、エッジ検出、またはオートウェイクアップ検出などの追加のセンシング経路を介して機能を可能にするスマートセンサが実現される。

【0032】

図２は、アレイのグローバルシャッタ動作のために構成された画像センサ２００のピクセルのアレイのピクセル２１０を示す。ピクセル２１０は、グローバルシャッタインスタンスで受信されたピクセル情報を容量的に記憶する回路を備え、それにより、連続的な読み出しが可能になる。グローバルシャッタピクセルは、プリチャージ信号ＰＣを受信するプリチャージトランジスタ２２１を含む。選択信号Ｓ１、Ｓ２によって動作される選択トランジスタ２２２、２２３は、ソースフォロワトランジスタ１３２と別のソースフォロワトランジスタ２３２との間に接続される。トランジスタ２２２、２２３に接続されたコンデンサ２２４、２２５は、フォトダイオード１１１からの信号を記憶し、読み出しインスタンスでそれを時間的に供給する。信号は、コンデンサ２２４に蓄積され、コンデンサ２２５に転送されて、読み出し時にトランジスタ２３２をイネーブルにする。

【0033】

図３は、フローティングノード拡散領域１１３および周辺を示すローリングシャッタまたはグローバルシャッタピクセルを担持する集積回路の例示的な断面を示す。図３に示される集積回路は、フォトダイオード１１１を含むシリコン基板３１１などの基板を含む。光信号３４０は、基板３１１の背面３１１１で受信される。フォトダイオード１１１は、トランジスタ１１２がフォトダイオード１１１をそのドレイン領域３１５に接続することを可能にするゲート端子３２０を含むアクセストランジスタ１１２に接続される。金属プラグ３１６は、トランジスタ１１２のドレイン領域３１５に接続される。金属プラグ３１６は、配線層３１２に配置された金属線３１０にルーティングされている。配線層３１２は、背面３１１１とは反対側の基板３１１の他方の主面３１１２上に配置された誘電体層スタック３１３内に配置された同じレベルのいくつかの金属ワイヤを含む。

【0034】

追加の読み出し線１１４は、金属配線層３１２内に配置された金属線３３０である。金属線３３０はアクセストランジスタ１１２のドレイン領域３１５に接続された金属線３１０の近傍に配置され、その結果、金属線３１０、３３０はそれらの隣接関係によって引き起こされる十分な容量結合を有し、その結果、フォトダイオード１１１で受信された光変化によって引き起こされる電圧変化などのフォトダイオード１１１からの信号は、追加のセンシング経路１１４を介して読み出しに利用可能な金属線３３０に容量結合される。金属線３１０、３３０間の距離Ｄは、基板３１１の構造を実現するために、９０ｎｍのフィーチャサイズを有する製造プロセスを考慮すると、１５０ｎｍ以下である。距離Ｄは、さらに小さくてもよく、基板３１１内の構造の再現可能な最小のフィーチャサイズに依存して容量結合を増加させる。例えば、距離Ｄは、実際の設計パラメータに依存して、１１０ｎｍ以下または９０ｎｍ以下であってもよい。

【0035】

図４は、パワーアップ動作を実行するためのピクセルの適用と、検出された光変化に応じたセキュリティアプリケーションにおける高品質画像の記録とを示す。容量検知信号Ｖｓｅｎｓを担持する追加のセンシング経路１１４は、低電圧（ＬＶ）比較器４１１の一方の端末に接続される。ＬＶ比較器４１１は、画像センサの通常動作Ｖｄｄよりも低い減少した電圧で動作する。センシングモードの間、供給電圧Ｖｄｄは、高品質動作モードよりも低くなり得る。動作電圧の例は、通常動作Ｖｄｄが２．８Ｖと３．３Ｖとの間であり得るとき、追加のセンシングモード中に印加される低電圧Ｖｄｄは、それぞれ０．８Ｖと１．１Ｖとの間であり得る。ＬＶ比較器４１１は、端末４１２において参照信号Ｖｒｅｆを受け取り、低環境光からより明るい環境光への光の変化を検出し、これは、回路の動作を高品質動作モードにするパワーアップ回路ブロック４１３をトリガする比較器４１１の出力信号を生成する。その後すぐに、動作ブロック４１４に示すように、高品質画像を記録することができる。セキュリティアプリケーションでは、画像センサが光の変化を検出すると、高品質の画像を即座に記録することができる。

【0036】

ピクセルアレイ全体は、複数のピクセルに接続された追加のセンシング経路１１４が共に結合されて、比較器によって評価されるべき合成出力信号を生成するという点で、大きな光センシングデバイスとして動作することができる。これは、画像アレイの複数またはすべてのピクセルからのグローバル光出力変化を検出する。センサはグローバル光変化を検出するためにスタンバイモードで動作するが、供給電圧Ｖｄｄは上述のように低減され得る。

【0037】

図５は、ＬｉＦｉ（光フェデリティ）アプリケーションのための追加の光センシング経路１１４を備えた画像アレイのピクセルの適用を示す。一実施形態では、追加のセンシング線１１４がデータ分離器またはデータプロセッサ５１２によってデジタル信号内で変調されたデータを取り出すためにデジタル信号を生成する高速アナログデジタル変換器５１１に接続される。ＡＤＣ５１１およびデータ分離器／プロセッサ５１２は、同じ集積回路上で、または図５に代替的に示されるように、バッファ５２０を使用してオフチップで実現され得、オフチップＡＤＣ５２１およびオフチップデータ分離器またはオフチップデータプロセッサ５２２にグローバルセンス信号を提供し、受信されたＬｉＦｉ信号からデータを取得する。

【0038】

グローバルセンスモードでは、複数のピクセルに接続された追加のセンシング線１１４は、アレイの複数のピクセルまたはアレイ内のすべてのピクセルからグローバルセンス信号を生成するために、一緒に結合され得る。全ピクセルアレイアプローチは、特に変調光が任意の方向から送信される場合に、より安定した情報を得るために、同時にピクセルを動作させる。追加のセンシング経路は、変調光のデータパッケージを全体的に感知する（sense）ために使用される。デジタル化された信号は、データパッケージオンチップとして並べ替えることができ、または外部の追加のデータプロセッサによって処理することができる。ＬｉＦｉ受信部は、近距離データ交換またはセキュリティチェックのため、またはＷｉＦｉ受信部として、画像センサ内に設計することができる。

【0039】

図６は、いくつかのアプリケーションを制御するために、比較器６１１において検出フラグを生成するための追加の信号センシング経路を示す。検出フラグは、画像センサが低電力モード６２１にあるとき、セキュリティセンサにおいて使用され、比較器６１１からの検出フラグに応答して６２２においてウェイクアップを実行し、６２３においてストリーミングを開始し、６２４において高品質画像を記録することができる。別のアプリケーションでは、ジェスチャ制御が検出フラグに応答して６３１で実行され、６３２でプロセッサを起動して６３３で動作を実行する。さらに別のアプリケーションでは、例えば製造ラインなどの産業環境において、検出フラグは検出モード６４１において、工場の製造ラインにおけるオブジェクトカウントのためのカウント動作６４２を制御するために使用される。

【0040】

図７は、画像センサ７１０の上面図を示す。画像センサは、領域７１３の７２１、７２２、７２３、７２４などの複数のピクセルを各々が含む５つの重複しない領域７１１、７１２、７１３、７１４、７１５を含む。領域７１３の場合、領域のうちの１つ内のピクセルの追加のセンシング経路は、信号Ｓ３などの１つの出力センス信号に結合される。他の領域の各々は、中央領域７１１の信号Ｓ１、領域７１１のエッジの一方に平行に対向して配置されたエッジを有する領域７１２の信号Ｓ２、領域７１１のエッジに平行に対向して配置されたエッジを有する領域７１３からの信号Ｓ３、領域７１１のエッジに平行に対向して配置されたエッジを有する領域７１４からの信号Ｓ４、および中央領域７１１のエッジに平行に対向して配置された領域７１５からの信号Ｓ５などの、対応する領域内のピクセルに接続された信号センシング経路の平均であり得る１つの出力センス信号を備える。

【0041】

レイアウト構成によって、画像センサまたはフル画像センサのセンシング領域は、いくつかの領域、例えば、上、下、左、右、および中間位置に配置された７１１、…、７１５などの５つのブロックに分離される。信号Ｓ１、…、Ｓ５を受信する回路７３０によって実行されるようなジェスチャ制御アプリケーションの場合、左から右への移動は、左および右のノードから順次検出され得る。また、多方向の動きは、スマートセンサについて検出することができる。ＶＲ（仮想現実）またはＡＲ（拡張現実）アプリケーションも可能である。深さ検出を支援するために、近赤外光源が関与し得る。

【0042】

図８は、２つの異なるピクセル８１１、８１２に接続された８１３、８１４などの追加のセンシング経路を使用する画像センサの別の適用例を示す。センシング経路８１３、８１４は、ブロック８２１に示されるように、エッジ検出を実行するために比較器８２０に接続される。画像情報の積み重ねは、エッジ検出機能を実現するために有用であり得る。エッジ検出は、画像情報に対して画像強調アルゴリズムを実行するために使用され得る。

【0043】

隣接するピクセル間の関係は、画像強調アルゴリズム入力に必要である。追加のセンシング信号は、センシング出力が画像情報に対して非破壊的に動作するピクセルのフローティングノードに容量結合されるので、画質の改善に影響を与えることなく、画像強調算出のために使用される。

【0044】

図９は、図２のピクセルから経時的に取られた例示的な信号ＦＤ、Ｖｓｅｎｓｅ、Ｖｏｌ、ＰＣ、ｒｅｓｐ．の波形９３１、９３１、９４１、９５１を示す。フローティングノート１１３は、レベル９１０にプリチャージされる。アクセストランジスタ１１２が時間インスタンス９１１で導通状態になると、フォトダイオード１１１からの信号がフローティングノード１１３に印加され、信号ＦＤの電圧降下９１２を引き起こす。センス信号Ｖｓｅｎｓは、フローティングノードプリチャージが実行されるのとほぼ同時に、プリチャージレベル９１３に駆動される。次いで、センス信号Ｖｓｅｎｓｅは、センス線１１４のフローティングノード１１３への容量結合によって引き起こされるレベル９１４まで低下する。センス信号Ｖｓｅｎｓｅは、時間インスタンス９１５で取得され、上述のように評価回路１１５に出力される。波形９４１は従来の列読み出し線１２０における信号を示し、信号９５１は図２のグローバルシャッタピクセルの場合のプリチャージ信号ＰＣを示す。図９から決定されるように、センス信号Ｖｓｅｎｓは、波形９２１の実際の高解像度画像情報を破壊しない。

【0045】

図１０は、上述の光学画像センサ１０１０を含む電子デバイス１０００を示す。センサ１０１０は、プロセッサ１０２０に転送される制御信号ＣＴＲＬを生成して、上述のような動作をトリガし、実行する。プロセッサ１０２０は、ウェイクアップ動作、セキュリティアプリケーションのための画像記録動作、ジェスチャ検出に応答する動作、動き検出に応答するカウント、センサによって受信されたデータのストリームからのデータの処理、またはエッジ検出に応答して光学センサによって捕捉された画像の内容の拡張を制御することができる。

【0046】

結論として、追加のセンシングプロセスは、ピクセルのフローティング拡散ノード上の電圧を検出するために、結合金属の特別な設計を通して実行される。追加のピクセルセンシング出力は、ピクセル出力に比例し、グローバル接続またはローカル接続とすることができる。グローバル接続は、複数のピクセルの平均光強度センシングを明らかにする。それは、ピクセルが通常モードまたは低供給電圧モードのいずれかで動作され得るように、粗い光検出である。追加の検知配置の出力は、異なる用途に適合するように処理することができる。グローバルセンスモードは、アレイ全体にわたる複数のピクセルの追加のセンシング経路を組み合わせる。ローカルセンシングモードは、アレイの局所的な領域内のセンシング経路を組み合わせて、いくつかのローカルセンシング信号がいくつかの領域から提供されるようにする。異なる領域のセンシング出力は、異なる目的のために高速動作で処理することができる。より複雑なエッジ検出または画像強調アプリケーションを達成するために、スタッキングプロセスと組み合わせることができる。

【0047】

添付の特許請求の範囲に記載された本開示の趣旨または範囲から逸脱することなく、種々の変形および変形例を提供することができることが当業者には明らかであろう。本開示の趣旨および本質を組み込んだ開示された実施形態の修正、組み合わせ、サブコンビネーションおよび変形例が当業者に想起され得るので、本開示は、添付の特許請求の範囲内のすべてを含むと解釈されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】