接收装置、传感器装置以及用于确定距离的方法与流程
本发明涉及一种根据权利要求1的前序的用于确定相对于对象的距离的接收装置、根据权利要求10的前序的传感器装置以及根据权利要求11的前序的用于确定相对于对象的距离的方法。
背景技术：
由现有技术已知多种距离传感器，特别是tof传感器(“timeofflight”飞行时间)，其中例如通过光信号的运行时间测量确定距离。由文献wo2016/128198例如已知tof距离传感器，其中大量检测的载流子借助于调制频率在相应时间间隔中分配并且分别聚集。出于该目的应用相应的解调像素。通过相互关系可以相应地获得相位信息，由相位信息产生差运行时间或距离。
技术实现要素：
本发明的任务在于，能实现尽可能精确的距离确定。
该任务基于开始所述类型的接收装置、传感器装置或用于确定距离的方法通过权利要求1、10或11的特征部分的特征解决。
通过在从属权利要求中所述的措施本发明有利的实施方案和改进是可能的。
按照本发明的接收装置用于确定相对于对象的距离。该接收装置可以例如用作光学传感器装置的组成部分，如例如结合在车库、电梯、汽车领域中的传感器、停车场监控或诸如此类中用于门或大门的监控装置。按照本发明的接收装置因此首先包括用于接收反射的信号的接收器，该信号在对象上反射，应确定的是与该对象的距离。在信号的接收中产生光诱导的载流子。
相应地，按照本发明的接收装置的特征在于如下特征或以下结构：接收器包括用于检测光子的半导体结构。接收的光子源自在对象上反射的信号。
在此，半导体结构又设计用于背面照明。背面照明通常具有如下优点，即较大的照明面可以用于检测。如果要检测的射线例如由正面到达半导体结构，在该半导体结构上安装有另外的半导体或电子构件，那么通常可用的检测面较小。至少面的一部分在正面的照明时由这些另外的电子构件覆盖，这些另外的电子构件例如用于信号的分析处理和进一步处理。除此之外，背面的照明提供如下优点，即在半导体衬底中相对大的区域可用，该区域设计用于产生光诱导的载流子的光敏区域。该光敏区域相应地朝向背面。
除了光敏区域，半导体结构但是也包括用于输送载流子的输送区域。通过该输送区域可以首先将产生的载流子从光敏区域输送走或再输送。特别是通过输送区域也可以实现，将时间序列转换为空间序列，这特别是可以用于实施精确的时间测量并且因此也改善距离确定。光敏区域和输送区域通过分隔层相互分隔开，然而在光敏区域与输送区域之间的通道除外，该通道能实现：载流子可以从光敏区域到达输送区域。
在本发明的一个实施形式中，分隔层可以设计为掩埋层。掩埋层可以以散装材料例如通过离子植入产生。分隔层的屏蔽或隔开的作用可以通过掺杂实现。原则上分隔层也可以设计为非导体层。分隔层还可以施加到散装物料(bulk)上，其中位于在分隔层上的区域由此形成，使得另外的层生长，从而产生一种三明治结类型的结构。
通道特别是能实现：载流子在限定的位置可以到达输送区域的环境中。因此单独的载流子流
可以通过栅极的电势影响在半导体结构的光敏区域中产生的载流子。因此在栅极的每个上可施加电压，以便将输送区域中的载流子运动到相应的栅极之下。设置在通道的覆盖区域中的栅极因此可以将载流子从光敏区域移出并且输送到其环境中，亦即输送到输送区域中。
另外的在位于在通道的覆盖区域中的栅极中设置的栅极可以用于载流子流的继续输送。通过从光敏区域该“吸走”载流子到输送区域中并且在输送区域内继续输送，载流子根据何时或在哪个时间间隔中产生从光敏区域除去和继续输送。由该时间过程借助于接收装置因此产生信号的空间序列或空间视图。预定的时间序列与相应空间坐标的对应关系由输送区域的几何结构或栅极在输送区域内的空间设置得出。如果各栅极相互并列地设置，那么时间坐标分别配置给沿栅极的路线设置的空间坐标。
为了简化该时间-空间对应关系并且定期或使得连续进行，设有时钟发生器，以便交替给栅极依次施加电压。载流子因此运动到相应的栅极之下或者沿输送区域输送。由此能实现连续检测，并且给在输送路段上的每个点通过时钟预定对应明确的时间坐标。通过选择时钟特别是也可以确定时间分辨。通常应注意的是，时钟频率匹配于由栅极到栅极的载流子输送，由此在输送时尽可能少的载流子丢失。
在本发明的一个实施形式中，光敏区域和通道具有第一掺杂，而分隔层具有第二掺杂，而输送区域具有第三掺杂。那么可配置给分隔层的第二掺杂与第一或第三掺杂极性不同，从而由此可以屏蔽载流子。
如上所述，在本发明的一个实施形式中，该至少一个在通道的覆盖区域中设置的栅极设计为，使载流子穿过通道从光敏区域运动到输送区域中，其方法是可以给该栅极时间相应电压。也可以考虑的是，通道区域由两个或更多栅极覆盖。载流子从光敏区域输送走是必要的，以便又释放光敏区域用于另外的时间上随后产生的载流子。此外，在已经从光敏区域运动出的载流子的继续输送中，这些相应的载流子流应在输送路段上可以被继续输送，从而根据其检测时刻或时空为其配设空间坐标。
时钟发生器因此用于将时间分辨转换为空间分辨，其中该时钟发生器设计为，将载流子由光敏区域以预定的时间间隔运动到输送区域中并且由那儿沿输送区域继续输送。通过时钟频率也可调节的是，应如何精确地在其时间曲线中采样接收的信号。
按照本发明，输送区域设计为ccd的传送带结构(ccd:"charge-coupleddevice"电荷耦合装置)。在传送带结构中，并列设置多个电极或栅极，它们交替地施加电势，从而吸引或排斥位于在该区域中的载流子。因此可以使载流子流或载流子束由栅极运动到栅极。而且在ccd中相应地给栅极交替施加电势，该电势例如可以吸引位于在环境中的相应载流子。为了输送例如确定量的载流子位于在施加电势的栅极之下。接下来，给并列的栅极施加相同电势。载流子的一部分因此运动到相邻的第二栅极之下。随后改变第一栅极的电势，从而全部量的载流子由第二栅极吸引并且在其下聚集。通过这种方式可以实现载流子的输送。
在本发明的一个实施例中，栅极可以设计为金属触点，其设置在半导体衬底的正面上，亦即在朝向输送区域的侧上。金属触点能实现：载流子可以经受比较高的电势。由此可以改善输送并且降低在输送中载流子的损耗。
为了促进光诱导的载流子的产生，在一个实施例中，光敏区域和通道(第一掺杂)比较弱地掺杂。为了通过分隔层(第二掺杂)实现好的分隔或隔离，该分隔层有利地更高地掺杂。
为了能实现载流子的快速输送，第三掺杂可以在输送区域中同样比较强地构成。
为了最后可以将检测的信号在其时间序列中读取，输送区域包括用于确定载流子量的读取装置。该读取特别是在如下序列中发生，其中载流子流通过输送路段或通过栅极到达读取装置。在载流子量的确定中通常仅仅必要的是，在时间或空间走向中可以确定所确定的量的相对不同。单个绝对值的确定相比之下通常不是必要的。通过这种方式和方法，其中仅仅研究相对大量载流子，至少可能的是，对此确定信号的变化曲线，即可以非常精确地识别信号的极值。如果检测的信号的原理上的走向是已知的，那么这越适用。如果例如涉及高斯脉冲，那么预期的是，该高斯脉冲具有带有极值亦即最大值的规则和预知的形状。通过加权的求平均或通过确定信号的上升或边沿可以因此重构在信号的时间过程中的形状，其中特别是可以非常准确地确定(在时间序列中的)最大值的位置。由此那么也能实现精确的距离测量，因为相应地也可以精确确定：信号已经使用了什么运行时间。
在本发明的一个实施变型中，因此可以设有例如时间测量装置用于确定在发出光脉冲与接收到反射的光脉冲之间的时间间隔。根据传感器装置的类型可以明确地具有运行时间地、具有相位移动地或者诸如此类地运行。特别是可以在本发明的一个实施形式中设有分析处理机构，其设计为，确定在光信号或光脉冲的强度时间曲线中的最大值。为此可以确定(算术、几何)平均值。
到达接收装置或接收器并且在半导体衬底或在其光敏区域中检测到的信号具有随时间变化。在相应的时间间隔中因此信号的一部分以载流子流的形式从光敏区域输送走并且运动通过输送区域的输送路段。在检测的下一时间间隔中将接收的光信号的新的部分转换为载流子并且这些载流子同样运动到输送区域的运输路段，然而与之前输送的电荷量在时间上错开并且因此具有在相同时间的另一空间坐标。因为在时间曲线中这些相应的采样的信号部分分别依次经过在输送路段上的预定空间点，所以在信号的检测或出现的时刻与在输送区域上输送路段内空间坐标之间存在明确对应。特别是当信号具有已经预定的形状时，有利地具有带有唯一的极值例如高斯脉冲的简单形状时，可以通过求平均值或通过检测上升沿实现电荷分布的空间极点/空间重心(
除此之外本发明能实现：也将在其时间曲线中快速变化的信号“矫正”并且将其可更好地处理，因为信号仅仅以比较低的分辨率采样，然而维持关于空间或时间极点的信息。
在本发明的一种改进中，接收器特别是可以设计为基层，亦即距离测量不是可以获取的唯一空间信息，而是通过基层也可以相应地采样二维结构。特别是因此可以有利地制造3d传感器。正是在深度分辨中这样的3d传感器具有特别高的功率能力。
相应地，按照本发明用于确定相对于对象的距离的传感器装置的特征在于，应用用于发出光脉冲的发生器以及按照本发明的接收装置或者按照本发明的实施例之一的接收装置。传感器装置可以特别是设计为tof传感器装置。因此可以利用本发明或本发明的相应实施例的上述优点用于这样的传感器装置。
此外，按照本发明用于确定相对于对象的距离的方法的特征在于以下方法步骤，其中测量脉冲的光运行时间。首先发出光脉冲，特别是具有在强度时间曲线中的最大值。光脉冲在一个对象上反射并且接收反射的信号，其中为此半导体结构的半导体衬底的光敏区域用于产生光诱导的载流子。在半导体结构中提供输送区域，该输送区域通过分隔层与光敏区域分隔开，然而具有通道，从而载流子经过通道的输送然而不可以通过分隔层实现。
通道可以在一个实施例中相比于光敏区域或输送区域具有极性相同/名称相同/标记相同(gleichnamige)的掺杂。
在输送区域中的输送路段的区域中提供至少两个并列的栅极，其中设置在通道的覆盖区域中的栅极可以用于，载流子从光敏区域到达输送区域。载流子经由输送路段的继续引导时钟控制地实现。总体上可以为了实施该方法应用按照本发明或本发明的一个实施例的接收装置或传感器装置。检测的信号的时间序列因此转换为空间序列。通过经由输送路段的输送可以测量扫描的脉冲的序列。通过求平均或边沿检测又可以确定电荷分布的空间极点并且因此信号的时间极点。该确定可以比通过时钟预定的时间扫描更精确。可用于信号的分析处理的时间可以长于信号自身的时间变化。因此检测也可以比较成本有利地实现。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且以下参照另外的细节和优点进一步阐明。其中：
图1示出按照本发明的接收装置的示意图；以及
图2示出按照本发明的传感器装置的示意图。
具体实施方式
图1示出按照本发明的接收装置1的示意图。接收装置或接收器包括具有半导体衬底3的半导体结构2。半导体结构2又具有正面f和背面b，其中要检测的光信号s到达背面b。在背面b的区域中存在光敏区域4。如果要检测的光子进入该光敏区域中，那么发生电子空穴对分裂，亦即产生光诱导的载流子。
光敏区域4首先通过具有与光敏区域4极性不同/名称不同/标记不同(ungleichnamige)的掺杂的分隔层5与另一区域、输送区域6分隔开。分隔层5然而设计为非通常的，而是具有通道7，该通道具有与光敏区域4和输送区域6同名的掺杂。载流子经由该通道7可以从光敏区域到达输送区域6。输送区域6具有比光敏区域4更强的掺杂。
在输送区域6朝向正面f的上部区域中，沿着输送区域6的输送路段设置各个栅极8。通道7的覆盖区域9位于设置栅极8a和8b的区域。通过施加电势或电压给栅极8a、8b可以使载流子从光敏区域4穿过通道7到达输送区域6中。借助于时钟发生器10依次将电压施加给栅极8，由栅极8a、8b开始直至图1中输送路段的右边缘。
如果电子由于施加在栅极上的电压运动到该栅极之下，那么在下一时钟中并列的栅极同样施加同极的电压，从而载流子也可以朝其转移。该原先的栅极接着改变其电势，从而载流子流可以完全转移到相邻栅极之下等。在输送路段6的端部上存在用于读取载流子量的读取装置11。紧接着可以在图1中示出的接收装置1的像素或部分之外设有另外的构件，例如a/d转换器，以便将表示确定的载流子量的模拟信号转换为数字信号。紧接着还可以设有另外的分析处理电子装置，例如以便实现求平均或者边沿检测，并且以便如此通过输送区域6的路段确定电荷分布的空间极点。为此可以将信号转移给分析处理机构a。可以考虑的是，将信号在分析处理机构a中处理之前借助于a/d转换器由模拟转换为数字。
通过由时钟发生器10预给定的时钟也预定相应的积分时间，利用该积分时间扫描检测的光信号。在这些单个的通过时钟预定的时间间隔中载流子可以积分在栅极8中之一下。
本发明特别是具有如下优点，环境光对用于确定搜索的距离的过程的影响可以保持尽可能小并且也避免：错误地测量不取决于输出信号的极值。特别是光的通过环境光刻期望的波动关不发出的光脉冲是非常低频的。发出的脉冲的平均运行时间因此也没有通过环境光的波动影响。求平均或者边沿检测将这些波动最终求平均。
除此之外有利地不重要的是，是否可以确定绝对电荷量的准确值。由此也可以有利地降低用于原本的光检测器结构的成本。就这点而言也可能的是，应用光更弱的信号并且可以降低这样的传感器装置的强度。
而且当(无意地)在确定的边界中发生超光照时，产生的载流子可以在相邻的栅极上分配，如此“打开”这些载流子，亦即具有如下电势，该电势能实现在该区域中载流子的吸引。而且在该情况下可以通过求平均阻止：影响或极大影响信号的品质。
图2示出按照本发明具有发射器13和接收器1的传感器装置12的示意图，其中发射器13发出光信号15，该光信号在对象14上反射，其中反射的信号由接收装置1检测。接收装置1设计为基层。
附图标记列表：
1接收装置
2半导体结构
3半导体衬底
4光敏区域
5分隔层
6输送区域
7通道
8栅极
8a在通道的覆盖区域中的栅极
8b在通道的覆盖区域中的栅极
9覆盖区域
10时钟发生器
11读取装置
12传感器装置
13发射器
14对象
15发出的信号
16反射的信号
a分析处理机构
b背面
f正面
s检测的光信号
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