[发明专利]芯片级光探测和测距设备及其制造方法

说明书

本发明公开的芯片级LiDAR设备包括具有三层的芯片。第一层包括多个微机械(MEMS)反射镜。第二层包括激光源、与激光源连接的分束器；多个波导，每个波导均与分束器连接；多个光束偏转器，每个光束偏转器与多个波导之一耦合。第三层包括接收单元，用于接收和处理来自激光源的一个或多个激光束的反射激光信号。该第一层、第二层、第三层使用晶片键合和/或焊料键合竖直地互相连接。该芯片级LiDAR设备可大批量生产，适用于成本、重量、功率和形状因素受限制的应用领域。本发明还对应公开该芯片级LiDAR设备的制造方法。

技术领域

本发明的实施例总体上涉及遥感技术，尤其涉及芯片级光探测和测距(LiDAR)设备以及制造该设备的方法。

背景技术

LiDAR设备可以通过利用激光脉冲照射环境中的物体并测量物体反射脉冲来测量到该物体的距离。LiDAR设备通常利用高级光学和旋转组件来创建广阔的视野，但是这种实现方式往往体积庞大且昂贵。固态LiDAR传感器往往成本较低，但其尺寸仍然较大。

由于固态LiDAR传感器具有明显优势：可靠性更高，使用寿命更长，尺寸更小，重量更轻，成本更低，因此，在许多系统，例如高级驾驶员辅助系统(ADAS)中，此类LiDAR传感器将是首选。因此，如何将LiDAR设备的结构及应用优化成为研究难题。

发明内容

本发明所描述的为芯片级LiDAR设备及其制造方法的各种实施例。各种实施例使得LiDAR设备的大批量生产成为可能，可用于成本、重量、功率和形状因素受限制的应用领域。

在一个实施例中，芯片级LiDAR设备包括具有三层的芯片。第一层包括多个微机械(MEMS)反射镜。第二层包括激光源、与激光源连接的分束器，分别与分束器连接的多个波导和多个光束偏转器，每个光束偏转器与多个波导之一耦合。第三层包括接收单元，用于接收和处理来自激光源的一个或多个激光束的反射激光信号。该第一层、第二层、第三层使用晶片键合和/或焊料键合竖直地互相连接。

根据本发明的一方面，芯片级LiDAR设备可包括具有三层的芯片。第一层包括多个微机械(MEMS)反射镜。第二层包括激光源、连接到激光源的分束器、分别连接到分束器的多个波导和多个光束偏转器，每个光束偏转器与多个波导之一耦合。第三层包括接收单元，用于接收和处理来自激光源的一个或多个激光束的反射激光信号。该第一层、第二层、第三层使用晶片键合和/或焊料键合竖直地互相连接。

在一个实施例中，第二层和第三层通过晶片键合相互连接，第一层和第三层通过焊料键合相互连接。一个或多个间隔物被用于在所述第一层与所述第三层之间产生间隔，以使来自第二层的激光源的激光束可以被导向至第一层上的相应的MEMS反射镜上。

在可选实施例中，第一层和第二层直接连接，而在第一层和第三层之间不设置任何间隔物。在本实施例中，第一层可以是具有预定厚度的玻璃面板；玻璃面板的厚度使来自第二层的激光源的激光束能够被导向至第一层的相应MEMS反射镜上。

在一个实施例中，可以有相等数量的MEMS反射镜、波导和光束偏转器。每个波导可以对应一个不同的光束偏转器，每个光束偏转器可以对应一个不同的MEMS反射镜。多个光束偏转器中的每一个将来自激光源的一个或多个激光束偏转出平面，从第二层偏转到第一层上相应的MEMS反射镜。一个或多个激光束通过相应的波导从激光源被引导到光束偏转器。多个MEMS反射镜中的每一个均耦合至一个或多个致动器，该致动器被配置为以Z字形或螺旋形图案对MEMS反射镜进行扫描，从而将来自激光源的激光束导向至一个或多个不同方向。

在一个实施例中，第三层中的接收单元包括空间滤波器，根据第一层上的每个MEMS反射镜正在扫描的一个或多个方向而动态形成孔，该孔使得从一个或多个方向反射的光子能够通过该空间滤波器。