專利名稱：采用光學器件的聲電換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用光學器件將振動片的振動位移轉(zhuǎn)換為電信號的光學聲電換能器。本發(fā)明尤其提供了一種在將垂直空腔表面發(fā)光激光器(VCSEL)用作發(fā)光器件情況下采用的有效技術(shù)。


圖14示出現(xiàn)有技術(shù)的光學麥克風裝置10的總體結(jié)構(gòu)。
在靠近外殼1的入口設(shè)置振動片2。并將發(fā)光二極管3和光電晶體管或光電二極管5安裝在外殼1內(nèi)，發(fā)光二極管3發(fā)出的入射光L1被振動片2的內(nèi)表面2b反射，此反射光L2被諸如光電晶體管或光電二極管的光電檢測單元5接收。入射聲波7從振動片2的外表面2a入射到光學麥克風裝置10，并使此振動片振動。
由于振動片2發(fā)生振動，所以反射光L2的方向發(fā)生變化并入射到光電檢測單元5的不同光接收面5a。通過檢測此光接收面5a的變化，可以檢測振動片2的位移。此外，存在利用透鏡4或透鏡6對準入射光L1和反射光L2的情況。
因此，現(xiàn)有技術(shù)的光學麥克風裝置將發(fā)光器件3發(fā)出的入射光L1以某個角度輻照到振動片2，并以對應(yīng)于入射角的反射角接收反射光L2，這樣就可以根據(jù)反射光L2的反射角的變化檢測振動片2的位移，從而再現(xiàn)聲波。
圖15示出現(xiàn)有技術(shù)的另一種光學麥克風裝置的頭部的要求截面結(jié)構(gòu)的剖視圖。
在此現(xiàn)有技術(shù)例子中，與圖14所示的相同，也是通過不接觸振動片72檢測振動，將振動片72的振動轉(zhuǎn)換為電信號的，因此不再需要在振動片72上設(shè)置振動檢測系統(tǒng)，從而可以使振動部分的重量更輕，并且可以充分跟蹤聲波的微弱振動。
在此，以預定角度ψ1和ψ2，分別將發(fā)光器件73和光電檢測單元74安裝在襯底75上，并靠近設(shè)置襯底75和振動片以致它們幾乎平行。
為此，在發(fā)光器件73發(fā)出的入射光和振動片反射的反射光之間，入射角ψ1和反射角ψ2相等。
上述現(xiàn)有技術(shù)光學麥克風裝置的結(jié)構(gòu)要求諸如發(fā)光二極管等的發(fā)光器件與諸如光電晶體管或光電二極管的光電檢測單元之間的對準精度達到幾十微米甚或更小的高精度。為此，存在的問題是，如果利用單獨部件形成發(fā)光器件、光電檢測單元、振動片等，則會減低產(chǎn)量，因為在制造產(chǎn)品過程中，難以實現(xiàn)高精度對準。同樣限制了光學麥克風裝置實現(xiàn)小型化。
對于現(xiàn)有技術(shù)的這種光學麥克風裝置如上所述，在入射光與振動片反射的反射光之間，入射角ψ1和反射角ψ2相等。為了以此方式實現(xiàn)入射角與反射角相等，需要分別以預定角度ψ1和ψ2(ψ1＝ψ2)將發(fā)光器件和光電檢測單元安裝在襯底上。
然而，如果要使光學麥克風頭部的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)小型化，則因為包括頭部在內(nèi)的各部件不同，所以始終難以以預定角度將發(fā)光器件和光電檢測單元安裝在襯底上，此外，始終難以調(diào)節(jié)入射角和反射角。
此外，以預定角度將發(fā)光器件和光電檢測單元安裝在襯底上需要大量工時，不僅如此，還有一項非常困難的工作是，反射光的焦點調(diào)節(jié)到準確對準光電檢測單元的光接收面。
本發(fā)明的一個目的是提供一種避免現(xiàn)有技術(shù)光學麥克風裝置的上述缺陷、可以容易地使其實現(xiàn)小型化并使光電檢測單元與振動片以高精度對準，而且可以容易地進行批量生產(chǎn)并可以獲得偶反射的光學麥克風裝置。
本發(fā)明的另一個目的是，為了不提高對麥克風裝置設(shè)置的放大器的放大因數(shù)就可以獲得高S/N比的信號，提供一種通過在光電檢測單元接收反射光時增加反射光運動寬度的變化范圍，或者通過有效接收振動片反射的反射光，可以提高聲電轉(zhuǎn)換效率的光學麥克風裝置。
上述透鏡單元優(yōu)選是微透鏡或全息照相底片，并且優(yōu)選將振動片設(shè)置在比此透鏡單元的焦點位置少許遠的位置。
接著，根據(jù)本發(fā)明的第二方面，光學聲電換能器具有振動片，因為聲壓產(chǎn)生振動；發(fā)光器件，用于將光束輻照到上述振動片上；光電檢測單元，用于接收輻照到上述振動片上的上述光束的反射光并輸出對應(yīng)于上述振動片的振動位移的信號；以及襯底，用于安裝上述發(fā)光器件和上述光電檢測單元。其中，將上述發(fā)光器件和上述光電檢測單元設(shè)置在上述襯底上，以使上述發(fā)光器件的發(fā)光面和上述光電檢測單元的光接收面平行并幾乎位于同一個平面上，上述振動片相對于上述襯底傾斜預定角度，上述發(fā)光器件輻照到上述振動片上的上述輻照光束幾乎垂直于上述發(fā)光面，上述光電檢測單元接收上述振動片反射的上述反射光。
振動片表面上入射光輻照的區(qū)域優(yōu)選是鏡面，并且優(yōu)選將此區(qū)域形成為環(huán)形或圓點形。此外，對著發(fā)光器件，以直線形、圓形或矩形設(shè)置多個光電檢測單元，并設(shè)置多個發(fā)光器件。
圖9示出涉及本發(fā)明第二方面的光學聲電換能器使用的頭部結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖10示出涉及本發(fā)明第二方面的裝置使用的振動片例子；圖11示出用于解釋涉及本發(fā)明第二方面的光學聲電換能器的工作原理的示意圖；圖12示出用于涉及本發(fā)明第二方面的光學聲電換能器的頭部的進一步改進結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖13示出用于涉及本發(fā)明第二方面的裝置的光電檢測單元的排列示意圖；圖14示出現(xiàn)有技術(shù)光學麥克風裝置的基本結(jié)構(gòu)；以及圖15示出現(xiàn)有技術(shù)光學麥克風裝置的頭部結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明第一方面的光學麥克風裝置的基本結(jié)構(gòu)。
圖1(a)示出剖視圖，其中電子電路板12設(shè)置在外殼1的底部8，在其上具有發(fā)光器件和光電檢測單元的襯底9被安裝在電路板12上。還可以例如利用倒裝片接合法，通過電連接襯底9和電路板12將襯底9安裝在電路板12上。此外，如果利用諸如硅的半導體襯底形成底部8，則可以省略電子電路板12，因為可以在其上形成電子電路。此外，圖1所示的實施例采用垂直空腔表面發(fā)光激光器(VCSEL)LD作為發(fā)光器件，采用光電二極管PD作為光電檢測單元。將圓形垂直空腔表面發(fā)光激光器二極管LD設(shè)置在襯底9的中部，同心設(shè)置光電檢測單元PD以圍繞LD。
圖1(b)示出在其上安裝圖1(a)虛線所包圍發(fā)光器件和光電檢測單元的襯底9的光接收部分和發(fā)光部分的放大圖。
如圖所示，將圓形發(fā)光器件LD設(shè)置在中心，并同心設(shè)置光電檢測單元PD1、PD2、…、PDn以圍繞發(fā)光器件。
利用半導體制造方法，可以在砷化鎵晶片上，同時制造這些發(fā)光器件LD和光電檢測單元PD。
發(fā)光器件LD與光電檢測單元PD之間的對準角度由半導體制造過程中使用的精度確定，因此由于其對準精度可以達到1μm甚或更低，所以與現(xiàn)有技術(shù)的光學麥克風裝置的發(fā)光器件與光電檢測單元的對準精度相比，可以使其實現(xiàn)百萬分之一甚或更低的高精度。
總之，垂直空腔表面發(fā)光器件的特征在于，其發(fā)射光的光強分布幾乎同心。因此，設(shè)置在中心的發(fā)光器件LD以預定角度對振動片2輻照的輻照光以同樣光強被同心反射，并且因為接收到聲波7，振動片2發(fā)生振動，改變了其反射角，以致它同心到達光電檢測單元PD。
因此，通過檢測同心設(shè)置的光電檢測單元PD1、…PDn接收的光量的變化，可以檢測振動片2的振動位移。由于它可以檢測入射聲波7的強度，所以它可以用作光學麥克風裝置。
此外，為了驅(qū)動發(fā)光器件LD和光電檢測單元PD，或者為了檢測入射光量，設(shè)置電極11。
接著，將對根據(jù)本發(fā)明用作發(fā)光器件的垂直空腔表面發(fā)光激光器(以下簡稱為VCSEL)進行說明。
圖2示出VCSEL的發(fā)射光的光強分布，如圖所示，可以用核心高斯分布表示發(fā)射光的光強分布。
等式(1)給出發(fā)射光的光強分布P0(θ)。
P0(θ)＝exp(-α2θ2) (1)θ垂直于發(fā)光面的垂直線上的角位移(單位弧度)α限定發(fā)光擴展角的系數(shù)(最初簡化計算“1/α2”)如果在一維情況下計算此發(fā)射光分布系數(shù)α，則可以將它表示為等式(2)。
α2＝-[In(h)]/(FAHM/2)2(2)h通過測量激光器的發(fā)射光分布獲得的相對光強輻照角度垂直并且為1。半值＝0.5。1/e＝0.3183。1/e2＝0.135335。
FAHM制造商通常提供半最大值全角(FAHM)。
如果h＝0.5，F(xiàn)AHM＝9度，則弧度(9/2)＝0.07854α2＝-[In(0.5)]/(0.07854/2)2＝112.369并且如果對規(guī)定發(fā)射光光強分布的每個方向進行此計算，則可以獲得圖3所示的分布。
圖3示出對二維情況計算的發(fā)射光的光強分布圖。
在這種情況下，等式(3)給出發(fā)射光的二維光強分布P0(θ)。
P0(θ)＝exp(-α2θ2)·exp(-β2ψ2) (3)利用計算分布系數(shù)α和β的同樣方法，計算方向θ和ψ。等式(4)給出發(fā)射光分布系數(shù)α，等式(5)給出發(fā)射光分布系數(shù)β。
α2＝-[In(h)]/(FAHM/2)2(4)如果h＝0.5，F(xiàn)AHM＝9度，則弧度(9/2)＝0.07854α2＝-[In(0.5)]/(0.07854)2＝112.369β2＝-[In(h)]/(FAHM/2)2(5)如果h＝0.5，F(xiàn)AHM＝9度，則弧度(9/2)＝0.07854α2＝-[In(0.5)]/(0.07854)2＝112.369從在此獲得的發(fā)射光的二維光強分布可以看出，發(fā)光器件的光強分布幾乎與垂直空腔表面發(fā)光激光器的光強分布相同。
因此，為了在振動片2發(fā)生位移時，有效接收反射的激光，最好同心設(shè)置光電檢測單元。屬于同心設(shè)置的不同同心圓的光電檢測單元檢測的信號的差分信號給出聲壓變化。
通過同心設(shè)置兩個或更多個光電檢測單元，可以實現(xiàn)限制或選擇波接收信號的范圍。
在圖1所示的光學麥克風裝置中，由于振動片2固定在外殼1的端部，所以可以認為振動片2的中心明顯振動，而端部不振動，也就是說，因為聲壓的作用，他就象透鏡一樣振動。然而，如果其振動象透鏡一樣，就需要顯著聲壓，此外，如果其大尺寸振動片為3mm左右，則不需要考慮此透鏡樣振動，并且可以認為振動片2在其中心平行于襯底9并對著襯底9振動。
圖4示出用于解釋對根據(jù)本發(fā)明的光學麥克風裝置的光接收量進行調(diào)制的原理的示意圖。
預定角度的發(fā)光器件LD發(fā)射的光被振動片2反射，因此半最大值1/2全角的等效值變得最為敏感，并且成為光電檢測單元PD上的入射角。此外，假定振動片2最初位于位置2c，并在其發(fā)生振動時因為振動位移δ移動到2d。此外，假定發(fā)光器件LD、光電檢測單元PD與振動片2之間的距離為L，并且距離發(fā)光器件LD的半最大值1/2全角為θ。
假定在振動片2靜止時，接收反射光部分的直徑為A，并且在振動片位移δ后，反射光到達距離的直徑為B。
在此，θ、L、δ、A和B分別發(fā)生變化，利用等式(6)計算反射光的運動寬度r，將計算結(jié)果列在表1內(nèi)。
R＝B/2-A/2tan(θ/2)·2·(L+δ)-tan(θ/2)·2·(L-δ)(6)表1

因此，利用發(fā)光器件的輻照角確定環(huán)形光電檢測單元上的運動寬度。
通過聲壓和振動片2的位移量δ可以確保足夠PD運動寬度(大于3微米)。在這種情況下，需要注意，如果A和B太大，則在砷化鎵晶片上形成發(fā)光器件和光電檢測單元占據(jù)的區(qū)域會增大，并因此會減少每個晶片可以制造的發(fā)光器件和光電檢測單元的數(shù)量。
此外，如圖1(b)所示，在設(shè)計時還應(yīng)該考慮發(fā)光器件和光電檢測單元引出的電極11、與其相連的引線接合區(qū)等所需的面積。此外，對于每個引線接合區(qū)，100微米或更小的方形足夠。而且，如果采用倒裝片接合法，對于每個引線接合區(qū)，50微米或更小的方形足夠。
不僅如此，盡管可以在同一個同心圓上形成單個同心形成光電檢測單元，但是還可以將同心形成光電檢測單元分割為多個光電檢測單元來形成同心形成光電檢測單元。此外，盡管如下所述，為了從兩個不同同心光電檢測單元獲得差分信號，需要兩個同心圓，但是也可以形成多個同心圓，而不局限于兩個。
總之，用作垂直空腔表面發(fā)光器件的激光二極管主要依賴于溫度，并且其發(fā)光輸出隨時間發(fā)生變化。此外，還因為激光二極管等驅(qū)動電流的變化導致光量發(fā)生變化。
為此，如果不采取任何措施將發(fā)光信號直接或間接輸入到光電檢測單元，則從光電檢測單元獲得的輸出根據(jù)激光二極管的發(fā)光量變化。
在這種情況下，因為溫度變化和驅(qū)動電流變化引起的誤差會引起光電檢測單元產(chǎn)生輸出信號。
如果利用根據(jù)本發(fā)明的光學麥克風裝置的光電檢測單元獲取反射光信號，則因為發(fā)光激光器信號的溫度變化和驅(qū)動電流等的變化導致光量發(fā)生變化。
為了解決此問題，本發(fā)明設(shè)置了多個光電檢測單元以獲取接收信號的差別。
此外，因為根據(jù)本發(fā)明在同一個制造過程制造多個光電檢測單元，所以它們之間的差別非常小，因此通過消除它們之間的差別，可以將誤差降低到最小。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的光學麥克風裝置的電等效電路結(jié)構(gòu)的例子。
在此，VCSEL表示垂直空腔表面發(fā)光激光二極管，PD1和PD2表示光電檢測單元，例如圍繞VCSEL設(shè)置的光電二極管。
分別通過電阻器R3、R1和R2，VCSEL和光電檢測單元PD1和PD2串聯(lián)在電源20與地線30之間，并且具有可以通過移動驅(qū)動電流的結(jié)構(gòu)。
電阻器R1與光電檢測單元PD1之間的節(jié)點與微分放大器IC1的反相輸入端相連。此外，電阻器R2與光電檢測單元PD2之間的節(jié)點與非反相輸入端相連。將微分放大器IC1的輸出送到微分放大器IC2進行緩沖，以獲得輸出40。此外，用于消除噪聲信號的旁路電容器C11連接在電源20與地線30之間。
VCSEL發(fā)出的入射光被振動片同心反射，從而分別進入光電檢測單元PD1和PD2。此外，幾乎平行于襯底9并非常接近襯底9設(shè)置振動片2。
此外，可以認為振動片2平行于襯底9運動，因為其位移量(運動量)僅為1微米左右。
此外，圖15所示的例子示出同心設(shè)置的光電檢測單元PD1與反相輸入端相連，外部設(shè)置的光電檢測單元PD2與非反相輸入端相連，但是并不局限于這樣進行連接，可以根據(jù)實際電路的設(shè)計情況，將它們連接到最佳端。
此外，在微分放大器IC1的輸出電流iout與微分輸入信號i1和i2之間存在關(guān)系iout＝i1-i2。
在此，在分別對于微分輸入i1和i2存在變化δi1和δi2情況下，則iout＝((i1+δi1)-(i2+δi2))。
如果光電檢測單元PD1和PD2同時發(fā)生變化，則變化量δi1和δi2變成δi1＝δi2，并且iout＝i1-i2。
因此，即使因為溫度或驅(qū)動電流的變化導致VCSEL的發(fā)光量發(fā)生變化，變化同時被傳送到光電檢測單元PD1和PD2并互相抵銷，因此在微分輸出iout中不反映VCSEL的變化。
此外，如果只有電流大小的不同引起獨立的變化，則微分輸出為[(i1-i2)+(δi1-δi2)]并且微分表現(xiàn)為輸出的變化。
這說明因為振動片的變化(例如發(fā)生振動或位移)、以及因此引起的同心接收反射光發(fā)生變化導致反射光信號發(fā)生變化，所以在每個光電檢測單元內(nèi)具有不同輸入變化。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的光學麥克風裝置的電等效電路的另一種結(jié)構(gòu)的電路圖。在此實施例中，通過電阻器R，將輸入電流i1和i2分別輸入到加法器IC3和減法電路IC4。并將加法器IC3和輸出電流i1+i2和減法電路IC4的輸出電流i1-i2輸入到電路50。從電路50的輸出端可以獲得以輸出電流i1+i2成反比的輸出。通過運算器IC5，將電路50的輸出送到輸出端40作為(i1-i2)/(i1+i2)。因此，除法電路包括電路50和運算器IC5。
如果采用這種電路結(jié)構(gòu)，則在輸入電流i1和i2升高或降低時，與圖5所示的電路結(jié)構(gòu)相比，可以獲得更穩(wěn)定的輸出。
在根據(jù)上述本發(fā)明的光學麥克風裝置的結(jié)構(gòu)中，如果采用3mm左右的小直徑振動片(膜)，根據(jù)外來聲波的聲壓，振動片的運動位移約為±0.5μm。如果激光器的輻照角為12度，則作為半值寬度，光接收部分內(nèi)光的運動寬度(位移寬度)約為0.21μm。
因此，其在半值角位置的運動寬度為0.21μm和在半最大值全角的運動寬度為0.42μm的光電檢測單元內(nèi)電信號的變化被微分放大器或諸如模擬除法器的放大器放大。在此，為了將放大器的輸出提高到實際水平，需要提高放大器的放大因數(shù)，這樣會導致其設(shè)計復雜。
此外，如果提高放大因數(shù)，也會提高電子電路產(chǎn)生的噪聲，因此難以實現(xiàn)高信噪比(S/N)。
因此，需要進一步改進本發(fā)明。更具體地說，為了提高聲電轉(zhuǎn)換效率，采用提高反射光的運動寬度的技術(shù)方法。以下將對改進本發(fā)明的實施例進行說明。
在此改進發(fā)明中，在襯底9與振動片2之間的光路上設(shè)置透鏡單元60，如圖7所示。
此外，在圖7中，除了透鏡單元60之外，該結(jié)構(gòu)與圖4所示的結(jié)構(gòu)相同，因此采用同樣的參考編號，并省略對其做詳細說明。
設(shè)置在光路上的透鏡單元60將發(fā)光器件LD發(fā)出的入射光聚焦到振動片2上，并將振動片2反射的發(fā)散反射光聚焦到光電檢測單元PD。
可以采用微透鏡或全息照相底片作為透鏡單元60。盡管可以將微透鏡作為一個單元使用，但是也可以利用離子交換方法在板狀光學玻璃上形成透鏡并通過保持它們之間絕對接觸來使用發(fā)光器件和光電檢測單元。
在圖7所示的實施例中，發(fā)光器件與振動片2之間的距離為1.3mm，并在光路上設(shè)置透鏡直徑為0.25mm、放大率為6.5的透鏡單元60。
靠近透鏡單元60的焦點位置設(shè)置振動片2，焦點位置即基準位置。圖7內(nèi)的點a為成像位置。此外，點b為位于被振動片2反射并折回位置的成像位置。此外，圖7所示的狀態(tài)是振動片2被高壓凹進的狀態(tài)。利用透鏡單元60的會聚角確定角度θ，并且在此實施例中，θ＝12度。Δ表示成像位置在光軸上距離基準位置的位移，并利用但是(7)計算此位移，假定M為透鏡單元3的放大率。
Δ＝2×δ×M2＝2×8×6.52(7)如果發(fā)光器件ID與光電檢測單元PD之間的基準距離是透鏡的圖像間基準距離L0，則利用如下等式獲得透鏡與發(fā)光器件LD和光電檢測單元PD之間的距離L的近似值。
L＝L0×M/(1+M) (8)此外，圖7示出振動片2的位移2δ使距離發(fā)光器件LD A/2的位置變成距離B/2的位置。
利用等式(9)近似計算位移+δ時的B/2，利用等式(10)近似計算位移-δ時的A/2。
B/2＝-(Hap)·[L-{L+(2d·M2)-(2δ·M2}]/{L+(2d·M2)-(2δ·M2}(9)A/2＝-(Hap)·[L-{L+(2d·M2)-(2δ·M2}]/{L+(2d·M2)-(2δ·M2}(10)此外，振動片(反射器)2的位移d是距離基準位置的偏移量。而且，如果它被定義為(Hap)＝外部反饋的光通量高度，并且在振動片振幅為+δ時的投影半徑為B/2，而在振動片振幅為δ時的投影半徑為A/2時，光接收部分的投影半徑的變化是這樣的，即如果d為負，則振動片離開透鏡，并且在這種情況下，光通量高度(Hap)為δ/2，因為利用透鏡半徑將光通量全部返回。相反，在振動片接近透鏡時，d變成正，并且外部反饋的光通量高度被降低2d倍，因此光通量高度(Hap)被降低。在此，在振動片2的偏移為±0.5μm，L0＝1.39mm，透鏡直徑(φ)為0.25mm以及M＝6.5情況下，在改變偏移量d時，完成此計算過程并將計算結(jié)果列在表2中。
表2

對于圖2所示的例子，將振動片2設(shè)置在透鏡單元3的焦點位置的情況為基準位置(＝0)，并通過僅將它偏離d并因此將振動片的振幅改變±0.5mm，來進行計算。
從表2所示的結(jié)果可以看出，通過使振動片2再離開透鏡單元3的焦點位置幾個μm，可以增大運動寬度，即可以提高光接收靈敏度。
此外，為了比較透鏡的放大效果，可以與圖4所示的沒有透鏡單元的情況進行比較。
在作為表1所示改進技術(shù)的無透鏡結(jié)構(gòu)情況下，與發(fā)光器件LD發(fā)出的光的輻照角為12度時的運動寬度0.21相比，運動寬度得到顯著提高。
因此，通過在光路上設(shè)置透鏡單元，振動片2反射的反射光的變化是振動片2的位移量δ被放大光放大系數(shù)M的平方倍后的兩倍。
更具體地說，可以獲得振動片2位移量δ的84倍的運動寬度。此外，顯然，本發(fā)明并不局限于光學麥克風裝置，本發(fā)明還可以應(yīng)用于光學傳感器。
接著，將說明根據(jù)本發(fā)明第二發(fā)明的實施例。
圖9示出涉及本發(fā)明第二方面的實施例例子的光學麥克風裝置的頭部結(jié)構(gòu)的剖視圖。
根據(jù)本發(fā)明，這樣設(shè)置安裝在襯底75上的發(fā)光器件73和光電檢測單元74，即發(fā)光面和光接收面平行并且?guī)缀鯚o夾角位于同一個平面上。發(fā)光器件73發(fā)出的光束幾乎垂直于發(fā)光面輻照到振動片72上。
接著，在根據(jù)本發(fā)明利用支點77和78安裝振動片72時，將其相對于襯底75傾斜預定角度θ進行安裝。因為發(fā)光器件73發(fā)出的光束被振動片72反射并到達光電檢測單元74而在入射光與反射光之間形成的夾角等于振動片72的傾斜角θ。
因此，通過將發(fā)光器件73和光電檢測單元74平坦安裝到襯底75上，可以提高生產(chǎn)率。
在此，通過將垂直空腔表面發(fā)光發(fā)光器件用作發(fā)光器件，可以垂直于發(fā)光器件73的發(fā)光面獲得入射光。
此外，對于光電檢測單元74，入射到其的反射光傾斜于光接收面，而與發(fā)光器件相比，光電檢測單元對接收光的入射角的敏感度通常并不非常壞，因此即使入射光未必垂直于光接收面，也不會顯著降低光接收效率。
此外，還可以將圖1所示的VCSEL用作圖9所示結(jié)構(gòu)中的發(fā)光器件73。
在此實施例中，砷化鎵晶片等用作襯底75，并將VCSEL 3和PD 4形成在其上。此外，還可以設(shè)置多個PD 4，并且不必圍繞VCSEL 3同心形成PD 4。通過形成PD 4，可以利用PD 4接收VCSEL 3發(fā)出的發(fā)射光的最高光強部分。此外，在設(shè)置多個PD 4情況下，通過利用倒裝片接合法等將用于從PD 4接收信號的微分放大器(未示出)的電子電路固定在襯底5上，可以實現(xiàn)小型化。
圖10示出振動片72的表面形狀。
如上所述，在將垂直空腔表面發(fā)光發(fā)光器件(VCSEL)用作發(fā)光器件72情況下，發(fā)光面發(fā)出的光以發(fā)射光的均勻光強同心輻照，因此振動片72的光接收面可以是環(huán)形鏡面制成的，所以可以提高其反射率。
圖10所示的斜紋陰影區(qū)72a示出這種鏡面制成區(qū)。此外，還可以僅鏡面制成點狀區(qū)72b，光束入射到點狀區(qū)72b上，如圖10(b)所示。區(qū)域72c表示在將振動片72安裝到支點77和78上時的定位點。
圖11示出用于解釋根據(jù)本發(fā)明的光學麥克風裝置的頭部運行過程的示意圖。
發(fā)光器件73發(fā)出光束的光通量L1投射到以傾斜于襯底75θ角度安裝的振動片72上的預定區(qū)域，在該預定區(qū)域，它被反射變成反射光通量L2，并入射到光電檢測單元74。此時，振動片72因為聲波發(fā)生振動，以致反射光通量L2根據(jù)振動位移的大小發(fā)生變化，如圖實線、虛線以及點劃線所示，并入射到光電檢測單元74的另一個光接收面上。
因此，通過檢測此光接收部分內(nèi)的光信號的大小，可以檢測振動片72的振動位移。
盡管與現(xiàn)有技術(shù)相比，涉及本發(fā)明第二方面的上述結(jié)構(gòu)非常有用，其固有問題是(i)因為通常加寬5度至10度輻照由發(fā)光器件73輻照到振動片上的光通量，并且該光通量被振動片2反射，所以存在通過擴展到光電檢測單元光接收面之外輻照反射光的情況。
(ii)存在因為振動片的振動，使反射光的焦點未必固定在一個光電檢測單元的光接收面上，以致降低光接收效率的情況。
(iii)還存在發(fā)光器件輻照的光束的光軸未必直立垂直于輻照面的情況。
為此，存在的問題是，不能僅通過設(shè)置一個在襯底上的固定位置接收反射光的光電檢測單元，來有效接收所有反射光。
因此，為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的第二方面，采用了一種進一步改進技術(shù)。
圖12示出作為這種改進發(fā)明實施例的例子的光學麥克風裝置的頭部結(jié)構(gòu)的示意圖。此外，在圖12中，用同樣的參考編號表示與圖9和圖11所示部分的相同部分，并省略對其做詳細說明。
在此改進發(fā)明中，圖9或圖11所示的光電檢測單元74被分割為多個光電檢測單元，并以預定方式排列這些光電檢測單元741、742、743、...74n。
因此，利用多個光電檢測單元741、742、743、...74n，可以吸收并接收振動片72反射的所有擴散光通量L2。
由于圖12所示的實施例具有一個發(fā)光器件73和多個光電檢測單元74，所以可以吸收并接收發(fā)光器件73發(fā)出的徑向光束的所有反射光L2。
此外，盡管可以對著發(fā)光器件73線性排列光電檢測單元74，如圖13A所示，但是，例如，也可以以環(huán)形排列多個光電檢測單元741、742、743、…74n，如圖13B所示，也可以以矩形排列它們，如圖13C所示。
此外，不僅可以分割和排列光電檢測單元，而且還可以分割和排列發(fā)光器件73。
圖13D示出象光電檢測單元74那樣，分割并線性排列發(fā)光器件73的情況。此外，圖13E示出分割并以環(huán)形線性排列的發(fā)光器件73，圖13F示出被分割并以矩形排列的發(fā)光器件73。
因此，通過分割發(fā)光器件73并設(shè)置多個被分割的發(fā)光器件73，可以進一步提高發(fā)光效率。
圖10示出振動片72的表面形狀。
如果利用垂直空腔表面發(fā)光發(fā)光器件(VCSEL)作為發(fā)光器件73，則以發(fā)射光的均勻光強同心輻照發(fā)光面發(fā)出的光，因此可以以環(huán)形鏡面制成振動片72的光接收面，以提高其反射率。
圖10所示的斜紋陰影區(qū)72a示出這種鏡面制成區(qū)。此外，還可以僅鏡面制成點狀區(qū)72b，光束入射到點狀區(qū)72b上，如圖10(b)所示。區(qū)域72c表示在將振動片72安裝到支點77和78上時的定位點。
盡管以上以光學麥克風裝置為例對根據(jù)本發(fā)明的光學聲電換能器進行了說明，但是，顯然，本發(fā)明并不局限于此，而且可以廣泛應(yīng)用于聲傳感器等。工業(yè)應(yīng)用如上所述，作為本發(fā)明第一方面的特征，將發(fā)光器件和光電檢測單元同時形成在同一個襯底上，以致其對準角度可以達到1μm甚或更低，即是現(xiàn)有技術(shù)發(fā)光器件與光電檢測單元對準角度的百萬分之一甚或更低。
此外，由于它采用這樣的結(jié)構(gòu)，即在這種結(jié)構(gòu)中，設(shè)置其發(fā)射光光強分布幾乎同心的垂直空腔表面發(fā)光發(fā)光器件，并同心設(shè)置圍繞它的光電檢測單元，所以可以將多個光電檢測單元的輸出用作差分信號以檢測差別并由其輸出此差別。
因此，與利用一個光電檢測單元輸出信號的情況相比，可以降低發(fā)光器件溫度發(fā)生變化、驅(qū)動電流發(fā)生變化等引起的干擾，從而獲得穩(wěn)定信號輸出。
不僅如此，通過在位于發(fā)光器件和光電檢測單元安裝在其上的襯底與振動片之間的透鏡單元的光軸上，同心設(shè)置發(fā)光器件和光電檢測單元，也可以顯著提高反射光的運動寬度。
因此，可以以高S/N比再現(xiàn)聲音，而無需提高放大器的放大因數(shù)。
此外，根據(jù)本發(fā)明的第二方面，對襯底等高設(shè)置發(fā)光器件和光電檢測單元，因此便于安裝發(fā)光器件和光電檢測單元并可以提高生產(chǎn)率。
此外，由于振動片少許傾斜，所以可以認為所安裝的振動片與在其上安裝發(fā)光器件和光電檢測單元的襯底平行。因為此原因，根據(jù)本發(fā)明，盡管包括光學聲電換能器頭部在內(nèi)的部件存在差異，仍可以結(jié)構(gòu)容易聚焦入射光和反射光并具有良好生產(chǎn)率的光學麥克風裝置。
不僅如此，至少對襯底等高設(shè)置多個光電檢測單元以充分接收發(fā)光器件發(fā)出的反射光。因此，可以實現(xiàn)高光接收率光學聲電換能器。
此外，還可以綜合提高S/N比，因為通過細分光電檢測單元并設(shè)置多個細分光電檢測單元，可以抑制光電檢測單元的熱噪聲。
權(quán)利要求
1.一種具有設(shè)置在同一個襯底上的發(fā)光器件和光電檢測單元的光學聲電換能器，其中所述發(fā)光器件發(fā)出的光輻照到對著上述襯底的某個位置安裝的振動片上，并且所述光電檢測單元接收所述振動片反射的反射光以檢測所述振動片的位移，其特征在于，設(shè)置發(fā)射光圍繞發(fā)光區(qū)的中心具有大致均勻同心光強分布的垂直表面發(fā)光發(fā)光器件作為位于所述襯底中心位置的所述發(fā)光器件，并圍繞所述發(fā)光器件設(shè)置所述光電檢測單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學聲電換能器，其中所述光電檢測單元包括多個同心設(shè)置裝置。
3.一種具有差分檢波器的光學聲電換能器，該差分檢波器在屬于不同同心圓的光電檢測單元檢測的信號之間檢測差分信號，從而根據(jù)所述差分檢波器的輸出檢測振動片的位移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之任一所述的光學聲電換能器，其中將所述發(fā)光器件和光電檢測單元同時形成在所述襯底上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之任一所述的光學聲電換能器，所述襯底包括砷化鎵晶片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之任一所述的光學聲電換能器，其中幾乎平行于所述襯底并靠近所述襯底，安裝所述振動片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之任一所述的光學聲電換能器，其中將透鏡單元設(shè)置在所述襯底與所述振動片之間的光路上以使所述發(fā)光器件位于其光軸上，該透鏡單元聚焦所述發(fā)光器件發(fā)出的入射光以使該入射光投射到所述振動片并聚焦所述振動片反射的發(fā)散反射光以使發(fā)散反射光投射到所述光電檢測單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學聲電換能器，其中所述透鏡單元是微透鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學聲電換能器，其中所述透鏡單元是全息照相底片。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至8之任一所述的光學聲電換能器，其中設(shè)置所述透鏡單元以使所述振動片位于比所述透鏡單元的焦點位置稍遠的位置。
11.一種光學聲電換能器，該光學聲電換能器具有振動片，因為聲壓產(chǎn)生振動；發(fā)光器件，用于將光束輻照到所述振動片上；光電檢測單元，用于接收輻照到所述振動片上的所述光束的反射光并輸出對應(yīng)于所述振動片的振動位移的信號；以及襯底，用于安裝所述發(fā)光器件和所述光電檢測單元，其特征在于，以這樣的方式將所述發(fā)光器件和一個或多個所述光電檢測單元設(shè)置在所述襯底上，以致所述發(fā)光器件的發(fā)光面和上述光電檢測單元的光接收面平行并幾乎位于同一個平面上；所述振動片相對于所述襯底傾斜預定角度，所述發(fā)光器件輻照到所述振動片上的所述輻照光束幾乎垂直于所述發(fā)光面；以及所述一個或多個光電檢測單元接收所述振動片反射的所述反射光。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學聲電換能器，將所述入射光輻照到其上的所述振動片區(qū)域由鏡面構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學聲電換能器，其中將所述區(qū)域形成為環(huán)形。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學聲電換能器，其中將所述區(qū)域形成為圓點形。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學聲電換能器，其中對著所述發(fā)光器件線性排列多個所述光電檢測單元。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學聲電換能器，其中環(huán)形排列多個所述光電檢測單元。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學聲電換能器，其中以矩形排列多個所述光電檢測單元。
18.根據(jù)權(quán)利要求11至17之任一所述的光學聲電換能器，其中設(shè)置多個所述發(fā)光器件。
全文摘要
光學聲電換能器接收振動片反射的光并檢測振動片的位移。將發(fā)射光大致具有均勻同心光強分布的表面發(fā)光發(fā)光器件設(shè)置在公共襯底的中心。圍繞發(fā)光器件設(shè)置光電檢測單元。還在襯底與振動片之間在光路上設(shè)置透鏡以會聚發(fā)送到振動片的光和從振動片反射的光。
文檔編號H04R23/00GK1402955SQ00816615
公開日2003年3月12日 申請日期2000年12月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月3日
發(fā)明者小林興弘, 宮原信弘, 武田民主, 服部裕, 宮澤寬 申請人:株式會社建伍