JP2003254821A

JP2003254821A - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP2003254821A
Application number: JP2002060707A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Goto; 吉孝後藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2003-09-10
Anticipated expiration: 2022-03-06
Also published as: JP3882645B2

Abstract

(57)【要約】【課題】選択的に赤外線を透過させるフィルタを介し
て透過してくる赤外線を赤外線検出素子によって検出す
る赤外線センサにおいて、温度補正回路を不要として出
力誤差を低減可能とする。【解決手段】一面から他面へ貫通する貫通穴１１を有
するステム１０と、貫通穴１１を塞ぐようにステム１０
に接合されたフィルタ２０と、ステム１０の一面側に位
置するフィルタ２０の面に接合された赤外線検出素子４
０とを備え、ステム１０の他面側から貫通穴１１を介し
て入射される赤外線を、フィルタ２０を透過させて赤外
線検出素子４０に受光させるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、選択的に赤外線を
透過させるフィルタを介して、透過してくる赤外線を検
出するようにした赤外線センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の赤外線センサとして
は、特開平１１−３３７４１４号公報に記載のものが提
案されている。このものは、ステムの一面上に赤外線検
出素子を実装し、その上を金属製のキャップで被覆して
パッケージを構成している。ここで、キャップには、赤
外線検出素子に対向する部位に開口部が形成され、この
開口部には、選択的に赤外線を透過させるフィルタが設
けられている。

【０００３】このようなセンサにおいては、フィルタを
透過してくる赤外線が赤外線検出素子に受光される。そ
して、該検出素子の検出部の温度とそれ以外の基準部と
の温度との温度差を求め、受光した赤外線の量を求める
ことで、被測定体の温度等が計測可能となっている。

【０００４】ここで、上記従来のセンサにおいては、赤
外線により温度上昇したフィルタから赤外線が発せら
れ、この赤外線が検出素子に輻射される。すると、この
赤外線輻射によって、赤外線検出素子の検出部の温度は
本来測定すべき赤外線による変化以外にも、この赤外線
輻射による変化分も加わり、センサ出力に誤差を生じる
こととなる。

【０００５】例えば、被測定体が赤外線センサから取り
除かれた後でも、温度上昇したフィルタからの赤外線輻
射が続いて、これが赤外線検出素子に受光されることに
よって、センサ出力の誤差となるような場合がある。

【０００６】そのため、上記従来のものでは、フィルタ
に該フィルタの温度を検出するためのサーミスタを取り
付け、赤外線検出素子の温度とフィルタの温度との差か
ら生じる出力誤差要因を取り除くようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
誤差要因を取り除くためには、赤外線検出素子の検出温
度を補正することが行われるが、そのため、温度補正用
の回路が必要になり、センサの構成が複雑になってしま
う。

【０００８】本発明は上記問題に鑑み、温度補正回路を
不要として出力誤差を低減可能な赤外線センサを提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、一面から他面へ貫通す
る貫通穴（１１）を有するステム（１０）と、貫通穴を
塞ぐようにステムに接合されたフィルタ（２０）と、ス
テムの一面側に位置するフィルタの面に接合された赤外
線検出素子（４０）とを備え、ステムの他面側から貫通
穴を介して入射される赤外線を、フィルタを透過させて
赤外線検出素子に受光させるようになっていることを特
徴とする。

【００１０】それによれば、フィルタと赤外線検出素子
とが一体化されているので、フィルタ温度と赤外線検出
素子温度との温度差を極力小さくすることができる。

【００１１】また、上記従来公報に記載の赤外線センサ
では、キャップにフィルタが取り付けられているが、本
来キャップは支持部であるステムに溶接されるため薄い
金属からなる。そのため、キャップの熱伝導率は小さ
く、フィルタの温度上昇を招きやすい。

【００１２】その点、本発明では、比較的熱容量を大き
くすることのできるステムに対してフィルタが直に接合
されているので、フィルタの温度上昇を抑制することが
できる。

【００１３】よって、本発明によれば、赤外線検出素子
の温度とフィルタの温度との差から生じる出力誤差要因
を抑制することができ、温度補正回路を不要として出力
誤差を低減可能な赤外線センサを提供することができ
る。

【００１４】また、赤外線検出素子をパッケージで気密
に封止することは、外部環境温度等のセンサ出力に与え
る外乱を排除するためには好ましいが、上述したよう
に、従来では、パッケージとして金属製のキャップを用
いていた。これは、できるだけフィルタの放熱を良くし
て赤外線検出素子との温度差を小さくするためである。

【００１５】それに対して、本発明では、フィルタ温度
と赤外線検出温度との差を極力小さくでき、また、フィ
ルタの放熱はステムによって確保できるため、特に、金
属製のキャップをパッケージとして用いる必要が無くな
る。

【００１６】そこで、このようなパッケージとしては、
請求項２に記載の発明のように、ステム（１０）の一面
にて、フィルタ（２０）および赤外線検出素子（４０）
を覆って封止するように設けられた樹脂パッケージ（７
０）を用いることができる。

【００１７】それによれば、従来の金属製のキャップに
比べて成形しやすいため、パッケージ形状の設計自由度
が高くなるという利点がある。

【００１８】また、請求項３に記載の発明では、一面側
に凹部（２３）を有するフィルタ（２０）と、凹部を閉
塞空間とするように凹部を覆う形でフィルタの一面側に
接合された赤外線検出素子（４０）とを備え、凹部に対
応するフィルタの他面から透過してくる赤外線を、赤外
線検出素子に受光させるようになっていることを特徴と
する。

【００１９】それによれば、フィルタの凹部と赤外線検
出素子との間を閉塞空間とすることで、この閉塞空間を
気密な空間にすることができる。そして、赤外線検出素
子の検出部は、当該閉塞空間の内部に設けられた形とな
り、センサ出力の外乱を抑制した気密構造を実現するこ
とができる。

【００２０】また、本発明においても、フィルタと赤外
線検出素子とを接合して一体化しているので、フィルタ
温度と赤外線検出素子温度との温度差を極力小さくする
ことができる。よって、温度補正回路を不要として出力
誤差を低減可能な赤外線センサを提供することができ
る。

【００２１】また、請求項４に記載の発明では、請求項
３に記載の赤外線センサにおいて、凹部（２３）に対応
するフィルタ（２０）の他面側を露出させた状態で、フ
ィルタおよび赤外線検出素子を包み込むように封止する
ための樹脂パッケージ（９０）が備えられていることを
特徴とする。

【００２２】それによれば、樹脂パッケージを用いるこ
とで、従来の金属製のパッケージに比べて気密構造を容
易に形成することができ、パッケージ形状の設計自由度
も高くなる。

【００２３】さらに、請求項５に記載の発明では、フィ
ルタ（２０）における凹部（２３）の底面は、凸レンズ
形状をなしていることを特徴とする。それによれば、被
測定体からの赤外線を、赤外線検出素子の検出部に集光
しやすくでき、出力感度の向上に有利である。

【００２４】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。なお、以下の各実施形態相互におい
て互いに同一部分には、図中、同一符号を付してある。

【００２６】（第１実施形態）図１は、本発明の第１実
施形態に係る赤外線センサＳ１の概略断面図である。ス
テム１０は、その一面（図中、上面）から他面（図中、
下面）へと貫通する貫通穴１１を有するもので、金属板
を切削加工やプレス加工する等により形成されたもので
ある。

【００２７】このステム１０の一面上には、選択的に赤
外線を透過させるフィルタ２０が、ステム１０の貫通穴
１１を塞ぐようにステム１０に対して接着剤３０によっ
て直に接合されている。

【００２８】このフィルタ２０はシリコンやゲルマニウ
ムなどの赤外線に対して透明な単結晶体もしくはセラミ
ックスからなるもので、ダイシング等による切り出し加
工により形成される。このフィルタ２０におけるステム
１０の一面側に位置する面すなわちフィルタ２０の上面
には、スパッタや蒸着等により形成されたアルミ配線２
１が形成されている。

【００２９】そして、フィルタ２０の上面には、サーモ
パイルタイプ等の赤外線検出素子４０が搭載され接合さ
れている。本例では、赤外線検出素子４０は、アルミ配
線２１に対してはんだバンプ２２を介して電気的・機械
的に接合されている。

【００３０】本例では、赤外線検出素子４０は、シリコ
ン等の半導体基板に薄肉部としてのメンブレンを形成し
たサーモパイル式のものであり、当該半導体基板の厚肉
部を基準点とし、この基準点の温度とメンブレンに位置
する赤外線検出部４１の温度との温度差に対応した電圧
信号を発生するものである。

【００３１】また、ステム１０には、上記検出素子４０
からの電圧信号を外部へ出力するためのリードピン５０
が設けられている。このリードピン５０は、ステム１０
における貫通穴１１の周囲に設けられた挿入孔に挿入さ
れており、ハーメチックガラス５１によってシールされ
た構造となっている。

【００３２】そして、ステム１０の一面側に突出するリ
ードピン５０とフィルタ２０の上面に形成されたアルミ
配線２１とは、金やアルミ等のボンディングワイヤ６０
によって結線され電気的に接続されている。それによっ
て、赤外線検出素子４０からの電圧信号は、アルミ配線
２１、ボンディングワイヤ６０、リードピン５０を通っ
て外部に出力可能となっている。

【００３３】また、ステム１０の一面には樹脂や金属か
らなるキャップ７０が設けられており、このキャップ７
０によってフィルタ２０および赤外線検出素子４０が覆
われて気密に封止されている。本例では、キャップ７０
として、従来の金属とは異なり、エポキシ樹脂等の樹脂
を型成形する等により作られた樹脂パッケージを採用し
ている。

【００３４】キャップ７０が金属の場合は、キャップ７
０はステム１０に溶接により接合されるが、本例の樹脂
パッケージとしてのキャップ７０は、接着剤等によって
ステム１０の一面に接着されている。

【００３５】そして、キャップ７０とステム１０との間
の気密空間は、フィルタ２０を透過してくる赤外線を吸
収しないように、真空雰囲気または赤外線を吸収しない
窒素や不活性ガスが封入されたものとなっている。この
ように、赤外線検出素子４０をパッケージで気密に封止
することは、外部環境温度等のセンサ出力に与える外乱
を排除するためには好ましい。

【００３６】なお、上記気密空間は、真空にするのが最
も断熱効率が良くなって好ましいが、パッケージ構造に
おける或る部分からの漏れ等による真空度の変動を避け
るため、窒素や不活性ガスを封入することも行われる。

【００３７】このような赤外線センサＳ１においては、
図１中の白抜き矢印に示すように、ステム１０の他面側
から貫通穴１１を介して入射される赤外線を、フィルタ
２０を透過させて赤外線検出素子４０の赤外線検出部４
１に受光させるようになっている。そして、受光された
赤外線のエネルギーは電圧信号に変換されて、リードピ
ン５０から外部へ出力される。

【００３８】また、この赤外線センサＳ１は、例えば、
貫通穴１１およびリードピン５０を備えるステム１０を
用意し、このステム１０にフィルタ２０、赤外線検出素
子４０を組み付けた後、ワイヤボンディングを行い、真
空中もしくは窒素や不活性ガス雰囲気中にてキャップ７
０を組み付けることで製造することができる。

【００３９】ところで、本実施形態によれば、フィルタ
２０と赤外線検出素子４０とが一体化されているので、
フィルタ温度と赤外線検出素子温度との温度差を極力小
さくすることができる。

【００４０】また、本実施形態では、比較的熱容量を大
きくすることのできるステム１０に対してフィルタ２０
が直に接合されているので、従来のように比較的熱容量
の低い金属キャップに取り付けられていたフィルタに比
べて、本フィルタ２０の温度上昇を抑制することができ
る。

【００４１】よって、本実施形態によれば、赤外線検出
素子４０の温度とフィルタ２０の温度との差から生じる
出力誤差要因を抑制することができ、温度補正回路を不
要として出力誤差を低減可能な赤外線センサＳ１を提供
することができる。

【００４２】また、本実施形態では、フィルタ温度と赤
外線検出温度との差を極力小さくでき、また、フィルタ
２０の放熱はステム１０によって確保できるため、従来
のように、金属製のキャップをパッケージとして用いる
必要が無くなる。

【００４３】そのため、本実施形態では、好ましい例と
して樹脂パッケージをキャップ７０として用いている
が、この樹脂パッケージは従来の金属製のキャップに比
べて成形しやすいため、パッケージ形状の設計自由度が
高くなるという利点がある。

【００４４】（第２実施形態）図２は、本発明の第２実
施形態に係る赤外線センサＳ２の概略断面図である。以
下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。本実施
形態においても、赤外線検出素子４０はサーモパイルタ
イプ等の検出部と基準点との温度差も基づいて赤外線検
出を行うものである。

【００４５】そして、本例でも、赤外線検出素子４０
は、シリコン等の半導体基板に薄肉部としてのメンブレ
ンを形成したサーモパイル式のものであり、当該半導体
基板の厚肉部を基準点とし、この基準点の温度とメンブ
レンに位置する赤外線検出部４１の温度との温度差に対
応した電圧信号を発生するものである。

【００４６】この赤外線検出素子４０の上には、選択的
に赤外線を透過させるフィルタ２０が搭載され、接合さ
れている。接合の方法は、接着剤、陽極接合、直接接合
（酸化膜を介した接着等）、はんだ接合などを採用する
ことができる。

【００４７】このフィルタ２０は、その一面（図中、下
面）側に凹部２３を有するもので、上記第１実施形態と
同様、シリコンやゲルマニウムなどの赤外線に対して透
明な単結晶体もしくはセラミックスからなる。

【００４８】ここで、フィルタ２０の凹部２３は、例え
ばシリコン半導体センサの製造工程を応用して作ること
ができる。例えばシリコン基板を異方性エッチングやド
ライエッチングを用いて加工することにより凹部２３を
形成することができる。本例では、好ましい形態とし
て、図３に示すように、フィルタ２０における凹部２３
の底面は、凸レンズ形状をなしている。

【００４９】このような凸レンズ形状は、フォトリソグ
ラフ技術を用いてエッチングマスクを作る際に、該マス
クに厚肉部と薄肉部を形成し、このようなマスクを用い
てドライエッチングしていくことで、凹部２３の底面が
凸形状となるため形成される。

【００５０】そして、フィルタ２０の一面側に接合され
た赤外線検出素子４０によって、凹部２３は覆われ、閉
塞空間としての空洞部８０が形成されている。ここで、
フィルタ２０と赤外線検出素子４０とを接合するとき、
雰囲気を窒素や不活性ガスなどにすることにより、空洞
部８０の内部が窒素等にて充填された気密な空間とな
る。

【００５１】これにより、赤外線検出素子４０の赤外線
検出部４１の近傍の熱伝導が抑えられる。つまり、赤外
線検出部４１は、熱伝導の低い気密空間としての空洞部
８０の内部に設けられた形となっている。このように、
本実施形態では、従来のパッケージ構造としなくても、
赤外線検出素子４０とフィルタ２０とを接合したチップ
の状態において、センサ出力の外乱を抑制した気密構造
が実現されている。

【００５２】また、このようにフィルタ２０と一体化さ
れた赤外線検出素子４０は、樹脂パッケージ９０の底面
上に搭載され、赤外線検出素子４０と当該底面とは接着
剤等により接合固定されている。この樹脂パッケージ９
０は、エポキシ樹脂等の樹脂を型成形することで作られ
た容器状のものである。

【００５３】本例では、赤外線検出素子４０は、赤外線
検出部４１がメンブレンに設けられたものであり、樹脂
パッケージ９０と赤外線検出素子４０のメンブレンとの
接合により両者の間にも、気密な空間としての空洞部８
１が形成されている。

【００５４】ここで、メンブレン式の赤外線検出素子４
０においては、当該素子４０におけるメンブレンの部分
と厚肉部との温度差を測定に用いているため、当該メン
ブレンの下の空洞部８１も断熱性の大きいことが好まし
い。

【００５５】そこで、樹脂パッケージ９０と赤外線検出
素子４０との接合も、上記赤外線検出素子４０とフィル
タ２０との接合と同様、接合雰囲気を窒素や不活性ガス
などにすることが好ましい。それにより、空洞部８１の
内部が窒素等にて充填され熱伝導性の小さい気密な空間
となる。

【００５６】また、樹脂パッケージ９０の適所には、金
属等からなるリード９１がインサート成形等により設け
られており、このリード９１と赤外線検出素子４０とは
ボンディングワイヤ６０により結線され、電気的に接続
されている。それによって、赤外線検出素子４０からの
電圧信号は、ボンディングワイヤ６０、リード９１を通
って外部に出力可能となっている。

【００５７】また、赤外線検出素子４０の周辺部および
ボンディング６０、ワイヤ６０とリード９１との接続部
は、シリコーンゲル等のゲル１００により覆われてい
る。これは、赤外線検出素子４０の周辺部に信号処理用
の増幅回路などを形成している場合は、その保護として
ゲル１００を設けるものである。なお、このゲル１００
は必要に応じて設ければ良く、無くても良い。

【００５８】このようにして、一体化されたフィルタ２
０および赤外線検出素子４０は、凹部２３に対応するフ
ィルタ２０の他面側を露出させた状態で、樹脂パッケー
ジ９０およびゲル１００によって包み込まれ封止されて
いる。

【００５９】そして、凹部２３に対応するフィルタ２０
の他面側を露出させた状態で、樹脂パッケージ９０の開
口部を覆うように、樹脂パッケージ９０には樹脂カバー
９２が接着等にて接合固定されている。この樹脂カバー
９２も樹脂パッケージ９０と同様の材質や作り方とする
ことができる。

【００６０】このような赤外線センサＳ２においては、
図２中の白抜き矢印に示すように、凹部２３に対応する
フィルタ２０の他面側からフィルタ２０を透過してくる
赤外線を、赤外線検出素子４０の検出部４１に受光させ
るようになっている。そして、受光された赤外線のエネ
ルギーは電圧信号に変換されて、リード９１から外部へ
出力される。

【００６１】また、この赤外線センサＳ２は、例えば、
リード９１を備える樹脂パッケージ９０を用意し、この
樹脂パッケージ９０に、一体化したフィルタ２０および
赤外線検出素子４０を組み付けた後、ワイヤボンディン
グを行い、ゲル１００を塗布・硬化させて形成し、最後
に樹脂カバー９２を組み付けることで製造することがで
きる。

【００６２】ところで、本実施形態によれば、一面側に
凹部２３を有するフィルタ２０に対し、その一面側に赤
外線検出素子４０を接合し、この赤外線検出素子４０に
よって凹部２３を覆って閉塞空間である空洞部８０を形
成している。

【００６３】それにより、フィルタ２０と赤外線検出素
子４０とを一体化したチップの状態にて、空洞部８０を
気密な空間にすることができる。そして、赤外線検出素
子４０の赤外線検出部４１は、当該空洞部８０の内部に
設けられた形となり、センサ出力の外乱を抑制した気密
構造を実現することができる。

【００６４】また、本実施形態においても、フィルタ２
０と赤外線検出素子４０とを接合して一体化しているの
で、フィルタ温度と赤外線検出素子温度との温度差を極
力小さくすることができる。よって、温度補正回路を不
要として出力誤差を低減可能な赤外線センサＳ２を提供
することができる。

【００６５】さらに、本実施形態では、凹部２３に対応
するフィルタ２０の他面側を露出させた状態で、フィル
タ２０および赤外線検出素子４０を包み込むように封止
するための樹脂パッケージ９０が備えられている。それ
によれば、樹脂パッケージ９０を用いることで、従来の
金属製のパッケージに比べて気密構造を容易に形成する
ことができ、パッケージ形状の設計自由度も高くなる。

【００６６】さらに、本実施形態では、好ましい形態と
して、フィルタ２０における凹部２３の底面を凸レンズ
形状としている。それによれば、被測定体からの赤外線
を、赤外線検出素子４０の検出部４１に集光しやすくで
き、出力感度の向上に有利である。

【００６７】なお、本実施形態では、図２に示すような
一体化したフィルタ２０および赤外線検出素子４０だけ
で、赤外線センサを構成しても良く、それによっても、
上述の通り、センサ出力の外乱を抑制した気密構造の実
現、および、温度補正回路を不要として出力誤差の低減
が可能な赤外線センサを提供することができる。

【００６８】そして、このような一体化したフィルタ２
０および赤外線検出素子４０を、樹脂でモールドする形
でパッケージ化しても良い。

【００６９】以上、各実施形態にて述べたように、フィ
ルタ２０と赤外線検出素子４０とを接合して一体化した
構成により、フィルタ温度と赤外線検出素子温度との温
度差を極力小さくすることができ、温度補正回路を不要
として出力誤差を低減可能な赤外線センサを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る赤外線センサの概
略断面図である。

【図２】本発明の第２実施形態に係る赤外線センサの概
略断面図である。

【図３】上記第２実施形態に係るフィルタ単体の断面構
成の一例を示す図である。

【符号の説明】

１０…ステム、１１…貫通穴、２０…フィルタ、２３…
凹部、４０…赤外線検出素子、７０…キャップ、９０…
樹脂パッケージ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一面から他面へ貫通する貫通穴（１１）
を有するステム（１０）と、前記貫通穴を塞ぐように前記ステムに接合されたフィル
タ（２０）と、前記ステムの一面側に位置する前記フィルタの面に接合
された赤外線検出素子（４０）とを備え、前記ステムの他面側から前記貫通穴を介して入射される
赤外線を、前記フィルタを透過させて前記赤外線検出素
子に受光させるようになっていることを特徴とする赤外
線センサ。
【請求項２】前記ステム（１０）の一面には、前記フ
ィルタ（２０）および前記赤外線検出素子（４０）を覆
って封止するための樹脂からなる樹脂パッケージ（７
０）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載
の赤外線センサ。
【請求項３】一面側に凹部（２３）を有するフィルタ
（２０）と、前記凹部を閉塞空間とするように前記凹部を覆う形で前
記フィルタの一面側に接合された赤外線検出素子（４
０）とを備え、前記凹部に対応する前記フィルタの他面から透過してく
る赤外線を、前記赤外線検出素子に受光させるようにな
っていることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項４】前記凹部（２３）に対応する前記フィル
タ（２０）の他面側を露出させた状態で、前記フィルタ
および前記赤外線検出素子を包み込むように封止するた
めの樹脂パッケージ（９０）が備えられていることを特
徴とする請求項３に記載の赤外線センサ。
【請求項５】前記フィルタ（２０）における前記凹部
（２３）の底面は、凸レンズ形状をなしていることを特
徴とする請求項３または４に記載の赤外線センサ。