JP2003270047A - Infrared sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線検出用のセ
ンサ素子とこのセンサ素子からの信号処理などを行う回
路基板とを備える赤外線センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の赤外線センサは、民生用
としては例えばエアコン、体温計、電子レンジ等におい
て主に温度検出の用途に適用されている。また、自動車
用エアコンにおいても、車室内温度検出の用途に今後適
用されることが期待されている。
【０００３】このような赤外線センサとしては、従来、
センサ素子のみを缶により封止する缶パッケージ構造と
し、この缶パッケージの外部にて、センサ素子の信号処
理用の回路基板をセンサ素子と電気的に接続するように
したタイプや、上記缶パッケージ内にてセンサ素子と上
記回路基板とを横並びに設置したタイプがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た各タイプの赤外線センサでは、回路基板の搭載スペー
スがセンサ素子の搭載スペースとは別個に必要であり、
総じて外形が大きくなってしまうという問題がある。
【０００５】このような問題に対して、本発明者は、回
路基板に直接、センサ素子を搭載することを検討した。
【０００６】ここにおいて、赤外線検出用のセンサ素子
は、シリコン基板等に対して、その一面側から凹部を形
成することによりメンブレン部が形成されるとともに該
メンブレン部の周辺部が厚肉部となった構成を有する。
これは、断熱性の良いメンブレン部に検出部を設けるこ
とで検出感度を向上させるためである。
【０００７】そして、このようなメンブレン部を有する
センサ素子を回路基板上に搭載した場合、センサ素子の
一面側における厚肉部の全面と回路基板とを接着等にて
固定することとなる。しかし、この場合、メンブレン部
の下に位置する凹部内の空間が、外部から遮断された密
閉空間となる。
【０００８】このような密閉空間が形成されると、セン
サに熱が加わった場合などに当該密閉空間内の体積が熱
膨張し、その結果、センサ素子のなかでも比較的強度の
弱いメンブレン部が破壊する恐れが出てくる。
【０００９】そこで、本発明は上記問題に鑑み、メンブ
レン部を有するセンサ素子を回路基板に直接搭載して小
型化を図るにあたって、熱によるセンサ素子の破壊を防
止可能な赤外線センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【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、回路基板（２０）と、
一面側から凹部（３１）を形成することによりメンブレ
ン部（３２）が形成されるとともにメンブレン部の周辺
部が厚肉部（３３）となっている赤外線検出用のセンサ
素子（３０）とを備える赤外線センサにおいて、センサ
素子は、その一面側における厚肉部にて接着材（４０）
を介して回路基板の一面側に固定されており、センサ素
子の一面側の厚肉部と回路基板の一面側との間には、接
着材が設けられていない領域としての隙間部（５０）が
形成されていることを特徴とする。
【００１１】それによれば、センサ素子（３０）と回路
基板（２０）との間に形成された隙間部（５０）を介し
て、凹部（３１）内の空間と外部とが連通した形にする
ことができ、該凹部内の空間が密閉空間となるのを防止
することができる。
【００１２】よって、本発明によれば、メンブレン部を
有するセンサ素子を回路基板に直接搭載して小型化を図
ることができ、さらに、このようにして小型化を図るに
あたって、熱によるセンサ素子の破壊を防止可能な赤外
線センサを提供することができる。
【００１３】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。
【００１４】
【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。図１は本発明の実施形態に係る赤外
線センサＳ１の構成図であって、（ａ）は概略断面図で
あり、（ｂ）は（ａ）の上方から見たときのキャップ７
０内部の構成を示す図である。なお、（ａ）ではワイヤ
６０の一部を省略してある。
【００１５】ステム１０は、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。このステム１
０の一面上には、プリント基板やセラミック基板等から
なる回路基板２０が、シリコーン系接着剤等からなる接
着材等を介して搭載され固定されている。
【００１６】この回路基板２０の一面上には、赤外線検
出用のセンサ素子３０が搭載されており、センサ素子３
０と回路基板２０とは、接着材４０を介して直接接着さ
れている。この回路基板２０は、センサ素子３０からの
検出信号を信号処理する等の役割を担うものである。
【００１７】このセンサ素子３０は、シリコン等の半導
体基板に対して、その一面側から凹部３１を形成するこ
とにより薄肉部としてのメンブレン部３２が形成された
ものである。そして、センサ素子３０におけるメンブレ
ン部３２の周辺部は、メンブレン部３２よりも厚い厚肉
部３３となっている。
【００１８】例えば、センサ素子３０はサーモパイル式
のものであり、厚肉部３３を基準点とし、この基準点の
温度とメンブレン部３２に位置する検出部（図示せず）
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。
【００１９】ここで、センサ素子３０と回路基板２０と
を接着している接着材４０は、シリコーン系接着剤等に
樹脂ビーズを含有させたものからなる。そして、この接
着材４０を介して、センサ素子３０の一面側における厚
肉部３３と回路基板２０の一面側とが固定されている。
接着材４０に含まれる上記樹脂ビーズによって接着材４
０の厚さ（高さ）は２０μｍ以上（本例では２８μｍ程
度）に維持されている。
【００２０】本実施形態では、図１に示すように、接着
材４０は、センサ素子３０の一面側の厚肉部３３の全周
に設けられたものではなく、当該厚肉部３３と回路基板
２０の一面側との間には、接着材４０が設けられていな
い領域がある。そして、この領域が隙間部５０として形
成されている。
【００２１】この隙間部５０を介して、凹部３１内の空
間とセンサ素子３０の外部とが連通した形になってい
る。ここで、隙間部５０の間隔は上記接着材４０の厚さ
相当となるが、当該隙間部５０の間隔も２０μｍ以上あ
ることが好ましい。
【００２２】また、ステム１０には、厚さ方向に貫通す
る貫通穴に挿入されたリードピン１１が形成されてお
り、当該貫通穴においてリードピン１１とステム１０と
の間は、ハーメチックガラス１２によってシールされて
いる。
【００２３】そして、ステム１０の一面側において、セ
ンサ素子３０の電極３４、回路基板２０の電極２１、お
よび、リードピン１１の間は、金やアルミ等からなるワ
イヤ６０により結線され電気的に接続されている。な
お、図１中、ワイヤ６０は太線にて示してある。また、
リードピン１１は、ステム１０の他面側において外部と
電気的に接続されるようになっている。
【００２４】これによってセンサ素子３０からの電圧信
号は、回路基板２０にて増幅や調整等の処理に供された
後、リードピン１１から外部に出力可能となっている。
【００２５】また、ステム１０の一面上には、金属等か
らなるキャップ７０が設けられている。このキャップ７
０のうちセンサ素子３０のメンブレン部３２と対向する
部位には、開口部７１が形成されており、この開口部７
１は、選択的に赤外線を透過させるフィルタ８０により
閉塞されている。このフィルタ８０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。
【００２６】このようなキャップ７０は、溶接や接着等
によりステム１０に固定され、キャップ７０の内部は、
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。そして、このキャップ７０によって回路
基板２０、センサ素子３０が気密に封止されている。
【００２７】このような赤外線センサＳ１においては、
フィルタ８０を透過してキャップ７０内に入射してくる
赤外線を、センサ素子３０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センサ素
子３０によって電圧信号に変換され、この電圧信号は回
路基板２０にて信号処理されてリードピン１１から外部
へ出力される。
【００２８】また、この赤外線センサＳ１は、例えば、
次のようにして製造することができる。リードピン１１
を備えるステム１０を用意し、このステム１０に回路基
板２０を接着する。また、回路基板２０の一面に、図１
（ｂ）に示すようなパターンにて接着材４０を配置し、
そのパターン上にセンサ素子３０を搭載した後、接着材
４０を硬化させる。
【００２９】その後、ワイヤボンディングを行って、セ
ンサ素子３０、回路基板２０、および、リードピン１１
の間をワイヤ６０により結線する。そして、窒素雰囲気
中にてキャップ７０をステム１０に溶接する。このよう
にして、上記赤外線センサＳ１が完成する。
【００３０】ところで、本実施形態では、回路基板２０
にセンサ素子３０を直接搭載してセンサの小型化を図る
ことができる。さらに、接着材４０を、センサ素子３０
の一面側の厚肉部３３の全周に設けずに、当該厚肉部３
３と回路基板２０の一面側との間に、接着材４０が設け
られていない領域を設け、この領域を隙間部５０として
構成している。
【００３１】それによれば、センサ素子３０と回路基板
２０との間に形成された隙間部５０を介して、凹部３１
内の空間と外部とが連通した形にすることができ、凹部
３１内の空間が密閉空間となるのを防止することができ
る。そのため、メンブレン部３２を有するセンサ素子３
０を回路基板２０に直接搭載してセンサの小型化を図る
にあたって、熱によるセンサ素子３０の破壊を防止する
ことができる。
【００３２】（他の実施形態）なお、センサ素子３０と
回路基板２０との間に設ける接着材４０のパターンは、
隙間部５０が形成されていれば良く、上記図１のパター
ンに限定されるものではない。例えば、図２（ａ）、
（ｂ）のようであっても良い。
【００３３】図２（ａ）は、センサ素子３０の一辺のみ
に隙間部５０を設けた例である。また、図２（ｂ）は、
接着材４０を不連続的に設け、各接着材４０の間に隙間
部５０を形成した例である。なお、図２ではワイヤ６０
は省略してある。そして、これらの場合であっても上記
実施形態と同様の効果が得られる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an infrared sensor having a sensor element for detecting infrared rays and a circuit board for processing signals from the sensor element. 2. Description of the Related Art Conventionally, this type of infrared sensor is mainly used for temperature detection in a consumer air conditioner, a thermometer, a microwave oven, and the like. In addition, it is expected that an air conditioner for an automobile will be applied in the future for use in detecting the temperature in a vehicle interior. [0003] As such an infrared sensor, conventionally,
A can package structure in which only the sensor element is sealed with a can, and a type in which a circuit board for signal processing of the sensor element is electrically connected to the sensor element outside the can package; There is a type in which the sensor element and the circuit board are arranged side by side. [0004] However, in each type of infrared sensor described above, the mounting space for the circuit board is required separately from the mounting space for the sensor element.
There is a problem that the outer shape becomes large as a whole. In order to solve such a problem, the present inventor has studied mounting a sensor element directly on a circuit board. Here, in the sensor element for infrared detection, a membrane portion is formed by forming a concave portion from one surface side of a silicon substrate or the like, and a peripheral portion of the membrane portion becomes a thick portion. It has a configuration.
This is because the detection sensitivity is improved by providing the detection unit in the membrane part having good heat insulation properties. When the sensor element having such a membrane portion is mounted on a circuit board, the entire surface of the thick portion on one side of the sensor element and the circuit board are fixed by bonding or the like. However, in this case, the space in the concave portion located below the membrane portion is a closed space that is shielded from the outside. When such a sealed space is formed, the volume in the sealed space thermally expands when heat is applied to the sensor, and as a result, a relatively weak membrane portion among the sensor elements is formed. There is a risk of destruction. In view of the above problems, the present invention provides an infrared sensor capable of preventing the sensor element from being destroyed by heat when the sensor element having a membrane portion is directly mounted on a circuit board to reduce the size. Aim. In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a circuit board (20) is provided.
A sensor element (30) for infrared detection, in which a membrane portion (32) is formed by forming a concave portion (31) from one surface side and a peripheral portion of the membrane portion is a thick portion (33). In the infrared sensor, the sensor element has an adhesive (40) at a thick portion on one surface side.
A gap portion (50) between the thick portion on one surface side of the sensor element and the one surface side of the circuit board as a region where no adhesive is provided, Is formed. According to this, the space in the recess (31) and the outside are communicated through the gap (50) formed between the sensor element (30) and the circuit board (20). It is possible to prevent the space inside the recess from becoming a closed space. Therefore, according to the present invention, the sensor element having the membrane portion can be directly mounted on the circuit board to reduce the size. Further, in order to reduce the size in this manner, the sensor element may be thermally heated. An infrared sensor capable of preventing destruction can be provided. The reference numerals in parentheses of the above means are examples showing the correspondence with specific means described in the embodiments described later. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention shown in the drawings will be described. FIG. 1 is a configuration diagram of an infrared sensor S1 according to an embodiment of the present invention, in which (a) is a schematic cross-sectional view, and (b) is a cap 7 when viewed from above (a).
FIG. 3 is a diagram showing a configuration inside 0. Note that a part of the wire 60 is omitted in FIG. The stem 10 is formed by cutting or pressing a metal plate. This stem 1
A circuit board 20 made of a printed board, a ceramic board, or the like is mounted and fixed on one surface of the board 0 via an adhesive made of a silicone-based adhesive or the like. On one surface of the circuit board 20, a sensor element 30 for detecting infrared rays is mounted.
0 and the circuit board 20 are directly bonded via an adhesive 40. The circuit board 20 has a role of performing signal processing on a detection signal from the sensor element 30 and the like. The sensor element 30 is formed by forming a concave portion 31 from one surface side of a semiconductor substrate such as silicon to form a membrane portion 32 as a thin portion. The periphery of the membrane part 32 in the sensor element 30 is a thick part 33 thicker than the membrane part 32. For example, the sensor element 30 is of a thermopile type, having a thick portion 33 as a reference point, a temperature at the reference point, and a detecting portion (not shown) located at the membrane portion 32.
A voltage signal corresponding to a temperature difference from the temperature is generated. Here, the bonding material 40 for bonding the sensor element 30 and the circuit board 20 is made of a silicone adhesive or the like containing resin beads. The thick portion 33 on one side of the sensor element 30 and the one side of the circuit board 20 are fixed via the adhesive 40.
The adhesive material 4 is formed by the resin beads contained in the adhesive material 40.
The thickness (height) of 0 is maintained at 20 μm or more (about 28 μm in this example). In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the adhesive 40 is not provided on the entire periphery of the thick portion 33 on one surface side of the sensor element 30, but the thick portion 33 and the circuit board are not provided. There is a region between the first surface 20 and the first surface 20 where the adhesive 40 is not provided. This region is formed as a gap 50. The space inside the recess 31 and the outside of the sensor element 30 communicate with each other through the gap 50. Here, the interval between the gaps 50 is equivalent to the thickness of the adhesive 40, and the interval between the gaps 50 is preferably 20 μm or more. The stem 10 has a lead pin 11 inserted into a through hole penetrating in the thickness direction. In the through hole, a space between the lead pin 11 and the stem 10 is sealed by a hermetic glass 12. ing. On one surface of the stem 10, the electrodes 34 of the sensor element 30, the electrodes 21 of the circuit board 20, and the lead pins 11 are connected and electrically connected by wires 60 made of gold, aluminum, or the like. ing. In FIG. 1, the wire 60 is indicated by a thick line. Also,
The lead pins 11 are electrically connected to the outside on the other surface side of the stem 10. Thus, the voltage signal from the sensor element 30 can be output to the outside from the lead pin 11 after being subjected to processing such as amplification and adjustment in the circuit board 20. A cap 70 made of metal or the like is provided on one surface of the stem 10. This cap 7
0, an opening 71 is formed in a portion of the sensor element 30 facing the membrane portion 32, and the opening 71
1 is closed by a filter 80 that selectively transmits infrared light. The filter 80 is made of a single crystal or ceramics that is transparent to infrared rays, such as silicon or germanium. The cap 70 is fixed to the stem 10 by welding, bonding, or the like.
It is filled with nitrogen or inert gas that does not absorb infrared rays. The circuit board 20 and the sensor element 30 are hermetically sealed by the cap 70. In such an infrared sensor S1,
The sensor element 30 receives infrared rays that pass through the filter 80 and enter the cap 70. The energy of the received infrared light is converted into a voltage signal by the sensor element 30, the voltage signal is processed by the circuit board 20, and output from the lead pin 11 to the outside. The infrared sensor S1 is, for example,
It can be manufactured as follows. Lead pin 11
Is prepared, and a circuit board 20 is adhered to the stem 10. Also, on one surface of the circuit board 20, FIG.
The adhesive 40 is arranged in a pattern as shown in FIG.
After mounting the sensor element 30 on the pattern, the adhesive 40 is cured. Thereafter, wire bonding is performed to form the sensor element 30, the circuit board 20, and the lead pins 11
Are connected by a wire 60. Then, the cap 70 is welded to the stem 10 in a nitrogen atmosphere. Thus, the infrared sensor S1 is completed. In this embodiment, the circuit board 20
The sensor element 30 can be directly mounted on the sensor to reduce the size of the sensor. Further, the adhesive 40 is applied to the sensor element 30.
The thick portion 3 is not provided on the entire periphery of the thick portion 33 on one side.
A region where the adhesive 40 is not provided is provided between the third substrate 3 and one surface side of the circuit board 20, and this region is configured as a gap 50. According to this, the concave portion 31 is formed through the gap 50 formed between the sensor element 30 and the circuit board 20.
The inside space and the outside can communicate with each other, and the space inside the concave portion 31 can be prevented from becoming a closed space. Therefore, the sensor element 3 having the membrane part 32
When the sensor 0 is directly mounted on the circuit board 20 to reduce the size of the sensor, it is possible to prevent the sensor element 30 from being broken by heat. (Other Embodiments) The pattern of the adhesive 40 provided between the sensor element 30 and the circuit board 20 is as follows.
It is sufficient that the gap portion 50 is formed, and the present invention is not limited to the pattern shown in FIG. For example, FIG.
(B). FIG. 2A shows an example in which a gap 50 is provided only on one side of the sensor element 30. FIG. 2 (b)
This is an example in which adhesives 40 are provided discontinuously and gaps 50 are formed between the adhesives 40. Note that in FIG.
Is omitted. And even in these cases, the same effect as the above embodiment can be obtained.
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る赤外線センサの構成図
である。
【図２】他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
２０…回路基板、３０…センサ素子、３１…凹部、３２
…メンブレン部、３３…厚肉部、４０…接着材、５０…
隙間部。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a configuration diagram of an infrared sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing another embodiment. [Description of Signs] 20: circuit board, 30: sensor element, 31: recess, 32
... Membrane part, 33 ... Thick part, 40 ... Adhesive, 50 ...
Gap.
Claims (1)
ン部（３２）が形成されるとともに前記メンブレン部の
周辺部が厚肉部（３３）となっている赤外線検出用のセ
ンサ素子（３０）とを備える赤外線センサにおいて、 前記センサ素子は、その一面側における前記厚肉部にて
接着材（４０）を介して前記回路基板の一面側に固定さ
れており、 前記センサ素子の一面側の前記厚肉部と前記回路基板の
一面側との間には、前記接着材が設けられていない領域
としての隙間部（５０）が形成されていることを特徴と
する赤外線センサ。Claims: 1. A circuit board (20) and a membrane section (32) formed by forming a concave section (31) from one surface side, and a peripheral section of the membrane section is a thick section. (33) An infrared sensor comprising: a sensor element (30) for infrared detection, wherein the sensor element is provided on the one side of the circuit board via an adhesive (40) at the thick portion. A gap portion (50) is formed between the thick portion on one surface side of the sensor element and one surface side of the circuit board as a region where the adhesive is not provided. An infrared sensor characterized by being performed.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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