JP2006194791A - 赤外線センサ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】赤外線の検出を行う赤外線センサ装置であって、缶パッケージを採用しない簡素化した構成とすることで、小型化、軽量化を図ることができ、さらに、製造コストの低減を実現することができる赤外線センサ装置を提供すること。
【解決手段】特定の波長帯域の赤外光を選択的に透過させる平板状の光フィルタ１０と、一方の面に光フィルタ１０を透過した赤外光を検出するための検出素子部２４が形成された赤外線検出素子２０と、光フィルタ１０と赤外線検出素子２０における検出素子形成面２２との間に設けられ、光フィルタ１０と赤外線検出素子２０とを接着するとともに、光フィルタ１０と検出素子形成面２２との間に所定の隙間を確保するための支持体３０と、を備える。
【選択図】 図１
【解決手段】特定の波長帯域の赤外光を選択的に透過させる平板状の光フィルタ１０と、一方の面に光フィルタ１０を透過した赤外光を検出するための検出素子部２４が形成された赤外線検出素子２０と、光フィルタ１０と赤外線検出素子２０における検出素子形成面２２との間に設けられ、光フィルタ１０と赤外線検出素子２０とを接着するとともに、光フィルタ１０と検出素子形成面２２との間に所定の隙間を確保するための支持体３０と、を備える。
【選択図】 図１
Description
本発明は、赤外線センサ装置に関する。
従来、この種の赤外線センサ装置としては、赤外線検出素子等をキャップとステムとからなる缶に収納してパッケージ化したもの（以下、缶パッケージという。）がよく知られている。
例えば、特許文献１において、缶パッケージの開口部に赤外線を透過させるフィルタを接合し、該フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出素子を缶パッケージの内部に収納するという赤外線センサが提案されている。
特開２００３−２７００４７号公報
しかしながら、特許文献１で提案された赤外線センサでは、総じて、赤外線センサ装置の体積が大きく、重くなる。
また、缶パッケージに用いられるキャップおよびステム等の部品コストの他、缶パッケージを製造するために、キャップとステムとを接合するための工程が不可欠であり、製造コストの増加を招く。
ところで、昨今の傾向として、半導体装置を始め、電子部品類の小型化、軽量化、製造コストの低減、が期待されており、赤外線センサ装置もその例外ではない。
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、赤外線センサ装置において、缶パッケージを採用しない簡素化した構成とすることで、小型化、軽量化を図ることができ、さらに、部品コスト、製造コストの低減を実現することができる赤外線センサ装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、請求項１に係る赤外線センサ装置は、特定の波長帯域の赤外光を選択的に透過させる平板状の光フィルタと、一方の面に光フィルタを透過した赤外光を検出するための検出素子部が形成された赤外線検出素子と、光フィルタと赤外線検出素子における検出素子部形成面との間に設けられ、光フィルタと赤外線検出素子とを接着するとともに、光フィルタと検出素子形成面との間に所定の隙間を確保するための支持体と、を備えることを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、赤外線センサ装置のパッケージの形態として缶パッケージを採用せず、単に支持体で光フィルタと赤外線検出素子とを接着する構成であるので、部品コスト、製造コストを低減することができる。
また、支持体が所定の隙間を介して、光フィルタ、および、赤外線検出素子をそれぞれ接着するので、光フィルタと赤外線検出素子との接触面にキズが生じたり、赤外線検出素子の配線パターンの断線等が生じたり等の好ましくない影響を回避することができる。
請求項２に係る赤外線センサ装置では、赤外線検出素子が、検出素子部形成面と反対側の面から凹部が形成されることによって形成された薄肉部と、薄肉部の周囲に形成された厚肉部と、を有し、検出素子部は、薄肉部に形成されることを特徴とする。
請求項２に記載の発明によれば、厚肉部よりも熱容量の小さい薄肉部に検出素子部を形成しているので、検出素子部は赤外光による熱に敏感に反応する。そのため、赤外線検出素子はより高い精度で赤外線を検出することができる。
請求項３に係る赤外線センサ装置では、支持体が、検出素子部を取り囲むように環状に配置されることを特徴とする。
請求項３に記載の発明によれば、光フィルタを透過した赤外光以外の光が赤外線検出素子の検出素子部に入光することを防ぐことができるため、赤外線検出素子はより高い精度で機能することができる。
請求項４に係る赤外線センサ装置は、赤外線検出素子を搭載する基板と、平板状の光フィルタの表面のみが露呈しつつ、赤外線検出素子の全体が覆われるように基板上に設けられる絶縁性樹脂と、を更に備えることを特徴とする。
請求項４に記載の発明によれば、絶縁性樹脂によって平板状の光フィルタの側方からの赤外光の入射を防ぐことができる。つまり、光フィルタの露呈面からの赤外光の入射のみを許容するので、指向性を高めることができる。また、光フィルタ、赤外線検出素子、支持体等が露出しないため、外的な要因による機械的な衝撃から保護され、取り扱いが容易な赤外線センサ装置が得られる。
請求項５に係る赤外線センサ装置は、赤外線検出素子と基板とを電気的に接続するためのボンディングワイヤを有し、該ボンディングワイヤは、絶縁性樹脂によって封止されることを特徴とする。
請求項５に記載の発明によれば、絶縁性樹脂によって水分や塵埃の侵入を防ぐことができるので、それらがボンディングワイヤに付着することによる短絡等の故障の発生を防止できる。また、光フィルタ、赤外線検出素子、支持体、ボンディングワイヤ等が外的な要因による機械的な衝撃から保護されるため、取り扱いが容易な赤外線センサ装置が得られる。
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、本発明の赤外線センサ装置は、例えば、赤外線が被測定ガスを透過する際に、被測定ガスの種類によって吸収される赤外線の波長が異なる性質があることを利用し、被測定ガスの濃度を測定する等の用途に用いることができる。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る、赤外線センサ装置１００の概略断面図である。図１に示す赤外線センサ装置は、光フィルタ１０と、赤外線検出素子２０と、支持体３０と、基板６０と、で構成されている。
図１は本発明の第１の実施形態に係る、赤外線センサ装置１００の概略断面図である。図１に示す赤外線センサ装置は、光フィルタ１０と、赤外線検出素子２０と、支持体３０と、基板６０と、で構成されている。
光フィルタ１０は、平板状に形成され、特定の波長帯域の赤外光を光フィルタ１０の外表面１２より入射、透過させる。光フィルタ１０は、例えば、シリカガラス、フッ化物ガラス等で形成されたものが用いられる。あるいは、シリコン基板にＺｎＳおよびＧｅ等の薄膜を複数層蒸着した多層膜で形成されるものでもよい。
赤外線検出素子２０は、支持体３０によって形成される隙間３２に面する一方の面を検出素子形成面２２とし、この面の所定の範囲に検出素子部２４が設けられた半導体素子である。この赤外線検出素子２０は、例えば、半導体基板としてのシリコン基板と、該シリコン基板上に形成され、ｎ型ポリシリコン膜とアルミ薄膜とが対になった２種類の異なるゼーベック係数をもつ、数十程度が直列に接続された、検出素子部２４としての薄膜熱電対（図示せず）と、その薄膜熱電対の所定の範囲に形成された金黒等の赤外線吸収膜（図示せず）と、により構成される。
赤外線検出素子２０が上述した構成を有することにより、光フィルタ１０の外表面１２より入射した赤外光を図示しない赤外線吸収膜が吸収し、この赤外線吸収膜で生じた熱によって、図示しない薄膜熱電対において起電力が生じる。この起電力は回路素子にて電気信号に変換されて、ボンディングワイヤ５０より基板６０を通じ、赤外線センサ装置１００の信号として外部に出力される。なお、この回路素子は、シリコン基板において、例えば、検出素子部２４の周囲に形成されるものである。
なお、本実施形態においては、サーモパイル型の赤外線検出素子２０の例を示したが、この例に限らず、焦電型、ボロメータ型、量子型の赤外線検出素子であってもよい。
支持体３０は、光フィルタ１０と赤外線検出素子２０の検出素子形成面２２との間に設けられ、光フィルタ１０と赤外線検出素子２０の検出素子形成面２２とを接着するとともに、光フィルタ１０と赤外線検出素子２０との間に所定の隙間３２を確保するものである。この支持体３０は、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、検出素子部２４と重ならない、任意の位置に配置することができる。
図４（ａ）は、支持体３０を検出素子部２４の周囲の四隅に配置した例を示し、図４（ｂ）は、所定の間隔を空けて、素子検出部２４の周囲に複数の支持体を配置した例を示す。図４（ｃ）、（ｄ）は、検出素子部２４の周囲を支持体３０が一重に取り囲むように配置した例を示すが、さらに、多重に取り囲むように配置してもよい。このように、検出素子部２４を取り囲むように支持体３０を配置することにより、支持体３０間の隙間から、光フィルタ１０を透過しない不要な光が赤外線検出素子２０へ入射することを防止できる。
支持体３０には、Ｐｂ、Ｓｎを主成分とするはんだ合金に代表されるような低融点金属を用いることができる。あるいは、Ｓｎ―Ａｇ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｃｕ系の、所謂鉛フリーはんだ合金を用いてもよい。また、これらのはんだ合金に、さらに、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｃｕのうち少なくとも１つを添加した合金を用いてもよい。さらに、球形、管形のガラス製ビーズを含んだ接着剤によって支持体３０を形成し、配置してもよい。
ところで、光フィルタ１０と赤外線検出素子２０とを支持体３０を介さずに直接対向配置することも考えられるが、そのように光フィルタ１０と赤外線検出素子２０とを配置すると、製造時、若しくは、取り扱い時に光フィルタ１０にキズが生じたり、赤外線検出素子２０の検出素子部２４が破損するおそれがある。このため、本実施の形態の如く、光フィルタ１０と赤外線検出素子２０との間に支持体３０を設けることが好ましく、これにより、所定の隙間３２が確保でき、両者の接触面のキズ、検出素子部２４の破損が避けられる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態による赤外線センサ装置１０２について説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を一部省略する。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態による赤外線センサ装置１０２について説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を一部省略する。
図２は本発明の第２の実施形態に係る、赤外線センサ装置１０２の概略断面図である。
図２に示す赤外線センサ装置１０２は、赤外線検出素子２０の検出素子形成面２２と反対側の面から凹部４０を形成したものである。凹部４０は薄肉部４２と、薄肉部４２の周囲に形成され、薄肉部４２よりも厚みがある厚肉部４４と、からなり、隙間３２に面する検出素子形成面２２には、薄肉部４２の範囲に収まるように検出素子部２４が形成される。
図２に示す赤外線センサ装置１０２は、赤外線検出素子２０の検出素子形成面２２と反対側の面から凹部４０を形成したものである。凹部４０は薄肉部４２と、薄肉部４２の周囲に形成され、薄肉部４２よりも厚みがある厚肉部４４と、からなり、隙間３２に面する検出素子形成面２２には、薄肉部４２の範囲に収まるように検出素子部２４が形成される。
すなわち、この赤外線検出素子２０は、例えば、マイクロマシニング技術を用いて形成された薄膜メンブレン構造を有する半導体基板としてのシリコン基板と、該シリコン基板のメンブレン上に形成され、ｎ型ポリシリコン膜とアルミ薄膜とが対になった２種類の異なるゼーベック係数をもつ、数十程度が直列に接続された、検出素子部２４としての薄膜熱電対（図示せず）と、その薄膜熱電対の所定の範囲に形成された金黒等の赤外線吸収膜（図示せず）と、により構成される。
この赤外線検出素子２０が上述した構成を有することにより、光フィルタの外表面１２より入射した赤外光を図示しない赤外線吸収膜が吸収し、この赤外線吸収膜で生じた熱によって、図示しない薄膜熱電対において起電力が生じる。この起電力は回路素子にて電気信号に変換されて、ボンディングワイヤ５０より基板６０を通じ、赤外線センサ装置１０２の信号として外部に出力される。なお、この回路素子は、シリコン基板において、例えば、検出素子部２４の周囲に形成されるものである。これにより、本実施形態では、検出素子部２４としての薄膜熱電対がシリコン基板のメンブレン上に形成されるので、検出素子部２４の熱容量が低減され、光フィルタの外表面１２より入射した赤外光に対して検出応答性を向上できる。
なお、本実施形態において、赤外線検出素子２０としてサーモパイル型の例を示したが、第１の実施形態と同様に、焦電型、ボロメータ型、量子型の赤外線検出素子であってもよい。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態による赤外線センサ装置１０４について説明する。なお、第１、第２の実施形態と同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を一部省略する。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態による赤外線センサ装置１０４について説明する。なお、第１、第２の実施形態と同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を一部省略する。
図３は本発明の第３の実施形態に係る、赤外線センサ装置１０４の概略断面図である。図３に示す赤外線センサ装置１０４は、例えば、トランスファーモールド成形により、基板６０上に絶縁性樹脂７０を形成して、光フィルタ露呈面１６と光フィルタ側面１４とが交わる交線の近傍から、光フィルタ側面１４と、支持体３０と、赤外線検出素子２０と、ボンディングワイヤ５０と、ボンディングパッド６２と、を絶縁性樹脂７０により樹脂封止したものである。ここで、赤外光の入射面である光フィルタ露呈面１６は、樹脂封止されず、図示しない赤外光源に対して、露呈したままの状態である。
本実施形態の構成を採用することで、赤外光の入射は、光フィルタの露呈面１６からのみを許容するとともに、測定誤差の要因となる平板状の光フィルタの露呈面１６以外から入射する赤外光、例えば、光フィルタの側方１４からの入射、支持体３０の隙間等からの入射を防ぐことができるので、指向性を高めることができ、測定誤差を軽減することができる。さらに、光フィルタ１０、赤外線検出素子２０、支持体３０、ボンディングワイヤ５０が露出しないので、機械的な衝撃に起因する破損を防ぐことができ、また、取り扱いが容易な赤外線センサ装置を得ることができる。さらに、絶縁性樹脂７０は、水分や塵埃の侵入を防ぐので、それらがボンディングワイヤ５０に付着することによる短絡等の故障の発生を防止でき、その結果、赤外線センサ装置１０４の信頼性が向上する。
なお、かかる絶縁性樹脂７０としては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、ウレタン樹脂等を用いることができる。
以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、数々の変形実施が可能である。
また、本発明のうち従属請求項に係る発明においては、従属先の請求項の構成要件の一部を省略する構成とすることもできる。
１０ 光フィルタ、１２ 光フィルタ外表面、１４ 光フィルタ側面、１６ 光フィルタ露呈面、２０ 赤外線検出素子、２２ 検出素子形成面、２４ 検出素子部、３０ 支持体、３２ 隙間、４０ 凹部、４２ 薄肉部、４４ 圧肉部、５０ ボンディングワイヤ、６０ 基板、６２ ボンディングパッド、７０ 絶縁性樹脂、１００ 赤外線センサ装置、１０２ 赤外線センサ装置、１０４ 赤外線センサ装置
Claims (5)
- 特定の波長帯域の赤外光を選択的に透過させる平板状の光フィルタと、
一方の面に前記光フィルタを透過した赤外光を検出するための検出素子部が形成された赤外線検出素子と、
前記光フィルタと前記赤外線検出素子における検出素子部形成面との間に設けられ、前記光フィルタと前記赤外線検出素子とを接着するとともに、前記光フィルタと前記検出素子形成面との間に所定の隙間を確保するための支持体と、を備えることを特徴とする赤外線センサ装置。 - 前記赤外線検出素子は、前記検出素子部形成面と反対側の面から凹部が形成されることによって形成された薄肉部と、
前記薄肉部の周囲に形成された厚肉部と、を有し、
前記検出素子部は、前記薄肉部に形成されることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ装置。 - 前記支持体は、前記検出素子部を取り囲むように環状に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の赤外線センサ装置。
- 前記赤外線検出素子を搭載する基板と、
前記平板状の光フィルタの表面のみが露呈しつつ、前記赤外線検出素子の全体が覆われるように前記基板上に設けられる絶縁性樹脂と、を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の赤外線センサ装置。 - 前記赤外線検出素子と前記基板とを電気的に接続するためのボンディングワイヤを有し、前記ボンディングワイヤは、前記絶縁性樹脂によって封止されることを特徴とする請求項４に記載の赤外線センサ装置。
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