JP2012215431A - 赤外線センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】視野角制限体を一体で配置した赤外線センサにおいて、視野角制限体の存在による測定誤差の発生を防止した赤外線センサを提供することにある。
【解決手段】所定の視野角以外からの光が入射しないように視野角制限を行う視野角制限部と、前記視野角制限部の上流側の開口部に設けられ、該開口部から入射する光のうち赤外線のみを下流側に透過する光学フィルタと、前記視野角制限部下流側に接続され、前記光学フィルタを透過した赤外線を光電変換して電気信号として出力する光電変換部を有する赤外線センサ素子とを備えた赤外線センサであって、前記赤外線センサは、前記赤外線センサ素子の温度を測定する温度センサを前記視野角制限部と前記赤外線センサ素子と熱的に一体構成にして樹脂封止していることを特徴とする赤外線センサである。
【選択図】図１

Description

本発明は赤外線センサに関し、より詳細には、赤外線センサの受光面に視野角制限体を一体で配置することにより、赤外線センサの出力が外乱の影響を受けにくいようにした赤外線センサに関する。
赤外線センサは、赤外領域の光（赤外線ＩＲ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ）を受光して電気信号に変換し、必要な情報として取り出すために用いられている。例えば物体がその温度に応じた赤外線を放射することから、赤外線センサは、所望の部位の温度を非接触で測定する手段としても用いられている。より詳細には、赤外線センサは、所望の部位から温度に応じて放射される赤外線スペクトルと赤外線センサ自身の持つ温度での赤外線スペクトルとの差分を赤外線センサの感度で電気信号に変換して出力するので、赤外線センサの出力値と感度と温度により、所望の部位の温度算出している。このような非接触で温度測定する赤外線センサでは、所望の部位の温度を正確に測定するために、赤外線センサの温度を正確に測定すると共に、視野角制限体を設けて所望の部位以外の周囲の赤外線をカットしている。
このような視野角制限体が設けられた赤外線センサとしては、例えば図７に示すような光デバイスが知られていた（特許文献１参照）。この光デバイスでは、センサ素子を構成する基板６２と信号処理回路６５とを開口部６４を残して封止部材６３で樹脂封止する構成としたことにより、基板６２へ入射する光の視野が開口部６４のみからに制限されている。光デバイスはさらに、開口部６４からの入射される光のうち赤外光のみを透過させる光学調整部６１と、透過した赤外線を光電変換する光電変換部６０とを搭載した基板６２を備えている。光電変換された信号は、光電変換部６０と電気的に接続された信号処理回路部６５によりさらに信号処理される。
この光デバイスでは、光電変換部６０を搭載した基板６２と信号処理回路部６５とが互いに熱の影響を与えないようにする観点から、配線端子上に積層されたインターポーザー６７上に金属バンプ６６など介して基板６２と信号処理回路部６５とを設けている。すなわち、光電変換部６０と信号処理回路部６５とは、インターポーザー６７上で、互いに熱の影響を与えない（与えにくい）位置に、光電変換部６０および信号処理回路部６５を配置することにより、光電変換部６０の温度を安定させ、所望の信号精度得ることを目的としている。
また、視野角制限体が設けられた赤外線センサの他の例として、図８に示す赤外線センサも知られている（特許文献２参照）。図８に示す赤外線センサは、鼓膜の温度を測定するための非接触式温度計として用いられるものである。この非接触式温度計は、測定対象の部位（鼓膜）から放射される赤外線を検出する赤外線センサ７０と、鼓膜から赤外線センサ７０に赤外線を導く視野角制限体として機能する導光部７１とを備えている。
また、赤外線センサ７０は、赤外線センサ７０自体の温度と測定部位の温度との差に基づいた赤外線を感知するので、赤外線センサ７０自体の温度を管理することが重要である。このため、図８の非接触式温度計では、赤外線センサ７０の周囲に空間部Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を設けて外乱の影響を受けにくいように構成している。さらに、導光部７１と赤外線センサ７０とが温度が異なることを考慮して、導光部７１と赤外線センサ７０とにそれぞれ補正用温度センサ７２と、基準用温度センサ７３とを設けて赤外線センサ７０の温度補正を行っている。
国際公開２００６／０９５８３４号パンフレット 特開平８−１９１８００号公報
しかしながら、赤外線センサ７０に設けられた温度センサ７４で測定した温度を基準用温度として用い、導光部７１に設けられた温度センサ７３で測定した温度に基づいて補正して温度値の算出を行う構成では、赤外線センサ７０は温度の異なる導光部７１の温度を視野に入れてセンサ出力が得られることとなるので、センサ出力には測定誤差が生じてしまうという問題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、視野角制限体を一体で配置した赤外線センサにおいて、視野角制限体の存在による測定誤差の発生を防止した赤外線センサを提供することにある。
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、所定の視野角以外からの光が入射しないように視野角制限を行う視野角制限部と、前記視野角制限部の上流側の開口部に設けられ、該開口部から入射する光のうち赤外線のみを下流側に透過する光学フィルタと、前記視野角制限部下流側に接続され、前記光学フィルタを透過した赤外線を光電変換して電気信号として出力する光電変換部を有する赤外線センサ素子とを備えた赤外線センサであって、前記赤外線センサは、前記赤外線センサ素子の温度を測定する温度センサを前記視野角制限部と前記赤外線センサ素子と熱的に一体構成にして樹脂封止していることを特徴とする赤外線センサである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の赤外線センサにおいて、前記光電変換部から出力された電気信号に対して前記温度センサで得られた温度に基づいて補正する信号処理用ＩＣと、前記信号処理用ＩＣと電気的に接続された配線端子とをさらに備え、該信号処理用ＩＣは前記温度センサを有し、前記配線端子と赤外線センサ素子とを積層してバンプ配線により電気的に接続することを特徴とする。
第１の実施形態の赤外線センサの概略構成を示す断面図である。 基板の裏面における光電変換部と接続端子との配置の一例を示す図である。 基板の裏面における光電変換部と接続端子との配置の他の例を示す図である。 信号処理用ＩＣの構成例を示す図である。 従来の赤外線センサの一部の概略構成を示す断面図である 第２の実施形態の赤外線センサの概略構成を示す断面図である。 従来の光デバイスの一例を示す図である。 従来の非接触式温度計の一例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
（第１の実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。まず、本発明の赤外線センサ１について図１を用いて説明する。図１は赤外線センサの概略構成を示す側面図である。
赤外線センサ１は、光学フィルタ２と、視野角制限部３と、赤外線センサ素子４と、温度センサが組み込まれた信号処理用ＩＣ５と、赤外線センサ素子４および信号処理用ＩＣ５を電気的に接続するための接続配線７、８ａ、接続端子６ａ、６ｂとを、光学フィルタ４ａを設けた開口部９ａ以外からの赤外光を遮ることができる封止樹脂９で一体に封止した構成とされる。なお、接続端子６ｂは外部出力のための端子であり、接続配線８ｂはＩＣ５をこの接続端子６ｂと接続する配線である。封止樹脂９としては、例えば、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、ホットメルト型樹脂など、一般的な電子部品の封止用樹脂を用いることができる。
視野角制限部３は、所定の視野角以外からの光が入射しないように視野角制限する部位である。視野角制限部３は、光を遮る封止樹脂９に囲まれた空間として形成されており、上流に光学フィルタ２が挿入された開口部９ａが光学的に接続されている。光学フィルタ２は、接着部９ｂで開口部９ａに固定されており、開口部９ａから入射する光Ｌのうち赤外線Ｒのみを下流側の視野角制限部３へと透過するフィルタである。
赤外線センサ素子４は、視野角制限部３の下流側に光学的に接続されて設けられている。赤外線センサ素子４の周囲には視野角制限部３との接続面以外には封止樹脂９が設けられており、光学フィルタ２を透過した所定の波長の赤外線以外は赤外線センサ素子４には到達しない。また、視野角制限部３で制限された範囲の光（赤外線）のみしか赤外線センサ素子４には到達しない。この赤外線センサ素子４と視野角制限部３との界面には、反射防止膜４ａが設けられていることが好ましい。反射防止膜４ａを設けると、光学フィルタ２を透過した所定の波長の赤外線が赤外線センサ素子４の表面で反射するのを抑制できるからである。
また、赤外線センサ素子４は、基板４１、光電変換部４２、接続端子４３とを備えており、光学フィルタ２を透過した所定の波長の赤外線を光電変換部４２により光電変換して受光した赤外線量に応じた電気信号を出力する。光電変換部４２は、反射防止膜４ａに隣接する基板４１の面とは反対側の面(裏面)に接続端子４３と共に設けられている。基板４１は、例えばＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ、サファイヤなどの赤外線を透過することができる材料で構成することができる。基板４１が赤外線を透過する材料で構成されるので、光学フィルタ２を透過して反射防止膜４ａで反射が抑制された赤外線をさらに基板４１を透過させて光電変換部４２に到達させることができる。
このように本発明では赤外線センサ素子４として、基板に光電変換部を搭載したチップ型の赤外線センサ素子を用いることができる。このようなチップ型の赤外線センサ素子としては、代表的には赤外線を電気信号に直接変換する機能を有する量子型の赤外線センサが考えられるがこれに限定されない。チップ型に構成可能な赤外線センサ素子であれば、赤外線を一旦熱に変換してから電気信号に変換する機能を有するＭＥＭＳ技術を用いたサーモパイルなどのいわゆる熱型センサでも同様の構成とすることができる。
図２、３は、赤外線センサ素子４を構成する基板４１の裏面の構成例を示している。基板４１の裏面は例えば図２に示すように、光電変換部４２の周囲に４つの接続端子４３が設けられる構成としてもよいし、図３に示すように光電変換部４２を２つの接続端子４３の周囲に設ける構成としてもよく、任意の構成とすることができる。
信号処理用ＩＣ５は、赤外線センサ素子４に電気的に接続されており、温度センサと信号処理用回路とを備えている。赤外線センサ素子４から出力される電気信号を温度センサで検出した温度に基づいて補正してセンサ出力値として検出する処理を行う。赤外線センサ素子４は、温度に応じて出力特性が変化するので、同じ赤外線量を受光しても、温度によって、異なる電気信号が出力される。したがって、正確な検出をするためには、温度に基づいて赤外線センサ素子４からの出力を補正することが重要になる。信号処理用ＩＣ５は接続端子６ａ、６ｂなどと同様に金属材料で構成された金属タブ６ｃの上に載置されている。また、信号処理用ＩＣ５と接続端子６ａとを接続する接続配線８ａとしてはボンディングワイヤが採用されている。
図４は、信号処理用ＩＣ５の構成の一例を示す図である。信号処理用ＩＣ５は、温度センサ５１と、ＩＶ変換増幅回路５２と、温度補正演算回路５３とを備えて構成される。ＩＶ変換増幅回路５２は、赤外線センサ素子４の出力をＩＶ変換して増幅して温度補正演算回路５３に出力する。また、温度センサ５１は、検出した温度を温度補正演算回路５３に出力する。温度補正演算回路５３は、赤外線センサ素子４の出力を温度センサ５１の出力を用いて補正して出力することができる。
接続端子６ａおよび接続配線７、８ａは、赤外線センサ素子４と信号処理用ＩＣ５とを電気的に接続している。具体的には、赤外線センサ素子４が接続配線７を介して接続端子６ａに接続され、さらに信号処理用ＩＣ５も接続配線８ａを介して接続端子６ａと接続されている。本発明の赤外線センサでは、赤外線センサ素子４と接続端子６ａとの接続配線７として、金属バンプを用いているので、赤外線センサ素子４と接続端子６ａとを積層することができ、視野角制限部３と赤外線センサ素子４と温度センサが組み込まれた信号処理用ＩＣ５とを熱的に一体に構成可能とすることができる。赤外線センサ素子４と温度センサ５１が組み込まれた信号処理用ＩＣ５とが熱的に一体に構成されていることにより、温度センサ５１が検出する温度と赤外線センサ素子４の温度とに実質的な差がなくなる。さらに、赤外線センサ素子４へ入射する光の導波路となる視野角制限部３が、これらの素子（赤外線センサ素子４および温度センサ５１が組み込まれた信号処理用ＩＣ５）と熱的に一体に構成されていることにより、赤外線センサ素子４の温度が安定したものとなるので、赤外線センサ素子４の出力値に対して正確な温度補正ができる。
ここで熱的に一体構成にするとは、視野角制限部３と赤外線センサ素子４と温度センサ５１との温度差が、赤外線センサ素子４の温度特性に応じて決定される誤差許容範囲内に含まれるように構成することをいう。
因みに、従来の赤外線センサ２０では、図５に示すように、赤外線センサ素子４を構成する基板の裏面に設けられた接続端子とパッケージ外部へ接続される接続端子２２とがボンディングワイヤ２１を用いて接続されていた。ボンディングワイヤ２１で接続するためには、接続端子２２と赤外線センサ素子４とは積層できず、接続端子２２を赤外線センサ素子４の側方に設けなければならない。このため、従来のボンディングワイヤ２１を用いた接続方法では赤外線センサ素子４の側方に接続のためのスペースＤを必要とする。従って、赤外線センサ素子４を温度センサが組み込まれた信号処理用ＩＣ５と熱的に一体に構成することは困難であった。むしろ、従来ではこれらの素子をワンパッケージにする場合は、素子同士が互いに発する熱の影響を考慮してこれらの素子を熱的に分離することが一般であった（図７参照）。
熱的に一体構成にするには、例えば、視野角制限部３と赤外線センサ素子４と温度センサ５１との距離を、封止樹脂の熱伝導率と発熱電力を考慮した距離以下となるよう構成することで実現できる。ここで熱伝導率と発熱電力と温度上昇との関係は、下記（式１）、（式２）によって導かれる。すなわち、
温度上昇＝熱抵抗×発熱電力・・・（式１）
熱抵抗＝厚さ／（熱伝導率×幅×長さ）・・・（式２）
と表すことができるので、（式１）、(式２)より、
温度上昇＝厚さ／（熱伝導率×幅×長さ）×発熱電力・・・（式３）
となる。例えば、封止樹脂として断面が幅４ｍｍ、長さ１ｍｍのエポキシ樹脂（一例として熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いて、赤外線センサ素子４や信号処理用ＩＣ５が動作する際に発生する発熱電力が１０ｍＷである場合について考える。まずは断面方向のみを考慮する。赤外線センサ素子４の誤差許容範囲が１℃であるとすると、温度差が１℃で抑えられるのは上記（式３）より、厚さが０．２ｍｍ以内の部分となる。ただし、現実には発熱源から上下左右など全方向への放熱があるため、距離は緩和されるが視野角制限部３と赤外線センサ素子４と温度センサ５１との距離を０．２ｍｍ程度にすることが好ましい。また、放熱性を高める為のエポキシ樹脂として高熱伝導率２〜４Ｗ／ｍ・Ｋの封止樹脂を用いると、さらに温度分布を抑えることが出来、温度精度を向上したり、視野角制限部３と赤外線センサ素子４と温度センサ５１との距離をさらに広がりを許容したりすることが可能となる。なお、信号処理用ＩＣ５は熱伝導率が非常に高いので、本実施形態のように温度センサ５１が信号処理用ＩＣ５に組み込まれている場合は、実際には視野角制限部３と赤外線センサ素子４と信号処理用ＩＣ５との距離が上記範囲になるように設計すればよい。
このように本実施形態によれば、視野角制限体と赤外線センサ素子と温度センサとが熱的に一体化することにより、温度センサを用いた正確な温度補正が可能となり、高感度の赤外線センサが得られる。
(第２の実施形態)
次に、第２の実施形態の赤外線センサについて説明する。図６は第２の実施形態の赤外線センサの概略構成を示す断面図である。本実施形態の赤外線センサ３０では、第１の実施形態の赤外線センサ１の信号処理用ＩＣ５と接続端子６ａとをボンディングワイヤで接続していた構成に代えて、金属バンプ３１で接続している。
この構成にすると、信号処理用ＩＣ５と接続端子６ａとを積層して接続することができるので、ボンディングワイヤを接続する端子引き回し部分が不要になるため、赤外線センサ３０を第１の実施形態の赤外線センサ１よりもさらに小型化することができる。
第２の実施形態の赤外線センサ３０によれば、第１の実施形態の赤外線センサ１よりもさらに小型化することができ、よって、赤外線センサよりもさらに強固に熱的一体化を図ることができる。
１、２０、３０：赤外線センサ
２：光学フィルタ
３：視野角制限部
４：赤外線センサ素子
４１：基板
４２：光電変換部
４３：接続端子
５：信号処理用ＩＣ
５１：温度センサ
５２：ＩＶ変換増幅回路
５３：演算温度補正回路
６ａ、６ｂ：接続端子
７、８ａ、８ｂ：接続配線
９：封止樹脂
９ａ：開口部

Claims (2)

  1. 所定の視野角以外からの光が入射しないように視野角制限を行う視野角制限部と、
    前記視野角制限部の上流側の開口部に設けられ、該開口部から入射する光のうち赤外線のみを下流側に透過する光学フィルタと、
    前記視野角制限部下流側に接続され、前記光学フィルタを透過した赤外線を光電変換して電気信号として出力する光電変換部を有する赤外線センサ素子とを備えた赤外線センサであって、
    前記赤外線センサは、前記赤外線センサ素子の温度を測定する温度センサを前記視野角制限部と前記赤外線センサ素子と熱的に一体構成にして樹脂封止していることを特徴とする赤外線センサ。
  2. 前記光電変換部から出力された電気信号に対して前記温度センサで得られた温度に基づいて補正する信号処理用ＩＣと、前記信号処理用ＩＣと電気的に接続された配線端子とをさらに備え、
    該信号処理用ＩＣは前記温度センサを有し、前記配線端子と赤外線センサ素子とを積層してバンプ配線により電気的に接続することを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
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