JP2014077666A

JP2014077666A - 赤外線検出装置

Info

Publication number: JP2014077666A
Application number: JP2012224431A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kawada; 裕志河田; Yuji Nakamura; 雄志中村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2014-05-01

Abstract

【課題】位置決め精度の向上を図る。
【解決手段】パッケージ３は略直方体形状に形成され、一面に第１凹所30が設けられ、他面に第２凹所31が設けられている。第１凹所30と第２凹所31は、パッケージ３を厚み方向に貫通する貫通孔34によって繋がっている。そして、第１凹所30の内底面に実装される赤外線センサチップ１と、第２凹所31内に収納されるレンズ２(レンズ部20)とが貫通孔34を通して直接対向する。而して、赤外線センサチップ１とレンズ２が何れもパッケージ３に支持されており、従来例のように赤外線センサチップ１とレンズ２が別々の部材に支持される場合と比較して位置ずれの生じ得る箇所が少ないので、従来例よりも位置決め精度の向上を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線検出装置に関する。

従来の赤外線検出装置として、例えば、特許文献１に記載されている赤外線センサモジュールがある。

特許文献１記載の従来例は、図６に示すように赤外線センサ100と、赤外線センサ100の出力を信号処理する信号処理回路(ＩＣ素子101)と、パッケージ102とで構成される。パッケージ102は、絶縁材料からなる平板状の基体103に配線パターン104が形成されたパッケージ本体105と、一面が開口する箱形に形成されたパッケージ蓋106とを有する。赤外線センサ100およびＩＣ素子101は、パッケージ本体105の一面(図６における上面)に横並びで実装される。パッケージ蓋106は、底面(図６における上面)の一端側に窓孔107が開口し、この窓孔107を赤外線センサ100の受光面と対向させ、且つ赤外線センサ100およびＩＣ素子101を囲むようにしてパッケージ本体105と気密に接合される。また、パッケージ蓋106には、窓孔107を通過する赤外線を赤外線センサ100の受光面に集光するためのレンズ108が取り付けられている。

特開２０１１−１７４７６２号公報

ところで、上記従来例では、パッケージ本体105への赤外線センサ100の実装位置、パッケージ蓋106へのレンズ108の取付位置、パッケージ本体105へのパッケージ蓋106の接合位置のそれぞれの位置ずれが蓄積し、レンズ108と赤外線センサ100の受光面との位置決め精度を向上し難いという問題があった。なお、接合部分の厚みや各部材の厚みのばらつきに伴う位置ずれも位置決め精度に影響を及ぼす虞がある。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、位置決め精度の向上を図ることを目的とする。

本発明の赤外線検出装置は、受光面に受光する赤外線を電気信号に変換する赤外線センサチップと、赤外線を前記受光面に集光する光学部材と、前記赤外線センサチップ並びに前記光学部材を支持する支持体とを備え、前記支持体は、厚み方向における一面側で前記赤外線センサチップを支持するとともに、前記厚み方向における他面側で前記光学部材を支持し、且つ前記厚み方向において前記受光面と前記光学部材とを直接対向させる貫通孔が開口していることを特徴とする。

この赤外線検出装置において、前記赤外線センサチップは、ダイヤフラムを有する基板と、前記ダイヤフラムの一面側に形成されるセンサ素子とを有することが好ましい。

この赤外線検出装置において、前記ダイヤフラムは、前記基板の厚み方向における一端側に形成されており、前記赤外線センサチップは、前記一端側を前記光学部材に向けて前記支持部材に支持されることが好ましい。

この赤外線検出装置において、前記支持体は、前記貫通孔に通ずる１乃至複数の通気孔を有することを特徴とすることが好ましい。

この赤外線検出装置において、前記貫通孔は、前記赤外線センサチップ側の開口端から、前記光学部材側の開口端に向かって徐々に拡径していることが好ましい。

この赤外線検出装置において、前記支持体は、前記光学部材の位置を規制する位置規制部を有することが好ましい。

この赤外線検出装置において、前記位置規制部は、前記支持体に設けられて前記光学部材が嵌め込まれる凹所からなり、前記凹所の内周壁は、前記赤外線センサチップに向かって徐々に縮径していることが好ましい。

この赤外線検出装置において、前記赤外線センサチップは、１乃至複数の焦電素子を有し、前記焦電素子によって赤外線を電気信号に変換することが好ましい。

この赤外線検出装置において、前記赤外線センサチップは、前記受光面内で互いに隣り合って配置された複数個のセンサ素子を有することが好ましい。

本発明の赤外線検出装置は、赤外線センサチップと光学部材が何れも支持体に支持されており、従来例のように赤外線センサチップと光学部材が別々の部材に支持される場合と比較して位置ずれの生じ得る箇所が少ないので、位置決め精度の向上を図ることができるという効果がある。

本発明に係る赤外線検出装置の実施形態を示す断面図である。同上における赤外線センサチップを示し、(ａ)は平面図、(ｂ)は断面図である。同上におけるレンズと第２凹所を示し、(ａ)は平面図、(ｂ)は(ａ)のＸ−Ｙ断面矢視図である。同上の別の実施形態を示す断面図である。同上における赤外線センサチップの別の構成を示す平面図である。従来例を示す断面図である。

本発明に係る赤外線検出装置の実施形態について、図１〜図５を参照して詳細に説明する。

本実施形態の赤外線検出装置は、図１に示すように赤外線センサチップ１と、レンズ(光学部材)２と、パッケージ(支持体)３とを備える。

赤外線センサチップ１は、図２に示すように単結晶シリコンからなる基板10と、酸化膜によって基板10の表面に形成されたダイヤフラム11と、ダイヤフラム11上に形成されたセンサ素子12とを有する。ただし、基板10を形成する材料は単結晶シリコンに限定されず、例えば、多結晶シリコンやＳＯＩ（Silicon on Insulator）、酸化マグネシウム、ガラスなどであってもよい。

センサ素子12は、ダイヤフラム11の表面(上面)に形成される下部電極122と、下部電極122上に成膜されたPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)の薄膜からなる焦電薄膜120と、焦電薄膜120上に成膜された上部電極121とで構成される。また、上部電極121及び下部電極122は、図２(ａ)に示すようにダイヤフラム11上の両端に形成されている電極パッド13A，13Bとそれぞれ各別に接続されている。而して、センサ素子12をダイヤフラム11上に形成することにより、赤外線に対する応答性の向上と高感度化が図れるという利点がある。

本実施形態は、特許文献１記載の従来例と同様に、赤外線センサチップ１の出力を信号処理(増幅等)するための信号処理回路(集積回路)５を備えている。

パッケージ３は、ポリフタルアミド等の樹脂材料製、あるいはアルミナ(Al₂O₃)や窒化アルミニウム(AlN)などのセラミック材料製、若しくは低温同時焼成セラミックス(LTCC:Low Temperature Co-fired Ceramics)製の立体配線基板で構成されている。パッケージ３は略直方体形状に形成され、一面(図１における下面。以下、同じ。)に第１凹所30が設けられ、他面(図１における上面。以下、同じ。)に第２凹所31が設けられている。

第１凹所30は、底面(図１における上面。以下、同じ。)並びに内周面に、金属めっきによる配線パターン32が形成されている。この配線パターン32は、信号処理回路５への電源ラインや信号処理回路５と外部のマイコンとの通信ライン、信号処理回路５から外部への出力ライン、赤外線センサチップ１と信号処理回路５を接続する信号ライン、グランドなどであって、パッケージ３の下面まで延長されている。また、パッケージ３は、配線パターン32以外の内面、内側面、外側面や上面に金属めっきによるシールドパターン33が形成されている。なお、第１凹所30の内周壁には段差300が形成され、この段差300にリッド(蓋)４が取り付けられる。

リッド４は合成樹脂又はセラミックなどの絶縁材料製の板材からなり、接着によって第１凹所30の段差300に固定される。すなわち、第１凹所30がリッド４で密閉されるため、異物(例えば、半田リフロー工程で生じるフラックス等の揮発成分)が第１凹所30内に進入することが阻止される。なお、リッド４は金属製であってもよい。金属製のリッド４の場合、リッド４と配線パターン32が接触せず、且つリッド４とシールドパターン33が導通するような構造とすることにより、シールド性能をさらに向上することができる。

レンズ２は、赤外線を透過する単結晶シリコンやポリエチレン成形品などからなる両面凸レンズであり、必要に応じて、赤外線反射防止膜や特定波長選択用のフィルタなどが表面に形成されてもよい。レンズ２は、両面凸レンズからなるレンズ部20の周縁に平板状のフランジ部21が一体に形成されており、パッケージ３の第２凹所31の底面にフランジ部21が載置され且つ接着されることでパッケージ３に収納される。

ここで、第１凹所30と第２凹所31は、パッケージ３を厚み方向(図１における上下方向。以下、同じ。)に貫通する貫通孔34によって繋がっている。そして、貫通孔34は、厚み方向から見て第１凹所30側の開口端に赤外線センサチップ１が重なり、且つ第２凹所31側の開口端にレンズ２(レンズ部20)が重なっている。つまり、赤外線センサチップ１とレンズ２(レンズ部20)とは、貫通孔34を通して直接対向することになる。

また、貫通孔34は、赤外線センサチップ１側の開口端からレンズ２側の開口端に向かって徐々に拡径している。このため、レンズ部20を介して赤外線センサチップ１のセンサ素子12に集光される赤外線以外の不要な散乱光成分がセンサ素子12に受光されることが防止でき、且つ赤外線センサチップ１の小型化及びコスト低減が可能となる。ただし、上述のように不要な散乱光成分の受光を防ぐには、貫通孔34の表面(側壁)に赤外線を吸収させることが望ましい。具体的には、パッケージ３を形成する材料として赤外線を吸収する材料を用いるか、あるいは赤外線を吸収する材料を表面に塗布するか、若しくは表面を粗面とすることで赤外線を反射し難くしてもよい。

ここで、赤外線センサチップ１のセンサ素子12に効率よく赤外線を照射するためには、レンズ部20の光軸がセンサ素子12の受光面の中心と重なるように、パッケージ３に対してレンズ２を位置決めすることが重要である。そのために本実施形態では、レンズ２が収納される第２凹所31をパッケージ３に設け、第２凹所31の内周壁でレンズ２の位置を規制している。つまり、本実施形態では第２凹所31が位置規制部に相当する。さらに、第２凹所31の内周壁が赤外線センサチップ１に向かって徐々に縮径しているので、レンズ２を第２凹所31内に収納する際、第２凹所31の内周壁にフランジ部21がガイドされて容易に位置決めでき、その結果、生産性の向上を図ることができる。なお、図示はしないが、レンズ２は両面凸レンズに限定されず、所望の性能が得られれば片面凸レンズやフレネルレンズでも構わない。レンズ２を片面凸レンズやフレネルレンズとした場合、両面凸レンズと比べて薄型化が図れるという利点がある。

而して、本実施形態では、赤外線センサチップ１とレンズ２が何れもパッケージ３に支持されており、従来例のように赤外線センサチップ１とレンズ２が別々の部材に支持される場合と比較して位置ずれの生じ得る箇所が少ないので、従来例よりも位置決め精度の向上を図ることができる。

また本実施形態では、赤外線センサチップ１及び信号処理回路５を、パッケージ３の第１凹所30の内底面に形成されている配線パターンに対してフリップチップ実装している。これにより、図４に示すように赤外線センサチップ１及び信号処理回路５をワイヤボンディングで実装する場合と比較して、実装面積の削減とワイヤーレスによる低背化によるパッケージ３の小型化を可能としている。

ところで、第１凹所30並びに貫通孔34内の空間を密閉した場合、半田リフロー等の熱工程において、第１凹所30及び貫通孔34内の空間内の空気が熱膨張することにより、ダイヤフラム11に過大な応力が印加されて破損する可能性がある。

そこで、リッド４及びレンズ２をパッケージ３に対して完全に接着してしまうのでは無く、僅かに隙間が空くように部分的に接着することが好ましい。例えば、図３(ａ)に示すように矩形のフランジ部21の四隅(点線の丸印で囲んだ部分)のみで接着し、さらに第２凹所31と貫通孔34を繋ぐ複数(図示例では４つ)の通気孔35を設けてもよい。このようにすれば、半田リフロー等の熱工程において、熱膨張した空気によるダイヤフラム11の破損が防止できる。

ところで、赤外線センサチップ１が複数のセンサ素子12を備えていても構わない。例えば、図５に示すようにダイヤフラム11上に４つのセンサ素子12を縦横に並べて形成し、各センサ素子12の出力を信号処理回路５で独立して処理してもよい。図５に示す赤外線センサチップ１を用いれば、各センサ素子12に対応した４つの検知エリア毎に赤外線を検出することができ、赤外線を放射する熱源の動きの有無だけでなく、複数の検知エリア間の熱源の移動の有無や移動方向の情報を得ることが可能になる。

１赤外線センサチップ
２光学部材(レンズ)
３パッケージ(支持体)
30 第１凹所
31 第２凹所
34 貫通孔

Claims

受光面に受光する赤外線を電気信号に変換する赤外線センサチップと、赤外線を前記受光面に集光する光学部材と、前記赤外線センサチップ並びに前記光学部材を支持する支持体とを備え、
前記支持体は、厚み方向における一面側で前記赤外線センサチップを支持するとともに、前記厚み方向における他面側で前記光学部材を支持し、且つ前記厚み方向において前記受光面と前記光学部材とを直接対向させる貫通孔が開口していることを特徴とする赤外線検出装置。
前記赤外線センサチップは、ダイヤフラムを有する基板と、前記ダイヤフラムの一面側に形成されるセンサ素子とを有することを特徴とする請求項１記載の赤外線検出装置。
前記ダイヤフラムは、前記基板の厚み方向における一端側に形成されており、前記赤外線センサチップは、前記一端側を前記光学部材に向けて前記支持部材に支持されることを特徴とする請求項２記載の赤外線検出装置。
前記支持体は、前記貫通孔に通ずる１乃至複数の通気孔を有することを特徴とすることを特徴とする請求項２又は３記載の赤外線検出装置。
前記貫通孔は、前記赤外線センサチップ側の開口端から、前記光学部材側の開口端に向かって徐々に拡径していることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の赤外線検出装置。
前記支持体は、前記光学部材の位置を規制する位置規制部を有することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の赤外線検出装置。
前記位置規制部は、前記支持体に設けられて前記光学部材が嵌め込まれる凹所からなり、前記凹所の内周壁は、前記赤外線センサチップに向かって徐々に縮径していることを特徴とする請求項６記載の赤外線検出装置。
前記赤外線センサチップは、１乃至複数の焦電素子を有し、前記焦電素子によって赤外線を電気信号に変換することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の赤外線検出装置。
前記赤外線センサチップは、前記受光面内で互いに隣り合って配置された複数個のセンサ素子を有することを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の赤外線検出装置。