JP2014098671A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ素子の温度精度を向上させることの可能な赤外線センサを得る。
【解決手段】赤外線センサ１は、赤外線を受光するセンサチップ（センサ素子）５と、センサチップ（センサ素子）５の出力信号を処理するＩＣチップ（回路素子）６と、を備える。そして、センサチップ（センサ素子）５をＩＣチップ（回路素子）６上に配置するとともに、センサチップ（センサ素子）５とＩＣチップ（回路素子）６との間に熱伝導性材料から成るダイボンド材（均熱層）１０を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサに関する。

従来より、赤外線を受光するセンサ素子と、センサ素子の出力信号を処理する回路素子とを備え、センサ素子を回路素子上に積層して配置することにより小型化を図るようにした赤外線センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１０３７４２号公報

ところで、赤外線センサは、センサ素子に温度の分布が生じてしまうと温度精度が低下してしまうため、センサ素子の温度を均一にするのが望まれる。

しかしながら、上記従来技術にあっては、センサ素子を回路素子上に積層させているため、回路素子の熱がセンサ素子に伝わることとなる。そのため、例えば回路素子に局所的な熱が発生した場合などに、センサ素子に伝わる熱が偏在してセンサ素子の受光面における温度精度が面内でばらついてしまう虞があった。したがって、センサ素子の温度精度が低下してしまう虞がある。

そこで、本発明は、センサ素子の温度精度を向上させることの可能な赤外線センサを得ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、赤外線を受光するセンサ素子と、前記センサ素子の出力信号を処理する回路素子と、を備え、前記センサ素子を前記回路素子上に配置するとともに、前記センサ素子と前記回路素子との間に熱伝導性材料から成る均熱層を設けたことを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、前記回路素子およびセンサ素子は、プリント基板に実装されていることを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、前記回路素子およびセンサ素子の周囲には、ノイズを遮蔽するシールドカバーが設けられていることを要旨とする。

本発明の第４の特徴は、前記回路素子およびセンサ素子は、赤外線を前記センサ素子に入射させる光導入部を有したケースで覆われており、前記シールドカバーは、前記回路素子およびセンサ素子と前記ケースとの間に配置されていることを要旨とする。

本発明によれば、センサ素子と回路素子との間に熱伝導性材料から成る均熱層を設けたので、例えば回路素子に局所的な熱が発生したとしてもその熱を均熱化させてセンサ素子に伝えることができる。これにより、センサ素子の温度を均一化させ易くすることができ、受光面の面内における温度精度のばらつきを抑制することができるため、センサ素子の温度精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態にかかる赤外線センサの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかる赤外線センサ１を示した図である。本実施形態の赤外線センサ１は、赤外線を受光するセンサチップ（センサ素子）５と、センサチップ５の出力信号を信号処理するＩＣチップ（回路素子）６と、を備えている。そして、センサチップ５およびＩＣチップ６がパッケージとしてのプリント基板２に実装されている。

赤外線センサ１は、赤外線を受光して、例えば温度分布や熱源の有無などを検出するものである。この赤外線センサ１のセンサチップ５としては、例えばゼーベック効果を利用して赤外線を電圧として検知できるサーモパイル型赤外線センサを用いることができる。このサーモパイル型赤外線センサは、受光した赤外線を赤外線吸収膜で熱に変換し、この熱により発生した温接点部の温度変化を直列に多数個接続した熱電対により電圧として出力するものである。なお、センサチップ５は、サーモパイル型に限らず、焦電型の赤外センサなど他のセンサを用いることも可能である。

本実施形態では、センサチップ５およびＩＣチップ６は略矩形板状をしており、ＩＣチップ６がダイボンド材１１によってプリント基板２上に実装されている。一方、センサチップ５は、プリント基板２上にＩＣチップ６と並設して配置されるのではなく、ＩＣチップ６上に積層して配置されるようになっている。

プリント基板２は、略矩形の平板形状をなしており、その上面や内層には配線（グランドパターンや電気回路配線）２ａが形成されている。グランドパターンはベタグランドパターンであり、プリント基板２内を通って図示せぬ外部端子によってグランドに接続される。

また、センサチップ５およびＩＣチップ６は、プリント基板２に設置されるパッケージとしてのケース３に収容されている。

ケース３は、矩形状の天壁３ａと周壁３ｂとによって底面部分が開放した直方体状に形成されている。そして、周壁３ｂの開放側端部３ｄをプリント基板２に接合することで、ケース３をプリント基板２に設置している。

また、ケース３の天壁３ａには、測定しようとする対象物体の赤外線をセンサチップ５に入射させる開口部３ｃが形成されている。そして、本実施形態では、ケース３の内側であって開口部３ｃの下方には、開口部３ｃを覆うようにしてレンズ４が取り付けられている。

すなわち、本実施形態では、上述した開口部３ｃとレンズ４とによって外部からの赤外線をセンサチップ（センサ素子）５に入射させる光導入部を構成している。

なお、レンズ４は、センサチップ５の受光面５ａとの間に所定間隔をおいて天壁３ａに接合されており、開口部３ｃを通過する赤外線をセンサチップ５に結像させるようにしている。また、レンズ４は、センサチップ５と対向するようにセンサチップ５の上方に配置されている。

また、レンズ４は矩形状に形成されており、片面（上面）が平坦面、他面（下面）が凸面となる凸レンズとして形成されている。なお、レンズ４は、両面が凸面となるように形成されていてもよく、また、片面が凹面で他面がその凹面よりも曲率の大きな凸面で形成されていてもよい。すなわち、レンズ４はセンサチップ５に集光させる機能を有していればよい。また、凸面や凹面が放物面であってもよい。さらにまた、レンズ４をＧｅやポリエチレンなどで形成することも可能である。

そして、センサチップ５とＩＣチップ６およびＩＣチップ６とプリント基板２は、それぞれボンディングワイヤなどの結線部８によって電気的に接続されている。

ここで、本実施形態では、センサチップ（センサ素子）５とＩＣチップ（回路素子）６との間に熱伝導性材料から成るダイボンド材（均熱層）１０を設け、センサチップ５とＩＣチップ６とを接合するようにしている。そして、センサチップ５をダイボンド材１０を介してＩＣチップ６上に積層させている。

このように、本実施形態では、センサチップ５とＩＣチップ６とを熱伝導性のダイボンド材（均熱層）１０で接合することで、例えばＩＣチップ６に発生する局所的な熱などをダイボンド材１０で効果的に分散（均熱化）させることができるようにしている。そして、その分散（均熱化）させた熱をセンサチップ５に伝えることにより、センサチップ５の温度精度の向上を図っている。

なお、本実施形態で定義する温度精度とは、センサチップ５による測定温度（測定結果）と測定対象物の実際の温度（真値）との誤差のことを差している。そして、ダイボンド材１０によってセンサチップ５の温度を均一化させ易くできるので、赤外線を受光面５ａのどこで受光させたとしてもその誤差が受光面５ａの面内で一定となり、センサチップ５の温度精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、センサチップ５とＩＣチップ６とをダイボンド材（均熱層）１０で接合するようにしたが、センサチップ５に接合バンプを設け、センサチップ５をＩＣチップ６上にフリップチップ実装するようにしてもよい。この場合、接合バンプによって形成されるセンサチップ５とＩＣチップ６との間の隙間を熱伝導性材料で埋めることにより均熱層を形成するのが好適である。

また、本実施形態では、センサチップ（センサ素子）５およびＩＣチップ（回路素子）６の周囲には、ノイズを遮蔽するシールドカバー７が設けられている。

シールドカバー７は、本実施形態ではケース３と同様にして、矩形状の天壁７ａと周壁７ｂとを有し、底面部分が開放された直方体状に形成されている。そして、周壁７ｂの開放側端部７ｄがプリント基板２に接合されることにより、シールドカバー７がプリント基板２に取り付けられている。

また、シールドカバー７の天壁７ａには、測定しようとする対象物体の赤外線をセンサチップ５に入射させる開口部７ｃが形成されている。この開口部７ｃは、センサチップ５と対向するようにセンサチップ５の上方に形成されている。

そして、本実施形態では、シールドカバー７は、センサチップ５およびＩＣチップ６とケース３との間に配置されている。

このように、本実施形態では、シールドカバー７をケース３内に設けることで外部からのノイズによるセンサチップ５およびＩＣチップ６の誤動作を抑制できるようにすのは勿論のこと、シールドカバー７内の体積を小さくできるようにしている。これにより、ダイボンド材１０を介して温められたセンサチップ５の温度がより素早く安定化するようになり、センサチップ５の温度精度をより一層向上させることができる。

次に、本実施形態の赤外線センサ１の作用について説明する。

先ず、対象物体から放射される赤外線が開口部３ｃのレンズ４を介して赤外線センサ１内に入射され、センサチップ（センサ素子）５にて結像する。そして、センサチップ（センサ素子）５が入射した赤外線に応じた電圧を出力し、その出力信号をＩＣチップ（回路素子）６が処理することで、対象物体の温度が検知される。

以上、説明したように、本実施形態の赤外線センサ１によれば、センサチップ（センサ素子）５とＩＣチップ（回路素子）６との間に熱伝導性材料から成るダイボンド材（均熱層）１０を設けるようにしている。そのため、例えばＩＣチップ６に局所的な熱が発生したとしてもその熱をダイボンド材１０で分散（均熱化）させてセンサチップ５に伝えることができるようになる。これにより、センサチップ５の温度を均一化させ易くすることができ、受光面５ａの面内における温度精度のばらつきを抑制することができるため、センサチップ５の温度精度を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、センサチップ（センサ素子）５がＩＣチップ（回路素子）上に積層して配置されている。そのため、センサチップ５およびＩＣチップ６を集積化させることができ、プリント基板２上にセンサチップ５とＩＣチップ６とが並設して配置される構成と比べて、赤外線センサ１の小型化を図ることができる。

さらに、本実施形態では、ＩＣチップ（回路素子）６およびセンサチップ（センサ素子）５が、プリント基板２に実装されている。そのため、セラミック基板にＩＣチップとセンサチップとが搭載されて赤外線センサが形成される場合と比べて、コストを低減することができる。

さらにまた、本実施形態では、ＩＣチップ（回路素子）６およびセンサチップ（センサ素子）５の周囲には、ノイズを遮蔽するシールドカバー７が設けられている。そのため、シールドカバー７によって、外部からの電磁ノイズや熱ノイズによるＩＣチップ６やセンサチップ５の誤動作を抑制することができ、赤外線センサ１の信頼性を高めることができる。

また、本実施形態では、ＩＣチップ６およびセンサチップ５は、赤外線をセンサチップ５に入射させる光導入部（開口部３ｃとレンズ４）を有したケース３で覆われており、シールドカバー７がＩＣチップ６、センサチップ５とケース３との間に配置されている。そのため、ダイボンド材１０を介して温められたセンサチップ５の温度安定時間を短くすることができ、センサチップ５の温度精度をより一層向上させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、センサチップ５をＩＣチップ６上に積層して配置するようにしたが、プリント基板２上にセンサチップ５とＩＣチップ６とを並設して配置するようにしてそれらを熱伝導性のダイボンド材１０で接合するようにしてもよい。

また、プリント基板２やケース３、その他細部のスペック（形状、大きさ、レイアウト等）も適宜に変更可能である。

１ 赤外線センサ
２ プリント基板
３ ケース
３ｃ 開口部（光導入部）
４ レンズ（光導入部）
５ センサチップ（センサ素子）
６ ＩＣチップ（回路素子）
７ シールドカバー
１０ ダイボンド材（均熱層）

Claims (4)

1. 赤外線を受光するセンサ素子と、
   前記センサ素子の出力信号を処理する回路素子と、を備え、
   前記センサ素子を前記回路素子上に配置するとともに、前記センサ素子と前記回路素子との間に熱伝導性材料から成る均熱層を設けたことを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記回路素子およびセンサ素子は、プリント基板に実装さ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。
3. 前記回路素子およびセンサ素子の周囲には、ノイズを遮蔽するシールドカバーが設けられてい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。
4. 前記回路素子およびセンサ素子は、赤外線を前記センサ素子に入射させる光導入部を有したケースで覆われており、
   前記シールドカバーは、前記回路素子およびセンサ素子と前記ケースとの間に配置さ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。

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