JP2015141108A - 光センサモジュールおよび光センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低背化または小型化することが可能な光センサモジュールおよび光センサ装置を提供する。【解決手段】 本発明の光センサモジュールは、上下方向に光を透過させる基板２と、基板２の上方に位置し、外部に露出する検出部７を有する透光性部材３と、基板２の下面２Ｂに配置された、検出部７に光学的に接続される発光素子４および受光素子５と、下面２Ｂに配置された、発光素子４または受光素子５と電気的に接続した外部電極パッド６と、を有する。【選択図】 図３

Description

本発明は、光センサモジュールおよび光センサ装置に関するものである。

近年、微量な試料を容易かつ正確に測定するセンサ装置が求められている。なかでも、金属表面に生じる表面プラズモンを応用した光センサ装置の開発が行なわれている。ここで表面プラズモンを応用した光センサ装置は、光透過性媒体上に設けられた金属薄膜における光の全反射条件で生じる光−表面プラズモン波の相互作用を利用して特定の物質を検出または測定するセンサである。表面プラズモンを用いた光センサ装置は、検出感度が高いことから、低濃度のガス、イオン、抗原、ＤＮＡ等の検出する方法として検討されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３４４４３７号公報

このような光センサ装置の開発において、装置全体を低背化または小型化することが課題の一つとなっている。

そこで、本発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであって、低背化または小型化することが可能な光センサモジュールおよび光センサ装置を提供することを目的とする。

本発明の光センサモジュールは、上下方向に光を透過させる基板と、該基板の上方に位置し、外部に露出する検出部を有する透光性部材と、前記基板の下面に配置された、前記検出部に光学的に接続される発光素子および受光素子と、前記下面に配置された、前記発光素子または前記受光素子と電気的に接続した外部電極パッドと、を有する。

また本発明の光センサ装置は、上述の光センサモジュールと、該光センサモジュールよりも大きい凹部を有し、該凹部内に配置された、前記外部電極パッドが電気的に接続されるパッドを有するパッケージを備え、前記光センサモジュールが第１バンプを介して前記パッドに実装されている。

本発明によれば、装置全体を低背化または小型化することが可能な光センサモジュールおよび光センサ装置を提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる光センサ装置を示す平面図である。 図１の光センサ装置をＡ−Ａ線で切断したときの断面に相当する。 図１の光センサ装置の変形例を示すものであり、発光素子、検出部および受光素子の位置関係を示す概略図である。 図２の光センサ装置の一部を拡大した断面図である。 図１の光センサ装置において、基板の下面側からみた平面図である。 図１の光センサ装置において、光センサモジュールおよび蓋部分（最上層）を取り外したパッケージの平面図である。 図１の光センサ装置の変形例を示すものであり、図１のＡ−Ａ線で切断したときに相当する。 図１の光センサ装置の変形例を示すものであり、図１のＡ−Ａ線で切断したときに相当する。 図１の光センサ装置の変形例を示すものであり、図１のＡ−Ａ線で切断したときに相当する。

以下、本発明の一実施形態に係る光センサモジュールおよび光センサ装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。

本発明の一実施形態に係る光センサモジュールおよび光センサ装置について以下説明する。本実施形態に係る光センサモジュール１は、図２に示すように、基板２、透光性部材３、発光素子４、受光素子５、外部電極パッド６および検出部７を有している。また、本実施形態に係る光センサ装置１００は、光センサモジュール１およびパッケージ８を有している。

基板２は、上下方向に光を透過させることができるように設定されている。基板２は、例えば、直方体状に形成されている。基板２の平面視における１辺は、２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下となるように設定することができる。また、基板２の厚みは、例えば０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下となるように設定することができる。基板２は、単層または単層を複数積層したものを用いることができる。

基板２としては、基板全体が透光性を有する場合には、例えばガラス（石英）または透光性の樹脂を用いることができる。基板全体が透光性を有している場合は、光が通る箇所を加工しなくてもよいことから、生産性を向上させることができる。一方、基板２として、基板全体が透光性を有していない材料を用いた場合には、光が通る箇所に貫通孔を有するスルーホール基板を用いることができる。透光性を有していない基板２を用いた場合は、選択できる材料を多くすることができるため、設計の自由度を高めることができる。

基板２の材料は、例えば、ジルコニア、アルミナ、炭化珪素、窒化ホウ素、ベリリア、低温焼成ガラスセラミック、ムライト、ガラスセラミックまたは窒化珪素などの材料を用いることができ、これらを混ぜて用いてもよい。また、基板２の材料として有機材料を用いる場合には、例えばエポキシ樹脂、ビスマレイミド−トリアジン樹脂、シアネート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、芳香族ポリアミド樹脂またはポリイミド樹脂などを用いることができる。透光性の基板２の材料としては、概略的には、例えばガラス（石英）または透光性樹脂を用いればよい。

本実施形態の基板２は、第１部材２ａおよび第２部材２ｂが積層されている場合である。また第１部材２ａおよび第２部材２ｂの間には、偏光子２ａｃが配置されている。偏光子２ａｃが配置されていることにより、後述するように検出部７に入射する際の光の偏光方向を調整することができる。具体的に、発光素子４から出射した光が偏光子２ａｃによってｐ偏光に偏波されて検出部７に入射されることにより、表面プラズモンが励起されやすくすることができる。第１部材２ａおよび第２部材２ｂは例えばガラスで構成されている。基板２を複数の層で構成することにより、層間に偏光子２ａｃおよび電気配線を配置することができる。

透光性部材３は、基板２の上方に配置されている。透光性部材３は、基板２の上面２Ａに載置されていてもよいし、基板２の上面２Ａと離れて配置されていてもよい。透光性部材３としては、例えばガラス（石英）または透光性樹脂などを用いることができる。透光性部材３と基板２との間には、空気（真空）の屈折率よりもガラスの屈折率に近い屈折率を持つ光学オイルまたは樹脂等を配置してもよい。このように光学オイル等を配置した場合、基板２と透光性部材３との間を通る際に発生する光の接続損失を低減することができる。なお、本実施形態では、基板２および透光性部材３の間に、導光部材３ａおよび光学オイルとして屈折率整合部材３ｂが配置されている場合である。

透光性部材３は、外部に検出面が露出する検出部７を有している。検出部７は、透光性部材３と異なる部材で構成されていてもよいし、透光性部材３と一体的に構成されていてもよい。検出部７が透光性部材と異なる部材で構成されている場合、検出部７を交換しやすくすることができる。その結果、検出部７で検体を検出し、検出部７を交換する場合に、検出部７だけを交換すれば良くなるため、生産性を向上させることができる。本実施形態は、検出部７が透光性部材３と一体的に構成されている場合である。

検出部７は、表面に表面プラズモンが励起しやすくなるように、透光性部材３の上に金属薄膜７ａが形成されている。金属薄膜７ａは、例えば、銀、金、銅、亜鉛、アルミニウムまたはカリウム等の金属材料を用いることができる。金属薄膜７ａは、金属材料を単層で用いてもよいし、複数の層を積層してもよい。なお、金属薄膜７ａの材料については、金属薄膜７ａ上に配置される感応膜の材料または発光素子４の発光波長等を考慮して選択すればよい。金属薄膜７ａの厚みは、例えば０．５ｎｍ以上１μｍ以下となるように設定することができる。

このように検出部７が配置されていることにより、透光性部材３内部を進んできた光が金属薄膜７ａとの界面で全反射されると、金属薄膜７ａの表面に表面プラズモンが励起される。表面プラズモンは、入射角度によって強度が異なる角度依存性を有しているため、例えば透光性部材３および金属薄膜７ａの誘電率によって適宜入射角が設定される。

このような金属薄膜７ａの上に感応膜が配置されることにより、特定の物質を検出することができる。感応膜とは、特定の物質と反応することで物理的または化学的に変化する膜である。感応膜の性質が変化すると、感応膜の誘電率（屈折率）が変化することになり、検出部７で反射する光の反射率が変化する。その結果、受光素子５に入射する光の強度が変化することから、感応膜に特定の物質が付着したことが分かり、特定の物質を検出することができる。

具体的に、水素ガスなどを検出する場合には、感応膜として、例えばマグネシウム、パラジウムなどの膜を用いることができる。また、アンモニアガスなどを検出する場合には、感応膜として、アクリル酸ポリマーまたは銅フタロシアニンなどの膜を用いることができる。他には、モノクローナル抗体、ビオチンまたはがレクチンなどの膜を用いることで抗原を検出することができる。

透光性部材３は、ひとつの部材によって構成されていてもよいし、複数の部材が組み合わさって構成されていてもよい。また、基板２と同じ材料で、一体的に形成されていてもよい。この場合、部材数を少なくすることができるので、生産性を向上させることができる。本実施形態では、透光性部材３が複数の部材が組み合わさって構成されている場合である。具体的には、透光性部材３は、基板２との間に配置された導光部材３ａおよび屈折率整合部材３ｂを有している。

透光性部材３には、後述する発光素子４および受光素子５が検出部７と光学的に接続す
るように、第１ミラー３ａおよび第２ミラー３ｂが設けられている。第１ミラー３ａおよび第２ミラー３ｂは、透光性部材３の上面側の一部が切りかかれることにより形成されている。このように一部が切りかかれることにより、透光性部材３と外部との屈折率との差によって、光を反射させることができる。

第１ミラー３ａおよび第２ミラー３ｂの表面には金属膜を形成してもよい。表面に金属膜を形成した場合、光をさらに反射しやすくすることができる。金属膜の材料は、発光素子４から出射する光の波長によって反射率を考慮して選択すればよく、例えば、アルミニウム、銀または金などを含む材料を用いることができる。

第１ミラー３ａは、発光素子４から検出部７に光が進む光路に配置されている。また、第２ミラー３ｂは、検出部７から受光素子５に光が進む光路に配置されている。第１ミラー３ａおよび第２ミラー３ｂを、発光素子４および受光素子５の光路の間に設けることによって光センサモジュール１を低背化することができる。

発光素子４および受光素子５は、基板２の下面２Ｂに配置されている。発光素子４および受光素子５は、平面方向において、検出部７が間に位置するように所定の間隔をあけて配置されている。このような発光素子４および受光素子５は、検出部７に光学的に接続されている。具体的には、発光素子４から出射した光が検出部７に入射し、検出部７で反射した光が受光素子５に入射することとなる。

発光素子４としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）または面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等を用いることができる。また、受光素子５としては、例えばフォトダイオード（ＰＤ）などを用いることができる。発光素子４および受光素子５は、発光部４ａまたは受光部５ａを複数持つアレイ状素子を用いてもよい。複数の発光部４ａを持つ発光素子４、複数の受光部５ａを持つ受光素子５を用いることによって、平面方向に小型化することができる。本実施形態では、図３に示すように、受光部５ａが発光素子４および受光素子５の配列方向に配置されたアレイ状素子を受光素子５として用いている場合である。このように構成することで、多チャンネルの光センサモジュール素子を小型化することができる。

外部電極パッド６は、基板２の下面２Ｂに配置されている。外部電極パッド６は、発光素子４または受光素子５と電気的に接続している。具体的には、図４に示すように、外部電極パッド６は、図５に示すように、発光素子４または受光素子５が光素子バンプ９等を介して実装される光素子用パッド６ａと接続配線６ｂを介して電気的に接続されている。光素子バンプ９としては、例えば半田または銅等を用いることができる。接続配線６ｂは、基板２の下面２Ｂに形成されている必要はなく、例えば基板２内部に形成されていてもよい。この場合、外部電極パッド６および光素子用パッド６ａと、接続配線６ｂとは、ビア導体等によって電気的に接続される。

このように構成された光センサモジュール１がパッケージ８に実装されていることにより、光センサ装置１００が構成されている。パッケージ８は、図６に示すように、光センサモジュール１が収容可能となっている。パッケージ８は、内壁面に段差８ａを有しており、この段差８ａには接続パッド８ａｂが形成されている。光センサモジュール１は、外部電極パッド６が接続パッド８ａｂにバンプ等の実装バンプ１２を介して実装される。

実装バンプ１２は、例えば半田などを用いることができる。実装バンプ１２として、光素子バンプ９よりも融点の低い材料を用いてもよい。実装バンプ１２として光素子バンプ９よりも融点の低い材料を用いることにより、光センサモジュールをパッケージ８に実装する２次実装の際に、光素子バンプ９が溶解されにくくすることができる。パッケージ８
は、例えばセラミック材料または有機材料によって構成されている。本実施形態のパッケージ８は、セラミック材料で構成されている場合であり、複数の層が積層されている場合である。

本実施形態の光センサモジュールでは、発光素子４および受光素子５と、外部電極パッド６が、基板２の下面２Ｂ側に設けられていることから、検出部７を外部に露出させつつ、光センサモジュールをパッケージ８に容易に実装することができる。また、このように発光素子４および受光素子５と、外部電極パッド６が同じ面側に配置されていることから、光センサモジュールを低背化することができる。

さらに、光センサモジュール１は、発光素子４、受光素子５および検出部７が固定された状態でパッケージ８等に実装されるため、光センサモジュール１を実装した後に光学的な位置合わせをする必要がなく、光センサ装置１００の生産性を向上させることができる。

（光センサモジュールの変形例１）
第２ミラー３ｂは、図７に示すように、凸面ミラーであってもよい。この場合、第１ミラー３ａおよび第２ミラー３ｂに凸面ミラーを用いてもよいし、異なる種類のミラー（平面ミラーと凸面ミラー）を用いてもよい。また、本実施形態は、検出部７として、透光性部材３と異なる部材で構成されている。

具体的に、本実施形態の検出部７は、基体７ｂおよび固定材７ｃで構成されている。検出部７は、透光性部材３に設けられた凹部３ｅに収容されている。凹部３ｅは、検出部７よりも大きく、検出部７を収容可能となっている。基体７ｂは、凹部３ｅの深さよりも低くなるように厚みが設定されている。

また、凹部３ｅには、第２凹部３ｅａが設けられており、固定材７ｃと接触する面積が大きくなるように設定されている。これにより、検出部７および固定材７ｃの接着強度を高めることができ、光センサモジュールの信頼性を向上させることができる。また、凹部３ｅが第２凹部３ｅａを有していることにより、検出部７と凹部３ｅの底面との接触面積を小さくすることができるため、検出部７を凹部３ｅに載置したときに、凹部３ｅの底面の凹凸による位置精度のばらつきを低減することができる。

（光センサモジュールの変形例２）
透光性部材３は、図８に示すように、下面側に形成された第１反射部材１０と、上面３Ａに形成された第２反射部材１１とを有していてもよい。本実施形態では、基板２の第１部材２ａおよび第２部材２ｂの間に配置されている場合である。第１反射部材１０および第２反射部材１１は、平面視において検出部７および受光素子５の間に配置されている。第１反射部材１０および第２反射部材１１としては、例えば金または銀などの金属材料を用いることができる。

第１反射部材１０および第２反射部材１１を設けることによって、検出部７を通った光が第１反射部材１０および第２反射部材１１で繰り返し反射させることができる。このように反射させることにより、光路長を長くすることができるのでビーム径を広げることができる。その結果、検出部７で反射した光を受光素子５に入射しやすくすることができる。さらに、第２反射部材１１を、図８に示すように、平面視において検出部７および受光素子５の間から受光素子５と重なるように配置することにより、外部から受光素子５に光が入射されにくくすることができ、検出感度を向上させることができる。

（光センサモジュールの変形例３）
パッケージ８は、図９に示すように、第２段差８ｂを設けてもよい。第２段差８ａｂは、平面視における内周が、段差８ａの内周よりも大きくなるように設定される。このようにパッケージ８を設定し、透光性部材３の外周が第２段差８ｂの内周よりも大きくなるように設定することで、透光性部材３の上下方向における位置合わせを容易に行うことができる。

発光素子４および受光素子５は、図９に示すように、第１封止樹脂１３で封止していてもよい。第１封止樹脂１３としては、例えば塩化ビニール、アクリル系樹脂またはエポキシ系樹脂等を用いることができる。第１封止樹脂１３で封止することにより、電気的絶縁性を確保することができる。さらに、第１封止樹脂１３および基板２の下面２Ａを覆うように第２封止樹脂１４で封止することにより、実装バンプ１２を溶解させた際に基板２の下面２Ｂが短絡することを抑制することができる。

１ 光センサモジュール
２ 基板
２Ａ 上面
２Ｂ 下面
２ａ 第１部材
２ａｃ 偏光子
２ｂ 第２部材
３ 透光性部材
３ａ 導光部材
３ａｂ レンズ部
３ｂ 屈折率整合部材
３ｃ 第１ミラー
３ｄ 第２ミラー
３ｅ 凹部
３ｅａ 第２凹部
４ 発光素子
５ 受光素子
６ 外部電極パッド
６ａ 光素子用パッド
６ｂ 接続配線
７ 検出部
７ａ 金属薄膜
７ｂ 基体
７ｃ 固定材
８ パッケージ
８ａ 段差
８ａｂ 接続パッド
８ｂ 第２段差
９ 光素子バンプ（第２バンプ）
１０ 第１反射部材
１１ 第２反射部材
１２ 実装バンプ（第１バンプ）
１３ 第１封止樹脂
１４ 第２封止樹脂
１００ 光センサ装置

Claims (12)

1. 上下方向に光を透過させる基板と、
   該基板の上方に位置し、外部に露出する検出部を有する透光性部材と、
   前記基板の下面に配置された、前記検出部に光学的に接続される発光素子および受光素子と、
   前記下面に配置された、前記発光素子または前記受光素子と電気的に接続した外部電極パッドと、を有する光センサモジュール。
2. 前記基板は透光性材料で構成されている請求項１に記載の光センサモジュール。
3. 前記透光性部材は、前記発光素子から前記検出部に光が進む光路に第１ミラーが配置されているとともに、前記検出部から前記受光素子に光が進む光路に第２ミラーが配置されている請求項１または２に記載の光センサモジュール。
4. 前記第２ミラーは凸面ミラーである請求項３に記載の光センサモジュール。
5. 前記透光性部材は、下面に形成された第１反射部材と、上面に形成された第２反射部材とを有し、
   前記第１反射部材および前記第２反射部材は、平面視において前記検出部および前記受光素子の間に位置に配置されている請求項１〜４のいずれかに記載の光センサモジュール。
6. 前記検出部は、前記透光性部材と異なる部材からなる検出部材で構成されているとともに、前記透光部材には前記検出部材よりも大きい凹部が形成されており、前記検出部材が前記凹部に載置されている請求項１〜５のいずれかに記載の光センサモジュール。
7. 前記基板と前記透光性部材とは一体的に形成されている請求項１〜６のいずれかに記載の光センサモジュール。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の光センサモジュールと、
   該光センサモジュールよりも大きい凹部を有し、該凹部内に配置された、前記外部電極パッドが電気的に接続されるパッドを有するパッケージを備え、
   前記光センサモジュールが第１バンプを介して前記パッドに実装されている光センサ装置。
9. 前記パッケージは、内壁面に段差を有しているとともに、該段差に前記パッドが配置されている請求項８に記載の光センサ装置。
10. 前記パッケージは、内壁面に第２の段差を有しており、前記透光性部材は前記第２の段差に載置されている請求項９または９に記載の光センサ装置。
11. 前記段差は、平面視において、内周が、前記第２の段差の内周よりも内側に位置している請求項９を引用する請求項１０に記載の光センサ装置。
12. 前記発光素子および前記受光素子は前記基板に第２バンプを介して実装されており、前記第２バンプは前記第１バンプの融点よりも高い融点の材料で構成されている請求項８または９に記載の光センサ装置。