JP2016090377A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、低背化し、かつ、検出精度を向上させることができる赤外線センサを提供することを目的とする。【解決手段】この目的を達成するために本発明は、電子部品が実装された基板と、基板４２の一方の側に設けられたレンズ４３と、基板４２のレンズ４３が設けられていない他方の側に設けられた赤外線検出素子４４を有し、基板４２には孔４１が設けられ、レンズ４３と赤外線検出素子４４は孔４１を挟んで基板４２に設けた構成とした。【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線を検知する赤外線センサに関する。

従来から、電子機器に内蔵される赤外線検出装置として、赤外線センサが用いられてきた。

図６は、従来の赤外線検出装置の断面図である。従来の赤外線センサを用いた赤外線検出装置１は、赤外線を検知する赤外線センサ２と、赤外線センサ２からの出力信号を信号処理する半導体素子３とを有している。赤外線センサ２は、開口部４が一表面側に設けられるベース基板５と、ベース基板５における他表面側６でベース基板５に支持される薄膜部７と、薄膜部７に設けられる赤外線検知部８とを備えている。赤外線センサ２は、接合材９により、ベース基板５における他表面側６が半導体素子３に実装されている。

赤外線検出装置１は、赤外線センサ２が実装された半導体素子３を配置するパッケージ基体１０を有している。半導体素子３は、たとえば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの接着剤１１を用いて、パッケージ基体１０に接着している。半導体素子３には、赤外線センサ２を透過した赤外線を反射させる赤外線反射膜１２を半導体素子３の一表面１３側に設けている。また、赤外線検出装置１は、赤外線センサ２に赤外線を集光させるレンズ部１４を備え赤外線センサ２を覆う覆部１５が設けられている。

赤外線センサ２は、たとえば、薄膜部７がシリコン基板を用いたベース基板５に薄膜部７自体で支持されるダイアフラム構造としている。赤外線センサ２は、シリコン基板を用いたベース基板５の他表面６側に形成されたシリコン酸化膜１６を備えている。赤外線センサ２は、シリコン酸化膜１６のベース基板５と反対側にシリコン窒化膜１７を備えている。赤外線センサ２は、シリコン酸化膜１６とシリコン窒化膜１７とで薄膜部７を構成している。赤外線センサ２は、薄膜部７のシリコン窒化膜１７に熱電対１８が形成されている。

赤外線センサ２は、平面視において、ベース基板５側の薄膜部７と、開口部４側の薄膜部７とに亘って設けられ赤外線の吸収による温度変化を検知する熱電対１８を有している。従来の赤外線検出装置１は、複数個の熱電対１８を電気的に直列に接続して、サーモパイルを構成している。従来の赤外線検出装置１は、サーモパイルと、サーモパイルを覆う赤外線吸収部１９とで赤外線検知部８を構成している。

また、赤外線センサ２は、外部への出力端子となる第１端子部２０を備えている。赤外線センサ２は、第１端子部２０を複数個の熱電対素線（図示せず）の一つと電気的に接続させている。同様に、赤外線センサ２は、外部への出力端子となる第２端子部２１を備えている。赤外線センサ２は、第２端子部２１を複数個の熱電対素線（図示せず）の一つと電気的に接続させている。

パッケージ基体１０は、種々の形状のものを用いることができ、板状であっても有底筒状であってもよい。パッケージ基体９は、たとえば、パッケージ基体１０の表面２２側に赤外線センサ２と電気的に接続させる回路パターンを備えたセラミック基板を用いることができる。

赤外線検出装置１は、赤外線センサ２の第１端子部２０および第２端子部２１を半導体素子３の接続端子部２３，２４上に形成された接合材９，９と接合させることにより電気的に接続している。なお、赤外線検出装置１は、パッケージ基体１０の外側に外部接続端子２５，２６を備えている。赤外線検出装置１は、赤外線センサ２が検出した出力信号を半導体素子３で増幅して出力できるように、パッケージ基体１０に貫設された貫通配線（図示せず）を通して、半導体素子３と、外部接続端子２５，２６とを電気的に接続させている。赤外線検出装置１は、赤外線センサ２からの出力信号を、外部接続端子２５，２６から外部に出力することができる。

また、赤外線検出装置１は、赤外線センサ２が実装された半導体素子３と、パッケージ基体１０の配線パターンとをワイヤ２７によりワイヤボンディングしている。

また、別の従来の赤外線センサ２として、図に示すように、覆部１５で赤外線センサ２と半導体素子３とを囲む代わりに、樹脂部２８で赤外線センサ２と半導体素子３との側周部２９を囲む構造が知られている。

別の従来の赤外線検出装置１は、赤外線センサ２において、ベース基板５の他表面６側の外周部に沿って枠状の金属パターン部３０を形成させている。赤外線検出装置１は、半導体素子３において、赤外線センサ１の金属パターン部３０に対応する部位に、枠状の金属パターン部３１を形成させている。

別の従来の赤外線検出装置１は、接合材９は、赤外線センサ２の赤外線検知部８を除く部位に配されており、赤外線センサ２と半導体素子３とを電気的に接続させる第１接合材９ａと、赤外線センサ２と半導体素子３との間を気密封止する第２接合材９ｂとを備えている。

また、図７に、別の従来の赤外線検出装置の断面図を示す。別の従来の赤外線検出装置１０は、図７に示すように、赤外線センサ２と覆部１５との間に、スペーサ３２が介在している。赤外線検出装置１は、スペーサ３２において金属パターン層３３と対応する部位に、枠状の金属パターン膜３４を形成させている。なお、スペーサ３２には、レンズ部１４からの赤外線を赤外線センサ２の赤外線検知部８側に照射できるように、貫通孔３５が貫設されている。また、本実施形態の赤外線検出装置１では、覆部１５におけるレンズ部１４の形状を平凸形状としている。赤外線検出装置１は、シリコン基板の陽極酸化技術を利用して、赤外線検出装置１の外部に突出するように、覆部１５にレンズ部１４を構成する凸部３６を形成している。

また、赤外線検出装置１は、スペーサ３２における一表面１３側（レンズ部１４側）において、貫通孔３５を囲むように枠状の金属パターン膜３７を形成させている。赤外線検出装置１は、覆部１５において金属パターン膜３４と対応する部位に、枠状の金属パターン層３８を形成させている（特許文献１参照）。

また、別の従来の赤外線センサ

特開２０１３−１８６０３８号公報

赤外線を検出するために、レンズと赤外線検出素子とを所定の焦点距離だけ離すことにより、赤外線検出素子に赤外線を集光させる必要がある。従来の赤外線センサは、基板の同一面に赤外線検出素子と、この赤外線検出素子の上部に、所定の焦点距離だけ離間して、レンズを接着したキャップを設けていたため、赤外線センサの低背化が困難であった。

本発明は、上記課題を解決し、赤外線センサを低背化した赤外線センサを提供する。

上記課題を解決するために本発明は、電子部品が実装された基板と、前記基板の一方の側に設けられたレンズと、前記基板の前記レンズが設けられていない他方の側に設けられた赤外線検出素子を有し、前記基板には孔が設けられ、前記レンズと前記赤外線検出素子は前記孔を挟んで前記基板に設けられ設けた構造とした。

本発明の赤外線センサは、基板の孔を挟んで対抗するようにレンズと赤外線検出素子を設けたことにより、赤外線センサを低背化し、かつ、検出精度を向上させることが出来ている。

（ａ）本実施の形態１の赤外線センサの上面図、（ｂ）同赤外線センサのＡＡ線断面図、（ｃ）同赤外線センサの下面図 同赤外線センサの基板の拡大図 同赤外線センサの別の形態の側断面図 （ａ）本実施の形態２の赤外線センサの上面図、（ｂ）同赤外線センサのＢＢ線断面図、（ｃ）同赤外線センサの下面図 同赤外線センサの別の形態の断面図 従来の赤外線検出装置を示す断面図 従来の別の形態の赤外線検出装置の断面図

（実施の形態１）
以下に、本実施の形態１における赤外線センサについて説明する。

図１は、本実施の形態１の赤外線センサを示す図である。図１（ａ）は本実施の形態１の赤外線センサの上面図、図１（ｂ）は同赤外線センサのＡＡ線断面図、図１（ｃ）は同赤外線センサの下面図である。

図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施の形態１の赤外線センサ４０は、表面Ｆ１から裏面Ｆ２まで貫通した孔４１が設けられた基板４２と、基板４２の表面において、孔４１の一方の開口端に設けられたレンズ４３と、基板４２の裏面において、孔４１の他方の開口端に設けられた赤外線検出素子４４を有している。基板４２の裏面Ｆ２には、チップ抵抗やコンデンサ等からなるチップ部品４５や、ＩＣ素子４６等の電子部品がはんだ実装されている。ＩＣ素子４６は基板４２に対して赤外線検出素子４４と同じ裏面に設けられており、赤外線検出素子４４とＩＣ素子４６はキャップ４７に覆われている。また、基板４２にはコネクタ４８が設けられており、コネクタ４８によって赤外線センサ４０を電子機器（図示せず）に接続することが出来る。

図２は図１（ｂ）における領域Ｒの拡大図である。基板４２は、ガラス転移温度が１２０℃以上のガラスエポキシを用いたプリント基板を用いている。基板４２にガラス転移温度が１２０℃以上の材料を用いることにより、赤外線検出素子４４を実装する際に安定して実装することができ、また、基板４２の熱歪みが小さくなるため、赤外線センサ４０の信頼性を向上させることが出来る。また、本実施の形態１の基板４２は、このガラスエポキシを用いたプリント基板を第１の基板４９と第２の基板５０を積層させた２層基板とし、第１の基板４９をベタグランドとしている。

赤外線検出素子４４は、ゼーベック効果を利用して赤外線を電圧として検出することができるサーモパイル素子を用いており、基板４２にＡｕ−Ａｕ接合やはんだ接合等によりフリップチップ実装されている。このサーモパイル素子を用いた赤外線検出素子４４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。なお、本実施の形態１の赤外線検出素子４４はサーモパイル素子を用いているが、この限りではなく、例えば、焦電素子等を用いても良い。

ＩＣ素子４６は、基板４２の他方向に設けられ、赤外線検出素子４４から出力された信号を信号処理している。

赤外線検出素子４４とＩＣ素子４６と、基板４２に設けられる配線（図示せず）は、基板４２の他方向、すなわち、第２の基板５０に設けられていることにより、赤外線検出素子４４、ＩＣ素子４６、配線が検知する対象物体から放射される赤外線の影響を受け難くなる。これにより、赤外線センサ４０の耐輻射ノイズが向上し、赤外線の検出精度を向上させることができる。

また、赤外線検出素子４４とＩＣ素子４６を覆うようにしてキャップ４７が設けられていることにより、輻射ノイズの影響を低減することができるとともに、異物による検出精度の低下を防止することが出来る。なお、本実施の形態１において、キャップ４７は、鉄にニッケルでめっきをしたものを用いているが、これに限らず、例えば、ＳＵＳ等の材料を用いてもよい。

次に、本実施の形態１の赤外線センサ４０の製造方法を簡単に説明する。

まず、電子部品をはんだ実装した基板４２に、切削などの加工により２．５ｍｍ×２．５ｍｍの鏡筒となる孔４１を形成する。ここで、孔４１の側面には、基板４２の母材が露出しているため、孔４１から基板４２の母材の切り屑等の異物が発生し、赤外線センサ４０の検出精度を低下させてしまう。このため、本実施の形態１では、孔４１の内側の側面５３にレジスト等の有機材料によって保護膜（図示せず）を形成しており、これにより、孔４１からの切り屑等の異物の発生を抑制することができ、赤外線センサ４０の検出精度を向上させることができる。なお、本実施の形態１において、孔４１を正方形としているが、これに限らず、その形状、大きさは適宜選択することができる。

次に、孔４１の一方向にレンズ４３を接着剤５１により実装する。接着剤により実装することにより、容易に基板４２にレンズ４３を実装することが出来るが、接着剤による実装に限らず、基板４２にフリップチップ実装しても良い。ここで、レンズ４３は基板４２の一方向、すなわち、ベタグランドされた第１の基板４９に、レンズ４３の四隅にアルミをパターニングし、ベタグランドとフリップチップ接合することにより、レンズ４３自体にシールド効果を持たせることが出来るようになり、赤外線センサ４０の検出精度を更に向上させることができる。また、本実施の形態１のレンズ４３にはシリコンを用いており、これにより、低コストで透過性、加工性、強度の優れたレンズ４３を得ることが出来ている。

次に、赤外線検出素子４４をレンズ４３の設けられた位置を認識させて、ズレが生じないようにマウントし、はんだ５２を用いてはんだ接合によりフリップチップ実装する。レンズを、例えば、パッケージに接合してから基板に実装する場合にはレンズとパッケージ、パッケージと基板を接合するときに、夫々の工程でズレが生じるが、本実施の形態１のように、レンズ４３を基板４２実装すれば、レンズ４３を基板４２に接合するときのズレのみで接合することができるため、より精度良く接合することができる。本実施の形態１においては、はんだ接合をしているが、これに限らず、例えば、Ａｕ−Ａｕ接合等で実装しても良い。特に、Ａｕ−Ａｕ接合で赤外線検出素子４４を実装することにより、はんだ接合で実装する場合に比べズレが少ないため、より精度良く赤外線検出素子を基板に実装することができる。

以上のようにして製造された赤外線センサ４０の検出方法について説明する。検出の対象物体が赤外線センサ４０の視野角内にある場合を例にして説明する。

対象物体から放射される赤外線がレンズ４３を介して赤外線検出素子４４に結像する。そして、赤外線検出素子４４が入射した赤外線に応じた電圧をＩＣ素子４６に出力し、この信号をＩＣ素子４６で処理し、コネクタ４８を介して電子機器に出力することにより、対象物体の温度を検出することができる。

従来の赤外線センサ（図６、図７）は、赤外線検出素子の上部に、所定の焦点距離だけ離間してレンズを設けていたが、本実施の形態の赤外線センサ４０は、基板４２の厚みを利用して焦点距離を稼ぐことにより、赤外線センサ４０を低背化することができる。ここで、基板４２の厚さは１ｍｍ〜２ｍｍ程度であり、レンズ４３の焦点距離をこの基板４２の厚さに応じて選ぶことによって、対象物体の温度を検出することができる。このように、本実施の形態１の赤外線センサ４０は、レンズ４３の焦点距離を基板４２の厚さに応じて選択することにより、図１に示すような基板４２にレンズ４３と赤外線検出素子４４を実装しただけの構造で対象物体の温度を検出することができるため、低背化することができている。

また、基板４２にレンズ４３と赤外線検出素子４４を直接実装しているため、赤外線検出素子４４の実装時にレンズ４３との位置あわせが容易になり、レンズ４３と赤外線検出素子４４との光軸ずれが小さくなり、赤外線センサ４０の検出精度を向上させることが出来ている。

また、赤外線検出素子４４と赤外線検出素子４４を覆うキャップ４７とを基板４２の他方向側、すなわち、第２の基板５０に実装することにより、対象物体とキャップ４７の間に基板４２が存在するようになる。このため、対象物体の放射する赤外線により、キャップ４７の温度が変化することが無く、赤外線センサ４０の検出精度を向上させることが出来る。

なお、本実施の形態１の赤外線センサ４０に、図３に示すような孔４１と同程度の大きさの開口部５４が設けられたカバー５５を基板４２に設けても良い。このように、カバー５５を設けることによって、対象物体以外から放射される想定外の赤外線の検出を抑制することが出来るため、赤外線センサ４０の検出精度を向上させることが出来る。なお、開口部５４の大きさを孔４１と同程度としたが、この限りではなく、赤外線センサ４０の使用環境や対象物体に応じて孔４１の大きさを適宜選択することが出来る。

なお、本実施の形態１では、基板４２を２層基板としているが、これに限らず、例えば、セラミック基板を用いてもよく、赤外線センサ４０で検出する対象物体、赤外線センサ４０の使用条件等で適宜選択すればよい。

また、基板４２を第１の基板４９と第２の基板５０の間に基板が２層挟まれた４層基板を用いても良い。基板４２を４層基板とし、真中の２層の間に信号線を配線しても良い。このようにすることにより、信号線への外来ノイズの影響を低減することが可能になる。

（実施の形態２）
本実施の形態２について図面を用いて説明する。

なお、本実施の形態２における赤外線センサの構造のうち、本実施の形態１と同様の構成については、本実施の形態１と同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、本実施の形態１と異なる構成についても、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、本実施の形態１の構成と組み合わせても良い。

本実施の形態２の赤外線センサを図４に示す。図４（ａ）は本実施の形態２の赤外線センサの上面図、図４（ｂ）は同赤外線センサのＢＢ線断面図、図４（ｃ）は同赤外線センサの下面図である。

図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施の形態２の赤外線センサ６０は、孔４１が設けられた基板４２と、基板４２の孔４１の一方向に設けられたレンズ４３と、基板４２の孔４１の他方向に設けられた赤外線検出素子４４を有している。基板４２には、チップ抵抗やコンデンサ等からなるチップ部品４５や、ＩＣ素子４６等の電子部品がはんだ実装されている。ＩＣ素子４６は基板４２に対して赤外線検出素子４４と同じ方向に設けられており、赤外線検出素子４４とＩＣ素子４６は樹脂６１に覆われている。また、基板４２にはコネクタ４８が設けられており、コネクタ４８によって赤外線センサ４０を電子機器（図示せず）に接続することが出来る。

本実施の形態２における赤外線センサ６０は、キャップ４７ではなく、樹脂６１によって赤外線検出素子４４とＩＣ素子４６を覆っている点で本実施の形態１における赤外線センサ４０と異なっている。本実施の形態２のように、樹脂６１で赤外線検出素子４４とＩＣ素子４６を覆うことにより、安価に構成することができ、かつ、異物による影響や、輻射ノイズによる影響を低減することができ、赤外線センサ６０の検出精度を向上させることができる。

また、図５に示すように、開口部５４が設けられたカバー５５を基板４２に設けても良い。このように、カバー５５を設けることによって、対象物体以外から放射される想定外の赤外線の検出を抑制することが出来るため、赤外線センサ４０の検出精度を向上させることが出来る。

本発明は、赤外線センサに適用することができる。

４０、６０ 赤外線センサ
４１ 孔
４２ 基板
４３ レンズ
４４ 赤外線検出素子
４５ チップ部品
４６ ＩＣ素子
４７ キャップ
４８ コネクタ
４９ 第１の基板
５０ 第２の基板
５１ 接着剤
５２ はんだ
５３ 側面
５４ 開口部
５５ カバー
６１ 樹脂

Claims (11)

1. 表面と裏面を有する基板と、
   前記基板の表面に設けられたレンズと、
   前記基板の裏面に設けられた赤外線検出素子を有し、
   前記基板には孔が設けられ、
   前記レンズと前記赤外線検出素子は前記孔を挟んで対向している赤外線センサ。
2. 前記基板がプリント基板である請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 前記基板のガラス転移温度が１２０℃以上である請求項２に記載の赤外線センサ。
4. 前記基板の裏面に電子部品が実装されている請求項１に記載の赤外線センサ。
5. 前記基板が４層基板であり、
   前記基板の真中の２層の間に配線が設けられている請求項１に記載の赤外線センサ。
6. 前記基板の表面に前記レンズを覆う覆部が設けられ、
   前記覆部に開口部が設けられている請求項１に記載の赤外線センサ。
7. 前記基板の裏面に、
   前記赤外線検出素子を覆うキャップが設けられている請求項１に記載の赤外線センサ。
8. 前記赤外線検出素子が樹脂封止されている請求項１に記載の赤外線センサ。
9. 前記孔の側面に保護膜が設けられている請求項１に記載の赤外線センサ。
10. 前記基板はグランド層を含む多層基板であり、
    前記レンズが、前記グランド層と接合されている請求項１に記載の赤外線センサ。
11. 前記赤外線検出素子は、
    Ａｕ−Ａｕ接合で前記基板に接合されている請求項１に記載の赤外線センサ。

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