JP4945971B2 - 赤外線センサ用パッケージ - Google Patents

Description

本発明は、赤外線を検知する赤外線センサを有する赤外線センサ用パッケージに関するものである。

従来の赤外線センサ用パッケージは、外部からの赤外線を赤外線センサ用パッケージ内部に通過させる赤外線用窓と、通過した赤外線を検知する赤外線センサと、赤外線センサを固定し保持するステムと、赤外線センサを内包し、ステムと赤外線用窓の間の全外周を塞ぎ、ステムと赤外線用窓を固定すると共に赤外線センサ用パッケージの雰囲気を真空に維持するキャップとから構成されていた。

更に、赤外線用窓を通過して赤外線センサに入ってくる赤外線のうち、検知対象物からの受光したい赤外線のみを検知し、検知対象物以外からの赤外線（以後、迷光と呼ぶ）の検知量を削減すべく、赤外線センサ用パッケージ内部に、迷光が赤外線センサに届くのを遮断するための遮光板を備えたり、入ってきた迷光の反射を防止する反射防止塗料を塗布する等の対策がなされていた。

なお、この種の従来技術について記載されている文献としては、下記特許文献１を挙げることができる。

特開平７−３１８４２４号公報

しかし、このような構成の赤外線センサ用パッケージにおいては、迷光を遮断する遮光板を配置するにあたり、検知対象物からの受光したい赤外線を遮断することのないよう、中央部に赤外線センサの受光部面積に対応した面積の開口部を有する遮光板を、赤外線センサと赤外線用窓の間に赤外線センサと平行に配置していたため、赤外線センサと遮光板との間の空間に向けて、赤外線センサに対し斜め方向から入ってくる迷光を有効に遮光できないという問題があった。

更に、遮光板で防ぎきれない迷光を反射させずに吸収すべく、赤外線センサ用パッケージ内部に黒色塗料等を塗布する処理においては、これらの塗料に含まれる有機物質からのアウトガスによって、赤外線センサ用パッケージ内部の真空度を維持するのが困難となる問題もあった。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、迷光を有効に遮断する赤外線センサ用パッケージを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明においては、赤外線用窓と赤外線センサとの間に遮光板を複数枚配置し、遮光板の間隔が中央部の開口部側の端部において広く、開口部から離れるに従い狭くなるように遮光板を傾斜させた。

本発明に係る赤外線センサ用パッケージにおいては、中央部の開口部位置で迷光を広く捕え、対向する遮光板との間で迷光を順に反射させ、反射の都度遮光板で迷光を吸収し、開口部から離れ間隔が狭くなる方向に迷光を導き、遮光板の間隔が狭くなることで反射回数をより増加させ、迷光の吸収量を増加させることで、迷光を有効に遮断することが可能になる。

第１の実施の形態
図１は第１の実施の形態に係る赤外線センサ用パッケージの基本構成を示す図である。１０は赤外線センサ用パッケージ、１３は赤外線を通過させる赤外線用窓、１１は通過した赤外線を検知する赤外線センサ、１２は赤外線センサ１１を保持するステムである。赤外線センサ用パッケージ１０は、赤外線用窓１３、赤外線センサ１１、ステム１２の順序で配置し、赤外線センサ１１を内包し、赤外線用窓１３の端部とステム１２の端部とをキャップ１４で連接し、キャップ１４で赤外線用窓１３とステム１２の端部間の全外周を遮蔽する構成としてある。

また、赤外線用窓１３と赤外線センサ１１との間に、２枚（複数枚）の遮光板１５、１６を配置してある。遮光板１５、１６は、中央部に赤外線センサ１１の赤外線用窓１３への投影面積に概略等しい開口部を有し、開口部の位置を赤外線センサ１１の位置に対応させて配置し、遮光板１５、１６の間隔が中央部の開口部側の端部において広く、開口部からキャップ１４側の端部に離れるに従い狭くなるように遮光板１５、１６を傾斜させてある。即ち、遮光板１５、１６のうち、赤外線用窓側の遮光板１５は、キャップ１４側の端部から開口部側の端部に向けて赤外線用窓１３の方向に傾斜させ、赤外線センサ１１側の遮光板１６は、キャップ１４側の端部から開口部側の端部に向けて赤外線センサ１１の方向に傾斜させ、遮光板１５、１６のキャップ１４側の端部を近接させてある。図１では遮光板１５、１６の傾斜を角度αで示してある。なお、図１では明示されていないが、遮光板１５はキャップ１４又は遮光板１６に溶接するなど、何らかの方法で固定されている。

赤外線センサ１１は非冷却型の赤外線センサで、別名熱型センサともいい、赤外線センサ１１に設けられた感熱物質の電気特性の温度変化を何らかの方法で電気信号に変えて出力するものである。例えば、感熱物質の電気抵抗の変化を用いるボロメータ、誘電率変化を用いる焦電タイプ、ゼーベック効果を用いるサーモパイルなどがある。なお、赤外線センサ１１は、ダイボンド材等でステム１２に固定されている。

赤外線センサ１１の検知感度を向上させるためには、感熱物質の温度変化率を大きくする必要があり、このため、感熱物質を支える構造体を断熱構造とする方法や、赤外線センサ用パッケージ１０内を低圧にして雰囲気ガスの熱伝導を抑制する方法が良く用いられている。従って、非冷却型の赤外線センサ１１では樹脂モールドパッケージではなく図１に示す中空パッケージ構造が用いられている。なお、赤外線センサ用パッケージ１０内の雰囲気は、10^−１Pa以下の真空に保持されている。

２０は赤外線センサ１１の中心から赤外線センサ１１に垂直に引いた光軸で、ステム１２、赤外線用窓１３はそれぞれ、光軸２０に対し垂直に配置してある。１８は赤外線センサ１１で受光したい赤外線で、光軸２０を中心に、角度γの範囲で検知可能である。１９は迷光で、受光したい赤外線１８とは異なる方向から入ってくる赤外線である。

次に、２枚の遮光板１５、１６の作用について説明する。対向する２枚の遮光板１５、１６の間隔は、開口部側では広く、キャップ１４側では狭い構成になっているため、遮光板１６に入射した迷光１９は、一部は遮光板１６で吸収され、残りの反射光は遮光板１５に向かい、遮光板１５に入射する。遮光板１５でも同様に、入射光の一部は遮光板１５で吸収され、残りが遮光板１６に反射されるため、反射光の強度はさらに減少する。このように入力された迷光１９は対向する遮光板１５、１６の間で反射を繰り返しながら吸収される。更に、遮光板１５、１６の間隔はキャップ１４側で狭くなっており、キャップ１４側に向かって反射回数が増え、吸収量も多くなるため、迷光１９の減衰量がより大きくなる。

例えば、遮光板１５、１６での迷光１９の吸収率を１０％とし、５０回反射したと仮定すると、入ってきた迷光１９の強度は、当初強度の０．５％に減少し、迷光１９の影響をほぼなくすことができる。

以上説明した図１に示す構成とすることにより、対向する遮光板１５、１６の中央部の開口部で迷光１９を幅広く捕らえ、遮光板１５、１６間の間隔が狭くなるキャップ１４の方向に捕えた迷光１９を導き、遮光板１５、１６間の反射時に迷光１９を吸収し、遮光板１５、１６間の間隔が狭くなることで迷光１９の反射回数を増加させ、迷光１９を有効に遮断することが可能となる効果を有する。

更に、遮光板１５、１６で、迷光１９を吸収し、減衰させるため、黒色塗料等を赤外線センサ用パッケージ１０内部に塗布する必要がなく、これらの塗料に含まれる有機物質からのアウトガスによって、赤外線センサ用パッケージ１０内部の真空度を維持するのが困難となる問題も発生しない効果を有する。

尚、上記説明においては、遮光板が２枚の場合を代表例として記載したが、３枚以上の場合についても、２枚の場合と同様に、赤外線用窓１３と赤外線センサ１１との間に遮光板を配置し、配置した複数枚の遮光板のうち、最も赤外線用窓１３側の遮光板は、キャップ１４側の端部から開口部側の端部に向けて赤外線用窓１３の方向へ傾斜させ、一方、最も赤外線センサ１１側の遮光板は、キャップ１４側から開口部側に向けて赤外線センサ１１の方向への傾斜させ、残りの中間の遮光板は、傾斜を設けないで配置する、若しくは最も赤外線用窓１３側の遮光板と最も赤外線センサ１１側の遮光板とがなす角度αを等分する角度で配置する等の構成とすればよい。

第２の実施の形態
図２は、第２の実施の形態に係る赤外線センサ用パッケージの基本構成を示す図である。２５、２６は本実施の形態における遮光板で、赤外線用窓１３側の遮光板２５と赤外線センサ１１側の遮光板２６の２枚で構成してある。赤外線用窓側の遮光板２５は、キャップ１４側の端部から開口部側の端部に向けて赤外線用窓１３の方向に傾斜させ、キャップ１４側の端部はキャップ１４の側面まで伸長させてある。一方、赤外線センサ１１側の遮光板２６は、キャップ１４側から開口部側に向けて赤外線センサ１１の方向に傾斜させた第１の遮光面と、キャップ１４側の端部をキャップ１４との間に隙間を設けた位置でステム１２の方向に折り曲げて形成した第２の遮光面とで構成してある。また、第２の遮光面とキャップ１４との隙間寸法は、折り曲げ位置で広く、ステム１２位置で狭くなる傾斜で構成してある。

図２に示すように遮光板２５、２６の間隔は、中央部の開口部側で広く、キャップ１４側に向けて狭くなっており、開口部で遮光板２６に入射した迷光１９の一部は遮光板２６に吸収され、残りは遮光板２５に向け反射され、遮光板２５での反射光は遮光板２６に向かう。順次遮光板２５、２６の間を反射しながら、反射光はキャップ１４側に向かう。更に、遮光板２６においては、第２の遮光面とキャップ１４との間も傾斜を持たせて対向させてあり、遮光板２５と遮光板２６の間で減衰しきれなかった迷光１９を、第２の遮光面とキャップ１４との間でも減衰させることができ、迷光１９を有効に遮断することが可能になる。

本実施の形態においては、迷光１９を反射させて減衰させる遮光板２６の実質面積を、第１の遮光面のみでなく、第２の遮光面まで伸展させて増やすことにより、遮光板２５、２６の対向部で反射吸収しきれずに残った迷光１９を、更に第２の遮光面とキャップ１４の間で反射吸収させて減衰させることができ、迷光１９をより有効に遮断できる効果を有する。

更に、本実施の形態においても、遮光板２５、２６で迷光１９を吸収し、減衰させるめ、黒色塗料等を赤外線センサ用パッケージ１０内部に塗布する必要がなく、これらの塗料に含まれる有機物質からのアウトガスによって、赤外線センサ用パッケージ１０内部の真空度を維持するのが困難となる問題も発生しない効果を有する。

次に本実施の形態における遮光板２５、２６で除去できる迷光１９の入射角度条件を図２を用いて説明する。なお、他の実施の形態においても、以下に説明する入射角度条件は同じである。２１は検知対象の物体であり、２３は物体２１からの赤外線を集光するレンズ、２２は物体２１の赤外線センサ１１上の像である。また、１９は迷光で、遮光板２５と遮光板２６のなす角度をα、遮光板２６が光軸２０となす角度をβとしてある。

検出対象の物体２１から放射された赤外線はレンズ２３で集光されて赤外線センサ１１上に像２２を結び、像２２から赤外線センサ１１で物体２１の情報を得ることができる。一方、遮光板２５、２６の中央部の開口部面積に対応して、δの範囲内で入射した迷光１９は、遮光板２５と２６の間で繰り返し反射させることにより、反射による吸収量が増え、迷光１９は減衰する。従って、迷光１９を減衰させるためには、迷光１９が遮光板２５と２６の間で繰り返し反射する必要があり、そのためには入射角と反射角の関係から、遮光板２６の入射点から遮光板２５へ引いた垂線Ｈの足よりも遮光板２５への入射点が左側にある必要がある。遮光板２６の反射角は図２に示すようにαであり、入射角と反射角は常に等しいので、遮光板２６への入射角度はα以上であることが必要となる。また、遮光板２６は光軸２０に対してβの角度をなしているので、迷光１９は光軸２０に対してα＋βよりも大きい角度で入射する必要があることがわかる。即ち、迷光１９を除去できる最小臨界入射角はα＋βになる。例えばα＝２０度、β＝１０度とすると、光軸２０に対して３０度以上の角度で入射した迷光１９は、遮光板２５と遮光板２６の間の多重反射で減衰できることになる。

第３の実施の形態
図３は、第３の実施の形態における赤外線センサ用パッケージの基本構成を示す図である。３０は赤外線センサ用パッケージ、３２は赤外線センサ３１を形成したウエハ、３７は赤外線用窓３３を形成した窓材、３８はガス分子を吸着するゲッターである。赤外線センサ用パッケージ３０は、赤外線センサ３１を内包する周囲において、窓材３７とウエハ３２とを直接、若しくは結合部材３４を介して密封接合されている。

窓材３７には、赤外線用窓３３と密封接合部３４との間に、赤外線用窓３３端部から密封接合部３４へ向けて、ウエハ３２の方向へ傾斜させた遮光板３５を形成し、ウエハ３２には、赤外線センサ３１端部から密封接合部３４へ向けて、窓材３７の方向へ傾斜させた遮光板３６を形成し、窓材３７とウエハ３２の密封接合状態では、ウエハ３２に形成された遮光板３６と、窓材３７に形成された遮光板３５とは互いに対向し、互いの遮光板の間の間隔が、中央部の開口部では広く、密封接合部側では狭い構成としてある。

本実施の形態は、第１、第２の実施の形態と異なり、真空封止にキャップやステムを用いることなく、ウエハ３２上に直接、若しくは結合部材３４を用いて、窓材３７を密封接合する、いわゆるウエハレベルパッケージング構造の赤外線センサ用パッケージ３０に適用した例である。

ウエハ３２上に配置した、遮光板３６を有する傾斜面４１の形成方法には、ウエハ３２上に形成したSOG(Spin on glass)の塗布及び熱処理によるフロー処理を用いる方法や露光時のデフォーカス法がある。前者は、ウエハ３２上にSOGを塗布した後に、赤外線センサ３１を形成するセンサ領域部分を除去し、４００〜５００℃程度の熱処理を行うと、塗布したSOGが軟化、変形して図３に示す斜面構造が形成される方法である。後者は、ウエハ３２上に酸化膜及びレジストを堆積させ、その後、赤外線センサ３１を形成するセンサ領域部分のレジストを除去するためにステッパ等でパターンの露光を行い、この際にフォーカスを行うと、通常のパターニングとは異なり、レジストがなだらかな斜面状態になり、この状態で異方性ドライエッチングを行い、このレジスト形状を下地の酸化膜に転写し形成する方法である。一方、窓材３７に配置した遮光板３５は、窓材３７を焼結等で形成する時に、同時に形成する方法で形成する。

なお、ウエハ３２と窓材３７、若しくはウエハ３２、窓材３７及び結合部材３４との密封接合は、プラズマやイオンによる表面活性化処理を行う直接接合、拡散接合若しくは接着剤等を用いて行う。

本実施の形態における遮光板３５、３６による迷光３９の減衰作用は、第１、第２の実施の形態で説明した場合と同じく、遮光板３５、３６を傾斜角αで対向させ、遮光板３６を光軸４０に対し角度βで傾斜させる構成としているため、光軸４０に対しα＋βよりも大きい角度で入射した迷光３９は、遮光板３５、３６の間で繰り返し反射されることとなり、反射時に遮光板３５、３６で吸収されるため、迷光３９を有効に遮断することができる。

即ち、赤外線センサ封止型でも、光軸４０に対する遮光板３５、３６の位置関係を第１、第２の実施の形態で説明した場合と同一に形成すれば、迷光３９を有効に遮断することができる。

更に、本実施の形態においても、遮光板３５、３６で迷光３９を繰返し反射することで吸収し、遮断するため、黒色塗料等を赤外線センサ用パッケージ３０内部に塗布する必要がなく、これらの塗料に含まれる有機物質からのアウトガスによって、赤外線センサ用パッケージ３０内部の真空度を維持するのが困難となる問題も発生しない効果を有する。

尚、実施の形態１〜３における複数の遮光板のうち、少なくとも１枚の遮光板をガス吸着剤を兼ねる材質（ゲッター）で構成でもよい。かかる構成とするこで、ゲッターを別途配置する必要がなく、コスト的に有利となるばかりでなく、アウトガスを効果的に吸着することができる。また、以上説明した複数の遮光板は、いずれも平面である必要はなく、適当な曲面で構成してもよい。

本発明の第１の実施の形態における赤外線センサ用パッケージの基本構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における赤外線センサ用パッケージの基本構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態における赤外線センサ用パッケージの基本構成を示す図である。

符号の説明

１０…赤外線センサ用パッケージ １１…赤外線センサ
１２…ステム １３…赤外線用窓
１４…キャップ １５…遮光板
１６…遮光板 １８…受光したい赤外線
１９…迷光 ２０…光軸
２１…物体 ２２…像
２３…レンズ

Claims (2)

1. 赤外線用窓を有し、赤外線センサを内包する赤外線センサ用パッケージにおいて、
   上記赤外線センサの周囲をキャップで覆い、
   上記赤外線用窓と上記赤外線センサとの間に遮光板を複数枚配置し、上記遮光板の間隔が中央部の開口部側の端部において広く、上記開口部から離れるに従い狭くなるように上記遮光板を傾斜させ、
   上記遮光板のうち、最も上記赤外線用窓側の遮光板は、上記キャップ側の端部から上記開口部側の端部に向けて上記赤外線用窓の方向に傾斜させ、
   最も上記赤外線センサ側の遮光板は、上記キャップ側の端部から上記開口部側の端部に向けて上記赤外線センサの方向に傾斜させ、
   上記赤外線センサをステムで保持し、上記遮光板を２枚で構成し、
   上記遮光板のうち、上記赤外線用窓側の遮光板は、上記キャップ側の端部から上記開口部側の端部に向けて上記赤外線用窓の方向に傾斜させ、上記キャップ側の端部は上記キャップの側面まで伸長させ、
   上記赤外線センサ側の遮光板は、上記キャップ側から上記開口部側に向けて上記赤外線センサの方向に傾斜させた第１の遮光面と、上記キャップ側の端部を上記キャップとの間に隙間を設けた位置で上記ステムの方向に折り曲げて形成した第２の遮光面とで構成し、
   上記第２の遮光面と上記キャップとの隙間寸法を、上記折り曲げ位置で広く、上記ステム位置で狭くなる傾斜で構成したことを特徴とする赤外線センサ用パッケージ。
2. ２枚の上記遮光板のうち、少なくともいずれかの１枚を、ガス分子を吸着するガス吸着素材で構成したことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ用パッケージ。

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