JP6659377B2 - 計測センサ用パッケージおよび計測センサ - Google Patents

Description

本発明は、計測センサ用パッケージおよび計測センサに関する。

血流等の生体情報を簡単に、かつ高速に測定できる計測センサが求められている。例えば血流は、光のドップラー効果を利用して計測することができる。血液に光を照射すると、赤血球等の血球細胞で光が散乱される。照射光の周波数と散乱光の周波数とから血球細胞の移動速度が算出される。

血流を計測する計測センサは、例えば、特許文献１に自発光型計測センサとして記載されており、基板上に、血液に光を照射する照射部と散乱光を受光する受光部とが配置され、各々を取り囲む遮光性の接着部によって、照射部からの照射光を通過させるための出射口と血液からの散乱光を通過させるための入射口とが形成された前面板が基板に接着されている。

特許第５０３１８９５号公報

従来技術の計測センサは、照射部および受光部の両方が基板の同一面に配置されているので、照射部側と受光部側との間にクロストークが発生し易く、高精度の計測を行うことが困難であった。

本発明の一つの態様の計測センサ用パッケージは、複数の誘電体層が積層されて成る、矩形板状の基体であって、発光素子を収容する第１収容凹部および受光素子を収容する第２収容凹部が、一方主面に設けられており、前記第１収容凹部は、前記発光素子を実装する第１底面を含み、前記第２収容凹部は、前記受光素子を実装する第２底面を含み、前記第１収容凹部の深さが、前記第２収容凹部の深さよりも浅い基体、を含むことを特徴とする。

また、本発明の一つの態様の計測センサは、上記の計測センサ用パッケージと、
前記第１収容凹部に収容される発光素子と、
前記第２収容凹部に収容される受光素子と、を含むことを特徴とする。

本発明の一つの態様の計測センサ用パッケージによれば、発光素子側と受光素子側との間のクロストークを低減することができる。

また、本発明の一つの態様の計測センサによれば、上記の計測センサ用パッケージを備えることにより、高精度の計測が可能となる。

本発明の実施形態に係る計測センサ用パッケージ１を示す平面図である。 図１の切断面線Ａ−Ａで切断した断面図である。 図１の切断面線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。 図２に示した断面図に対応する計測センサ用パッケージ１Ａの断面図である。 図３に示した断面図に対応する計測センサ用パッケージ１Ａの断面図である。 計測センサ１００の構成を示す断面図である。 実施例および比較例におけるクロストーク量のシミュレーション結果を示す図である。 実施例および比較例の評価結果を示す図である。

図１は、本発明の実施形態に係る計測センサ用パッケージ１を示す平面図であり、図２は、図１の切断面線Ａ−Ａで切断した断面図であり、図３は、図１の切断面線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。なお、図１の平面図では、蓋体３、接地導体層４、および信号配線導体２３を省略して図示している。

計測センサ用パッケージ１は、発光素子および受光素子を収容する基体２を含む。

本実施形態の基体２は、矩形板状であって、複数の誘電体層が積層されて形成されている。また、この基体２には、少なくとも２つの凹部が設けられており、２つの凹部のうちの一方は、発光素子を収容する第１収容凹部２０ａであり、２つの凹部のうちの他方は、受光素子を収容する第２収容凹部２０ｂである。第１収容凹部２０ａおよび第２収容凹部２０ｂは、基体２の一方主面２０ｃに開口するように設けられている。

本実施形態の計測センサ用パッケージ１は、光のドップラー効果を利用して、血流等の流体の流れを計測する計測センサに好適に用いられる。光のドップラー効果を利用するために、計測センサは、被計測物に光を照射する発光素子と、被計測物によって散乱された光を受光する受光素子とを備える。特に、血流を計測する場合には、例えば手指等の身体の一部に外部から光を照射し、皮膚下の血管を流れる血液に含まれる血球細胞によって散乱された光を受光して、周波数の変化から血流を測定する。そのため、計測センサ用パッケージ１においては、照射光と散乱光の位置関係に基づいて、発光素子と受光素子とを所定の間隔で配置する。第１収容凹部２０ａおよび第２収容凹部２０ｂは、素子の位置関係に応じて設けられる。

本実施形態では、第１収容凹部２０ａは、発光素子を実装する第１底面２０ｄを含み、第２収容凹部２０ｂは、受光素子を実装する第２底面２０ｅを含む。第１収容凹部２０ａの深さｄ１は、第２収容凹部２０ｂの深さｄ２よりも浅くされている。例えば、ｄ１は０．３ｍｍ〜１．０ｍｍであり、ｄ２は０．４ｍｍ〜１．５ｍｍである。

このような第１収容凹部２０ａおよび第２収容凹部２０ｂを設けることによって、第１底面２０ｄに実装される発光素子と、第２底面２０ｅに実装される受光素子とは、基体２の一方主面２０ｃの面方向において離間されるだけでなく、基体２の厚み方向においても離間される。

本実施形態の計測センサ用パッケージ１を備える計測センサでは、基体２の一方主面２０ｃの面方向および基体２の厚み方向の両方向において、発光素子と受光素子との間に充分な距離を確保することができ、それによって、発光素子側と受光素子側との間のクロストークを低減し、高精度の計測が可能となる。

本実施形態の計測センサ用パッケージ１は、蓋体３および接地導体層４をさらに有する。

蓋体３は、基体２の一方主面２０ｃに接合されて、第１収容凹部２０ａおよび第２収容凹部２０ｂを覆う。蓋体３は、絶縁材料からなる板状部材であり、第１収容凹部２０ａに収容される発光素子から出射される光が透過し、第２収容凹部２０ｂに収容される受光素子によって受光される光が透過するように構成される。

本実施形態の計測センサ用パッケージ１を備える計測センサでは、蓋体３の表面に、例えば被計測物である手指を当てた状態で発光素子から出射した光を照射する。蓋体３が導電性を有する材料で構成されていると、蓋体３に手指を接触させたときに、指先に溜まっていた不要な電荷が手指から放出され、蓋体３を通して基体２に電荷が流れ込みノイズが発生する。蓋体３を絶縁材料で構成することにより、蓋体３を通して不要な電荷が流れ込むことを抑制することができる。

また、蓋体３は、被計測物への照射光および散乱光を透過する必要がある。照射光および散乱光の特性は、搭載する発光素子によって決まるので、少なくとも搭載する発光素子が出射する光が透過するように構成されていればよい。発光素子から出射される光の波長に対して、当該波長の光の透過率が７０％以上、好ましくは９０％以上の透過率を有する絶縁材料で蓋体３を構成すればよい。

蓋体３を構成する絶縁材料としては、例えばサファイア等の透明セラミック材料、ガラス材料または樹脂材料等を用いることができる。ガラス材料としては、ホウケイ酸ガラス、結晶化ガラス、石英、ソーダガラス等を用いることができる。樹脂材料としては、ポリカーボネート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができる。

蓋体３は、手指等の被計測物が直接接触するため、所定の強度を要する。蓋体３の強度は、構成する材料の強度、板厚みによる。上記のように透明セラミック材料やガラス材料であれば、所定の厚み以上とすることで十分な強度が得られる。蓋体３の構成材料としてガラス材料を用いる場合は、例えば厚みを０．０５ｍｍ〜５ｍｍとすればよい。

接地導体層４は、蓋体３の、第１収容凹部２０ａおよび第２収容凹部２０ｂに対向する側の主面、すなわち手指が接触する側の主面とは反対側の主面に配設され、接地電位に接続される。接地導体層４には、発光素子から出射される光が通過する第１開口４ａおよび受光素子が受光する光が通過する第２開口４ｂが設けられている。

接地導体層４は、不要な光が第１収容凹部２０ａから外部に出射しないよう、また不要な光が外部から第２収容凹部２０ｂに進入しないように、第１開口４ａおよび第２開口４ｂが設けられたマスク部材として機能する。

さらに、接地導体層４は、外部から到来する電磁波が第１収容凹部２０ａおよび第２収容凹部２０ｂに進入することを抑制するための電磁シールドとしても機能する。電磁波が第１収容凹部２０ａおよび第２収容凹部２０ｂに進入すると、例えば計測センサ用パッケージ１と発光素子および受光素子とを電気的に接続するボンディングワイヤがアンテナとなって進入した電磁波を受信してしまいノイズ発生の原因となる。蓋体３の主面に、光を通過させるための第１開口４ａおよび第２開口４ｂを除いて接地導体層４を設けることで、電磁波の進入を抑制し、ノイズの発生を低減することができる。

このように、蓋体３に接地導体層４を設けることで、ノイズによる影響を抑制し、計測精度を向上させることができる。

接地導体層４は、透明セラミック材料またはガラス材料からなる蓋体３の表面に、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｗなどの金属及びこれらの合金等の金属材料を蒸着、スパッタ、焼付け等による金属薄膜として形成することができる。接地導体層４の層厚みは、例えば、５００Å〜４０００Åである。

本実施形態の計測センサ用パッケージ１を備える計測センサによれば、発光素子を第１開口４ａに近接して配置することができ、かつ受光素子と第２開口４ｂとの間に充分な距離を確保することができる。それによって、発光素子から出射した光が接地導体層４によって過度に遮光されることを抑制することができるとともに、受光素子を所定の角度範囲で入射する散乱光だけを受光するように配置することができる。したがって、本実施形態の計測センサ用パッケージ１を備える計測センサによれば、高効率かつ高精度の計測が可能になる。

第１収容凹部２０ａおよび第２収容凹部２０ｂは、開口形状が、例えば、円形状、正方形状、矩形状等であってもよく、その他の形状であってもよい。第１収容凹部２０ａおよび第２収容凹部２０ｂは、基体２の主面に平行な断面の断面形状が深さ方向に一様な形状であってもよいが、所定の深さまでは、断面形状が開口形状と同じで一様であり、所定の深さ以降は、断面形状が小さくなって底部まで一様であるような、段差付きの凹部であってもよい。

第１収容凹部２０ａの大きさ、第２収容凹部２０ｂの大きさは、収容しようとする発光素子および受光素子の大きさに応じて適宜設定すればよく、例えば、発光素子として、垂直共振器面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）を用いる場合、第１収容凹部２０ａの開口は、その形状が、例えば矩形であっても正方形であってもよい。第１収容凹部２０ａの開口は、例えば、縦方向長さが０．３ｍｍ〜１．５ｍｍであり、横方向長さが０．３ｍｍ〜２．０ｍｍである。また、受光素子として、面入射フォトダイオードを用いる場合、第２収容凹部２０ｂの開口は、その形状が、例えば矩形であっても正方形であってもよい。第２収容凹部２０ｂの大きさは、例えば、縦方向長さが０．５ｍｍ〜２．０ｍｍであり、横方向長さが０．５ｍｍ〜２．５ｍｍである。

本実施形態では、図３の断面図に示すように、第１収容凹部２０ａの内側面に、一方主面２０ｃの面方向に延びる第１段差面２０ｆを有する第１段差部２０ｈが設けられ、第２収容凹部２０ｂの内側面に、一方主面２０ｃの面方向に延びる第２段差面２０ｇを有する第２段差部２０ｉが設けられる。第１段差面２０ｆ上に、発光素子と電気的に接続される第１接続パッド２３ａが配設され、第２段差面２０ｇ上に、受光素子と電気的に接続される第２接続パッド２３ｂが配設される。第１接続パッド２３ａは、第１段差面２０ｆの全面に配設されても一部分のみに配設されてもよく、第２接続パッド２３ｂは、第２段差面２０ｇの全面に配設されても一部分のみに配設されてもよい。本実施形態では、第１接続パッド２３ａは、第１段差面２０ｆの略全面に配設され、第２接続パッド２３ｂは、第２段差面２０ｇの略全面に配設される。

このような第１接続パッド２３ａおよび第２接続パッド２３ｂを設けることによって、計測センサ用パッケージ１と発光素子および受光素子とを、例えばボンディングワイヤによって、容易に、電気的に接続することができる。

計測センサ用パッケージ１を小型化するためには、第１段差面２０ｆおよび第２段差面２０ｇの面積を小さくすることが望ましいが、発光素子と第１接続パッド２３ａとを電気的に接続する接続加工を容易に行うためには、第１収容凹部２３ａの深さが深くなるほど、基体２の厚み方向における第１段差面２０ｆの深さを深くするとともに、第１段差面２０ｆの面積を大きくするのが望ましい。同様に、受光素子と第２接続パッド２３ｂとを電気的に接続する接続加工を容易に行うためには、第２収容凹部２３ｂの深さが深くなるほど、基体２の厚み方向における第２段差面２０ｇの深さを深くするとともに、第２段差面２０ｇの面積を大きくするのが望ましい。前述のように、高精度の計測を行うためには、第１収容凹部２０ａの深さを第２収容凹部２０ｂの深さよりも浅くすることが望ましいため、本実施形態では、第１段差面２０ｆの面積を第２段差面２０ｇの面積よりも小さくしている。

第１段差面２０ｆおよび第２段差面２０ｇの形状は、例えば正方形状、矩形形状等であってもよく、その他の形状であってもよい。第１段差面２０ｆの大きさは、例えば縦方向長さが０．３ｍｍ〜１．５ｍｍであり、横方向長さは０．１ｍｍ〜１．０ｍｍである。第２段差面２０ｇの大きさは、例えば縦方向長さが０．５ｍｍ〜２．０ｍｍであり、横方向長さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍである。第１接続パッド２３ａおよび第２接続パッド２３ｂの形状は、例えば正方形状、矩形形状等であってもよく、その他の形状であってよい。第１接続パッド２３ａの大きさは、例えば縦方向長さが０．１ｍｍ〜１．５ｍｍであり、横方向長さは０．１ｍｍ〜１．０ｍｍである。第２接続パッド２３ｂは、例えば縦方向長さが０．２ｍｍ〜２．０ｍｍであり、横方向長さは０．１ｍｍ〜１．５ｍｍである。

血流の計測等に用いられる計測センサでは、信号導体を伝送される電気信号が比較的弱く、計測センサの内部に生じる寄生容量によって受ける影響が大きい。例えば、発光素子側で生じる寄生容量と、受光素子側で生じる寄生容量との差が、計測精度を悪化させる原因となる。本実施形態では、平面視における、第１接続パッド２３ａの表面積、および第２接続パッド２３ｂの表面積に応じて、基体２の厚み方向における、第１接続パッド２３ａと接地導体層４との間の距離ｈ１、および第２接続パッド２３ｂと接地導体層４との間の距離ｈ２を設定することによって、接地導体層４と第１接続パッド２３ａとの間に形成される寄生容量と、接地導体層４と第２接続パッド２３ｂとの間に形成される寄生容量との差を低減し、計測精度の悪化を抑制している。例えば、ｈ１は０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍであり、ｈ２は０．１ｍｍ〜１．２ｍｍである。

血流の計測等に用いられる計測センサでは、受光素子による受光量が比較的小さく、受光素子から出力される受光信号は弱いので、発光素子の駆動信号から発生する電磁波が受光素子の受光信号に混入する電気的なクロストークが、ノイズを発生させる原因となる。特に、計測センサ用パッケージと受光素子とを電気的に接続するための接続パッドは、通常、大きな表面積を有するので、発光素子の駆動信号から発生する電磁波が進入し易い。本実施形態では、図１に示すように、平面視で、第１底面２０ｄの中心と第２底面２０ｅの中心とを結ぶ方向において、第１接続パッド２３ａが配設される第１段差面２０ｆおよび第２接続パッド２３ｂが配設される第２段差面２０ｇが外方に配置されるので、本実施形態の計測センサ用パッケージ１を備える計測センサは、発光素子の駆動信号から発生する電磁波が受光素子の受光信号に混入する電気的なクロストークを抑制することが可能になる。

また、本実施形態では、図１に示すように、平面視で、第１底面２０ｄの中心と第２底面２０ｅの中心とを結ぶ方向において、発光素子が実装される第１底面２０ｄが、第１段差面２０ｆよりも内方に配置され、受光素子が実装される第２底面２０ｅが、第２段差面２０ｇよりも内方に配置されるので、本実施形態の計測センサ用パッケージ１を備える計測センサによれば、発光素子と第１開口４ａとの間の距離の自由度、および受光素子と第２開口４ｂとの間の距離の自由度を向上させることができ、それによって、計測の効率、および精度を一層向上させることができる。

また、自発光型の計測センサでは、発光素子から出射される光が、被計測物によって散乱されて、受光素子に至るまでの光路長が短くなるほど、受光素子が受光する被計測物からの散乱光の光量が増加する。本実施形態の計測センサ用パッケージ１を備える計測センサでは、発光素子と受光素子とが内方に配置されるので、発光素子と受光素子との間の光路長を短くして、計測センサの感度を向上させることが可能になる。

さらに、本実施形態の計測センサ用パッケージ１を備える計測センサでは、平面視したときに、発光素子と受光素子との間に光を遮断する十分な厚みの遮光壁が設けられ、かつ発光素子と受光素子とが遮光壁に近接して配置された構造とすることが可能になるので、発光素子の光を受光素子が直接受光することによる光学的クロストークを抑制することが可能になる。

本実施形態では、基体２が、接地ビア導体２１をさらに有する。接地ビア導体２１は、平面視で、基体２の、第１収容凹部２０ａおよび第２収容凹部２０ｂよりも外方に配設され、接地電位に接続される。接地ビア導体２１は、基体２を構成する各誘電体層を厚み方向に貫通する貫通導体が、基体２の厚み方向に複数連なって構成される。接地ビア導体２１は、本実施形態では、例えば図２に示すように、基体２全体を厚み方向に貫通しており、平面視では、各誘電体層に設けられる貫通導体の位置が同一である。すなわち、接地ビア導体２１は、基体２の一方主面２０ｃから他方主面にまで一直線状に貫通しており、接地ビア導体２１の一方端面２１ａが、基体２の一方主面２０ｃに露出し、他方端面２１ｂが、基体２の他方主面に露出している。

接地ビア導体２１の一方端面２１ａは、後述の環状接地導体層２２を介して蓋体３に配設された接地導体層４に接続される。接地ビア導体２１の他方端面２１ｂは、基体２の他方主面に配設される外部接続端子２４に接続される。このような接地ビア導体２１によって、蓋体３に配設された接地導体層４、環状接地導体層２２および接地ビア導体２１には、電気的に接続され、同じ接地電位が与えられる。

このような接地ビア導体２１を設けることによって、計測センサ用パッケージ１を備える計測センサで血流を計測する場合に、被計測物の一つである人の手指が計測センサに接触したときに放出される電荷は、基体２の一方主面２０ｃから接地ビア導体２１を流れ、基体２の下方主面に到達し、外部へと放出される。

接地ビア導体２１が設けられていない従来の構成では、人から放出された電荷は、発光素子または受光素子と計測センサ用パッケージ１とを電気的に接続する接続体、例えばボンディングワイヤ等から信号配線導体に進入しノイズを引き起こす。

本実施形態では、接地ビア導体２１によって、人から放出された電荷が流れ易い経路を計測センサ用パッケージ１内に形成することで、この経路に電荷を誘導して外部へと電荷を逃がし、信号配線導体に進入することを防止している。

本実施形態において、接地ビア導体２１は、基体２の外形に沿って、配設される。基体２は、矩形状の外形を有するので、接地ビア導体２１も、矩形状に沿って配設される。すなわち、基体２の外形線を構成する各辺から接地ビア導体２１までの距離が同様の距離となるように、各接地ビア導体２１が配設されている。図１の平面図においては、接地ビア導体２１の配設位置を破線の円で示している。例えば、図２の断面図において示される３つの接地ビア導体２１は、図１において、図面向かって上側に横方向に等間隔で並ぶ３つの接地ビア導体２１であり、各接地ビア導体２１の中心を結ぶ仮想直線が基体２の長辺に平行となるように配設されている。他の接地ビア導体２１についても同様であり、例えば、図１において、図面向かって左側に上下方向に並ぶ２つの接地ビア導体２１は、中心を結ぶ仮想直線が基体２の短辺に平行となるように配設されており、図面向かって下側に横方向に並ぶ２つの接地ビア導体２１は、中心を結ぶ仮想直線が基体２の長辺に平行となるように配設されている。

本実施形態では、合計５つの接地ビア導体２１が、第１収容凹部２０ａおよび第２収容凹部２０ｂよりも外方で、第１収容凹部２０ａおよび第２収容凹部２０ｂを取り囲むように、かつ基体２の外形である矩形に沿って配設されている。矩形の４つの隅部のうち３つの隅部には、接地ビア導体２１がそれぞれ配設されており、残り１つの隅部には、配設されていない。

接地ビア導体２１の配設位置は、第１収容凹部２０ａとの距離および第２収容凹部２０ｂとの距離に基づいて決定されるのが好ましい。前述のように、接地ビア導体２１には、信号配線導体に進入してしまうとノイズの原因となる不要な電荷が流れるので、接地ビア導体２１と、計測センサ用パッケージ１に形成される信号配線導体２３（基体２内およびボンディングワイヤを含む）との距離を予め定める距離以上に大きくして、接地ビア導体２１から信号配線導体２３に不要な電荷が進入してしまうことを低減している。

本実施形態で矩形の４つの隅部のうち、第１収容凹部２０ａまたは第２収容凹部２０ｂとの距離、言い換えれば信号配線導体２３との距離が予め定める距離よりも小さくなる位置には接地ビア導体２１を設けないほうが好ましい。本実施形態において、１つの隅部に、接地ビア導体２１を設けていないのは、当該隅部と信号配線導体２３との距離が予め定める距離よりも小さいからである。

接地ビア導体２１は、上記のように不要な電荷を誘導してパッケージ外部に放出させるために、電気抵抗を低くすることが好ましく、電気抵抗を低くするためには、直径をより大きくすることが好ましい。しかしながら、直径を大きくし過ぎると、信号配線導体との距離が小さくなり、接地ビア導体２１から信号配線導体に不要な電荷が進入するおそれがある。したがって、これらを考慮して、例えば、接地ビア導体２１の大きさは、直径Ｄが、１０μｍ〜５００μｍとすればよい。

環状接地導体層２２は、基体２の一方主面２０ｃに、第１収容凹部２０ａの開口および第２収容凹部２０ｂの開口を取り囲むように環状に設けられる導体層である。この環状の導体層は、基体２の一方主面２０ｃに露出した接地ビア導体２１の各一方端面２１ａを電気的に接続する。環状接地導体層２２は、蓋体３を基体２に接合するために、接地導体層４とはんだ、Ａｕ-Ｓｎ、ろう材等の金属溶湯物系接合材、またはエポキシ系、シリコン系、熱可塑性樹脂、異方性導電樹脂、導電性エポキシ樹脂、導電性シリコン樹脂等の樹脂系接合材によって接合される。

複数の接地ビア導体２１は、基体２の外形である矩形に沿って配設されており、各一方端面２１ａも基体２の外形である矩形に沿って、基体２の一方主面２０ｃに露出している。本実施形態では、図１に示すように、各一方端面２１ａを電気的に接続するための環状接地導体層２２も、これらの配置位置に応じて、矩形状に設けている。環状接地導体層２２は、接地ビア導体２１の一方端面２１ａと接続するランド部分２２ａと、各ランド部分を接続する接続線部分２２ｂとからなる。ランド部分２２ａは、接地ビア導体２１の一方端面２１ａと確実に、かつ低抵抗で接続するために、一方端面２１ａよりも大きく形成されている。例えば、接地ビア導体２１の一方端面２１ａの直径Ｄに対して、ランド部分２２ａは、１×Ｄ〜３×Ｄ（直径の１〜３倍）の幅または直径を有する。接続線部分２２ｂは、ランド部分２２ａよりも細く、一定の線幅に形成されている。

信号配線導体２３は、発光素子または受光素子と電気的に接続され、発光素子に入力される電気信号が伝送され、受光素子から出力される電気信号が伝送される。本実施形態における信号配線導体２３は、発光素子または受光素子と接続する接続部材であるボンディングワイヤと、ボンディングワイヤが接続される第１接続パッド２３ａおよび第２接続パッド２３ｂと、第１接続パッド２３ａおよび第２接続パッド２３ｂに電気的に接続して接続パッドの直下から基体２の他方主面にまで一直線状に延びる信号ビア導体２３ｃと、外部接続端子２４とから成る。外部接続端子２４は、計測センサ用パッケージ１を備える計測センサが実装される外部実装基板の接続端子とはんだ等の接合材料によって電気的に接続される。

環状接地導体層２２および外部接続端子２４は、はんだ等の接合材との濡れ性を向上させ、耐食性を向上させるために、例えば、厚さが０．５〜１０μｍのニッケル層と厚さが０．５〜５μｍの金層とをめっき法によって順次被着させてもよい。

基体２は、発光素子および受光素子を収容可能であり、接地ビア導体２１および信号配線導体２３等を備えるものであれば、基体２の誘電体層がセラミック絶縁材料からなり、接地ビア導体２１および信号配線導体２３等が導体材料からなるセラミック配線基板であってもよく、誘電体層が樹脂絶縁材料からなる有機配線基板であってもよい。

基体２が、セラミック配線基板の場合、セラミック材料から成る誘電体層に各導体が形成される。セラミック配線基板は、複数のセラミック誘電体層から形成される。

セラミック配線基板で用いられるセラミック材料としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックス焼結体等が挙げられる。

また、基体２が、有機配線基板の場合、有機材料から成る絶縁層に配線導体が形成される。有機配線基板は、複数の有機誘電体層から形成される。

有機配線基板は、例えば、プリント配線基板、ビルドアップ配線基板またはフレキシブル配線基板等の誘電体層が有機材料から成るものであればよい。有機配線基板で用いられる有機材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂またはフッ素系樹脂等が挙げられる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図４は、図２に示した断面図に対応する計測センサ用パッケージ１Ａの断面図であり、図５は、図３に示した断面図に対応する計測センサ用パッケージ１Ａの断面図である。

本実施形態の計測センサ用パッケージ１Ａは、上記の実施形態の計測センサ用パッケージ１に対して、基体２が、さらに内部接地導体層２５を有する点で異なっており、その他については、同様の構成であるので、同様の構成には計測センサ用パッケージ１と同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。

内部接地導体層２５は、接地電位に接続され、基体２の、第２収容凹部２０ｂの底部と他方主面との間に配設される。内部接地導体層２５は、接地ビア導体２１と、基体２の内部において電気的に接続されており、接地電位が付与される。

血流の計測等に用いられる計測センサでは、受光素子による受光量が比較的小さいので、受光素子から出力される電気信号は弱く、発光素子に入力される発光制御用の電気信号に比べてノイズによって受ける影響が大きい。

計測センサは、外部実装基板上に実装されて使用されるが、この外部実装基板の配線を流れる信号等に起因する電磁波が、基体２の他方主面側から計測センサ用パッケージ１内に進入して、信号配線導体２３を流れる信号にノイズが混入するおそれがある。

上記のように、特に受光素子側は、ノイズの影響を大きく受けるので、外部実装基板からのノイズの影響を抑制するために、受光素子が収容される第２収容凹部２０ｂの底部と他方主面との間に内部接地導体層２５を設けることで、第２収容凹部２０ｂと外部実装基板との間に内部接地導体層２５が位置し、電磁シールドとして機能する。

本実施形態の計測センサ用パッケージ１Ａは、内部接地導体層２５を有することで、ノイズによる影響を抑制し、計測精度をさらに向上させることができる。

計測センサ用パッケージ１の製造方法について説明する。まず、基体２を公知の多層配線基板の製造方法と同様にして作製する。基体２が、セラミック配線基板であり、セラミック材料がアルミナである場合は、まずアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やシリカ（ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿状とし、これを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によってシート状に成形してセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を得る。その後、グリーンシートを所定形状に打ち抜き加工するとともに、タングステン（Ｗ）とガラス材料等の原料粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して金属ペーストとし、これをグリーンシート表面にスクリーン印刷等の印刷法でパターン印刷する。また、ビア導体は、グリーンシートに貫通孔を設け、スクリーン印刷等によって金属ペーストを貫通孔に充填させる。こうして得られたグリーンシートを複数枚積層し、これを約１６００℃の温度で同時焼成することによって基体２が作製される。

一方、ガラス材料を、切削、切断等により所定の形状に切り出した蓋体３を準備し、主面上に、蒸着、スパッタ、焼付け等によって金属薄膜からなる接地導体層４を形成する。このとき、フォトリソ（ウェットエッチング）法、ドライエッチング法等によって金属薄膜にパターン加工することにより、第１開口４ａおよび第２開口４ｂを形成することができる。

次に、本発明の他の実施形態である計測センサ１００について説明する。図６は、計測センサ１００の構成を示す断面図である。計測センサ１００は、上記の計測センサ用パッケージ１，１Ａと、第１収容凹部２０ａに収容される発光素子３０と、第２収容凹部２０ｂに収容される受光素子３１と、を含む。発光素子３０は、第１収容凹部２０ａの第１底面２０ｄに実装され、受光素子３１は、第２収容凹部２０ｂの第２底面２０ｅに実装される。計測センサ１００は、ボンディングワイヤ３２で、発光素子３０と第１接続パッド２３ａとを接続し、受光素子３１と第２接続パッド２３ｂとを接続した後、蓋体３を基体２に接合して得られる。

発光素子３０は、ＶＣＳＥＬ等の半導体レーザ素子を用いることができ、受光素子３１は、シリコンフォトダイオード、ＧａＡｓフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、ゲルマニウムフォトダイオード等の各種フォトダイオードを用いることができる。発光素子３０および受光素子３１は、被計測物の種類、計測するパラメータの種類等により適宜選択すればよい。

血流を測定する場合は、例えば、光のドップラー効果を利用して測定するために、発光素子３０であるＶＣＳＥＬとして波長が７８０ｎｍのレーザ光を出射可能なものであればよい。その他の測定を行う場合は、測定目的に応じた波長のレーザ光を出射する発光素子３０を選択すればよい。受光素子３１は、受光する光が発光素子３０から出射されるレーザ光から波長の変化が無い場合、発光素子３０の出射光を受光できるものであればよく、波長の変化が有る場合、変化後の波長の光を受光できるものであればよい。

本実施形態では、例えば、ボンディングワイヤ３２によって、発光素子３０と第１接続パッド２３ａとが電気的に接続され、受光素子３１と第２接続パッド２３ｂとが電気的に接続されるが、フリップチップ接続、バンプ接続、異方性導電フィルムを用いた接続等他の接続方法であってもよい。

計測センサ１００は、外部実装基板に実装されて使用される。外部実装基板には、例えば、発光素子３０の発光を制御する制御素子、受光素子３１の出力信号から血流速度等を算出する演算素子等も実装される。

測定する場合には、被計測物として手指の指先を蓋体３の表面に接触させた状態で、外部実装基板から外部接続端子２４を介して発光素子制御電流が計測センサ１００に入力され、信号ビア導体２３ｃ、第２接続パッド２３ｂを通って発光素子３０に入力されて発光素子３０から計測用の光が出射される。出射された光が、第１開口４ａを通過し、蓋体３を透過して指先に照射されると、血液中の血球細胞で散乱される。蓋体３を透過し、第２開口４ｂを通過した散乱光が、受光素子３１で受光されると、受光量に応じた電気信号が受光素子３１から出力される。出力された信号は、第１接続パッド２３ａ、信号ビア導体２３ｃを通り、外部接続端子２４を介して計測センサ１００から外部実装基板へと出力される。

外部実装基板では、計測センサ１００から出力された信号が、演算素子に入力され、例えば、発光素子３０から出射された光である照射光の周波数と、受光素子３１が受光した光である散乱光の周波数とに基づいて血流速度を算出することができる。

なお、上記では、接地ビア導体２１は、基体２内で上下方向に一直線状に形成される構成としているが、基体２の一方主面２０ｃから他方主面の外部接続端子２４まで電気的に接続されていれば、一直線状でなく、基体２内で、内層配線や内部接地導体層２５等によってずれて形成されていてもよい。

また、本実施形態において、環状接地導体層２２は、必須構成ではなく、蓋体３に形成された接地導体層４と接地ビア導体２１とを直接接合して電気的に接続するように構成してもよい。

また、内部接地導体層２５は、基体２の、第２収容凹部２０ｂの底部と他方主面との間からさらに面方向に延びて、第１収容凹部２０ａの底部と他方主面との間に配設されてもよい。

実施例として、図１〜図３に示した計測センサ用パッケージ１において、第１接続パッド２３ａと第２接続パッド２３ｂとの間のクロストーク量をシミュレーションによって算出した。本シミュレーションにおいては、基体２、第１接続パッド２３ａ、および第２接続パッド２３ｂ以外の構成を省略するとともに、基体２は完全導体であるとした。第１接続パッド２３ａの形状は、縦方向長さを１．０ｍｍとし、横方向長さを０．５ｍｍとした。第２接続パッド２３ｂの形状は、縦方向長さを１．０ｍｍとし、横方向長さを０．５ｍｍとした。また、平面視で、第１接続パッド２３ａの中心と第２接続パッド２３ｂの中心との間の距離を３．０ｍｍとした。さらに、第１収容凹部２０ａの深さを１．０ｍｍに設定し、第２収容凹部２０ｂの深さを２．０ｍｍに設定するとともに、基体２の厚み方向において、第１段差面２０ｆと基体２の一方主面２０ｃとの間の距離を０．２５ｍｍに設定し、第２段差面２０ｇと基体２の一方主面２０ｃとの間の距離を０．７５ｍｍに設定した。

上記の条件で、第１接続パッド２３ａと第２接続パッド２３ｂとの間のクロストーク量の周波数依存性を算出した。具体的な算出方法は次のとおりである。第１接続パッド２３ａに電圧信号を入力したときに第２接続パッド２３ｂから出力される電圧信号を算出し、入力した電圧信号の強度に対する出力された電圧信号の強度の比の対数に所定の係数を乗算してクロストーク量とした。また、入力電圧の周波数を１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲で変化させることにより、クロストーク量の周波数依存性を算出した。本シミュレーションでは、クロストーク量の絶対値が大きいほど、第１接続パッド２３ａと第２接続パッド２３ｂとの電気的遮蔽が向上されており、第１接続パッド２３ａと第２接続パッド２３ｂとの間の電気的なクロストークが抑制されていると判断することができる。

比較例として、第１収容凹部２０ａの深さと、第２収容凹部２０ｂの深さとが等しく、かつ基体２の厚み方向において、第１段差面２０ｆと基体２の一方主面２０ｃとの間の距離と、第２段差面２０ｇと基体２の一方主面２０ｃとの間の距離とが等しいこと以外は、実施例の計測センサ用パッケージと同様の計測センサ用パッケージにおいて、実施例のシミュレーションと同様に、第１接続パッド２３ａと第２接続パッド２３ｂとの間のクロストーク量の周波数依存性を算出した。比較例では、第１収容凹部２０ａの深さ、および第２収容凹部２０ｂの深さを０．５ｍｍに設定するとともに、基体２の厚み方向において、第１段差面２０ｆと基体２の一方主面２０ｃとの間の距離、および第１段差面２０ｇと基体２の一方主面２０ｃとの間の距離を０．２５ｍｍに設定した。

図７は、実施例および比較例の結果を示す。図７（ａ）は、比較例の結果を示し、図７（ｂ）は、実施例の結果を示す。図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、実施例および比較例のいずれにおいても、クロストーク量は入力電圧の周波数に依存しないという結果が得られた。この結果は、本シミュレーションにおけるクロストーク量は、実質的に、基体２の内部に形成される、第１接続パッド２３ａと第２接続パッド２３ｂとの間の電気的経路の長さだけに依存し、この電気的経路の長さが、１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの周波数帯域の電気信号に関しては、実質的に同一であることによるものと考えられる。また、図７（ａ）および図７（ｂ）から、１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの周波数帯域の全域において、実施例におけるクロストーク量が、比較例におけるクロストーク量に比べて小さくなっていることがわかる。

図８は、実施例および比較例の評価結果を示す図である。評価結果として、平均クロストーク量を用いた。平均クロストーク量は、１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの周波数帯域にわたるクロストーク量の平均値とする。平均クロストーク量の絶対値が小さいほど電気的なクロストークが顕著であり、平均クロストーク量の絶対値が大きいほど電気的なクロストークが抑制されていると評価できる。図８に示すように、実施例では、比較例に比べて、電気的なクロストークが抑制されていると評価できる。

上記のように、実施例では、第１収容凹部２０ａの深さを第２収容凹部２０ｂの深さよりも浅くすることにより、第１接続パッド２３ａと第２接続パッド２３ｂとの間の電気的なクロストークが抑制されることがわかった。

１ 計測センサ用パッケージ
１Ａ 計測センサ用パッケージ
２ 基体
３ 蓋体
４ 接地導体層
４ａ 第１開口
４ｂ 第２開口
２０ａ 第１収容凹部
２０ｂ 第２収容凹部
２０ｃ 一方主面
２０ｄ 第１底面
２０ｅ 第２底面
２０ｆ 第１段差面
２０ｇ 第２段差面
２０ｈ 第１段差部
２０ｉ 第２段差部
２１ 接地ビア導体
２１ａ 一方端面
２１ｂ 他方端面
２２ 環状接地導体層
２２ａ ランド部分
２２ｂ 接続線部分
２３ 信号配線導体
２３ａ 第１接続パッド
２３ｂ 第２接続パッド
２３ｃ 信号ビア導体
２４ 外部接続端子
２５ 内部接地導体層
３０ 発光素子
３１ 受光素子
３２ ボンディングワイヤ
１００ 計測センサ

Claims (5)

1. 複数の誘電体層が積層されて成る、矩形板状の基体であって、発光素子を収容する第１収容凹部および受光素子を収容する第２収容凹部が、一方主面に設けられており、前記第１収容凹部は、前記発光素子を実装する第１底面を含み、前記第２収容凹部は、前記受光素子を実装する第２底面を含み、前記第１収容凹部の深さが、前記第２収容凹部の深さよりも浅い基体と、
   前記第１収容凹部および前記第２収容凹部を覆う、絶縁材料からなる板状の蓋体であって、前記第１収容凹部に収容される前記発光素子から出射される光が透過し、前記第２収容凹部に収容される前記受光素子によって受光される光が透過する蓋体と、
   前記蓋体の、前記第１収容凹部および前記第２収容凹部に対向する側の主面に配設される、接地電位に接続される接地導体層であって、前記発光素子から出射される光が通過する第１開口および前記受光素子によって受光される光が通過する第２開口が設けられている接地導体層とを含むことを特徴とする計測センサ用パッケージ。
2. 複数の誘電体層が積層されて成る、矩形板状の基体であって、発光素子を収容する第１収容凹部および受光素子を収容する第２収容凹部が、一方主面に設けられており、前記第１収容凹部は、前記発光素子を実装する第１底面を含み、前記第２収容凹部は、前記受光素子を実装する第２底面を含み、前記第１収容凹部の深さが、前記第２収容凹部の深さよりも浅い基体を含み、
   前記第１収容凹部の内側面に、前記一方主面の面方向に延びる第１段差面を有する第１段差部が設けられ、前記第１段差面上に、前記発光素子と電気的に接続される第１接続パッドが配設され、
   前記第２収容凹部の内側面に、前記一方主面の面方向に延びる第２段差面を有する第２段差部が設けられ、前記第２段差面上に、前記受光素子と電気的に接続される第２接続パッドが配設され、
   平面視で、前記第１底面の中心と前記第２底面の中心とを結ぶ方向において、前記第１段差面が、前記第１底面よりも外方に位置しているとともに、前記第２段差面が、前記第２底面よりも外方に位置していることを特徴とする計測センサ用パッケージ。
3. 前記第１収容凹部の内側面に、前記一方主面の面方向に延びる第１段差面を有する第１段差部が設けられ、前記第１段差面上に、前記発光素子と電気的に接続される第１接続パッドが配設され、
   前記第２収容凹部の内側面に、前記一方主面の面方向に延びる第２段差面を有する第２段差部が設けられ、前記第２段差面上に、前記受光素子と電気的に接続される第２接続パッドが配設されることを特徴とする請求項１記載の計測センサ用パッケージ。
4. 平面視で、前記第１接続パッドの面積が、前記第２接続パッドの面積よりも小さく、
   前記基体の厚み方向において、前記第１接続パッドと前記接地導体層との間の距離が、前記第２接続パッドと前記接地導体層との間の距離よりも小さいことを特徴とする請求項３記載の計測センサ用パッケージ。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の計測センサ用パッケージと、
   前記第１収容凹部に収容される発光素子と、
   前記第２収容凹部に収容される受光素子と、を含むことを特徴とする計測センサ。

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