JP7448344B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
そこで、この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、発光部及び受光部と、光導波路との配置位置を容易に、かつ高い精度で位置合わせ可能なガスセンサを提供することを目的としている。
以下、本実施形態に係るガスセンサについて、図1から図6を参照して説明する。本実施形態におけるガスセンサは、測定環境に配置されて、ガスセンサ内部を通過するガスの濃度を検出する。
図1及び図2は、本開示の一実施形態に係るガスセンサ100の一構成例を示す概略図である。図1(A)~図1(C)はガスセンサ100の外観図であり、図1(A)はガスセンサ100の平面図、図1(B)はガスセンサ100の側面図、図1(C)はガスセンサ100の底面図である。また、図2は、図1(A)のII-II線で示す断面の断面図である。
図2及び図3に示すように、発光素子12及び受光素子14は、支持層20に設けられた第一凹部21及び第二凹部22内にそれぞれ収容されている。発光素子12は、第一封止部62によって第一凹部21内に封止されており、受光素子14は、第二封止部64によって第二凹部22内に封止されている。発光素子12は、光が出射する発光面12aが第一封止部62から露出した状態で第一封止部62によって封止されている。受光素子14は、光が入射する受光面14aが第二封止部64から露出した状態で第二封止部64によって封止されている。
以下、ガスセンサ100の各部について詳細に説明する。
発光素子12は、例えばLED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)を含んで構成されている。また、発光素子12は、LEDに限定されるものではなく、例えば半導体レーザ又は有機発光素子等であってもよい。発光素子12は、支持層20の再配線244と電気的に接続するための複数の外部接続端子122を有している。
また、「面一」とは、個別の面と面が同一平面にあり、段差なくフラットに繋がった状態と定義する。ただし、製造誤差レベルである100μm以内の段差は許容する。
コントローラ(不図示)は、例えばLEDドライバを備えるプロセッサである。コントローラは、発光素子12に対して発光素子12を発光させるための電気信号を供給する駆動回路や、受光素子14からの電気信号を検出する検出回路を有する。
接続部40は、支持層20と蓋体30とを接続する。接続部40は、エポキシ等の樹脂材料で構成されており、樹脂材料に例えば硬質の樹脂で形成された粒子が含有されていることが好ましい。樹脂材料に含まれる粒子は、所定値以上の径を有し、支持層20と蓋体30との間に少なくとも粒子の径以上の間隔を形成するために樹脂材料に添加される。ここで、粒子が略球状の場合には直径をいい、粒子が略球状以外の場合には当該粒子内で最も短い径をいう。そのため、接着剤が硬化する前であっても支持層20と蓋体30との間に少なくとも粒子の径以上の間隔が確保される。その結果、支持層20と蓋体30との間に所定の隙間が生じ、空間Sが形成される。この空間Sにおいて、支持層20と蓋体30との間の距離は2mm以下が好ましく、1mm以下がより好ましく、500μm以下がさらに好ましく、100μm以下が最も好ましい。従来型の光学式ガスセンサでは、このような小さい空間で光路を実現することは困難であったが、光導波路32を用いた本開示のガスセンサ100では小さい空間で光路を実現することが可能である。支持層20と蓋体30との間の距離を小さくすることは、発光素子12又は受光素子14を、光導波路32を構成する光入力部33又は光出力部35と接近させることにも繋がり、ガスセンサ100のセンサ感度向上にも貢献する。
支持層20は、導体である再配線244を有していてもよい。支持層20には、第一凹部21及び第二凹部22が形成されており、第一凹部21には発光素子12が収容され、第二凹部22には受光素子14が収容されている。
発光素子12及び受光素子14は、支持層20を介して、外部接続端子50とそれぞれ接続されている。支持層20の再配線244には、発光素子12及び受光素子14、並びに発光素子12及び受光素子14を制御する図示しないコントローラが電気的に接続されている。なお、支持層20は発光素子12及び受光素子14を収容する第一凹部21、第二凹部22を有し、発光素子12及び受光素子14を固定できるものであれば、その形態は特に限定されるものではない。
再配線層24は、平面視で略矩形状の平板状の層であり、絶縁層242と、導体である再配線244とを有している。
第三支持層28は、絶縁層286とプラグ288とを有している。第三支持層28は、平面視で再配線層24と重なる略矩形状の外形を有し、第三支持層28を貫通し、第一開口262と重なる第一開口282及び第二開口264と重なる第二開口284を有している。
絶縁層266,286は、絶縁層242と同様に、ポリイミド又はエポキシ等の樹脂材料により形成される。また、プラグ268、288は、再配線244と同様に、例えば銅(Cu)等の導電性の高い金属材料により形成される。
第一封止部62は、第一凹部21内に収容された発光素子12の下面12b及び側面12cを覆っている。これにより、第一封止部62は、発光素子12の発光面12aが第一封止部62から露出した状態で、発光素子12と、第一凹部21の底面21b及び側面21cとの間を封止する。
また、第二封止部64は、第二凹部22内に収容された受光素子14の下面14b及び側面14cを覆っている。これにより、第二封止部64は、受光素子14の受光面14aが第二封止部64から露出した状態で、受光素子14と、第二凹部22の底面22b及び側面22cとの間を封止する。
第一封止部62及び第二封止部64により、発光素子12及び受光素子14は、支持層20に強硬に接続される。
また、第一封止部62及び第二封止部64を構成する材料は、エポキシ樹脂等の樹脂材料の他にフィラーや不可避的に混在する不純物などを含んでいてもよい。フィラーとしては、シリカやアルミナ等が好適に用いられる。フィラーの混合量は、第一封止部62及び第二封止部64を構成する材料中、50体積%以上99体積%以下であることが好ましく、70体積%以上99体積%以下であることがより好ましく、85体積%以上99体積%以下であることがさらに好ましい。
また、本実施形態において、封止部は個別に存在する必要は必ずしもなく、例えば、第一封止部62、第二封止部64を含めたものを支持層20として扱ってもよい。
図3から図5に示すように、蓋体30は、基板31と、光導波路32と、を備えており、第一凹部21及び第二凹部22を覆うように支持層20の上部に配置されている。蓋体30は、発光素子12及び受光素子14と光導波路32との間に所定の隙間を空けて配置されている。これにより、ガスセンサ100には、支持層20と蓋体30とで囲まれ、測定対象ガスの流路となる空間Sが形成される。
基板31の支持層20と対向する面には、反射膜が形成されていても良い。これにより、ガスセンサ100外部からの光が受光素子14で受光されることを防ぐことができる。
光導波路32は、発光素子12の発光面12aから出射された光が入力される光入力部33と、光入力部33から入力された光が伝搬するコア層34と、コア層34を伝搬する光を受光素子14の受光面14aに向けて出力する光出力部35と、を有している。光入力部33は、発光素子12の上部に配置され、光出力部35は、受光素子14の上部に配置されていることが好ましい。光入力部33及び光出力部35は、光導波路32の端部に位置してもよいし、端部から離れた場所に位置してもよい。
また、別の構成例として、光学フィルタ36は、光入力部33又は光出力部35に接していない位置、すなわち光導波路32から離れた位置に設けられていても良い。例えば、光入力部33から光出力部35までのコア層34に沿った区間において、リング共振器やブラッググレーティングを挿入して光学フィルタ36としてもよい。
また、支持部37は、エバネッセント波が基板31に漏れていかないよう、所定の高さで形成される。光の減衰を抑制するためには、発光素子12と光入力部33、受光素子14と光出力部35とをできるだけ近づけることが求められる。このために、発光素子12と光入力部33及び受光素子14と光出力部35との距離は、それぞれ500μm以下であることが好ましく、200μm以下であることがより好ましく、100μm以下であることがさらに好ましく、50μm以下であることが最も好ましい。
支持部37は、例えば二酸化シリコンで形成され、コア層34をその一部と接触して支持する。支持部37は、コア層34の光の伝送方向に、複数互いに離れて設けられている。換言すると、光導波路32は、互いに離れて基板31に設けられた複数の支持部37によって支持されている。光導波路32が支持部37により支持されることで、光導波路32が基板31の上に直接設けられた場合と比較して、コア層34を伝送する光の多くが基板31に伝わることを抑制することができる。
外部接続端子50は、再配線層24の下面(すなわち支持層20の下面20b)に、再配線244と接して設けられており、発光素子12及び受光素子14、並びにコントローラと電気的に接続されている。外部接続端子50は、たとえばはんだボールである。ガスセンサ100を図示しない回路基板に実装する際には、外部接続端子50が回路基板の所定位置に接するように配置される。このあと、リフローにより外部接続端子50を加熱後冷却することにより、ガスセンサ100と回路基板とをはんだ付けする。
通気性シート70は、基板31の光導波路配置面(基板31の下面31b)と反対側の面、すなわち蓋体30の基板31の上面31aに設けられ、複数のガス導入孔311を覆うように配置されている。通気性シート70は、ガス導入孔311よりも径が小さい孔を複数備えるシートであり、例えば、不織布、多孔質膜又は金属メッシュである。
以下、図1から図6を参照しつつ、図7(A)から図7(H)及び図8(A)から図8(E)を用いて、第一次施形態に係るガスセンサ100の製造方法について説明する。図7(A)から図7(H)及び図8(A)は、ガスセンサ100の断面図であり、図2に示す断面図と同様の断面を示している。
第一次施形態に係るガスセンサ100の製造方法では、一例として、いわゆるRDL 1st方式により再配線層24、第二支持層26及び第三支持層28を順に形成することで支持層20を形成し、その後、発光素子12及び受光素子14を支持層20に接続する。
図7(B)に示すように、剥離層111の上面にレジスト膜112を形成する。レジスト膜112は、再配線244を形成する位置を除く領域に設けられる。レジスト膜112は、例えばポジ型のレジストを剥離層111の上面全面に塗布した後、再配線244を形成する位置を露光し、現像液によって露光部を溶解して除去することで形成される。
絶縁層266の上面262aからは、プラグ268の上面268aが露出している。なお、プラグ268の上面268aは、絶縁層266から露出していなくてもよい。プラグ268は、実質的には配線の一部として機能していないためである。
図8(A)に示すように、支持層ウエハ120の複数の第一凹部21及び第二凹部22に、予めはんだボールで構成された外部接続端子122が形成された発光素子12及び外部接続端子142が形成された受光素子14をそれぞれ配置する。第一凹部21及び第二凹部22内に発光素子12及び受光素子14が収容されることにより、発光素子12の外部接続端子122と受光素子14の外部接続端子142とが、再配線層24の上面24aから露出する再配線244と接触するように位置決めされる。この状態で支持層ウエハ120のリフローを行うことにより、外部接続端子122、142が溶融し、発光素子12、受光素子14と再配線層24とがはんだ付けされる。
図8(E)に示すように、再配線244が露出した支持層ウエハ120の下面120bに、再配線244と接続するはんだボールを複数形成する。はんだボールは、積層体個片化後に外部接続端子50となる。
第一施形態に係るガスセンサ100では、以下の効果を有する。
(1)ガスセンサ100は、支持層20が発光素子12及び受光素子14をそれぞれ収容するための第一凹部21及び第二凹部22を有している。このため、発光素子12及び受光素子14の接続位置が常に所定位置に固定され、発光素子12及び受光素子14の接続位置の位置精度が向上する。
実施形態1では、支持層20が再配線層24を有し、再配線層24の再配線244と接続された外部接続端子50が設けられた場合の構成について説明したが、積層構造はこのような構造に限られない。
例えば、ガスセンサ100の支持層20は、再配線層24の代わりに、シリコン貫通電極(TSV:Through-Silicon Via)を有するTSV層を有していても良い。TSV層は、シリコン基板と、シリコン基板の下面(蓋体30とは反対側の面)に露出するシリコン貫通電極とを備える。支持層20の下面20bには、シリコン貫通電極と電気的に接続するように形成された複数の外部接続端子50が設けられる。
以下、本開示の第二実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
[ガスセンサの構成]
図1~図6を参照しつつ、図10を用いて、第二実施形態に係るガスセンサ200の構成を説明する。図10は、ガスセンサ200の一構成例を示す側面図である。ガスセンサ200は、第一実施形態に係るガスセンサ100における接続部40に代えて、蓋体30の外周縁部に断続的に設けられた接続部240を有している。なお、ガスセンサ200は、ガスセンサ100の接続部40に代えて接続部240を、蓋体30に代えて蓋体230を有し、かつ通気性シート70を有しない以外はガスセンサ100と同様の構成である。このため、接続部240及び蓋体230以外の各部については説明を省略する。
図10に示すように、接続部240は、蓋体230の基板231の周辺縁部のうち、支持層20との対向面の一部に、断続的に形成されている。これにより、蓋体230及び支持層20との間には、接続部240が設けられていない部分に孔部248が複数形成される。この複数の孔部248は、空間Sに測定対象ガスを導入するための複数のガス導入孔として機能する。
蓋体230は、基板231と、光導波路32と、を備えており、第一凹部21及び第二凹部22を覆うように支持層20の上部に配置されている。光導波路32は、第一実施形態の蓋体30に設けられた光導波路32と同様の構成を有している。基板231は、複数のガス導入孔が形成されていない点で、第一実施形態の基板31と異なる。
第二実施形態に係るガスセンサ200は、支持層20と蓋体230との間に、空間Sに測定対象ガスを導入するためのガス導入孔として機能する孔部248を有している。このため、基板231にガス導入孔を有していなくても良い。
なお、基板231にガス導入孔が設けられており、基板231に設けられたガス導入孔と、孔部248とにより空間Sにガスが導入されるようにしても良い。
第二施形態に係るガスセンサ100では、第一実施形態と同様に、以下の(1)~(5)の効果を有する。第二施形態に係るガスセンサ100では、さらに、以下の(6)の効果を有する。
(1)ガスセンサ200は、支持層20が発光素子12及び受光素子14をそれぞれ収容するための第一凹部21及び第二凹部22を有している。このため、発光素子12及び受光素子14の接続位置が常に所定位置に固定され、発光素子12及び受光素子14の接続位置の位置精度が向上する。
12a 発光面
14 受光素子
14a 受光面
20 支持層
20a 支持層の蓋体側の表面
20b 支持層の下面
21 第一凹部
22 第二凹部
24 再配線層
242 絶縁層
244 再配線
248 孔部
26 第二支持層
266 絶縁層
268 プラグ
28 第三支持層
286 絶縁層
288 プラグ
30,230 蓋体
30a 蓋体の支持層に対向する表面
31,231 基板
31a 基板の上面
31b 基板の下面
311 ガス導入孔
32 光導波路
32a 光導波路の支持層に対向する表面
33 光入力部
34 コア層
35 光出力部
36 光学フィルタ
37 支持部
40,240 接続部
50 外部接続端子
62 第一封止部
62a 第一封止部の蓋体側の表面
64 第二封止部
64a 第二封止部の蓋体側の表面
70 通気性シート
100,200 ガスセンサ
122,142 外部接続端子
Claims (23)
- 光を出射する発光面を有する発光素子と、
光が入射する受光面を有する受光素子と、
前記発光素子及び前記受光素子を収容する第一の凹部及び第二の凹部を有し、前記第一の凹部及び前記第二の凹部内で前記発光面及び前記受光面が同一方向を向くように前記発光素子及び前記受光素子を支持する支持層と、
前記発光面から出射された光が入力される光入力部と、前記光入力部から入力された前記光が伝搬するコア層と、前記コア層を伝搬する前記光を前記受光面に向けて出力する光出力部と、を有する光導波路を有し、前記発光素子及び前記受光素子と前記光導波路との間に所定の隙間を空けて配置された蓋体と、
前記支持層と前記蓋体とを前記支持層及び前記蓋体の外周縁部において接続する接続部と、
を備え、
前記支持層と前記蓋体と前記接続部とで囲まれ、外部と連通して測定対象ガスの流路となる空間に、前記光導波路が配置されており、
前記光導波路は、前記コア層の一部を貫通する通気孔を有していない中実状の固体であり、前記光入力部から前記光出力部までの区間において光学フィルタを有し、前記光学フィルタ及び前記光入力部、又は前記光学フィルタ及び前記光出力部が兼用されており、光が前記コア層を通ると前記コア層の表裏面及び側面から前記空間にエバネッセント波が染み出すように構成されている
ガスセンサ。 - 前記発光素子及び前記受光素子は、前記発光面及び前記受光面が前記支持層の底面に対してそれぞれ平行となるように配置される
請求項1に記載のガスセンサ。 - 前記蓋体は、前記第一の凹部及び前記第二の凹部を覆うように前記支持層の上部に配置された基板を有し、
前記光導波路は、前記基板の前記支持層と対向する面上に設けられる
請求項1又は2に記載のガスセンサ。 - 前記基板と前記光導波路との間に、前記基板に対して前記光導波路を支持する支持部を有する
請求項3に記載のガスセンサ。 - 前記接続部は粒子を有し、当該粒子の径は、前記光導波路の高さと、前記支持部の高さとの和よりも大きい
請求項4に記載のガスセンサ。 - 前記基板は、前記空間に前記測定対象ガスを導入する複数のガス導入孔を有する
請求項4又は5に記載のガスセンサ。 - 前記ガス導入孔を覆うように前記基板の前記光導波路配置面と反対側の面に配置された通気性を有するシートを備える
請求項6に記載のガスセンサ。 - 前記通気性を有するシートは、不織布、多孔質膜又は金属メッシュである
請求項7に記載のガスセンサ。 - 前記接続部が前記基板の前記支持層との対向面の一部に設けられ、
前記接続部、前記基板及び前記支持層で囲まれ、前記空間に前記測定対象ガスを導入する複数のガス導入孔を有する
請求項4から8のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 前記支持層は、平面視で矩形状であり、
平面視において、前記複数のガス導入孔の少なくとも1つは、前記支持層の外周縁部の一の辺の側に設けられ、前記複数のガス導入孔の他の1つは、前記支持層の外周縁部の当該一の辺とは異なる他の辺の側に設けられる
請求項6から9のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 前記基板の前記支持層と対向する面に形成された反射膜を有する
請求項2から10のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 前記発光素子の上部に前記光入力部が配置され、前記受光素子の上部に前記光出力部が配置されている
請求項1から11のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 前記発光面または前記受光面と、前記支持層の蓋体側の表面とは同一平面にある
請求項1から12のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 前記発光面と前記受光面とは同一平面にある
請求項1から13のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 前記発光面と、前記受光面と、前記支持層の蓋体側の表面とは同一平面にある
請求項1から14のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 前記蓋体の前記支持層に対向する表面は、前記発光面又は前記受光面に対して平行である
請求項1から15のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 前記光導波路の前記支持層に対向する表面は、前記同一平面に対して平行である
請求項13から15のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 前記所定の隙間における、前記支持層と前記蓋体の間の距離は2mm以下である
請求項1から17のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 前記発光素子と前記第一の凹部の底面及び側面との間を封止する第一の封止部と、
前記受光素子と前記第二の凹部の底面及び側面との間を封止する第二の封止部と、
をさらに備える
請求項1から18のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 前記発光面と、前記第一の封止部の蓋体側の表面と、前記支持層の蓋体側の表面とは同一平面にある
請求項19に記載のガスセンサ。 - 前記受光面と、前記第二の封止部の蓋体側の表面と、前記支持層の蓋体側の表面とは同一平面にある
請求項19又は20に記載のガスセンサ。 - 前記支持層は、絶縁層と、前記発光素子及び前記受光素子と接続され、前記支持層の前記蓋体とは反対側の面に露出する再配線と、を有する再配線層により形成される
請求項1から21のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 前記支持層は、シリコン基板により形成されており、
前記支持層の前記蓋体とは反対側の面に露出するシリコン貫通電極を備える
請求項1から22のいずれか1項に記載のガスセンサ。
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