KR20160149189A - 광학식 센서 - Google Patents

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KR20160149189A
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마사오미 다카사카
유키 오쿠와
신야 이와시나
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

이 광학식 센서는 발광 소자(40)와, 발광 소자(40)가 배치되는 하부 기판(20)과, 하부 기판(20)과의 사이의 공간 내에 발광 소자(40)가 위치하는 상부 기판(10)과, 상부 기판(10)상에 마련된 광학 블록(30)을 구비하고, 상부 기판(10)은 분할 포토 다이오드(SD)를 구비하고 있고, 광학 블록(30)은 발광 소자(40)로부터 출사된 광을, 측정 대상물(R)의 방향으로 반사하도록 구성되어 있고, 측정 대상물(R)에 의해서 반사된 광은, 분할 포토 다이오드(SD)에 입사되는 것을 특징으로 한다.

Description

광학식 센서{OPTICAL SENSOR}
본 발명은 발광 소자로부터 출사(出射)된 광을 대상물에 조사하고, 대상물에 의한 반사광을 검출하여, 틸트(tilt) 센서에 적용 가능한 광학 센서에 관한 것이다.
종래부터, 발광 소자와 광검출부를 조합하여 이루어지는 장치가 알려져 있다.
예를 들면, 특허 문헌 1에 기재된 발광 장치에서는, LED 칩이 수납된 패키지에, LED 칩으로부터 방사(放射)되는 광을 검출하는 광검출부와, 광검출부의 온도를 검출하는 온도 검출부가 마련되어 있다. 광검출부의 출력으로부터, 온도 검출부의 출력을 감산(減算)함으로써, 광검출부의 출력 신호로부터, 광검출부의 온도에 기인한 노이즈를 제거하고 있다. 이 장치에서는, 광검출부의 출력을 LED 칩의 구동에 피드백함으로써, LED 칩의 발광의 안정화를 도모하고 있지만, 센서 기능은 없다.
한편, 특허 문헌 2에 기재된 장치는 발광 소자와 광검출부를 조합하여 이루어지는 광학식 인코더이며, 센서 기능이 있다. 이 광학식 인코더에서는, 반도체 기판상에 광검출기와 오목부가 형성되어 있다. 오목부 내에 광원이 배치되고, 오목부 위에 슬릿이 배치되어 있어, 광원으로부터 출사된 광빔은 슬릿을 통과한 후, 인코더용의 광학 패턴에 조사된다.
특허 문헌 1: 일본 특개 2009－10044호 공보 특허 문헌 2: 일본 특개 2005－43192호 공보
그렇지만, 종래, 틸트 센서에 적용 가능한 소형의 광학식 센서에 대해서는, 알려져 있지 않다. 본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 틸트 센서에 적용 가능한 소형의 광학식 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 광학식 센서는 발광 소자와, 상기 발광 소자가 배치되는 하부 기판과, 상기 하부 기판과의 사이의 공간 내에 상기 발광 소자가 위치하는 상부 기판과, 상기 상부 기판상에 마련된 광학 블록을 구비하고, 상기 상부 기판은 위치 검출형 광검출 소자를 구비하고 있고, 상기 광학 블록은 상기 발광 소자로부터 출사된 광을, 측정 대상물 방향으로 반사하도록 구성되어 있고, 상기 측정 대상물에 의해서 반사된 광은 상기 위치 검출형 광검출 소자에 입사되는 것을 특징으로 한다.
하부 기판, 상부 기판, 광학 블록 및 발광 소자를 집적하고, 상부 기판은 위치 검출형 광검출 소자를 구비하고, 위치 검출형 광검출 소자는 광학 블록을 통해서 측정 대상물에 입사되고, 이것으로 반사된 광을 검출할 수 있다. 측정 대상물의 회전 각도에 의해서, 위치 검출형 광검출 소자로의 광 입사 위치가 다르므로, 이 광학 센서는 틸트 센서로서 기능할 수 있지만, 집적화에 의해서, 전체 장치는 소형화될 수 있다.
또, 상기 상부 기판은 불순물 농도가 1×1018/cm3 이상인 제1 도전형(예：N형)의 반도체 기판 본체와, 상기 반도체 기판 본체의 표면에 형성되고 불순물 농도가 1×1018/cm3 미만인 제1 도전형(예：N형)의 제1 반도체 영역과, 상기 제1 반도체 영역 내에 형성된 단수(單數) 또는 복수의 제2 도전형(예：P형)의 제2 반도체 영역을 구비하고, 상기 위치 검출형 광검출 소자는 상기 제1 반도체 영역 및 상기 제2 반도체 영역을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
반도체 기판 본체가 고불순물 농도(1×1018/cm3 이상)인 경우에는, 기판 이면(裏面) 방향으로부터 표면에 위치하는 위치 검출형 광검출 소자에 입사되는 광을 차단할 수 있기 때문에, 정밀한 측정이 가능해진다.
또, 상기 상부 기판은 모니터용 포토 다이오드를 추가로 구비하고, 상기 광학 블록은 상기 발광 소자로부터 출사된 광을, 상기 모니터용 포토 다이오드의 방향으로도 반사시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
모니터용 포토 다이오드를 이용함으로써, 그 출력에 따라서, 발광 소자에 공급되는 구동 전류를 안정시킬 수 있다. 모니터용 포토 다이오드 및 분할 포토 다이오드는, 상부 기판 내에 집적되어 있고, 광학 블록을 이용하여 발광 소자로부터의 광을 반사·편향(偏向)시키므로, 광학식 센서는 소형화된다.
또, 상기 상부 기판은 제2 도전형의 반도체 기판 본체와, 상기 반도체 기판 본체의 표면에 형성된 제1 도전형의 제1 반도체 영역과, 상기 제1 반도체 영역 내에 형성된 단수 또는 복수의 제2 도전형의 제2 반도체 영역을 구비하고, 상기 위치 검출형 광검출 소자는 상기 제1 반도체 영역 및 상기 제2 반도체 영역을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 구조에 의해서도, 상기 광학식 센서는 기능하지만, 반도체 기판 본체를 P형으로 하는 경우, 그 상부의 N형 반도체 영역과의 사이에 PN 접합이 형성된다. 따라서 이 PN 접합을 모니터용 포토 다이오드로서 이용하는 것이 가능하다. 이 경우, 모니터용 포토 다이오드의 출력은 반도체 기판 본체 및 N형 반도체 영역에 각각 전기적으로 접속된 전극으로부터 취출(取出)할 수 있다.
또, 상기 광학 블록은 하프 미러 블록과, 상기 하프 미러 블록에 겹쳐진 풀 미러 블록을 구비하고, 상기 하프 미러 블록은 제1 플랫 투명판과, 상기 제1 플랫 투명판의 표면의 법선(法線)에 대해서 경사진 각도를 가지는 직선을 그 법선으로 하는 제1 경사면을 따라서 상기 제1 플랫 투명판에 매립된 하프 미러층을 구비하고, 상기 풀 미러 블록은 투명한 제2 플랫 투명판과, 상기 제2 플랫 투명판의 표면의 법선에 대해서 경사진 각도를 가지는 직선을 그 법선으로 하는 제2 경사면을 따라서 상기 제2 플랫 투명판에 매립된 풀 미러층을 구비하는 것을 특징으로 한다.
하프 미러층에 의해서 측정 대상물 방향으로 발광 소자로부터의 광을 반사할 수 있고, 하프 미러층을 투과한 광을, 풀 미러층에 의해서 모니터용 포토 다이오드 방향으로 반사할 수 있다.
또, 상기 하부 기판 및 상기 상부 기판은, 상기 발광 소자를 수용하는 공간을 정의하도록 형성되는 오목부를 각각 구비하고 있는 것을 특징으로 한다. 발광 소자가 오목부 내에 배치되기 때문에, 기판 두께 방향의 소형화가 가능하다.
상기 위치 검출형 광검출 소자는 분할 포토 다이오드 또는 PSD로 할 수 있다.
이 광학식 센서는 틸트 센서에 적용 가능한 구조이고 소형으로 할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 광학식 센서를 일부 분해하여 나타내는 사시도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 따른 광학식 센서 및 측정 대상물의 II－II 화살표선 단면도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 따른 광학식 센서의 III－III 화살표선 단면도이다.
도 4는 광학식 센서의 일부 영역의 평면도이다.
도 5는 상부 기판의 저면도(底面圖)이다.
도 6은 하부 기판의 저면도이다.
도 7은 광학식 센서의 회로도이다.
도 8은 광학 블록의 종단면(縱斷面) 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 제2 실시 형태에 따른 광학식 센서 및 측정 대상물의 종단면도이다.
도 10은 제3 실시 형태에 따른 광학식 센서 및 측정 대상물의 종단면도이다.
도 11은 제4 실시 형태에 따른 광학식 센서 및 측정 대상물의 종단면도이다.
도 12는 변형예에 따른 광학식 센서를 일부 분해하여 나타내는 사시도이다.
도 13은 하프 미러 블록의 제조 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 풀 미러 블록의 제조 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 광학식 센서의 제조 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 오목부 위치의 변형예에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 오목부 위치의 변형예에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 분할 포토 다이오드 대신에 PSD를 이용한 광학식 센서의 사시도이다.
도 19는 PSD의 평면도이다.
도 20은 도 19에 도시한 PSD의 종단면 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 실시 형태에 따른 광학식 센서에 대해 설명한다. 동일 요소에는, 동일 부호를 이용하는 것으로 하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 광학식 센서를 일부 분해하여 나타내는 사시도이고, 도 2는 제1 실시 형태에 따른 광학식 센서 및 측정 대상물의 II－II 화살표선 단면도이다.
이 광학식 센서는 발광 소자(40)(도 2 참조)와, 발광 소자(40)가 그 위에 배치되는 하부 기판(20)과, 상부 기판(10)과, 상부 기판(10)상에 마련된 광학 블록(30)을 구비하고 있다.
3차원 직교 좌표계에 있어서, 각 기판에 수직인 방향이 Z축 방향이고, 모니터용 포토 다이오드(M)에서부터 분할 포토 다이오드(SD)를 향하는 방향이 Y축 방향이고, 이들의 양쪽에 수직인 방향이 X축 방향이다.
발광 소자(40)는 상부 기판(10)과 하부 기판(20) 사이에 정의되도록 형성되는 공간 내에 위치하고 있고, 예를 들면 파장 670nm의 가시광(可視光)을 출사하는 발광 다이오드(LED)이지만, 레이저 다이오드를 이용할 수도 있다. 발광 소자(40)는 화합물 반도체 기판(40A)과, 화합물 반도체 기판(40A)의 표면측에 형성된 반도체 영역(40B)을 구비하고 있고, 이들의 도전형은 반대이다. 즉, 한쪽 도전형이 P형이며, 다른 쪽 도전형이 N형이다.
발광 소자(40)의 광 출사면에는, 렌즈(구(球)렌즈)(50)가 마련되어 있다. 렌즈(50)는 접착제(51)에 의해서, 발광 소자(40)의 광 출사면에 고정되어 있다. 발광 소자(40)로부터 출사된 광은, 렌즈(50)에 의해서 수렴되고, 그 후, 광학 블록 내의 하프 미러에 의해서 반사·편향되어, 측정 대상물(R)에 조사된다. 측정 대상물(R)은 X축 및 Y축을 중심으로 회전 가능하고, 측정 대상물(R)에서 반사된 광은 분할 포토 다이오드(SD)에 입사된다. 측정 대상물(R)의 회전 각도에 따라서, 분할 포토 다이오드(SD)로의 광 입사 위치가 다르므로, 이 광학 센서는 틸트 센서로서 기능할 수 있다.
상부 기판(10)은 분할 포토 다이오드(SD)와 모니터용 포토 다이오드(M)를 구비하고 있다.
우선, 분할 포토 다이오드(SD)에 대해 설명한다. 상부 기판(10)은 반도체 기판 본체(10A)와, 반도체 기판 본체(10A)의 표면측에 형성된 복수의 P형의 반도체 영역(10B)을 구비하고 있다. 도 2의 예에서는, 반도체 기판 본체(10A)는 N형이고, 개개의 반도체 영역(10B)과 반도체 기판 본체(10A) 사이에 PN 접합을 가지는 포토 다이오드가 형성되어 있다. 도 1에서는, 4개의 포토 다이오드를 가지는 4 분할 포토 다이오드가 도시되어 있지만, 분할수는 이것으로 한정되는 것은 아니다.
개개의 반도체 영역(10B)의 주위는 N형의 격리 영역(10C)에 의해서 둘러싸여 있다. 격리 영역(10C)의 불순물 농도는 반도체 기판 본체(10A)의 불순물 농도보다도 높은 (1×1018/cm3 이상) 것이 바람직하다.
다음에, 모니터용 포토 다이오드(M)에 대해 설명한다.
도 1에 있어서, 모니터용 포토 다이오드(M)는 분할 포토 다이오드(SD)와는 다른 위치에 형성되어 있다. 자세하게 설명하면, 광 출사 구멍(H)은 모니터용 포토 다이오드(M)와 분할 포토 다이오드(SD)의 사이에 위치하고 있고, YZ 평면은 광학 블록(30)에 있어서의 하프 미러의 법선과 풀 미러의 법선을 포함하여 구성되어 있다. 즉, 발광 소자(40)로부터 출사된 광선은, 동일 평면(YZ 평면) 내에서 진행하고 있어, 요소의 위치 시프트에 의한 검출 정밀도의 열화가 생기기 어려운 간단한 구조로 되어 있다. 또한, 대상물에 따라서는, 광선은 YZ 평면 내만을 진행할 수도 있지만, 대상물이 X축 및 Y축 회전하는 경우에는, YZ 평면에 있어서의 구조로 한정되는 것은 아니다.
모니터용 포토 다이오드(M)는 반도체 기판 본체(10A)의 표면측에 P형의 반도체 영역(10b)을 구비하고 있다. 반도체 기판 본체(10A)는 N형이기 때문에, 반도체 영역(10b)과 반도체 기판 본체(10A) 사이에 PN 접합을 가지는 포토 다이오드가 형성되어 있다.
반도체 영역(10b)의 주위는 N형의 격리 영역(10c)에 의해서 둘러싸여 있다. 격리 영역(10c)의 불순물 농도는 반도체 기판 본체(10A)의 불순물 농도보다도 높고(1×1018/cm3 이상), 매우 적합하게는 격리 영역(10C)의 불순물 농도와 동일하다.
또한, 상기의 격리 영역(10C) 및 격리 영역(10c)은, 개개의 반도체 영역(10B) 및 반도체 영역(10b)에, 주위로부터 여분의 캐리어가 혼입되는 것을 억제함과 아울러, 기판 전위를 주기 위한 컨택트 영역으로서도 기능하고 있다.
반도체 기판 본체(10A)의 상하면에는, 각각 절연막(10D) 및 절연막(10E)이 형성되어 있다. 절연막(10D) 및 절연막(10E)의 재료는, 예를 들면 SiO2로 이루어지지만, SiNx나 수지 등의 다른 재료를 이용할 수도 있다.
반도체 기판 본체(20A)의 상하면에도, 각각 절연막(20D) 및 절연막(20E)이 형성되어 있다. 절연막(20D) 및 절연막(20E)의 재료는, 예를 들면 SiO2로 이루어지지만, SiNx나 수지 등의 다른 재료를 이용할 수도 있다.
상부 기판(10)과 하부 기판(20)은 부착되어 있다. 부착 방법으로서, 상부 기판(10)과 하부 기판(20)을 가열하여 압착시키는 방법, 상부 기판(10)과 하부 기판(20)의 사이에 접착제를 개재(介在)시키는 방법, 상부 기판(10)의 하면에 마련된 전극과 하부 기판(20)의 상면에 마련된 전극을 범프(bump)를 통해서 접속시키는 방법 등이 있다. 접착제를 이용하는 경우에는, 절연막(10E)과 절연막(20D) 사이의 계면(界面)이 접착층이 된다.
상부 기판(10)의 하면에는 오목부(H1)가 마련되어 있고, 하부 기판(20)의 상면에는 오목부(H2)가 마련되어 있고, 이들이 Z축 방향과 겹침으로써, 발광 소자(40) 및 집광 렌즈(50)를 수용하는 공간이 정의되도록 형성되어 있다. 즉, 하부 기판(20) 및 상부 기판(10)은, 발광 소자(40)를 수용하는 공간을 정의하도록 형성되는 오목부(H1, H2)를 각각 구비하고 있고, 발광 소자(40)가 오목부 내에 배치되기 때문에, 기판 두께 방향의 소형화가 되어 있다.
광학 블록(30)은 발광 소자(40)로부터 출사된 광을, 측정 대상물(R)의 방향으로 반사하도록 구성되어 있고, 측정 대상물(R)에 의해서 반사된 광은 분할 포토 다이오드(SD)에 입사된다. 또, 상부 기판(10)은, 모니터용 포토 다이오드(M)를 구비하고, 광학 블록(30)은, 발광 소자(40)로부터 출사된 광을, 모니터용 포토 다이오드(M)의 방향으로도 반사하도록 구성되어 있다.
이 광학식 센서에서는, 하부 기판(20), 상부 기판(10), 광학 블록(30) 및 발광 소자(40)를 집적하고 있고, 분할 포토 다이오드(SD)는 광학 블록(30)을 통해서 측정 대상물(R)에 입사되어, 이것으로 반사된 광을 검출할 수 있다. 이 집적화에 의해서, 전체 장치는 소형화할 수 있다. 또, 모니터용 포토 다이오드(M)를 이용함으로써, 그 출력에 따라서, 발광 소자(40)에 공급되는 구동 전류를 안정시킬 수 있다. 모니터용 포토 다이오드(M) 및 분할 포토 다이오드(SD)는 상부 기판(10) 내에 집적되어 있고, 광학 블록(30)을 이용하여 발광 소자(40)로부터의 광을 반사·편향시키므로, 광학식 센서는 소형화된다.
광학 블록(30)은 하프 미러 블록(30A)과, 하프 미러 블록(30A)에 겹쳐진 풀 미러 블록(30B)을 구비하고 있다.
광학 블록(30)은, 도 8에 도시하는 것처럼, 하프 미러 블록(30A)은 제1 플랫 투명판과, 제1 플랫 투명판의 표면의 법선에 대해서 경사진 각도를 가지는 직선을 그 법선으로 하는 제1 경사면을 따라서 상기 제1 플랫 투명판에 매립된 하프 미러층(M1)을 구비하고 있다.
풀 미러 블록(30B)은 투명한 제2 플랫 투명판과, 제2 플랫 투명판의 표면의 법선에 대해서 경사진 각도를 가지는 직선을 그 법선으로 하는 제2 경사면을 따라서 제2 플랫 투명판에 매립된 풀 미러층(M2)을 구비하고 있다.
하프 미러층(M1)에 의해서, 측정 대상물(R)의 방향으로, 발광 소자(40)로부터의 광(L)을 반사광(L1)으로서 반사할 수 있고, 하프 미러층(M1)을 투과한 광을, 풀 미러층(M2)에 의해서 모니터용 포토 다이오드(M)의 방향으로 반사광(L2)으로서 반사할 수 있다(도 8 참조).
도 3은 광학식 센서의 III－III 화살표선 단면도이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상부 기판(10)에는 분할 포토 다이오드(SD)의 반도체 영역(10B)으로부터의 출력을 취출하기 위한 관통 전극(A, B, C, D)이 마련되어 있다. 또, 상부 기판(10)에는 모니터용 포토 다이오드(M)의 반도체 영역(10b)으로부터의 출력을 취출하기 위한 관통 전극(E)이 마련되어 있다. 상부 기판(10)에는 기판 전위를 주기 위한 관통 전극(F)이 마련되어 있다.
관통 전극(A~F)은 상부 기판(10)의 하면에 형성된 오목부(H3)의 저면으로부터 상면까지 관통해 있고, 표면의 절연막(10D) 위까지 연장되어 있다. 각각의 관통 전극(A~F)은 상부 기판(10) 및 하부 기판(20)에 형성된 절연막(10E 및 20D)상을 타고 뻗어, 하부 기판(20)의 관통 전극(A3~F3)에 각각 전기적으로 접속되어 있다. 하부 기판(20)의 상면에는 오목부(H4)가 형성되어 있고, 관통 전극(A3~F3)은 오목부(H4)의 저면에서부터 하면까지 관통하여, 절연막(20E)으로부터 노출될 때까지 연장되어 있다. 또한, 상부 기판에 오목부(H3)를, 하부 기판(20)에 오목부(H4)를 이용하지 않고, 상부 기판(10)에 관통 전극(A~F)을, 하부 기판(20)에 관통 전극(A3~F3)을 각각 형성해도 상관없다.
상부 기판(10)의 상부의 절연막(10D)과 광학 블록(30)의 사이에는 접착층이 개재되어 있다.
도 4는 광학식 센서의 일부 영역의 평면도이다.
상부 기판(10)의 상부의 절연막(10D)상에는, 반도체 영역(10B), 반도체 영역(10b) 및 격리 영역(10C) 및 격리 영역(10c)에, 각각 전기적으로 접속된 컨택트 전극이 노출되어 있고, 각각의 컨택트 전극은 관통 전극(A~F)에 접속되어 있다.
도 5는 상부 기판(10)의 저면도이다.
상기의 관통 전극(A~F)은 절연막(10E)을 타고 뻗어, 절연막(10E)의 하면상에 마련된 전극 패드(A1~F1)에 각각 전기적으로 접속된다. 또한, 기판간의 간극을 균일하게 유지하기 위한 더미용 전극 패드(X1)를 절연막(10E)의 하면상에 마련할 수도 있다.
도 6은 하부 기판(20)의 저면도이다.
상기의 전극 패드(A1~F1, X1)는 절연막(20D)의 상면상에, 대향해서 마련된전극 패드(A2~F2, X2)에 각각 전기적으로 접속된다. 접속에는 땜납 범프를 이용할 수도 있다. 절연막(20D)의 상면상에는, 발광 소자(40)의 한쪽 단자에 구동 전류를 공급하기 위한 전극 패드(G)도 마련되어 있고, 전극 패드(G)는 관통 전극(G3)에 전기적으로 접속된다. 발광 소자(40)의 다른 쪽 단자에는, 하부 기판(20)의 기판 전위가 관통 전극(F3)으로부터 주어진다.
도 7은 광학식 센서의 회로도이다.
분할 포토 다이오드(SD)는 4개의 포토 다이오드(PA, PB, PC, PD)를 구비하고 있고, 각각의 출력은 관통 전극(A, B, C, D)을 통해서 검출 회로(70)에 입력된다. 검출 회로(70)는 입력 신호를 전압으로 변환하고, 필요에 따라서 증폭하거나, 혹은, 디지털값으로 변환하여, 제어 회로(80)에 검출치를 입력한다. 제어 회로(80)는 입력된 검출치에 기초하여, 측정 대상물(R)의 회전 각도를 연산하여, 외부 기기에 출력한다.
검출 회로(70)에는, 모니터용 포토 다이오드(M)로부터의 모니터 신호도 관통 전극(E)을 통해서 입력되고 있다. 검출 회로(70)는 입력 신호를 전압으로 변환하고, 필요에 따라서 증폭하거나, 혹은, 디지털값으로 변환하여, 제어 회로(80)에 검출치를 입력한다. 제어 회로(80)는 입력되는 모니터 신호의 검출치가 일정하게 되도록, 광원 구동 회로(60)로부터 발광 소자(40)에 공급되는 구동 전류의 크기를 제어한다. 즉, 제어 회로(80)는 모니터 신호가 기준치 이상인 경우에는, 구동 전류를 감소시키고, 기준치 미만인 경우에는 증가시키는 처리를 행한다.
도 9는 제2 실시 형태에 따른 광학식 센서 및 측정 대상물의 종단면도이다.
이 형태에서는, 상부 기판(10)은 불순물 농도가 1×1018/cm3 이상인 N형의 반도체 기판 본체(10A)와, 반도체 기판 본체의 표면에 형성되고 불순물 농도가 1×1018/cm3 미만(예：4×1012/cm3이고, 적합 범위는 1×1011/cm3 이상 1×1016/cm3 이하)인 N형 반도체 영역(10F)과, N형 반도체 영역(10F) 내에 형성된 복수의 P형 반도체 영역(10B)을 구비하고 있다. 분할 포토 다이오드(SD)는 N형 반도체 영역(10F) 및 복수의 P형 반도체 영역(10B)에 의해서 구성되고, 모니터용 포토 다이오드(M)는 N형 반도체 영역(10F) 및 복수의 P형 반도체 영역(10b)에 의해서 구성된다. 그 외의 구성은 제1 실시 형태와 동일하다. 또한, N형 반도체 영역(10F)은 애피택셜층((epitaxial layer)이다.
본 예와 같이, 반도체 기판 본체(10A)가 고불순물 농도(1×1018/cm3 이상)인 경우, 기판 이면 방향으로부터 표면에 위치하는 분할 포토 다이오드(SD)에 입사되는 광을 차단할 수 있기 때문에, 정밀한 측정이 가능해진다.
도 10은 제3 실시 형태에 따른 광학식 센서 및 측정 대상물의 종단면도이다.
이 형태에서는, 상부 기판(10)은 P형의 반도체 기판 본체(10A)와, 반도체 기판 본체(10A)의 표면에 형성된 N형 반도체 영역(10G, 10g)과, N형 반도체 영역(10G, 10g) 내에 형성된 복수의 P형 반도체 영역(10B) 및 P형 반도체 영역(10b)을 구비하고 있다.
분할 포토 다이오드(SD)는 N형 반도체 영역(10G) 및 복수의 P형 반도체 영역(10B)에 의해서 구성되고, 모니터용 포토 다이오드(M)는 N형 반도체 영역(10g) 및 복수의 P형 반도체 영역(10b)에 의해서 구성된다. 그 외의 구성은, 제1 실시 형태와 동일하다.
이러한 구조에 의해서도, 상기 광학식 센서는 기능하지만, 반도체 기판 본체(10A)를 P형으로 하는 경우, 그 상부의 N형 반도체 영역(10G)과의 사이에 PN 접합이 형성된다. 따라서 이 PN 접합을 모니터용 포토 다이오드로서 이용하는 것이 가능하다. 이 경우, 모니터용 포토 다이오드의 출력은, 반도체 기판 본체(10A) 및 N형 반도체 영역(10G)에 각각 전기적으로 접속된 전극으로부터 취출할 수 있고, 이 경우, 모니터용 포토 다이오드는 생략할 수도 있다.
도 11은 제4 실시 형태에 따른 광학식 센서 및 측정 대상물의 종단면도이다.
상술한 예에서는, 집광 렌즈(50)는 발광 소자(40)에 고정하는 것으로 했지만, 이것은 상부 기판(10)을 관통하는 광 출사 구멍(H)의 지름을 크게 하고, 그 내면(內面)에 고정하는 것으로 해도 된다. 고정에는 접착제(52)를 이용할 수 있다.
도 12는 변형예에 따른 광학식 센서를 일부 분해하여 나타내는 사시도이다.
상술의 예에서는, 4 분할 포토 다이오드의 광 감응 영역을 구성하는 각 반도체 영역(10B)의 크기는 동일했지만, 이것은 달라도 된다. 즉, 광 출사 구멍(H)에 가까운 측의 반도체 영역(10B)의 면적보다도, 광 출사 구멍(H)으로부터 먼 측의 반도체 영역(10B)의 면적을 크게 할 수 있다. 측정 대상물의 회전각은, 분할 포토 다이오드(SD)의 각 반도체 영역(10B)으로부터의 출력의 비율에 대응하고 있지만, 이와 같이 면적을 설정함으로써, 측정 대상의 각도에 대한 4 분할 포토 다이오드의 4 분할 포토 다이오드 출력치의 선형성(線形性)이 향상되어, 제어 회로의 부하 저감을 할 수 있다.
도 13은 하프 미러 블록(30A)의 제조 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다.
우선, 투명 기판(G1)상에 하프 미러층(M1)을 형성하여 단위 미러 구조(A1)를 제조한다(A). 다음에, 단위 미러 구조(A1)를 적층하여, 적층체를 구성한다(B). 다음에, 소정의 각도로 적층체를 절단한다(C). 이것에 의해, 하프 미러 블록(30A)을 제조할 수 있다(D). 하프 미러 블록(30A)은 투명 기판(G1)의 재료로 이루어지는 제1 플랫 투명판과, 하프 미러층(M1)을 구비하는 것이 된다.
도 14는 풀 미러 블록(30B)의 제조 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다.
우선, 투명 기판(G2)상에 풀 미러층(M2)을 형성하여 단위 미러 구조(B1)를 제조한다(A). 다음에, 단위 미러 구조(B1)를 적층하여, 적층체를 구성한다(B). 다음에, 소정의 각도로 적층체를 절단한다(C). 이것에 의해, 풀 미러 블록(30B)을 제조할 수 있다(D). 풀 미러 블록(30B)은 투명 기판(G2)의 재료로 이루어지는 제1 플랫 투명판과, 풀 미러층(M2)을 구비하는 것이 된다.
또한, 상술한 투명 기판(G1, G2)의 재료로서는, SiO2를 이용할 수 있지만, 그 외의 투명 재료도 이용할 수 있다. 또, 하프 미러층(M1)의 재료로서는, 알루미늄(Al) 크롬(Cr) 등의 금속막, 및 유전체 다층막(유전체 다층막은 오른쪽에 쓴 것 중 적어도 2 종류의 유전체로 이루어지는 다층막이며, 유전체막의 재료로서, 산화 티탄(TiO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 규소(SiO2), 플루오르화 마그네슘(MgF2)) 등을 이용할 수 있고, 풀 미러층(M2)의 재료로서는, 알루미늄(Al) 은(Ag) 등의 금속막, 및 유전체 다층막(유전체 다층막은 오른쪽에 쓴 것 중 적어도 2 종류의 유전체로 이루어지는 다층막이고, 유전체막의 재료로서, 산화 티탄(TiO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 규소(SiO2), 플루오르화 마그네슘(MgF2)) 등을 이용할 수 있고, 이들 층은 스패터법, 증착법, 또는 도금법을 이용하여 투명 기판상에 형성할 수 있다.
도 15는 광학식 센서의 제조 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다.
상술한 것처럼 형성된 하프 미러 블록(30A)과, 풀 미러 블록(30B)을 부착하여 접합한다(A). 접합에는 열압착을 이용할 수도 있지만, 접착제를 이용할 수도 있다. 다음에, 접합한 광학 블록(30)의 양면을 연마한다(B). 그리고 나서, 상부 기판(10)에 광학 블록(30)을 부착한다(C). 이 부착에는, 열압착을 이용할 수도 있지만, 접착제를 이용할 수도 있다. 또 공정(C)에 대해서는 상술한 방법 외에 상온 접합 프로세스 등을 이용해도 상관없다. 다음에, 공정(C)의 적층체의 상부 기판(10)에, 렌즈 및 발광 소자가 마련된 하부 기판(20)을 부착한다(D). 공정(D)의 적층체의 다이싱을 행하여 개별의 소자로 분리(E)함으로써, 상술한 광학식 센서를 완성한다. 또, 상기(C) 공정 후에 적층체의 다이싱을 행하여, 개별화하고, 개별 소자의 상부 기판(10)에 렌즈 및 발광 소자가 마련된 하부 기판(20)을 부착하도록 공정을 바꿔 넣어도 상관없다.
도 16은 오목부 위치의 변형예에 대해 설명하기 위한 도면이다.
상술한 어느 예에 있어서도, 오목부(H1) 내에만 발광 소자(40)를 배치하여, 하부 기판의 반도체 기판 본체(20A)의 표면은 평탄하게 할 수 있다. 또한, 그 외의 요소에 대한 기재는 생략하고 있다.
도 17은 오목부 위치의 변형예에 대해 설명하기 위한 도면이다.
또, 상술한 어느 예에 있어서도, 오목부(H2) 내에만 발광 소자(40)를 배치하여, 상부 기판의 반도체 기판 본체(10A)의 하면은 평탄하게 할 수 있다. 또한, 그 외의 요소에 대한 기재는 생략하고 있다.
또, 상술한 광학식 센서는, 측정 대상물의 회전각(경사각)을 검출할 수 있지만, 용도에 따라서는 다른 물리량(위치 등)을 검출하는 것도 가능하다.
또한, 상술한 분할 포토 다이오드를 대신하여, PSD(광 위치 검출 소자)를 이용할 수도 있다. PSD는 포토 다이오드의 표면 저항을 이용한 스폿 광의 위치 센서이며, CCD 등과는 달리 비분할형이기 때문에, 연속한 전기 신호(X 또는 Y좌표)가 얻어지고, 위치 분해능·응답성이 뛰어나다. 발광 소자로부터 발광되어, 렌즈(50), 기판(10) 내부의 광 출사 구멍(H)에 의해 콜리메이트(collimate)된 광은, 광학 블록(30) 내의 하프 미러(30A)에서 반사되고, 측정 대상물(R)에 반사되어, (2 차원)의 PSD에 조사된다. PSD의 각 출력 전극으로부터 취출된 광 전류치로부터, PSD상의 조사 위치가 구해져, 측정 대상물(R)의 각도가 산출된다. 이하, 그 구조에 대해 설명한다.
도 18은 분할 포토 다이오드 대신에 PSD를 이용한 광학식 센서의 사시도이다. 이 센서의 도 1에 도시한 것과의 차이점은, 분할 포토 다이오드의 위치에, PSD가 배치된 점뿐이고, 다른 구성은 도 1의 것과 동일하다.
도 19는 PSD의 평면도이고, 평면 형상이 대체로 직사각형인 반도체 영역(10B)의 표면 위에 대향하는 한 쌍의 전극((Ea와 Ed) 및 (Eb와 Ec))이, 2세트 배치되어 있다. PSD에 있어서는, 입사광의 스폿 위치에 따라서, 입사 위치로부터 전극까지의 저항값이 다르기 때문에, 대향하는 전극 사이에서 출력되는 전류의 비율을 구하면, 스폿 광의 입사 위치, 즉, 측정 대상물의 위치가 판명된다.
도 20은 도 19에 도시한 PSD의 종단면 구성을 나타내는 도면이다.
PSD는 기판의 두께 방향에는 다이오드를 구성하고 있고, 반도체 영역(10B)과, 반도체 기판 본체(10A) 사이에 다이오드가 구성되어 있다. 반도체 영역(10B)은 예를 들면 P형이고, 반도체 기판 본체(10A)는 예를 들면 N형이지만, 상술한 도 9 또는 도 10의 구조를 채용할 수도 있다. 반도체 기판 본체(10A)는 격리 영역(10C) 및 그 위에 형성된 전극(Ef)을 통해서 그라운드 등의 고정 전위에 접속되어 있다. 격리 영역(10C)의 도전형은, 예를 들면 N형이지만, 반도체 기판 본체(10A)의 도전형과 동일하고, 기판 전위를 줄 수 있다. 또한, 각 전극(Ea, Eb, Ec, Ed, Ef)은 각각 상술한 관통 전극(A, B, C, D, F)에 접속할 수 있다. 또, 격리 영역(10C)을 캐소드로 하고, 반도체 영역(10B)을 애노드로 할 수 있지만, 그 역도 가능하다. 분할형 포토 다이오드의 구성은 PSD에는 적용할 수 있고, 동 도면에서는, 격리 영역(10C)의 깊이는 반도체 영역(10B)의 깊이와 동일한 예를 나타내고 있지만, PSD의 둘레 테두리 영역을 구성하는 격리 영역(10C)은 반도체 영역(10B)보다도 깊은 쪽이 바람직하다.
또, 도 9에 도시한 것처럼, 반도체 기판 본체(10A)의 표면에 반도체 영역(10F)을 형성하고, 이 안에 PSD의 광검출 영역이 되는 단일의 반도체 영역(10B)을 형성해도 된다. 반도체의 단면 구성은, 도 9에 있어서의 분할 포토 다이오드(SD)의 좌우 방향의 절반의 구조와 같다.
이상, 설명한 것처럼, 상기 실시 형태에서는, 분할 포토 다이오드 또는 PSD로 이루어지는 위치 검출형 광검출 소자를 구비하고 있고, 틸트 센서에 적용할 수 있다.
또, 상술한 반도체 기판 본체는 Si로 이루어지지만, 다른 재료를 채용하는 것도 가능하고, 또 N형(제1 도전형) 및 P형(제2 도전형)은 서로 치환할 수 있다.
이상과 같이, 상기의 광학식 센서는 발광 소자(40)와, 발광 소자(40)가 배치되는 하부 기판(20)과, 하부 기판(20)과의 사이의 공간 내에 발광 소자(40)가 위치하는 상부 기판(10)과, 상부 기판(10)상에 마련된 광학 블록(30)을 구비하고, 상부 기판(10)은 위치 검출형 광검출 소자(분할 포토 다이오드 또는 PSD)를 구비하고 있고, 광학 블록(30)은 발광 소자(40)로부터 출사된 광을, 측정 대상물의 방향으로 반사시키도록 구성되어 있고, 측정 대상물에 의해서 반사된 광은 위치 검출형 광검출 소자에 입사된다.
또, 상부 기판(10)은 불순물 농도가 1×1018/cm3 이상인 제1 도전형(예：N형)의 반도체 기판 본체(10A)와, 반도체 기판 본체(10A)의 표면에 형성되고 불순물 농도가 1×1018/cm3 미만인 제1 도전형(예：N형)의 제1 반도체 영역(10F)과, 제1 반도체 영역(10F) 내에 형성된 단수 또는 복수의 제2 도전형(예：P형)의 제2 반도체 영역(10B)을 구비하고, 위치 검출형 광검출 소자는 제1 반도체 영역(10F) 및 제2 반도체 영역(10B)을 구비하고 있다(도 9 참조). 또한, PSD의 경우의 종단면 구성은 제2 반도체 영역(10B)의 수가 단수이고, 도 9에 있어서의 분할 포토 다이오드의 좌우 방향의 절반의 영역의 구조와 동일하게 된다.
또, 상부 기판(19)은 모니터용 포토 다이오드(M)를 추가로 구비하고, 광학 블록(30)은 발광 소자(40)로부터 출사된 광을, 모니터용 포토 다이오드(M)의 방향으로도 반사하도록 구성되어 있다.
또, 상부 기판(10)은 제2 도전형(예：P형)의 반도체 기판 본체(10A)와, 반도체 기판 본체의 표면에 형성된 제1 도전형(예：N형)의 제1 반도체 영역(10G)과, 제1 반도체 영역(10G) 내에 형성된 단수 또는 복수의 제2 도전형의 제2 반도체 영역(10B)을 구비하고, 위치 검출형 광검출 소자는 제1 반도체 영역(10G) 및 제2 반도체 영역(10B)을 구비하고 있다(도 10). 또한, PSD의 경우의 종단면 구성은, 제2 반도체 영역(10B)의 수가 단수이고, 도 10에 있어서의 분할 포토 다이오드의 좌우 방향의 절반의 영역의 구조와 동일하게 된다.
또, 광학 블록(30)은 하프 미러 블록(30A)과, 하프 미러 블록(30A)에 겹쳐진 풀 미러 블록(30B)을 구비하고, 하프 미러 블록(30A)은 제1 플랫 투명판(하프 미러 블록(30A)의 본체 부분)과, 제1 플랫 투명판의 표면의 법선에 대해서 경사진 각도를 가지는 직선을 그 법선으로 하는 제1 경사면을 따라서 제1 플랫 투명판에 매립된 하프 미러층(M1)을 구비하고, 풀 미러 블록(30B)은 투명한 제2 플랫 투명판(풀 미러 블록(30B)의 본체 부분)과, 제2 플랫 투명판의 표면의 법선에 대해서 경사진 각도를 가지는 직선을 그 법선으로 하는 제2 경사면을 따라서 제2 플랫 투명판에 매립된 풀 미러층(M2)을 구비하고 있다.
또, 하부 기판(20) 및 상부 기판(10)은, 발광 소자(40)를 수용하는 공간을 w정의하도록 형성되는 오목부를 각각 구비하고 있다.
또, 상술한 위치 검출형 광검출 소자는 분할 포토 다이오드 또는 PSD이고, 광학식 센서를 틸트 센서에 적용할 수 있다.
10 …상부 기판, 20 …하부 기판,
30 …광학 블록, SD …분할 포토 다이오드,
M …모니터용 포토 다이오드.

Claims (7)

  1. 발광 소자와,
    상기 발광 소자가 배치되는 하부 기판과,
    상기 하부 기판과의 사이의 공간 내에 상기 발광 소자가 위치하는 상부 기판과,
    상기 상부 기판상에 마련된 광학 블록을 구비하고,
    상기 상부 기판은
    위치 검출형 광검출 소자를 구비하고 있고,
    상기 광학 블록은
    상기 발광 소자로부터 출사된 광을, 측정 대상물의 방향으로 반사시키도록 구성되어 있고, 상기 측정 대상물에 의해서 반사된 광은 상기 위치 검출형 광검출 소자에 입사되는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 기판은,
    불순물 농도가 1×1018/cm3 이상인 제1 도전형의 반도체 기판 본체와,
    상기 반도체 기판 본체의 표면에 형성되고 불순물 농도가 1×1018/cm3 미만인 제1 도전형의 제1 반도체 영역과,
    상기 제1 반도체 영역 내에 형성된 단수 또는 복수의 제2 도전형의 제2 반도체 영역을 구비하고,
    상기 위치 검출형 광검출 소자는 상기 제1 반도체 영역 및 상기 제2 반도체 영역을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 상부 기판은 모니터용 포토 다이오드를 추가로 구비하고,
    상기 광학 블록은 상기 발광 소자로부터 출사된 광을, 상기 모니터용 포토 다이오드의 방향으로도 반사시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 기판은
    제2 도전형의 반도체 기판 본체와,
    상기 반도체 기판 본체의 표면에 형성된 제1 도전형의 제1 반도체 영역과,
    상기 제1 반도체 영역 내에 형성된 단수 또는 복수의 제2 도전형의 제2 반도체 영역을 구비하고,
    상기 위치 검출형 광검출 소자는 상기 제1 반도체 영역 및 상기 제2 반도체 영역을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 블록은
    하프 미러 블록과,
    상기 하프 미러 블록에 겹쳐진 풀 미러 블록을 구비하고,
    상기 하프 미러 블록은
    제1 플랫 투명판과,
    상기 제1 플랫 투명판의 표면의 법선에 대해서 경사진 각도를 가지는 직선을 그 법선으로 하는 제1 경사면을 따라서 상기 제1 플랫 투명판에 매립된 하프 미러층을 구비하고,
    상기 풀 미러 블록은
    투명한 제2 플랫 투명판과,
    상기 제2 플랫 투명판의 표면의 법선에 대해서 경사진 각도를 가지는 직선을 그 법선으로 하는 제2 경사면을 따라서 상기 제2 플랫 투명판에 매립된 풀 미러층을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하부 기판 및 상기 상부 기판은 상기 발광 소자를 수용하는 공간을 정의하도록 형성되는 오목부를 각각 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 검출형 광검출 소자는 분할 포토 다이오드 또는 PSD인 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
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