TWI576982B - Composite sensor and composite sensor module - Google Patents

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TWI576982B
TWI576982B TW102117094A TW102117094A TWI576982B TW I576982 B TWI576982 B TW I576982B TW 102117094 A TW102117094 A TW 102117094A TW 102117094 A TW102117094 A TW 102117094A TW I576982 B TWI576982 B TW I576982B
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Fumikazu Ojima
Mitsuhito Mase
Naoto Sakurai
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Hamamatsu Photonics Kk
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Description

複合感測器及複合感測器模組
本發明係關於複合感測器及複合感測器模組。
先前，已知具有感知人之進入等之人感功能之感測器。此種感測器中，雖要求足夠之檢測準確度，但在僅使用所謂之熱電堆或輻射熱測定器陣列之熱圖像感測器之情形時，例如無法辨別位於遠處之成人與位於近處之兒童。因此，例如，在專利文獻1~3之技術中，提案有熱圖像感測器與距離圖像感測器組合而成之複合感測器。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2001-318165號公報
[專利文獻2]日本專利特表2011-514709號公報
[專利文獻3]日本專利特開2011-232606號公報
上述複合感測器中，為高精度地檢測出檢測對象物，而有必要抑制熱圖像與距離圖像間之圖像偏差。又，亦有必要排除干擾影響等，且提昇熱圖像感測器及距離圖像感測器之靈敏度。進而，在排列熱圖像感測器及距離圖像感測器之關係上，亦謀求確保容許用以對各感測器實施最佳之製造方法、或配置訊號之讀出電路等之設計的自由度。
本發明係為解決上述問題而完成者，其目的在於提供一種可充分提昇感測器之感度，且可確保製造、配置之自由度之複合感測器。
為解決上述問題，本發明之複合感測器之特徵在於，包含：第1基板，其排列有包括複數個熱電元件之熱圖像感測器；及第2基板，其排列有具有因應入射光而使電荷產生之電荷產生區域、及基於預先賦予之電荷傳送訊號而將在電荷產生區域產生之電荷傳送至特定之電荷收集區域之傳送電極之距離圖像感測器；且第2基板係以熱圖像感測器之排列區域與距離圖像感測器之排列區域自積層方向觀察重疊之方式積層於第1基板上，且藉由第1基板與第2基板之積層，而形成有將第1基板作為頂板而密封熱圖像感測器之周圍之空間之密封體。
此種複合感測器中，熱圖像感測器之排列區域與距離圖像感測器之排列區域係以自積層方向觀察重疊之方式進行配置。因此，可以同軸取得熱圖像與距離圖像，且可抑制熱圖像與距離圖像之間之圖像偏差。因此，可高精度地檢測出檢測對象物。又，謀求縮短運算所需時間及提昇時間解析度。進而，該複合感測器中，利用藉由第1基板與第2基板之積層而形成之密封體，來密封熱圖像感測器之周圍之空間。藉此，可防止距離圖像感測器周圍所產生之熱量對熱圖像感測器側造成影響，且可提昇熱圖像感測器之靈敏度。除此之外，因排列熱圖像感測器之基板與排列距離圖像感測器之基板為單獨個體，故可確保用以對感測器實施之最佳製造方法、或配置訊號讀出電路等之設計之自由度。
又，第2基板中之距離圖像感測器之排列間距較佳為小於第1基板中之熱圖像感測器之排列間距。距離圖像感測器係包含有傳送電極等之構成要件，且該等構成要件被認為是遮蔽熱圖像感測器之遮蔽體。因此，若距離圖像感測器之排列間距大於等於熱圖像感測器之排 列間距，則相當於熱圖像感測器之單一像素之遮蔽之影響變大，且有致使熱圖像之畫質劣化之虞。因此，藉由使距離圖像感測器之排列間距小於熱圖像感測器之排列間距，可抑制相當於熱圖像感測器之單一像素之遮蔽之影響，且擔保熱圖像之畫質。
又，密封體之內壁面較佳為形成有通過中紅外區域之光之光學濾光膜。藉此，可截斷因吸收空氣中之水分或二氧化碳等而易受影響之波長帶之光，從而可進一步提昇熱圖像感測器之靈敏度。
又，密封體之內部較佳為真空狀態。可進一步確實地防止距離圖像感測器之周邊所產生之熱對熱圖像感測器側造成影響。
又，本發明之複合感測器模組之特徵在於，具備：上述複合感測器及透鏡，該透鏡係以第2基板中之距離圖像感測器之排列區域為成像面之方式配置。
在該複合感測器模組之複合感測器中，熱圖像感測器之排列區域與距離圖像感測器之排列區域係以自積層方向觀察重疊之方式進行配置。因此，可以同軸取得熱圖像與距離圖像，且可抑制熱圖像與距離圖像間之圖像偏差，並可高精度地檢測出檢測對象物。又，謀求縮短運算所需時間及提昇時間解析度。進而，該複合感測器模組中，利用藉由第1基板與第2基板之積層而形成之密封體，來密封熱圖像感測器之周圍之空間。藉此，可防止距離圖像感測器周圍所產生之熱對熱圖像感測器側造成影響，且可提昇熱圖像感測器之靈敏度。除此之外，因排列熱圖像感測器之基板與排列距離圖像感測器之基板為單獨個體，故可確保用以對感測器實施之最佳製造方法、或配置訊號讀出電路等之設計之自由度。
根據本發明，可充分提昇感測器之靈敏度，且可確保製造、配置之自由度。
1‧‧‧複合感測器模組
11‧‧‧複合感測器
12‧‧‧透鏡
13‧‧‧第1基板
14‧‧‧第2基板
16‧‧‧熱圖像感測器
31‧‧‧距離圖像感測器
37‧‧‧光學濾光膜
41‧‧‧受光部(電荷產生區域)
42‧‧‧電荷收集區域
43‧‧‧傳送電極
50‧‧‧複合感測器模組
51‧‧‧複合感測器
R1‧‧‧熱圖像感測器之排列區域
R2‧‧‧距離圖像感測器之排列區域
S1‧‧‧密封體
S2‧‧‧密封體
W1‧‧‧熱圖像感測器之排列間距
W2‧‧‧距離圖像感測器之排列間距
圖1係表示本發明之第1實施形態之複合感測器模組之剖面圖。
圖2係複合感測器之俯視圖。
圖3係熱圖像感測器之俯視圖。
圖4係距離圖像感測器之電路圖。
圖5(a)、(b)係表示圖1所示之複合感測器之製造步驟之圖。
圖6(a)、(b)係表示圖5之後續之步驟之圖。
圖7係表示本發明之第2實施形態之複合感測器模組之剖面圖。
圖8(a)、(b)係表示圖7所示之複合感測器之製造步驟之圖。
圖9(a)、(b)係表示圖8之後續之步驟之圖。
以下，一面參照圖式，一面對本發明之複合感測器及複合感測器模組之較佳之實施形態進行詳細說明。
[第1實施形態]
圖1係表示本發明之第1實施形態之複合感測器模組之剖面圖。如該圖所示，複合感測器模組1係具備複合感測器11、及透鏡12而構成。該複合感測器模組1係作為基於熱圖像及距離圖像，對通往特定區域內之人等進行感測之人感感測器而使用之模組。
使用時，於複合感測器模組1內，係連接有光源單元5，其包含：光源2，其例如為所謂之雷射或發光二極體；光源驅動電路3，其係對光源2進行高頻驅動；及控制電路4，其係輸出光源驅動電路3之驅動時脈。自光源2射出成矩形波或正弦波之光強度調變之調變波。該調變波係被檢測對象物K之表面所反射，從而通過透鏡12入射至複合感測器11。又，自光源2出射之光較佳為非可視光，且充分獲得針對Si之靈敏度之波長帶者，例如選擇波長800nm左右之近紅外光。再者，與來自控制電路4之驅動時脈同步之矩形波或正弦波之調變訊號 (電荷傳送訊號)係彼此逆相地賦予後述之距離圖像感測器31之傳送電極43、43。
透鏡12係例如為包含ZnSe之成像透鏡，且以使後述之距離圖像感測器31之排列區域R2作為成像面之方式而配置。自透鏡12例如通過波長0.5μm~21.8μm之頻帶之光，而入射至複合感測器11。再者，透鏡12之材質係除ZnSe外，亦可使用ZnS或As2S3等。
繼而，對複合感測器11進行說明。
如圖1及圖2所示，複合感測器11係具備：第1基板13，其係使熱圖像感測器16排列成矩陣狀；及第2基板14，其係較第1基板13小一周而形成，且使距離圖像感測器31排列成矩陣狀。第1基板13及第2基板14任一者皆藉由Si而形成有300μm左右之厚度，且通過例如波長為1.2μm~21.8μm之頻帶之光。
第1基板13之一面側上，熱圖像感測器16之排列區域R1係設定成大致正方形狀。又，於排列區域R1之外側，以包圍該排列區域R1之方式排列有熱圖像感測器16用之電極墊片17。電極墊片17係藉由導線18而電性連接於封裝側之配線電路。第1基板13之一面側係除電極墊片17之形成位置外，例如成為被包含SiO2之絕緣膜19覆蓋之狀態。
排列於第1基板13之熱圖像感測器16係例如為所謂之熱電堆或輻射熱測定器之不具有波長依存性之感測器，且具有複數個熱電元件。熱圖像感測器16之各像素係如圖3所示，具有：受光部20，其大致成矩形狀；連結部21、21，該等係以自受光部20之對向之2個角部沿受光部20之邊彼此反對向之方式而延伸；及支撐柱22、22，其係分別設置於連結部21、21之前端部分。
藉此，如圖1所示，受光部20係在略微離開絕緣膜19之狀態下，直立設置於第1基板13之一面側。又，如圖2所示，相鄰之熱圖像感測器16、16間之排列間距(受光部20之中心間之距離)W1例如為60μm左 右。再者，對應於受光部20之形成區域，亦可於絕緣膜19上設置包含鋁(Al)等之光反射層。於該情形時，可藉由光反射層使洩漏之光入射至受光部20，從而可進一部提昇熱圖像感測器16之靈敏度。
另一方面，於第2基板14之一面側上，如圖1所示，例如以與熱圖像感測器16之排列區域R1同等之大小，將距離圖像感測器31之排列區域R2設定成大致正方形狀。又，於排列區域R2之外側，在俯視下較熱圖像感測器16用之電極墊片17更內側之位置上，以包圍該排列區域R2之方式排列有距離圖像感測器31用之電極墊片32。電極墊片32係與電極墊片17相同，藉由導線33而電性連接於封裝側之配線電路。第2基板14之一面側除了電極墊片32之形成位置外，成為例如被包含SiO2之絕緣膜34覆蓋之狀態。
於第2基板14之另一面側上，藉由例如Si之異向性蝕刻或乾蝕刻，而形成對應於熱圖像感測器16之排列區域R1之大小之剖面大致正方形狀之凹部36。於凹部36之內壁面上設置有通過中紅外區域之光之光學濾光膜37。更具體而言，光學濾光膜37係藉由例如Ge與ZnS之多層膜而構成，且僅通過8μm~14μm左右之頻帶之光。又，第2基板14之另一面側中，於凹部36之邊緣上，設置有例如包含SiO2之絕緣膜38。
如上所述之第2基板14係以使凹部36朝向第1基板13側，且以使熱圖像感測器6之排列區域R1與距離圖像感測器31之排列區域R2自積層方向觀察重疊之方式，積層於第1基板13上。又，藉由第2基板14之積層，而利用凹部36之內壁面與第1基板13之一面側，形成有將第1基板13作為頂板，且密封熱圖像感測器16之周圍之空間之密封體S1。第1基板13與第2基板14之積層係例如使用真空環境下之常溫接合。因此，收納熱圖像感測器16之密封體S1之內部空間係變為真空狀態。
排列於第2基板14之距離圖像感測器31係所謂之電荷振分型之距 離圖像感測器。距離圖像感測器31之各像素係如圖4所示，具有：受光部(電荷產生區域)41，其係因應入射光而產生電荷；及一對傳送電極43、43，該等係基於預先賦予之電荷傳送訊號，而將受光部41所產生之電荷傳送至電荷收集區域42、42。
受光部41係通過透鏡12之光所入射之部分，如圖2所示，對於熱圖像感測器16之一個受光部20，以2×2之方式進行配置。藉此，鄰接之距離圖像感測器31、31間之排列間距(受光部41之中心間之距離)W2係在上述之熱圖像感測器16、16間之排列間距W1之1/2以下。又，在排列區域R2中，於除受光部41以外之部分係形成有例如包含Al之遮光部44。遮光部44係以使相當於受光部41之部分開口之方式而形成於絕緣膜34上，且針對遮光部44之開口部分之比係例如為20%~50%左右。
電荷收集區域42、42如圖4所示，係以低濃度形成於高濃度之P型半導體區域之表面側之P型半導體區域之進而形成於表面側之一對高濃度之N型半導體區域。N型半導體區域係電性地具有在中性狀態中作為載子之電子，且在消除載子之情形時正離子化。因此，電荷收集區域42、42係成較大之向下凹陷之形狀，且構成電位井。電荷收集區域42、42係分別電性連接有源極跟隨放大器46、46。
傳送電極43、43係配置於受光部41與電荷收集區域42、42之間。傳送電極43、43上，與來自控制電路4之驅動時脈同步之矩形波或正弦波之調變訊號(電荷傳送訊號)係以彼此逆相之方式而進行賦予。在賦予之調變訊號為高位準一側之傳送電極43之正下方，係形成有電位較受光部41低之區域。藉此，受光部41所產生之電子係藉由傳送電極43而傳送，且分配且蓄積於對應之電荷收集區域42內。
蓄積於電荷收集區域42、42之電荷係作為來自源極跟隨放大器46、46之輸出，而經由增幅電路等輸入至控制電路4。控制電路4係基 於來自源極跟隨放大器46、46之輸出，例如依據L=(1/2)×c×{Q2/(Q1+Q1)}×T0，而算出距離。在該公式中，c為光速，Q1為傳送電極VTX1側之輸出訊號(相位0°之輸出訊號)，Q2為傳送電極VTX2側之輸出訊號(相位180°之輸出訊號)，T0為脈衝寬。
繼而，對複合感測器11之製造步驟進行說明。
在製造複合感測器11時，係如圖5(a)所示，準備各自為單獨個體之第1基板13及第2基板14。第1基板13上，預先圖案化形成電極墊片17及絕緣膜19，並且將熱圖像感測器16排列於排列區域R1。又，第2基板14上，係在藉由Si之異向性蝕刻或乾蝕刻而形成凹部36後，利用蒸鍍等，使光學濾光膜37形成於凹部36之內壁面。其後，預先對電極墊片32、絕緣膜34、38、遮光部44、及距離圖像感測器31之各構成要件進行圖案化形成。
其次，如圖5(b)所示，以使凹部36朝向第1基板13側，且使熱圖像感測器16之排列區域R1與距離圖像感測器31之排列區域R2自積層方向觀察重疊之方式，利用常溫接合，將第2基板14積層於第1基板13上。藉此，形成有將第1基板13作為頂板而密封熱圖像感測器16之周圍之空間之密封體S1。又，藉由在真空環境下進行第2基板14朝向第1基板13之常溫接合，可使密封體S1之內部空間為真空狀態。
在進行朝向第1基板13之第2基板14之積層後，如圖6(a)所示，藉由沿第1基板13及第2基板14中特定之切斷預定線照射雷射光，而於第1基板13及第2基板14之內部形成改質層48。再者，根據作業性之觀點，較佳為先實施針對第1基板13之改質層48之形成，且進行針對第2基板14之改質層48之形成。
在形成改質體48後，例如於第2基板14之另一面側，貼附擴展片49。且，藉由使擴展片49伸展於面內方向，而如圖6(b)所示，沿改質層48切斷第1基板13及第2基板14。藉此，使複合感測器11之各元件彼 此分離，從而獲得如圖1所示之複合感測器11。
如以上所說明般，該複合感測器11係以使熱圖像感測器16之排列區域R1與距離圖像感測器31之排列區域R2自積層方向觀察重疊之方式進行配置。因此，可同軸取得熱圖像與距離圖像，且可抑制熱圖像與距離圖像間之圖像偏差。因此，可高精度地檢測出檢測對象物。又，可謀求縮短運算所需時間及提昇時間解析度。
進而，該複合感測器11中，利用藉由第1基板13與第2基板14之積層而形成之密封體S1，在真空狀態下對熱圖像感測器16之周圍之空間進行密封。藉此，可防止距離圖像感測器31之周圍所產生之熱對熱圖像感測器16側造成影響，且可提昇熱圖像感測器16之靈敏度。除此之外，因排列熱圖像感測器16之基板與排列距離圖像感測器31之基板為單獨個體，故可確保用以對感測器實施最佳之製造方法、或配置訊號之讀出電路等之設計的自由度。
又，複合感測器11中，第2基板14中之距離圖像感測器31之排列間距W2係變得比第1基板13中之熱圖像感測器16之排列間距W1小。距離圖像感測器31包含傳送電極43等之構成要件，且該等構成要件視作遮蔽熱圖像感測器16之遮蔽體。因此，若距離圖像感測器31之排列間距W2與熱圖像感測器16之排列間距W1為同等以上，則相當於熱圖像感測器16之單一像素之遮蔽之影響變大，而有致使熱圖像之畫質劣化之虞。因此，藉由將距離圖像感測器31之排列間距W2設為小於熱圖像感測器16之排列間距，可抑制相當於熱圖像感測器16之單一像素之遮蔽之影響，而擔保熱圖像之畫質。
又，複合感測器11中，通過中紅外區域之光之光學濾光膜37係形成於密封體S1之內壁面。藉此，可截斷因吸收空氣中之水分或二氧化碳等而易受影響之波長帶之光，從而可進一步提昇熱圖像感測器16之靈敏度。
[第2實施形態]
圖7係表示本發明之第2實施形態之複合感測器模組50之剖面圖。如該圖所示，第2實施形態之複合感測器模組50中，複合感測器51中之第1基板13與第2基板14之接合構造與第1實施形態不同。
更具體而言，複合感測器51中，未於第2基板14之另一面側設置凹部36，而是使第2基板14之另一面側為平坦面。又，光學濾光膜37係形成於第2基板14之另一面側之整面。第1基板13與第2基板14之接合係使用箔材52及蓋材53。箔材52係於緩衝金屬中組合有低熔點金屬之層，例如包含Ti/Pt/Au或Cr/Ni/Au等。箔材52係在第1基板13之一面側與第2基板14之另一面側中，例如在與電極墊片32重疊之位置上分別配置成環狀。
蓋材53係例如包含科伐合金之環狀金屬材料。蓋材53係被第1基板13側之箔材52與第2基板側之箔材52夾持而接合。藉由介入該蓋材53，而第1基板13與第2基板14係形成有對應蓋材53之厚度之空間。而且，利用第1基板13之一面側、第2基板14之另一面側、及蓋材53，形成有將第1基板13作為頂板而密封熱圖像感測器16之周圍之空間之密封體S2。密封體S2之內部空間係與第1實施形態相同，成為真空狀態。
在製造該複合感測器51時，如圖8(a)所示，準備各自為單獨個體之第1基板13及第2基板14。第1基板13上，預先圖案化形成電極墊片17、絕緣膜19、及箔材52，並且將熱圖像感測器16排列於排列區域R1。又，第2基板14上，在例如藉由蒸鍍等於另一面側上形成光學濾光膜37後，預先對電極墊片32、絕緣膜34、箔材52、遮光部44、及距離圖像感測器31之各構成要件進行圖案化形成。
其次，如圖8(b)所示，在以使熱圖像感測器16之排列區域R1與距離圖像感測器31之排列區域R2自積層方向觀察重疊之狀態下，將蓋 材53配置於箔材52、52之間，且於第1基板13上積層第2基板14。藉此，形成有將第1基板13作為頂板而密封熱圖像感測器16之周圍之空間之密封體S2。又，藉由在真空環境下進行該接合，可使密封體S2之內部空間成為真空狀態。
在進行朝向第1基板13之第2基板14之積層後，如圖9(a)所示，藉由沿第1基板13及第2基板14中特定之切斷預定線照射雷射光，而於第1基板13及第2基板14之內部形成改質層54。再者，根據作業性之觀點，較佳為先實施針對第1基板13之改質層54之形成，且進行針對第2基板14之改質層54之形成。
在形成改質層54後，例如於第2基板14之另一面側，貼附擴展片49。而且，藉由使擴展片49伸展於面內方向，而如圖9(b)所示，沿改質層54切斷第1基板13及第2基板14。藉此，使複合感測器51之各元件彼此分離，從而獲得如圖7所示之複合感測器51。
在如上所述之複合感測器51中，亦以使熱圖像感測器16之排列區域R1與距離圖像感測器31之排列區域R2自積層方向觀察重疊之方式進行配置。因此，可同軸取得熱圖像與距離圖像，且可抑制熱圖像與距離圖像間之圖像偏差。因此，可高精度地檢測出檢測對象物。又，可謀求縮短運算所需時間及提昇時間解析度。
再者，複合感測器51中，亦利用藉由第1基板13與第2基板14之積層而形成之密封體S2，在真空狀態下對熱圖像感測器16之周圍之空間進行密封。藉此，可防止距離圖像感測器31之周圍所產生之熱對熱圖像感測器16側造成影響，且可提昇熱圖像感測器16之靈敏度。除此之外，因排列熱圖像感測器16之基板與排列距離圖像感測器31之基板為單獨個體，故可確保用以對感測器實施最佳之製造方法、或配置訊號之讀出電路等之設計的自由度。
又，複合感測器51中，第2基板14中之距離圖像感測器31之排列 間距W2亦變得比第1基板13中之熱圖像感測器16之排列間距W1小。因此，可抑制相當於熱圖像感測器16之單一像素之遮蔽之影響，且擔保熱圖像之畫質。進而，利用密封體S2內之光學濾光膜37，可截斷因吸收空氣中之水分或二氧化碳等而易受影響之波長帶之光，從而可進一步提昇熱圖像感測器16之靈敏度。
1‧‧‧複合感測器模組
2‧‧‧光源
3‧‧‧光源驅動電路
4‧‧‧控制電路
5‧‧‧光源單元
11‧‧‧複合感測器
12‧‧‧透鏡
13‧‧‧第1基板
14‧‧‧第2基板
16‧‧‧熱圖像感測器
17‧‧‧電極墊片
18‧‧‧導線
19‧‧‧絕緣膜
20‧‧‧受光部
22‧‧‧支撐柱
31‧‧‧距離圖像感測器
32‧‧‧電極墊片
33‧‧‧導線
34‧‧‧絕緣膜
36‧‧‧凹部
37‧‧‧光學濾光膜
38‧‧‧絕緣膜
41‧‧‧受光部
43‧‧‧傳送電極
44‧‧‧遮光部
R1‧‧‧排列區域
R2‧‧‧排列區域
S1‧‧‧密封體
K‧‧‧檢測對象物

Claims (6)

  1. 一種複合感測器，其特徵在於包含：第1基板，其排列有包含複數個熱電元件之熱圖像感測器；及第2基板，其排列有具有因應入射光而使電荷產生之電荷產生區域、及基於預先賦予之電荷傳送訊號而將在上述電荷產生區域產生之電荷傳送至特定之電荷收集區域之傳送電極之距離圖像感測器；且上述第2基板係以上述熱圖像感測器之排列區域與上述距離圖像感測器之排列區域自積層方向觀察重疊之方式積層於上述第1基板上；並藉由上述第1基板與上述第2基板之積層，而形成將上述第1基板作為頂板而密封上述熱圖像感測器之周圍之空間之密封體。
  2. 如請求項1之複合感測器，其中上述第2基板中之上述距離圖像感測器之排列間距小於上述第1基板中之上述熱圖像感測器之排列間距。
  3. 如請求項1或2之複合感測器，其中於上述密封體之內壁面形成有通過中紅外區域之光之光學濾光膜。
  4. 如請求項1或2之複合感測器，其中上述密封體之內部成為真空狀態。
  5. 如請求項3之複合感測器，其中上述密封體之內部成為真空狀態。
  6. 一種複合感測器模組，其特徵在於包含：如請求項1至5中任一項之複合感測器；及透鏡，其係以上述第2基板中之上述距離圖像感測器之排列區域為成像面之方式配置。
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