WO2020158807A1 - 光学センサおよびそれを用いた光学センサ装置 - Google Patents

光学センサおよびそれを用いた光学センサ装置 Download PDF

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WO2020158807A1
WO2020158807A1 PCT/JP2020/003191 JP2020003191W WO2020158807A1 WO 2020158807 A1 WO2020158807 A1 WO 2020158807A1 JP 2020003191 W JP2020003191 W JP 2020003191W WO 2020158807 A1 WO2020158807 A1 WO 2020158807A1
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WO
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opening
optical sensor
substrate
light
light emitting
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Application number
PCT/JP2020/003191
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English (en)
French (fr)
Inventor
啓介 戸田
Original Assignee
京セラ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/026—Measuring blood flow
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical sensor and an optical sensor device.
  • optical sensor devices such as measurement sensors that can measure biological information such as blood flow easily and at high speed.
  • blood flow can be measured using the Doppler effect of light.
  • the light When blood is irradiated with light, the light is scattered by blood cells such as red blood cells.
  • the moving speed of blood cells is calculated from the frequency of the irradiation light and the frequency of the scattered light.
  • a transparent substrate is bonded to the upper surface of a substrate in which a light receiving element and a light emitting element are accommodated in Patent Document 1.
  • the optical sensor is mounted on the mounting board.
  • the light emitting element is bonded to the bottom surface of the substrate in parallel with the bonding material, so that the light emitting surface is also parallel to the bottom surface of the substrate, and the light receiving element is
  • the noise light reflected by the epidermis or the like is strong in the light received in step 1, and the intensity of the signal light scattered by the blood cells may be relatively low.
  • An optical sensor includes a substrate, a light receiving element, a light emitting element, and a transparent substrate.
  • the substrate has a first upper surface, a first lower surface, a first opening opening to the first upper surface, and a second opening opening to the first upper surface and spaced apart from the first opening.
  • the light receiving element is located in the first opening.
  • the light emitting element is located at the second opening and is spaced apart from the light receiving element.
  • the transparent substrate is located on the upper surface of the substrate 2 and is bonded to the substrate by closing the first opening and the second opening.
  • the light emitting surface of the light emitting element is the first lower surface of the substrate. On the other hand, it is mounted so as to be inclined in the first direction.
  • An optical sensor device includes the above-described optical sensor and a mounting board on which the optical sensor is mounted.
  • FIG. 3 is a top view showing an optical sensor device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an optical sensor according to an embodiment of the present disclosure taken along the line AA of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing an optical sensor according to another embodiment of the present disclosure, taken along the line AA of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing an optical sensor according to another embodiment of the present disclosure, taken along the line AA of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an optical sensor according to an embodiment of the present disclosure, taken along line BB of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an optical sensor according to another embodiment of the present disclosure, taken along line BB of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an optical sensor according to another embodiment of the present disclosure, taken along line BB of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an optical sensor according to another embodiment of the present disclosure, taken along line BB of FIG. 1. It is a sectional view showing an optical sensor device concerning an embodiment of this indication.
  • the optical sensor device 10 of the present disclosure includes the optical sensor 1 and the mounting substrate 7.
  • the optical sensor 1 also includes a substrate 2, a transparent substrate 3, a light emitting element 5, and a light receiving element 6.
  • the substrate 2 includes a first first upper surface 23, a first lower surface 24, a first opening 21 opening to the first first upper surface 23, and a first opening 21 opening to the first first upper surface 23. And a second opening portion 22 that is located at a distance.
  • the substrate 2 has a rectangular shape in a plan view and may be formed by stacking a plurality of dielectric layers.
  • the substrate 2 has, for example, a size of 0.5 mm to 5 mm and a thickness of 0.5 mm to 5 mm in plan view.
  • the dielectric layer may be made of a ceramic material, and the dielectric layer may be an organic wiring board containing a resin insulating material.
  • the substrate 2 is a wiring board made of a ceramic material (ceramic wiring board)
  • conductors such as connection pads, internal wiring, and signal wiring are formed on the dielectric layer made of the ceramic material.
  • the ceramic wiring board includes a plurality of ceramic dielectric layers.
  • Examples of the ceramic material used for the ceramic wiring board include an aluminum oxide sintered body, a mullite sintered body, a silicon carbide sintered body, an aluminum nitride sintered body, a silicon nitride sintered body, or a glass ceramic sintered body. Examples include ties.
  • the substrate 2 is a wiring substrate made of an organic material (organic wiring substrate)
  • wiring conductors such as signal wirings described later are formed on an insulating layer made of an organic material.
  • the organic wiring board is formed of a plurality of organic dielectric layers.
  • the organic wiring board may be, for example, a printed wiring board, a build-up wiring board, a flexible wiring board, or the like whose dielectric layer is made of an organic material.
  • Examples of the organic material used in the organic wiring board include epoxy resin, polyimide resin, polyester resin, acrylic resin, phenol resin, and fluorine resin.
  • the substrate 2 is provided with at least two recesses which are openings in the first first upper surface 23 and one of the two recesses is a light receiving element.
  • 6 is the first opening 21 and the other of the two recesses is the second opening 22 that houses the light emitting element 5.
  • the first opening 21 and the second opening 22 are provided so as to open on the same main surface (first surface of the substrate 2) 21 of the substrate 2.
  • the optical sensor device 10 is used as a measurement sensor that measures the flow of fluid such as blood flow by utilizing the Doppler effect of light.
  • the measurement sensor includes a light emitting element that irradiates the measured object with light and a light receiving element that receives the light scattered by the measured object.
  • a part of the body such as a finger
  • the frequency is measured. Blood flow is measured from the change in.
  • the light emitting element 5 and the light receiving element 6 are arranged at a predetermined interval based on the positional relationship between the irradiation light and the scattered light.
  • the first opening 21 and the second opening 22 are provided according to the positional relationship with the light receiving element 6 and the light emitting element 5.
  • the size of the first opening 21 and the size of the second opening 22 may be appropriately set according to the sizes of the light receiving element 6 and the light emitting element 5 to be housed.
  • a vertical cavity surface emitting laser element VCSEL: Vertical Surface Emitting LASER
  • the opening of the first opening 21 has a square shape even if the shape is rectangular.
  • the length is, for example, 0.3 mm to 2.0 mm in the lengthwise direction, 0.3 mm to 2.0 mm in the widthwise direction, and the depth is 0.3 mm to 1.0 mm. is there.
  • the opening of the second opening 22 may have, for example, a rectangular shape or a square shape.
  • the size is, for example, a longitudinal length of 0.3 mm to 2.0 mm, a lateral length of 0.3 mm to 2.0 mm, and a depth of 0.4 mm to 1.5 mm.
  • the distance between the first opening 21 and the second opening 22 (between the light receiving element 6 and the light emitting element 5) may be such that the light emitted by the light emitting element does not directly enter the light receiving element 6.
  • the first opening 21 and the second opening 22 are provided. (The light receiving element 6 and the light emitting element 5) can be made closer to each other.
  • the opening shape of the first opening 21 and the second opening 22 may be, for example, a circular shape, a square shape, a rectangular shape, or any other shape. Further, the first opening 21 and the second opening 22 may have a cross-sectional shape parallel to the main surface of the substrate 2 that is uniform in the depth direction. In addition, at a predetermined depth, the cross-sectional shape is the same as the opening shape and is uniform, and after the predetermined depth, the cross-sectional shape is small and the depression is uniform to the bottom. Good.
  • a mounting region for mounting the light receiving element 6 is provided on the bottom of the first opening 21, and a bottom of the second opening 22 is provided. A mounting area for mounting the light emitting element 5 is provided. Further, connection pads for electrically connecting to the light emitting element 5 or the light receiving element 6 are provided on the step surface.
  • the substrate 2 is provided with signal wiring electrically connected to the light emitting element 5 or the light receiving element 6, transmitting an electric signal input to the light emitting element 5, and transmitting an electric signal output from the light receiving element 6. It may be.
  • the signal wiring is connected to the light emitting element 5 or the light receiving element 6 with a bonding wire which is a connecting member, a connection pad to which the bonding wire is connected, and an electrical connection to the connection pad from directly below the connection pad of the substrate 2. It may include a via conductor extending to the first lower surface 24 (second surface of the substrate 2) and an external connection terminal electrically connected to the via conductor.
  • the external connection terminal is provided on the first lower surface 24 of the substrate 2, and is electrically connected to the connection terminal of the external mounting board on which the measurement sensor including the optical sensor device 10 is mounted by a terminal connection material such as solder. ..
  • a nickel layer having a thickness of 0.5 ⁇ m to 10 ⁇ m and a gold layer having a thickness of 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m may be sequentially deposited on the substrate 2 by a plating method.
  • the transparent substrate 3 covers the first upper surface 23 of the substrate 2 (first surface of the substrate 2) and is bonded to the first surface of the substrate 2 with a bonding material.
  • the transparent substrate 3 closes and seals the first opening 21 and the second opening 22 in which the light receiving element 6 and the light emitting element 5 are accommodated.
  • the transparent substrate 3 is a plate-shaped member containing an insulating material, transmits light emitted from the light emitting element 5 housed in the second opening 22, and receives light by the light receiving element 6 housed in the first opening 21. It suffices that it is made of a material having a light-transmitting property that allows the light to be transmitted.
  • a semiconductor laser element such as VCSEL can be used as the light emitting element 5, and various photodiodes such as a silicon photodiode, a GaAs photodiode, an InGaAs photodiode, and a germanium photodiode can be used as the light receiving element 6.
  • the light emitting element 5 has a light emitting surface 51 that actually emits light toward the outside, and the light emitting surface 51 is located at least on the upper surface of the light emitting element 5. The emitted light spreads radially from the light emitting surface 51.
  • the light emitting element 5 and the light receiving element 6 may be appropriately selected depending on the type of the object to be measured, the type of parameter to be measured, and the like.
  • the VCSEL which is the light emitting element 5 can emit laser light having a wavelength of 850 nm in order to measure by utilizing the Doppler effect of light.
  • the light emitting element 5 that emits laser light having a wavelength according to the purpose of measurement may be selected.
  • the light receiving element 6 only needs to be able to receive the emitted light of the light emitting element 5 when the light to be received does not change in wavelength from the laser light emitted from the light emitting element 5, and when there is a change in wavelength, after the change. Any light can be used as long as it can receive light of the wavelength.
  • the light emitting element 5 and the light receiving element 6 and the connection pad are electrically connected by a bonding wire, but other connections such as flip chip connection, bump connection, connection using an anisotropic conductive film, etc. It may be a connection method.
  • the transparent substrate 3 needs to transmit the irradiation light and the scattered light to the object to be measured. Since the characteristics of the irradiation light and the scattered light are determined by the mounted light emitting element, it is sufficient that at least the light emitted by the mounted light emitting element is transmitted. With respect to the wavelength of light emitted from the light emitting element, the transparent substrate 3 may be made of an insulating material having a transmittance of 70% or more and 90% or more of the light of the wavelength.
  • the insulating material of the transparent substrate 3 for example, a transparent ceramic material such as sapphire, a glass material, or a resin material can be used.
  • a transparent ceramic material such as sapphire, a glass material, or a resin material
  • the glass material borosilicate glass, crystallized glass, quartz, soda glass, or the like can be used.
  • resin material polycarbonate resin, unsaturated polyester resin, epoxy resin or the like can be used.
  • the transparent substrate 3 has, for example, a rectangular shape in a plan view, and has a size of 0.5 mm ⁇ 1 mm to 5 mm ⁇ 5 mm. The thickness is 0.2 mm to 5 mm.
  • the adhesive bonds the substrate 2 and the transparent substrate 3 together. More specifically, the first upper surface 23 of the substrate 2 and the lower surface of the transparent substrate 3 are joined at the outer peripheral portion.
  • the adhesive is provided in a ring shape along the first upper surface 23 of the substrate 2 and is a sealing material for ensuring airtightness and watertightness in the first opening 21 and the second opening 22 of the substrate 2. is there.
  • the light-receiving element 6 and the light-emitting element 5 housed in the first opening 21 and the second opening 22 are all vulnerable to moisture and the like, and the adhesive is not discontinuous in order to reduce the ingress of moisture from the outside. It is provided in a ring shape.
  • the adhesive may have a light shielding property. Since the adhesive has a light-shielding property, it is possible to reduce light entering from the outside through the space between the substrate 2 and the transparent substrate 3 and into the first opening 21 and the second opening 22. You can
  • the light-shielding property of the adhesive should be that of absorbing light. From the viewpoint of preventing the entry of light from the outside, it may have a light-shielding property due to reflection, but there is a risk that stray light generated inside the measurement sensor will be reflected by the adhesive and be received by the light receiving element. .. If the adhesive absorbs light, it can absorb the light from the outside to reduce the entry and also can absorb the stray light generated inside.
  • Adhesive is composed of a material having a light-shielding property by absorbing such light.
  • the adhesive is obtained, for example, by dispersing a light absorbing material in a resin-based adhesive such as an epoxy resin or a conductive silicone resin having a bondability between the substrate 2 and the transparent substrate 3.
  • a resin-based adhesive such as an epoxy resin or a conductive silicone resin having a bondability between the substrate 2 and the transparent substrate 3.
  • an inorganic pigment can be used as the light absorbing material.
  • the inorganic pigment include carbon-based pigments such as carbon black, nitride-based pigments such as titanium black, Cr-Fe-Co-based, Cu-Co-Mn-based, Fe-Co-Mn-based, Fe-Co-Ni.
  • a metal oxide pigment such as —Cr pigment can be used.
  • the conductive bonding agent 41 may be made of a metal material such as solder.
  • a brazing material such as Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Au-Sn, Au-Sn-Ag, Au-Si can be used.
  • the light shielding film 4 is provided on the lower surface of the transparent substrate 3.
  • the light-shielding film 4 is made of, for example, a metal such as Cr, Ti, Al, Cu, Co, Ag, Au, Pd, Pt, Ru, Sn, Ta, Fe, In, Ni or W, or a metal material such as an alloy thereof. It is formed by vapor deposition, sputtering, baking or the like.
  • the light-shielding film 4 has a thickness of, for example, 50 nm to 1000 nm.
  • the light shielding film 4 may be located so as to overlap the light emitting element 5. At this time, overlapping means that the light-shielding film 4 covers a part of the light emitting element 5.
  • the light-shielding film 4 has a through hole in a part thereof so that at least the light emitted by the light emitting element 5 and the reflected light reaching the light receiving element 6 pass through.
  • the light-shielding film 4 may be provided in other places without providing the light-shielding film 4 only in a portion where the light emitted from the light emitting element 5 is desired to be transmitted. As a result, light can be prevented from leaking from other portions of the transparent substrate 3. As a result, it is possible to reduce the incidence of light incident on the light receiving element 6 due to the unexpected reflection of the measured object due to the leakage.
  • the light-shielding film 4 refers to a film that absorbs, for example, 97% or more of light and does not pass therethrough.
  • the light emitting element 5 and the light receiving element 6 are bonded to the substrate 2 with the bonding material 8 or the like.
  • the bonding material 8 may be made of a metal material such as epoxy resin, silicone resin, or solder. Further, for example, a brazing material such as Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Au-Sn, Au-Sn-Ag, Au-Si can be used.
  • FIG. 2 shows a second virtual straight line X2 perpendicular to the first virtual straight line X1 connecting the centers of the light receiving element 6 and the light emitting element 5 in plan perspective.
  • the light emitting element 5 is positioned with respect to the first lower surface 24 of the substrate 2 and/or the bottom surface 25 of the second opening 22 of the substrate 2.
  • the light emitting surface 51 is mounted on the substrate 2 so as to be inclined.
  • the direction of inclination is the first direction.
  • the first direction is, for example, a direction from one side surface of the recess of the second opening 22 toward the other side surface in a cross-sectional view passing through the second virtual line X2.
  • the inclination angle is, for example, 5° to 50°. That is, the optical axis is inclined with respect to the surface of the object (fluid).
  • the light emitting elements 5 are in a position where they overlap each other when seen in a plan view, and are in an inclined state when seen in a cross section.
  • the inclination of the light emitting element 5 with respect to the bottom surface 25 of the second opening 22 of the substrate 2 may float a part of the second lower surface 52 of the light emitting element 5 as shown in FIG.
  • a thin portion and a thick portion may be formed in the bonding material 8 to have different thicknesses.
  • the mounting surface may be inclined.
  • the joining material 8 may be a solder ball and may be inclined by having a plurality of solder balls having different diameters. More specifically, the space between the bottom surface 25 of the second opening 22 and the second lower surface 52 of the light emitting element 5 has a first space and a second space larger than the first space.
  • the plurality of solder balls include a first solder ball located at the first interval and having the first diameter, and a second solder ball located at the second interval and having the second diameter. The second diameter of the solder ball is larger than the first diameter.
  • the solder ball means a ball-shaped solder. That is, it is a bonding material made of a spherical solder material. By using the solder balls having different sizes, it is easy to tilt the light emitting element 5.
  • the bonding material 8 may be located on the entire surface of the second lower surface 52 of the light emitting element 5. In this case, the bonding strength can be increased.
  • the optical axis of the light from the light emitting element 5 is The tilt and the regular reflection component on the surface of the fluid or the flow path as the object can be released to the outside of the optical sensor 1. That is, the ratio of the signal light can be relatively increased as compared with the case where the specular reflection component is applied to the light receiving element 6, and the detection of the intensity of the signal light is improved.
  • the optical sensor 1 is mounted on the mounting board 7.
  • the mounting substrate 7 may have, for example, a rectangular shape in a plan view, a size of 3 mm ⁇ 7 mm to 50 mm ⁇ 70 mm, and a thickness of 0.3 mm to 2 mm. Further, the mounting board 7 may include an organic material, a ceramic material, or the like.
  • the mounting substrate 7 and the optical sensor 1 may be bonded via the above-mentioned bonding material 8 or the like, or another bonding material may be used.
  • the joining material used may be made of a metal material such as epoxy resin, silicone resin, or solder.
  • a brazing material such as Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Au-Sn, Au-Sn-Ag, Au-Si can be used.
  • the substrate 2 can be manufactured in the same manner as the method for manufacturing a multilayer wiring board.
  • the ceramic material is alumina
  • a raw material powder such as alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), calcia (CaO), magnesia (MgO) is suitable.
  • An organic solvent and a solvent are added and mixed to form a slurry, which is formed into a sheet by a known doctor blade method, calendar roll method or the like to obtain a ceramic green sheet (hereinafter, also referred to as a green sheet).
  • the green sheet is punched into a predetermined shape, and an organic solvent and a solvent are added to and mixed with raw material powder such as tungsten (W) and a glass material to form a metal paste, which is printed on the surface of the green sheet by a printing method such as screen printing.
  • a printing method such as screen printing.
  • the via conductor is provided with a through hole in the green sheet, and the metal paste is filled in the through hole by screen printing or the like.
  • the metallized layer to be the ground conductor layer 5 is formed on the outermost surface by the metal paste.
  • a plurality of green sheets obtained in this way are laminated and co-fired at a temperature of about 1600° C., whereby the substrate 2 is manufactured.
  • a transparent substrate 3 is prepared by cutting a glass material into a predetermined shape by cutting, cutting, or the like.
  • a light-shielding film 4 to be described later is formed on the lower surface of the transparent substrate 3 by vapor deposition, sputtering, baking or the like.
  • the via conductors are formed in a straight line in the vertical direction in the substrate 2 in the above description, they are electrically connected from the first upper surface 23 of the substrate 2 to the external connection terminals of the first lower surface 24. If so, it may not be formed in a straight line, but may be formed so as to be displaced in the substrate 2 by an inner layer wiring, an internal ground conductor layer, or the like.
  • a lens may be attached to the upper surface of the transparent substrate 3 at a position overlapping the first opening 21.
  • the lens has a size of, for example, ⁇ 20 ⁇ m to ⁇ 2 mm and a thickness of 0.5 mm to 2 mm in plan view.
  • the lens is made of, for example, a glass material such as quartz glass or borosilicate glass, or a resin material such as acrylic, polycarbonate, styrene, or polyolefin.
  • the lens is preferably transparent so that the light emitted from the light emitting element 5 can pass through the light receiving element 6.
  • the lens it is preferable to use a lens having a light collecting property, such as a convex lens, which has a property of refracting light in the optical axis direction.
  • a lens having a light collecting property such as a convex lens, which has a property of refracting light in the optical axis direction. The presence of the lens refracts the diffused light emitted from the light emitting element 5 to form focused light or collimated light, thereby improving the light converging property on the light receiving element 6.
  • a second lens may be further attached to the upper surface of the transparent substrate 3 at a position overlapping the second opening 22.
  • the second lens has, for example, a size of ⁇ 70 ⁇ m to ⁇ 2 mm and a thickness of 50 ⁇ m to 2 mm in plan view.
  • the second lens is made of, for example, a glass material such as quartz glass or borosilicate glass, or a resin material such as acrylic, polycarbonate, styrene, or polyolefin.
  • the second lens is preferably transparent so as to allow the light emitted from the light emitting element 5 to pass therethrough.
  • the second lens it is preferable to use a lens having a condensing property, such as a convex lens, which has a property of refracting light in the optical axis direction. Since the second lens is provided, the diffused light emitted from the light emitting element 5 is refracted to be focused light or collimated light, whereby the light converging property can be improved.
  • a lens having a condensing property such as a convex lens, which has a property of refracting light in the optical axis direction. Since the second lens is provided, the diffused light emitted from the light emitting element 5 is refracted to be focused light or collimated light, whereby the light converging property can be improved.
  • a control element that controls the light emission of the light emitting element 5
  • a processing unit 71 that processes the output signal of the light receiving element 6, and a blood flow velocity or the like from the signal of the processing unit 71.
  • a calculation unit 72 for calculating is also mounted.
  • the mounting substrate 7 has the second upper surface 73, and the processing unit 71 and/or the arithmetic unit 72 may be located on the second upper surface 73. At this time, the optical sensor 1 may be mounted on the second upper surface 73.
  • the light emitting element control current is input to the optical sensor device 10 from the mounting substrate 7 via the external connection terminal in a state where the fingertips of the fingers as the object to be measured are in contact with the surface of the transparent substrate 3.
  • the light for measurement is emitted from the light emitting element 5 after being input to the light emitting element 5 through the conductor, the connection pad, and the like.
  • the emitted light passes through the transparent substrate 3 and is applied to the fingertip, it is scattered by the blood cells in the blood.
  • the scattered light transmitted through the transparent substrate 3 is received by the light receiving element 6, the light receiving element 6 outputs an electric signal corresponding to the amount of received light.
  • the output signal passes through the connection pad and the via conductor, is output from the optical sensor 1 to the processing unit 71 of the mounting substrate 7 via the external connection terminal, and is processed.
  • the signal processed by the processing unit 71 is input to the calculation unit 72 having a calculation element, and for example, by analyzing the intensity of each scattered light received by the light receiving element 6 for each frequency, the blood flow velocity is calculated. Can be calculated.
  • the second light receiving element may be further located in the first opening 21. At this time, it is preferable that the light-shielding film 4 is not partially provided above the second light-receiving element. By leaving a region through which the light emitted toward the second light receiving element is transmitted, it is possible to reduce the amount of ambient light reaching the second light receiving element 7.
  • the light shielding film 4 may have a through hole for reference light. Since the through-hole for the reference light is provided, the light is more accurately transmitted to the light receiving element 6, so that the speed can be calculated more accurately.
  • a space between the lower surface of the transparent substrate 3 and the substrate 2 is provided between the first opening 21 and the second opening 22. That is, the substrate 2 has a wall having a light blocking property between the first opening 21 and the second opening 22 and there is no part of the upper end of the wall. By doing so, the reference light can be made to reach the light receiving element 6 directly, so that more accurate measurement can be realized.
  • the optical sensor 1 may have a rectangular shape in a plan view, and the first virtual straight line X1 may be parallel to the long side of the optical sensor 1.
  • the second virtual straight line X2 is parallel to the short side of the optical sensor 1.
  • the light emitting element 5 is inclined with respect to the first lower surface 24 of the substrate 2 to facilitate mounting.
  • an optical sensor 1 in a cross-sectional view taken along the first imaginary line X1, has a bottom surface of the first opening 11 and a second opening 12.
  • the bottom surface 25 may further have an inclined surface inclined so that the upper surface of each element faces.
  • the bottom surface of the first opening portion 21 has an inclined surface that goes upward as the distance from the second opening portion 22 increases. That is, in the cross-sectional view passing through the first imaginary line X1, the bottom surface of the first opening portion 21 is inclined so that the portion closer to the second opening portion 22 is positioned higher than the portion closer to the outside of the optical sensor 1. Has become.
  • the bottom surface 25 of the second opening portion 22 has an inclined surface 26 that is directed upward as it moves away from the first opening portion 21. That is, in the cross-sectional view passing through the first imaginary line X1, the slope of the bottom surface 25 of the second opening 22 positioned closer to the first opening 21 is higher than the position closer to the outside of the optical sensor 1. It has become. At this time, for example, the inclination angle of the inclined surface is 5° to 50° with respect to the bottom surface of the substrate 2. As a result, the irradiation positions of the light that hits the measured object can be brought closer.
  • the present disclosure is not limited to the example of the above embodiment, and various modifications such as numerical values are possible. Further, the mounting method of each element in this embodiment is not specified. Further, the respective embodiments according to the present disclosure can be combined in all as long as the contents are not inconsistent. Further, although the optical sensor and the optical sensor device according to the embodiment of the present disclosure have been described as the pulse wave blood flow sensor device for use, other devices that operate by a pair of sensor elements of a light emitting element and a light receiving element, for example, a proximity sensor The present invention can be applied to an illuminance integrated sensor device, a proximity sensor device, a distance measuring sensor device, and the like.
  • Optical Sensor 2 Substrate 3 Transparent Substrate 4 Light-Shielding Film 5 Light-Emitting Element 51 Light-Emitting Surface 52 Second Lower Surface (Lower Surface of Light-Emitting Element) 6 Light receiving element 7 Mounting board 8 Bonding material 21 First opening 22 Second opening 23 First upper surface (upper surface of board) 24 First lower surface (lower surface of substrate) 25 Bottom surface (bottom surface of the second opening) 26 inclined surface 71 processing unit 72 arithmetic unit 73 second upper surface (upper surface of mounting board) 10 Optical sensor device X1 First virtual straight line X2 Second virtual straight line

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Abstract

光学センサは、基板と、受光素子と、発光素子と、透明基板とを備えている。基板は、第１上面と、第１下面と、第１上面に開口する第１開口部と、第１上面に開口するとともに、第１開口部と間を空けて位置した第２開口部とを有する。受光素子は、第１開口部に位置している。発光素子は、第２開口部に位置するとともに、受光素子と間を空けて位置している。透明基板は、基板２の上面に位置し、第１開口部および第２開口部を塞いで基板と接合されている。平面透視における受光素子の中心および発光素子の中心を結ぶ第１仮想直線と垂直であって、発光素子を通る第２仮想直線を通る断面視において、発光素子の発光面は、基板の第１下面に対して、第１方向に傾いて実装されている。

Description

光学センサおよびそれを用いた光学センサ装置
　本開示は、光学センサおよび光学センサ装置に関する。
　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等の光学センサ装置が求められている。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。血流等を計測できる光学センサは、例えば、特許文献１に受光素子と発光素子が収容された基板の上面に透明基板が接合されている。光学センサ装置は、光学センサが、実装基板に実装されている。
　しかしながら、特開２０１１－１３４４６３号公報に開示された光学センサでは、発光素子が接合材等で、基板の底面と平行に接合されているため、発光面も基板の下面に平行になり、受光素子で受ける光のうち、表皮などが反射したノイズ光が強く、血球細胞が散乱した信号光の強度が相対的に小さくなるおそれがある。
　本開示の一実施形態に係る光学センサは、基板と、受光素子と、発光素子と、透明基板とを備えている。基板は、第１上面と、第１下面と、第１上面に開口する第１開口部と、第１上面に開口するとともに、第１開口部と間を空けて位置した第２開口部とを有する。受光素子は、第１開口部に位置している。発光素子は、第２開口部に位置するとともに、受光素子と間を空けて位置している。透明基板は、基板２の上面に位置し、第１開口部および第２開口部を塞いで基板と接合されている。平面透視における受光素子の中心および発光素子の中心を結ぶ第１仮想直線と垂直であって、発光素子を通る第２仮想直線を通る断面視において、発光素子の発光面は、基板の第１下面に対して、第１方向に傾いて実装されている。
　本開示の一実施形態に係る光学センサ装置は、上述した光学センサと、光学センサが実装される実装基板とを備えている。
本開示の実施形態に係る光学センサを示す斜視図である。 本開示の実施形態に係る光学センサ装置を示す上面図である。 図１のＡ－Ａ線で切断した本開示の実施形態に係る光学センサを示す断面図である。 図１のＡ－Ａ線で切断した本開示の他の実施形態に係る光学センサを示す断面図である。 図１のＡ－Ａ線で切断した本開示の他の実施形態に係る光学センサを示す断面図である。 図１のＢ－Ｂ線で切断した本開示の実施形態に係る光学センサを示す断面図である。 図１のＢ－Ｂ線で切断した本開示の他の実施形態に係る光学センサを示す断面図である。 図１のＢ－Ｂ線で切断した本開示の他の実施形態に係る光学センサを示す断面図である。 図１のＢ－Ｂ線で切断した本開示の他の実施形態に係る光学センサを示す断面図である。 本開示の実施形態に係る光学センサ装置を示す断面図である。
　本開示の光学センサ装置１０は、光学センサ１と、実装基板７とを備えている。また、光学センサ１は、基板２と、透明基板３と、発光素子５と、受光素子６とを備えている。基板２は、第１第１上面２３と、第１下面２４と、第１第１上面２３に開口する第１開口部２１と、第１第１上面２３に開口するとともに第１開口部２１と間を空けて位置した第２開口部２２と、を有している。
　基板２は、平面視において、矩形状であって、複数の誘電体層が積層されて形成されていてもよい。基板２は、例えば、平面視において、大きさが０．５ｍｍ～５ｍｍであって、厚みが０．５ｍｍ～５ｍｍである。基板２は、例えば誘電体層がセラミック材料からなっていてもよく、誘電体層が樹脂絶縁材料を含む有機配線基板であってもよい。
　基板２が、セラミック材料による配線基板（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接続パッド、内部配線、信号配線等の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を含んでいる。
　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、基板２が、有機材料による配線基板（有機配線基板）の場合、有機材料から成る絶縁層に後述する信号配線等の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。
　また、図３に示すように、この基板２には、第１第１上面２３に開口した、少なくとも２つの開口部となる凹部が設けられており、２つの凹部のうちの一方は、受光素子６を収容する第１開口部２１であり、２つの凹部のうちの他方は、発光素子５を収容する第２開口部２２である。第１開口部２１および第２開口部２２は、基板２の同一の主面（基板２の第１面）２１に開口するように設けられている。
　本開示の実施形態に係る光学センサ装置１０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、光学センサ装置１０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５と受光素子６とを所定の間隔で配置する。第１開口部２１および第２開口部２２は、受光素子６および発光素子５との位置関係に応じて設けられる。
　第１開口部２１の大きさ、第２開口部２２の大きさは、収容しようとする受光素子６および発光素子５の大きさに応じて適宜設定すればよい。例えば、発光素子５として、垂直共振器面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）を用いる場合、第１開口部２１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く、その大きさは、例えば、縦方向長さが０．３ｍｍ～２．０ｍｍ、横方向長さが０．３ｍｍ～２．０ｍｍであり、深さは、０．３ｍｍ～１．０ｍｍである。また、ＬＥＤ（Light emitting Diode）また、受光素子６として、面入射フォトダイオードを用いる場合、第２開口部２２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く、その大きさは、例えば、縦方向長さが０．３ｍｍ～２．０ｍｍ、横方向長さが０．３ｍｍ～２．０ｍｍであり、深さは、０．４ｍｍ～１．５ｍｍである。第１開口部２１と第２開口部２２との間（受光素子６と発光素子５との間）は、発光素子が発光した光が受光素子６に直接入射しない程度に離れていればよい。また、第１開口部２１と第２開口部２２との間（受光素子６と発光素子５との間）に遮光性のある壁を設けることで、第１開口部２１と第２開口部２２との間（受光素子６と発光素子５との間）の距離を近づけることができる。
　第１開口部２１および第２開口部２２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。また、第１開口部２１および第２開口部２２は、基板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。また、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。本開示の一実施形態のように段差付きの凹部である場合は、第１開口部２１の底部に、受光素子６を実装するための実装領域が設けられ、第２開口部２２の底部に、発光素子５を実装するための実装領域が設けられる。また、段差表面には、発光素子５または受光素子６と電気的に接続するための接続パッドが設けられる。
　また、基板２には、発光素子５または受光素子６と電気的に接続され、発光素子５に入力される電気信号が伝送され、受光素子６から出力される電気信号が伝送される信号配線があってもよい。この信号配線は、発光素子５または受光素子６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接続パッドと、接続パッドに電気的に接続して接続パッドの直下から基板２の第１下面２４（基板２の第２面）にまで延びるビア導体と、ビア導体に電気的に接続する外部接続端子とから成っていてもよい。外部接続端子は、基板２の第１下面２４に設けられており、光学センサ装置１０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端子接続材料によって電気的に接続される。
　外部接続端子は、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のがよい。このために、例えば、厚さが０．５μｍ～１０μｍのニッケル層と厚さが０．５μｍ～５μｍの金層とをめっき法によって基板２に順次被着させてもよい。
　透明基板３は、基板２の第１上面２３（基板２の第１面）を覆い、接合材によって基板２の第１面に接合される。透明基板３によって、受光素子６および発光素子５が収容された第１開口部２１および第２開口部２２が塞がれて封止される。透明基板３は、絶縁材料を含む板状部材であり、第２開口部２２に収容される発光素子５から出射される光が透過し、第１開口部２１に収容される受光素子６が受光する光が透過するような光透過性を有する材料で構成されていればよい。
　発光素子５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６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５は、実際に外部に向かって発光する発光面５１を有しており、発光面５１は、少なくとも発光素子５の上面には位置している。なお、発光した光は、発光面５１から放射状に広がる。発光素子５および受光素子６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５であるＶＣＳＥＬとして波長が８５０ｎｍ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５を選択すればよい。受光素子６は、受光する光が発光素子５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５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。
　発光素子５および受光素子６と接続パッドとは、本実施形態では、例えば、ボンディングワイヤによって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。
　また、透明基板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、さらに９０％以上の透過率を有する絶縁材料で透明基板３を構成すればよい。
　透明基板３は、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。また、透明基板３は、平面視において、例えば矩形状であり、大きさは０．５ｍｍ×１ｍｍ～５ｍｍ×５ｍｍである。また、厚みは、０．２ｍｍ～５ｍｍである。
　また接着剤は、基板２と透明基板３とを接合する。より詳細には、基板２の第１上面２３と透明基板３の下面とを、外周部分で接合する。接着剤は、基板２の第１上面２３に沿って環状に設けられており、基板２の第１開口部２１および第２開口部２２内の気密性および水密性を確保するためのシール材である。第１開口部２１および第２開口部２２に収容される受光素子６および発光素子５は、いずれも水分等に弱く、外部からの水分の進入を低減させるために、接着剤は、途切れの無い環状に設けられる。
　さらに、接着剤は遮光性を有していてもよい。接着剤が遮光性を有することで、外部からの光が、基板２と透明基板３との間を通って、第１開口部２１内、第２開口部２２内に進入することを低減させることができる。
　接着剤が有する遮光性は、光の吸収による遮光性であるのがよい。外部からの光の進入を防ぐ観点からは、反射による遮光性であってもよいが、計測センサの内部で発生した迷光が、接着剤で反射してさらに受光素子に受光されてしまうおそれがある。接着剤が光を吸収するものであれば、外部からの光を吸収して進入を低減させるとともに、内部で発生した迷光も吸収することができる。
　接着剤は、このような光の吸収による遮光性を有する材料を含んで構成される。接着剤は、例えば、基板２と透明基板３との接合性を有するエポキシ樹脂、導電性シリコーン樹脂等の樹脂系接着剤に、光吸収性材料を分散させて得られる。光吸収材料としては、例えば、無機顔料を用いることができる。無機顔料としては、例えば、カーボンブラックなどの炭素系顔料、チタンブラックなどの窒化物系顔料、Ｃｒ－Ｆｅ－Ｃｏ系、Ｃｕ－Ｃｏ－Ｍｎ系、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｍｎ系、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｎｉ－Ｃｒ系などの金属酸化物系顔料等を用いることができる。また、導電性接合剤４１は、はんだなどの金属材料で構成されていてもよい。例えば、Ｓｎ－Ａｇ、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ、Ａｕ－Ｓｎ、Ａｕ－Ｓｎ－Ａｇ、Ａｕ－Ｓｉなどのろう材を用いることができる。
　透明基板３の下面において遮光膜４を有している。遮光膜４は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｎｉ若しくはＷなどの金属又はこれらの合金等の金属材料を蒸着、スパッタ、焼付け等によって形成される。遮光膜４の厚みは、例えば、５０ｎｍ～１０００ｎｍである。遮光膜４は、発光素子５と重なって位置していてもよい。このとき、重なっているとは、遮光膜４が発光素子５の一部を覆っている状態のことを指す。遮光膜４は、少なくとも発光素子５が発光した光および受光素子６まで届く反射した光が通るように、一部に貫通孔がある。
　遮光膜４は、発光素子５が放射した光を透過させたい箇所のみ遮光膜４を設けず、その他の箇所に設けていてもよい。このことによって、透明基板３の他の箇所から光が漏れ出るのを低減させることができる。その結果、漏れ出ることによって被計測物にて予想外の反射をして受光素子６に光が入射することを低減させることができる。遮光膜４は、例えば光を９７％以上吸収等して通さない膜のことをさす。
　発光素子５および受光素子６は、基板２に接合材８等を用いて接合される。接合材８は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂またははんだなどの金属材料で構成されていてもよい。また、例えば、Ｓｎ－Ａｇ、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ、Ａｕ－Ｓｎ、Ａｕ－Ｓｎ－Ａｇ、Ａｕ－Ｓｉなどのろう材を用いることができる。
　図２に、平面透視における受光素子６の中心および発光素子５の中心を結ぶ第１仮想直線Ｘ１と垂直な第２仮想直線Ｘ２を示している。図６～図９に示すように、第２仮想線Ｘ２を通る断面視において、発光素子５は、基板２の第１下面２４および／または基板２の第２開口部２２の底面２５に対して、発光面５１が傾くように基板２に実装されている。このとき、傾く向きを第１方向としている。第１方向は、例えば、第２仮想線Ｘ２を通る断面視において、第２開口部２２の凹部の一方の側面から他方の側面に向かう方向である。このとき、傾斜角度は、例えば、５°～５０°である。つまり、対象物（流体）の表面に対して、光軸が傾いた状態である。平面透視においては発光素子５が重なる位置になり、断面視においては、傾いた状態になっている。このとき、発光素子５の基板２の第２開口部２２の底面２５に対する傾きは、図６に示すように、発光素子５の第２下面５２の一部を浮かせてもよいし、図９に示すように、接合材８に薄い部分と厚い部分を作って、厚みを異ならせてもよい。また、図７に示すように、実装面が傾斜していてもよい。また、発光素子５の発光面５１そのものが傾いている場合には、その状況を維持したまま基板２に実装されるのがよい。また、図８に示すように、接合材８がはんだボールであり、異なる直径のはんだボールを複数有していることによって傾けてもよい。より詳細に説明すると、第２開口部２２の底面２５と発光素子５の第２下面５２との間隔は、第１間隔と、第１間隔よりも大きい第２間隔と、を有している。そして、この複数のはんだボールは、第１間隔に位置するとともに第１直径を有する第１はんだボールと、第２間隔に位置するとともに第２直径を有する第２はんだボールと、を含んでいる。はんだボールの第２直径は、第１直径より大きくなっている。なお、はんだボールは、はんだをボール状の形状にしたもののことを指す。つまり、球状のはんだ材料からなる接合材のことである。異なる大きさのはんだボールを用いることによって、発光素子５に傾きをつけるのが容易である。接合材８は、発光素子５の第２下面５２の全面に位置していてもよい。この場合には、接合強度を大きくすることができる。
　本開示の実施形態に係る光学センサ１では、上述したように発光素子５の発光面５１が、基板２の第１下面２４に対して傾いているため、発光素子５からの光の光軸が傾き、対象物である流体または流路の表面における正反射成分を光学センサ１の外に逃がすことができる。つまり、正反射成分が受光素子６に照射される場合と比較して、相対的に信号光の比率を増加させることができ、信号光の強度の検出が向上する。
　光学センサ１は、実装基板７に実装される。実装基板７は、平面視において例えば、矩形状であり、大きさが３ｍｍ×７ｍｍ～５０ｍｍ×７０ｍｍであり、厚みが０．３ｍｍ～２ｍｍであってもよい。また、実装基板７は、有機材料、セラミック材料等を含んでいてもよい。
　実装基板７と光学センサ１は、上述した接合材８等を介して接合されてもよいし、他の接合材を用いてもよい。このとき、用いられる接合材は、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂またははんだなどの金属材料で構成されていてもよい。また、例えば、Ｓｎ－Ａｇ、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ、Ａｕ－Ｓｎ、Ａｕ－Ｓｎ－Ａｇ、Ａｕ－Ｓｉなどのろう材を用いることができる。
　　＜光学センサおよび光学センサ装置の製造方法＞
　光学センサ装置１０の製造方法について説明する。まず、基板２を多層配線基板の製造方法と同様にして作製することができる。基板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（Ａｌ2Ｏ3）やシリカ（ＳｉＯ2）、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。また、接地導体層５となるメタライズ層は、金属ペーストによって最表面に形成される。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板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透明基板３を準備する。透明基板３の下面に、蒸着、スパッタ、焼付け等によって後述する遮光膜４を形成する。
　なお、上記では、ビア導体は、基板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、基板２の第１上面２３から第１下面２４の外部接続端子まで電気的に接続されていれば、一直線状でなく、基板２内で、内層配線や内部接地導体層等によってずれて形成されていてもよい。
　　＜光学センサおよび光学センサ装置の他の実施形態＞
　本開示の他の実施形態に係る光学センサ１は、透明基板３の上面において、第１開口部２１と重なる位置には、レンズが取付けられていてもよい。レンズは、平面視において、例えば、大きさがΦ２０μｍ～Φ２ｍｍの、厚みは０．５ｍｍ～２ｍｍである。また、レンズは、例えば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラスなどのガラス材料、アクリル、ポリカーボネート、スチレン、ポリオレフィンなどの樹脂材料から成っている。レンズは、発光素子５から放射された光を受光素子６に通すために透過性を有しているのがよい。また、レンズは、集光性を有する、凸レンズ等の光を光軸方向に屈折させる性質をもつものを用いるのがよい。レンズがあることによって、発光素子５から照射された拡散光を屈折させ、集束光やコリメータ光にすることで受光素子６への光の集光性を向上させることができる。
　このとき、透明基板３の上面において、第２開口部２２と重なる位置に、さらに第２のレンズが取付けられていてもよい。第２のレンズは、平面視において、例えば、大きさがΦ７０μｍ～Φ２ｍｍの、厚みは５０μｍ～２ｍｍである。また、第２のレンズは、例えば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラスなどのガラス材料、アクリル、ポリカーボネート、スチレン、ポリオレフィンなどの樹脂材料から成っている。第２のレンズは、発光素子５から放射された光を通すために透過性を有しているのがよい。また、第２のレンズは、集光性を有する、凸レンズ等の光を光軸方向に屈折させる性質をもつものを用いるのがよい。第２のレンズがあることによって、発光素子５から照射された拡散光を屈折させ、集束光やコリメータ光にすることで光の集光性を向上させることができる。
　図１０に示すように、実装基板７には、例えば、発光素子５の発光を制御する制御素子、受光素子６の出力信号を処理する処理部７１、処理部７１の信号から血流速度等を算出する演算部７２等も実装される。実装基板７は、第２上面７３を有しており、処理部７１および／または演算部７２は、第２上面７３に位置していてもよい。このとき、光学センサ１が、第２上面７３に実装されていてもよい。
　測定する場合には、被計測物として手指の指先を透明基板３の表面に接触させた状態で、実装基板７から外部接続端子を介して発光素子制御電流が光学センサ装置１０に入力され、ビア導体、接続パッド等を通って発光素子５に入力されて発光素子５から計測用の光が出射される。出射された光が、透明基板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。透明基板３を透過した散乱光が、受光素子６で受光されると、受光量に応じた電気信号が受光素子６から出力される。出力された信号は、接続パッド、ビア導体を通り、外部接続端子を介して光学センサ１から実装基板７の処理部７１へと出力されて処理される。
　実装基板７では、処理部７１で処理された信号が、演算素子を有する演算部７２に入力され、例えば、受光素子６が受光した散乱光の周波数毎の強度を解析することにより、血流速度を算出することができる。
　本開示の他の実施形態に係る光学センサ１は、第１開口部２１に、さらに第２の受光素子が位置していてもよい。このとき、遮光膜４は、第２の受光素子の上方も一部設けないのがよい。第２の受光素子に向かって放射される光が透過される領域は空けておくことによって、外乱光を第２の受光素子７に到達させることを低減させることができる。
　また、本開示の他の実施形態に係る光学センサ１は、遮光膜４は、参照光用の貫通孔を有していてもよい。参照光用の貫通孔があることによって、より正確に受光素子６に光が伝わるため、速度算出をより正確にすることができる。
　また、本開示の他の実施形態に係る光学センサ１は、第１開口部２１と第２開口部２２との間において、透明基板３の下面と基板２との間が空いている。つまり、基板２は、第１開口部２１と第２開口部２２との間に遮光性を有する壁があり、その壁の上端の一部が無い状態のことをいう。このようにすることで、参照光を直接的に受光素子６に到達させることができるため、より正確な計測を実現することができる。
　また、本開示の他の実施形態に係る光学センサ１は、平面視において、光学センサ１が長方形状であり、第１仮想直線Ｘ１が光学センサ１の長辺と平行であってもよい。この場合には、第２仮想直線Ｘ２が光学センサ１の短辺と平行である。このとき、発光素子５は、基板２の第１下面２４に対して傾けて実装が容易になる。
　また、図４および図５に示すように、第１仮想線Ｘ１を通る断面視において、本開示の他の実施形態に係る光学センサ１は、第１開口部１１の底面および第２開口部１２の底面２５が、それぞれの素子の上面が面するように傾斜した傾斜面をさらに有していてもよい。言い換えると、第１開口部２１の底面は、第２開口部２２から離れていくにつれて、上方に向かう傾斜面を有している。つまり、第１仮想線Ｘ１を通る断面視において、第１開口部２１の底面は、第２開口部２２に近い箇所の方が、光学センサ１の外側に近い箇所よりも上方に位置した傾斜になっている。また、第２開口部２２の底面２５は、第１開口部２１から離れていくにつれて、上方に向かう傾斜面２６を有している。つまり、第１仮想線Ｘ１を通る断面視において、第２開口部２２の底面２５は、第１開口部２１に近い箇所の方が、光学センサ１の外側に近い箇所よりも上方に位置した傾斜になっている。このとき、例えば、傾斜面の傾斜角度は基板２の底面に対して、５°～５０°である。このことによって、被計測物に当たる光の照射位置を近づけることができる。
　なお、本開示は上述の実施形態の例に限定されるものではなく、数値などの種々の変形は可能である。また、本実施形態における各素子の実装方法などは指定されない。また、本開示に係る各実施形態は、その内容に矛盾をきたさない限り、すべてにおいて組合せ可能である。また、本開示の実施形態に係る光学センサおよび光学センサ装置は、その用途を脈波血流センサ装置として説明したが、発光素子および受光素子の一対のセンサ素子により動作するその他の装置、例えば近接照度一体型センサ装置、近接センサ装置、測距センサ装置等に応用が可能である。
１　光学センサ
２　基板
３　透明基板
４　遮光膜
５　発光素子
５１　発光面
５２　第２下面（発光素子の下面）
６　受光素子
７　実装基板
８　接合材
２１　第１開口部
２２　第２開口部
２３　第１上面（基板の上面）
２４　第１下面（基板の下面）
２５　底面（第２開口部の底面）
２６　傾斜面
７１　処理部
７２　演算部
７３　第２上面（実装基板の上面）
１０　光学センサ装置
Ｘ１　第１仮想直線
Ｘ２　第２仮想直線

Claims (12)

  1. 　第１上面と、第１下面と、前記第１上面に開口する第１開口部と、前記第１上面に開口するとともに前記第１開口部と間を空けて位置した第２開口部と、を有する基板と、
    　前記第１開口部に位置した受光素子と、
    　前記第２開口部に位置した発光素子と、
    　前記基板の前記第１上面に位置し、前記第１開口部および前記第２開口部を塞いで前記基板と接合された透明基板と、を備えており、
    平面透視における前記受光素子の中心および前記発光素子の中心を結ぶ第１仮想直線と垂直であって前記発光素子を通る第２仮想直線を通る断面視において、前記発光素子の発光面は、前記基板の前記第１下面に対して、第１方向に傾いて位置している、光学センサ。
  2. 　前記第２開口部は、底面を有しており、前記第２開口部の前記底面には前記発光素子が実装されているとともに、前記第２開口部の前記底面は、前記基板の前記第１下面に対して、前記第１方向に傾いて位置している、請求項１に記載の光学センサ。
  3. 　平面視において、前記基板は長方形状であり、前記第１仮想直線が前記基板の長辺と平行である、請求項１または２に記載の光学センサ。
  4. 　前記第２開口部は、底面を有しており、前記第２開口部の前記底面には前記発光素子が実装されているとともに、前記第２開口部の前記底面は、前記第１開口部から離れていくにつれて上方に向かう傾斜面となっている、請求項１～３のいずれか１つに記載の光学センサ。
  5. 　前記第２開口部は、底面を有しており、前記第２開口部の前記底面には前記発光素子が実装されているとともに、前記第２開口部の前記底面と前記発光素子の第２下面との間に位置している接合材をさらに備える、請求項１～４のいずれか１つに記載の光学センサ。
  6. 　前記接合材は、前記発光素子の前記第２下面の全面に位置している、請求項５に記載の光学センサ。
  7. 　前記接合材は、複数のはんだボールを含んでおり、
    　前記第２開口部の前記底面と前記発光素子の前記第２下面との間隔は、第１間隔と、該第１間隔よりも大きい第２間隔と、を有しており、
    　前記複数のはんだボールは、前記第１間隔に位置するとともに第１直径を有する第１はんだボールと、前記第２間隔に位置するとともに第２直径を有する第２はんだボールと、を含み、
    　前記第２直径は、前記第１直径より大きい、請求項５に記載の光学センサ。
  8. 　請求項１～７のいずれか１つに記載の光学センサと、
    前記光学センサが実装される実装基板と、を備えた、光学センサ装置。
  9. 　前記実装基板は、前記受光素子で受光した信号を処理する処理部を有する、請求項８に記載の光学センサ装置。
  10. 　記実装基板は、前記処理部で処理した信号に基づき演算する演算部を有する、請求項９に記載の光学センサ装置。
  11. 　前記実装基板は第２上面を有しており、
    前記処理部は、前記実装基板の前記第２上面に位置しており、
    前記光学センサは、前記実装基板の前記第２上面に実装される、請求項９に記載の光学センサ装置。
  12. 　前記実装基板は第２上面を有しており、
    前記演算部は、前記実装基板の前記第２上面に位置しており、
    前記光学センサは、前記実装基板の前記第２上面に実装される、請求項１０に記載の光学センサ装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10107176A (ja) * 1996-09-27 1998-04-24 Hitachi Techno Eng Co Ltd 電子部品と基板との接続構造及びその接続方法、並びにその接続構造及び接続方法におけるはんだバンプ形成法
JP2013254833A (ja) * 2012-06-06 2013-12-19 Mitsubishi Electric Corp 発光装置及び発光装置の製造方法
JP2018201544A (ja) * 2017-05-30 2018-12-27 京セラ株式会社 計測センサ用パッケージ及び計測センサ

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