(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面から他面へ貫通する貫通穴（１１）を有するステム（１０）と、
前記貫通穴を塞ぐように前記ステムに接合されたフィルタ（２０）と、
前記ステムの一面側に位置する前記フィルタの面に接合された赤外線検出素子（４０）とを備え、
前記ステムの他面側から前記貫通穴を介して入射される赤外線を、前記フィルタを透過させて前記赤外線検出素子に受光させるようになっており、
前記ステム（１０）の一面には、前記フィルタ（２０）および前記赤外線検出素子（４０）を覆って封止するための樹脂からなる樹脂パッケージ（７０）が設けられていることを特徴とする赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、選択的に赤外線を透過させるフィルタを介して、透過してくる赤外線を検出するようにした赤外線センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の赤外線センサとしては、特開平１１−３３７４１４号公報に記載のものが提案されている。このものは、ステムの一面上に赤外線検出素子を実装し、その上を金属製のキャップで被覆してパッケージを構成している。ここで、キャップには、赤外線検出素子に対向する部位に開口部が形成され、この開口部には、選択的に赤外線を透過させるフィルタが設けられている。
【０００３】
このようなセンサにおいては、フィルタを透過してくる赤外線が赤外線検出素子に受光される。そして、該検出素子の検出部の温度とそれ以外の基準部との温度との温度差を求め、受光した赤外線の量を求めることで、被測定体の温度等が計測可能となっている。
【０００４】
ここで、上記従来のセンサにおいては、赤外線により温度上昇したフィルタから赤外線が発せられ、この赤外線が検出素子に輻射される。すると、この赤外線輻射によって、赤外線検出素子の検出部の温度は本来測定すべき赤外線による変化以外にも、この赤外線輻射による変化分も加わり、センサ出力に誤差を生じることとなる。
【０００５】
例えば、被測定体が赤外線センサから取り除かれた後でも、温度上昇したフィルタからの赤外線輻射が続いて、これが赤外線検出素子に受光されることによって、センサ出力の誤差となるような場合がある。
【０００６】
そのため、上記従来のものでは、フィルタに該フィルタの温度を検出するためのサーミスタを取り付け、赤外線検出素子の温度とフィルタの温度との差から生じる出力誤差要因を取り除くようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の誤差要因を取り除くためには、赤外線検出素子の検出温度を補正することが行われるが、そのため、温度補正用の回路が必要になり、センサの構成が複雑になってしまう。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑み、温度補正回路を不要として出力誤差を低減可能な赤外線センサを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、一面から他面へ貫通する貫通穴（１１）を有するステム（１０）と、貫通穴を塞ぐようにステムに接合されたフィルタ（２０）と、ステムの一面側に位置するフィルタの面に接合された赤外線検出素子（４０）とを備え、ステムの他面側から貫通穴を介して入射される赤外線を、フィルタを透過させて赤外線検出素子に受光させるようになっていることを特徴とする。
【００１０】
それによれば、フィルタと赤外線検出素子とが一体化されているので、フィルタ温度と赤外線検出素子温度との温度差を極力小さくすることができる。
【００１１】
また、上記従来公報に記載の赤外線センサでは、キャップにフィルタが取り付けられているが、本来キャップは支持部であるステムに溶接されるため薄い金属からなる。そのため、キャップの熱伝導率は小さく、フィルタの温度上昇を招きやすい。
【００１２】
その点、本発明では、比較的熱容量を大きくすることのできるステムに対してフィルタが直に接合されているので、フィルタの温度上昇を抑制することができる。
【００１３】
よって、本発明によれば、赤外線検出素子の温度とフィルタの温度との差から生じる出力誤差要因を抑制することができ、温度補正回路を不要として出力誤差を低減可能な赤外線センサを提供することができる。
【００１４】
また、赤外線検出素子をパッケージで気密に封止することは、外部環境温度等のセンサ出力に与える外乱を排除するためには好ましいが、上述したように、従来では、パッケージとして金属製のキャップを用いていた。これは、できるだけフィルタの放熱を良くして赤外線検出素子との温度差を小さくするためである。
【００１５】
それに対して、本発明では、フィルタ温度と赤外線検出温度との差を極力小さくでき、また、フィルタの放熱はステムによって確保できるため、特に、金属製のキャップをパッケージとして用いる必要が無くなる。
【００１６】
そこで、本発明では、パッケージとして、ステム（１０）の一面にて、フィルタ（２０）および赤外線検出素子（４０）を覆って封止するように設けられた樹脂パッケージ（７０）を用いている。
【００１７】
それによれば、従来の金属製のキャップに比べて成形しやすいため、パッケージ形状の設計自由度が高くなるという利点がある。
【００２４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態相互において互いに同一部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る赤外線センサＳ１の概略断面図である。ステム１０は、その一面（図中、上面）から他面（図中、下面）へと貫通する貫通穴１１を有するもので、金属板を切削加工やプレス加工する等により形成されたものである。
【００２７】
このステム１０の一面上には、選択的に赤外線を透過させるフィルタ２０が、ステム１０の貫通穴１１を塞ぐようにステム１０に対して接着剤３０によって直に接合されている。
【００２８】
このフィルタ２０はシリコンやゲルマニウムなどの赤外線に対して透明な単結晶体もしくはセラミックスからなるもので、ダイシング等による切り出し加工により形成される。このフィルタ２０におけるステム１０の一面側に位置する面すなわちフィルタ２０の上面には、スパッタや蒸着等により形成されたアルミ配線２１が形成されている。
【００２９】
そして、フィルタ２０の上面には、サーモパイルタイプ等の赤外線検出素子４０が搭載され接合されている。本例では、赤外線検出素子４０は、アルミ配線２１に対してはんだバンプ２２を介して電気的・機械的に接合されている。
【００３０】
本例では、赤外線検出素子４０は、シリコン等の半導体基板に薄肉部としてのメンブレンを形成したサーモパイル式のものであり、当該半導体基板の厚肉部を基準点とし、この基準点の温度とメンブレンに位置する赤外線検出部４１の温度との温度差に対応した電圧信号を発生するものである。
【００３１】
また、ステム１０には、上記検出素子４０からの電圧信号を外部へ出力するためのリードピン５０が設けられている。このリードピン５０は、ステム１０における貫通穴１１の周囲に設けられた挿入孔に挿入されており、ハーメチックガラス５１によってシールされた構造となっている。
【００３２】
そして、ステム１０の一面側に突出するリードピン５０とフィルタ２０の上面に形成されたアルミ配線２１とは、金やアルミ等のボンディングワイヤ６０によって結線され電気的に接続されている。それによって、赤外線検出素子４０からの電圧信号は、アルミ配線２１、ボンディングワイヤ６０、リードピン５０を通って外部に出力可能となっている。
【００３３】
また、ステム１０の一面には樹脂や金属からなるキャップ７０が設けられており、このキャップ７０によってフィルタ２０および赤外線検出素子４０が覆われて気密に封止されている。本例では、キャップ７０として、従来の金属とは異なり、エポキシ樹脂等の樹脂を型成形する等により作られた樹脂パッケージを採用している。
【００３４】
キャップ７０が金属の場合は、キャップ７０はステム１０に溶接により接合されるが、本例の樹脂パッケージとしてのキャップ７０は、接着剤等によってステム１０の一面に接着されている。
【００３５】
そして、キャップ７０とステム１０との間の気密空間は、フィルタ２０を透過してくる赤外線を吸収しないように、真空雰囲気または赤外線を吸収しない窒素や不活性ガスが封入されたものとなっている。このように、赤外線検出素子４０をパッケージで気密に封止することは、外部環境温度等のセンサ出力に与える外乱を排除するためには好ましい。
【００３６】
なお、上記気密空間は、真空にするのが最も断熱効率が良くなって好ましいが、パッケージ構造における或る部分からの漏れ等による真空度の変動を避けるため、窒素や不活性ガスを封入することも行われる。
【００３７】
このような赤外線センサＳ１においては、図１中の白抜き矢印に示すように、ステム１０の他面側から貫通穴１１を介して入射される赤外線を、フィルタ２０を透過させて赤外線検出素子４０の赤外線検出部４１に受光させるようになっている。そして、受光された赤外線のエネルギーは電圧信号に変換されて、リードピン５０から外部へ出力される。
【００３８】
また、この赤外線センサＳ１は、例えば、貫通穴１１およびリードピン５０を備えるステム１０を用意し、このステム１０にフィルタ２０、赤外線検出素子４０を組み付けた後、ワイヤボンディングを行い、真空中もしくは窒素や不活性ガス雰囲気中にてキャップ７０を組み付けることで製造することができる。
【００３９】
ところで、本実施形態によれば、フィルタ２０と赤外線検出素子４０とが一体化されているので、フィルタ温度と赤外線検出素子温度との温度差を極力小さくすることができる。
【００４０】
また、本実施形態では、比較的熱容量を大きくすることのできるステム１０に対してフィルタ２０が直に接合されているので、従来のように比較的熱容量の低い金属キャップに取り付けられていたフィルタに比べて、本フィルタ２０の温度上昇を抑制することができる。
【００４１】
よって、本実施形態によれば、赤外線検出素子４０の温度とフィルタ２０の温度との差から生じる出力誤差要因を抑制することができ、温度補正回路を不要として出力誤差を低減可能な赤外線センサＳ１を提供することができる。
【００４２】
また、本実施形態では、フィルタ温度と赤外線検出温度との差を極力小さくでき、また、フィルタ２０の放熱はステム１０によって確保できるため、従来のように、金属製のキャップをパッケージとして用いる必要が無くなる。
【００４３】
そのため、本実施形態では、好ましい例として樹脂パッケージをキャップ７０として用いているが、この樹脂パッケージは従来の金属製のキャップに比べて成形しやすいため、パッケージ形状の設計自由度が高くなるという利点がある。
【００４４】
（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る赤外線センサＳ２の概略断面図である。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態においても、赤外線検出素子４０はサーモパイルタイプ等の検出部と基準点との温度差も基づいて赤外線検出を行うものである。
【００４５】
そして、本例でも、赤外線検出素子４０は、シリコン等の半導体基板に薄肉部としてのメンブレンを形成したサーモパイル式のものであり、当該半導体基板の厚肉部を基準点とし、この基準点の温度とメンブレンに位置する赤外線検出部４１の温度との温度差に対応した電圧信号を発生するものである。
【００４６】
この赤外線検出素子４０の上には、選択的に赤外線を透過させるフィルタ２０が搭載され、接合されている。接合の方法は、接着剤、陽極接合、直接接合（酸化膜を介した接着等）、はんだ接合などを採用することができる。
【００４７】
このフィルタ２０は、その一面（図中、下面）側に凹部２３を有するもので、上記第１実施形態と同様、シリコンやゲルマニウムなどの赤外線に対して透明な単結晶体もしくはセラミックスからなる。
【００４８】
ここで、フィルタ２０の凹部２３は、例えばシリコン半導体センサの製造工程を応用して作ることができる。例えばシリコン基板を異方性エッチングやドライエッチングを用いて加工することにより凹部２３を形成することができる。本例では、好ましい形態として、図３に示すように、フィルタ２０における凹部２３の底面は、凸レンズ形状をなしている。
【００４９】
このような凸レンズ形状は、フォトリソグラフ技術を用いてエッチングマスクを作る際に、該マスクに厚肉部と薄肉部を形成し、このようなマスクを用いてドライエッチングしていくことで、凹部２３の底面が凸形状となるため形成される。
【００５０】
そして、フィルタ２０の一面側に接合された赤外線検出素子４０によって、凹部２３は覆われ、閉塞空間としての空洞部８０が形成されている。ここで、フィルタ２０と赤外線検出素子４０とを接合するとき、雰囲気を窒素や不活性ガスなどにすることにより、空洞部８０の内部が窒素等にて充填された気密な空間となる。
【００５１】
これにより、赤外線検出素子４０の赤外線検出部４１の近傍の熱伝導が抑えられる。つまり、赤外線検出部４１は、熱伝導の低い気密空間としての空洞部８０の内部に設けられた形となっている。このように、本実施形態では、従来のパッケージ構造としなくても、赤外線検出素子４０とフィルタ２０とを接合したチップの状態において、センサ出力の外乱を抑制した気密構造が実現されている。
【００５２】
また、このようにフィルタ２０と一体化された赤外線検出素子４０は、樹脂パッケージ９０の底面上に搭載され、赤外線検出素子４０と当該底面とは接着剤等により接合固定されている。この樹脂パッケージ９０は、エポキシ樹脂等の樹脂を型成形することで作られた容器状のものである。
【００５３】
本例では、赤外線検出素子４０は、赤外線検出部４１がメンブレンに設けられたものであり、樹脂パッケージ９０と赤外線検出素子４０のメンブレンとの接合により両者の間にも、気密な空間としての空洞部８１が形成されている。
【００５４】
ここで、メンブレン式の赤外線検出素子４０においては、当該素子４０におけるメンブレンの部分と厚肉部との温度差を測定に用いているため、当該メンブレンの下の空洞部８１も断熱性の大きいことが好ましい。
【００５５】
そこで、樹脂パッケージ９０と赤外線検出素子４０との接合も、上記赤外線検出素子４０とフィルタ２０との接合と同様、接合雰囲気を窒素や不活性ガスなどにすることが好ましい。それにより、空洞部８１の内部が窒素等にて充填され熱伝導性の小さい気密な空間となる。
【００５６】
また、樹脂パッケージ９０の適所には、金属等からなるリード９１がインサート成形等により設けられており、このリード９１と赤外線検出素子４０とはボンディングワイヤ６０により結線され、電気的に接続されている。それによって、赤外線検出素子４０からの電圧信号は、ボンディングワイヤ６０、リード９１を通って外部に出力可能となっている。
【００５７】
また、赤外線検出素子４０の周辺部およびボンディング６０、ワイヤ６０とリード９１との接続部は、シリコーンゲル等のゲル１００により覆われている。これは、赤外線検出素子４０の周辺部に信号処理用の増幅回路などを形成している場合は、その保護としてゲル１００を設けるものである。なお、このゲル１００は必要に応じて設ければ良く、無くても良い。
【００５８】
このようにして、一体化されたフィルタ２０および赤外線検出素子４０は、凹部２３に対応するフィルタ２０の他面側を露出させた状態で、樹脂パッケージ９０およびゲル１００によって包み込まれ封止されている。
【００５９】
そして、凹部２３に対応するフィルタ２０の他面側を露出させた状態で、樹脂パッケージ９０の開口部を覆うように、樹脂パッケージ９０には樹脂カバー９２が接着等にて接合固定されている。この樹脂カバー９２も樹脂パッケージ９０と同様の材質や作り方とすることができる。
【００６０】
このような赤外線センサＳ２においては、図２中の白抜き矢印に示すように、凹部２３に対応するフィルタ２０の他面側からフィルタ２０を透過してくる赤外線を、赤外線検出素子４０の検出部４１に受光させるようになっている。そして、受光された赤外線のエネルギーは電圧信号に変換されて、リード９１から外部へ出力される。
【００６１】
また、この赤外線センサＳ２は、例えば、リード９１を備える樹脂パッケージ９０を用意し、この樹脂パッケージ９０に、一体化したフィルタ２０および赤外線検出素子４０を組み付けた後、ワイヤボンディングを行い、ゲル１００を塗布・硬化させて形成し、最後に樹脂カバー９２を組み付けることで製造することができる。
【００６２】
ところで、本実施形態によれば、一面側に凹部２３を有するフィルタ２０に対し、その一面側に赤外線検出素子４０を接合し、この赤外線検出素子４０によって凹部２３を覆って閉塞空間である空洞部８０を形成している。
【００６３】
それにより、フィルタ２０と赤外線検出素子４０とを一体化したチップの状態にて、空洞部８０を気密な空間にすることができる。そして、赤外線検出素子４０の赤外線検出部４１は、当該空洞部８０の内部に設けられた形となり、センサ出力の外乱を抑制した気密構造を実現することができる。
【００６４】
また、本実施形態においても、フィルタ２０と赤外線検出素子４０とを接合して一体化しているので、フィルタ温度と赤外線検出素子温度との温度差を極力小さくすることができる。よって、温度補正回路を不要として出力誤差を低減可能な赤外線センサＳ２を提供することができる。
【００６５】
さらに、本実施形態では、凹部２３に対応するフィルタ２０の他面側を露出させた状態で、フィルタ２０および赤外線検出素子４０を包み込むように封止するための樹脂パッケージ９０が備えられている。それによれば、樹脂パッケージ９０を用いることで、従来の金属製のパッケージに比べて気密構造を容易に形成することができ、パッケージ形状の設計自由度も高くなる。
【００６６】
さらに、本実施形態では、好ましい形態として、フィルタ２０における凹部２３の底面を凸レンズ形状としている。それによれば、被測定体からの赤外線を、赤外線検出素子４０の検出部４１に集光しやすくでき、出力感度の向上に有利である。
【００６７】
なお、本実施形態では、図２に示すような一体化したフィルタ２０および赤外線検出素子４０だけで、赤外線センサを構成しても良く、それによっても、上述の通り、センサ出力の外乱を抑制した気密構造の実現、および、温度補正回路を不要として出力誤差の低減が可能な赤外線センサを提供することができる。
【００６８】
そして、このような一体化したフィルタ２０および赤外線検出素子４０を、樹脂でモールドする形でパッケージ化しても良い。
【００６９】
以上、各実施形態にて述べたように、フィルタ２０と赤外線検出素子４０とを接合して一体化した構成により、フィルタ温度と赤外線検出素子温度との温度差を極力小さくすることができ、温度補正回路を不要として出力誤差を低減可能な赤外線センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る赤外線センサの概略断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る赤外線センサの概略断面図である。
【図３】上記第２実施形態に係るフィルタ単体の断面構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０…ステム、１１…貫通穴、２０…フィルタ、２３…凹部、４０…赤外線検出素子、７０…キャップ、９０…樹脂パッケージ。
【図１】
0003882645.tif 000002
【図２】
0003882645.tif 000003
【図３】
0003882645.tif 000004