特許 5802511 光センサモジュール及び光センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5802511

(24)【登録日】2015年9月4日

(45)【発行日】2015年10月28日

(54)【発明の名称】光センサモジュール及び光センサ

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/04 20060101AFI20151008BHJP

   G01J 1/02 20060101ALN20151008BHJP

【ＦＩ】

   G01J1/04 B

   !G01J1/02 B

【請求項の数】10

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2011-219548(P2011-219548)

(22)【出願日】2011年10月3日

(65)【公開番号】特開2013-79852(P2013-79852A)

(43)【公開日】2013年5月2日

【審査請求日】2014年6月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプス電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100085453

【弁理士】

【氏名又は名称】野▲崎▼ 照夫

(72)【発明者】

【氏名】和賀 聡

(72)【発明者】

【氏名】早川 康男

(72)【発明者】

【氏名】平山 元輝

【審査官】 喜々津 徳胤

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６２−１２２２８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−３２２６５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２５９８３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｊ１／００−１／６０

Ｈ０１Ｌ３１／００−３１／１１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

受光した光量に応じて電流を発生させる受光素子と、前記電流を電圧に変換する回路の抵抗素子及び増幅素子と、光の入射面から入射した所望の波長の光を透過する波長選択フィルタ部材と、を備えた光センサモジュールにおいて、
前記増幅素子が形成されている回路基板と、前記回路基板を遮光するパッケージ樹脂と、前記受光素子が形成されたセンサ部材と前記波長選択フィルタ部材とが接合されているセンサ基板と、前記回路基板と前記センサ基板とが載置されているとともに前記回路基板と前記受光素子と前記抵抗素子とに接続される配線が設けられている基台と、を有し、
前記パッケージ樹脂が、前記波長選択フィルタ部材の前記光の入射面を露出するように前記基台を覆っており、
前記センサ部材と前記波長選択フィルタ部材とを接合する接合層を有し、
前記接合層が、前記受光素子を囲み、前記波長選択フィルタ部材の外周領域に設けられ、
前記抵抗素子は前記センサ部材に形成されているとともに前記接合層に覆われていることを特徴とする光センサモジュール。

【請求項2】

前記センサ基板における前記センサ部材の側面は前記パッケージ樹脂に覆われ、
前記波長選択フィルタ部材の側面は部分的に前記パッケージ樹脂に覆われて、前記光の入射面が前記パッケージ樹脂から突出していることを特徴とする請求項１に記載の光センサモジュール。

【請求項3】

前記波長選択フィルタ部材は光学基材に波長選択フィルタ膜を積層してなり、
前記波長選択フィルタ膜が前記受光素子と対向していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光センサモジュール。

【請求項4】

前記センサ部材は前記抵抗素子を覆って形成された絶縁膜及び金属膜を有し、前記金属膜が前記抵抗素子を遮光していることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光センサモジュール。

【請求項5】

前記接合層が前記金属膜であることを特徴とする請求項４に記載の光センサモジュール。

【請求項6】

前記受光素子と前記抵抗素子とは前記センサ部材に平面配置して形成され、前記センサ部材の少なくとも一部が半導体材料からなり、
前記抵抗素子が前記半導体材料によって形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の光センサモジュール。

【請求項7】

前記センサ基板が複数設けられてなり、複数の前記センサ基板における前記波長選択フィルタ部材の透過する波長がそれぞれで異なっていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の光センサモジュール。

【請求項8】

受光した光量に応じて電流を発生させる受光素子と、前記電流を電圧に変換する回路の抵抗素子と、所望の波長の光を透過する波長選択フィルタ部材と、を備えた光センサにおいて、
前記受光素子を形成したセンサ部材と前記波長選択フィルタ部材とが接合されている接合層を備え、前記接合層は、前記受光素子を囲み、前記波長選択フィルタ部材の外周領域に設けられているとともに、
前記センサ部材に前記抵抗素子が配置され、
前記センサ部材は前記抵抗素子を覆って形成された絶縁膜及び金属膜を有し、前記金属膜が前記抵抗素子を遮光していることを特徴とする光センサ。

【請求項9】

前記接合層が前記金属膜であることを特徴とする請求項８に記載の光センサ。

【請求項10】

前記受光素子と前記抵抗素子とは前記センサ部材に平面配置して形成され、前記センサ部材の少なくとも一部が半導体材料からなり、前記受光素子と前記抵抗素子とが前記半導体材料からなることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の光センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光センサモジュール及び光センサに関し、特に、紫外線等の特定波長の受光量を測定する小型パッケージの光センサモジュール及び光センサに関する。

【背景技術】

【0002】

光センサモジュールは、周囲の明るさに応じて照明を調光したり、ディスプレイ画面の輝度を調整したりするための照度センサに応用されている。また、検知範囲内での人体の有無を検知する赤外線センサとして、人体から発する赤外線の波長域を透過する波長フィルタを用いた光センサモジュールが知られている。さらに、近年、紫外線の量を手軽に計測するための紫外線センサが期待されている。紫外線は日焼けだけではなく、皮膚癌や白内障など人体の健康に対してきわめて深刻な影響を及ぼすものであり、紫外線をモニターして、その影響度に応じて対策することが望まれている。そのため、周囲の明るさを計測する可視光の照度センサと同様に、紫外線の波長域の受光量を計測する光センサモジュールを、携帯電話等の携帯機器に搭載することが検討されてきている。

【0003】

従来の光センサモジュールとして、たとえば、特許文献１には、感度特性を人間の眼に近づけた光学フィルタを用いた照度センサが開示されている。照度センサに想定される入射光とは、太陽光と屋内照明の可視光だけであり、人間の感じる明るさの測定に限られていた。特許文献１では、半導体照度センサとして、光学フィルタ上の光入射口に異物が侵入しないように透光性樹脂を充填する構造を用いた。

【0004】

特許文献２には、赤外光を選択的に透過させる平板状の光フィルタと、赤外線検出素子と、を接着する支持体が、検出素子を取り囲むように環状に配置された赤外線センサ装置が開示されている。さらに、平板状の光フィルタの表面だけが露出する絶縁性樹脂で覆うことによって、光フィルタの側方や支持体の隙間等からの入射光を防止でき、従来の缶パッケージに比べて小型軽量の光センサ装置が得られている。さらに、絶縁性樹脂で覆われているので、缶パッケージと同様に、機械的な衝撃に起因する破損を防止し、水分や塵埃の侵入を防止することができる。

【0005】

また、特許文献３に複数方向の照度検知への対応が容易な照度センサモジュールが開示されている。ここでは、光の明るさに応じたフォトダイオードとフォトダイオードの発生した光電流信号を処理するオペアンプとをリードフレーム実装してフォトダイオードの位置を可変自在となるようにしている。オペアンプは黒色の遮光封止樹脂により封止され、フォトダイオードは透明封止樹脂により封止されている。特許文献３のように、受光素子とオペアンプＩＣとを別個にすれば、受光素子には増幅回路を集積化する必要がないので、受光素子を小さく、安く製造することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００７−４８７９５号公報

【特許文献2】特開２００６−１９７４９１号公報

【特許文献3】特開２００２−２５０６５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１に記載された半導体照度センサのように、フォトダイオードと、フォトダイオードの出力電流を増幅する増幅回路とが半導体チップに集積されている場合は、特定波長や受光量の異なる光センサに共通利用できなかった。すなわち、それぞれの仕様に合わせてフォトダイオードと増幅回路とを設計し、多種類の半導体チップを製作する必要があり、多品種少量生産になってしまう問題があった。さらに、小さな光学フィルタを貼着する必要があり、高コストの一因となっていた。

【0008】

一方、特許文献２に記載されたセンサ装置において、センサ出力の増幅回路が搭載されていない場合、出力を所望の電圧に調整するオペアンプＩＣやコンディショナーＩＣを別途設けて、特許文献２のセンサ装置に接続する必要がある。そのためには、特許文献３に記載された照度センサモジュールのように、モジュール基板にセンサ装置とオペアンプＩＣを個別に実装しなければならず、そのような態様で携帯電話等の携帯機器に搭載することは困難であったので、さらなる小型化が必要になった。

【0009】

本発明は上記課題を解決するためのものであり、特に、特定波長や受光量に適合した小型パッケージの光センサモジュール及び光センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、受光した光量に応じて電流を発生させる受光素子と、前記電流を電圧に変換する回路の抵抗素子及び増幅素子と、光の入射面から入射した所望の波長の光を透過する波長選択フィルタ部材と、を備えた光センサモジュールにおいて、前記増幅素子が形成されている回路基板と、前記回路基板を遮光するパッケージ樹脂と、前記受光素子が形成されたセンサ部材と前記波長選択フィルタ部材とが接合されているセンサ基板と、前記回路基板と前記センサ基板とが載置されているとともに前記回路基板と前記受光素子と前記抵抗素子とに接続される配線が設けられている基台と、を有し、前記パッケージ樹脂が、前記波長選択フィルタ部材の前記光の入射面を露出するように前記基台を覆っており、前記センサ部材と前記波長選択フィルタ部材とを接合する接合層を有し、前記接合層が、前記受光素子を囲み、前記波長選択フィルタ部材の外周領域に設けられ、前記抵抗素子は前記センサ部材に形成されているとともに前記接合層に覆われている、ことを特徴とする。

【0011】

抵抗素子は、増幅素子が形成された回路基板に内蔵されず、回路基板とは別に用意されるものである。これにより、専用設計の波長選択フィルタ部材及び抵抗素子と、汎用の回路基板と、を組み合わせることによって、異なる波長や光強度を想定した、多品種の光センサモジュールを容易に実現できる。さらに、回路基板と、受光素子が形成されたセンサ部材に受光素子の受光面にあわせた大きさの波長選択フィルタ部材を接合したセンサ基板と、を基台に載置して、遮光性のパッケージ樹脂で一体に封止しているので、モジュール基板の実装部品を個別に樹脂封止したものに比べて、小型パッケージの光センサモジュールを得ることができる。

【0012】

したがって、特定波長や受光量に適合した小型パッケージの光センサモジュールを実現できる。
また、抵抗素子を別に用意して基台に実装せずに、センサ部材に受光素子とともに配置することができるので、部品点数が削減でき、製造工程を簡略化できる。
さらに、接合層は接着層や金属接合層等であり、受光素子及び抵抗素子が形成されたセンサ部材と波長選択フィルタ部材とを強固に接合することが容易である。さらに、接合層を設けた領域に抵抗素子を配置しておくことによって、より小型にできる。

【0013】

前記センサ基板における前記センサ部材の側面は前記パッケージ樹脂に覆われ、前記波長選択フィルタ部材の側面は部分的に前記パッケージ樹脂に覆われて、前記光の入射面が前記パッケージ樹脂から突出していることが好適である。こうすれば、遮光性のパッケージ樹脂から突出した波長選択フィルタ部材の光の入射面以外は光照射されないように隠すことが容易なので、パッケージ樹脂が光劣化することなく長期信頼性に優れている。

【0014】

さらに、前記波長選択フィルタ部材は光学基材に波長選択フィルタ膜を積層してなり、
前記波長選択フィルタ膜が前記受光素子と対向していることが好ましい。これにより、波長選択フィルタ膜を透過していない光の入射経路が無いので、迷光による測定ノイズを防止できる。

【0017】

前記センサ部材は前記抵抗素子を覆って形成された絶縁膜及び金属膜を有し、前記金属膜が前記抵抗素子を遮光していることが好ましい。こうすれば、抵抗素子として光特性を有する材料が使用できる。ここで、光特性を有する材料とは、抵抗素子として用いた際に光が照射されると抵抗が変化するものをいう。光照射されないように遮光することが確実にできるので、光特性による抵抗変動ノイズが抑制できる。

【0018】

前記接合層が前記金属膜であることが好ましい。金属膜を用いて金属接合層とすることで、光特性による抵抗変動ノイズが抑制できることに加えて、接合を強固にでき、気密性に優れている。

【0019】

前記受光素子と前記抵抗素子とは前記センサ部材に平面配置して形成され、前記センサ部材の少なくとも一部が半導体材料からなり、前記抵抗素子が前記半導体材料によって形成されていることが好適である。センサ部材と波長選択フィルタ部材とは、それぞれウェハレベルの成膜加工技術で製作できる。抵抗素子を半導体材料によってセンサ部材に形成すれば、抵抗素子が形成されたセンサ部材と波長選択フィルタ部材とを、接合層によってウェハレベルで接合することができるとともに、抵抗素子を内蔵したセンサ基板が実現できる。したがって、小型パッケージの光センサモジュールを得ることができる。また、光センサモジュールの部品点数が削減でき、製造工程を簡略化できる。

【0020】

前記センサ基板が複数設けられてなり、複数の前記センサ基板における前記波長選択フィルタ部材の透過する波長がそれぞれで異なっていることが好ましい。計測する光の波長領域と光強度の想定に合わせた受光素子を複数実装して、ひとつの小型パッケージで複数波長を測定する光センサモジュールを実現できるので、携帯機器を大型化しなくても複数波長の光センサ機能が搭載できる。

【0021】

本発明は、受光した光量に応じて電流を発生させる受光素子と、前記電流を電圧に変換する回路の抵抗素子と、所望の波長の光を透過する波長選択フィルタ部材と、を備えた光センサにおいて、前記受光素子を形成したセンサ部材と前記波長選択フィルタ部材とが接合されている接合層を備え、前記接合層は、前記受光素子を囲み、前記波長選択フィルタ部材の外周領域に設けられているとともに、前記センサ部材に前記抵抗素子が配置されている、ことを特徴とする。

【0022】

回路の抵抗素子と波長選択フィルタ部材とは、計測する波長や受光量に合わせて適宜選択できる。これにより、受光素子の想定される電流に応じた抵抗値を有する抵抗素子を接合領域に設けることができるので、特定波長や受光量に適合しやすい光センサを実現できる。

【0023】

前記センサ部材は前記抵抗素子を覆って形成された絶縁膜及び金属膜を有し、前記金属膜が前記抵抗素子を遮光していることが好適である。こうすれば、抵抗素子として光特性を有する材料が使用できる。光特性を有する材料とは、抵抗素子として用いた際に光が照射されると抵抗が変化するものをいう。光照射されないように遮光することが確実にできるので、光特性による抵抗変動ノイズが抑制できる。

【0024】

前記接合層が前記金属膜であることが好ましい。こうすれば、抵抗素子が光特性を有する材料であっても、光照射されないように遮光することが確実にできるので、光照射による抵抗変動ノイズが抑制できる。

【0025】

前記受光素子と前記抵抗素子とは前記センサ部材に平面配置して形成され、前記センサ部材の少なくとも一部が半導体材料からなり、前記受光素子と前記抵抗素子とが前記半導体材料からなることが好適である。これにより、抵抗素子と受光素子とを半導体基板の同一の半導体材料から一括して製作することができるので、量産性に優れた光センサを実現できる。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、抵抗素子と汎用の回路基板とを組み合わせるので、異なる波長や光強度を想定した多品種の光センサモジュールを容易に実現でき、受光素子が形成されたセンサ部材に受光素子の受光面に合わせた大きさの波長選択フィルタ部材を接合したセンサ基板と、回路基板と、を基台に載置して、遮光性のパッケージ樹脂で封止しているので、特定波長や受光量に適合しやすい小型パッケージの光センサモジュールを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】第１の実施形態の光センサモジュールを示す斜視図である。

【図2】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した光センサモジュールの模式断面図である。

【図3】第１の実施形態の光センサモジュールにおけるセンサ基板を示す模式断面図である。

【図4】第１の実施形態の光センサモジュールにおける電流電圧変換回路の一例を示す図である。

【図5】第２の実施形態の光センサモジュールにおけるセンサ基板を示す模式断面図である。

【図6】第３の実施形態の光センサモジュールにおけるセンサ基板を示す模式断面図である。

【図7】第４の実施形態の光センサモジュールを示す模式断面図である。

【図8】第５の実施形態の光センサモジュールを示す斜視図である。

【図9】第５の実施形態の光センサモジュールにおける第２のセンサ基板を示す模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、分かりやすいように、図面は寸法を適宜変更している。

【0029】

＜第１の実施形態＞
図１は本実施形態の光センサモジュール１を示す斜視図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した模式断面図である。また、図３は本実施形態のセンサ基板１０を示す模式断面図である。

【0030】

図１及び図２に示すように、本実施形態の光センサモジュール１は、遮光性のパッケージ樹脂７５から光の入射面４０ａが露出している構造である。センサ基板１０と回路基板６０とが基台７０に接着樹脂７３で配置され、パッケージ樹脂７５で封止されている。回路基板６０に内蔵されている半導体集積回路は、光が照射されると漏れ電流が増加して、その結果、たとえば電圧降下による誤動作を生じてしまう。基台７０及びパッケージ樹脂７５は遮光性であり、回路基板６０が光照射によって誤動作することを防止している。センサ基板１０は光の入射面４０ａが露出するようにパッケージ樹脂７５に覆われ、光の入射面４０ａを透過した光だけが受光素子２１に到達することができる。受光素子２１はセンサ部材２０の一部の領域に設けられていて、ここでは模式的に表わされている。受光素子２１は、たとえば、受光量に応じて光電流を発生するフォトダイオードである。

【0031】

図３に示すように、センサ基板１０は、光学基材４１と波長選択フィルタ膜４２とからなる波長選択フィルタ部材４０と、受光素子２１が形成されたセンサ部材２０と、センサ部材２０に形成された抵抗素子６５と、接合層２６と、を有している。接合層２６は、センサ部材２０に形成された受光素子２１を囲み、波長選択フィルタ部材４０の外周領域に設けられ、波長選択フィルタ部材４０とセンサ部材２０とを接合している。受光素子２１の受光面２１ａは波長選択フィルタ膜４２と対向し、接合層２６に周囲を環状に囲まれている。

【0032】

接合層２６が形成されている接合領域の一部に、抵抗素子６５が設けられている。受光素子２１及び抵抗素子６５は、それぞれ、センサ部材２０に形成された絶縁層及び配線層（図示しない）を介して複数のパッド２２に接続されている。図２に示すように、基台７０に配線７１が設けられていて、パッド２２にボンディングワイヤ７４を介して接続され、回路基板６０や外部に電気接続されている。センサ部材２０の側面及び接合層２６の側面は遮光性のパッケージ樹脂７５に覆われている。

【0033】

図１及び図２に示すように、波長選択フィルタ部材４０の光の入射面４０ａは遮光性のパッケージ樹脂７５から突出している。光学基材４１は石英ガラス等であり、光の入射面４０ａから入射した光は光学基材４１を透過して波長選択フィルタ膜４２によって、測定したい波長のみが受光素子２１に到達するように波長選択される。たとえば、波長３１５ｎｍ〜４００ｎｍの紫外線であるＵＶ−Ａや波長２８０ｎｍ〜３１５ｎｍの紫外線であるＵＶ−Ｂだけを測定したい場合、可視光や赤外線をカットするとともに、所望の波長域だけを透過する波長選択フィルタ膜４２が形成されている。屋外での太陽光が光源である場合、可視光全域の照射光量に比べて、ＵＶ−ＡやＵＶ−Ｂの紫外線量はきわめて少ないので、受光するフォトダイオード構造や受光面積の最適設計だけでは、微弱な光電流しか得ることができない。とくに、ＵＶ−ＢはＵＶ−Ａより人体の健康への影響度が大きいが、その受光量も少なく、得られる光電流は僅かである。

【0034】

図４は実施形態の光センサモジュール１における電流電圧変換回路の一例を示す図である。図４に示すように、受光素子２１は受光した光によって光電流を発生し、光電流が抵抗素子６５に流れ、抵抗素子６５の両端に電圧（電位差）を生じる。こうすれば、受光素子２１の光電流が電圧に変換できるので、増幅素子６１の集積回路であるオペアンプＩＣによって電圧を増幅して、微弱な光電流を実用的な電圧（センサ出力）にすることができる。所望の波長または測定する対象の光強度によって、光電流は数桁の範囲で変化するので、１種類のオペアンプＩＣやコンディショナーＩＣを共通利用することが困難で、従来は、それぞれの光センサに対する専用のＩＣとする場合が多かった。なお、増幅素子６１等の半導体集積回路であるオペアンプＩＣやコンディショナーＩＣは、光照射による漏れ電流を防止するために、ベアチップをセラミックパッケージや遮光性樹脂で遮光しておく必要がある。

【0035】

本実施形態では、図４の増幅素子６１を回路基板６０に内蔵された半導体集積回路で形成している。一方、抵抗素子６５は、増幅素子６１が形成された回路基板６０に内蔵されず、回路基板６０とは別に用意されるものである。図２に示すように、抵抗素子６５と回路基板６０との電気的接続は、パッド２２、配線７１及びボンディングワイヤ７４を介してなされる。

【0036】

抵抗素子６５を想定する光電流の範囲に対して最適化しておくことで、回路基板６０を共通にすることができる。すなわち、想定される光電流が大きい場合には低抵抗の、想定される光電流が小さい場合には高抵抗の抵抗素子６５を形成する。このとき、光電流Ｉと抵抗素子６５の抵抗値Ｒとの関係Ｉ×Ｒ＝Ｖが同程度になるように抵抗素子６５を選んでおく。より具体的には、光電流Ｉ＝１μＡを想定したＵＶ−Ｂ紫外線センサでは抵抗素子６５の抵抗値Ｒ＝１０kΩとして、Ｖ＝１０ｍＶが増幅素子６１の入力電圧になるようにした。本実施形態では、１種類のオペアンプＩＣやコンディショナーＩＣを回路基板６０として利用して、多品種の光センサモジュール１を実現することができる。さらに、遮光性のパッケージ樹脂７５で覆われているので、回路基板６０に形成されている増幅素子６１等の半導体集積回路が光照射による漏れ電流を生じない。したがって、電圧降下による誤動作等を生じない。

【0037】

また、受光素子２１の想定される電流に応じた抵抗値を有する抵抗素子６５を接合領域に設けることができるので、特定波長や受光量に適合しやすい光センサを実現できる。

【0038】

図２及び図３に示す抵抗素子６５はＴａＮやＴａ−ＳｉＯ_２をスパッタによって成膜し、成膜領域以外をレジストで覆っておくリフトオフ法によってパターン形成した。材料の比抵抗と膜厚に応じて、抵抗長と幅を最適化して抵抗値を調整することが可能である。

【0039】

抵抗素子６５は、図４の負荷抵抗Ｒとして光電流を電圧に変換する機能として作用する。また、電圧変換機能の抵抗素子６５以外にも、同様にして、他の回路機能の抵抗を形成できる。たとえば、図４のように、電源電圧の中間電位を設定する分割抵抗６９を用いる回路では、分割抵抗６９を抵抗素子６５と同時に形成してもよい。

【0040】

図２に示す光センサモジュール１では、波長選択フィルタ部材４０の異なるセンサ基板１０を実装すれば、異なる波長の光センサを提供することができる。波長選択フィルタ部材４０以外を共通にすれば、多品種少量生産であっても製造工程のほとんどが共通化できるので、効率的である。また、抵抗素子６５を想定される光電流の大きさに合わせて変更したり、受光素子２１の光感度を変更してもよい。この場合でも、回路基板６０と基台７０等とを共通にして実装工程及びパッケージ工程が共通化できれば、従来別々だったものに比べて十分に効果を奏する。

【0041】

本実施形態の光センサモジュール１は、以下のようにして製造することができる。

【0042】

波長選択フィルタ部材４０は、厚さ０．３ｍｍの石英ガラス製の光学基材４１に波長選択フィルタ膜４２を真空蒸着による成膜加工技術によって形成して製作した。波長選択フィルタ膜４２は、たとえばＳｉＯ_２膜とＴａ_２Ｏ_５膜とを１０層ずつ、それぞれ所定の厚さで形成した干渉フィルタであって、それぞれの厚さを変えることによって、所望の透過波長域に調整された。また、接合のためのアライメントマークと個片化のための仮溝とを、成膜加工技術と実装技術によって、形成しておいた。

【0043】

一方、半導体プロセス技術によって、シリコンを基材とするセンサ部材２０に受光素子２１及びパッド２２とそれらを絶縁及び接続する絶縁層及び配線層（図示しない）を形成した。また、受光素子２１と少し離れた平面位置にスパッタとリフトオフ法で抵抗素子６５を形成した。

【0044】

受光素子２１とパッド２２とが設けられたセンサ部材２０の平面サイズは約０．５ｍｍ×０．７ｍｍ、高さは約０．３ｍｍである。受光素子２１は半導体材料のＰＮ接合を用いたフォトダイオードである。受光素子２１は、ＰＮ接合層が表面からの深さ２μｍに、受光面２１ａの平面サイズが約０．１５ｍｍ×０．１５ｍｍに形成された。

【0045】

こうして得られたセンサ部材２０に抵抗素子６５を形成し、受光素子２１を環状に取り囲むとともに抵抗素子６５を覆う接合層２６として接着材を塗布して、センサ部材２０と波長選択フィルタ部材４０とを接着接合した。これらは直径５０ｍｍ〜２００ｍｍの、いわゆるウェハ状態で一括しておこなうことができ、こうすれば１枚のウェハに多数のセンサ基板１０を形成することができる。波長選択フィルタ部材４０を個片の大きさに切断するダイシング工程をおこなった後、センサ部材２０を個片化するダイシング工程をおこなうことによって、パッド２２が露出したセンサ基板１０を得た。裏面から光の入射面４０ａまでの高さは約０．６ｍｍである。なお、ウェハ状態のときに裏面を削って、より薄くしておいてもよい。

【0046】

一方、基台７０として、エポキシ樹脂に金属配線が形成されたプリント配線板（ＰＷＢ）を用いた。非透光性の両面配線基板または多層配線基板で、層間を接続するスルーホール等によって、表面側の配線７１と裏面側の配線７１（電極７２）とが接続されている。

【0047】

プリント配線板の基台７０に回路基板６０及びセンサ基板１０をそれぞれ接着樹脂７３によって固定した。回路基板６０のパッド６２及びセンサ基板１０のパッド２２を、基台７０の配線７１とボンディングワイヤ７４によって接続した後、回路基板６０とセンサ基板１０とを覆うように、黒色エポキシ樹脂からなるパッケージ樹脂７５を形成した。このとき、光の入射面４０ａをパッケージ樹脂７５から露出させるため、パッケージ樹脂７５を充填するための金型に、波長選択フィルタ部材４０の光の入射面４０ａを当接させた。こうして、光の入射面４０ａが遮光性のパッケージ樹脂７５から突出した光センサモジュール１を得た。このパッケージ工程においても、複数の光センサモジュール１を一括形成しておいてから、ダイシングで個片化してもよい。

【0048】

なお、基台７０として、プリント配線板（ＰＷＢ）の替わりに、低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）やリードフレームを用いてもよい。金属製のリードフレームを用いる場合は、リードを裏面から突出してもよいし、側面から突出してもよい。

【0049】

また、プリント配線板の基台７０に回路基板６０及びセンサ基板１０を配置する以外に、プリント配線板の基台７０に回路基板６０を接着固定して、この回路基板６０にセンサ基板１０を接着固定してもよい。こうすれば、全体の高さは増加するが、平面配置する場合に比べて小型化できる。

【0050】

波長選択フィルタ部材４０は、接合領域を含む平面サイズが約０．５ｍｍ×０．５ｍｍである。光学基材４１として、紫外線センサの場合は紫外線の吸収損失の少ない石英ガラスが好ましい。また紫外線の照射による光劣化がほとんどないので、透明樹脂に比べて耐久性に優れている。

【0051】

なお、本実施形態の材料に限らず、たとえば長波長の赤外線センサの場合は石英ガラスの替わりにシリコンウェハを用いてもよい。赤外線の透過率は波長によって、石英ガラスよりもシリコンウェハのほうが優れているので、損失を少なくすることができる。

【0052】

さらに、波長選択フィルタ部材４０は光学基材４１に波長選択フィルタ膜４２を積層してなり、波長選択フィルタ膜４２がセンサ部材２０と対向していることが好ましい。これにより、波長選択フィルタ膜４２を透過していない光の入射経路が無いので、迷光による測定ノイズを防止できる。

【0053】

波長選択フィルタ膜４２は光学基材４１の両面に形成されていてもよい。あるいは、波長選択フィルタ膜４２が紫外線または赤外線を透過する波長フィルタであって、光の入射面４０ａに可視光を遮光する波長フィルタを補助的に形成しておいてもよい。このほうが迷光をより確実に抑制できる。

【0054】

センサ部材２０は半導体プロセス技術で加工したシリコンウェハである。センサ部材２０として、紫外線センサの場合はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることが好ましい。ＳＯＩ基板の活性層を紫外線の吸収膜厚程度、たとえば４μｍ、にすると、高感度の紫外線センサを得ることができる。

【0055】

センサ部材２０として、ガラス基板やセラミック基板等の絶縁性基板に半導体材料を成膜してもよい。半導体材料にはアモルファスシリコン膜やＺｎＯ膜、ＧａＮ膜等を用いることができる。なお、受光素子２１は、光電流を発生させる素子（フォトダイオード、太陽電池、等）のほか、抵抗変化型の素子であってもよい。抵抗変化型の素子を用いた回路では、バイアス電圧を印加して抵抗変化型の素子に電流を流し、光照射時の電流の変化を抵抗素子６５によって電圧変換すればよい。さらに、抵抗変化型の素子と抵抗素子６５とを、それぞれ２個ずつ用いたブリッジ回路として、ブリッジ抵抗の中間電位が光照射時に変化するように構成すれば、より高精度に電圧変換できる。

【0056】

電流電圧変換回路は図４のオペアンプを用いた計装アンプ回路方式に限らず、抵抗値の変更で電圧を調整できる方式であればよい。また、出力をデジタル信号に変換する回路を付加してもよい。デジタル出力回路であれば、携帯機器の制御回路での信号処理が容易になる。

【0057】

パッケージ材料として遮光性の樹脂を用いることは、光特性を有する半導体集積回路の封止パッケージとして一般的である。しかしながら、樹脂材料は紫外線等の光で劣化が進行することが知られている。従来の光センサでは、透明樹脂を用いて受光面を覆うように封止する場合があったが、光で劣化しやすい樹脂材料が光に曝される使用方法は必ずしも好ましいものではなかった。とくに、屋外で使用する光センサは、たとえば赤外線センサであっても可視光や紫外線にも曝されるので、光で劣化しやすい樹脂材料を受光面に使用すべきでない。

【0058】

本実施形態では、光の入射面４０ａに光が入射すればよいので、遮光性のパッケージ樹脂７５を携帯機器等の筐体内部に隠せば、直接光に曝される材料は波長選択フィルタ部材４０だけである。したがって、パッケージ樹脂７５が紫外線で光劣化する心配がなく、長期信頼性に優れていて、とくに紫外線センサに好適である。また、波長選択フィルタ膜４２を透過していない光の入射経路が無いので、迷光による測定ノイズを防止できる。

【0059】

なお、光の入射面４０ａが遮光性のパッケージ樹脂７５から露出していれば、パッケージ樹脂７５表面に対して平坦または凹部になっていてもよい。しかし、波長選択フィルタ部材４０の側面は部分的にパッケージ樹脂７５に覆われて、光の入射面４０ａが遮光性のパッケージ樹脂７５から突出しているほうが、光の入射面４０ａ以外を携帯機器の筐体の内部に隠すことが容易である。さらに突出した光の入射面４０ａが凸レンズや回折レンズ等の光学形状に加工されていてもよい。こうすれば、受光角度や受光方向等の光学特性を補正できる。

【0060】

回路の抵抗素子６５と波長選択フィルタ部材４０とは、計測する波長や受光量に合わせて適宜選択できる。抵抗素子６５は、増幅素子６１が形成された回路基板６０に内蔵されるのでなく、回路基板６０とは別に用意されるものである。これにより、専用設計の波長選択フィルタ部材４０及び抵抗素子６５と、汎用の回路基板６０と、を組み合わせることによって、異なる波長や光強度を想定した、多品種の光センサモジュール１を容易に実現できる。

【0061】

本実施形態において、抵抗素子６５はセンサ部材２０に形成されている。抵抗素子６５をセンサ部材２０に受光素子２１とともに配置することができるので、光センサモジュール１の部品点数が削減でき、製造工程を簡略化できる。

【0062】

さらに、回路基板６０と、受光素子２１の受光面にあわせた大きさの波長選択フィルタ部材４０を接合したセンサ基板１０と、を基台７０に載置して遮光性のパッケージ樹脂７５で一体に封止するので、モジュール基板の実装部品を個別に樹脂封止したものに比べて、小型パッケージの光センサモジュール１を得ることができる。したがって、特定波長や受光量に適合した小型パッケージの光センサモジュール１を実現できる。

【0063】

＜第２の実施形態＞
図５は、第２の実施形態の光センサモジュール１におけるセンサ基板１１を示す模式断面図である。抵抗素子６６を覆うように、受光素子２１を取り囲む接合領域に絶縁膜２９が形成され、絶縁膜２９に金属膜２８が積層して形成された。絶縁膜２９の材料はＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、金属膜２８はＡｌ、Ｔａ、Ｃｒの中から選ぶことができる。光の入射面４０ａから見て、入射した光が抵抗素子６６に照射されないように、金属膜２８が抵抗素子６６を覆っている。抵抗素子６６と金属膜２８とは絶縁膜２９で絶縁されている。金属膜２８と絶縁膜２９とを覆うように、接合層２６として接着材を塗布している。これ以外の構成は、第１の実施形態と同様であり、同じ符号を用いている。

【0064】

こうすれば、抵抗素子６６として光特性を有する材料が使用できる。光特性を有する材料とは、抵抗素子６６として用いた際に光が照射されると抵抗が変化するものをいう。たとえば、抵抗素子６６を受光素子２１のフォトダイオードを製造する半導体プロセス技術で同時に形成することができる。フォトダイオードを構成する半導体材料で抵抗素子６６を形成する場合、光照射で抵抗値変動する問題を生じる。本実施形態では、抵抗素子６６が光特性を有する材料であっても、光照射されないように、金属膜２８で遮光することが確実にできるので、光特性による抵抗変動ノイズが抑制できる。

【0065】

受光素子２１と抵抗素子６６とは、センサ部材２０に平面配置されて形成されている。抵抗素子６６を半導体材料によってセンサ部材２０に形成すれば、抵抗素子６６が形成されたセンサ部材２０と波長選択フィルタ部材４０とを、接合層２６によってウェハレベルで接合することができるとともに、抵抗素子６６を内蔵したセンサ基板１１が実現できる。したがって、小型パッケージの光センサモジュール１を得ることができる。

【0066】

抵抗素子６６の平面寸法に対して、金属膜２８は一回り大きく形成することで、確実に遮光することができる。たとえば、絶縁膜２９の厚さ０．８μｍで、抵抗素子６６の平面サイズが７６μｍ×３μｍに対して、金属膜２８のサイズを１２０μｍ×４０μｍとした。なお、接合領域を金属膜２８が覆っていてもよい。その場合は、接合層２６として接着材を塗布して、金属膜２８と波長選択フィルタ膜４２とが接着されている。

【0067】

抵抗素子６６はフォトダイオードを製造する半導体プロセス技術で同時に形成することができる。また、スパッタやプラズマＣＶＤ等の、成膜加工技術で形成してもよい。

【0068】

金属膜２８はＡｌやＣｒを用いることができる。スパッタや真空蒸着等の、成膜加工技術で形成すればよい。遮光を確実にするために、たとえば、Ｃｒを用いた場合に０．２μｍ以上の厚さで形成することが好ましい。また、金属膜２８をたとえば共通電位になるように電気接続しておくことが好ましい。

【0069】

＜第３の実施形態＞
図６は、第３の実施形態の光センサモジュール１におけるセンサ基板１２を示す模式断面図である。第２の実施形態と同様に、抵抗素子６６を覆うように、受光素子２１を取り囲む接合領域に絶縁膜２９が形成された。本実施形態では、接合領域を金属膜２８が覆っていて、金属膜２８が接合層２６を兼ねている。これ以外の構成は、第１の実施形態と同様であり、同じ符号を用いている。

【0070】

金属膜２８が接合層２６を兼ねるようにするには、絶縁膜２９に第１の金属膜を積層して形成する一方、波長選択フィルタ膜４２の接合領域にも第２の金属膜を形成しておく。第１の金属膜と第２の金属膜とを接合した金属接合によって、接合層２６を形成することができる。

【0071】

金属接合は、アルミニウムとゲルマニウム、アルミニウムと亜鉛、アルミニウムとマグネシウム、金と金、金とシリコン、金とインジウム、金とゲルマニウム、金と錫、の組み合わせの中から選ぶことができる。第１の金属膜と第２の金属膜とは、スパッタや真空蒸着等の、成膜加工技術で形成すればよい。

【0072】

こうすれば、抵抗素子６６が光特性を有する材料であっても、光照射されないように遮光することが確実にできるので、光特性による抵抗変動ノイズが抑制できる。さらに、接合層２６が金属接合であるので、接合を強固にでき、気密性に優れている。したがって、高湿度の環境等で長期間使用しても、受光素子２１が劣化しないように保護することができる。

【0073】

＜第４の実施形態＞
図７は、第４の実施形態の光センサモジュール２を示す模式断面図である。第１の実施形態〜第３の実施形態とは異なり、抵抗素子６７が基台７０に実装されている。それに伴って、配線７１やセンサ基板１３のパッド２２及びボンディングワイヤ７４はパターン変更されるが、これ以外の構成は第１の実施形態〜第３の実施形態と同様であり、同じ材料には同じ符号を用いている。

【0074】

センサ基板１３は、波長選択フィルタ部材４０を接合する面全体に亘って、接着剤を塗布して接合層２６とすることができる。こうすれば、接合層２６の形成が単純であり、波長選択フィルタ部材４０を介しているので接着剤の光劣化はほとんど心配しなくてよい。なお、センサ基板１３の受光素子２１に保護膜を設けておくことが好ましい。あるいは、センサ基板１３は、他の実施形態で詳述しているように、受光素子２１を取り囲む接合領域を覆う接着剤が塗布されて接合層２６とすることもできる。また、受光素子２１を取り囲む接合領域に、絶縁膜と第１の金属膜を積層して、波長選択フィルタ膜４２の接合領域にも第２の金属膜を形成して、第１の金属膜と第２の金属膜との金属接合によって、接合層２６を形成してもよい。とくに、接合層２６の光吸収によって受光素子２１の受光量が減少する場合は、受光素子２１を取り囲む接合領域に接合層２６を形成することが好ましい。こうすれば、光センサとしての感度が優れている。

【0075】

本実施形態において、部品点数が増加してしまうが、基台７０に実装する抵抗素子６７は、チップ抵抗と呼ばれる小型の量産品を使用することができるので、抵抗としての性能に優れている。また、リフロー等の一般的な実装方法によって、チップ抵抗を配線７１に電気接続することができる。あるいは、実装する替わりに、前述したような成膜加工技術で、抵抗素子６７を基台７０に直接形成してもよい。この場合、実装工程の部品点数は増加しない。

【0076】

図７に示す光センサモジュール２では、波長選択フィルタ部材４０の異なるセンサ基板１３を実装すれば、異なる波長の光センサを提供することができる。波長選択フィルタ部材４０以外を共通にすれば、多品種少量生産であっても製造工程のほとんどが共通化できるので、効率的である。また、想定される光電流の大きさに合わせて抵抗素子６７の抵抗値を変更したり、受光素子２１の光感度を変更してもよい。この場合でも、回路基板６０と基台７０等とを共通にして実装工程及びパッケージ工程が共通化できれば、従来別々だったものに比べて十分に効果を奏する。

【0077】

本実施形態においても、光の入射面４０ａに光が入射すればよいので、遮光性のパッケージ樹脂７５を携帯機器等の筐体内部に隠せば、直接光に曝される材料は波長選択フィルタ部材４０の光学基材４１だけである。したがって、パッケージ樹脂７５が紫外線で光劣化する心配がなく、長期信頼性に優れている。また、波長選択フィルタ膜４２を透過していない光の入射経路が無いので、迷光による測定ノイズを防止できる。

【0078】

なお、光の入射面４０ａが遮光性のパッケージ樹脂７５から露出していれば、平坦または凹部になっていても光の入射が妨げられなければよい。しかし、光の入射面４０ａが遮光性のパッケージ樹脂７５から突出しているほうが、光の入射面４０ａ以外を携帯機器の筐体の内部に隠すことが容易である。

【0079】

回路の抵抗素子６７と波長選択フィルタ部材４０とは、計測する波長や受光量に合わせて適宜選択できる。抵抗素子６７は、増幅素子６１が形成された回路基板６０に集積されるのでなく、単体で用意されるものである。これにより、受光素子２１やパッケージ材料をできるだけ共通化し、専用設計の波長選択フィルタ部材４０及び抵抗素子６７と、汎用の回路基板６０と、を組み合わせることによって、異なる波長や光強度を想定した、多品種の光センサモジュール２を容易に実現できる。

【0080】

さらに、回路基板６０と、受光素子２１の受光面２１ａにあわせた大きさの波長選択フィルタ部材４０を接合したセンサ基板１３と、を基台７０に載置して遮光性のパッケージ樹脂７５で封止するので、小型パッケージの光センサモジュール２を得ることができる。したがって、特定波長や受光量に適合した小型パッケージの光センサモジュール２を実現できる。

【0081】

＜第５の実施形態＞
図８は、第５の実施形態の光センサモジュール３を示す斜視図である。第１の実施形態と異なり、第２の光の入射面５０ａを有し、図示されていない第２のセンサ基板１４が第２の光の入射面５０ａを露出するようにパッケージ樹脂７５に覆われている。

【0082】

図９は、第５の実施形態の光センサモジュール３における第２のセンサ基板１４を示す模式断面図である。第１のセンサ基板は、たとえば、第１の実施形態で詳述したセンサ基板１０である。第１のセンサ基板１０と第２のセンサ基板１４とは、波長選択フィルタ部材４０、５０のそれぞれの透過する波長に違いがある。これにより、ひとつの小型パッケージで複数波長を測定する光センサモジュール３を実現できる

【0083】

たとえば、紫外線センサとしてＵＶ−ＡとＵＶ−Ｂのそれぞれの強度を測定する複数波長対応の光センサモジュールを実現できる。この場合、ＵＶ−Ａを透過する波長選択フィルタ膜４２を形成した光学基材４１が第１のセンサ基板１０を構成し、ＵＶ−Ｂを透過する波長選択フィルタ膜５２を形成した光学基材５１が第２のセンサ基板１４を構成する。ＵＶ−Ａに対してＵＶ−Ｂの光電流が２５対１程度の強度比で得られるので、抵抗素子６５と抵抗素子６８との抵抗値を逆の比率１対２５にすれば、同じ回路基板６０を用いて同じくらいの大きさの電圧に補正された出力を得ることができる。

【0084】

回路基板６０として２個をひとつのパッケージ内に搭載してもよいが、１個の増幅回路に入力端子の切り替え回路を有する回路基板、複数の増幅回路が並列配置されている回路基板、等のように、１個の回路基板６０だけを搭載することが好ましい。

【0085】

第１のセンサ基板１０と第２のセンサ基板１４とは、それぞれの特定波長や受光量に最適な構成にすることができる。たとえば、第１のセンサ基板１０として、石英ガラスの光学基材４１に紫外線の波長を透過する波長選択フィルタ膜４２を形成した波長選択フィルタ部材４０と、ＳＯＩ基板に抵抗素子６５と受光素子２１としてのフォトダイオードとを形成したセンサ部材２０とを、接着材による接合層２６で接合した紫外線センサとすることができる。一方、第２のセンサ基板１４として、通常の光学ガラスの光学基材５１に可視光の波長を透過する波長選択フィルタ膜５２を形成した波長選択フィルタ部材５０と、シリコン基板に抵抗素子６８と受光素子２１としてのフォトダイオードとを形成したセンサ部材３０とを、金属接合による接合層２６で接合した赤外線センサとすることができる。このように、第１のセンサ基板１０と第２のセンサ基板１４とが異なる材料で構成されている場合でも、光センサモジュール３を小型化することができる。同様にして、３個以上の複数波長対応の光センサモジュールを小型化することができる。

【符号の説明】

【0086】

１、２、３ 光センサモジュール
１０、１１、１２、１３、１４ センサ基板
２０、３０ センサ部材
２１、３１ 受光素子
２１ａ、３１ａ 受光面
２２、３２、６２ パッド
２６、３６ 接合層
２７、３７ 接着層
２８、３８ 金属膜
２９、３９ 絶縁膜
４０、５０ 波長選択フィルタ部材
４０ａ、５０ａ 光の入射面
４１、５１ 光学基材
４２、５２ 波長選択フィルタ膜
６０ 回路基板
６１ 増幅素子
６５、６６、６７、６８ 抵抗素子
６９ 分割抵抗
７０ 基台
７１ 配線
７２ 電極
７３ 接着樹脂
７４ ボンディングワイヤ
７５ パッケージ樹脂

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】