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JP4708214B2 - 光送受信デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、血流量等を測定するための血流センサとして主に使用される光送受信デバイスに関する。
従来の光送受信デバイスとして、発光素子及び受光素子のそれぞれが配置される凹部が表面に形成された半導体基板と、半導体基板の表面に配置され、遮光膜が形成されたカバー基板とを備える血流計が知られている（例えば、特許文献１参照）。この血流計においては、発光素子の一方の端子電極が、凹部の内面に形成された電極とワイヤを介して電気的に接続されている。
特開２００４−２２９９２０号公報
しかしながら、上述したような光送受信デバイスには、次のような問題が存在する。すなわち、発光素子の一方の端子電極が、凹部の内面に形成された電極とワイヤを介して電気的に接続されることから、ワイヤを収納するための空間を凹部に設けることが必要となり、その空間の分だけ凹部が大型化する。そのため、半導体基板を小型化することが妨げられ、ひいては、光送受信デバイスを小型化することが妨げられてしまう。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型化が可能となる光送受信デバイスを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る光送受信デバイスは、前方に光を発光するための発光素子と、前方から照射された光を受光するための受光素子と、発光素子が配置される第１の凹部、及び受光素子が配置される第２の凹部が前面に形成された基体と、基体の前面側に配置され、発光素子により発光される光が通過する第１の光通過孔、及び受光素子により受光される光が通過する第２の光通過孔が形成された遮光部材と、遮光部材の前面側に配置され、発光素子により発光される光、及び受光素子により受光される光が透過する光透過部材とを備え、発光素子の端子電極及び受光素子の端子電極の少なくとも１つは、ワイヤを介して、基体の前面に形成された配線と電気的に接続されており、遮光部材には、ワイヤを収納するワイヤ収納部が形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る光送受信デバイスは、前方に光を発光するための発光素子と、前方から照射された光を受光するための受光素子と、発光素子及び受光素子が配置される凹部が前面に形成された基体と、基体の前面側に配置され、発光素子により発光される光が通過する第１の光通過孔、及び受光素子により受光される光が通過する第２の光通過孔が形成された遮光部材と、遮光部材の前面側に配置され、発光素子により発光される光、及び受光素子により受光される光が透過する光透過部材とを備え、発光素子の端子電極及び受光素子の端子電極の少なくとも１つは、ワイヤを介して、基体の前面に形成された配線と電気的に接続されており、遮光部材には、ワイヤを収納するワイヤ収納部が形成されていることを特徴とする。
これらの光送受信デバイスにおいては、発光素子の端子電極及び受光素子の端子電極の少なくとも１つは、ワイヤを介して、基体の前面に形成された配線と電気的に接続されており、基体の前面側に配置された遮光部材には、ワイヤを収納するワイヤ収納部が形成されている。これにより、ワイヤを収納する空間を凹部に設けることが不要となるため、凹部を小型化することが可能となる。従って、基体を小型化し、ひいては、光送受信デバイスを小型化することが可能となる。
本発明に係る光送受信デバイスにおいては、発光素子の端子電極の少なくとも１つと電気的に接続されたワイヤを収納するワイヤ収納部は、凹部又は貫通孔であることが好ましい。この場合には、ワイヤ収納部を簡便に形成することができる。
本発明に係る光送受信デバイスにおいては、発光素子の端子電極の少なくとも１つと電気的に接続されたワイヤを収納するワイヤ収納部は貫通孔であり、貫通孔と第１の光通過孔とは連続して形成されていることが好ましい。この場合には、ワイヤ収納部をより一層簡便に形成することができる。
本発明に係る光送受信デバイスにおいては、受光素子の端子電極の少なくとも１つと電気的に接続されたワイヤを収納するワイヤ収納部は、凹部であることが好ましい。この場合には、ワイヤ収納部を簡便に形成することができると共に、前方から照射された光がワイヤ収納部を介して受光素子により受光されるのを防止することができる。
本発明によれば、光送受信デバイスの小型化が可能となる。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
図１及び図２に示されるように、第１実施形態に係る光送受信デバイス１は、例えば、プラスチック材料により、前方に開口する直方体カップ状に形成された外囲器２を備えている。外囲器２内には、前方に光を出射するＬＤ（発光素子）９と、前方から照射された光を受光するＰＤ（受光素子）１２を内蔵する本体部４が配置されており、外囲器２内における本体部４の周囲には、例えば絶縁コートされたカーボンフィラーを含有するシリコーン樹脂からなる遮光性樹脂３が充填されている。この光送受信デバイス１は、例えば生体組織に光を照射することにより散乱した散乱光を利用して、生体組織における血流を検出したり、血流量、血流速度、脈拍等を測定する血流センサとして用いられるものである。
図２及び図３に示されるように、本体部４は、外囲器２内の底面側に基体５を有している。この基体５は、例えば、半導体材料であるシリコンにより、幅２．８ｍｍ、長さ６．０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの長方形板状に形成され、基体５の前面５ａには、凹状の第１のキャビティ（第１の凹部）７及び第２のキャビティ（第２の凹部）８が形成されている。第１のキャビティ７内にはＬＤ９が配置されており、後述するＬＤアノード１０及びＬＤカソード１１と電気的に接続されている。また、第２のキャビティ８内にはＰＤ１２が配置されており、後述するＰＤアノード１３及びＰＤカソード１４と電気的に接続されている。
なお、キャビティ７，８は、例えば、基体５となるシリコン基板にウエットエッチングを施すことにより形成される。具体的には、キャビティ７，８は、基体５となるシリコン基板の表面に、キャビティ７，８の形状を画定するためのＳｉＮ等からなるマスクを設け、このマスクの開口にエッチャントを作用させることで形成される。エッチング後には、ＳｉＮマスクを除去した後、熱酸化により少なくともキャビティ表面と基板表面とに、１．５μｍの厚みの例えばＳｉＯ２からなる絶縁膜４０を形成する。
ＬＤ９は、例えば、化合物半導体材料からなる厚さ０．２ｍｍのＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）を用いたものであり、波長８５０ｎｍの光を出射する。このＬＤ９においては、前端面にＬＤ端子電極１５が設けられており、後端面にＬＤ端子電極１６が設けられている。また、ＰＤ１２は、例えば、半導体材料からなる厚さ０．３ｍｍのＳｉ−ＰＤやＧａＡｓ−ＰＤを用いたものである。このＰＤ１２においては、前端面にＰＤ端子電極１７及びＰＤ端子電極１８が設けられている。
なお、ＰＤ１２の材料は、ＬＤ９が出射する光の波長に応じて選択される。例えば、ＬＤ９が出射する光の波長が７８０ｎｍの場合には、ＰＤ１２の材料としてＳｉやＧａＡｓが用いられ、ＬＤ９が出射する光の波長が１．３１μｍの場合には、ＰＤ１２の材料としてＩｎＧａＡｓが用いられる。
基体５の前面５ａ及びキャビティ７，８の内面の絶縁膜４０上には、例えば、Ａｌ、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕの積層膜、又はＣｒ−Ｐｔ−Ａｕの積層膜により、所定のパターンをもって基体配線部（配線）１９が形成されている。この基体配線部１９は、第１のキャビティ７側に、ＬＤアノード１０及びＬＤカソード１１を有しており、第２のキャビティ８側に、ＰＤアノード１３及びＰＤカソード１４を有している。これらのＬＤアノード１０、ＬＤカソード１１、ＰＤアノード１３、及びＰＤカソード１４は、図１及び図２に示されるように、ワイヤ２４を介して、外囲器２の底部における四隅に、その前面から後面に電極を引き出すようにして形成された引出電極２６と電気的に接続されている。そして、第１のキャビティ７の底面の絶縁膜４０上に形成された基体配線部１９には、例えば半田や導電性樹脂等を介して、ＬＤ９のＬＤ端子電極１６が電気的に接続されている。
図２及び図３に戻り、基体５の前面５ａにおける絶縁膜４０上には、例えばＳｉＯ２からなる絶縁膜４１でコートされたシリコン基板により厚さ０．１５ｍｍ〜０．３０ｍｍの長方形板状に形成された遮光部材２０が積層され、バンプボンディング２１により固定されている。バンプボンディング２１の材料としては、例えば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇ系の半田が挙げられる。ここで、ＬＤ９から出射された光が、基体５と遮光部材２０との隙間からＰＤ１２に到達しないように、第１のキャビティ７と第２のキャビティ８との間の部分には、バンプボンディング２１を敷き詰めることが好ましい。なお、この部分には、遮光材料を塗布もしくは充填することにより遮光部を形成してもよい。
遮光部材２０には、第１のキャビティ７に対応する位置に設けられた開口（第１の光通過孔）２２と、第２のキャビティ８に対応する位置に設けられたピンホール（第２の光通過孔）２３とが形成されている。開口２２は、ＬＤ９から出射された光を外部へ案内するものである。また、ピンホール２３は、外部からの散乱光をＰＤ１２へ案内すると共に、外部からの外乱光及び不要光がＰＤ１２に入射するのを防止するものである。なお、開口２２及びピンホール２３は、例えば、遮光部材２０となるシリコン基板にドライエッチングを施すことにより形成され、ピンホール２３はアスペクト比が高いものとなっている。
なお、ピンホール２３は、ＰＤ１２の受光面に対応する位置に形成され、その直径は、例えば３０μｍ〜９０μｍとされている。これは、ピンホール２３の直径が９０μｍより大きいと、ＰＤ１２が感知する外部からの外乱光及び不要光によるノイズが増加してしまい、一方、ピンホール２３の直径が３０μｍより小さいと、ＰＤ１２が受光する光が少なくなり、ＰＤ１２からの出力が低下してしまうからである。
遮光部材２０の後面２０ｂにおける絶縁膜４１上には、所定のパターンをもって遮光部材配線部２５が形成されており、バンプボンディング２１により基体配線部１９と電気的に接続されている。遮光部材配線部２５において第２のキャビティ８に対応する部分には、ＰＤ１２のＰＤ端子電極１７，１８がバンプボンディング２１により電気的に接続されている（いわゆる、フリップチップボンディング）。これにより、ＰＤ１２は、ＰＤアノード１３及びＰＤカソード１４のそれぞれと電気的に接続されることになる。
また、遮光部材２０の前面２０ａにおける絶縁膜４１上には、ＬＤ９から出射された光、及び外部からの散乱光が透過するように、例えばアルカリ含有のホウケイ酸ガラスにより厚さ０．３ｍｍの長方形板状に形成された光透過部材２７が積層され、樹脂により固定されている。この光透過部材２７は、遮光部材２０の機械的な強度を高めると共に、基体５の第１のキャビティ７及び第２のキャビティ８を封止してパッケージ化する。なお、光透過部材２７は、遮光部材２０と固定されるため、光透過部材２７の熱膨張率と遮光部材２０の熱膨張率とは、ほぼ等しくされている。また、遮光部材２０と光透過部材２７とを陽極接合により固定してもよい。陽極接合を行う場合には、絶縁膜４１は不要となる。
ところで、光送受信デバイス１においては、図４に示されるように、ＬＤ９のＬＤ端子電極１５は、ワイヤ２８を介して、基体５の前面５ａにおける絶縁膜４０上に形成された基体配線部１９に電気的に接続されている。また、基体５の前面５ａ側に積層されて固定された遮光部材２０には、ワイヤ２８を収納するワイヤ収納部２９が形成されている。これらにより、ワイヤ２８を収納する空間を第１のキャビティ７に設けることが不要となるため、第１のキャビティ７を小型化することが可能となる。従って、基体５を小型化し、ひいては、光送受信デバイス１を小型化することが可能となる。
さらに、遮光部材２０においては、ワイヤ２８を収納するワイヤ収納部２９は貫通孔であり、この貫通孔と開口２２は連続して形成されている。このような構成を採用することで、ワイヤ収納部２９を開口２２と共に簡便に形成することができる。
以上のように構成された光送受信デバイス１を用いて、例えば生体組織における血流量等の生体内の液状物質に関する情報を測定する場合には、基体配線部１９のＬＤアノード１０及びＬＤカソード１１に電圧を印加して、基体５の第１のキャビティ７内に配置されたＬＤ９から光を出射させる。この光は、遮光部材２０に形成された開口２２を通過し、光透過部材２７を透過して外部へ出射され、その後、生体組織内を進行し、血流成分によって散乱等される。この散乱した散乱光の一部は、ＬＤ９から出射された光の進行方向とは逆の方向に進み、光透過部材２７を透過し、遮光部材２０に形成されたピンホール２３を通過し、基体５の第２のキャビティ８内に配置されたＰＤ１２に到達する。そして、この到達した光に応じた電圧信号が基体配線部１９のＰＤアノード１３及びＰＤカソード１４から得られる。ここで、散乱光には、静止した生体組織からの散乱光と、生体組織の毛細血管中を移動している赤血球からのドップラーシフトを受けた散乱光との干渉成分が含まれるため、ＰＤ１２によって得られた電圧信号を周波数解析することにより、血流計測等が可能となる。
［第２実施形態］
第２実施形態に係る光送受信デバイス１は、ワイヤ収納部２９の形状において、第１実施形態に係る光送受信デバイス１と異なっている。すなわち、第２実施形態に係る光送受信デバイス１においては、図５に示されるように、ワイヤ収納部２９は、遮光部材２０の後面２０ｂに形成された凹部となっており、開口２２と連続して形成されている。
このように構成された第２実施形態に係る光送受信デバイス１によっても、第１実施形態に係る光送受信デバイス１と同様の作用効果が奏されることとなる。
［第３実施形態］
第３実施形態に係る光送受信デバイス１は、ＰＤ１２の構成において、第１実施形態に係る光送受信デバイス１と異なっている。すなわち、第３実施形態に係る光送受信デバイス１においては、図６及び図７に示されるように、ＰＤ端子電極１７がＰＤ１２の前端面に設けられており、ＰＤ端子電極１８がＰＤ１２の後端面に設けられている。そして、ＰＤ端子電極１７は、ワイヤ３１を介して、基体５の前面５ａにおける絶縁膜４０上に形成された基体配線部１９と電気的に接続されており、ＰＤ端子電極１８は、第２のキャビティ８の底面における絶縁膜４０上に形成された基体配線部１９と電気的に接続されている。遮光部材２０の後面２０ｂには、ワイヤ３１を収納するワイヤ収納部３２が凹部として形成されており、ワイヤ収納部３２は、ピンホール２３と連続して形成されている。なお、ＰＤ１２に入射する外乱光及び不要光を考慮し、ピンホール２３の長さは０．１ｍｍ以上とされている。
このように構成された第３実施形態に係る光送受信デバイス１によっても、第１実施形態に係る光送受信デバイス１と同様の作用効果が奏されることとなる。
［第４実施形態］
第４実施形態に係る光送受信デバイス１は、基体５の形状において、第１実施形態に係る光送受信デバイス１と異なっている。すなわち、第４実施形態に係る光送受信デバイス１においては、図８及び図９に示されるように、ＬＤ９及びＰＤ１２が配置されるキャビティ（凹部）３３が基体５の前面５ａに形成されている。遮光部材２０とＰＤ１２との間には、ＰＤ１２の受光面１２ａを囲むように、遮光性樹脂からなる遮光部３４が設けられている。これにより、ＬＤ９の発光等による外乱光及び不要光のＰＤ１２への入射が防止される。
このように構成された第４実施形態に係る光送受信デバイス１によっても、第１実施形態に係る光送受信デバイス１と同様の作用効果が奏されることとなる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、光送受信デバイスは、ＬＤのＬＤ端子電極と電気的に接続されたワイヤが、遮光部材の後面に形成された凹部であるワイヤ収納部に収納され、且つＰＤのＰＤ端子電極と電気的に接続されたワイヤが、遮光部材の後面に形成された凹部であるワイヤ収納部に収納されることで構成されてもよい。また、光送受信デバイスは、アノード側のＬＤ端子電極及びカソード側のＬＤ端子電極が前端面に形成されたＬＤが、フリップチップボンディングにより遮光部材の後面における絶縁膜上に形成された遮光部材配線部と電気的に接続され、且つＰＤのＰＤ端子電極と電気的に接続されたワイヤが、遮光部材の後面に形成された凹部であるワイヤ収納部に収納されることで構成されてもよい。
さらに、ワイヤ収納部が貫通孔である場合には、その貫通孔は、開口と不連続に（すなわち、開口と独立して）形成されてもよい。また、ワイヤ収納部が凹部の場合には、その凹部は、開口又はピンホールと不連続に（すなわち、開口又はピンホールと独立して）形成されてもよい。
第１実施形態に係る光送受信デバイスの概略斜視図である。 図１に示されたII−II線に沿っての概略端面図である。 図１に示された光送受信デバイスの本体部の概略分解斜視図である。 図３に示されたIV−IV線に沿っての概略端面図である。 第２実施形態に係る光送受信デバイスの本体部の、図４に対応する概略端面図である。 第３実施形態に係る光送受信デバイスの、図２に対応する概略端面図である。 図６に示されるVII−VII線に沿っての概略端面図である。 第４実施形態に係る光送受信デバイスの、図２に対応する概略端面図である。 第４実施形態に係る光送受信デバイスの本体部の、図４に対応する概略端面図である。
符号の説明
１…光送受信デバイス、５…基体、５ａ…前面、７…第１のキャビティ（第１の凹部）、８…第２のキャビティ（第２の凹部）、９…ＬＤ（発光素子）、１２…ＰＤ（受光素子）、１５，１６…ＬＤ端子電極、１７，１８…ＰＤ端子電極、１９…基体配線部（配線）、２０…遮光部材、２２…開口（第１の光通過孔）、２３…ピンホール（第２の光通過孔）、２７…光透過部材、２８，３１…ワイヤ、２９，３２…ワイヤ収納部、３３…キャビティ（凹部）。

Claims (5)

  1. 前方に光を発光するための発光素子と、
    前方から照射された光を受光するための受光素子と、
    前記発光素子が配置される第１の凹部、及び前記受光素子が配置される第２の凹部が前面に形成された基体と、
    前記基体の前面側に配置され、前記発光素子により発光される光が通過する第１の光通過孔、及び前記受光素子により受光される光が通過する第２の光通過孔が形成された遮光部材と、
    前記遮光部材の前面側に配置され、前記発光素子により発光される光、及び前記受光素子により受光される光が透過する光透過部材とを備え、
    前記発光素子の端子電極及び前記受光素子の端子電極の少なくとも１つは、ワイヤを介して、前記基体の前面に形成された配線と電気的に接続されており、
    前記遮光部材には、前記ワイヤを収納するワイヤ収納部が形成されていることを特徴とする光送受信デバイス。
  2. 前方に光を発光するための発光素子と、
    前方から照射された光を受光するための受光素子と、
    前記発光素子及び前記受光素子が配置される凹部が前面に形成された基体と、
    前記基体の前面側に配置され、前記発光素子により発光される光が通過する第１の光通過孔、及び前記受光素子により受光される光が通過する第２の光通過孔が形成された遮光部材と、
    前記遮光部材の前面側に配置され、前記発光素子により発光される光、及び前記受光素子により受光される光が透過する光透過部材とを備え、
    前記発光素子の端子電極及び前記受光素子の端子電極の少なくとも１つは、ワイヤを介して、前記基体の前面に形成された配線と電気的に接続されており、
    前記遮光部材には、前記ワイヤを収納するワイヤ収納部が形成されていることを特徴とする光送受信デバイス。
  3. 前記発光素子の端子電極の少なくとも１つと電気的に接続された前記ワイヤを収納する前記ワイヤ収納部は、凹部又は貫通孔であることを特徴とする請求項１又は２記載の光送受信デバイス。
  4. 前記発光素子の端子電極の少なくとも１つと電気的に接続された前記ワイヤを収納する前記ワイヤ収納部は貫通孔であり、当該貫通孔と前記第１の光通過孔とは連続して形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光送受信デバイス。
  5. 前記受光素子の端子電極の少なくとも１つと電気的に接続された前記ワイヤを収納する前記ワイヤ収納部は、凹部であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光送受信デバイス。
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