JP2015082663A - 光センサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】震動の動的測定が可能な光センサモジュールを提供する。【解決手段】この光センサモジュール１００は、光モジュールおよび震動検出ユニットを含む２個の部品を備える。震動検出ユニットは、光モジュール上に配置される。光モジュールは、光源１０５、光検出素子１０７および光マイクロ反射表面を備えた第２の基板１０２を備える。震動検出ユニットは、第１の基板１０１、膜１０３および光ゲート１０４を備える。膜１０３は、第１の基板１０１と光ゲート１０４との間に配置される。光源１０５および光検出素子１０７は、第２の基板１０２上に配置される。【選択図】図１

Description

本発明は光センサに関し、およびより詳しくは、光センサシステム内の震動を測定する光センサモジュールに関する。

一般に、光センサは光または電磁波のエネルギを電気エネルギに変換するものである。背景技術光センサは、それらの主要部品として半導体を有するフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、フォトトランジスタ、光ＭＯＳ、ＣＣＤセンサおよびＣＭＯＳセンサ、光電効果を用いる光電子増倍管、などを含む。

以前の半導体光センサの中で、いくつかはキャリアを外部電流に直接変換することによって電流として出力信号を抽出するものであり、そこではキャリアは光による照射によって生成される電子または正孔である。他は、過半数の電流の変調として出力信号を抽出するものであり、そこでは変調は所定の局所的場所に累積される光発生キャリアによって局所的電場によって形成される。

最近、光センサの使用が、とりわけセンサが関連電子回路の性能／信頼性にひどく影響を及ぼす厳しい環境内に配置されなければならないような用途における検出用途に対してより優勢になってきた。光ファイバセンサはそれらがセンサに、またはその近くに何の電子回路も必要としないという利点を有する。光ファイバセンサでは、光は遠隔の位置から光ファイバを通して送られる。

光ファイバセンサは概ね、高速の動的な測定をするために設計されたものおよび低速の相対的に静的な測定のために設計されたものの、２つのカテゴリに分類される。動的センサの例は、信号が１Ｈｚ以上の率で変化する、水中聴音器、地中聴音器および音速センサを含む。低速（静的）センサの例は、信号変化の率が秒、分または時間のオーダーであることができる、温度、静水圧および構造上の張力を含む。多くの用途は、主に光ファイバセンサを使用する加速、音速および震動の動的測定に関する。

本発明において、光センサモジュールが提案される。この光センサモジュールは、光モジュールおよび震動検出ユニットを含む２個の部品を備える。震動検出ユニットは、光モジュール上に配置される（取り付けられる／実装される）。光モジュールは、光源、光検出素子および光マイクロ反射表面を備えた第２の基板を備える。震動検出ユニットは、第１の基板、膜および光ゲートを備える。膜は、第１の基板と光ゲートとの間に配置される。光源および少なくとも１個の光検出素子が、第２の基板上に（より上に）配置される。光センサモジュールは、単一光センサまたは光センサアレイであることができる。

１つの態様によれば、第２の基板は光マイクロ反射表面、凹状ベンチおよび位置合わせするためのガイドピンを有する。少なくとも１つの光ガイド層が、光をガイドするために第２の基板の凹状ベンチ（溝）内に形成される（充填される）。光ガイド層の材料は、ポリマー材料または誘電材料である。膜は、可撓性薄フィルムである。

別の態様によれば、第１の基板は膜を露出させるための開口部を有し、および第１のガイドピンが位置合わせするために膜の下に形成される。第２のガイドピンが、第１のガイドピンを支持して位置合わせするために第２の基板上に形成される。

光源は、可視光および不可視光を放出することが可能である。一実施態様において、少なくとも１つの溝が第２の基板の凹状構造体上に形成される。凹状構造体のこの少なくとも１つの溝に基づいて、光学部品（ケーブル）がこの少なくとも１つの溝に受動的に位置合わせされることができる。

本発明の部品、特性および利点が、明細書および添付の図面内に概説される好ましい実施態様の詳細な説明によって理解されることができる：

本発明の一実施態様に従う光センサモジュールを例示する； 図１の光センサの構造を例示する； 図１の光センサの構造を例示する； 本発明の一実施態様に従う光センサモジュールを例示する； 図１の光センサの構造を例示する； 本発明の一実施態様に従う光センサモジュールを例示する； 本発明の別の実施態様に従う光センサシステムを例示する； 本発明の一実施態様に従う光センサシステムを例示する。

本発明のいくつかの好ましい実施態様が、次により詳細に記述される。しかしながら、本発明の好ましい実施態様が本発明を限定することよりむしろ例証のために提供されることが認識されるべきである。加えて、本発明は明示的に記述されるものの他に広範囲にわたる他の実施態様において実践されることができ、および添付の請求の範囲内に指定される場合を除いて本発明の範囲は明白に限定されない。

図１は、本発明の一実施態様に従う光センサモジュールを示す。光センサモジュールは、震動検出素子（装置）として用いられることができ、それは標準半導体製造プロセスを使用することによって作られることができる。光素子が、検出システムとして震動検出素子に適用される。この検出システムは、音波、機械波動、地震波および他の媒体による任意の振動波動エネルギを検出することができる。本実施態様において、光センサモジュール１００は２個の部品、光モジュールおよび震動検出ユニットを含む。震動検出ユニットは、光モジュール上に配置される（取り付けられる／実装される）。光モジュールは、光源１０５、光検出素子１０７、第２の基板１０２、凹状ベンチ１０２ａおよびガイドピン（図示せず）を備える。震動検出ユニットは、第１の基板１０１、膜１０３、ガイドピン１０１ｂおよび光ゲート１０４を備える。膜１０３は、第１の基板１０１と光ゲート１０４との間に配置される。第１の基板１０１は、膜１０３上に配置される（取り付けられる／実装される）。第１の基板１０１は、膜１０３の領域を露出させるための開口部１０１ａを有する。光ゲート１０４は、膜１０３の下に（上に）形成される（配置される）。光ゲート１０４は、第１の基板１０１の開口部１０１ａの下に位置する。一実施態様において、光ゲート１０４は膜１０３上に取り付けられる（予め形成される）かまたは固定されることができる。光源１０５および光検出素子１０７は、第２の基板１０２上に（より上に）配置される。光源１０５は、可視光および不可視光を放出することが可能である。光源１０５は、例えばレーザー、赤外光または発光ダイオード（ＬＥＤ）である。赤外光は赤外バンド内にあり、それがレーザーまたはＬＥＤによって放出されることができる。

図２は水平方向１０８に沿っての図１の光センサモジュールの断面構造を示す。第２の基板１０２は、オプティカルベンチとなるように用いられ、かつ、光ゲート１０４がその中に配置されることを容易にするための凹状ベンチ１０２ａ、および（４５度角度または他の角度のような）指定された角度を有する光マイクロ反射表面１０２ｂ、１０２ｃを有する。光ゲート１０４は、凹状ベンチ１０２ａ内に配置される。一実施態様において、凹状ベンチ１０２ａのサイズは震動検出ユニット（第１の基板１０１、膜１０３および光ゲート１０４）のサイズより大きい。一実施態様において、第２の基板１０２はそれの上面の下に指定された深さの第１の溝（凹状構造体）１０２ａを有する。第１の反射器が、第２の基板１０２内の凹状ベンチ１０２ａの第１の端部に画定され、および、第２の反射器が第２の基板１０２内の凹状ベンチ１０２ａの第２の端部に画定される。凹状構造体の第１の端部は第１の反射表面を形成し、および凹状構造体の第２の端部は第２の反射表面を形成する。凹状ベンチ１０２ａは、第１の傾斜平面１０２ｂおよび第２の傾斜平面１０２ｃを有する。一実施態様において、オプティカルベンチ（第２の基板）１０２は（４５度角度または他の角度のような）第１の指定された角度を有する第１のマイクロ反射表面（第１の傾斜平面）１０２ｂおよび（４５度角度または他の角度のような）第２の指定された角度を有する第２のマイクロ反射表面（第２の傾斜平面）１０２ｃを含むことができ、マイクロ反射表面１０２ｂは、マイクロ反射表面１０２ｃの反対側である。凹状ベンチ１０２ａは上向きである。

例えば、それぞれ、光源１０５は左側で第２の基板１０２の上面（マイクロ反射表面１０２ｂ近く）に位置し（取り付けられ）、および、光検出素子１０７は右側の第２の基板１０２の上面（マイクロ反射表面１０２ｃ近く）に位置する（取り付けられる）。したがって、光源１０５の（図１内に示される）光路１０５ａは光源１０５によって放出される光信号が第２の基板１０２の第１の反射表面１０２ｂによって反射されて次いで光ゲート１０４に伝播するもの、または第２の基板１０２の第１の反射表面１０２ｂによって反射されて光ゲート１０４を通過し、そして次に、第２の基板１０２の第２の反射表面１０２ｃに伝播するものを含む。

光源１０５によって放出される可視光または不可視光は、光ゲート１０４に対して前方に反射するように第２の基板１０２の光マイクロ反射器１０２ｂに伝播し、それに続いて、光ゲート１０４によって反射する（もしくはブロックする）か、または光検出素子１０７によって受光されるように第２の基板１０２の光マイクロ反射器１０２ｃによって反射する。

信号波が光センサモジュール（震動検出装置）１００の膜１０３に到達するにつれて、膜１０３は信号波によって振動する。光ゲート１０４が膜１０３上に取り付けられているので、光ゲート１０４はその時同時に振動する。例えば、膜１０３および光ゲート１０４の震動は共に上下に動き、したがって、光源１０５によって放出される光は光ゲート１０４によって反射される（ブロックされる）かまたは光検出素子１０７によって受光される。したがって、光検出素子１０７によって検出される光の強度は、光ゲート１０４の震動とともに（増加して）変わる。検出される光の強度は、電気信号出力に変換される。したがって、震動検出の機能が達成されることができる。

光センサモジュール（震動検出装置）１００の検出に基づいて、震動検出の機能が達成されることができる。震動検出装置１００は、音波、機械波動、地震波．．．およびその他の媒体衝撃で生じる衝撃波動エネルギを検出するための震動検出機能を備えた震動検出部品として用いられる。震動検出装置１００は、光検出システムとなるようにその中に光源１０５および光検出素子１０７を一体化する。したがって、本発明は震動検出システムとして光検出システムを使用する。

光ゲート１０４の配置される位置、数、高さおよびサイズは、実用的用途に対する要件（種々の信号波、検出源）に依存する。第１の基板１０１、第２の基板１０２および膜１０３の材料および厚さは、実用的用途に対する要件（種々の信号波、検出源）に基づいて選ばれることができる。例えば、第１の基板１０１および第２の基板１０２の材料は、シリコンである。したがって、開口部１０１ａおよび凹状ベンチ（溝）１０２ａは標準半導体プロセス（フォトリトグラフィプロセス、エッチングプロセス）によって形成されることができる。例えば、膜１０３は可撓性薄フィルムである。

さらに、光ガイド層１０６ａ、１０６ｂが、図３に示される第２の基板１０２の凹状ベンチ（溝）１０２ａ内に形成される（充填される）。光ゲート１０４は、光ガイド層１０６ａと光ガイド層１０６ｂとの間に配置される。光ガイド層１０６ａ、１０６ｂの材料は、ポリマー材料、誘電材料を含む。信号波が光センサモジュール（震動検出装置）１００の膜１０３に到達するにつれて、膜１０３および光ゲート１０４は信号波によって共に振動する。光ガイド１０６ａから光ガイド１０６ｂへの光信号は、光ゲート１０４の震動によって影響される。したがって、光検出素子１０７によって検出される光の強度は、光ゲート１０４の震動とともに（増加して）変わる。検出される光の強度は、電気信号出力に変換される。したがって、信号波の震動検出が達成されることができる。

図５は図４の垂直方向１０９に沿っての図１の光センサモジュールの断面構造を示す。ガイドピン１０１ｂおよびガイドピン１０２ｄは、図５に示される位置合わせ基線となるように用いられる。したがって、震動検出ユニットは第２の基板１０２のガイドピン１０２ｄにガイドピン１０１ｂを位置合わせすることによって光モジュール上に配置される（取り付けられる／実装される）。ガイドピン１０２ｄは、第１の接触傾斜を備えた傾斜バンプである。ガイドピン１０１ｂは、第２の接触傾斜を有する。ガイドピン１０１ｂの第２の接触傾斜の角度は、傾斜バンプ１０２ｄの第１の接触傾斜と実質的に同じである。位置合わせした後に、ガイドピン１０１ｂおよびガイドピン１０２ｄの総高さ（垂直）は、光ゲート１０４の厚さ（垂直）より大きい。したがって、光ゲート１０４の上部および底部位置は、組み立ての際にガイドピン１０１ｂおよびガイドピン１０２ｄの総高さ（垂直）に依存する。ガイドピン１０１ｂは、接触傾斜の方向にガイドピン１０２ｄ上に配置される。一実施態様において、ガイドピン１０１ｂは接着剤によってガイドピン１０２ｄ上に取り付けられる。例えば、ガイドピン１０１ｂは第１の基板１０１の一部または単一部品である。および、ガイドピン１０２ｄは第２の基板１０２の一部または独立部品である。ガイドピン１０１ｂは、膜１０３の下に（上に）取り付けられる。ガイドピン１０１ｂおよびガイドピン１０２ｄは、標準半導体プロセス（フォトリトグラフィプロセス、エッチングプロセス）によって形成されることができる。もう一つの実施態様では、膜１０３は位置合わせのための上述のガイドピン（１０１ｂ、１０２ｄ）なしで接着剤または金属ボンディングによって第２の基板１０２上に配置される（取り付けられる）。

図６は、本発明の一実施態様に従う光センサモジュールを示す。本実施態様において、光源１０５の光路は光学スプリッタ、光路１０５ａおよび光路１０５ｂによって作り出される２本の光路に分割される。光センサモジュール１００ａは、光検出素子１０７、１０７ａを備える。光路１０５ａは、図１と同じように光ゲート１０４を通して光検出素子１０７まで通過する。別の光路１０５ｂは、光ゲート１０４を通過せず、かつ光検出素子１０７ａに到達する。光路１０５ａおよび光路１０５ｂの２つの光信号は、互いに比較されることができ、かつ精度を向上させるために数値解析を更に実行する。

図７は、本発明の別の実施態様に従う光センサシステムを示す。本実施態様において、光センサシステム２００は２ｘ２アレイ光センサモジュール１００を備える。したがって、外部の信号波に対する震動検出の性能が高められることができる。もう一つの実施態様では、光センサは図８内に示される単一光センサまたは光センサアレイ（マトリクスセンサ）であることができる。マトリクスセンサは、ｍｘｎマトリクス光センサによって構成され、ここでｍおよびｎの数は１より大きな整数である。

理解されるであろうことは、実施態様の上記の記述は例としてのみ与えられること、および種々の修正が当業者によってなされることができることである。上記の仕様、例およびデータは、本発明の例示的な実施態様の構造および使用の完全な記述を提供する。本発明の種々の実施態様が特定の程度の詳細でまたは一つ以上の個々の実施態様を参照して上記されたとはいえ、当業者は本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、開示された実施態様に対して数多くの変更をなすことができる。

１００、１００ａ 光センサモジュール
１０１ 第１の基板
１０１ａ 開口部
１０１ｂ ガイドピン
１０２ 第２の基板
１０２ａ 凹状ベンチ
１０２ｂ 第１の光マイクロ反射表面
１０２ｃ 第２の光マイクロ反射表面
１０２ｄ ガイドピン
１０３ 膜
１０４ 光ゲート
１０５ 光源
１０５ａ、１０５ｂ 光路
１０６ａ、１０６ｂ 光ガイド層
１０７、１０７ａ 光検出素子
１０８ 水平方向
１０９ 垂直方向
２００ 光センサシステム

Claims (5)

1. 光センサモジュールであって：
   膜；
   前記膜の領域を露出させるための開口部を備えた第１の基板であって、前記膜上に配置される前記第１の基板；および
   前記膜の下に配置される光ゲートを備えることを特徴とする光センサモジュール。
2. その上に形成される第１の光マイクロ反射表面および第２の光マイクロ反射表面を有する凹状構造体を備えた第２の基板を更に備え、前記光ゲートが、前記凹状構造体内に配置され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。
3. 前記膜が、接着剤または金属ボンディングによって前記第２の基板上に配置されることを特徴とする請求項２に記載の光センサモジュール。
4. 前記膜の下に形成される第１のガイドピンおよび前記第２の基板上に形成される第２のガイドピンを更に備え、前記第１のガイドピンが、前記第２のガイドピン上に取り付けられることを特徴とする請求項２に記載の光センサモジュール。
5. 前記第２の基板上に配置される光源および前記第２の基板上に配置される光検出素子を更に備える請求項２に記載の光センサモジュール。
   
   

Images