JP2015121533A - 可撓光センサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】可撓光センサモジュールが、提唱される。
【解決手段】可撓光センサモジュールは、支持基板および可撓導波路を備える。支持基板は、第１の溝および第２の溝を有し、第１の溝は、第１の溝の２つの側面で第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。可撓導波路は、支持基板の第１の溝上に配置される。支持基板は、第１の溝を備えた第１の基板および第２の溝を備えた第２の基板を含むことができ、第１の基板は、前記第２の基板上に配置される。膜が、第１の基板と第２の基板との間に配置される。光源および光検出素子が、第１の基板上に配置される。
【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可撓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。

本発明では、可撓光センサモジュールが提唱される。可撓光センサモジュールは、２個の部品、光モジュールおよび信号波を検出するための震動検出ユニットを備える。震動検出ユニットは、可撓導波路である。可撓導波路は、支持基板、膜もしくはＦＰＣ上にまたは下に配置される（取り付けられる／実装される）ことができる。可撓光センサモジュールは、支持基板、可撓導波路、光源および光検出素子を備える。支持基板は、第１の溝を備えた第１の基板および第２の溝を備えた第２の基板を含み、第１の基板が第２の基板上に配置される。一例において膜が含まれ、第１の基板と第２の基板との間に配置されることができる。別の例では、膜は震動検出ユニットとなるように可撓導波路と一体化されることができる。光源および少なくとも１個の光検出素子が、基板上に（より上に）配置される。可撓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、基板は光マイクロ反射表面、凹状ベンチを有する。

別の態様によれば、基板は可撓導波路または膜を露出させるための開口部を有する。

さらにもう一つの態様によれば、可撓導波路は反射平面を備えたＶ形状溝を有する。光（可撓）導波路は、可撓プリント回路（ＦＰＣ）と一体化されることができる。慣性センサが、可撓プリント回路の第１の開口部および光導波路の第２の開口部まで延在する可撓プリント回路上に配置されることができる。

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、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可撓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可撓光センサモジュールを例示する； 本発明の更なる実施態様に従う可撓光センサモジュールを例示する； 本発明の更に別の実施態様に従う可撓光センサモジュールを例示する； 本発明の一実施態様に従う可撓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ＦＰＣ上の慣性センサおよび光導波路を備えた可撓光センサモジュールを例示する。 本発明に従うＳｉベースの慣性センサの構造体を例示する。

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可撓光センサモジュールを示す。可撓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。検出システムまたは検出装置は、音波、機械波動、地震波、脈拍および他の媒体による任意の震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、可撓光センサモジュールは基板１００、可撓導波路１０１、光源１０２および光検出素子１０３を備える。基板１００は、第１の溝１０４および第２の溝１０５を有する。第１の溝１０４は、上向きの開口部を有する。第２の溝１０５は、下向きの開口部を有する。基板１００は、基板１００の第１の溝１０４の（内の）２つの側面に第１の光マイクロ反射表面１００ａおよび第２の光マイクロ反射表面１００ｂを有する。可撓導波路１０１は、可撓材料でできている。可撓導波路１０１は、震動検出のための膜であることができる。可撓導波路１０１は、光を案内するために基板１００の第１の溝１０４の底面に配置され（取り付けられ／実装され）、それと共に可撓導波路１０１の上面を露出させてかつ可撓導波路１０１の部分的下面を露出させる。可撓導波路１０１の下面の露出領域は、第２の溝１０５の底面の領域と等しい。一実施態様において、斜面を備えた可撓導波路１０１の２つの側面はそれぞれ、第１の光マイクロ反射表面１００ａおよび第２の光マイクロ反射表面１００ｂに接触する。光源１０２から照射される光がその中に通過するのを容易にするために、可撓導波路１０１はその中に光路が許される。第１の溝１０４の底面および第２の溝１０５の底面は、可撓導波路１０１の部分的底面を露出させるために部分的にオーバーラップしている。光源１０２および光検出素子１０３は、基板１００の上面の２つの側面上に（より上に）配置される。光源１０２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１０２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。

基板１００は、オプティカルベンチとなるように用いられ、かつ可撓導波路１０１がその中に配置されることを容易にするための基板１００の第１の溝１０４の底面上の凹状ベンチ、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１００ａ、１００ｂを有する。一実施態様において、基板１００の第１の溝（凹状構造体）１０４は、基板１００の頂面の下の指定された深さにあり、および、基板１００の第２の溝（凹状構造体）１０５は、基板１００の底面の下の指定された深さにある。第１の反射器が、基板１００の第１のベンチ１０４の第１端部に画定され、および、第２の反射器が基板１００の第１のベンチ１０４の第２の端部に画定される。基板１００の第１のベンチ１０４の第１端部が第１の反射表面を形成し、および基板１００の第１のベンチ１０４の第２の端部が第２の反射表面を形成する。基板１００の第１のベンチ１０４は、第１の傾斜平面１００ａおよび第２の傾斜平面１００ｂを有する。一実施態様において、第１の傾斜平面１００ａは第２の傾斜平面１００ｂの反対側である。

例えば、それぞれ、光源１０２は左側で（光マイクロ反射表面１００ａの近くで）基板１００の頂面に位置し（取り付けられ）、および、光検出素子１０３は右側で（光マイクロ反射表面１００ｂの近くで）基板１００の頂面に位置する（取り付けられる）。したがって、光源１０２によって放出される光信号は、基板１００の第１の反射表面１００ａによって反射されて次いで可撓導波路１０１を通過し、続いて基板１００の第２の反射表面１００ｂによって反射されて、光検出素子１０３によって受信される。

信号波が可撓光センサモジュールの可撓導波路１０１（震動検出装置）に到達するにつれて、可撓導波路１０１は信号波によって上下に震動する。光源１０２からの光信号は、可撓導波路１０１の震動によって影響される。したがって、光源１０２によって放出される光出力は、可撓導波路１０１中で変えられる。可撓導波路１０１を通過する部分的光信号が、可撓導波路１０１から離れる。したがって、可撓導波路１０１の非震動と比較すると、光検出素子１０３によって検出される光の強度は、可撓導波路１０１の震動とともに漸減的に変えられる。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。

可撓光センサモジュール（震動検出装置）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。可撓導波路は、音波、機械波動、地震波、脈拍．．．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。可撓導波路１０１は、光検出システムとなるように光源１０２および光検出素子１０３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。

基板１００および可撓導波路１０１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、基板１００の材料はシリコンである。したがって、第１の溝１０４および第２の溝１０５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、可撓導波路１０１は可撓薄フィルムである。可撓導波路１０１の材料は、ポリマー材料、誘電材料を含む。

図２は、本発明の別の実施態様に従う可撓光センサモジュールの断面構造体を示す。本実施態様において、可撓光センサモジュールは第１の基板２００、第２の基板２０１、膜２０２、可撓導波路２０３、光源２０４および光検出素子２０５を備える。第１の基板２００は第２の溝（開口部）２０７を有し、および第２の基板２０１は第１の溝（開口部）２０６を有する。第１の溝２０６は、上向きである。第２の溝２０７は、下向きである。同様に、第２の基板２０１は第２の基板２０１の第１の溝２０６の（内の）２つの側面に第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。可撓導波路２０３は、可撓材料でできている。膜２０２は、第１の基板２００と第２の基板２０１との間に配置され（取り付けられ／実装され）、それと共に第２の基板側面から来る信号波を検出するために膜２０２の部分的下面および上面を露出させる。膜２０２の下面の露出領域は、第２の溝２０７の底面の領域と等しい。可撓導波路２０３は、光を案内するために第２の基板２０１の第１の溝２０６内で膜２０２の底面に配置され（取り付けられ／実装され）、それと共に第２の基板側面から来る信号波を検出するために可撓導波路２０３の上面を露出させる。したがって、可撓導波路２０３および膜２０２は、震動検出のために用いられることができる。一実施態様において、斜面を備えた可撓導波路２０３の２つの側面はそれぞれ、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に接触する。光源２０４および光検出素子２０５は、第２の基板２０１の上面の２つの側面上に（より上に）配置される。

例えば、可撓導波路２０３は可撓薄フィルムである。可撓導波路２０３の材料は、ポリマー材料、誘電材料を含む。膜２０２は、薄フィルムである。膜２０２の材料は、ＳｉＯ_２またはＳｉＮ_ｘのような誘電材料を含む。

信号波が光センサモジュール（震動検出装置）の膜２０２および／または可撓導波路２０３に到達するにつれて、膜２０２および／または可撓導波路２０３が信号波によって震動する。可撓導波路２０３が膜２０２上に取り付けられるので、可撓導波路２０３および膜２０２はその時共に震動する。例えば、膜２０２および可撓導波路２０３の震動は上下に共に震動し、したがって、光源２０４によって放出される光は第２の基板２０１によって反射されてかつ光検出素子２０５によって受光される。上記したように、光源２０４によって放出される光出力はその震動に起因して可撓導波路２０３中で変えられ、光検出素子２０５によって検出される光の強度は可撓導波路２０３の震動とともに漸減的に変えられる。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。

図３は、本発明のさらにもう一つの実施態様に従う可撓光センサモジュールの断面構造体を示す。本実施態様において、可撓光センサモジュールは膜３００、可撓導波路３０１、光源３０２および光検出素子３０３を備える。可撓導波路３０１は、可撓材料（層）でできている。一実施態様において、可撓導波路３０１は膜である。本実施態様において、可撓導波路３０１は膜３００の下に配置され（取り付けられ／実装され）、および可撓導波路３０１は可撓導波路３０１の２つの側面に第１の光マイクロ反射表面３０１ａおよび第２の光マイクロ反射表面３０１ｂを有する。可撓導波路３０１は、震動検出のための膜３００と組み合わさる。この種の構造体は、膜側面および／または可撓導波路側面から来る信号波を検出することができる。光源３０２によって放出される光は、それぞれ、可撓導波路３０１の２つの側面で第１の光マイクロ反射表面３０１ａおよび第２の光マイクロ反射表面３０１ｂ経由で反射され、かつ光検出素子３０３によって受光されることができる。光源３０２および光検出素子３０３は、膜３００の上面の２つの側面上に配置される。

図４は、本発明の一実施態様に従う可撓光センサモジュールの断面構造体を示す。本実施態様において、膜３００ａは膜側面から来る信号波と接触する／を検出するために可撓導波路３０１の部分的上面を露出させる開口部３０４を有する。この種の構造体は、膜側面および／または可撓導波路側面から来る信号波を検出することができる。

図５は、本発明のさらにもう一つの実施態様に従う可撓光センサモジュールの断面構造体を示す。本実施態様において、可撓光センサモジュールは可撓プリント回路（ＦＰＣ）４００、可撓導波路４０１、光源４０２、光検出素子４０３、ドライバ集積回路（ＩＣ）４０４および相互インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）チップ４０５を備える。本実施態様において、光源４０２、光検出素子４０３、ドライバ集積回路（ＩＣ）４０４および相互インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）チップ４０５は、ＦＰＣ４００上へ構成される／一体化される。ドライバＩＣ４０４は、光を放出するための光源（例えば光電子装置）４０２を駆動するために用いられることができる。本実施態様において、可撓導波路４０１はＦＰＣ４００の下に配置される（取り付けられる／実装される）。本実施態様において、ＦＰＣ４００はＦＰＣ側面から来る信号波と接触する／を検出するために可撓導波路４０１の部分的上面を露出させる開口部４０８を有する；ならびに、第１の光マイクロ反射表面４０１ａおよび第２の光マイクロ反射表面４０１ｂがそれぞれ、可撓導波路４０１のＶ形状溝４０６の片側およびＶ形状溝４０７の別の側面に形成されるように、可撓導波路４０１はＶ形状溝４０６およびＶ形状溝４０７を有する。Ｖ形状溝４０６および４０７は、インプリンティングプロセス、ウエッジ切断プロセスまたはレーザー加工プロセスによって形成されることができる。ＦＰＣ４００は、震動検出のために可撓導波路４０１と組み合わさる。この種の構造体は、ＦＰＣ側面および／または可撓導波路側面から来る信号波を検出することができる。光源４０２によって放出される光は、可撓導波路４０１の２つの側面でそれぞれ、第１の光マイクロ反射表面４０１ａおよび第２の光マイクロ反射表面４０１ｂ経由で反射されることができる。光源４０２、ドライバ集積回路（ＩＣ）４０４および光検出素子４０３、相互インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）チップ４０５はそれぞれ、ＦＰＣ４００の上面の２つの側面上に配置される。

図６は、本発明のさらにもう一つの実施態様に従うＦＰＣ上の慣性センサおよび光導波路を備えた可撓光センサモジュールの断面構造体を示す。本実施態様において、可撓光センサモジュールは、可撓プリント回路（ＦＰＣ）５００、光導波路５０１、光源５０２、光検出素子５０３、ドライバ集積回路（ＩＣ）および相互インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）チップ（図示せず）および慣性センサ５０４を備える。本実施態様において、光源５０２、光検出素子５０３、ドライバ集積回路（ＩＣ）および相互インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）チップは、ＦＰＣ５００上へ構成される／一体化される。本実施態様において、ＦＰＣ５００はその中に配置される慣性センサ５０４のための開口部を有する。さらに、慣性センサ５０４がＦＰＣ５００上に配置される。光導波路５０１が、ＦＰＣ５００の下に配置される（取り付けられる／実装される）。本実施態様において、光導波路５０１は開口部に延在する慣性センサ５０４を露出させる開口部を有し、それによって慣性センサ５０４が外側からの信号波を検出することが可能である。光導波路５０１は、それぞれ、光導波路５０１の左側および右側に形成される第１の光マイクロ反射表面５０１ａおよび第２の光マイクロ反射表面５０１ｂを有する。ＦＰＣ５００は、光案内のための光導波路５０１と組み合わさる。光導波路５０１が、Ｇｂｐｓデータチャネルとなることができる。慣性センサ５０４は、シリコンベース５０５および震動検出に用いられるその上に形成されるピラミッド形状構造体５０６から成る。この種の構造体は、光源側面および／または光導波路側面から来る信号波を検出することができる。光源５０２によって作り出される（放出される）光は、光導波路５０１の２つの側面で、それぞれ、第１の光マイクロ反射表面５０１ａおよび第２の光マイクロ反射表面５０１ｂ経由で反射されることができる。光源５０２、ドライバ集積回路（ＩＣ）および光検出素子５０３、相互インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）チップがＦＰＣ５００の上面の２つの側面上に配置されて、それぞれ、電気接続パッド５０２ａおよび電気接続パッド５０３ａ経由でＦＰＣ５００に連結される。

図７は、本発明に従う慣性センサの構造体を示す。慣性センサ５０４は、光反射のためのピラミッド形状構造体を有する。慣性センサ５０４は、ベース５０５および震動検出に用いられるその上に形成されるピラミッド形状構造体５０６から成る。ベース５０５は、例えばシリコンベースまたは二酸化珪素フィルムである。ピラミッド形状構造体５０６は、４つの４５°斜面を有し、および、慣性センサ５０４が震動する時、４５°斜面の各々は光導波路５０１からの光をブロックして反射するためにあることができる。もう一つの実施態様では、ピラミッド形状構造体５０６が複数の斜面を有し、複数斜面の各々が４５度または任意の角度を有する；ピラミッド形状構造体５０６の斜面の数および斜面の角度は、用途の要件に依存する。

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 基板
１００ａ 第１の光マイクロ反射表面
１００ｂ 第２の光マイクロ反射表面
１０１ 可撓導波路
１０２ 光源
１０３ 光検出素子
１０４ 第１の溝
１０５ 第２の溝
２００ 第１の基板
２０１ 第２の基板
２０２ 膜
２０３ 可撓導波路
２０４ 光源
２０５ 光検出素子
２０６ 第１の溝
２０７ 第２の溝
３００、３００ａ 膜
３０１ 可撓導波路
３０１ａ 第１の光マイクロ反射表面
３０１ｂ 第２の光マイクロ反射表面
３０２ 光源
３０３ 光検出素子
３０４ 開口部
４００ ＦＰＣ
４０１ 可撓導波路
４０１ａ 第１の光マイクロ反射表面
４０１ｂ 第２の光マイクロ反射表面
４０２ 光源
４０３ 光検出素子
４０４ ドライバＩＣ
４０５ ＴＩＡチップ
４０６ Ｖ形状溝
４０７ Ｖ形状溝
４０８ 開口部
５００ ＦＰＣ
５０１ 光導波路
５０１ａ 第１の光マイクロ反射表面
５０１ｂ 第２の光マイクロ反射表面
５０２ 光源
５０２ａ 電気接続パッド
５０３ 光検出素子
５０３ａ 電気接続パッド
５０４ 慣性センサ
５０５ シリコンベース
５０６ ピラミッド形状構造体

Claims (6)

1. 可撓光センサモジュールであって：
   第１の溝および第２の溝を備え、前記第１の溝が前記第１の溝の２つの側面に第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、支持基板；および
   前記支持基板の前記第１の溝上に配置される可撓導波路を備えることを特徴とする可撓光センサモジュール。
2. 前記支持基板が、前記第１の溝を備えた第１の基板および前記第２の溝を備えた第２の基板を含み、前記第１の基板が、前記第２の基板上に配置されてかつ前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置される膜を更に備える請求項１に記載の可撓光センサモジュール。
3. 可撓光センサモジュールであって：
   膜；および
   前記膜上に配置される可撓導波路であって、前記可撓導波路が、前記可撓導波路の２つの側面に第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可撓導波路を備え；
   前記膜が、前記可撓導波路の部分的上面を露出させる開口部を有することを特徴とする可撓光センサモジュール。
4. 可撓光センサモジュールであって：
   その中に形成される第１の開口部を備えた可撓プリント回路；および
   前記可撓プリント回路の下に配置される光導波路を備え、前記光導波路が、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ことを特徴とする可撓光センサモジュール。
5. 前記光導波路が可撓導波路であり、そして、前記第１の光マイクロ反射表面および前記第２の光マイクロ反射表面がそれぞれ前記可撓導波路の第１のＶ形状溝および第２のＶ形状溝の片側で形成されるように、前記可撓導波路が、前記第１のＶ形状溝および前記第２のＶ形状溝を有することを特徴とする請求項４に記載の可撓光センサモジュール。
6. 前記光導波路が、その中に形成される第２の開口部ならびに前記第１の開口部および前記第２の開口部まで延在する前記可撓プリント回路上に配置される慣性センサを有することを特徴とする請求項４に記載の可撓光センサモジュール。