光学传感器装置

技术领域

本公开涉及光学传感器装置。

背景技术

要求能够简单且高速地测定血流等生物体信息的测量传感器等光学传感器装置。例如，血流能够利用光的多普勒效应来测量。若对血液照射光，则光会被红血球等血球细胞散射。根据照射光的频率和散射光的频率来计算血球细胞的移动速度。关于能够对血流等进行测量的光学传感器，例如，在日本特开2011-134463号公报中，在容纳了受光元件和发光元件的基板的上表面接合有透明基板。而且，在光学传感器装置中，这样的光学传感器被安装于安装基板。

但是，在上述的光学传感器装置中，安装基板和光学传感器被接合材料等接合为平行，因此由受光元件接受的光之中，表皮等反射出的噪声光较强，血球细胞散射出的信号光的强度有可能相对地变小。

发明内容

本公开的一实施方式涉及的光学传感器装置具备光学传感器、和被安装光学传感器的安装基板。光学传感器具备第1上表面以及第1下表面，并具备基板、受光元件、发光元件和透明基板。安装基板具有第2上表面以及第2下表面。基板具有第1开口部、和位于与第1开口部隔开间隙的位置的第2开口部。受光元件位于第1开口部。发光元件位于第2开口部，并且位于与受光元件隔开间隙的位置。透明基板位于基板的第1上表面，并堵住第1开口部以及第2开口部而与基板接合。光学传感器的第1下表面相对于安装基板的第2下表面被倾斜地安装。

附图说明

图1是示出本公开的实施方式涉及的光学传感器装置的立体图。

图2是示出本公开的实施方式涉及的光学传感器装置的顶视图。

图3是示出在图1的A-A线处进行了切断的本公开的实施方式涉及的光学传感器装置的剖视图。

图4是示出在图1的A-A线处进行了切断的本公开的实施方式涉及的光学传感器装置的剖视图。

图5是示出在图1的B-B线处进行了切断的本公开的实施方式涉及的光学传感器装置的剖视图。

图6是示出在图1的B-B线处进行了切断的本公开的实施方式涉及的光学传感器装置的剖视图。

图7是示出在图1的B-B线处进行了切断的本公开的实施方式涉及的光学传感器装置的剖视图。

图8是示出本公开的其他实施方式涉及的光学传感器装置的剖视图。

图9是示出本公开的实施方式涉及的光学传感器装置的立体图。

图10是示出在图9的C-C线处进行了切断的本公开的实施方式涉及的光学传感器装置的剖视图。

图11是示出在图9的C-C线处进行了切断的本公开的其他实施方式涉及的光学传感器装置的剖视图。

图12是示出在图9的C-C线处进行了切断的本公开的其他实施方式涉及的光学传感器装置的剖视图。

图13是示出在图9的D-D线处进行了切断的本公开的其他实施方式涉及的光学传感器装置的剖视图。

图14是示出在图9的D-D线处进行了切断的本公开的其他实施方式涉及的光学传感器装置的剖视图。

图15是示出在图9的D-D线处进行了切断的本公开的其他实施方式涉及的光学传感器装置的剖视图。

图16是示出在图9的D-D线处进行了切断的本公开的其他实施方式涉及的光学传感器装置的剖视图。

图17是示出在图9的D-D线处进行了切断的本公开的其他实施方式涉及的光学传感器装置的剖视图。

具体实施方式

本公开的实施方式涉及的光学传感器装置10具备光学传感器1、和被安装光学传感器1的安装基板7。此外，光学传感器1具备基板2、透明基板3、发光元件5和受光元件6。光学传感器1具有第1上表面23以及第1下表面11。第1上表面23以及第1下表面11也可以与基板2的上表面以及下表面相同。

也可以是，基板2在俯视下为矩形，层叠多个电介质层而形成。基板2例如在俯视下，大小为0.5mm～5mm，厚度为0.5mm～5mm。基板2例如也可以是电介质层包含陶瓷材料、或者电介质层包含树脂绝缘材料的有机布线基板。

在基板2为基于陶瓷材料的布线基板(陶瓷布线基板)的情况下，在包含陶瓷材料的电介质层形成连接焊盘、内部布线、信号布线等各种导体。陶瓷布线基板包含多个陶瓷电介质层。

作为陶瓷布线基板中使用的陶瓷材料，例如，可列举氧化铝质烧结体、莫来石质烧结体、碳化硅质烧结体、氮化铝质烧结体、氮化硅质烧结体或者玻璃陶瓷烧结体等。

此外，在基板2为基于有机材料的布线基板(有机布线基板)的情况下，在包含有机材料的绝缘层形成后述的信号布线等布线导体。有机布线基板由多个有机电介质层形成。有机布线基板例如只要是印刷布线基板、堆积布线基板或者柔性布线基板等的电介质层包含有机材料而成的布线基板即可。作为有机布线基板中使用的有机材料，例如，可列举环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂或者氟系树脂等。

此外，至少两个成为开口部的凹部位于该基板2，两个凹部中的一者是容纳受光元件6的第1开口部21，两个凹部中的另一者是容纳发光元件5的第2开口部22。第1开口部21以及第2开口部22设为在基板2的同一主面(光学传感器1的第1上表面23)开口。

本公开的实施方式涉及的光学传感器装置10被用于利用光的多普勒效应来测量血流等流体的流动的测量传感器。为了利用光的多普勒效应，测量传感器具备：发光元件，对被测量物照射光；和受光元件，接受由被测量物散射的光。特别是，在对血流进行测量的情况下，例如从外部对手指等身体的一部分照射光，接受由于流经皮肤下的血管的血液中包含的血球细胞而被散射的光，并根据频率的变化来测定血流。因此，在光学传感器装置10中，基于照射光和散射光的位置关系，以给定的间隔配置发光元件5和受光元件6。第1开口部21以及第2开口部22根据与受光元件6以及发光元件5的位置关系来设置。

第1开口部21的大小、第2开口部22的大小只要根据要容纳的受光元件6以及发光元件5的大小来适当设定即可，例如，在作为发光元件5而使用垂直谐振器面发光激光元件(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting LASER，垂直腔面发射激光器)的情况下，关于第1开口部21的开口，其形状例如可以为矩形也可以为正方形，其大小例如是纵向长度为0.3mm～2.0mm，横向长度为0.3mm～2.0mm，深度为0.3mm～1.0mm。此外，LED(Lightemitting Diode，发光二极管)此外，作为受光元件6而使用面入射光电二极管的情况下，关于第2开口部22的开口，其形状例如可以为矩形也可以为正方形，其大小例如是纵向长度为0.3mm～2.0mm，横向长度为0.3mm～2.0mm，深度为0.4mm～1.5mm。第1开口部21与第2开口部22之间(受光元件6与发光元件5之间)只要远离为发光元件5发出的光不直接入射到受光元件6的程度即可。此外，通过在第1开口部21与第2开口部22之间(受光元件6与发光元件5之间)设置具有遮光性的壁，从而能够使第1开口部21与第2开口部22之间(受光元件6与发光元件5之间)的距离靠近。

第1开口部21以及第2开口部22的开口形状例如可以为圆形、正方形、矩形等，也可以为其他形状。此外，第1开口部21以及第2开口部22也可以为与基板2的主面平行的剖面的剖面形状在深度方向上是一样的形状，但也可以为如下那样的带台阶的凹部，即，直至给定的深度，剖面形状与开口形状相同是一样的，在给定的深度以后，剖面形状变小而直至底部是一样的。在如本公开的一实施方式那样为带台阶的凹部的情况下，在第1开口部21的底部设置用于安装受光元件6的安装区域，在第2开口部22的底部设置用于安装发光元件5的安装区域。此外，在台阶表面设置用于与发光元件5或者受光元件6电连接的连接焊盘。

此外，也可以在基板2存在与发光元件5或者受光元件6电连接、传输向发光元件5输入的电信号、传输从受光元件6输出的电信号的信号布线。该信号布线也可以包含：接合引线，是与发光元件5或者受光元件6连接的连接构件；连接焊盘，被连接接合引线；过孔导体，与连接焊盘电连接，并从连接焊盘的正下方延伸至基板2的下表面；和外部连接端子，与过孔导体电连接。外部连接端子设置在基板2的下表面，通过焊料等端子连接材料而与具备光学传感器装置10的测量传感器被安装的外部安装基板的连接端子电连接。

关于外部连接端子，优选使与焊料等接合材料的润湿性提高并使耐蚀性提高的外部连接端子。因此，例如，也可以通过镀覆法使厚度为0.5μm～10μm的镍层和厚度为0.5μm～5μm的金层依次被覆。

透明基板3覆盖基板2的上表面(光学传感器1的第1上表面23)，并通过接合材料而与第1上表面23接合。容纳了受光元件6以及发光元件5的第1开口部21以及第2开口部22被透明基板3堵住而被密封。透明基板3是包含绝缘材料的板状构件，只要包含具有从容纳于第2开口部22的发光元件5出射的光透射且容纳于第1开口部21的受光元件6接受的光透射这样的光透射性的材料即可。

发光元件5能够使用VCSEL等半导体激光元件，受光元件6能够使用硅光电二极管、GaAs光电二极管、InGaAs光电二极管、锗光电二极管等各种光电二极管。发光元件5以及受光元件6只要根据被测量物的种类、所测量的参数的种类等来适当选择即可。

在对血流进行测定的情况下，例如，为了利用光的多普勒效应来测定，作为是发光元件5的VCSEL，只要是能够出射波长为850nm的激光的元件即可。在进行其他测定的情况下，只要选择出射与测定目的相应的波长的激光的发光元件5即可。关于受光元件6，在接受的光与从发光元件5出射的激光相比没有波长的变化的情况下，只要是能够接受发光元件5的出射光的元件即可，在有波长的变化的情况下，只要是能够接受变化后的波长的光的元件即可。

关于发光元件5以及受光元件6和连接焊盘，在本实施方式中，例如，通过接合引线而电连接，但也可以为倒装芯片连接、凸块连接、使用了各向异性导电膜的连接等其他连接方法。

此外，透明基板3需要使朝向被测量物的照射光以及散射光透射。照射光以及散射光的特性根据所搭载的发光元件来决定，因此只要构成为至少所搭载的发光元件出射的光透射即可。只要利用相对于从发光元件出射的光的波长而具有该波长的光的透射率为70％以上、进而为90％以上的透射率的绝缘材料来构成透明基板3即可。

透明基板3作为绝缘材料，例如能够使用蓝宝石等透明陶瓷材料、玻璃材料或者树脂材料等。作为玻璃材料，能够使用硼硅酸玻璃、晶体化玻璃、石英、钠玻璃等。作为树脂材料，能够使用聚碳酸酯树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂等。此外，透明基板3在俯视下例如为矩形，大小为0.5mmn×1mm～5mmm×5mm。此外，厚度为0.2mm～5mm。

此外，粘接剂将基板2和透明基板3接合。更详细地，在外周部分将第1上表面23和透明基板3的下表面接合。粘接剂沿着第1上表面23设置为环状，是用于确保基板2的第1开口部21以及第2开口部22内的气密性以及水密性的密封材料。容纳于第1开口部21以及第2开口部22的受光元件6以及发光元件5均不耐水分等，为了防止水分从外部进入，粘接剂设置为中途不间断的环状。

进而，粘接剂也可以具有遮光性。粘接剂具有遮光性，从而能够降低来自外部的光通过基板2与透明基板3之间而进入到第1开口部21内和第2开口部22内的情况。

粘接剂具有的遮光性优选是基于光的吸收的遮光性。出于防止从外部进入光的观点，也可以是基于反射的遮光性，但在测量传感器的内部产生的杂散光有可能由粘接剂反射进而被受光元件接受。粘接剂只要是吸收光的粘接剂即可，能够吸收来自外部的光而防止进入，并且还能够将在内部产生的杂散光吸收。

粘接剂构成为包含这样的具有基于光的吸收的遮光性的材料。粘接剂例如可使光吸收性材料分散到具有基板2和透明基板3的接合性的环氧树脂、导电性硅酮树脂等树脂系粘接剂而得到。作为光吸收材料，例如，能够使用无机颜料。作为无机颜料，例如，能够使用碳黑等的碳系颜料、钛黑等的氮化物系颜料、Cr-Fe-Co系、Cu-Co-Mn系、Fe-Co-Mn系、Fe-Co-Ni-Cr系等的金属氧化物系颜料等。此外，导电性接合剂也可以包含焊料等金属材料。例如，能够使用Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Au-Sn、Au-Sn-Ag、Au-Si等钎料。

在透明基板3的下表面具有遮光膜4。遮光膜4例如通过将Cr、Ti、Al、Cu、Co、Ag、Au、Pd、Pt、Ru、Sn、Ta、Fe、In、Ni或W等金属或者它们的合金等的金属材料进行蒸镀、溅射、烧附等而形成。遮光膜4的厚度例如为50nm～1000nm。遮光膜4也可以位于与发光元件5重叠的位置。此时，所谓重叠，是指遮光膜4将发光元件5的一部分覆盖的状态。遮光膜4在一部分存在贯通孔，使得至少发光元件5发出的光以及到达受光元件6而反射的光通过。

遮光膜4也可以是，仅在想要使发光元件5辐射出的光透射的部位不设置遮光膜4，而在其他部位设置遮光膜4。由此，能够降低从透明基板3的其他部位泄漏出光的情况。其结果是，能够降低由于泄漏出而由被测量物进行预想外的反射从而光入射到受光元件6的情况。

光学传感器1被安装于安装基板7。也可以是，安装基板7在俯视下例如为矩形，大小为3mm×7mm～50mm×70mm，厚度为0.3mm～2mm。此外，也可以包含有机材料、陶瓷材料等。

安装基板7和光学传感器1经由接合材料8等而接合。接合材料8也可以包含环氧树脂、硅酮树脂或者焊料等金属材料。此外，例如，能够使用Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Au-Sn、Au-Sn-Ag、Au-Si等钎料。

在沿着与将俯视下的受光元件6的中心以及发光元件5的中心连结的第1虚拟直线X1垂直的第2虚拟直线X2的剖视下，光学传感器1的第1下表面11相对于安装基板7的第2上表面71以及/或者第2下表面72被倾斜地安装。此时，光学传感器1的第1下表面11至少相对于安装基板7的第2下表面72倾斜，即，光学传感器1是光轴相对于对象物(流体)的表面倾斜的状态。在平面透视下处于与发光元件5重叠的位置，在剖视下成为倾斜的状态。此时，关于光学传感器1的第1下表面11相对于安装基板7的第2下表面72的倾斜，既可以使光学传感器1的第1下表面11的一部分浮起，也可以在接合材料8制作较薄的部分和较热的部分而使厚度不同。此外，也可以是，接合材料8为焊料球，通过具有多个直径不同的焊料球从而倾斜。焊料球是指将焊料做成为球状的形状的焊料。即，是由球状的焊料材料构成的接合材料。更具体地，多个焊料球具有：第1焊料球，位于第1下表面11之中光学传感器1和安装基板7的间隔为第1距离的第1位置；和第2焊料球，位于第1下表面11之中上述间隔为比第1距离大的第2距离的第2位置。此时，第2焊料球的直径比第1焊料球的直径大。此时，优选的是，多个焊料球越是位于第1下表面11之中光学传感器1和安装基板7的间隔大的地方，越是具有大的直径。此外，接合材料8也可以位于光学传感器1的第1下表面11的整面。

在本公开的实施方式涉及的光学传感器装置10中，如上所述，光学传感器1的第1下表面11相对于安装基板7的第2下表面72倾斜，因此来自发光元件5的光的光轴倾斜，能够使作为对象物的流体或者流路的表面中的正反射分量逃至光学传感器1外。即，与正反射分量照射到受光元件6的情况相比较，能够使信号光的比率相对地增加，信号光的强度的检测提高。

此外，如图9～图17所示，光学传感器装置10除了光学传感器1和安装基板7之外，也可以还具有壳体9和流路13。壳体9位于安装基板7的第2上表面71，光学传感器1位于内部。此时，如图10所示，壳体9的底面为安装基板7。此外，如图11以及图15所示，安装基板7也可以进一步地将安装部70作为安装基板7的一部分而位于壳体9内。此时，如图14～图17所示，存在安装部70，从而第2上表面71也可以成为台阶状。此外，也可以仅安装部70由不同的材料构成。在平面透视下，光学传感器1的第1上表面23位于相对于流路13倾斜的位置。此时，也可以光学传感器1相对于安装基板7的第2上表面71倾斜。即，也可以在位于内部的安装基板7与光学传感器1之间，安装基板7的第2上表面71成为倾斜面。壳体9例如在俯视下为矩形，大小根据后述的流路的大小而为多种多样的。壳体9例如包含陶瓷材料、有机材料等。

在壳体9装配有流路13。流路13位于光学传感器1的上方，在内部流动流体。流路13在剖视下既可以为圆形也可以为矩形。流路13的大小根据所测定的对象的流体为何种流体来决定。也可以是，在剖视下，来自发光元件的光的轴不通过流路13的剖面即圆形的中心。由此，能够进一步使正反射分量逃至外部。

光学传感器1的第1下表面11和安装基板7的第2上表面71也可以经由接合材料8而平行地接合。此外，为使厚度稍微不同，也可以稍微倾斜。此时，只要壳体9的内底面的倾斜较大即可。此外，优选安装基板7的第2上表面71和光学传感器1的第1下表面11隔着接合材料8位于平行的位置。由此，光学传感器1能够位于相对于流路13倾斜的位置。这样一来，与正反射分量照射到受光元件6的情况相比较，能够使信号光的比率相对地增加，信号光的强度的检测提高。

此时，壳体9的内底面在剖视下相对于流路13的流体流动的朝向而垂直的方向上倾斜。即，来自发光元件5的光的轴相对于流路13倾斜。此外，如图15～图17所示，也可安装基板7的第2上表面71具有倾斜，光学传感器1进一步地相对于该第2上表面71也被倾斜地安装。这样一来，与正反射分量照射到受光元件6的情况相比较，能够使信号光的比率相对地增加，信号光的强度的检测提高。

在本公开的实施方式涉及的光学传感器装置10中，如上所述，光学传感器1相对于安装基板7的第2下表面72倾斜，光学传感器1相对于流路13的流体的流动倾斜，因此来自发光元件5的光的光轴倾斜，能够使作为对象物的流体或者流路的表面中的正反射分量逃至光学传感器1外。即，与正反射分量照射到受光元件6的情况相比较，能够使信号光的比率相对地增加，信号光的强度的检测提高。

<光学传感器装置的制造方法>

对光学传感器装置10的制造方法进行说明。首先，与多层布线基板的制造方法同样地制作基板2。在基板2为陶瓷布线基板、陶瓷材料为氧化铝的情况下，首先，在氧化铝(Al

另一方面，准备通过切削、切断等将玻璃材料切出为给定形状的透明基板3。在透明基板3的下表面，通过蒸镀、溅射、烧附等而形成后述的遮光膜4。

另外，在上述中，过孔导体做成为在基板2内在上下方向形成为一直线状的结构，只要从基板2的上表面电连接至下表面的外部连接端子即可，也可以不是一直线状，而是在基板2内通过内层布线、内部接地导体层等偏移而形成。

<光学传感器装置的其他实施方式>

本公开的其他实施方式涉及的光学传感器装置也可以在透明基板3的上表面，在与第1开口部21以及第1贯通孔重叠的位置装配有透镜。透镜在俯视下，例如，大小为Φ20μm～Φ2mm，厚度为0.5mm～2mm。此外，透镜例如包含石英玻璃、硼硅酸玻璃等玻璃材料、丙烯酸、聚碳酸酯、苯乙烯、聚烯烃等树脂材料。优选透镜为使从发光元件5辐射的光通过受光元件6而具有透射性。此外，优选透镜使用具有聚光性并具有使凸透镜等的光朝光轴方向折射的性质这样的透镜。具有透镜，由此使从发光元件5照射的扩散光折射，变为聚集光、准直光，从而能够使朝向受光元件6的光的聚光性提高。

此时，也可以是，在透明基板3的上表面，在与第2开口部22以及第2贯通孔重叠的位置，进一步装配有第2透镜。第2透镜在俯视下，例如，大小为Φ70μm～Φ2mm，厚度为50μm～2mm。此外，第2透镜例如包含石英玻璃、硼硅酸玻璃等玻璃材料、丙烯酸、聚碳酸酯、苯乙烯、聚烯烃等树脂材料。优选第2透镜为使从发光元件5辐射的光通过而具有透射性。此外，优选第2透镜使用具有聚光性并具有使凸透镜等的光朝光轴方向折射的性质这样的透镜。具有第2透镜，由此使从发光元件5照射的扩散光折射，变为聚集光、准直光，从而能够使光的聚光性提高。

如图8以及图17所示，在安装基板7，例如还安装对发光元件5的发光进行控制的控制元件、对受光元件6的输出信号进行处理的处理部73、根据处理部73的信号来计算血流速度等的运算部74等。

在进行测定的情况下，在作为被测量物而使手指的指尖与透明基板3的表面接触的状态下，从安装基板7经由外部连接端子向光学传感器装置10输入发光元件控制电流，通过过孔导体、连接焊盘等而向发光元件5输入，并从发光元件5出射测量用的光。若所出射的光透射透明基板3而照射到指尖，则会被血液中的血球细胞散射。若透射了透明基板3的散射光被受光元件6接受，则与受光量相应的电信号从受光元件6输出。所输出的信号通过连接焊盘、过孔导体而经由外部连接端子从光学传感器1向安装基板7的处理部73输出而被进行处理。

在安装基板7中，由处理部73处理的信号输入至具有运算元件的运算部74，例如，通过对受光元件6接受到的散射光的每个频率的强度进行分析，从而能够计算血流速度。

在本公开的其他实施方式涉及的光学传感器装置10中，也可以是，第2受光元件进一步位于第1开口部21。此时，关于遮光膜4，优选第2受光元件的上方也没有设置其一部分。朝向第2受光元件辐射的光透射的区域预先空置，从而能够降低使干扰光到达第2受光元件的情况。

此外，在本公开的其他实施方式涉及的光学传感器装置10中，也可以是，遮光膜4在与第2开口部重叠的位置进一步具有贯通孔。贯通孔成为所谓的参照光用的贯通孔。孔位于遮光膜的靠近受光元件的位置，从而能够取入参照光。通过取入参照光，从而更准确地向受光元件6传导光，因此能够使速度计算更为准确。

此外，在本公开的其他实施方式涉及的光学传感器装置10中，在第1开口部21与第2开口部22之间，透明基板3的下表面与基板2之间空置。即，基板2在第1开口部21与第2开口部22之间存在具有遮光性的壁，是指该壁的上端的一部分不存在的状态。这样一来，能够使参照光直接地到达受光元件6，因此能够实现更为准确的测量。

此外，在本公开的其他实施方式涉及的光学传感器装置10中，也可以是，在俯视下，光学传感器1是具有长边以及短边的长方形，第1虚拟直线X1与光学传感器1的长边平行。在该情况下，第2虚拟直线X2与光学传感器1的短边平行。此时，相对于安装基板7倾斜地安装变得容易。

此外，如图3以及图12所示，在本公开的其他实施方式涉及的光学传感器装置10中，也可以是，第1开口部21的底面以及第2开口部22的底面分别具有倾斜的倾斜面。此时，例如，倾斜面的倾斜角度相对于第1上表面23为5°～50°。由此，能够使照到被测量物的光的照射位置靠近。

另外，本公开不限定于上述的实施方式的例子，能够进行数值等各种变形。此外，本实施方式中的各元件的安装方法等没有指定。此外，本公开涉及的各实施方式只要其内容没有矛盾，就能够全部进行组合。此外，本公开的实施方式涉及的光学传感器装置将其用途作为脉搏波血流传感器装置进行了说明，但能够应用于通过发光元件以及受光元件的一对传感器元件而动作的其他装置，例如接近照度一体型传感器装置、接近传感器装置、测距传感器装置等。

符号说明

1 光学传感器；

11 第1下表面；

2 基板；

21 第1开口部；

22 第2开口部；

23 第1上表面；

3 透明基板；

4 遮光膜；

5 发光元件；

6 受光元件；

7 安装基板；

70 安装部；

71 第2上表面；

72 第2下表面；

73 处理部；

74 运算部；

8 接合材料；

9 壳体；

21 第1开口部；

22 第2开口部；

10 光学传感器装置；

X1 第1虚拟直线；

X2 第2虚拟直线。