JP7333052B2

JP7333052B2 - 光センサ

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Publication number: JP7333052B2
Application number: JP2019115109A
Authority: JP
Inventors: 大造小林
Original assignee: Ritsumeikan Trust
Current assignee: Ritsumeikan Trust
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2023-08-24
Anticipated expiration: 2039-06-21
Also published as: JP2021002571A

Description

特許法第３０条第２項適用平成３１年３月２４日、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ－ｅｕｒｏｓｅｎｓｏｒｓ２０１９．ｏｒｇ／ｐｒｏｇｒａｍ／Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ２０１９＿ＰｒｅｌｉｍｉｎａｒｙＰｒｏｇｒａｍ．ｐｄｆ令和１年年６月１４日、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ－ｅｕｒｏｓｅｎｓｏｒｓ２０１９．ｏｒｇ／ｃｇｉ－ｂｉｎ／ｄｏｗｎｌｏａｄ．ｃｇｉ

本開示は、光センサに関する。

特許文献１は、発光素子と受光素子とを含む反射型光センサを開示している。

国際公開ＷＯ２００８／１１７８０号

光の反射を利用した光センサでは、受光素子の近傍に発光素子を設ける必要がある。受光素子の近傍に発光素子を設けると、光センサが大型化する。このため、光センサを小型化するための技術が望まれる。

開示の光センサは、第１面及び前記第１面の反対面である第２面を有する透光性基板と、前記第２面側からの光を受光するように前記第１面側に配置された少なくとも１つの受光素子と、前記第１面側において光を前記受光素子近傍へガイドし、前記受光素子近傍において前記光を前記第２面側に投光する光学系と、を備える。

更なる詳細は、後述の実施形態として説明される。

図１は、第１実施形態に係る光センサの平面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。図４は、第２実施形態に係る光センサの平面図である。図５は、図４のＶ－Ｖ線断面図である。

＜１．光センサの概要＞

（１）実施形態に係る光センサは、基板と、少なくとも１つの受光素子と、光学系と、を有する。前記基板は、第１面及び前記第１面の反対面である第２面を有する透光性基板である。少なくとも１つの前記受光素子は、前記第２面側からの光を受光するように前記第１面側に配置されている。前記光学系は、前記第１面側において光を前記受光素子近傍へガイドし、前記受光素子近傍において前記光を前記第２面側に投光する。光学系は、光を受光素子近傍に光をガイドするため、受光素子近傍に発光素子を設ける必要がなく、光センサの小型化が可能になる。

（２）前記透光性基板は、フィルム状であるのが好ましい。この場合、光センサを薄型化できる。

（３）前記透光性基板は、フレキシブル性を有するのが好ましい。この場合、基板の曲げが可能になる。

（４）前記光学系は、フレキシブル性を有するのが好ましい。この場合、基板とともに光学系を曲げることができる。

（５）前記光学系は、前記第１面側においてガイドされた光を前記第２面側に投光するように前記第２面側に設けられたミラー、微細凹凸、及びプリズムのいずれか一つを備えるのが好ましい。

（６）前記受光素子は、薄膜状素子であるのが好ましい。この場合、光センサの薄型化に寄与する。

（７）前記受光素子は、カルコゲン半導体又はカルコゲン化合物半導体を有するのが好ましい。カルコゲン半導体又はカルコゲン化合物半導体は、光吸収係数が大きいため、薄型化した場合であっても、感度を確保できる。

（８）開示の光センサは、前記光学系から投光された光の反射光が前記受光素子によって受光される前に透過するように設けられたカラーフィルターを更に備えることができる。この場合、光センサは、色を検知できる。

（９）少なくとも一つの前記受光素子は、複数の前記受光素子であるのが好ましい。

（１０）前記光学系は、前記第１面側において光を前記受光素子近傍へガイドする導波路と、前記受光素子近傍において前記光を前記第２面側に投光する投光部と、を備えることができる。

（１１）前記投光部は、前記受光素子を覆うように設けられ、前記受光素子の周辺から、前記第２面側に光を投光するよう構成されているのが好ましい。この場合、投光位置と受光位置とを近づけることができる。

（１２）前記受光素子は、前記投光部側からの光を遮蔽する遮蔽部を備えるのが好ましい。この場合、投光部側からの光が受光素子に進入するのを防止できる。

（１３）前記遮蔽部は、前記受光素子が備える電極によって構成されているのが好ましい。

＜２．光センサの例＞

＜２．１第１実施形態＞

図１から図３は、第１実施形態に係る光センサ１０を示している。光センサ１０は、反射光により物体を検知するフォトインタラプタとして機能する。光センサ１０は、フィルム状の基板２０に設けられており、薄型化が図られている。基板２０は、透光性基板であり、より好ましくは、透明基板である。基板２０が透光性であることで、センシング用の光が基板２０を透過できる。

フィルム状の基板２０の厚さは、下限が１μｍ以上であり、上限が２００μｍ以下であるのが好ましい。基板２０の厚さの上限は、より好ましくは１００μｍ以下であり、さらに好ましくは５０μｍ以下である。基板２０の厚さの下限は、より好ましくは１０μｍ以上であり、さらに好ましくは、２０μｍ以上である。基板２０が薄いため、光センサ１０の軽量化も図られている。

基板２０の材料は、高分子、例えば透明ポリイミド又は耐熱性シリコーン、である。透明ポリイミド又は耐熱性シリコーンなどの高分子材料性のフィルムは、フレキシブル性を有する。すなわち、基板２０は、フレキシブル基板である。基板２０が、フレキシブル性を有することで、基板２０の曲げが可能となる。基板２０が曲げ可能であることで、光センサ１０を湾曲面等又は可動部に設置することが可能になる。

図２に示すように、基板２０は、受光素子３０が配置される第１面２１と、第１面２１の反対面である第２面２２と、を有する。図２に示す受光素子３０は、フォトダイオードである。実施形態の受光素子３０は、基板２０に受光素子を構成する材料が薄膜状に形成された薄膜状素子である。換言すると、受光素子３０は、基板２０上にフォトダイオードを構成する材料が薄膜状に形成された薄膜フォトダイオードである。薄膜状素子は、蒸着等の薄膜形成プロセスによって、受光素子３０を構成する材料を基板２０に形成することで得られる。受光素子３０が薄膜状であることで、基板２０のフレキシブル性が損なわれない。

図２に示すように、受光素子３０は、基板２０から遠い順に、第１電極（上面電極）３１、ｐ型光吸収層４１、ｎ型窓層４２、及び第２電極（下面電極）３２を備える多層膜構造である。

第１電極３１は、薄膜状に形成されており、例えば、金（Ａｕ）電極である。金電極は、光を透過させず、反射する。したがって、実施形態の受光素子３０は、第１電極３１側では光を検知しない。なお、第１電極３１の厚さは、例えば、１５０ｎｍ程度である。

第１電極３１は、接続部５１Ａを介して、基板２０の第１面２１上に形成された第１配線５１に接続されている。第１配線５１は、受光素子３０とは離れて設けられた、検知用の電子回路に接続される。検知用の電子回路は、例えば、受光素子３０から出力された電流を増幅する増幅器等を含む。検知用の電子回路は、基板２０上に設けられていてもよいし、基板２０から離れた位置に設けられていてもよい。

ｐ型光吸収層４１は、薄膜状に形成されており、例えば、ｐ型半導体である結晶セレンである。すなわち、実施形態のｐ型光吸収層４１は、薄膜セレンによって構成されている。セレンは、可視光の光吸収係数が高いため、光センサ１０の高感度化に有利である。また、セレンを用いたフォトダイオードは、比較的低い逆バイアス電圧（－３Ｖ程度）の印加によりアバランシェ効果による光電流の増大がみられる。しかも、セレンは光吸収係数が高いため０．５～２μｍ程度のセレン薄膜でも、十分に光を吸収することができる。セレンを用いたフォトダイオードは、２００℃以下の低温プロセスで形成可能であり、高分子製の基板２０上への形成に適している。

ｐ型光吸収層４１を構成する半導体材料は、セレンに限られず、セレン以外のカルコゲン半導体、例えば、硫黄（Ｓ）又はテルル（Ｔｅ）であってもよいし、カルコゲン化合物半導体であってもよい。カルコゲン化合物半導体は、例えば、Ｃｕ（Ｉｎ_１－ｘ，Ｇａ_ｘ）Ｓｅ_２、セレン化モリブデン（ＭｏＳｅ_２）、又は二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）である。カルコゲン半導体及びカルコゲン化合物半導体は、光吸収係数が高いため、薄膜化しても、十分に光を吸収することができる。

ｎ型窓層４２は、薄膜状に形成されており、例えば、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）又は酸化チタン（ＴｉＯ_２）である。ｎ型窓層４２の厚さは、例えば、４０ｎｍ以下である。

第２電極３２は、薄膜状に形成されており、例えば、ＩＴＯ透明電極である。第２電極３２の厚さは、例えば、２００ｎｍ以下である。第２電極３２は、透明であるため、第２面２２から第１面２１へ向かって基板２０を透過した光を、ｎ型窓層４２側へ透過させることができる。したがって、実施形態の受光素子３０は、第２電極３２側において光を検知することができる。

第２電極３２は、基板２０の第１面２１上に形成された第２配線５２に接続されている。第２配線５２は、第１配線５１とともに、検知用の電子回路に接続される。

光センサ１０は、発光素子９０からの光を受光素子３０近傍へガイドし、第２面側にある検知対象物体に向けて光を投光する光学系６０を備える。光学系６０は、薄く、フレキシブル性を有し、基板２０とともに曲げ可能である。基板２０と光学系６０とがいずれも薄く、両者が一体化されているため、光センサ１０全体の薄型化が図られている。

実施形態の光学系６０は、導波路７０と、投光部８０とを備える。なお、発光素子９０は、基板２０上に設けられていてもよいし、基板２０から離れた位置に設けられていてもよい。発光素子９０と基板２０とが離れている場合、基板２０に設けられた光学系６０と発光素子９０とを光ファイバー等によって接続すればよい。

導波路７０は、基板２０の第１面２１に設けられている。導波路７０は、受光素子３０から離れて設けられた発光素子９０から出力された光を、受光素子３０近傍へガイドする。導波路７０は、第１面２１側において、第１面２１面に沿って、光をガイドする。導波路７０は、例えば、フォトリソグラフィー法により、第１面２１上に形成される。なお、図１に示す導波路７０は、第１配線５１と第２配線５２との間に設けられているが、第１配線５１及び第２配線５２と重なるように設けられていてもよい。

導波路７０は、薄膜状に形成されている。したがって、導波路７０は、薄く、フレキシブル性を有する。すなわち、導波路７０は、曲げ可能なフレキシブル導波路である。導波路７０は、基板２０とともに曲げ可能である。

導波路７０の厚さは、下限が１μｍ以上であり、上限が２００μｍ以下であるのが好ましい。導波路７０の厚さの上限は、より好ましくは１００μｍ以下であり、さらに好ましくは５０μｍ以下である。導波路７０の厚さの下限は、より好ましくは１０μｍ以上であり、さらに好ましくは、２０μｍ以上である。

導波路７０は、第１面２１に設けられた投光部８０まで光をガイドする。投光部８０は、導波路７０によってガイドされた光を、第２面側に投光する。実施形態の投光部８０は、第１面２１側において、受光素子３０を覆うように設けられている。すなわち、投光部８０は、基板２０の平面視において、受光素子３０と重なる位置に配置されている。この場合、投光位置と受光位置とをほぼ一致させることができ好適である。なお、投光部８０は、受光素子３０の近傍において、受光素子３０とは重ならない位置に配置されていてもよい。

投光部８０は、受光素子３０の上方に位置する上面８１と、上面８１から基板２０へ向かう傾斜面８２，８２と、を備える。投光部８０は、導波路７０と同じ材料によって形成されている。投光部８０は、例えば、フォトリソグラフィー法によって、導波路７０と一体的に形成される。なお、図１では、導波路７０は、投光部８０よりも幅狭に形成されているが、投光部８０と同じ幅に形成されてもよいし、投光部８０よりも幅広に形成されていてもよい。

投光部８０は、薄膜状に形成されている。したがって、投光部８０は、薄く、フレキシブル性を有する。すなわち、投光部８０は、曲げ可能なフレキシブル投光部である。投光部８０は、基板２０とともに曲げ可能である。

投光部８０の厚さは、導波路７０と同じであるのが好ましい。したがって、投光部８０の厚さは、下限が１μｍ以上であり、上限が２００μｍ以下であるのが好ましい。投光部８０の厚さの上限は、より好ましくは１００μｍ以下であり、さらに好ましくは５０μｍ以下である。投光部８０の厚さの下限は、より好ましくは１０μｍ以上であり、さらに好ましくは、２０μｍ以上である。

実施形態の投光部８０は、受光素子３０を覆うように設けられているが、投光部８０とｐ型光吸収層４１との間には、光遮蔽部としても機能する第１電極３１が設けられているため、投光部８０内の光が、直接、ｐ型光吸収層４１に到達してしまうことが抑制されている。したがって、受光素子３０は、第１電極３１側からはほとんど受光せず、専ら、第２電極３２側からの反射光を受光する。すなわち、受光素子３０は、第１面２１側に設けられていても、第１面２１側においてガイドされた直接光はほとんど受光せず、第２面２２側からの反射光を受光する。

投光部８０の傾斜面８２，８２には、光を第２面２２側へ反射する投光ミラー８３が設けられている。投光部８０が投光ミラー８３を備えることで、第１面２１側においてガイドされた光を、第２面２２側へ投光することができる。投光ミラー８３は、受光素子３０の周辺から、第２面２２側へ光を投光するように配置されているため、投光位置と受光位置とをほぼ一致させることができる。

なお、投光部８０は、投光ミラー８３によって光を、第２面２２側へ投光するものに限られない。投光部８０は、投光部８０の表面に形成された微細凹凸による散乱によって、第１面２１側においてガイドされた光を、第２面２２側へ投光するように構成されていてもよい。また、投光部８０は、微細プリズムによる配光制御によって、第１面２１側においてガイドされた光を、第２面２２側へ投光するように構成されていてもよい。

投光部８０により、光は、基板２０を厚さ方向に透過し、第２面２２側に存在する物体１００に照射される。第２面２２側に物体１００が存在する場合、光は、物体１００によって反射し、再び基板２０側へ戻る。反射光は、透光性を有する基板２０を透過し、受光素子３０によって受光される。受光素子３０による受光によって、物体１００の存在が検知される。

＜２．２第２実施形態＞

図４及び図５は、第２実施形態に係る光センサ１０を示している。第２実施形態の光センサ１０は、複数の受光素子３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを備える。なお、第２実施形態において特に説明をしない点については、第１実施形態と同様である。

複数の受光素子３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、同一の基板２０に設けられている。複数の受光素子３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃそれぞれの構造は、第１実施形態の受光素子３０と同様である。なお、図４及び図５において、複数の受光素子３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、一次元状に配置されているが、２次元アレイ上に配置されていてもよい。

光センサ１０は、発光素子からの光を、複数の受光素子３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃへガイドする光学系６０を備える。光学系６０は、第１面２１側に設けられた複数の導波路７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを含む。複数の導波路７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃは、第１受光素子３０Ａの近傍へ光をガイドする第１導波路７０Ａと、第２受光素子３０Ｂの近傍へ光をガイドする第２導波路７０Ｂと、第３受光素子３０Ｃの近傍へ光をガイドする第３導波路７０Ｃとを含む。

光学系６０は、複数の投光部８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃを含む。複数の投光部８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃは、第１投光部８０Ａと、第２投光部８０Ｂと、第３投光部８０Ｃと、を含む。第１投光部８０Ａは、第１導波路７０Ａによってガイドされた光を、受光素子３０Ａの近傍において、第２面２２側へ投光する。第２投光部８０Ｂは、第２導波路７０Ｂによってガイドされた光を、受光素子３０Ｂの近傍において、光を第２面２２側へ投光する。第３投光部８０Ｃは、第３導波路７０Ｃによってガイドされた光を、受光素子３０Ｃの近傍において第２面２２側へ投光する。

なお、図４及び図５においては、複数の導波路７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃが設けられているが、単一の導波路によって、投光部８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃへ光をガイドしてもよい。

図５に示すように、基板２０の第２面２２側には、複数のカラーフィルター９５Ａ，９５Ｂ，９５Ｃが設けられている。カラーフィルター９５Ａ，９５Ｂ，９５Ｃは、受光素子３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃにより受光される光の色の選択用である。複数のカラーフィルター９５Ａ，９５Ｂ，９５Ｃは、第１カラーフィルター９５Ａと、第２カラーフィルター９５Ｂと、第３カラーフィルター９５Ｃと、を含む。ここでは、第１カラーフィルター９５Ａは、赤色（Ｒ）の光を透過させる。第２カラーフィルター９５Ｂは、緑色（Ｇ）の光を透過させる。第３カラーフィルター９５Ｃは、青色（Ｂ）の光を透過させる。

第１カラーフィルター９５Ａは、基板２０の平面視において、第１受光素子３０Ａと重なる位置（第１受光素子３０Ａの背面側）に配置されている。したがって、第１投光部８０Ａから出力された光の反射光は、第１受光素子３０Ａによって受光される前に、第１カラーフィルター９５Ａを透過する。したがって、第１受光素子３０Ａは、赤色の反射光を受光する。

第２カラーフィルター９５Ｂは、基板２０の平面視において、第２受光素子３０Ｂと重なる位置（第２受光素子３０Ｂの背面側）に配置されている。したがって、第２投光部８０Ｂから出力された光の反射光は、第２受光素子３０Ｂによって受光される前に、第２カラーフィルター９５Ｂを透過する。したがって、第２受光素子３０Ｂは、緑色の反射光を受光する。

第３カラーフィルター９５Ｃは、基板２０の平面視において、第３受光素子３０Ｃと重なる位置（第３受光素子３０Ｃの背面側）に配置されている。したがって、第３投光部８０Ｃから出力された光の反射光は、第３受光素子３０Ｃによって受光される前に、第３カラーフィルター９５Ｃを透過する。したがって、第３受光素子３０Ｃは、青色の反射光を受光する。

セレン薄膜フォトダイオードである受光素子３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、可視光（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）での高感度な光センシングが可能であるため、カラーフィルター９５Ａ，９５Ｂ，９５Ｃを用いることで、物体１００の色の検知が可能である。

受光素子３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを２次元アレイ配列にし、それに合わせてカラーフィルター９５Ａ，９５Ｂ，９５Ｃも２次元アレイ配列にすることで、光センサ１０は、２次元のカラー画像情報を取得可能になる。

なお、カラーフィルター９５Ａ，９５Ｂ，９５Ｃは、第２面２２側に設けられている必要はなく、第１面２１側に設けられていてもよい。すなわち、カラーフィルター９５Ａ，９５Ｂ，９５Ｃは、反射光から受光素子によって受光される前に透過する位置に配置されていればよい。

＜３．付記＞
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

１０：光センサ
２０：基板
２１：第１面
２２：第２面
３０：受光素子
３０Ａ：第１受光素子
３０Ｂ：第２受光素子
３０Ｃ：第３受光素子
３１：第１電極
３２：第２電極
４１：ｐ型光吸収層
４２：ｎ型窓層
５１：第１配線
５１Ａ：接続部
５２：第２配線
６０：光学系
７０：導波路
７０Ａ：第１導波路
７０Ｂ：第２導波路
７０Ｃ：第３導波路
８０：投光部
８０Ａ：第１投光部
８０Ｂ：第２投光部
８０Ｃ：第３投光部
８１：上面
８２：傾斜面
８３：投光ミラー
９０：発光素子
９５Ａ：第１カラーフィルター
９５Ｂ：第２カラーフィルター
９５Ｃ：第３カラーフィルター
１００：物体

Claims

第１面及び前記第１面の反対面である第２面を有する透光性基板と、
前記第２面側からの光を受光するように前記第１面側に配置された少なくとも１つの受光素子と、
前記第１面側において光を前記受光素子近傍へガイドする導波路と、前記受光素子を覆うように設けられ、前記受光素子の周辺から、前記光を前記第２面側に投光する投光部と、を備える光学系と、
を備える光センサ。
前記透光性基板は、フィルム状である
請求項１に記載の光センサ。
前記透光性基板は、フレキシブル性を有する
請求項１又は２に記載の光センサ。
前記光学系は、フレキシブル性を有する
請求項３に記載の光センサ。
前記光学系は、前記第１面側においてガイドされた光を前記第２面側に投光するように前記第２面側に設けられたミラー、微細凹凸、及びプリズムのいずれか一つを備える
請求項１から４のいずれか１項に記載の光センサ。
前記受光素子は、薄膜状素子である
請求項１から５のいずれか１項に記載の光センサ。
前記受光素子は、カルコゲン半導体又はカルコゲン化合物半導体を有する
請求項１から６のいずれか１項に記載の光センサ。
前記光学系から投光された光の反射光が前記受光素子によって受光される前に透過するように設けられたカラーフィルターを更に備える
請求項１から７のいずれか１項に記載の光センサ。
少なくとも一つの前記受光素子は、複数の前記受光素子である
請求項１から８のいずれか１項に記載の光センサ。
前記受光素子は、前記投光部側からの光を遮蔽する遮蔽部を備える
請求項１から９のいずれか１項に記載の光センサ。
前記遮蔽部は、前記受光素子が備える電極によって構成されている
請求項１０に記載の光センサ。