DE102005003657A1

DE102005003657A1 - Infrarotstrahlungsdetektor mit Infrarotstrahlunssensor und Gehäuse

Info

Publication number: DE102005003657A1
Application number: DE200510003657
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Kariya Watanabe
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2005-01-26
Publication date: 2006-02-09
Also published as: FR2866115B1; FR2866115A1; JP2005221483A

Abstract

Ein Infrarotstrahlungsdetektor umfasst einen Infrarotstrahlungssensor (100) und ein Gehäuse (200). Der Sensor (100) umfasst ein Substrat (10), eine Membran (13) in dem Substrat (10), eine Erfassungsvorrichtung (20) mit einem Teil, der auf der Membran (13) angeordnet ist, und einen Infrarotabsorptionsfilm (30), der auf der Membran (13) angeordnet ist. Das Gehäuse (200) umfasst eine Basis (210) und eine Kappe (220) mit einer Öffnung (221a), die für Infrarotstrahlung durchlässig ist. Der Sensor (100) ist in dem Gehäuse (200) untergebracht. Die Kappe (220) umfasst ferner einen Vorsprung (222), der von einer inneren Wandoberfläche der Kappe (220) in Richtung des Sensors (100) derart hervorragt, dass ein Rand des Vorsprungs (222) außerhalb einer Linie liegt, die einen Rand der Öffnung (221a) des Gehäuses (200) mit einem Rand des Sensors (100) verbindet. Der Vorsprung (222) ist aus einem Material hergestellt, das einen Wärmeleitungskoeffizient besitzt, der größer als derjenige eines sich in dem Gehäuse (200) befindlichen Gases ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarotstrahlungsdetektor (im Folgenden kurz: "Infrarotdetektor") mit einem Infrarotstrahlungssensor (im Folgenden kurz: "Infrarotsensor") und einem Gehäuse.

Ein Infrarotdetektor, der durch Anordnen eines Infrarotsensors in einem Gehäuse, welches einen Sockel und eine Kappe mit einem Fensterabschnitt, das für Infrarotstrahlung durchlässig ist, umfasst, ist aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Beispiel ist in der japanischen ungeprüften Patentanmeldung Nr. H11-142245 offenbart.

Dieser Infrarotdetektor ist durch Anordnen eines Infrarotsensors in einer Umhüllung bekannt. Der Infrarotsensor wird gebildet, indem über einem Isolierungsfilm ein Temperaturwandler (Thermoelemente) gebildet wird. Die Umhüllung (Gehäuse) umfasst einem Behälter (Kappe) mit einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Fenster (Fensterabschnitt) und einer Basis (Sockel). Ein aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehendes Stützelement ist zwischen dem Isolierungsfilm und der Basis angeordnet, und eine Wärmesenke ist zwischen dem Isolierungsfilm und dem Behälter angeordnet. Auf diese Weise wird eine Temperaturdifferenz zwischen dem Behälter und der Basis und dem Infrarotsensor verringert, und ein durch eine Änderung der Umgebungstemperatur verursachtes falsches Ausgangssignal kann verhindert werden (Das heißt, das Ansprechverhalten des Infrarotdetektors ist verbessert).

Bei dem Infrarotdetektor mit dem oben beschriebenen Aufbau tritt jedoch das Problem auf, dass das Stützelement getrennt von dem Infrarotsensor hergestellt werden muss. Außerdem erfordert die Wärmesenke eine komplizierte Herstellung. D.h., wenn die Wärmesenke eingebaut wird, wird deren Rand durch das Gehäuse so gebogen bzw. verformt, dass es eine Mehrzahl von Kontaktabschnitten aufweist, die in thermischen Kontakt mit der inneren Umfangsoberfläche des Behälters gebracht werden müssen.

Angesichts des oben beschriebenen Problems ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Infrarotdetektor mit einfachem Aufbau und besserem Ansprechverhalten bereitzustellen.

Ein Infrarotdetektor umfasst einen Infrarotsensor und ein Gehäuse. Der Infrarotsensor umfasst ein Substrat mit einem dünnen Abschnitt als Membran, eine Erfassungsvorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Signals auf der Grundlage einer Temperaturänderung in Übereinstimmung mit einem empfangenen Infrarotlicht bzw. einer empfangenen Infrarotstrahlung, wobei die Erfassungsvorrichtung einen Teil aufweist, der auf der Membran angeordnet ist, und einem Infrarotabsorptionsfilm, der so auf der Membran angeordnet ist, dass er den Teil der Erfassungsvorrichtung abdeckt. Das Gehäuse umfasst eine Basis und eine Kappe bzw. Abdeckung mit einer Öffnung, die für Infrarotstrahlung (Infrarotlicht) durchlässig ist. Der Infrarotsensor ist so in dem Gehäuse untergebracht, dass er auf der Basis angeordnet und von der Kappe überdeckt ist. Die Kappe umfasst ferner einen Vorsprung, der von einer inneren Wand der Kappe in Richtung des Infrarotsensors derart hervorragt, dass ein innerer Rand des Vorsprungs außerhalb einer Linie angeordnet ist, die einen Rand der Öffnung des Gehäuses mit einem Rand des Infrarotsensors verbindet. Der Vorsprung ist aus einem Material hergestellt, das einen Wärmeleitungskoeffizient aufweist, der größer als derjenige eines in dem Gehäuse befindlichen Gases ist.

In dem oben beschriebenen Detektor ist wenigstens ein Teil der Erfassungsvorrichtung auf der Membran angeordnet, und der Infrarotsensor ist auf der Basis des Gehäuses angeordnet. Darüber hinaus ist der Vorsprung zwischen dem Substrat und der Kappe ausgebildet. Insbesondere ragt der Vorsprung von der Kappe in Richtung des Sensors hervor. Der Vorsprung ist aus einem Material hergestellt, das einen Wärmeleitungskoeffizienten besitzt, der größer als derjenige des in dem Gehäuse befindlichen Gases ist. Demzufolge ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Sensor und dem Gehäuse im Vergleich zu einem herkömmlichen Detektor ohne Vorsprung verringert. Daher kann der Detektor auf die Temperaturänderung der äußeren Umgebung reagieren. Das heißt, das Ansprechverhalten des Detektors auf Änderungen der Umgebungstemperatur ist verbessert, so dass der Detektor eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Darüber hinaus ist die Membran als der dünne Abschnitt des Substrats als Teil des Substrats ausgebildet, und ferner ist der Vorsprung auf der Kappe ausgebildet. Demzufolge ist der Aufbau des Detektors einfach.

Vorzugsweise ist der Vorsprung von dem Infrarotsensor getrennt. In diesem Fall wird verhindert, dass die in der Erfassungsvorrichtung absorbierte Energie infraroter Strahlung zu dem Substrat entweicht. Daher ist die Empfindlichkeit des Sensors erhöht.

Vorzugsweise ist der Vorsprung aus einem Material hergestellt, das von demjenigen der Kappe verschieden ist, so dass die Wärmeleitungskoeffizienten beider Materialien verschieden sind. Vorzugsweise ist der Wärmeleitungskoeffizient des Materials des Vorsprungs größer als derjenige der Kappe. Der Vorsprung wird in die Kappe eingebaut. Das Ansprechverhalten auf die Atmosphärentemperatur ist stark verbessert. Vorzugsweise ist der Vorsprung auf der inneren Wand der Kappe befestigt. Insbesondere ist keine zusätzliche Spannvorrichtung zur Verbindung des Vorsprungs mit der Kappe erforderlich, da der Vorsprung mit der Kappe verpresst ist. Daher sind die Herstellungskosten des Detektors verringert. Ferner kann der Vorsprung mit Hilfe eines Klebemittels oder einem Schweißverfahren mit der Kappe verbunden werden.

Vorzugsweise ist das Material des Vorsprungs das gleiche wie dasjenige der Kappe, so dass der Vorsprung einstückig mit der Kappe ausgebildet ist. In diesem Fall ist der Herstellungsprozess des Detektors vereinfacht.

Vorzugsweise ist die Erfassungsvorrichtung ein Thermoelement, das einen auf der Membran angeordneten Messpunkt und einen auf dem Substrat, jedoch nicht auf der Membran, angeordneten Referenzpunkt aufweist.

Vorzugsweise ist das Substrat ein Halbleitersubstrat, und die Erfassungsvorrichtung ist, durch einen Isolierungsfilm getrennt, auf dem Substrat angeordnet. In diesem Fall kann die Membran leicht mit Hilfe eines herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung von Halbleiterbauelementen auf dem Substrat ausgebildet werden, so dass die Herstellungskosten des Detektors verringert sind.

Vorzugsweise ist der Infrarotsensor durch einen Schaltungschip getrennt auf der Basis angeordnet.

Vorzugsweise umfasst der Detektor ferner eine Infrarotlichtquelle zur Aussendung des Infrarotlichts bzw. der Infrarotstrahlung durch Erwärmen eines Widerstandselements der Infrarotlichtquelle, indem dem Widerstandsele ment Energie zugeführt wird. Der Infrarotsensor und die Infrarotlichtquelle bilden einen Infrarotgassensor zur Erfassung der Art und der Konzentration des Gases (Messobjekt) in dem Gehäuse auf der Grundlage der Stärke der Absorption von Infrarotstrahlung einer bestimmten Wellenlänge. Die Erfassungsvorrichtung und das Widerstandselement sind so auf dem Substrat angeordnet, dass sie sich innerhalb des Gehäuses befinden.

Die oben genannten und weiter Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen sind:
1A eine Querschnittsansicht, die einen Infrarotsensor zeigt, 1B eine Draufsicht, die den Sensor zeigt, und 1C ein Schaltungsdiagramm, das das Abgreifen des Ausgangssignals des Sensors erläutert, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die den Infrarotdetektor gemäß der bevorzugten Ausführungsform zeigt;
3 eine schematische Querschnittsansicht, die eine Funktion einer Kappe gemäß der bevorzugten Ausführungsform erläutert; und
4 eine schematische Querschnittsansicht, die einen Gassensor gemäß der bevorzugten Ausführungsform zeigt.
Nachfolgend ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung der bevor zugten Ausführungsform dient ein Infrarotdetektor mit einem Infrarotsensor vom Typ mit einer Thermosäule, welcher Thermoelemente als Erfassungselement zur Erfassung von infraroter Strahlung (kurz: Infrarotstrahlung) umfasst, als Beispiel.
1A bis 1C sind Zeichnungen, die den allgemeinen Aufbau des Infrarotsensors eines Infrarotdetektors gemäß dieser Ausführungsform zeigen. 1A ist eine Querschnittsansicht, 1B ist eine Draufsicht der oberen Oberflächenseite und 1C ist ein schematisches Diagramm, das den Aufbau des Erfassungselements und die Art und Weise, wie das Ausgangssignal des Infrarotsensors entnommen wird, zeigt.
Wie in 1A gezeigt ist, umfasst der Infrarotsensor 100 ein Substrat 10, ein Erfassungselement 20 und einen Infrarotstrahlung absorbierenden Film 30 (im Folgenden kurz: "Infrarotabsorptionsfilm").
Das Substrat 10 ist ein Halbleitersubstrat, das aus Silizum besteht. In dem Substrat 10 ist zum Beispiel durch Nassätzen des Substrats 10 von der Unterseite ein Hohlraum 11 ausgebildet. In dieser Ausführungsform ist jeder Querschnitt durch den Hohlraum 11 in einer Ebene parallel zur Zeichenebene der 1B rechteckförmig, wobei sich die Fläche des Querschnitts in vertikaler Richtung von unten nach oben in 1A verringert. Die oberste Querschnittsfläche ist in 1B durch eine gestrichelte Linie angezeigt ist.
Wie in 1A gezeigt ist, ist ein Isolierungsfilm 12, der einen Siliziumoxidfilm, ein Siliziumnitridfilm und dergleichen umfasst, auf der oberen Oberfläche des Substrats 10 einschließlich des Hohlraums 11 ausgebildet. Der Abschnitt des Isolierungsfilms 12, der über dem Hohl raum 11 angeordnet ist, bildet so einen dünnwandigen Abschnitt des Substrats 10, d.h. eine Membran 13. In dieser Ausführungsform ist der Isolierungsfilm 12 als Siliziumnitridfilm durch CVD oder dergleichen auf dem Substrat 10 ausgebildet, und darauf wiederum ist ein Siliziumoxidfilm ausgebildet.
Wenn das Substrat 10 wie oben erwähnt ein Halbleitersubstrat ist, kann die Membran 13 mit Hilfe herkömmlicher Techniken zur Herstellung von Halbleiterbauelementen über dem Substrat 10 ausgebildet werden. Mit anderen Worten, es kann ein Infrarotsensor 100 hoher Empfindlichkeit kostengünstig hergestellt werden. Außer einem Halbleitersubstrat kann ein Glassubstrat oder dergleichen für das Substrat 10 verwendet werden.
Das Erfassungselement 20 umfasst Thermoelemente und erstreckt sich von der Membran 13 zu dem dickwandigen Abschnitt des Substrats 10 außerhalb der Membran 13, wie es in 1B gezeigt ist. Wie es in 1C gezeigt ist, sind die Thermoelemente wie folgt gebildet: Eine Mehrzahl von Gruppen von Filmen aus zwei verschiedenen Materialien 20a und 20b erstrecken sich im Wechsel hintereinander angeordnet über das Substrat 10 (Thermosäule), wobei ihre jeweiligen Verbindungsstellen 20c, 20d abwechselnd heiße Kontakte 20c als Messpunkte und kalte Kontakte 20d als Referenzpunkte bilden. Ein Beispiel einer Kombination der Filme unterschiedlicher Materialien 20a und 20b ist eine Kombination aus einem Aluminiumfilm und einem polykristallinen Siliziumfilm. Ein polykristalliner Siliziumfilm ist auf dem Isolierungsfilm 12 ausgebildet, und ein Aluminiumfilm ist über diesem polykristallinen Siliziumfilm ausgebildet, wobei ein aus BPSG (Bor dotiertes Phosphor-Silizium-Glas) oder dergleichen bestehender Isolierungsfilm (im Folgenden kurz als "Zwischenlage-Isolierungsfilm" bezeichnet) dazwischen angeordnet ist.
Der Aluminiumfilm ist durch in dem Zwischenlage-Isolierungsfilm ausgebildete Kontaktlöcher mit Endabschnitten des polykristallinen Siliziumfilms verbunden. Der Aluminiumfilm bildet einen Teil des Erfassungselements und verbindet darüber hinaus das Erfassungselement mit Elektroden.
Der Infrarotsensor 100, welcher derartige Thermoelemente 20 umfasst, wird als Infrarotsensor vom Typ mit Thermosäule bezeichnet. Wie in 1A bis 1C gezeigt ist, sind die heißen Kontakte 20c der Thermoelemente 20 auf der Membran 13 ausgebildet, die eine niedrige Wärmekapazität besitzt. Die kalten Kontakte 20d der Thermoelemente 20 sind außerhalb der Membran 13, auf dem Substrat 10 ausgebildet, welches eine hohe Wärmekapazität hat. Das Substrat 10 fungiert als Wärmesenke.
Die vorliegende Erfindung ist für jedes Erfassungselement 20 geeignet, das die folgenden Eigenschaften aufweist: wenigstens ein Teil des Erfassungselements 20 ist über der Membran 13 ausgebildet, wenigstens ein Teil seines auf der Membran 13 ausgebildeten Abschnitts ist mit dem Infrarotabsorptionsfilm 30 überdeckt, und das Erfassungselement 20 erzeugt ein elektrisches Signal auf der Grundlage einer Temperaturänderung durch Auftreffen von Infrarotstrahlung. Daher können auch andere als die mit den oben beschriebenen Thermoelementen versehenen Erfassungselemente verwendet werden. Als Erfassungselemente können beispielweise ein Erfassungselement vom Typ eines Bolometers, der ein Widerstandselement umfasst, oder ein Ladungssammel-Erfassungselement, das einen Kollektor aufweist, verwendet werden.
Der Infrarotabsorptionsfilm 30 ist aus einem Material gebildet, das Infrarotstrahlen wirksam absorbiert, und ist so über der Membran 13 ausgebildet, dass wenigstens ein Teil des Erfassungselements 20 damit überdeckt ist. Der Infrarotabsorptionsfilm 30 in dieser Ausführungsform wird dadurch gebildet, dass eine Mischung aus Polyesterharz und Kohlenstoff erzeugt und diese Mischung erhitzt und verdichtet wird. Der Infrarotabsorptionsfilm 30 ist so über der Membran 13 ausgebildet, dass die heißen Kontakte 20c überdeckt sind, so dass er die Infrarotstrahlen absorbiert und wirksam die Temperatur der heißen Kontakte 20c des Erfassungselements 20 erhöht. In dieser Ausführungsform ist der Infrarotabsorptionsfilm 30 so ausgebildet, dass er wenigstens einen Teil des Erfassungselements 20 überdeckt, wobei dazwischen ein Schutzfilm wie etwa ein Siliziumnitridfilm angeordnet ist.
Der Infrarotabsorptionsfilm 30 ist in einem vorbestimmten Abstand von den Enden des Bereichs ausgebildet, der die Membran 13 bildet (im Folgenden als "Membranbildungsbereich" bezeichnet. D.h. der Infrarotabsorptionsfilm 30 ist so ausgebildet, dass das Verhältnis A/C = 0,75 bis 0,9 beträgt, wobei A die Breite des Infrarotabsorptionsfilms 30 und C die Breite der Membran 13 ist (A kann auch als die Länge in Richtung der Substratebene in 1A definiert werden). Die Beziehung zwischen dem Infrarotabsorptionsfilm 30 und der Membran 13 ist in der japanischen ungeprüften und veröffentlichten Patentanmeldung Nr. 2002-365140 offenbart.
Wie oben erwähnt, ist der Infrarotsensor 100 in dieser Ausführungsform wie folgt ausgebildet: Die heißen Kontakte 20c des Erfassungselements (Thermoelemente) 20 sind mit dem Infrarotabsorptionsfilm 30 überdeckt und auf der Membran 13 ausgebildet. Die kalten Kontakte 20d sind auf dem dickwandigen Abschnitt des Substrats 10, d.h. nicht auf der Membran 13 ausgebildet.
Wenn zum Beispiel von einem menschlichen Körper Infrarotstrahlen ausgesendet werden, werden daher diese Infrarotstrahlen von dem Infrarotabsorptionsfilm 30 absorbiert, so dass sich dessen Temperatur erhöht. Als Folge davon erhöht sich die Temperatur der heißen Kontakte 20c, die unter dem Infrarotabsorptionsfilm 30 angeordnet sind. Die Temperatur der kalten Kontakte 20d erhöht sich nicht, da das Substrat 10 als Wärmesenke wirkt. Wie oben erwähnt, verändert das Erfassungselement 20 seine elektromotorische Kraft durch eine zwischen den heißen Kontakten 20c und den kalten Kontakten 20d erzeugte Änderung der Temperaturdifferenz, die erzeugt wird, wenn Infrarotstrahlung empfangen wird (Seebeck-Effekt). Auf der Grundlage der veränderten elektromotorischen Kraft werden die Infrarotstrahlen erfasst. Die in 1C dargestellten Thermoelemente bilden eine Thermosäule. Daher liefert die Summe der in den einzelnen Gruppen der unterschiedlichen Materialien 20a und 20b erzeugten elektromagnetischen Kräfte die Ausgangsspannung V_aus des Erfassungselements 20.
Der wie oben beschrieben aufgebaute Infrarotsensor 100 ist in dem Gehäuse 200 angeordnet, welches den Sockel und die Kappe umfasst, und bildet den Infrarotdetektor 300. Nachfolgend ist der Infrarotdetektor 300 mit Bezug auf 2 und 3 beschrieben. 2 ist eine Zeichnung, die den allgemeinen Aufbau des Infrarotdetektors 300 zeigt. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung der Kappe des Gehäuses 200, welche ein kennzeichnender Abschnitt dieser Ausführungsform ist.
Ein herkömmlicher Infrarotdetektor wird wie folgt gebildet: Ein Infrarotsensor wird auf einem Sockel oder dergleichen befestigt, und eine Kappe mit einem Eintrittsfenster, das für Infrarotstrahlung durchlässig ist, wird anschließend auf den Sockel montiert. Auf diese Wei se ist der Infrarotsensor in dem aus dem Sockel und der Kappe gebildeten Gehäuse aufgenommen, um so den Infrarotdetektor zu bilden. Dabei wird die folgenden Maßnahme ergriffen, damit der Infrarotabsorptionsfilm wirksam Infrarotstrahlen absorbieren kann: Die Kappe (das Eintrittsfenster) und der Infrarotsensor sind in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet, und das Gehäuse ist mit Gas (z.B. Luft, Stickstoff) gefüllt. Daraus ergibt sich das folgende Problem: Obwohl der Infrarotsensor mit dem Sockel in Kontakt ist, ist zwischen dem Infrarotsensor und der Kappe ein Gas vorhanden, das eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt. Aus diesem Grund kann die Temperatur des Infrarotsensors einer schnellen Temperaturänderung der äußeren Umgebung des Gehäuses nicht folgen. Als Folge davon kann solange kein genaues Ausgangssignal gewonnen werden, bis die Umgebungstemperatur und die Temperatur des Infrarotsensors sich im Wesentlichen angeglichen haben. Das heißt, das Ansprechverhalten des Infrarotsensors in dem herkömmlichen Detektor ist verbessert.
Der Infrarotdetektor 300 in dieser Ausführungsform ist durch die Kappe 220 gekennzeichnet, die zusammen mit dem Sockel 210 das Gehäuse 200 bildet.
Wie in 2 dargestellt, ist der Infrarotdetektor 300 wie folgt aufgebaut: Ein Schaltungschip 230 ist auf dem Sockel 210 befestigt, und der Infrarotsensor 100 ist auf dem Schaltungschip 230 angeordnet. Der Sockel 210 ist mit Anschlüssen 240 versehen, die durch den Sockel 210 nach außen geführt sind, wobei die Durchführungsabschnitte hermetisch versiegelt sind. Die Anschlüsse 240, der Infrarotsensor 100 und der Schaltungschip 230 sind über Bondingdrähte 241 miteinander verbunden. Die Kappe 220 ist so auf den Sockel 210 montiert, dass der Infrarotsensor 100 und der Schaltungschip 230 in dem Raum aufgenom men sind, der in montiertem Zustand zwischen der Kappe 220 und dem Sockel 210 gebildet ist.
Die Kappe 220 weist zum Beispiel eine allgemein zylindrische Gestalt auf, und ein Eintrittsfensterabschnitt 221 ist in ihrem oberen Abschnitt, gegenüber dem Sockel 220, ausgebildet. Der Eintrittsfensterabschnitt 221 ist in räumlicher Übereinstimmung mit dem Infrarotabsorptionsfilm 30 des Infrarotsensors 100 angeordnet und für Infrarotstrahlung durchlässig. Der Eintrittsfensterabschnitt 221 umfasst eine Öffnung 221a, die in dem oberen Teil der Kappe 220 ausgebildet ist, und ein Infrarotlicht-Wellenlängenselektionsfilter 221b ist hermetisch auf der inneren Oberfläche der Kappe 220 befestigt, so dass die Öffnung 221a damit bedeckt ist. Wenn Infrarotstrahlen durch den Eintrittsfensterabschnittabschnitt 221 hindurchtreten, geschieht daher Folgendes: Nur Infrarotstrahlen mit einer gewünschten Wellenlänge können selektiv hindurchtreten, und sie treffen auf den Infrarotabsorptionsfilm 30 des Infrarotsensors 100 auf.
Die Kappe 220 umfasst einen Vorsprungsabschnitt bzw. Vorsprung 222, der in Richtung des Infrarotsensors 100 hervorragt. Dieser Vorsprung 222 ist aus einem Material gebildet (z.B. Metall, Harz), welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das in das Gehäuse 200 eingefüllte Gas aufweist. Dies dient dazu, Überlagerungen mit den Infrarotstrahlen zu vermeiden (Fläche zwischen den gestrichelten Linien in 2), die durch den Eintrittsfensterabschnitt 221 auf den Infrarotabsorptionsfilm 30 gerichtet werden. Der Vorsprung 222 in dieser Ausführungsform weist ebenfalls eine allgemein zylindrische Gestalt auf, die der Kappe 220 entspricht. Der obere Teil des Vorsprungs 222 ist offen, um so eine Behinderung der auf den Infrarotabsorptionsfilm 30 gerichteten Infrarotstrahlen zu vermeiden. Mit der wie oben beschrieben aufgebauten Kappe 220 kann die Temperaturdifferenz zwischen dem Infrarotsensor 100 und der Kappe 220 (außen) stärker reduziert werden als in Fällen, in denen sich zwischen dem Infrarotsensor 100 und der Kappe 220 Gas befindet. Mit anderen Worten, selbst wenn die Größe (Außendurchmesser) der Kappe 220 identisch ist, kann das Ansprechverhalten auf eine Änderung der Umgebungstemperatur verbessert werden. Es ist ratsam, dass der Vorsprung 222 so ausgelegt ist, dass die Menge des in das Gehäuses 200 (Raum in dem Gehäuse 200) eingefüllten Gases so weit wie möglich verringert ist. Dies wird dadurch erreicht, dass das Volumen (der Raum) soweit verringert wird, dass auf den Infrarotabsorptionsfilm 30 auftreffende Infrarotstrahlen gerade nicht behindert werden.
Der Vorsprung 222 in dieser Ausführungsform ist aus einem Material gebildet, das von dem Material der Kappe 220 verschieden ist, und in die Kappe 220 eingebaut bzw. aufgenommen. Insbesondere ist der Vorsprung 222 aus einem Material hergestellt (z.B. Aluminium, Kupfer), das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Material (z.B. ein eisenhaltiges Material) der Kappe 220 besitzt. Daher kann das Ansprechverhalten auf eine Änderung der Umgebungstemperatur verbessert werden. Wenn der Vorsprung 222 aus einem von dem Material der Kappe 220 verschiedenen Material gebildet ist, ergibt sich der folgende Vorteil: Die Kontur des Vorsprungs 222 kann freier gewählt werden als in Fällen, in denen der Vorsprung 22 einteilig aus dem gleichen Material wie die Kappe 220 gebildet ist.
Verschiedene Verfahren zum Einbau des Vorsprungs 222 in die Kappe 220 können angewendet werden. Ein Beispiel ist folgendes: Ein Vorsprung 222 wird in vorbestimmter Form gebildet und in die Kappe 220 eingepresst, wie es in 3 gezeigt ist, und der Vorsprung 222 wird mit der inneren Wand der Kappe 220 unter Kraftaufwand in Kontakt gebracht und daran befestigt. In diesem Fall ist ein Befestigungselement zur Befestigung des Vorsprungs 222 an der Kappe 220 nicht notwendig. Daher ist keine komplizierte Fertigung notwendig, so dass der Aufbau des Infrarotdetektors vereinfacht werden kann. Der Einbau durch Einpressen hat die folgenden Vorteile: Wenn das Material, das die Kappe 220 bildet, und dasjenige, das den Vorsprung 222 bildet, eine unterschiedliche Härte aufweisen, passt sich das Material mit der geringeren Härte den Aussparungen und Vorsprüngen auf der Oberfläche des Materials mit der größeren Härte an. Als Folge davon wird die Kontaktfläche vergrößert, und der Vorsprungsabchnitt 222 kann stabiler an der Kappe 220 befestigt werden.
Weitere Verfahren zum Einbau sind zum Beispiel Kleben (vorzugsweise mit leitendem Klebemittel) und Schweißen. Selbst wenn der Vorsprung 222 und die Kappe 220 aus dem gleichen Material gebildet sind, kann der Vorsprung 222 separat hergestellt werden und durch Verpressen oder dergleichen mit der Kappe 220 verbunden werden.
Wie oben erwähnt, ragt der Vorsprung 222 von der Kappe 220 in Richtung des Infrarotsensors 100 hervor. Dadurch erhöht der Vorsprung 222 die Wärmeübertragung zwischen der Kappe 220 und dem Infrarotsensor 100 im Vergleich zu Fällen, in denen der Vorsprung 222 nicht vorgesehen ist. Daher kann der folgende Aufbau verwendet werden: Der Vorsprung 222 ist mit einem Abschnitt (z.B. dem Substrat 10) des Infrarotsensors 100, der mit dem Erfassungselement 20 elektrisch nicht verbunden ist, in Kontakt. Bei diesem Aufbau kann die Temperaturdifferenz zwischen dem Infrarotsensor 100 und der Kappe 220 (außen) weiter verringert werden. Daher ist dieser Aufbau wirksam bei der Verbesserung des Ansprechverhaltens auf eine Änderung der Umgebungstemperatur. Dieser Aufbau bringt jedoch ein Problem mit sich: Der Infrarotsensor 100 ist schon über dem Sockel 210 angeordnet, und die Anzahl der Wärmekontaktpunkte mit dem Infrarotsensor 100 ist erhöht. Als Folge davon kann die von dem Infrarotabsorptionsfilm 30 (Erfassungselement 20) empfangene Infrarotenergie leicht in Richtung des dickwandigen Abschnitts des Substrats 10 entweichen. Mit anderen Worten, es besteht die Möglichkeit, dass die Sensorempfindlichkeit verschlechtert ist. Der Infrarotdetektor 300 gemäß dieser Ausführungsform ist jedoch so ausgebildet, dass die folgende Bedingung erfüllt ist: Der Vorsprung 222 der Kappe 220 ragt von der Kappe 220 hervor und ist so nah wie möglich an den Infrarotsensor 100 herangeführt, ohne diesen jedoch zu berühren. Mit diesem Aufbau kann das Ansprechverhalten auf eine Änderung der Umgebungstemperatur soweit verbessert werden, dass die Empfindlichkeit des Sensors nicht herabgesetzt ist.
Bei dem Infrarotsensor 300 dieser Ausführungsform fungiert das Substrat 10, das den Infrarotsensor 100 bildet, selbst als Wärmesenke. Daher bildet das Substrat 10 ein Wärmeübertragungselement zwischen dem Infrarotsensor 100 und dem Sockel 210, der das Gehäuse 200 bildet. Daher muss kein separates Übertragungselement zwischen dem Infrarotsensor 100 und dem Sockel 210 vorgesehen sein. Als Folge davon kann der Aufbau zur Verbesserung des Ansprechverhaltens auf eine Änderung der Umgebungstemperatur vereinfacht werden.
Bei der Beschreibung dieser Ausführungsform ist der folgende Fall als Beispiel angenommen: Der Vorsprung 222 ist aus einem Material gebildet, das von dem Material der Kappe 220 verschieden ist, und in der Kappe 220 durch Einpressen befestigt. Alternativ kann der folgende Aufbau verwendet werden: Verwenden des gleichen Materials wie das der Kappe 220, der Vorsprung 222 ist einteilig auf der Kappe 220 ausgebildet. In diesem Fall kann der Herstellungsprozess vereinfacht werden.
Bei der Beschreibung dieser Ausführungsform ist der folgende Fall als Beispiel angenommen: Der Infrarotsensor 100 ist über dem Sockel 210 befestigt, wobei sich der Schaltungschip 230 dazwischen befindet. Statt dessen kann der folgende Aufbau verwendet werden: Der Infrarotsensor 100 ist (zum Beispiel durch Kleben) mit der Seite des Substrats 10, die der Membranbildungsfläche gegenüberliegt, direkt auf dem Sockel 210 befestigt.
Bisher ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben worden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die oben genannte Ausführungsform begrenzt, sondern kann auf verschiedene Weise modifiziert werden.
Bei der Beschreibung der obigen Ausführungsform ist der folgende Fall als Beispiel angenommen: Der Hohlraum 11, der in dem Substrat 10 des Infrarotsensors 100 gebildet ist, ist nur auf der der Membranbildungsfläche des Substrats 10 gegenüberliegender Seite geöffnet. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch für einen Infrarotsensor 100 geeignet, der einen Hohlraum 11 aufweist, der auf der der Membranbildungsfläche des Substrats 10 gegenüberliegenden Seite geschlossen ist. In diesem Fall kann der Hohlraum 11 durch Ausbilden von Ätzlöchern und Ätzen des Substrats 10 ausgehend von der Membranbildungsfläche gebildet werden.
Der Aufbau des Infrarotdetektors 300 in dieser Ausführungsform ist auch für den folgenden Typ eines Infrarotgas-Erfassungssensors 500 (im Folgenden als "Gassensor" bezeichnet) geeignet: Gassensoren, die mit einer Infrarotlichtquelle 400 zur Aussendung von Infra rotstrahlen und dem Infrarotsensor 100 ausgestattet sind und die Art und Konzentration eines zu messenden Gases auf der Grundlage der absorbierten Infrarotstrahlen bestimmter Wellenlänge. 4 zeigt ein Beispiel. 4 ist eine Zeichnung, die den allgemeinen Aufbau des Gasssensors 500 zeigt, auf den die vorliegende Erfindung angewendet wird. Wie in 4 gezeigt ist, ist ein Sensorchip 410 über dem Sockel 210 angeordnet, wobei zum Beispiel der Schaltungschip 230 dazwischen, innerhalb der auf den Sockel 210 montierten Kappe 220, angeordnet ist. Der Sensorchip 410 ist gebildet, indem über dembselben Substrat der Infrarotsensor 100 und die Infrarotlichtquelle 400, die Infrarotstrahlen aussendet, indem einem Widerstandselement Energie zugeführt wird und dieses dadurch zur Erzeugung von Wärme angeregt wird, angeordnet sind. Zusätzlich zu dem Eintrittsfensterabschnitt 221 ist die Kappe 220 mit einem Strahlungsfensterabschnitt 223 in einer mit der Infrarotlichtquelle 400 übereinstimmenden Position vorgesehen. Der Vorsprung 222 ist zum Beispiel durch Einpressen in die Kappe 220 eingebaut, so dass das Folgende erreicht wird: Auf den Infrarotsensor 100 auftreffende Infrarotstrahlen werden nicht überlagert, und von der Infrarotlichtquelle 400 ausgesendete Infrarotstrahlen werden nicht überlagert. Die Kappe 220 ist so auf den Sockel 210 montiert, dass der Sensorchip 410 und der Schaltungschip 230 darin aufgenommen sind.
Diese Abschnitte bilden einen Aufbau, auf den Infrarotdetektor 300 gemäß der obigen Ausführungsform angewendet wird. Der folgende Aufbau kann verwendet werden: Der Vorsprung 222 ist aus dem gleichen Material wie die Kappe 220 gebildet und einteilig in der Kappe 220 gebildet.
Anschließend wird eine Umhüllung 510 so auf den Sockel 210 montiert, dass die Kappe 220 darin aufgenommen ist. In der Seitenfläche der Umhüllung 510 sind eine Mehrzahl von Gasdurchlassöffnungen 511 ausgebildet, so dass ein Gas, das das zu messende Gas enthält, in die Umhüllung 510 (außer ins Innere der Kappe 220) einströmen kann. Auf der inneren Oberfläche des oberen Teils der Umhüllung 510, gegenüber dem Sockel 210, ist ein konkaver Spiegel 512 vorgesehen, der von der Infrarotlichtquelle 400 ausgesendete Infrarotstrahlen in Richtung des Infrarotsensors 100 reflektiert. Daher durchlaufen Infrarotstrahlen das zu messenden Gas zweimal, das durch die Gasdurchlassöffnungen 511 in die Ummantelung 510 (mit der Ausnahme des Inneren der Kappe 220) hineingebracht wird. Dabei werden die Infrarotstrahlen absorbiert und erreichen den Infrarotsensor 100, wobei die Intensität der bei dem Infrarotsensor 100 ankommenden Infrarotstrahlen in Abhängigkeit von der Dichte des zu messenden Gases variiert. Das Ausgangssignal des Infrarotsenders 100 verändert sich entsprechend. In 4 ist das mit der Bezugszahl 240 versehene Element ein Anschluss, der nach außen geführt ist, das mit der Bezugszahl 241 versehene Element ist ein Bondingdraht, der den Anschluss 240 mit dem Sensorchip 410 und dem Schaltungschip 230 verbindet, und das mit der Bezugszahl 224 versehene Element ist eine Barriere, die verhindert, dass von der Infrarotlichtquelle 400 ausgesendete Infrarotstrahlen direkt in den Infrarotsensor 100 gelangen.
Wie oben erwähnt kann selbst in einem sogenannten Reflexionsgassensor 500, in dem eine Infrarotlichtquelle 400 und ein Infrarotsensor 100 auf demselben Substrat angeordnet sind, durch Bereitstellen einer Kappe 220 mit einem Vorsprung 222 der folgende Vorteil erzielt werden: Das Ansprechverhalten des Infrarotsensors 100 auf eine schnelle Änderung der Umgebungstemperatur kann stärker verbessert werden als in Fällen, in denen zwischen der Kappe 220 und dem Sensorchip 410 ein Gas vorhanden ist.
Der Vorsprung 222 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass er sich nicht in Kontakt mit dem Sensorchip 410 befindet. Befindet sich der Vorsprung 222 in Kontakt mit dem Sensorchip 410, so tritt das folgende Problem auf: Die von der Infrarotlichtquelle 400 ausgesendete Energie infraroter Strahlung und die von dem Infrarotsensor 100 empfangene Energie infraroter Strahlung werden durch den Vorsprung in Richtung des Kappe 220 thermisch abgeführt. Als Folge davon ist der Lichtempfangswirkungsgrad des Infrarotsensors 100 verschlechtert. Das heißt, die Empfindlichkeit des Gassensors 500 ist verschlechtert. Daher ist der Vorsprung 222 vorzugsweise so ausgebildet, dass er von der Kappe 220 hervorragt und so nah wie möglich an den Sensorchip 410 herangebracht wird, ohne jedoch diesen zu berühren.
In dem oben beschriebenen Gassensor 500 kann der Vorsprung 222 nur auf der Kappe 220 auf der Seite des Infrarotsensors 100 (zum Beispiel durch Kleben) angebracht sein. Jedoch kann der Aufbau des Gassensors durch Verpressen und Befestigen des Vorsprungs 222 in der Kappe 220 vereinfacht werden, wie es in 4 gezeigt ist. Die Position und Form der Ausbildung des Vorsprungs 222 ist nicht auf die in 4 als Beispiel gezeigten begrenzt. Es kann zum Beispiel der folgende Aufbau verwendet werden: Der Vorsprung 222 ist zwischen der Kappe 220 auf der Seite des Infrarotsensors 100 und der Barriere 224 vorgesehen (Der Vorsprung 222 wird zum Beispiel durch Verpressen und Kleben eingebaut).
Obgleich die vorliegende Erfindung bezüglich der bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis von diesen zu ermöglichen, sollte wahrgenommen werden, dass die Erfindung auf verschiedene Weisen verwirklicht werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Deshalb sollte die Erfindung derart verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die realisiert werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

Infrarotdetektor, mit: – einem Infrarotsensor (100); und – einem Gehäuse (200); wobei der Infrarotsensor (100) umfasst: – ein Substrat (10); – eine Membran (13) mit einem dünnen Abschnitt, die auf dem Substrat angeordnet ist; – eine Erfassungsvorrichtung (20) zur Erzeugung eines elektrischen Signals auf der Grundlage einer Temperaturänderung in Übereinstimmung mit der Stärke eines empfangenen Infrarotlichts, wobei die Erfassungvorrichtung (20) einen Teil aufweist, der auf der Membran (13) angeordnet ist; und – einen Infrarotabsorptionsfilm (30), der so auf der Membran (13) angeordnet ist, dass er den Teil der Erfassungsvorrichtung (20) überdeckt; wobei: – das Gehäuse (200) eine Basis (210) und eine Kappe (220) mit einer Öffnung (221a), die für Infrarotlicht durchlässig ist, umfasst; – der Infrarotsensor (100) so in dem Gehäuse (200) untergebracht ist, dass der Infrarotsensor (100) auf der Basis (210) angeordnet und von der Kappe (220) überdeckt ist; – die Kappe (220) ferner einen Vorsprung (222) umfasst, der von einer inneren Wand der Kappe (220) so in Richtung des Infrarotsensors (100) hervorragt, dass ein Rand des Vorsprungs (222) außerhalb einer Linie angeordnet ist, die einen Rand der Öffnung (221a) des Gehäuses (200) und einen Rand des Infrarotsensors (100) verbindet, und – der Vorsprung (222) aus einem Material hergestellt ist, das einen Wärmeleitungskoeffizienten aufweist, der größer als derjenige eines sich in dem Gehäuse (200) befindlichen Gases ist.
Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (222) von dem Infrarotsensor (100) getrennt ist.
Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitungskoffizient des Materials des Vorsprungs (222) größer als derjenige der Kappe (220) ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (222) an der inneren Wandoberfläche der Kappe (220) befestigt ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Vorsprungs (222) das gleiche wie das der Kappe (220) ist, so dass der Vorsprung (222) einteilig mit der Kappe (220) ausgebildet ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung (20) ein Thermoelement ist, das einen Messpunkt (20c), der auf der Membran (13) angeordnet ist, und einen Referenzpunkt (20d), der auf dem Substrat (10), nicht jedoch auf der Membran (13), angeordnet ist, umfasst.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Substrat (10) ein Halbleitersubstrat (10) ist; und – die Erfassungsvorrichtung (20), durch einen Isolierungsfilm (12) getrennt, auf dem Substrat (10) angeordnet ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotsensor (100) durch einen Schaltungschip (230) getrennt auf der Basis (210) angeordnet ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der ferner umfasst – eine Infrarotlichtquelle (400) zur Aussendung des Infrarotlichts durch Erwärmen eines Widerstandselements der Infrarotlichtquelle, indem dem Widerstandselement Energie zugeführt wird; wobei: – der Infrarotsensor (100) und die Infrarotlichtquelle (400) einen Infrarotgassensor (500) zur Erfassung der Art und der Konzentration des Gases als eines Messobjekts in dem Gehäuse (200) auf der Grundlage einer Menge an absorbierten Infrarotlicht bestimmter Wellenlänge bilden; und – die Erfassungsvorrichtung (20) und das Widerstandselement so auf dem Substrat (10) angeordnet sind, dass die Erfassungsvorrichtung (20) und das Widerstandselement (200) in dem Gehäuse (200) untergebracht sind.