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JP2012013517A - 温度センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】物体の温度の検出精度を向上させることが可能な温度センサを提供する。
【解決手段】物体４００から放射された赤外線による熱エネルギを電気エネルギに変換するサーモパイル３０ａにより構成される感温部（熱電変換部）３０を有する赤外線センサ１００と、赤外線センサ１００の出力に基づいて物体４００の温度を演算する演算部１２４とを備える。演算部１２４は、赤外線センサ１００の出力電圧が、プランクの放射則に従って表され物体４００の温度に依存する赤外線センサ１００の吸収エネルギ密度と、ステファン−ボルツマンの法則に従って表され赤外線センサ１００の温度に依存する赤外線センサ１００の放射エネルギ密度との差分に比例すると仮定して求められた演算式を用いて物体４００の温度を演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度センサに関するものである。
従来から、図２５および図２６に示す構成の赤外線センサ１００’が提案されている（特許文献１）。この赤外線センサ１００’は、赤外線を吸収する赤外線吸収部３３’の温度変化に応じた出力電圧を発生する熱電対型の感温部（熱電変換部）３０’を具備する熱型赤外線検出部３’とＭＯＳトランジスタ４’とを有する画素部２’を備えている。また、この赤外線センサ１００’は、ａ×ｂ個（図２６の例では、４×４個）の画素部２’が、ベース基板２０１の一表面側において２次元アレイ状に配置されている。ここで、ベース基板２０１は、ｎ形のシリコン基板２０１ａを用いて形成されている。
上述の赤外線センサ１００’を備えた赤外線センサモジュールでは、ＭＯＳトランジスタ４’が順次オン状態になるように各画素選択用のパッドＰselの電位を制御することで各画素部２’の出力電圧を出力用のパッドＰoutから順次読み出すことができる。
また、特許文献１には、図２７に示すように、赤外線センサ１００’と、当該赤外線センサ１００’の出力信号である出力電圧を信号処理する信号処理ＩＣチップ２２０’と、赤外線センサ１００’および信号処理ＩＣチップ２２０’が実装されたパッケージ本体２３０’とを備えた赤外線センサモジュールが記載されている。なお、パッケージ本体２３０’は、一面開口した矩形箱状に形成されており、内底面に赤外線センサ１００’および信号処理ＩＣチップ２２０’が搭載され、赤外線センサ１００’における熱型赤外線検出部３’の赤外線吸収部３３’へ赤外線を収束するレンズを備えたパッケージ蓋（図示せず）が覆着されている。
ここで、特許文献１には、信号処理ＩＣチップ２２０’に、図２８に示すように、赤外線センサ１００’の複数（図示例では、４つ）の出力用のパッドＰoutそれぞれがボンディングワイヤからなる配線８０を介して各別に電気的に接続される複数（図示例では、４つ）の入力用のパッドＰin、入力用のパッドＰinの出力電圧を増幅する増幅回路ＡＭＰ、複数の入力用のパッドＰinの出力電圧を択一的に増幅回路ＡＭＰに入力するマルチプレクサＭＵＸなどを設ければ、赤外線画像を得ることができることが記載されている。
また、従来から、図２９に示すように、測定対象物（例えば、火災による火、人）から放射される赤外線を検知して測定対象物の温度Ｔbbに対応する電圧Ｖbb（信号Ｓ１１）を出力する赤外線センサ３１１と、当該赤外線センサ３１１の温度Ｔthを検出し当該温度Ｔthに対応する電圧Ｖth（信号Ｓ１２）を出力するサーミスタ３１２とを備えた温度検出装置が提案されている（例えば、特許文献２）。
この温度検出装置は、赤外線センサ３１１およびサーミスタ３１２それぞれから出力される電圧Ｖbb，Ｖthを各別に増幅する２つのアンプ４０２ａ，４０２ｂと、各アンプ４０２ａ，４０２ｂの出力をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器４０３と、Ａ／Ｄ変換器４０３の出力に基づいて測定対象物の温度Ｔbbを演算し当該温度Ｔbbを示す信号Ｓoutを出力する温度演算部４０４と、温度演算部４０４での演算に用いる後述の係数Ａ，Ｂおよびオフセット値Ｒ１、後述の（２）式の演算式などを記憶したメモリ４０５とを備えている。
また、赤外線センサ３１１およびサーミスタ３１２は、金属製のパッケージ（図示せず）に収納されている。このパッケージには、赤外線センサ３１１が赤外線を受光できるような窓が形成されている。
上述の温度演算部４０４は、下記（１）式に従って測定対象物の温度Ｔbbを演算する。
Figure 2012013517
 この（１）式を測定対象物の温度Ｔbbを求める式に変形すると、下記（２）式となる。
Figure 2012013517
 （１）式、（２）式において、Ｖoは赤外線センサ３１１の出力電圧〔Ｖ〕、Ｔbbは測定対象物の温度〔Ｋ〕、Ａは測定対象物の温度を電圧に換算するための係数、Ｔthは赤外線センサ３１１の温度〔Ｋ〕、Ｂ（≠Ａ）は赤外線センサ３１１の温度を電圧に換算するための係数、Ｒ１はオフセット値である。ここにおいて、温度Ｔbbは、赤外線センサ３１１の視野に入った赤外線エネルギを黒体の温度に換算した値である。また、係数Ａは、ステファン−ボルツマン定数、エミッション係数、アンプ４０２ａの増幅率などにより決まる値である。また、係数Ｂは、ステファン−ボルツマン定数、エミッション係数、アンプ４０２ｂの増幅率などにより決まる値である。なお、係数Ａ、Ｂに含まれているステファン−ボルツマン定数は、測定対象物と赤外線センサ３１１とで同じ値である。しかし、エミッション係数は、測定対象物と赤外線センサ３１１とで異なる値になる。
温度演算部４０４は、（２）式に示す演算式に基づいて、測定対象物の温度Ｔbbを取得し、この温度Ｔbbを示す信号Ｓoutを出力する。
特開２０１０−７８４５１号公報 特開２００７−１９８７４５号公報
ところで、測定対象物などの物体から放射された赤外線は、赤外線センサに到達するまでに大気中の水蒸気や二酸化炭素などによって吸収され減衰する（吸収率は波長によって異なる）。また、赤外線センサの前方にレンズなどの赤外線透過部材が配置されている場合、物体から放射された赤外線は、赤外線透過部材での反射や吸収などによっても減衰する（反射率や透過率は波長によって異なる）。
しかしながら、上記特許文献２に開示された温度検出装置では、ステファン−ボルツマンの法則に従って（２）式が求められているものと考えられ、測定対象物の温度Ｔbbの検出精度が、赤外線センサの周囲環境の影響で低下してしまう懸念がある。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、物体の温度の検出精度を向上させることが可能な温度センサを提供することにある。
本発明の温度センサは、物体から放射された赤外線による熱エネルギを電気エネルギに変換するサーモパイルにより構成される熱電変換部を有する赤外線センサと、前記赤外線センサの出力電圧に基づいて前記物体の温度を演算する演算部とを備え、前記演算部は、前記赤外線センサの出力電圧が、プランクの放射則に従って表され前記物体の温度に依存する前記赤外線センサの吸収エネルギ密度と、ステファン−ボルツマンの法則に従って表され前記赤外線センサの温度に依存する前記赤外線センサの放射エネルギ密度との差分に比例すると仮定して求められた演算式を用いて前記物体の温度を演算することを特徴とする。
この温度センサにおいて、前記赤外線センサの温度を測定するサーミスタを備え、前記物体の温度をＴo〔Ｋ〕、前記赤外線センサの出力電圧をＶout〔Ｖ〕、前記赤外線センサの温度をＴs〔Ｋ〕とするとき、前記演算式は、
Figure 2012013517
 で表されることが好ましい。
この温度センサにおいて、前記赤外線センサの温度を一定温度に保つペルチェ素子を備え、前記物体の温度をＴo〔Ｋ〕、前記赤外線センサの出力電圧をＶout〔Ｖ〕とするとき、前記演算式は、
Figure 2012013517
 で表されることが好ましい。
この温度センサにおいて、前記赤外線センサは、前記物体の温度の上昇に伴い出力電圧が低下する負特性を有することが好ましい。
この温度センサにおいて、前記赤外線センサは、前記熱電変換部を有する複数の画素部が半導体基板の一表面側においてアレイ状に配置されたものであることが好ましい。
この温度センサにおいて、前記演算式の係数を記憶する記憶部を有し、前記赤外線センサが、前記熱電変換部を有する複数の画素部が半導体基板の一表面側においてアレイ状に配置されたものであり、前記記憶部は、前記係数が、前記赤外線センサの前記各画素部ごとに対応付けて記憶されてなることが好ましい。
この温度センサにおいて、前記演算式の係数を記憶する記憶部を有し、前記赤外線センサが、前記熱電変換部を有する複数の画素部が半導体基板の一表面側においてアレイ状に配置されたものであり、前記記憶部は、前記係数として、前記各画素部ごとに個別に設定された１つの個別係数と、前記各画素部に共通に設定された複数の共通係数とを記憶していることが好ましい。
本発明の温度センサにおいては、物体の温度の検出精度を向上させることが可能となる。
実施形態の温度センサに関し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は赤外線センサの要部概略断面図、（ｃ）は回路ブロック図である。 同上の温度センサにおける赤外線センサの等価回路図である。 同上における赤外線センサの要部等価回路図である。 同上における赤外線センサの平面レイアウト図である。 同上における赤外線センサの画素部の平面レイアウト図である。 同上における赤外線センサの画素部の平面レイアウト図である。 同上における赤外線センサの画素部の要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面に対応する概略断面図である。 同上における赤外線センサの画素部の要部の平面レイアウト図である。 同上における赤外線センサの画素部の要部の平面レイアウト図である。 同上における赤外線センサの冷接点を含む要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は概略断面図である。 同上における赤外線センサの温接点を含む要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は概略断面図である。 同上における赤外線センサの画素部の要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面に対応する概略断面図である。 同上における赤外線センサの画素部の要部の概略断面図である。 同上における赤外線センサの画素部の要部の概略断面図である。 同上における赤外線センサの要部説明図である。 同上における赤外線センサに関し、（ａ）は要部の平面レイアウト図、（ｂ）は、（ａ）のツェナダイオードの拡大図、（ｃ）はツェナダイオードの概略断面図である。 同上における赤外線センサの特性説明図である。 同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上における赤外線センサの他の構成例の要部概略断面図である。 同上における赤外線センサの他の構成例の要部概略断面図である。 同上における赤外線センサの他の構成例の要部概略断面図である。 従来例における赤外線センサを示し、（ａ）は画素部の平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面に対応する概略断面図である。 同上を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は等価回路図である。 同上の赤外線センサを備えた赤外線センサモジュールの要部概略平面図である。 同上の赤外線センサを備えた赤外線センサモジュールの要部説明図である。 同上の赤外線センサモジュールの動作説明図である。
以下、本実施形態の温度センサについて図１〜図１７を参照しながら説明する。
本実施形態の温度センサは、赤外線センサ１００と、サーミスタ１１０と、ＩＣ素子１２０とが、１つのパッケージ１３３に収納されている。
赤外線センサ１００は、物体（例えば、人体など）４００から放射された赤外線による熱エネルギを電気エネルギに変換するサーモパイル３０ａにより構成される熱電変換部である感温部３０を有している。また、赤外線センサ１００は、感温部３０および感温部３０の出力電圧を取り出すためのＭＯＳトランジスタ４を具備するａ×ｂ個（図４の例では、８×８個）の画素部２が、半導体基板１の一表面側においてａ行ｂ列（図４の例では、８行８列）の２次元アレイ状に配置されている。なお、図４の例では、ａ＝８、ｂ＝８としてあるが、ａ≧２、ｂ≧２であればよい。
上述のＭＯＳトランジスタ４は、図１（ｂ）、図７、図１４に示すように、半導体基板１の上記一表面側に形成された第１導電形のウェル領域４１内で、第２の導電形のソース領域４４と第２導電形のドレイン領域４３とが離間して形成されている。本実施形態では、ウェル領域がチャネル形成用領域を構成している。なお、図２には、第１導電形をｐ形、第２導電形をｎ形としてＭＯＳトランジスタ４をｎチャネルＭＯＳトランジスタとした場合の等価回路図を示してある。この図２の等価回路図では、感温部３０を抵抗の図記号で表してある。
赤外線センサ１００は、各列のｂ個（８個）の画素部２の感温部３０の一端がＭＯＳトランジスタ４のソース領域４４−ドレイン領域４３を介して各列ごとに共通接続されたｂ個（８個）の第１の配線１０１を備えている。
また、赤外線センサ１００は、各行の感温部３０に対応するＭＯＳトランジスタ４のゲート電極４６が各行ごとに共通接続されたａ個（８個）の第２の配線１０２と、各行のＭＯＳトランジスタ４のウェル領域４１が各列ごとに共通接続されたｂ個（８個）の第３の配線１０３と、各列のａ個（８個）の感温部３０の他端が各列ごとに共通接続されたｂ個（図示例では、８個）の第４の配線１０４とを備えている。
上述の赤外線センサ１００は、第１の配線１０１が各別に接続された出力用のｂ個の第１のパッドＶout1〜Ｖout8と、第２の配線１０２が各別に接続された画素部選択用のａ個の第２のパッドＶsel1〜Ｖsel8と、各第３の配線１０３が共通接続された第３のパッドＶchと、第４の配線１０４が共通接続された基準バイアス用の第４のパッドＶrefinとを備えている。しかして、赤外線センサ１００は、全ての感温部３０の出力を時系列的に読み出すことができるようになっている。すなわち、ＭＯＳトランジスタ４が、順次、オン状態になるように各画素部２を選択するための第２のパッドＶsel1〜Ｖsel8の電位を制御することで各画素部２の出力電圧を順次読み出すことができる。
サーミスタ１１０は、赤外線センサ１００の温度を検出するためのものであり、パッケージ１３３内において赤外線センサ１００に近接して配置され、赤外線センサ１００の温度に応じたアナログの出力電圧を発生する。なお、サーミスタ１１０は、一端がプルアップ抵抗（図示せず）を介して電源（図示せず）に接続され、他端がグランド（図示せず）に接続されている。
ＩＣ素子１２０は、赤外線センサ１００とサーミスタ１１０との各出力電圧に基づいて物体４００の温度を演算する演算部１２４を有している。
パッケージ１３３は、赤外線センサ１００、サーミスタ１１０およびＩＣ素子１２０が実装されたパッケージ本体１３４と、パッケージ本体１３４との間に赤外線センサ１００、サーミスタ１１０およびＩＣ素子１２０を囲む形でパッケージ本体１３４に気密的に接合されたパッケージ蓋１３５とで構成されている。
パッケージ本体１３４は、ＩＣ素子１２０と赤外線センサ１００とが横並びで実装されている。一方、パッケージ蓋１３５は、赤外線センサ１００での検知対象の赤外線を透過する機能および導電性を有している。
パッケージ蓋１３５は、パッケージ本体１３４の上記一表面側に覆着されたメタルキャップ１５２と、メタルキャップ１５２において赤外線センサ１００に対応する部位に形成された開口窓１５２ａを閉塞し且つ赤外線を透過する赤外線透過部材１５３とで構成されている。要するに、赤外線センサ１００の前方に、赤外線透過部材１５３が配置されている。本実施形態では、赤外線透過部材１５３をレンズにより構成してあり、赤外線透過部材１５３が、赤外線センサ１００へ赤外線を収束する機能を有している。なお、赤外線透過部材１５３は、レンズに限らず、例えば、平板状のものでもよい。
以下、各構成要素についてさらに説明する。
赤外線センサ１００は、感温部３０が埋設された熱型赤外線検出部３とＭＯＳトランジスタ４とを有する複数（ａ×ｂ個）の画素部２が、半導体基板１の上記一表面側において２次元アレイ状に配置されている。ここで、半導体基板１の上記一表面は、Ｓｉ（１００）面としてある。感温部３０は、複数個（ここでは、６個）のサーモパイル３０ａ（図５参照）を直列接続することにより構成されている。
各画素部２の熱型赤外線検出部３は、半導体基板１の上記一表面側において熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１（図７参照）に形成されている。また、各画素部２のＭＯＳトランジスタ４は、半導体基板１の上記一表面側においてＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２（図７参照）に形成されている。
赤外線センサ１００は、半導体基板１の上記一表面側において熱型赤外線検出部３の一部の直下に空洞部１１が形成されている。熱型赤外線検出部３は、半導体基板１の上記一表面側で空洞部１１の周部に形成された支持部３ｄと、半導体基板１の上記一表面側で平面視において空洞部１１を覆う第１の薄膜構造部３ａとを備えている。第１の薄膜構造部３ａは、赤外線を吸収する赤外線吸収部３３を備えている。ここで、第１の薄膜構造部３ａは、空洞部１１の周方向に沿って並設され支持部３ｄに支持された複数の第２の薄膜構造部３ａａと、隣接する第２の薄膜構造部３ａａ同士を連結する連結片３ｃ（図５参照）とを有している。なお、図５の例の熱型赤外線検出部３では、複数の線状のスリット１３を設けることにより、第１の薄膜構造部３ａが６つの第２の薄膜構造部３ａａに分離されている。以下では、赤外線吸収部３３（第１の赤外線吸収部３３と称する）のうち第２の薄膜構造部３ａａそれぞれに対応して分割された各部位を第２の赤外線吸収部３３ａと称する。
熱型赤外線検出部３は、第２の薄膜構造部３ａａごとにサーモパイル３０ａが設けられている。ここで、サーモパイル３０ａは、温接点Ｔ１が、第２の薄膜構造部３ａａに設けられ、冷接点Ｔ２が、支持部３ｄに設けられている。要するに、温接点Ｔ１は、熱型赤外線検出部３において空洞部１１に重なる領域に形成され、冷接点Ｔ２は、熱型赤外線検出部３において空洞部１１に重ならない領域に形成されている。
また、熱型赤外線検出部３の感温部３０は、各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で、全てのサーモパイル３０ａが電気的に接続されている。図５の例では、感温部３０は、６個のサーモパイル３０ａを直列接続してある。ただし、上述の接続関係は、複数個のサーモパイル３０ａの全てを直列接続する接続関係に限らない。例えば、それぞれ３個のサーモパイル３０ａの直列回路を並列接続すれば、６個のサーモパイル３０ａが並列接続されている場合や、各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて、感度を高めることができる。また、６個のサーモパイル３０ａの全てが直列接続されている場合に比べて、感温部３０の抵抗値を低くできて熱雑音が低減されるから、Ｓ／Ｎ比が向上する。
ここで、熱型赤外線検出部３では、第２の薄膜構造部３ａａごとに、支持部３ｄと第２の赤外線吸収部３３ａとを連結する２つの平面視短冊状のブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂが空洞部１１の周方向に離間して形成されている。この熱型赤外線検出部３では、２つのブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂと第２の赤外線吸収部３３ａとを空間的に分離し空洞部１１に連通する平面視Ｕ字状のスリット１４が形成されている。熱型赤外線検出部３のうち、平面視において第１の薄膜構造部３ａを囲む部位である支持部３ｄは、矩形枠状の形状となっている。なお、ブリッジ部３ｂｂは、上述の各スリット１３，１４により、第２の赤外線吸収部３３ａおよび支持部３ｄそれぞれとの連結部位以外の部分が、第２の赤外線吸収部３３ａおよび支持部３ｄと空間的に分離されている。ここで、第２の薄膜構造部３ａａは、支持部３ｄからの延長方向の寸法を９３μｍ、この延長方向に直交する幅方向の寸法を７５μｍとし、各ブリッジ部３ｂｂの幅寸法を２３μｍ、各スリット１３，１４の幅を５μｍに設定してあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではない。
第１の薄膜構造部３ａは、半導体基板１の上記一表面側に形成されたシリコン酸化膜１ｂと、当該シリコン酸化膜１ｂ上に形成されたシリコン窒化膜３２と、当該シリコン窒化膜３２上に形成された感温部３０と、シリコン窒化膜３２の表面側で感温部３０を覆うように形成された層間絶縁膜５０と、層間絶縁膜５０上に形成されたパッシベーション膜６０との積層構造部をパターニングすることにより形成されている。層間絶縁膜５０は、ＢＰＳＧ膜により構成してある。パッシベーション膜６０は、ＰＳＧ膜と当該ＰＳＧ膜上に形成されたＮＳＧ膜との積層膜により構成してあるが、これに限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。
上述の熱型赤外線検出部３では、シリコン窒化膜３２のうち第１の薄膜構造部３ａのブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂ以外の部位が第１の赤外線吸収部３３を構成している。また、支持部３ｄは、シリコン酸化膜１ｂとシリコン窒化膜３２と層間絶縁膜５０とパッシベーション膜６０とで構成されている。
また、赤外線センサ１００は、層間絶縁膜５０とパッシベーション膜６０との積層膜が、半導体基板１の上記一表面側において、熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１とＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２とに跨って形成されており、この積層膜のうち、熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１に形成された部分が赤外線吸収膜７０（図７（ｂ）参照）を兼ねている。ここで、赤外線吸収膜７０の屈折率をｎ２、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、赤外線吸収膜７０の厚さｔ２をλ／４ｎ２に設定するようにしているので、検出対象の波長（例えば、８〜１２μｍ）の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、ｎ２＝１．４、λ＝１０μｍの場合には、ｔ２≒１．８μｍとすればよい。なお、本実施形態では、層間絶縁膜５０の膜厚を０．８μｍ、パッシベーション膜６０の膜厚を１μｍ（ＰＳＧ膜の膜厚を０．５μｍ、ＮＳＧ膜の膜厚を０．５μｍ）としてある。
また、各画素部２では、空洞部１１の内周形状が矩形状であり、連結片３ｃは、平面視Ｘ字状に形成されており、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向に交差する斜め方向において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する方向において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結している。
サーモパイル３０ａは、シリコン窒化膜３２上で第２の薄膜構造部３ａａと支持部３ｄとに跨って形成されたｎ形ポリシリコン層３４とｐ形ポリシリコン層３５との一端部同士を第２の赤外線吸収部３３ａの赤外線入射面側で金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる接続部３６により電気的に接続した複数個（図５に示した例では、９個）の熱電対を有している。また、サーモパイル３０ａは、半導体基板１の上記一表面側で互いに隣り合う熱電対のｎ形ポリシリコン層３４の他端部とｐ形ポリシリコン層３５の他端部とが金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる接続部３７により接合され電気的に接続されている。ここで、サーモパイル３０ａは、ｎ形ポリシリコン層３４の上記一端部とｐ形ポリシリコン層３５の上記一端部と接続部３６とで温接点Ｔ１を構成している。また、サーモパイル３０ａは、ｎ形ポリシリコン層３４の上記他端部とｐ形ポリシリコン層３５の上記他端部と接続部３７とで冷接点Ｔ２を構成している。なお、本実施形態における赤外線センサ１００では、サーモパイル３０ａの各ｎ形ポリシリコン層３４および各ｐ形ポリシリコン層３５それぞれにおいて、上述のブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂに形成されている部位および半導体基板１の上記一表面側のシリコン窒化膜３２上に形成されている部位でも赤外線を吸収することができる。
また、赤外線センサ１００は、空洞部１１の形状が、四角錘状であり、平面視における中央部の方が周部に比べて深さ寸法が大きくなっている。そこで、赤外線センサ１００は、第１の薄膜構造部３ａの中央部に温接点Ｔ１が集まるように、各画素部２におけるサーモパイル３０ａの平面レイアウトを設計してある。すなわち、図５の上下方向における真ん中の２つの第２の薄膜構造部３ａａでは、図５および図８に示すように、３つの第２の薄膜構造部３ａａの並設方向に沿って温接点Ｔ１を並べて配置してあるのに対し、当該上下方向における上側の２つの第２の薄膜構造部３ａａでは、図５および図９に示すように、３つの第２の薄膜構造部３ａａの並設方向において真ん中の第２の薄膜構造部３ａａに近い側に温接点Ｔ１を集中して配置してあり、当該上下方向における下側の２つの第２の薄膜構造部３ａａでは、図５に示すように、３つの第２の薄膜構造部３ａａの並設方向において真ん中の第２の薄膜構造部３ａａに近い側に温接点Ｔ１を集中して配置してある。しかして、赤外線センサ１００は、図５の上下方向における上側、下側の第２の薄膜構造部３ａａの複数の温接点Ｔ１の配置が、真ん中の第２の薄膜構造部３ａａの複数の温接点Ｔ１の配置と同じである場合に比べて、温接点Ｔ１の温度変化を大きくできるので、感度を向上できる。なお、本実施形態では、空洞部１１の最深部の深さを所定深さｄｐ（図７（ｂ）参照）とするとき、所定深さｄｐを２００μｍに設定してあるが、この値は一例であり、特に限定するものではない。
また、第２の薄膜構造部３ａａは、シリコン窒化膜３２の赤外線入射面側においてサーモパイル３０ａを形成していない領域に、第２の薄膜構造部３ａａの反りを抑制するとともに赤外線を吸収するｎ形ポリシリコン層からなる赤外線吸収層３９が形成されている。また、隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結する連結片３ｃには、当該連結片３ｃを補強するｎ形ポリシリコン層からなる補強層３９ｂ（図１２参照）が設けられている。ここで、補強層３９ｂは、赤外線吸収層３９と連続一体に形成されている。しかして、赤外線センサ１００では、連結片３ｃが補強層３９ｂにより補強されているので、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止でき、また、製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。なお、本実施形態では、図１２に示す連結片３ｃの長さ寸法Ｌ１を２４μｍ、幅寸法Ｌ２を５μｍ、補強層３９ｂの幅寸法Ｌ３を１μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。ただし、本実施形態のように半導体基板１としてシリコン基板を用いており、補強層３９ｂがｎ形ポリシリコン層により形成される場合には、空洞部１１の形成時に補強層３９ｂがエッチングされるのを防止するために、補強層３９ｂの幅寸法は、連結片３ｃの幅寸法よりも小さく設定し、平面視において補強層３９ｂの両側縁が連結片３ｃの両側縁よりも内側に位置する必要がある。
また、赤外線センサ１００は、図１２および図１５（ｂ）に示すように、連結片３ｃの両側縁と第２の薄膜構造部３ａａの側縁との間にそれぞれ面取り部３ｄ，３ｄが形成され、Ｘ字状の連結片３ｃの略直交する側縁間にも面取り部３ｅが形成されている。しかして、赤外線センサ１００では、図１５（ａ）に示すように面取り部が形成されていない場合に比べて、連結片３ｃと第２の薄膜構造部３ａａとの連結部位での応力集中を緩和でき、製造時に発生する残留応力を低減できるとともに製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。また、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止できる。なお、図１２に示した例では、各面取り部３ｄ，３ｅをＲ（アール）が３μｍのＲ面取り部としてあるが、Ｒ面取り部に限らず、例えば、Ｃ面取り部としてもよい。
また、赤外線センサ１００は、各熱型赤外線検出部３に、支持部３ｄと一方のブリッジ部３ｂｂと第２の赤外線吸収部３３ａと他方のブリッジ部３ｂｂと支持部３ｄとに跨るように引き回されたｎ形ポリシリコン層からなる故障診断用配線（故障診断用のヒータ）１３９を設けて、全ての故障診断用配線１３９を直列接続してある。しかして、赤外線センサ１００では、ａ×ｂ個の故障診断用配線１３９の直列回路へ通電することで、ブリッジ部３ｂｂの折れなどの破損の有無を検出することができる。
要するに、赤外線センサ１００は、製造途中での検査時や使用時において、ａ×ｂ個の故障診断用配線１３９の直列回路への通電の有無によって、ブリッジ部３ｂｂの折れや故障診断用配線１３９の断線などを検出することができる。また、赤外線センサ１００では、上述の検査時や使用時において、ａ×ｂ個の故障診断用配線１３９の直列回路へ通電して各感温部３０の出力を検出することにより、感温部３０の断線の有無や感度のばらつき（感温部３０の出力のばらつき）などを検知することが可能となる。ここにおいて、感度のばらつきに関しては、画素部２ごとの感度のばらつきを検知することが可能であり、例えば、第１の薄膜構造部３ａの反りや第１の薄膜構造部３ａの半導体基板１へのスティッキングなどに起因した感度のばらつきを検知することが可能となる。ここで、本実施形態における赤外線センサ１００では、平面視において、故障診断用配線１３９を複数の温接点Ｔ１の群の付近において折り返され蛇行した形状としてある。したがって、故障診断用配線１３９へ通電することにより発生するジュール熱によって、各温接点Ｔ１を効率良く温めることができる。上述の故障診断用配線１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５と同一平面上に同一厚さで形成されている。
上述の赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４と同じｎ形不純物（例えば、リンなど）を同じ不純物濃度（例えば、１０１８〜１０２０ｃｍ−３）で含んでおり、ｎ形ポリシリコン層３４と同時に形成されている。また、ｐ形ポリシリコン層３５は、ｐ形不純物として例えばボロンを採用すればよく、不純物濃度を例えば１０１８〜１０２０ｃｍ−３程度の範囲で適宜設定すればよい。本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５それぞれの不純物濃度が１０１８〜１０２０ｃｍ−３であり、熱電対の抵抗値を低減できてサーモパイル３０ａの抵抗値を低減でき、Ｓ／Ｎ比の向上を図れる。なお、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４と同じｎ形不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてあるが、これに限らず、例えば、ｐ形ポリシリコン層３５と同じ不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてもよい。
ところで、本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、および故障診断用配線１３９の屈折率をｎ１、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、および故障診断用配線１３９それぞれの厚さｔ１をλ／４ｎ１に設定するようにしている。しかして、検出対象の波長（例えば、８〜１２μｍ）の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、ｎ１＝３．６、λ＝１０μｍの場合には、ｔ１≒０．６９μｍとすればよい。
また、本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、および故障診断用配線１３９それぞれの不純物濃度が１０１８〜１０２０ｃｍ−３であるので、赤外線の吸収率を高くしつつ赤外線の反射を抑制することができて、感温部３０の出力のＳ／Ｎ比を高めることができる。また、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９をｎ形ポリシリコン層３４と同一工程で形成できるから、低コスト化を図れる。
ここで、感温部３０の接続部３６と接続部３７とは、半導体基板１の上記一表面側において、層間絶縁膜５０によって絶縁分離されている（図１０および図１１参照）。すなわち、温接点Ｔ１側の接続部３６は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ａ１，５０ａ２を通して、両ポリシリコン層３４，３５の上記各一端部と電気的に接続されている。また、冷接点Ｔ２側の接続部３７は、層間絶縁膜５０に形成されたコンタクトホール５０ａ３，５０ａ４を通して、両ポリシリコン層３４，３５の上記各他端部と電気的に接続されている。
また、ＭＯＳトランジスタ４は、上述のように、半導体基板１の上記一表面側においてＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２に形成されている。
ＭＯＳトランジスタ４は、図７および図１４に示すように、半導体基板１の上記一表面側に第１導電形であるｐ形（ｐ＋）のウェル領域４１が形成され、ウェル領域４１内に、第２導電形であるｎ形（ｎ＋）のドレイン領域４３と第２導電形であるｎ形（ｎ＋）のソース領域４４とが離間して形成されている。さらに、ウェル領域４１内には、ドレイン領域４３とソース領域４４とを囲む第１導電形であるｐ形（ｐ＋＋）のチャネルストッパ領域４２が形成されている。
ウェル領域４１においてドレイン領域４３とソース領域４４との間に位置する部位の上には、シリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜４５を介してｎ形ポリシリコン層からなるゲート電極４６が形成されている。
また、ドレイン領域４３上には、金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるドレイン電極４７が形成され、ソース領域４４上には、金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるソース電極４８が形成されている。
ゲート電極４６、ドレイン電極４７およびソース電極４８は、上述の層間絶縁膜５０によって絶縁分離されている。ここで、ドレイン電極４７は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｄを通してドレイン領域４３と電気的に接続され、ソース電極４８は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｅを通してソース領域４４と電気的に接続されている。
赤外線センサ１００の各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のソース電極４８と感温部３０の一端とが電気的に接続され、感温部３０の他端が第４の配線１０４に電気的に接続されている。また、各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のドレイン電極４７が、第１の配線１０１と電気的に接続され、ゲート電極４６が、ｎ形ポリシリコン配線からなる第２の配線１０２と電気的に接続されている。また、各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のチャネルストッパ領域４２上に、金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる電極４９が形成されている。しかして、ウェル領域４１は、チャネルストッパ領域４２および電極４９を介して、第３の配線１０３と電気的に接続されている。なお、電極４９は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｆを通してチャネルストッパ領域４２と電気的に接続されている。
また、赤外線センサ１００は、各ＭＯＳトランジスタ４のゲート電極４６・ソース電極４８間に過電圧が印加されるのを防止するために各第２の配線１０２それぞれにカソードが接続された複数のツェナダイオードＺＤを備えている。ここで、ツェナダイオードＺＤは、半導体基板１の上記一表面側に形成された第１導電形の第１拡散領域８１内に第２導電形の第２拡散領域８２が形成されたものである。
上述のツェナダイオードＺＤは、図１６に示すように、第１拡散領域８１上にアノード電極８３が形成され、第２拡散領域８２上に２つのカソード電極８４ａ，８４ｂが形成されている。このツェナダイオードＺＤは、アノード電極８３が、第５のパッドＶzdと電気的に接続され、一方のカソード電極８４ａが、１つの第２の配線１０２を介して当該第２の配線１０２に接続されたＭＯＳトランジスタ４のゲート電極４６と電気的に接続され、他方のカソード電極８４ｂが、当該第２の配線１０２に接続された第２のパッドＶsel1〜Ｖsel8の１つと電気的に接続されている。
また、赤外線センサ１００は、半導体基板１が接続された基板バイアス用の第６のパッドＶsuを備えている。
上述の赤外線センサ１００によれば、通電されることにより発生するジュール熱によって温接点Ｔ１を温める故障診断用配線１３９を備えているので、故障診断用配線１３９へ通電してサーモパイル３０ａの出力を測定することにより、サーモパイル３０ａの断線などの故障の有無を判断することが可能となって、信頼性の向上を図れ、しかも、故障診断用配線１３９は、熱型赤外線検出部３において半導体基板１の空洞部１１に重なる領域でサーモパイル３０ａと重ならないように配置されているので、故障診断用配線１３９によるサーモパイル３０ａの温接点Ｔ１の熱容量の増大を防止でき、感度および応答速度の向上を図れる。
ここで、赤外線センサ１００は、使用時において自己診断を行わない通常時において、故障診断用配線１３９も外部からの赤外線を吸収するので、複数の温接点Ｔ１の温度の均一化を図れ、感度の向上を図れる。なお、赤外線センサ１００では、赤外線吸収層３９および補強層３９ｂも外部からの赤外線を吸収するので、複数の温接点Ｔ１の温度の均一化を図れ、感度の向上を図れる。また、赤外線センサ１００の使用時の自己診断は、ＩＣ素子１２０に設けられた自己診断回路（図示せず）により定期的に行われるが、必ずしも定期的に行う必要はない。
また、赤外線センサ１００は、第１の薄膜構造部３ａが、複数の線状のスリット１３を設けることによって、空洞部１１の内周方向に沿って並設されそれぞれ熱型赤外線検出部３において空洞部１１を囲む部位である支持部３ｄから内方へ延長された複数の第２の薄膜構造部３ａａに分離されている。そして、赤外線センサ１００では、各第２の薄膜構造部３ａａごとにサーモパイル３０ａの温接点Ｔ１が設けられるとともに、各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全てのサーモパイル３０ａが電気的に接続されているので、応答速度および感度の向上を図れる。しかも、赤外線センサ１００では、全ての第２の薄膜構造部３ａａに跨って故障診断用配線１３９が形成されているので、熱型赤外線検出部３の全てのサーモパイル３０ａを一括して自己診断することが可能となる。また、赤外線センサ１００では、隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結する連結片３ｃが形成されていることにより、各第２の薄膜構造部３ａａの反りを低減でき、構造安定性の向上を図れ、感度が安定する。
また、赤外線センサ１００は、ｎ形ポリシリコン層３４とｐ形ポリシリコン層３５と赤外線吸収層３９と補強層３９ｂと故障診断用配線１３９とが同一の厚さに設定されているので、第２の薄膜構造部３ａａの応力バランスの均一性が向上し、第２の薄膜構造部３ａａの反りを抑制することができ、製品ごとの感度のばらつきや、画素部２ごとの感度のばらつきを低減できる。
また、赤外線センサ１００は、故障診断用配線１３９が、第１の熱電要素であるｎ形ポリシリコン層３４もしくは第２の熱電要素であるｐ形ポリシリコン層３５と同じ材料により形成されているので、故障診断用配線１３９を第１の熱電要素もしくは第２の熱電要素と同時に形成することが可能となり、製造プロセスの簡略化による低コスト化を図れる。
また、赤外線センサ１００は、赤外線吸収部３３および故障診断用配線１３９を備えた複数の画素部２が、半導体基板１の上記一表面側で２次元アレイ状に設けられているので、製造時や使用時の自己診断に際して各画素部２それぞれの故障診断用配線１３９に通電することにより、各画素部２それぞれの感温部３０の感度のばらつきを把握することが可能となる。
以下、赤外線センサ１００の基本的な製造方法の一例について図１８〜図２１を参照して説明する。
まず、第２の導電形のシリコン基板からなる半導体基板１の上記一表面側に第１の所定膜厚（例えば、０．３μｍ）の第１のシリコン酸化膜３１と第２の所定膜厚（例えば、０．１μｍ）のシリコン窒化膜３２との積層膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程を行う。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して当該絶縁層のうち熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１に対応する部分の一部を残してＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２に対応する部分をエッチング除去する絶縁層パターニング工程を行うことによって、図１８（ａ）に示す構造を得る。ここにおいて、シリコン酸化膜３１は、半導体基板１を所定温度（例えば、１１００℃）で熱酸化することにより形成し、シリコン窒化膜３２は、ＬＰＣＶＤ法により形成している。
上述の絶縁層パターニング工程の後、半導体基板１の上記一表面側に第１導電形であるｐ形（ｐ＋）のウェル領域４１を形成するウェル領域形成工程を行い、続いて、半導体基板１の上記一表面側におけるウェル領域４１内に第１導電形であるｐ形（ｐ＋＋）のチャネルストッパ領域４２を形成するチャネルストッパ領域形成工程を行うことによって、図１８（ｂ）に示す構造を得る。ここで、ウェル領域形成工程では、まず、半導体基板１の上記一表面側の露出部位を所定温度で熱酸化することにより第２のシリコン酸化膜（熱酸化膜）５１を選択的に形成する。その後、ウェル領域４１を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してシリコン酸化膜５１をパターニングする。続いて、第１導電形の不純物（ここでは、ｐ形の不純物であり、例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、ウェル領域４１を形成する。また、チャネルストッパ領域形成工程では、半導体基板１の上記一表面側を所定温度で熱酸化することにより第３のシリコン酸化膜（熱酸化膜）５２を選択的に形成する。その後、チャネルストッパ領域４２を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第３のシリコン酸化膜５２をパターニングする。続いて、第１導電形の不純物（ここでは、ｐ形の不純物であり、例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、チャネルストッパ領域４２を形成する。なお、第１のシリコン酸化膜３１と第２のシリコン酸化膜５１と第３のシリコン酸化膜５２とで、半導体基板１の上記一表面側のシリコン酸化膜１ｂを構成している。
上述のチャネルストッパ領域形成工程の後、第２導電形であるｎ形（ｎ＋）のドレイン領域４３および第２導電形であるｎ形（ｎ＋）のソース領域４４を形成するソース・ドレイン形成工程を行う。このソース・ドレイン形成工程では、ウェル領域４１におけるドレイン領域４３およびソース領域４４それぞれの形成予定領域に第２導電形の不純物（ここでは、ｎ形の不純物であり、例えば、リンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブを行うことによって、ドレイン領域４３およびソース領域４４を形成する。
ソース・ドレイン形成工程の後、半導体基板１の上記一表面側に例えば熱酸化により所定膜厚（例えば、６００Å）のシリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜４５を形成するゲート絶縁膜形成工程を行う。続いて、半導体基板１の上記一表面側の全面にゲート電極４６、第２の配線１０２（図５参照）、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９の基礎となる所定膜厚（例えば、０．６９μｍ）のノンドープポリシリコン層をＬＰＣＶＤ法により形成するポリシリコン層形成工程を行う。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記ノンドープポリシリコン層のうちゲート電極４６、第２の配線１０２、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９それぞれに対応する部分が残るようにパターニングするポリシリコン層パターニング工程を行う。続いて、上記ノンドープポリシリコン層のうちｐ形ポリシリコン層３５に対応する部分にｐ形の不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりｐ形ポリシリコン層３５を形成するｐ形ポリシリコン層形成工程を行う。その後、上記ノンドープポリシリコン層のうちｎ形ポリシリコン層３４、赤外線吸収層３９、故障診断用配線１３９、ゲート電極４６および第２の配線１０２に対応する部分にｎ形の不純物例えば、リンなど）のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりｎ形ポリシリコン層３４、赤外線吸収層３９、故障診断用配線１３９、ゲート電極４６および第２の配線１０２を形成するｎ形ポリシリコン層形成工程を行うことによって、図１９（ａ）に示す構造を得る。なお、ｐ形ポリシリコン層形成工程とｎ形ポリシリコン層形成工程との順序は逆でもよい。
上述のｐ形ポリシリコン層形成工程およびｎ形ポリシリコン層形成工程が終了した後、半導体基板１の上記一表面側に層間絶縁膜５０を形成する層間絶縁膜形成工程を行う。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して層間絶縁膜５０に各コンタクトホール５０ａ１，５０ａ２，５０ａ３，５０ａ４，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ（図１０、図１１、図１４参照）を形成するコンタクトホール形成工程を行うことによって、図１９（ｂ）に示す構造を得る。層間絶縁膜形成工程では、半導体基板１の上記一表面側に所定膜厚（例えば、０．８μｍ）のＢＰＳＧ膜をＣＶＤ法により堆積させてから、所定温度（例えば、８００℃）でリフローすることにより平坦化された層間絶縁膜５０を形成する。
上述のコンタクトホール形成工程の後、半導体基板１の上記一表面側の全面に接続部３６，３７、ドレイン電極４７、ソース電極４８、第４の配線１０４、第１の配線１０１、第３の配線１０３、各パッドＶout1〜Ｖout8，Ｖsel1〜Ｖsel8，Ｖrefin，Ｖsuなど（図１（ａ）参照）の基礎となる所定膜厚（例えば、２μｍ）の金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜）をスパッタ法などにより形成する金属膜形成工程を行う。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜をパターニングすることで接続部３６，３７、ドレイン電極４７、ソース電極４８、第４の配線１０４、第１の配線１０１、第３の配線１０３、各パッドＶout1〜Ｖout8，Ｖsel1〜Ｖsel8，Ｖrefin，Ｖsuなどを形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図２０（ａ）に示す構造を得る。なお、金属膜パターニング工程におけるエッチングは、ＲＩＥにより行っている。また、この金属膜パターニング工程を行うことにより、温接点Ｔ１および冷接点Ｔ２が形成される。
上述の金属膜パターニング工程の後、半導体基板１の上記一表面側（つまり、層間絶縁膜５０の表面側）に所定膜厚（例えば、０．５μｍ）のＰＳＧ膜と所定膜厚（例えば、０．５μｍ）のＮＳＧ膜との積層膜からなるパッシベーション膜６０をＣＶＤ法により形成するパッシベーション膜形成工程を行うことによって、図２０（ｂ）に示す構造を得る。
上述のパッシベーション膜形成工程の後、シリコン酸化膜３１、シリコン窒化膜３２、層間絶縁膜５０、パッシベーション膜６０などを備え、感温部３０などが埋設された積層構造部をパターニングすることにより、第２の薄膜構造部３ａａおよび連結片３ｃを形成する積層構造部パターニング工程を行うことによって、図２１（ａ）に示す構造を得る。なお、積層構造部パターニング工程において、各スリット１３，１４を形成している。
上述の積層構造部パターニング工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して各パッドパッドＶout1〜Ｖout8，Ｖsel1〜Ｖsel8，Ｖrefin，Ｖsuを露出させる開口部（図示せず）を形成する開口部形成工程を行う。次に、各スリット１３，１４をエッチング液導入孔としてエッチング液を導入し半導体基板１を異方性エッチング（結晶異方性エッチング）することにより半導体基板１に空洞部１１を形成する空洞部形成工程を行うことで、図２１（ｂ）に示す構造の赤外線センサ１００を得る。ここで、開口部形成工程におけるエッチングは、ＲＩＥにより行っている。また、空洞部形成工程では、エッチング液として所定温度（例えば、８５℃）に加熱したＴＭＡＨ溶液を用いているが、エッチング液はＴＭＡＨ溶液に限らず、他のアルカリ系溶液（例えば、ＫＯＨ溶液など）を用いてもよい。なお、空洞部形成工程が終了するまでの全工程はウェハレベルで行うので、空洞部形成工程が終了した後、個々の赤外線センサ１００に分離する分離工程を行えばよい。また、上述の説明から分かるように、ＭＯＳトランジスタ４の製造方法に関してみれば、周知の一般的なＭＯＳトランジスタの製造方法を採用しており、熱酸化による熱酸化膜の形成、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術による熱酸化膜のパターニング、不純物のイオン注入、ドライブイン（不純物の拡散）の基本工程を繰り返すことにより、ウェル領域４１、チャネルストッパ領域４２、ドレイン領域４３とソース領域４４を形成している。また、上述の製造方法では、ツェナダイオードＺＤの製造工程について説明を省略したが、周知の一般的なツェナダイオードの製造方法を適宜採用すればよい。
上述の赤外線センサ１００では、半導体基板１として上記一表面が（１００）面の単結晶シリコン基板を用いて、エッチング速度の結晶面方位依存性を利用した異方性エッチングにより形成する空洞部１１を四角錘状の形状としてあるが、四角錘状の形状に限らず、四角錘台状の形状でもよい。また、半導体基板１の上記一表面の面方位は特に限定するものではなく、例えば、半導体基板１として上記一表面がＳｉ（１１０）面の単結晶のシリコン基板を用いてもよい。
ＩＣ素子１２０は、ＡＳＩＣ（：Application Specific ＩＣ）であり、シリコン基板を用いて形成されている。また、ＩＣ素子１２０としてベアチップを用いている。しかして、本実施形態では、ＩＣ素子１２０がベアチップをパッケージングしたものである場合に比べて、パッケージ１３３の小型化を図れる。
ＩＣ素子１２０は、赤外線センサ１００の各パッドＶout1〜Ｖout8，Ｖsel1〜Ｖsel8，Ｖrefin，Ｖsu，Ｖzdそれぞれと電気的に接続される複数のパッド（図示せず）を備えている。そして、ＩＣ素子１２０は、赤外線センサ１００の出力電圧を増幅する第１の増幅回路１２２ａと、サーミスタ１１０の出力電圧を増幅する第２の増幅回路１２２ｂと、赤外線センサ１００のｂ個の第１のパッドＶout1〜Ｖout8の出力電圧を択一的に第１の増幅回路１２２ａに入力するマルチプレクサ１２１とを備える。また、ＩＣ素子１２０は、第１の増幅回路１２２ａにて増幅された赤外線センサ１００の出力電圧、および第２の増幅回路１２２ｂにて増幅されたサーミスタ１１０の出力電圧をディジタル値に変換するＡ／Ｄ変換回路１２３を備えている。ＩＣ素子１２０の演算部１２４は、赤外線センサ１００とサーミスタ１１０との各出力電圧に対応してＡ／Ｄ変換回路１２３から出力されるディジタル値を用いて物体４００の温度を演算する。この演算部１２４については、後述する。また、ＩＣ素子１２０は、演算部１２４での演算に利用するデータなどを記憶する記憶部であるメモリ１２５と、赤外線センサ１００を制御する制御回路１２６とを備えている。なお、ＩＣ素子１２０は、上述の自己診断回路も備えている。
本実施形態の温度センサは、パッケージ本体１３４とパッケージ蓋１３５とで構成されるパッケージ１３３の内部空間（気密空間）１６５を、ドライ窒素雰囲気としてあるが、これに限らず、例えば、真空雰囲気としてもよい。
パッケージ本体１３４は、絶縁材料からなる基体１３４ａに、金属材料からなる配線パターン（図示せず）および電磁シールド層１４４が形成されており、電磁シールド層１４４により電磁シールド機能を有している。一方、パッケージ蓋１３５は、赤外線透過部材１５３が導電性を有し、この赤外線透過部材１５３がメタルキャップ１５２に導電性材料により接合されているので、導電性を有している。そして、パッケージ蓋１３５は、パッケージ本体１３４の電磁シールド層１４４と電気的に接続されている。しかして、本実施形態では、パッケージ本体１３４の電磁シールド層１４４とパッケージ蓋１３５とを同電位とすることができる。その結果、パッケージ１３３は、赤外線センサ１００とＩＣ素子１２０と上記配線パターンと後述のボンディングワイヤ（図示せず）と含んで構成されるセンサ回路（図示せず）への外来の電磁ノイズを防止する電磁シールド機能を有している。
パッケージ本体１３４は、赤外線センサ１００およびＩＣ素子１２０が一表面側に実装される平板状のセラミック基板により構成してある。要するに、パッケージ本体１３４は、基体１３４ａが絶縁材料であるセラミックスにより形成されており、配線パターンのうち基体１３４ａの一表面側に形成された部位に、赤外線センサ１００の各パッドＶout1〜Ｖout8，Ｖsel1〜Ｖsel8，Ｖrefin，Ｖsu，ＶzdおよびＩＣ素子１２０の上記パッドが、適宜、ボンディングワイヤを介して接続されている。なお、赤外線センサ１００とＩＣ素子１２０とは、ボンディングワイヤなどを介して電気的に接続されている。各ボンディングワイヤとしては、Ａｌワイヤに比べて耐腐食性の高いＡｕワイヤを用いることが好ましい。
本実施形態では、パッケージ本体１３４の絶縁材料としてセラミックスを採用しているので、上記絶縁材料としてエポキシ樹脂などの有機材料を採用する場合に比べて、パッケージ本体１３４の耐湿性および耐熱性を向上させることができる。ここで、絶縁材料のセラミックスとして、アルミナを採用すれば、窒化アルミニウムや炭化珪素などを採用する場合に比べて、上記絶縁材料の熱伝導率が小さく、ＩＣ素子１２０やパッケージ１３３の外部からの熱に起因した赤外線センサ１００の温度上昇を抑制できる。
また、パッケージ本体１３４は、上述の配線パターンの一部により構成される外部接続電極（図示せず）が、基体１３４ａの他表面と側面とに跨って形成されている。しかして、本実施形態の温度センサでは、回路基板などへの２次実装後において、回路基板などとの接合部の外観検査を容易に行うことができる。
また、赤外線センサ１００は、パッケージ本体１３４に対して、第１のダイボンド剤（例えば、シリコーン樹脂など）からなる複数の接合部１１５を介して実装されている。また、ＩＣ素子１２０は、パッケージ本体１３４に対して、第２のダイボンド剤（例えば、シリコーン樹脂など）からなる接合部１１８を介して実装されている。各ダイボンド剤としては、低融点ガラスやエポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂などの絶縁性接着剤、半田（鉛フリー半田、Ａｕ−Ｓｎ半田など）や銀ペーストなどの導電性接着剤を用いればよい。また、各ダイボンド剤を用いずに、例えば、常温接合法や、Ａｕ−Ｓｎ共晶もしくはＡｕ−Ｓｉ共晶を利用した共晶接合法などにより接合してもよい。
上述の温度センサは、赤外線センサ１００が複数の接合部１１５を介してパッケージ本体１３４に実装されているので、赤外線センサ１００の裏面の全体が接合部１１５を介してパッケージ本体１３４に接合される場合に比べて、赤外線センサ１００とパッケージ本体１３４との間の空間１１６が断熱部として機能することと、接合部１１５の断面積の低減とにより、パッケージ本体１３４から赤外線センサ１００へ熱が伝達しにくくなる。
この接合部１１５の数は、特に限定するものではないが、赤外線センサ１００の外周形状が矩形状（正方形状ないし長方形状）の場合には、例えば、３つが好ましい。この場合には、赤外線センサ１００の外周形状に基づいて規定した仮想三角形の３つの頂点に対応する３箇所に設けることにより、パッケージ本体１３４への実装時などの温度変化に起因したパッケージ本体１３４の変形が赤外線センサ１００の傾きとして伝わるから、赤外線センサ１００が変形するのを抑制することができ、赤外線センサ１００に生じる応力を低減することが可能となる。なお、本実施形態では、赤外線センサ１００の外周形状が例えば正方形状の場合、赤外線センサ１００の外周の１辺の両端の２箇所と、当該１辺に平行な辺の１箇所との３箇所に頂点を有する仮想三角形を規定しているが、仮想三角形の頂点の位置は、赤外線センサ１００の外周形状、赤外線センサ１００の各パッドＶout1〜Ｖout8，Ｖsel1〜Ｖsel8，Ｖrefin，Ｖsu，Ｖzdへのワイヤボンディング時の接合信頼性（言い換えれば、赤外線センサ１００の各パッドＶout1〜Ｖout8，Ｖsel1〜Ｖsel8，Ｖrefin，Ｖsu，Ｖzdの位置）を考慮して規定することが好ましい。接合部１１５には、赤外線センサ１００とパッケージ本体１３４との距離を規定するスペーサを混入させてもよく、このようなスペーサを混入させておけば、温度センサの製品間での赤外線センサ１００とパッケージ本体１３４との間の熱絶縁性能のばらつきを低減可能となる。ただし、赤外線センサ１００の裏面全体を、接合部１１５を介してパッケージ本体１３４に接合してもよい。
また、ＩＣ素子１２０は、外周形状が矩形状（正方形状ないし長方形状）であり、裏面全体が接合部１１８を介してパッケージ本体１３４に接合されている。
パッケージ蓋１３５は、パッケージ本体１３４側の一面が開放された箱状に形成され赤外線センサ１００に対応する部位に開口窓１５２ａが形成されたメタルキャップ１５２と、メタルキャップ１５２の開口窓１５２ａを閉塞する形でメタルキャップ１５２に接合された赤外線透過部材１５３とで構成されており、メタルキャップ１５２の上記一面がパッケージ本体１３４により閉塞される形でパッケージ本体１３４に気密的に接合されている。ここで、パッケージ本体１３４の上記一表面の周部には、パッケージ本体１３４の外周形状に沿った枠状の金属パターン１４７（図１（ａ）参照）が全周に亘って形成されている。そして、パッケージ１３３は、パッケージ蓋１３５とパッケージ本体１３４の金属パターン１４７とが、シーム溶接（抵抗溶接法）により金属接合されており、気密性および電磁シールド効果を高めることができる。なお、パッケージ蓋１３５のメタルキャップ１５２は、コバールにより形成されており、Ｎｉめっきが施されている。また、パッケージ本体１３４の金属パターン１４７は、コバールにより形成され、Ｎｉのめっきが施され、さらにＡｕのめっきが施されている。
パッケージ蓋１３５とパッケージ本体１３４の金属パターン１４７との接合方法は、シーム溶接に限らず、他の溶接（例えば、スポット溶接）や、導電性樹脂により接合してもよい。ここで、導電性樹脂として異方導電性接着剤を用いれば、樹脂（バインダー）中に分散された導電粒子の含有量が少なく、接合時に加熱・加圧を行うことでパッケージ蓋１３５とパッケージ本体１３４との接合部の厚みを薄くできるので、外部からパッケージ１３３内へ水分やガス（例えば、水蒸気、酸素など）が侵入するのを抑制できる。また、導電性樹脂として、酸化バリウム、酸化カルシウムなどの乾燥剤を混入させたものを用いてもよい。
なお、パッケージ本体１３４およびパッケージ蓋１３５の外周形状は矩形状としてあるが、矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。また、パッケージ蓋１３５のメタルキャップ１５２は、パッケージ本体１３４側の端縁から全周に亘って外方に延設された鍔部１５２ｂを備えており、鍔部１５２ｂが全周に亘ってパッケージ本体１３４と接合されている。
赤外線透過部材１５３を構成するレンズは、平凸型の非球面レンズである。しかして、本実施形態の温度センサでは、赤外線透過部材１５３の薄型化を図りながらも、赤外線センサ１００での赤外線の受光効率の向上による高感度化を図れる。また、本実施形態の温度センサでは、赤外線センサ１００の検知エリアを赤外線透過部材１５３により設定することが可能となる。赤外線透過部材１５３は、赤外線センサ１００の半導体基板１とは別の半導体基板（半導体ウェハ）を用いて形成されている。なお、この種の非球面レンズからなるレンズは、例えば、陽極酸化技術を応用した半導体レンズの製造方法（例えば、特許第３８９７０５５号公報、特許第３８９７０５６号公報など参照）により形成することができる。
本実施形態では、赤外線センサ１００の検知エリアを上述の半導体レンズからなるレンズにより構成される赤外線透過部材１５３により設定することができ、また、レンズとして、球面レンズよりも短焦点で且つ開口径が大きく収差が小さな半導体レンズを採用することができるから、短焦点化により、パッケージ１３３の薄型化を図れる。本実施形態の温度センサは、物体４００として、人体を想定しているので、赤外線センサ１００の検知対象の赤外線としては、人体から放射される１０μｍ付近の波長帯（８μｍ〜１３μｍ）の赤外線を想定している。なお、物体４００は、人体に限定するものではなく、赤外線センサ１００での検知対象の赤外線の波長も、特に限定するものではない。
また、赤外線透過部材１５３は、メタルキャップ１５２における開口部１５２ａの周部に導電性接着剤（例えば、鉛フリー半田、銀ペーストなど）からなる接合部１５８により固着されている。本実施形態では、接合部１５８の材料として導電性接着剤を採用することにより、赤外線透過部材１５３が、接合部１５８およびメタルキャップ１５２を介してパッケージ本体１３４の電磁シールド層１４４に電気的に接続されるので、電磁ノイズに対するシールド性を高めることができ、外来の電磁ノイズに起因したＳ／Ｎ比の低下を防止することができる。
上述の赤外線透過部材１５３には、赤外線センサ１００での検知対象の赤外線の波長を含む所望の波長域の赤外線を透過し当該波長域以外の赤外線を反射する光学多層膜（多層干渉フィルタ膜）からなるフィルタ部（図示せず）を設けることが好ましい。このようなフィルタ部を設けることにより、所望の波長域以外の不要な波長域の赤外線や可視光をフィルタ部によりカットすることが可能となり、太陽光などによるノイズの発生を抑制することができ、高感度化を図れる。
また、本実施形態では、パッケージ本体１３４が平板状に形成されているので、パッケージ本体１３４への赤外線センサ１００およびＩＣ素子１２０の実装が容易になるとともに、パッケージ本体１３４の低コスト化が可能となる。また、パッケージ本体１３４が平板状に形成されているので、パッケージ本体１３４を、一面が開放された箱状の形状として、多層セラミック基板により構成し、パッケージ本体１３４の内底面に赤外線センサ１００を実装する場合に比べて、パッケージ本体１３４の上記一表面側に配置される赤外線センサ１００と赤外線透過部材１５３との間の距離の精度を高めることができ、より一層の高感度化を図れる。なお、以下では、パッケージ本体１３４において、赤外線センサ１００を実装する領域を第１の領域１４０、ＩＣ素子１２０を実装する領域を第２の領域１４２と称する。
本実施形態の温度センサでは、パッケージ本体１３４において、第１の領域１４０に比べて、第２の領域１４２の厚みを薄くしてある。ここで、パッケージ本体１３４の第２の領域１４２は、基体１３４ａの上記一表面に凹部１３４ｂを設けることにより、第１の領域１４０よりも厚みを薄くしてある。また、パッケージ本体１３４の第２の領域１４２では、電磁シールド層１４４が露出している。
また、パッケージ本体１３４の第２の領域１４２では、金属材料（例えば、Ｃｕなど）からなる複数のビア（サーマルビア）１４５が基体１３４ａの厚み方向に貫設されており、各ビア１４５が電磁シールド層１４４と接して熱結合されている。
ここで、ＩＣ素子１２０は、第２の領域１４２において電磁シールド層１４４に接合部１１８を介して実装されている。しかして、ＩＣ素子１２０で発生した熱を電磁シールド層１４４におけるＩＣ素子１２０の直下の部位およびビア１４５を通してパッケージ１３３の外側へ効率良く放熱させることが可能となり、ＩＣ素子１２０の熱が赤外線センサ１００に与える影響を低減することが可能となる。
ところで、第１のパッドＶout1〜Ｖout8の電位をＶout、第２のパッドＶsel1〜Ｖsel8の電位をＶs、第３のパッドＶchの電位をＶwell、第４のパッドＶrefinの電位をＶref、感温部３０の出力電圧をＶoとすれば、ＩＣ素子１２０において赤外線センサ１００を制御する制御回路１２６は、第２の配線１０２に接続されたａ個（８個）のＭＯＳトランジスタ４をオン状態とする際の第２のパッドＶsel1〜Ｖsel8の電位ＶsをＶon、第２の配線１０２に接続されたａ個（８個）のＭＯＳトランジスタ４をオフ状態とする際の第２のパッド１０２の電位ＶsをＶoffとし、第２のパッドＶsel1〜Ｖsel8の電位ＶsをＶonとしたときに、ＶrefとＶwellとの電位差に起因して第４のパッドＶrefin−感温部３０−ソース領域４４−ウェル領域（チャネル形成用領域）４１−第３のパッドＶchを通る経路で流れるリーク電流が、Ａ／Ｄ変換回路１２３における入力値（入力電圧）の分解能を感温部３０の抵抗値と第１の増幅回路１２２ａの増幅率との積により除した値以下となるように予め設定されたＶwell、Ｖrefの条件で赤外線センサ１００を制御する。
したがって、本実施形態の温度センサでは、例えば、制御回路１２６が、第４のパッドＶrefinの電位Ｖrefを１．２Ｖ、第３のパッドＶchの電位Ｖwellを１．２Ｖ、第２の配線１０２に接続されたａ個（８個）のＭＯＳトランジスタ４をオン状態とする際の第２のパッドＶsel1〜Ｖsel8の電位ＶｓであるＶonを５Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタ４がオンとなり、第１のパッドＶout1〜Ｖout8から画素部２の出力電圧（Ｖout＝Ｖref＋Ｖo）を読み出すことが可能となり、画素部２の出力電圧に、上述のリーク電流と感温部３０の抵抗値との積により決まるオフセット電圧が生じるのを抑制することが可能となる。要するに、本実施形態の温度センサでは、オフセット電圧と第１の増幅回路１２２ａの増幅率との積を、Ａ／Ｄ変換回路１２３における入力値の分解能よりも小さくすることが可能となり、物体４００の温度の検出精度を向上させることが可能となる。また、第２の配線１０２に接続されたａ個（８個）のＭＯＳトランジスタ４をオフ状態とする際の第２のパッドＶsel1〜Ｖsel8の電位ＶｓであるＶoffを０Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタ４がオフとなり、第１のパッドＶout1〜Ｖout8から画素部２の出力電圧は読み出されない。
本実施形態の温度センサでは、制御回路１２６が、Ｖref＝Ｖwellとすることが好ましく、これにより、上述のリーク電流を略ゼロとして、オフセット電圧を略ゼロとすることが可能となり、物体４００の温度の検出精度を向上させることが可能となる。
また、本実施形態の温度センサでは、ＭＯＳトランジスタ４がｎＭＯＳトランジスタの場合、チャネル形成用領域であるウェル領域４１とソース領域４４とで構成される第１の寄生ダイオードおよびウェル領域４１とドレイン領域４３とで構成される第２の寄生ダイオードのしきい値電圧をＶtとすれば、制御回路１２６が、
−Ｖt＜｛Ｖwell−（Ｖref＋Ｖo）｝＜Ｖt
の関係を満たすように設定されたＶref、Ｖwellの条件で赤外線センサ１００を制御すれば、第１の寄生ダイオードおよび第２の寄生ダイオードにリーク電流が流れるのを抑制することができ、Ｓ／Ｎ比の向上を図れる。すなわち、本実施形態の温度センサでは、ＭＯＳトランジスタ４がオンのときに、チャネル形成用領域であるウェル領域４１を通るリーク電流が流れるのを抑制することができ、Ｓ／Ｎ比の向上を図れる。
また、温度センサにおいて、ＭＯＳトランジスタ４がｐＭＯＳトランジスタの場合には、制御回路１２６が、
−Ｖt＜｛（Ｖref＋Ｖo）−Ｖwell｝＜Ｖt
の関係を満たすように設定されたＶref、Ｖwellの条件で赤外線センサ１００を制御すれば、第１の寄生ダイオードおよび第２の寄生ダイオードにリーク電流が流れるのを抑制することができ、Ｓ／Ｎ比の向上を図れる。
本実施形態では、半導体基板１として、第２導電形のシリコン基板を用いており、Ｖtが０．６Ｖ〜０．７Ｖ程度となる。なお、半導体基板１は、シリコン基板に限らず、例えば、ゲルマニウム基板を用いてもよく、この場合には、Ｖtが０．２Ｖ〜０．３Ｖ程度となる。
また、本実施形態の温度センサは、各ＭＯＳトランジスタ４のゲート電極４６・ソース電極４８間に過電圧が印加されるのを防止するために各第２の配線１０２それぞれにカソード（カソード電極８４ａ）が接続された複数のツェナダイオードＺＤを備えているので、各ＭＯＳトランジスタ４のゲート電極４６・ソース電極４８間に過電圧が印加されるのを防止することができ、ゲート絶縁膜４５の絶縁破壊を防止することが可能となる。
また、本実施形態の温度センサは、上述のツェナダイオードＺＤが、半導体基板１の上記一表面側に形成された第１導電形の第１拡散領域８１内に第２導電形の第２拡散領域８２が形成されたものであり、各ツェナダイオードＺＤの第１拡散領域８１が共通接続された第５のパッドＶzdを備え、第５のパッドＶzdの電位をＶhogoとするとき、制御回路１２６が、ＶhogoとＶwellとを異ならせるので、ＭＯＳトランジスタ４のゲート絶縁膜４５を保護しつつＳ／Ｎ比の向上を図れる。ここで、制御回路１２６は、例えば、上述のように、第３のパッドＶchの電位Ｖwellを１．２Ｖとする場合、第５のパッドＶzdの電位Ｖhogoを０Ｖとする。
また、温度センサは、赤外線センサ１００において、半導体基板１が接続された基板バイアス用の第６のパッドＶsuを備えており、第６のパッドＶsuの電位をＶsubとするとき、制御回路１２６が、Ｖwell＝Ｖsubとする。すなわち、制御回路１２６は、例えば、上述のように、第３のパッドＶchの電位Ｖwellを１．２Ｖとする場合、第６のパッドＶsuの電位Ｖsubを１．２Ｖとする。なお、図３の等価回路図には、ウェル領域４１と半導体基板１とで構成される第３の寄生ダイオードＤ３、第１拡散領域８１と半導体基板１とで構成される第４の寄生ダイオードＤ４も記載してある。
また、本実施形態の温度センサでは、半導体基板１の導電形が第２導電形であり、半導体基板１が接続された基板バイアス用の第６のパッドＶsuを備え、第６のパッドＶsuの電位をＶsubとするとき、制御回路１２６が、第３のパッドＶchの電位Ｖwellと第６のパッドＶsuの電位Ｖsubとを等しくする、すなわち、Ｖwell＝Ｖsubとするので、チャネル形成用領域であるウェル領域４１と半導体基板１との電位差をなくすことが可能となり、ウェル領域４１と半導体基板１とで構成される第３の寄生ダイオードＤ３（図３参照）にリーク電流が流れるのを抑制することが可能となる。この場合、赤外線センサ１００において、第４のパッドＶrefinと第３のパッドＶchと第６のパッドＶsuとを１個に共通化すれば、パッド数の低減を図れるとともに、制御回路１２６の回路構成の簡略化を図れる。
また、本実施形態の温度センサは、半導体基板１の導電形が第２導電形であって、第１導電形がｐ形、第２導電形がｎ形であり、制御回路１２６が、Ｖhogo≦Ｖoff、且つ、Ｖhogo≦Ｖsubとすることにより、ツェナダイオードＺＤのリーク電流を抑制することができる。
また、本実施形態の温度センサについて、ここまでは、第１導電形がｐ形、第２導電形がｎ形である一例（この一例では、ＭＯＳトランジスタ４は、ｎＭＯＳトランジスタである）について説明したが、第１導電形がｎ形、第２導電形がｐ形でもよく、この場合（この場合、ＭＯＳトランジスタ４は、ｐＭＯＳトランジスタである）、制御回路１２６が、Ｖhogo≧Ｖoff、且つ、Ｖhogo≦Ｖsubとすることにより、ツェナダイオードＺＤのリーク電流を抑制することができる。
要するに、半導体基板１の導電形は、ｎ形に限らず、例えば、図２２〜図２４に示すようにｐ形でもよい。図２２は、ｐ形の半導体基板１がチャネル形成用領域を構成し、ドレイン領域４３およびソース領域４４の導電形をｎ形（ｎ＋）とする例である。また、図２３は、ｐ形の半導体基板１に形成したｐ形（ｐ＋）のウェル領域４１がチャネル形成用領域を構成し、ドレイン領域４３およびソース領域４４の導電形をｎ形（ｎ＋）とする例である。また、図２４は、ｐ形の半導体基板１に形成したｎ形のウェル領域４１がチャネル形成用領域を構成し、ドレイン領域４３およびソース領域４４の導電形をｐ形（ｐ＋）とする例である。
以下、ＩＣ素子１２０の演算部１２４において物体４００の温度を演算する演算式について説明する。
物体４００から放射される電磁波（主に赤外線）のエネルギ密度は、ステファン−ボルツマンの法則によれば、電磁波のエネルギ密度をＰ0〔Ｗ／ｍ2〕、物体４００の放射率をε0、物体４００の絶対温度をＴo〔Ｋ〕、ステファン−ボルツマン定数をσ〔Ｗ／（ｍ2・Ｋ4）〕とするとき、
Figure 2012013517
 で表される。
しかしながら、物体４００から放射された赤外線は、赤外線センサ１００に到達するまでに大気中の水蒸気や二酸化炭素などによって吸収され減衰し、しかも、吸収率が波長により異なる。また、赤外線センサ１００の前方に赤外線透過部材１５３が配置されているので、物体４００から放射された赤外線は、赤外線透過部材１５３での反射や吸収などによっても減衰する。
したがって、物体４００から放射される電磁波のエネルギ密度をステファン−ボルツマンの法則に従って表し、この電磁波のエネルギ密度を赤外線センサ１００の吸収エネルギ密度と仮定した場合には、赤外線センサ１００の吸収エネルギ密度の誤差が大きくなってしまう。
そこで、本願発明者らは、赤外線センサ１００の吸収エネルギ密度を導出するにあたって、まず、物体４００から放射される電磁波のエネルギ密度について、プランクの放射則により表すことを考えた。
物体４００から放射される電磁波のエネルギ密度は、プランクの放射則によれば、電磁波のエネルギ密度をＷ（λ）〔Ｗ／ｍ2〕、プランク定数をｈ〔Ｊ・ｓ〕、光束をｃ〔ｍ／ｓ〕、波長をλ〔ｍ〕、ボルツマン定数をｋ〔Ｊ／Ｋ〕、物体４００の絶対温度をＴo〔Ｋ〕、物体４００の放射率をη0とするとき、
Figure 2012013517
 で表される。
ここで、物体４００から放射され赤外線センサ１００に吸収される電磁波（主に赤外線）のエネルギ密度（吸収エネルギ密度）は、吸収エネルギ密度をＰ１〔Ｗ／ｍ2〕、波長をλ〔ｍ〕、赤外線センサ１００の吸収率をε（λ）、大気の波長別の透過率をηair（λ）、赤外線透過部材１５３の波長別の透過率をηtra（λ）、赤外線透過部材１５３であるレンズの明るさをＦとするとき、
Figure 2012013517
 で表される。
一方、赤外線センサ１００からは、赤外線センサ１００の温度に応じた電磁波（主に、赤外線）が放射される。赤外線センサ１００から放射される電磁波については、大気や赤外線透過部材１５３での吸収を考慮する必要がない。そこで、赤外線センサ１００から放射される電磁波のエネルギ密度（放射エネルギ密度）については、ステファン−ボルツマンの法則により表すことを考えた。
赤外線センサ１００の放射エネルギ密度は、ステファン−ボルツマンの法則によれば、放射エネルギ密度をＰ２〔Ｗ／ｍ2〕、赤外線センサ１００の放射率をεs、赤外線センサ１００の温度をＴs〔Ｋ〕、ステファン−ボルツマン定数をσ〔Ｗ／（ｍ2・Ｋ4）〕とするとき、
Figure 2012013517
 で表される。
ここで、赤外線センサ１００におけるエネルギ収支（吸収エネルギと放射エネルギとの差分）は、赤外線センサ１００の吸収エネルギ密度と赤外線センサ１００の放射エネルギ密度との差分に比例するので、赤外線センサ１００におけるエネルギ収支をΔＱ〔Ｗ〕、赤外線センサ１００の面積をＡse〔ｍ2〕とすると、
Figure 2012013517
 で表される。なお、本実施形態における赤外線センサ１００では、赤外線の吸収、赤外線の放射が、ほとんど、上述の半導体基板１の上記一表面側で平面視において空洞部１１を覆う第１の薄膜構造部３ａで行われるので、赤外線センサ１００の面積Ａseの値を、第１の薄膜構造部３ａの面積の値とすればよい。また、赤外線センサ１００の放射率εsについては、赤外線センサ１００の第１の薄膜構造部３ａに関してＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光法）により測定した吸収率の値を用いればよい。
そして、赤外線センサ１００の出力電圧は、当該赤外線センサ１００のエネルギ収支に比例するので、赤外線センサ１００の出力電圧をＶout〔Ｖ〕、比例係数をＬとすると、
Figure 2012013517
 で表される。ここで、本願発明者らは、実験、シミュレーションなどを繰り返して行った結果、物体４００の温度Ｔoおよび赤外線センサ１００の温度Ｔsが、２５３Ｋ（−２０℃）〜３７３Ｋ（１００℃）の範囲内であれば、上記（８）式を下記（９）式で示す２次方程式での近似により、９９％以上の相関係数が得られるという知見を得た。
Figure 2012013517
 上記（９）式において、係数Ｃと係数Ｆとを合わせて係数Ｇとすれば、上記（９）式は、下記（１０）式のように表すことができる。
Figure 2012013517
 ここで、（１０）式について、物体４００の温度Ｔoを未知数とすれば、解の公式により、物体４００の温度Ｔoは、下記（１１）式のようになる。
Figure 2012013517
 温度センサは、上述の演算部１２４において、（１１）式の演算式を用いて物体４００の温度Ｔoを演算する。ここで、演算部１２４は、メモリ１２５に予め記憶された係数Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅ，Ｇの値（データ）と、赤外線センサ１００の出力電圧Ｖoutおよびサーミスタ１１０により測定された赤外線センサ１００の温度Ｔsとを利用して（１１）式の演算を行う。なお、赤外線センサ１００の出力電圧Ｖoutは、第１の増幅回路１２２ａにて増幅されＡ／Ｄ変換回路１２３にてディジタル値に変換されて演算部１２４に入力される。また、赤外線センサ１００の温度Ｔsは、当該温度Ｔsに対応するサーミスタ１１０の出力電圧が第２の増幅回路１２２ｂにて増幅されＡ／Ｄ変換回路１２３にてディジタル値に変換されて演算部１２４に入力される。また、係数Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅ，Ｇの一例を下記表１に示す。
Figure 2012013517
 以上説明した本実施形態の温度センサは、物体４００から放射された赤外線による熱エネルギを電気エネルギに変換するサーモパイル３０ａにより構成される感温部（熱電変換部）３０を有する赤外線センサ１００と、赤外線センサ１００の出力電圧Ｖoutに基づいて物体４００の温度Ｔoを演算する演算部１２４とを備え、演算部１２４は、赤外線センサ１００の出力電圧Ｖoutが、プランクの放射則に従って表され物体４００の温度Ｔoに依存する赤外線センサ１００の吸収エネルギ密度と、ステファン−ボルツマンの法則に従って表され赤外線センサ１００の温度Ｔsに依存する赤外線センサ１００の放射エネルギ密度との差分に比例すると仮定して求められた演算式を用いて物体４００の温度Ｔoを演算するので、物体４００の温度Ｔoの検出精度を向上させることが可能となる。
また、本実施形態の温度センサは、赤外線センサ１００の温度を測定するサーミスタ１１０を備え、演算式として上記（１１）式を用いるので、物体４００の温度Ｔoを、容易に且つ高精度に検出することが可能となる。すなわち、物体４００の温度Ｔoの検出精度の低下を抑制しつつ演算部１２４での演算時間を短縮することが可能となる。
ところで、上記（１１）式で示した演算式の導出にあたっては、上記（５）式を利用しているが、赤外線透過部材１５３がレンズではなく平板状の形状の場合には、赤外線センサ１００に吸収される電磁波（主に赤外線）のエネルギ密度Ｐ１〔Ｗ／ｍ2〕は、下記（１２）式で表され、係数Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅ，Ｇの値は上記表１の値とは異なった値となる。
Figure 2012013517
 また、赤外線透過部材１５３が無い場合には、赤外線センサ１００に吸収される電磁波（主に赤外線）のエネルギ密度Ｐ１〔Ｗ／ｍ2〕は、下記（１３）式で表され、係数Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅ，Ｇの値は上記表１の値とは異なった値となる。
Figure 2012013517
 また、本実施形態の温度センサにおいて、赤外線センサ１００は、図１７に示すように、物体４００の温度の上昇に伴い出力電圧Ｖoutが低下する負特性を有することが好ましい。赤外線センサ１００は、ＭＯＳトランジスタ４がオンのときに感温部３０において第１の配線１０１に電気的に接続される熱電要素をｎ形ポリシリコン層３４とし、第４の配線１０４に電気的に接続される熱電要素をｐ形ポリシリコン層３５とすることにより、図１７に示すような負特性を有することとなる。
本実施形態の温度センサでは、赤外線センサ１００が図１７に示すような負特性を有していることにより、物体４００の温度Ｔoが高くなるほど出力電圧Ｖoutが低くなり、逆に、物体４００の温度Ｔoが低くなるほど出力電圧Ｖoutが高くなるが、図１７の負特性は、上に凸の二次方程式で表される。言い換えれば、図１７の負特性は、上記（１０）式で近似した場合、係数Ａがマイナスの値となる（表１参照）。本実施形態の温度センサでは、赤外線センサ１００が図１７に示すような負特性を有していることにより、出力電圧Ｖoutの最大値が上記（１０）式の二次方程式で表される二次曲線の頂点の値となるので、赤外線センサ１００の出力電圧Ｖoutのダイナミックレンジを決めることができ、Ａ／Ｄ変換回路１２３の入力範囲および分解能を適切に決めることが可能となる。例えば、第１の増幅回路１２２ａで増幅されＡ／Ｄ変換回路１２３に入力される電圧の範囲が０〜１Ｖであるとし、必要な分解能が１ｍＶであれば、分解能を１０ビットとして、１０２４分割すればよい。
また、本実施形態の温度センサは、赤外線センサ１００が、熱電変換部である感温部３０を有する複数の画素部２が半導体基板１の上記一表面側においてアレイ状（ここでは、二次元アレイ状）に配置されたものなので、物体４００の高精度な温度分布測定が可能となる。
また、本実施形態の温度センサは、上述の演算式の係数Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅ，Ｇを記憶する記憶部としてのメモリ１２５を有しているが、赤外線センサ１００として複数の画素部２が半導体基板１の一表面側においてアレイ状に配置されたものなので、メモリ１２５においては、係数Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅ，Ｇが、赤外線センサ１００の各画素部２ごとに対応付けて記憶されていることが好ましい。言い換えれば、予め赤外線センサ１００の各画素部２ごとに独立して係数Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅ，Ｇを求めてメモリ１２５に記憶させておき、演算部１２４にて画素部２ごとに物体４００の温度Ｔoを演算する際に、各画素部２ごとに対応付けられた係数Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅ，Ｇを読み出して演算を行うことによって、より高精度な温度分布測定が可能となる。
ところで、感温部３０において直列に接続されている熱電対の数をｎ、サーモパイル３０ａの熱電要素であるｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５のゼーベック係数をＳc〔Ｖ／Ｋ〕、赤外線センサ１００が赤外線を吸収したことによる赤外線センサ１００の温度変化をΔＴｓ〔Ｋ〕とすれば、赤外線センサ１００の出力電圧Ｖoutは、下記（１４）式でも表すことができる。
Figure 2012013517
 上記（１４）式において、ｎ、Ｓｃは赤外線センサ１００の各画素部２で同じであるが、ΔＴｓは赤外線センサ１００の画素部２によって異なる可能性がある。ここで、赤外線センサ１００の感度係数Ｓ〔Ｖ／Ｋ〕を画素部２ごとにあらかじめ求めて、赤外線センサ１００の出力電圧Ｖoutを下記（１５）式で近似するようにしてもよい。
Figure 2012013517
 なお、感度係数Ｓは、例えば、物体４００の温度が２９８Ｋ（２５℃）、３２８Ｋ（５５℃）それぞれの場合の赤外線センサ１００の出力電圧Ｖoutを測定して、出力電圧Ｖoutの変化量を温度の変化量で除することにより求めればよい。
赤外線センサ１００の出力電圧Ｖoutを上記（１５）式で近似する場合には、メモリ１２５に、演算式で用いる係数として、係数Ｓを各画素部２ごとに個別に設定された１つの個別係数として記憶させ、係数ａ，ｂ，ｄ，ｅ，ｇを、各画素部２に共通に設定された複数の共通係数として記憶させることが好ましい。これにより、メモリ１２５の記憶容量を低減させることができ、低コストおよび小型化を図ることが可能となる。メモリ１２５の記憶容量を減らさない場合には、各係数Ｓ，ａ，ｂ，ｄ，ｅ，ｇのビット数を増やすことによって、より高精度な演算が可能となる。なお、個別係数および共通係数それぞれの数は特に限定するものではなく、適宜変更してもよい。
ところで、上述の温度センサは、赤外線センサ１００の温度を測定するサーミスタ１１０を備えている例について説明したが、これに限らず、赤外線センサ１００の温度を一定温度に保つペルチェ素子を備えている場合には、当該ペルチェ素子により赤外線センサ１００の温度を一定温度に保つことができるので、サーミスタ１１０を設ける必要はなく、赤外線センサ１００の出力電圧Ｖoutを下記（１６）式により近似することにより、物体４００の温度Ｔoが、２５３Ｋ（−２０℃）〜３７３Ｋ（１００℃）の範囲内であれば、９９％以上の相関係数が得られるので、この場合の演算式としては、下記（１７）式を用いればよい。
Figure 2012013517
Figure 2012013517
 この場合の温度センサも、物体４００から放射された赤外線による熱エネルギを電気エネルギに変換するサーモパイル３０ａにより構成される感温部（熱電変換部）３０を有する赤外線センサ１００と、赤外線センサ１００の出力電圧Ｖoutに基づいて物体４００の温度Ｔoを演算する演算部１２４とを備え、演算部１２４は、赤外線センサ１００の出力電圧Ｖoutが、プランクの放射則に従って表され物体４００の温度Ｔoに依存する赤外線センサ１００の吸収エネルギ密度と、ステファン−ボルツマンの法則に従って表され赤外線センサ１００の温度Ｔsに依存する赤外線センサ１００の放射エネルギ密度との差分に比例すると仮定して求められた演算式を用いて物体４００の温度Ｔoを演算するので、物体４００の温度Ｔoの検出精度を向上させることが可能となる。
上述の赤外線センサ１００において、半導体基板１の空洞部１１は、半導体基板１の厚み方向に貫通する形で形成してもよく、この場合は、空洞部１１を形成する空洞部形成工程において、半導体基板１の上記一表面とは反対の他表面側から、半導体基板１における空洞部１１の形成予定領域を、例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のドライエッチング装置を用いた異方性エッチング技術を利用して形成すればよい。また、赤外線センサ１００は、熱電変換部である感温部３０を具備する複数の画素部２が半導体基板１の一表面側においてアレイ状に配置されたものに限らず、感温部３０が１つだけのものでもよく、この場合は、ＭＯＳトランジスタ４を設ける必要はない。また、感温部３０を構成するサーモパイル３０ａの数も複数に限らず、１つでもよい。また、赤外線センサ１００は、半導体基板１を用いて形成したものに限らず、他の基板を用いて形成されたものでもよい。
１ 半導体基板
２ 画素部
３０ 感温部（熱電変換部）
３０ａ サーモパイル
１００ 赤外線センサ
１１０ サーミスタ
１２４ 演算部
１２５ メモリ（記憶部）

Claims (7)

  1. 物体から放射された赤外線による熱エネルギを電気エネルギに変換するサーモパイルにより構成される熱電変換部を有する赤外線センサと、前記赤外線センサの出力電圧に基づいて前記物体の温度を演算する演算部とを備え、前記演算部は、前記赤外線センサの出力電圧が、プランクの放射則に従って表され前記物体の温度に依存する前記赤外線センサの吸収エネルギ密度と、ステファン−ボルツマンの法則に従って表され前記赤外線センサの温度に依存する前記赤外線センサの放射エネルギ密度との差分に比例すると仮定して求められた演算式を用いて前記物体の温度を演算することを特徴とする温度センサ。
  2. 前記赤外線センサの温度を測定するサーミスタを備え、前記物体の温度をＴo〔Ｋ〕、前記赤外線センサの出力電圧をＶout〔Ｖ〕、前記赤外線センサの温度をＴs〔Ｋ〕とするとき、前記演算式は、
    Figure 2012013517
     で表されることを特徴とする請求項１記載の温度センサ。
  3. 前記赤外線センサの温度を一定温度に保つペルチェ素子を備え、前記物体の温度をＴo〔Ｋ〕、前記赤外線センサの出力電圧をＶout〔Ｖ〕とするとき、前記演算式は、
    Figure 2012013517
     で表されることを特徴とする請求項１記載の温度センサ。
  4. 前記赤外線センサは、前記物体の温度の上昇に伴い出力電圧が低下する負特性を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の温度センサ。
  5. 前記赤外線センサは、前記熱電変換部を有する複数の画素部が半導体基板の一表面側においてアレイ状に配置されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の温度センサ。
  6. 前記演算式の係数を記憶する記憶部を有し、前記赤外線センサが、前記熱電変換部を有する複数の画素部が半導体基板の一表面側においてアレイ状に配置されたものであり、前記記憶部は、前記係数が、前記赤外線センサの前記各画素部ごとに対応付けて記憶されてなることを特徴とする請求項２または請求項３記載の温度センサ。
  7. 前記演算式の係数を記憶する記憶部を有し、前記赤外線センサが、前記熱電変換部を有する複数の画素部が半導体基板の一表面側においてアレイ状に配置されたものであり、前記記憶部は、前記係数として、前記各画素部ごとに個別に設定された１つの個別係数と、前記各画素部に共通に設定された複数の共通係数とを記憶していることを特徴とする請求項１記載の温度センサ。
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