JP5179004B2

JP5179004B2 - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP5179004B2
Application number: JP2005312029A
Authority: JP
Inventors: 祥文渡部; 幸司辻; 山中　　浩
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2025-10-26
Also published as: JP2007121047A

Description

本発明は、赤外線センサに関し、特にサーモパイル型の赤外線センサに関するものである。

従来より、人体から放射される赤外線（８μｍ〜１３μｍ程度の波長範囲の赤外線）を検出可能な赤外線センサとして、マイクロマシンニング技術を利用して形成され、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と、赤外線吸収部の温度変化を検出する感温部とを備えた赤外線センサが知られている。

また、上述の赤外線吸収部と感温部とを備えたセンサ部を２次元アレイ状（マトリクス状）に配列し各センサ部が画素を構成するようにした赤外線センサ（赤外線画像センサ）が各所で研究開発されている（例えば、特許文献１参照）。

この種の赤外線センサとしては、例えば、図６に示すように、シリコン基板を用いて形成されたベース基板１０と、ベース基板１０の一表面（図６（ａ）における上面）に形成された凹所１５の周部の２点間に架け渡された梁部２０と、ベース基板１０の上記一表面から離間して配置され赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部３０と、ベース基板１０の上記一表面側において赤外線吸収部３０の温度変化を検出する感温部４０と、梁部２０の中間部と赤外線吸収部３０の中央部とを機械的且つ熱的に結合する結合部（接合柱）５０とを備えた構成のものが提案されている。

ここにおいて、図６に示した構成の赤外線センサでは、赤外線吸収部３０がＳｉＯ_２もしくはＳｉ_３Ｎ_４により形成されるとともに、結合部５０がＳｉＯ_２もしくはＳｉ_３Ｎ_４により形成されている。また、この赤外線センサでは、梁部２０がＳｉＯ_２により形成されている。また、感温部４０は、異種導電形の半導体エレメント４１ａ，４１ｂの対からなる２つの熱電対４１，４１が直列接続された細長のサーモパイルであって、梁部２０に沿って配置されており、１つの冷接点部４０Ａがベース基板１０における凹所１５の周部に配置されるとともに、２つの温接点部４０Ｂが梁部２０の中間部に配置されている。ここで、各熱電対４１は、対となる半導体エレメント４１ａ，４１ｂの一方をｐ形ポリシリコンにより形成するとともに他方をｎ形ポリシリコンにより形成し、両半導体エレメント４１ａ，４１ａが金属材料からなる接合部４１ｃを介して接続されている。なお、図６に示した構成の赤外線センサは、ベース基板１０の上記一表面側に赤外線吸収部３０と感温部４０とを備えたセンサ部が各画素ごとに備えており、感温部４０を構成する細長のサーモパイルの一端部が信号読み出し用の信号線（図示せず）に接続され、他端部が給電用のバイアス線に接続されている。
特許第３０４０３５６号公報

上述の図６に示した構成の赤外線センサの各センサ部では、赤外線吸収部３０と梁部２０とが結合部５０を介して熱的に結合されているが、赤外線吸収部３０の熱が結合部５０を通して温接点部４０Ｂに熱伝達されるので、結合部５０の熱抵抗などに起因して赤外線吸収部３０と温接点部４０Ｂとの間に温度勾配が生じ、温接点部４０Ｂの温度が赤外線吸収部３０の温度に比べて低くなるから、感度が低くなってしまう。

また、上述の赤外線センサでは、結合部５０の熱容量に起因して熱時定数が長くなり、応答速度が低下してしまい、熱画像取得に用いる赤外線画像センサとして用いる場合には、フレーム周波数が低くなってしまう。

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、感度および応答速度を向上することができる赤外線センサを提供することにある。

請求項１の発明は、一表面に凹所が形成されたベース基板と、ベース基板の前記一表面側において凹所の周部の内側に配置された梁部と、ベース基板の前記一表面からベース基板の厚み方向に離間して配置され赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と、梁部の中間部と赤外線吸収部の中央部とを機械的に結合する結合部と、ベース基板の前記一表面側において赤外線吸収部の温度変化を検出する感温部とを備え、赤外線吸収部は、ベース基板の前記一表面における凹所の内周形状よりも外形寸法を大きく設定してあり、感温部は、複数の熱電対が直列接続された細長のサーモパイルであって梁部に沿って配置されて冷接点部がベース基板における前記凹所の周部に配置されるとともに、温接点部が梁部の中間部に配置され、温接点部の少なくとも一部が冷接点部よりも前記厚み方向において前記一表面から離れて位置して赤外線吸収部と直接接しており、温接点部の前記一部は、赤外線吸収部の周部まで広げられてなることを特徴とする。

この発明によれば、サーモパイルからなる感温部の温接点部の少なくとも一部が冷接点部よりもベース基板の厚み方向においてベース基板の一表面から離れて位置して赤外線吸収部と直接接しているので、赤外線吸収部と温接点部との温度差を低減できて感度を向上できるとともに、応答速度を向上することができる。また、この発明によれば、温接点部の前記一部は、赤外線吸収部の周部まで広げられてなるので、赤外線吸収部と温接点部の前記一部との温度差をより低減でき、さらに高感度化を図れる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記熱電対は、異種導電形の半導体エレメントの対を有し、前記温接点部の前記一部は、各半導体エレメントそれぞれの材料に比べて熱伝導率の高い材料により形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記赤外線吸収部と前記温接点部との温度差をより低減でき、より一層の高感度化を図れる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記赤外線吸収部は、赤外線を吸収する赤外線吸収層と、赤外線吸収層よりも熱伝導率の高い材料からなり赤外線吸収層における前記ベース基板側に積層され前記赤外線吸収部の中央部と周部との温度差を低減する均熱層とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記赤外線吸収部が均熱層を備えているので、前記赤外線吸収部の中央部と周部との温度差を低減することができ、さらに高感度化を図れる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記梁部は、前記温接点部が配置された中間部が両端部に比べて前記厚み方向において前記一表面から離れて位置していることを特徴とする。

この発明によれば、前記温接点部の温度が前記赤外線吸収部の温度により近づき、さらに高感度化を図れる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記赤外線吸収部と前記感温部とを備えた複数のセンサ部が前記ベース基板の前記一表面側で２次元アレイ状に配置されてなることを特徴とする。

この発明によれば、従来に比べて高感度で且つ応答速度の速い赤外線画像センサを実現可能となる。

請求項１の発明は、感度および応答速度を向上することができるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の赤外線センサは、図１（ａ），（ｂ）に示すように、シリコン基板からなる半導体基板１０ａを用いて形成されたベース基板１０と、ベース基板１０の一表面（図１（ａ）における上面）に形成された凹所１５の周部の２点間に架け渡された梁部２０と、ベース基板１０の上記一表面からベース基板１０の厚み方向に離間して配置され赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部３０と、ベース基板１０の上記一表面側において赤外線吸収部３０の温度変化を検出する感温部４０と、梁部２０の中間部と赤外線吸収部３０の中央部とを機械的且つ熱的に結合する結合部（接合柱）５０とを備えている。なお、図１（ａ）は図１（ｂ）のＸ−Ｘ’断面に対応している。

上述のベース基板１０は、上述の半導体基板１０ａを用いて形成されており、半導体基板１０ａの一表面上に絶縁層１１が形成されている。ここで、絶縁層１１は、半導体基板１０ａの上記一表面上に形成されたシリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜１１ａと、第１の絶縁膜１１ａ上に積層されたシリコン酸化膜からなる第２の絶縁膜１１ｂとで構成されている。

また、上述の梁部２０は、ベース基板１０の第１の絶縁膜１１ａに連続一体に形成された下部絶縁膜２１ａと、ベース基板１０の第２の絶縁膜１１ｂに連続一体に形成された上部絶縁膜２１ｂとで構成されている。要するに、梁部２０は、ベース基板１０における凹所１５の周部の内側に配置され凹所１５の周部に連続一体に形成されている。ここにおいて、梁部２０は、ベース基板１０の厚み方向に直交する面内で蛇行する形状（上記面内で複数回折れ曲がったつづら折れ状の形状）に形成され、両端部がベース基板１０における凹所１５の周部に連結されている。なお、第２の絶縁膜１１ｂおよび上部絶縁膜２１ｂは、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成していもよい。

赤外線吸収部３０は、それぞれ赤外線を吸収する赤外線吸収材料により形成された第１の赤外線吸収層３１と第２の赤外線吸収層３２とがベース基板１０の厚み方向に積層されている。ここで、赤外線吸収部３０は、外周形状が矩形状に形成されており、ベース基板１０の上記一表面における凹所１５の矩形状の内周形状よりも外形寸法を大きく設定してある。なお、各赤外線吸収層３１，３２の赤外線吸収材料としては、ＳｉＯＮを採用しているが、ＳｉＯＮに限らず、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４でもよい。

また、上述のように赤外線吸収部３０の中央部と梁部２０の中間部とを結合する結合部５０は、シリコン酸化膜により構成されているが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。

感温部４０は、異種導電形の半導体エレメント４１ａ，４１ｂの対からなる複数（ここでは、２つ）の熱電対４１が直列接続された細長のサーモパイルであって、梁部２０に沿って配置されており、１つの冷接点部４０Ａがベース基板１０における凹所１５の周部に配置されるとともに、２つの温接点部４０Ｂが梁部２０の中間部に配置されている。ここで、各熱電対４１は、対となる半導体エレメント４１ａ，４１ｂの一方をｐ形ポリシリコンにより形成するとともに他方をｎ形ポリシリコンにより形成し、対となる半導体エレメント４１ａ，４１ａの一端部同士が各半導体エレメント４１ａ，４１ｂそれぞれの材料に比べて熱伝導率の高い材料（例えば、アルミニウムなどの金属材料）からなる接合部４１ｃを介して接続されており、対となる半導体エレメント４１ａ，４１ｂの各一端部と接合部４１ｃとで温接点部４０Ｂを構成している。また、感温部４０は、一方の熱電対４１の半導体エレメント４１ｂの他端部と他方の熱電対４１の半導体エレメント４１ａの他端部とが金属材料からなる接合部４１ｄを介して接続されており、上記一方の熱電対４１の半導体エレメント４１ｂの他端部と上記他方の熱電対４１の半導体エレメント４１ａの他端部と接合部４１ｄとで冷接点部４０Ａを構成している。ここにおいて、各半導体エレメント４１ａ，４１ｂの全長は、冷接点部４０Ａがベース基板１０における凹所１５の周部に位置するように設定してある。なお、本実施形態の赤外線センサでは、各半導体エレメント４１ａ，４１ｂが梁部２０および上述の絶縁層１１に埋設されているので、製造時には、第１の絶縁膜１１ａおよび下部絶縁膜２１ａを形成してから、各半導体エレメント４１ａ，４１ｂを形成し、その後、第２の絶縁膜１１ｂおよび上部絶縁膜２１ｂを形成すればよい。

ところで、本実施形態の赤外線センサでは、上述のように冷接点部４０Ａがベース基板１０における凹所１５の周部に配置されるとともに、温接点部４０Ｂが梁部２０の中間部に配置されているが、温接点部４０Ｂは当該温接点部４０Ｂの一部が冷接点部４０Ａよりもベース基板１０の厚み方向において当該ベース基板１０の上記一表面から離れて位置して赤外線吸収部３０と直接接している。具体的には、本実施形態の赤外線センサでは、冷接点部４０Ａは、絶縁層１１に埋設されているのに対して、温接点部４０Ｂにおける接合部４１ｃが断面コ字状に形成されており、当該接合部４１ｃの両脚片がベース基板１０の厚み方向に沿って上述の上部絶縁膜２１ｂと結合部５０と第１の赤外線吸収層３１とに跨って埋設されるとともに中央片がベース基板１０の厚み方向に直交する面内で赤外線吸収部３０に埋設されている。

以上説明した本実施形態の赤外線センサは、サーモパイルからなる感温部４０の各温接点部４０Ｂ，４０Ｂそれぞれの一部が冷接点部４０Ａよりもベース基板１０の厚み方向においてベース基板１０の上記一表面から離れて位置して赤外線吸収部３０と直接接しているので、図６に示した従来構成に比べて、赤外線吸収部３０と各温接点部４０Ｂ，４０Ｂとの温度差を低減できて感度を向上できるとともに、応答速度を向上することができる。また、各温接点部４０Ｂ，４０Ｂの一部が各半導体エレメント４１ａ，４１ｂそれぞれの材料に比べて熱伝導率の高い材料により形成されているので、赤外線吸収部３０と各温接点部４０Ｂ，４０Ｂとの温度差をより低減でき、より一層の高感度化を図れる。

（実施形態２）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図２に示すように、結合部５０と第１の赤外線吸収層３１とが梁部２０の一部を兼ねている点が相違するだけである。

（実施形態３）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図３に示すように、赤外線吸収部３０における第１の赤外線吸収層３１が結合部５０に重なる部位のみに形成されており、各赤外線吸収層３１，３２よりも熱伝導率の高い材料（例えば、ＣｒＮｉ合金、Ａｌなど）からなる均熱層３３が第２の赤外線吸収層３２におけるベース基板１０側に積層されている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態の赤外線センサでは、赤外線吸収部３０が均熱層３３を備えているので、赤外線吸収部３０の中央部と周部との温度差を低減することができ、実施形態１の赤外線センサに比べて、さらに高感度化を図れる。

（実施形態４）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図４に示すように、各温接点部４０Ｂの上記一部が、赤外線吸収部３０の周部まで広げられている点が相違する。したがって、本実施形態では、各温接点部４０Ｂの上記一部のうち赤外線吸収部３０の第１の赤外線吸収層３１に積層される部位の平面サイズが実施形態１よりも大きくなっている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態の赤外線センサでは、赤外線吸収部３０と各温接点部４０Ｂ，４０Ｂとの温度差をより低減でき、さらに高感度化を図れる。

（実施形態５）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図５に示すように、梁部２０の全体的な形状が相違し、梁部２０の中間部が両端部に比べてベース基板１０の厚み方向において当該ベース基板１０の上記一表面から離れて位置しており、実施形態１にて説明した結合部５０が存在せず、梁部２０の中間部と赤外線吸収部３０の中央部とが直接結合されている点や、温接点部４０Ｂの接合部４１ｃの形状などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態の赤外線センサでは、梁部２０の中間部が両端部に比べてベース基板１０の厚み方向において当該ベース基板１０の上記一表面から離れて位置しているので、各温接点部４０Ｂ，４０Ｂの温度が赤外線吸収部３０の温度により近づき、さらに高感度化を図れる。

ところで、各実施形態にて説明した赤外線センサは、赤外線吸収部３０と感温部４０とを備えたセンサ部を１つだけ設けた赤外線センサであるが、赤外線吸収部３０と感温部４０とを備えたセンサ部を２次元アレイ状（マトリクス状）に配列し各センサ部が画素を構成するようにすれば、赤外線画像を取得する赤外線画像センサを構成することもできる。なお、赤外線画像センサを構成する場合には、感温部４０を構成するサーモパイルの一端部が信号読み出し用の信号線（図示せず）に接続されるとともに、他端部が給電用のバイアス線に接続されるように構成すればよい。ここにおいて、赤外線吸収部３０と感温部４０とがベース基板１０の厚み方向に離間して配置されているので、赤外線吸収部３０のサイズを画素のサイズと同程度まで大きくすることで（赤外線吸収部３０の面積が画素サイズの面積に占める割合である開口率として９０％以上の値を得ることが可能である）、より一層の高感度化を図れる。

なお、上記各実施形態では、梁部２０がベース基板１０における凹所１５の周部に連続一体に形成されているが、梁部２０は凹所１５の周部の内側に配置されていればよく、必ずしも凹所１５の周部に連続一体に形成されていなくてもよい。

実施形態１を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）とは別の概略断面図である。実施形態２を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）とは別の概略断面図である。実施形態３を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）とは別の概略断面図である。実施形態４を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）とは別の概略断面図である。実施形態５を示す概略断面図である。従来例を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）とは別の概略断面図である。

符号の説明

１０ベース基板
１５凹所
２０梁部
３０赤外線吸収部
４０感温部
４０Ａ冷接点部
４０Ｂ温接点部
４１熱電対
４１ａ半導体エレメント
４１ｂ半導体エレメント
４１ｃ接合部
４１ｄ接合部
５０結合部

Claims

一表面に凹所が形成されたベース基板と、ベース基板の前記一表面側において凹所の周部の内側に配置された梁部と、ベース基板の前記一表面からベース基板の厚み方向に離間して配置され赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と、梁部の中間部と赤外線吸収部の中央部とを機械的に結合する結合部と、ベース基板の前記一表面側において赤外線吸収部の温度変化を検出する感温部とを備え、赤外線吸収部は、ベース基板の前記一表面における凹所の内周形状よりも外形寸法を大きく設定してあり、感温部は、複数の熱電対が直列接続された細長のサーモパイルであって梁部に沿って配置されて冷接点部がベース基板における前記凹所の周部に配置されるとともに、温接点部が梁部の中間部に配置され、温接点部の少なくとも一部が冷接点部よりも前記厚み方向において前記一表面から離れて位置して赤外線吸収部と直接接しており、温接点部の前記一部は、赤外線吸収部の周部まで広げられてなることを特徴とする赤外線センサ。
前記熱電対は、異種導電形の半導体エレメントの対を有し、前記温接点部の前記一部は、各半導体エレメントそれぞれの材料に比べて熱伝導率の高い材料により形成されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
前記赤外線吸収部は、赤外線を吸収する赤外線吸収層と、赤外線吸収層よりも熱伝導率の高い材料からなり赤外線吸収層における前記ベース基板側に積層され前記赤外線吸収部の中央部と周部との温度差を低減する均熱層とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の赤外線センサ。
前記梁部は、前記温接点部が配置された中間部が両端部に比べて前記厚み方向において前記一表面から離れて位置していることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の赤外線センサ。
前記赤外線吸収部と前記感温部とを備えた複数のセンサ部が前記ベース基板の前記一表面側で２次元アレイ状に配置されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の赤外線センサ。