CN102141444B - 红外线传感器及红外线传感器模块 - Google Patents

红外线传感器及红外线传感器模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供红外线传感器及红外线传感器模块，其具有：第1基板(20)，其具有被减压密封的空腔部(22)，并透射红外线；检测部(21)，其设置在该第1基板(20)上的从外部入射红外线一侧的相反侧，接收通过所述空腔部(22)的红外线而产生输出变化；第2基板(30)，其具有凹部(31)和反射面(32)，并层叠在第1基板(20)上，凹部(31)与第1基板(20)之间形成包围检测部(21)的减压空间(33)，反射面(32)构成为能够将没有被检测部(21)接收而通过第1基板(20)的红外线朝向检测部(21)反射并会聚；以及运算电路(41)，其设置在该第2基板(30)上的隔着反射面(32)与检测部(21)相对的位置上，对检测部(21)的输出进行放大或积分。

Description

红外线传感器及红外线传感器模块
技术领域
本发明涉及红外线传感器及红外线传感器模块。
背景技术
以往，公知有在检测部中使用了通过加热产生电压的元件(thermopile，温差电堆)的红外线传感器(参照专利文献1～7)。温差电堆接收从物体放射的红外线而产生温度差，从而通过所谓的塞贝克效应产生与温度差对应的电压差。通过检测该电压差作为温度变化，能够检测检测对象的温度。
为了抑制热逸散到空气中引起的灵敏度降低，这种红外线传感器被用作在真空密封的壳体内纵横排列了(阵列化)多个检测部的传感器模块。各检测部接收从设置在壳体中的红外线透射窗(红外线滤波器)入射的红外线，并分别输出电压。由于来自检测部的输出信号比较微小，因此通过运算电路等进行放大或积分。
但是，以往的红外线传感器为如下结构：运算电路被设置在远离检测部的位置上，因此来自检测部的输出信号中容易产生噪声。此外，以往的红外线传感器为了使传感器小型化，构成为在1个或几个运算电路中处理传感器阵列的所有检测部的输出信号，将多个检测部与1个运算电路连接，从而采样频率变高，成为噪声增大的主要原因。
在专利文献8中，公开了通过层叠传感器部和运算电路来实现芯片小型化并缩短布线的层叠器件。但是，在将该结构应用于红外线传感器时，认为运算电路所产生的热(红外线)成为红外线传感器的噪声的主要原因。
此外，将检测部安装到真空的壳体内的作业包含去气等复杂作业，并且要求高气密性的壳体需要昂贵的部件或特殊的粘接剂等。由此，以往的在真空密封的壳体中收纳检测部的结构在制造成本上也存在问题。
【专利文献1】日本特开平6-229821号公报
【专利文献2】日本特开平11-258038号公报
【专利文献3】日本特开平11-258040号公报
【专利文献4】日本特开平11-258041号公报
【专利文献5】日本特开2000-65639号公报
【专利文献6】日本特开2000-221080号公报
【专利文献7】日本特开2000-292254号公报
【专利文献8】日本特开2007-313594号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够减少噪声并提高检测精度，同时降低制造成本的红外线传感器及红外线传感器模块。
为了解决上述问题，本发明采用了如下手段。
即，本发明的红外线传感器的特征在于，具有：
第1基板，其具有被减压密封的空腔部，并透射红外线；
检测部，其设置在该第1基板上的从外部入射红外线一侧的相反侧，接收通过所述空腔部的红外线而产生输出变化；
第2基板，其具有凹部和反射面，并层叠在所述第1基板上，所述凹部与所述第1基板之间形成包围所述检测部的减压空间，所述反射面构成为能够将没有被所述检测部接收而通过所述第1基板的红外线朝向所述检测部反射并会聚；以及
运算电路，其设置在该第2基板上的隔着所述反射面与所述检测部相对的位置上，对所述检测部的输出进行放大或积分。
根据本发明，由于检测部和运算电路一体化，因此能够构成为缩短检测部与运算电路之间的距离。由此，能够减少噪声并提高检测精度。此外，在运算电路中产生的热(红外线)被检测部与运算电路之间的反射面遮挡。由此，能够抑制运算电路的热对检测部产生影响，从而能够减少噪声并提高检测精度。
此外，入射到检测部的红外线通过被减压密封的空腔部和减压空间，因此能够高灵敏度地进行温度检测。由于入射位置或入射角度没有被检测部接收而通过第1基板的红外线被反射面反射而会聚到检测部上，因此能够提高检测灵敏度。
所述空腔部形成为在层叠了所述第2基板一侧的面上开口的空腔部，
所述空腔部和所述减压空间可以通过在减压环境下对所述第1基板和所述第2基板进行层叠粘接而被减压密封。
由此，能够容易地进行空腔部的减压密封以及减压空间的形成。由此，能够提高制作性，降低制造成本。
所述红外线检测部和所述运算电路可以通过在层叠方向上贯通所述第2基板的布线而被连接。
由此，能够实现紧凑的层叠结构，从而能够实现传感器的小型化。由此，能够减少噪声并提高检测精度。
红外线传感器可以至少具有两个所述布线。
能够将至少两个贯通布线用作用于对检测部的输出信号进行积分的电容器的电极。由此，不需要另外设置用于积分电路的电容器，从而能够实现传感器的小型化。
红外线传感器可以具有多个所述检测部，并且
与多个所述检测部对应地具有多个所述运算电路。
通过针对一个检测部在一个运算电路中进行放大或积分的运算处理，可以进行高精度的检测。
所述运算电路可以形成在所述第2基板上的层叠了所述第1基板的面的相反侧的面上。
或者，红外线传感器可以具有第3基板，所述第3基板相对于所述第2基板层叠在所述第1基板的相反侧上，
所述运算电路也可以形成在所述第3基板上。
即，运算电路可以直接安装在第2基板上，也可以形成在与第2基板上不同的第3基板上，通过层叠第2基板和第3基板来进行一体化。
此外，本发明中的红外线传感器模块的特征在于，具有：
上述红外线传感器；以及
收纳有该红外线传感器的壳体。
根据本发明的红外线传感器模块，由于在传感器本身中形成有用于提高检测部的检测精度的减压空间，因此不需要对收纳传感器的壳体实施减压处理。由此，能够削减模块的制作工序。
此外，由于对于壳体本身不要求气密性，因此能够拓宽壳体材料和粘接剂的选择范围。由此，能够削减材料费，从而能够实现制造成本的降低。
如上所说明那样，根据本发明，能够减少噪声并提高检测精度，同时降低制造成本。
附图说明
图1是本发明的实施例的红外线传感器的示意性剖视图。
图2是本发明的实施例的红外线传感器模块的示意性剖视图。
图3A是说明红外线检测器的制造方法的示意图。
图3B是说明红外线检测器的制造方法的示意图。
图3C是说明红外线检测器的制造方法的示意图。
图3D是说明红外线检测器的制造方法的示意图。
图3E是说明红外线检测器的制造方法的示意图。
图3F是说明红外线检测器的制造方法的示意图。
图3G是说明红外线检测器的制造方法的示意图。
图3H是说明红外线检测器的制造方法的示意图。
图3I是说明红外线检测器的制造方法的示意图。
图3J是说明红外线检测器的制造方法的示意图。
图3K是说明红外线检测器的制造方法的示意图。
图3L是说明红外线检测器的制造方法的示意图。
图4A是说明反射层的制造方法的示意图。
图4B是说明反射层的制造方法的示意图。
图4C是说明反射层的制造方法的示意图。
图4D是说明反射层的制造方法的示意图。
图4D1是说明反射层的制造方法的示意图。
图4D2是说明反射层的制造方法的示意图。
图4D3是说明反射层的制造方法的示意图。
图4D4是说明反射层的制造方法的示意图。
图4E是说明反射层的制造方法的示意图。
图4F是说明反射层的制造方法的示意图。
图5A是本发明的实施例的红外线传感器的电路结构图。
图5B是本发明的实施例的红外线传感器的电路结构图。
图5C是本发明的实施例的红外线传感器的电路结构图。
图6A是本发明的实施例的红外线传感器的示意性剖视图。
图6B是本发明的实施例的红外线传感器的示意性剖视图。
图7A是本发明的实施例的红外线传感器的示意性剖视图。
图7B是本发明的实施例的红外线传感器的示意性剖视图。
图7C是本发明的实施例的红外线传感器的示意性剖视图。
标号说明
1：红外线传感器；2：红外线检测器；20：硅基板；21：检测部；22：空腔部；3：反射层；30：硅基板；31：凹部；32：红外线反射膜；33：密封空间；34：贯通布线；4：电路基板；40：硅基板；41：运算电路。
具体实施方式
以下参照附图，根据实施例例示性地详细说明用于实施本发明的方式。但是，关于该实施例所记载的结构部件的尺寸、材质、形状及其相对配置等，只要没有特别特定的记载，就不是将本发明的范围仅限于此。
(实施例)
参照图1～图7，对本实施例的红外线传感器及红外线传感器模块进行说明。图1是本发明的实施例的红外线传感器的示意性剖视图。图2是本发明的实施例的红外线传感器模块的示意性剖视图。图3A～图3L分别是说明红外线检测器的制造方法的示意图。图4A～图4F分别是说明反射层的制造方法的示意图。图5A～图5C分别是本实施例的红外线传感器的电路结构图。图6A和图6B分别是本发明的实施例的红外线传感器的示意性剖视图。图7A～图7C分别是本发明的实施例的红外线传感器的示意性剖视图。
<红外线传感器的结构>
如图1所示，本发明的实施例的红外线传感器1总体上具有分别由硅基板构成的红外线检测器2、反射层3和电路基板4层叠而成的结构。
红外线检测器2具有以下结构：在作为第1基板的能够透射红外线的硅基板20上，形成有利用了温差电堆的红外线检测部21、和被减压密封的空腔部22。
红外线检测部21是利用了温差电堆的检测元件，温差电堆具有通过加热产生电压的性质。温差电堆接收从物体放射的红外线而产生温度差，从而通过所谓的塞贝克效应产生与温度差对应的电压差。红外线检测部21安装在基板20的下表面、即安装在基板20上的从外部入射红外线的面(上表面)的相反侧的面上。此外，在基板20的上表面上，可以根据需要形成防止红外线反射的结构，或者形成用于仅通过特定频率的红外线的红外线滤波器、衍射光栅或透镜等聚光元件。
空腔部22与安装有红外线检测部21的位置对应，形成在基板20的内部。空腔部22在真空或接近真空的低压下被密封。利用空腔部22，在红外线检测部21与外部之间形成真空或低压的空间。
反射层3配置在红外线检测器2的外部(入射红外线)侧的相反侧(基板20的下表面侧)上。反射层3具有如下结构：在作为第2基板的硅基板30中的与基板20的对置面上设置有凹部31。
凹部31的表面由铝(Al)或金(Au)等金属制的红外线反射膜32覆盖。该红外线反射膜32形成以下的红外线反射面：能够将没有被检测部21接收而通过检测器2的红外线朝向检测部21反射并会聚。凹部31设置在与检测部21对应的位置上，通过将反射层3层叠到红外线检测器2上，形成包围检测部21的密封空间(减压空间)33。密封空间33在真空或接近真空的低压下被密封。
此外，反射层3具有用于将检测部21和电路基板4(运算电路)电连接的布线34。布线34贯通设置在反射层3的层叠方向上。
电路基板4是在作为第3基板的硅基板40上安装了运算电路41的电路基板，运算电路41包含对来自检测部21的输出信号进行放大或积分的放大电路或积分电路。运算电路41经由设置在反射层3上的布线34与红外线检测器2的检测部21连接。运算电路41放大或积分后的来自检测部21的输出信号经由输出焊盘42被取出到外部。
此处，在图5A～图5C中示出检测部21和运算电路41的电路结构例子。图5A是运算电路41具有放大电路时的电路结构。图5B是运算电路41具有放大电路和积分电路时的电路结构。图5C是将两个贯通布线34用作构成积分电路的电容器的一对电极时的电路结构。
本实施例的红外线传感器1构成为纵横排列了(n行×m列)多个检测部21的阵列传感器。与各检测部21对应分别排列设置有多个空腔部22、凹部31和运算电路41。
<红外线传感器的动作>
在如上构成的红外线传感器1中，红外线检测器2的检测部21直接接收从外部通过空腔部22入射的红外线(箭头I1)，或者通过在反射层3的反射膜33上进行反射而间接地接收红外线(箭头I2)。此外，由于发热而从运算电路41放射的红外线被反射膜33扩散，因此不会入射到检测部21(箭头I3)。
本实施例的红外线传感器1的检测部21是温差电堆方式的红外线检测元件，利用了所谓的塞贝克效应，即利用了以下现象：将红外线吸收膜吸收的红外线转换为热，由此来对热接点部进行加热，在热接点部与冷接点部之间产生了温度差，从而在热接点部与冷接点部之间产生了与温度差对应的电压差。温差电堆方式的检测原理是现有技术，因此省略详细说明。
检测部21通过接收红外线来输出电压差。运算电路41对来自检测部21的输出信号进行放大或积分，并经由输出焊盘42输出到外部。通过将该电压差检测为温度变化，可以检测检测对象的温度。
<红外线传感器模块>
如图2所示，本实施例的红外线模块100具有上述的红外线传感器1、和收纳红外线传感器1的壳体101。壳体101由以下部件构成：设置红外线传感器1的底座101a、包围红外线传感器1周围的筒状部101b以及用于将红外线取入壳体101内的窗部101c。在底座101a上，设置有用于将来自红外线传感器1的输出取出到外部的输出端子102。窗部101由例如菲涅耳透镜等适于红外线会聚的透镜、或仅让特定频率的红外线通过的红外线滤波器等构成。
<红外线传感器的制造方法>
说明本实施例的红外线传感器1的制造方法。红外线传感器1通过如下方式制造：最初分别地制作红外线检测器2、反射层3和电路基板4，接着对它们进行层叠结合。以下，分别对红外线检测器2和反射层3的制造方法进行说明。此外，以下说明的制造方法是现有技术，因此简略说明。此外，对于电路基板4的制造方法，由于采用通过现有公知的CMOS工艺等制造具有放大电路和积分电路的电路基板的方法即可，因此省略说明。此外，放大电路或积分电路也可以不设置电路基板4，而直接安装在反射层3的基板30上。
<<红外线检测器>>
参照图3A～图3L，对红外线检测器2的制造方法进行说明。
首先，用氧化膜20a被覆硅基板20的表面(图3A)，接着，在氧化膜20a的外侧形成氮化膜20b(图3B)。在与氮化膜20b重叠而形成了氧化膜20c的表面上(图3C)，形成温差电堆(热接点20d、冷接点20e)(图3D)。利用氧化膜20c被覆温差电堆的表面，并且在一部分氧化膜20c上形成接触孔20f(图3E)。以填埋接触孔20f的方式形成金属布线20g(图3F)，并在其上被覆氧化膜20c来形成绝缘膜(图3G)。在该绝缘膜上，形成红外线吸收膜20h(图3H)，用氧化膜20c被覆红外线吸收膜20h来形成保护膜(图3I)。此外，去除氧化膜20c的一部分而形成金属布线20g的接触孔20i(图3I)。以覆盖接触孔20i的方式形成接合部20j(图3J)，形成用于蚀刻硅基板20的蚀刻孔20k(图3K)。经由蚀刻孔20k，蚀刻硅基板20，从而形成空腔部22(图3L)。
<<反射层>>
参照图4A～图4F，说明反射层3的制造方法。
在硅基板30上，通过蚀刻形成贯通布线34用的贯通孔30a(图4A)，以包含贯通孔30a的周面的方式利用氧化膜等形成绝缘膜30b(图4B)。在贯通孔30a的内部通过金属镀层，金属纳米粒子、多晶硅等的埋入等形成贯通布线34(图4C)。此外，也可以利用现有的嵌入法形成。接着，通过蚀刻形成凹部31(图4D)。
关于凹部31的形成，是在硅基板30的表面上涂敷抗蚀剂(图4D1)，形成图案(图4D2)。首先，通过各向异性蚀刻，利用掘入深度根据图案大小变化的性质粗略地挖刻硅基板30的表面，从而形成粗略的凹部31的形状(图4D3)。之后，通过各向同性蚀刻，总体地进行修饰从而完成凹部31的形状(图4D4)。作为其他方法，也可以采用仅利用各向同性蚀刻的方法、喷沙加工、或者使用了石墨等模具的热转印来形成。
此处，在本实施例中，如图所示，凹部31的开口部的位置形成为比基板30的表面低一级的位置。由此，通过将反射面32置于较深位置来限定入射光的范围，从而减少串扰。此外，凹部31的具体形状不限于图中所示那样的形状。例如，也可以根据阵列上的配置，改变曲率等的形状，使得对于特定入射角度的光提高灵敏度。
在形成凹部31后，在凹部31的表面上形成铝或金等的红外线反射膜32，并且在贯通布线34的端部通过铝或金等形成焊盘30d(图4E)。最后，在焊盘30d的外侧，通过正硅酸乙酯(TEOS)、金粒子、金锡(AuSn)、聚合物等形成用于对反射层3和红外线检测器2进行密封接合的接合部(图4F)。
如上那样制成的红外线检测器2和反射层3在真空或接近真空的低压的减压环境下被层叠接合(粘接)。由此，红外线检测器2的空腔部22、通过凹部31形成的密封空间33分别被减压密封。
<本实施例的优点>
根据本实施例的红外线传感器1是检测部21与运算电路41一体化的结构，因此能够缩短检测部21与运算电路41之间的距离。由此，能够减少噪声并提高检测精度。
此外，在运算电路41中产生的热(红外线)被检测部21与运算电路41之间的反射面32遮挡。由此，能够抑制运算电路41的热对检测部21的检测精度产生的不良影响。
此外，入射到检测部21的红外线通过被减压密封的空腔部22和减压空间33，因此能够抑制由于热逸散到空气中而引起的灵敏度的降低，能够高灵敏度地进行温度检测。
此外，由于入射位置或入射角度没有被检测部21接收而通过了红外线检测器2的红外线被反射面32反射而会聚到检测部21上，因此能够提高检测灵敏度。
此外，由于利用半导体工艺进行空腔部或密封空间的减压密封，因此能够进行较高稳定度的密封，从而能够提高操作性、削减制造成本。
此外，通过设为利用贯通布线连接检测部21和运算电路41的结构，能够实现紧凑的层叠结构，能够实现传感器的小型化。由此，能够减少噪声并提高检测精度。
此外，如图5C所示，如果将两个贯通布线34用作用于对检测部21的输出信号进行积分的电容器的电极，则不需要另外设置用于积分电路的电容器，从而能够实现传感器的小型化。
此外，由于针对一个检测部21在一个运算电路41中进行放大或积分的运算处理，因此能够进行高精度的检测。
根据本实施例的红外线传感器模块100，由于在传感器1本身中形成有用于提高检测部21的检测精度的减压空间，因此不需要对收纳传感器1的壳体101实施减压处理。由此，能够削减模块的制作工序。
此外，由于对于壳体101本身不要求气密性，因此可以拓宽壳体材料和粘接剂的选择范围。由此，能够削减材料费，从而能够降低制造成本。
由此，根据本实施例，能够减少噪声并提高检测精度，同时降低制造成本。
<其他>
本发明采用使检测部和运算电路层叠一体化并且通过贯通布线进行连接的结构，从而成为布线自由度高的结构。在上述实施例中，将输出焊盘42设置在电路基板4的下表面上，但是设置输出焊盘42的位置不限于此。此外，根据本实施例的结构，可以进行焊球安装。
例如，能够如图6A所示，构成为从反射层3与电路基板4的接合面横向引出输出焊盘42的结构，或者如图6B所示，可以通过贯通布线从半导体检测器2的基板20的上表面引出，从而实施引线接合。
此外，在上述实施例中，设为检测部21、空腔部22和反射膜32的组合是分别独立的结构，但是这也不特别限定于此。例如，如图7A和图7B所示，也可以通过设计凹部31的蚀刻形成时的图案而通过各向异性蚀刻使挖刻深度变化，从而通过1个凹部31的形成来同时形成多个凹部31。
此外，也可以如图7C所示，通过两个运算电路41形成电容器的一对电极，并用于积分电路。

Claims (7)

1.一种红外线传感器，其特征在于，具有：
第1基板，其具有被减压密封的空腔部，并透射红外线；
检测部，其设置在该第1基板上的从外部入射红外线一侧的相反侧，接收通过所述空腔部的红外线而产生输出变化，所述空腔部设置在所述第1基板的内部的与设置了所述检测部的位置对应的位置；
第2基板，其具有凹部和反射面，并层叠在所述第1基板上，所述凹部与所述第1基板之间形成包围所述检测部的减压空间，所述反射面构成为能够将没有被所述检测部接收而通过所述第1基板的红外线朝向所述检测部反射并会聚；以及
运算电路，其与所述检测部一体化地设置在该第2基板上的隔着所述反射面与所述检测部相对的位置上，对所述检测部的输出进行放大或积分，
所述检测部和所述运算电路通过在层叠方向上贯通所述第2基板的布线而被连接。
2.根据权利要求1所述的红外线传感器，其特征在于，
所述空腔部形成为在层叠了所述第2基板一侧的面上开口的空腔部，
所述空腔部和所述减压空间是通过在减压环境下对所述第1基板和所述第2基板进行层叠粘接而减压密封的。
3.根据权利要求1所述的红外线传感器，其特征在于，至少具有两个所述布线。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的红外线传感器，其特征在于，
具有多个所述检测部，并且
与多个所述检测部对应地具有多个所述运算电路。
5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的红外线传感器，其特征在于，所述运算电路形成在所述第2基板上的层叠了所述第1基板的面的相反侧的面上。
6.根据权利要求1至3中的任意一项所述的红外线传感器，其特征在于，
具有第3基板，所述第3基板相对于所述第2基板层叠在所述第1基板的相反侧上，
所述运算电路形成在所述第3基板上。
7.一种红外线传感器模块，其特征在于，具有：
如权利要求1～6中的任一项所述的红外线传感器；以及
收纳有该红外线传感器的壳体。
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