CN105008876A - 红外线传感器及红外线传感器芯片 - Google Patents

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Abstract

红外线传感器(101)具有：半导体基板，在其上表面具有凹部；上部层，其形成于所述半导体基板的上侧，具有与所述凹部对应地开口的传感器开口部(3)；以及传感器部(2)，其以将传感器开口部(3)的内周的第1部位(61)和第2部位(62)之间连接起来的方式，在离开所述凹部的内表面的状态下呈S字形横穿传感器开口部(3)。传感器部(2)在真空中被密封。传感器部(2)的中央部(4)被配置为能够接受来自观测对象的红外线。传感器部(2)具有将中央部(4)与第1部位(61)及第2部位(62)之间的温度差变换为电信号的热电变换构造。

Description

红外线传感器及红外线传感器芯片
技术领域
本发明涉及红外线传感器及红外线传感器芯片。
背景技术
在近年来的电子设备中进行了检测周围环境并将其检测结果用于运转控制。例如，在空调器中进行检测人的存在并瞄准人所在的位置进行温度控制的运转控制。另外，在照明设备中进行检测固定区域内有无人的存在并切换该区域的照明的接通/断开的控制。在这样的控制中使用检测周围环境用的传感器装置。作为传感器装置的一种，有时使用根据来自物体的辐射热而非接触地检测物体温度的红外线传感器。
基于现有技术的红外线传感器的第1例记载于日本特开2001－281065号公报(专利文献1)中。在专利文献1所记载的红外线传感器中，长方形的传感器部以在设于基板上表面的凹部的上方浮起的方式由两条支撑部进行支撑，该传感器部呈将SOI层保持在埋设氧化硅膜层的内部的形状，该SOI层包括作为热电变换用而形成的pn接合构造。各支撑部形成为细长状，并两次直角弯折。在支撑部配置有金属配线。
另外，基于现有技术的红外线传感器的第2例记载于日本特开2006－170937号公报(专利文献2)中。专利文献2所记载的红外线传感器具有以在设于基板的凹部的上方浮起的方式配置的正方形的红外线吸收膜。红外线吸收膜由两条支撑梁进行支撑。氧化硅膜被层压在基板的上侧，支撑梁将红外线吸收膜与氧化硅膜连接。各支撑梁呈两次直角弯折的形状，在各支撑梁的内部，P型聚硅酮层和N型聚硅酮层形成为线状，由这些聚硅酮层构成热电堆。红外线吸收膜接受红外线而成为高温，由此在红外线吸收膜与周围的氧化硅膜之间产生温度差，由热电堆将该温度差变换为电信号，从而能够检测红外线的量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001－281065号公报
专利文献2：日本特开2006－170937号公报
发明内容
发明要解决的问题
为了也能够应对细致的运转控制，需要提高红外线传感器的灵敏度。另一方面，也需要将响应速度的快慢维持在某种程度以上的水平。
因此，本发明的目的在于，提供良好地保持响应速度而且高灵敏度的红外线传感器及红外线传感器芯片。
用于解决问题的手段
为了达到上述目的，本发明的红外线传感器具有：半导体基板，在其上表面具有凹部；上部层，其形成于所述半导体基板的上侧，具有与所述凹部对应地开口的传感器开口部；以及传感器部，其以将所述传感器开口部的内周的第1部位和第2部位之间连接起来的方式，在离开所述凹部的内表面的状态下呈S字形横穿所述传感器开口部，所述传感器部在真空中被密封，所述传感器部的中央部被配置为能够接受来自观测对象的红外线，所述传感器部具有将所述中央部与所述第1部位及所述第2部位之间的温度差变换为电信号的热电变换构造。
发明效果
根据本发明，能够实现良好地保持响应速度而且高灵敏度的红外线传感器。
附图说明
图1是基于本发明的实施方式1的红外线传感器芯片的立体图。
图2是基于本发明的实施方式1的红外线传感器的立体图。
图3是基于本发明的实施方式1的红外线传感器的俯视图。
图4是基于本发明的实施方式1的红外线传感器中包含的热电堆的俯视图。
图5是有关图3中的V-V线的向视剖面图。
图6是基于本发明的实施方式1的红外线传感器具有的传感器部的形状的说明图。
图7是基于本发明的实施方式1的红外线传感器具有的传感器部的各部分的尺寸的说明图。
图8是有关传感器部的宽度的比较实验的结果的曲线图。
图9是基于本发明的实施方式1的红外线传感器的变形例的俯视图。
具体实施方式
作为红外线传感器的一种，有热电堆型红外线传感器。红外线传感器不限于热电堆型，也可以考虑测辐射热计型的红外线传感器、热电型的红外线传感器。后述的本发明不限于热电堆型红外线传感器，也能够用于测辐射热计型红外线传感器、热电型红外线传感器。但是，在此暂且以热电堆型红外线传感器为例进行说明。
在热电堆型红外线传感器中，包括在真空中密封传感器元件的类型和配置于空气中的类型这两种传感器。在此，关注于在真空中密封的类型进行说明。
在真空中密封传感器元件的类型的传感器借助隔热效果，作为传感器的灵敏度提高。从理论上讲，传感器的灵敏度S能够按照以下所述导出。
S＝n·α·Rth·η·AS·Pin
n：一个传感器元件中包含的热电偶的数量
α：塞贝克系数
Rth：热电阻
η：吸收率
AS：吸收膜面积
Pin：入射光强度
从理论上讲，减少梁的条数，在梁越细、越长、越薄时，滞留于红外线吸收膜的热量越不易释放，因而作为传感器的灵敏度提高。并且，从理论上讲，红外线吸收膜的面积越大时，接受的红外线的量越多，因而作为传感器的灵敏度提高。另一方面，为了提高响应速度，需要使滞留于红外线吸收膜的热量迅速释放，因而优选增大梁的宽度。另外，在热电堆中包含的热电偶的数量越多时，作为传感器的灵敏度越高。但是，如果配置数量众多的热电偶，则梁的宽度也需要某种程度的宽度。
本发明正是作为考虑这些情况进行研究的结果而完成的。
(实施方式1)
下面，参照图1～图5说明基于本发明的实施方式1的红外线传感器。如图1所示，基于本发明的红外线传感器芯片601具有主体部501。主体部501呈平板状，在一个主表面的中央部具有受像区域10。在受像区域10中，多个红外线传感器101呈矩阵状配置。在主体部501的表面中受像区域10的外侧配置有几个外部电极504。
在图1中，在受像区域10中配置有8×8计64个红外线传感器101，但这仅是为便于说明的一例，实际上红外线传感器101的数量可以比此多，也可以比此少。例如也可以是16×16。在图1所示的例子中，位于受像区域10中的红外线传感器101的个数是纵向和横向相同，但这毕竟是一例，不限于这种结构。也可以是，在受像区域中红外线传感器的纵向的个数和横向的个数不同。
另外，也可以替代将多个红外线传感器101在主体部501配置成矩阵状，而是在一个主体部仅配置一个红外线传感器。
图2表示将图1所示的多个红外线传感器101中的一个红外线传感器放大的情况。红外线传感器101具有S字形的传感器部2。在平面上观察，形成为在大致正方形的传感器开口部3的内部支撑传感器2的构造。此处所讲的“传感器部”是指S字形的部件。传感器部2的两端与周边的部件连接成为一体。图3表示一个红外线传感器101的俯视图。传感器部2具有中央部4。传感器开口部3的内周具有第1部位61和第2部位62。传感器部2具有将中央部4作为温接点、将第1部位61作为冷接点的第1热电堆。传感器部2具有将中央部4作为温接点、将第2部位62作为冷接点的第2热电堆。此处所讲的“热电堆”是指将多个热电偶被串联连接形成的部件配置成热电偶束得到的构造体。各个热电偶通过将P型部和N型部组合起来，构成从温接点和冷接点任意一方开始并在另一方折返的往复形式的配线。由于多个热电偶被串联连接，因而作为热电堆整体形成为在温接点和冷接点之间反复往复的形式的配线。第1热电堆和第2热电堆也可以串联连接。
图4表示更详细地示出一个红外线传感器101中包含的热电堆。一个红外线传感器101中包含的热电堆形成为第1热电堆和第2热电堆的组合体。这些热电堆包括P型层11、N型层12、配线13、和引出配线14a、14b。P型层11和N型层12通过配线13交替地串联连接，沿着传感器部2整体以一笔写就的方式排列。引出配线14a、14b是用于将配线从围绕传感器部2铺设的第1热电堆和第2热电堆引出到外部的配线。
图5表示红外线传感器101的剖面图。图5是图3中的V-V线的向视剖面图。
红外线传感器101具有：半导体基板1，在其上表面具有凹部5；上部层6，其形成于半导体基板1的上侧，具有与凹部5对应地开口的传感器开口部3；以及传感器部2，其在离开凹部5的内表面的状态下呈S字形横穿传感器开口部3，以便将所述传感器开口部的内周的第1部位61和第2部位62之间连接起来。传感器部2在真空中被密封。传感器部2的中央部4以能够接受来自观测对象的红外线的方式配置。传感器部2具有将中央部4与第1部位61及第2部位62之间的温度差变换为电信号的热电变换构造。作为热电变换构造，能够采用将两个部位之间的温度差变换为电信号的公知技术。
在本实施方式中优选的是，热电变换构造包括热电堆。通过采用这种结构，能够利用简便的构造将两个部位之间的温度差变换为电信号。
在本实施方式中更优选的是，热电变换构造包括：第1热电堆，其构成为在中央部4和第1部位61之间检测温度差；第2热电堆，其构成为在中央部4和第2部位62之间检测温度差。即，第1热电堆构成为将第1部位61作为冷接点，将中央部4作为温接点，第2热电堆构成为将第2部位62作为冷接点，将中央部4作为温接点。
设置于半导体基板1的凹部5是截面形状呈梯形的凹部。在传感器开口部3是四方形的情况下，凹部5呈四方锥台。在剖面图中观察，传感器部2看起来完全浮起在半导体基板1的凹部5的上方。但是，此处说明的凹部5的形状毕竟是一例，不限于该形状。
在本实施方式中，以呈S字形横穿传感器开口部3的方式设置传感器部2，因而能够实现良好地保持响应速度而且高灵敏度的红外线传感器。
如果确定更优选的条件，则优选传感器部2如图6所示具有：第1边41，其从第1部位61呈直线状延伸；第2边42，其从第1边41的第1部位61相反侧的端部41a向接近中央部4的一侧直角弯折；以及第3边43，其从第2边42的与第1边41连接的端部41a相反侧的端部42a朝向中央部4直角弯折。通过采用这种结构，能够在有限的传感器开口部3的内部高效地配置传感器部2。在这种情况下，由第1边41、第2边42、第3边43这三条边构成“コ”形状。第1边41和第3边43平行。第1边41和第3边43之间的间隙8呈一直线状。从中央部4通过第3边43以固定宽度与第2边42连接，因而能够使滞留于中央部4的热量迅速释放，能够加快响应速度。
另外，如图6所示，优选传感器部2的第1边41的宽度和第3边43的宽度大致相同。通过采用这种结构，能够高效地配置热电堆。
本实施方式的红外线传感器如图5所示在半导体基板1形成凹部5，以便在传感器部2的下侧确保空洞。在形成该凹部5时需要使用基于药液的蚀刻，但在蚀刻途中传感器部2有时中途断裂。本发明人们进行研究的结果判明，这种断裂的原因在于，在用于形成凹部5的蚀刻途中，根据对半导体基板1的材料的蚀刻去除的进行程度而产生偏移，由于该偏移的形状而产生应力集中。在传感器部2在中途断裂的情况下，该传感器部2的热电堆中包含的热电偶在该断裂的部位全部隔断，因而该传感器部2不能再使用，一个像素成为像素缺陷。
本发明人们进行研究的结果发现，无论是由于传感器部2的断裂导致的像素缺陷的问题、还是由于副生成物附着导致的灵敏度下降的问题，都能够通过将传感器部2的宽度设为固定条件下而得到改善。如图7所示，将传感器部2的第1边41的宽度定义为A，将第1边41和所述第3边43之间的间隙的宽度定义为B。发明人们数次改变A与B的比率进行了比较实验。其结果的曲线图如图8所示。在A/B小于6时，良品率大致100％，在A/B大于6时得到飞跃性的良好结果。A/B小于6是指B/A大于1/6。
因此，优选第1边41和所述第3边43之间的间隙的宽度B大于第1边41的宽度A的1/6。通过采用这种结构，能够提高良品率。
如本实施方式所示，凹部5在从截面观察时，优选是随着朝向上方而扩展的梯形。如果凹部5是这样的形状，对于像素缺陷，明显能够受益于本发明。在通过蚀刻来形成凹部5的情况下，上述的像素缺陷容易成为问题，因为在采用蚀刻时凹部5成为这样的形状。
另外，已经在图3、图6等中示出，优选传感器部2中从第2部位62到中央部4的部分的形状、与从第1部位61到中央部4的部分的形状呈点对称。在这种情况下，传感器部2具有点对称的S字形。通过采用这种结构，能够对称地按照相同条件配置第1热电堆和第2热电堆，提高作为红外线传感器的灵敏度，在第1热电堆中将第1部位61作为冷接点、将S字形的中央部4作为温接点进行连接，在第2热电堆中将第2部位62作为冷接点、将S字形的中央部4作为温接点进行连接。
截止到此，关于S字形，示出了与拉丁文阿拉伯字母的“S”相同朝向的弯折方式的形状进行了说明，但传感器部也可以是相对于“S”为逆向弯折的形状。即，传感器部也可以是倒S字形。在本发明中，将倒S字形也视为S字形的一种形式。
另外，作为本实施方式不限于传感器部的第1边和第3边是相同宽度。也可以是，第3边的宽度比第1边的宽度宽几倍。例如，也可以是如图9所示的构造。在这样扩大第3边的宽度的情况下，将成为与在中央部4的周边存在具有固定宽度的红外线吸收膜时相同的状况。红外线吸收膜由两条L字形的梁进行支撑。通过这样设置较宽的红外线吸收膜，红外线传感器的灵敏度提高。将图9所示构造的传感器部2也称为S字形。传感器部2包括一个红外线吸收膜和两条梁。在图9所示的例子中，热电偶并非完全填埋红外线吸收膜的内部。热电堆中包含的热电偶的数量的上限是根据梁的宽度决定的，因而在红外线吸收膜的内部延伸存在有限数量的热电偶，大多部分成为余白。一部分热电偶的端部配置在中央部4。
基于本发明的红外线传感器芯片如图1所示是具有受像区域10的红外线传感器芯片601，在该受像区域10中以矩阵状排列有上述任意一种的红外线传感器。
另外，本实施方式的红外线传感器芯片能够通过利用基于公知技术的红外线传感器的制造方法，将用于形成传感器部的掩膜图案变更为与上述的形状对应的图案来制作。
另外，此次公开的上述实施方式仅是所有方面的示例，不是限制性的方式。本发明的范围不在于上述的说明，而是由权利要求书进行公开的，而且包括与权利要求书均等意义及范围内的所有变更。
产业上的可利用性
本发明能够用于红外线传感器及红外线传感器芯片。
标号说明
1半导体基板；2传感器部；3传感器开口部；4中央部；5凹部；6上部层；7副生成物；8间隙；10受像区域；11P型层；12N型层；13配线；41第1边；41a、42a端部；42第2边；43第3边；61第1部位；62第2部位；101红外线传感器；501主体部；502盖部件；503密封部件；504外部电极；506接合区域；601红外线传感器芯片。

Claims (9)

1.一种红外线传感器，该红外线传感器具有：
半导体基板，在其上表面具有凹部；
上部层，其形成于所述半导体基板的上侧，具有与所述凹部对应地开口的传感器开口部；以及
传感器部，其以将所述传感器开口部的内周的第1部位和第2部位之间连接起来的方式，在离开所述凹部的内表面的状态下呈S字形横穿所述传感器开口部，
所述传感器部在真空中被密封，
所述传感器部的中央部被配置为能够接受来自观测对象的红外线，
所述传感器部具有将所述中央部与所述第1部位及所述第2部位中至少一方之间的温度差变换为电信号的热电变换构造。
2.根据权利要求1所述的红外线传感器，其中，
所述热电变换构造包括热电堆。
3.根据权利要求1所述的红外线传感器，其中，
所述热电变换构造包括：
第1热电堆，其构成为在所述中央部和所述第1部位之间检测温度差；
第2热电堆，其构成为在所述中央部和所述第2部位之间检测温度差。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的红外线传感器，其中，
所述传感器部具有：第1边，其从所述第1部位呈直线状延伸；第2边，其从所述第1边的所述第1部位的相反侧的端部向接近所述中央部的一侧直角弯折；以及第3边，其从所述第2边的与所述第1边连接的端部的相反侧的端部朝向所述中央部直角弯折。
5.根据权利要求4所述的红外线传感器，其中，
所述第1边和所述第3边之间的间隙的宽度大于所述第1边的宽度的1/6。
6.根据权利要求4或5所述的红外线传感器，其中，
所述传感器部的所述第1边的宽度和所述第3边的宽度大致相同。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的红外线传感器，其中，
所述传感器部中从所述第2部位到所述中央部的部分的形状、与从所述第1部位到所述中央部的部分的形状呈点对称。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的红外线传感器，其中，
所述凹部在截面中观察时为随着朝向上方而扩展的梯形。
9.一种红外线传感器芯片，该红外线传感器芯片具有受像区域，在该受像区域中以矩阵状排列有权利要求1～8中任意一项所述的红外线传感器。
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