DE102004058393B4

DE102004058393B4 - Infrarotsensor

Info

Publication number: DE102004058393B4
Application number: DE102004058393.5A
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Watanabe; Yasutoshi Suzuki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2024-12-04
Also published as: DE102004058393A1; JP2005172762A; JP4241360B2

Abstract

Infrarotsensor (100) mit: einem Substrat (10); einer Membran (13), die als dünner Abschnitt auf dem Substrat (10) ausgebildet ist; einem Erkennungselement (20) zur Erzeugung eines elektrischen Signals auf der Grundlage einer Temperaturänderung, welche auftritt, wenn eine Infrarotstrahlung empfangen wird, wobei wenigstens ein Teil des Erkennungselements (20) auf der Membran (13) ausgebildet ist; und einem Infrarot-Absorptionsfilm (30), der auf der Membran (13) so ausgebildet ist, daß wenigstens ein Teil des Erkennungselements (20) abgedeckt ist, wobei die Oberflächenrauhigkeit des Infrarot-Absorptionsfilms (30) auf 2 μm oder mehr gesetzt ist, und der Infrarot-Absorptionsfilm (30) unter Verwendung einer Paste gebildet wird, welche 30 bis 60 Gew.-% Kohlenstoffpartikel mit 2 μm bis 3 μm durchschnittlichem Partikeldurchmesser und 40 bis 70 Gew.-% Polyesterharz aufweist, wobei ein Siebdruckverfahren angewendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarotsensor. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Infrarotsensor mit einer Membran, die als ein dünner Abschnitt auf dem Substrat ausgebildet ist, wobei auf der Membran ein Infrarot-Absorptionsfilm angeordnet ist.
Als Infrarotsensor, bei dem eine Membran als dünner Abschnitt auf einem Substrat ausgebildet ist und auf der Membran ein Infrarot-Absorptionsfilm angeordnet ist, ist ein Infrarotsensor des Thermosäulen-Typs, des Bolometer-Typs oder dergleichen bekannt.
Beispielsweise weist ein Infrarotsensor des Thermosäulen-Typs ein Substrat, eine Membran als dünnem Abschnitt auf dem Substrat, ein Thermoelement als Erkennungselement mit einem warmen Übergangsabschnitt, der auf der Membran ausgebildet ist und einem kalten Übergangsabschnitt, der auf dem Substrat außerhalb der Membran angeordnet ist und einen Infrarot-Absorptionsfilm auf, der auf der Membran ausgebildet ist, um den warmen Übergangsabschnitt abzudecken.
Eine elektromotorische Kraft des Thermoelements ändert sich durch die Temperaturdifferenz zwischen dem warmen Übergangsabschnitt und dem kalten Übergangsabschnitt in dem Thermoelement, wenn eine Infrarotstrahlung empfangen wird und die Infrarotstrahlung wird auf der Grundlage dieser sich so ändernden elektromotorischen Kraft des Thermoelements erfaßt.
Hierbei ist im Fall eines Infrarotsensors mit einem Infrarot-Absorptionsfilm die erkannte Infrarotstrahlung abhängig von der Absorptionscharakteristik des Infrarot-Absorptionsfilms. Um somit den Absorptionsgrad für die Infrarotstrahlung (Infrarotstrahlungs-Absorptionsvermögen) des Infrarot-Absorptionsfilms zu erhöhen (d. h., um die Erkennungsempfindlichkeit des Sensors zu verbessern) ist es üblicherweise notwendig, die Filmdicke des Infrarot-Absorptionsfilms zu erhöhen.
Im Fall eines Infrarotsensors mit einem Infrarot-Absorptionsfilm auf der Membran gemäß der Beschreibung wird jedoch eine auf die als dünner Abschnitt dienende Membran einwirkende Belastung (basierend auf einer Membranbelastung des Infrarot-Absorptionsfilms) aufgrund der erhöhten Filmdicke des Infrarot-Absorptionsfilms vergrößert, so daß die Membrane reißen oder brechen kann.
Aus der DE 102 25 377 A1 ist ein Infrarotsensor mit einem Substrat, einer Membran, einem Erkennungselement und einem Infrarot-Absorptionsfilm bekannt, wobei eine Beziehung zwischen der Oberflächenrauheit einer Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht und dem Infrarotstrahlungsreflexionsverhältnis dargestellt wird. Insbesondere wird dabei ein Wert der Oberflächenrauheit von wenigstens 0,5 μm erwähnt.
Aus der US 2003/0 133 489 A1 ist ein weiterer Infrarotsensor bekannt, bei welchem der Infrarot-Absorptionsfilm unterschiedlich dicke Bereiche aufweist.
Die Erfindung wurde angesichts des voranstehenden Problems gemacht und es ist Aufgabe der Erfindung, einen Infrarotsensor zu schaffen, der das Infrarotstrahlungs-Absorptionsvermögen eines Infrarot-Absorptionsfilms verbessern und auf eine Membran einwirkende Belastungen verringern kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder 3.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung enthält ein Infrarotsensor ein Substrat, eine Membran als auf dem Substrat ausgebildeter dünner Abschnitt, ein Erkennungselement zur Erzeugung eines elektrischen Signals auf der Grundlage einer Temperaturänderung, die auftritt, wenn Infrarotstrahlung empfangen wird, wobei wenigstens ein Teil des Erkennungselements auf der Membran ausgebildet ist, und einen Infrarot-Absorptionsfilm, der auf der Membran so ausgebildet ist, daß er wenigstens einen Teil des Erkennungselements abdeckt, wobei die Oberflächenrauhigkeit des Infrarot-Absorptionsfilms auf 2 μm oder mehr gesetzt ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, daß, wenn die Oberflächenrauhigkeit des Infrarot-Absorptionsfilms gleich 2 μm oder mehr ist, dann die Infrarotstrahlungs-Reflektion oder das Infrarotstrahlungs-Reflektionsvermögen des Infrarot-Absorptionsfilms im wesentlichen 0% ungeachtet der Wellenlänge der Infrarotstrahlung beträgt. Als Grund hierfür kann angenommen werden, daß eine Infrarotstrahlung, welche vorübergehend von einer konkaven Wandfläche einer Filmoberfläche des Infrarot-Absorptionsfilms reflektiert wird, wieder auf den Infrarot-Absorptionsfilm einfällt und von dem Infrarot-Absorptionsfilm absorbiert wird.
Wenn daher die Oberflächenrauhigkeit des Infrarot-Absorptionsfilms gleich 2 μm oder mehr ist, kann der Infrarotstrahlungs-Absorptionsgrad oder das Infrarotstrahlungs-Schluckvermögen verbessert werden, ohne daß die Filmdicke des Infrarot-Absorptionsfilms erhöht werden muß. Es ist unnötig, die Filmdicke des Infrarot-Absorptionsfilms zu erhöhen und somit können auf die Membran einwirkende Belastungen verringert werden. D. h., der Infrarotsensor gemäß der Erfindung liefert somit sowohl eine Verbesserung des Infrarotstrahlungs-Absorptionsgrads des Infrarot-Absorptionsfilms als auch eine Verringerung von Spannungen oder Belastungen, die auf die Membran wirken.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist der Infrarot-Absorptionsfilm so ausgebildet, daß er von dem Ende eines Ausbildungsbereichs der Membran um einen bestimmten Abstand beabstandet ist. Obgleich ein Wärmeaustritt von dem Infrarot-Absorptionsfilm zu Substratstellen außerhalb der Membran verringert werden kann, kann sich möglicherweise eine Spannung oder Belastung an einem Zwischenabschnitt der Membran konzentrieren und damit die Membran möglicherweise beschädigen. Bei dem Infrarotsensor mit dem erfindungsgemäßen Aufbau wird jedoch die Oberflächenrauhigkeit des Infrarot-Absorptionsfilms auf 2 μm oder mehr gesetzt, um die Filmdicke des Infrarot-Absorptionsfilms zu verringern, so daß sowohl eine Verbesserung des Infrarotstrahlungs-Absorptionsgrads des Infrarot-Absorptionsfilms als auch eine Verringerung von Belastungen erhalten werden kann, welche auf die Membran wirken, so daß Schäden verhindert werden können.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung kann der Infrarot-Absorptionsfilm unter Verwendung einer Paste gebildet werden, welche 30 bis 60 Gew.-% Kohlenstoffpartikel mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 2 μm bis 3 μm und 40 bis 70 Gew.-% Polyesterharz enthält, wobei ein Siebdruckverfahren zur Anwendung gelangt.
Durch Ausbilden des Infrarot-Absorptionsfilms mit einem Siebdruckverfahren kann der gewünschte Infrarot-Absorptionsfilm mit geringen Kosten hergestellt werden.
Ein Infrarotsensor gemäß eines vierten und unabhängigen Aspekts der vorliegenden Erfindung weist ein Substrat, eine Membran als auf dem Substrat ausgebildeter dünner Abschnitt, ein Erkennungselement zur Erzeugung eines elektrischen Signals auf der Grundlage einer Temperaturänderung, die auftritt, wenn Infrarotstrahlung empfangen wird, wobei wenigstens ein Teil des Erkennungselements auf der Membran ausgebildet ist, und einen Infrarot-Absorptionsfilm auf, der auf der Membran so ausgebildet ist, daß er wenigstens einen Teil des Erkennungselements abdeckt, wobei der Infrarot-Absorptionsfilm wenigstens einen dünnen Belastungsaufnahmeabschnitt aufweist.
Bei dem so aufgebauten Infrarotsensor gemäß der Erfindung ist in dem Infrarot-Absorptionsfilm demnach der dünne Belastungsaufnahmeabschnitt ausgebildet. Selbst wenn somit die Filmdicke des Infrarot-Absorptionsfilms zunimmt, lassen sich in dem Infrarotabsorptionsfilm auftretende Belastungen abschwächen und somit können auf die Membran einwirkende Belastungen verringert werden. Somit kann der Infrarotsensor gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung sowohl eine Verbesserung im Absorptionsgrad der Infrarotstrahlung des Infrarot-Absorptionsfilms als auch eine Verringerung von Belastungen erreichen, die auf die Membran einwirken.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung ist der Infrarot-Absorptionsfilm so ausgebildet, daß er vom Ende eines Ausbildungsbereichs der Membran um einen bestimmten Abstand entfernt wird. In diesem Fall konzentrieren sich Belastungen auf dem Zwischenabschnitt auf der Membran und somit könnte die Membran beschädigt werden, obgleich Wärmeaustritt von dem Infrarot-Absorptionsfilm zu der Substratstelle außerhalb der Membran verringert werden kann. Bei dem Infrarotsensor mit dem erfindungsgemäßen Aufbau hat jedoch der Infrarot-Absorptionsfilm den dünnen Belastungsaufnahmeabschnitt und somit kann sowohl eine Verbesserung des Infrarotstrahlungs-Absorptiongsgrads des Infrarot-Absorptionsfilms als auch eine Verringerung von Belastungen erzielt werden, welche auf die Membran einwirken, so daß Schäden an der Membran verhindert werden können.
Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung kann der dünne Belastungsaufnahmeabschnitt über einen bestimmten Bereich hinweg vom Endabschnitt des Infrarot-Absorptionsfilms ausgebildet sein.
Bei dem Infrarotsensor gemäß dem fünften Aspekt konzentrieren sich auf die Membran einwirkende Belastungen auf die Membran an dem Zwischenabschnitt zwischen dem Infrarot-Absorptionsfilm und dem Ende des Ausbildungsbereichs der Membran. Wenn somit der dünne Belastungsaufnahmeabschnitt über einen bestimmten Bereich hinweg vom Endabschnitt des Infrarot-Absorptionsfilms, der dem Zwischenabschnitt am nächsten ist, ausgebildet wird, lassen sich auf die Membran einwirkende Belastungen wirksam verringern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Erkennungselement bei einem Thermoelement angewendet werden, welches einen warmen Übergangsabschnitt hat, der auf der Membran ausgebildet ist und einen kalten Übergangsabschnitt hat, der auf dem Substrat außerhalb des Ausbildungsbereichs der Membran ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist es bevorzugt, wenn das Substrat ein Halbleitersubstrat ist und das Erkennungselement auf dem Halbleitersubstrat über einen Isolationsfilm ausgebildet ist. Durch Verwendung eines Halbleitersubstrats kann ein Substrat mit einer Membran unter Verwendung einer üblichen Halbleiterherstellungstechnik problemlos ausgebildet werden. Somit kann ein hochempfindlicher Infrarotsensor zu geringen Kosten hergestellt werden.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen.
Es zeigt:
1A bis 1C den Aufbau eines Infrarotsensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei 1A eine Querschnittsdarstellung des Infrarotsensors ist, 1B eine Draufsicht auf die Oberseite ist und 1C eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Erkennungselements ist, wenn ein Sensorausgang abgegriffen wird;
2 in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen der Oberflächenrauhigkeit und dem Reflexionsvermögen für Infrarotstrahlen;
3 in einer graphischen Darstellung die Auswirkung der Filmdicke auf den Absorptionsgrad für Infrarotstrahlung; und
4 in einer Querschnittsdarstellung den Aufbau eines Infrarotsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung beschrieben. Bei diesen Ausführungsformen ist die Erfindung auf einen Infrarotsensor des Thermosäulentyps angewendet, der als Erkennungselement zur Erkennung von Infrarotstrahlung ein Thermoelement aufweist.
Die 1A bis 1C zeigen den Aufbau eines Infrarotsensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Genauer gesagt, 1A ist eine Querschnittsdarstellung durch den Infrarotsensor, 1B eine Draufsicht von oben her und 1C eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Erkennungselements, wenn ein Sensorausgang erzeugt wird. In den 1B und 1C ist der Infrarot-Absorptionsfilm aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung weggelassen.
Gemäß 1A weist ein Infrarotsensor 100 ein Substrat 10, ein Erkennungselement 20 und einen Infrarot-Absorptionsfilm 30 auf.
Das Substrat 10 ist ein Halbleitersubstrat aus Silizium und ein Öffnungsabschnitt 11 ist an einer unteren Oberflächenseite des Substrats 10 beispielsweise durch Naßätzen ausgebildet. In dieser Ausführungsform hat der Öffnungsabschnitt 11 Rechteckform mit schräg verlaufenden Wänden, so daß eine Breite des Öffnungsabschnitts sich von dem Boden des Substrats 10 zu der oberen Oberflächenseite hin verringert. Der Öffnungsabschnitt an der oberen Oberfläche des Substrats 10 ist als rechteckförmiger Bereich ausgelegt, der in 1B gestrichelt dargestellt ist.
Gemäß 1A ist ein isolierender Film 12 als Siliziumoxidfilm, Siliziumnitridfilm oder dergleichen auf der oberen Oberfläche des Substrats 10 einschließlich der Oberseite des Öffnungsabschnitts 11 ausgebildet. Infolgedessen ist ein Abschnitt des isolierenden Films 12, der über dem Öffnungsabschnitt 11 liegt, als dünner Abschnitt des Substrats 10 ausgebildet, d. h. als eine Membran 13. Der isolierende Film 12 wird durch ein CVD-Verfahren, durch Sputtern oder dergleichen gebildet.
Wenn das Substrat gemäß obiger Beschreibung ein Halbleitersubstrat ist, kann die Membran 10 auf dem Substrat 10 durch übliche Halbleiterherstellungstechniken problemlos ausgebildet werden. Somit kann ein hochempfindlicher Infrarotsensor zu geringen Kosten hergestellt werden. Anstelle des Halbleitersubstrats kann als Substrat 10 auch ein Glassubstrat oder dergleichen verwendet werden.
Das Erkennungselement 20 weist ein Thermoelement auf und ist über einen Bereich hinweg ausgebildet, der sich von der Membran zu einer dicken Stelle des Substrats 10 erstreckt, welche außerhalb der Membran 13 liegt, wie in 1B gezeigt. Gemäß 1C ist das Thermoelement so aufgebaut, daß eine Mehrzahl von Paaren von Membranen 20a und 20b aus unterschiedlichen Materialarten abwechselnd auf dem Substrat 10 so ausgebildet wird, daß sie in Serie verlaufen (Thermosäule) und die Übergangsabschnitte der Membranen 20a und 20b werden abwechselnd ein warmer Übergangspunkt 20c oder ein kalter Übergangspunkt 20d. Eine Kombination der Membranen 20a und 20b unterschiedlicher Materialarten kann z. B. eine Kombination aus Aluminiumfilmen und Polysiliziumfilmen sein. Obgleich in den 1B und 1C nicht gezeigt, ist ein Isolationszwischenfilm aus Siliziumoxid oder dergleichen auf dem Polysiliziumfilm und auf dem isolierenden Film 12 ausgebildet, auf dem kein Polysiliziumfilm ausgebildet ist und der Aluminiumfilm ist auf dem isolierenden Zwischenfilm so ausgebildet, daß die Endabschnitte entsprechender Polysiliziumfilme über eine Kontaktöffnung in dem isolierenden Zwischenfilm miteinander verbunden sind.
Der Infrarotsensor 100 mit dem Thermoelement 20 gemäß obiger Beschreibung wird als Infrarotsensor des Thermosäulentyps bezeichnet. Wie in den 1A bis 1C gezeigt, ist der warme Übergangspunkt 20c der Thermosäule 20 auf der Membran 13 ausgebildet, welche eine geringe Wärmekapazität hat. Andererseits ist der kalte Übergangspunkt 20d des Thermoelements 20 auf dem Substrat 10 mit großer Wärmekapazität außerhalb der Membran 13 ausgebildet und das Substrat 10 dient als Wärmesenke.
Jede Art von Erkennungselement kann verwendet werden, so lange wenigstens ein Teil des Erkennungselements 20 auf der Membran 13 ausgebildet ist, wobei wenigstens ein Teil der Erkennungselementstelle, die auf der Membran 13 ausgebildet ist, von dem Infrarot-Absorptionsfilm 30 abgedeckt ist und ein elektrisches Signal auf der Grundlage einer Temperaturänderung erzeugt wird, die auftritt, wenn Infrarotstrahlung empfangen wird. Ein Erkennungselement des Bolometer-Typs mit einem Widerstand oder ein Erkennungselement des pyroelektrischen Typs mit einem pyroelektrischen Element kann anstelle des Erkennungselements mit dem Thermoelement gemäß obiger Beschreibung verwendet werden.
Der Infrarot-Absorptionsfilm 30 ist aus einem Material, welches Infrarotstrahlung wirksam absorbiert und ist auf der Membran so ausgebildet, daß wenigstens ein Teil des Erkennungselements 20 abgedeckt ist. Der Infrarotabsorptionsfilm 30 dieser Ausführungsform wird erreicht durch Ausbacken und Härten von Polyesterharz, welches Kohlenstoff enthält und der Film wird auf der Membran ausgebildet, wobei die warmen Übergangspunkte 20a überzogen sind, so daß Infrarotstrahlung absorbiert wird und die Temperatur der warmen Übergangspunkte 20c des Erkennungselements 20 wirksam erhöht wird.
Weiterhin ist der Infrarot-Absorptionsfilm 30 so ausgebildet, daß er von dem Ende des Ausbildungsbereichs der Membran 13 um einen bestimmten Betrag beabstandet ist und wenn die Breite des Infrarot-Absorptionsfilms 30 (die Länge in der Ebenenrichtung des Substrats von 1A) mit A bezeichnet wird und die Breite der Membran 13 mit C bezeichnet wird, dann beträgt das Verhältnis A/C 0,75 bis 0,90. Die Beziehung zwischen dem Infrarot-Absorptionsfilm 30 und der Membran 13 ist von der Anmelderin bereits in der JP-2002-365140 beschrieben, wobei auf den dortigen Offenbarungsgehalt hier insofern vollinhaltlich Bezug genommen wird, eine nochmalige Beschreibung jedoch im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht erfolgt.
Wie oben beschrieben, ist der Infrarotsensor 100 dieser Ausführungsform so ausgelegt, daß der warme Übergangspunkt 20c des Erkennungselements (des Thermoelements) 20 auf der Membran 13 ausgebildet ist, wobei er von dem Infrarot-Absorptionsfilm 30 bedeckt ist und der kalte Übergangspunkt 20d hiervon ist auf dem dicken Abschnitt des Substrats 10 ausgebildet, wo sich die Membran 13 nicht befindet.
Wenn daher eine Infrarotstrahlung von einem menschlichen Körper oder dergleichen abgestrahlt wird und auf den Sensor 100 fällt, wird die Infrarotstrahlung von dem Infrarot-Absorptionsfilm 30 absorbiert, was zu einem dortigen Temperaturanstieg führt. Im Ergebnis erhöht sich die Temperatur des warmen Übergangspunkts 20c, der unterhalb des Infrarot-Absorptionsfilms 30 liegt. Andererseits erhöht sich die Temperatur des kalten Übergangspunkts 20d nicht, da das Substrat 10 als Wärmesenke dient. Wie oben beschrieben, ändert das Erkennungselement 20 seine elektromotorische Kraft aufgrund der Temperaturdifferenz, die zwischen dem warmen Übergangspunkt 20c und dem kalten Übergangspunkt 20d auftritt, wenn eine Infrarotstrahlung empfangen wird (Seebeckeffekt) und die Infrarotstrahlung wird auf der Grundlage der sich so ändernden elektromotorischen Kraft erkannt. Das in 1C dargestellte Thermoelement ist vom Thermosäulen-Typ und die gesamte elektromotorische Kraft, die in den jeweiligen Paaren der unterschiedlichen Materialien 20a und 20b auftritt, ergibt den Ausgang Vout des Erkennungselements 20.
Im Fall eines Infrarotsensors 100 mit dem Infrarot-Absorptionsfilm 30, wie es bei der vorliegenden Ausführungsform der Fall ist, ist die erkannte Infrarotstrahlung abhängig von der Absorptionscharakteristik des Infrarot-Absorptionsfilms. Infolgedessen ist es üblicherweise notwendig, die Filmdicke des Infrarot-Absorptionsfilms 30 zu erhöhen, um die Absorptionsmenge an Infrarotstrahlung in dem Infrarot-Absorptionsfilm 30 zu erhöhen (den Absorptionsgrad oder das Schluckvermögen für Infrarotstrahlung), um somit die Erkennungsempfindlichkeit des Infrarotsensors 100 zu vergrößern. Es treten jedoch Belastungen oder Spannungen in dem Infrarot-Absorptionsfilm 30 auf, welche Restspannungen oder Restbelastungen sind, die von der Herstellung des Films 30 herrühren. Auch treten Spannungen oder Belastungen auf, welche von Temperaturänderungen im normalen Gebrauch herrühren. Diese Filmbelastungen oder Filmspannungen wirken auf die Membran 13 unterhalb des Infrarot-Absorptionsfilms 30. Wenn daher die Filmdicke des Infrarot-Absorptionsfilms 30 erhöht und somit die Filmspannungen oder Filmbelastungen ebenfalls vergrößert werden, kann die als dünner Abschnitt dienende Membran 13 beschädigt werden.
Insbesondere wenn der Infrarot-Absorptionsfilm 30 so ausgebildet wird, daß er vom Ende des Ausbildungsbereichs der Membran 13 um einen bestimmten Abstand beabstandet ist, wie in dieser Ausführungsform dargestellt, kann Wärmeaustritt von dem Infrarot-Absorptionsfilm 30 zu dem dicken Abschnitt des Substrats 10, der außerhalb der Membran 13 liegt, zwar verringert werden. Jedoch konzentrieren sich Spannungen oder Belastungen an dem Abstandsabschnitt der Membran 13 (dem Abschnitt zwischen dem Ende des Ausbildungsbereichs der Membran 13 und dem Ende des Ausbildungsbereichs des Infrarot-Absorptionsfilms 30) und somit besteht die Gefahr, daß die Membran 13 beschädigt wird. Durch Simulationen wurde die Belastungsverteilung überprüft, welche auf die Membran 13 wirkt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde somit Aufmerksamkeit auf die Ausbildung oder Steuerung der Oberflächenrauhigkeit des Infrarot-Absorptionsfilms 30 gerichtet, um sowohl den Absorptionsgrad für die Infrarotstrahlung des Infrarot-Absorptionsfilms 30 zu verbessern als auch auf die Membran 13 einwirkende Spannungen oder Belastungen zu verringern, um somit Schäden an der Membran 13 zu verhindern.
Der Absorptionsgrad für Infrarotstrahlung des Infrarot-Absorptionsfilms 30 wird berechnet, indem das Reflexionsvermögen für Infrarotstrahlung und die Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung von 100% subtrahiert werden. Die Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung beträgt einige Prozent und somit wird der Absorptionsgrad für Infrarotstrahlung im wesentlichen durch das Reflexionsvermögen für Infrarotstrahlung bestimmt.
Die Beziehung zwischen dem Reflexionsvermögen für Infrarotstrahlung und der Oberflächenrauhigkeit in dem Infrarot-Absorptionsfilm 30 wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben: R1 = R0exp{–(4πnσ/λ)²} (1)
Hierbei bezeichnet R1 das Reflexionsvermögen für Infrarotstrahlung, R0 das Reflexionsvermögen für Infrarotstrahlung unter Spiegeloberflächenbedingungen, λ die einfallende Wellenlänge der Infrarotstrahlung, n den Brechungsindex des Infrarot-Absorptionsfilms und σ die Oberflächenrauhigkeit.
Die Beziehung zwischen dem Absorptionsgrad für Infrarotstrahlung und der Oberflächenrauhigkeit bei festgelegter Filmdicke des Infrarot-Absorptionsfilms 30 bei sich ändernder einfallender Wellenlänge von Infrarotstrahlung wurde unter Verwendung der obigen Gleichung (1) untersucht. Das Ergebnis ist in 2 dargestellt. Der Infrarot-Absorptionsfilm 30 wurde erhalten durch Hinzufügung von Kohlenstoff zu Polyesterharz und die Filmdicke betrug 5 μm. In 2 bezeichnet ein Dreieck eine einfallende Wellenlänge von 15 μm, ein Rechteck eine einfallenden Wellenlänge von 10 μm und ein Rhombus eine einfallende Wellenlänge von 5 μm.
Wie aus 2 hervorgeht, ist, wenn die Oberflächenrauhigkeit gleich 2 μm oder mehr ist, das Reflexionsvermögen für Infrarotstrahlung im wesentlichen gleich 0%, ungeachtet der einfallenden Wellenlänge der Infrarotstrahlung. Dies deshalb, als, wenn die Oberflächenrauhigkeit hoch ist, Infrarotstrahlung, welche einmal von einer konkaven Wandoberfläche der Filmoberfläche des Infrarot-Absorptionsfilms 30 reflektiert wurde, wieder auf den Infrarot-Absorptionsfilm 30 fällt und dann vom Infrarot-Absorptionsfilm 30 absorbiert wird.
Wenn die Oberflächenrauhigkeit des Infrarot-Absorptionsfilms 30 wie oben beschrieben auf 2 μm oder mehr gesetzt wird, kann der Absorptionsgrad für Infrarotstrahlung verbessert werden, ohne daß die Filmdicke des Infrarot-Absorptionsfilms 30 erhöht werden muß. In diesem Fall muß somit die Dicke des Infrarot-Absorptionsfilms 30 nicht vergrößert werden, so daß auf die Membran 13 wirkende Spannungen oder Belastungen verringert werden können und Schäden an der Membran 13 verhindert werden können. Bei dem Infrarotsensor 100 der oben beschriebenen Ausführungsform beträgt die Oberflächenrauhigkeit des Infrarot-Absorptionsfilms 30 2 μm oder mehr, so daß gleichzeitig sowohl eine Verbesserung des Absorptionsgrads für Infrarotstrahlung des Infrarot-Absorptionsfilms 30 als auch eine Verringerung von auf die Membran 13 einwirkenden Belastungen erreicht werden kann.
Als Verfahren zur Ausbildung des Infrarot-Absorptionsfilms 30 mit der Oberflächenrauhigkeit von 2 μm oder mehr wird eine Paste mit 30 bis 60 Gew.-% Kohlenstoff von 2 bis 3 μm durchschnittlichem Partikeldurchmesser und 40 bis 70 Gew.-% Polyesterharz an einer bestimmten Stelle (Ausbildungsstelle oder Ausbildungsposition der Membran 13) des Substrats 10 über dem isolierenden Film 12 durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht und dann auf eine bestimmte Temperatur erhitzt. Wenn der Infrarot-Absorptionsfilm 30 gemäß obiger Beschreibung durch das Siebdruckverfahren ausgebildet ist, kann zu geringen Kosten der gewünschte Infrarot-Absorptionsfilm 30 ausgebildet werden. Bei dieser Ausführungsform wurde der Siebdruckvorgang unter Verwendung einer Paste durchgeführt, welche 50 Gew.-% Kohlenstoff mit 2 bis 3 μm durchschnittlichem Partikeldurchmesser und 50 Gew.-% Polyesterharz enthielt, die Filmdicke des so ausgebildeten Infrarot-Absorptionsfilms 30 betrug 4,0 μm und die Oberflächenrauhigkeit war gleich 2,0 μm. Zusätzlich zu Kohlenstoff und Polyesterharz kann ein Lösungsmittel hinzugefügt werden, um die Viskosität einzustellen oder bei Bedarf kann ein geeigneter Füllstoff hinzugefügt werden.
Weiterhin kann die Oberfläche des Infrarot-Absorptionsfilms 30, der durch ein Abscheideverfahren oder dergleichen ausgebildet wurde, einer Aufrauhungsbehandlung unterworfen werden (Tauchen in einer entsprechenden Lösung, mechanische Behandlung oder dergleichen), um den Infrarot-Absorptionsfilm 30 mit einer Oberflächenrauhigkeit von 2 μm oder mehr zu erhalten.
Die Auswirkung der Filmdicke auf den Absorptionsgrad für Infrarotstrahlung wurde für einen Infrarot-Absorptionsfilm 30 untersucht, der mit dem obigen Herstellungsverfahren hergestellt wurde. Das Ergebnis ist in 3 gezeigt. In 3 gibt die Abszissenachse die Wellenlänge der Infrarotstrahlung wieder und die Ordinatenachse gibt den Absorptionsgrad für die Infrarotstrahlung wieder. Die Untersuchung wurde an zwei Arten von Infrarot-Absorptionsfilm 30 durchgeführt, welche durch das obige Verfahren hergestellt wurden. Eine Art von Infrarot-Absorptionsfilm 30 wurde mit einer Dicke von 4,5 μm und einer Oberflächenrauhigkeit von 2,0 μm ausgebildet und die andere Art von Infrarot-Absorptionsfilm 30 wurde mit einer Dicke von 6,5 μm und einer Oberflächenrauhigkeit von 2,1 μm ausgebildet.
Wie in 3 war sowohl bei dem Infrarot-Absorptionsfilm 30 mit 4,5 μm Filmdicke und dem Infrarot-Absorptionsfilm 30 von 6,5 μm Filmdicke der Absorptionsgrad für Infrarotstrahlung ungeachtet der Wellenlänge im wesentlichen gleich. D. h., wenn die Oberflächenrauhigkeit des Infrarot-Absorptionsfilms auf 2 μm oder mehr gesetzt wird, wird der Absorptionsgrad für Infrarotstrahlung nicht verringert, selbst wenn die Filmdicke des Infrarot-Absorptionsfilms 30 verringert wird. Mit anderen Worten, der Absorptionsgrad für Infrarotstrahlung kann erhöht werden, ohne daß die Filmdicke des Infrarot-Absorptionsfilms 30 vergrößert werden muß. Wenn somit die Oberflächenrauhigkeit auf 2 μm oder mehr gesetzt wird, läßt sich die Filmdicke des Infrarot-Absorptionsfilms 30 verringern, so daß die Membran 13 vor Schäden geschützt werden kann.
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 4 ist eine Querschnittsdarstellung durch den Aufbau eines Infrarotsensors 100 gemäß der zweiten Ausführungsform.
Eine große Anzahl von Bauelementen ist bei dem Infrarotsensor 100 der zweiten Ausführungsform gleich zu dem Infrarotsensor 100 der ersten Ausführungsform. Eine detaillierte Beschreibung dieser gemeinsamen Bauelemente ist somit in der nachfolgenden Beschreibung weggelassen und es werden im wesentlichen noch die verbleibenden unterschiedlichen Bauelemente erläutert.
In der zweiten Ausführungsform liegt der Unterschied zur ersten Ausführungsform im wesentlichen darin, daß ein dünner Belastungsaufnahmeabschnitt in dem Infrarotabsorptionsfilm 30 ausgebildet ist, um sowohl eine Verbesserung des Absorptionsgrades für Infrarotstrahlung des Infrarot-Absorptionsfilms 30 als auch eine Verringerung von Spannungen oder Belastungen zu erreichen, die auf die Membran 13 wirken könnten.
Wie unter Bezug auf die erste Ausführungsform bereits beschrieben, tritt in dem Infrarot-Absorptionsfilm 30 eine Restbelastung oder Restspannung aufgrund der Herstellung des Films 30 und eine Spannung oder Belastung aufgrund von Temperaturänderungen der Umgebung auf. Diese Filmbelastungen oder Filmspannungen wirken auf die Membran 13 unter dem Infrarot-Absorptionsfilm 30 und wenn daher die Filmdicke des Infrarot-Absorptionsfilms 30 hoch ist, vergrößern sich die Filmspannungen oder Filmbelastungen und die als dünner Abschnitt dienende Membran 13 kann beschädigt werden.
Bei der zweiten Ausführungsform ist gemäß 4 ein dünner Belastungsaufnahmeabschnitt 30a an einem Teil des Infrarot-Absorptionsfilms 30 ausgebildet. Selbst wenn daher die Filmdicke des Infrarot-Absorptionsfilms 30 vergleichsweise hoch ist, können in dem Infrarot-Absorptionsfilm 30 auftretende Spannungen oder Belastungen durch Bereitstellung des dünnen Abschnitts 30a aufgenommen oder abgefangen werden, so daß auf die Membran 13 wirkende Belastungen verringert werden können. D. h., der Infrarotsensor 100 dieser zweiten Ausführungsform kann auch eine Verbesserung des Absorptionsgrades für Infrarotstrahlung des Infrarot-Absorptionsfilms 30 und eine Verringerung von auf die Membran 13 einwirkenden Belastungen erreichen.
Was den dünnen Abschnitt 30a betrifft, so ist die Stelle dessen Ausbildung und die Anzahl von Ausbildungen hiervon nicht speziell festgelegt. Wenn jedoch gemäß 4 der Infrarot-Absorptionsfilm 30 so ausgebildet wird, daß er von dem Ende des Ausbildungsbereichs der Membran 13 in einem bestimmten Abstand liegt, konzentrieren sich Spannungen oder Belastungen an diesem Beabstandungsabschnitt der Membran 13 (dem Abschnitt zwischen dem Ende des Ausbildungsbereichs der Membran 13 und dem Ende des Ausbildungsbereichs des Infrarotabsorptionsfilms 30), so daß die Membran 13 beschädigt werden kann, obgleich Wärmeaustritt von dem Infrarot-Absorptionsfilm 30 zu dem dicken Abschnitt des Substrats 10, der außerhalb der Membran 13 liegt, erfolgt. Wenn daher der dünne Abschnitt 30a innerhalb eines bestimmten Bereichs vom Endabschnitt des Infrarot-Absorptionsfilms 30 benachbart dem Beabstandungsabschnitt gemäß dem obigen Aufbau ausgebildet ist, lassen sich auf die Membran 13 einwirkenden Spannungen oder Belastungen wirksam verringern.
Als ein Verfahren zum Ausbilden den Infrarot-Absorptionsfilms 30 mit dem dünnen Abschnitt 30a gemäß obiger Beschreibung kann das unter Bezug auf die erste Ausführungsform beschriebene Siebdruckverfahren verwendet werden. Insbesondere kann der Dickenunterschied zwischen dem dünnen Abschnitt 30a und dem Rest der Membran durch mehrfaches Durchführen des Siebdruckvorgangs durchgeführt werden, so daß der Infrarot-Absorptionsfilm 30 mit dem dünnen Abschnitt 30a gebildet wird. Der Siebdurchmesser des Siebdrucksiebs kann an dem dünnen Abschnitt 30a gegenüber dem Rest verändert werden (die dem dünnen Abschnitt 30a entsprechende Stelle wird enger gemacht) oder die Dicke des Beschichtungsmittels (Resistdicke) kann geändert werden, um durch einen Siebdruckvorgang unterschiedliche Schichtdicken zu erzielen, so daß der Infrarot-Absorptionsfilm 30 mit wenigstens einem dünnen Abschnitt 30a gebildet wird.
Weiterhin kann nach einer Filmausbildung durch ein Abschneideverfahren oder dergleichen ein Teil des Infrarot-Absorptionsfilms 30 durch einen Ätzvorgang oder dergleichen entfernt werden, so daß der Infrarot-Absorptionsfilm 30 mit dem wenigstens einen dünnen Belastungsaufnahmeabschnitt 30a gebildet wird.
Bei einem Infrarotsensor mit einem Substrat, einer Membran, die als dünner Abschnitt dient und auf dem Substrat ausgebildet ist, einem Erkennungselement zur Erzeugung eines elektrischen Signals auf der Grundlage einer Temperaturänderung beim Empfang von Infrarotstrahlung, wobei wenigstens ein Teil des Erkennungselements auf der Membran ausgebildet ist und einem Infrarot-Absorptionsfilm, der auf der Membran so ausgebildet ist, daß wenigstens ein Teil des Erkennungselements abgedeckt ist, beträgt somit insoweit zusammenfassend die Oberflächenrauhigkeit des Infrarot-Absorptionsfilms 2 μm oder mehr.

Claims

Infrarotsensor (100) mit: einem Substrat (10); einer Membran (13), die als dünner Abschnitt auf dem Substrat (10) ausgebildet ist; einem Erkennungselement (20) zur Erzeugung eines elektrischen Signals auf der Grundlage einer Temperaturänderung, welche auftritt, wenn eine Infrarotstrahlung empfangen wird, wobei wenigstens ein Teil des Erkennungselements (20) auf der Membran (13) ausgebildet ist; und einem Infrarot-Absorptionsfilm (30), der auf der Membran (13) so ausgebildet ist, daß wenigstens ein Teil des Erkennungselements (20) abgedeckt ist, wobei die Oberflächenrauhigkeit des Infrarot-Absorptionsfilms (30) auf 2 μm oder mehr gesetzt ist, und der Infrarot-Absorptionsfilm (30) unter Verwendung einer Paste gebildet wird, welche 30 bis 60 Gew.-% Kohlenstoffpartikel mit 2 μm bis 3 μm durchschnittlichem Partikeldurchmesser und 40 bis 70 Gew.-% Polyesterharz aufweist, wobei ein Siebdruckverfahren angewendet wird.
Infrarotsensor (100) nach Anspruch 1, wobei der Infrarot-Absorptionsfilm (30) so ausgebildet ist, daß er vom Ende des Ausbildungsbereichs der Membran (13) um einen bestimmten Abstand beabstandet ist.
Infrarotsensor (100) mit: einem Substrat (10); einer Membran (13), die als dünner Abschnitt auf dem Substrat (10) ausgebildet ist; einem Erkennungselement (20) zur Erzeugung eines elektrischen Signals auf der Grundlage einer Temperaturänderung, welche auftritt, wenn eine Infrarotstrahlung empfangen wird, wobei wenigstens ein Teil des Erkennungselements (20) auf der Membran (13) ausgebildet ist; und einem Infrarot-Absorptionsfilm (30), der auf der Membran (13) so ausgebildet ist, daß wenigstens ein Teil des Erkennungselements (20) abgedeckt ist, wobei der Infrarot-Absorptionsfilm (30) wenigstens einen dünnen Belastungsaufnahmeabschnitt (30a) aufweist.
Infrarotsensor (100) nach Anspruch 3, wobei der Infrarot-Absorptionsfilm (30) so ausgebildet ist, daß er vom Ende des Ausbildungsbereichs der Membran (13) um einen bestimmten Abstand beabstandet ist.
Infrarotsensor (100) nach Anspruch 4, wobei der dünne Belastungsaufnahmeabschnitt (30a) über einen bestimmten Bereich vom Endabschnitt des Infrarot-Absorptionsfilms (30) hinweg ausgebildet ist.
Infrarotsensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Erkennungselement (20) ein Thermoelement mit wenigstens einem warmen Übergangsabschnitt (20c), der auf der Membran (13) ausgebildet ist, und wenigstens einem kalten Übergangsabschnitt (20d) ist, der auf dem Substrat (10) außerhalb des Ausbildungsbereichs der Membran (13) ausgebildet ist.
Infrarotsensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Substrat (10) ein Halbleitersubstrat ist und das Erkennungselement (20) auf dem Halbleitersubstrat über einem isolierenden Film (12) ausgebildet ist.