DE102005034901A1

DE102005034901A1 - Infrarotsensor

Info

Publication number: DE102005034901A1
Application number: DE102005034901A
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Kariya Watanabe
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2006-03-16
Also published as: JP2006047086A; US20060027259A1

Abstract

Ein Infrarotsensor (100, 200) umfasst ein Substrat (1), eine Membran (3) als einen dünnwandigen Abschnitt auf dem Substrat (1), Thermoelemente (4, 5), von denen ein warmer Kontaktabschnitt (4a) auf der Membran (3) und ein kalter Kontaktabschnitt (4b) außerhalb der Membran (3) auf dem Substrat (1) angeordnet ist, und eine Infrarotstrahlung absorbierende Schicht (6), die so auf der Membran (3) angeordnet ist, dass die warmen Kontaktabschnitte (4a) der Thermoelemente (4, 5) überdeckt sind. Eine elektromotorische Kraft der Thermoelemente (4, 5) ändert sich durch eine Temperaturdifferenz, die zwischen dem warmen Kontaktabschnitt (4a) und dem kalten Kontaktabschnitt (4b) in den Thermoelementen (4, 5) zu einem Empfangszeitpunkt einer Infrarotstrahlung bewirkt wird. Die Infrarotstrahlung wird auf der Grundlage der geänderten elektromotorischen Kraft erfasst. Ein Temperaturerfassungselement (9), das aus dem gleichen Material wie die Thermoelemente (4, 5) gebildet ist und eine Temperatur durch Verwenden der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes dieses Materials erfasst, ist auf dem Substrat (1) ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarotsensor vom Thermosäulentyp (im Folgenden kurz als "Thermosäulensensor" bezeichnet) zur Erfassung einer Infrarotstrahlung auf der Grundlage einer Änderung einer elektromotorischen Kraft, die in einer Thermosäule durch eine zu einem Empfangszeitpunkt der Infrarotstrahlung verursachten Temperaturdifferenz erzeugt wird.
Ein Thermosäulensensor umfasst allgemein eine Membran als einen auf einem Substrat gebildeten dünnwandigen Abschnitt, ein Thermoelement, von dem ein warmer Kontaktabschnitt auf der Membran und ein kalter Kontaktabschnitt außerhalb der Membran auf dem Substrat ausgebildet sind, und eine Infrarotstrahlung absorbierende Schicht, die auf der Membran gebildet ist, so dass der warme Kontaktabschnitt in dem Thermoelement bedecken ist.
Wenn eine Infrarotstrahlung empfangen wird, ändert sich die elektromotorische Kraft des Thermoelements durch die Temperaturdifferenz, die zwischen dem warmen Kontaktabschnitt und dem kalten Kontaktabschnitt in dem Thermoelement verursacht wird. Die Infrarotstrahlung wird auf der Grundlage der geänderten elektromotorischen Kraft erfasst.
Somit ist der Thermosäulensensor ein Sensor, der den Seebeck-Effekt ausnützt, der jedoch den Nachteil aufweist, dass die Temperatur des Sensors selbst, d.h. seine Eigentemperatur, nicht bekannt ist. Es ist allgemein bekannt, gleichzeitig ein Temperaturerfassungselement zur Erfassung der Temperatur zu verwenden, um diesen Nachteil zu umgehen.
Und zwar kann, wie oben erwähnt, die Temperaturdifferenz von dem Infrarotsensor selbst erfasst werden. Die Temperatur des Infrarotsensors selbst wird durch das Temperaturerfassungselement erfasst, und die Temperatur eines gemessenen Objekts wird auf der Grundlage dieser Temperatur und der obigen Temperaturdifferenz berechnet.

Herkömmlich wird die Beziehung zwischen dem Widerstandswert und der Temperatur von zum Beispiel einem Thermistor (temperaturabhängiger Widerstand) als Temperaturerfassungselement verwendet. Als Bildungsverfahren dieses Temperaturerfassungselements verwendet der Thermosäulensensor im allgemeinen ebenfalls diese Anordnung, da es einfach ist, einen Keramik-Thermistor in der Umgebung des Infrarotsensors anzuordnen (siehe z.B. die JP-A-60-178323).

Jedoch wird, selbst wenn das Temperaturerfassungselement in der Umgebung des Infrarotsensors angeordnet wird, in dem Infrarotsensor selbst kein Temperaturerfassungselement ausgebildet. Daher bestehen Nachteile dahingehend, dass das Ansprechen schlecht ist und ein Temperaturfehler verursacht wird etc. Ein Mittel zur Bildung eines Widerstandselements mit der Temperaturabhängigkeit auf dem Infrarotsensor wird erwogen, um diese Nachteile zu vermeiden. Es ist jedoch erforderlich, für dieses Mittel ein separates Material zu verwenden und einen zusätzlichen Prozess hinzuzufügen, so dass die Kosten ansteigen.

Im Hinblick auf die oben genannten Probleme ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Thermosäulen sensor bereitzutellen, dessen Eigentemperatur durch einen kostengünstigen Aufbau genau erfasst werden kann.

Um das genannte Ziel zu erreichen, wird eine Eigenschaft des Thermosäulensensors ausgenützt, wonach ein Material, das ein Thermoelement bildet, einen von der Temperatur abhängigen Widerstand besitzt.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Infrarotsensor ein Substrat, eine Membran als einen dünnwandigen Abschnitt, die auf diesem Substrat ausgebildet ist, Thermoelemente, in denen ein warmer Kontaktabschnitt auf der Membran und ein kalter Kontaktabschnitt außerhalb der Membran auf dem Substrat ausgebildet sind, und eine Infrarotstrahlung absorbierende Schicht, die auf der Membran so ausgebildet ist, dass die warmen Kontaktabschnitte der Thermoelemente überdeckt sind, wobei eine elektromotorische Kraft der Thermoelemente durch eine Temperaturdifferenz geändert wird, die zwischen dem warmen Kontaktabschnitt und dem kalten Kontaktabschnitt in den Thermoelementen zum Zeitpunkt des Empfangs einer Infrarotstrahlung bewirkt wird, und wobei die Infrarotstrahlung auf der Grundlage der geänderten elektromotorischen Kraft erfasst wird, und ein Temperaturerfassungselement, das aus dem gleichen Material wie die Thermoelemente gebildet ist und das eine Temperatur durch Ausnutzen der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes dieses Materials erfasst, ist auf dem Substrat gebildet.

Da das Temperaturerfassungselement entsprechend diesem Aufbau in dem Substrat selbst gebildet ist, das den Infrarotsensor bildet, d.h. in dem Infrarotsensor selbst, kann die Temperaturerfassung des Infrarotsensors selbst genau ausgeführt werden.

Ferner, da das Temperaturerfassungselement gebildet wird, indem das gleiche Material wie das Material verwendet wird, das die Thermoelemente bildet, kann das Temperaturerfassungselement gleichzeitig mit den Thermoelementen in einem Ausbildungsprozess der Thermoelemente in einem Herstellungsprozess gebildet werden. Ferner ist es nicht erforderlich, ein separates Material für das Temperaturerfassungselement zu verwenden.

Demzufolge kann die Eigentemperatur des Sensors durch eine einfache Konstruktion des Thermosäulensensors genau erfasst werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist wenigstens ein Abschnitt der Thermosäulen als das Temperaturerfassungselement in dem Thermosäulensensor gemäß dem ersten Aspekt ausgebildet.

Da wenigstens ein Abschnitt der Thermoelemente als das Temperaturerfassungselement ausgebildet ist, ist es somit möglich, einen Aufbau festzulegen, in dem die Thermoelemente auch als das Temperaturerfassungselement verwendet werden.

Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich. In den Zeichnungen sind:
1 eine schematische Draufsicht eines Thermosäulensensors gemäß einer ersten Ausführungsform, der eine elektromotorische Kraft von einer Mehrzahl von Thermosäulen ausnützt;
2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II von 1;
3 eine schematische Querschnittsansicht, die die Umgebung des Thermoelements und ein Temperaturerfassungselement in dem Thermosäulensensor gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
4 eine schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung des Temperaturerfassungselements in dem Thermosäulensensor gemäß der ersten Ausführungsform;
5 eine Ansicht, die die Beziehung zwischen der Temperatur und dem Widerstand eines Materials zeigt, das das Thermoelement bildet;
6 eine schematische Draufsicht eines Thermosäulensensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der eine elektromotorische Kraft von einer Mehrzahl von Thermoelementen ausnützt; und
7 eine schematische Draufsicht eines Thermosäulensensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der eine elektromotorische Kraft von einer Mehrzahl von Thermoelementen ausnützt.
Im Folgenden sind die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen für gleiche oder äquivalente Elemente verwendet werden.
[Erste Ausführungsform]
1 ist eine Ansicht, die schematisch einen Aufbau eines Thermosäulensensors 100 gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt, der eine elektromotorische Kraft von einer Mehrzahl von Thermoelementen ausnützt bzw. nutzbar macht. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II von 1.
Die in 1 gezeigten Schraffuren stellen keine Schnittflächen dar, sondern dienen lediglich der besseren Erkennbarkeit der einzelnen Abschnitte. Ferner sind die Dicke jeder Schicht, die Größe der Verdrahtung, etc. in den 1 und 2 leicht unterschiedlich dargestellt.
3 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Anordnung von Thermoelementen 4–5 und eines Temperaturerfassungselements 9 in dem Thermosäulensensor 100 zeigt. 4 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Aufbau entlang der Längsrichtung des Temperaturerfassungselements 9 in dem Thermosäulensensor 100 zeigt.
Der Thermosäulensensor 100 umfasst ein Siliziumsubstrat (in diesem Beispiel ein Siliziumchip in Form einer rechteckigen Platte) 1 mit Ebenen (100) und (110) im planaren Azimut einer Hauptebene. Ein zur Erfassung erforderlicher Elementabschnitt wird durch Schichtformung ("lamination") verschiedener Verdrahtungen, Schichten, etc. auf einer vorderen, d.h. in 2 oberen, Oberfläche 1a des Siliziumsubstrats 1 ausgebildet. Ferner wird ein Hohlraumabschnitt 8 ausgebildet, indem eine Nassätzung von einer hinteren, d.h. in 2 unteren, Oberfläche 1b des Siliziumsubstrats 1 ausgeführt wird. In 1 ist die äußere Form des Hohlraumabschnitts 8 durch eine strich-punktierte Linie gezeigt.
Wie es in den 2 bis 4 gezeigt ist, ist eine isolierende Dünnschicht 2 ausgebildet, die zum Beispiel aus einer Siliziumnitridschicht oder einer Siliziumoxidschicht aufgebaut ist, welche mit Hilfe von zum Beispiel eines CVD-Verfahrens, eines Sputter-Verfahrens oder eines Verdampfungsverfahres im Wesentlichen auf der gesamten Oberfläche 1a des Siliziumsubstrats 1, einschließlich dem oberen Abschnitt des Hohlraumabschnitts 8, erzeugt wird.
Wenn das Siliziumsubstrat 1 mit Ausnahme des Hohlraumabschnitts 8 als "dickwandiger" Abschnitt (mit einer Dicke von zum Beispiel 400 μm) ausgebildet bzw. definiert ist, ist ein Abschnitt der isolierenden Dünnschicht 2, der über dem Hohlraumabschnitt 8 auf der Oberfläche 1a des Siliziumsubstrats 1 angeordnet ist, als "dünnwandiger" Abschnitt (mit einer Dicke von zum Beispiel 2 μm), d.h. als Membran 3, ausgebildet bzw. definiert.
Eine Mehrzahl von Verdrahtungen 4 (schräg schraffiert in 1 dargestellt), die aus Polysilizium aufgebaut und zum Beispiel durch das CVD-Verfahren gebildet sind, und eine Mehrzahl von Verdrahtungen 5, die aus Aluminium aufgebaut und zum Beispiel durch das Sputter-Verfahren und das Verdampfungsverfahren gebildet sind, erstrecken sich jeweils in radialer Richtung auf der isolierenden Dünnschicht 2, und zwar von über der Membran 3 (dem mittleren Bereich der isolierenden Dünnschicht 2, wie es in 2 gezeigt ist) bis über den dickwandigen, außerhalb der Membran 3 angeordneten Bereich des Siliziumsubstrats 1.
Wie es in 3 gezeigt ist, ist eine isolierende Zwischenschicht 2a, die zum Beispiel aus einer Siliziumnitridschicht oder einer Siliziumoxidschicht aufgebaut ist, zum Beispiel durch das CVD-Verfahren, das Sputter-Verfahren und das Verdampfungsverfahren auf der Polysiliziumverdrahtung 4 und der isolierenden Dünnschicht 5, in der keine Polysiliziumverdrahtung 4 gebildet ist, ausgebildet. Die Aluminiumverdrahtung 5 ist auf der isolierenden Zwischenschicht 2a gebildet.
Die Aluminiumverdrahtung 5 verbindet Endabschnitte jeweiliger Polysiliziumverdrahtungen 4 durch jeweilige in der isolierenden Zwischenschicht 2a ausgebildete Öffnungsabschnitte (Kontaktlöcher), obgleich diese Verbindungen in den Zeichnungen nicht gezeigt sind.
Somit sind die Mehrzahl der Polysiliziumverdrahtungen 4 und die Mehrzahl der Aluminiumverdrahtungen 5 in Reihe geschaltet (verbunden) und bilden die Thermoelemente 4–5 des Thermosäulensensors 100. Wie es in 1 gezeigt ist, weisen diese Thermoelement 4–5 eine mehrfach "zurückgefaltete" bzw. gewundene Struktur mit einer Mehrzahl von zurückgefalteten Abschnitten 4a, 4b auf.
Jeder Abschnitt dieser Mehrzahl von zurückgefalteten Abschnitten 4a, 4b ist ein Verbindungsabschnitt zwischen einer jeweiligen Polysiliziumverdrahtungen 4 und einer jeweiligen Aluminiumverdrahtung 5, und durch den Seebeck-Effekt wird in dem Verbindungsabschnitt, in dem die unterschiedlichen Materialien miteinander verbunden sind, eine elektromotorische Kraft erzeugt.
Wie es in 1 gezeigt ist, sind zwei Aluminiumkontaktierungsstellen 5a, 5b zur elektrischen Verbindung mit einer externen Schaltung durch Bonddrähte, etc. mit den Aluminiumverdrahtungen 5 der entsprechenden Endabschnitte der Thermoelemente 4–5 verbunden.
Der zurückgefaltete Abschnitt 4a, der auf der Membran 3 angeordnet ist, wird ein warmer Kontaktabschnitt, und der zurückgefaltete Abschnitt 4b, der auf dem dickwandigen Abschnitt des Siliziumsubstrats 1, außerhalb der Membran 3 angeordnet ist, wird ein kalter Kontaktabschnitt. Die elektrischen Spannungen der Thermoelemente 4–5, die auf der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kontaktabschnitten 4a und 4b basieren, werden an den Aluminium kontaktierungsstellen 5a und 5b abgegriffen bzw. nach außen geführt.
Insbesondere bilden jeweils zwei Verdrahtungen, die aus einer der Polysiliziumverdrahtungen 4 bzw. einer der Aluminiumverdrahtungen 5 gebildet sind, welche in Reihe miteinander verbunden sind, ein Thermoelement 4–5. In jedem der Thermoelemente 4–5 ist der warme Kontaktabschnitt 4a auf der Membran 3 und der kalte Abschnitt 4b außerhalb der Membran 3, auf dem dickwandigen Abschnitt des Substrats 1 ausgebildet. In diesem Beispiel sind eine Mehrzahl solcher Thermoelement 4–5 in Reihe miteinander verbunden, um ihre Ausgangssignale zu verstärken.
Ferner ist, wie es in 3 gezeigt ist, eine Schutzschicht 2b, die zum Beispiel aus einer Siliziumnitridschicht oder einer Siliziumoxidschicht aufgebaut ist, mit Hilfe zum Beispiel des CVD-Verfahrens oder des Sputter-Verfahrens auf der Aluminiumverdrahtung 5 und der isolierende Zwischenschicht 2a, in der keine Aluminiumverdrahtung 5 ausgebildet ist, gebildet.
Eine Infrarotstrahlung absorbierende Schicht 6 ist über dem mittleren Bereich der Schutzschicht 2b, d.h. auf der Membran 3 so ausgebildet, dass sie den zurückgefalteten Abschnitt 4a, der der warme Kontaktabschnitt ist, überdeckt. In diesem Beispiel erstreckt sich die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht 6 jedoch nicht bis an den Rand der Membran 3, so dass ein äußerer Umfangsabschnitt der Membran 3 nicht von ihr überdeckt ist.
In dieser Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht 6 ist Kohlenstoff (C) in Polyesterharz eingeschlossen und durch ein Druckverfahren wie etwa einem Siebdruckverfahren beschichtet, erhitzt und verfestigt. Die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht 6 wird verwendet, um die Temperatur des warmen Kontaktabschnitts durch Absorption von Infrarotstrahlung zu erwärmen. In 1 ist die Kontur der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht 6 durch eine gestrichelte Linie gezeigt.
Da in dem Thermosäulensensor 100 mit dem oben beschriebenen Aufbau der warme Kontaktabschnitt 4a auf der Membran 3 angeordnet ist, welche eine relativ niedrige Wärmekapazität besitzt, und der kalte Kontaktabschnitt 4b auf dem dickwandigen Abschnitt angeordnet ist, welcher eine relativ große Wärmekapazität besitzt, fungiert der dickwandige Abschnitt des Siliziumsubstrats 1 als Wärmesenke.
Daher wird, wenn die Infrarotstrahlung zum Beispiel von einem menschlichen Körper als einem Messobjekt ausgesendet und auf den Thermosäulensensor 100 auftrifft, die Infrarotstrahlung von der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht 6 absorbiert, so dass deren Temperatur und somit auch die des zurückgefalteten Abschnitts (d.h. des warmen Kontaktabschnitts) 4a, der mit der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht 6 bedeckt ist, ansteigt.
Nahezu kein Temperaturanstieg erfolgt in dem zurückgefalteten Abschnitt (d.h. dem kalten Kontaktabschnitt) 4b, der auf dem dickwandigen Abschnitt des Siliziumsubstrats 1 angeordnet ist, da das Siliziumsubstrat 1 als Wärmesenke fungiert. Als Folge davon nimmt der warme Kontaktabschnitt 4a eine Temperatur an, die höher als die des kalten Kontaktabschnitts 4b ist, und zwischen den beiden Kontaktabschnitten 4a und 4b wird eine Temperaturdifferenz erzeugt. Wie oben erwähnt wird dadurch eine elektromotorische Kraft erzeugt (Seebeck-Effekt).
Eine Summe V_aus (ein Thermosäulenausgangssignal und ein Sensorausgangssignal) der Spannungen der Mehrzahl von Thermoelementen 4–5 entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kontaktabschnitten 4a und 4b wird von den beiden Aluminiumkontaktierungsstellen (Sensorausgangsanschlüsse) 5a und 5b an die oben genannte externe Schaltung ausgegeben, wodurch die Intensität der Infrarotstrahlung erfasst werden kann.
In einem solchen Thermosäulensensor 100 gemäß dieser Ausführungsform, wie er in den 3 und 4 gezeigt ist, wird ein separates Temperaturerfassungselement 9 verwendet, das aus dem gleichen Material wie die Thermoelemente 4–5 gebildet ist und die Temperatur erfasst, indem es die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes dieses Materials ausnützt wird, in dem Substrat 1 gebildet.
In diesem Fall ist das Temperaturerfassungselement 9 aus dem gleichen Material wie die Polysiliziumverdrahtung 4 der Thermoelemente 4–5 gebildet, d.h. aus einem Polysiliziummaterial, und ist in dem dickwandigen Abschnitt des Siliziumsubstrats 1 angeordnet. Das Temperaturerfassungselement 9 wird zum Beispiel durch das CVD-Verfahren auf derselben Ebene auf der isolierenden Dünnschicht 2 wie die Polysiliziumverdrahtung 4 gebildet. In 1 ist dieses Temperaturerfassungselement 9, ebenso wie die Polysiliziumverdrahtung 4, schrägschraffiert gezeigt.
Wie es in 4 gezeigt ist, ist das Temperaturerfassungselement 9 von der isolierenden Zwischenschicht 2a und der Schutzschicht 2b bedeckt. Jedoch ist bei beiden Endabschnitten des Temperaturerfassungselements 9 ein Öffnungsabschnitt (Kontaktloch) in der isolierenden Zwischenschicht 2a und in der Schutzschicht 2b ausgebildet.
Wie es in 4 gezeigt ist, sind Kontaktierungsstellen 9a, 9a für das Temperaturerfassungselement, die zum Beispiel aus Aluminium gebildet sind, in diesem Öff nungsabschnitt ausgebildet. Die Kontaktierungsstellen 9a, 9a sind jeweils mit dem Temperaturerfassungselement 9 elektrisch verbunden. Jede der Kontaktierungsstellen 9a, 9a ist zum Beispiel mit einem Bonddraht verbunden, so dass das Temperaturerfassungselement 9 mit einer externen Schaltung verbunden werden kann.
Als ein modifiziertes Beispiel dieser Ausführungsform kann das Temperaturerfassungselement auch aus dem gleichen Material wie die Aluminiumverdrahtung 5 der Thermoelemente 4–5, d.h. Aluminium, gebildet sein, obwohl dies in den Zeichnungen nicht dargestellt ist.
In diesem Fall wird das Temperaturerfassungselement zum Beispiel durch das Sputter-Verfahren oder das Verdampfungsverfahren auf dergleichen Ebene wie die Aluminiumverdrahtung 5 auf der isolierenden Zwischenschicht 2a gebildet. Dieses aus Aluminium gebildete Temperaturerfassungselement kann durch das in der Schutzschicht 2b ausgebildete Kontaktloch mit der externen Schaltung verbunden sein.
Der oben beschriebene Thermosäulensensor 100 kann hergestellt werden, indem eine wohl bekannte Halbleiterherstellungstechnik an einem Siliziumwafer angewendet wird, der schließlich in Chipeinheiten vereinzelt und zu dem obigen Siliziumsubstrat 1 gebildet wird.
Insbesondere wird zuerst die isolierende Dünnschicht 2, die zum Beispiel aus einer Siliziumnitridschicht oder einer Siliziumoxidschicht aufgebaut ist, zum Beispiel durch das CVD-Verfahren, das Sputter-Verfahren oder das Verdampfungsverfahren in einem entsprechenden Chipbildungsbereichs auf der Siliziumwaferoberfläche gebildet.
Die Polysiliziumverdrahtung 4 und das Temperaturerfassungselement 9, die aus Polysilizium aufgebaut sind, werden auf dieser isolierenden Dünnschicht 2 gebildet, indem eine Schichtbildungstechnik wie etwa das CVD-Verfahren und eine Musterbildungstechnik („pattern technique"), die zum Beispiel photolithografische Methoden einsetzt, verwendet werden.
Als nächstes wird die isolierende Zwischenschicht 2a, die zum Beispiel aus einer Siliziumnitridschicht oder einer Siliziumoxidschicht aufgebaut ist, auf der Polysiliziumverdrahtung 4 und dem Temperaturerfassungselement 9 zum Beispiel durch das CVD-Verfahren, das Sputter-Verfahren oder das Verdampfungsverfahren gebildet. Die aus Aluminium gebildete Aluminiumverdrahtung 5 wird unter Verwendung der Schichtbildungstechnik wie etwa dem Sputter-Verfahren oder dem Verdampfungsverfahren und der Musterbildungstechnik, die zum Beispiel die photolithografische Methode verwendet, auf der isolierenden Zwischenschicht 2a gebildet.
Wie es in dem obigen modifizierten Beispiel beschrieben ist, können, wenn das Temperaturerfassungselement aus dem gleichen Material wie die Aluminiumverdrahtung 5 der Thermoelemente 4–5, d.h. aus Aluminium, gebildet wird, die Aluminiumverdrahtung 5 und das Temperaturerfassungselement 9 gleichzeitig auf der isolierenden Zwischenschicht 2a gebildet werden.
Anschließend wird die Schutzschicht 2b, die zum Beispiel aus einer Siliziumnitridschicht oder einer Siliziumoxidschicht aufgebaut ist, zum Beispiel durch das CVD-Verfahren, das Sputter-Verfahren oder das Verdampfungsverfahren auf der Aluminiumverdrahtung 5 und dem Temperaturerfassungselement 9 gebildet. Danach werden die isolierende Zwischenschicht 2a und die Schutzschicht 2b ei nem Ätzvorgang unterzogen, so dass der oben genannte Öffnungsabschnitt zur Bildung der Kontaktierungsstellen 9a, 9a für das Temperaturerfassungselement gebildet werden.
Die Kontaktierungstellen 9a, 9a für das obige Temperaturerfassungelement, die zum Beispiel aus Aluminium gebildet sind, werden zum Beispiel durch das Sputter-Verfahren oder das Verdampfungsverfahren in dem Öffungsabschnitt gebildet.
Anschließend werden der Hohlraumabschnitt 8 und die Membran 3 gebildet, indem von der Rückseite des Siliziumwafers aus eine Ätzung durchgeführt wird. Anschließend wird die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht 6 zum Beispiel durch ein Druckverfahren wie etwa Siebdruck ("screen printing") gebildet, und der oben genannte Siliziumwafer wird in Chipeinheiten vereinzelt. Damit ist die Herstellung des Thermosäulensensors 100 abgeschlossen.
In einem solchen Thermosäulensensor 100 weist das Material, das die Thermoelemente 4–5 und das Temperaturerfassungselement 9 bildet, einen von der Temperatur abhängigen Widerstand auf. 5 zeigt eine experimentell ermittelte Kennlinie, die die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Temperatur zeigt, wenn das Material, das die Thermoelemente 4–5 bildet, auf n = 3 eingestellt ist.
Wie es in 5 gezeigt ist, nimmt der elektrische Widerstand des Temperaturerfassungselements 9 mit zunehmender Temperatur ab. Insbesondere ändert sich der Widerstand des Temperaturerfassungselements 9, wenn sich die Eigentemperatur des Thermosäulensensors 100 ändert.
Die Widerstandsänderung des Temperaturerfassungselements 9 wird von den Kontaktierungsstellen 9a, 9a für das Temperaturerfassungselement zum Beispiel zu der externen Schaltung ausgegeben. Daher kann die Eigentemperatur des Thermosäulensensors 100 auf der Grundlage dieser Widerstandsänderung des Temperaturerfassungselements 9 erfasst werden.
Die Temperatur eines Messobjekts kann auf der Grundlage der Eigentemperatur des Thermosäulensensors 100, die aus den Ausgangsdaten des Temperaturerfassungselements 9 berechnet wird, und der von dem Thermosäulensensor 100 erfassten Temperaturdifferenz berechnet werden.
Diese Ausführungsform stellt einen Thermosäulensensor bereit, der ein Substrat 1, eine Membran 3 als einen dünnwandigen Abschnitt, der auf dem Substrat 1 gebildet ist, Thermoelemente 4–5, von denen jeweils ein warmer Kontaktabschnitt 4a auf der Membran 3 und ein kalter Kontaktabschnitt 4b außerhalb der Membran 3 auf dem Substrat 1 gebildet sind, und eine Infrarotstrahlung absorbierende Schicht 6, die so auf der Membran 3 angeordnet ist, dass sie den warmen Kontaktabschnitt 4a in den Thermoelementen 4–5 überdeckt, wobei sich die elektromotorische Kraft der Thermoelemente 4–5 durch eine Temperaturdifferenz, die zwischen dem warmen Kontaktabschnitt 4a und dem kalten Kontaktabschnitt 4b in den Thermoelementen zu einem Zeitpunkt des Empfangs der Infrarotstrahlung bewirkt wird, ändert, und ein Temperaturerfassungselement 9, das aus dem gleichen Material wie die Thermoelemente 4–5 gebildet ist und die Temperatur erfasst, indem es die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes dieses Materials ausnützt, ist auf dem Substrat 1 gebildet.
Da gemäß diesem Thermosäulensensor 100 das Temperaturerfassungselement 9 auf dem Substrat 1 gebildet ist, welches selbst den Thermosäulensensor 100 bildet, kann die Eigentemperatur des Thermosäulensensors 100 genau erfasst werden.
Ferner, da das Temperaturerfassungselement 9 dadurch gebildet wird, dass das gleiche Material wie für die Thermoelemente 4–5 verwendet wird, kann das Temperaturerfassungselement 9 gleichzeitig mit den Thermoelementen 4–5 in einem Bildungsprozess der Thermoelemente 4–5 in einem Herstellungsprozess gebildet werden. Ferner ist es nicht erforderlich, ein separates Material für das Temperaturerfassungselement 9 zu verwenden.
Demzufolge kann gemäß dieser Ausführungsform die Eigentemperatur des Sensors mit Hilfe einer kostengünstigen Konstruktion in dem Thermosäulensensor erfasst werden.
[Zweite Ausführungsform]
6 ist eine schematische Ansicht eines Thermosäulensensors 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der die elektromotorische Kraft von einer Mehrzahl von Thermoelementen ausnützt. Nachfolgend sind im Wesentlichen die Unterschiede des Thermosäulensensors 200 gegenüber dem Thermosäulensensor 100 der ersten Ausführungsform beschrieben.
Gemäß der ersten Ausführungsform sind die Thermoelemente 4–5 und das Temperaturerfassungselement 9, die aus dem gleichen Material wie entweder die Verdrahtung 4 oder die Verdrahtung 5 gebildet sind, an unterschiedlichen Stellen auf dem Siliziumsubstrat 1 angeordnet.
Im Gegensatz dazu ist in dem Thermosäulensensor 200 gemäß dieser zweiten Ausführungsform, wie es in 6 gezeigt ist, ein Abschnitt der Thermoelemente 4–5 als das Temperaturerfassungselement 9 ausgebildet und hat somit eine Doppelfunktion.
In dem in 6 gezeigten Beispiel sind Verdrahtungen 9b, 9b, die zum Beispiel aus Aluminium gebildet sind, elektrisch mit Kontaktierungsstellen 9a, 9a für das Temperaturerfassungelement verbunden, indem die Verdrahtungen 9b, 9b aus beiden Enden eines Abschnitts der Polysiliziumverdrahtung 4 herausgeführt sind. Ähnlich dieser Konstruktion kann ein Abschnitt der Aluminiumverdrahtung 5 auch das Temperaturerfassungselement 9 ausgebildet sein.
Da gemäß dieser Ausführungsform das Temperaturerfassungelement 9 in dem Thermosäulensensor 200 selbst gebildet ist (also ein Teil von diesem bildet), kann die Erfassung der Eigentemperatur des Thermosäulensensors 200 exakt ausgeführt werden. Ferner kann das Temperaturerfassungselement 9 gleichzeitig mit den Thermoelementen 4–5 hergestellt werden, da das Temperaturerfassungselement 9 als Teil eines der Thermoelemente 4–5 verwendet und aus dem gleichen Material wie diese hergestellt ist.
Demzufolge kann gemäß dieser Ausführungsform die Eigentemperatur des Thermosäulensensors mit Hilfe eines Thermosäulensensors einfacher Struktur genau erfasst werden.
[Dritte Ausführungsform]
7 ist eine schematische Draufsicht eines Thermosäulensensors 300 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der die elektromotorische Kraft von einer Mehrzahl von Thermoelementen ausnützt. Im Folgenden sind im Wesentlichen die gegenüber den obigen Ausführungsformen unterschiedlichen Merkmale erläutert.
Wie es in 7 gezeigt ist, sind gemäß dieser dritten Ausführungsform alle Abschnitte der Thermoelemente 4– 5 als das Temperaturerfassungselement 9 in dem Thermosäulensensor 300 ausgebildet.
In dem in 7 gezeigten Beispiel sind Verdrahtungen 9b, 9b, die aus Aluminium gebildet sind, elektrisch mit Kontaktierungsstellen 9a, 9a für das Temperaturerfassungselement verbunden, indem die Verdrahtungen 9b, 9b aus den Aluminiumverdrahtungen 5 beider Endabschnitte der Thermoelemente 4–5 herausgeführt sind.
Ferner sind gemäß dieser Ausführungsform die Aluminiumkontaktierungsstellen 5a, 5b der Thermoelemente 4–5 und die Kontaktierungsstellen 9a, 9a für das Temperaturerfassungselement nicht separat angeordnet, sie sind vielmehr miteinander verbunden. In diesem Fall kann zum Beispiel über eine externe Schaltung eine Einstellung vorgenommen werden, um so zwischen einer Ausgangsspannung und einem Ausgangswiderstand der Thermoelemente 4–5 umzuschalten.
Gemäß dieser Ausführungsform kann die Eigentemperatur des Thermosäulensensors 300 exakt erfasst werden, da das Temperaturerfassungselement 9 in dem Thermosäulensensor 300 selbst ausgebildet ist. Da das Temperaturerfassungselement 9 auch als die Thermoelemente 4–5 verwendet wird, kann ferner das Temperaturerfassungselement 9 gleichzeitig mit den Thermoelementen 4–5 gebildet werden.
Demzufolge kann gemäß dieser Ausführungsform die Eigentemperatur des Thermosäulensensors mit Hilfe einer einfachen Konstruktion in dem Thermosäulensensor genau erfasst werden.
[Weitere Ausführungsformen]
Das Material, aus dem die Thermoelemente 4–5 gebildet sind, ist nicht auf Polysilizium und Aluminium beschränkt, wie weiter oben ausgeführt ist, sondern kann ein Material sein, das dazu geeignet ist, in dem Thermosäulensensor verwendet zu werden, da ein solches Material einen von der Temperatur abhängigen Widerstand aufweist.
Ferner kann eine Mehrzahl von Erfassungselementen für einen einzigen Thermosäulensensor verwendet, d.h. auf einem einzigen Substrat angeordnet sein.
Zum Beispiel kann eine Mehrzahl von Temperaturerfassungselementen, die aus dem gleichen Material wie die Polysiliziumverdrahtung 4 von den oben genannten Thermoelementen 4–5 gebildet sind, auf derselben Ebene wie die Polysiliziumverdrahtung 4 auf der isolierenden Dünnschicht 2 angeordnet sein. Eine Mehrzahl von Temperaturerfassungselementen, die aus dem gleichen Material wie die Aluminiumverdrahtung 5 gebildet sind, kann ferner auf derselben Ebene wie die Aluminiumverdrahtung 5 auf der isolierenden Zwischenschicht 2a angeordnet sein.
Ferner ist das Temperaturerfassungselement, das aus dem gleichen Material wie die Polysiliziumverdrahtung 4 der oben genannten Thermoelementen 4–5 gebildet ist, auf derselben Ebene wie die Polysiliziumverdrahtung 4 auf der isolierenden Dünnschicht 2 angeordnet, und das Temperaturerfassungselement, das aus dem gleichen Material wie die Aluminiumverdrahtung 5 gebildet ist, ist auf derselben Ebene wie die Aluminiumverdrahtung 5 auf der isolierenden Zwischenschicht 2a angeordnet. Es ist somit möglich, einen Aufbau festzulegen, um die Mehrzahl von Temperaturerfassungssensoren anzuordnen.
Wie es in den Figuren gezeigt ist, ist der Infrarotsensor in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen ein Thermosäulensensor vom Rückseitenverarbeitungstyp, in dem die Membran 3 dadurch gebildet wird, dass der Hohlraumabschnitt 8 durch den Nassätzprozess von der hinteren Oberfläche 1b des Siliziumsubstrats 1 ausgeführt wird.
Zum Beispiel kann, zusätzlich zu dem Infrarotsensor des oben beschriebenen Rückseitenverarbeitungstyps, der Thermosäulensensor vom Oberflächenverarbeitungstyp zur Ausbildung der Membran durch Anwenden einer Grabenätzung und einer Opferschichtätzung von der Oberfläche des Siliziums ebenfalls als der Infrarotsensor verwendet werden, auf den die vorliegende Erfindung angewendet wird.
Kurz, der Thermosäulensensor ist allgemein aus einer Membran als einem auf einem Substrat ausgebildeten dünnwandigen Abschnitt, Thermoelementen, bei denen ein warmer Kontaktabschnitt auf der Membran und ein kalter Kontaktabschnitt außerhalb der Membran auf dem Substrat ausgebildet ist, und einer Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht gebildet, wobei die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht derart auf der Membran ausgebildet ist, dass jeder der warmen Kontaktabschnitte der Thermoelemente bedeckt ist, und wobei ein Temperaturerfassungselement, das aus dem gleichen Material wie die Thermoelemente gebildet ist und das die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes dieses Materials ausnützt, auf dem Substrat gebildet ist. Die weiteren Abschnitte können in geeigneter Weise ausgelegt und verändert werden.

Claims

Infrarotsensor (100, 200), mit: – einem Substrat (1); – einer Membran (3) als einem dünnwandigen Abschnitt auf dem Substrat (1); – Thermoelementen (4, 5), von denen ein warmer Kontaktabschnitt (4a) auf der Membran (3) und ein kalter Kontaktabschnitt (4b) außerhalb der Membran (3) auf dem Substrat (1) ausgebildet sind; und – einer Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht (6), die derart auf der Membran (3) ausgebildet ist, dass die warmen Kontaktabschnitte (4a) der Thermoelemente (4, 5) überdeckt sind; – wobei sich eine elektromotorische Kraft der Thermoelemente (4, 5) durch eine Temperaturdifferenz, die zwischen dem warmen Kontaktabschnitt (4a) und dem kalten Kontaktabschnitt (4b) zu einer Empfangszeit einer Infrarotstrahlung verursacht wird, ändert und die Infrarotstrahlung auf der Grundlage der geänderten elektromotorischen Kraft erfasst wird; und – wobei ein Temperaturerfassungselement (9), das aus dem gleichen Material wie die Thermoelemente (4, 5) gebildet ist und eine Temperatur durch Verwenden der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes des Materials erfasst, auf dem Substrat (1) ausgebildet ist.
Sensor (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abschnitt der Thermoelemente (4, 5) als das Temperaturerfassungselement (9) ausgebildet ist.