JP2005172762A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線吸収膜の赤外線吸収率を向上でき、且つ、メンブレンに作用する応力を低減できる赤外線センサを提供すること。
【解決手段】基板１０と、基板１０に形成された薄肉部としてのメンブレン１３と、少なくとも一部がメンブレン１３上に形成され、赤外線を受光したときに生じる温度変化に基づいて電気信号を発生する検出素子２０と、検出素子２０の少なくとも一部を被覆するようにメンブレン１３上に形成された赤外線吸収膜３０とを備える赤外線センサ１００において、赤外線吸収膜３０の表面粗さが、２μｍ以上となるようにした。赤外線吸収膜３０の表面粗さが２μｍ以上であると、赤外線の波長に関係なく、赤外線吸収膜３０の赤外線反射率をほぼ０％とできる。従って、赤外線吸収膜３０の膜厚を厚くしなくとも赤外線吸収率を向上することができる。また、膜厚を厚くしなくとも良いので、メンブレン１３に作用する応力を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板に薄肉部としてのメンブレンが形成され、当該メンブレン上に赤外線吸収膜を備える赤外線センサに関するものである。

基板に薄肉部としてのメンブレンが形成され、当該メンブレン上に赤外線吸収膜を備える赤外線センサとして、サーモパイル型やボロメータ型等の赤外線センサが知られている。

例えば、サーモパイル型の赤外線センサは、基板と、基板に形成された薄肉部としてのメンブレンと、温接点部がメンブレン上に形成され、冷接点部がメンブレンを除く基板上に形成された検出素子としての熱電対と、温接点部を被覆するようにメンブレン上に形成された赤外線吸収膜とにより構成される。

そして、赤外線を受光したときに熱電対における温接点部と冷接点部との間に生じる温度差によって熱電対の起電力を変化させ、変化した熱電対の起電力に基づいて赤外線を検出する。

ここで、赤外線吸収膜を備える赤外線センサの場合、検出される赤外線は赤外線吸収膜の吸収特性に依存する。従って、赤外線吸収膜における赤外線の吸収量（赤外線吸収率）を増大（すなわちセンサの検出感度を向上）するためには、一般的に赤外線吸収膜の膜厚を厚くする必要がある。

しかしながら、上述したようなメンブレン上に赤外線吸収膜を備える赤外線センサの場合、赤外線吸収膜の膜厚を厚くすると、薄肉部であるメンブレンに作用する応力（赤外線吸収膜の膜応力による）が増大するため、メンブレンが破損する恐れがある。

本発明は上記問題点に鑑み、赤外線吸収膜の赤外線吸収率を向上でき、且つ、メンブレンに作用する応力を低減できる赤外線センサを提供することを目的としている。

上記目的を達成する為に請求項１に記載の赤外線センサは、基板と、基板に形成された薄肉部としてのメンブレンと、少なくとも一部がメンブレン上に形成され、赤外線を受光したときに生じる温度変化に基づいて電気信号を発生する検出素子と、検出素子の少なくとも一部を被覆するようにメンブレン上に形成された赤外線吸収膜とを備えている。そして、赤外線吸収膜の表面粗さが、２μｍ以上となるようにしたことを特徴とする。

本発明者が、検討したところ、赤外線吸収膜の表面粗さが２μｍ以上であると、赤外線の波長に関係なく、赤外線吸収膜の赤外線反射率がほぼ０％となることが明らかとなった。これは、赤外線吸収膜の膜表面の凹壁面で一旦反射された赤外線が、再度赤外線吸収膜に入射し赤外線吸収膜に吸収されるためと考えられる。

従って、赤外線吸収膜の表面粗さが２μｍ以上であると、赤外線吸収膜の膜厚を厚くしなくとも赤外線吸収率を向上することができる。また、赤外線吸収膜の膜厚を厚くしなくとも良いので、メンブレンに作用する応力を低減できる。すなわち、本発明の赤外線センサは、赤外線吸収膜の赤外線吸収率の向上とメンブレンに作用する応力の低減とを両立できる。

請求項２に記載のように、赤外線吸収膜がメンブレンの形成領域端に対して、所定の間隙をもって形成されていると、赤外線吸収膜からメンブレンを除く基板部位に逃げる熱を低減することができるものの、メンブレンの当該間隙部分に応力が集中し、メンブレンが破損しやすい。しかしながら、このような構成を有する赤外線センサであっても、赤外線吸収膜の表面粗さを２μｍ以上とし、赤外線吸収膜の膜厚を抑えることで、赤外線吸収膜の赤外線吸収率の向上とメンブレンに作用する応力の低減（破損の防止）とを両立できる。

尚、赤外線吸収膜は、例えば請求項３に記載のように、平均粒径２〜３μｍのカーボン３０〜６０重量％とポリエステル樹脂４０〜７０重量％からなるペーストを用いて、スクリーン印刷法により形成することができる。

このようにスクリーン印刷法で形成すると、低コストで所望の赤外線吸収膜を形成することができる。

次に、請求項４に記載の赤外線センサは、基板と、基板に形成された薄肉部としてのメンブレンと、少なくとも一部がメンブレン上に形成され、赤外線を受光したときに生じる温度変化に基づいて電気信号を発生する検出素子と、検出素子の少なくとも一部を被覆するようにメンブレン上に形成された赤外線吸収膜とを備えている。そして、赤外線吸収膜が、応力緩衝用薄肉部を有していることを特徴とする。

本発明の赤外線センサにおいて、赤外線吸収膜には応力緩衝用の薄肉部が形成されている。従って、赤外線吸収膜の膜厚を厚くしても、赤外線吸収膜の膜内に生じる応力が緩和されるので、メンブレンに作用する応力が低減される。すなわち、本発明の赤外線センサも、赤外線吸収膜の赤外線吸収率の向上とメンブレンに作用する応力の低減とを両立できる。

請求項５に記載のように、赤外線吸収膜がメンブレンの形成領域端に対して、所定の間隙をもって形成されていると、赤外線吸収膜からメンブレンを除く基板部位に逃げる熱を低減することができるものの、メンブレンの当該間隙部分に応力が集中し、メンブレンが破損しやすい。しかしながら、このような構成を有する赤外線センサであっても、赤外線吸収膜が応力緩衝用薄肉部を有することで、赤外線吸収膜の赤外線吸収率の向上とメンブレンに作用する応力の低減（破損の防止）とを両立できる。

請求項６に記載のように、応力緩衝用薄肉部は、赤外線吸収膜の端部から所定範囲にわたって形成されていると良い。

請求項５に記載の赤外線センサにおいて、メンブレンに作用する応力は、赤外線吸収膜とメンブレンの形成領域端との間の間隙部分のメンブレンに集中する。従って、当該間隙部分に最も近い赤外線吸収膜の端部から所定範囲にわたって応力緩衝用薄肉部が形成されていれば、メンブレンに作用する応力の低減に効果的である。

尚、検出素子としては、例えば請求項７に記載のように、温接点がメンブレン上に形成され、冷接点がメンブレンの形成領域を除く基板上に形成されてなる熱電対を適用することができる。

また、請求項８に記載のように、基板は半導体基板であり、検出素子は絶縁膜を介して半導体基板上に形成されていることが好ましい。

半導体基板を用いることで、一般的な半導体製造技術により容易にメンブレンを有する基板とすることができる。すなわち、高感度な赤外線センサを低コストで製造することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。尚、本実施形態においては、赤外線を検出する検出素子として熱電対を備えるサーモパイル型の赤外線センサを例にとり、以下に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態における赤外線センサの概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面側からみた平面図、（ｃ）は検出素子の構成及びセンサ出力の取り出しを示す模式図である。尚、図１（ｂ），（ｃ）においては、便宜上、赤外線吸収膜を省略して図示している。

図１（ａ）に示すように、赤外線センサ１００は、基板１０と、検出素子２０と、赤外線吸収膜３０とにより構成される。

基板１０はシリコンからなる半導体基板であり、基板１０の下面側から例えばウェットエッチングにより開口部１１が形成されている。本実施形態において、開口部１１は矩形状の領域をもって開口されており、この開口面積が基板１０の上面側へ行くほど縮小され、基板１０の上面では、図１（ｂ）に破線にて示されるような矩形状の領域となっている。

また、図１（ａ）に示すように、開口部１１上を含む基板１０の上面には、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜等からなる絶縁膜１２が形成されている。従って、開口部１１上に位置する絶縁膜１２の部分が、基板１０における薄肉部、すなわちメンブレン１３として構成されている。尚、絶縁膜１２は、ＣＶＤ法や、スパッタ法等により形成される。

このように、基板１０が半導体基板であると、一般的な半導体製造技術により、基板１０に容易にメンブレン１３を形成することができる。すなわち、高感度な赤外線センサを低コストで製造することができる。尚、基板１０としては、半導体基板以外にも、ガラス基板等を適用することが可能である。

検出素子２０は熱電対であり、図１（ｂ）に示すように、メンブレン１３からメンブレン１３外の基板１０の厚肉部位に渡って形成されている。熱電対は、図１（ｃ）に示すように、基板１０の上に異種材料２０ａ，２０ｂの膜が交互に複数組直列に延設され（サーモパイル）、一つおきの接合部が温接点２０ｃと冷接点２０ｄとなる。異種材料２０ａ，２０ｂの膜の組み合せとしては、例えば、アルミニウム膜とポリシリコン膜の組み合せを用いることができる。尚、図１（ｂ），（ｃ）では省略されているが、実際には、ポリシリコン膜の上、及び、ポリシリコン膜が形成されていない絶縁膜１２上に、酸化シリコン膜等よりなる層間絶縁膜が形成され、アルミニウム膜は、この層間絶縁膜上に形成されるとともに、この層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して、各ポリシリコン膜の端部間を接続している。

このような熱電対２０を持つ赤外線センサ１００は、いわゆるサーモパイル型赤外線センサと呼ばれるものである。図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、熱電対２０の温接点２０ｃは、熱容量の小さいメンブレン１３上に形成されている。一方、熱電対２０の冷接点２０ｄは、メンブレン１３の外側における熱容量の大きい基板１０上に形成されており、基板１０がヒートシンクとしての役目を果たしている。

尚、検出素子２０は、少なくとも一部がメンブレン１３上に形成されるとともに、メンブレン１３上に形成された部位の少なくとも一部が赤外線吸収膜３０に被覆され、赤外線を受光したときに生じる温度変化に基づいて電気信号を発生するものであれば適用が可能である。従って、上記熱電対以外にも、抵抗体を備えるボロメータ型の検出素子や焦電体を備える焦電型の検出素子であっても良い。

赤外線吸収膜３０は、赤外線を効率良く吸収する材料からなり、検出素子２０の少なくとも一部を被覆するようにメンブレン１３上に形成されている。本実施形態における赤外線吸収膜３０は、ポリエステル樹脂にカーボンを含有させ、焼き固めたものであり、赤外線を吸収して検出素子２０の温接点２０ｃの温度を効率良く上昇させるように、温接点２０ａを被覆しつつメンブレン１３上に形成されている。

また、赤外線吸収膜３０は、メンブレン１３の形成領域端に対して、所定の間隙をもって形成されており、赤外線吸収膜３０の幅（図１（ａ）における基板平面方向の長さ）をＡ、メンブレン１３の幅をＣとすると、これらの比Ａ／Ｃが０．７５〜０．９０となっている。赤外線吸収膜３０とメンブレン１３との関係については、本出願人が特開２００２−３６５１４０号公報にて開示しているので、本実施形態における説明は省略する。

このように本実施形態の赤外線センサ１００は、検出素子（熱電対）２０の温接点２０ｃが、赤外線吸収膜３０に被覆されつつメンブレン１３上に形成されており、冷接点２０ｄがメンブレン１３を除く基板１０の厚肉部分に形成されている。

従って、人体などから赤外線が照射されると、赤外線吸収膜３０に赤外線が吸収されて、温度上昇が起こる。その結果、赤外線吸収膜３０の下に配置された温接点２０ｃの温度が上昇する。一方、冷接点２０ｄは、基板１０がヒートシンクとなっているため、温度上昇は起きない。このように、検出素子２０は、赤外線を受光したときの温接点２０ｃと冷接点２０ｄとの間に生じる温度差により検出素子２０の起電力を変化（ゼーベック効果）させ、その変化した起電力に基づいて赤外線を検出する。尚、図１（ｃ）に示す熱電対はサーモパイルとなっているため、各異種材料２０ａ，２０ｂの組で発生する起電力の総和が、検出素子２０の出力Ｖｏｕｔとなる。

ここで、本実施形態のように赤外線吸収膜３０を備える赤外線センサ１００の場合、検出される赤外線は赤外線吸収膜３０の吸収特性に依存する。従って、赤外線吸収膜３０における赤外線の吸収量（赤外線吸収率）を増大、すなわち赤外線センサ１００の検出感度を向上させるためには、一般的に赤外線吸収膜３０の膜厚を厚くする必要がある。

しかしながら、赤外線吸収膜３０には、当該膜３０の形成時の残留応力や、使用環境下において温度変化による応力が発生する。これらの膜応力は、赤外線吸収膜３０下のメンブレン１３に作用するため、赤外線吸収膜３０の膜厚が厚くなり、膜応力が大きくなると、薄肉部であるメンブレン１３が破損する恐れがある。

特に、本実施形態に示すように、赤外線吸収膜３０がメンブレン１３の形成領域端に対して所定の間隙をもって形成されていると、赤外線吸収膜３０からメンブレン１３外の基板１０の厚肉部分に逃げる熱を低減することができるものの、メンブレン１３の当該間隙部分（メンブレン１３の形成領域端と赤外線吸収膜３０との形成領域端との間の部分）に応力が集中し、メンブレン１３が破損しやすい。尚、メンブレン１３に作用する応力分布については、シミュレーションにより確認している。

そこで、本発明者は、赤外線吸収膜３０の赤外線吸収率向上と、メンブレン１３に作用する応力の低減（破損の防止）とを両立するために、赤外線吸収膜３０の表面粗さを制御することに着目した。

赤外線吸収膜３０の赤外線吸収率は、１００％から赤外線反射率と赤外線透過率を減じたものである。赤外線透過率は数％程度であり、赤外線吸収率は実質赤外線反射率により決定される。

ここで、赤外線吸収膜３０における赤外線反射率と表面粗さとの関係は次式にて示される。

（数１） Ｒ１＝Ｒ０ｅｘｐ｛−（４πｎσ／λ）²｝
尚、Ｒ１：赤外線反射率、Ｒ０：鏡面状態における赤外線反射率、λ：赤外線の入射波長、ｎ：赤外線吸収膜の屈折率、σ：表面粗さである。

この数式１に示される関係式を用い、赤外線吸収膜３０の膜厚を一定とし、赤外線の入射波長を変化させた場合の、赤外線吸収率と表面粗さとの関係を調査した。その結果を図２に示す。尚、赤外線吸収膜３０はポリエステル樹脂にカーボンを添加してなるものとし、その膜厚は５μｍとした。また、図２中において、三角は入射波長１５μｍ、四角は入射波長１０μｍ、菱形は入射波長５μｍを示している。

図２に示されるように、表面粗さが２μｍ以上においては、赤外線の入射波長に関わらず、赤外線反射率がほぼ０％となることが判明した。これは、表面粗さが粗いと、赤外線吸収膜３０の膜表面の凹壁面で一旦反射された赤外線が、再度赤外線吸収膜３０に入射し赤外線吸収膜３０に吸収されるためと考えられる。

このように、赤外線吸収膜３０の表面粗さを２μｍ以上とすると、赤外線吸収膜３０の膜厚を厚くしなくとも赤外線吸収率を向上することができることが判明した。この場合、赤外線吸収膜３０の厚さを厚くしなくとも良いので、メンブレン１３に作用する応力を低減でき、メンブレン１３の破損を防止することができる。上述した本実施形態の赤外線センサ１００においても、赤外線吸収膜３０の表面粗さが２μｍ以上となっており、これにより、赤外線吸収膜３０の赤外線吸収率の向上とメンブレン１３に作用する応力の低減とを両立している。

尚、表面粗さが２μｍ以上となるような赤外線吸収膜３０の形成方法としては、例えば平均粒径２〜３μｍのカーボン３０〜６０重量％とポリエステル樹脂４０〜７０重量％からなるペーストを用いて、絶縁膜１２を介した基板１０の所定位置（メンブレン１３形成位置）にスクリーン印刷し、所定温度で加熱することにより形成することができる。このようにスクリーン印刷法で形成すると、低コストで所望の赤外線吸収膜３０を形成することができる。本実施形態においては、平均粒径２〜３μｍのカーボン５０重量％とポリエステル樹脂５０重量％からなるペーストを用いてスクリーン印刷し、形成された赤外線吸収膜３０の膜厚は４．０μｍ、表面粗さは２．０μｍであった。尚、カーボン及びポリエステル樹脂以外にも、必要に応じて粘度調整のために溶剤を加えたり、フィラーを添加しても良い。

それ以外にも、例えば蒸着法等により形成された赤外線吸収膜３０に対し、表面を粗化処理（薬液処理や機械的処理等）することにより、表面粗さが２μｍ以上となる赤外線吸収膜３０を形成することも可能である。

最後に、上記製法により形成した赤外線吸収膜３０において、赤外線吸収率に対する膜厚の影響を確認した。その結果を図３に示す。尚、図３においては、横軸に赤外線の波長を、縦軸に赤外線吸収率をとり、上記製法により形成された膜厚４．５μｍ（表面粗さ２．０μｍ）と膜厚６．５μｍ（表面粗さ２．１μｍ）の２種類の赤外線吸収膜３０について確認した。

図３に示すように、膜厚４．５μｍと膜厚６．５μｍの赤外線吸収膜３０において、波長に関わらず、赤外線吸収率がほぼ一致した。すなわち、赤外線吸収率３０の表面粗さを２μｍ以上とすれば、赤外線吸収膜３０の膜厚を薄くしても赤外線吸収率が低下しない、換言すれば、赤外線吸収膜３０の膜厚を厚くしなくとも赤外線吸収率を向上できることが確認された。従って、表面粗さを２μｍ以上とすれば、赤外線吸収膜３０の膜厚を薄くできるので、メンブレン１３の破損も防止することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を図４に基づいて説明する。図４は、本実施形態における赤外線センサ１００の概略構成を示す断面図である。

第２の実施の形態における赤外線センサ１００は、第１の実施の形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

第２の実施の形態において、第１の実施の形態と異なる点は、赤外線吸収膜３０の赤外線吸収率の向上とメンブレン１３に作用する応力の低減とを両立するために、赤外線吸収膜３０に応力緩衝用の薄肉部を設けた点である。

第１実施形態で示したように、赤外線吸収膜３０には、当該膜３０の形成時の残留応力や、使用環境下において温度変化による応力が発生する。これらの膜応力は、赤外線吸収膜３０下のメンブレン１３に作用するため、赤外線吸収膜３０の膜厚が厚くなり、膜応力が大きくなると、薄肉部であるメンブレン１３が破損する恐れがある。

そこで、本実施形態においては、図４に示すように、赤外線吸収膜３０の一部に応力緩衝用の薄肉部３０ａを設けた。従って、赤外線吸収膜３０の膜厚を厚くしても、薄肉部３０ａを有していることにより赤外線吸収膜３０に生じる応力が緩和されるので、メンブレン１３に作用する応力を低減することができる。すなわち、本実施形態における赤外線センサ１００も、赤外線吸収膜３０の赤外線吸収率の向上とメンブレン１３に作用する応力の低減とを両立することができる。

尚、薄肉部３０ａは、その形成位置及び形成個数が限定されるものではない。しかしながら、図４に示すように、赤外線吸収膜３０がメンブレン１３の形成領域端に対して所定の間隙をもって形成されている場合、赤外線吸収膜３０からメンブレン１３外の基板１０の厚肉部分に逃げる熱を低減することができるものの、メンブレン１３の当該間隙部分（メンブレン１３の形成領域端と赤外線吸収膜３０との形成領域端との間の部分）に応力が集中し、メンブレン１３が破損しやすい。そこで、このような構成の場合、上述の間隙部分に隣接する赤外線吸収膜３０の端部からの所定範囲に薄肉部３０ａが形成されていると、メンブレン１３に作用する応力の低減に効果的である。

尚、このような薄肉部３０ａを有する赤外線吸収膜３０の形成方法としては、例えば第１実施形態で示したスクリーン印刷法を適用することができる。具体的には、複数回印刷することにより薄肉部３０ａとそれ以外の部位との厚さに差をもたせ、薄肉部３０ａを有する赤外線吸収膜３０を形成しても良い。また、薄肉部３０ａとそれ以外の部位とで、スクリーンメッシュの線径を変え（薄肉部３０対応部位は細く）たり、コート剤の厚さ（レジスト厚）を変えることにより、１回の印刷で厚さに差を持たせ、薄肉部３０ａを有する赤外線吸収膜３０を形成しても良い。

また、蒸着等により成膜後、エッチング等により赤外線吸収膜３０の一部を除去し、薄肉部３０ａを有する赤外線吸収膜３０を形成することも可能である。

本発明の第１の実施形態における赤外線センサの概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面側から見た平面図、（ｃ）は検出素子の構成及びセンサ出力の取り出しを示す模式図である。 表面粗さと赤外線反射率との関係を示すグラフである。 赤外線吸収率に対する膜厚の影響を示すグラフである。 第２の実施形態における赤外線センサの概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１０・・・基板
１３・・・メンブレン
２０・・・検出素子（熱電対）
３０・・・赤外線吸収膜
３０ａ・・・（応力緩衝用）薄肉部

Claims (8)

1. 基板と、
   基板に形成された薄肉部としてのメンブレンと、
   少なくとも一部が前記メンブレン上に形成され、赤外線を受光したときに生じる温度変化に基づいて電気信号を発生する検出素子と、
   前記検出素子の少なくとも一部を被覆するように前記メンブレン上に形成された赤外線吸収膜とを備える赤外線センサにおいて、
   前記赤外線吸収膜の表面粗さを、２μｍ以上となるようにしたことを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記赤外線吸収膜は、前記メンブレンの形成領域端に対して、所定の間隙をもって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 前記赤外線吸収膜は、平均粒径２〜３μｍのカーボン３０〜６０重量％とポリエステル樹脂４０〜７０重量％からなるペーストを用いて、スクリーン印刷法により形成されたものであることを特徴とする請求項1又は請求項２に記載の赤外線センサ。
4. 基板と、
   基板に形成された薄肉部としてのメンブレンと、
   少なくとも一部が前記メンブレン上に形成され、赤外線を受光したときに生じる温度変化に基づいて電気信号を発生する検出素子と、
   前記検出素子の少なくとも一部を被覆するように前記メンブレン上に形成された赤外線吸収膜とを備える赤外線センサにおいて、
   前記赤外線吸収膜が、応力緩衝用薄肉部を有していることを特徴とする赤外線センサ。
5. 前記赤外線吸収膜は、前記メンブレンの形成領域端に対して、所定の間隙をもって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の赤外線センサ。
6. 前記応力緩衝用薄肉部は、前記赤外線吸収膜の端部から所定範囲にわたって形成されていることを特徴とする請求項５に記載の赤外線センサ。
7. 前記検出素子は、温接点が前記メンブレン上に形成され、冷接点が前記メンブレンの形成領域を除く前記基板上に形成されてなる熱電対であることを特徴とする請求項1〜６いずれか１項に記載の赤外線センサ。
8. 前記基板は半導体基板であり、前記検出素子は絶縁膜を介して前記半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の赤外線センサ。

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