JP2006071601A - 赤外線センサ、赤外線式ガス検出器、及び赤外線光源 - Google Patents

Abstract

【課題】 体格を小型化でき、且つ、保護膜としてゲルを適用した場合よりも赤外線センサの受光効率を向上できる赤外線センサ、赤外線式ガス検出器、及び赤外線光源を提供すること。
【解決手段】 基板１１０と、基板１１０に形成されたメンブレン１２０と、少なくとも一部がメンブレン１２０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検出信号を発生する検出素子１３０と、検出素子１３０の少なくとも一部を被覆するようにメンブレン１２０上に形成された赤外線吸収膜１４０とを備える赤外線センサ１００において、検出素子１３０が、その端部に設けられたパッド部１１８を介して外部と電気的に接続された状態で、パッド部１１８及び赤外線吸収膜１４０を含む基板１１０の一面側全面を、パリレンからなる第２の保護膜１５０によって被覆した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、赤外線を検出する赤外線センサ、当該赤外線センサを含み、被測定ガスの濃度を検出する赤外線式ガス検出器、及び赤外線センサに赤外線を放射する赤外線光源に関するものである。

従来、赤外線を受光したときに生じる温度変化に基づいて検出信号を発生する検出素子を備えた赤外線センサとして、例えば特許文献１が開示されている。

特許文献１に示す赤外線センサは、ステムと赤外線を選択的に透過するフィルタによって閉塞された開口部を有するキャップとによって、センサ素子（検出素子）を気密に封止してなるものである。このような所謂缶封止構造とすると、検出素子の端部に設けられた電極（パッド部）の腐食を防止することができる。
特開２００３−２７００４７号公報

しかしながら、上記構成の場合、検出素子をステム及びキャップによって封止する構成であるので、赤外線センサの体格を小型化し難いという問題がある。

それに対し、保護膜としてゲル（例えばシリコンゲル）を適用することによって、検出素子のパッド部を保護する構成も考えられる。ゲルは、その特性（粘性）上、パッド部のみを保護するのが困難であるため、一般的にはパッド部とともに検出素子上（すなわち、検出素子の形成された一面上）も保護される。しかしながら、ゲル（特にシリコンゲル）は赤外線透過率が低く、赤外線センサの受光効率が低下する（すなわち、センサ感度が低くなる）という問題がある。また、堰を設けてパッド部のみをゲルによって保護するように構成することも考えられるが、この場合、堰を設ける必要があるので、センサ体格を小型化し難い。

尚、上記問題点は、赤外線センサを有する赤外線式ガス検出器、又は赤外線センサに対して赤外線を放射する赤外線光源においても同様である。

本発明は上記問題点に鑑み、体格を小型化でき、且つ、保護膜としてゲルを適用した場合よりも赤外線センサの受光効率を向上できる赤外線センサ、赤外線式ガス検出器、及び赤外線光源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１〜４に記載の発明は、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検出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る赤外線センサに関するものである。

先ず、請求項１に記載のように、検出素子が、当該検出素子の端部に設けられたセンサパッド部を介して外部と電気的に接続された状態で、センサパッド部及び赤外線吸収膜を含む基板表面が、パリレンからなる保護膜によって被覆されていることを特徴とする。

本発明者が確認したところ、電気絶縁性、水蒸気及び各種ガスの透過防止力等に優れるパリレンは、シリコン等のゲルよりも赤外線透過率が高いことが判明した。すなわち、パリレンを保護膜として適用すると、センサパッド部だけでなく、赤外線吸収膜を含む基板表面の一面側全面を保護することができる。従って、体格を小型化することができ、且つ、保護膜としてゲルを適用した場合よりも赤外線センサの受光効率を向上できる。また、構成を簡素化することができる。

また、少なくともキャップを不要とすることで、赤外線センサの視野角の制限がなくなるので、赤外線センサの受光効率を向上できる。

また、検出素子は基板に対して熱分離された構造であるので、赤外線センサのセンサ出力を大きくすることができる。

尚、パリレンは、米国ユニオンカーバイド社が開発したポリパラキシリレン樹脂の商品名であり、一般的にパリレンＮ（ポリパラキシリレン）、パリレンＣ（ポリモノクロロパラキシリレン）、パリレンＤ（ポリジクロロパラキシリレン）がある。

検出素子としては、例えば請求項２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。

請求項３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る構成であると、一般的な半導体プロセス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、構成が簡素化され、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、パリレンの中でも、パリレンＣは特に水蒸気及び各種ガスの透過防止力に優れている。従って、請求項４に記載のように、保護膜としてパリレンＣを適用すると、センサパッド部の腐食防止により効果的である。

次に、請求項５〜７に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線センサとともに、抵抗体を発熱させることにより、赤外線センサに対して赤外線を放射する赤外線光源を同一のパッケージ内に備え、被測定ガスの濃度を検出する赤外線式ガス検出器に関するものである。

従来、赤外線センサを缶封止するキャップの上面に設けられた開口部に対して、当該開口部を閉塞するように、赤外線（被測定ガスに対する吸収特性を有する赤外線）を選択的に透過するフィルタを配置していた。しかしながら、赤外線式ガス検出器において、赤外線センサの保護膜としてパリレンを適用した構成の場合、赤外線センサ部分の缶封止構造が不要となる。この場合、請求項５に記載のように、赤外線光源上に、特定波長の赤外線を赤外線センサに入射させる赤外線透過波長選択素子を設ければ良い。

また、請求項６に記載のように、被測定ガスの赤外線吸収波長と重複しない特定波長の赤外線を吸収し、赤外線吸収量に応じた参照信号を出力する参照用赤外線センサをさらに備える構成の場合、赤外線透過波長選択素子としては、赤外線センサ及び参照用赤外線センサに対して、それぞれ特定波長の赤外線を入射させるものを適用すれば良い。具体的には、請求項７に記載のように、回折格子（多重スリット）を適用することができる。それ以外にも、特定波長の赤外線を透過するフィルタを積層して、赤外線センサ及び参照用赤外線センサに対して、それぞれ特定波長の赤外線を入射させる赤外線透過波長選択素子を構成しても良い。

次に、請求項８〜１０に記載の発明は、基板と、基板に設けられた薄肉部としてのメンブレンと、メンブレンに設けられた抵抗体とを備え、通電することにより抵抗体を発熱させ、赤外線を検出する赤外線センサに対して赤外線を放射する赤外線光源に関するものである。

請求項８に記載のように、抵抗体が、当該抵抗体の端部に設けられた光源パッド部を介して外部と電気的に接続された状態で、光源パッド部を含む基板表面が、パリレンからなる保護膜によって被覆されていることを特徴とする。

従来、上記構成の赤外線光源（単独、若しくは、赤外線式ガス検出器）においては、上述した赤外線センサ同様、缶封止構造を適用することにより、光源パッド部の腐食を防止していた。しかしながら、パリレンを保護膜として適用すると、請求項１に記載の発明と同様の作用効果によって、光源パッド部だけでなく、抵抗体の形成された基板表面の一面側全面を保護することができる。従って、缶封止構造が不要となるので、体格を小型化することができ、構成を簡素化することができる。また、保護膜としてゲルを適用した場合よりも、保護膜を透過する赤外線エネルギー量が大きいので、赤外線センサの受光効率を向上できる。

また、抵抗体は基板に対して熱分離された構造であるので、赤外線光源は効率よく赤外線を放射でき、赤外線センサのセンサ出力を大きくすることができる。

請求項９に記載のように、基板は半導体基板であり、抵抗体は絶縁膜を介して半導体基板上に形成される構成であると、一般的な半導体プロセス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、構成が簡素化され、赤外線放出効率に優れた赤外線光源を低コストで製造することができる。

尚、請求項１０に記載の発明の作用効果は、請求項４に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。

以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。

（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）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。尚、図１（ａ）においては、便宜上、検出素子、及び検出素子と電極とを接続する配線部を図示している。また、図１（ａ）において、破線で囲まれた矩形領域は基板上面における空洞部上面の形成領域を示し、一点鎖線で囲まれた矩形領域は赤外線吸収膜の形成領域を示している。

図１（ｂ）に示すように、赤外線センサ１００は、基板１１０と、当該基板１１０に設けられた薄肉部としてのメンブレン１２０と、赤外線を検出する検出素子１３０と、赤外線吸収膜１４０と、パリレンからなる第２の保護膜１５０とを有している。この第２の保護膜５０が本実施形態における特徴部分であり、特許請求の範囲で示した保護膜に相当する。

基板１１０は、シリコンからなる半導体基板であり、メンブレン１２０の形成領域に対応した空洞部１１１を有している。本実施形態において、空洞部１１１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１１０の上面側へ行くほど縮小され、基板１１０の上面では、図１（ａ）に破線にて示されるような矩形状の領域となっている。従って、検出素子１３０を含むメンブレン１２０は、基板１１０に対して空洞部１１１上に浮いた状態に形成されており、赤外線センサ１００の他の部位と比べて膜厚が薄く形成されている。

このように、基板１１０が半導体基板であると、一般的な半導体プロセスにより、基板１１０に容易にメンブレン１２０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１００を低コストで製造することができる。尚、基板１１０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。

基板１１０の下面には、窒化シリコン膜１１２が設けられ、基板１１０の上面には、絶縁膜１１３（例えば窒化シリコン膜）が設けられている。そして、当該絶縁膜１１３上に、酸化シリコン膜１１４が設けられている。

酸化シリコン膜１１４上には、多結晶シリコン膜１１５が設けられている。この多結晶シリコン膜１１５は、メンブレン１２０からメンブレン１２０外の所定範囲の基板１１０の厚肉部位に設けられており、所定形状にパターニングされて、検出素子１３０の一部を構成している。尚、図１（ａ）においては、区別するために多結晶シリコン膜１１５にハッチングを施している。

そして、多結晶シリコン膜１１５には、ＢＰＳＧ（Boron−doped Phospho−Silicate Glass）からなる層間絶縁膜１１６を介して、アルミニウムからなる配線部１１７が接続されている。この配線部１１７は、層間絶縁膜１１６に形成されたコンタクトホールを介して、多結晶シリコン膜１１５の端部間を接続し、多結晶シリコン膜１１５とともに検出素子１３０である熱電対を構成するとともに、検出素子１３０と電極とを接続する。

ここで、検出素子１３０としての熱電対は、図１（ａ）に示すように、異種材料からなる多結晶シリコン膜１１５と配線部１１７が交互に複数組直列に延設され（サーモパイル）て構成され、一つおきの接合部が、熱容量の小さいメンブレン１２０上に形成されている温接点と、メンブレン１２０の外側における熱容量の大きい基板１１０上に形成されている冷接点となる。従って、基板１１０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１３０は、少なくとも一部がメンブレン１２０上に形成されるとともに、メンブレン１２０上に形成された部位の少なくとも一部が赤外線吸収膜１４０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。また、検出素子１３０としての熱電対の構成材料は、多結晶シリコン膜１１５とアルミニウムからなる配線部１１７に限定されるものではない。

また、配線部１１７は、その端部に電極としてのパッド部１１８を有しており、当該パッド部１１８を除いた配線部１１７上に第１の保護膜１１９（例えば窒化シリコン膜）が設けられている。

そして、メンブレン１２０形成領域内における第１の保護膜１１９上には、検出素子１３０の少なくとも一部を被覆するように赤外線吸収膜１４０が形成されている。尚、図１（ａ）において、一点鎖線で囲まれた矩形領域は赤外線吸収膜１４０の形成領域を示している。

本実施形態における赤外線吸収膜１４０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１３０の温接点の温度を効率良く上昇させるように、温接点を被覆しつつメンブレン１２０上に形成されている。また、赤外線吸収膜１４０は、メンブレン２０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。尚、上記間隙（赤外線吸収膜１４０の幅とメンブレン１２０の幅との比）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。

従って、赤外線光源から放射された特定波長の赤外線は、赤外線吸収膜１４０に吸収されて温度上昇が起こる。その結果、赤外線吸収膜１４０の下に配置された検出素子１３０の温接点の温度が上昇する。一方、冷接点は、基板１１０がヒートシンクとなっているため、温度上昇は温接点に比較して小さい。このように、検出素子１３０は、赤外線を受光したときの温接点と冷接点との間に生じる温度差により検出素子１３０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の強度（例えばガス濃度）を検出する。尚、図１（ａ）に示す熱電対はサーモパイルとなっているため、多結晶シリコン膜１１５と配線部１１７の組で発生する起電力の総和が、検出素子１３０の出力Ｖｏｕｔとなる。

さらに、本実施形態においては、図１（ｂ）に示すように、パッド部１１８に外部と電気的に接続するためのボンディングワイヤ１６０が接続された状態で、当該接続部位を含む基板１１０上の全面に、パリレンからなる第２の保護膜１５０が設けられている。尚、パリレンは、米国ユニオンカーバイド社が開発したポリパラキシリレン樹脂の商品名であり、一般的にパリレンＮ（ポリパラキシリレン）、パリレンＣ（ポリモノクロロパラキシリレン）、パリレンＤ（ポリジクロロパラキシリレン）がある。

本発明者が確認したところ、電気絶縁性、水蒸気及び各種ガスの透過防止力等に優れるパリレンは、シリコン等のゲルよりも赤外線透過率が高いことが判明した。その結果を図２に示す。図２は、第２の保護膜１５０の効果を説明するための図であり、パリレンの一例としてパリレンＣ（５μｍ）を用い、シリコンゲル（７５０μｍ）、フッ素ゲル（６００μｍ）とを比較した結果を示している。図２中においては、実線がパリレンＣを、破線がシリコンゲルを、一点鎖線がフッ素ゲルを示している。尚、シリコンゲルとフッ素ゲルの膜厚は、第２の保護膜１５０としての機能を果たすことのできる膜厚としている。

このように、第２の保護膜１５０としてパリレンを適用すると、赤外線透過率がシリコン等のゲルよりも高いので、第２の保護膜１５０を介して赤外線吸収膜１４０に赤外線が入射する構成であっても、赤外線センサ１００には、赤外線を検出するのに十分な起電力の変化が生じる。従って、パッド部１１８及び赤外線吸収膜１４０を含む基板１１０の一面側全面に設けることができる。

また、缶封止構造を採用しなくとも、パッド部１１８の腐食を防止することができるので、センサ体格を小型化することができる。また、構成を簡素化することができ、少なくともキャップを不要とすることで赤外線センサ１００の視野角の制限（開口部による）がなくなるので、赤外線センサ１００の受光効率を向上できる。

尚、パリレンの中でも、パリレンＣは特に水蒸気及び各種ガスの透過防止力に優れている。従って、第２の保護膜１５０としてパリレンＣを適用すると、パッド部１１８の腐食防止により効果的である。

次に、上記構成の赤外線センサ１００の形成方法について、その一例を、図１（ｂ）を用いて説明する。

シリコンからなる基板１１０上に、例えばＣＶＤ法により窒化シリコンからなる絶縁膜１１３を全面に形成する。この絶縁膜１１３が後述する基板１１０のエッチングの際に、エッチングストッパとなる。尚、絶縁膜１１３は、メンブレン１２０を構成する要素であるため、膜応力を制御して形成することが重要である。このため、必要に応じて例えば窒化シリコン膜と酸化シリコン膜からなる複合膜として形成しても良い。

そして、絶縁膜１１３を覆うように酸化シリコン膜１１４を、例えばＣＶＤ法により形成する。この酸化シリコン膜１１４は、その直上に形成される多結晶シリコン膜１１５との密着性を高め、多結晶シリコン膜１１５をエッチングにより形成する際のエッチングストッパとなる。

次に、酸化シリコン膜１１４上に、例えば多結晶シリコン膜１１５をＣＶＤ法により形成し、リン等の不純物を導入して所定の抵抗値が得られるように調整する。そして、フォトリソグラフィー処理によりパターニングして所定形状とする。その際、図示されないが、熱酸化により、多結晶シリコン膜１１５の表面に酸化シリコン膜を形成しても良い。この多結晶シリコン膜１１５が検出素子１３０の一部となる。尚、検出素子１３０の構成材料は、多結晶シリコンに限定されるものではなく、それ以外にも不純物が導入された単結晶シリコンや、金属材料である金、白金等を構成材料として形成することもできる。

多結晶シリコン膜１１５の形成後、多結晶シリコン膜１１５を含む酸化シリコン膜１１４上に、ＣＶＤ法により層間絶縁膜１１６であるＢＰＳＧ膜を形成し、例えば９００〜１０００℃の温度にて熱処理する。このように、層間絶縁膜１１６であるＢＰＳＧ膜を高温で熱処理すると、多結晶シリコン膜１１５端部の段差部分においてなだらかな形状となり、段差形状を緩和することができる。従って、配線部１１７のカバレッジ不足の問題を解消することができる。熱処理後、層間絶縁膜１１６をフォトリソグラフィー処理し、メンブレン２０の形成領域内において、多結晶シリコン膜１１５と配線部１１７とが積層方向において重なる位置に、接続用のコンタクトホールを形成する。尚、層間接続膜１１６は、ＢＰＳＧ膜に限定されるものではなく、それ以外にも窒化シリコン膜や酸化シリコン膜であっても良いし、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の複合膜であっても良い。

そして、上記コンタクトホール内及び層間絶縁膜１１６上に、低抵抗金属材料であるアルミニウムを成膜し、フォトリソグラフィー処理によりパターニングする。多結晶シリコン膜１１５と電気的に接続される配線部１１７が形成される。尚、配線部１１７の形成とともに、配線部１１７の端部に電極としてのパッド部１１８が形成される。また、配線部１１７を構成する材料はアルミニウム以外にも、金や銅等の低抵抗金属を用いることができる。

ここで、配線部１１７は層間絶縁膜１１６に形成されたコンタクトホールを介して、多結晶シリコン膜１１５の端部間を接続し、多結晶シリコン膜１１５とともに検出素子１３０（熱電対）を構成する。また、検出素子１３０とパッド部１１８とを接続する。

次いで、窒化シリコンからなる第１の保護膜１１９を例えばＣＶＤ法により形成し、フォトリソグラフィー処理によりパターニングしてパッド部１１８を形成するための開口部を形成する。これにより、配線部１１７の端部に設けたパッド部１１８が第１の保護膜１１９から露出される。

第１の保護膜１１９の形成後、メンブレン１２０の形成領域内の第１の保護膜１１９上に、検出素子１３０の温接点を被覆するように、例えばポリエステル樹脂にカーボンを含有させたペーストをスクリーン印刷する。そして、形成された膜を焼き固め、赤外線吸収膜１４０を形成する。

赤外線吸収膜１４０形成され、パッド部１１８にボンディングワイヤ１６０が接続された状態で、パッド部１１８及び赤外線吸収膜１４０を含む基板１１０の一面側全面に、例えばＣＶＤ法によりパリレンＣからなる第２の保護膜１５０を形成する。その際、第２の保護膜１５０として、パリレンＣ以外にも、パリレンＮ或いはパリレンＤを適用しても良い。

最後に、基板１１０の下面全面に、例えばプラズマＣＶＤ法によりエッチングマスク用の窒化シリコン膜１１２を形成する。そして、フォトリソグラフィー処理により窒化シリコン膜１１２に、メンブレン１２０を形成する領域に応じた空洞部位を形成し、シリコンからなる基板１１０を、例えば水酸化カリウム水溶液を用いて異方性エッチング処理によりエッチングする。このエッチングでは、基板１１０の上面に設けられた絶縁膜１１３が露出するまで基板１１０のエッチングがなされ、エッチングにより形成された基板１１０の空洞部１１１上に、メンブレン１２０が形成される。以上の工程を経て、本実施形態に示す赤外線センサ１００が形成される。

本実施形態に示した赤外線センサ１００は、一般的な半導体プロセスにより形成することができるので、製造コストを低減することができる。尚、赤外線吸収膜１４０の形成は、保護膜１１９の形成後ではなく、空洞部１１１の形成後に実行されても良い。また、上記製造工程において、酸化シリコン膜１１４等、吸湿性を有する膜を形成する際には、吸湿による膜応力の変動を防ぐため、膜形成後に必要に応じて加熱処理しても良い。

尚、本実施形態においては、アルミニウムからなる配線部１１７を保護するために、配線部１１７を含む層間絶縁膜１１６上に、第１の保護膜１１９を形成する構成を示した。しかしながら、水蒸気の透過防止力に優れるパリレンを第２の保護膜１５０として、パッド部１１８及び赤外線吸収膜１４０を含む基板１１０の一面側全面に設けるので、第１の保護膜１１９を形成しない構成としても良い。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を、図３に基づいて説明する。図３は、本実施形態における赤外線式ガス検出器の概略構成を示す図である。

第２の実施形態における赤外線式ガス検出器は、第１の実施形態で示した赤外線センサ１００をガス検出器に適用したものであり、第１の実施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。

図３に示すように、第１の実施形態で示した赤外線センサ１００は、当該赤外線センサ１００に対して赤外線を放射する赤外線光源２００とともに、赤外線検知式ガス検出器３００（以下ガスセンサと示す）を構成することができる。

その際、赤外線センサ１００は、その表面に第２の保護膜１５０を有しており、従来のような缶封止構造が不要である。そこで、本実施形態においては、特定波長の赤外線のみを赤外線センサ１００に入射させる赤外線透過波長選択素子２１０を、赤外線光源２００上に設けた。

具体的には、円筒状の容器３１０の両端に配置された台座３２０上に、赤外線センサ１００及び赤外線光源２００を固定し、ボンディングワイヤ１６０、２３０を介して、台座３２０に貫通固定されたリード３３０と電気的に接続した。そして、赤外線光源２００側にのみ、赤外線光源２００から等方的に放射される赤外線の放射方向を制限し、且つ、台座３２０との間で赤外線光源２００を気密に封止するキャップ２２０を配置し、キャップ２２０の赤外線光源２００と対向する上面に設けられた開口部２２１を閉塞するように、赤外線透過波長選択素子２１０として、特定波長の赤外線のみを選択的に透過させるバンドパスフィルタを配置した。尚、図３中において、符号２３０は赤外線光源２００とリード３３０とを接続するボンディングワイヤ、符号３１１は、被測定ガスを含むガスが流入可能なように容器３１０に設けられた複数のガス出入り口（図３においては２箇所）を示している。

このような構成とすると、第２の保護膜１５０を備えた赤外線センサ１００を有し、赤外線センサ１００側に赤外線透過波長選択素子２１０を有さないガスセンサ３００でありながら、赤外線光源２００上に配置された赤外線透過波長選択素子２１０によって、赤外線光源２００から放射された赤外線のうち、特定波長の赤外線（図３における白抜き矢印）のみを透過させ、この赤外線が第２の保護膜１５０を介して赤外線吸収膜１４０に吸収される。このとき、被測定ガスの濃度に応じて赤外線センサ１００に到達する赤外線の強度が変わるので、それに応じて赤外線センサ１００の出力が変化し、被測定ガスの濃度を検出することができる。

また、本実施形態に示す構成とすると、赤外線センサ１００側にキャップを設けていないので、キャップによって赤外線センサ１００の視野角が制限されることが無く、赤外線センサ１００の受光効率を向上することができる。また、赤外線センサ１００側にキャップを設けない分、ガスセンサ３００の体格を小型化することも可能である。

尚、本実施形態においては、赤外線センサ１００と赤外線光源２００が対向配置される直線型の例を示したが、赤外線センサ１００と赤外線光源２００が並んで配置される反射型の構成としても良い。その際、赤外線センサ１００と赤外線光源２００を同一の基板に形成しても良い。

また、本実施形態においては、赤外線センサ１００と赤外線光源２００とが、同一の容器３１０及び台座３２０からなる空間内に配置された構成例を示したが、必ずしも同一の容器３１０及び台座３２０からなる空間内に配置する必要はない。しかしながら、同一の容器３１０及び台座３２０からなる空間内に赤外線センサ１００と赤外線光源２００を配置すると、両者の位置関係を決定しやすい。

また、本実施形態においては、赤外線透過波長選択素子２１０として、バンドパスフィルタを適用する例を示した。しかしながら、赤外線光源２００から放射された赤外線のうち、特定波長の赤外線のみを赤外線センサ１００に入射させることのできるものであれば適用が可能である。

また、赤外線透過波長選択素子２１０をキャップ２２０に配置する例を示した。しかしながら、赤外線センサ１００と対向する側（乃至赤外線を放射する側）の赤外線光源２００上であれば、特に限定されるものではない。例えば、赤外線光源２００の表面に形成しても良い。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３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ガスセンサ３００の概略構成を示す図である。

第３の実施形態におけるガスセンサ３００は、第１の実施形態で示した赤外線センサ１００及び第２の実施形態で示したガスセンサ３００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。

図４に示すように、本実施形態のガスセンサ３００は、被測定ガスの赤外線吸収波長と重複しない特定波長の赤外線を吸収し、赤外線吸収量に応じた参照信号を出力する参照用赤外線センサ１００ａを備え、参照信号に基づいて赤外線センサ１００の検出信号をさらに補正する構成としている。

参照用赤外線センサ１００ａは、台座３２０に赤外線センサ１００と並んで配置されている。また、赤外線センサ１００と同様に構成されているので、缶封止構造が不要である。従って、赤外線透過波長選択素子２１０として、赤外線センサ１００及び参照用赤外線センサ１００ａに対して、それぞれ特定波長の赤外線を入射させるものを適用する必要がある。そこで、本実施形態においては、赤外線透過波長選択素子２１０として、回折格子（多重スリット）を適用した。

ここで、回折格子における赤外線の回折原理を説明する。回折格子へ入射する赤外線の平面波の波長をλ、回折格子の格子間隔をＰ、入射赤外線に対する回折された赤外線の回折角度をθとすると、次式の関係が成り立つ。
（数１） Ｐｓｉｎθ＝ｎλ
数式１において、ｎは回折次数を示す整数値である。回折された赤外線は、回折次数が高くなるほど強度が弱くなるため、赤外線の検出においては、１次（ｎ＝±１）の赤外線を検出するのが好ましい。尚、ｎ＝０は透過光である。

数式１から分かるように、格子間隔Ｐが一定の場合には、赤外線の波長λにより、回折角度θが異なる。すなわち、赤外線センサ１００が検出する特定波長の赤外線と、参照用赤外線センサ１００ａが検出する特定波長の赤外線とでは、それぞれ回折角度θ₁，θ₂が異なる。従って、図４に示すように、それぞれの検出波長に応じて、赤外線センサ１００と参照用赤外線センサ１００ａを配置することで、赤外線センサ１００と参照用赤外線センサ１００ａが、ともに精度良くそれぞれの赤外線を検出することができる。

尚、本実施形態においては、赤外線透過波長選択素子２１０として、回折格子（多重スリット）を適用する例を示した。しかしながら、赤外線センサ１００及び参照用赤外線センサ１００ａに対して、それぞれ特定波長の赤外線を入射させるものであれば適用が可能である。例えば、第２の実施形態で示したバンドパスフィルタを複数積層することにより、赤外線センサ１００及び参照用赤外線センサ１００ａに対する特定波長の赤外線を透過する構成としても良い。

また、本実施形態においても、キャップ２２０に赤外線透過波長選択素子２１０としての回折格子を配置する例を示した。しかしながら、赤外線が放射される側の赤外線光源２００上であれば、特に限定されるものではない。例えば、赤外線光源２００が、バルブ２０１内に配置されたフィラメント２０２に通電することにより、赤外線を放射する構成の場合、赤外線センサ１００と対向するバルブ２０１の面に放射波長オーダーの凹凸を設けて、赤外線透過波長選択素子２１０としても良い。

また、本実施形態においては、容器３１０と台座３２０からなる同一の空間内において、参照用赤外線センサ１００ａと赤外線センサ１００とが別個に設けられた例を示した。しかしながら、赤外線センサ１００と参照用赤外線センサ１００ａが同一基板を用いて形成されても良い。また、赤外線センサ１００と参照用赤外線センサ１００ａが容器３１０と台座３２０からなる同一の空間に配置された例を示したが、異なる空間にそれぞれ配置された構成としても良い。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態を、図６（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。図６は、本実施形態における赤外線光源２００の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面における断面図である。尚、図６（ａ）においては、便宜上、抵抗体、及び抵抗体と電極とを接続する配線部を図示している。また、図６（ａ）において、破線で囲まれた矩形領域は基板上面における空洞部上面の形成領域を示している。

第４の実施形態における赤外線光源２００は、第１の実施形態で示した赤外線センサ１００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。

図１（ｂ）に示すように、赤外線光源１００は、基板２４０と、当該基板２４０に設けられ、抵抗体を含む薄肉部としてのメンブレン２５０と、基板２４０表面に設けられたパリレンからなる第２の保護膜２６０とにより構成される。この第２の保護膜２６０が本実施形態における特徴部分であり、特許請求の範囲で示した保護膜に相当する。

基板２４０は、シリコンからなる半導体基板であり、メンブレン２５０の形成領域に対応した空洞部２４１を有している。本実施形態において、空洞部２４１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２４０の上面側へ行くほど縮小され、基板２４０の上面では、図６（ａ）に破線にて示されるような矩形状の領域（空洞部上面）となっている。従って、抵抗体を含むメンブレン２５０は、基板２４０に対して空洞部２４１上に浮いた状態に形成されており、赤外線光源２００の他の部位と比べて膜厚が薄く形成されている。すなわち、基板２４０と熱分離されているので、抵抗体を効率よく発熱させ、赤外線を放射することができる。

また、基板２４０の下面には、窒化シリコン膜２４２が設けられ、基板２４０の上面には、絶縁膜２４３（例えば窒化シリコン膜）が設けられている。そして、当該絶縁膜２４３上に、酸化シリコン膜２４４が設けられている。

酸化シリコン膜２４４上のメンブレン２５０の形成領域内には、多結晶シリコン膜からなる抵抗体２４５が所定形状をもって設けられている。そして、抵抗体２４５には、ＢＰＳＧからなる層間絶縁膜２４６を介して、抵抗体２４５と電極とを電気的に繋ぐ配線部２４７が接続されている。尚、図６（ａ），（ｂ）において、符号２４５ａは抵抗体２４５と配線部２４７との接続部であり、図６（ａ）においては、区別のために抵抗体２４５にハッチングを施している。

アルミニウムからなる配線部２４７は、その端部に電極としてのパッド部２４８を有しており、当該パッド部２４８を除いた配線部２４７上に例えば窒化シリコンからなる第１の保護膜２４９が設けられている。

さらに、パッド部２４８にボンディングワイヤ２３０が接続された状態で、パリレンからなる第２の保護膜２６０が、パッド部２４８を含む基板２４０の一面側全面に設けられている。

このような構成とすると、缶封止構造が不要となるので、体格を小型化することができ、構成を簡素化することができる。また、第２の保護膜２６０としてゲルを適用した場合よりも、第２の保護膜２６０を透過する赤外線エネルギー量が大きいので、赤外線センサ１００の受光効率を向上できる。

尚、パリレンの中でも、パリレンＣは特に水蒸気及び各種ガスの透過防止力に優れている。従って、第２の保護膜２６０としてパリレンＣを適用すると、パッド部２４８の腐食防止により効果的である。

また、抵抗体２４５は基板２４０に対して熱分離された構造であるので、赤外線光源２００は効率よく赤外線を放射でき、赤外線センサ１００のセンサ出力を大きくすることができる。

上記構成の赤外線光源２００は、第１の実施形態で示した赤外線センサ１００の形成方法と同様の方法（ただし、赤外線吸収膜１４０は形成せず、多結晶シリコン膜１１５の代わりに抵抗体２４５を形成）により形成することができる。従って、一般的な半導体プロセスにより容易にメンブレン２５０を有する基板２４０とすることができるので、構成が簡素化され、赤外線放出効率に優れた赤外線光源２００を低コストで製造することができる。

尚、本実施形態においては、アルミニウムからなる配線部２４７を保護するために、配線部２４７を含む層間絶縁膜２４６上に、第１の保護膜２４９を形成する構成を示した。しかしながら、水蒸気の透過防止力に優れるパリレンを第２の保護膜２６０として、パッド部２４８を含む基板２４０の一面側全面に設けるので、第１の保護膜２４９を形成しない構成としても良い。

また、本実施形態に示した構成の赤外線光源２００を、第２及び第３の実施形態で示したガスセンサ３００に適用することもできる。その場合、赤外線光源２００側のキャップ２２０を不要とできるので、ガスセンサ３００の構成を簡素化できる。さらには、体格を小型化することも可能である。尚、赤外線透過波長選択素子２１０は、赤外線光源２００の表面（例えば、第２の保護膜２６０上）に形成すれば良い。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、種々変更して実施する事ができる。

また、本実施形態においては、赤外線センサ１００及び赤外線光源２００を構成する基板１１０，２４０として、シリコンからなる半導体基板を用いる例を示した。しかしながら、基板１１０，２４０は半導体基板に限定されるものではない。それ以外にも、基板１１０，２４０として例えばガラス基板等を適用することもできる。

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）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。 第２の保護膜の効果を説明するための図である。 第２の実施形態における赤外線式ガス検出器の概略構成を示す図である。 第３の実施形態における赤外線式ガス検出器の概略構成を示す図である。 赤外線光源の変形例を示す図である。 第４の実施形態における赤外線光源の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面における断面図である。

符号の説明

１００・・・赤外線センサ
１１０・・・基板
１１８・・・パッド部
１２０・・・メンブレン
１３０・・・検出素子
１４０・・・赤外線吸収膜
１５０・・・第２の保護膜（保護膜）
１６０・・・ボンディングワイヤ
２００・・・赤外線光源
２１０・・・赤外線透過波長選択素子
３００・・・赤外線式ガス検出器（ガスセンサ）

Claims (10)

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検出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、
   前記検出素子が、当該検出素子の端部に設けられたセンサパッド部を介して外部と電気的に接続された状態で、前記センサパッド部及び前記赤外線吸収膜を含む基板表面が、パリレンからなる保護膜によって被覆されていることを特徴とする赤外線センサ。
2. 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に記載の赤外線センサ。
3. 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又は請求項２に記載の赤外線センサ。
4. 前記保護膜は、パリレンＣからなることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の赤外線センサ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線センサとともに、抵抗体を発熱させることにより、前記赤外線センサに対して赤外線を放射する赤外線光源を同一のパッケージ内に備え、被測定ガスの濃度を検出する赤外線式ガス検出器において、
   前記赤外線光源上に、特定波長の赤外線を前記赤外線センサに入射させる赤外線透過波長選択素子を設けたことを特徴とする赤外線検知式ガス検出器。
6. 前記被測定ガスの赤外線吸収波長と重複しない特定波長の赤外線を吸収し、赤外線吸収量に応じた参照信号を出力する参照用赤外線センサをさらに備え、
   前記赤外線透過波長選択素子は、前記赤外線センサ及び前記参照用赤外線センサに対して、それぞれ特定波長の赤外線を入射させることを特徴とする請求項５に記載の赤外線検知式ガス検出器。
7. 前記赤外線透過波長選択素子は、回折格子であることを特徴とする請求項６に記載の赤外線式ガス検出器。
8. 基板と、
   前記基板に設けられた薄肉部としてのメンブレンと、
   前記メンブレンに設けられた抵抗体とを備え、
   通電することにより前記抵抗体を発熱させ、赤外線を検出する赤外線センサに対して赤外線を放射する赤外線光源において、
   前記抵抗体が、当該抵抗体の端部に設けられた光源パッド部を介して外部と電気的に接続された状態で、前記光源パッド部を含む前記基板表面が、パリレンからなる保護膜によって被覆されていることを特徴とする赤外線光源。
9. 前記基板は半導体基板であり、前記抵抗体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８に記載の赤外線光源。
10. 前記保護膜は、パリレンＣからなることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の赤外線光源。

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