JP2006153675A - Thermopile - Google Patents

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JP2006153675A JP2004345060A JP2004345060A JP2006153675A JP 2006153675 A JP2006153675 A JP 2006153675A JP 2004345060 A JP2004345060 A JP 2004345060A JP 2004345060 A JP2004345060 A JP 2004345060A JP 2006153675 A JP2006153675 A JP 2006153675A
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Japanese (ja)
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Masahiko Moriguchi
雅彦 森口
Tsukasa Kawakami
司 川上
Motoki Tanaka
基樹 田中
Shingo Kimura
親吾 木村
Koji Kawaguchi
浩二 川口
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Nippon Ceramic Co Ltd
Original Assignee
Nippon Ceramic Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the following problems: difficult to measure a minute area because of projection area of a sensor differs largely to an area projected with a sensor part which is made as an RI ray detection region of the thermopile heretofore wherein, a flat surface of a plano-convex lens is faced to a chip side; the defect of a small output when the sensor part is arranged around the lens, a part of IR ray doesn't incident on the sensor part; difficult of work because of high precision needed at the assembly time; and not easy manufacturing because of tendency of angular misalignment of lens axis. <P>SOLUTION: The spherical surface of the plano-convex lens is positioned to the chip side for the thermopile making the detection region where the sensor part is projected with the plano-convex lens. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、本発明は、物体の赤外線を電気信号に変換し検出するセンサー部を複数有すサーモパイルに関するものである。   The present invention relates to a thermopile having a plurality of sensor units that convert infrared rays of an object into electrical signals and detect them.

サーモパイルは、二種の物質で構成された熱電対でダイヤフラム上に温接点を形成し、周囲ヒートシンク部上に冷接点を形成し、熱電対、冷接点及び温接点上に絶縁保護膜を設け且つ温接点上に吸収膜を設置しセンサー部とするチップ構成を採る。
センサー部である吸収膜に入射した赤外線は熱に変換され温接点の温度上昇を生じ、各熱電対材料のゼーベック定数に比例した電圧が発生する。また、この電圧は、熱電対本数、ダイヤフラム端からの吸収膜距離、吸収膜面積の寄与も受け、これらが大になると電圧も大となる。
The thermopile is a thermocouple composed of two kinds of materials, forming a hot junction on the diaphragm, forming a cold junction on the surrounding heat sink, providing an insulating protective film on the thermocouple, cold junction and hot junction, and A chip configuration is adopted in which an absorption film is installed on the hot junction to form a sensor part.
Infrared rays incident on the absorption film that is the sensor part are converted into heat, causing the temperature of the hot junction to rise, and a voltage proportional to the Seebeck constant of each thermocouple material is generated. In addition, this voltage is also influenced by the number of thermocouples, the absorption film distance from the diaphragm end, and the absorption film area, and the voltage increases as these increase.

例えば4行4列のセンサー部を持つサーモパイルでも同様構成となっており、例えばTO−5ステムに収納する場合、例えば外形角2.9ミリメートルサーモパイルチップに、一例として角0.281ミリメートルの吸収膜が16ヶ配列され、吸収膜下には1組当たり0.03ミリメートルの寸法の熱電対と長0.045ミリメートル、幅0.023ミリメートルの16ヶの温接点が設けられている。   For example, a thermopile having a sensor unit with 4 rows and 4 columns has the same configuration. For example, when it is housed in a TO-5 stem, for example, an outer angle 2.9 mm thermopile chip, for example, an absorption film with a 0.281 mm angle 16 are arranged, and a thermocouple having a size of 0.03 millimeters per set and 16 hot junctions having a length of 0.045 millimeters and a width of 0.023 millimeters are provided below the absorbing film.

吸収膜位置は、例えばダイヤフラム中央部4ヶ所の吸収膜間隔は0.221ミリメートル、その他の吸収膜間隔は0.282ミリメートルに設定される。各吸収膜周囲に例えば距離0.0735ミリメートルの位置にヒートシンクが配列され、吸収膜間ヒートシンク及びチップ周囲ヒートシンク上には温接点と同一寸法の冷接点が位置する。周囲ヒートシンク部には、各検出域からの出力信号取り出しパッドが設けられている。これらパッドはステムリード等とのワイヤーボンディングを容易にするため、サーモパイルチップの2辺に集中されている。また、同一目的で各検出域の負電圧出力端子は統合され1ヶの共通パッドとなっている。   As for the position of the absorption film, for example, the distance between the absorption films at the four central portions of the diaphragm is set to 0.221 mm, and the distance between the other absorption films is set to 0.282 mm. For example, a heat sink is arranged around each absorption film at a distance of 0.0735 millimeters, and a cold junction having the same dimensions as the hot junction is located on the heat sink between the absorption films and the heat sink around the chip. The peripheral heat sink portion is provided with an output signal extraction pad from each detection area. These pads are concentrated on two sides of the thermopile chip to facilitate wire bonding with a stem lead or the like. For the same purpose, the negative voltage output terminals of each detection area are integrated into one common pad.

上記サーモパイルチップは例えばTO−5等のステムにエポキシ系接着剤等でダイボンディングされ、ステムに設けられたリードとチップ周囲ヒートシンク部に設けたパッド等をボンディングワイヤーで電気的結線される。その後、入射窓に片面が平面であり、他方の面が球面である平凸レンズを設けた缶とステムは溶接される。平凸レンズ材質は例えば屈折率nが3.4であるシリコンが用いられている。その仕様は例えば焦点距離fが1.95ミリメートル、中心厚tcが2ミリメートル、レンズ径6.65ミリメートルのものが使用されている。平凸レンズは缶に設けた例えば直径3.5ミリメートルの円形入射窓にエポキシ系接着剤等で特開平08−062037に記されているようにチップ側を平面とし、例えばレンズ主点Hからチップまでの距離1.65ミリメートルとして固定接着されている。この距離は予め缶高さを設定した缶を用いることにより達成している。また、缶に設けた円形入射窓の軸とステム外周の軸とは、缶・ステムを嵌め合い構造を採用することにより一致させている。
以上により、サーモパイルチップセンサー部は平凸レンズで投影され赤外線検出域が形成され、各検出域の赤外線量に比例した電圧を出力とするサーモパイルが完成となる。
The thermopile chip is die-bonded to a stem such as TO-5 with an epoxy adhesive or the like, and a lead provided on the stem and a pad provided on a heat sink portion around the chip are electrically connected by a bonding wire. Thereafter, the can and the stem provided with a plano-convex lens whose one surface is a flat surface and the other surface is a spherical surface are welded to the incident window. For example, silicon having a refractive index n of 3.4 is used as the plano-convex lens material. For example, the focal length f is 1.95 millimeters, the center thickness tc is 2 millimeters, and the lens diameter is 6.65 millimeters. The plano-convex lens has a flat side on the chip side as described in JP-A-08-062037, for example, with an epoxy adhesive on a circular entrance window having a diameter of 3.5 mm provided on the can, for example, from the lens principal point H to the chip. The fixed distance is 1.65 mm. This distance is achieved by using a can having a preset can height. Further, the axis of the circular incident window provided on the can and the axis of the outer periphery of the stem are made to coincide with each other by adopting a can / stem fitting structure.
As described above, the thermopile chip sensor unit is projected by the plano-convex lens to form an infrared detection region, and a thermopile that outputs a voltage proportional to the amount of infrared rays in each detection region is completed.

図5に従来のサーモパイル概念断面図を示す。
図9に上記4行4列の検出域を持つサーモパイルの斜視概念図を示す。
図10に上記4行4列サーモパイルチップのセンサー部配置を示す。
特開平08−062037号
FIG. 5 shows a conceptual cross-sectional view of a conventional thermopile.
FIG. 9 is a conceptual perspective view of the thermopile having the detection area of 4 rows and 4 columns.
FIG. 10 shows the arrangement of the sensor section of the above-mentioned 4 × 4 thermopile chip.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-062037

従来の平凸レンズ平面をチップ側に位置させた場合、レンズ周辺に位置させたセンサー部の投影面積がレンズ中央に位置させたセンサー部投影面積に比較し極めて大となり、レンズ周辺に設けた同センサー部での微小計測が困難という欠点を有していた。   When the conventional plano-convex lens plane is positioned on the chip side, the projected area of the sensor unit located around the lens is extremely large compared to the projected area of the sensor unit located at the center of the lens, and the sensor provided around the lens. In other words, it has a drawback that it is difficult to perform minute measurement at the part.

例えば、前述の外形角2.9ミリメートルで4行4列の角0.281ミリメートルのセンサー部が中央4ヶ所のセンサー部間隔は0.221ミリメートル、その他のセンサー部間隔は0.282ミリメートルとしたサーモパイルに焦点距離1.95ミリメートル、中心厚2ミリメートルのシリコン平凸レンズが平面をチップ側としてレンズ主点Hからチップまでの距離1.65ミリメートルで設置されている場合において、図10に示した中央センサー部対角頂点a、b及び四隅センサー部対角頂点c、dの投影像を考える。   For example, the sensor section of the above-mentioned outer angle of 2.9 mm and the angle of 0.281 mm in 4 rows and 4 columns is 0.221 mm in the central four positions, and the distance between the other sensor sections is 0.282 mm. When a silicon plano-convex lens having a focal length of 1.95 mm and a center thickness of 2 mm is installed on the thermopile at a distance of 1.65 mm from the lens principal point H to the chip with the plane as the chip side, the center shown in FIG. Consider a projected image of sensor part diagonal vertices a and b and four corner sensor part diagonal vertices c and d.

簡単化のため、各点よりレンズ軸と平行方向に出射した光を考えると、レンズからの距離100ミリメートルの地点では図6に示すように、中央センサー部対角頂点a、bの投影点aa、bb間の距離は、22.21ミリメートルであるのに対し、四隅センサー部対角頂点c、dの投影点cc、dd間の距離は130.19ミリメートルとなりaa、bb間の距離の5.86倍となる。面積はこれの自乗となるので、従来方式では、四隅センサー部投影面積が、中央センサー部投影面積の34.3倍となっていた。   For the sake of simplification, considering the light emitted from each point in the direction parallel to the lens axis, as shown in FIG. 6, the projected point aa of the central sensor portion diagonal vertices a and b at a distance of 100 millimeters from the lens. , Bb is 22.21 millimeters, whereas the distance between the projection points cc, dd of the four corner sensor portions diagonal vertices c, d is 130.19 millimeters, which is the distance between aa, bb, 5. 86 times. Since the area is the square of this, in the conventional method, the projected area of the four corner sensors is 34.3 times the projected area of the center sensor.

図7は従来のサーモパイルセンサー部上の地点a、b、c、dにおけるレンズ軸と平行方向の光線軌跡を示したものである。同図は明瞭化のため缶側壁、ステムは省略している。   FIG. 7 shows the ray trajectory in the direction parallel to the lens axis at points a, b, c, and d on the conventional thermopile sensor unit. In the figure, the can side wall and the stem are omitted for clarity.

さらに、レンズ周辺に位置するセンサー部では、検出域からの赤外線の一部がセンサー部に入射されず出力低という欠点もあった。例えば上述例の四隅センサー部対角頂点dにおいて、図8に示すようにレンズ軸と+10度の角度をなす光線はレンズ球面法線に対し17.42度の角度を持つ。これは臨界角17.10度以上であるため、レンズ球面で全反射を起こし外部に出射されない。すなわち、四隅センサー部対角頂点dにはレンズ軸に対し+10度の角度をなす光線は検出域から入射されず、出力は低となる。   Furthermore, in the sensor part located in the lens periphery, a part of infrared rays from the detection area was not incident on the sensor part, and there was a disadvantage that the output was low. For example, at the four corner sensor diagonal vertices d in the above-described example, as shown in FIG. 8, the light beam forming an angle of +10 degrees with the lens axis has an angle of 17.42 degrees with respect to the lens spherical normal. Since this is a critical angle of 17.10 degrees or more, total reflection occurs at the lens spherical surface and the light is not emitted to the outside. That is, a light beam having an angle of +10 degrees with respect to the lens axis is not incident on the four corner sensor portion diagonal vertex d from the detection area, and the output is low.

また、レンズとチップ間距離が小のため、サーモパイルチップアセンブリ時のボンディングワイヤー高さ等の許容値が小となり、作製精度高となっていた。
即ち上述例では、レンズ主点Hとチップ間距離は1.65ミリメートルであるが、図7に示す様に平凸レンズの平面側主点Hは平面より、レンズ中心厚tcをレンズ材質屈折率nで割った値である0.59ミリメートル内側に位置するため、レンズ平面とチップ間距離は1.06ミリメートルとなる。
Further, since the distance between the lens and the chip is small, the tolerance value such as the bonding wire height at the time of the thermopile chip assembly is small, and the manufacturing accuracy is high.
That is, in the above-described example, the distance between the lens principal point H and the chip is 1.65 millimeters. However, as shown in FIG. 7, the plane-side principal point H of the plano-convex lens has a lens center thickness tc of the lens material refractive index n. Therefore, the distance between the lens plane and the chip is 1.06 millimeters.

さらに、缶に設けた円形入射窓に平凸レンズ接着固定時に、レンズ軸と缶の軸の角度ズレが発生しやすく作製精度高となり、角度ズレ防止のため、レンズ接着特殊治具及び角度ズレ検査治具が必要であった。これは、缶円形穴にレンズ球面が接する全ての角度でレンズが保持可能なため発生していた。   In addition, when the plano-convex lens is fixed to the circular entrance window on the can, the angle between the lens axis and the axis of the can tends to be high, and the manufacturing accuracy is high. Tools were needed. This occurred because the lens can be held at all angles where the lens spherical surface is in contact with the can circular hole.

平凸レンズ球面をチップ側に位置させる。   The plano-convex lens spherical surface is positioned on the chip side.

平凸レンズ球面をチップ側に位置させると、レンズ中央に位置させたセンサー部の投影面積に対するレンズ周辺に位置するセンサー部投影面積の比が従来技術に比べ小となり、レンズ周辺に位置させたセンサー部での微小計測が可能となる。
さらに、平凸レンズ球面をチップ側に位置させると、レンズ周辺に位置するセンサー部において、レンズ全反射のため、入射されなかった赤外線もセンサー部に入射され出力増となる。
また、平凸レンズ球面をチップ側に位置させると、レンズ主点Hとチップ間距離を従来と同一としても、レンズとチップ間距離が大となるため、サーモパイルチップアセンブリ時のボンディングワイヤー高さ等の許容値が大となり、作製容易となる。
さらに、平凸レンズ球面をチップ側に位置させると、缶に設けた円形入射窓に平凸レンズ接着固定時に、レンズ軸と缶の軸角度ズレが発生せず作製容易となり、角度ズレ防止のためのレンズ接着特殊治具及び角度ズレ検査治具が不要となる。
When the plano-convex lens spherical surface is located on the chip side, the ratio of the sensor area projected area around the lens to the projected area of the sensor area located at the center of the lens is smaller than in the conventional technology, and the sensor section located around the lens. This makes it possible to perform micro measurement with
Further, when the plano-convex lens spherical surface is positioned on the chip side, the infrared rays that are not incident on the sensor portion located around the lens due to the total reflection of the lens are also incident on the sensor portion to increase the output.
Further, when the plano-convex lens spherical surface is positioned on the chip side, the distance between the lens and the chip becomes large even if the lens principal point H and the distance between the chips are the same as the conventional one, so that the bonding wire height at the time of the thermopile chip assembly, etc. The allowable value becomes large and the production becomes easy.
Furthermore, when the plano-convex lens spherical surface is positioned on the chip side, when the plano-convex lens is bonded and fixed to the circular entrance window provided on the can, the lens angle and the can are not easily displaced, and the lens can be easily manufactured. Adhesive special jig and angle deviation inspection jig are not required.

サーモパイルチップは基板材上にダイヤフラム構成膜形成した後、熱電対パターン、絶縁保護膜、吸収膜の順で作製され、最後に裏面よりエッチングしダイヤフラムを作製する。
熱電対パターン、絶縁保護膜、吸収膜、ダイヤフラムは成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法を使用して作製され、予め多数のチップが得られるように設計されたフォトマスクが使用される。
サーモパイルチップを多数形成した基板材はダイシングソー等で切断され、TO−5等のステムにダイボンダー等でダイボンディングする。その後、ステムリードとチップ上に設けたパッドとを金ワイヤー等でワイヤーボンディングする。
さらに、例えば円形入射窓に球面を内側としてエポキシ系接着剤等で平凸レンズを接着した缶とステムを溶接する。レンズ主点Hからチップまでの距離は予め缶高さを設定した缶を用いることにより達成する。
以上により、球面がチップ側に位置し、チップセンサー部が平凸レンズで投影され赤外線検出域とするサーモパイルが完成となる。
A thermopile chip is formed in the order of a thermocouple pattern, an insulating protective film, and an absorption film after forming a diaphragm constituting film on a substrate material, and finally, a diaphragm is formed by etching from the back surface.
A thermocouple pattern, an insulating protective film, an absorption film, and a diaphragm are manufactured using a semiconductor process method such as film formation, exposure, and etching, and a photomask designed in advance so as to obtain a large number of chips is used.
A substrate material on which a large number of thermopile chips are formed is cut with a dicing saw or the like and die-bonded to a stem such as TO-5 with a die bonder or the like. Thereafter, the stem lead and the pad provided on the chip are wire-bonded with a gold wire or the like.
Further, for example, a can and a stem having a spherical surface inside and a plano-convex lens bonded with an epoxy adhesive or the like are welded to a circular incident window. The distance from the lens principal point H to the chip is achieved by using a can having a preset can height.
As described above, the thermopile in which the spherical surface is positioned on the chip side and the chip sensor unit is projected by the plano-convex lens to form the infrared detection region is completed.

以下に本発明実施例として、背景技術の項で記した4行4列の検出域を有し、チップセンサー部が球面をチップ側に位置させた平凸レンズで投影され赤外線検出域を形成するサーモパイル作製手順例を記す。   As an embodiment of the present invention, a thermopile having a detection area of 4 rows and 4 columns as described in the background art section, and a chip sensor portion is projected by a plano-convex lens having a spherical surface located on the chip side to form an infrared detection area. An example of the production procedure will be described.

サーモパイルチップは一例として下記作製手順で作製される。
基板材を一例として厚0.4ミリメートルのシリコンウェハーとし、シリコンウェハー上に酸化ケイ素、窒化シリコン等の例えば総厚0.002ミリメートルの膜をCVD法等により形成する。これら膜がダイヤフラム構成膜となる。
熱電対は例えば一方をニクロム、他方をビスマスアンチモン等の異なるゼーベック定数を持つ二種の材料が用いられ、上記成膜したシリコンウェハー上に熱電対パターンを多数形成する。この時、成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法を使用し、例えばニクロム幅0.006ミリメートル、ビスマスアンチモン幅0.01ミリメートル、両者の間隔を0.007ミリメートルとする熱電対1組当たり0.03ミリメートル、接点長0.045ミリメートル、接点幅0.023ミリメートルの微細パターンが形成される。露光工程には予めパターン設計したフォトマスクを用いる。
他の熱電対材料例として、一方をポリシリコン、他方をアルミニウムとしてもよい。
The thermopile chip is manufactured by the following manufacturing procedure as an example.
For example, a substrate material is a silicon wafer having a thickness of 0.4 mm, and a film having a total thickness of, for example, 0.002 mm, such as silicon oxide or silicon nitride, is formed on the silicon wafer by a CVD method or the like. These films become diaphragm constituting films.
Two types of thermocouples having different Seebeck constants, such as nichrome on the one hand and bismuth antimony on the other, are used, and many thermocouple patterns are formed on the silicon wafer. At this time, a semiconductor process method such as film formation, exposure, and etching is used, for example, a nichrome width of 0.006 millimeters, a bismuth antimony width of 0.01 millimeters, and a distance between both of them is 0.007 millimeters. A fine pattern of 0.03 millimeters, contact length 0.045 millimeters, and contact width 0.023 millimeters is formed. A photomask having a pattern designed in advance is used for the exposure process.
As another thermocouple material example, one may be polysilicon and the other may be aluminum.

さらに、熱電対、冷接点及び温接点上に位置する絶縁保護膜として例えば、厚0.002ミリメートルのポリイミド膜を全面コーティング後露光・エッチング等の半導体工程手法にて所定形状に加工する。   Further, for example, a polyimide film having a thickness of 0.002 mm is processed into a predetermined shape by a semiconductor process method such as post-coating exposure and etching as an insulating protective film positioned on the thermocouple, the cold junction, and the hot junction.

その後出力取り出し用パッドしてアルミニウム等のパッドを成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法を用い設ける。このパッドは金ワイヤー、アルミニウムワイヤー等でワイヤーボンディング可能な例えば長0.12ミリメートル幅0.1ミリメートル等のサイズに予め設定されている。また、パッド下地には、シリコンウェハーに対する付着強度大であるニクロムが予め設けられている。
各検出域からの正電圧出力信号取り出し用パッドは、チップ作製最終工程でダイヤフラム形成時にチップ周囲ヒートシンクとなる地点に設定されている。これらパッドは後述するステムリード等とのワイヤーボンディングを容易にするため、チップ周囲ヒートシンクの2辺に集中されている。また、同一目的で各検出域の負電圧出力端子は統合され1ヶの共通パッドとなっている。
Thereafter, a pad made of aluminum or the like is provided as an output extraction pad using a semiconductor process method such as film formation, exposure and etching. This pad is preset to a size such as a length of 0.12 mm and a width of 0.1 mm that can be wire-bonded with a gold wire, an aluminum wire, or the like. Further, nichrome having a high adhesion strength to the silicon wafer is provided in advance on the pad base.
The positive voltage output signal extraction pad from each detection area is set to a point that becomes a heat sink around the chip when the diaphragm is formed in the final chip manufacturing process. These pads are concentrated on two sides of the heat sink around the chip in order to facilitate wire bonding with a stem lead or the like which will be described later. For the same purpose, the negative voltage output terminals of each detection area are integrated into one common pad.

続いて、例えば厚0.001ミリメートル吸収膜を成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法により作製する。これは、一例として角0.281ミリメートルの吸収膜が16ヶ配列され、吸収膜位置は、例えばダイヤフラム中央部4ヶ所の吸収膜間隔は0.221ミリメートル、その他の吸収膜間隔は0.282ミリメートルに設定されたフォトマスクを用いて作製される吸収膜形成域がサーモパイルセンサー部となる。   Subsequently, for example, a 0.001 mm thick absorbing film is formed by a semiconductor process method such as film formation, exposure, and etching. As an example, 16 absorption films having an angle of 0.281 mm are arranged, and the absorption film positions are, for example, 0.221 mm at the four central portions of the diaphragm, and 0.282 mm at other absorption film intervals. The absorption film forming region manufactured using the photomask set to 1 is the thermopile sensor part.

その後、裏面保護パターンをフォトレジスト等で露光等の半導体工程手法で形成し、フッ化炭素系ガスを用い、高密度プラズマエッチング装置等でプラズマエッチングしダイヤフラムを作製する。この時フッ化炭素系ガスは、横方向エッチングスピード低で垂直なエッチングが可能な構成のガスが選定される。
予め裏面保護パターンを吸収膜間及びチップ周囲部に設定しておくと、ヒートシンクが吸収膜間及びチップ周囲に形成される。これにより、各吸収膜周囲に例えば距離0.0735ミリメートルの位置にヒートシンクが配列され、吸収膜サイズ角0.281ミリメートルの場合ダイヤフラムサイズは角0.428ミリメートルとなる。熱電対パターンフォトマスクに於ける冷接点位置設定により、ヒートシンク上に冷接点が位置することとなる。
吸収膜サイズ0.282ミリメートル、中央部4ヶ所の吸収膜間隔0.221ミリメートルの場合ヒートシンク幅0.074ミリメートルとなり、0.045ミリメートルの長さを持つ接点をこの上に設けることは、ダイヤフラム端より0.045ミリメートルの地点に位置することより不可である。吸収膜間隔0.282ミリメートルに対しては、ヒートシンク幅0.135ミリメートルとなり冷接点を設けることができる。よって、背景技術の項で記載した例の場合、各吸収膜に対し周囲2辺のヒートシンク上に冷接点が配置され、各吸収膜には16本の熱電対が配列される。
Thereafter, a back surface protection pattern is formed by a semiconductor process technique such as exposure using a photoresist or the like, and plasma etching is performed using a fluorocarbon gas with a high-density plasma etching apparatus or the like to produce a diaphragm. At this time, as the fluorocarbon-based gas, a gas having a structure capable of vertical etching at a low lateral etching speed is selected.
If the back surface protection pattern is set in advance between the absorption films and around the chip, heat sinks are formed between the absorption films and around the chip. As a result, the heat sink is arranged at a position of, for example, a distance of 0.0735 millimeters around each absorption film. When the absorption film size angle is 0.281 millimeters, the diaphragm size is 0.428 millimeters. By setting the cold junction position in the thermocouple pattern photomask, the cold junction is positioned on the heat sink.
When the absorption film size is 0.282 mm and the distance between the absorption films in the central part is 0.221 mm, the heat sink width is 0.074 mm, and a contact having a length of 0.045 mm is provided on the diaphragm end. It is impossible because it is located at a point of 0.045 millimeters. For an absorption film interval of 0.282 mm, the heat sink width is 0.135 mm, and a cold junction can be provided. Therefore, in the case of the example described in the background art section, cold junctions are disposed on the heat sinks on the two sides of each absorption film, and 16 thermocouples are arranged in each absorption film.

上述した基板材上に多数形成された4行4列サーモパイルチップは一例として、材質を屈折率nが3.4であるシリコン、焦点距離fが1.95ミリメートル、中心厚tcが2ミリメートル、レンズ径6.65ミリメートルの平凸レンズを用い、レンズ主点Hからチップまでの距離1.65ミリメートルとして以下手順でアセンブリされる。   As an example, the 4 × 4 thermopile chips formed on the substrate material described above are made of silicon having a refractive index n of 3.4, a focal length f of 1.95 mm, a center thickness tc of 2 mm, and a lens. Using a plano-convex lens having a diameter of 6.65 millimeters, the distance from the lens principal point H to the tip is 1.65 millimeters, and the assembly is performed in the following procedure.

サーモパイルチップを多数形成した例えば厚0.4ミリメートルのシリコンウェハーをカット用シートに貼り付けた後、ダイシングソー等で所定寸法例えば角2.9ミリメートル等に切断加工する。このとき切りしろを考慮し、チップは例えば角2.95ミリメートルで基板材上に配置しておく。   A silicon wafer having a thickness of, for example, 0.4 mm, on which a large number of thermopile chips are formed, is attached to a cutting sheet, and then cut into a predetermined size, for example, a corner of 2.9 mm, using a dicing saw or the like. At this time, in consideration of the cutting margin, the chip is arranged on the substrate material with a square of 2.95 mm, for example.

次にカット用シートごとダイボンダーにセットし、TO−5等のステムにサーモパイルチップを例えばエポキシ系接着剤を用い所定位置にダイボンディングする。   Next, the cutting sheet is set in a die bonder, and a thermopile chip is die-bonded to a predetermined position using, for example, an epoxy adhesive on a stem such as TO-5.

その後、例えば線径0.025ミリメートルの金ワイヤーでチップ周囲ヒートシンク部に設けたパッドとステムに設けられたリードとをワイヤーボンダー等の装置を用い電気的結線する。   After that, for example, a gold wire having a wire diameter of 0.025 mm is used to electrically connect a pad provided on the heat sink portion around the chip and a lead provided on the stem using a device such as a wire bonder.

さらに、例えば直径3.5ミリメートルの円形入射窓に球面を内側としてエポキシ系接着剤等で平凸レンズを接着した缶とステムを溶接する。レンズ主点Hからチップまでの距離1.65ミリメートルは予め缶高さを設定した缶を用いることにより達成する。ここで、缶に設けた円形入射窓の軸とステム外周の軸とは、缶・ステムを嵌め合い構造を採用することにより一致させている。   Further, for example, a can and a stem having a plano-convex lens bonded with an epoxy adhesive and the like are welded to a circular incident window having a diameter of 3.5 mm with a spherical surface inside. A distance of 1.65 millimeters from the lens principal point H to the tip is achieved by using a can whose height is set in advance. Here, the axis of the circular incident window provided on the can and the axis of the outer periphery of the stem are matched by adopting a can / stem fitting structure.

以上により、球面がチップ側に位置し、チップセンサー部が平凸レンズで投影され赤外線検出域とするサーモパイルが完成となる。
図1に本発明のサーモパイル概念断面図を示す。
As described above, the thermopile in which the spherical surface is positioned on the chip side and the chip sensor unit is projected by the plano-convex lens to form the infrared detection region is completed.
FIG. 1 shows a conceptual cross-sectional view of the thermopile of the present invention.

上述例は、背景技術の項で記載したサーモパイルとチップ仕様、レンズ仕様等は同一であり、唯一平凸レンズ保持方向のみが異なる。   In the above example, the thermopile described in the background art section, the chip specification, the lens specification, and the like are the same, and only the plano-convex lens holding direction is different.

いま、平凸レンズ球面をチップ側に配置した場合、図10に示した中央センサー部対角頂点a、b及び四隅センサー部対角頂点c、dの投影像を考える。
発明が解決しようとする課題の項と同じく、簡単化のため、各点よりレンズ軸と平行方向に出射した光を考えると、レンズからの距離100ミリメートルの地点では図2に示すように、中央センサー部対角頂点a、bの投影点a’、b’間の距離は、21.52ミリメートルとなり、四隅センサー部対角頂点c、dの投影点c’、d’間の距離は41.90ミリメートルとなる。即ち従来技術では5.86倍であった距離比が1.95倍となる。面積はこれの自乗となるので、従来技術では、四隅センサー部投影面積が、中央センサー部投影面積の34.3倍となっていたのに対し、本発明例では3.8倍に低減する。
図3は本発明のサーモパイルセンサー部上の地点a、b、c、dにおけるレンズ軸と平行方向の光線軌跡を示したものである。同図は明瞭化のため缶側壁、ステムは省略している。
Now, when the plano-convex lens spherical surface is arranged on the chip side, the projected images of the central sensor part diagonal vertices a and b and the four corner sensor part diagonal vertices c and d shown in FIG. 10 are considered.
Similarly to the problem to be solved by the invention, for the sake of simplification, considering the light emitted from each point in the direction parallel to the lens axis, as shown in FIG. The distance between the projection points a ′ and b ′ of the sensor part diagonal vertices a and b is 21.52 millimeters, and the distance between the projection points c ′ and d ′ of the four corner sensor part diagonal vertices c and d is 41. 90 millimeters. That is, the distance ratio, which was 5.86 times in the prior art, becomes 1.95 times. Since the area is the square of this, in the conventional technique, the projected area of the four corner sensors is 34.3 times the projected area of the center sensor, whereas in the example of the present invention, the projected area is reduced to 3.8 times.
FIG. 3 shows the ray trajectory in the direction parallel to the lens axis at points a, b, c, and d on the thermopile sensor portion of the present invention. In the figure, the can side wall and the stem are omitted for clarity.

さらに、平凸レンズ球面をチップ側に配置した場合、上述例の四隅センサー部対角頂点dにおいて、図4に示すようにレンズ軸と+10度の角度をなす光線はレンズ平面法線に対し12.73度の角度を持つ。これは臨界角17.10度未満であるので、レンズ平面外に出射される。すなわち、従来技術では、四隅センサー部対角頂点dにはレンズ軸に対し+10度の角度をなす光線は検出域から入射されないのに対し、本発明例では入射され出力が増となる。
また、平凸レンズ球面をチップ側に配置した場合、平凸レンズの球面側主点Hは、図3に示すように球面頂点に位置するので、レンズ球面頂点とチップ間距離はレンズ主点Hとチップ間距離と同一の1.65ミリメートルとなる。即ち、従来技術ではレンズとチップ間距離は1.06ミリメートルであったものが、本発明例では0.59ミリメートル増となり、サーモパイルチップアセンブリ時のボンディングワイヤー高さ等の許容値が大となる。
また、平凸レンズ球面をチップ側に配置した場合、缶内側平面に平凸レンズ平面を接着固定するので、レンズ軸と缶の軸の角度ズレは機構的に発生せず、缶とレンズとの接着作業は容易となる。
尚、上記チップ作製手順及びアセンブリ手順に記したように本発明はアセンブリ最終工程での缶に対するレンズ保持方向変更であり、チップ作製工程・手順及びアセンブリ工程・手順の変更無しで容易に行うことができる。
また、本発明は他の仕様の平凸レンズ例えば材質シリコン、焦点距離f1.5ミリメートル、中心厚tc2ミリメートル、レンズ径6ミリメートルにも適用できる。
Further, when the plano-convex lens spherical surface is arranged on the chip side, the light beam forming an angle of +10 degrees with the lens axis at the diagonal apex d of the four-corner sensor portion in the above example is 12. It has an angle of 73 degrees. Since this is less than a critical angle of 17.10 degrees, it is emitted out of the lens plane. That is, in the prior art, the light beam having an angle of +10 degrees with respect to the lens axis is not incident on the four corner sensor portion diagonal vertex d from the detection area, but in the present invention example, the light is incident and the output is increased.
When the plano-convex lens spherical surface is arranged on the chip side, the spherical-side principal point H of the plano-convex lens is located at the spherical vertex as shown in FIG. 3, and therefore the distance between the lens spherical vertex and the chip is the lens principal point H and the chip. The distance is 1.65 mm, which is the same as the distance. That is, in the prior art, the distance between the lens and the chip was 1.06 millimeters, but in the example of the present invention, the distance is increased by 0.59 millimeters, and the allowable value such as the bonding wire height at the time of the thermopile chip assembly becomes large.
Also, when the plano-convex lens spherical surface is arranged on the chip side, the plano-convex lens plane is adhered and fixed to the inner surface of the can, so there is no mechanical misalignment between the lens axis and the can axis, and the can and lens are bonded. Becomes easy.
In addition, as described in the above chip manufacturing procedure and assembly procedure, the present invention is a lens holding direction change with respect to the can in the final assembly process, and can be easily performed without changing the chip manufacturing process / procedure and assembly process / procedure. it can.
The present invention can also be applied to plano-convex lenses of other specifications such as material silicon, focal length f1.5 mm, center thickness tc 2 mm, and lens diameter 6 mm.

本発明サーモパイルの構造を示す概念断面図である。It is a conceptual sectional view showing the structure of the present thermopile. 本発明サーモパイルのセンサー上各地点の投影位置を示す図である。It is a figure which shows the projection position of each point on the sensor of this invention thermopile. 本発明サーモパイルにおけるセンサー部上各地点のレンズ軸平行方向光線の軌跡を示した図である。It is the figure which showed the locus | trajectory of the lens axis parallel direction light ray of each point on a sensor part in this invention thermopile. 本発明サーモパイルにおけるレンズ周囲に配置されたセンサー部上地点のレンズ軸と+10度の角度なす光線の軌跡を示した図である。It is the figure which showed the locus | trajectory of the light ray which makes an angle of +10 degree | times with the lens axis of the sensor part upper point arrange | positioned around the lens in this invention thermopile. 従来サーモパイルの構造を示す概念断面図である。It is a conceptual sectional view showing the structure of a conventional thermopile. 従来サーモパイルのセンサー上各地点の投影位置を示す図である。It is a figure which shows the projection position of each point on the sensor of the conventional thermopile. 従来サーモパイルにおけるセンサー部上各地点のレンズ軸平行方向光線の軌跡を示した図である。It is the figure which showed the locus | trajectory of the lens-axis parallel direction light ray of each point on the sensor part in the conventional thermopile. 従来サーモパイルにおけるレンズ周囲に配置されたセンサー部上地点のレンズ軸と+10度の角度なす光線の軌跡を示した図である。It is the figure which showed the locus | trajectory of the light ray which makes a +10 degree angle with the lens axis of the sensor part upper point arrange | positioned around the lens in the conventional thermopile. 4行4列サーモパイルチップの構造を示す斜視概念図である。It is a perspective view showing the structure of a 4 × 4 thermopile chip. 4行4列サーモパイルチップのセンサー部配置を示した図である。It is the figure which showed sensor part arrangement | positioning of a 4 row 4 column thermopile chip | tip.

符号の説明Explanation of symbols

1平凸レンズ
2サーモパイルチップ
3サーモパイルチップセンサー部
4缶
5入射窓
6ステム
7リード
8ボンディングワイヤー
9温接点
10冷接点
11熱電対
12ダイヤフラム構成膜
13絶縁保護膜
14パッド
15負電圧出力共通パッド
16周囲ヒートシンク
1 Plano-convex lens 2 Thermopile chip 3 Thermopile chip sensor part 4 Can 5 Incident window 6 Stem 7 Lead 8 Bonding wire 9 Hot junction 10 Cold junction 11 Thermocouple 12 Diaphragm component film 13 Insulating protective film 14 Pad 15 Negative voltage output common pad 16 Around heatsink

Claims (1)

二種の物質で構成された熱電対でダイヤフラム上に温接点を形成し、周囲ヒートシンク部上に冷接点を形成し、温接点上に吸収膜を設置し複数のセンサー部とするチップを形成し、さらにセンサー部を平凸レンズで投影し検出域とするサーモパイルにおいて、平凸レンズ球面をチップ側に位置させたことを特徴とするサーモパイル。   A thermocouple composed of two kinds of materials is used to form a hot junction on the diaphragm, a cold junction on the surrounding heat sink, and an absorption film on the hot junction to form a chip that forms multiple sensors. Further, in the thermopile in which the sensor unit is projected with a plano-convex lens and used as a detection area, the spherical surface of the plano-convex lens is located on the chip side.
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