JP2006208177A - 赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】 赤外線を効率よく赤外線吸収膜に入射させ検出感度を向上させることができる赤外線検出器を提供すること。
【解決手段】 赤外線検出器２００は、赤外線センサ素子１００が、台座３１０とキャップ３２０からなるケース３００内に配置されて構成される。赤外線センサ素子１００は、基板１０、検出部２０、赤外線吸収膜３０を備える。そして、赤外線検出器２００は、台座３１０上に処理回路４００が接着剤４１０にて固定され、その処理回路４００上に赤外線センサ素子１００が接着剤１１０にて固定されている。この状態で、キャップ３２０が台座３１０との間に形成する空間内に赤外線センサ素子１００及び処理回路４００を収納するように台座３１０に組み付けられている。このキャップ３２０は、金属系の材料からなり、内側表面（赤外線センサ素子１００を収納する側）に赤外線に対する反射率が高い反射膜３３０を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、赤外線検出器に関するものである。

従来、赤外線検出器に入射される赤外線を効率よく吸収するための赤外線検出器として特許文献１に示すものがあった。

特許文献１に示す赤外線検出器は、シリコン基板上に形成される、赤外線反射率の高い金属層、犠牲層（キャビティ）、サーモパイルパタン、赤外線吸収層などを備える。サーモパイルパタンの温接点は、キャビティとなる犠牲層の上部に形成され、冷接点は窒化膜を介してシリコン基板上に形成される。また、温接点上に赤外線吸収層が形成される。そして、特許文献１に示す赤外線検出器は、赤外線吸収層を透過してきた赤外線が、金属層にて反射され、再度、赤外線吸収層にて吸収させる。
特開平６−１３７９４３号公報

特許文献１に示す赤外線検出器は、赤外線吸収膜を透過した赤外線を再度赤外線吸収層に吸収させることはできる。しかしながら、赤外線は、赤外線吸収層以外の領域に入射され反射されてしまうこともありうる。このため赤外線を効率よく赤外線吸収層に入射させることができなかった。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、赤外線を効率よく赤外線吸収膜に入射させ検出感度を向上させることができる赤外線検出器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の赤外線検出器は、少なくとも一部が赤外線吸収膜によって覆われる赤外線センサ素子と、赤外線センサ素子を搭載する台座と、台座と接合することによって赤外線センサ素子を収納するキャップと、キャップの内側表面に形成されるものであり、そのキャップにおける赤外線の反射率よりも赤外線の反射率が高い材料からなる反射部とを備えることを特徴とするものである。

このように、赤外線センサ素子を収納するキャップの内側表面に、キャップにおける赤外線の反射率よりも高い赤外線の反射率を有する材料からなる反射部を設けることによって、赤外線センサ素子の赤外線吸収膜に効率よく赤外線を入射させることができるので赤外線検出器の感度を向上させることができる。

また、反射部は、請求項２に示すように、キャップの内側表面の赤外線センサ素子の高さ以上の部位に設ければよい。

また、赤外線を反射する反射部としては、請求項３に示すように、赤外線を反射する赤外線反射膜とすることができる。

また、請求項４に記載の赤外線検出器では、キャップは、略赤外線のみをキャップ内に入射させる赤外線フィルターを備えることを特徴とするものである。

このように、キャップに略赤外線のみをキャップ内に入射させる赤外線フィルターを設けることによって、効率よく赤外線をキャップ内に入射させることができる。さらに、赤外線フィルターは、請求項５に示すように、キャップの赤外線センサ素子に対向する位置に設けることによって、効率的に赤外線センサ素子に赤外線を入射させることができる。

また、請求項６に示すように、メンブレン部を有する基板と、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とを備えるものとすることができる。

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

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における赤外線検出器のうち、赤外線センサ素子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）はセンサ出力の取り出しを示す模式図である。図２は、本発明の第１の実施の形態における赤外線検出器の概略構成を示す図である。図３は、本発明の第１の実施の形態における赤外線検出器と従来技術における赤外線検出器との検出感度の違いを示すグラフである。

図１（ａ）に示すように、赤外線センサ素子１００は、基板１０と、検出部２０と、赤外線吸収膜３０とを備える。

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空洞部１１が形成されている。本実施の形態において、空洞部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、空洞部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、空洞部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、本実施の形態においては、ＣＶＤ法等により、絶縁膜１２として、基板１０上に窒化シリコン膜が形成され、その上面に酸化シリコン膜が形成されている。

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素子１００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。

検出部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、アルミニウム膜と多結晶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、絶縁膜１２上に多結晶シリコン膜が形成され、ＢＰＳＧ（Boron−doped Phospho−Silicate Glass）等からなる層間絶縁膜を介して、アルミニウム膜が形成されている。尚、アルミニウム膜は層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して、各他結晶シリコン膜の端部間を接続しており、検出部２０の一部を構成するとともに、検出部２０と電極とを接続している。

このような熱電対を有する検出部２０を持つ赤外線センサ素子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、検出部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、検出部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。

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、検出部２０の少なくとも温接点２０ｃを含む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。本実施の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部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２０ｃを被覆しつつメンブレン１３上に形成されている。尚、本実施の形態においては、図示されない窒化シリコン膜等の保護膜を介して検出部２０の少なくとも一部を被覆するように赤外線吸収膜３０が形成されている。

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、本実施の形態における説明は省略する。

このように本実施の形態の赤外線センサ素子１００は、検出部（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、検出部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部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、検出部２０の出力Ｖｏｕｔとなる。

次に、赤外線検出器２００について、図２を用いて説明する。尚、図２は、本発明の第１の実施の形態における赤外線検出器の概略構成を示す図である。図３は、本発明の第１の実施の形態における赤外線検出器とキャップに反射膜を設けていない赤外線検出器との検出感度の違いを示すグラフである。

本実施の形態における赤外線検出器２００は、上述ように構成される赤外線センサ素子１００が、台座３１０とキャップ３２０からなるケース３００内に配置されて構成される。

図２に示すように、赤外線検出器２００は、台座３１０上に処理回路４００が接着剤４１０にて固定され、その処理回路４００上に赤外線センサ素子１００が接着剤１１０にて固定されスタック実装されている。

台座３１０には、厚さ方向（紙面、上下方向）に貫通し、貫通部がハーメチックシールされた外部出力端子としてのターミナルＴが設けられており、ターミナルＴと処理回路４００との間がボンディングワイヤにより電気的に接続されている。なお、図示しないが赤外線センサ素子１００と処理回路４００との間もボンディングワイヤにより電気的に接続されている。そして、この状態で、キャップ３２０が台座３１０との間に形成する空間内に赤外線センサ素子１００及び処理回路４００を収納するように、台座３１０に組み付けられている。

キャップ３２０は、金属系の材料からなる例えば円筒形状を有しており、台座３１０と対向する上部に、赤外線センサ素子１００の赤外線吸収膜３０に対応し、赤外線を透過する入射部３２１が形成されている。この入射部３２１は、キャップ３２０の上部に形成された開口部３２１ａと、その開口部３２１ａを覆うように、キャップ３２０の内面側に気密に固定された赤外線フィルター３２１ｂとにより構成されている。従って、赤外線は入射部３２１を通過する際に、赤外線の波長領域のみが選択的に透過されて赤外線センサ素子１００の赤外線吸収膜３０に入射される。

また、キャップ３２０は、内側表面（赤外線センサ素子１００を収納する側）に赤外線に対する反射率が高い反射膜３３０を備える。この反射膜３３０の材料は、赤外線に対する反射率が高いものであれば良く、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇなどを用いることができる。また、反射膜３３０は、屈折率の異なる誘電体を交互に積層することによって形成される多層膜の反射膜であってもよいし、赤外線に対する反射率が高いものであれば樹脂などでもよい。なお、反射膜３３０は、周知の蒸着、スパッタリング、鍍金などによってキャップ３２０に形成することができる。また、反射膜３３０は、赤外線に対する反射率が高いプレートなどをキャップ３２０の内側表面に設けるようにしてもよい。

この反射膜３３０は、赤外線フィルター３２１ｂから入射された赤外線を効率よく赤外線吸収膜３０に入射させるためのものである。通常、赤外線フィルター３２１ｂから入射された赤外線は、赤外線吸収膜３０のみに入射されるわけではなく、その他の領域、すなわち赤外線吸収膜３０の周辺などにも入射される。この赤外線吸収膜３０の周辺領域などは赤外線を反射することがありうる。そのため、赤外線吸収膜３０以外の領域にて反射した赤外線は、金属系の材料からなるキャップ３２０の内側表面に入射され、キャップ３２０に吸収される可能性があった。

従って、本実施の形態のように、キャップ３２０の内側表面に赤外線に対する反射率が高い反射膜３３０を設けることによって、赤外線吸収膜３０以外の領域で反射された赤外線が、再度反射膜３３０にて反射して赤外線吸収膜３０に入射されやすくなる。

このように、キャップ３２０の内側表面に反射膜３３０を設けた場合と、反射膜３３０を設けなかった場合とで感度を比較してみたところ、図３に示すような結果となった。図３に示すように、キャップ３２０の内側表面に反射膜３３０を設けることによって、キャップ３２０に反射膜３３０を設けなかった場合に比べて感度が向上していることがわかる。また、反射膜３３０の材料、厚みなどを調節することによって、赤外線検出器２００の感度を調節することも可能である。

また、本実施の形態において、赤外線センサ素子１００が処理回路４００を介して台座３１０上に固定されている例を示したが本発明はこれに限定されるものではない。赤外線センサ素子１００が、基板１０のメンブレン１３形成面の裏面にて、台座３１０上に直接固定（例えば接着により）される構成としても良い。

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ことができる。

（第１の変形例）
次に、第１の変形例について説明する。図４は、本発明の第１の変形例における赤外線検出器の概略構成を示す図である。上述の実施の形態においては、反射膜３３０は、キャップ３２０の内側表面の略全体に設ける例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。第１の変形例として、反射膜３３０を部分的にキャップ３２０に形成してもよい。すなわち、図４に示すように、反射膜３３０は、キャップ３２０の赤外線センサ素子１００の高さ以上の部位のみに設けるようにしてもよい。このように、反射膜３３０をキャップ３２０の赤外線センサ素子１００の高さ以上の部位のみに設けるようにしても、赤外線吸収膜３０の周辺領域などで反射した赤外線を赤外線吸収膜３０に再度吸収させるには効果的である。

（第２の変形例）
次に、第２の変形例について説明する。図５は、本発明の第２の変形例における赤外線検出器の概略構成を示す図である。上述の実施の形態においては、赤外線センサ素子１００の基板１０に形成された空洞部１１が、基板１０のメンブレン１３形成面の裏面側のみに開口する例を示した。しかしながら、図５に示すように基板１０のメンブレン１３形成面の裏面側に閉じた空洞部１１を有する赤外線センサ素子１００にも本発明を適用することができる。その場合、空洞部１１は、エッチングホールを形成し、メンブレン１３の形成面側から基板１０をエッチングすることにより、形成することができる。

なお、本実施の形態においいては、赤外線センサ素子１００として、サーモパイル型を用いた例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。赤外線を検出するものであれば本発明の目的は達成できるものであり、抵抗体を備えるボロメータ型の焦電体を備える焦電型であってもよいし、さらには、量子型の赤外線センサ素子であってもよい。

本発明の第１の実施の形態における赤外線検出器のうち、赤外線センサ素子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）はセンサ出力の取り出しを示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態における赤外線検出器の概略構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における赤外線検出器とキャップに反射膜を設けていない赤外線検出器との検出感度の違いを示すグラフである。 本発明の第１の変形例における赤外線検出器の概略構成を示す図である。 本発明の第２の変形例における赤外線検出器の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０ 基板、１１ 空洞部、１２ 絶縁膜、１３ メンブレン、２０ 検出部（熱電対）、２０ａ，２０ｂ 異種材料、２０ｃ 温接点、２０ｄ 冷接点、３０ 赤外線吸収膜、１００ 赤外線センサ素子、１１０ 接着剤、２００ 赤外線検出器２００ ケース、３１０ 台座、３２０ キャップ、３２１ 入射部、３２１ａ 開口部、３２１ｂ 赤外線フィルター、３３０ 反射膜、４００ 処理回路、４１０ 接着剤

Claims (6)

1. 少なくとも一部が赤外線吸収膜によって覆われる赤外線センサ素子と、
   前記赤外線センサ素子を搭載する台座と、
   前記台座と接合することによって前記赤外線センサ素子を収納するキャップと、
   前記キャップの内側表面に形成されるものであり、当該キャップにおける赤外線の反射率よりも赤外線の反射率が高い材料からなる反射部と、
   を備えることを特徴とする赤外線検出器。
2. 前記反射部は、前記赤外線センサ素子の高さ以上の部位に設けられることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
3. 前記反射部は、赤外線を反射する赤外線反射膜であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の赤外線検出器。
4. 前記キャップは、略赤外線のみを当該キャップ内に入射させる赤外線フィルターを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の赤外線検出器。
5. 前記赤外線フィルターは、前記赤外線センサ素子と対向する位置に設けられることを特徴とする請求項４に記載の赤外線検出器。
6. 前記赤外線センサ素子は、メンブレン部を有する基板と、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とを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の赤外線検出器。

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