JP2006214758A - 赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】 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と、検出部２０と、赤外線吸収膜３０、赤外線反射膜４０とを備える。基板１０は、空洞部１１を備え、この空洞部１１上を含む基板１０の上面には、メンブレン１３としての絶縁膜１２が形成されている。検出部２０は、熱容量の小さいメンブレン１３上に形成される温接点２０ｃ、メンブレン１３の外側における熱容量の大きい基板１０上に形成される冷接点２０ｄなどを備える。そして、赤外線吸収膜３０は、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。さらに、赤外線反射膜４０は、赤外線吸収膜３０以外の領域に形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、赤外線検出器に関するものである。

従来、温接点と冷接点とを備える熱電対を用いた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、温接点上には、赤外線吸収層が形成される。さらに、金属層は、犠牲層（薄膜）以外への赤外線の入射を防ぐためのものであり、この薄膜の周囲に形成されるものである。
特許６−１３７９４３号公報

しかしながら、特許文献１に示す赤外線検出器は、赤外線吸収層の周囲が完全に金属で覆われているわけでない。したがって、入射された赤外線が赤外線吸収層以外の領域に入射される可能性がある。このため、冷接点の温度が上昇し、温接点と冷接点との温度差が低減するために検出感度が低下する可能性がある。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、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、薄肉部としてのメンブレンを備える基板と、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、少なくとも温接点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、基板の表面部において赤外線吸収膜の周辺全面に形成されるものであり、メンブレン、基板及び熱電対における赤外線の反射率よりも赤外線の反射率が高い赤外線反射膜とを備えることを特徴とするものである。

このように、赤外線吸収膜の周辺全面にメンブレン、基板及び熱電対における赤外線の反射率よりも赤外線の反射率が高い赤外線反射膜を設けることによって、冷接点や冷接点の周辺などの赤外線吸収膜以外の領域に赤外線が入射されることを抑制することができる。したがって、赤外線が照射された場合の冷接点における温度上昇を抑えることができるため、温接点と冷接点との温度差が高くなり、赤外線検出器の感度を向上させることができる。なお、赤外線反射部は、請求項２に示すように、熱電対上に形成することができる。

また、請求項３に記載の赤外線検出器では、赤外線反射膜は、熱電対と赤外線吸収膜との間にも形成されることを特徴とするものである。

赤外線吸収膜は、入射された赤外線の一部を透過することがありうる。しかしながら、請求項３に示すように、赤外線反射膜を熱電対と赤外線吸収膜との間に形成することによって、赤外線吸収膜を透過した赤外線を赤外線反射膜にて反射させて赤外線吸収膜に再度吸収させることができる。したがって、入射された赤外線を効率よく赤外線吸収膜に吸収させることができる。

また、赤外線反射膜は、請求項４に示すように、赤外線吸収膜下の熱電対と基板との間に形成しても、赤外線吸収膜を透過した赤外線を赤外線反射膜にて反射させて赤外線吸収膜に再度吸収させることができる。

また、請求項５に記載の赤外線検出器では、基板を搭載する台座と、台座と接合することによって熱電対、赤外線吸収膜、赤外線反射膜が形成された基板を収納するものであり、略赤外線のみを内部に入射させる赤外線フィルターを備えるキャップとを備えることを特徴とするものである。

このように、熱電対、赤外線吸収膜、赤外線反射膜が形成された基板を収納するキャップに、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備えることによって、効率よく赤外線のみをキャップ内に入射させることができる。

また、請求項６に記載の赤外線検出器では、赤外線フィルターは、赤外線吸収膜と対向する位置に設けられることを特徴とするものである。

このように、キャップの赤外線吸収膜に対向する位置に設けることによって、効率的に赤外線吸収膜に赤外線を入射させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。

（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、赤外線反射膜４０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、本実施形態における説明は省略する。

赤外線反射膜４０は、赤外線吸収膜３０以外の領域に赤外線が入射されるのを防止するためのものである。この赤外線反射膜４０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、赤外線反射膜４０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、赤外線反射膜４０は、周知の蒸着、スパッタリングなどによって赤外線反射膜４０の周辺全面に形成することができる。

このように本実施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と共に、赤外線反射膜４０によって赤外線は入射されない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。また、本実施の形態においては、赤外線吸収膜３０の周辺全面に赤外線反射膜４０を形成しているので、温接点２０ｃと冷接点２０ｄとの温度差がより一層大きくなり感度が向上する。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。

本実施形態における赤外線検出器２００は、上述の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効率的に赤外線センサ素子１００の赤外線吸収膜３０に入射される。また、この赤外線フィルター３２１ｂは、赤外線センサ素子１００に形成される赤外線吸収膜３０に対向する位置に設けることによって、より一層効率的に赤外線吸収膜３０に赤外線を入射させることができる。

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３は、本発明の第１の変形例における赤外線センサ素子の概略構成を示す断面図である。図４は、本発明の第１の変形例における赤外線反射膜による反射を説明する部分的な拡大断面図である。

上述の実施の形態においては、赤外線反射膜４０は、赤外線吸収膜３０の周辺のみ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、赤外線反射膜４０を赤外線吸収膜３０の下側に形成してもよい。すなわち、図３に示すように、赤外線吸収膜３０と赤外線吸収膜３０下の熱電対との間にも赤外線反射膜４０を設けるようにしてもよい。

赤外線吸収膜３０は、入射された赤外線の一部を透過することがありうる。そこで、本変形例のように、赤外線反射膜４０を赤外線吸収膜３０と赤外線吸収膜３０下の熱電対との間にも設けることによって、図４に示すように、赤外線吸収膜３０を透過した赤外線を赤外線反射膜４０にて反射させて、再度赤外線吸収膜３０に吸収させることができる。

したがって、赤外線反射膜４０を赤外線吸収膜３０と赤外線吸収膜３０下の熱電対との間にも設けることによって、入射された赤外線を効率よく赤外線吸収膜３０に吸収させることができる。

（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センサ素子の概略構成を示す断面図である。

上述の実施の形態においては、赤外線反射膜４０は、赤外線吸収膜３０の周辺、もしくは赤外線吸収膜３０と赤外線吸収膜３０下の熱電対との間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２の変形例として、図５に示すように、赤外線反射膜４０を赤外線吸収膜３０下の熱電対と基板１０（絶縁膜１２）との間に形成してもよい。

このように、赤外線反射膜４０を赤外線吸収膜３０下の熱電対と基板１０（絶縁膜１２）との間に形成することによっても、赤外線吸収膜３０を透過した赤外線を赤外線反射膜４０にて反射させて、再度赤外線吸収膜３０に吸収させることができる。したがって、入射された赤外線を効率よく赤外線吸収膜３０に吸収させることができる。

なお、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。

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の変形例における赤外線センサ素子の概略構成を示す断面図である。 本発明の第１の変形例における赤外線反射膜による反射を説明する部分的な拡大断面図である。 本発明の第２の変形例における赤外線センサ素子の概略構成を示す断面図である。

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、４０ 赤外線反射膜、１００ 赤外線センサ素子、１１０ 接着剤、２００ 赤外線検出器、３００ 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、４００ 処理回路、４１０ 接着剤

Claims (6)

1. 薄肉部としてのメンブレンを備える基板と、
   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、
   少なくとも前記温接点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、
   前記基板の表面部において前記赤外線吸収膜の周辺全面に形成されるものであり、前記メンブレン、前記基板、及び前記熱電対における赤外線の反射率よりも赤外線の反射率が高い赤外線反射膜と、
   を備えることを特徴とする赤外線検出器。
2. 前記赤外線反射膜は、前記熱電対上に形成さ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. 前記赤外線反射膜は、前記熱電対と前記赤外線吸収膜との間にも形成され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. 前記赤外線反射膜は、前記赤外線吸収膜下の前記熱電対と前記基板との間にも形成され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. 前記基板を搭載する台座と、前記台座と接合することによって前記熱電対、前記赤外線吸収膜、前記赤外線反射膜が形成された前記基板を収納するものであり、略赤外線のみを内部に入射させる赤外線フィルターを備えるキャップとを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の赤外線検出器。
6. 前記赤外線フィルターは、前記赤外線吸収膜と対向する位置に設けられることを特徴とする請求項５に記載の赤外線検出器。

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