JP2007085917A - 赤外線アレイセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 赤外線測定用センサ素子の感度のばらつきを極力小さくすることができるとともに、センサ素子受光面等の破損や傷付きをなくして製品歩留まりを向上することができる赤外線アレイセンサを提供する。
【解決手段】 シリコン基板４の同一平面上に複数個の赤外線測定用センサ素子５が縦横マトリックス状に設けられているとともに、これら赤外線測定用センサ素子５の受光部に対応する位置に赤外線集光孔７を有する集光用ミラー３がシリコン基板４上に対向状態に固定されている赤外線アレイセンサにおいて、シリコン基板４と集光用ミラー３との互いに対向する面間に、径の等しい真球状のガラスビース９を介在させて各センサ素子５と集光用ミラー３との間の間隔ｔを全域に亘って一様に規定している。
【選択図】 図２
【解決手段】 シリコン基板４の同一平面上に複数個の赤外線測定用センサ素子５が縦横マトリックス状に設けられているとともに、これら赤外線測定用センサ素子５の受光部に対応する位置に赤外線集光孔７を有する集光用ミラー３がシリコン基板４上に対向状態に固定されている赤外線アレイセンサにおいて、シリコン基板４と集光用ミラー３との互いに対向する面間に、径の等しい真球状のガラスビース９を介在させて各センサ素子５と集光用ミラー３との間の間隔ｔを全域に亘って一様に規定している。
【選択図】 図２
Description
本発明は、例えば人体や配電盤、空調機器など各種物体の表面温度分布の計測、あるいは、ビルや高架橋などの建築物の老朽化点検、断熱材の劣化診断、さらには食品の温度検査や衣類の保温効果測定等々に使用される赤外線アレイセンサに関する。詳しくは、半導体基板の同一平面上に複数個の赤外線測定用センサ素子が縦横マトリックス状に設けられてなり、被測定物から放射される赤外線を各センサ素子に入射させることにより、その被測定物表面の複数点の温度を測定して赤外線画像が得られるように構成されている赤外線アレイセンサに関する。
この種の赤外線アレイセンサにおいては、被測定物から放射される赤外線を各センサ素子の受光部に効率よく入射させて感度の増大が図れるようにするために、各センサ素子の受光部に対応する位置にそれぞれ赤外線集光孔を有する集光用ミラーが半導体基板に対向状態に設けられている。この集光用ミラーを半導体基板に重なるように固定するにあたって、従来では、両者の対向面（集光用ミラーの裏面及び半導体基板の表面）間に接着剤を挟在させて両面が密着するように接着して積層固定する手段が採用されていた（例えば、特許文献１参照）。
また、この種の赤外線アレイセンサにおいて、周囲環境温度の変化などによる外乱ノイズを軽減して正確かつ安定よい温度測定が行えるようにするために、複数個の赤外線測定用センサ素子と同一平面上の半導体基板部分に温度補償用素子を設け、この温度補償用素子への赤外線の入射を阻止するための遮光部分を集光用ミラーに形成し、この集光用ミラーと半導体基板とを、両者の対向面（集光用ミラーの裏面及び半導体基板の表面）間に接着剤を挟在させて両面が密着するように接着して積層固定してなる構造の赤外線アレイセンサを本出願人は先に特許出願している（特願２００４−０８１４８０号、以下、先願発明という）。
しかし、上記したように接着剤を用いて集光用ミラーを半導体基板に積層固定する従来及び先願発明の赤外線アレイセンサでは、接着剤の厚みにより両者の対向面間に数十μｍ程度の隙間が生じ、その隙間が接着剤の塗布量の不均一性などによってばらつきやすい。このような隙間のばらつきに起因して複数個のセンサ素子と集光用ミラーとの間隔が全域に亘り一様でなく、場所によって異なるために、各センサ素子個々及びセンサ素子間において感度にばらつきを生じるという問題がある。また、熱型の赤外線アレイセンサは薄膜構造であって機械的強度が弱いのが一般的であり、組立時に集光用ミラーが各センサ素子の受光面などに接触あるいは擦れることで、薄膜部が破損したり、傷付けたりしやすく、それだけ製品歩留まりが悪化しやすいという問題があった。
また、温度補償用素子を設けた先願発明の赤外線アレイセンサにおいては、集光用ミラーと半導体基板との互いに対向する面間の隙間のばらつきに起因して各センサ素子及び温度補償用素子からの熱の逃げ具合が変化し各素子の熱収支のバランスが崩れて温度分布を生じ、その結果、環境温度の変化などによる外乱ノイズを正確に補償することができないという問題もあった。
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その主たる目的は、各センサ素子の感度のばらつきを極力小さくすることができるとともに、センサ素子受光面等の破損や傷付きをなくして製品歩留まりを向上することができる赤外線アレイセンサを提供することある。
また、本発明の他の目的は、上記目的に加えて、環境温度変化などによる外乱ノイズを正確に補償することができる赤外線アレイセンサを提供することにある。
上記主たる目的を達成するために、請求項１の発明（以下、第１発明という）に係る赤外線アレイセンサは、半導体基板の同一平面上に複数個の赤外線測定用センサ素子が縦横マトリックス状に設けられているとともに、これら複数個の赤外線測定用センサ素子の受光部に対応する位置にそれぞれ赤外線集光孔を有する集光用ミラーが前記半導体基板に対向状態に設けられている赤外線アレイセンサにおいて、前記半導体基板と前記集光用ミラーとの互いに対向する面間に、等しい厚みを有する複数個のスペーサ部材を介在させて前記複数個の赤外線測定用センサ素子と前記集光用ミラーとの間の間隔を全域に亘って一様に規定していることを特徴としている。
また、上記他の目的を達成するために、請求項２の発明（以下、第２発明という）に係る赤外線アレイセンサは、半導体基板の同一平面上に複数個の赤外線測定用センサ素子が縦横マトリックス状に設けられているとともに、これら複数個の赤外線測定用センサ素子と同一平面上の半導体基板部分に温度補償用素子が設けられ、前記複数個の赤外線測定用センサ素子の受光部に対応する位置にそれぞれ赤外線集光孔を有し、かつ、前記温度補償用素子に対応する位置に該温度補償用素子への赤外線の入射を阻止する遮光部分を有する集光用ミラーが前記半導体基板に対向状態に設けられている赤外線アレイセンサにおいて、前記半導体基板と前記集光用ミラーとの互いに対向する面間に、等しい厚みを有する複数個のスペーサ部材を介在させて前記複数個の赤外線測定用センサ素子及び温度補償用素子と前記集光用ミラーとの間の間隔を全域に亘って一様に規定していることを特徴としている。
上記のような特徴構成を有する第１発明に係る赤外線アレイセンサによれば、半導体基板と前記集光用ミラーとの間の間隔が複数個のスペーサ部材により全域に亘って一様に規定されているので、各センサ素子個々及びセンサ素子間における感度のばらつきを極力小さくすることができる。しかも、集光用ミラーを半導体基板に固定する組立時に、集光用ミラーが薄膜で機械的強度の弱い各センサ素子の受光面などに接触あるいは擦れることを避けることができので、受光面が傷付けたり、薄膜部が破損したりすることをなくして製品歩留まりを大幅に向上することができるという効果を奏する。
また、上記のような特徴構成を有する第２発明に係る赤外線アレイセンサによれば、上述したように、各センサ素子個々及びセンサ素子間における感度のばらつきを極力小さくでき、かつ、製品歩留まりを向上できる効果に加えて、温度補償用素子と集光用ミラーとの間の間隔も複数個の赤外線測定用センサ素子と集光用ミラーとの間の間隔と同様に規定して全ての素子の熱収支のバランスを均等化し温度分布の発生をなくすることができるので、温度補償用素子による効果、すなわち、環境温度の変化などによる外乱ノイズの補償を正確に行うことができ、どのような環境下での使用時にも常に安定よい出力を得ることができるという効果を奏する。
そして、上記第１発明及び第２発明に係る赤外線アレイセンサにおいて、半導体基板と集光用ミラーとの間の間隔を規定する複数個のスペーサ部材としては、金バンプや銀バンプを用い、超音波圧着により半導体基板と集光用ミラーとを固定してもよく、また、真球状、ローラ状、角駒状など種々形態のピース状スペーサ部材を用い、そのピース状スペーサ部材を半導体基板と集光用ミラーとの互いに対向する面のそれぞれに接着剤が食み出ないように接着することで両者を固定してもよい。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る赤外線アレイセンサ１全体の概略平面図、図２は図１のＡ−Ａ’線に沿った要部の拡大断面図であり、この赤外線アレイセンサ１は、受光チップ２とこれの一方の面に対向するように配置される集光用ミラー３とからなる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る赤外線アレイセンサ１全体の概略平面図、図２は図１のＡ−Ａ’線に沿った要部の拡大断面図であり、この赤外線アレイセンサ１は、受光チップ２とこれの一方の面に対向するように配置される集光用ミラー３とからなる。
前記受光チップ２を構成する平面視矩形状のシリコン基板（半導体基板の一例）４の一方の面４ａ上には、図３の（ａ）に示すように、縦横方向でｍ個×ｎ個、例えば８個×７個の赤外線測定用センサ素子５が一定間隔を隔ててドットマトリックス状に作製されており、これによって、ｍ列、例えば８列のセンサアレイ６が形成されている。
一方、前記シリコン基板４と相似形で該シリコン基板４よりも少し小さい平面視矩形状の集光ミラー３には、図３の（ｂ）に示すように、受光チップ２におけるｍ個×ｎ個の赤外線測定用センサ素子５の各受光部５ａに対応する位置それぞれにｍ個×ｎ個の赤外線集光孔７が形成されている。これら各赤外線集光孔７の周面には、例えば金スパッタリングなどにより高反射率の薄膜８が形成されており、集光孔７に入射する赤外線ＩＲが孔周面で吸収されることを少なくして、測定用センサ素子５の受光部５ａに集光されるように構成されている。
そして、図３の（ｂ）に示すような構成の集光ミラー３の裏面３ａとシリコン基板４ａの表面との互いに対向する面３ａ，４ａ間で集光ミラー３およびシリコン基板４の四隅部にはそれぞれ等しい厚みを有するスペーサ部材の一例として、径ｄが一定の真球状のガラスビーズ９が介装され、これら真球状ガラスビーズ９によって、図２に示すように、前記シリコン基板４と前記集光用ミラー３とは両者間の間隔ｔが両者４，３の対向する面の全域に亘って一様に規定されるように固定されている。
このシリコン基板４と集光用ミラー３との互いに対向する面の固定手段を詳細に説明すると、まず、図４の（ａ）に示すように、シリコン基板４の表面上に液状接着剤１０ａを点滴状に塗布して、その上にガラスビーズ９を置くと、このガラスビーズ９が沈み込んで図４の（ｂ）に示すように、接着剤１０ａがガラスビーズ９の両側部分に垂れ下がり付着されて硬化し該ガラスビーズ９がシリコン基板４に固定される。次に、図４の（ｃ）に示すように、シリコン基板４に固定されたガラスビーズ９の露出頂部に再度、液状接着剤１０ｂを塗布し、その接着剤１０ｂが硬化する前にガラスビーズ９の上に集光用ミラー３を載置すると、この集光用ミラー３の重量により接着剤１０ｂが図４の（ｄ）に示すように、ガラスビーズ９の露出頂部の両側部分に押し下げられて該ガラスビーズ９が集光用ミラー３の裏面に固定される。これによって、シリコン基板４と集光用ミラー３とがガラスビーズ９の径ｄと等しい間隔ｔに規定されて接着剤１０ａ，１０ｂを介して固定される。
前記赤外線測定用センサ素子５としては、図５及び図６に示すように構成されたものを使用している。すなわち、シリコン基板４の上面にＳｉＯ2 薄膜１１が形成され、このＳｉＯ2 薄膜１１上に、サーモパイルセンサ１２が形成されたメンブレン構造に構成されており、さらにサーモパイルセンサ１２上に絶縁膜１３を介して赤外線吸収膜１４が形成されている。
なお、前記赤外線測定用センサ素子５に使用されているサーモパイルセンサ１２は、アルミ１２ａとポリシリコン１２ｂという異種金属からなり、ペルチェ効果により、その温接点１２ｃを冷却し冷接点１２ｄを熱する方向の熱起電力を発生する熱電対（サーモカップル）を直列に数十対つないで構成されたものである。
上記第１実施形態の赤外線アレイセンサ１によれば、シリコン基板４と集光用ミラー３との間の間隔ｔが、両者４，３の対向する面の全域に亘って、それらの四隅部に配置介装されたガラスビーズ９の径ｄと等しい間隔で一様に規定されているので、各センサ素子５個々及びセンサ素子５間における感度のばらつきを極力小さく抑えることができる。また、集光用ミラー３をシリコン基板４に両者３，４の面が対向するようにして固定する組立時に、集光用ミラー３が薄膜で機械的強度の弱い各センサ素子５の受光面などに接触あるいは擦れることを避けれるので、受光面が傷付けたり、薄膜部が破損したりすることをなくして製品歩留まりを大幅に向上することができる。
図７は、第２実施形態を示し、図７は赤外線アレイセンサ１´全体の概略平面図であり、図８は図７のＢ−Ｂ’線に沿った要部の拡大断面図であり、この赤外線アレイセンサ１´は、図１および図２に示した第１実施形態の赤外線アレイセンサ１と基本的に同様な構成を有しているとともに、各列のセンサアレイ６の端部に位置するｍ個の測定用センサ素子５に隣接するシリコン基板２の端部分に、前記各測定用センサ素子５と同一平面上に並べてｍ個、例えば８個の温度補償用素子１５が列状に形成され、かつ、集光用ミラー３には、受光チップ２におけるｍ個の温度補償用素子１５に対応する位置に無孔でそれら温度補償用素子１５への赤外線ＩＲの入射を防止する帯状の遮光部分１６が形成されている。なお、図７において、１７は信号出力部、１８は出力選択回路である。
そして、図９の（ｂ）に示すように、各測定用センサ素子５の受光部５ａに対応する位置に赤外線集光孔７が、また、温度補償用素子１５に対応する位置に帯状の遮光部分１６が形成されている集光ミラー３の裏面とシリコン基板４の表面との対向面間で集光ミラー３およびシリコン基板４の四隅部にはそれぞれ等しい厚みを有するスペーサ部材の一例として、径ｄが一定の真球状のガラスビーズ９が介在され、これら真球状ガラスビーズ９によって、前記シリコン基板４と前記集光用ミラー３とを両者間の間隔ｔが両者４，３の対向する面の全域に亘って一様に規定されるように固定してなる。
なお、第２実施形態の赤外線アレイセンサ１´において、シリコン基板４と集光用ミラー３との対向面の固定手段の詳細は、図４の（ａ）〜（ｄ）で示したものと同様であり、また、温度補償用素子１５は、前記赤外線測定用センサ素子５と同一のメンブレン構造に構成されており、その他、各赤外線測定用センサ素子５の具体的な構造は図５および図６に示すものと同一であるため、その記載を省略する。
上記のように構成された第２実施形態の赤外線アレイセンサ１´によれば、各赤外線測定用センサ素子５個々及びセンサ素子５間における感度のばらつきを極力小さくでき、かつ、製品歩留まりを向上できることに加えて、温度補償用素子１５と集光用ミラー３との間の間隔も各赤外線測定用センサ素子５と集光用ミラー３との間の間隔ｔが同様に規定され、全ての素子１５，５の熱収支のバランスが均等化され温度分布の発生がなくなるので、温度補償用素子１５による効果、すなわち、環境温度の変化などによる外乱ノイズの補償を正確に行うことができ、どのような環境下での使用時にも常に安定よい出力を得ることができる。
また、温度補償用素子１５への赤外線ＩＲの入射防止のための遮光部分１６が、集光用ミラー３の一部を利用して形成されているので、特別なカバー等を用いる必要がなくなり、シリコン基板４自体の構成及び製作加工が簡単であるだけでなく、そのシリコン基板４に対する各素子５，１５の作り込みも容易である。
なお、上記各実施の形態では、赤外線測定用センサ素子５及び温度補償用素子１５として、サールパイルセンサ１２を使用したもので説明したが、ボロメータ型素子を使用したものであってもよい。
また、上記各実施の形態では、赤外線測定用センサ素子５及び温度補償用素子１５を、縦横８個×８個のドットマトリックス状に配置したが、その縦横の配置数はそれ以外であってもよいこともちろんである。
さらに、上記各実施の形態では、シリコン基板４と集光用ミラー３との間の間隔を一様に規定するためのスペーサ部材として、真球状のガラスビーズ９を用いたもので説明したが、真球以外に、ローラ状、角駒状など種々形態のピース状スペーサ部材を用い、そのピース状スペーサ部材をシリコン基板４と集光用ミラー３との対向面のそれぞれに接着剤がはみ出ないように接着することで両者４，３を互いに固定してもよく、また、金バンプや銀バンプを用い、超音波圧着によりシリコン基板４と集光用ミラー３とを互いに固定してもよい。
１，１´ 赤外線アレイセンサ
３ 集光用ミラー
３ａ 対向する面
４ シリコン基板（半導体基板）
４ａ 対向する面
５ 赤外線測定用センサ素子
５ａ 受光部
６ センサアレイ
７ 赤外線集光孔
９ ガラスビーズ（スペーサ部材の一例）
１５ 温度補償用素子
１６ 遮光部分
ｔ シリコン基板と集光用ミラーとの間の間隔
ＩＲ 赤外線
３ 集光用ミラー
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６ センサアレイ
７ 赤外線集光孔
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１５ 温度補償用素子
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ＩＲ 赤外線
Claims (2)
- 半導体基板の同一平面上に複数個の赤外線測定用センサ素子が縦横マトリックス状に設けられているとともに、これら複数個の赤外線測定用センサ素子の受光部に対応する位置にそれぞれ赤外線集光孔を有する集光用ミラーが前記半導体基板に対向状態に設けられている赤外線アレイセンサにおいて、
前記半導体基板と前記集光用ミラーとの互いに対向する面間に、等しい厚みを有する複数個のスペーサ部材を介在させて前記複数個の赤外線測定用センサ素子と前記集光用ミラーとの間の間隔を全域に亘って一様に規定していることを特徴とする赤外線アレイセンサ。 - 半導体基板の同一平面上に複数個の赤外線測定用センサ素子が縦横マトリックス状に設けられているとともに、これら複数個の赤外線測定用センサ素子と同一平面上の半導体基板部分に温度補償用素子が設けられ、前記複数個の赤外線測定用センサ素子の受光部に対応する位置にそれぞれ赤外線集光孔を有し、かつ、前記温度補償用素子に対応する位置に該温度補償用素子への赤外線の入射を阻止する遮光部分を有する集光用ミラーが前記半導体基板に対向状態に設けられている赤外線アレイセンサにおいて、
前記半導体基板と前記集光用ミラーとの互いに対向する面間に、等しい厚みを有する複数個のスペーサ部材を介在させて前記複数個の赤外線測定用センサ素子及び温度補償用素子と前記集光用ミラーとの間の間隔を全域に亘って一様に規定していることを特徴とする赤外線アレイセンサ。
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