JP2007127496A - Thermal infrared detector - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermal infrared detector which has high infrared measurement accuracy, is small, is lightweight, and is inexpensive, by cutting off infrared radiation incoming from the surroundings that becomes a disturbance. <P>SOLUTION: The infrared detector 2 is housed in a vacuum vessel 3 having an infrared incoming opening 4. A micro shield 10 is erected on the infrared detector 2 so that pixels, arranged in an array form, are partitioned. The height of the micro shield 10 is set so that it is larger than the thickness, in the direction of connecting the pixels and that infrared radiation from parts other than the infrared incoming opening 4 is cut off. The temperature of the micro shield 10 is kept fixed by an electronic cooling element 7. An external connection terminal 9, which can be electrically connected to the exterior and the infrared detector 2, are connected directly to one bonding wire 19. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、熱物体からの赤外線輻射を検知し、熱物体の温度分布等の検出を行う熱型赤外線検知器に関する。   The present invention relates to a thermal infrared detector that detects infrared radiation from a thermal object and detects a temperature distribution of the thermal object.

ボロメータ型の熱型赤外線検知器は、赤外線入射による検知素子の温度変化を抵抗の変化として検知し、その抵抗の変化から測定対象物の温度を計測するものである。ボロメータ型検知器における検知素子は、シリコンウェハ上から細い梁により熱的に分離されたダイアフラムを持ち、このダイアフラム上に抵抗(ボロメータ)が形成されている。熱型赤外線検知器の赤外線検出素子は、この検知素子をアレイ状に配置して構成され、2次元の赤外線画像が得られるようになっている。   The bolometer-type thermal infrared detector detects a change in temperature of a detection element due to incidence of infrared rays as a change in resistance, and measures the temperature of an object to be measured from the change in resistance. The detection element in the bolometer-type detector has a diaphragm thermally separated from the silicon wafer by a thin beam, and a resistor (bolometer) is formed on the diaphragm. The infrared detection element of the thermal infrared detector is configured by arranging the detection elements in an array, and a two-dimensional infrared image can be obtained.

上述のように、上記検知器は熱を画像化するものである。通常、測定対象物から発せられた赤外線は光学系を用いて検知器面に結像され画像化される。しかし、検知器周囲の温度が変化すると、測定対象物から発せられ光学系を通過して入射する赤外線の他に、周囲の熱輻射も検知器に入射し、測定対象物からの赤外線量と検知器周囲からの赤外線量とが判別できないため、本来測定したい測定対象物からの赤外線画像を画像化できないという問題があった。   As described above, the detector images heat. Usually, infrared rays emitted from a measurement object are imaged and imaged on a detector surface using an optical system. However, when the ambient temperature of the detector changes, in addition to the infrared rays emitted from the measurement object and incident through the optical system, ambient thermal radiation also enters the detector, and the amount of infrared rays from the measurement object and the detection Since the amount of infrared rays from the surroundings of the vessel cannot be discriminated, there is a problem that an infrared image from a measurement object to be originally measured cannot be imaged.

この問題に対して、特許文献1には、検知器周囲からの熱輻射を遮断する輻射シールドを備えた熱型赤外線検知器が開示されている。図5は、特許文献1に記載の熱型赤外線検知器の断面構成を示す概念図であり、図6は、特許文献1の図2をもとに、赤外線検出素子の1画素の断面構成を模式的に示した概念図であり、更に、図7は図5におけるA部の拡大図である。   With respect to this problem, Patent Document 1 discloses a thermal infrared detector provided with a radiation shield that blocks heat radiation from around the detector. FIG. 5 is a conceptual diagram showing a cross-sectional configuration of the thermal infrared detector described in Patent Document 1. FIG. 6 shows a cross-sectional configuration of one pixel of the infrared detection element based on FIG. FIG. 7 is a conceptual diagram schematically showing, and FIG. 7 is an enlarged view of a portion A in FIG.

図5に示すように、熱型赤外線検知器101では、シリコンウェハ110と後述するダイアフラム間の熱的な分離を向上させるため、赤外線検出素子102は真空容器103に保持されている。赤外線検出素子102は検知素子である画素をアレイ状に2次元配置して構成される。図6に示すように、ボロメータ(抵抗)112が形成されたダイアフラム113はシリコンウェハ110上から細い梁114により空洞121を隔てて熱的に分離されている。   As shown in FIG. 5, in the thermal infrared detector 101, the infrared detection element 102 is held in a vacuum container 103 in order to improve thermal separation between the silicon wafer 110 and a diaphragm described later. The infrared detection element 102 is configured by two-dimensionally arranging pixels as detection elements in an array. As shown in FIG. 6, the diaphragm 113 in which the bolometer (resistor) 112 is formed is thermally separated from the silicon wafer 110 by a thin beam 114 with a cavity 121 therebetween.

赤外線111の入射に起因するダイアフラム113部分の温度上昇による抵抗値の変化は、バイアス電流を印加することにより読み出される。このため、バイアス電流によって生じるジュール熱による検知素子自体の温度上昇が問題となる。この温度上昇は、測定対象物からの赤外線入射によるダイアフラム113部分の温度上昇を遙かに上回る。通常、この発熱による検知素子の温度上昇を抑える目的で、赤外線検出素子102は電子冷却素子107上に置かれ、一定温度に保たれる。   The change in the resistance value due to the temperature rise of the diaphragm 113 due to the incidence of the infrared ray 111 is read out by applying a bias current. For this reason, the temperature rise of the sensing element itself due to Joule heat generated by the bias current becomes a problem. This temperature rise far exceeds the temperature rise of the diaphragm 113 due to the incidence of infrared rays from the measurement object. Usually, in order to suppress the temperature rise of the detection element due to the heat generation, the infrared detection element 102 is placed on the electronic cooling element 107 and kept at a constant temperature.

上述のように、熱型赤外線検知器101は測定対象物から発せられた赤外線を吸収して抵抗の変化を電気的信号として読み出すため、外界の温度変化により真空容器103の温度が変化し、その赤外線輻射が赤外線検出素子102に入射すると、測定対象物から入射する赤外線量と、周辺部から入射する赤外線輻射とを判別することができない。   As described above, since the thermal infrared detector 101 absorbs infrared rays emitted from the measurement object and reads the change in resistance as an electrical signal, the temperature of the vacuum vessel 103 changes due to a change in the external temperature. When infrared radiation is incident on the infrared detection element 102, it is impossible to distinguish between the amount of infrared light incident from the measurement object and the infrared radiation incident from the peripheral portion.

そこで、特許文献1に開示された技術においては、輻射シールド109と称する開口部を有する金属部品を赤外線検出素子102の前面及び側面に配置し、光学系の絞りをこの開口に一致させることにより、赤外線検出素子102に入射する赤外線輻射を、光学系を透過した輻射及び輻射シールド109からの輻射に制限している。なお、輻射シールド109は、電子冷却素子107上に配置されたシリコンウェハ110の上に形成されているため、その温度が一定に保たれていることが特徴である。   Therefore, in the technique disclosed in Patent Document 1, metal parts having an opening called a radiation shield 109 are arranged on the front and side surfaces of the infrared detection element 102, and the diaphragm of the optical system is made to coincide with this opening. Infrared radiation incident on the infrared detection element 102 is limited to radiation transmitted through the optical system and radiation from the radiation shield 109. Since the radiation shield 109 is formed on the silicon wafer 110 disposed on the electronic cooling element 107, the temperature is maintained constant.

赤外線検出素子に対して、輻射シールド109は赤外線入射用開口部以外に開口部を有さないようになっているため、外部と電気的に接続可能な外部接続用端子105と、赤外線検出素子102とを電気的に接続するための工夫が必要となる。図7に示すように、内部ボンディングパット116及び外部ボンディングパット117を、夫々輻射シールド109を挟んでシリコンウェハ110上に設け、多層のシリコンウェハ110の間を層間配線120する。そして、赤外線検出素子102上に形成されたボンディングパット115と内部ボンディングパット116とを第1ボンディングワイヤ118を介してボンディングし、更に、外部ボンディングパット117と外部接続用端子105とを第2ボンディングワイヤ119を介してボンディングすることにより、外部接続用端子105と赤外線検出素子102とが電気的に接続される。   Since the radiation shield 109 does not have an opening other than the infrared incident opening with respect to the infrared detection element, an external connection terminal 105 that can be electrically connected to the outside, and the infrared detection element 102 It is necessary to devise a device for electrically connecting the two. As shown in FIG. 7, an internal bonding pad 116 and an external bonding pad 117 are provided on the silicon wafer 110 with the radiation shield 109 interposed therebetween, and an interlayer wiring 120 is provided between the multilayer silicon wafers 110. Then, the bonding pad 115 and the internal bonding pad 116 formed on the infrared detection element 102 are bonded via the first bonding wire 118, and the external bonding pad 117 and the external connection terminal 105 are further bonded to the second bonding wire. By bonding through 119, the external connection terminal 105 and the infrared detection element 102 are electrically connected.

また、上記の目的とは異なるが、特許文献2においては、輻射温度の検出精度及び感度がよく、鮮明な画像が得られるような熱型赤外線センサが提案されている。この熱型赤外線センサは焦電効果を利用したセンサである。図8は、特許文献2に記載の赤外線センサの1実施例を示す断面図である。図8に示すように、201a、201b及び201cは焦電特性を有する薄膜状の焦電エレメントであり、焦電薄膜エレメント201a、201b及び201cの各上面の赤外線受光面側には受光電極203a、203b及び203cを、同下面の赤外線非受光面側には下部電極202a、202b及び202cを具備してセンサエレメント201A,201B及び201Cが構成されている。センサエレメント201A、201B及び201Cは、保持層204上に各々が所定の間隔を有して埋設され、さらにこの保持層204は基板205により保持されている。また、保持層204上面の赤外光受光面側には、センサエレメント201A、201B及び201Cの非配置領域に入射した赤外線207を反射するための金属製の赤外光反射金属膜208が設けられている。この赤外光反射金属膜208の機能は、センサエレメント非配置領域に入射した赤外線が保持層204に吸収され、この部分が温度上昇することでセンサエレメントに熱が流れ込み、その結果、輻射温度の検出精度が劣化することを防止することである。   Further, although different from the above purpose, Patent Document 2 proposes a thermal infrared sensor that has a high detection accuracy and sensitivity of the radiation temperature and can provide a clear image. This thermal infrared sensor is a sensor that uses the pyroelectric effect. FIG. 8 is a cross-sectional view showing an embodiment of the infrared sensor described in Patent Document 2. In FIG. As shown in FIG. 8, 201a, 201b and 201c are thin-film pyroelectric elements having pyroelectric characteristics, and light receiving electrodes 203a, 201a, 201b and 201c are arranged on the infrared light receiving surface side of each upper surface of the pyroelectric thin film elements 201a, 201b and 201c. The sensor elements 201A, 201B, and 201C are configured by including 203b and 203c and lower electrodes 202a, 202b, and 202c on the infrared non-light-receiving surface side of the lower surface. Each of the sensor elements 201A, 201B, and 201C is embedded on the holding layer 204 with a predetermined interval, and the holding layer 204 is held by the substrate 205. Further, on the infrared light receiving surface side of the upper surface of the holding layer 204, a metal infrared light reflecting metal film 208 for reflecting the infrared light 207 incident on the non-arranged areas of the sensor elements 201A, 201B and 201C is provided. ing. The function of the infrared light reflecting metal film 208 is that the infrared rays incident on the sensor element non-arrangement region are absorbed by the holding layer 204, and the temperature rises in this portion, so that heat flows into the sensor element. This is to prevent the detection accuracy from deteriorating.

特開2000−292253号公報JP 2000-292253 A 特開平9−218086号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-218086

しかしながら、上述の従来の技術には以下に示すような問題点がある。   However, the conventional techniques described above have the following problems.

特許文献1に記載の従来の熱型赤外線検知器においては、赤外線検出素子全体を輻射シールドで覆い、電子冷却素子を利用して輻射シールドを一定の温度に保つことにより開口部以外からの輻射の影響を排除している。そのため、構成物を格納する真空容器は必然的に大きくなり、熱型赤外線検知器の小型化及び軽量化ができないという問題点がある。更に、輻射シールドが配置されているため、赤外線検出素子と外部接続用端子とを接続するためには、第1ボンディングワイヤ、シリコンウェハ間の層間配線、第2ボンディングワイヤ、と配線する必要があり、コストがかかるという問題点がある。   In the conventional thermal infrared detector described in Patent Document 1, the entire infrared detection element is covered with a radiation shield, and an electron cooling element is used to keep the radiation shield at a constant temperature, thereby preventing radiation from other than the opening. The influence is excluded. Therefore, the vacuum container for storing the components inevitably becomes large, and there is a problem that the thermal infrared detector cannot be reduced in size and weight. Further, since the radiation shield is arranged, in order to connect the infrared detecting element and the external connection terminal, it is necessary to wire the first bonding wire, the interlayer wiring between the silicon wafers, and the second bonding wire. There is a problem that it is expensive.

また、特許文献2に記載の赤外線センサにおいては、センサエレメント間に赤外光反射金属膜が設けられているが、これらはセンサエレメント非配置領域に入射する赤外線を反射するためのものであり、その形状は膜状であれば十分に効果的である。そのため、周辺部から入射する外乱となる赤外線を遮断するためのシールド状のものとは異なり、外乱となる赤外線に起因する温度計測精度の低下という問題に対処するものではない。   Moreover, in the infrared sensor described in Patent Document 2, an infrared light reflecting metal film is provided between the sensor elements, but these are for reflecting infrared rays incident on the sensor element non-arrangement region, If the shape is a film shape, it is sufficiently effective. For this reason, unlike the shield-like one for blocking the infrared rays that are incident from the peripheral portion, it does not deal with the problem of a decrease in temperature measurement accuracy caused by the infrared rays that cause the disturbance.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、周辺部から入射する外乱となる赤外線輻射を遮断することで赤外線計測精度が高く、小型、軽量、及び低価格の熱型赤外線検知器を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and is a thermal infrared detector that is high in infrared measurement accuracy by blocking infrared radiation that is a disturbance incident from a peripheral portion, and is small, lightweight, and low in cost. The purpose is to provide.

本発明に係る熱型赤外線検知器は、複数個の画素が1次元又は2次元的に表面に配置された赤外線検出素子と、前記赤外線検出素子の動作温度を制御する電子冷却素子と、前記赤外線検出素子と前記電子冷却素子とが格納され赤外線を前記赤外線検出素子に入射させる赤外線入射用開口部が形成された真空容器と、を有し、前記赤外線検出素子は前記画素の間を仕切るようにして前記赤外線素子の表面に立設されたマイクロシールドを有し、このマイクロシールドは前記赤外線検出素子の表面に垂直な方向の高さが前記画素間を結ぶ方向の厚さよりも大きいことを特徴とする。   The thermal infrared detector according to the present invention includes an infrared detection element having a plurality of pixels arranged one-dimensionally or two-dimensionally on the surface, an electronic cooling element that controls an operating temperature of the infrared detection element, and the infrared ray A vacuum vessel in which a detection element and the electronic cooling element are housed and an infrared incident opening for allowing infrared rays to enter the infrared detection element is formed, and the infrared detection element partitions the pixels. A micro shield standing on the surface of the infrared element, the micro shield having a height in a direction perpendicular to the surface of the infrared detection element larger than a thickness in a direction connecting the pixels. To do.

本発明においては、赤外線検出素子全体に赤外線遮断用のシールドを設けるのではなく、各画素の間を仕切るようにして赤外線検出素子表面にマイクロシールドを立設する。このとき、マイクロシールドの高さは画素間を結ぶ方向の厚さよりも大きい。このように、マイクロシールドを設置することにより、赤外線検出素子の各画素に入射する赤外線は、赤外線入射用開口部を通過した輻射及びマイクロシールドからの輻射に限定され、周辺部からの外乱となる赤外線輻射はマイクロシールドに遮断されて各画素に直接入射することが防止される。また、マイクロシールドは電子冷却素子により温度が一定に保たれているため、外界の温度変化には影響されず、そのため、赤外線検出素子に入射する外乱となる赤外線輻射の影響が排除される。このため、赤外線検知器の検出精度が高い。そして、従来技術に見られるように、赤外線検出素子全体を輻射シールドで囲む必要がないので、熱型赤外線検知器を小型及び軽量化することが可能である。   In the present invention, the shield for blocking infrared rays is not provided on the entire infrared detection element, but a microshield is erected on the surface of the infrared detection element so as to partition each pixel. At this time, the height of the microshield is larger than the thickness in the direction connecting the pixels. In this way, by installing the microshield, the infrared light incident on each pixel of the infrared detection element is limited to radiation that has passed through the infrared incident opening and radiation from the microshield, resulting in disturbance from the periphery. Infrared radiation is blocked by the microshield and prevented from directly entering each pixel. Further, since the temperature of the micro shield is kept constant by the electronic cooling element, it is not affected by the temperature change of the outside world, and therefore, the influence of the infrared radiation that becomes a disturbance incident on the infrared detection element is eliminated. For this reason, the detection accuracy of the infrared detector is high. And as seen in the prior art, it is not necessary to enclose the entire infrared detection element with a radiation shield, so that the thermal infrared detector can be reduced in size and weight.

マイクロシールドは各画素の周囲を囲むようにして配置することもでき、各画素を格子状に囲むように配置することもできる。   The microshield can be arranged so as to surround each pixel, or can be arranged so as to surround each pixel in a grid pattern.

熱型赤外線検知器は、赤外線検出素子の熱検出部にボロメータが形成されたボロメータ型とすることができる。   The thermal infrared detector can be a bolometer type in which a bolometer is formed in the heat detection part of the infrared detection element.

また、電子冷却素子はペルチェ効果を利用した電子冷却素子とすることができる。   Further, the electronic cooling element can be an electronic cooling element utilizing the Peltier effect.

赤外線検出素子がシリコンウェハ上に形成され、このシリコンウェハ内部には信号読み出し回路が形成されていてもよい。読み出し回路を構成する素子は例えばMOS型とすることができる。   An infrared detection element may be formed on a silicon wafer, and a signal readout circuit may be formed inside the silicon wafer. The element constituting the readout circuit can be, for example, a MOS type.

真空容器に外部に電気的に接続するための外部接続用端子を設け、この外部接続用端子と赤外線検出素子とを1本のボンディングワイヤにより直接接続することが可能である。したがって、特許文献1に記載の従来の接続手段と比較して、コストの削減が可能となる。   It is possible to provide an external connection terminal for electrically connecting to the vacuum vessel to the outside, and to directly connect the external connection terminal and the infrared detection element with a single bonding wire. Therefore, the cost can be reduced as compared with the conventional connection means described in Patent Document 1.

本発明によれば、赤外線検出素子の画素の間を仕切るようにしてマイクロシールドを配置することにより、測定対象物以外からの外乱となる赤外線輻射を遮断し、赤外線検出精度を向上させることができる。更に、従来の熱型赤外線検知器と比較して、本発明の熱型赤外線検知器は、小型、軽量、及び低価格になる。   According to the present invention, by arranging the microshield so as to partition the pixels of the infrared detection element, it is possible to block infrared radiation that is a disturbance from other than the measurement target and improve the infrared detection accuracy. . Furthermore, compared with the conventional thermal infrared detector, the thermal infrared detector of the present invention is small in size, light in weight, and low in price.

以下、本発明の実施形態に係る熱型赤外線検知器について添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は、本実施形態に係る熱型赤外線検知器の断面構造を示す概念図であり、図2は、本実施形態に係る熱型赤外線検知器の画素を上面から見た場合の構造を示す概念図であり、更に、図3は、前記1画素を側面から見た場合の構造を示す概念図である。   Hereinafter, a thermal infrared detector according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a cross-sectional structure of a thermal infrared detector according to the present embodiment, and FIG. 2 illustrates a structure of a pixel of the thermal infrared detector according to the present embodiment as viewed from above. FIG. 3 is a conceptual diagram, and FIG. 3 is a conceptual diagram showing a structure when the one pixel is viewed from the side.

図1に示すように、本実施形態における熱型赤外線検知器1においては、真空容器3の内底面上にペルチェ効果を利用した電子冷却素子7が配置されており、その上にシリコンウェハ6が接着されている。そして、赤外線検出素子2はシリコンウェハ6上に形成されている。赤外線検出素子2上には、マイクロシールド10が赤外線検出素子2を構成する各画素の周囲を囲むようにして形成されている。赤外線検出素子2の上部の真空容器3の一部には赤外線入射用開口部4が設けられ、この開口部を覆うようにして窓5が真空容器3に溶接されている。   As shown in FIG. 1, in the thermal infrared detector 1 in the present embodiment, an electronic cooling element 7 using the Peltier effect is disposed on the inner bottom surface of the vacuum vessel 3, and a silicon wafer 6 is disposed thereon. It is glued. The infrared detection element 2 is formed on the silicon wafer 6. On the infrared detection element 2, a microshield 10 is formed so as to surround each pixel constituting the infrared detection element 2. An infrared incident opening 4 is provided in a part of the vacuum vessel 3 above the infrared detection element 2, and a window 5 is welded to the vacuum vessel 3 so as to cover the opening.

また、電子冷却装置7はシリコンウェハ6及び赤外線検出素子2の温度を一定に保つ一方で、真空容器3底部の平板に熱を放出する。真空容器3の下部には、外部と電気的に接続するための外部接続端子9が真空容器3の下部を貫通するようにして設置されている。赤外線検出素子2と外部接続端子9との間には、赤外線検出素子2を駆動させるための入力信号及び赤外線検出素子2からの出力信号を伝達するための配線がなされ、赤外線検出素子2上のボンディングパット(図示せず)と外部接続端子9とがボンディングワイヤ19により直接接続されている。また、真空容器3には金属製の排気管8が接続され、排気管8を真空排気装置に接続して真空容器3内を所定の圧力にした後、排気管8を外部から圧切りすることにより、真空容器3内を封止する。   The electronic cooling device 7 releases heat to the flat plate at the bottom of the vacuum vessel 3 while keeping the temperature of the silicon wafer 6 and the infrared detecting element 2 constant. An external connection terminal 9 for electrical connection with the outside is installed in the lower part of the vacuum vessel 3 so as to penetrate the lower part of the vacuum vessel 3. Between the infrared detection element 2 and the external connection terminal 9, wiring for transmitting an input signal for driving the infrared detection element 2 and an output signal from the infrared detection element 2 is provided. A bonding pad (not shown) and the external connection terminal 9 are directly connected by a bonding wire 19. Further, a metal exhaust pipe 8 is connected to the vacuum vessel 3, and the exhaust pipe 8 is connected to a vacuum exhaust device to bring the inside of the vacuum vessel 3 to a predetermined pressure, and then the exhaust pipe 8 is cut off from the outside. Thus, the inside of the vacuum container 3 is sealed.

次に、赤外線検出素子2の1画素の断面構造を、図6及び図3を参照して説明する。図6に示すように、シリコンウェハ110上には2つの梁114が形成され、ボロメータ(抵抗)112の形成されたダイアフラム113はこれら2つの梁114によってダイアフラム113とシリコンウェハ110との間に形成された空洞121を隔てて支持されている。したがって、ダイアフラム113はシリコンウェハ110の表面から熱的に分離されている。また、ボロメータ(抵抗)112の下方のシリコンウェハ110上には赤外線反射膜123が形成されている。また、シリコンウェハ110の下層部には、例えばMOS型の信号読み出し回路122が設けられている。本実施形態における赤外線検出素子はこれらの画素が2次元的に配置されて構成されたものであり、さらに、各画素の周囲を囲むようにしてマイクロシールドが形成されている。   Next, a cross-sectional structure of one pixel of the infrared detection element 2 will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 6, two beams 114 are formed on the silicon wafer 110, and the diaphragm 113 on which the bolometer (resistor) 112 is formed is formed between the diaphragm 113 and the silicon wafer 110 by the two beams 114. And supported by a cavity 121 formed therebetween. Accordingly, the diaphragm 113 is thermally separated from the surface of the silicon wafer 110. An infrared reflection film 123 is formed on the silicon wafer 110 below the bolometer (resistor) 112. Further, for example, a MOS type signal readout circuit 122 is provided in the lower layer portion of the silicon wafer 110. The infrared detection element in the present embodiment is configured by two-dimensionally arranging these pixels, and a microshield is formed so as to surround each pixel.

図3は、本実施形態における1画素の構造を側面から見た場合の概念図である。図3に示すように、シリコンウェハ6上に形成された赤外線検知器1画素14は、マイクロシールド10によって隣接する左右の画素と仕切られている。マイクロシールド10は、赤外線検知器1画素14が赤外線入射用開口部を経て入射する赤外線を受光し、一方、周辺からの輻射13を遮断するようにその高さが設定されている。そのため、マイクロシールドの10の高さはその幅よりも大きい。   FIG. 3 is a conceptual diagram when the structure of one pixel in this embodiment is viewed from the side. As shown in FIG. 3, the infrared detector 1 pixel 14 formed on the silicon wafer 6 is partitioned from the adjacent left and right pixels by the microshield 10. The height of the microshield 10 is set so that the infrared detector 1 pixel 14 receives the infrared rays incident through the infrared incident opening, while blocking the radiation 13 from the periphery. Therefore, the height of the microshield 10 is larger than its width.

また、図2は、熱型赤外線検知器の画素の構造を上面から見た場合の概念図である。赤外線検出素子を構成する各画素はマイクロシールド10により格子状に仕切られている。また、梁11はダイアフラム12の外周に沿って延びており、上述のように、ダイアフラム12とその背面に存在するシリコンウェハとの間に熱遮断のための空洞が形成されている。   FIG. 2 is a conceptual diagram when the pixel structure of the thermal infrared detector is viewed from above. Each pixel constituting the infrared detection element is partitioned in a lattice shape by the microshield 10. The beam 11 extends along the outer periphery of the diaphragm 12, and as described above, a cavity for heat insulation is formed between the diaphragm 12 and the silicon wafer existing on the back surface thereof.

図4に、半導体製造プロセスを利用したマイクロシールドの作成方法の一例を示す。図4(a)に示すように、ダイアフラム12とシリコンウェハ6との間に空洞を形成するために、シリコンウェハ6上に犠牲層16を形成する。次に、形成された犠牲層16の上にダイアフラム12を形成し、赤外線受光部に相当する部分の表面上に温度検出部となるボロメータ15を成膜形成する。更に、ボロメータ15部分を除いて、赤外線検出素子を犠牲層16で覆う。そして、犠牲層16の一部にマイクロシールド形成用の溝17を掘る。次に、図4(b)に示すように、溝17にマイクロシールドの材料を形成する。マイクロシールドの材料は、例えばアルミニウムである。最後に、図4(c)に示すように、全ての犠牲層16をエッチングすることにより、ボロメータ15及びマイクロシールド10が形成される。なお、図4(d)は、図4(c)において示されたダイアフラム12部分の更に詳細な図であり、前述の梁11、入射赤外線を吸収して熱を発生する吸収膜18、及び赤外線を反射する反射板20が図示されている。   FIG. 4 shows an example of a method for creating a microshield using a semiconductor manufacturing process. As shown in FIG. 4A, a sacrificial layer 16 is formed on the silicon wafer 6 in order to form a cavity between the diaphragm 12 and the silicon wafer 6. Next, the diaphragm 12 is formed on the formed sacrificial layer 16, and the bolometer 15 serving as a temperature detecting unit is formed on the surface of the portion corresponding to the infrared light receiving unit. Further, the infrared detecting element is covered with a sacrificial layer 16 except for the bolometer 15 portion. Then, a groove 17 for forming a microshield is dug in a part of the sacrificial layer 16. Next, as shown in FIG. 4B, a microshield material is formed in the groove 17. The material of the microshield is, for example, aluminum. Finally, as shown in FIG. 4C, the bolometer 15 and the microshield 10 are formed by etching all the sacrificial layers 16. FIG. 4D is a more detailed view of the diaphragm 12 portion shown in FIG. 4C. The beam 11, the absorption film 18 that absorbs incident infrared rays and generates heat, and infrared rays. A reflecting plate 20 is shown in the figure.

次に、上述の如く構成された本実施形態に係る熱型赤外線検知器の動作について説明する。赤外線入射開口部4を通過して入射した測定対象物からの赤外線は赤外線検出素子2の画素を構成するダイアフラム12に吸収され、ダイアフラム12の温度が上昇する。この温度上昇によるボロメータ(抵抗)15の抵抗値の変化は、バイアス電流を印加することにより読み出される。ただし、バイアス電流により生じるジュール熱による赤外線検出素子2自体の温度上昇を抑える目的で、赤外線検出素子2は電子冷却素子7により温度が一定に保たれている。また、外界の温度変化により真空容器3の温度が変化し、その赤外線輻射が赤外線検出素子2に入射することにより計測精度が劣化する可能性がある。このため、赤外線検出素子2を構成する画素の周囲にはマイクロシールド10が配置されており、外乱となる周辺部からの赤外線輻射が遮断される。マイクロシールド10もシリコンウェハ6及び赤外線検出素子2を介して電子冷却素子7により温度が一定となっており、外乱となる赤外線輻射が除外される。   Next, the operation of the thermal infrared detector according to this embodiment configured as described above will be described. Infrared rays from the measurement object incident through the infrared incident opening 4 are absorbed by the diaphragm 12 constituting the pixel of the infrared detecting element 2, and the temperature of the diaphragm 12 rises. The change in the resistance value of the bolometer (resistance) 15 due to this temperature rise is read out by applying a bias current. However, the temperature of the infrared detection element 2 is kept constant by the electronic cooling element 7 in order to suppress the temperature rise of the infrared detection element 2 itself due to Joule heat generated by the bias current. In addition, the temperature of the vacuum vessel 3 changes due to a change in the temperature of the external environment, and the infrared radiation is incident on the infrared detection element 2, which may degrade the measurement accuracy. For this reason, the microshield 10 is disposed around the pixels constituting the infrared detection element 2, and the infrared radiation from the peripheral portion that is a disturbance is blocked. The temperature of the microshield 10 is also constant by the electronic cooling element 7 through the silicon wafer 6 and the infrared detection element 2, and the infrared radiation that becomes a disturbance is excluded.

次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態に係る熱型赤外線検知器においては、赤外線検出素子2を構成する各画素の周囲にマイクロシールド10が配置されているため、測定対象物以外からの外乱となる赤外線輻射が遮断され、赤外線計測精度が向上する。更に、赤外線検出素子全体を輻射シールドで覆う従来技術に比べて、検知器の小型軽量化が可能となり、また、赤外線検出素子2と外部接続用端子9とを1本のボンディングワイヤ19により直接接続するので、従来技術に比べて、低価格な熱型赤外線検知器を提供することができる。   Next, the effect of this embodiment will be described. In the thermal infrared detector according to the present embodiment, since the microshield 10 is arranged around each pixel constituting the infrared detection element 2, infrared radiation that is a disturbance from other than the measurement object is blocked, Infrared measurement accuracy is improved. Further, the detector can be made smaller and lighter than the conventional technology in which the entire infrared detection element is covered with a radiation shield, and the infrared detection element 2 and the external connection terminal 9 are directly connected by a single bonding wire 19. Therefore, it is possible to provide a thermal infrared detector that is less expensive than the prior art.

本発明の実施形態に係る熱型赤外線検知器の断面構造を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the cross-section of the thermal type infrared detector which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る熱型赤外線検知器の画素を上面から見た場合の構造を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure at the time of seeing the pixel of the thermal type infrared detector which concerns on embodiment of this invention from the upper surface. 本発明の実施形態に係る熱型赤外線検知器の1画素を側面から見た場合の構造を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure at the time of seeing one pixel of the thermal type infrared detector which concerns on embodiment of this invention from the side surface. 本実施形態におけるマイクロシールドの作成方法の一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of the production method of the microshield in this embodiment. 特許文献1に記載の熱型赤外線検知器の断面構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the cross-sectional structure of the thermal type infrared detector of patent document 1. 特許文献1に記載の図2をもとに、赤外線検出素子の1画素の断面構成を模式的に示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed typically the cross-sectional structure of 1 pixel of an infrared rays detection element based on FIG. 2 of patent document 1. FIG. 図5におけるA部の拡大図である。It is an enlarged view of the A section in FIG. 特許文献2に記載の赤外線センサの断面図である。It is sectional drawing of the infrared sensor of patent document 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1;熱型赤外線検知器
2;赤外線検出素子
3;真空容器
4;赤外線入射用開口部
5;窓
6;シリコンウェハ
7;電子冷却素子
8;排気管
9;外部接続用端子
10;マイクロシールド
11;梁
12;ダイアフラム
13;輻射
14;赤外線検知器1画素
15;ボロメータ
16;犠牲層
17;溝
18;吸収膜
19;ボンディングワイヤ
20;反射板
101;熱型赤外線検知器
102;赤外線検出素子
103;真空容器
104;赤外線入射用開口部
105;外部接続用端子
106;窓
107;電子冷却素子
108;排気管
109;輻射シールド
110;シリコンウェハ
111;赤外線
112;ボロメータ(抵抗)
113;ダイアフラム
114;梁
115;ボンディングパット
116;内部ボンディングパット
117;外部ボンディングパット
118;第1ボンディングワイヤ
119;第2ボンディングワイヤ
120;層間配線
121;空洞
122;読み出し回路
123;赤外線反射膜
201A、201B、201C;センサエレメント
201a、201b、201c;焦電薄膜エレメント(薄膜)
202a、202b、202c;下部電極
203a、203b、203c;受光電極
204;保持層
205;基板
207;赤外線
208;赤外光反射金属膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1; Thermal type infrared detector 2; Infrared detector 3; Vacuum container 4; Infrared incidence opening 5; Window 6; Silicon wafer 7; Electronic cooling element 8; Exhaust pipe 9; Beam 12; Diaphragm 13; Radiation 14; Infrared detector 1 pixel 15; Bolometer 16; Sacrificial layer 17; Groove 18; Absorbing film 19; Bonding wire 20; Reflector 101; Thermal infrared detector 102; ; Vacuum vessel 104; infrared incident opening 105; external connection terminal 106; window 107; electronic cooling element 108; exhaust pipe 109; radiation shield 110; silicon wafer 111; infrared ray 112;
113; Diaphragm 114; Beam 115; Bonding pad 116; Internal bonding pad 117; External bonding pad 118; First bonding wire 119; Second bonding wire 120; Interlayer wiring 121; Cavity 122; Read-out circuit 123; 201B, 201C; sensor element 201a, 201b, 201c; pyroelectric thin film element (thin film)
202a, 202b, 202c; lower electrode 203a, 203b, 203c; light receiving electrode 204; holding layer 205; substrate 207; infrared ray 208; infrared light reflecting metal film

Claims (6)

複数個の画素が1次元又は2次元的に表面に配置された赤外線検出素子と、前記赤外線検出素子の動作温度を制御する電子冷却素子と、前記赤外線検出素子と前記電子冷却素子とが格納され赤外線を前記赤外線検出素子に入射させる赤外線入射用開口部が形成された真空容器と、を有し、前記赤外線検出素子は前記画素の間を仕切るようにして前記赤外線素子の表面に立設されたマイクロシールドを有し、このマイクロシールドは前記赤外線検出素子の表面に垂直な方向の高さが前記画素間を結ぶ方向の厚さよりも大きいことを特徴とする熱型赤外線検知器。 An infrared detection element having a plurality of pixels arranged one-dimensionally or two-dimensionally on the surface, an electronic cooling element that controls an operating temperature of the infrared detection element, the infrared detection element, and the electronic cooling element are stored. A vacuum vessel formed with an infrared incident opening for allowing infrared rays to enter the infrared detection element, and the infrared detection element is erected on the surface of the infrared element so as to partition the pixels A thermal infrared detector having a microshield, wherein the microshield has a height in a direction perpendicular to the surface of the infrared detection element larger than a thickness in a direction connecting the pixels. 前記マイクロシールドは前記各画素の周囲を囲むようにして前記赤外線検出素子の表面に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の熱型赤外線検知器。 2. The thermal infrared detector according to claim 1, wherein the micro shield is disposed on a surface of the infrared detection element so as to surround the periphery of each pixel. 前記赤外線検出素子の熱検出部がボロメータを有するボロメータ型であることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱型赤外線検知器。 3. The thermal infrared detector according to claim 1, wherein the thermal detection unit of the infrared detection element is a bolometer type having a bolometer. 4. 前記電子冷却素子がペルチェ素子であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の熱型赤外線検知器。 4. The thermal infrared detector according to claim 1, wherein the electronic cooling element is a Peltier element. 前記赤外線検出素子はシリコン基板上に形成され、このシリコン基板内部には信号読み出し回路が形成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の熱型赤外線検知器。 The thermal infrared detector according to any one of claims 1 to 4, wherein the infrared detection element is formed on a silicon substrate, and a signal readout circuit is formed inside the silicon substrate. 前記真空容器には外部に電気的に接続するための外部接続用端子が設けられ、この外部接続用端子と前記赤外線検出素子とが1本のボンディングワイヤにより直接接続されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の熱型赤外線検知器。
The vacuum vessel is provided with an external connection terminal for electrical connection to the outside, and the external connection terminal and the infrared detection element are directly connected by a single bonding wire. The thermal infrared detector according to any one of claims 1 to 5.
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