JP2007309796A - サーモパイル - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線に対する感度を向上させたサーモパイルを提供する。
【解決手段】サーモパイル１は、シリコン基板と、シリコン基板の表面に積層された絶縁膜３とを有し、シリコン基板の裏面中央をエッチングにより除去して空洞部を設けることで、平面視の形状が四角形に形成されたメンブレン５を設けるとともに、このメンブレン５の周部をヒートシンクとしてある。絶縁膜３の表面には、それぞれ２種類の導電片８，９を接合して構成された複数の熱電対７を、互いに直列に接続した状態で配置してある。各熱電対７の温接点７ａは、四角形のメンブレン５の対角線付近に、対角線の略全体に亘って配置してある。また各熱電対７の冷接点７ｂはメンブレン５の周部の領域に配置してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線を検出するためのサーモパイルに関するものである。

従来より、赤外線を検出するセンサとして、赤外線受光領域で受光した赤外線を一旦熱に変換し、その熱を熱電対により電気信号に変換して取り出す方式のサーモパイルと呼ばれるセンサが提供されている。

図６は従来のサーモパイルの平面図であり、シリコン基板（図示せず）の表面に絶縁膜２１を積層するとともに、シリコン基板の裏面中央をエッチングにより除去して平面視略正方形の空洞部を形成することで、空洞部に臨む絶縁膜２１の部位から平面視略正方形のメンブレン２２を形成してある。またメンブレン２２の中央部には、絶縁膜２１に比べて赤外線の吸収率が高い材料により薄膜状に形成された赤外線吸収膜２３が積層されている。そして、絶縁膜２１の表面には異種の材料を接合して構成される複数の熱電対２４が、平面視略正方形のメンブレン２２の各辺に沿って配置されている。各熱電対２４は、それぞれ異なる材料（例えばポリシリコンと金属膜）により帯板状に形成された導電片２５，２６の一端側を接合して構成され、各導電片２５，２６がメンブレン２２の各辺に対して略直交するように配置されており、各熱電対２４の温接点２４ａを赤外線吸収膜２３（すなわちメンブレン２２）上に配置するとともに、冷接点２４ｂをメンブレン２２の周部に配置してある。また、複数の熱電対２４は互いに直列に接続されており、絶縁膜２１の表面に形成された電極パッド２７ａ，２７ｂの間に直列接続された複数の熱電対２４が電気的に接続されている。ここで、シリコン基板は、赤外線吸収領域となるメンブレン２２の裏側部分をエッチングにより除去しており、メンブレン２２を空間的に分離しているので、メンブレン２２の熱が逃げにくくなる。またメンブレン２２の周部、すなわちシリコン基板と接合している部分は、周囲温度と略同じ温度となるようにヒートシンクとなっている。
実用新案登録第２５８２４１６号公報（段落番号［０００８］−［００１０］、及び、第２図）

上述のサーモパイルでは、複数の熱電対２４の温接点２４ａが、平面視略正方形のメンブレン２２の各辺に沿って配置されるとともに、複数の熱電対２４の冷接点２４ｂが、メンブレン２２の周部に配置されており、メンブレン２２で吸収した赤外線を一旦熱に変換し、その熱を各熱電対２４により電気信号に変換して取り出すのであるが、メンブレン２２の内側領域であってメンブレン２２の各辺に沿って複数の温接点２４ａを配置しているため、メンブレン２２の中央部分の熱を有効に利用することができなかった。そのため、メンブレン２２に入射した赤外線によって発生した熱エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が低く、赤外線に対する感度が低いという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、赤外線に対する感度を向上させたサーモパイルを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、平面視の形状が四角形のメンブレンを有し、メンブレンの周部をヒートシンクとした基板と、それぞれ２種類の材料を接合して構成され、互いに直列に接続された状態で基板の表面に配置された複数の第１の熱電対とを備え、各第１の熱電対の冷接点をメンブレンの周部に配置するとともに、各第１の熱電対の温接点を、四角形のメンブレンの対角線付近に、対角線の略全体に亘って配置したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、メンブレンの少なくとも１つの角の近傍で、対角線付近に配置した複数の温接点を複数の列に分岐して配置したことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２の何れか１つの発明において、メンブレンにおいて、各第１の熱電対の温接点と冷接点との間に、第１の熱電対に直列接続された第２の熱電対の温接点を配置したことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、第１及び第２の熱電対の内の少なくとも１つを構成する材料に、第２の熱電対を配置することによってメンブレン上に生じた空き領域を埋めるための幅広部を設けたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、第１の熱電対の温接点を、メンブレンの対角線付近に、対角線の略全体に亘って配置しており、メンブレンの外側寄りの領域および内側寄りの領域に温接点がそれぞれ配置されるから、メンブレンに入射した赤外線によって発生した熱エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換することができ、赤外線に対する感度が向上するという効果がある。

請求項２の発明によれば、メンブレンの少なくとも１つの角の近傍で、温接点を複数の列に分岐させることによって、温接点を分散して配置することができ、メンブレン上に配置された複数の温接点の間の距離を短くすることで、メンブレンに入射した赤外線によって発生した熱エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換することができ、赤外線に対する感度が向上するという効果がある。

請求項３の発明によれば、第１の熱電対の温接点と冷接点との間の領域に入射した赤外線によって発生した熱エネルギーを、第２の熱電対により電気エネルギーに変換することができるので、入射した赤外線によって発生する熱エネルギーをさらに効率良く電気エネルギーに変換することができ、赤外線に対する感度がさらに向上するという効果がある。

請求項４の発明によれば、温接点が対角線付近に配置される第１の熱電対の温接点と冷接点との間に、第２の熱電対の温接点を配置したために、メンブレン上に熱電対が配置されていない空き領域が生じるが、この空き領域を利用して、少なくとも１つの熱電対を構成する材料に幅広部を設けているので、サーモパイル全体の抵抗値が小さくなり、サーモパイルのＳ／Ｎ比を向上させることができるという効果がある。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
本発明の実施形態１を図１及び図２に基づいて説明する。図１はサーモパイル１の平面図である。また、図２（ａ）はサーモパイル１を用いた赤外線検出器１１の分解斜視図、同図（ｂ）は赤外線検出器１１の断面図である。

サーモパイル１は、半導体基板２と、半導体基板２の表面に形成された絶縁膜３と、絶縁膜３の表面に形成された複数個の熱電対７（第１の熱電対）とを主要な構成として備えている。ここに、半導体基板２と絶縁膜３とで、平面視の形状が四角形のメンブレンを有し、メンブレン上に熱電対７の温接点が配置された基板が構成される。

半導体基板２は、熱伝導率の良好な材料（例えばＳｉ）により平面視の形状が略正方形に形成されている。半導体基板２は裏面の中央をエッチングにより除去することで、半導体基板２を厚み方向に貫通する平面視略四角形（本実施形態では略正方形）の空洞部４を形成してあり、空洞部４に臨む絶縁膜３の部位から平面視の形状が略正方形のメンブレン５が形成される。ここで、メンブレン５は赤外線が入射する赤外線吸収領域となり、半導体基板２ではメンブレン５の裏側部分をエッチングにより除去しているので、メンブレン５の熱が逃げにくくなっている。また絶縁膜３においてメンブレン５の周部には熱伝導率の良好な材料で形成された半導体基板２が接合しており、メンブレン５の周部の熱は半導体基板２を介して逃がされ、周囲温度と略同じ温度になっている。すなわち半導体基板２がヒートシンクとして機能している。

次に絶縁膜３の表面に形成された熱電対７について説明する。各々の熱電対７は互いに異なる材料で形成された２種類の導電片８，９からなり、本実施形態では一方の導電片８が例えばポリシリコンから、他方の導電片９が例えばアルミニウムなどの金属からそれぞれ形成されている。複数個の熱電対７は、正方形状のメンブレン５の各辺に対して略直角に交差するように、各々の辺に一定のピッチで配列されている。そして、各々の熱電対７を構成する導電片８，９はメンブレン５側の端部が互いに接合されている。また導電片８，９の他方の端部（メンブレン５の外側にある端部）は、それぞれ、隣接する他の熱電対７の導電片９、導電片８に接合されており、複数の熱電対７が直列に接続されている。そして、直列接続された複数の熱電対７の両端部は、それぞれ、絶縁膜３の表面に形成された電極パッド１０，１０に電気的に接続されている。またメンブレン５の各辺に配置された複数の熱電対７は、各辺の中間位置に近い熱電対７ほど長さ寸法が長くなっており、各熱電対７の温接点７ａ（導電片８，９の接合部分）はメンブレン５の対角線付近に配置されている。一方、各熱電対７の冷接点７ｂはメンブレン５の外側領域に、メンブレン５の各辺に近接して配置されている。

また、上述のサーモパイル１を用いる赤外線検出器１１について図２（ａ）（ｂ）に基づいて説明する。赤外線検出器１１は、略円盤状のステム１２と、ステム１２を貫通して設けた複数本のリード１３と、ステム１２の上面にそれぞれ実装されたサーモパイル１および温度補償用のサーミスタ１４と、一端側（上側）が閉塞された略円筒状であってサーモパイル１及びサーミスタ１４を覆うようにしてステム１２の上面に被着されたキャップ１５と、キャップ１５の上面の孔１５ａに取着された赤外線フィルタ１６とを備えており、サーモパイル１の電極パッド１０，１０とサーミスタ１４の電極（図示せず）とはそれぞれボンディングワイヤ１７を介してリード１３に電気的に接続されている。

而して、この赤外線検出器１１では、赤外光を含む外光がキャップ１５の孔１５ａに入射すると、孔１５ａに取着された赤外線フィルタ１６により波長が赤外領域以外の光が減衰されて、赤外光のみが赤外線フィルタ１６を透過する。そして、赤外線フィルタ１６を透過した赤外光はサーモパイル１に入射し、メンブレン５の温度が上昇する。この時、絶縁膜３の表面に形成された複数の熱電対７により、メンブレン５の温度上昇が電気信号に変換されるので、電極パッド１０，１０間の起電圧からサーモパイル１に入射した赤外線量を検出することができる。すなわち赤外線検出器１１により赤外線を放射する物体の温度を非接触で検出することができる。

ここで、本実施形態では平面視の形状が正方形に形成されたメンブレン５の対角線付近に、対角線の略全体に亘って略同じ間隔で温接点７ａを配置しており、図１中のＡ１，Ａ２は対角線付近に配置した温接点７ａの群を示している。図６に示す従来のサーモパイルでは、メンブレン５の各辺の近傍に温接点を配置しているため、メンブレン５の中央付近の熱を効率良く電気信号に変換することができないが、本実施形態ではメンブレン５の対角線付近であって、対角線の略全体に略同じ間隔で温接点７ａを配置しているので、メンブレン５の外側寄りの領域および内側寄りの領域に温接点７ａがそれぞれ配置される。したがって、メンブレン５の中央部を含め、任意の位置の熱を効率良く電気エネルギーに変換することができ、赤外線に対する感度を向上させることができる。

なお本実施形態ではメンブレン５の形状を正方形とし、メンブレン５の対角線付近に略同じ間隔で温接点７ａを配置しているが、メンブレン５の形状や温接点７ａの配置を上記の形態に限定する趣旨のものではなく、四角形のメンブレン５の対角線付近に熱電対７の温接点７ａを配置すれば良い。

（実施形態２）
本発明の実施形態２を図３に基づいて説明する。本実施形態では、上述した実施形態１のサーモパイル１において、メンブレン５の４つの角の近傍で、対角線付近に配置した複数の温接点７ａを、複数（例えば２つ）の列に分岐して配置してある。尚、熱電対７の配置以外は上述した実施形態１と同様であるので、共通する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図３中の温接点群Ａ１，Ａ２は対角線付近に配置された温接点７ａの群を示している。また、温接点群Ａ３は一方の対角線付近に配置された温接点７ａの内、２列に分岐して配置された角付近の温接点７ａの群を示し、温接点群Ａ４は他方の対角線付近に配置された温接点７ａの内、２列に分岐して配置された温接点７ａの群を示している。

実施形態１では対角線付近に温接点７ａを配置しているので、一方の対角線付近に配置された温接点７ａの内で角付近に配置された温接点７ａと、他方の対角線付近に配置された温接点７ａの内で角付近に配置された温接点７ａとの間隔が広くなるが、本実施形態では角付近に配置される温接点７ａを複数の列に分岐させることで、温接点７ａを分散させており、メンブレン５上に配置された複数の温接点７ａの間の距離を短くできる。したがって、隣接する温接点群Ａ３，Ａ４の間の距離が短くなり、隣接する温接点群Ａ３，Ａ４の中間領域の熱エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換することができるから、実施形態１で説明したサーモパイル１に比べて、赤外線に対する感度をさらに向上させることができる。

なお本実施形態ではメンブレン５の４つの角で、対角線付近に配置された複数の温接点７ａを複数の列に分岐して配置しているが、少なくとも１つの角付近で温接点７ａを複数の列に分岐して配置すれば良く、温接点７ａを分散して配置することで、メンブレン５に入射した赤外線による熱エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換することができる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３を図４に基づいて説明する。上述の実施形態１、２では、メンブレン５の対角線付近に複数個の熱電対７の温接点７ａを配置しているのに対して、本実施形態では、図４（ａ）に示すようにメンブレン５の対角線付近に、対角線の略全体に亘って略同じ間隔で複数個の熱電対７の温接点７ａを配置するとともに、対角線付近に温接点７ａが配置された熱電対７（第１の温接点）の温接点７ａと冷接点７ｂの間に、複数個の熱電対７’（第２の温接点）の温接点７ａを配置している。尚、メンブレン５の対角線付近に温接点７ａが配置された熱電対７とは別に熱電対７’を配置した点以外は、上述の実施形態１又は２と同様であるので、共通する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図４（ａ）中の温接点群Ａ１，Ａ２は対角線付近に配置された温接点７ａの群を示している。一方、温接点群Ａ５は、一方の対角線付近に温接点７ａが配置された熱電対７の温接点７ａと冷接点７ｂとの間に温接点７ａが配置された熱電対７’（第２の熱電対）の温接点７ａの群である。また、温接点群Ａ６は、他方の対角線付近に温接点７ａが配置された熱電対７の温接点７ａと冷接点７ｂとの間に温接点７ａが配置された熱電対７’（第２の熱電対）の温接点７ａの群である。なお熱電対７’の冷接点７ｂは、熱電対７と同様にメンブレン５の外側に配置されている。

このように温接点群Ａ５，Ａ６は、第１の熱電対７が備える温接点７ａと冷接点７ｂとの間に温接点７ａを配置しているので、メンブレン５において第１の熱電対７の温接点７ａと冷接点７ｂとの間に位置する領域の熱エネルギーを、第２の熱電対７’により電気エネルギーに変換することができ、実施形態１で説明したサーモパイル１に比べて熱エネルギーを電気エネルギーにさらに効率良く変換できるから、赤外線に対する感度をさらに向上させることができる。

ところで、図４（ａ）に示すサーモパイル１では、実施形態１で説明したサーモパイル１において第１の熱電対７の温接点７ａと冷接点７ｂの間に、第２の熱電対７’の温接点７ａを配置しているが、図４（ｂ）に示すように、実施形態２で説明したサーモパイル１において、第１の熱電対７の温接点７ａと冷接点７ｂの間に、第２の熱電対７’の温接点７ａを配置しても良い。

図４（ｂ）中の温接点群Ａ１，Ａ２は対角線付近に配置された温接点７ａの群を示している。また、温接点群Ａ３，Ａ４は、メンブレン５の対角線付近に配置する温接点７ａの内、メンブレン５の角付近に配置する温接点７ａを２列に分岐させて配置した温接点７ａの群を示している。一方、温接点群Ａ７は、対角線付近に温接点７ａが配置された熱電対７（第１の熱電対）の温接点７ａと冷接点７ｂとの間に温接点７ａが配置された熱電対７’（第２の熱電対）の温接点７ａの群である。なお第２の熱電対７’の冷接点７ｂは、熱電対７と同様にメンブレン５の外側に配置されている。

このように図４（ｂ）に示すサーモパイル１においても、温接点群Ａ７が、第１の熱電対７が備える温接点７ａと冷接点７ｂとの間に配置されているので、メンブレン５において第１の熱電対７の温接点７ａと冷接点７ｂとの間に位置する領域の熱エネルギーを、第２の熱電対７’により電気エネルギーに変換することができ、実施形態２で説明したサーモパイル１に比べて熱エネルギーを電気エネルギーにさらに効率良く変換できるから、赤外線に対する感度をさらに向上させることができる。

（実施形態４）
本発明の実施形態４を図５に基づいて説明する。実施形態３で説明した図４（ａ）のサーモパイル１では、メンブレン５の対角線付近に、対角線の略全体に亘って略同じ間隔で複数個の熱電対７の温接点７ａを配置して温接点群Ａ１，Ａ２を構成するとともに、これら温接点群Ａ１，Ａ２の熱電対７の温接点７ａと冷接点７ｂの間に、温接点７ａが配置されるように複数個の熱電対７’を配置しているため、メンブレン５上で熱電対７，７’が配置されていない空き領域が生じるが、本実施形態では、この空き領域を利用し、温接点群Ａ１，Ａ２の熱電対７を構成する導電片８の一端側（温接点側）に他の部位よりも幅広の幅広部８ａを設け、幅広部８ａで空き領域を埋めている（図５（ａ）参照）。尚、導電片８の形状以外は上述した図４（ａ）に示すサーモパイル１と同様であるので、共通する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。

上述のように本実施形態のサーモパイル１では、メンブレン５において熱電対７，７’が配置されていない空き領域を埋めるように、熱電対７，７’の内の少なくとも一部を構成する材料（本実施形態では熱電対７の材料８）に幅広部８ａを設けているので、幅広部８ａの断面積を大きくして抵抗値を下げることで、サーモパイル１全体の抵抗値を小さくでき、その結果サーモパイル１のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

また、実施形態３で説明した図４（ｂ）に示すサーモパイル１においても、メンブレン５の対角線付近に、対角線の略全体に亘って略同じ間隔で複数個の熱電対７の温接点７ａを配置して温接点群Ａ１，Ａ２を構成するとともに、メンブレン５の角部付近で温接点７ａを複数の列に分岐させて温接点群Ａ３，Ａ４を構成し、これら温接点群Ａ１〜Ａ４の熱電対７の温接点７ａと冷接点７ｂの間に、温接点７ａが配置されるように複数個の熱電対７’を配置しているため、メンブレン５上で熱電対７，７’が配置されていない空き領域が生じるが、この空き領域を利用して、温接点群Ａ１，Ａ２の熱電対７を構成する導電片８の一端側（温接点側）に他の部位よりも幅広の幅広部８ａを設けて、幅広部８ａで空き領域を埋めるようにしても良い（図５（ｂ）参照）。尚、導電片８の形状以外は上述した図４（ｂ）に示すサーモパイル１と同様であるので、共通する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。

このサーモパイル１においても、メンブレン５において熱電対７，７’が配置されていない空き領域を埋めるように、熱電対７，７’の内の少なくとも一部を構成する材料（熱電対７の材料８）に幅広部８ａを設けているので、幅広部８ａの断面積を大きくして抵抗値を下げることで、サーモパイル１全体の抵抗値を小さくでき、その結果サーモパイル１のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

なお、本発明の精神と範囲に反することなしに、広範に異なる実施形態を構成することができることは明白なので、この発明は、特定の実施形態に制約されるものではない。

実施形態１のサーモパイルの平面図である。 （ａ）は同上を用いた赤外線検出器の分解斜視図、（ｂ）は断面図である。 実施形態２のサーモパイルの平面図である。 （ａ）（ｂ）は実施形態３のサーモパイルの平面図である。 （ａ）（ｂ）は実施形態４のサーモパイルの平面図である。 従来のサーモパイルの平面図である。

符号の説明

１ サーモパイル
２ 半導体基板（基板）
３ 絶縁膜（基板）
５ メンブレン
７ 熱電対（第１の熱電対）
７’ 熱電対（第２の熱電対）
７ａ 温接点
７ｂ 冷接点
８，９ 導電片

Claims (4)

1. 平面視の形状が四角形のメンブレンを有し、メンブレンの周部をヒートシンクとした基板と、それぞれ２種類の材料を接合して構成され、互いに直列に接続された状態で前記基板の表面に配置された複数の第１の熱電対とを備え、各第１の熱電対の冷接点をメンブレンの周部に配置するとともに、各第１の熱電対の温接点を、四角形のメンブレンの対角線付近に、対角線の略全体に亘って配置したことを特徴とするサーモパイル。
2. 前記メンブレンの少なくとも１つの角の近傍で、対角線付近に配置した複数の温接点を複数の列に分岐して配置したことを特徴とする請求項１記載のサーモパイル。
3. 前記メンブレンにおいて、各第１の熱電対の温接点と冷接点との間に、第１の熱電対に直列接続された第２の熱電対の温接点を配置したことを特徴とする請求項１又は２の何れか１項に記載のサーモパイル。
4. 第１及び第２の熱電対の内の少なくとも１つを構成する材料に、前記第２の熱電対を配置することによって前記メンブレン上に生じた空き領域を埋めるための幅広部を設けたことを特徴とする請求項３記載のサーモパイル。

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