JP2008026124A - Thermal infrared sensor - Google Patents

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JP2008026124A JP2006198415A JP2006198415A JP2008026124A JP 2008026124 A JP2008026124 A JP 2008026124A JP 2006198415 A JP2006198415 A JP 2006198415A JP 2006198415 A JP2006198415 A JP 2006198415A JP 2008026124 A JP2008026124 A JP 2008026124A
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Tomoaki Tojo
友昭 東條
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a readily manufacturable thermal infrared sensor having superior detection sensitivity, using a dielectric film whose solid-state properties change depending on the temperature. <P>SOLUTION: In this thermal infrared sensor 100 having an infrared detection part 110, the infrared detection part 110 is equipped with the first electrode part 103a and the second electrode part 103b formed adjacent on a substrate 105, and a conductive layer 106, formed in a state of facing the first electrode part 103a and the second electrode part 103b via the dielectric film 101. The conductive layer 106 includes the third electrode part 106a facing the first electrode part 103a and the fourth electrode part 106b facing the second electrode part 103b. The first capacitor, comprising the first electrode part 103a and the third electrode part 106a and the second capacitor that comprises the second electrode part 103b and the fourth electrode part 106b are connected in series by electrical connections formed by including the third electrode part 106a and the fourth electrode part 106b in the conductive layer 106. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、物体及び人体等から放射される赤外線を検知する赤外線センサに関するものであり、特に、赤外線を温度変化による誘電体膜の物性変化として捉える熱型赤外線センサに関するものである。   The present invention relates to an infrared sensor that detects infrared rays emitted from an object, a human body, and the like, and more particularly, to a thermal infrared sensor that captures infrared rays as changes in physical properties of a dielectric film due to temperature changes.

人体及び物体から輻射されている赤外線を検出する赤外線センサは、物体の存在及び温度についての情報を非接触で得ることができる。このため、セキュリティー用途としての暗視野における人体検知及び非接触体温計等、様々な分野において応用が期待されている。   An infrared sensor that detects infrared rays radiated from a human body and an object can obtain information on the presence and temperature of the object in a non-contact manner. For this reason, application is expected in various fields such as human body detection in a dark field as a security use and a non-contact thermometer.

赤外線センサには数多くの検出方式があるが、よく利用されている主流の方式は2種類の方式に大別することができる。その1つは、固体材料の光電効果を利用し、吸収した赤外線を直接電気信号に変換して検出する量子型赤外線センサである。また、もう1つは、受光した赤外線を一度熱に変換し、温度による物性の変化が大きい材料を用いて、前記の熱による温度変化を検出する熱型赤外線センサである。   There are many detection methods for infrared sensors, but the mainstream methods that are often used can be broadly divided into two types. One of them is a quantum infrared sensor that utilizes the photoelectric effect of a solid material to directly convert absorbed infrared light into an electrical signal for detection. The other is a thermal infrared sensor that converts a received infrared ray into heat once and detects the temperature change due to the heat using a material having a large change in physical properties due to temperature.

量子型赤外線センサは、赤外線吸収による固体の状態遷移に基づく光電効果を赤外線検出の基本原理としているため、通常、液体窒素等を用いた冷却機構が必要になる。この一方、熱型赤外線センサは、赤外線吸収によって生じた熱を利用して検出を行なっているため、室温においても赤外線の検出が可能であり、安価で且つ小型な装置を実現することができる。   Since the quantum infrared sensor uses the photoelectric effect based on the solid state transition by infrared absorption as the basic principle of infrared detection, a cooling mechanism using liquid nitrogen or the like is usually required. On the other hand, since the thermal infrared sensor performs detection using heat generated by infrared absorption, it can detect infrared rays even at room temperature, and can realize an inexpensive and small device.

このような熱型赤外線センサには、誘電体膜の特性変化を利用したセンサがある。更に分類すると、強誘電体膜の温度変化により生じた焦電電流を検知する焦電型赤外線センサと、強誘電体膜の比誘電率の温度変化を利用して赤外線を検知する誘電型赤外線センサとが知られている。その中でも、誘電型赤外線センサは、焦電型赤外線センサと比較すると、チョッパを必要としないこと、焦電効果の向上に必要なポーリングが不要であり微細化に適していること、等の優れた特徴を有するため、その実用化が期待されている。   As such a thermal infrared sensor, there is a sensor using a change in characteristics of a dielectric film. When classified further, a pyroelectric infrared sensor that detects pyroelectric current caused by a temperature change of the ferroelectric film, and a dielectric infrared sensor that detects infrared rays using the temperature change of the relative permittivity of the ferroelectric film. Is known. Among them, the dielectric infrared sensor is superior to the pyroelectric infrared sensor in that it does not require a chopper and does not require polling necessary for improving the pyroelectric effect and is suitable for miniaturization. Since it has characteristics, its practical application is expected.

以下、誘電体膜を用いた熱型赤外線センサの基本構造と、焦電型及び誘電型赤外線センサの基本動作原理を示す。まず、図10は、従来の誘電体膜を用いた熱型赤外線センサの断面構造を示した図である(例えば、特許文献1を参照)。   The basic structure of a thermal infrared sensor using a dielectric film and the basic operation principle of pyroelectric and dielectric infrared sensors will be described below. First, FIG. 10 is a view showing a cross-sectional structure of a conventional thermal infrared sensor using a dielectric film (see, for example, Patent Document 1).

図10の熱型赤外線センサは、基板17を用いて形成されている。基板17上には絶縁膜16が形成され、絶縁膜16上に、下部電極13、誘電体膜11、上部電極12が下からこの順に形成されてキャパシタ構造の赤外線検知部10が構成されている。   The thermal infrared sensor of FIG. 10 is formed using a substrate 17. An insulating film 16 is formed on the substrate 17, and a lower electrode 13, a dielectric film 11, and an upper electrode 12 are formed on the insulating film 16 in this order from the bottom to constitute the infrared detecting unit 10 having a capacitor structure. .

尚、赤外線検知部10の下方において、基板17は裏側から一部がエッチングにより除去され、薄膜化されている。更に、薄膜化された基板17のうち赤外線検知部10を搭載する部分が搭載部20となると共に、搭載部20は支持部18によって基板17の周囲の部分と接続されている。このような構造により、赤外線検知部10を周囲から熱絶縁するようになっている。   Note that a part of the substrate 17 is removed from the back side by etching under the infrared detecting unit 10 to be thinned. Furthermore, the portion on which the infrared detecting unit 10 is mounted in the thinned substrate 17 becomes the mounting unit 20, and the mounting unit 20 is connected to the peripheral portion of the substrate 17 by the support unit 18. With such a structure, the infrared detector 10 is thermally insulated from the surroundings.

また、下部電極13に対して配線15が接続されていると共に、上部電極12に対して配線14が接続されている。   In addition, a wiring 15 is connected to the lower electrode 13, and a wiring 14 is connected to the upper electrode 12.

このような構造を有する熱型赤外線センサにおいて、照射された赤外線19は、赤外線検知部10に吸収されて熱エネルギーに変換され、支持部18により支持された構造を取ることによって熱絶縁された赤外線検知部10の温度上昇に寄与する。   In the thermal infrared sensor having such a structure, the irradiated infrared ray 19 is absorbed by the infrared detection unit 10 and converted into thermal energy, and the infrared ray is thermally insulated by taking a structure supported by the support unit 18. This contributes to the temperature rise of the detection unit 10.

ここで、焦電型赤外線センサの場合、温度変化に伴って生じる焦電電荷の変化を微小な焦電電流として検知する。温度変化が生じない場合には電荷量の変化は生じないため、センサ前方を横断するような動きのある物体の検知には有効であるが、静止した物体を検知するためにはチョッパ等の手段により赤外線を変調することが必要である。   Here, in the case of a pyroelectric infrared sensor, a change in pyroelectric charge caused by a temperature change is detected as a minute pyroelectric current. When the temperature does not change, the amount of charge does not change, so it is effective for detecting moving objects that cross the front of the sensor, but means such as a chopper to detect a stationary object It is necessary to modulate the infrared.

この一方、誘電型赤外線センサの場合、温度変化に伴って生じる誘電体膜における比誘電率の変化を電圧変換して検知する。図11に、誘電型赤外線センサにおける検出回路の一例を示す。   On the other hand, in the case of a dielectric infrared sensor, a change in relative dielectric constant in a dielectric film caused by a temperature change is detected by voltage conversion. FIG. 11 shows an example of a detection circuit in a dielectric infrared sensor.

図11の誘電型赤外線センサでは、温度によって比誘電率が変化する可変キャパシタ31と、比誘電率が温度によらず概ね一定である参照キャパシタ33とが、それぞれの一方の端子同士の電気的接続より直列に接続された回路を利用している。更に、図11に示すように、参照キャパシタ33の他方の端子を電圧源34に接続すると共に、可変キャパシタ31の他方の端子をグランドGNDに接続(つまり、接地)している。   In the dielectric infrared sensor of FIG. 11, a variable capacitor 31 whose relative dielectric constant varies with temperature and a reference capacitor 33 whose relative dielectric constant is substantially constant regardless of temperature are electrically connected to each other. More series connected circuits are used. Further, as shown in FIG. 11, the other terminal of the reference capacitor 33 is connected to the voltage source 34, and the other terminal of the variable capacitor 31 is connected to the ground GND (that is, grounded).

このような回路において、可変キャパシタ31と参照キャパシタ33との接続点である出力端子32における電気信号を検出する。出力端子32に出力される電圧は、電圧源34による電源電圧が、直列接続された可変キャパシタ31と参照キャパシタ33との容量値に応じて分配された電圧である。このため、温度変化により可変キャパシタ31の容量が変化すると、出力端子32に出力される電圧が変化することになり、温度変化を電圧変化として検出することができる。   In such a circuit, an electric signal at the output terminal 32 which is a connection point between the variable capacitor 31 and the reference capacitor 33 is detected. The voltage output to the output terminal 32 is a voltage in which the power supply voltage from the voltage source 34 is distributed according to the capacitance values of the variable capacitor 31 and the reference capacitor 33 connected in series. For this reason, when the capacitance of the variable capacitor 31 changes due to a temperature change, the voltage output to the output terminal 32 changes, and the temperature change can be detected as a voltage change.

誘電型赤外線センサに適する材料としては、室温付近において誘電率温度変化率が高いチタン酸バリウム系強誘電体材料が挙げられ、特に、チタンの一部をそれぞれ錫及びジルコニウムにより置換したチタン酸錫酸バリウム又はチタン酸ジルコン酸バリウムが有効である。更に、これらの材料においてバリウムの一部をカルシウムにより置換した材料も有効である。このような材料の一例として、チタン酸錫酸バリウムの比誘電率−温度特性を図12に示す。図12には、誘電体膜に印加される電圧と誘電体膜の膜厚をもって換算した電界強度とをパラメータとして、比誘電率−温度特性を示している。   Suitable materials for the dielectric infrared sensor include barium titanate-based ferroelectric materials having a high dielectric constant temperature change rate near room temperature. In particular, titanic acid stannic acid in which a part of titanium is substituted with tin and zirconium, respectively. Barium or barium zirconate titanate is effective. Further, in these materials, materials in which a part of barium is replaced with calcium are also effective. As an example of such a material, the relative dielectric constant-temperature characteristic of barium titanate titanate is shown in FIG. FIG. 12 shows the relative dielectric constant-temperature characteristics using the voltage applied to the dielectric film and the electric field strength converted with the thickness of the dielectric film as parameters.

また、図13には、赤外線照射前の室温300Kにおいて可変キャパシタ31と参照キャパシタ32との容量を一致させた後、時間Tに赤外線を照射し始めた場合について、図11の可変キャパシタ31における比誘電率の変化と出力端子32からの出力とを示す。   FIG. 13 shows the ratio of the variable capacitor 31 in FIG. 11 in the case where the infrared rays are started to be irradiated at time T after matching the capacitances of the variable capacitor 31 and the reference capacitor 32 at the room temperature of 300 K before the infrared irradiation. The change in dielectric constant and the output from the output terminal 32 are shown.

赤外線照射前では、可変キャパシタ31と参照キャパシタ33とは容量が一致している。このため、出力端子32には電圧源34による電源電圧に対して半分の電位が出力される。赤外線の照射を開始すると、誘電体膜の温度が上昇し、図12の特性に示すように可変キャパシタ31における比誘電率が減少する。このため、図11の検出回路において、可変キャパシタ31と参照キャパシタ33との間に電圧が再配分され、出力端子32における電位が変化する。ここでは、該電位は増加する。   Before the infrared irradiation, the variable capacitor 31 and the reference capacitor 33 have the same capacity. For this reason, a half potential with respect to the power supply voltage by the voltage source 34 is output to the output terminal 32. When infrared irradiation is started, the temperature of the dielectric film increases, and the relative permittivity of the variable capacitor 31 decreases as shown in the characteristics of FIG. For this reason, in the detection circuit of FIG. 11, the voltage is redistributed between the variable capacitor 31 and the reference capacitor 33, and the potential at the output terminal 32 changes. Here, the potential increases.

このような出力端子32における電位の変化を検知することにより、誘電体型赤外線センサとして動作する。   By detecting such a change in potential at the output terminal 32, it operates as a dielectric infrared sensor.

尚、赤外線の照射量に応じて出力電圧が維持されるため、焦電型の赤外線センサとは異なり、チョッパ等による赤外線の変調は不要である。   In addition, since the output voltage is maintained according to the amount of irradiation of infrared rays, unlike a pyroelectric infrared sensor, the modulation of infrared rays by a chopper or the like is unnecessary.

また、焦電型赤外線センサにおいては、焦電効果を向上するためにポーリングが必要であったが、誘電型赤外線センサの場合にはポーリングは不要である。このため、微細化に適している等の優れた特徴を有し、実用化が期待されている。   In the pyroelectric infrared sensor, polling is necessary to improve the pyroelectric effect, but in the case of a dielectric infrared sensor, polling is not necessary. For this reason, it has excellent features such as being suitable for miniaturization and is expected to be put to practical use.

尚、図11の検出回路を構成するために必要な参照キャパシタとしては、図10と同じ構造を有すると共に赤外線の照射を防ぐために遮光された構造、又は、図10の赤外線検知部10と同じ構造を熱絶縁されていない基板上に設けた構造等を用いることができる。
特開平7−307496号公報
The reference capacitor necessary for configuring the detection circuit of FIG. 11 has the same structure as that of FIG. 10 and is shielded to prevent infrared irradiation, or the same structure as the infrared detection unit 10 of FIG. Or the like provided on a substrate that is not thermally insulated.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-307696

しかしながら、以上に説明した従来の誘電型赤外線センサには、次のような問題があった。   However, the conventional dielectric infrared sensor described above has the following problems.

まず、従来の誘電型赤外線センサにおいて用いられている誘電体膜は、例えば図12に示すような比誘電率−温度特性を有する。ここに示されているように、誘電体膜に印加する電界強度を高くすると、比誘電率が低下し、更に、比誘電率の温度変化率についても低減する。   First, a dielectric film used in a conventional dielectric infrared sensor has a relative dielectric constant-temperature characteristic as shown in FIG. As shown here, when the electric field strength applied to the dielectric film is increased, the relative permittivity is decreased, and the temperature change rate of the relative permittivity is also decreased.

このような材料固有の特性のため、誘電型赤外線センサの出力電圧を増加させる目的をもって図11の検出回路において電圧源34の電圧を大きくしても、検出感度の向上を図ることはできない。これは、電源電圧を大きくすると、誘電体膜の比誘電率の温度変化率が低下するためである。   Due to such material-specific characteristics, even if the voltage of the voltage source 34 is increased in the detection circuit of FIG. 11 for the purpose of increasing the output voltage of the dielectric infrared sensor, the detection sensitivity cannot be improved. This is because when the power supply voltage is increased, the temperature change rate of the dielectric constant of the dielectric film is lowered.

従って、誘電体型赤外線センサの検出感度を向上するためには、誘電体膜の膜厚を増加することが行なわれている。しかし、従来の熱型赤外線センサにおいて、例えば図10に示すように配線14及び配線15が下部電極13と同じ高さに位置している場合、配線14と上部電極12とを接続するために、誘電体膜11の膜厚に相当する段差を被覆して接続する必要がある。   Therefore, in order to improve the detection sensitivity of the dielectric infrared sensor, the thickness of the dielectric film is increased. However, in the conventional thermal infrared sensor, for example, as shown in FIG. 10, when the wiring 14 and the wiring 15 are located at the same height as the lower electrode 13, in order to connect the wiring 14 and the upper electrode 12, It is necessary to cover and connect a step corresponding to the film thickness of the dielectric film 11.

このため、誘電体膜11の膜厚を増加すると、配線14についての被覆率の低下及び段切れが生じやすくなり、更に、微細なパターニングが困難になる。これらの結果、歩留り低下の問題が発生する。   For this reason, when the film thickness of the dielectric film 11 is increased, the coverage of the wiring 14 is likely to decrease and disconnection is likely to occur, and further, fine patterning becomes difficult. As a result, a problem of yield reduction occurs.

また、誘電体膜11を厚膜化すると、赤外線検知部10の熱容量が増加し、誘電体膜11自身の温度変化量が小さくなるという問題が生じる。よって、これらの解決が課題となっていた。   In addition, when the dielectric film 11 is thickened, the heat capacity of the infrared detecting unit 10 is increased, and the temperature change amount of the dielectric film 11 itself is reduced. Therefore, these solutions have been problems.

更に、従来、上部電極12としては、誘電体膜13に対する電荷の注入障壁を大きくするため、仕事関数が大きいPt材料を使用してきた。しかし、Pt材料は、検出しようとする赤外線の波長域である8〜14μm帯について反射率が高く、赤外線検知部10における赤外線の吸収率を低下させるという問題がある。この解決についても課題となっていた。   Furthermore, conventionally, a Pt material having a large work function has been used as the upper electrode 12 in order to increase the charge injection barrier with respect to the dielectric film 13. However, the Pt material has a high reflectance in the 8 to 14 μm band, which is the infrared wavelength range to be detected, and there is a problem in that the infrared absorption rate in the infrared detection unit 10 is reduced. This solution was also an issue.

以上の課題に鑑み、本発明の目的は、温度により材料物性が変化する誘電体膜を用い、検出感度が高く且つ製造が容易な熱型赤外線センサを提供することである。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a thermal infrared sensor that uses a dielectric film whose material properties change with temperature, has high detection sensitivity, and is easy to manufacture.

前記の目的を達成するため、赤外線検知部を有する本発明の熱型赤外線センサにおいて、赤外線検知部は、基板上に隣り合うように形成された第1の電極部及び第2の電極部と、誘電体膜を介して第1の電極部及び第2の電極部と対向するように形成された導電層とを備え、導電層は、第1の電極部と対向する第3の電極部及び第2の電極部と対向する第4の電極部を含み、第3の電極部及び第4の電極部が導電層に含まれることによる電気的接続によって、第1の電極部及び第3の電極部からなる第1のキャパシタと、第2の電極部及び第4の電極部からなる第2のキャパシタとは直列に接続されている。   In order to achieve the above object, in the thermal infrared sensor of the present invention having an infrared detection unit, the infrared detection unit includes a first electrode unit and a second electrode unit formed so as to be adjacent to each other on the substrate, A conductive layer formed so as to face the first electrode portion and the second electrode portion with a dielectric film interposed therebetween, and the conductive layer includes a third electrode portion and a second electrode portion facing the first electrode portion. The fourth electrode portion is opposed to the second electrode portion, and the first electrode portion and the third electrode portion are electrically connected by including the third electrode portion and the fourth electrode portion in the conductive layer. The first capacitor made of and the second capacitor made of the second electrode portion and the fourth electrode portion are connected in series.

本発明の熱型赤外線センサによると、第1の電極部と第2の電極部とは基板上に隣り合うように形成されているため、これらに対する配線はいずれも平坦な面上において行なうことができる。つまり、赤外線検知部として機能する直列に接続された第1のキャパシタ及び第2のキャパシタに対する電気的接続のための配線は、誘電体膜の膜厚のために生じる段差を覆う必要を伴わずに形成することができる。このため、このような配線の接続は、容易に確実に行なうことができる。   According to the thermal infrared sensor of the present invention, since the first electrode portion and the second electrode portion are formed so as to be adjacent to each other on the substrate, wiring for these can be performed on a flat surface. it can. That is, the wiring for electrical connection to the first capacitor and the second capacitor connected in series functioning as the infrared detection unit does not need to cover the step generated due to the film thickness of the dielectric film. Can be formed. For this reason, such wiring connection can be easily and reliably performed.

また、赤外線検知部として、第3の電極部と第4の電極部とが共に同じ導電層に含まれているために電気的に接続されていることにより直列に接続された2つのキャパシタ(第1のキャパシタ及び第2のキャパシタ)を有している。同じ導電層を挟んで2つのキャパシタが構成され且つ直列に接続された構造であるから、同様の誘電体膜を有する単一のキャパシタの場合と比較すると、誘電体膜に印加される電界強度は概ね二分の一に低減されることになる。この結果、誘電体膜を薄膜化した場合にも、電界強度の上昇は緩和され、比誘電率の温度変化率が低下するのを抑制することができる。更に、これは電界強度の上昇を避けながら誘電体膜を薄膜化することが可能であることを意味し、誘電体膜の薄膜化より赤外線検知部の熱容量が小さくなるため、検出感度の向上が実現する。   In addition, since the third electrode portion and the fourth electrode portion are both included in the same conductive layer as the infrared detecting portion, the two capacitors (the first capacitor connected in series) are electrically connected. 1 capacitor and second capacitor). Since two capacitors are configured and connected in series with the same conductive layer in between, compared to a single capacitor having a similar dielectric film, the electric field strength applied to the dielectric film is It will be reduced to about one half. As a result, even when the dielectric film is thinned, the increase in electric field strength can be mitigated and the temperature change rate of the relative dielectric constant can be suppressed from decreasing. Furthermore, this means that the dielectric film can be thinned while avoiding an increase in electric field strength, and the thermal capacity of the infrared detector becomes smaller than the thinning of the dielectric film, which improves the detection sensitivity. Realize.

尚、基板上に絶縁膜が形成され、第1の電極部及び第2の電極部は、それぞれ絶縁膜上に形成された下部電極であり、誘電体膜は、第1の電極部及び第2の電極部上に形成され、導電層は、誘電体膜上に形成された上部電極であるようにしてもよい。   An insulating film is formed on the substrate, the first electrode portion and the second electrode portion are lower electrodes formed on the insulating film, respectively, and the dielectric film is the first electrode portion and the second electrode portion. The conductive layer may be an upper electrode formed on the dielectric film.

本発明の熱型赤外線センサは、このような構成として実現することもできる。この場合、赤外線検知部を構成するキャパシタへの配線は、絶縁膜上に形成されたそれぞれの下部電極(第1の電極部及び第2の電極部)に対して接続することになる。該絶縁膜の上面は平坦にすることができるから、このような配線は容易且つ確実に形成可能である。   The thermal infrared sensor of the present invention can also be realized as such a configuration. In this case, the wiring to the capacitor constituting the infrared detection unit is connected to each lower electrode (first electrode unit and second electrode unit) formed on the insulating film. Since the upper surface of the insulating film can be made flat, such wiring can be easily and reliably formed.

また、基板上に、凹部を有する絶縁膜が形成され、導電層は、凹部の底面上に形成される下部電極であり、誘電体膜は、導電層上に形成され、第1の電極部及び第2の電極部は、それぞれ誘電体膜上に形成された上部電極であるようにしても良い。   Further, an insulating film having a recess is formed on the substrate, the conductive layer is a lower electrode formed on the bottom surface of the recess, and the dielectric film is formed on the conductive layer, and the first electrode portion and Each of the second electrode portions may be an upper electrode formed on the dielectric film.

本発明の熱型赤外線センサは、このような構成として実現することもできる。この場合、赤外線検知部を構成するキャパシタへの配線は、それぞれの上部電極(第1の電極部及び第2の電極部)に対して接続することになる。それぞれの上部電極は、絶縁膜の凹部に形成された誘電体膜の上に形成されており、誘電体膜の上面と絶縁膜の上面とは段差が小さいか又は無いようにすることが可能である。このため、上部電極と配線との接続は容易に確実に行なうことができる。   The thermal infrared sensor of the present invention can also be realized as such a configuration. In this case, the wiring to the capacitor constituting the infrared detecting unit is connected to each upper electrode (first electrode unit and second electrode unit). Each upper electrode is formed on the dielectric film formed in the recess of the insulating film, and the upper surface of the dielectric film and the upper surface of the insulating film can have a small or no step. is there. For this reason, the connection between the upper electrode and the wiring can be easily and reliably performed.

また、赤外線検知部が形成された部分の絶縁膜における赤外線検知部と反対側の面が露出していることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the surface on the opposite side to the infrared detection part in the insulating film of the part in which the infrared detection part was formed is exposed.

このようにすると、赤外線検知部の熱容量が低減されるため、熱型赤外線センサの検知感度が向上する。つまり、絶縁膜における赤外線検知部の裏側に相当する部分について、基板又は他の膜等に覆われるのを避けた構造とすることにより、該基板又は他の膜等に対して赤外線検知部からの熱が逃げるのを抑制することができるため、検知感度が向上する。   If it does in this way, since the heat capacity of an infrared detection part is reduced, the detection sensitivity of a thermal type infrared sensor will improve. In other words, the portion corresponding to the back side of the infrared detection unit in the insulating film is structured so as not to be covered with the substrate or other film, so that the substrate or other film is not affected by the infrared detection unit. Since heat can be prevented from escaping, detection sensitivity is improved.

また、赤外線検知部を支持するための少なくとも1つの支持部を残すように、赤外線検知部の周囲に開口が設けられていることが好ましい。   Moreover, it is preferable that an opening is provided around the infrared detection unit so as to leave at least one support unit for supporting the infrared detection unit.

このようにすると、絶縁膜上に形成された赤外線検知部は、熱型赤外線センサの他の部分から開口によって切り離され、支持部のみによって支えられた構造とすることができる。この結果、熱型赤外線センサの他の部分に対する赤外線検知部の断熱特性を向上することができ、赤外線検知部から熱が逃げにくくなることから、赤外線の検知感度が向上する。この場合、支持部についても赤外線検知部と反対側の面は露出しているのがよい。これにより、更に赤外線検知部の熱容量を低減し、検知感度の向上を図ることができる。   If it does in this way, the infrared rays detection part formed on the insulating film can be made into the structure separated from the other part of the thermal type infrared sensor by the opening, and supported only by the support part. As a result, it is possible to improve the heat insulation characteristics of the infrared detection unit with respect to other parts of the thermal infrared sensor, and it becomes difficult for heat to escape from the infrared detection unit, so that the infrared detection sensitivity is improved. In this case, it is preferable that the surface of the support portion opposite to the infrared detection portion is exposed. Thereby, the heat capacity of the infrared detection unit can be further reduced, and the detection sensitivity can be improved.

また、第1の電極部及び前記第2の電極部は、互いに一致する電極面積を有していることが好ましい。   In addition, it is preferable that the first electrode portion and the second electrode portion have an electrode area that coincides with each other.

このようにすると、第1のキャパシタ及び第2のキャパシタの容量値が一致し、これらの2つのキャパシタに加わる電界強度が一致するようになるため、熱型赤外線センサの検出感度が向上する。但し、第1の電極部及び第2の電極部の面積が互いに厳密に一致することは、好ましい構成であるが、必須ではない。近似していればキャパシタの容量値同士も近くなるために好ましく、その最も好ましい構成が完全に一致する場合である。   By doing so, the capacitance values of the first capacitor and the second capacitor match, and the electric field strengths applied to these two capacitors match, so the detection sensitivity of the thermal infrared sensor improves. However, although it is a preferable configuration that the areas of the first electrode portion and the second electrode portion exactly match each other, it is not essential. The approximation is preferable because the capacitance values of the capacitors are close to each other, and the most preferable configuration completely matches.

また、上部電極の材料は、酸化物導電材料であることが好ましい。   The material of the upper electrode is preferably an oxide conductive material.

酸化物導電材料は、Pt等の材料に比べて赤外線の反射率が低い。そのため、このようにすると、上部電極による赤外線の反射を低減することができるため、赤外線検知部における赤外線吸収の効率を向上させることができ、結果として熱型赤外線センサの検出感度を向上することができる。   The oxide conductive material has a lower infrared reflectance than a material such as Pt. For this reason, since the reflection of infrared rays by the upper electrode can be reduced in this way, the efficiency of infrared absorption in the infrared detection unit can be improved, and as a result, the detection sensitivity of the thermal infrared sensor can be improved. it can.

また、酸化物導電材料は、インジウム錫酸化物であることが更に好ましい。   The oxide conductive material is more preferably indium tin oxide.

このようにすると、上部電極を低抵抗な酸化物電極とすることができ、赤外線検知部における消費電力の低減が可能であるため、熱型赤外線センサの検出感度を向上することができる。   In this way, the upper electrode can be a low-resistance oxide electrode, and the power consumption in the infrared detector can be reduced, so that the detection sensitivity of the thermal infrared sensor can be improved.

また、赤外線検知部上に保護膜を介して接するように形成され且つ赤外線検知部周辺の上方に空間を介して位置するように延びた集熱膜を更に備えることが好ましい。   In addition, it is preferable to further include a heat collecting film formed on the infrared detection unit so as to be in contact with the protective film through the protective film and extending above the periphery of the infrared detection unit through the space.

このようにすると、赤外線検知部の周辺に照射される赤外線を集熱膜により吸収して熱を発生させ、該熱を赤外線検知部の温度上昇に利用することができる。つまり、赤外線検知部に直接照射されることのない赤外線についても利用し、赤外線吸収効率を向上することができる。これにより、赤外線センサの検出感度が向上する。   If it does in this way, the infrared rays irradiated to the circumference | surroundings of an infrared detection part will be absorbed by a heat collecting film, heat | fever will be generated, and this heat can be utilized for the temperature rise of an infrared detection part. That is, the infrared absorption efficiency can be improved by utilizing infrared rays that are not directly irradiated to the infrared detection unit. Thereby, the detection sensitivity of an infrared sensor improves.

本発明の熱型赤外線センサによると、赤外線検知部に対する配線を容易に確実に行なうことができると共に、比誘電率の温度変化率が低下するのを避けながら誘電体膜を薄膜化することができる。このため、検出感度が高く且つ製造が容易な熱型赤外線センサとなっている。   According to the thermal infrared sensor of the present invention, wiring to the infrared detector can be easily and reliably performed, and the dielectric film can be made thin while avoiding a decrease in the temperature change rate of the relative dielectric constant. . For this reason, it is a thermal infrared sensor with high detection sensitivity and easy manufacture.

(第1の実施形態)
以下に、本発明の第1の実施形態に係る熱型赤外線センサについて図面を参照して説明する。図1は、本実施形態の熱型赤外線センサ100の要部断面を示す図である。
(First embodiment)
The thermal infrared sensor according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a cross-section of the main part of a thermal infrared sensor 100 of the present embodiment.

図1に示すように、熱型赤外線センサ100は、例えば厚さ500μmのシリコンからなる基板105を用いて形成されている。基板105上には、例えば膜厚500nmのシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜からなる絶縁膜102が形成されている。   As shown in FIG. 1, the thermal infrared sensor 100 is formed using a substrate 105 made of silicon having a thickness of 500 μm, for example. On the substrate 105, an insulating film 102 made of, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film having a thickness of 500 nm is formed.

絶縁膜102の上には、同じ面積を有する2つの下部電極103a及び103bが例えばPtを材料として厚さ200nmに形成されている。更に、絶縁膜102上に、下部電極103aに接続された配線104aと、下部電極103bに接続された配線104bとが、やはりPtを材料として厚さ200nmに形成されている。   On the insulating film 102, two lower electrodes 103a and 103b having the same area are formed with a thickness of 200 nm using, for example, Pt as a material. Further, on the insulating film 102, a wiring 104a connected to the lower electrode 103a and a wiring 104b connected to the lower electrode 103b are also formed with a thickness of 200 nm using Pt as a material.

下部電極103a及び下部電極103bは隙間を空けて絶縁膜102上に隣り合うように配置され、該隙間を含めて誘電体膜101によって覆われている。誘電体膜101は、例えばチタン酸錫酸バリウムを材料として、厚さ500nmの膜として形成されている。   The lower electrode 103a and the lower electrode 103b are arranged adjacent to each other on the insulating film 102 with a gap, and are covered with the dielectric film 101 including the gap. The dielectric film 101 is formed as a film having a thickness of 500 nm using, for example, barium titanate as a material.

更に、誘電体膜101上に、下部電極103a及び103bの両方の上方に亘って導電層106が形成されている。導電層106は、誘電体膜101を介して下部電極103aと対向する上部電極106aと、誘電体膜101を介して下部電極103bと対向する上部電極106bとを含む。それぞれ同じ導電層106の一部であるから、当然ながら上部電極106a及び106bは電気的に接続されている。尚、導電層106は、例えばインジウム錫酸化物を材料として厚さ200nmに形成されている。   Further, a conductive layer 106 is formed on the dielectric film 101 over both the lower electrodes 103a and 103b. The conductive layer 106 includes an upper electrode 106 a that faces the lower electrode 103 a through the dielectric film 101, and an upper electrode 106 b that faces the lower electrode 103 b through the dielectric film 101. Since each of them is a part of the same conductive layer 106, the upper electrodes 106a and 106b are naturally connected electrically. The conductive layer 106 is formed to a thickness of 200 nm using, for example, indium tin oxide.

ここで、下部電極103aと上部電極106a、下部電極103bと上部電極106bにより、それぞれ誘電体膜101を挟んで2つのキャパシタが形成されると共に、これら2つのキャパシタは導電層106自体が配線としての機能を果たすことにより直列に接続され、赤外線検知部110を構成している。更に、下部電極103aに配線104aが接続されると共に、下部電極103bに配線104bが接続されることにより、赤外線検知部110に対する電気的接続が形成されている。   Here, the lower electrode 103a and the upper electrode 106a, and the lower electrode 103b and the upper electrode 106b form two capacitors with the dielectric film 101 interposed therebetween, and the conductive layer 106 itself serves as a wiring. The infrared detector 110 is connected in series by fulfilling the function. Furthermore, the wiring 104a is connected to the lower electrode 103a, and the wiring 104b is connected to the lower electrode 103b, whereby an electrical connection to the infrared detection unit 110 is formed.

この構成を、電気回路図によって等価回路表示したものを図2に示す。本実施形態の誘電体膜101は温度によって比誘電率が変化するため、容量が可変のキャパシタ110a及び110bが直列に接続された構成となる。このような直列に接続されたキャパシタが、図11に示す検出回路における可変キャパシタ31に相当する。また、図11の検出回路に当てはめると、配線104a及び104bの一方がGNDに、他方が参照キャパシタ33(図1においては省略)に電気的に接続されるようになっている。この結果、赤外線の照射による誘電体膜101の比誘電率変化に応じて赤外線検知部110のキャパシタ110a及び110bが変化し、参照キャパシタとの間の電圧分配の変化を検出することが出来る。   FIG. 2 shows an equivalent circuit display of this configuration by an electric circuit diagram. The dielectric film 101 of this embodiment has a configuration in which the capacitors 110a and 110b having variable capacitances are connected in series because the relative dielectric constant changes depending on the temperature. Such capacitors connected in series correspond to the variable capacitor 31 in the detection circuit shown in FIG. When applied to the detection circuit of FIG. 11, one of the wirings 104a and 104b is electrically connected to GND, and the other is electrically connected to a reference capacitor 33 (not shown in FIG. 1). As a result, the capacitors 110a and 110b of the infrared detecting unit 110 change according to the change in the relative dielectric constant of the dielectric film 101 due to infrared irradiation, and the change in voltage distribution with the reference capacitor can be detected.

図10に示す従来の構造の場合には誘電体膜101の膜厚に相当する段差が生じていたのとは異なり、以上に説明した熱型赤外線センサ100の構造において、下部電極103aと配線104aとは平坦な絶縁膜102上において接続されている。このため、下部電極103aと配線104aとは容易に確実に接続することができ、熱型赤外線センサ100を製造する際の歩留りが向上する。特に、本実施形態の場合のように、下部電極103aと配線104aとを同じ材料によって形成する場合、一体のパターンとして形成してその端部を下部電極103aとして用いることもできる。尚、下部電極103bと配線104bとについても同様である。   In the conventional structure shown in FIG. 10, a step corresponding to the film thickness of the dielectric film 101 is generated. Unlike the structure of the thermal infrared sensor 100 described above, the lower electrode 103a and the wiring 104a. Are connected on the flat insulating film 102. Therefore, the lower electrode 103a and the wiring 104a can be easily and reliably connected, and the yield when manufacturing the thermal infrared sensor 100 is improved. In particular, when the lower electrode 103a and the wiring 104a are formed of the same material as in the case of the present embodiment, they can be formed as an integral pattern and the end portion can be used as the lower electrode 103a. The same applies to the lower electrode 103b and the wiring 104b.

また、赤外線検知部110に対して約2.5Vの電圧を印加したとしても、直列に接続された2つのキャパシタ(図2における110a及び110bを参照)にはそれぞれ半分の電圧である1.25Vずつが印加されるに留まることになる。このため、誘電体膜101の膜厚は一例として500nmであるから、それぞれのキャパシタにおける電界強度は25kV/cm程度となる。つまり、膜厚500nmの誘電体膜を有する単一のキャパシタの場合と比べると、電界強度についても半分となっている。   Further, even when a voltage of about 2.5 V is applied to the infrared detector 110, the two capacitors connected in series (see 110a and 110b in FIG. 2) each have a voltage of 1.25 V, which is a half voltage. Will remain applied one by one. For this reason, since the film thickness of the dielectric film 101 is 500 nm as an example, the electric field strength in each capacitor is about 25 kV / cm. That is, the electric field strength is also halved compared to a single capacitor having a dielectric film with a thickness of 500 nm.

図12にも比誘電率−温度特性の例を示したように、誘電体膜に印加する電界強度が高くなると比誘電率及びその温度変化率が小さくなるため、誘電体膜101に印加する電界強度は小さい方が赤外線検知部110の感度は良好である。   As shown in the example of the relative dielectric constant-temperature characteristic in FIG. 12, the electric field applied to the dielectric film 101 decreases because the relative dielectric constant and the temperature change rate thereof decrease as the electric field strength applied to the dielectric film increases. The smaller the intensity is, the better the sensitivity of the infrared detecting unit 110 is.

熱型赤外線センサ100によれば、同じ膜厚の誘電体膜101を用いても、複数のキャパシタが直列接続されているため実際に印加される電界強度は小さくなり、赤外線の検出感度が向上している。また、印加される電界強度が上がることなく誘電体膜101を薄膜化することができることを意味するため、誘電体膜101の薄膜化によって赤外線検知部110の熱容量を小さくすることができる。これによっても赤外線を検出する感度が向上する。   According to the thermal infrared sensor 100, even when the dielectric film 101 having the same film thickness is used, since the plurality of capacitors are connected in series, the actually applied electric field intensity is reduced, and the infrared detection sensitivity is improved. ing. Moreover, since it means that the dielectric film 101 can be thinned without increasing the applied electric field strength, the heat capacity of the infrared detector 110 can be reduced by making the dielectric film 101 thin. This also improves the sensitivity of detecting infrared rays.

また、上部電極106a及び106bを含み、赤外線が照射される側である導電層106は、仕事関数が4.8eVであるインジウム錫酸化物を用いて形成されることにより赤外線反射率が低下されている。この結果、赤外線検知部110における赤外線の吸収効率が向上し、熱型赤外線センサ100の検出感度が向上している。尚、インジウム錫酸化物に代えて、酸化亜鉛又はインジウム酸化物等の酸化物導電材料を用いることによっても同様の効果を得ることができる。   In addition, the conductive layer 106 including the upper electrodes 106a and 106b and on the side irradiated with infrared rays is formed using indium tin oxide having a work function of 4.8 eV, so that the infrared reflectance is reduced. Yes. As a result, the infrared absorption efficiency in the infrared detector 110 is improved, and the detection sensitivity of the thermal infrared sensor 100 is improved. Note that the same effect can be obtained by using an oxide conductive material such as zinc oxide or indium oxide instead of indium tin oxide.

また、赤外線検知部110が形成された部分の基板105は、裏側(赤外線検知部110が形成されているのと反対の側)からエッチング等により除去されることにより薄膜化され、支持部107によって支持された構造となっている。このようにして、赤外線検知部110は、基板105の周囲の部分等からの熱絶縁が図られている。   Further, the substrate 105 where the infrared detection unit 110 is formed is thinned by being removed from the back side (the side opposite to the side where the infrared detection unit 110 is formed) by etching or the like. It has a supported structure. In this way, the infrared detection unit 110 is thermally insulated from the peripheral portion of the substrate 105 and the like.

また、本実施形態の熱型赤外線センサ100において、誘電体膜101は、下部電極103a及び103b上に亘って形成されている。しかし、下部電極103a上及び103b上に、それぞれ個別の誘電体膜を形成する構成も可能である。   In the thermal infrared sensor 100 of the present embodiment, the dielectric film 101 is formed over the lower electrodes 103a and 103b. However, a configuration in which individual dielectric films are formed on the lower electrodes 103a and 103b is also possible.

更に、本実施形態では、単一の導電層106を設けることにより、上部電極106a及び106bの2つの上部電極が導電層106に含まれた構成としている。しかし、下部電極103aに対向する上部電極106aと、下部電極103bに対向する上部電極106bとを別個に設けると共に、配線等を更に設けてこれら2つの上部電極を電気的に接続した構成とすることも可能である。   Further, in the present embodiment, the single conductive layer 106 is provided so that the upper electrodes 106 a and 106 b are included in the conductive layer 106. However, the upper electrode 106a facing the lower electrode 103a and the upper electrode 106b facing the lower electrode 103b are separately provided, and a wiring or the like is further provided to electrically connect these two upper electrodes. Is also possible.

(第1の実施形態に係る第1の変形例)
図1に示す熱型赤外線センサ100において、配線104a及び104bは、下部電極103a及び103bと同一の材料(ここではPt)を用いて形成している。しかし、配線の材料として、下部電極とは異なるものを用いても良い。
(First modification according to the first embodiment)
In the thermal infrared sensor 100 shown in FIG. 1, the wirings 104a and 104b are formed using the same material (here, Pt) as the lower electrodes 103a and 103b. However, a wiring material different from that of the lower electrode may be used.

このような場合を、以下に、第1の実施形態の第1変形例として、図面を参照して説明する。図3は、本変形例に係る熱型赤外線センサ100aの構成を示す図である。図3の熱型赤外線センサ100aは、図1に示す第1の実施形態の熱型赤外線センサ100と比較すると、下部電極103a及び103bと同じ材料からなる配線104a及び104bに代えて、異なる材料からなる配線121a及び121bが形成されている点において相違する。その他の点については同様であるから、図3において、図1と同様の符号を用いることにより詳しい説明は省略する。   Such a case will be described below as a first modification of the first embodiment with reference to the drawings. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a thermal infrared sensor 100a according to this modification. Compared with the thermal infrared sensor 100 of the first embodiment shown in FIG. 1, the thermal infrared sensor 100a of FIG. 3 is made of a different material instead of the wirings 104a and 104b made of the same material as the lower electrodes 103a and 103b. This is different in that wirings 121a and 121b are formed. Since the other points are the same, the same reference numerals as those in FIG. 1 are used in FIG.

図3の熱型赤外線センサ100aにおいて、配線121a及び121bは、下部電極103a及び103bの材料であるPtよりも熱伝導率の小さい材料を用いて形成している。例えば、TiAlN系の合金材料を用いることができる。図3において、配線121a及び121bはそれぞれ順に下部電極103a及び103bの一部を被覆するように接続されている。ここでも、誘電体膜101によって生じる段差とは無関係に、平坦な絶縁膜102上において接続されており、容易に確実な接続を行なうことができる。結果として、このような構造を有する熱型赤外線センサ100aは歩留り良く形成することができる。   In the thermal infrared sensor 100a of FIG. 3, the wirings 121a and 121b are formed using a material having a lower thermal conductivity than Pt which is a material of the lower electrodes 103a and 103b. For example, a TiAlN-based alloy material can be used. In FIG. 3, wirings 121a and 121b are connected in order so as to cover a part of the lower electrodes 103a and 103b, respectively. Also here, regardless of the level difference caused by the dielectric film 101, the connection is made on the flat insulating film 102, and a reliable connection can be easily made. As a result, the thermal infrared sensor 100a having such a structure can be formed with high yield.

また、配線121a及び121bとして熱伝導率の低い材料を用いることにより、赤外線検知部110に関する熱絶縁性が向上し、このことから熱型赤外線センサ100aの検出感度が向上している。   In addition, by using a material having low thermal conductivity for the wirings 121a and 121b, the thermal insulation of the infrared detecting unit 110 is improved, and thus the detection sensitivity of the thermal infrared sensor 100a is improved.

(第1の実施形態の第2の変形例)
図1に示す熱型赤外線センサ100の赤外線検知部110には、誘電体膜101を挟む下部電極103a及び103bと導電層106とからなり、直列に接続された2つのキャパシタが構成されていた。しかし、更に多くのキャパシタが接続された構成の赤外線検知部を設けることも可能である。
(Second modification of the first embodiment)
The infrared detection unit 110 of the thermal infrared sensor 100 shown in FIG. 1 includes two capacitors connected in series, each including a lower electrode 103a and 103b sandwiching the dielectric film 101 and a conductive layer 106. However, it is also possible to provide an infrared detector having a configuration in which more capacitors are connected.

以下、そのような例について、第1の実施形態の第2の変形例として図面を参照しながら説明する。図4は、本変形例の熱型赤外線センサ100bを示している。ここで、図3に示す第1の実施形態の第1の変形例に係る熱型赤外線センサ100aと同様の構成要素については、図3と同様の符号を用いることにより詳しい説明を省略する。以下には、相違点を詳しく説明する。   Hereinafter, such an example will be described as a second modification of the first embodiment with reference to the drawings. FIG. 4 shows a thermal infrared sensor 100b of this modification. Here, the same components as those of the thermal infrared sensor 100a according to the first modification of the first embodiment shown in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. The differences will be described in detail below.

図4に示すように、熱型赤外線センサ100bは、3つに分割された下部電極、つまり下部電極103a、103b及び103cと、2つに分割された導電層、つまり導電層106x及び106yを有している。   As shown in FIG. 4, the thermal infrared sensor 100b has a lower electrode divided into three, that is, lower electrodes 103a, 103b, and 103c, and a conductive layer divided into two, that is, conductive layers 106x and 106y. is doing.

ここで、2つの導電層106x及び106yは、同等の面積を有している。また、下部電極103a及び103bは同等の面積を有し、これらの間に位置する下部電極103cは、下部電極103a又は103bに比べて2倍程度の面積を有している。   Here, the two conductive layers 106x and 106y have the same area. The lower electrodes 103a and 103b have the same area, and the lower electrode 103c positioned between them has an area about twice that of the lower electrode 103a or 103b.

このため、下部電極103aと導電層106yの約半分、導電層106yの残りの約半分と下部電極103cの約半分、下部電極103cの残りの約半分と導電層106xの約半分、及び、導電層106xの残りの約半分と下部電極103bにより、それぞれ誘電体膜101を挟んで四つのキャパシタが構成されている。また、導電層106xは、電気的に接続された2つの上部電極として機能する。導電層106yについても、同様に2つの上部電極として機能する。更に、下部電極103についても、電気的に接続された2つの下部電極として機能する。   Therefore, about half of the lower electrode 103a and the conductive layer 106y, about half of the remaining conductive layer 106y and about half of the lower electrode 103c, about half of the remaining lower electrode 103c and about half of the conductive layer 106x, and conductive layer The remaining half of 106x and the lower electrode 103b constitute four capacitors with the dielectric film 101 interposed therebetween. The conductive layer 106x functions as two upper electrodes that are electrically connected. Similarly, the conductive layer 106y functions as two upper electrodes. Furthermore, the lower electrode 103 also functions as two electrically connected lower electrodes.

以上のように、導電層106x及び106yと、下部電極103cとがそれぞれ配線としての機能を果たし、前記の四つのキャパシタは全て直列に接続されている。本変形例における赤外線検知部110xは、このような構成を有する。   As described above, the conductive layers 106x and 106y and the lower electrode 103c each function as a wiring, and the four capacitors are all connected in series. The infrared detection unit 110x in this modification has such a configuration.

このことが、2つのキャパシタが接続された構成の赤外線検知部110を有していた図3の熱型赤外線センサ100aとの相違点である。   This is a difference from the thermal infrared sensor 100a of FIG. 3 having the infrared detection unit 110 having a configuration in which two capacitors are connected.

このような構造であることから、赤外線検知部110に対して2.5V程度の電圧を印加したとしても、直列に接続された4つのキャパシタには、それぞれ4分の1ずつの電圧が印加されるに留まることになる。このため、誘電体膜101の膜厚はここでは500nmであるから、それぞれ電界強度は12.5kV/cm程度となる。   Because of this structure, even if a voltage of about 2.5 V is applied to the infrared detector 110, a voltage of 1/4 is applied to each of the four capacitors connected in series. Will stay. For this reason, since the film thickness of the dielectric film 101 is 500 nm here, the electric field strength is about 12.5 kV / cm, respectively.

つまり、2つのキャパシタが直列接続された構成の赤外線検知部110を有する熱型赤外線センサ100aに比べ、本変形例の赤外線検知部110xに構成された各キャパシタにおける電界強度は、更に半分となっている。   That is, the electric field strength in each capacitor configured in the infrared detection unit 110x of the present modification is further halved as compared with the thermal infrared sensor 100a including the infrared detection unit 110 having a configuration in which two capacitors are connected in series. Yes.

このように、誘電体膜101における電界強度が第1の実施形態の第1の変形例の場合に比べても更に小さくなり、このことから、熱型赤外線センサ100aの検出感度を更に向上することができる。   As described above, the electric field strength in the dielectric film 101 is further reduced as compared with the case of the first modification of the first embodiment, which further improves the detection sensitivity of the thermal infrared sensor 100a. Can do.

尚、本変形例においても、配線104a及び104bは、それぞれ下部電極103a及び103bに対し、絶縁膜102上において接続されている。このような接続は、誘電体膜101によって生じる段差によって劣化することなく容易に確実に行なうことができるため、熱型赤外線センサ100aの製造歩留りが向上する。   In this modification, the wirings 104a and 104b are connected on the insulating film 102 to the lower electrodes 103a and 103b, respectively. Such a connection can be easily and surely performed without being deteriorated by a step caused by the dielectric film 101, so that the manufacturing yield of the thermal infrared sensor 100a is improved.

また、熱型赤外線センサ100bの配線104a及び104bは、図3に示す熱型赤外線センサ100aと同様に、下部電極とは異なる材料を用いて形成されている。しかし、図1に示す熱型赤外線センサ100のように、下部電極と同じ材料を用いて配線104a及び104bを形成することも可能である。   Further, the wires 104a and 104b of the thermal infrared sensor 100b are formed using a material different from that of the lower electrode, similarly to the thermal infrared sensor 100a shown in FIG. However, like the thermal infrared sensor 100 shown in FIG. 1, the wirings 104a and 104b can be formed using the same material as the lower electrode.

配線104a及び104bの具体的な材料の例としては、ここではAlCu合金を用いている。通常はミリング等の物理的加工を用いなければならないPtと比べ、AlCu合金は、化学的エッチング加工が可能であるため配線幅の細さ等のプロセス加工性に優れている。このため配線を細くすることができ、断熱性の向上に有利である。また、AlCu合金は安定な配線材でもある。但し、当然ながら、他の材料を用いても良い。   As an example of a specific material for the wirings 104a and 104b, an AlCu alloy is used here. Compared with Pt, which normally requires physical processing such as milling, the AlCu alloy is excellent in process workability such as narrow wiring width because it can be chemically etched. For this reason, wiring can be made thin and it is advantageous to the improvement of heat insulation. AlCu alloy is also a stable wiring material. Of course, other materials may be used.

また、本変形例においては、概ね同じ電極面積を有するキャパシタが4つ直列に接続された構造を有する赤外線検知部110xを説明した。しかし、4つを超える偶数個のキャパシタが直列に接続された構成を有する赤外線検知部を設けるようにしても良い。例えば、4つに分割された下部電極と、3つに分割された上部電極とを有するようにすると、6つのキャパシタが直列に接続された構造とすることができる。このようにすると、同じ電圧が印加された場合の電界強度が6分の1となり、更に検出感度が高い熱型赤外線センサとなる。同様に、8つ以上のキャパシタを構成しても良い。   In the present modification, the infrared detection unit 110x having a structure in which four capacitors having substantially the same electrode area are connected in series has been described. However, an infrared detector having a configuration in which an even number of capacitors exceeding four are connected in series may be provided. For example, when a lower electrode divided into four and an upper electrode divided into three are provided, six capacitors can be connected in series. If it does in this way, when the same voltage is applied, the electric field strength will be 1/6, and it will become a thermal type infrared sensor with still higher detection sensitivity. Similarly, eight or more capacitors may be configured.

尚、キャパシタの数を偶数個とすることにより、赤外線検知部に対する2つの配線の接続を共に絶縁膜上で下部電極に対して行なうことができ、配線の確実な接続が可能となる。   By setting the number of capacitors to an even number, the two wirings can be connected to the infrared detection unit on the insulating film to the lower electrode, and the wiring can be reliably connected.

本変形例の構造は、2つの下部電極と、2つの上部電極として機能する導電層とからなる直列接続された2つのキャパシタを1つの単位として、この単位が複数備えられた構造と考えることもできる。   The structure of this modification may be considered as a structure in which two units connected in series, each composed of two lower electrodes and two conductive layers functioning as upper electrodes, are provided as a unit. it can.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態に係る熱型赤外線センサ200について、図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Next, a thermal infrared sensor 200 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図5は、熱型赤外線センサ200の要部断面を示す図である。図5に示すように、本実施形態の熱型赤外線センサ200は、基板205を用いて形成されている。基板205上には、例えばシリコン酸化膜からなり且つエアギャップ212を有する第1の絶縁膜202aが形成されている。更に、エアギャップ212及び第1の絶縁膜202aを覆うように、第2の絶縁膜202bが例えばシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜として、厚さ500nmに形成されている。   FIG. 5 is a view showing a cross-section of the main part of the thermal infrared sensor 200. As shown in FIG. 5, the thermal infrared sensor 200 of the present embodiment is formed using a substrate 205. On the substrate 205, for example, a first insulating film 202a made of a silicon oxide film and having an air gap 212 is formed. Further, a second insulating film 202b is formed to a thickness of 500 nm, for example, as a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film so as to cover the air gap 212 and the first insulating film 202a.

更に、第2の絶縁膜202b上に、同等の面積を有する2つの下部電極203a及び203bが形成されている。これらは、例えばPtを材料として、厚さ200nmとなるようにエアギャップ212の上方に形成されている。また、下部電極203a及び203bを覆うように、チタン酸錫酸バリウムからなる厚さ500nmの誘電体膜201が形成され、その上に、導電層206が形成されている。導電層206は、誘電体膜201を介して下部電極203aと対向する上部電極206aと、誘電体膜201を介して下部電極203bと対向する上部電極206bとを含む。それぞれ同じ導電層206の一部であるから、当然ながら上部電極206a及び206bは電気的に接続されている。尚、導電層206は、例えばインジウム錫化合物を材料として厚さ200nmに形成されている。   Further, two lower electrodes 203a and 203b having the same area are formed on the second insulating film 202b. These are formed above the air gap 212 using, for example, Pt as a material so as to have a thickness of 200 nm. A dielectric film 201 made of barium titanate and having a thickness of 500 nm is formed so as to cover the lower electrodes 203a and 203b, and a conductive layer 206 is formed thereon. The conductive layer 206 includes an upper electrode 206a facing the lower electrode 203a via the dielectric film 201, and an upper electrode 206b facing the lower electrode 203b via the dielectric film 201. Since each of them is a part of the same conductive layer 206, the upper electrodes 206a and 206b are of course electrically connected. The conductive layer 206 is formed to a thickness of 200 nm using, for example, an indium tin compound.

更に、配線204a及び204b及び導電層206を被覆するように、例えばシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜からなる厚さ300nmの保護膜が形成されている。   Further, a protective film having a thickness of 300 nm made of a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film is formed so as to cover the wirings 204a and 204b and the conductive layer 206, for example.

ここで、下部電極203aと上部電極206a、下部電極203bと上部電極206bにより、それぞれ誘電体膜201を挟んで2つのキャパシタが形成される。これと共に、これら2つのキャパシタは、導電層206自体が配線としての機能を果たすことにより直列に接続され、赤外線検知部210を構成している。更に、配線204a及び204bが接続されることにより、赤外線検知部210に対する電気的接続が形成されている。   Here, two capacitors are formed with the dielectric film 201 sandwiched between the lower electrode 203a and the upper electrode 206a, and the lower electrode 203b and the upper electrode 206b, respectively. At the same time, these two capacitors are connected in series when the conductive layer 206 itself functions as a wiring, and constitutes an infrared detection unit 210. Furthermore, electrical connection to the infrared detection unit 210 is formed by connecting the wirings 204a and 204b.

このことから、第1の実施形態の熱型赤外線センサ100と同様に、赤外線検知部210に対して印加される電圧(例えば2.5V)は、それぞれのキャパシタに対して半分(ここでは1.25)ずつ印加されることになる。このため、電界強度についても単一のキャパシタである場合に比べて半分(誘電体膜201の膜厚が500nmであるから、25kv/cm)となる。この結果、やはり第1の実施形態の場合と同様に、熱型赤外線センサ200の検出感度は向上している。   From this, as in the thermal infrared sensor 100 of the first embodiment, the voltage (for example, 2.5 V) applied to the infrared detection unit 210 is half of each capacitor (here, 1.V). 25) is applied step by step. For this reason, the electric field intensity is also half that of a single capacitor (25 kv / cm because the thickness of the dielectric film 201 is 500 nm). As a result, as in the case of the first embodiment, the detection sensitivity of the thermal infrared sensor 200 is improved.

また、第1の実施形態の熱型赤外線センサ100と同様に、配線204a及び204bは下部電極203a及び203bに対してそれぞれ平坦な第2の絶縁膜202b上で接続される。このため、配線の接続は誘電体膜201による段差に関わりなく、確実に形成することができる。結果として、熱型赤外線センサ200の製造における歩留りが向上している。   Similarly to the thermal infrared sensor 100 of the first embodiment, the wirings 204a and 204b are connected to the lower electrodes 203a and 203b on the flat second insulating film 202b, respectively. For this reason, the connection of the wiring can be surely formed regardless of the level difference due to the dielectric film 201. As a result, the yield in manufacturing the thermal infrared sensor 200 is improved.

尚、赤外線検知部210は、支持部207によってエアギャップ212の上方に支持されている。このため、赤外線検知部210の熱容量が低減すると共に基板205等に対する断熱性が向上しており、このことから熱型赤外線センサ200の感度が向上している。   The infrared detecting unit 210 is supported above the air gap 212 by the support unit 207. For this reason, the heat capacity of the infrared detection unit 210 is reduced, and the heat insulating property with respect to the substrate 205 and the like is improved. From this, the sensitivity of the thermal infrared sensor 200 is improved.

更に、図6に、熱型赤外線センサ200の平面構成を模式的に示す。但し、一部構成要素の図示は省略している。また、図6におけるV-V'線による断面が図5に相当する。   Further, FIG. 6 schematically shows a planar configuration of the thermal infrared sensor 200. However, illustration of some components is omitted. A cross section taken along line VV ′ in FIG. 6 corresponds to FIG.

図6に示すように、支持部207を残して赤外線検知部210の周囲を囲うように、第2の絶縁膜202bにはエアギャップ212に通じる開口212aが設けられている。このことによって、赤外線検知部210は平面的にも周囲からの断熱性が高められ、赤外線の検出感度が向上されている。   As shown in FIG. 6, the second insulating film 202 b is provided with an opening 212 a that leads to the air gap 212 so as to surround the infrared detection unit 210 while leaving the support unit 207. As a result, the infrared detecting unit 210 is improved in heat insulation from the surroundings even in a plan view, and the infrared detection sensitivity is improved.

また、赤外線検知部210が搭載された部分の第2の絶縁膜202bは、赤外線検知部210とは反対側の面(ここでは、エアギャップ212の側の面)が露出している。つまり、他の膜又は基板等とは接していない構造となっている。また、支持部207においても、赤外線検知部210とは反対側の面が露出している。これにより、赤外線検知部210を搭載する部分の第2の絶縁膜202b及び支持部207の熱容量が低減され、赤外線検知部210の赤外線検出感度が向上している。   In addition, the surface of the second insulating film 202b where the infrared detection unit 210 is mounted is exposed on the side opposite to the infrared detection unit 210 (here, the surface on the air gap 212 side). That is, the structure is not in contact with other films or substrates. Further, the surface of the support portion 207 opposite to the infrared detection portion 210 is exposed. As a result, the heat capacity of the second insulating film 202b and the support 207 in the portion where the infrared detection unit 210 is mounted is reduced, and the infrared detection sensitivity of the infrared detection unit 210 is improved.

また、本実施形態の熱型赤外線センサ200において、配線204a及び204bは、下部電極203a及び203bと同一の材料を用いて形成している。しかし、第1の実施形態の第1の変形例と同様に、配線204a及び204bと、下部電極203a及び203bとを異なる材料により形成しても良い。   In the thermal infrared sensor 200 of the present embodiment, the wirings 204a and 204b are formed using the same material as the lower electrodes 203a and 203b. However, as in the first modification of the first embodiment, the wirings 204a and 204b and the lower electrodes 203a and 203b may be formed of different materials.

更に、第1の実施形態の第2の変形例と同様に、上部電極及び下部電極を更に分割して直列に接続された4つ以上のキャパシタを構成することも可能である。   Furthermore, as in the second modification of the first embodiment, it is possible to further divide the upper electrode and the lower electrode and configure four or more capacitors connected in series.

次に、本実施形態の熱型赤外線センサ200の製造方法について説明する。図7(a)〜(d)は、熱型赤外線センサ200の製造工程を説明するための断面図である。   Next, a method for manufacturing the thermal infrared sensor 200 of this embodiment will be described. 7A to 7D are cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the thermal infrared sensor 200.

まず、図7(a)の工程を説明する。初めに、基板205上に、例えば、厚さ3μmのシリコン酸化膜からなる第1の絶縁膜202aをP−CVD法により形成する。続いて、ドライエッチングにより、第1の絶縁膜202aに深さ2μmの凹部221を形成する。   First, the process of FIG. 7A will be described. First, a first insulating film 202a made of, for example, a silicon oxide film having a thickness of 3 μm is formed on the substrate 205 by P-CVD. Subsequently, a recess 221 having a depth of 2 μm is formed in the first insulating film 202a by dry etching.

次に、図7(b)の工程を説明する。ここでは、まず凹部221を充填すると共に第1の絶縁膜202aを覆うように、厚さ3μmのポリシリコン膜からなる犠牲層222を形成する。この後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により、犠牲層222及び第1の絶縁膜202aを表面から研磨し、第1の絶縁膜202aに厚さ1.5μmの犠牲層222が埋め込まれた構造を形成する。   Next, the process of FIG.7 (b) is demonstrated. Here, first, a sacrificial layer 222 made of a polysilicon film having a thickness of 3 μm is formed so as to fill the recess 221 and cover the first insulating film 202a. Thereafter, the sacrificial layer 222 and the first insulating film 202a are polished from the surface by CMP (Chemical Mechanical Polishing), and the sacrificial layer 222 having a thickness of 1.5 μm is embedded in the first insulating film 202a. Form.

次に、図7(c)の工程を説明する。ここでは、まず第1の絶縁膜202a及び犠牲層222を覆うように、厚さ200μmのシリコン酸化膜及び厚さ300μmの窒化シリコン膜の積層膜からなる第2の絶縁膜202bを形成する。更に、例えば厚さ200μmのPtからなる配線204a及び204bと、下部電極203a及び203bとを形成する。これは、スパッタ成膜によりPt膜を形成した後、ドライエッチングによりパターニングすることによって形成する。   Next, the process of FIG.7 (c) is demonstrated. Here, first, a second insulating film 202b made of a stacked film of a 200 μm thick silicon oxide film and a 300 μm thick silicon nitride film is formed so as to cover the first insulating film 202a and the sacrificial layer 222. Further, for example, wirings 204a and 204b made of Pt having a thickness of 200 μm and lower electrodes 203a and 203b are formed. This is formed by patterning by dry etching after forming a Pt film by sputtering film formation.

続いて、チタン酸錫酸バリウムからなる誘電体膜201を、例えばPLD(Pulsed Laser Deposition)法により、500nmの厚さに成膜する。更に、誘電体膜201上に、導電層206とするためのインジウム錫酸化物膜206xをスパッタ法により200nmの厚さをもって形成する。   Subsequently, a dielectric film 201 made of barium titanate titanate is formed to a thickness of 500 nm by, for example, a PLD (Pulsed Laser Deposition) method. Further, an indium tin oxide film 206x for forming the conductive layer 206 is formed on the dielectric film 201 with a thickness of 200 nm by a sputtering method.

次に、図7(d)の工程を説明する。ここでは、エッチングマスクを利用してインジウム錫酸化物膜206x及び誘電体膜201をパターニングし、下部電極203a及び203b上に誘電体膜201を介して導電層206が形成された構造を形成する。更に、基板205上の全面を覆うように、例えば厚さ200nmの窒化シリコン膜と厚さ100nmのシリコン酸化膜とからなる保護膜211を形成する。   Next, the process of FIG.7 (d) is demonstrated. Here, the indium tin oxide film 206x and the dielectric film 201 are patterned using an etching mask to form a structure in which the conductive layer 206 is formed on the lower electrodes 203a and 203b with the dielectric film 201 interposed therebetween. Further, a protective film 211 made of, for example, a 200 nm thick silicon nitride film and a 100 nm thick silicon oxide film is formed so as to cover the entire surface of the substrate 205.

続いて、所望のエッチングマスクを利用して保護膜211及び第2の絶縁膜202bの一部ドライエッチングし、図6に示すように開口212aを設けて犠牲層222の一部を表面に露出させる。この際、支持部207が形成されることになる。   Subsequently, part of the protective film 211 and the second insulating film 202b is dry-etched using a desired etching mask, and an opening 212a is provided to expose a part of the sacrificial layer 222 to the surface as shown in FIG. . At this time, the support portion 207 is formed.

この後、例えば三フッ化塩素を含んだガスに晒すことにより、犠牲層222を除去する。これにより、図5に示す熱型赤外線センサ200が形成される。   Thereafter, the sacrificial layer 222 is removed by exposure to a gas containing, for example, chlorine trifluoride. Thereby, the thermal infrared sensor 200 shown in FIG. 5 is formed.

尚、以上の説明では、誘電体膜201の形成方法としてPLD法を用いている。しかし、スピンコート法又はスパッタ法等の他の形成方法を利用しても良い。また、PLD法及びスピンコート法等を併用して誘電体膜201を形成することも可能である。   In the above description, the PLD method is used as a method for forming the dielectric film 201. However, other formation methods such as spin coating or sputtering may be used. In addition, the dielectric film 201 can be formed by using both the PLD method and the spin coating method.

また、第1の実施形態の熱型赤外線センサ100の場合、赤外線検知部110の下方において基板105を裏側からエッチング除去することが必要であった。しかし、本実施形態の熱型赤外線センサ200を製造する際には、そのような工程は不要である。このため、製造が容易であり、赤外線検知部210を搭載する部分の第2の絶縁膜202bに関する熱容量の低減と、支持部207における断熱特性の向上とが実現する。結果として、熱型赤外線センサ200の検出感度が向上している。   In the case of the thermal infrared sensor 100 of the first embodiment, it is necessary to etch away the substrate 105 from the back side below the infrared detection unit 110. However, when manufacturing the thermal infrared sensor 200 of this embodiment, such a process is unnecessary. For this reason, manufacture is easy and the reduction | decrease of the heat capacity regarding the 2nd insulating film 202b of the part which mounts the infrared rays detection part 210 and the improvement of the heat insulation characteristic in the support part 207 are implement | achieved. As a result, the detection sensitivity of the thermal infrared sensor 200 is improved.

(第3の実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態に係る熱型赤外線センサについて図面を参照して説明する。図3は、本実施形態の熱型赤外線センサ300の要部断面を示す図である。
(Third embodiment)
The thermal infrared sensor according to the third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 3 is a diagram showing a cross-section of the main part of the thermal infrared sensor 300 of the present embodiment.

図8に示すように、熱型赤外線センサ300は、基板305を用いて形成されている。基板305上には、例えばシリコン酸化膜と窒化シリコン膜との積層膜からなる第1の絶縁膜302aが膜厚2μmに形成されている。第1の絶縁膜302aには凹部が設けられ、該凹部の上方に第2の絶縁膜302bが設けられることにより、エアギャップ312が形成されている。   As shown in FIG. 8, the thermal infrared sensor 300 is formed using a substrate 305. On the substrate 305, for example, a first insulating film 302a made of a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film is formed to a thickness of 2 μm. A concave portion is provided in the first insulating film 302a, and an air gap 312 is formed by providing the second insulating film 302b above the concave portion.

第2の絶縁膜302bは、エアギャップ312上において基板305の側に突出した形状を有し、上面に例えば深さ700nmの凹部が形成されている。該凹部の底面上に、例えば厚さ200nmのPtからなる導電層303が設けられると共に、該凹部を充填して導電層303上を覆うように、チタン酸錫酸バリウムからなる厚さ500nmの誘電体膜301が形成されている。ここで、凹部以外の部分の第2の絶縁膜302bの上面と、誘電体膜301の上面との間に段差が生じないように平坦化されている。   The second insulating film 302b has a shape that protrudes toward the substrate 305 on the air gap 312, and a recess having a depth of, for example, 700 nm is formed on the upper surface. A conductive layer 303 made of Pt having a thickness of 200 nm, for example, is provided on the bottom surface of the recess, and a dielectric having a thickness of 500 nm made of barium titanate so as to fill the recess and cover the conductive layer 303. A body film 301 is formed. Here, the surface is flattened so that no step is formed between the upper surface of the second insulating film 302 b other than the concave portion and the upper surface of the dielectric film 301.

更に、導電層303と対向するように、誘電体膜301を介して2つの上部電極306a及び306bが形成されている。これらは、例えばインジウム錫酸化物からなり、互いに同等の面積を有する。   Further, two upper electrodes 306 a and 306 b are formed through the dielectric film 301 so as to face the conductive layer 303. These are made of indium tin oxide, for example, and have the same area.

ここで、導電層303は、誘電体膜301を介して上部電極306aと対向する下部電極303aと、同じく誘電体膜101を介して上部電極306bと対向する下部電極303bとを含む。下部電極303aと上部電極306a、下部電極303bと上部電極306bにより、誘電体膜301を挟んで2つのキャパシタが構成され、配線としても機能する導電層303によって直列に接続されている。このような直列接続された2つのキャパシタが、赤外線検知部310として機能する。   Here, the conductive layer 303 includes a lower electrode 303a that faces the upper electrode 306a through the dielectric film 301, and a lower electrode 303b that faces the upper electrode 306b through the dielectric film 101. The lower electrode 303a and the upper electrode 306a, and the lower electrode 303b and the upper electrode 306b constitute two capacitors with the dielectric film 301 interposed therebetween, and are connected in series by the conductive layer 303 that also functions as a wiring. Such two capacitors connected in series function as the infrared detection unit 310.

また、上部電極306a及び306bに対し、配線304a及び304bとかそれぞれ接続され、赤外線検知部310に対する電気的接続を得ている。このような接続は、平坦な面となっている第2の絶縁膜302b及び誘電体膜301上において行なわれるため、容易に確実な接続とすることができる。特に、誘電体膜301の膜厚によって影響されることはない。このことから、熱型赤外線センサ300の製造が容易となり、歩留りが向上している。尚、配線の材料としては、例えばAlCu合金を用いることができる。   Further, the upper electrodes 306a and 306b are connected to the wirings 304a and 304b, respectively, to obtain an electrical connection to the infrared detection unit 310. Since such a connection is performed on the second insulating film 302b and the dielectric film 301 which are flat surfaces, a reliable connection can be easily made. In particular, it is not affected by the film thickness of the dielectric film 301. This facilitates the manufacture of the thermal infrared sensor 300 and improves the yield. For example, an AlCu alloy can be used as the wiring material.

また、第2の絶縁膜302b上に、上部電極306a及び306bと、配線304a及び304bとを覆うように、例えば窒化シリコン膜とシリコン酸化膜との積層膜からなる保護膜311が形成されている。この膜厚は、例えば300nmである。   Further, a protective film 311 made of, for example, a laminated film of a silicon nitride film and a silicon oxide film is formed on the second insulating film 302b so as to cover the upper electrodes 306a and 306b and the wirings 304a and 304b. . This film thickness is, for example, 300 nm.

更に、赤外線検知部310上に保護膜311を介して接するように、樹脂からなる集熱膜313が形成されている。集熱膜313は、赤外線検知部310よりも広い面積を有して赤外線検知部310の周辺に広がっていると共に、該周辺においては保護膜311の上方に空間を隔てて位置するようになっている。このため、赤外線検知部310の周辺に照射される赤外線についても集熱膜313によって吸収し、赤外線検知部310における温度上昇に寄与させることができる。つまり、集熱膜313によって赤外線吸収量を増加し、熱型赤外線センサ300の検出感度向上を実現することができる。   Further, a heat collecting film 313 made of resin is formed on the infrared detecting unit 310 so as to be in contact with the protective film 311. The heat collecting film 313 has a larger area than the infrared detection unit 310 and spreads around the infrared detection unit 310, and is positioned above the protective film 311 with a space therebetween in the periphery. Yes. For this reason, the infrared rays irradiated around the infrared detection unit 310 can also be absorbed by the heat collecting film 313 and contribute to the temperature increase in the infrared detection unit 310. That is, the amount of infrared absorption can be increased by the heat collecting film 313, and the detection sensitivity of the thermal infrared sensor 300 can be improved.

以上に説明した熱型赤外線センサ300において、赤外線検知部310は、下方にエアギャップ312が設けられていることにより基板305等との熱的な絶縁性が高められている。また、第2の絶縁膜302bには、少なくとも1つ(ここでは2つ)の支持部307を残し且つ赤外線検知部310を囲むように開口が設けられている。このような、図6に平面図を示す第2の実施形態の熱型赤外線センサ200の場合と同様の構造によっても、赤外線検知部310を周囲から熱的に絶縁するようになっている。   In the thermal infrared sensor 300 described above, the infrared detector 310 is provided with an air gap 312 below, so that thermal insulation with the substrate 305 and the like is enhanced. The second insulating film 302b is provided with an opening so as to leave at least one (here, two) support portions 307 and surround the infrared detection portion 310. The infrared detecting unit 310 is thermally insulated from the surroundings by the same structure as that of the thermal infrared sensor 200 of the second embodiment whose plan view is shown in FIG.

また、第2の絶縁膜302bにおいて、赤外線検知部310の裏側はエアギャップ312に向かって露出している。つまり、他の層によって覆われていない。このため、赤外線検知部310の下方の部分における熱容量が低減され、熱型赤外線センサ300の検出感度向上に貢献している。   Further, in the second insulating film 302 b, the back side of the infrared detection unit 310 is exposed toward the air gap 312. That is, it is not covered by other layers. For this reason, the heat capacity in the lower part of the infrared detector 310 is reduced, which contributes to an improvement in detection sensitivity of the thermal infrared sensor 300.

尚、本実施形態の配線304a及び304bは、上部電極306a及び306bとは異なる材料によって形成されている。しかし、図1に示す熱型赤外線センサ100等と同様に、上部電極306a及び306bと同じ材料によって配線304a及び304bを形成しても良い。   Note that the wires 304a and 304b of this embodiment are formed of a material different from that of the upper electrodes 306a and 306b. However, like the thermal infrared sensor 100 shown in FIG. 1 and the like, the wires 304a and 304b may be formed of the same material as the upper electrodes 306a and 306b.

次に、熱型赤外線センサ300の製造方法について、図面を参照して説明する。図9(a)〜(d)は、熱型赤外線センサ300の製造工程を示す断面図である。   Next, a method for manufacturing the thermal infrared sensor 300 will be described with reference to the drawings. FIGS. 9A to 9D are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the thermal infrared sensor 300.

まず、図9(a)に示す構造を得るまでの工程について説明する。初めに、厚さ500μmのシリコンからなる基板305上に、全面に対してシリコン酸化膜からなる第1の絶縁膜302aを形成する。例えば、P−CVD法を用いて厚さ3μmに形成する。次に、第2の絶縁膜302bに対してドライエッチングにより深さ2.5μmの凹部を形成し、更に、該凹部を充填するようにポリシリコンからなる厚さ4μmの犠牲層322を形成する。この後、CMP法により犠牲層322と第1の絶縁膜302aとを研磨することにより、凹部に埋め込まれた犠牲層322の厚さが2μmとなるようにする。   First, steps required until a structure shown in FIG. First, a first insulating film 302a made of a silicon oxide film is formed on the entire surface of a substrate 305 made of silicon having a thickness of 500 μm. For example, it is formed to a thickness of 3 μm using the P-CVD method. Next, a recess having a depth of 2.5 μm is formed by dry etching on the second insulating film 302b, and a sacrificial layer 322 made of polysilicon is formed so as to fill the recess. Thereafter, the sacrificial layer 322 and the first insulating film 302a are polished by a CMP method so that the thickness of the sacrificial layer 322 embedded in the recess becomes 2 μm.

次に、図9(b)に示す構造を得るまでの工程について説明する。犠牲層322上に所望のパターンを有するエッチングマスクを形成し、ドライエッチングを用いてテーパ状の側壁を有する(基板305の反対側に向かって広がった形状の)深さ800nmの凹部を形成する。   Next, steps required until a structure shown in FIG. An etching mask having a desired pattern is formed over the sacrificial layer 322, and a recessed portion having a depth of 800 nm (having a shape extending toward the opposite side of the substrate 305) having a tapered sidewall is formed by dry etching.

この後、第1の絶縁膜302a及び犠牲層322上n全面に、例えばP−CVD法により、厚さ200nmのシリコン酸化膜と厚さ200nmの窒化シリコン膜の積層膜からなる第2の絶縁膜302bを形成する。これにより、第2の絶縁膜302bは、犠牲層322に設けられた凹部の底面及び側面を覆う凹部を有するようになっている。   Thereafter, a second insulating film made of a laminated film of a 200 nm thick silicon oxide film and a 200 nm thick silicon nitride film is formed on the entire surface of the first insulating film 302a and the sacrificial layer 322 by, for example, P-CVD. 302b is formed. Thus, the second insulating film 302b has a recess that covers the bottom and side surfaces of the recess provided in the sacrificial layer 322.

次に、図9(c)に示す構造を得るまでの工程について説明する。第2の絶縁膜302bに形成された凹部の底面に、厚さ200nmのPtからなる導電層303をパターニング成膜する。この上に、チタン酸錫酸バリウムからなる誘電体膜301を、例えばスピンコート法により厚さ800nmに成膜する。スピンコート法によると、第2の絶縁膜302bの凹部にも被覆性良く成膜することができる。   Next, steps required until a structure shown in FIG. A conductive layer 303 made of Pt having a thickness of 200 nm is formed by patterning on the bottom surface of the recess formed in the second insulating film 302b. On this, a dielectric film 301 made of barium titanate titanate is formed to a thickness of 800 nm by, for example, spin coating. According to the spin coating method, the second insulating film 302b can be formed with good coverage even in the concave portion.

更に、CMP法により、誘電体膜301及び第2の絶縁膜302bの上面を研磨し、導電層303上の部分の誘電体膜301が膜厚500nmとなるまで平坦化する。これにより、支持部307を構成する第2の絶縁膜302bの厚さは300nmとなる。   Further, the top surfaces of the dielectric film 301 and the second insulating film 302b are polished by CMP, and planarized until the dielectric film 301 on the conductive layer 303 has a thickness of 500 nm. As a result, the thickness of the second insulating film 302b constituting the support portion 307 is 300 nm.

次に、図9(d)に示す構造を得るまでの工程について説明する。CMP法により平坦化された誘電体膜301及び第2の絶縁膜302b上に、例えばインジウム錫酸化物からなる上部電極306a及び306bと、これらにそれぞれ接続され且つAlCu合金からなる配線304a及び304bを、それぞれ200nmの厚さに形成する。これには、スパッタ法による成膜と、所望のエッチングマスクを用いるパターニングを用いればよい。   Next, steps required until a structure shown in FIG. On the dielectric film 301 and the second insulating film 302b flattened by the CMP method, for example, upper electrodes 306a and 306b made of indium tin oxide and wirings 304a and 304b made of AlCu alloy are connected to these electrodes, respectively. , Each having a thickness of 200 nm. For this, film formation by sputtering and patterning using a desired etching mask may be used.

次に、基板305上の全面に、厚さ200nmの窒化シリコン膜と厚さ100nmのシリコン酸化膜とからなる保護膜311を形成する。更に、所望のパターンを有するエッチングマスクを用いて保護膜311と第2の絶縁膜302bとをドライエッチングし、犠牲層322の一部が表面に露出するようにする。この際に、支持部307が形成される。この際の平面構成は、図6に示す第2の実施形態に係る熱型赤外線センサ200の場合と同様である。   Next, a protective film 311 made of a silicon nitride film having a thickness of 200 nm and a silicon oxide film having a thickness of 100 nm is formed on the entire surface of the substrate 305. Further, the protective film 311 and the second insulating film 302b are dry-etched using an etching mask having a desired pattern so that a part of the sacrificial layer 322 is exposed on the surface. At this time, a support portion 307 is formed. The planar configuration at this time is the same as that of the thermal infrared sensor 200 according to the second embodiment shown in FIG.

更に、保護膜311上に、例えばポリイミドを含有する材料を用いたフォトリソグラフィ工程により、保護膜311を介して赤外線検知部310上に接する集熱膜313を形成する。これは、図8に示すように、赤外線検知部310の周辺においては保護膜311上に空間を介して広がった形状となっている。   Further, a heat collecting film 313 in contact with the infrared detection unit 310 through the protective film 311 is formed on the protective film 311 by, for example, a photolithography process using a material containing polyimide. As shown in FIG. 8, this has a shape that spreads over the protective film 311 via a space in the vicinity of the infrared detection unit 310.

最後に、三フッ化塩素含んだガスに晒すことにより、犠牲層322を除去すると、図8に示す熱型赤外線センサ300が形成される。   Finally, when the sacrificial layer 322 is removed by exposure to a gas containing chlorine trifluoride, the thermal infrared sensor 300 shown in FIG. 8 is formed.

以上に示す製造方法においては、赤外線検知部310を搭載する第2の絶縁膜302bについて、裏面からエッチングによって薄膜化することは不要である。このため、容易に赤外線検知部310の熱容量を低減し且つ支持部307の断熱特性を向上することができる。このため、熱型赤外線センサ300の検出感度向上が実現している。   In the manufacturing method described above, it is not necessary to thin the second insulating film 302b on which the infrared detection unit 310 is mounted by etching from the back surface. For this reason, it is possible to easily reduce the heat capacity of the infrared detection unit 310 and improve the heat insulation characteristics of the support unit 307. For this reason, the detection sensitivity of the thermal infrared sensor 300 is improved.

尚、以上の説明では、誘電体膜301の形成方法としてPLD法を用いている。しかし、スピンコート法又はスパッタ法等の他の形成方法を利用しても良い。また、PLD法及びスピンコート法等を併用して誘電体膜301を形成することも可能である。   In the above description, the PLD method is used as a method for forming the dielectric film 301. However, other formation methods such as spin coating or sputtering may be used. In addition, the dielectric film 301 can be formed by using both the PLD method and the spin coating method.

本発明に係る熱型赤外線センサは、検出感度が良好であり且つ製造が容易であることから、例えば、人体検知用途のポイントセンサとしても有用である。また、赤外線検知部を多数配列した構成とすることにより、熱型赤外線画像センサとしても利用可能である。   The thermal infrared sensor according to the present invention has good detection sensitivity and is easy to manufacture. Therefore, the thermal infrared sensor is useful as a point sensor for human body detection, for example. Moreover, it can use also as a thermal-type infrared image sensor by setting it as the structure which arranged many infrared detection parts.

図1は、本発明の第1の実施形態における熱型赤外線センサ100の構造を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a thermal infrared sensor 100 according to the first embodiment of the present invention. 図2は、熱型赤外線センサ100における赤外線検知部110の等価回路図である。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the infrared detector 110 in the thermal infrared sensor 100. 図3は、本発明の第1の実施形態の第1の変形例における熱型赤外線センサ100aの構造を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the thermal infrared sensor 100a in the first modification of the first embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第1の実施形態の第2の変形例における熱型赤外線センサ100bの構造を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a thermal infrared sensor 100b in a second modification of the first embodiment of the present invention. 図5は、本発明の第2の実施形態における熱型赤外線センサ200の構造を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of a thermal infrared sensor 200 in the second embodiment of the present invention. 図6は、熱型赤外線センサ200の構造を示す平面図である。FIG. 6 is a plan view showing the structure of the thermal infrared sensor 200. 図7(a)〜(d)は、熱型赤外線センサ200の製造工程を示す断面図である。7A to 7D are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the thermal infrared sensor 200. 図8は、本発明の第3の実施形態における熱型赤外線センサ300の構造を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a structure of a thermal infrared sensor 300 according to the third embodiment of the present invention. 図9(a)〜(d)は、熱型赤外線センサ300の製造工程を示す断面図である。FIGS. 9A to 9D are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the thermal infrared sensor 300. 図10は従来の熱型赤外線センサの構造を例示する断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating the structure of a conventional thermal infrared sensor. 図11は、誘電型赤外線センサの基本検出回路図である。FIG. 11 is a basic detection circuit diagram of the dielectric infrared sensor. 図12は、誘電体膜材料であるチタン酸錫酸バリウムの比誘電率−温度特性を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing the relative dielectric constant-temperature characteristics of barium titanate titanate, which is a dielectric film material. 図13は、誘電型赤外線センサの検出動作の説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram of the detection operation of the dielectric infrared sensor.

符号の説明Explanation of symbols

31 可変キャパシタ
32 出力端子
33 参照キャパシタ
34 電圧源
100、100a、100b 熱型赤外線センサ
101 誘電体膜
102 絶縁膜
103a、103b、103c 下部電極
104a、104b 配線
105 基板
106、106x、106y 導電層
106a、106b 上部電極
107 支持部
110 赤外線検知部
110a、110b キャパシタ
110x 赤外線検知部
121a、121b 配線
200 熱型赤外線センサ
201 誘電体膜
202a 第1の絶縁膜
202b 第2の絶縁膜
203a、203b 下部電極
204a、204b 配線
205 基板
206 導電層
206a、206b 上部電極
206x インジウム錫酸化物膜
207 支持部
210 赤外線検知部
211 保護膜
212 エアギャップ
212a 開口
221 凹部
222 犠牲層
300 熱型赤外線センサ
301 誘電体膜
302a 第1の絶縁膜
302b 第2の絶縁膜
303 導電層
303a、303b 下部電極
304a、304b 配線
305 基板
306a、306b 上部電極
307 支持部
310 赤外線検知部
311 保護膜
312 エアギャップ
313 集熱膜
322 犠牲層
31 Variable capacitor 32 Output terminal 33 Reference capacitor 34 Voltage source 100, 100a, 100b Thermal infrared sensor 101 Dielectric film 102 Insulating film 103a, 103b, 103c Lower electrode 104a, 104b Wiring 105 Substrate 106, 106x, 106y Conductive layer 106a, 106b Upper electrode 107 Support part 110 Infrared detectors 110a, 110b Capacitor 110x Infrared detectors 121a, 121b Wiring 200 Thermal infrared sensor 201 Dielectric film 202a First insulating film 202b Second insulating film 203a, 203b Lower electrode 204a, 204b Wiring 205 Substrate 206 Conductive layer 206a, 206b Upper electrode 206x Indium tin oxide film 207 Support part 210 Infrared detection part 211 Protective film 212 Air gap 212a Opening 221 Recess 222 Sacrificial Layer 300 Thermal infrared sensor 301 Dielectric film 302a First insulating film 302b Second insulating film 303 Conductive layers 303a and 303b Lower electrodes 304a and 304b Wiring 305 Substrate 306a and 306b Upper electrode 307 Support section 310 Infrared detection section 311 Protection Film 312 Air gap 313 Heat collecting film 322 Sacrificial layer

Claims (9)

赤外線検知部を有する熱型赤外線センサにおいて、
前記赤外線検知部は、
基板上に隣り合うように形成された第1の電極部及び第2の電極部と、
誘電体膜を介して前記第1の電極部及び前記第2の電極部と対向するように形成された導電層とを備え、
前記導電層は、前記第1の電極部と対向する第3の電極部及び前記第2の電極部と対向する第4の電極部を含み、
前記第3の電極部及び前記第4の電極部が前記導電層に含まれることによる電気的接続によって、前記第1の電極部及び前記第3の電極部からなる第1のキャパシタと、前記第2の電極部及び前記第4の電極部からなる第2のキャパシタとは直列に接続されていることを特徴とする熱型赤外線センサ。
In a thermal infrared sensor having an infrared detector,
The infrared detector is
A first electrode portion and a second electrode portion formed adjacent to each other on the substrate;
A conductive layer formed to face the first electrode portion and the second electrode portion via a dielectric film;
The conductive layer includes a third electrode portion facing the first electrode portion and a fourth electrode portion facing the second electrode portion,
The first capacitor including the first electrode portion and the third electrode portion is electrically connected by including the third electrode portion and the fourth electrode portion in the conductive layer; and The thermal infrared sensor, wherein the second electrode part and the second capacitor comprising the fourth electrode part are connected in series.
請求項1において、
前記基板上に絶縁膜が形成され、
前記第1の電極部及び前記第2の電極部は、それぞれ前記絶縁膜上に形成された下部電極であり、
前記誘電体膜は、前記第1の電極部及び前記第2の電極部上に形成され、
前記導電層は、前記誘電体膜上に形成された上部電極であることを特徴とする熱型赤外線センサ。
In claim 1,
An insulating film is formed on the substrate;
Each of the first electrode portion and the second electrode portion is a lower electrode formed on the insulating film,
The dielectric film is formed on the first electrode portion and the second electrode portion,
The thermal infrared sensor, wherein the conductive layer is an upper electrode formed on the dielectric film.
請求項1において、
前記基板上に、凹部を有する絶縁膜が形成され、
前記導電層は、前記凹部の底面上に形成される下部電極であり、
前記誘電体膜は、前記導電層上に形成され、
前記第1の電極部及び前記第2の電極部は、それぞれ前記誘電体膜上に形成された上部電極であることを特徴とする熱型赤外線センサ。
In claim 1,
An insulating film having a recess is formed on the substrate,
The conductive layer is a lower electrode formed on the bottom surface of the recess,
The dielectric film is formed on the conductive layer,
The thermal infrared sensor, wherein the first electrode portion and the second electrode portion are upper electrodes formed on the dielectric film, respectively.
請求項2又は3において、
前記赤外線検知部が形成された部分の前記絶縁膜における前記赤外線検知部と反対側の面が露出していることを特徴とする熱型赤外線センサ。
In claim 2 or 3,
The thermal infrared sensor, wherein a surface of the insulating film where the infrared detection unit is formed is exposed on a side opposite to the infrared detection unit.
請求項1〜4のいずれか1つにおいて、
前記赤外線検知部を支持するための少なくとも1つの支持部を残すように、前記赤外線検知部の周囲に開口が設けられていることを特徴とする熱型赤外線センサ。
In any one of Claims 1-4,
A thermal infrared sensor, wherein an opening is provided around the infrared detection unit so as to leave at least one support unit for supporting the infrared detection unit.
請求項1〜5のいずれか1つにおいて、
前記第1の電極部及び前記第2の電極部は、互いに一致する電極面積を有していることを特徴とする熱型赤外線センサ。
In any one of Claims 1-5,
The thermal infrared sensor, wherein the first electrode portion and the second electrode portion have electrode areas that coincide with each other.
請求項2又は3において、
前記上部電極の材料は、酸化物導電材料であることを特徴とする熱型赤外線センサ。
In claim 2 or 3,
The thermal type infrared sensor, wherein the material of the upper electrode is an oxide conductive material.
請求項7において、前記酸化物導電材料は、インジウム錫酸化物であることを特徴とする熱型赤外線センサ。   8. The thermal infrared sensor according to claim 7, wherein the oxide conductive material is indium tin oxide. 請求項1〜7のいずれか1つにおいて、
前記赤外線検知部上に保護膜を介して接するように形成され且つ前記赤外線検知部周辺の上方に空間を介して位置するように延びた集熱膜を更に備えることを特徴とする熱型赤外線センサ。
In any one of Claims 1-7,
A thermal infrared sensor, further comprising a heat collecting film formed on the infrared detection unit so as to be in contact with the protective film through a protective film and extending above the periphery of the infrared detection unit through a space. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2022239611A1 (en) * 2021-05-11 2022-11-17 パナソニックIpマネジメント株式会社 Infrared sensor, and method for manufacturing infrared sensor

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