JP2010164462A - サーモパイル型赤外線センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】赤外線の吸収効率を高めることで赤外線の検出感度を高めた、サーモパイル型赤外線センサを提供する。
【解決手段】サーモパイル型赤外線センサの構造を、赤外線を受光して発熱する受光面(B1−B1、B2−B2、B3−B3、B4−B4で囲まれた領域)と、ヒートシンクの機能を果たす基板1と、受光面に温接点を接続し、基板1に冷接点を接続した複数の熱電対パターンを電気的直列に接続して形成したサーモパイルパターン3と、を具備し、サーモパイルパターン3が3aと3bとの二層またはそれ以上の数の層により構成され、サーモパイルパターン3が前記受光面の略全領域を占める構造とする。
【選択図】図1
【解決手段】サーモパイル型赤外線センサの構造を、赤外線を受光して発熱する受光面(B1−B1、B2−B2、B3−B3、B4−B4で囲まれた領域)と、ヒートシンクの機能を果たす基板1と、受光面に温接点を接続し、基板1に冷接点を接続した複数の熱電対パターンを電気的直列に接続して形成したサーモパイルパターン3と、を具備し、サーモパイルパターン3が3aと3bとの二層またはそれ以上の数の層により構成され、サーモパイルパターン3が前記受光面の略全領域を占める構造とする。
【選択図】図1
Description
本発明はサーモパイル型赤外線センサに関し、特に赤外線の吸収率を向上する構造に関するものである。
従来のサーモパイル型赤外線センサは、赤外線を吸収して発熱する受光面と、ヒートシンクと、熱電能の異なる2種類の熱電材料からなる複数個の熱電対パターンを電気的直列に接続したサーモパイルパターンとを構成要素として持つ。サーモパイルパターンを構成する各熱電対パターンの一端(温接点)は受光面に、他端(冷接点)はヒートシンクに、それぞれ熱的に接続する。受光面が赤外線を吸収して温接点の温度が上昇すると、温接点と冷接点の間に温度差が生じ、それによりサーモパイルパターンに熱起電力が生じる。その熱起電力を測ることで赤外線を検出する。
図14は、特許文献1に記載されたサーモパイル型赤外線センサの上面図であり、図15はそのA−A断面図である。図14、図15に示した赤外線センサにおいて、吸収膜5が受光面、基板1がヒートシンクの機能を果たし、サーモパイルパターン3を構成する各熱電対パターンの温接点が絶縁層4を挟んで吸収膜5に、冷接点が絶縁層2、8を挟んで基板1に、それぞれ熱的に接続する。サーモパイルパターンの下部には絶縁層2とキャビティ6を挟んで反射膜9を形成する。入射した赤外線の一部は、吸収膜5で吸収され熱に変換される。一部の赤外線は吸収されずに透過し、反射膜9に到達する。そして反射膜9によって反射された赤外線が、再び吸収膜5に照射され、吸収される。このように反射膜9によって赤外線の吸収効率を高めることにより、赤外線の検出感度を高めている。
しかしながら、吸収膜5で吸収されずに透過する赤外線は、反射膜9によって反射して吸収膜5に再び照射されるまでに、その一部が絶縁層8によって吸収され、減衰する。さらに、その減衰した赤外線は、吸収膜5に到達する前に、その一部がサーモパイルパターン3によって再び反射する。サーモパイルパターン3の受光面に占める面積が増すほど、上記のサーモパイルパターン3による反射も増加する。従来の構造よると、このような赤外線吸収のロスが生じる。
上記の赤外線吸収のロスは、吸収膜と反射膜との間に異種材料および空隙が存在するために生じている。そこで、本発明では、サーモパイルパターンによって受光面の略全領域を占めることで、サーモパイルパターン自体に反射膜の機能を代替させ、上記反射膜と上記異種材料および上記空隙を除去し、上記の赤外線吸収のロスを低減した。
その構造は、赤外線を受光して発熱する受光面と、ヒートシンクと、前記受光面に温接点を接続し前記ヒートシンクに冷接点を接続した複数の熱電対パターンを電気的直列に接続して形成したサーモパイルパターンと、を具備し、前記サーモパイルパターンが二つ以上の複数の層により構成され、前記サーモパイルパターンが前記受光面の略全領域を占める構造である。
または、前記サーモパイルパターンが二層により構成され、空隙を有する絶縁層を前記サーモパイルパターンの二層の間に有し、前記サーモパイルパターンの二層が前記絶縁層の前記空隙を通して接続する構造である。
または、前記サーモパイルパターンが三層により構成され、空隙を有する第一の絶縁層を前記サーモパイルパターンの一層目と二層目との間に有し、空隙を有する第二の絶縁層を前記サーモパイルパターンの二層目と三層目との間に有し、前記サーモパイルパターンの一層目と三層目とが前記第一の絶縁層の前記空隙と前記第二の絶縁層の前記空隙とを通して接続し、前記サーモパイルパターンの二層目と三層目とが前記第二の絶縁層の前記空隙を通して接続する構造である。
または、前記サーモパイルパターンが前記受光面の100%の領域を占める構造である。
上記構造により、サーモパイルパターンによって受光面の略全領域を占めることで、サーモパイルパターン自体に反射膜の機能を代替させ、反射膜を用いた場合以上に赤外線を吸収できる。吸収層を透過した赤外線は減衰されることなく、サーモパイルパターンにより反射され、上記吸収層にて再度吸収される。そのため、吸収される赤外線の割合が高まり、赤外線の検出感度が高まる。
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。ただし、同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
図1は第1の実施例を示す上面図であり、図2は図1におけるA−A断面図である。B1−B1、B2−B2、B3−B3、B4−B4で囲まれた矩形領域が受光面の領域であり、サーモパイルパターン3がその100%の領域を占めている。
ヒートシンクの機能を果たす基板1の上には絶縁層2がある。絶縁層2の上には、図3で示すサーモパイルパターン3の一層目3aがあり、その上に、図4で示す絶縁層4がある。この絶縁層4の上に図5で示すサーモパイルパターン3の二層目3bがあり、その上に吸収膜5がある。サーモパイルパターン3の下部の基板1の一部にはキャビティ6がある。また、サーモパイルパターン3の一層目3aと二層目3bとは、接続部10a〜10eで接続する。そのうち、接続部10a〜10cは、それぞれ絶縁層4の空隙11a〜11cを通して接続する。このとき、3aで占めることができない受光面の領域は、絶縁層4を介して3bによって占められる。これにより、サーモパイルパターン3が受光面の100%の領域を占める。
基板1としては、半導体プロセス、MEMSプロセスにて用いることができる基板であればどのような基板でも良い。サーモパイルパターン3の材料としては、熱電能の異なる2種類の熱電材料を用いる。その熱電材料には、例えば、Bi、Te、Sb、Se、Au、Ni、Zn、Pb、およびそれらの化合物、合金、p型半導体、n型半導体等がある。絶縁層2および4の材料としては、電気絶縁性の高い酸化物、窒化物、有機物等の材料を用いる。吸収膜5としては、赤外線吸収率の高い酸化物、窒化物、有機物、電気伝導性を低くした赤外線吸収率の高い金属薄膜、炭化物等で形成した薄膜、またはそれらを複数積層した多層膜を用いる。
センサ上方から入射した赤外線は、サーモパイルパターン3に到達する前に、その一部が吸収膜5または絶縁層4によって吸収される。絶縁層4は吸収膜5とサーモパイルパターン3に熱的に接続しており、絶縁層4における赤外線の吸収は吸収膜5における吸収と同様に受光面の温度上昇に寄与する。以下、吸収膜5とサーモパイルパターン3の各層間の絶縁層(ここでは絶縁層4)とをまとめて吸収層と呼ぶ。吸収層を透過してサーモパイルパターン3に到達した赤外線は、サーモパイルパターン3によって反射し、その一部が再び吸収層によって吸収される。
例えば、吸収層による赤外線吸収率が50%、サーモパイルパターン3の赤外線反射率が90%であるとする。受光面に占めるサーモパイルパターン3の面積の割合が100%であるので、受光面に入射する赤外線のうち吸収層によって吸収される赤外線の割合は72.5%となる。
従来のサーモパイル型赤外線センサの場合は、受光面に占めるサーモパイルパターンの面積の割合が普通は50%程度であることから、吸収層の吸収率とサーモパイルパターンの反射率とが上記と等しく、かつ、サーモパイルパターン下部に反射膜がないとすると、吸収される赤外線の割合は61.25%である。よって、本実施例に係る構造とサーモパイルパターン下部に反射膜がない構造とを比較すると、本実施例に係る構造の方が赤外線を多く吸収できる。
また、サーモパイルパターン下部に反射膜がある場合は、赤外線が吸収層と反射膜との間を行き来する間にロスが生じる。一方、本実施例に係る構造においてはサーモパイルパターン3が反射膜の役割を果たしており、吸収層と接しているため、そのようなロスは生じない。よって、本実施例に係る構造とサーモパイルパターン下部に反射膜がある構造とを比較しても、本実施例に係る構造の方が赤外線をより多く吸収できる。
図6は本発明の第2の実施例を示す上面図である。
三層により構成されたサーモパイルパターン12が、四方に対向配置されている点で第1の実施例とは異なる。
三層により構成されたサーモパイルパターン12が、四方に対向配置されている点で第1の実施例とは異なる。
ヒートシンクの機能を果たす基板1の上に絶縁層2がある。その絶縁層2の上に図7で示すサーモパイルパターン12の一層目12aがあり、その上に図8で示す絶縁層13がある。そして、絶縁層13の上に図9で示すサーモパイルパターン12の二層目12bがあり、その上に図10で示す絶縁層14がある。この絶縁層14の上に図11で示すサーモパイルパターン12の三層目12cがあり、その上に吸収膜5がある。また、サーモパイルパターン12の一層目12aと三層目12cとが、空隙17と空隙18を通して接続部15で接続し、サーモパイルパターン12の二層目12bと三層目12cとが、空隙19を通して接続部16で接続する。例えば、12aと12cとは、空隙17の一部17aと空隙18の一部18aとを通して接続部15の一部15aで接続し、12bと12cとは、空隙19の一部19aを通して接続部16の一部16aで接続する。
また、サーモパイルパターン12の一層目12aと三層目12cとが、接続部15a〜15jで接続し、サーモパイルパターン12の二層目12bと三層目12cとが、接続部16a〜16jで接続する。それらのうち、接続部15a〜15fは、それぞれ絶縁層13の空隙17a〜17fと絶縁層14の空隙18a〜18fとを通して接続し、接続部16a〜16fは、それぞれ絶縁層14の空隙18a〜18fを通して接続する。このとき、12aで占めることができない受光面の領域の一部は、絶縁層13を介して12bによって占められ、それでもまだ占めることができない受光面の領域は、絶縁層14を介して12cによって占められる。これにより、サーモパイルパターン12が受光面の100%の領域を占める。
また、サーモパイルパターン12の一層目12aと三層目12cとが、接続部15a〜15jで接続し、サーモパイルパターン12の二層目12bと三層目12cとが、接続部16a〜16jで接続する。それらのうち、接続部15a〜15fは、それぞれ絶縁層13の空隙17a〜17fと絶縁層14の空隙18a〜18fとを通して接続し、接続部16a〜16fは、それぞれ絶縁層14の空隙18a〜18fを通して接続する。このとき、12aで占めることができない受光面の領域の一部は、絶縁層13を介して12bによって占められ、それでもまだ占めることができない受光面の領域は、絶縁層14を介して12cによって占められる。これにより、サーモパイルパターン12が受光面の100%の領域を占める。
第2の実施例に係る構造により、サーモパイルパターン3が受光面の全領域を占めたまま、第1の実施例に係る構造に比べ、サーモパイルパターン3を構成する熱電対の数を増やすことができる。その結果、実施例1に係る構造に比べ、赤外線の検出感度を高めることができる。
図12は第3の実施例を示す上面図である。
二層により構成されたサーモパイルパターン20が、四方に対向配置されている点で他の実施例とは異なる。
二層により構成されたサーモパイルパターン20が、四方に対向配置されている点で他の実施例とは異なる。
サーモパイルパターン20は、一層目20aと二層目20bとで構成する。一層目20aと二層目20bとの間には絶縁層21がある。一層目20aと二層目20bとは、20aによって占めることができない受光面の略全領域が絶縁層21を介して20bによって占められるよう、他の実施例と同様に接続する。
第3の実施例に係る構造は、サーモパイルパターン3を構成する層が第2の実施例に係る構造よりも一層少ないため、第2の実施例に比べ作製が容易であるという利点がある。
ただし、第3の実施例に係る構造においては、二層により構成されたサーモパイルパターン3の電気的な直列接続性を確保するために、受光面の一部にサーモパイルパターン3によって占めることができない領域がわずかながら存在する。図13は、サーモパイルパターン3が占める領域を示した図である。図中のハッチがかかった領域はサーモパイルパターン3が占める領域であり、受光面の中でハッチがかかっていない領域は、サーモパイルパターンによって占めることができない領域である。このように、サーモパイルパターン3によって占めることができない領域があると、そこから赤外線が透過する。そのため、本実施例に係る構造は、第2の実施例に係る構造に比べ、吸収層で吸収される赤外線の割合が減少する。
ただし、第3の実施例に係る構造においては、二層により構成されたサーモパイルパターン3の電気的な直列接続性を確保するために、受光面の一部にサーモパイルパターン3によって占めることができない領域がわずかながら存在する。図13は、サーモパイルパターン3が占める領域を示した図である。図中のハッチがかかった領域はサーモパイルパターン3が占める領域であり、受光面の中でハッチがかかっていない領域は、サーモパイルパターンによって占めることができない領域である。このように、サーモパイルパターン3によって占めることができない領域があると、そこから赤外線が透過する。そのため、本実施例に係る構造は、第2の実施例に係る構造に比べ、吸収層で吸収される赤外線の割合が減少する。
しかし、その吸収される赤外線の減少率は、受光面に占めるサーモパイルパターン3の割合が十分大きければわずかである。例えば、吸収層の赤外線吸収率を50%、サーモパイルパターン3での赤外線反射率を90%であるとし、受光面に占めるサーモパイルパターン3の面積の割合が90%であるとすると、上記減少率はわずか2.25%である。
上記減少率を考慮しても、従来の反射膜がない構造よりも、赤外線の吸収において依然として有利である。また、受光面に占めるサーモパイルパターン3の面積の割合は、電気的絶縁性を確保したまま100%近くまで増やすことができる。そのため、上記減少率を低減することができ、従来のサーモパイルパターン下部に反射膜を形成した構造による場合と比較しても、同等かそれ以上に赤外線を吸収できる。
1 基板
2 絶縁層
3 サーモパイルパターン
3a サーモパイルパターン3の一層目
3b サーモパイルパターン3の二層目
3c サーモパイルパターン3の三層目
4 絶縁層
5 吸収膜
6 キャビティ
7、8 絶縁層
9 反射膜
10a、10b、10c、10d、10e 3aと3bとの接続部
11a、11b、11c、 空隙
12 サーモパイルパターン
12a サーモパイルパターン12の一層目
12b サーモパイルパターン12の二層目
12c サーモパイルパターン12の三層目
13、14 絶縁層
15a、15b、15c、15d、15e、15f、15g、15h、15i、15j、16a、16b、16c、16d、16e、16f、16g、16j 12aと12cとの接続部
17a、17b、17c、17d、17e、17f、18a、18b、18c、18d、18e、18f、19a、19b、19c、19d、19e、19f 空隙
20 サーモパイルパターン
21 絶縁層
2 絶縁層
3 サーモパイルパターン
3a サーモパイルパターン3の一層目
3b サーモパイルパターン3の二層目
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12a サーモパイルパターン12の一層目
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20 サーモパイルパターン
21 絶縁層
Claims (4)
- 赤外線を受光して発熱する受光面と、ヒートシンクと、前記受光面に温接点を接続し、前記ヒートシンクに冷接点を接続した複数の熱電対パターンを電気的直列に接続して形成したサーモパイルパターンと、を具備し、
前記サーモパイルパターンが複数の層により構成され、前記サーモパイルパターンが前記受光面の略全領域を占めるサーモパイル型赤外線センサ。 - 前記サーモパイルパターンを構成する複数の層のうちの一層によって占められる前記受光面の領域が、他の層によって占めることができない前記受光面の領域を占めることにより、前記サーモパイルパターンが前記受光面の略全領域を占める請求項1に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
- 前記サーモパイルパターンが二層により構成され、空隙を有する絶縁層を前記サーモパイルパターンの二層の間に有し、前記サーモパイルパターンの二層が前記絶縁層の前記空隙を通して接続する、請求項1または請求項2に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
- 前記サーモパイルパターンが三層により構成され、空隙を有する第一の絶縁層を前記サーモパイルパターンの一層目と二層目との間に有し、空隙を有する第二の絶縁層を前記サーモパイルパターンの二層目と三層目との間に有し、前記サーモパイルパターンの一層目と三層目とが前記第一の絶縁層の前記空隙と前記第二の絶縁層の前記空隙とを通して接続し、前記サーモパイルパターンの二層目と三層目とが前記第二の絶縁層の前記空隙を通して接続する、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009007598A JP2010164462A (ja) | 2009-01-16 | 2009-01-16 | サーモパイル型赤外線センサ |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2010164462A true JP2010164462A (ja) | 2010-07-29 |
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JP (1) | JP2010164462A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8215831B2 (en) * | 2004-06-09 | 2012-07-10 | Excelitas Technologies Gmbh & Co. Kg | Sensor element |
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2009
- 2009-01-16 JP JP2009007598A patent/JP2010164462A/ja active Pending
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