JP2010164462A - サーモパイル型赤外線センサ - Google Patents

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

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。

特許第３１３２１９７号公報。

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。

第1の実施例を示す上面図である。 図１に示した実施例上面図のＡ−Ａ断面図である。 図１に示した実施例上面図中のサーモパイルパターン３の一層目３ａを示す図である。 図１に示した実施例上面図中の絶縁層４を示す図である。 図１に示した実施例上面図中のサーモパイルパターン３の二層目３ｂを示す図である。 第２の実施例を示す上面図である。 図６に示した実施例上面図中のサーモパイルパターン１２の一層目３ａを示す図である。 図６に示した実施例上面図中の絶縁層１３を示す図である。 図６に示した実施例上面図中のサーモパイルパターン１２の二層目３ｂを示す図である。 図６に示した実施例上面図中の絶縁層１４を示す図である。 図６に示した実施例上面図中のサーモパイルパターン１２の三層目３ｃを示す図である。 第３の実施例を示す上面図。 図１２に示した実施例上面図中のサーモパイルパターン２０が占める領域を示す図である。 従来例の上面図である。 図１４に示した従来例上面図のＡ−Ａ断面図である。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

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