JP2011145296A - モノリシックシリコン微細加工式サーモパイル赤外線センサー - Google Patents

Abstract

【課題】光学系と、良好に熱を伝導するフレーム形式の支持体を用いて引っ張る形で固定した膜上に熱電対を備えたチップとを有し、この支持体が垂直又はほぼ垂直な壁を有する、筐体内の赤外線温度センサーに関する。小さいチップサイズで高い温度分解能、高い面利用率及び速い応答速度を有する、モノリシックシリコン微細加工技術によるサーモパイル式赤外線センサーを提示する。
【解決手段】センサー構造が、センサーセル毎の少数の長い熱電対から構成され、これらの熱電対が、吸収層５の上の温接点９を熱電対の冷接点８と互いに接続する接続ブリッジ６上に配置されていることと、膜３が、一つ以上の接続ブリッジ６によって吊るされていることと、膜３が、長い熱電対の両側に幅の狭いスリットを有し、これらのスリットが、中央の領域４と支持体２の両方から接続ブリッジ６を分離していることと、少なくとも中央の領域４が吸収層５によって覆われている。
【選択図】図２ａ

Description

本発明は、光学系と、良好に熱を伝導するフレーム形式の支持体を用いて引っ張る形で固定した膜上にサーモパイル式、ボロメーター式又はピロ電気式センサー構造の形の熱電対を配備したチップとを有し、この支持体が垂直又はほぼ垂直な壁を有する、筐体内の赤外線温度センサーに関する。

シリコン微細加工技術を用いて様々な変化形態で製作することが可能な赤外線センサーが周知である。

例えば、特許文献１では、特に、薄い膜とその上に設置された吸収体とを有するサーモパイル用センサーセルが提案されている。

そのようなセンサー構造の下の支持基板は、湿式化学エッチングによる表面微細加工法によって溝を刻まれており、エッチング作用によって、膜に溝を刻み込んでいる。そのような湿式エッチング法は、傾斜した壁を作り出す。如何なる場合でも、溝の深さは、基板の深さ全体にまでは達しない。それは、センサー構造の横方向のサイズが小さくなる程、エッチングの深さが浅くなることを意味する。

高真空を使用しない場合、センサー筐体内の残留ガス又は充填ガスの熱伝導が、吸収体領域、即ち、「温接点」と、ヒートシンク、即ち、支持基板との間の実現可能な温度差を低下させる。

吸収した赤外線が発生させる温度差が小さい場合、センサーセルの実現可能な感度も低下する。充填ガスを使用することは記載されていない。

非特許文献１には、犠牲層を用いて表面微細加工技術によりセンサー素子を製作したモノリシックサーモパイルセンサーアレーが提示されている。基板内のセンサー構造とヒートシンク間の間隔は、基板自体の厚さよりも著しく小さい。この解決策では、センサーチップが高真空で密閉された筐体内に収納されている場合にのみ、相対的に良好な分解能が実現可能である。又しても、低い残留ガス圧又は充填ガスを用いた安価な筐体構造で十分な感度を達成することはできていない。

特許文献２又は３には、真空の筐体又は熱伝導が非常に小さいガスを充填した筐体を使用することによって、感度を改善した赤外線センサーの製造方法が記載されている。

その製造方法では、如何にして、センサー素子が上に載った膜を圧力差で損傷させること無く真空又はガス交換を実現できるかを課題としている。その場合、膜の下に有る中空空間のガス交換が特に重要であり、使用する酸化シリコン／窒化シリコン膜が破裂する圧力差は、約３００トルであると記載されている。

底板の溝の深さ及びスペーサーの様々な形状以外の換気方法として、膜内の開口も提示されている。

全ての図面は、湿式エッチングされた傾斜した腐食孔の壁面を図示している。底板と基板の間には、有利には、膜の上と下の領域間の圧力を等しくする役割を果たす排気用の隙間が有る。

そこで提案されている解決策には、膜内のスリットは有るが、面の最適な活用を可能とするものではなく、面の最適な活用は、図示されている傾斜した壁を用いたエッチング法によって妨げられている。チップ内の熱環境に対する膜のスリットの影響が考慮されていない。

特許文献４には、スリットを入れたサーモパイル配列の熱線センサーセルが記載されている。複数のサーモパイル配列を上下に積み重ねたものをベースとしている。スリットは、感度を向上させるためではなく、上に有る配列のスリットを通して下の配列を常に「見る」ことを可能とするために使用されている。

そのようにして、システムの分解能を向上させている。しかし、前述した構成からは、多くの欠点が生じる。処理コストは、重ねて使用される配列の数の倍数で増大し、個々の重なり合ったチップの向きを正確に調整すること、並びにそれらを互いに連結することは、同じく相当な技術的及び資金的負担を意味し、それらのピクセルは、正方形でなく、そのため二次元の赤外線画像の生成には役に立たないので、一つの配列を実現する役割しか果たさない。更に、膜は、裏側からの異方性湿式エッチングによって構造化されており、それは、ヒートシンクの傾斜した壁によって、センサー構造を著しく拡大している。スリットだけが、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）によって乾式エッチングされている。前記のサーモパイル材料のペアリング（ビスマス／アンチモン）及び吸収材料（銀の黒い層）は、大抵はＣＭＯＳと両立できない。別の欠点は、前記の材料のペアリングでは感度の温度依存性が高いことである。分解能を何倍にもしようとする試みは、下の個々の配列が異なる急峻な面内に有り、そのため、画像側の焦点距離を選定する際に妥協することしかできないので、常に光学システムによって制限されて来たことを付け加えたい。ガスの熱伝導率を低くすることによって感度を向上させるために、ガスを充填すること、或いはセンサーセルを取り囲む筐体の内圧を低下させることは記載されていない。

非特許文献２には、バルクシリコン微細加工技術で製造されたモノリシックサーモパイルセンサーアレーが提示されている。６４個の素子が、８ｘ８ｍｍの大きさのチップ上に有り、各素子は、湿式エッチング技術によるシリコン壁によって熱的に分離されている。このチップの大きさの技術的な制約は、相対的に製造コストを上昇させることとなり、又もや安価に大量生産することを妨げている。

そのようなサーモパイル方式の解決策以外に、安価な赤外線アレーに関する別の解決策が有る。

特許文献５と６では、薄い膜とその下に有る支持基板の一部をエッチングするためのスリットとを備えた温度センサー構造が提案されている。両方の場合において、その下に有る孔の深さは、浅くしか実現されておらず、前述した解決策と同様に、高真空に密閉されていない安価な筐体による解決策では、低い感度しか実現できない。

特許文献７と８には、サーモパイルセンサーセルが記載されており、そこでは、膜の周縁領域における大きな三角形の形状又は膜の中央の十字の形状のスリット構造によって、センサー構造の下に、自由に孔をエッチングしている。両方の場合において、それは、傾斜した壁によって、ヒートシンクとの距離が大きくならないようにすることができる湿式エッチング法により行われている。多くの平行に配置された熱電対が、温接点と冷接点の間の大きな温度差と、そのため高い信号感度の実現とを妨げている。

特許文献９では、赤外線センサーのセルが提案されている。その図１の実施形態は、基板全体を通る垂直な壁を有する。しかし、むしろ「短い」と言える多くの熱電対も、前述した通り、高い感度を可能とするものではない。図２ｅ）と図３ａ）の別の実施例では、又もや孔を作るための表面微細加工による解決策が提案されており、そのエッチングは、膜の開口を通して行われている。エッチングの深さは、５０〜２００μｍとすることができる。そのようなガスの熱伝導に基づくセンサー構造とヒートシンクの間の最大２００μｍの短い間隔は、又もや高い感度を不可能としている。熱伝導率の低いガス又は圧力を低下させて熱伝導率を低減する手段は記載されていない。

特許文献１０では、赤外線センサーアレーに関するモノリシックボロメーター構造が提案されている。そのボロメーター構造では、センサー素子が表面微細加工技術で製作されており、犠牲層を取り除くと、非常に良好に断熱された約２．５μｍのセンサーブリッジが、評価回路を含むシリコン基板の上に出来上がっている。

そのようなセンサーブリッジを有する赤外線ボロメーターの多くの変化形態が次第に出現している。それらは、小さい素子サイズを可能とするので、高分解能の赤外線アレーでは、更なる処理が加えられている。基本的に、その方法では、小さい素子サイズにも関わらず、非常に良好な温度分解能が達成されている。

しかし、シリコン表面上の小さい素子サイズは、必然的にセンサーチップを高い真空密度で密閉する必要が有り、それは、又もや安価に大量生産することを妨げている。標準圧力での熱伝導率の低いガスを用いて、そのようなチップを安価な筐体内に密閉する手法は、実現可能な感度を完全に低下させてしまうこととなる。

特許文献１１では、薄い膜とスリットを入れた構造によるサーモパイルセンサーセルが提案されている。その吸収領域は、長い梁と少数の熱電対によって保持されている。孔又はスリットを膜に設けることができる。１３０μｍの幅を持つことができる、熱電対を備えた梁は、（しかしながら、同じく本当に広い）スリットによって、基板の周縁及び吸収領域から分離されている。

センサー構造の下に有る支持基板は、裏側から湿式エッチングされ、それに応じて、基板内に傾斜した壁が出来上がっている。不活性ガスを充填するものと規定されている。

そのような解決策によって、基本的に、より大きな温度差と感度を実現することができている。しかし、そのような広いスリットは、センサーセルの面の最適な活用（面利用率）を妨げている。支持基板内の湿式エッチングされた孔は、外側に突き出た壁を有し、センサーセル全体は、約２ｘ２ｍｍの大きさである。そのような傾斜して外側に突き出た基板の壁では、小さいセンサーセル又はセル間隔（アレー構造）を実現できない。

従って、周知の解決策では、大面積のチップ方式のために、或いはセンサー構造（吸収領域）とその下に有る支持基板の間の間隔が狭すぎるか、或いは負担のかかる筐体の真空化技術のために、感度が高いと同時に面利用率が高い形で、かつ高真空で筐体を密閉する必要の無い簡単な筐体方式により赤外線温度センサーセルを安価に製造することができない赤外線温度センサーセルを提案していることとなる。

米国特許公開第２００３／００５４１７９号明細書 ドイツ特許公開第６９３２９７０８号明細書 欧州特許第０５９９３６４号明細書 ドイツ特許公開第１０２６０４０８号明細書 米国特許第４，４７２，２３９号明細書 米国特許第４，６５４，６２２号明細書 ドイツ特許公開第１９９５４０９１号明細書 米国特許第６，３４２，６６７号明細書 ドイツ特許公開第１９８４３９８４号明細書 欧州特許公開第０８６９３４１号明細書 ドイツ特許第４０９１３６４号明細書

Kanno, T. et. Al. (NEC Corp.):"Uncooled focal plane array having 128x128 thermopile detector elements" in B. Andersen (Ed.), Infrared Technology, Proc. SPIE 2269, Vol XX, San Diego, July 1994, S.450-459 HORIBA product information: "8x8 element thermopile Imager"; in Tech Jam International, 26. Sept. 2002

本発明の課題は、小さいチップサイズで、高い温度分解能と、高い面利用率と、高い応答速度とを有し、標準圧力又は低い圧力のガスの下で動作可能であり、負担のかかる超真空筐体密閉技術を用いること無く、標準ＣＭＯＳプロセスを用いて、大量のロット数で安価に製造することができる、モノリシックシリコン微細加工技術によるサーモパイル赤外線センサーを提示することである。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式のサーモパイル赤外線センサーにおいて、サーモパイルセンサー構造が、センサーセル当たり少数の長い熱電対から構成され、それらの熱電対が、膜上の吸収層の上に有る温接点と熱電対の冷接点とを互いに接続する接続ブリッジ上に配置されていることと、その膜が、一つ以上の接続ブリッジによって吊るされていることと、その膜が、長い熱電対の両側に幅の狭いスリットを有し、それらのスリットは、中央の領域と支持体の両方から接続ブリッジを分離していることと、少なくとも中央の領域が、吸収層によって覆われていることとによって解決される。

本発明によって、特に高い信号感度を有するとともに、高い面利用率を実現可能とするサーモパイルセンサー構造が実現される。

本発明の第一の実施形態では、長く幅の狭い接続ブリッジ上の熱電対が吸収領域の周りを取り巻いており、一つの接続ブリッジの長さは、少なくとも吸収領域の横の長さの半分に等しく、有利には、吸収領域の横の長さに等しい。

本発明の別の実施形態は、長く幅の狭い接続ブリッジ上の熱電対が吸収領域の周りを取り巻いており、一つの接続ブリッジの長さは、吸収領域の横の長さ〜横の長さの２倍に等しいことによって特徴付けられる。

更に、長く幅の狭い接続ブリッジ上の熱電対が吸収領域の周りを取り巻いており、接続ブリッジが、少なくとも一つの折り返し箇所を有することを提案することができる。そのようにして、接続ブリッジの曼陀羅形状が、それによって長さを延長させた形で実現可能である。

本発明の特別な実施形態は、熱電対の温端を有する幅の狭い接続ブリッジが複数の側から吸収領域に通されるものと規定する。

サーモパイルセンサー構造は、有利には、ＣＭＯＳプロセスで製作されたｎ型とｐ型の多結晶シリコンから構成される。

小さい「熱質量」と速い応答速度を実現するために、サーモパイルセンサー構造上に半導体プロセスで作った分離及びパシベーション層の一部を表側から再び除去する。

面利用率を向上させるために、薄い吸収層が、少なくとも部分的に接続ブリッジ上にも延び、有利には、それどころか接続ブリッジ全体の上に延びるとともに、冷接点の直前にまで延びる。

温度の平均化のために、吸収領域内の膜を一つ以上の多結晶シリコン層で塞ぐことができる。

本発明の更なる改善形態では、吸収領域内の多結晶シリコン層は、熱質量を低減するために縮小された形の構造を有する。例えば、その層が、吸収層の中央を出発点とする十字の形状を有し、その十字の端が、サーモパイル構造の「温接点」を取り囲むか、或いは短絡防止のために、その片側だけと接触する。

更に、熱電対を有する長く薄い接続ブリッジが、少なくとも一カ所で安定化ブリッジによって、隣接する支持基板と接続されるものと規定する。

本発明の有利な実施構成では、複数のセンサーセルが、近接して配列又はアレー形状で同じセンサーチップ上に配置されており、信号処理部の少なくとも一部は、同じ半導体基板上に統合されているか、或いはセンサーセルは、一つの個別セル又は四つの個別セル当たり共通の一つの電子信号処理ユニットを有する。

サーモパイル赤外線センサー構造の光学系は、最も簡単な場合、フィルターディスク又は収斂レンズとすることができる。

この光学系は、筐体に固定して取り付けられた第一のレンズと、筐体の外に置かれた第二のレンズとから構成され、これらの二つのレンズが、共同して光学像を作り出すようにすることもできる。

それに代わって、この光学系は、筐体内に固定して取り付けられた第一のレンズと、筐体の外に置かれた第二のレンズとから構成され、第二のレンズは、気密に設置する必要がなく、交換可能であるようにすることができる。

最後に、この光学系は、筐体内に固定して取り付けられた第一のレンズと、筐体の外に置かれた第二のレンズとから構成され、第二のレンズが、調整機器によって、センサー素子との間隔を調節可能であるようにすることができる。
添付図面に基づき、本発明を説明する。

本発明による赤外線センサーの基本構造図 本発明によるサーモパイルセンサーセルを備えた、中央の領域に吸収層を有する赤外線センサーの断面図 本発明によるサーモパイルセンサーセルを備えた、中央の領域上の吸収層とブリッジを有する赤外線センサーの断面図 スリットとブリッジに関する実施構成が異なる、本発明によるサーモパイルセンサーの平面図 スリットとブリッジに関する実施構成が異なる、本発明によるサーモパイルセンサーの平面図 スリットとブリッジに関する実施構成が異なる、本発明によるサーモパイルセンサーの平面図 スリットとブリッジに関する実施構成が異なる、本発明によるサーモパイルセンサーの平面図 中央の吸収層に関する実施構成が異なる、本発明によるサーモパイルセンサーの平面図 中央の吸収層に関する実施構成が異なる、本発明によるサーモパイルセンサーの平面図 中央の吸収層に関する実施構成が異なる、本発明によるサーモパイルセンサーの平面図 中央の吸収層に関する実施構成が異なる、本発明によるサーモパイルセンサーの平面図 パシベーション層を薄くした、本発明によるサーモパイルセンサーセルの横断面図 パシベーション層を薄くした、本発明によるサーモパイルセンサーセルの横断面図 吸収領域とブリッジ又は基板の間に安定化リブを備えた実施構成を示す図 本発明による複数の素子から成るセンサーセルの別の実施形態と、ピクセル近傍に信号処理部を収容するために、周縁領域に信号用電子回路を備えた実施構成とを示す図 本発明による複数の素子から成るセンサーセルの別の実施形態と、ピクセル近傍に信号処理部を収容するために、センサー素子毎に一つの信号用電子回路を備えた実施構成とを示す図 本発明による複数の素子から成るセンサーセルの別の実施形態と、ピクセル近傍に信号処理部を収容するために、４つのセンサー素子毎に一つの信号用電子回路を備えた実施構成とを示す図 外部に光学系を取り付けた形の光学系の実施構成での本発明によるセンサーセルの別の実施形態を示す図 内部に光学系を取り付けた形の光学系の実施構成での本発明によるセンサーセルの別の実施形態を示す図 第二のレンズとの間隔を延ばした実施構成を示す図 第二のレンズとの間隔を延ばした実施構成を示す図

図１と２は、本発明による赤外線センサーの基本構造を図示している。支持体２、膜３、吸収層５を備えた中央の感知領域４及び接続ブリッジ６を有するセンサーセル（チップ）１が、底板１０の上に設置されており、その底板は、更にカバー１２によって閉鎖されている。カバー１２の中のセンサーセル上には、物体からの赤外線を吸収体５に誘導又は集束するための光学系１３が有る。支持体２は、半導体材料（例えば、シリコン）から成る基板で構成されており、裏側からのエッチングによって、センサー素子の下の半導体材料を完全に掘り抜かれており、熱電対１６の間の領域には、半導体の基板材料から成る薄い、垂直又はほぼ垂直な分離壁を残している。

チップ１上のセンサーセルの電気端子は、接続配線１１を介して、外部端子１４と繋がっている。この構造は、（例えば、トランジスタの筐体などの）金属製の底板１０上でも、金属製でない底板（例えば、回路基板やセラミック基板）１０上でも実現することが可能である。

筐体内に閉じ込められた媒体は、ガス又は混合ガス１５である。本発明では、膜（温接点）３の中央の領域（吸収領域）４から支持体（冷接点）２への対流を出来る限り少なくするために、このガス１５の熱伝導率は、空気又は窒素よりも小さい。

それには、モル質量の大きなガス１５、例えば、キセノン、クリプトン又はアルゴンを使用するか、或いは標準大気圧と比べて大幅に内圧を低減した超真空以上のガスを使用するのが有利である。この筐体は、周囲環境とのガスの交換が行われないように閉鎖しなければならない。

図２は、本発明によるセンサー筐体内の赤外線を感知するセンサーセル１の構造自体を図示している。シリコン又はそれ以外の半導体材料から成る支持体（基板）２上において、支持体の表側には、中央の領域４が一つ以上の薄い接続ブリッジ６によって吊るされた薄い膜３が置かれている。これらの接続ブリッジ６は、本発明による幅の狭いスリット７によって、中央の領域４と支持体２の両方から分離されている。

計測可能な大きさに赤外線を変換するための温度センサー構造が、中央の領域４と接続ブリッジ６上に有る。これらのセンサー構造は、例えば、周知のピロ電気又は熱電気式構造、或いはボロメーター式構造とすることもできる。

以下において、熱電気式センサー構造、所謂サーモパイルに基づき本発明を説明する。そのようなサーモパイルは、ヒートシンクとしての役割を果たす、垂直な壁を備えた基板本体の上の「冷接点」８と、中央の吸収領域上の所謂「温接点」９とを有する。

センサー筐体の外に有る測定すべき物体の温度がヒートシンク（基板本体２）よりも高い限り、吸収領域上で吸収された赤外線によって、「温接点」９は、「冷接点」８と比べて温められる。その逆の場合、吸収領域は冷やされて、負の温度差が生じる。この熱電気式センサー構造は、温接点と冷接点の間の温度差に比例した信号電圧を発生する。

センサーセルの測定感度（信号電圧）を向上させるためには、温接点９をヒートシンク２から特に良好に断熱すると同時に、吸収領域の大きさをセル全体と比べて出来る限り大きくしなければならない。

本発明では、熱分岐線１６の長さを特に長く実現することによって、それを解決しており、熱分岐線を従来通り冷接点８と直線の経路で直接接続するのではなく、より長く、より幅の狭い接続ブリッジ６による迂回経路で接続する形で実現している（図３ａ〜３ｄを参照）。従来のサーモパイルセンサーが多数の個別の熱分岐線１６（個別のセル当たり、典型的には４０〜８０個、多くの場合１００個以上の熱電対）を有するのに対して、本発明では、個々のセル当たり最大２０個、典型的には１０個以内の少数の熱電対で実現している。高い面利用率を実現するために、ブリッジを支持基板及び中央の吸収領域から分離するためのスリット７の幅は、最大１０μｍ、有利には、３μｍ以内である。

センサーセルの製作は、例えば、安価なＣＭＯＳプロセスで行われる。（熱分岐線とも称する）熱電対１６は、有利には、ｎ型とｐ型のシリコン、ゲルマニウム又はそれらの混合構成から作成されており、１μｍ以内の厚さを有する。支持体２の壁は、垂直又はほぼ垂直であり、有利には、支持体の底にまで達する。それらは、所謂（ＭＥＭＳとしても知られている）微細加工技術で製作され、ＭＥＭＳ（微小電子機械システム）を応用したものである。

その有利な方法は、例えば、反応性イオンエッチング（深堀りＲＩＥプロセス）であり、支持体の下側から、基板全体を通って膜に達するまでエッチングするものである。

測定物体の赤外線を最大限吸収するために使用する吸収層５自体は、吸収領域の熱質量を小さくして、それによってセンサー素子の速い応答速度を達成するために、非常に薄く、有利には、１μｍ以内の厚さである（図４）。多くの場合、吸収層５は、その下に有る、薄い膜３上の層とも協力して機能する。吸収層５は、ＣＭＯＳと互換性の有るプロセスで製作される。

測定点の小さい単一素子のセンサーセルとするために、ブリッジ以外の中央の領域４に吸収層５を限定することができる。複数の素子の構造（図７も参照）に対しては、面利用率を向上するために、吸収体５を接続ブリッジ６全体又は少なくともその一部の上に拡大することもできる（図１ｂ）。

以下において、セルサイズ、特に、熱分岐線１６と分離スリット７を備えたブリッジ６の形状に関する実施構成を説明する。図３ａ〜３ｄは、本発明による熱分岐線１６を備えた接続ブリッジ６に関する複数の実施構成を図示している。

一般的に、中央の領域４は、二つ又は四つの接続ブリッジ６を介して支持体２と接続されている。その場合、接続ブリッジ６の長さは、少なくとも中央の領域４の側面の半分である。典型的には、ブリッジの長さは、中央の領域４の側面の長さ（図３ａの所謂９０°形式）又は側面の長さの二倍（図３ｂの所謂１８０°形式）である。

図３ｂは、そのような中央の領域４の側面の二倍の長さ（１８０°形式）のブリッジを図示している。別の実施形態は、ブリッジの形状が折り返し箇所２４を有し、それによりブリッジの向きを逆転させて、ブリッジに曼陀羅形状を持たせることによって実現した更に長い接続ブリッジ６を有する。図３ｃは、接続ブリッジ６が曼陀羅形状の９０°形式を図示し、図３ｄは、接続ブリッジ６が曼陀羅形状の１８０°形式を図示している。

基本的に、図３ａ〜３ｄの間の別の解決策、例えば、側面の長さの０．５倍又は側面の長さの１．５倍の接続ブリッジ６も考えられる。接続ブリッジ６の長さを更に延長するために、接続ブリッジ６を更に多くの曼陀羅形状に折り返すこともできる。そのような一つ又は別の変化形態は、セルの大きさ、達成可能な応答速度、筐体内のガスの圧力及び形式、並びに温度分解能に関する要件に応じた利点を有する。

図４は、中央の領域４の実施形態を図示している。図４ａ〜４ｄは、本発明による中央の領域４の実施構成を図示しており、図４ａと４ｂは、吸収層と多結晶シリコン製の熱平衡層の有る実施構成を、図４ｃは、吸収層の有る実施構成を、図４ｄは、吸収層と多結晶シリコン製の熱平衡層の無い実施構成を図示している。

既に述べた通り、膜３の中央の領域４は、ブリッジ上に拡大することもできる吸収層５で覆われている。熱分岐線１６を構成する多結晶シリコンの層は、ＣＭＯＳプロセスで実現される。そのような層は、吸収層５に加えて、吸収体の様々な領域と温接点の間の良好で速い熱平衡を実現するために、中央の領域に使用することもできる。

典型的には、温度が最も高い部分は、中央の領域４の中心に生じる。しかし、中央の領域４の中心にまで熱分岐線１６の全部を通した場合、熱電対の内部電気抵抗とそのため雑音とが増大する。

そのため、多結晶シリコン製の面１７は、中央の領域４とその更に外側に有る温接点８の間の熱平衡層として使用することができる。更に、温接点を吸収体上に分散させることもでき、その場合、サーモパイルの内部抵抗を低下させるために、熱分岐線の幅を広げている（図３と４には図示されていない）。

図４ａは、中央の領域４全体が少なくとも一つの多結晶シリコン製ベルト１７で覆われた形態を図示している。それによって、雑音の小さい最も高い信号感度（即ち、最も高い検出性能）を達成することができる。この場合、外側の多結晶シリコン面は、温接点をほぼ取り囲んでいる。しかし、有利には、短絡を防止するための隙間を少なくとも片側に残しておく。

高い応答速度を達成するためには、多結晶シリコンの面１７を中央の領域４全体の上に拡大させないで、中心から十字又は星の形にだけ構成することが有利な場合が有る（図４ｂ参照）。そうすることによって、中央の領域の熱質量の低減とそのため応答速度の向上とが達成される。

また、吸収層が存在する箇所から多結晶シリコン層１７を取り去った場合、信号が大きくなり、速い応答速度が達成される（図４ｃ）。その場合の信号は、多結晶シリコン製熱平衡面が有る場合よりも若干小さい。応答速度は最も速いが信号が小さい形態は、吸収層と多結晶シリコン層１７を取り去ることによって実現される。

信号を大きくして、応答速度を向上させることは、ＣＭＯＳプロセスの間に吸収体の領域又は吸収体とブリッジの領域に生じるパシベーション層を表側から完全に、或いは部分的に再度除去する（薄くする）ことによって実現することができる。

図５ａと５ｂは、シリコン製支持体の上の外部領域と比べて、吸収体領域内のパシベーション層１８の厚さを低減した形態を図示している。そのように薄くすることは、周知のチップ前側の湿式化学エッチング又はドライエッチング法によって行われる。

特に、複数の素子から成る構造における壊れ易い膜の安定性とそのため生産性とを向上させる手法は、接続ブリッジ６と吸収体領域の間又は接続ブリッジ６と支持体２の間に、膜材料から成る薄いリブ１９を残すことである。その場合、エッチングされた隙間７は、そのようにして残したリブ１９によって、所望の通り数カ所で中断される。図６には、そのようなリブ１９が図示されている。リブ１９は、接続ブリッジの様々な箇所に設けることができ、例えば、吸収体の四つの角全部に設けることもでき、それは、本構成の機械的な安定性を向上させる。

別の実施構成では、従来から提案されているサーモパイルセルを組み合わせて、ｍ行ｘｎ列のアレー構造とすることもできる。その例が図７に図示されている。

そのような同じチップ上の多くの個別セルから成る実施構成は、チップ側の電子回路も必要となるので、図７ａには、見易くするために、膜に切れ目を入れて小さい四角形としただけの個々のサーモパイルセル２０が図示されている。

そのようなセンサー近傍の電子回路２０又は２２は、例えば、前置増幅器、ローパスフィルター、マルチプレクサー、アドレスレジスター、ＡＤコンバータ及びインタフェースを備えることができる。個別のセンサーセルを選択するのに適したスイッチングトランジスタ２１は、有利には、各セルの近くに有るが、素子数が少ない場合、チップ周縁部に移動することもできる。

特に有利には、個別の素子をチップ上にマトリックス形状に配置することによって、吸収体材料５による被覆が大きな面となり、幅の狭いスリット７との協働作用によるエッチング壁が基板２全体で直線となるため、高い面利用率を達成することができるという作用効果を奏する。そのことは、熱線によって活性化されない面に対する、熱線を吸収して、それによって活性化される面の比率である、アレー用途に関して重要な面利用率を一層向上させることができる。

アレー構造を動作させるためには、電子素子グループを基板に統合しなければならない。その場合、個々の素子は、センサー素子から成るマトリックス内に、例えば、素子の間の頂点に取り付けることができる。前置増幅器、ローパスフィルター、マルチプレクサー、アドレスレジスター、温度基準、電圧基準、アナログデジタル変換器、インタフェース素子グループなどの別の電子素子グループは、アレー構造の周縁領域に収容することができる。

そうすることによって、光活性領域外のそれらの素子は、面利用率に不利な影響を及ぼさなくなる。更に、電子素子グループで生じる熱損失は、簡単に外に排出することができる。この実施構成に関しては、全ての使用プロセスが標準的なＣＭＯＳ手順と互換性を持つことが特に重要である。使用する材料と所要のプロセスが標準的なＣＭＯＳ手順に抵触しない場合にのみ、前述した赤外線を感知するセンサー素子を所要の評価電子素子とモノリシック方式で統合するとの課題を解決することができる。

そのような統合工程によって、少数の入出力を介したセンサー制御とセンサー信号の出力の実現を達成することができる。そのため、負担のかかる配線接続部１１が不要になるとともに、そのようなアレーセンサーの安価な大量生産が容易になる。

前置増幅器を除くピクセル近傍の電子素子がローパスフィルターも含む場合、システムの雑音帯域幅を縮小して、信号対雑音比を向上することができ、それは、達成可能な検出性能と測定精度を高めることとなる。

図１は、本発明による筐体内のセンサーチップを図示している。そのために、前述したセンサーチップが、例えば、金属、セラミック又は金属コーティングしたプラスチック（回路基板）から成る良好に熱を伝導する底板１０の上に、個別素子又はアレー構造として構築されている。

所要の制御入力と信号出力は、有利には、配線接続部１１を介して、基板支持体の電気接点面と接続されている。そして、このセンサー構成は、有利には、ニッケル、アルミニウム又は銅から成る、同じく良好に熱を伝導するカバー１２によって気密に閉鎖されている。カバー１２の中には、赤外線を通す材料から成る光学的な窓１３が有り、その窓を通して、検出すべき赤外線がセンサーチップ１上に到達する。

閉鎖された筐体内には、標準圧力のガス１５又は圧力を低下させた残留ガスから成る雰囲気が有る。ここで述べた発明の利点は、そのような雰囲気の熱伝導が標準の雰囲気又は標準圧力の乾いた窒素雰囲気よりも著しく低い場合に効果を発揮する。

更に別の二つの実施構成を説明する。第一の実施構成では、周囲のガスの圧力を低減した真空筐体構成を使用した場合に、最良の感度が達成されるが、その中間の段階も考えられる。真空筐体の欠点は、筐体全体を完全に気密に閉鎖しなければならず、長年に渡ってガス圧の変化が起こらないようにすることである。それには、負担のかかる、そのため高価な筐体方式が必要となる。

第二の実施構成では、筐体は、標準圧力で、例えば、クリプトン又はキセノンなどの熱伝導率の小さいガスで満たされる。そうすることによって、同じく、センサーの感度が向上するが、筐体方式の要件が低くなる。

真空筐体の実施構成とするか、或いは熱伝導率の小さいガスによるガス充填の実施構成とするかの選択は、センサーチップ構成の最適化にも影響する。即ち、シミュレーションによる計算では、真空筐体方式を用いた場合の熱電対の最適な数が非常に小さいことを示している。サーモパイルの出来る限り大きな検出性能を達成するために、有利には、センサー素子当たり４〜８個を上回る熱電対を使用しない。そして、膜３を支持している一定数の接続ブリッジ６上に、そのような熱電対を分散させる。

それに対して、熱伝導率の小さいガスを用いた筐体構成を選択した場合、より多くの数の熱電対を選定することができる。ここで述べた発明に関して、キセノン又はクリプトンを用いたセンサー筐体の充填を行った場合の熱電対の有利な数は、サーモパイル当たり６〜１６個の素子である。

センサーの熱時定数は、検知領域の熱容量を温接点と冷接点８間の熱伝導係数で割った商として得られる。熱伝導係数を小さくすることによって、感度及び検出性能の向上を達成した場合、時定数が上昇して、センサーの応答速度が低下することが欠点として生じる。

そのような理由から、本発明による吸収層５が検知領域内での赤外線の大きな吸収を引き起こすだけでなく、薄い層厚とそのため小さい熱質量とを有することも特に重要である。

図８は、有利には、カバー１２内の光学系１３が赤外線レンズによって構成されている、アレーとして配置されたセンサー素子の実施構成を図示している。センサーチップとレンズの両方が、互いにセンサー筐体内の中心に置かれている。赤外線がセンサー素子上に鋭く結像するように、カバーの高さを調整しなければならない。基本的には、そのような光学系の代わりに、フィルターディスクを使用することもできる。その場合、レンズは、筐体の外に置かなければならない。

センサーとレンズの間の可視領域は、有利には、反射性ではない、或いは散乱光線を低減するための部材を配備される。有利には、センサー筐体内の雰囲気１５の熱伝導率は小さい。

アレーとして配置されたセンサー素子と共に結像光学系を使用することによって、赤外線の空間解像方式による測定が可能となる。球面又は非球面の平凸レンズの使用が特に有利である。それによって、一方では安価に製作することができ、他方では、平坦な側が気密な筐体への組込みに適した密閉面となる。

センサー筐体内の雰囲気１５に応じて、平坦な側を外側にしてカバー１２内に、或いは平坦な側をセンサー内部に向けてカバー１２の外側の上にレンズ１３を取り付けることが有利な場合が有る。そのような取付けは、有利には、レンズ１３の密閉面がカバー１２に加えて筐体内部と外部環境の間の圧力差にも適合するような手法で行われる。

前述した実施構成は、第二のレンズ２３を第一のレンズ１３又はフィルターの前に所定の間隔を開けて設置することによって拡張され、それによって、結像特性の改善を達成することができる（図９ａ）。そのような第二のレンズ２３は、所望の光学要件に応じて、任意の球面又は非球面の形状を持つことができる。

その場合、第一のレンズ１３と第二のレンズ２３の間のバレルは、特別な雰囲気を持たず、気密又は真空にする必要はない。二つのレンズ１３，２３の間の領域は、多くの場合標準の雰囲気とすることができる。二つのレンズ１３，２３の間の領域は、有利には、反射性ではなく、良好に熱を伝導する材料から構成される。

別の実施構成では、カバー１２に取り付けられたレンズ１３又はフィルターに対する第二のレンズ２３の間隔を変更して、その結果結像光学系の結像特性を変化させることができる（図９ｂ）。基本的には、光学系は、カバー内の結像フィルター又は結像レンズと組み合わせた、カバーの中又は外の結像ミラーから構成することもできる（図示していない）。

１ センサーセル（チップ）
２ 支持体
３ 膜
４ 中央の検知領域
５ 吸収層
６ 接続ブリッジ
７ 分離スリット
８ 冷接点
９ 温接点
１０ 底板
１１ 接続配線
１２ カバー
１３ 光学系／第一のレンズ
１４ 外部端子
１５ ガス又は混合ガス
１６ 熱分岐線／熱電対
１７ 熱平衡層
１８ リブ
１９ リブ
２０ チップ上のセンサー近傍の電子素子
２１ 個々のサーモパイルセル
２２ スイッチングトランジスタ
２３ 第二のレンズ
２４ 折り返し箇所

Claims (18)

1. 光学系と、良好に熱を伝導するフレーム形式の支持体を用いて引っ張る形で固定した膜上にサーモパイル式、ボロメーター式又はピロ電気式センサー構造の形の熱電対を備えたチップとを有し、この支持体が垂直又はほぼ垂直な壁を有する、筐体内の赤外線温度センサーにおいて、
   サーモパイル式センサー構造が、センサーセル（１）毎の少数の長い熱電対（１６）から構成され、これらの熱電対が、膜（３）上の吸収層（５）の上の温接点（９）を熱電対（１６）の冷接点（８）と互いに接続する接続ブリッジ（６）上に配置されていることと、
   膜（３）が、一つ以上の接続ブリッジ（６）によって吊るされていることと、
   膜（３）が、長い熱電対（１６）の両側に幅の狭いスリットを有し、それらのスリットが、中央の領域（４）と支持体（２）の両方から接続ブリッジ（６）を分離していることと、
   少なくとも中央の領域（４）が吸収層（５）によって覆われていることと、
   を特徴とする赤外線温度センサー。
2. 長く幅の狭い接続ブリッジ（６）上の熱電対（１６）が、吸収領域の周りを取り巻いており、接続ブリッジ（６）の長さが、少なくとも吸収領域の側面の長さの半分、有利には、側面の全長に等しいことを特徴とする請求項１に記載の赤外線温度センサー。
3. 長く幅の狭い接続ブリッジ（６）上の熱電対（１６）が、吸収領域の周りを取り巻いており、接続ブリッジ（６）の長さが、吸収領域の側面の長さの１〜２倍の長さに等しいことを特徴とする請求項１に記載の赤外線温度センサー。
4. 長く幅の狭い接続ブリッジ（６）上の熱電対（１６）が、吸収領域の周りを取り巻いており、接続ブリッジ（６）が、少なくとも一つの折り返し箇所（２４）を有することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の赤外線温度センサー。
5. 幅の狭い接続ブリッジ（６）が、吸収領域の複数の側面に沿って延びていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の赤外線温度センサー。
6. 当該のサーモパイル式センサー構造が、ｎ型とｐ型の多結晶シリコンから構成されるとともに、ＣＭＯＳプロセスで製作されたものであることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の赤外線温度センサー。
7. 半導体プロセス時にサーモパイル構造上に作成された分離及びパシベーション層の一部が、表側から再び取り除かれていることを特徴とする請求項５に記載の赤外線温度センサー。
8. 薄い吸収層（５）の少なくとも一部が、面利用率を向上させるために、接続ブリッジ（６）上にも延びていることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の赤外線温度センサー。
9. 吸収領域内の膜（３）が、一つ以上の多結晶シリコン層で覆われていることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載の赤外線温度センサー。
10. 当該の吸収領域内の多結晶シリコン層が、吸収層（５）の中心を出発点とする十字の形状を有するように構成されていることと、
    その十字の端が、温接点の周囲を取り囲んでいるか、或いは温接点の片側だけと接触していることと、
    を特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の赤外線温度センサー。
11. 熱電対を有する長く薄い接続ブリッジ（６）が、少なくとも一カ所で、安定化リブによって、隣接する基板本体又は吸収領域（２）と接続されていることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか一つに記載の赤外線温度センサー。
12. 複数のセンサーセルが、配列又はアレーの形状で、同じセンサーチップ上に密に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか一つに記載の赤外線温度センサー。
13. 信号処理部の少なくとも一部が、同じ半導体基板上に統合されていることを特徴とする請求項１から１２までのいずれか一つに記載の赤外線温度センサー。
14. 配列又はアレーの形状で配置されたセンサーセル（１）が、個別のセル毎に共通の電子信号処理ユニットを有するか、或いは少なくとも四つの個別のセル毎に共通の電子信号処理ユニットを有することを特徴とする請求項１から１３までのいずれか一つに記載の赤外線温度センサー。
15. 光学系（１３）が、フィルターディスク又は結像レンズであることを特徴とする請求項１から１４までのいずれか一つに記載の赤外線温度センサー。
16. 当該の光学系が、筐体に固定して取り付けられた第一のレンズ（１３）と、筐体外に置かれた第二のレンズ（２３）とから構成されており、これらの二つのレンズが、共同して光学像を生成することを特徴とする請求項１から１５までのいずれか一つに記載の赤外線温度センサー。
17. 第二のレンズ（２３）が、気密に取り付けられておらず、交換可能であることを特徴とする請求項１から１６までのいずれか一つに記載の赤外線温度センサー。
18. 第二のレンズ（２３）が、調整機器によって、センサー素子との間隔を調節することが可能であることを特徴とする請求項１から１７までのいずれか一つに記載の赤外線温度センサー。

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