JP2015227880A - 温度センサ素子及びこれを用いた放射温度計、並びに温度センサ素子の製造方法と、フォトレジスト膜を用いた多重層薄膜サーモパイル及びこれを用いた放射温度計、並びに多重層薄膜サーモパイルの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
サーモパイルは、複数の熱電対を直列に接続して同一の温度差ΔTに対して、センサ出力である熱起電力が大きくなるように構成した熱型センサであり、また温度差センサである。
(第二の発明について)
本発明者は、先の特許出願に、多重層薄膜サーモパイルの原型である「温度センサ素子及びこれを用いた放射温度計、並びに温度センサ素子の製造方法」を発明した(特願2010−100578)。そこでは、5マイクロメートル程度の薄さの有機材料であるPETフィルム(ポリエチレンテレフタラートフィルム)を層薄膜として利用し、この層薄膜上に熱電材料としてのBiとSbとからなる熱電対を多数直列接続して形成した層サーモパイルを、各層薄膜の貫通孔を介して直列接続して形成する多重層薄膜に形成した合成サーモパイルがあった。しかしながら、PETフィルムを多層に貼り合わせる工程や上下の層サーモパイル同士を導通させるための貫通孔を形成する必要があり、また、導通にも銀ペーストを用いる必要があるなど大量生産上より改善が望まれる点があった。
各層薄膜に形成した層サーモパイルの熱電対数には限界があり、受光部の薄膜の中央付近に、層サーモパイルを構成する熱電対アレーの接点を形成したいが、どうしても、各接点の面積と熱電対数との関係から薄膜中央からずらした領域に熱電対アレーの各接点を形成せざるを得ない。一般に、赤外線吸収膜は、受光部となる薄膜の全面に形成してあり、この薄膜の中央部が最も赤外線受光で高温になる。この中央部付近を含んだ形で、各層薄膜のうち基板から熱分離した薄膜の領域に形成した層サーモパイルの熱電対アレーの接点まで、中央部の高温の熱を伝導する熱伝導薄膜を延在形成させることで、高感度の赤外線センサ素子が達成できる。なお、赤外線吸収膜は、多重層薄膜に形成すれば良く、各層薄膜ごとに形成する必要はない。
もちろん、熱伝導薄膜を形成した後、赤外線吸収膜をその上に形成するなど、熱伝導薄膜と赤外線吸収膜とを、受光部の薄膜に対して、同一側に形成しても良い。しかし、熱伝導薄膜は、導電率の高い金属を使用した方が好適であるが、受光部のサーモパイルを構成する熱電対アレー側に形成した場合は、熱電対アレーを短絡する可能性があり、熱伝導薄膜を、受光部の前記薄膜に対して赤外線吸収膜とは反対側に形成することで、これを回避することができる。
本発明の請求項2の温度センサ素子は、請求項1に記載した製造方法による温度センサ素子である。なお、有機薄膜とは、多重層薄膜に無機材料が一部、補強や絶縁層などの目的で使用されていても、サーモパイルを構成する熱電対材料を除いた多重層薄膜の少なくとも80%以上が有機材料から成る場合を指す。
赤外線吸収膜として、金黒などの特別の吸収膜を受光部に形成しても良いが、多重層膜が所望の赤外線波長域に吸収帯を有する場合は、この多重層膜を利用して、特別に金黒などの吸収膜を形成する必要はない。
多重層薄膜として、フォトレジスト膜を用いているので、一般には、薄く弾性のある有機材料であり、架橋構造の形成でも、弛みなどの変形の心配がある。このために、多重層薄膜とは異なる硬い材料の補強用薄膜として、例えば、無機の材料である石英薄膜、アルミナ薄膜、窒化シリコン膜などをスパッタリング堆積させるなどして形成し、空洞により宙に浮いた構造の多重層薄膜の強度を高めるようにすることができる。
基板として、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いるとき、このSOI層を補強用薄膜として用いることもできる。SOI層の上にフォトレジスト膜の多重層薄膜を形成し、そこに合成サーモパイルを形成することもできる。SOI層を残して空洞を形成しておき、この空洞を亜鉛などの犠牲物質で充填しておくと良い。SOI層は高温まで耐性があることを利用して、ここに薄膜ヒータを形成することもできるし、ダイオードやトランジスタを形成して絶対温度センサとすることも、これを薄膜ヒータとして利用することもできる。また、ここに集積回路をも形成することもできる。
シリコン単結晶などの基板に予め異方性エッチングなどで所定の形状に形成して設けてある空洞を利用するなどして、露出したシリコン面で囲まれた空洞や、熱酸化膜などで覆われた空洞に、例えば、無電解ニッケルメッキ、銅メッキ、亜鉛メッキやこれらの組合せなどの既知のメッキ技術や加熱溶融などで空洞を犠牲物質で充填して、犠牲領域を形成する犠牲領域形成工程、その後、犠牲領域を形成した基板の表面は、盛り上がっている場合が多い。このために犠牲領域を物理的な研磨により平坦化する方がよい。そして、必要に応じて、犠牲領域にフォトリソグラフィにより、凹凸(凹部や凸部または、その両方を含む意味である)を形成して、その後に塗布するフォトレジスト膜の多重層膜が曲げ強度に強いように溝を形成しておくと良い(実効的な曲げ方向に対して厚みが大きく見えるように形成することが大切)。可能な限り多重層膜の層サーモパイルが形成されていない領域に、凹凸を形成した方が、層サーモパイルの段切れを防ぐ意味でも望ましい。その後、フォトレジスト膜を塗布するフォトレジスト塗布工程、層薄膜の領域を決定し、貫通孔を形成するためのパターン化工程、層サーモパイル形成工程に進み、これらの工程を繰り返して、層サーモパイルを多重化するための繰り返し工程を終えて、合成サーモパイルを形成しておく。もちろん、これらの工程の中では、上下の層サーモパイル同士が層薄膜に形成された貫通孔を通して電気的に直列接続されて、少なくとも1個の合成サーモパイルが形成されて、その出力端子が、基板の領域に形成されるようにパターン化されている。その後、基板表面の空洞上のフォトレジスト膜の多重層膜に形成してあるエッチング孔や基板裏面の空洞部に形成してあるエッチング孔などを通して犠牲領域のエッチャントを侵入させて犠牲領域を除去する犠牲領域除去工程を行う。その後、出力用の電極パッドからのワイヤボンディングやパッケージングなどで、多重層薄膜サーモパイルを製作することになる。
本発明の請求項13に係わる多重層薄膜サーモパイルは、空洞により、基板から熱分離されている多重層薄膜がそれぞれの層薄膜から成り立っていること、該層薄膜にそれぞれ層サーモパイルが形成されていること、これらの上下の層薄膜に形成された層サーモパイル同士は、層薄膜に形成された貫通孔を通して直列接続されて、少なくとも1つの合成サーモパイルを構成する多重層薄膜サーモパイルにおいて、多重層薄膜を構成する各層薄膜の主体がフォトレジスト膜であり、貫通孔は該フォトレジスト膜自体の露光・現像に基づくパターン化により作成したこと、前記多重層薄膜は、犠牲領域の上に形成されたものであり、前記犠牲領域の除去により出現した空洞により基板から熱分離されるようにしたこと、前記犠牲領域は、基板に所定の寸法に形成された前記空洞に、犠牲物質を充填させて形成されたものであること、を特徴とするものである。
、水素センサや湿度センサを含むガスセンサ、薄膜ヒータを温度走査させて物質のエンタルピ変化を検出するような超小型の熱分析計などとしても使用することができる。薄膜ヒータとして、金属などの薄膜抵抗体でも良いし、薄膜熱電対をヒータとして利用することもできる。また、薄膜ヒータ(マイクロヒータ)の加熱温度は、10℃程度の温度上昇で済むことが多いので、多重層薄膜は、フォトレジスト膜でよい。また、熱伝導型センサとしての作用は、必ずしも薄膜ヒータで加熱中に、周囲環境の流体の熱伝導率変化に基づく多重層薄膜の温度変化を計測して各種物理量を計測するばかりでなく、むしろ、薄膜ヒータでの加熱を停止した直後からの冷却過程における周囲環境の流体の熱伝導率変化を計測した方が、加熱時のノイズからの開放や流体の種類の判定などの観点から望ましい場合もある。
本発明の温度センサ素子では、上部の層薄膜に形成された貫通孔の周辺に、上部の層薄膜の層サーモパイルの電極を形成しておくと(層サーモパイルの電極の中に貫通孔を形成する形)、導電性接着剤などで容易に層間の導通を得ることができるので、好都合である。
本発明の多重層薄膜サーモパイルの製造方法は、フォトレジスト膜を主体とした各層薄膜に層サーモパイルと、その多重層化に伴う必要な各工程を含み、フォトレジスト膜は、有機物であることが多く、極めて熱伝導度が小さく、しかも極めて薄く容易に製作できること、フォトレジスト膜であるので貫通孔も高精度で容易に形成できること、予め高精度に形成した空洞を利用した犠牲領域を用いて、温度感応部となる基板から熱分離した多重層薄膜が用意に形成できるので、バラツキの極めて小さく画一的で高感度及び応答速度となること、素子分離も容易であることなど、高いS/Nであり、しかも安価な多重層薄膜サーモパイルが提供できるという利点がある。特に、SOI基板でない安価なシリコン単結晶基板が使用できるので、集積回路を有するコンパクトで安価な多重層薄膜サーモパイルが提供できるという利点がある。
本発明の多重層薄膜サーモパイルでは、フォトレジスト膜で基板から熱分離した多重層薄膜を構成する各層薄膜の主体がフォトレジスト膜であり、貫通孔は、このフォトレジスト膜自体の露光と現像に基づくパターン化により微細で精度が良く、しかも容易に形成できること、また、この貫通孔を通して層サーモパイル同士を容易に直列接続できること、更に、露光・現像によりパターン化できるフォトレジスト膜による多重層薄膜の形成のため工程数が少なくて済むという利点がある。
(第一発明の実施例)
これらの各回路は、公知の技術で達成できるものであるので、詳細は省略する。
(第二発明の実施例)
フォトレジスト膜からなる多重層薄膜15は、基板1に形成された空洞10を架橋する架橋構造として形成されてあり、空洞10を有しているために、熱的に基板1から分離された構造になっている場合である。この多重層薄膜15を構成するフォトレジスト膜を主体とする各層薄膜12(12A、12B、12C)には、層サーモパイル13(13A、13B、13C)が形成されてあり、上下の層サーモパイル13の熱起電力が大きくなるように、感光性材料であるフォトレジスト膜の特徴を生かしてそれ自体に、露光・現像してパターン化形成した貫通孔11を利用し、上下層薄膜導通部24を介して直列接続されて、全体として合成サーモパイル14が形成されて、電極端子A21と電極端子B22から外部に合成サーモパイル14の熱起電力の基づく信号が出力されるようにしている。多重層薄膜15は、フォトレジスト膜からなる各層薄膜12をスピンコートにより容易に形成できる。このフォトレジスト膜は互いに接着力が大きいので、他の接着剤などは、一般に不要である。
また、フォトレジスト膜は、感光性材料なので、容易に、しかも高精度に、所望の形状にパターン化できるので、端子となる電極、例えば、電極端子A21や電極端子B22を露出させたり、貫通孔11を各層薄膜12に高精度で形成することもできる。なお、各層サーモパイル13の一方の接点A18(例えば、冷接点)は、熱容量の大きいためにヒートシンクとして作用する基板1の上に位置するようにしてあり、他の接点B19(例えば、温接点)は、基板1から熱分離した多重層薄膜15のうち、受光部7で温度感応部5となる架橋構造の中央付近に形成するようにする。本実施例では、受光部7の架橋構造の中央付近が最も高温になるが、この付近を均一な温度にするために金属薄膜や熱電導体などで形成した熱伝導薄膜26を中央付近に形成し、その上に接点B19を配置形成するようにしている。
2、2A、2B 薄膜
3 サーモパイル
5、5A、5B 温度感応部
6 熱電対
7 受光部
8 犠牲領域
9 凹凸
10 空洞
11 貫通孔
12、12A、12B、12C 層薄膜
13、13A、13B、13C 層サーモパイル
14、14A、14B 合成サーモパイル
15、15A、15B 多重層薄膜
16 熱電導体A
17 熱電導体B
18 接点A
19 接点B
20 配線
21、21A、21B 電極端子A
22、22A、22B 電極端子B
23 電極
24 上下層薄膜導通部
25 赤外線吸収膜
26 熱伝導薄膜
27 接着剤
28 絶縁層
29 導電性材料
30 コンタクトホール
31、31A、31B、31C 枠
32 ピン電極
33 外部電極端子
34 絶対温度センサ
35 薄膜ヒータ
36 スリット
41 アレー基板
42 アレー基板結合部
50 赤外線センサ素子
55 放射温度計
60 被温度計測物体
65 ヒータ電極
70 レンズ系(受光部アレー)
91 メッキ膜
100 補強用薄膜
110 集積回路
121 垂直走査回路
122 水平走査回路
140 合成サーモパイルアレー
Claims (20)
- 有機薄膜の各層薄膜に層サーモパイルを形成し、多重層化して形成した合成サーモパイルを温度感応部に設けた温度センサ素子の製造方法において、有機薄膜の各層薄膜に、それぞれ多重層化のための層薄膜数を想定して作成する各層毎の層サーモパイル形成工程の後、前記各層の必要な箇所に電極導通用の貫通孔を形成する貫通孔作成工程を行い、次に前記各層薄膜を位置合わせして重ねた状態で張り合わせ接合して一枚の多重層薄膜としての合成サーモパイルを形成するように接合する多重層接合工程を行い、その後、各層薄膜に形成した各層サーモパイルが直列接続になるように貫通孔を通して上下層の電極間を導通させる導通工程と、個別の温度センサ素子のヒートシンクを兼ねたアレー基板に、張り合わせ接合された前記多重層薄膜を接合させる基板接合工程と、を行い、その後、各温度センサ素子に分離する素子分離工程を行うことを特徴とする温度センサ素子の製造方法。
- 有機薄膜の各層薄膜に層サーモパイルを形成し、多重層化して形成した合成サーモパイルを温度感応部に設けた温度センサ素子において、有機薄膜の各層薄膜に、それぞれ多重層化のための層薄膜数を想定して作成する各層毎の層サーモパイル形成工程の後、前記各層の必要な箇所に電極導通用の貫通孔を形成する貫通孔作成工程を行い、次に前記各層薄膜を位置合わせして重ねた状態で張り合わせ接合して一枚の多重層薄膜としての合成サーモパイルを形成するように接合する多重層接合工程を行い、その後、個別の温度センサ素子のヒートシンクを兼ねたアレー基板に、張り合わせ接合された前記多重層薄膜を接合させる基板接合工程と、各層薄膜に形成した各層サーモパイルが直列接続になるように貫通孔を通して上下層の電極間を導通させる導通工程とを行い、次に各温度センサ素子に分離する素子分離工程を行って製造したことを特徴とする温度センサ素子。
- 前記各層薄膜を接着剤で接合して、一枚の前記多重層薄膜とした請求項1又は2に記載の温度センサ素子。
- 前記多重層薄膜を構成する各層サーモパイルの層間接続を、各層サーモパイルの電極の上に形成されたそれぞれの対応する層薄膜の貫通孔を通して電気的に接続してある請求項2又は3に記載の温度センサ素子。
- 前記温度感応部を複数個アレー状に前記基板に配列させて構成した請求項2から4のいずれかに記載の温度センサ素子。
- 前記温度感応部に、サーモパイルの他に、少なくとも1個の薄膜ヒータを具備した請求項2から5のいずれかに記載の温度センサ素子。
- 基板に絶対温度センサを形成し、これを前記基板の温度検出用センサとした請求項2から6のいずれかに記載の温度センサ素子。
- 前記温度感応部を赤外線の受光部とし、赤外線センサとして実施した請求項2から7のいずれかに記載の温度センサ素子。
- 赤外線センサとしての1つの受光部に、基板から熱分離した複数の温度感応部を有し、かつ該複数の温度感応部も互いに熱分離してある前記多重層薄膜からなる請求項8記載の温度センサ素子。
- 請求項8から9のいずれかに記載の温度センサ素子を用いて、物体からの赤外線を受光して、前記温度センサからの電気信号に基づいて前記物体の温度もしくは温度分布を表示するようにしたことを特徴とする放射温度計。
- 空洞により、基板から熱分離されている多重層薄膜がそれぞれの層薄膜から成り立っていること、該層薄膜にそれぞれ層サーモパイルが形成されていること、これらの上下の層薄膜に形成された層サーモパイル同士は、層薄膜に形成された貫通孔を通して直列接続されて、少なくとも1つの合成サーモパイルを構成する多重層薄膜サーモパイルにおいて、多重層薄膜を構成する各層薄膜の主体がフォトレジスト膜であり、貫通孔は該フォトレジスト膜自体の露光・現像に基づくパターン化により作成したこと、多重層薄膜とは異なる材料の補強用薄膜を前記多重層薄膜に密着形成して、該多重層薄膜を補強したこと、を特徴とする多重層薄膜サーモパイル。
- 多重層薄膜サーモパイルの製造方法において、基板に所定の寸法に形成された空洞に、犠牲物質を充填させて形成された犠牲領域を形成する犠牲領域形成工程、犠牲領域と基板とを覆うフォトレジスト膜を塗布するフォトレジスト塗布工程、このフォトレジスト膜を露光しパターン化するパターン化工程、層サーモパイルを形成する層サーモパイル形成工程、前記フォトレジスト塗布工程から層サーモパイル形成工程までの一連の工程を繰り返し、多重層薄膜を形成する繰り返し工程およびその後の犠牲領域を除去する犠牲領域除去工程、を含むことを特徴とする多重層薄膜サーモパイルの製造方法。
- 空洞により、基板から熱分離されている多重層薄膜がそれぞれの層薄膜から成り立っていること、該層薄膜にそれぞれ層サーモパイルが形成されていること、これらの上下の層薄膜に形成された層サーモパイル同士は、層薄膜に形成された貫通孔を通して直列接続されて、少なくとも1つの合成サーモパイルを構成する多重層薄膜サーモパイルにおいて、多重層薄膜を構成する各層薄膜の主体がフォトレジスト膜であり、貫通孔は該フォトレジスト膜自体の露光・現像に基づくパターン化により作成したこと、前記多重層薄膜は、犠牲領域の上に形成されたものであり、前記犠牲領域の除去により出現した空洞により基板から熱分離されるようにしたこと、前記犠牲領域は、基板に所定の寸法に形成された前記空洞に、犠牲物質を充填させて形成されたものであること、を特徴とする多重層薄膜サーモパイル。
- 前記基板をシリコン単結晶とした請求項13記載の多重層薄膜サーモパイル。
- 前記犠牲領域に形成した凹凸を反映して多重層薄膜の厚みを実効的に増大させて、多重層薄膜の曲げ強度を増大させた請求項13又は14のいずれかに記載の多重層薄膜サーモパイル。
- 合成サーモパイルを複数個アレー状に前記基板に配列させて構成した請求項13から15のいずれかに記載の多重層薄膜サーモパイル。
- 基板に絶対温度センサを形成し、これを前記基板の温度計測用センサとした請求項13から16のいずれかに記載の多重層薄膜サーモパイル。
- 半導体の基板を用い、該基板に増幅器を含む集積回路を形成した請求項13から17のいずれかに記載の多重層薄膜サーモパイル。
- 合成サーモパイルの一方の接点を、赤外線の受光部に形成して、熱型赤外線センサとして実施した請求項13から18のいずれかに記載の多重層薄膜サーモパイル。
- 請求項19記載の多重層薄膜サーモパイルを用いて、物体からの赤外線を受光して生じた多重層薄膜サーモパイルからの出力信号に基づいて物体の温度や温度分布を表示できるようにしたことを特徴とする放射温度計。
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