JP2016191585A - 赤外線センサおよび赤外線センサアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】光学フィルターに代えて特定波長を吸収する吸収体を赤外線検知部の上に形成するとともに、特定波長以外の赤外線の吸収を防止した、高感度の熱型赤外線センサを提供する。【解決手段】特定波長の赤外線を検出する赤外線センサが、ａ）パッケージ１０と、ｂ）パッケージ１０の上に配置された赤外線検出素子であって、温度検知部５４と、温度検知部５４の上に設けられ、特定波長の赤外線を吸収する吸収体７０と、を含み、特定波長の赤外線を熱に変換して検出する赤外線検出素子と、ｃ）パッケージ１０の上に赤外線検出素子を覆うように配置された蓋部３０であって、表面と裏面とを有し、赤外線を透過する本体部３１と、本体部３１の表面または裏面の少なくとも一方に、窓部３３を残して赤外線を遮蔽するように設けられた遮蔽膜３２と、を含む蓋部３０とを含み、蓋部３０の窓部３３を透過した赤外線が全て吸収体７０に入射する。【選択図】図４

Description

本発明は、赤外線センサおよび赤外線センサアレイに関し、特に、波長選択型の熱型赤外線センサおよび熱型赤外線センサアレイに関する。

従来の波長選択型赤外線センサでは、特定の波長の赤外線のみを選択して検出するために、赤外線検知部の上に、特定の波長を選択するための光学フィルターが設けられていた。光学フィルターとしては、例えば、プラズモン共鳴を利用して選択的に特定の波長の赤外線を透過させる光学フィルター等が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２４８３８２号公報

しかしながら、光学フィルターを用いる波長選択型赤外線センサでは、第１に、赤外線検知部とは別に光学フィルターが必要となり構造が複雑になる、第２に、光学フィルターを透過する際に赤外線の一部が吸収されて検出効率が低下する、第３に、光学フィルターでは赤外線の透過量が入射角度に依存するため、検出効率も入射角に依存する、第４に、複数の波長域の赤外線を同時に検出するためには、異なる波長選択特性を有する光学フィルターを備える複数のセンサを設ける必要がある、等の問題があった。

これに対して、光学フィルターに代えて、赤外線検知部の表面に、特定波長の赤外線が表面プラズモン共鳴するような周期構造を形成し、特定波長の入射光の吸収量を大きくして検出する熱型赤外線センサが検討された。

しかしながら、このような構造の熱型赤外線センサでは、周期構造が設けられていない赤外線検知部の側面や支持脚に赤外線が入射し、特定波長以外の赤外線も吸収されるため、熱型赤外線センサの感度（Ｓ／Ｎ比）が低下するという問題があった。

そこで、本発明は、光学フィルターに代えて特定波長を吸収する吸収体を赤外線検知部の上に形成するとともに、特定波長以外の赤外線の吸収を防止した、高感度の熱型赤外線センサの提供を目的とする。

本発明は、特定波長の赤外線を検出する赤外線センサであって、
ａ）パッケージと、
ｂ）パッケージの上に配置された赤外線検出素子であって、
温度検知部と、
温度検知部の上に設けられ、特定波長の赤外線を吸収する吸収体と、を含み、特定波長の赤外線を熱に変換して検出する赤外線検出素子と、
ｃ）パッケージの上に赤外線検出素子を覆うように配置された蓋部であって、
表面と裏面とを有し、赤外線を透過する本体部と、
本体部の表面または裏面の少なくとも一方に、窓部を残して赤外線を遮蔽するように設けられた遮蔽膜と、を含む蓋部と、
を含み、
蓋部の窓部を透過した赤外線が全て吸収体に入射することを特徴とする赤外線センサである。

本発明は、また、特定波長の赤外線を検出する赤外線センサであって、
ａ）パッケージと、
ｂ）パッケージの上に配置された赤外線検出素子であって、
温度検知部と、
温度検知部の上に設けられ、特定波長の赤外線を吸収する吸収体と、を含み、特定波長の赤外線を熱に変換して検出する赤外線検出素子と、
ｃ）赤外線検出素子を覆うように設けられ、赤外線を透過する窓部を備えた遮光構造体と、
ｄ）パッケージの上に遮光構造体を覆うように配置された蓋部と、
を含み、
遮光構造頼の窓部を透過した赤外線が全て吸収体に入射することを特徴とする赤外線センサでもある。

また、本発明は、これらの赤外線センサをマトリックス状に配置した赤外線センサアレイでもある。

本発明にかかる赤外線センサでは、赤外線検出素子が検出波長以外の赤外線を吸収することを防止し、高感度の熱型赤外線センサを提供することができる。

本発明の実施の形態１にかかる波長選択型赤外線センサの斜視図である。 図１の波長選択型赤外線センサのＩ−Ｉ方向に見た断面図である。 図１の波長選択型赤外線検出素子の上面図である。 図３の波長選択型赤外線検出素子のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に見た断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の波長選択型赤外線センサの断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の波長選択型赤外線センサの断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる他の波長選択型赤外線センサの断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる他の波長選択型赤外線センサの断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる他の波長選択型赤外線センサの断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる他の波長選択型赤外線センサの断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる他の波長選択型赤外線センサの断面図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる波長選択型赤外線センサの斜視図であり、図２は、図１の波長選択型赤外線センサ１００を、Ｉ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。

図１、２に示すように、波長選択型赤外線センサ１００は、例えば酸化アルミニウム等のセラミック材料からなり、底部１１と側壁部１２を有するパッケージ部１０を含む。パッケージ部１０の上には、例えば半田、樹脂、銀ペースト等の接合材２０を用いて蓋部３０が接合されている。蓋部３０は、赤外線を透過する本体部３１と、その表面と裏面に形成され、赤外線を透過しない遮蔽膜３２を含む。本体部３１は、例えばシリコンやゲルマニウムからなり、遮蔽膜３２は、例えばアルミニウムや金等の金属からなる。遮蔽膜３２に覆われない本体部３１は、赤外線を透過するための赤外線透過窓３３となる。

赤外線透過窓３３は、本体部３１の表面と裏面に、蒸着やスパッタを用いて遮蔽膜３２を形成した後、写真製版技術を用いて遮蔽膜３２を選択的にエッチングして形成する。また、メタルマスクを用いて、本体部３１の上に遮蔽膜３２を選択的に蒸着またはスパッタして形成しても良い。

図２に示すように、パッケージ部１０の底部１１の上には、波長選択型の赤外線検出素子５０が設けられている。図２では、２つの赤外線検出素子５０が並んで配置されているが、赤外線検出素子５０の数はこれに限られない。なお、図２（図５〜１１においても同じ）に示す赤外線検出素子５０は概略であり、詳細な構造は図３、４に示す。波長選択型赤外線センサ１００の内部は、例えば不活性ガスを充填した状態で封止される。

図３は、全体が５０で示される波長選択型の赤外線検出素子の上面図であり、図４は、図３をＩＩＩ−ＩＩＩ方向に見た場合の断面図である。赤外線検出素子５０は熱型の赤外線センサであり、例えば、バナジウムオキサイド（ＶＯｘ）に代表される抵抗ボロメーター型のセンサや、ＰＮダイオードの温度特性を利用したＳＯＩダイオードボロメーター型のセンサである。

赤外線検出素子５０は、例えばシリコンからなる基板５１を含む。基板５１には中空部６０が設けられ、中空部６０の上には２本の支持脚５３で温度検知部５４が保持されている。

温度検知部５４は、例えば酸化シリコン等の誘電体からなり、その中に、検知膜５６と、検知膜５６に接続された配線層５７とを含む。検知膜５６は、例えば、ボロメーターを形成する酸化バナジウム（ＶＯｘ）膜や、ＰＮ接合を形成する結晶シリコン膜からなる。配線層５７は、例えばチタン合金からなる。

支持脚５３は、例えば酸化シリコンから形成され、内部に、配線層５７を含む。また、中空部６０の周囲の基板５１の上には、例えば酸化シリコンからなる誘電体層５２が形成される。誘電体層５２の中には、例えばアルミニウムからなる配線層５８が形成される。検知膜５６は、配線層５７を介して配線層５８に接続される。これにより、検知膜５６で検出された電気信号が、配線層５７、５８を通って外部に伝達される。

温度検知部５４の上には、吸収体７０が設けられている。吸収体７０は、例えば一定周期で凹部７１が設けられた金属膜からなり、表面プラズモン共鳴が発生し、特定の共鳴波長の赤外線のみが吸収される。凹部７１は金属膜を貫通せず、１次元方向あるいは２次元方向に配置される。

吸収体７０は、金、銀、アルミニウムのような表面プラズモン共鳴の発生しやすい金属膜から形成される。例えば、波長が１０μｍの赤外線を吸収する場合、凹部７１は一辺が６μｍ、深さが１．５μｍとなり、１０μｍの周期でマトリックス状に配置される。凹部７１の水平断面は、正方形の他に、円形、長方形、楕円形等でも良い。

図４に示すように、蓋部３０の赤外線透過窓３３は、パッケージ部１０の上に赤外線検出素子５０を取り付け、蓋部３０で覆った場合に、赤外線透過窓３３を通った赤外線が全て吸収体７０に入射するように設けられる。つまり、赤外線透過窓３３の端部に、臨界角θ（即ち入射角がθより大きくなると、蓋部３０の表面で入射光が全反射される角度）で入射した赤外線が、吸収体７０に入射するように設けられる。

本発明の実施の形態１にかかる波長選択型赤外線センサ１００では、赤外線透過窓３３を有する蓋部３０を設けることにより、赤外線透過窓３３を透過した赤外線は全て温度検知部５４の上に設けられた吸収体７０に入射し、温度検知部５４の側面や支持脚５３に赤外線は入射しない。このため、温度検知部５４の側面や支持脚５３での赤外線の吸収は起きず、吸収体７０により特定の波長の赤外線のみが吸収される。

この結果、特定の波長以外の波長を有する赤外線の吸収に起因する信号成分（雑音成分）を抑え、Ｓ／Ｎ比が改善された高感度の波長選択型赤外線センサ１００の提供が可能となる。

また、工程が複雑なＭＥＭＳ技術の使用や、光学フィルターを設けることが無いため、構造が簡単で低コストの波長選択型赤外線センサを提供することができる。更に、光学フィルターを用いないため、検出効率も入射角に依存しない。

図５、６は、それぞれ、全体が１１０、１２０で表される本発明の実施の形態１にかかる他の波長選択型赤外線センサの断面図である。図５、６中、図２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

波長選択型赤外線センサ１１０では、蓋部３０において、本体部３１の裏面にのみ遮蔽膜３２が形成され、遮蔽膜３２で覆われない部分が赤外線透過窓３３となっている。また、波長選択型赤外線センサ１２０では、蓋部３０において、本体部３１の表面にのみ遮蔽膜３２が形成され、遮蔽膜３２で覆われない部分が赤外線透過窓３３となっている。

波長選択型赤外線センサ１１０、１２０においても、赤外線透過窓３３を透過した赤外線は全て赤外線検出素子５０の温度検知部に設けられた吸収体に入射し、温度検知部の側面や支持脚には入射しない。これにより、特定の波長以外の波長を有する赤外線の吸収に起因する信号成分（雑音成分）を抑え、Ｓ／Ｎ比が改善された高感度の波長選択型赤外線センサ１１０、１２０の提供が可能となる。

なお、図１では、図３に示す赤外線検出素子５０を２×３のマトリックス状に配置して赤外線センサアレイを形成しているが、本発明にかかる他の構成の赤外線検出素子を用いて赤外線センサアレイを形成しても良い。また、検出波長の異なる赤外線センサをマトリックス状に配置することで、複数の波長域の赤外線を同時に検出することも可能となる。

実施の形態２．
図７は、全体が２００で表される本発明の実施の形態２にかかる波長選択型赤外線センサの断面図である。図７中、図２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

波長選択型赤外線センサ２００では、実施の形態１にかかる波長選択型赤外線センサ１１０に対して、赤外線透過窓３３中の本体部３２に凹部３４が形成され、本体部３３が薄くなっている。

凹部３４は、遮蔽膜３２をエッチングマスクに用いて本体部３１をエッチングすることにより形成できる。例えば、本体部３１がシリコンの場合、ＴＭＡＨ（Tetra Methyl Ammonium Hydroxide）溶液を用いたウエットエッチングにより、凹部３４を形成できる。

本発明の実施の形態２にかかる赤外線センサ２００では、赤外線透過窓３３中において本体部３１の膜厚が薄くなっている。これにより、赤外線透過窓３３中の本体部３１を赤外線が透過する際の赤外線の吸収量を低減し、赤外線の透過率を大きくすることができる。この結果、高感度の赤外線センサ２００を得ることができる。

なお、赤外線センサ２００においても、赤外線透過窓３３を透過した赤外線は全て赤外線検出素子５０の温度検知部に設けられた吸収体に入射し、温度検知部の側面や支持脚には入射しない。また、凹部３４は、赤外線センサ１００、１２０に適用しても構わない。

実施の形態３．
図８は、全体が３００で表される本発明の実施の形態３にかかる波長選択型赤外線センサの断面図である。図８中、図２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

波長選択型赤外線センサ３００では、実施の形態１にかかる波長選択型赤外線センサ１００に対して、蓋部３０には遮蔽膜３２を形成せず、代わりに、パッケージ部１０の底部１１の上に、赤外線検出素子５０を覆うように遮光構造体８０が設けられている。遮光構造体８０は、４つの側面と上面を備えた箱形形状で、上面が開口されて窓部８１が設けられている。遮光構造体８０は、例えばアルミニウムのような金属から形成される。

遮光構造体８０は、例えば機械加工を用いて形成される。窓部８１は、蓋部３０で反射されずに透過した赤外線が、窓部８１を通った後に、全て赤外線検出素子５０の温度検知部に設けられた吸収体に入射するように設けられる。

このため、温度検知部の側面や支持脚での赤外線の吸収は起きず、吸収体により特定の波長の赤外線のみが吸収される。この結果、特定の波長以外の波長を有する赤外線の吸収に起因する信号成分（雑音成分）を抑え、Ｓ／Ｎ比が改善された高感度の波長選択型赤外線センサ３００の提供が可能となる。

図９は、全体が３１０で表される本発明の実施の形態３にかかる他の波長選択型赤外線センサの断面図である。図９中、図２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

波長選択型赤外線センサ３１０では、波長選択型赤外線センサ３００に対して、蓋部３０の本体部３１に凹部３４が形成され、本体部３１膜厚が部分的に薄くなっている。凹部３４は、フォトレジスト等のエッチングマスクに用いて本体部３１をエッチングすることにより形成される。凹部３４は、凹部３４を通った赤外線が、遮光構造体８０の窓部８１を通って赤外線検出素子５０の温度検知部に設けられた吸収体に入射するように設けられる。

赤外線センサ３１０では、凹部３４において、本体部３１の膜厚が薄くなっているため、赤外線が透過する際の赤外線の吸収量を低減し、赤外線の透過率を大きくすることができる。この結果、高感度の赤外線センサ３１０を得ることができる。

なお、波長選択型赤外線センサ３１０では、凹部３４は、蓋部３０の本体部３１の裏面に形成されたが、本体部３１の表面または表面と裏面の双方に形成しても良い。

図１０は、全体が３２０で表される本発明の実施の形態３にかかる他の波長選択型赤外線センサの断面図である。図１０中、図２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

波長選択型赤外線センサ３２０では、実施の形態１にかかる波長選択型赤外線センサ１００に対して、蓋部３０には遮蔽膜３２を形成せず、代わりに、赤外線検出素子５０の上に、遮光構造体９０が設けられている。遮光構造体９０は、４つの側面と上面を備えた箱形形状で、上面が開口されて窓部９１が設けられている。遮光構造体９０は、例えばアルミニウムのような金属から形成される。

遮光構造体９０は、ＭＥＭＳ技術を用いて形成される。例えば、赤外線検出素子５０の上に、犠牲層を形成し、その上に、金属層を形成した後に犠牲層を除去して形成される。窓部９１は、蓋部３０で反射されずに透過した赤外線が、窓部９１を通った後に全て赤外線検出素子５０の温度検知部に設けられた吸収体に入射するように設けられる。

このため、温度検知部の側面や支持脚での赤外線の吸収は起きず、吸収体により特定の波長の赤外線のみが吸収される。この結果、特定の波長以外の波長を有する赤外線の吸収に起因する信号成分（雑音成分）を抑え、Ｓ／Ｎ比が改善された高感度の波長選択型赤外線センサ３２０の提供が可能となる。

図１１は、全体が３３０で表される本発明の実施の形態３にかかる他の波長選択型赤外線センサの断面図である。図１１中、図２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

波長選択型赤外線センサ３３０では、波長選択型赤外線センサ３２０に対して、更に蓋部３０の本体部３１に凹部３４が形成され、本体部３１が薄くなっている。凹部３４は、フォトレジスト等のエッチングマスクに用いて本体部３１をエッチングすることにより形成できる。凹部３４は、凹部３４を通った赤外線が、遮光構造体９０の窓部９１を通って赤外線検出素子５０の温度検知部に設けられた吸収体に入射するように設けられる。

赤外線センサ３３０では、凹部３４において、本体部３１の膜厚が薄くなっているため、赤外線が透過する際の赤外線の吸収量を低減し、赤外線の透過率を大きくすることができる。この結果、高感度の赤外線センサ３３０を得ることができる。

なお、波長選択型赤外線センサ３３０では、凹部３４は、蓋部３０の本体部３１の裏面に形成されたが、本体部３１の表面または表面と裏面の双方に形成しても良い。

本発明の実施の形態１〜３では、吸収体７０として、凹部を有する金属膜を用いたが、プラズモン共鳴を起こして特定の波長の赤外線を吸収する構造であれば、周期的に配置された凸部を有する金属膜や、金属膜の上に誘電体膜を形成し、その上に金属パターンを周期的に配置したＭＩＭ構造等を用いても構わない。また、吸収体７０として、窒化シリコンや酸化シリコンの誘電体を用い、吸収体７０の表面から検知膜５６までの光路長が、選択波長の１／４とした吸収構造でも良い。

１０ パッケージ部、１１ 底部、１２ 側壁部、２０ 接合材、３０ 蓋部、３１ 本体部、３２ 遮蔽膜、３３ 赤外線透過窓、５０ 赤外線検出素子、１００ 赤外線センサ。

Claims (8)

1. 特定波長の赤外線を検出する赤外線センサであって、
   ａ）パッケージと、
   ｂ）該パッケージの上に配置された赤外線検出素子であって、
   温度検知部と、
   該温度検知部の上に設けられ、特定波長の赤外線を吸収する吸収体と、を含み、該特定波長の赤外線を熱に変換して検出する赤外線検出素子と、
   ｃ）該パッケージの上に該赤外線検出素子を覆うように配置された蓋部であって、
   表面と裏面とを有し、赤外線を透過する本体部と、
   該本体部の表面または裏面の少なくとも一方に、窓部を残して赤外線を遮蔽するように設けられた遮蔽膜と、を含む蓋部と、
   を含み、
   該蓋部の該窓部を透過した赤外線が全て該吸収体に入射することを特徴とする赤外線センサ。
2. 特定波長の赤外線を検出する赤外線センサであって、
   ａ）パッケージと、
   ｂ）該パッケージの上に配置された赤外線検出素子であって、
   温度検知部と、
   該温度検知部の上に設けられ、特定波長の赤外線を吸収する吸収体と、を含み、該特定波長の赤外線を熱に変換して検出する赤外線検出素子と、
   ｃ）該赤外線検出素子を覆うように設けられ、赤外線を透過する窓部を備えた遮光構造体と、
   ｄ）該パッケージの上に該遮光構造体を覆うように配置された蓋部と、
   を含み、
   該遮光構造体の該窓部を透過した赤外線が全て該吸収体に入射することを特徴とする赤外線センサ。
3. 上記遮光構造体は、上記パッケージの底部の上、または上記赤外線検出素子の上に設けられたことを特徴とする請求項２に記載の赤外線センサ。
4. 上記吸収体は、特定波長の赤外線に対して表面プラズモン共鳴が発生するように表面に設けられた周期構造を有し、該特定波長の赤外線を選択的に吸収する吸収体であることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線センサ。
5. 上記吸収体は、凹部または凸部が一定の周期で配置された金属膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線センサ。
6. 上記吸収体は、金属膜と、該金属膜の上に設けられた誘電体膜と、該誘電体膜の上に一定の周期で配置された金属パターンとを含むＭＩＭ構造吸収体であることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線センサ。
7. 上記蓋部が、部分的に膜厚の薄い凹部を有し、該凹部を通った赤外線が上記吸収体に入射することを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線センサ。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の赤外線センサが、マトリックス状に配置された赤外線センサアレイ。

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