JP2568292B2 - サーモ・パイル形赤外線センサ - Google Patents

サーモ・パイル形赤外線センサ

Info

Publication number
JP2568292B2
JP2568292B2 JP2033075A JP3307590A JP2568292B2 JP 2568292 B2 JP2568292 B2 JP 2568292B2 JP 2033075 A JP2033075 A JP 2033075A JP 3307590 A JP3307590 A JP 3307590A JP 2568292 B2 JP2568292 B2 JP 2568292B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
type
thermo
infrared sensor
infrared
thermopile
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2033075A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH03236288A (ja
Inventor
英夫 室
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2033075A priority Critical patent/JP2568292B2/ja
Publication of JPH03236288A publication Critical patent/JPH03236288A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP2568292B2 publication Critical patent/JP2568292B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 この発明は、Si(シリコン)基板上に薄膜技術により
形成されたサーモ・パイルに関し、特に、赤外線センサ
の特性改善を図ったサーモ・パイル形赤外線センサに関
する。
《従来の技術》 従来より、サーモ・パイル赤外線センサとしては、例
えば第6図に示すものがある。
図中1は、p形シリコン基板、2はn形エピタキシャ
ル層、3はこのエピタキシャル層2の下側のn形シリコ
ン基板1及びその周囲の3方をエッチングで取り除くこ
とにより形成された片持梁である。
4は、このn形エピタキシャル層2からなる片持梁3
中に形成されたp形拡散抵抗層、5はn形エピタキシャ
ル層2にバイアス電圧を与えるためのn+領域、6はp形
拡散抵抗層4の両端及びn+領域5へのコンタクト・ホー
ルを介して接続され、必要な電気的結線を行うためのAl
配線、7はシリコン酸化膜、8は赤外線吸収層である。
第7図は、第6図の平面図で、片持梁3の上にはp形
拡散抵抗層4が片持梁3の固定部から先端に向け3本並
行に配置されている。
これらp形拡散抵抗層4は、Al配線6により直列に接
続され、サーモ・パイルを構成している。
今このような構造のサーモ・パイル形赤外線センサの
赤外線吸収層8へ赤外線が入射すると、このエネルギー
は熱に交換されて、片持梁3の先端の温度が上昇し、p
形シリコン基板1側との間に温度差を生じる。
上記片持梁3の構造は、一辺がp形シリコン基板1へ
接続されているだけで周りはN2雰囲気または真空とでき
るので、片持梁3の先端にある赤外線吸収層8からp形
シリコン基板1への熱抵抗を大きくでき、赤外線吸収層
8で変換された熱により生じる温度差を大きくすること
ができる。
この温度差によりサーモ・パイルの両端には起電力V0
が生じる。
今、センサー・チップが真空状態で実装されていて、
片持梁3の先端で生じた熱は、Siの片持梁3だけを通っ
て流れるものと仮定すると、赤外線の入射エネルギーP0
に対して、サーモ・パイルの起電力V0は次式のように表
される。
V0=nαpR0P0 ……(1) ここでnは、サーモ・パイルを構成するp形拡散抵抗
層4の本数、αはp形拡散抵抗層4のゼーベック係
数、R0は片持梁3の先端からp形シリコン基板1へ至る
熱抵抗で、ここではSiの片持梁3の熱抵抗とその片持梁
3上に形成されたAl配線6の熱抵抗の並列合成抵抗とな
り次のように表される。
なお、この際にはAlのゼーベック効果は、充分小さい
ので無視することができる。
R0=L/(KSi・Asi+KAl・AAl) …(2) ここで、KSi,KAlはそれぞれSi,Alの熱伝導率、Asi
びAAlは、片持梁部におけるSi,Alの断面積である。
例えば、今、長さL=2mm,幅400μm、厚さ10μmで
サーモ・パイルがp形拡散抵抗層4を10本(n=10)併
設して構成されるような片持梁3を考えると、 KSi=1.41W/cm・K,KAl=2.36W/cm・Kより、熱抵抗R0
上記(2)式より、下記の値が求められる。
R0=0.2/{1.41×400×10)×10-8+2.36×(1×20) ×10-8×10} =3.27×103K/W 従って、例えばα=1mV/Kとすると、P0=1mWの入射
に対してW0=32.7mVとなる。
このような片持梁式赤外線センサの製造方法について
簡単に説明する。
最初にバイポーラ・プロセスと同様にp形シリコンの
基板1にp形エピタキシャル層2の10〜20μm成長さ
せ、p形素子分離拡散(図示せず)を片持梁3を3方か
ら取り囲むようにV字形に、p形シリコン基板1に達す
るように行う。
次に、サーモ・パイルを構成するp形拡散抵抗層4を
形成し、続いてn+領域5を形成する。
そうして、ウエハ裏面にシリコン窒化膜等の耐エッチ
ング性膜を被着する。その後、コンタクト・エッチング
をしてAl配線6を形成の後、裏面の耐エッチング膜に窓
をあけて、n形エピタキシャル層2を正電位にバイアス
しながら、p形シリコン基板1を裏面よりKOH,EDP(エ
チレン・ジアミン・ピロカテコール水溶液)等の強アル
カリ性の異方性シリコン・エッチング液でエッチングす
る(エレクトロ・ケミカル・エッチング)。
こうしてエッチングが進行して、n形エピタキシャル
層2へ達すると、エッチングは停止するが、上記U字形
に形成されたp形素子分離領域は引き続きエッチングさ
れ、第1図に示すような片持梁構造が完成する。なお、
この詳細については下記文献に示されている。
P.M.Sarro他「AN INFRARED SENSING ARRAY BASED
ON INTEGRATED SILICON THERMOPILES」TRANSDUCER
S′87 PP.227−230(1987). 《発明が解決しようとする課題》 しかしながら、このような従来のサーモ・パイル形赤
外線センサにあっては、熱分離構造としてSiの片持梁3
を作り、その中にサーモ・パイルとしてのp形拡散抵抗
層4が形成されているような構成となっているため、Si
からなる片持梁3の熱抵抗があまり大きくできず、赤外
線の検出感度が十分には得られないという問題点があっ
た。
《課題を解決するための手段》 この発明は、このような従来の問題点に鑑みて成され
たもので、その目的とするところは、熱分離を良くし、
熱交換効率を向上させ、赤外線検出感度を高くするサー
モ・パイル形赤外線センサを提供するものである。
上記目的を達成するための、この発明に係るサーモ・
パイル形赤外線センサは、熱分離構造として、複数の単
結晶シリコンからなるビーム状抵抗を交互に直列接続し
てサーモ・パイルの梁部を構成し、半導体基板から熱絶
縁されるように形成された赤外線検出部を支えるように
したことを特徴とする。
《作用》 この発明に係るサーモ・パイル形赤外線センサでは、
半導体基板をエッチングし、その基板と熱絶縁するよう
に形成された赤外線検出部と、その赤外線検出部とその
基板とを結合するように形成された単結晶シリコンから
なるp形とn形の抵抗とが交互に直列接続されてサーモ
・パイルの梁部を形成するビーム状抵抗とを有している
ため、熱分離がよくなり熱交換効率を向上させるととも
に、赤外線検出感度を極めて高くする。
《実施例の説明》 以下、この発明に係るサーモ・パイル形赤外線センサ
の第1実施例を図面に基づいて説明する。
第1図はこの発明の第1実施例を示すサーモ・パイル
形赤外線センサの平面図、第2図は第1図のA−A線に
沿う断面図、第3図は第1図のB−B線に沿う断面図
で、図中11はp形シリコン基板、12はn形エピタキシャ
ル層、14は4本のSiビームからなる梁部、15はその梁部
14の先端に設けられた赤外線検出部、16はp形素子分離
拡散層、17はサーモ・パイルを構成するp形拡散抵抗
層、18はシリコン酸化膜、19は配線層、20はカーボン・
ブラック等の赤外線吸収層、21はコンタクト部である。
この実施例では4本2対のSiビーム(4対のサーモ・
カップル)からなる両持梁の場合について示したが、こ
の本数を増やすことによりさらに大きなサーモ・パイル
の出力を得ることができる。
上記p形拡散抵抗層17とともにサーモ・カップルを構
成するn形抵抗22は、n形エピタキシャル層12をp+素子
分離拡散領域16を用いて分離することにより形成されて
いる。
そうして、p形拡散抵抗層17とn形抵抗22は交互に直
列に接続されたことによりビーム状抵抗を形成するとと
もに、サーモ・パイルの梁部14を構成している。
これらの抵抗素子17,22は両端の固定部を除いたビー
ム部においては、第5図に示すように、1つのa面と2
つのb面で囲まれた逆三角形の断面形状を持つ。
上記梁部14の先端の赤外線検出部15は、梁部14のビー
ム状抵抗を直交して組み上げたような格子形状になって
いて、その表面には赤外線吸収層20が形成されている。
次に、赤外線センサの製造プロセスについて、第4図
(a),(b),(c)をもとに簡単に説明する。
上記第4図(a)においては、p形シリコン基板11に
n形エピタキシャル層12を成長させ、p形素子分離拡散
領域16を形成して、pn形接合分離されたn形抵抗22を作
る。
次にp形拡散を行い、p形拡散抵抗層17を形成し、さ
らに、コンタクト部21にn+領域(n形抵抗22)、p+領域
(p形拡散抵抗17)を形成した後、コンタクト・エッチ
ングおよび電極配線19の形成を行う(図示せず)。
第4図(b)に示す工程では、反応性イオン・エッチ
ング(RIE)のマスクとしてSiO2膜24をCVDにより堆積
し、パターンニングした後、RIEによりSiのエッチング
を行い、垂直な溝25を矢印方向に沿って形成する。
そうして、KOH,ヒドラジン等のアルカリ系異方性エッ
チング液で、その溝25よりSiのエッチングを行うと、梁
部14では第4図(c)に示すように、b面で囲まれた三
角断面形状になるまでエッチングが進み、そこでエッチ
ングが停止する。
これは、b面のエッチング速度が極めて遅いためであ
る。このエッチングによりできた窪み部底面にも同様の
三角状突起が形成される。
このようにして第1図〜第3図に示すような基板上に
空隙を挟んでビームがかけられたような両持梁構造を形
成することができる。そこで、ブリッジ中央部には、そ
の三角柱状からなるビーム状抵抗が直交して組み合わせ
たような格子領域ができるが、この上にカーボン・ブラ
ック等の赤外線吸収層20を塗布して完成する。
次に、この発明に係るサーモ・パイル形赤外線センサ
の作用を説明する。
サーモ・パイルの出力は、従来例で説明した(1)式
のよううに熱抵抗R0に比例する形になる。
そこで、この第1実施例における熱抵抗R0は次のよう
になる。
なお、ここでは例えば、梁部14の長さL=2mm、サー
モ・パイルが10対の抵抗ビームからなり、各ビームの巾
が10μmであるとする。また、ここでSiO2膜18による熱
伝導は、SiO2の熱伝導率KSiO2=0.014W/cm・KとSiと比
較して2桁も小さいこと、さらにその膜厚が1μm程度
と薄いことから無視することができる。
従って、熱抵抗R0の値は、次のようにして求められ
る。
R0=0.2/{0.014×(10×5tan54.74゜×1/2) ×10-8×20}=2.02x106K/W このようにして、熱抵抗R0は極めて大きくなり、非常
に高い熱交換効率(感度)を得ることができる。
また、p形シリコン基板11の裏面からのシリコン・エ
ッチングが不要なので、両面マスク合わせ等の手間が省
け、製造が容易になるので低価格化を図ることができ
る。
第5図は、この発明の第2の実施例を示す平面図で、
この実施例では、基本構成は第1図〜第3図に示した第
1実施例と同じで(第1実施例と同一符号を付しその説
明を省略する)、異なる点は、赤外線検出部15の4辺か
らp形シリコン基板1へビーム状のサーモ・パイルが形
成された構造になっている点である。
この場合、熱抵抗が半分になり、サーモ・カップルの
数が2倍となるので感度は変わらないが、機械的強度を
強くすることができる。但し、占有面積は若干大きくな
る。
この第2の実施例は、第1実施例とともに、更に以下
のような効果がある。
すなわち、p形シリコン基板−n形エピタキシャル層
の構造となっているので同一基板上にバイポーラ素子を
集積することができ、周辺回路を一体化して、省スペー
ス化が図られ、スマートなサーモ・パイル形赤外線セン
サの製作が容易となる。
《発明の効果》 上記構成より明らかなように、この発明に係るサーモ
・パイル形赤外線センサによれば、,赤外線検出部とシ
リコン基板を複数のn形及びp形の単結晶シリコン・ビ
ームの抵抗からなるサーモ・パイルで結合した構造とし
たため、熱分離がよくなり(熱抵抗が大きくなり)、熱
交換率を向上させ、極めて赤外線検出感度を高くでき
る。
また、Si基板表面側からのエッチングだけでビーム構
造を形成できるので低価格化できる等の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明に係るサーモ・パイル形赤外線センサ
の平面図、第2図は第1図のA−A線に沿う断面図、第
3図は第1図のB−B線に沿う断面図、第4図(a),
(b),(c)はこの発明の梁部を構成する際の製造プ
ロセスの各工程を示す説明図、第5図はこの発明に係る
サーモ・パイル形赤外線センサのその他の実施例を示す
平面図、第6図は従来のサーモ・パイル形赤外線センサ
の一例を示す断面図、第7図は第6図の拡大平面図であ
る。 11……p形シリコン基板 14……梁部 15……赤外線検出部 17……p形拡散抵抗層 22……n形抵抗

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板をエッチングして、その基板と
    熱絶縁するように形成された赤外線検出部と、 この赤外線検出部と上記基板とを結合するように形成さ
    れた単結晶シリコンからなるp形とn形の抵抗とが交互
    に直列接続されてサーモ・パイルの梁部を形成する複数
    のビーム状抵抗と、 を有することを特徴とするサーモ・パイル形赤外線セン
    サ。
JP2033075A 1990-02-14 1990-02-14 サーモ・パイル形赤外線センサ Expired - Fee Related JP2568292B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2033075A JP2568292B2 (ja) 1990-02-14 1990-02-14 サーモ・パイル形赤外線センサ

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2033075A JP2568292B2 (ja) 1990-02-14 1990-02-14 サーモ・パイル形赤外線センサ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH03236288A JPH03236288A (ja) 1991-10-22
JP2568292B2 true JP2568292B2 (ja) 1996-12-25

Family

ID=12376600

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2033075A Expired - Fee Related JP2568292B2 (ja) 1990-02-14 1990-02-14 サーモ・パイル形赤外線センサ

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2568292B2 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6913500B2 (en) 2002-10-11 2005-07-05 Honda Motor Co., Ltd. Outboard motor
US7086370B2 (en) 2001-05-15 2006-08-08 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Outboard motor

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3809718B2 (ja) * 1997-12-26 2006-08-16 日産自動車株式会社 赤外線検知素子
JP2001194227A (ja) * 1999-12-29 2001-07-19 Nippon Ceramic Co Ltd サーモパイル型赤外線センサの熱電対温接点の配置構造
US7205675B2 (en) * 2003-01-29 2007-04-17 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Micro-fabricated device with thermoelectric device and method of making
US8552380B1 (en) * 2012-05-08 2013-10-08 Cambridge Cmos Sensors Limited IR detector
JP2022165185A (ja) * 2021-04-19 2022-10-31 国立大学法人 東京大学 センサ素子及びセンサ装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7086370B2 (en) 2001-05-15 2006-08-08 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Outboard motor
US6913500B2 (en) 2002-10-11 2005-07-05 Honda Motor Co., Ltd. Outboard motor

Also Published As

Publication number Publication date
JPH03236288A (ja) 1991-10-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8758650B2 (en) Graphene-based thermopile
US7338640B2 (en) Thermopile-based gas sensor
KR20150009987A (ko) 적외선 써모파일 검출기
CN113049053B (zh) 一种高性能mems流量传感器及其制备方法
JP2568292B2 (ja) サーモ・パイル形赤外線センサ
JP3186415B2 (ja) 赤外線検知素子の製造方法
US6579740B2 (en) Method of making a thin film sensor
JP2010107299A (ja) 赤外線検知素子及びセンサ並びに赤外線検知素子の製造方法
JP2002176204A (ja) 赤外線検出素子
JP2910448B2 (ja) 赤外線センサ
JP2663612B2 (ja) 赤外線センサ
JP2567474B2 (ja) 赤外線センサ
JPH0743216A (ja) 赤外線センサおよびその製造方法
JPH0799346A (ja) 半導体赤外線センサ及びその製造方法
JPH08304174A (ja) サーモパイル赤外線センサおよびセンサアレイ
JP2771277B2 (ja) 赤外線センサ
JP2000111396A (ja) 赤外線検出素子およびその製造方法
JPH0712658A (ja) 珪素からなる組合せセンサ
JP3775830B2 (ja) 赤外線検出素子
JP4032521B2 (ja) センサの製造方法
JPH09237903A (ja) フローティング構造の形成方法
JPS61195318A (ja) 焦電型赤外線検出器
JPH08166284A (ja) 赤外線検知素子
CN220398640U (zh) 一种mems热温差型气体流量传感器
JP3435997B2 (ja) 赤外線検知素子

Legal Events

Date Code Title Description
FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081003

Year of fee payment: 12

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091003

Year of fee payment: 13

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees