JP2674545B2 - 赤外線検出器及びその駆動方法 - Google Patents
赤外線検出器及びその駆動方法Info
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- G01J5/03—Arrangements for indicating or recording specially adapted for radiation pyrometers
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、赤外線検出器及びその
駆動方法に関し、特に、防犯、監視、誘導、医療、工業
計測等に広く応用される赤外線検出器に関するもので、
さらに詳細には、熱を電気信号に変換する熱電変換素子
を持つ熱型赤外線検出器、及びその駆動方法に関するも
のである。
駆動方法に関し、特に、防犯、監視、誘導、医療、工業
計測等に広く応用される赤外線検出器に関するもので、
さらに詳細には、熱を電気信号に変換する熱電変換素子
を持つ熱型赤外線検出器、及びその駆動方法に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】近年物体の温度を非接触で測定できる赤
外線検出器の需要が高まっており、それに伴い、安価で
高性能な熱型赤外線検出器の開発が望まれている。従来
の技術を図６（ａ）（ｂ）で説明する。図６（ａ）は、
従来の熱型赤外線検出器の断面図であり、図６（ｂ）は
その平面図である。従来の熱型赤外線検出器は、図６
（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体基板（２９）上に
走査回路（３０）とその上に空洞（３１）を有し、その
空洞の上に梁（ダイアフラム）と、その梁上に熱電変換
素子（３２）と赤外線吸収層（３４）を持っている。
外線検出器の需要が高まっており、それに伴い、安価で
高性能な熱型赤外線検出器の開発が望まれている。従来
の技術を図６（ａ）（ｂ）で説明する。図６（ａ）は、
従来の熱型赤外線検出器の断面図であり、図６（ｂ）は
その平面図である。従来の熱型赤外線検出器は、図６
（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体基板（２９）上に
走査回路（３０）とその上に空洞（３１）を有し、その
空洞の上に梁（ダイアフラム）と、その梁上に熱電変換
素子（３２）と赤外線吸収層（３４）を持っている。
【０００３】熱電変換素子（３２）としては、チタンボ
ロメータが用いられており、ボロメータは温度によって
抵抗が変化する素子であり、このチタンをボロメータと
して用いている。一方、梁の中には、チタンボロメータ
（３２）、シリコン酸化膜（３３）、赤外線吸収層（３
４）としての窒化チタンの３つの層が形成され、これは
赤外線吸収層を形成しており、真中のシリコン酸化膜
（３３）の厚さをλ／（４ｎ）（ｎはシリコン酸化膜の
屈折率、λは入射赤外線の波長）に設定することによっ
て、チタンボロメータで反射された赤外線は、窒化チタ
ン（３４）に吸収される。
ロメータが用いられており、ボロメータは温度によって
抵抗が変化する素子であり、このチタンをボロメータと
して用いている。一方、梁の中には、チタンボロメータ
（３２）、シリコン酸化膜（３３）、赤外線吸収層（３
４）としての窒化チタンの３つの層が形成され、これは
赤外線吸収層を形成しており、真中のシリコン酸化膜
（３３）の厚さをλ／（４ｎ）（ｎはシリコン酸化膜の
屈折率、λは入射赤外線の波長）に設定することによっ
て、チタンボロメータで反射された赤外線は、窒化チタ
ン（３４）に吸収される。
【０００４】これは、波長λの電磁波が、λ／（４ｎ）
の間隙に定在波を作って共振する電磁気学的効果を利用
したものである。チタンボロメータ（３２）は、熱電変
換素子と赤外線反射膜を兼ねている。梁は空洞上に形成
し、長い足によって熱の逃げを防いでおり、吸収された
赤外線は梁全体の温度上昇を引き起こす。これによって
梁上のチタンボロメータ（３２）は抵抗変化を起こし、
その抵抗変化を走査回路によって外部に取り出している
（例えば、Ｃ． Ｈｉｌｓｕｍ による「Ｉｎｆｒａｒ
ｅｄ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｍｅｔ
ａｌ Ｆｉｌｍｓ 」、ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦＴＨＥ
ＯＰＴＩＣＡＬ ＳＯＣＩＥＴＹ ＯＦ ＡＭＥＲＩＣ
Ａ， ＶＯＬ． ４４， ＮＯ．３， １９５４、及び
特許願６−１８９１４４参照）。
の間隙に定在波を作って共振する電磁気学的効果を利用
したものである。チタンボロメータ（３２）は、熱電変
換素子と赤外線反射膜を兼ねている。梁は空洞上に形成
し、長い足によって熱の逃げを防いでおり、吸収された
赤外線は梁全体の温度上昇を引き起こす。これによって
梁上のチタンボロメータ（３２）は抵抗変化を起こし、
その抵抗変化を走査回路によって外部に取り出している
（例えば、Ｃ． Ｈｉｌｓｕｍ による「Ｉｎｆｒａｒ
ｅｄ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｍｅｔ
ａｌ Ｆｉｌｍｓ 」、ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦＴＨＥ
ＯＰＴＩＣＡＬ ＳＯＣＩＥＴＹ ＯＦ ＡＭＥＲＩＣ
Ａ， ＶＯＬ． ４４， ＮＯ．３， １９５４、及び
特許願６−１８９１４４参照）。
【０００５】上記の従来例では、赤外線吸収層として窒
化チタン、シリコン酸化膜、チタンボロメータ（反射
膜）を用いているが、λ／（４ｎ）の間隙としてシリコ
ン酸化膜の代わりに真空を利用している従来例もある
（例えば、特開平２−１９６９２９参照）。この場合、
空洞の下にアルミの反射膜があり、空洞の上のダイヤフ
ラム中に赤外線吸収層である窒化チタンがある。真空の
場合屈折率ｎはほぼ１であり、空洞の間隙はλ／４にし
ている。
化チタン、シリコン酸化膜、チタンボロメータ（反射
膜）を用いているが、λ／（４ｎ）の間隙としてシリコ
ン酸化膜の代わりに真空を利用している従来例もある
（例えば、特開平２−１９６９２９参照）。この場合、
空洞の下にアルミの反射膜があり、空洞の上のダイヤフ
ラム中に赤外線吸収層である窒化チタンがある。真空の
場合屈折率ｎはほぼ１であり、空洞の間隙はλ／４にし
ている。
【０００６】さらに、この従来例では、入射赤外線を周
期的に遮断するチョッパーを赤外線検出器の前面に有し
ている。一般にチョッパーは、入射赤外線を一時的に遮
断して、いろいろな理由により変化する赤外線検出器の
オフセット（ドリフト）を校正するために用いられる。
例えば、ボロメータを使用した熱型赤外線検出器では、
検出器自体の温度変化は、そのまま信号となって影響を
与える。入射赤外線によるダイヤフラムの温度変化は、
１℃の温度差の対象物を見たとき０．００２℃程度であ
るため、検出器自体の温度変化はたとえわずかでも大き
な影響を与える。また、赤外線検出器を出た後の信号
は、通常何回かの増幅と固定パターン除去等の補正を行
う。これらの回路にも大きな温度ドリフトがあり、信号
に影響を与える。そのため、入射赤外線の遮断時の信号
レベルを基準点とすることで、この影響を補正している
ものである。
期的に遮断するチョッパーを赤外線検出器の前面に有し
ている。一般にチョッパーは、入射赤外線を一時的に遮
断して、いろいろな理由により変化する赤外線検出器の
オフセット（ドリフト）を校正するために用いられる。
例えば、ボロメータを使用した熱型赤外線検出器では、
検出器自体の温度変化は、そのまま信号となって影響を
与える。入射赤外線によるダイヤフラムの温度変化は、
１℃の温度差の対象物を見たとき０．００２℃程度であ
るため、検出器自体の温度変化はたとえわずかでも大き
な影響を与える。また、赤外線検出器を出た後の信号
は、通常何回かの増幅と固定パターン除去等の補正を行
う。これらの回路にも大きな温度ドリフトがあり、信号
に影響を与える。そのため、入射赤外線の遮断時の信号
レベルを基準点とすることで、この影響を補正している
ものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記、従来例の赤外線
検出器は、最適な吸収が行われる波長が間隙の距離で決
まりものであるが、赤外線吸収層が固定であるため、入
射赤外線の波長が変わった場合感度が低下する問題があ
る。例えば、室温付近の３００度Ｋ程度の対象物を観測
する場合、最大のパワーが現れる波長は１０μｍ付近な
のに対して、１０００度Ｋ程度の高温対象物を観測する
場合この波長は４μｍ付近となる。
検出器は、最適な吸収が行われる波長が間隙の距離で決
まりものであるが、赤外線吸収層が固定であるため、入
射赤外線の波長が変わった場合感度が低下する問題があ
る。例えば、室温付近の３００度Ｋ程度の対象物を観測
する場合、最大のパワーが現れる波長は１０μｍ付近な
のに対して、１０００度Ｋ程度の高温対象物を観測する
場合この波長は４μｍ付近となる。
【０００８】間隙の距離を例えば、１０μｍ／（４ｎ）
に合わせた場合、１０μｍの波長にとっては最適である
が、それからずれた波長にとっては、最適な吸収が行わ
れない。さらに入射赤外線を周期的に遮断するチョッパ
ーは、通常モータ等で駆動しているため、小型化、消費
電力の点で問題がある。チョッパーを用いない赤外線検
出器では、大きな温度ドリフトが発生してしまうという
問題がある。
に合わせた場合、１０μｍの波長にとっては最適である
が、それからずれた波長にとっては、最適な吸収が行わ
れない。さらに入射赤外線を周期的に遮断するチョッパ
ーは、通常モータ等で駆動しているため、小型化、消費
電力の点で問題がある。チョッパーを用いない赤外線検
出器では、大きな温度ドリフトが発生してしまうという
問題がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、赤外線反射層
と空間を挟んで対向する梁を有し、梁に赤外線を吸収さ
せる層を有している赤外線検出器において、前記梁を赤
外線反射層間との距離を調整できるように設け、前記空
間を挟んで対向する梁と赤外線反射層間の距離を入射赤
外線の波長に対応して変化させることを特徴とする赤外
線検出器である。また、本発明は、赤外線反射層側が、
半導体基板およびこの半導体基板中に走査回路を持つこ
とを特徴とする赤外線検出器である。
と空間を挟んで対向する梁を有し、梁に赤外線を吸収さ
せる層を有している赤外線検出器において、前記梁を赤
外線反射層間との距離を調整できるように設け、前記空
間を挟んで対向する梁と赤外線反射層間の距離を入射赤
外線の波長に対応して変化させることを特徴とする赤外
線検出器である。また、本発明は、赤外線反射層側が、
半導体基板およびこの半導体基板中に走査回路を持つこ
とを特徴とする赤外線検出器である。
【００１０】また、本発明は、赤外線反射層間との距離
を調整できるように設けられている梁が、内部応力の異
なる２つの層を組み合わせたバイメタル構造を有してい
ることを特徴とする赤外線検出器である。また、本発明
は、赤外線反射層が、タングステンシリサイドであるこ
とを特徴とする赤外線検出器である。また、本発明は、
赤外線反射層間との距離を調整できるように設けられて
いる梁が、赤外線反射層側に配置した第１の導電層と梁
側に配置した第２の導電層の両者の間に印加する電圧に
より赤外線波長に応じて変化させるものであることを特
徴とする赤外線検出器である。
を調整できるように設けられている梁が、内部応力の異
なる２つの層を組み合わせたバイメタル構造を有してい
ることを特徴とする赤外線検出器である。また、本発明
は、赤外線反射層が、タングステンシリサイドであるこ
とを特徴とする赤外線検出器である。また、本発明は、
赤外線反射層間との距離を調整できるように設けられて
いる梁が、赤外線反射層側に配置した第１の導電層と梁
側に配置した第２の導電層の両者の間に印加する電圧に
より赤外線波長に応じて変化させるものであることを特
徴とする赤外線検出器である。
【００１１】また、本発明は、赤外線反射層と空間を挟
んで対向する梁を有し、梁に赤外線を吸収させる層を有
している赤外線検出器の駆動方法において、入射赤外線
の波長に対応し、空間を挟んで対向する梁と赤外線反射
層間の距離を変化させることを特徴とする赤外線検出器
の駆動方法である。また、本発明は、赤外線反射層と空
間を挟んで対向する梁を有し、梁に赤外線を吸収させる
層を有している赤外線検出器の駆動方法において、梁の
面と赤外線反射層の構造物の面を一時的に接触させるこ
とを特徴とする赤外線検出器の駆動方法である。
んで対向する梁を有し、梁に赤外線を吸収させる層を有
している赤外線検出器の駆動方法において、入射赤外線
の波長に対応し、空間を挟んで対向する梁と赤外線反射
層間の距離を変化させることを特徴とする赤外線検出器
の駆動方法である。また、本発明は、赤外線反射層と空
間を挟んで対向する梁を有し、梁に赤外線を吸収させる
層を有している赤外線検出器の駆動方法において、梁の
面と赤外線反射層の構造物の面を一時的に接触させるこ
とを特徴とする赤外線検出器の駆動方法である。
【００１２】また、本発明は、赤外線反射層と空間を挟
んで対向する梁を有し、梁に赤外線を吸収させる層を有
している赤外線検出器の駆動方法において、入射赤外線
の波長に対応し、空間を挟んで対向する梁と赤外線反射
層間の距離を変化させ、かつ梁の面と赤外線反射層の構
造物の面を一時的に接触させることを特徴とする赤外線
検出器の駆動方法である。また、本発明は、赤外線反射
層の構造物側に配置した第１の導電層と梁側に配置した
第２の導電層を持ち、両者の間に印加する電圧を変化さ
せて、空間を挟んで対向する梁と赤外線反射層間の距離
を変化させることを特徴とする赤外線検出器の駆動方法
である。
んで対向する梁を有し、梁に赤外線を吸収させる層を有
している赤外線検出器の駆動方法において、入射赤外線
の波長に対応し、空間を挟んで対向する梁と赤外線反射
層間の距離を変化させ、かつ梁の面と赤外線反射層の構
造物の面を一時的に接触させることを特徴とする赤外線
検出器の駆動方法である。また、本発明は、赤外線反射
層の構造物側に配置した第１の導電層と梁側に配置した
第２の導電層を持ち、両者の間に印加する電圧を変化さ
せて、空間を挟んで対向する梁と赤外線反射層間の距離
を変化させることを特徴とする赤外線検出器の駆動方法
である。
【００１３】
【作用】本願発明の赤外線検出器は、赤外線反射層と空
間を挟んで対向する梁を持ち、梁に赤外線を吸収させる
赤外線検出器において、信号によって梁と赤外線反射層
間の距離を変化させ吸収波長帯を変えているものであ
り、入射赤外線の波長に合わせ、最適な吸収を行わせる
ように吸収する赤外線の波長を変化させることができる
ものである。また、本願発明の赤外線検出器では空洞を
挟んで対向する梁と構造物を持ち、梁に赤外線を吸収さ
せる赤外線検出器において、梁の面と構造物の面を一時
的に接触させ、梁の温度上昇を抑制して、その時の信号
レベルを基準レベルに利用することで、ドリフトを補正
しているものである。
間を挟んで対向する梁を持ち、梁に赤外線を吸収させる
赤外線検出器において、信号によって梁と赤外線反射層
間の距離を変化させ吸収波長帯を変えているものであ
り、入射赤外線の波長に合わせ、最適な吸収を行わせる
ように吸収する赤外線の波長を変化させることができる
ものである。また、本願発明の赤外線検出器では空洞を
挟んで対向する梁と構造物を持ち、梁に赤外線を吸収さ
せる赤外線検出器において、梁の面と構造物の面を一時
的に接触させ、梁の温度上昇を抑制して、その時の信号
レベルを基準レベルに利用することで、ドリフトを補正
しているものである。
【００１４】
【実施例】本発明の実施例について図面を参照して説明
する。 ［実施例１］図１は、本発明の一実施例の赤外線検出器
の斜視図および断面図である。図１（ａ）（ｂ）の赤外
線検出器の斜視図と断面図に示すように、半導体基板
（１）上にＭＯＳＦＥＴまたはバイポーラトランジスタ
などで構成される走査回路（２）を形成し、その上に赤
外線反射層（３）、酸化膜（４）を順次形成する。赤外
線反射層の上方には、空洞（５）と梁（ダイヤフラム）
（６）が形成されている。
する。 ［実施例１］図１は、本発明の一実施例の赤外線検出器
の斜視図および断面図である。図１（ａ）（ｂ）の赤外
線検出器の斜視図と断面図に示すように、半導体基板
（１）上にＭＯＳＦＥＴまたはバイポーラトランジスタ
などで構成される走査回路（２）を形成し、その上に赤
外線反射層（３）、酸化膜（４）を順次形成する。赤外
線反射層の上方には、空洞（５）と梁（ダイヤフラム）
（６）が形成されている。
【００１５】この赤外線検出器は、例えば次のようにし
て形成される。空洞（５）となるべき部分に多結晶シリ
コンを形成し、その上に梁（６）となる層を全面に形成
する。梁（６）となる層は、長い足部（１０）を持つよ
うに、その一部をエッチングにより取り除く。このエッ
チングした部分は多結晶シリコンが露出する。次いで、
多結晶シリコンをＫＯＨやヒドラジンなどのアルカリ性
溶液でエッチングして取り除き、図１（ａ）の斜視図に
示すように、宙に浮いた梁構造が形成される。
て形成される。空洞（５）となるべき部分に多結晶シリ
コンを形成し、その上に梁（６）となる層を全面に形成
する。梁（６）となる層は、長い足部（１０）を持つよ
うに、その一部をエッチングにより取り除く。このエッ
チングした部分は多結晶シリコンが露出する。次いで、
多結晶シリコンをＫＯＨやヒドラジンなどのアルカリ性
溶液でエッチングして取り除き、図１（ａ）の斜視図に
示すように、宙に浮いた梁構造が形成される。
【００１６】入射赤外線（７）は、梁（６）の上方から
入射し、梁（６）で一部吸収された後、赤外線反射層
（３）で反射される。空洞（５）の間隙ｄは、入射赤外
線の波長λに対してλ／（４ｎ）（空洞の場合ｎはほぼ
１）に設定しており、反射した赤外線は空洞内に定在波
を作り、電磁気学的効果により梁中の赤外線吸収層
（８）に吸収される。赤外線吸収層（８）は、通常厚さ
数百Å程度の薄い窒化チタンを用いる。赤外線反射層
（３）は、赤外線反射率の高い導体が用いられる。
入射し、梁（６）で一部吸収された後、赤外線反射層
（３）で反射される。空洞（５）の間隙ｄは、入射赤外
線の波長λに対してλ／（４ｎ）（空洞の場合ｎはほぼ
１）に設定しており、反射した赤外線は空洞内に定在波
を作り、電磁気学的効果により梁中の赤外線吸収層
（８）に吸収される。赤外線吸収層（８）は、通常厚さ
数百Å程度の薄い窒化チタンを用いる。赤外線反射層
（３）は、赤外線反射率の高い導体が用いられる。
【００１７】赤外線吸収層（８）および赤外線反射層
（３）は、どちらも導体であり、両者の間に電圧（９）
を印加すると、クーロン力が働く。梁の足部（１０）
は、バネ性を有しており（バネ性を持たせる構造につい
ては後述するが、例えば、バイメタル構造）、この印加
電圧（９）のＶａを変化させることによって空洞の間隙
ｄを可逆的に変化させることができる。これによって最
適な吸収波長を変えることができる。
（３）は、どちらも導体であり、両者の間に電圧（９）
を印加すると、クーロン力が働く。梁の足部（１０）
は、バネ性を有しており（バネ性を持たせる構造につい
ては後述するが、例えば、バイメタル構造）、この印加
電圧（９）のＶａを変化させることによって空洞の間隙
ｄを可逆的に変化させることができる。これによって最
適な吸収波長を変えることができる。
【００１８】図２は、本発明の動作を示すグラフで、横
軸は赤外線波長（μｍ）、縦軸は赤外線吸収率（％）で
ある。例えば、印加電圧がＯＶで、ｄ＝２．５μｍとな
るように設計しておくと、図２に示すように、ｄ＝２．
５μｍでは赤外線吸収率は波長１０μｍあたりにピーク
がある。この時、赤外線波長が４μｍあたりの波長に対
しては、赤外線吸収率は非常に小さくなる。印加電圧
（９）を与えてクーロン力によって、空洞の間隙ｄを１
μｍとすることで、赤外線波長４μｍあたりの波長に対
しても高い吸収率をもたせることができる。
軸は赤外線波長（μｍ）、縦軸は赤外線吸収率（％）で
ある。例えば、印加電圧がＯＶで、ｄ＝２．５μｍとな
るように設計しておくと、図２に示すように、ｄ＝２．
５μｍでは赤外線吸収率は波長１０μｍあたりにピーク
がある。この時、赤外線波長が４μｍあたりの波長に対
しては、赤外線吸収率は非常に小さくなる。印加電圧
（９）を与えてクーロン力によって、空洞の間隙ｄを１
μｍとすることで、赤外線波長４μｍあたりの波長に対
しても高い吸収率をもたせることができる。
【００１９】印加電圧と空洞の間隙ｄとの関係は、バネ
性、ｄの初期値ｄ０（Ｖａ＝０の時のｄ）、その他の設
計によって変わってくるが、ｄ０＝２．５μｍの時、２
０Ｖ程度でｄ＝０にできる。つまり、Ｖａを０から２０
Ｖまで変化させることによって、ｄを２．５μｍから０
μｍ（接触）まで変化させることができ、最適な吸収波
長を１０μｍ以下の任意の波長にもっていくことができ
る。当然のことながら、印加電圧は絶対値が問題であ
り、極性はどちらでもよい。
性、ｄの初期値ｄ０（Ｖａ＝０の時のｄ）、その他の設
計によって変わってくるが、ｄ０＝２．５μｍの時、２
０Ｖ程度でｄ＝０にできる。つまり、Ｖａを０から２０
Ｖまで変化させることによって、ｄを２．５μｍから０
μｍ（接触）まで変化させることができ、最適な吸収波
長を１０μｍ以下の任意の波長にもっていくことができ
る。当然のことながら、印加電圧は絶対値が問題であ
り、極性はどちらでもよい。
【００２０】また、梁と赤外線反射層間の距離を変化さ
せることについて、赤外線反射層、赤外線吸収層間に電
圧を印加した説明を行ったが、梁と基板の間にクーロン
力が働けば、他の導体層を使用することもできる。さら
に、梁と基板間に力が働けば良いため、本発明は力の発
生をクーロン力だけに限定するものではない。
せることについて、赤外線反射層、赤外線吸収層間に電
圧を印加した説明を行ったが、梁と基板の間にクーロン
力が働けば、他の導体層を使用することもできる。さら
に、梁と基板間に力が働けば良いため、本発明は力の発
生をクーロン力だけに限定するものではない。
【００２１】また、赤外線反射層は、高い赤外線反射率
を持つ必要がある。一般に金属は高い赤外線反射率を有
するが、その製造の工程で用いられる多結晶シリコンは
通常６００℃程度のＣＶＤで形成するため、この点を考
慮して赤外線反射層の材料を選択することが好ましい。
一般の半導体ラインで、多結晶シリコン工程以前に形成
できる導体として、タングステンシリサイドがある。タ
ングステンシリサイドは比較的高い赤外線反射率を持っ
ており、赤外線反射層として使用できる。
を持つ必要がある。一般に金属は高い赤外線反射率を有
するが、その製造の工程で用いられる多結晶シリコンは
通常６００℃程度のＣＶＤで形成するため、この点を考
慮して赤外線反射層の材料を選択することが好ましい。
一般の半導体ラインで、多結晶シリコン工程以前に形成
できる導体として、タングステンシリサイドがある。タ
ングステンシリサイドは比較的高い赤外線反射率を持っ
ており、赤外線反射層として使用できる。
【００２２】さらに、図１を参照して説明する。梁
（６）は、赤外線を吸収して温度上昇を起こす部分であ
るが、足部（１０）を通じて熱の逃げが大きいと温度上
昇の効率が低下する。そのため足部（１０）の熱コンダ
クタンスを小さくする必要がある。熱コンダクタンスを
小さくするには、熱伝導率の小さな材料を使うと共に、
足部（１０）の断面積を小さくする必要がある。シリコ
ン酸化膜は、熱伝導率が非常に小さな材料であるが、シ
リコン酸化膜単層だけでは梁を安定的に宙に浮かせるの
に十分な強度が得られない。そのため断面積を大きくす
る必要があるが、それでは、熱の逃げが大きくなってし
まう。
（６）は、赤外線を吸収して温度上昇を起こす部分であ
るが、足部（１０）を通じて熱の逃げが大きいと温度上
昇の効率が低下する。そのため足部（１０）の熱コンダ
クタンスを小さくする必要がある。熱コンダクタンスを
小さくするには、熱伝導率の小さな材料を使うと共に、
足部（１０）の断面積を小さくする必要がある。シリコ
ン酸化膜は、熱伝導率が非常に小さな材料であるが、シ
リコン酸化膜単層だけでは梁を安定的に宙に浮かせるの
に十分な強度が得られない。そのため断面積を大きくす
る必要があるが、それでは、熱の逃げが大きくなってし
まう。
【００２３】シリコン窒化膜は、シリコン酸化膜より若
干熱伝導率が大きいが、非常に硬い膜である。また、シ
リコン酸化膜は一般に延びる方向の内部応力を持ってお
り、シリコン窒化膜は逆に縮む方向の内部応力を持って
いる。シリコン酸化膜を下層に、シリコン窒化膜を上層
にして重ね合わせ、一端を固定した構造は、いわゆるバ
イメタル効果によって上方に浮く力が働き、比較的小さ
な断面積でも十分な強度が得られる。また、前述したよ
うに足部にバネ性をもたせることができる。例えば、足
部の幅が２μｍ程度、シリコン酸化膜の厚さが３０００
Å、シリコン窒化膜の厚さが５００Åの構造において、
５０μｍ角程度の受光面を十分に浮かせる強度がある。
シリコン酸化膜、シリコン窒化膜以外の組合せでも、内
部応力が異なっていれば以上の効果は当然得られる。
干熱伝導率が大きいが、非常に硬い膜である。また、シ
リコン酸化膜は一般に延びる方向の内部応力を持ってお
り、シリコン窒化膜は逆に縮む方向の内部応力を持って
いる。シリコン酸化膜を下層に、シリコン窒化膜を上層
にして重ね合わせ、一端を固定した構造は、いわゆるバ
イメタル効果によって上方に浮く力が働き、比較的小さ
な断面積でも十分な強度が得られる。また、前述したよ
うに足部にバネ性をもたせることができる。例えば、足
部の幅が２μｍ程度、シリコン酸化膜の厚さが３０００
Å、シリコン窒化膜の厚さが５００Åの構造において、
５０μｍ角程度の受光面を十分に浮かせる強度がある。
シリコン酸化膜、シリコン窒化膜以外の組合せでも、内
部応力が異なっていれば以上の効果は当然得られる。
【００２４】［実施例２］次に、本発明のもう一つ実施
例について図３、図４で説明する。図３は回路図であ
り、図４は断面図である。上記実施例１の説明では省略
してきたが、梁中には梁の温度上昇を電気信号に変換す
る熱電変換素子がある。これは、たとえば熱電対であっ
たり、ボロメータであったり、パイロであったりする。
ボロメータを例に取った場合、図３のような回路構成と
なる。これは図４のような断面構造となる。
例について図３、図４で説明する。図３は回路図であ
り、図４は断面図である。上記実施例１の説明では省略
してきたが、梁中には梁の温度上昇を電気信号に変換す
る熱電変換素子がある。これは、たとえば熱電対であっ
たり、ボロメータであったり、パイロであったりする。
ボロメータを例に取った場合、図３のような回路構成と
なる。これは図４のような断面構造となる。
【００２５】図３に示すように、ボロメータ（１２）と
赤外線吸収層（１３）は、梁上に置かれている。ボロメ
ータ（１２）の一端と赤外線吸収層（１３）はコンタク
ト（１４）で接触し、グラウンド（１５）につがなって
いる。ボロメータ（１２）のもう一方の端子は、負荷抵
抗（１６）を介してバイアス電圧（１７）が与えられる
と共に、走査回路につながっている。赤外線反射層（１
８）には、空洞の間隙ｄを変化させるための可変電圧Ｖ
ａが与えられている。梁の温度上昇は、ボロメータの抵
抗値を変化させ、その変化は走査回路を通じて外部に出
力される。
赤外線吸収層（１３）は、梁上に置かれている。ボロメ
ータ（１２）の一端と赤外線吸収層（１３）はコンタク
ト（１４）で接触し、グラウンド（１５）につがなって
いる。ボロメータ（１２）のもう一方の端子は、負荷抵
抗（１６）を介してバイアス電圧（１７）が与えられる
と共に、走査回路につながっている。赤外線反射層（１
８）には、空洞の間隙ｄを変化させるための可変電圧Ｖ
ａが与えられている。梁の温度上昇は、ボロメータの抵
抗値を変化させ、その変化は走査回路を通じて外部に出
力される。
【００２６】図４は赤外線検出器の断面図で、半導体基
板（２１）上に走査回路（２０）を形成し、その上に赤
外線反射層（１８）が形成されている。赤外線反射層
（１８）の上方には、空洞（５）と梁（ダイヤフラム）
（６）が形成されている。ボロメータ（１２）と赤外線
吸収層（１３）は、梁上に置かれている。そして図３で
示したようになっている。空洞の間隙ｄを変化させるた
めの可変電圧Ｖａが与えられるものであるが、印加電圧
Ｖａを大きくすることで、ｄ＝０つまり梁と基板を接触
させることができる。これによって梁の熱を基板に逃が
し、温度上昇を抑えることができる。入射光を遮断する
チョッパーが無くても、入射赤外線を遮断した状態とな
り、この時のレベルを基準レベルとすることで、赤外線
検出器や回路のドリフトを除去することができる。
板（２１）上に走査回路（２０）を形成し、その上に赤
外線反射層（１８）が形成されている。赤外線反射層
（１８）の上方には、空洞（５）と梁（ダイヤフラム）
（６）が形成されている。ボロメータ（１２）と赤外線
吸収層（１３）は、梁上に置かれている。そして図３で
示したようになっている。空洞の間隙ｄを変化させるた
めの可変電圧Ｖａが与えられるものであるが、印加電圧
Ｖａを大きくすることで、ｄ＝０つまり梁と基板を接触
させることができる。これによって梁の熱を基板に逃が
し、温度上昇を抑えることができる。入射光を遮断する
チョッパーが無くても、入射赤外線を遮断した状態とな
り、この時のレベルを基準レベルとすることで、赤外線
検出器や回路のドリフトを除去することができる。
【００２７】図５（ａ）（ｂ）は、本発明の一実施例の
ブロックダイヤグラムおよびタイミング図である。図５
は、空洞の間隙ｄを変化させるための可変電圧Ｖａを大
きくすることで、ｄ＝０つまり梁と基板を接触させるこ
とを行うブロック図とタイミング図を示したものであ
る。図５（ａ）のブロックダイヤグラムには、駆動回路
（２８）、赤外線検出器（２２）、アンプ１（２３）、
固定パターンノイズ補正回路（２４）、アンプ２（２
５）、クランプ回路（２６）、Ａ／Ｄ変換（２７）を有
しているものである。
ブロックダイヤグラムおよびタイミング図である。図５
は、空洞の間隙ｄを変化させるための可変電圧Ｖａを大
きくすることで、ｄ＝０つまり梁と基板を接触させるこ
とを行うブロック図とタイミング図を示したものであ
る。図５（ａ）のブロックダイヤグラムには、駆動回路
（２８）、赤外線検出器（２２）、アンプ１（２３）、
固定パターンノイズ補正回路（２４）、アンプ２（２
５）、クランプ回路（２６）、Ａ／Ｄ変換（２７）を有
しているものである。
【００２８】図５（ｂ）には、アンプ２出力、Ｖａ、ク
ランプパルスの３つのタイミング図を示す。Ｖａは前述
してきた空洞の間隙ｄを変化させるための電圧である。
可変電圧Ｖａを梁と基板が接触する電圧にして、パルス
状に印加する。パルスが印加された時、つまり梁が基板
に接触して温度上昇が０となった時に、信号線のクラン
プを行う。これによって信号は、入射赤外線がゼロの状
態を基準として観測されるため、ドリフトの影響は除去
される。
ランプパルスの３つのタイミング図を示す。Ｖａは前述
してきた空洞の間隙ｄを変化させるための電圧である。
可変電圧Ｖａを梁と基板が接触する電圧にして、パルス
状に印加する。パルスが印加された時、つまり梁が基板
に接触して温度上昇が０となった時に、信号線のクラン
プを行う。これによって信号は、入射赤外線がゼロの状
態を基準として観測されるため、ドリフトの影響は除去
される。
【００２９】梁の温度上昇が０の時を基準にする回路
は、図５のような回路に限定されず、デジタル回路によ
る処理等色々な回路が考えられる。また、梁の熱を逃が
す方法として、基板に接触させるだけでなく、例えば図
４の上方に熱を逃がす構造物を形成して、それに接触さ
せる等色々な方法が考えられる。さらに接触させる力と
してクーロン力を使った説明を行ったが、本発明はこれ
に限定されるものではない。他にも、磁力を使う方法、
ローレンツ力を使う方法、熱膨張を使う方法等様々で行
うことができる。
は、図５のような回路に限定されず、デジタル回路によ
る処理等色々な回路が考えられる。また、梁の熱を逃が
す方法として、基板に接触させるだけでなく、例えば図
４の上方に熱を逃がす構造物を形成して、それに接触さ
せる等色々な方法が考えられる。さらに接触させる力と
してクーロン力を使った説明を行ったが、本発明はこれ
に限定されるものではない。他にも、磁力を使う方法、
ローレンツ力を使う方法、熱膨張を使う方法等様々で行
うことができる。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
赤外線検出器は、吸収する赤外線の波長を変化させるこ
とができ、入射赤外線の波長に合わせた最適な吸収を行
わせることができる。すなわち、入射赤外線の波長が変
わった場合でも感度が低下するすることがないという効
果を奏するものである。さらにチョッパーを使用せずに
ドリフトの除去ができ、小型化、低消費電力化が可能と
なるという効果を奏するものである。
赤外線検出器は、吸収する赤外線の波長を変化させるこ
とができ、入射赤外線の波長に合わせた最適な吸収を行
わせることができる。すなわち、入射赤外線の波長が変
わった場合でも感度が低下するすることがないという効
果を奏するものである。さらにチョッパーを使用せずに
ドリフトの除去ができ、小型化、低消費電力化が可能と
なるという効果を奏するものである。
【図１】本発明の一実施例を示す斜視図および断面図で
ある。
ある。
【図２】本発明の一実施例動作を示すグラフである。
【図３】本発明のもう一つの実施例を示す回路図であ
る。
る。
【図４】本発明のもう一つの実施例を示す断面図であ
る。
る。
【図５】本発明の一実施例のブロックダイヤグラムおよ
びタイミング図である。
びタイミング図である。
【図６】従来の技術を示す図である。
１、２１、２９ 半導体基板 ２、２０、３０ 走査回路 ３、１８ 赤外線反射層 ４ 酸化膜 ５ 空洞 ６ 梁（ダイヤフラム） ７ 入射赤外線 ８、１３ 赤外線吸収層 ９、１９ 印加電圧Ｖａ １０ 足部 １１ 受光部 １２ ボロメータ １４ コンタクト １５ グラウンド １６ 負荷抵抗 １７ バイアス電圧Ｖ０ ２２ 赤外線検出器 ２３ アンプ１ ２４ 固定パターンノイズ補正回路 ２５ アンプ２ ２６ クランプ回路 ２７ Ａ／Ｄ変換 ２８ 駆動回路 ３１ 空洞 ３２ 熱電変換素子（チタンボロメータ） ３３ シリコン酸化膜 ３４ 赤外線吸収層（窒化チタン）
Claims (9)
- 【請求項１】 赤外線反射層と空間を挟んで対向する梁
を有し、梁に赤外線を吸収させる層を有している赤外線
検出器において、前記梁を赤外線反射層間との距離を調
整できるように設け、前記空間を挟んで対向する梁と赤
外線反射層間の距離を入射赤外線の波長に対応して変化
させることを特徴とする赤外線検出器。 - 【請求項２】 赤外線反射層側が、半導体基板及び、こ
の半導体基板中に走査回路を持つことを特徴とする請求
項１記載の赤外線検出器。 - 【請求項３】 赤外線反射層間との距離を調整できるよ
うに設けられている梁が、内部応力の異なる２つの層を
組み合わせたバイメタル構造を有していることを特徴と
する請求項１または２記載の赤外線検出器。 - 【請求項４】 赤外線反射層が、タングステンシリサイ
ドであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記
載の赤外線検出器。 - 【請求項５】 赤外線反射層間との距離を調整できるよ
うに設けられている梁が、赤外線反射層側に配置した第
１の導電層と梁側に配置した第２の導電層の両者の間に
印加する電圧により赤外線波長に応じて変化させるもの
であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載
の赤外線検出器。 - 【請求項６】 赤外線反射層と空間を挟んで対向する梁
を有し、梁に赤外線を吸収させる層を有している赤外線
検出器の駆動方法において、入射赤外線の波長に対応
し、空間を挟んで対向する梁と赤外線反射層間の距離を
変化させることを特徴とする赤外線検出器の駆動方法。 - 【請求項７】 赤外線反射層と空間を挟んで対向する梁
を有し、梁に赤外線を吸収させる層を有している赤外線
検出器の駆動方法において、梁の面と赤外線反射層の構
造物の面を一時的に接触させることを特徴とする赤外線
検出器の駆動方法。 - 【請求項８】 赤外線反射層と空間を挟んで対向する梁
を有し、梁に赤外線を吸収させる層を有している赤外線
検出器の駆動方法において、入射赤外線の波長に対応
し、空間を挟んで対向する梁と赤外線反射層間の距離を
変化させ、かつ梁の面と赤外線反射層の構造物の面を一
時的に接触させることを特徴とする赤外線検出器の駆動
方法。 - 【請求項９】 赤外線反射層の構造物側に配置した第１
の導電層と梁側に配置した第２の導電層を持ち、両者の
間に印加する電圧を変化させて、空間を挟んで対向する
梁と赤外線反射層間の距離を変化させることを特徴とす
る請求項６〜８のいずれかに記載の赤外線検出器の駆動
方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7026246A JP2674545B2 (ja) | 1995-01-20 | 1995-01-20 | 赤外線検出器及びその駆動方法 |
| US08/586,404 US5656816A (en) | 1995-01-20 | 1996-01-16 | Infrared detector and drive method therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7026246A JP2674545B2 (ja) | 1995-01-20 | 1995-01-20 | 赤外線検出器及びその駆動方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08201177A JPH08201177A (ja) | 1996-08-09 |
| JP2674545B2 true JP2674545B2 (ja) | 1997-11-12 |
Family
ID=12187942
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7026246A Expired - Fee Related JP2674545B2 (ja) | 1995-01-20 | 1995-01-20 | 赤外線検出器及びその駆動方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5656816A (ja) |
| JP (1) | JP2674545B2 (ja) |
Families Citing this family (31)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09257587A (ja) * | 1996-03-26 | 1997-10-03 | Terumo Corp | 非接触型温度計 |
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| EP0867701A1 (en) * | 1997-03-28 | 1998-09-30 | Interuniversitair Microelektronica Centrum Vzw | Method of fabrication of an infrared radiation detector and more particularly an infrared sensitive bolometer |
| JP3196823B2 (ja) * | 1997-06-11 | 2001-08-06 | 日本電気株式会社 | 半導体装置 |
| JP3149919B2 (ja) * | 1997-12-03 | 2001-03-26 | 日本電気株式会社 | 固体撮像素子及びこれを用いた読み出し回路 |
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| JP3597069B2 (ja) | 1999-01-12 | 2004-12-02 | 日本電気株式会社 | 複数の赤外波長帯を検出する熱型赤外アレイセンサ |
| FR2826725B1 (fr) * | 2001-06-28 | 2004-02-27 | Commissariat Energie Atomique | Microbolometres resistants aux temperatures de scenes elevees. |
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| JP5201780B2 (ja) | 2004-06-14 | 2013-06-05 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | 光検出器および光検出装置 |
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