JP2793615B2 - Infrared sensor - Google Patents

Infrared sensor

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準 神山
俊幸 野尻
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石塚電子株式会社
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は被測定物体から放射される赤外線エネルギを検知して、該被測定物体の存否やその温度等を検出するのに利用される赤外線センサに関する。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention [relates] senses the infrared energy radiated from an object to be measured, infrared rays used to detect the presence or absence and the temperature of the 該被 measurement object It relates to a sensor.

〔従来の技術〕 [Prior art]

赤外線の入射量を検知するための素子としてサーミスタボロメータが用いられているが、かかるサーミスタボロメータはサーミスタの温度と電気抵抗の関係を利用して、入射する赤外線量に応じたサーミスタの温度上昇を電気信号として出力するようにしている。 Although thermistor bolometer is used as an element for detecting the infrared incident amount, such a thermistor bolometer utilizing the relationship between the temperature and the electrical resistance of the thermistor, electric temperature increase of the thermistor according to the amount of infrared rays incident It is output as a signal. 従って環境温度が変化するとサーミスタの出力にも影響がでるので、 Hence affect the output of the thermistor when the ambient temperature changes may appear,
赤外線量の測定に当っては環境温度により誤差を補償することが必要である。 It is hitting the measurement of the amount of infrared radiation it is necessary to compensate for the error by the environmental temperature. このため、サーミストを用いて赤外線量を検知するには、第4図に示すように同一の特性を有する2個のサーミスタth 1とth 2および2個の固定抵抗R 1とR 2を用いてブリッジ回路を構成し、たとえば一方のサーミスタth 1は赤外線が入射する構造に形成して検知素子とし、また他方のサーミスタth 2は赤外線の入射を遮蔽する構造にして補償素子として、これらを同一のケース内に密封したサーミスタボロメータが用いられていた。 Therefore, in order to detect the amount of infrared rays using Samisuto uses two thermistors th 1 and th 2 and two fixed resistors R 1 and R 2 having the same characteristics as shown in FIG. 4 constitute a bridge circuit, for example one of the thermistor th 1 is a sensing element formed in a structure in which infrared radiation is incident, and as the other thermistor th 2 compensation element in the structure for shielding the incident infrared, these same thermistor bolometer, which was sealed in the case have been used.

このようなサーミスタボロメータにおいては、電源E In such a thermistor bolometer, power source E
から電圧を印加した状態で赤外線が入射するとサーミスタth 1の温度が上昇し、その電気抵抗変化によって端子 Temperature of the thermistor th 1 when infrared is incident in a state of applying a voltage rises from the terminal by the change in electric resistance
a,b間に不平衡電圧が出力される。 a, an unbalanced voltage is output between b. さらにまたサーミスタth 2の両端間の電圧から環境温度を知ることができるから、これによって入射赤外線量の温度による検知誤差を補償することができ、また被測定物体の温度を知ることもできる。 Since it is possible to furthermore determine the environmental temperature from the voltage across the thermistor th 2, whereby it is possible to compensate for the detection error due to the temperature of the incident amount of infrared rays, and may also know the temperature of the object to be measured.

しかしながら、このような従来のサーミスタボロメータにおいては、環境温度が高くなるとサーミスタの電気抵抗が小さくなるためにサーミスタ端子間の電圧が小さくなって、出力電圧もまた小さくなる、すなわち感度が低下するという欠点があった。 However, disadvantage in such conventional thermistor bolometer, the environmental temperature becomes higher the voltage between the thermistor terminals to electrical resistance decreases the thermistor decreases, the output voltage becomes also small, i.e. sensitivity is lowered was there. さらに、構成要素であるサーミスタや固定抵抗の電気的特性、温度特性の揃ったものを選択して組合わせないと誤差が大きくなり、またセンサとしての感度や特性のバラツキも大きくなるうえ、これらの誤差やバラツキを小さくしようとすると著しく高価なものとならざるを得なかった。 Furthermore, the electrical characteristics of the thermistor and fixed resistor is a component, unless combined with select ones having uniform temperature characteristic error increases, also after that also large variation in sensitivity and characteristics of the sensor, these If you try to reduce the error and variation inevitably as significantly more expensive.

〔発明が解決しようとする課題〕 [Problems that the Invention is to Solve]

本発明は前述のような従来のサーミスタボロメータにおける欠点を解消して、特性上のバラツキが小さく、かつ感度が改良された赤外線センサを提供すること目的としたものである。 The present invention is to eliminate the drawbacks of the conventional thermistor bolometer as described above, small variations in characteristics, and is intended to provide an infrared sensor sensitivity is improved.

〔課題を解決するための手段〕 [Means for Solving the Problems]

上記のような本発明の目的は、4個のサーミスタ素子を4辺となるよう結合した構成したブリッジ回路において、該ブリッジ回路が、回路上で隣接する同一構造で同一特性を有するサーミスタ素子2個の組と、回路上で隣接する同一構造で同一特性を有する別なサーミスタ素子2個の組とで構成されると共に、該素子の少なくとも1 An object of the present invention as described above, in the four constructed bridge circuit coupled to the thermistor element 4 sides, said bridge circuit, two thermistor elements having the same characteristics in the same structure adjacent on the circuit a set of, together constituted by another thermistor element two pairs having the same characteristics in the same structure adjacent on the circuit, at least of the element 1
個が赤外線の入射から遮蔽されかつ他の素子の少なくとも1個が赤外線の入射を許容するように構成されたことを特徴とする赤外線センサによって達成される。 Pieces is achieved by the infrared sensor, characterized in that at least one is and the other element shielded from incident infrared is configured to permit incident infrared.

しかも、該素子がIC製造技術すなわち蒸着等による薄膜形成やホトリソグラフィによるパターン形成、さらにエッチングなどによって基板上に4個同時に隣接して形成された橋架型のサーミスタ素子であることにより更に優れた性能が保証された赤外線センサとなる。 Moreover, further excellent performance by the element pattern formation by film formation or photolithography by IC fabrication techniques namely vapor deposition or the like, is a bridge-type thermistor element formed adjacent to the substrate 4 at the same time, such as by further etching but the guaranteed infrared sensor.

このような本発明の赤外線センサは、たとえば以下に説明するような方法によって、第1〜2図に示すような構造を有するものとして得られる。 The infrared sensor of the present invention as described above, for example, by a method as described below, is obtained as having a structure as shown in 1-2 FIG.

1は、たとえばアルミナ質などの絶縁基板であり、2 1 is an insulating substrate such as for example alumina, 2
はその表面上に設けた銅箔である。 Is a copper foil provided on its surface. しかし、本発明において用いられる基板は必ずしもこのような2層構造である必要はなく、シリコン基板やガリウム・ヒ素系の半導体基板などであってもよい。 However, the substrate used in the present invention need not always be such a two-layer structure, may be a semiconductor substrate of a silicon substrate and gallium arsenide-based.

このような基板上には、先ずSiO 2やSi 3 N 4などの絶縁層3を設けるが、かかる絶縁層3はスパッタあるいはプラズマCVD技術を利用して形成することができる。 Such substrate, first an insulating layer 3 such as SiO 2 or Si 3 N 4 are provided, but such insulating layer 3 may be formed by using a sputtering or plasma CVD technique. この絶縁層上にはアモルファスシリコン、ポリシリコン、シリコンカーバイド、ゲルマニウム、あるいは金属酸化物などのサーミスタ材料からなる感熱層4が設けられる。 Amorphous silicon on the insulating layer, polysilicon, silicon carbide, germanium, or heat-sensitive layer 4 consisting of a thermistor material such as a metal oxide is provided.
この感熱層4は、前記のようなサーミスタ材料をCVDあるいはスパッタリングなどによって均一な層状に被着形成することによって得られる。 The heat-sensitive layer 4 is obtained by depositing form a uniform layered a thermistor material such as the such as by CVD or sputtering.

その後、予定されるサーミスタ素子の端子となる所定位置に、白金、クロム、モリブデン等の金属をスパッタして導電体層電極5を設けるが、電極パターンはリフトオフ法などによって形成するのがよい。 Thereafter, a predetermined position where the terminals of the thermistor element to be scheduled, platinum, chromium, sputtered metal such as molybdenum is provided a conductor layer electrode 5, but the electrode pattern is preferably formed by a lift-off method. そして次に、ホトリソグラフィ技術を用いて、予定されるサーミスタ素子にとって不要な感熱層の部分をエッチして除去し、たとえば第2図のようなパターン形状のサーミスタ素子が形成される。 And then, by using photolithography technique, is removed by etching the portion of the unwanted heat sensitive layer for a thermistor element to be scheduled, for example, a thermistor element of a pattern shape such as FIG. 2 is formed.

更に、こうして素子が形成された面の上には、たとえばSiO 2などからなる絶縁層6をスパッタなどの方法で設けたのち、電極5の位置に当る絶縁層6にはホトリソグラフィ技術を用いてリード線引出し用の開口7が設けられる。 Further, on a surface on which elements are formed is thus, for example, after which an insulating layer 6 made of SiO 2 by a method such as sputtering, the insulating layer 6 which corresponds to the position of the electrode 5 by using a photolithography technique opening 7 for drawing out lead wires are provided.

次に、素子の感熱層4の検知部位に当る絶縁層6上には、リフトオフ法などを用いてたとえば金黒などの光吸収層8が形成される。 Next, on the insulating layer 6 which corresponds to the sensing portion of the heat-sensitive layer 4 of the device, the light-absorbing layer 8, for example a gold black by using a lift-off method is formed.

その後、それぞれ形成されたサーミスタ素子の周囲にある不要な絶縁層6をホトリソグラフィ技術によってエッチし除去することによって銅箔2を露出させ、更に銅箔2の不要部分をエッチ除去すると共に検知部位の下側の銅箔部分も除去して空洞部9を形成する。 Thereafter, the unnecessary insulating layer 6 surrounding the thermistor elements formed respectively copper foil 2 is exposed by etching is removed by photolithography, further detection site along with etching removing an unnecessary portion of the copper foil 2 copper portion of the lower side to form a cavity 9 is removed. こうして電極5部分の下側に銅箔2の橋架支持部を有する多層薄膜構造の橋架型サーミスタ素子が得られる。 Thus bridge type thermistor element of a multilayer thin film structure is obtained that the lower electrode 5 portion has a bridge support portion of the copper foil 2.

このようにして1個の基板上に隣接して設けたそれぞれのサーミスタ素子は、たとえば第2図のような形状の形成され、すべて同一の特性を有するものとなる。 Thus each of the thermistor element provided adjacent on one substrate and include, for example formed of shape as in the second view, everything comes to have the same characteristics. しかしかかる素子の形状はこのようなものには限定されず、 But the shape of such elements is not limited to such,
検知部位の幅や長さを適宜設定できるばかりでなく、導電体層電極の形状も適宜に設定でき、これによってサーミスタ素子の電気抵抗値を所望の範囲に調整することができる。 Not only the width and length of the detection site can be appropriately set, the shape of the conductor layer electrode can also be set as appropriate, whereby it is possible to adjust the electrical resistance value of the thermistor element in a desired range.

上述のように1チップ上に形成された4個のサーミスタ素子は、たとえば第3図に示すように回路結線される。 Four thermistor element formed on one chip as described above, for example, the circuit connected as shown in Figure 3. このときの結線はチップが取付けられるステム等に設けたリード端子などにワイヤボンディングするなどにより完成することができる。 Connection in this case can be completed, such as by wire bonding, etc. to the lead terminals arranged on the stem such that the chip is mounted. こうして結線された4個のサーミスタ素子のうち、たとえばT 2とT 3とを赤外線検知素子として用いるときには、温度補償素子となるT 1とT 4 Thus among-connected four thermistor element, for example when using a T 2 and T 3 as an infrared sensing element, T 1 and T 4 to be the temperature compensation element
との前面には少なくとも赤外線遮蔽用の遮光体を設けたうえ、素子が搭載されたチップを取付けたステムに対して赤外線透過用フィルタが設けられたキャップを被着し、封止して本発明の赤外線センサを得る。 After having provided a light shield for at least infrared shielding on the front with, deposited a cap infrared transmission filter is provided for the stem mounting a chip device is mounted, sealed by the present invention obtain an infrared sensor.

以上説明したような本発明の赤外線センサは、ブリッジ回路の4辺を構成するサーミスタ素子がすべて同一の特性を有しており、その1組の対辺に配置された素子が赤外線検知用に、また他の1組の対辺に配置された素子が温度補償用に用いられるので、環境温度による各素子の電気抵抗変化は完全にバランスして出力に影響を与えない。 Infrared sensor of the present invention as described above, the thermistor element constituting the four sides of the bridge circuit are all have the same characteristics, for sensing elements disposed on one pair of opposite sides are infrared, also the other pair of opposite sides in arranged element is used for temperature compensation, the electric resistance change of each element due to environmental temperature does not affect the output completely well balanced. そして入射する赤外線による出力電圧は従来の方式に比較して2倍となり、また受光面積も素子の2個分となるので、センサの性能を表わす重要なパラメータのひとつである比検出率(D )は従来のセンサと比較して約1.4倍となり、格段に性能が向上している。 The output voltage due incident infrared rays is doubled as compared with the conventional method, and since also the two partial elements receiving area, the specific detection rate is an important parameter representing the performance of the sensor (D * ) becomes about 1.4 times as compared with the conventional sensor, much performance is improved.

なお、本発明の赤外線センサは1辺を赤外線検知素子として用い他の3辺を温度補償素子として用いてもよいし、3辺を赤外線検知素子とし、他の1辺を温度補償素子とした構成であってもよい。 Incidentally, the infrared sensor of the present invention may be used as a temperature compensating element other three sides with one side as an infrared sensing element, the three sides an infrared sensing element and a temperature compensating element to another one side configuration it may be. この場合は、上記のように相対する2辺を赤外線検知素子として用いる場合に比べ出力電圧は半分程になるがサーミスタ素子が同一特性を有するために環境温度による各素子の電気抵抗変化はバランスしており、環境温度が出力に影響を与えることはない。 In this case, the electric resistance change of each element due to environmental temperature to output the voltage becomes about half the thermistor element compared to the case have the same characteristics is used as an infrared sensing element with two opposing sides as described above to balance and it is, not that the environment temperature affects the output.

〔発明の効果〕 〔Effect of the invention〕

本発明の赤外線センサは、以上説明したように構成されているから高感度であって性能のバラツキが少く、また一層の小型化が可能であり、そのためにより応答の早いものが得られる。 Infrared sensor of the present invention, or because they are configured as described with a sensitive variation in performance is less, also are possible further miniaturization, itself fast response by for is obtained. 更に、センサチップの製造に半導体製造技術が利用できるうえ打品数も少なくできるので組立が簡単かつ容易であり、経済的に量産できる特長がある。 Furthermore, the assembly since the semiconductor manufacturing technology in the manufacture of the sensor chip can be reduced upon striking number of articles available is simple and easy, there is a feature that can be economically mass produced.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

第1図は本発明の赤外線センサの例のチップ部の構造を示す断面図、 第2図は同じくそのチップ部の平面図、 第3図は同じくその回路結線の概念図であり、 第4図は従来のサーミスタボロメータの構成を示す回路図である。 Sectional view showing a structure of a tip portion of an example of the infrared sensor in Figure 1 the invention, Figure 2 is also a plan view of the tip portion, FIG. 3 is a similarly schematic diagram of the circuit connection, Figure 4 is a circuit diagram showing the structure of a conventional thermistor bolometer. 1……絶縁基板、2……銅箔、3……絶縁層、4……感熱層、5……電極、6……絶縁層、7……開口、8…… 1 ...... insulating substrate, 2 ...... foil, 3 ...... insulating layer, 4 ...... thermosensitive layer, 5 ...... electrode, 6 ...... insulating layer, 7 ...... opening, 8 ......
光吸収層、9……空洞部、T 1 ,T 2 ,T 3 ,T 4 ,th 1 ,th 2 ……サーミスタ素子、R 1 ,R 2 ……固定抵抗、a,b……出力端子。 The light absorption layer, 9 ...... cavity, T 1, T 2, T 3, T 4, th 1, th 2 ...... thermistor, R 1, R 2 ...... fixed resistor, a, b ...... output terminal.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl. 6 ,DB名) G01J 1/02,1/42 G01J 5/02,5/20 ────────────────────────────────────────────────── ─── of the front page continued (58) investigated the field (Int.Cl. 6, DB name) G01J 1 / 02,1 / 42 G01J 5 / 02,5 / 20

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】 (57) [the claims]
  1. 【請求項1】4個のサーミスタ素子を4辺となるよう結合して構成したブリッジ回路において、該ブリッジ回路が、回路上で隣接する同一構造で同一特性を有するサーミスタ素子2個の組と、回路上で隣接する同一構造で同一特性を有する別なサーミスタ素子2個の組とで構成されると共に、該素子の少なくとも1個が赤外線の入射から遮蔽されかつ他の素子の少なくとも1個の赤外線の入射を許容するように構成されたことを特徴とする赤外線センサ。 1. A bridge circuit composed bonded to so that a four thermistor four sides, the bridge circuit, the thermistor element 2 of the set having the same characteristics in the same structure adjacent in the circuit, together constituted by another thermistor element two pairs having the same characteristics in the same structure adjacent on the circuit, at least one infrared least one is shielded from the incident infrared and other elements of the device infrared sensor, characterized in that it is configured to permit the incident.
  2. 【請求項2】前記の一方の組に属するサーミスタ素子と他方の組に属するサーミスタ素子とが、同一構造で同一特性を有するものである特許請求の範囲第1項記載の赤外線センサ。 Wherein the thermistor element belonging to the thermistor element and the other set belonging to said one set is an infrared sensor of the claims set forth in claim 1, wherein those having the same characteristics in the same structure.
  3. 【請求項3】4個のサーミスタ素子が1個の基板上に形成したものから選ばれたものである特許請求の範囲第1 3. A range of four thermistor element in which is selected from those formed on one substrate claimed first
    項または第2項記載の赤外線センサ。 Terms or the infrared sensor of the second Claims.
  4. 【請求項4】1個の基板上に形成した4個のサーミスタ素子を結合して構成した特許請求の範囲第1項ないし第3項のいずれかに記載の赤外線センサ。 The infrared sensor according to any one of claims 4] One of the first term claims four thermistor element formed on a substrate constituted bound to or third term.
  5. 【請求項5】ブリッジ回路の相対する辺にある1組のサーミスタ素子が赤外線の入射から遮蔽されるよう構成された特許請求の範囲第1項ないし第4項のいずれかに記載の赤外線センサ。 The infrared sensor according to any one of claims 5 first term range of the configured claimed as a set of thermistor elements on opposite sides of the bridge circuit are shielded from incident infrared to paragraph 4.
  6. 【請求項6】サーミスタ素子がIC製造技術により橋架型に形成されたものである特許請求の範囲第1項ないし第5項のいずれかに記載の赤外線センサ。 The infrared sensor according to any one of claims 6 first term claims in which the thermistor element is formed bridge-type by IC fabrication techniques to paragraph 5.
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