JP3374498B2 - 赤外線センサ - Google Patents
赤外線センサInfo
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- JP3374498B2 JP3374498B2 JP35458293A JP35458293A JP3374498B2 JP 3374498 B2 JP3374498 B2 JP 3374498B2 JP 35458293 A JP35458293 A JP 35458293A JP 35458293 A JP35458293 A JP 35458293A JP 3374498 B2 JP3374498 B2 JP 3374498B2
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- Japan
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- light receiving
- infrared sensor
- receiving portion
- infrared
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- Micromachines (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、赤外線センサに関し、
特に、赤外線を吸収した熱により信号を得る熱型赤外線
センサに関する。
特に、赤外線を吸収した熱により信号を得る熱型赤外線
センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、熱型赤外線センサを半導体微細加
工を利用して作成する技術が種々開発されている。この
熱型赤外線センサは、受光メンブレンを基板から浮かせ
た断熱構成としてあり、受光メンブレンに赤外線が当た
ると、赤外線吸収膜により吸収されて熱となり、受光メ
ンブレンの温度を上昇させる。この温度変化で感熱素子
１が電気的信号の変化を生じて外部に赤外線量の信号と
して出力する。この温度変化は照射された赤外線量によ
る。それで温度上昇は受光メンブレンの膜厚にも依存す
るため、従来より、より薄膜化されるような構成が取ら
れてきた。しかし、強度の面から膜厚は１μｍ程度が限
度であり、さらに効率を上げるためには断熱性を向上さ
せるしかなく、さまざまな提案がなされている。
工を利用して作成する技術が種々開発されている。この
熱型赤外線センサは、受光メンブレンを基板から浮かせ
た断熱構成としてあり、受光メンブレンに赤外線が当た
ると、赤外線吸収膜により吸収されて熱となり、受光メ
ンブレンの温度を上昇させる。この温度変化で感熱素子
１が電気的信号の変化を生じて外部に赤外線量の信号と
して出力する。この温度変化は照射された赤外線量によ
る。それで温度上昇は受光メンブレンの膜厚にも依存す
るため、従来より、より薄膜化されるような構成が取ら
れてきた。しかし、強度の面から膜厚は１μｍ程度が限
度であり、さらに効率を上げるためには断熱性を向上さ
せるしかなく、さまざまな提案がなされている。
【０００３】例えば、特開平3-212979号公報ではセンサ
部と基板の間に空洞部を設けて熱的分離を行い断熱性を
向上させたものであり、Jin-Shown Shie等の文献("Desi
gn considerations of metal-film bolometer with mic
romachined flooting membrane," Sensors & Actuator
s,A33(1992),183-189) では、図４に示すような、薄膜
の受光メンブレン４００が四本の梁４２で支えられた構
造となっている。このような構造によれば、受光した赤
外線による温度上昇の熱が基板に逃げていく率が少なく
て検出感度が上がるために、この四点支持の断熱構造は
効率良い方法として注目されている。
部と基板の間に空洞部を設けて熱的分離を行い断熱性を
向上させたものであり、Jin-Shown Shie等の文献("Desi
gn considerations of metal-film bolometer with mic
romachined flooting membrane," Sensors & Actuator
s,A33(1992),183-189) では、図４に示すような、薄膜
の受光メンブレン４００が四本の梁４２で支えられた構
造となっている。このような構造によれば、受光した赤
外線による温度上昇の熱が基板に逃げていく率が少なく
て検出感度が上がるために、この四点支持の断熱構造は
効率良い方法として注目されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、もとも
と赤外線吸収による熱の温度上昇で感熱素子の変化を信
号として取り出すため、温度計測などに使用する場合で
は、赤外線吸収による温度上昇が極めて微小であるため
温度分解能が粗く、実用的とは言えないという問題があ
る。
と赤外線吸収による熱の温度上昇で感熱素子の変化を信
号として取り出すため、温度計測などに使用する場合で
は、赤外線吸収による温度上昇が極めて微小であるため
温度分解能が粗く、実用的とは言えないという問題があ
る。
【０００５】従って、本発明の目的は、温度分解能など
を向上させるために、僅かな赤外線でも温度上昇が容易
な断熱性の良い、従って感度の良い赤外線センサを提供
することである。
を向上させるために、僅かな赤外線でも温度上昇が容易
な断熱性の良い、従って感度の良い赤外線センサを提供
することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明の構成は、薄膜に形成され、感熱素子を含んだ
赤外線の受光部と、該受光部を断熱的に宙吊りで支える
梁と、該梁を支える基板とを備えて成る赤外線センサに
おいて、前記基板から延びる前記梁が、複数方向に分岐
して、前記受光部と連結しており、前記感熱素子のリー
ド線が通る梁以外の梁に、前記リード線と略同一構成
で、どこにも接続しないダミー配線を設けることを特徴
とする。また本発明の別の構成は、薄膜に形成され、感
熱素子を含んだ赤外線の受光部と、該受光部を断熱的に
宙吊りで支える梁と、該梁を支える基板とを備えて成る
赤外線センサにおいて、前記梁に、前記受光部の外周に
沿った、少なくとも二重以上のスリットを有しており、
前記感熱素子のリード線が通る梁以外の梁に、前記リー
ド線と略同一構成で、どこにも接続しないダミー配線を
設けることを特徴とする。
め本発明の構成は、薄膜に形成され、感熱素子を含んだ
赤外線の受光部と、該受光部を断熱的に宙吊りで支える
梁と、該梁を支える基板とを備えて成る赤外線センサに
おいて、前記基板から延びる前記梁が、複数方向に分岐
して、前記受光部と連結しており、前記感熱素子のリー
ド線が通る梁以外の梁に、前記リード線と略同一構成
で、どこにも接続しないダミー配線を設けることを特徴
とする。また本発明の別の構成は、薄膜に形成され、感
熱素子を含んだ赤外線の受光部と、該受光部を断熱的に
宙吊りで支える梁と、該梁を支える基板とを備えて成る
赤外線センサにおいて、前記梁に、前記受光部の外周に
沿った、少なくとも二重以上のスリットを有しており、
前記感熱素子のリード線が通る梁以外の梁に、前記リー
ド線と略同一構成で、どこにも接続しないダミー配線を
設けることを特徴とする。
【０００７】
【作用および発明の効果】受光部を支える梁が二股に別
れ、一つの基板側支持部が二点の受光側支持部を離れた
位置で支える構造となり、基板と受光部との熱流路が長
くとれる。受光側支持部はまた、基板側支持部二点に共
通に支持される形をとることもできる。あるいは梁を構
成する際に、基板と受光部との間の梁部分にスリットを
設ける。二重のスリットの場合では、梁は基板と受光部
との間を受光部の各辺と平行に形成されて受光面積を小
さくすることなく梁を長く形成できる。これらの梁形状
は、梁の実効長を単純に受光部に接続する場合より長く
することができ、熱流経路としても長くなるので、熱伝
導が抑制される。また梁が複数方向に分岐しているた
め、梁に発生する応力を打ち消しあって緩和することが
できる。更にダミー配線を設けることで、各梁の力学的
条件がほぼ同一になり、赤外線センサの機能に影響せず
構造的強度を向上させることができる。このダミー配線
はリード線を形成する際に同時に形成できるため付加的
工程を必要としない。
れ、一つの基板側支持部が二点の受光側支持部を離れた
位置で支える構造となり、基板と受光部との熱流路が長
くとれる。受光側支持部はまた、基板側支持部二点に共
通に支持される形をとることもできる。あるいは梁を構
成する際に、基板と受光部との間の梁部分にスリットを
設ける。二重のスリットの場合では、梁は基板と受光部
との間を受光部の各辺と平行に形成されて受光面積を小
さくすることなく梁を長く形成できる。これらの梁形状
は、梁の実効長を単純に受光部に接続する場合より長く
することができ、熱流経路としても長くなるので、熱伝
導が抑制される。また梁が複数方向に分岐しているた
め、梁に発生する応力を打ち消しあって緩和することが
できる。更にダミー配線を設けることで、各梁の力学的
条件がほぼ同一になり、赤外線センサの機能に影響せず
構造的強度を向上させることができる。このダミー配線
はリード線を形成する際に同時に形成できるため付加的
工程を必要としない。
【０００８】
【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。 （第一実施例）図１(a) は、基板１２に設けられた、断
面が台形の矩形空洞部１１の四隅からのびる梁２が二股
に分岐して、矩形の受光部であるフローティングメンブ
レン（受光メンブレン、受光部）１００の各辺の中央部
に支点を有する場合の赤外線センサを上部正面から見た
もので、図１(b) は(a) のA-A 断面を示す。
明する。 （第一実施例）図１(a) は、基板１２に設けられた、断
面が台形の矩形空洞部１１の四隅からのびる梁２が二股
に分岐して、矩形の受光部であるフローティングメンブ
レン（受光メンブレン、受光部）１００の各辺の中央部
に支点を有する場合の赤外線センサを上部正面から見た
もので、図１(b) は(a) のA-A 断面を示す。
【０００９】フローティングメンブレン１００（１、
６、７、８、９から成る）は、メンブレンの基板となる
絶縁層(Si3N4、SiO2など）７の中央部に、感温材料で構
成された感熱素子１が形成され、絶縁層(Si3N4、SiO2な
ど）８を介して該感熱素子１からリード線３が引き出さ
れて、梁のうち２本を通って基板側の外部電極１３に信
号が出される。またフローティングメンブレン１００に
は下部の空洞部１１を形成する際に使用するエッチング
液がよく入り込むように四か所小穴５が貫通させてあ
り、フローティングメンブレン１００の表面には絶縁層
(Si3N4、SiO2など）９を介して、熱をよく吸収する金ブ
ラックやNiCrなどの赤外線吸収膜６で覆ってある。
６、７、８、９から成る）は、メンブレンの基板となる
絶縁層(Si3N4、SiO2など）７の中央部に、感温材料で構
成された感熱素子１が形成され、絶縁層(Si3N4、SiO2な
ど）８を介して該感熱素子１からリード線３が引き出さ
れて、梁のうち２本を通って基板側の外部電極１３に信
号が出される。またフローティングメンブレン１００に
は下部の空洞部１１を形成する際に使用するエッチング
液がよく入り込むように四か所小穴５が貫通させてあ
り、フローティングメンブレン１００の表面には絶縁層
(Si3N4、SiO2など）９を介して、熱をよく吸収する金ブ
ラックやNiCrなどの赤外線吸収膜６で覆ってある。
【００１０】図１の構造の梁２は矩形空洞部の四隅から
延ばすので、四か所の支持部を有するが、リード線３は
この内の二本を通る。そこで残った二本の梁はリード線
が通らず、リード線３の分だけ肉厚がないことになる。
そこでリード線３が通過しない梁のうち、リード線３と
略同一構成で、どこにも接続しないダミー配線４を設け
ることにしておくと、各梁の力学的条件がほぼ同一にな
り、赤外線センサの機能に影響せず構造的強度を向上さ
せることができる。このダミー配線４はリード線３を形
成する際に同時に形成できるため付加的工程を必要とし
ない。
延ばすので、四か所の支持部を有するが、リード線３は
この内の二本を通る。そこで残った二本の梁はリード線
が通らず、リード線３の分だけ肉厚がないことになる。
そこでリード線３が通過しない梁のうち、リード線３と
略同一構成で、どこにも接続しないダミー配線４を設け
ることにしておくと、各梁の力学的条件がほぼ同一にな
り、赤外線センサの機能に影響せず構造的強度を向上さ
せることができる。このダミー配線４はリード線３を形
成する際に同時に形成できるため付加的工程を必要とし
ない。
【００１１】この実施例の構造と図４の従来例とを比較
するために、両構造に対してシミュレーションを行っ
た。入射赤外線の量が3.12(W/m2)の同一条件のもとで、
この赤外線センサの温度上昇がどの程度になるかを理論
計算したところ、図５ないし図６に示すように、本発明
の構成のフローティングメンブレンの温度上昇は最高で
7.86(mK)の値となる。従来構造の場合、図７、図８に示
すように、最高上昇温度は2.03(mK)にしかならず、本実
施例の構成では約四倍の断熱効果があることがわかる。
図の各分割部分の差異は温度上昇の程度を示すもので、
ハッチングの密度の高い部分が温度上昇の高い部分であ
る。温度上昇の程度は1/1000度のオーダーであるので、
四倍程度の断熱性向上でもかなりの効果がある。
するために、両構造に対してシミュレーションを行っ
た。入射赤外線の量が3.12(W/m2)の同一条件のもとで、
この赤外線センサの温度上昇がどの程度になるかを理論
計算したところ、図５ないし図６に示すように、本発明
の構成のフローティングメンブレンの温度上昇は最高で
7.86(mK)の値となる。従来構造の場合、図７、図８に示
すように、最高上昇温度は2.03(mK)にしかならず、本実
施例の構成では約四倍の断熱効果があることがわかる。
図の各分割部分の差異は温度上昇の程度を示すもので、
ハッチングの密度の高い部分が温度上昇の高い部分であ
る。温度上昇の程度は1/1000度のオーダーであるので、
四倍程度の断熱性向上でもかなりの効果がある。
【００１２】また、基板に熱が伝わりにくいことから基
板部の温度上昇が抑制されるために、この赤外線センサ
をマトリクス状に配置させる場合に、より高密度に配置
させることができ、隣接素子とのクロストークが生じに
くく、空間分解能を向上させた平面赤外線センサが提供
できる。
板部の温度上昇が抑制されるために、この赤外線センサ
をマトリクス状に配置させる場合に、より高密度に配置
させることができ、隣接素子とのクロストークが生じに
くく、空間分解能を向上させた平面赤外線センサが提供
できる。
【００１３】このフローティングメンブレン１００を有
する構造の赤外線センサの製造は、構造的に従来と異な
る特徴をもつが、従来より使用されている表面マイクロ
マシニング技術などを用いて作成できる。まずSi基板１
２上の空洞部１１を設ける部分に、後に空洞部を形成す
る際にエッチングされる犠牲層を形成する。その上に絶
縁層７を形成し、そしてその上に感熱素子１をマスクパ
ターンで形成し、素子１を保護する絶縁層８を形成し
て、コンタクトを取る孔を形成して電極形成し、Alなど
でリード線３をパターン形成する。リード線３と同時に
ダミー配線４もパターン形成する。その上に絶縁層９を
形成した後、受光部分であるフローティングメンブレン
部に金ブラックで赤外線吸収膜６を形成する。特徴ある
工程は、空洞部１１を形成する部分で、エッチングで開
口したスリット部１０と小孔５とでエッチング液を受光
部の裏面側に到らしめて異方性エッチングでフローティ
ングメンブレン下に空洞部１１を穿ち、本構造の赤外線
センサを形成する。
する構造の赤外線センサの製造は、構造的に従来と異な
る特徴をもつが、従来より使用されている表面マイクロ
マシニング技術などを用いて作成できる。まずSi基板１
２上の空洞部１１を設ける部分に、後に空洞部を形成す
る際にエッチングされる犠牲層を形成する。その上に絶
縁層７を形成し、そしてその上に感熱素子１をマスクパ
ターンで形成し、素子１を保護する絶縁層８を形成し
て、コンタクトを取る孔を形成して電極形成し、Alなど
でリード線３をパターン形成する。リード線３と同時に
ダミー配線４もパターン形成する。その上に絶縁層９を
形成した後、受光部分であるフローティングメンブレン
部に金ブラックで赤外線吸収膜６を形成する。特徴ある
工程は、空洞部１１を形成する部分で、エッチングで開
口したスリット部１０と小孔５とでエッチング液を受光
部の裏面側に到らしめて異方性エッチングでフローティ
ングメンブレン下に空洞部１１を穿ち、本構造の赤外線
センサを形成する。
【００１４】（第二実施例）図２は、梁の分岐をさらに
二重にして、スリットが三本となった梁構造の場合であ
る。この場合は、より熱流経路が長くとれ、より微弱な
赤外線受光の場合に適している。梁が一本分増加する分
だけ受光面積が減少するが、この構造は特殊な目的、例
えば微弱でスポットビーム的な赤外線を検出する赤外線
センサとして向いている。
二重にして、スリットが三本となった梁構造の場合であ
る。この場合は、より熱流経路が長くとれ、より微弱な
赤外線受光の場合に適している。梁が一本分増加する分
だけ受光面積が減少するが、この構造は特殊な目的、例
えば微弱でスポットビーム的な赤外線を検出する赤外線
センサとして向いている。
【００１５】（第三実施例）図３の場合は、支点の数を
図１の半分の二箇所にした場合で、受光メンブレンを支
える強度は半分になるが、熱流経路が図１の倍になるの
で、断熱性が向上し、感度が向上する。また梁の周囲の
スリット形状も比較的単純なので形成し易く、無駄の少
ない構造とできる。この構造の場合は、梁を軸とする回
転モーメントがあり、共振する振動周波数が存在するの
で、そのような共振条件を含まない使用環境に利用され
る。
図１の半分の二箇所にした場合で、受光メンブレンを支
える強度は半分になるが、熱流経路が図１の倍になるの
で、断熱性が向上し、感度が向上する。また梁の周囲の
スリット形状も比較的単純なので形成し易く、無駄の少
ない構造とできる。この構造の場合は、梁を軸とする回
転モーメントがあり、共振する振動周波数が存在するの
で、そのような共振条件を含まない使用環境に利用され
る。
【００１６】なお、上記第一ないし第三実施例では、梁
の支持や分岐は対称位置で行っていたが、対称位置から
ずれた位置で実施してもよい。
の支持や分岐は対称位置で行っていたが、対称位置から
ずれた位置で実施してもよい。
【００１７】以上のように本発明の構成により、僅かな
赤外線でも従来の倍以上の分解能が得られる赤外線セン
サを提供することができた。
赤外線でも従来の倍以上の分解能が得られる赤外線セン
サを提供することができた。
【図１】本発明の第一実施例の梁構造を示す構造図。
【図２】本発明の第二実施例の梁構造を示す構造図。
【図３】本発明の第三実施例の梁構造を示す構造図。
【図４】従来の受光メンブレン構成の赤外線センサを示
す説明図。
す説明図。
【図５】第一実施例の構成で赤外線を定量照射された場
合のシミュレーションによる熱分布図。
合のシミュレーションによる熱分布図。
【図６】図５の部分拡大図。
【図７】従来構成の図４に示す構成で、図５と同一条件
で赤外線を照射された場合のシミュレーションによる熱
分布図。
で赤外線を照射された場合のシミュレーションによる熱
分布図。
【図８】図７の部分拡大図。
１、２１、３１、４１ 感熱素子
２、２２、３２、４２ 梁
３、２３、３３、４３ 電極配線
４、２４、３４ ダミー配線
５、２５、３５ 空気抜き孔
６、２６、３６、４６ 赤外線吸収膜
７ 絶縁層（Si3N4 、SiO2など)
８ 絶縁層（Si3N4 、SiO2など)
９ 絶縁層（Si3N4 、SiO2など)
１０ａ、１０ｂ、３０ａ、３０ｂ、４０ａ、４０ｂ、５
０ スリット １１ 空洞部 １２ 基板（Si基板） １３、２７、３７、４７ 電極 １００、２００、３００、４００ フローティングメン
ブレン （受光メンブレン、受光部）
０ スリット １１ 空洞部 １２ 基板（Si基板） １３、２７、３７、４７ 電極 １００、２００、３００、４００ フローティングメン
ブレン （受光メンブレン、受光部）
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01J 1/00 - 1/60
G01J 5/00 - 5/62
Claims (2)
- 【請求項１】薄膜に形成され、感熱素子を含んだ赤外線
の受光部と、該受光部を断熱的に宙吊りで支える梁と、
該梁を支える基板とを備えて成る赤外線センサにおい
て、 前記基板から延びる前記梁が、複数方向に分岐して、 前記受光部と連結しており、 前記感熱素子のリード線が通る梁以外の梁に、前記リー
ド線と略同一構成で、どこにも接続しないダミー配線を
設けること を特徴とする赤外線センサ。 - 【請求項２】薄膜に形成され、感熱素子を含んだ赤外線
の受光部と、該受光部を断熱的に宙吊りで支える梁と、
該梁を支える基板とを備えて成る赤外線センサにおい
て、 前記梁に、前記受光部の外周に沿った、少なくとも二重
以上のスリットを有しており、 前記感熱素子のリード線が通る梁以外の梁に、前記リー
ド線と略同一構成で、どこにも接続しないダミー配線を
設けること を特徴とする赤外線センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35458293A JP3374498B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 赤外線センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35458293A JP3374498B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 赤外線センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07198474A JPH07198474A (ja) | 1995-08-01 |
| JP3374498B2 true JP3374498B2 (ja) | 2003-02-04 |
Family
ID=18438530
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35458293A Expired - Fee Related JP3374498B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 赤外線センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3374498B2 (ja) |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3637665B2 (ja) * | 1996-01-23 | 2005-04-13 | 松下電器産業株式会社 | 焦電型赤外線検出素子 |
| JP3529596B2 (ja) * | 1997-08-06 | 2004-05-24 | 株式会社東芝 | 赤外線固体撮像装置及びその製造方法 |
| JP3175662B2 (ja) * | 1997-10-07 | 2001-06-11 | 日本電気株式会社 | 熱型赤外線検出素子の製造方法 |
| JP3809718B2 (ja) * | 1997-12-26 | 2006-08-16 | 日産自動車株式会社 | 赤外線検知素子 |
| JP3109480B2 (ja) * | 1998-06-15 | 2000-11-13 | 日本電気株式会社 | 熱型赤外線検出素子 |
| EP1147387B1 (en) * | 1998-12-18 | 2005-09-28 | Daewoo Electronics Corporation | Infrared bolometer |
| JP3812881B2 (ja) * | 2000-11-22 | 2006-08-23 | 株式会社アイ・エイチ・アイ・エアロスペース | 赤外線検出素子 |
| JP3672516B2 (ja) * | 2001-09-28 | 2005-07-20 | 株式会社東芝 | 赤外線センサ装置及びその製造方法 |
| JP4241245B2 (ja) * | 2002-10-25 | 2009-03-18 | 株式会社デンソー | センサ装置 |
| JP4528720B2 (ja) * | 2005-12-28 | 2010-08-18 | 株式会社東芝 | 赤外線検出素子およびその製造方法と赤外線カメラ |
| JP4848826B2 (ja) * | 2006-04-24 | 2011-12-28 | パナソニック電工株式会社 | 赤外線センサ |
| JP5054628B2 (ja) * | 2008-07-15 | 2012-10-24 | パナソニック株式会社 | 赤外線センサ |
| JP2011033393A (ja) * | 2009-07-30 | 2011-02-17 | Ricoh Co Ltd | メンブレン部を有する半導体装置とその製造方法 |
| CN103708406B (zh) * | 2013-12-12 | 2019-04-16 | 中国计量学院 | 一种可隔离封装应力的谐振式红外探测器结构及制作方法 |
| JP2015175728A (ja) * | 2014-03-14 | 2015-10-05 | 株式会社リコー | マイクロデバイス及びそれを備えた画像形成装置 |
| WO2017094280A1 (ja) * | 2015-11-30 | 2017-06-08 | 国立大学法人東京大学 | ボロメータ型テラヘルツ波検出素子およびボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ |
-
1993
- 1993-12-27 JP JP35458293A patent/JP3374498B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH07198474A (ja) | 1995-08-01 |
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