JP3396719B2 - 赤外線ボロメータ - Google Patents

赤外線ボロメータ

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JP3396719B2 JP2000589915A JP2000589915A JP3396719B2 JP 3396719 B2 JP3396719 B2 JP 3396719B2 JP 2000589915 A JP2000589915 A JP 2000589915A JP 2000589915 A JP2000589915 A JP 2000589915A JP 3396719 B2 JP3396719 B2 JP 3396719B2
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ジュ、サング、ベク
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デーウー・エレクトロニクス・カンパニー・リミテッド
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】技術分野 本発明は、赤外線ボロメータに関し、特に、ポストの傾
きを構造的に補償できる赤外線ボロメータに係る。
【0002】発明の背景 放射検出器とは、検出器の活動領域に入射する放射エネ
ルギー量に応じた出力信号を発生させる装置である。赤
外線検出器とは、電磁スペクトルの赤外線領域の放射を
感知可能な放射エネルギー検出器である。このような赤
外線検出器には2つの形式、即ちボロメータを含む熱検
出器及び光子(photon)検出器が存在する。
【0003】光子検出器は、検出器の変換(transducer)
領域に入射され、そこで電子と相互に作用する光子数に
基づいて作動する。光子検出器は電子と光子の間の直接
的な相互作用によって作動するため、ボロメータと比較
して応答速度が速く、感度が高い。しかし、光子検出器
は低い温度でのみ良好に作動するという欠点を有してお
り、追加的冷却装置が必要となる。
【0004】一方、ボロメータは、放射エネルギーの吸
収による検出器の変換領域の温度変化に基づいて作動す
る。ボロメータは、すなわちボロメータ要素と呼ばれる
物質の抵抗変化を出力信号として供給するが、この抵抗
変化は変換領域における温度に比例する。ボロメータ要
素は、金属及び半導体の両方で製作されてきた。金属の
場合、抵抗は、概ね温度と共に減少する典型的な担体移
動度の変化に応じて変化する。自由キャリア密度が温度
の指数関数である高い固有抵抗の半導体ボロメータ要素
では、より大きな感度が得られる。
【0005】図1及び図2は米国出願番号09/120,364の
「BOLOMETER HAVING AN INCREASED FILL FACTOR」とい
う名称の3層構造ボロメータ100を説明する斜視図及び断
面図である。前記ボロメータ100は駆動基板レベル10、
支持レベル20、1対のポスト40、及び吸収レベル30を有
する。
【0006】駆動基板レベル10は集積回路(図示せず)
を含む基板12、1対の接続端子14、及び保護層16を有す
る。それぞれの金属製接続端子14は、基板12の上部に配
置される。例えば、シリコン窒化物(SiNX)からなる保護
層16が基板12を覆っている。1対の接続端子14は集積回
路に電気的に接続されている。
【0007】支持レベル20はシリコン窒化物(SiNX)で作
られる1対の支持橋脚22を含み、それぞれの支持橋脚22
の上部には伝導線24が形成されている。それぞれの支持
橋脚22はアンカー部22a、脚部22b及び高架部22cを含
み、アンカー部22aにはビアホール(via hole)26が形成
され、これを介して伝導線24の一端が接続端子14に電気
的に接続されており、前記脚部22bは高架部22cを支持す
る。
【0008】吸収レベル30は吸収体31によって取囲まれ
たボロメータ要素32、及び吸収体31の上部に形成された
IR吸収コーティング33を有する。吸収体31は、ボロメー
タ要素32を形成する前後にシリコン窒化物を蒸着するこ
とによって加工され、ボロメータ要素32を取囲むように
なる。また、製造の容易さより、ボロメータ要素32の材
料としてはチタン(Ti)が選択された。蛇行形状は前記
ボロメータ要素32に高い抵抗を与える。
【0009】それぞれのポスト40は吸収レベル30と支持
レベル20の間に形成される。それぞれのポスト40は金
属、例えばチタン(Ti)で作られた電管42が、例えばシ
リコン窒化物(SiNX)で作られた絶縁物質44によって取
囲まれている。前記電管42の上端が蛇行状をなすボロメ
ータ要素32の一端に電気的に接続されており、下端が支
持橋脚22上にある前記伝導線24に電気的に接続されてい
ることにより、吸収レベル30の蛇行状をなすボロメータ
要素32の両端は電管42、伝導線24及び接続端子14を介し
て駆動基板レベル10の集積回路に電気的に接続されてい
る。
【0010】赤外線放射エネルギーにさらされると、蛇
行状をなすボロメータ要素32の抵抗が増加し、これに伴
い電流及び電圧が変化する。変化した電流若しくは電圧
が集積回路によって増幅され、増幅された電流若しくは
電圧が検出回路(図示せず)によって読み取られる。
【0011】前記赤外線ボロメータにおいて、支持レベ
ルの支持橋脚はその長さが延長されるカンチレバー状で
設置されることによって、駆動基板レベルと吸収レベル
の間の熱交換が減少するが、そのカンチレバー構造には
依然として問題点がある。赤外線ボロメータの1つの問
題点は、蒸着工程に固有の要素である、支持橋脚に発生
する弾性応力である。支持橋脚に弾性応力、例えば引張
応力を印加すると、支持橋脚のアンカー部は駆動基板レ
ベルに固定されているので、支持橋脚の高架部が応力を
解消するために凹面の曲率で湾曲し、従って高架部の上
部に形成されたポストが傾けられ、前記吸収体が曲がる
ようになる。
【0012】発明の開示 従って、本発明の目的は、ポストの傾きを構造的に補償
できる赤外線ボロメータを提供することにある。
【0013】本発明の一実施態様によると、基板及び1
対の接続端子を含む駆動基板レベルと、1対の支持橋脚
及び1対の伝導線を有する支持レベルであって、支持橋
脚の各々はアンカー部、脚部及び高架部からなり、アン
カー部は駆動基板レベルに取付けられ、高架部は駆動基
板レベルと離隔され、且つ外側部から延在するカンチレ
バー状をなす内側部を含む、支持レベルと、吸収体に取
囲まれているボロメータ要素を含む吸収レベルと、支持
橋脚の内側部の上部に配置された、各々が電管を有する
1対ポストとを含み、ボロメータ要素の各端は対応する
伝導線及び電管を介して対応する接続端子に電気的に接
続されることを特徴とする赤外線ボロメータが提供され
る。
【0014】発明を実施するための形態 図3は本発明による赤外線ボロメータ200を示す斜視図
であり、図4は赤外線ボロメータ200を説明する断面
図、図5は支持橋脚が曲げられたときの赤外線ボロメー
タを説明する断面図である。ここで、図3乃至5の同一
部分には同一参照番号を付して説明する。
【0015】図3及び図4に示す本発明のボロメータ20
0は、駆動基板レベル110、支持レベル120、1対のポス
ト140及び吸収レベル130を含む。
【0016】駆動基板レベル110は集積回路(図示せ
ず)を含む基板112、1対の接続端子114及び保護層116
を有する。金属で作られる接続端子114は、それぞれ基
板112の上部に位置し、集積回路に電気的に接続されて
いる。例えば、シリコン窒化物(SiNX)で作られた保護層
116は、赤外線ボロメータ200の製造工程の間、接続端子
114及び集積回路が化学的、物理的損傷を受けないよう
に保護するために、基板112を覆っている。
【0017】支持レベル120は、例えばシリコン窒化物
(SiNX)、シリコン酸化物(SiO2)、またはシリコン窒化酸
化物(SiOXNY)のような絶縁物質で作られる1対の支持橋
脚122、及び金属、例えばチタン(Ti)で作られた1対の
伝導線124を含み、ここでそれぞれの伝導線124は、対応
する指示橋脚122の上部に位置する。それぞれの支持橋
脚122はアンカー部122a、脚部122b及び高架部122cを含
む。アンカー部122aはビアホール(via hole)126を含
み、このビアホールを介してそれぞれの伝導線124の一
端が対応する接続端子114に電気的に接続されている。
そして、脚部122bは高架部122cを支持する。高架部122c
は外側部302及び内側部301から構成されており、ここで
内側部301の一方の側面301aは外側部302と接続されてお
り、内側部301のもう一方の側面301bはギャップ受303に
よって外側部302と離隔されることによって、前記内側
部301は前記外側部302からカンチレバー状をなすように
なる。
【0018】吸収レベル130は、吸収体131に取囲まれた
ボロメータ要素132、吸収体131の下部に形成された反射
膜133、及び吸収体131の上部に形成されたIR吸収コーテ
ィング134を含む。前記吸収体131は、熱伝導率の低い絶
縁物質、例えばシリコン窒化物(SiNX)、シリコン酸化物
(SiOX)、またはシリコン窒化酸化物(SiOXNY)を、ボロメ
ータ要素132を取囲むようにボロメータ要素132を形成す
る前後に蒸着して形成する。例えば、チタンのような金
属で作られたボロメータ要素132は、蛇行状をなす。反
射膜133は、金属、例えばアルミニウムまたは白金で作
られており、透過した赤外線を吸収体131に戻すために
用いられる。IR吸収コーティング134は、例えばブラッ
クゴールド(black gold)のような物質で作られており、
入射する赤外線の吸収効率を増強するために用いられ
る。
【0019】それぞれのポスト140は、吸収レベル130の
吸収体131の下部及び支持レベル120の支持橋脚の内側部
301の上部に位置する。それぞれのポスト140は、例えば
シリコン窒化物(SiNX)、シリコン酸化物(SiOX)、または
シリコン窒化酸化物(SiOXNY)のような絶縁物質144に取
囲まれた、例えばチタン(Ti)のような金属からなる電管
142を含む。それぞれの電管142の上端がボロメータ
要素132の一端に電気的に接続され、且つ下端が支持橋
脚122の上部の伝導線124に電気的に接続されることによ
って、吸収レベル130のボロメータ要素132の両端は対応
する電管142、対応する伝導線124、及び対応する接続端
子114を介して駆動基板レベル110の集積回路に電気的に
接続されている。
【0020】赤外線エネルギーにさらされると、前記ボ
ロメータ要素132の抵抗が変化し、これに伴い電流及び
電圧が変化する。変化した電流若しくは電圧が集積回路
によって増幅され、増幅された電流若しくは電圧は検出
回路(図示せず)によって読み取られる。
【0021】図5は赤外線ボロメータ200の支持橋脚122
を説明する断面図であり、ここで支持橋脚122に発生す
る弾性応力は、支持橋脚122が曲がることによって解消
される。内側部301及び外側部302は、それに印加された
引張応力によって凹面の曲率で湾曲する。内側部301の
連結側面301aにおいて、その曲率における接線Bは水平
直線Aと第1角(θ1)をなし、ここで第1角(θ1)
は内側部301の初期角として作用する。連結側面301aの
反対側にある内側部301の分離側面301bにおいて、その
曲率における接線Cは接線Bに対して第2角(−θ2)を
なす。ポスト140は前記内側部301の分離側面301bの上部
に位置するので、前記ポスト140の傾斜角(θ3)は、
第1角(θ1)と第2角(−θ2)の和である。内側部
301の長さと外側部302の長さが同様であるので、ポスト
140の傾斜角(θ3)はほとんど0に近接するようにな
り、従って、前記ポスト140の傾きを垂直に構造的に補
償し、前記吸収体131が曲がることを防止できる。
【0022】上記において、本発明の好適な実施の形態
について説明したが、本発明の請求の範囲を逸脱するこ
となく、当業者は種々の改変をなし得るであろう。 [図面の簡単な説明]
【図1】従来の赤外線ボロメータを説明する斜視図であ
る。
【図2】図1に示した従来の赤外線ボロメータを説明す
るA-A線断面図である。
【図3】本発明による赤外線ボロメータを説明する斜視
図である。
【図4】図3に示した本発明による赤外線ボロメータを
説明するB-B線断面図である。
【図5】支持橋脚が曲げられたときの赤外線ボロメータ
を説明する断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−185681(JP,A) 特開 平8−129875(JP,A) 特開 平7−198474(JP,A) 特表2001−516443(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01J 1/00 - 1/60 G01J 5/00 - 5/62 WPI/L JICSTファイル(JOIS)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 赤外線ボロメータであって、 基板及び1対の接続端子を含む駆動基板レベルと、 1対の支持橋脚及び1対の伝導線を有する支持レベルで
    あって、前記支持橋脚の各々はアンカー部、脚部及び高
    架部からなり、前記アンカー部は前記駆動基板レベルに
    取付けられ、前記高架部は前記駆動基板レベルと離隔さ
    れ、且つ外側部からカンチレバー状をなす内側部を含
    む、支持レベルと、 吸収体に取囲まれているボロメータ要素を含む吸収レベ
    ルと、 前記支持橋脚の内側部の上部に配置された、各々が電管
    を有する1対ポストとを含み、 前記ボロメータ要素の各端は前記対応する伝導線及び電
    管を介して対応する接続端子に電気的に接続されること
    を特徴とする赤外線ボロメータ。
  2. 【請求項2】 前記それぞれの支持橋脚において、前
    記内側部の一方の側面は前記外側部に連結されているこ
    とを特徴とする請求項1に記載の赤外線ボロメータ。
  3. 【請求項3】 前記支持橋脚の各々において、前記内
    側部の他方の側面は前記外側部とギャップによって離隔
    されていることを特徴とする請求項2に記載の赤外線ボ
    ロメータ。
  4. 【請求項4】 前記吸収レベルは前記吸収体の下部に
    形成された反射膜を更に含むことを特徴とする請求項1
    に記載の赤外線ボロメータ。
  5. 【請求項5】 前記吸収レベルは前記吸収体の上部に
    形成されたIR吸収コーティングを含むことを特徴とする
    請求項4に記載の赤外線ボロメータ。
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