JP3866040B2 - 構造的に安定した赤外線ボロメーター - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、赤外線ボロメーターに関し、特に、構造的に安定した赤外線ボロメーターに関する。
【０００２】
（背景技術）
ボロメーターは、放射熱流束に露出された材料(いわゆる、ボロメーター要素)の抵抗変化に基づいたエネルギー検出器である。前記ボロメーター要素は、金属や半導体材料から作られる。金属の場合、温度に応じて高くなる典型的な抵抗率変化は、根本的に担体移動度の変化に起因するものである。高い抵抗率の半導体ボロメーター要素では、温度に応じて自由担体密度が指数関数的に変化し、相対的に大きい敏感度を得ることができる。しかし、ボロメーターに用いられる半導体の薄膜製造は難しい。
【０００３】
図1は米国出願番号09/207,054の「INFRARED BOLOMETER WITH AN ENHANCED STRUCTURAL STABILITY AND INTEGRITY」という名称の3層構造ボロメーター1を説明する斜視図であり、図2は図1の3層構造ボロメーター1のA-A線における断面図である。前記ボロメーター1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を含む。
【０００４】
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。それぞれの接続端子14は、集積回路に電気的に接続され、保護層16は基板12を覆っている。
【０００５】
支持レベル20は絶縁物質からなる支持橋脚22及び電気的に導体である物質で作られた1対の伝導線24を含む。支持橋脚22は1対のアンカー部22a、1対の脚部22b及び高架部22cを含む。駆動基板レベル10に固定されたそれぞれのアンカー部22aはビアホール(via hole)26を含み、これを介してそれぞれの伝導線24の一端は駆動基板レベル10のそれぞれの接続端子14に電気的に接続されており、前記それぞれの脚部22bは高架部22cを支持し、その上の各伝導線24の他端は互いに電気的に接続されていない。また、高架部22cは駆動基板レベル10と吸収レベル30の間の熱交換を最小化する目的で、蛇行状をなすべく形成される。
【０００６】
吸収レベル30は吸収体32に取囲まれたボロメーター要素36、吸収体32の下部に形成された反射層34、及び吸収体32の上部に形成された赤外線吸収コーティング38(以下、IR吸収コーティング38)を含む。前記反射膜34は金属からなり、透過された赤外線を四角形の吸収体32に戻すために用いられる。IR吸収コーティング38は吸収効率を高めるために用いられる。
【０００７】
それぞれのポスト40は吸収レベル30と支持レベル20の間に位置し、それぞれのポスト40の上部は吸収体32の中央部に取り付けられ、その下部は支持橋脚22の高架部22cに取り付けられる。それぞれのポスト40は絶縁物質44に取囲まれており、金属で作られた電管42を含む。前記電管42の上端がボロメーター要素36の一端に電気的に接続され、下端は支持レベル20の対応する伝導線24に電気的に接続されることによって、吸収レベル30のボロメーター要素36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る。
【０００８】
赤外線放射エネルギーにさらされると、ボロメーター要素34の抵抗が増加し、それに伴って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で増幅され、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。
【０００９】
前記ボロメーターの主たる欠点の一つは、その形成過程で蓄積された応力が解放されることによる構造的な不安定性である。例えば、図3に示すように、四角形状を有する吸収体32がその中心部でポスト40によって支持されるので、内部の応力がその各々のコーナー部から矢印で示す向きに解放されようとするので、吸収体32の全体的な形状を変形させ、赤外線ボロメーター1の構造的な完全性に悪影響を与える。
【００１０】
（発明の開示）
従って、本発明の目的は、構造的に安定した赤外線ボロメーターを提供することにある。
【００１１】
本発明の一側面によると、赤外線ボロメーターが提供され、前記赤外線ボロメーターは、基板及び1対の接続端子を含む駆動基板レベル、その端が駆動基板レベルと固定される支持橋脚及び1対の伝導線を有する支持レベルと、吸収体及び吸収体に取囲まれたボロメーター要素を含み、その変形防止のために側縁（side edge）に沿ってまたはその近傍に溝が形成された吸収レベルと、吸収レベルと支持レベルの間に位置し、それぞれが電管を有する1対のポストとから構成され、それぞれのポストの上端が吸収体の下部中央部に、下端が支持橋脚に取り付けられることによって、ボロメーター要素の両端がそれぞれの電管及び伝導線を介してそれぞれの接続端子に電気的に接続されることを特徴とする。
【００１２】
（発明を実施するための最良の形態）
図4及び図5は、それぞれ本発明の赤外線ボロメーター100を示す斜視図及び断面図である。
【００１３】
本発明の赤外線ボロメーター100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。
【００１４】
前記駆動基板レベル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。それぞれの金属製接続端子114は、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(SiN_X)で作られた保護層116は基盤112を覆っている。
【００１５】
支持レベル120は、例えばシリコン窒化物(SiN_X)、シリコン酸化物(SiO₂)またはシリコン室化酸化物(SiO_XN_Y)のような絶縁物質で作られた支持橋脚122及びチタン(Ti)のような電気的に導体である物質で作られた1対の伝導線124を含む。前記支持橋脚122は、1対のアンカー部122a、1対の脚部122b、及び1つの高架部122cを含む。それぞれのアンカー部122aは前記駆動基板レベル110に固定されており、ビアホール(via hole)126を含み、これを介して前記それぞれの伝導線124の一端が駆動基板レベルのそれぞれの接続端子114に電気的に接続される。それぞれの脚部112bは高架部122cを支持し、前記高架部122cにおいて、各伝導線124の他端は互いに電気的に接続されていない。また、高架部122cは蛇行状をなし、それにより前記駆動基板レベル110と吸収レベル130の間の熱交換を最小化する。
【００１６】
前記吸収レベル130は、吸収体132に取囲まれたボロメーター要素136、吸収体132の下部に形成された反射膜134、及び吸収体132の上部に位置するIR吸収コーティング138を含む。吸収レベル130は側縁に沿って、またはその近傍に形成された接続溝201を有する。溝201は、吸収レベル130が変形することを防止するべく一体化されている。さらに詳しくは、吸収レベル130にその形成過程で集積した応力が解放されることを妨げることで、赤外線ボロメーターが構造的に変形することを防ぐ。吸収体132は低い熱伝導率を有するシリコン窒化物(SiN_X)、シリコン酸化物(SiO₂)またはシリコン窒化酸化物(SiO_XN_Y)のような絶縁物質からなる。例えば、アルミニウムまたは白金のような金属で作られた反射層134は、吸収体132を通過した赤外線を吸収体132に戻すために用いられる。例えば、ブラックゴールド(black gold)で作られたIR吸収コーティング138は、吸収効率を高めるために用いられる。本発明のボロメーター要素136は正の抵抗温度係数(TCR)を有する物質、例えばチタンで作られている。
【００１７】
それぞれのポスト140は、吸収レベル130及び支持レベル120の間に形成され、ここで前記それぞれのポスト140の上部は吸収体132の中央部に取り付けられ、下部は支持橋脚122の高架部122cに取り付けられる。それぞれのポスト140は、例えばシリコン窒化物(SiN_X)、シリコン酸化物(SiO_X)、またはシリコン窒化酸化物(SiO_XN_Y)で作られた絶縁物質144に取囲まれており、金属、例えばチタン(Ti)で作られた電管142を含む。それぞれの電管142の上端が対応するボロメーター要素136の一端に電気的に接続されており、下端は対応する支持レベル120の伝導線124に電気的に接続されていることにより、吸収レベル130のボロメーター要素136の両端は、前記電管142、伝導線124、及び接続端子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。
【００１８】
赤外線エネルギーにさらされると、前記ボロメーター要素136の抵抗が変化し、そ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。
【００１９】
前記赤外線ボロメーターにおいて吸収レベルに形成された溝が、その形成過程に於いて吸収レベルに蓄積された応力の解放を妨げることで、赤外線ボロメーターが構造的に変形することを防ぐので、赤外線ボロメーターが構造的に変形することを防ぐ。
【００２０】
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ー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ーを説明するA-A線断面図である。
【図３】 従来の発明による吸収層の変形を説明する斜視図である。
【図４】 本発明による赤外線ボロメーターを説明する斜視図である。
【図５】 図4に示した赤外線ボロメーターを説明するB-B線断面図である。

Claims (9)

1. 赤外線ボロメーターであって、
   基板及び１対の接続端子を含む駆動基板レベルと、
   前記駆動基板レベルにその端部が固定されている１つの支持橋脚及び１対の伝導線を含む支持レベルと、
   赤外線吸収体及び前記赤外線吸収体に取囲まれたボロメーター要素を含み、その変形防止のために有底の溝が前記ボロメーター要素を取り巻く形で側縁に沿って形成された吸収レベルと、
   前記吸収レベルと前記支持レベルの間に位置し、それぞれが電管を含む１対のポストとから構成され、それぞれの前記ポストの上端が前記赤外線吸収体の下方中央部に取り付けられ、その下端が前記支持橋脚に取り付けられることによって、前記ボロメーター要素の両端がそれぞれ前記電管及び前記伝導線を介してそれぞれ接続端子と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ー。
2. 前記支持橋脚は１対のアンカー部、１対の脚部、及び１つの高架部を含むことを特徴とする請求項１に記載のボロメーター。
3. 前記それぞれのアンカー部は前記駆動基板レベルに固定されることを特徴とする請求項２に記載のボロメーター。
4. 前記それぞれのアンカー部はビアホールを含み、これを介して前記それぞれの伝導線の一端が対応する接続端子に電気的に接続されており、他端が対応する前記支持橋脚の前記高架部で電気的に接続されていないことを特徴とする請求項２に記載のボロメーター。
5. 前記支持橋脚の前記高架部が蛇行状をなすことを特徴とする請求項２に記載のボロメーター。
6. 前記それぞれのポストの上端は前記赤外線吸収体の中央部に取り付けられ、下端は前記支持橋脚の前記高架部に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のボロメーター。
7. 前記赤外線吸収体の下部に形成された赤外線反射層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のボロメーター。
8. 前記赤外線吸収体の上部に形成されるＩＲ吸収コーティングをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のボロメーター。
9. 駆動基板レベル、支持レベル及び吸収レベルを有する３層構造赤外線ボロメーターであって、
   前記吸収レベルが、赤外線吸収体及び前記赤外線吸収体に取囲まれたボロメーター要素を有し、その内部に蓄積された応力の解放を妨げるための有底の溝を、前記ボロメーター要素を取り巻く形で側縁に沿って有することで、前記吸収レベルの変形を防ぐことを特徴とするボロメーター。

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