JP4075222B2 - 抵抗変化型赤外線検出器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、いわゆるボロメータ、即ち抵抗変化型赤外線検出器に関する。
【0002】
【従来の技術】
抵抗変化型赤外線検出器(ボロメータ)は、画素を形成する抵抗体の、赤外線の照射により温度が上昇し、それに伴って抵抗値が上昇することを利用し、抵抗値の追跡から赤外線の照射量を検出するものである。尚、「抵抗体」とは、一般には導体とされる材料(例えば金属)をも含むものとし、その材料により形成された導通部を指すものとする。
【0003】
シリコン(Si)基板等半導体基板上に作製される抵抗変化型赤外線検出器の場合、画素を形成する抵抗体としては白金(Pt)、チタン(Ti)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)などの金属及び酸化バナジウム(VOx)などの酸化物半導体などが用いられる。白金(Pt)等赤外線を反射しやすい導体を抵抗体として用いる場合、赤外線を反射しないよう、金黒、白金黒などの皮膜を形成して感熱抵抗体とすることが有効である。また、赤外線照射以外の、周囲の温度変化による抵抗値変化を相殺するため、同種金属による同形状の基準抵抗体を設けて、それとの抵抗値の差を取ることが広く行われている。
【0004】
図6に、感熱抵抗体と基準抵抗体をとから成る抵抗変化型赤外線検出器の概略を示す。図6の(a)が感熱抵抗体、図6の(b)が基準抵抗体である。感熱抵抗体は、赤外線の照射による熱QIRにより温度上昇し、抵抗値がRIRとなる。これを定電流電源により電流Iをかけ、感熱抵抗体の電圧降下VIRを読み取る(図6の(a))。ここで、赤外線の照射に関係のない環境温度の変化による抵抗値の変化分を相殺するため、基準抵抗体に定電流電源により電流I0をかけ、電圧降下V0を読みとる(図6の(b))。ここで、感熱抵抗体と基準抵抗体が全く同種の抵抗材料から成り、同形状に成形されているならば、赤外線の照射に関係のない環境温度の変化による抵抗値の変化は全く等しいので、2つの定電流電源の電流I及びI0を等しくおけば、電圧降下VIRと電圧降下V0の差VIR−V0は、常に感熱抵抗体への赤外線の照射による熱QIRに比例する。これにより、赤外線の照射量(相対量)を検出するものである。
【0005】
図7に、支持基板10上に形成された感熱抵抗体と基準抵抗体の断面図を示す。感熱抵抗体31は、支持基板10表層部に空洞50を設け、絶縁膜20から成る隔壁上に形成される。感熱抵抗体31は赤外線吸収膜40により被覆されている。感熱抵抗体31は、空洞50の存在により、赤外線が赤外線吸収膜40に照射するとその発生する熱が支持基板10に散逸することがない。一方、基準抵抗体32は、支持基板10に直接絶縁膜20が被覆された上に形成される。よって基準抵抗体32は支持基板10及び絶縁膜20とほぼ熱的に平衡であり、赤外線の照射によっては殆ど温度上昇しない。
【0006】
空洞50は、図示しない犠牲層の形成と異方性エッチングにより、絶縁膜20及び感熱抵抗体31の形成後に形成することが可能である。また、図7は、支持基板10上に形成された感熱抵抗体と基準抵抗体の概略を示すものであり、実際には保護層が数層形成される。
【0007】
感熱抵抗体の形成方法の1例を図8に示す。白金(Pt)のような良導体で感熱抵抗体31を形成する際は、導通部をジグザグの細線とすることも有用である。この際、金黒或いは白金黒による赤外線吸収膜40は、図8の(a)のようにジグザグの細線の白金(Pt)導通部を1の矩形領域として覆うことで、赤外線を検出する領域を広く取ることができる。即ち、赤外線吸収膜40の面積が1の画素を形成する。尚、基準抵抗体32は感熱抵抗体31と同一形状及び同一膜厚に形成する。
【0008】
このような構成の、複数の感熱抵抗体と1の基準抵抗体による赤外線検出器を図9に示す。n個の感熱抵抗体91−1、91−2、…、91−nについて、各々MOSトランジスタにより形成されるn個のスイッチ910−1、910−2、…、910−nを介して定電流電源94と接続しておく。n個のスイッチ910−1、910−2、…、910−nは、スキャナ回路93により、順次1つずつ接続されるように構成されている。基準抵抗体92には定電流電源95を接続する。こうして、電位差計96により、n個の感熱抵抗体91−1、91−2、…、91−nの電圧降下と基準抵抗体92の電圧降下との差を順次出力する。これにより、n個の感熱抵抗体91−1、91−2、…、91−nに対応するn個の画素に照射する赤外線量に比例する電圧を電位差計96の出力端子97から得ることができる。こうしてn個の感熱抵抗体91−1、91−2、…、91−nをマトリックス状に配置し、出力端子97を表示装置に接続して電圧に応じて輝度が変化するようにすれば、赤外線による撮像装置が容易に構成できる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、複数の感熱抵抗体に対し、1の基準抵抗体との差分を取る場合次のような問題がある。第1に、同種金属による同膜厚同形状の抵抗体を設計しても、作製時に形状がバラツキ、これにより各抵抗体の抵抗値のバラツキを生じてしまうことである。第2に、測定中の周辺からの温度吸収が、各抵抗体の基板上の位置により温度差が生じ、各抵抗体の抵抗値にバラツキがでてしまうことである。よって従来の抵抗変化型赤外線検出器においては各抵抗体の基板上の位置によって温度バラツキが生じないよう、温度調節器が必須であった。また、作製バラツキによるオフセット抵抗を補正するため、従来は作製後に全ての感熱抵抗体について、基準抵抗体との補正パラメータ算出後、ROM等の記憶装置に記憶させていた。即ち、測定時にROMデータからD/A変換により各抵抗体ごとに定電流を変化させて補正することにより、各画素に照射する赤外線量を求めていた。
【0010】
よって本発明の目的は、赤外線を検出する画素の有効面積比率を大きくしたまま環境温度による温度ドリフトを小さく抑えた、簡易な演算回路による抵抗変化型赤外線検出器を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の手段によれば、感熱抵抗体と、基準抵抗体とから成る抵抗変化型赤外線検出器において、赤外線を検出する1の単位領域が複数個の小領域に区分され、その複数個の小領域を、市松様に小感熱抵抗体領域と小基準低抗体領域とに区分し、小感熱抵抗体領域と小基準低抗体領域とに感熱抵抗体と基準低抗体とを配置し、各々連結して1の感熱抵抗体列及び1の基準低抗体列とした赤外線検出単位領域を有することを特徴とする。
【0013】
また、請求項2に記載の手段によれば、請求項1に記載の抵抗変化型赤外線検出器において、基準低抗体は支持基板に直接又は間接的に接しており、感熱抵抗体は支持基板と空洞を介して熱的に絶縁された構造をとっていることを特徴とする。ここで空洞とは、支持基板をエッチするなどしてできた、固体が無い部分を言う。
【0015】
【作用及び発明の効果】
小さな感熱抵抗体と小さな基準抵抗体を市松様に配置し、それぞれ連結して1の感熱抵抗体列及び基準抵抗体列とすれば、1検出単位領域中の環境温度勾配による感熱抵抗体列と基準抵抗体列との抵抗偏差は十分相殺される。これにより、感熱抵抗体列と基準抵抗体列の電圧降下の差は、感熱抵抗体列の赤外線照射量と比例させることができる(請求項1)。
【0016】
また、請求項1に記載の手段の場合、素子作成時に各々近接した位置に作成されるので、感熱抵抗体と基準抵抗体の抵抗値オフセットを小さく抑えることも可能となる。
【0018】
基準抵抗体が支持基板と熱的に平衡であり、感熱抵抗体が支持基板と熱的に絶縁されていれば、感熱抵抗体の抵抗変化と基準抵抗体の抵抗変化との差は感熱抵抗体に照射される赤外線量に比例する(請求項2)。また、例えば赤外線吸収膜を感熱抵抗体のみに形成すれば赤外線照射による温度上昇を確実にすることができる。以上の基準抵抗体と感熱抵抗体が同種金属を用いて同一形状に形成されていれば、赤外線の照射が無い場合の基準抵抗体と感熱抵抗体の抵抗値は等しく、簡易な回路で赤外線の照射量(相対量)を検出する抵抗変化型赤外線検出器を作製することができることは明らかである。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の具体例を図を用いて説明する。尚、本発明の要部は感熱抵抗体と基準抵抗体の配置であり、適宜配置の位置のみを表示することで説明する。
【0020】
〔第1実施例〕
図1の(a)は、8個の小型感熱抵抗体11−nと8個の小型基準抵抗体12−nを市松様に配置し、各々連結することで1の感熱抵抗体列、基準抵抗体列とした抵抗変化型赤外線検出器の単位領域100を示したものである。図1の(b)は、抵抗変化型赤外線検出器の単位領域100の、小型感熱抵抗体11−n上に形成された赤外線吸収膜41の配置を斜線で示したものであり、8個の赤外線吸収膜41全体が1の画素を形成する。8個の小型感熱抵抗体11−nと8個の小型基準抵抗体12−nは全て同種の金属で同一形状同一膜厚に形成される。これにより、感熱抵抗体(列)と基準抵抗体(列)との間の環境温度勾配による影響を抑えた単位領域を有する抵抗変化型赤外線検出器を形成できる。
【0021】
〔第2実施例〕
図2の(a)は、2つの感熱抵抗体311−n−1、311−n−2と、それと比較される基準抵抗体321−nから成る繰り返し単位を有する抵抗変化型赤外線検出器の抵抗体の配置図である。感熱抵抗体311−n−1及び311−n−2は、隣接する基準抵抗体321−nと抵抗値(定電流による電位差)をそれぞれ比較されることで、赤外線検出画素となる。2つの感熱抵抗体311−n−1及び311−n−2並びに基準抵抗体321−nから成る繰り返し単位を所望の画素数分配置することで、画素の総面積が占める割合を2/3まで向上させた抵抗変化型赤外線検出器を形成できる。感熱抵抗体311−n−1、311−n−2と基準抵抗体321−nは全て同種の金属で同一形状同一膜厚に形成される。これにより、感熱抵抗体と基準抵抗体との間の環境温度勾配による影響を抑えた抵抗変化型赤外線検出器を形成できる。
【0022】
一方、図2の(b)は、8つの感熱抵抗体312−n−1、312−n−2、…、312−n−8と、それと比較される基準抵抗体322−nから成る繰り返し単位を有する抵抗変化型赤外線検出器の抵抗体の配置図である。感熱抵抗体312−n−1、312−n−2、…、312−n−8は、隣接する基準抵抗体322−nと抵抗値(定電流による電位差)をそれぞれ比較されることで、赤外線検出画素となる。8つの感熱抵抗体311−n−1及び311−n−2並びに基準抵抗体321−nから成る繰り返し単位を所望の画素数分配置することで、画素の総面積が占める割合を8/9まで向上させた抵抗変化型赤外線検出器を形成できる。感熱抵抗体312−n−1、312−n−2、…、312−n−8と基準抵抗体322−nは全て同種の金属で同一形状同一膜厚に形成される。これにより、感熱抵抗体と基準抵抗体との間の環境温度勾配による影響を抑えた抵抗変化型赤外線検出器を形成できる。
【0023】
〔第3実施例〕
図3は、基準抵抗体32を支持基板10の裏面に形成した抵抗変化型赤外線検出器の1画素領域の断面図である。感熱抵抗体31は支持基板10表面に形成された空洞50を覆う絶縁膜20の上層に形成され、更に赤外線吸収膜40に覆われる。感熱抵抗体31と基準抵抗体32は同種の金属で同一形状同一膜厚に形成される。これにより、感熱抵抗体と基準抵抗体との間の環境温度勾配による影響を抑えた、総画素面積の大きい抵抗変化型赤外線検出器を形成できる。
【0024】
〔第4実施例〕
図4は、1画素中で感熱抵抗体31と基準抵抗体32を空洞50を介した重層構造とした抵抗変化型赤外線検出器の1画素領域の断面図である。支持基板10表面に形成された凹部500に絶縁膜22を形成し、その上に基準抵抗体32を形成する。基準抵抗体32上には空洞50を保つよう、絶縁膜20が形成される。絶縁膜20の上層に感熱抵抗体31が形成され、更に赤外線吸収膜40に覆われる。感熱抵抗体31と基準抵抗体32は同種の金属で同一形状同一膜厚に形成される。これにより、感熱抵抗体と基準抵抗体との間の環境温度勾配による影響を抑えた、総画素面積の大きい抵抗変化型赤外線検出器を形成できる。
【0025】
〔変形例〕
図5は、1画素中で感熱抵抗体31と基準抵抗体32を空洞50を介した重層構造とした抵抗変化型赤外線検出器の1画素領域の断面図である。支持基板10表面に絶縁膜20が形成され、その上に基準抵抗体32が形成される。基準抵抗体32上部に空洞50を保つよう、絶縁性構造体25が形成される。絶縁性構造体25はその上に赤外線吸収膜40に覆われた感熱抵抗体31を保持できるものである。感熱抵抗体31と基準抵抗体32は同種の金属で同一形状同一膜厚に形成される。これにより、感熱抵抗体と基準抵抗体との間の環境温度勾配による影響を抑えた、総画素面積の大きい抵抗変化型赤外線検出器を形成できる。尚、空洞50は、例えば空洞で良い。このような絶縁性構造体25は、従来の半導体積層工程と選択エッチを組み合わせたマイクロマシニングで製造可能である。
【0026】
以上いずれの実施例においても、感熱抵抗体と基準抵抗体は、例えば白金(Pt)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、チタン(Ti)などで形成することができる。また支持基板シリコン(Si)の他、任意の半導体製造用基板を用いることができる。絶縁膜、絶縁性構造体は酸化珪素(SiO2)、窒化珪素(Si3N4)、ポリシリコンと酸化珪素の積層、アンドープトシリケートグラス(USG)を用いることができる。更に赤外線吸収膜としては白金黒、金黒、ニッケル黒などを用いることができる。
【0027】
いずれの実施例においても、本発明の要部は感熱抵抗体と基準抵抗体の配置であり、感熱抵抗体と基準抵抗体の形状は任意である。また、簡易な外部回路として従来の定電流を通すことで電位差による計測が可能であるが、検出回路はこれに限られない。本発明は画素数は任意であり、1の画素による赤外線検出器としても良く、画素をマトリクス状に配置した赤外線撮像装置としても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に係る抵抗変化型赤外線検出器の概略を示した配置図。
【図2】本発明の第2の実施例に係る抵抗変化型赤外線検出器の概略を示した配置図。
【図3】本発明の第3の実施例に係る抵抗変化型赤外線検出器の概略を示した断面図。
【図4】本発明の第4の実施例に係る抵抗変化型赤外線検出器の概略を示した断面図。
【図5】本発明の変形例に係る抵抗変化型赤外線検出器の概略を示した断面図。
【図6】抵抗変化型赤外線検出器の概念を示した模式図。
【図7】抵抗変化型赤外線検出器の概略を示した断面図。
【図8】抵抗変化型赤外線検出器の感熱抵抗体及び基準抵抗体の構成例を示した模式図。
【図9】従来の抵抗変化型赤外線検出器の概略を示した配線図。
【符号の説明】
10 基板
100 単位領域
11−n 小型感熱抵抗体
12−n 小型基準抵抗体
20、21、22 絶縁膜
25 絶縁性構造体
31、91−n 感熱抵抗体
32、92 基準抵抗体
40、41 赤外線吸収膜
50 空洞
500 凹部
910−n 感熱抵抗体スイッチ(MOS)
93 スキャン回路
94 (感熱抵抗体用)定電流電源
95 (基準抵抗体用)定電流電源
96 電位差計
97 出力端子
Claims (2)
- 感熱抵抗体と、基準抵抗体とから成る抵抗変化型赤外線検出器において、
赤外線を検出する1の単位領域が複数個の小領域に区分され、
前記複数個の小領域を、市松様に小感熱抵抗体領域と小基準低抗体領域とに区分し、
前記小感熱抵抗体領域と前記小基準低抗体領域とに感熱抵抗体と基準低抗体とをそれぞれ配置し、各々連結して1の感熱抵抗体列及び1の基準低抗体列とした赤外線検出単位領域を有することを特徴とする抵抗変化型赤外線検出器。 - 前記基準低抗体は支持基板に直接又は間接的に接しており、前記感熱抵抗体は支持基板とは空洞を介して熱的に絶縁された構造をとっていることを特徴とする請求項1に記載の抵抗変化型赤外線検出器。
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