JP4075222B2

JP4075222B2 - 抵抗変化型赤外線検出器

Info

Publication number: JP4075222B2
Application number: JP18131699A
Authority: JP
Inventors: 健太朗水野; 徳夫藤塚; 秀哉山寺; 博文船橋; 二郎坂田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1999-06-28
Filing date: 1999-06-28
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2019-06-28
Also published as: JP2001013010A

Description

【０００１】
【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(VO_x)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Ｑ_IRにより温度上昇し、抵抗値がＲ_IR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Ｖ_IR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Ｖ_IRと電圧降下Ｖ₀の差Ｖ_IR−Ｖ₀は、常に感熱抵抗体への赤外線の照射による熱Ｑ_IR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

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。