JP4398972B2 - 電磁波センサ、撮像素子及び撮像装置 - Google Patents
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Description
セル部と、
前記セル部に電気的に接続された配線を備え前記セル部を前記凹部内又は前記凹部上に支持する支持部とを備え、
前記セル部は、
複数のアンテナ要素を備え入射された電磁波を検出し当該電磁波を電気信号に変換するアンテナ部と、
前記アンテナ部の下方に配置され、前記複数のアンテナ要素とそれぞれ電気的に接続され、前記電気信号に応じた電気エネルギーをジュール熱に変換することにより、前記セル部の温度を変化させる電気抵抗部と、
前記配線部と電気的に接続され、かつ前記アンテナ部及び前記電気抵抗部とは電気的に絶縁され、かつ前記電気抵抗部とは熱的に接続され、前記セル部の温度変化を検出し当該温度変化を電気信号に変換する熱電変換素子とを備え、
前記複数のアンテナ要素は、前記熱電変換素子および前記電気抵抗部の端部よりも外側に張り出すように形成され、
前記複数のアンテナ要素間の間隙により、前記電気抵抗部の上面の一部が露出され、
前記間隙における間隔は、赤外光の波長より小さい
ことを特徴とする電磁波センサが提供される。
セル部と、
前記セル部に電気的に接続された配線を備え前記セル部を前記凹部内又は前記凹部上に支持する支持部とを備え、
前記セル部は、
複数のアンテナ要素を備え入射された電磁波を検出し当該電磁波を電気信号に変換するアンテナ部と、
前記アンテナ部の下方に配置され、前記複数のアンテナ要素とそれぞれ電気的に接続され、前記電気信号に応じた電気エネルギーをジュール熱に変換することにより、前記セル部の温度を変化させる電気抵抗部と、
前記配線部と電気的に接続され、かつ前記アンテナ部及び前記電気抵抗部とは電気的に絶縁され、かつ前記電気抵抗部とは熱的に接続され、前記セル部の温度変化を検出し当該温度変化を電気信号に変換する熱電変換素子とを備え、
前記複数のアンテナ要素は、前記熱電変換素子および前記電気抵抗部の端部よりも外側に張り出すように形成され、
前記複数のアンテナ要素間の間隙により、前記電気抵抗部の上面の一部が露出され、
前記間隙によって電気的に形成されるコンデンサと、前記電気抵抗部とは、前記アンテナ部に電気的に結合される並列回路を形成し、所定の周波数を有する電磁波に対しては、前記アンテナ部と前記並列回路とのインピーダンス整合が取れ、前記所定の周波数を有する電磁波の高調波に対しては、前記インピーダンス整合が取れなくなるように、前記複数のアンテナ要素が形成された
ことを特徴とする電磁波センサが提供される。
セル部と、
前記セル部に電気的に接続された配線を備え前記セル部を前記凹部内又は前記凹部上に支持する支持部とを備え、
前記セル部は、
複数のアンテナ要素を備え入射された電磁波を検出し当該電磁波を電気信号に変換するアンテナ部と、
前記アンテナ部の下方に配置され、前記複数のアンテナ要素とそれぞれ電気的に接続され、前記電気信号に応じた電気エネルギーをジュール熱に変換することにより、前記セル部の温度を変化させる電気抵抗部と、
前記配線部と電気的に接続され、かつ前記アンテナ部及び前記電気抵抗部とは電気的に絶縁され、かつ前記電気抵抗部とは熱的に接続され、前記セル部の温度変化を検出し当該温度変化を電気信号に変換する熱電変換素子とを備え、
前記複数のアンテナ要素は、前記熱電変換素子および前記電気抵抗部の端部よりも外側に張り出すように形成され、
前記複数のアンテナ要素間の間隙により、前記電気抵抗部の上面の一部が露出され、
前記間隙における間隔は、赤外光の波長より小さく、
かつ前記間隙によって電気的に形成されるコンデンサと、前記電気抵抗部とは、前記アンテナ部に電気的に結合される並列回路を形成し、所定の周波数を有する電磁波に対しては、前記アンテナ部と前記並列回路とのインピーダンス整合が取れ、前記所定の周波数を有する電磁波の高調波に対しては、前記インピーダンス整合が取れなくなるように、前記複数のアンテナ要素が形成された
ことを特徴とする電磁波センサが提供される。
前記半導体基板に画素アレイとしてマトリクス状に配置された複数の電磁波センサと、 前記各電磁波センサによって検出された電磁波に応じた電気信号を映像信号として読み出す読出し回路とを備え、
前記電磁波センサは、
セル部と、
前記セル部に電気的に接続された配線を備え前記セル部を前記凹部内又は前記凹部上に支持する支持部とを備え、
前記セル部は、
複数のアンテナ要素を備え入射された電磁波を検出し当該電磁波を電気信号に変換するアンテナ部と、
前記アンテナ部の下方に配置され、前記複数のアンテナ要素とそれぞれ電気的に接続され、前記電気信号に応じた電気エネルギーをジュール熱に変換することにより、前記セル部の温度を変化させる電気抵抗部と、
前記配線部と電気的に接続され、かつ前記アンテナ部及び前記電気抵抗部とは電気的に絶縁され、かつ前記電気抵抗部とは熱的に接続され、前記セル部の温度変化を検出し当該温度変化を電気信号に変換する熱電変換素子とを備え、
前記複数のアンテナ要素は、前記熱電変換素子および前記電気抵抗部の端部よりも外側に張り出すように形成され、
前記複数のアンテナ要素間の間隙により、前記電気抵抗部の上面の一部が露出され、
前記間隙における間隔は、赤外光の波長より小さい
ことを特徴とする撮像素子が提供される。
前記撮像素子が封入され、内部が真空に吸引されたパッケージと、
前記パッケージのうち電磁波の入射面側に配置され、入射された電磁波のうち、特定周波数の電磁波を透過する光学窓と、
入射される電磁波を、前記光学窓を介して、前記パッケージ内の前記撮像素子に集光及び結像させる光学素子と、
前記撮像素子と接続され、前記撮像素子から出力される映像信号を処理する映像信号処理部とを備え、
前記撮像素子は、
表面に凹部が形成された半導体基板と、
前記半導体基板に画素アレイとしてマトリクス状に配置された複数の電磁波センサと、 前記各電磁波センサによって検出された電磁波に応じた電気信号を映像信号として読み出す読出し回路とを備え、
前記電磁波センサは、
セル部と、
前記セル部に電気的に接続された配線を備え前記セル部を前記凹部内又は前記凹部上に支持する支持部とを備え、
前記セル部は、
複数のアンテナ要素を備え入射された電磁波を検出し当該電磁波を電気信号に変換するアンテナ部と、
前記アンテナ部の下方に配置され、前記アンテナ部を形成する前記複数のアンテナ要素とそれぞれ電気的に接続され、前記電気信号に応じた電気エネルギーをジュール熱に変換することにより、前記セル部の温度を変化させる電気抵抗部と、
前記配線部と電気的に接続され、かつ前記アンテナ部及び前記電気抵抗部とは電気的に絶縁され、かつ前記電気抵抗部とは熱的に接続され、前記セル部の温度変化を検出し当該温度変化を電気信号に変換する熱電変換素子とを備え、
前記複数のアンテナ要素は、前記熱電変換素子および前記電気抵抗部の端部よりも外側に張り出すように形成され、
前記複数のアンテナ要素間の間隙により、前記電気抵抗部の上面の一部が露出され、
前記間隙における間隔は、赤外光の波長より小さい
ことを特徴とする撮像装置。
図1に、本発明の実施の形態による電磁波センサ100の構成を示す。この電磁波センサ100は、半導体基板101と、半導体基板101上に形成された配線部102と、半導体基板101の表面部分に形成された凹部103と、凹部103内又は凹部103上に配置され、配線部102を支持する支持部104と、凹部103内又は凹部103上に配置され、支持部104によって支持されるセル部110とを有する。
続いて、この電磁波センサ100に自然輻射等の電磁波が入射した場合の動作を以下に説明する。電磁波センサ100では、電気抵抗部111はアンテナ要素121の下に配置されており、アンテナ部120として十分な厚さ(例えば200nm以上)を持つ金属を形成することにより、入射した赤外光の大半はアンテナ要素121によって反射される。
Zg = R/(1+jωCgR)
と表せる。例えばR = 100Ω、間隙122の間隔 d = 0.5μm、間隙122に面したアンテナ要素121の面積 S = 2×2μmとし、間隙122は真空になっているものとすると、Cgは真空の誘電率ε0を用いて Cg = ε0・S/d = 7×10-17Fとなる。なお、図1に示したようにアンテナ要素121の下にアンテナコンタクト123を設けた場合は、アンテナ要素121の面積Sとしては間隙122に面するアンテナコンタクト123の面積も含める必要がある。
本実施の形態に係る電磁波センサ100は、例えば以下のような方法によって製造できる。まず、SOI(Silicon on Insulator)基板を用意し、該SOI基板のSOI層に熱電変換素子113を形成する。SOI層より上層には配線部および絶縁膜112を形成する。次に絶縁膜112にパターニングを行ってエッチングホールをRIE(Reaction Ion Etching)によって形成することにより、支持部保護膜を形成する。
ここで、図3に、上述の電磁波センサ100をマトリクス状に配置することにより形成された撮像素子200の構成を示す。この撮像素子200は、電磁波センサ100が半導体基板上に縦横に列設され、各電磁波センサ100が検出した信号は、読み出し回路によって順次映像信号として読み出される。
ここで、図4に、上述の撮像素子200を有する撮像装置300の構成を示す。撮像装置300は、撮像素子200がパッケージ302に封入されることにより形成される。このパッケージ302内部は真空に吸引され、パッケージ302の撮像素子200が面する側には特定周波数の電磁波を透過する光学窓303が配置されている。入射してきた該特定周波数の電磁波は光学素子301によって光学窓303を通してパッケージ302内の撮像素子200に集光・結像され、撮像素子200は映像信号処理部304と接続されて撮像素子200の電気信号は該映像信号処理部304によって処理される。
101 半導体基板
102 配線部
103 凹部
104 支持部
110 セル部
111 電気抵抗部
112 絶縁膜
113 熱電変換素子
120 アンテナ部
121 アンテナ要素
122 アンテナ要素間の間隙
123 アンテナコンタクト
d アンテナ要素間の間隙の間隔
200 撮像素子
201 ノイズ減算・積分回路
202 A/D変換回路
203 水平スキャナ
204 垂直スキャナ
205 画素アレイ
300 撮像装置
301 光学素子
302 パッケージ
303 光学窓
304 映像信号処理部
Claims (9)
- 表面に凹部が形成された半導体基板と、
セル部と、
前記セル部に電気的に接続された配線を備え前記セル部を前記凹部内又は前記凹部上に支持する支持部とを備え、
前記セル部は、
複数のアンテナ要素を備え入射された電磁波を検出し当該電磁波を電気信号に変換するアンテナ部と、
前記アンテナ部の下方に配置され、前記複数のアンテナ要素とそれぞれ電気的に接続され、前記電気信号に応じた電気エネルギーをジュール熱に変換することにより、前記セル部の温度を変化させる電気抵抗部と、
前記配線部と電気的に接続され、かつ前記アンテナ部及び前記電気抵抗部とは電気的に絶縁され、かつ前記電気抵抗部とは熱的に接続され、前記セル部の温度変化を検出し当該温度変化を電気信号に変換する熱電変換素子とを備え、
前記複数のアンテナ要素は、前記熱電変換素子および前記電気抵抗部の端部よりも外側に張り出すように形成され、
前記複数のアンテナ要素間の間隙により、前記電気抵抗部の上面の一部が露出され、
前記間隙における間隔は、赤外光の波長より小さい
ことを特徴とする電磁波センサ。 - 表面に凹部が形成された半導体基板と、
セル部と、
前記セル部に電気的に接続された配線を備え前記セル部を前記凹部内又は前記凹部上に支持する支持部とを備え、
前記セル部は、
複数のアンテナ要素を備え入射された電磁波を検出し当該電磁波を電気信号に変換するアンテナ部と、
前記アンテナ部の下方に配置され、前記複数のアンテナ要素とそれぞれ電気的に接続され、前記電気信号に応じた電気エネルギーをジュール熱に変換することにより、前記セル部の温度を変化させる電気抵抗部と、
前記配線部と電気的に接続され、かつ前記アンテナ部及び前記電気抵抗部とは電気的に絶縁され、かつ前記電気抵抗部とは熱的に接続され、前記セル部の温度変化を検出し当該温度変化を電気信号に変換する熱電変換素子とを備え、
前記複数のアンテナ要素は、前記熱電変換素子および前記電気抵抗部の端部よりも外側に張り出すように形成され、
前記複数のアンテナ要素間の間隙により、前記電気抵抗部の上面の一部が露出され、
前記間隙によって電気的に形成されるコンデンサと、前記電気抵抗部とは、前記アンテナ部に電気的に結合される並列回路を形成し、所定の周波数を有する電磁波に対しては、前記アンテナ部と前記並列回路とのインピーダンス整合が取れ、前記所定の周波数を有する電磁波の高調波に対しては、前記インピーダンス整合が取れなくなるように、前記複数のアンテナ要素が形成された
ことを特徴とする電磁波センサ。 - 表面に凹部が形成された半導体基板と、
セル部と、
前記セル部に電気的に接続された配線を備え前記セル部を前記凹部内又は前記凹部上に支持する支持部とを備え、
前記セル部は、
複数のアンテナ要素を備え入射された電磁波を検出し当該電磁波を電気信号に変換するアンテナ部と、
前記アンテナ部の下方に配置され、前記複数のアンテナ要素とそれぞれ電気的に接続され、前記電気信号に応じた電気エネルギーをジュール熱に変換することにより、前記セル部の温度を変化させる電気抵抗部と、
前記配線部と電気的に接続され、かつ前記アンテナ部及び前記電気抵抗部とは電気的に絶縁され、かつ前記電気抵抗部とは熱的に接続され、前記セル部の温度変化を検出し当該温度変化を電気信号に変換する熱電変換素子とを備え、
前記複数のアンテナ要素は、前記熱電変換素子および前記電気抵抗部の端部よりも外側に張り出すように形成され、
前記複数のアンテナ要素間の間隙により、前記電気抵抗部の上面の一部が露出され、
前記間隙における間隔は、赤外光の波長より小さく、
かつ前記間隙によって電気的に形成されるコンデンサと、前記電気抵抗部とは、前記アンテナ部に電気的に結合される並列回路を形成し、所定の周波数を有する電磁波に対しては、前記アンテナ部と前記並列回路とのインピーダンス整合が取れ、前記所定の周波数を有する電磁波の高調波に対しては、前記インピーダンス整合が取れなくなるように、前記複数のアンテナ要素が形成された
ことを特徴とする電磁波センサ。 - 前記アンテナ要素間の前記間隙における間隔は、0.1μmから10μmの範囲である
ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の電磁波センサ。 - 前記アンテナ要素間の前記間隙の一部または全部が誘電体材料で満たされている
ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の電磁波センサ。 - 表面に凹部が形成された半導体基板と、
前記半導体基板に画素アレイとしてマトリクス状に配置された複数の電磁波センサと、
前記各電磁波センサによって検出された電磁波に応じた電気信号を映像信号として読み出す読出し回路とを備え、
前記電磁波センサは、
セル部と、
前記セル部に電気的に接続された配線を備え前記セル部を前記凹部内又は前記凹部上に支持する支持部とを備え、
前記セル部は、
複数のアンテナ要素を備え入射された電磁波を検出し当該電磁波を電気信号に変換するアンテナ部と、
前記アンテナ部の下方に配置され、前記複数のアンテナ要素とそれぞれ電気的に接続され、前記電気信号に応じた電気エネルギーをジュール熱に変換することにより、前記セル部の温度を変化させる電気抵抗部と、
前記配線部と電気的に接続され、かつ前記アンテナ部及び前記電気抵抗部とは電気的に絶縁され、かつ前記電気抵抗部とは熱的に接続され、前記セル部の温度変化を検出し当該温度変化を電気信号に変換する熱電変換素子とを備え、
前記複数のアンテナ要素は、前記熱電変換素子および前記電気抵抗部の端部よりも外側に張り出すように形成され、
前記複数のアンテナ要素間の間隙により、前記電気抵抗部の上面の一部が露出され、
前記間隙における間隔は、赤外光の波長より小さい
ことを特徴とする撮像素子。 - 前記複数のアンテナ要素間の前記間隙によって電気的に形成されるコンデンサと、前記電気抵抗部とは、前記アンテナ部に電気的に結合される並列回路を形成し、所定の周波数を有する電磁波に対しては、前記アンテナ部と前記並列回路とのインピーダンス整合が取れ、前記所定の周波数を有する電磁波の高調波に対しては、前記インピーダンス整合が取れなくなるように、前記複数のアンテナ要素が形成された
ことを特徴とする請求項6に記載の撮像素子。 - 撮像素子と、
前記撮像素子が封入され、内部が真空に吸引されたパッケージと、
前記パッケージのうち電磁波の入射面側に配置され、入射された電磁波のうち、特定周波数の電磁波を透過する光学窓と、
入射される電磁波を、前記光学窓を介して、前記パッケージ内の前記撮像素子に集光及び結像させる光学素子と、
前記撮像素子と接続され、前記撮像素子から出力される映像信号を処理する映像信号処理部とを備え、
前記撮像素子は、
表面に凹部が形成された半導体基板と、
前記半導体基板に画素アレイとしてマトリクス状に配置された複数の電磁波センサと、
前記各電磁波センサによって検出された電磁波に応じた電気信号を映像信号として読み出す読出し回路とを備え、
前記電磁波センサは、
セル部と、
前記セル部に電気的に接続された配線を備え前記セル部を前記凹部内又は前記凹部上に支持する支持部とを備え、
前記セル部は、
複数のアンテナ要素を備え入射された電磁波を検出し当該電磁波を電気信号に変換するアンテナ部と、
前記アンテナ部の下方に配置され、前記アンテナ部を形成する前記複数のアンテナ要素とそれぞれ電気的に接続され、前記電気信号に応じた電気エネルギーをジュール熱に変換することにより、前記セル部の温度を変化させる電気抵抗部と、
前記配線部と電気的に接続され、かつ前記アンテナ部及び前記電気抵抗部とは電気的に絶縁され、かつ前記電気抵抗部とは熱的に接続され、前記セル部の温度変化を検出し当該温度変化を電気信号に変換する熱電変換素子とを備え、
前記複数のアンテナ要素は、前記熱電変換素子および前記電気抵抗部の端部よりも外側に張り出すように形成され、
前記複数のアンテナ要素間の間隙により、前記電気抵抗部の上面の一部が露出され、
前記間隙における間隔は、赤外光の波長より小さい
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記複数のアンテナ要素間の前記間隙によって電気的に形成されるコンデンサと、前記電気抵抗部とは、前記アンテナ部に電気的に結合される並列回路を形成し、所定の周波数を有する電磁波に対しては、前記アンテナ部と前記並列回路とのインピーダンス整合が取れ、前記所定の周波数を有する電磁波の高調波に対しては、前記インピーダンス整合が取れなくなるように、前記複数のアンテナ要素が形成された
ことを特徴とする請求項8に記載の撮像装置。
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