JP4456385B2

JP4456385B2 - 赤外線アレイセンサ

Info

Publication number: JP4456385B2
Application number: JP2004081480A
Authority: JP
Inventors: 嘉昭中田
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2024-03-19
Also published as: JP2005268660A

Description

本発明は、例えば人体や配電盤、空調機器など各種物体の表面温度分布の計測、あるいは、ビルや高架橋などの建築物の老朽化点検、断熱材の劣化診断、さらには食品の温度検査や衣類の保温効果測定等々に使用される赤外線アレイセンサに関する。詳しくは、半導体基板の同一平面上に複数個の赤外線測定用センサ素子を縦横マトリックス状に作製して複数列のセンサアレイを形成してなり、被測定物から放射される赤外線をセンサアレイに入射させることにより、その被測定物表面の複数点の温度を測定し、その測定した温度データとＣＭＯＳイメージセンサで撮影した可視画像とを重ねて被測定物における表面温度分布を表示するように用いられる赤外線アレイセンサに関する。

この種の一般的な赤外線アレイセンサにおいては、被測定物が存在する環境温度の変化に起因する外乱ノイズを軽減するために、赤外線測定用センサ素子とは別に温度補償用素子を併設し、この温度補償用素子からの出力で測定用センサ素子の出力を補正することによって、環境温度が変化した場合の影響を小さくして、安定した赤外線測定が行えるように構成されている。

ところで、前記温度補償用素子を併設した赤外線アレイセンサとして、従来、シリコン基板等の半導体基板にその赤外線入射面側から縦横マトリックス状に貫通孔を形成し、これら貫通孔の赤外線非入射面側にボロメータ型の赤外線測定用センサ素子を作製配置する一方、前記半導体基板の赤外線非入射面側で前記各赤外線測定用センサ素子に隣接する位置には縦横マトリックス状に凹部が形成され、これら凹部に測定用センサ素子と同様なメンブレン構造の温度補償用素子を作製配置してなり、半導体基板の赤外線非入射面側に形成された凹部によって温度補償用素子への赤外線の入射を防止するように構成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３０４９７３公報

上記した従来の赤外線アレイセンサは、測定用センサ素子と温度補償用素子とが隣接して配置されているために、環境温度の変化等によって半導体基板内に温度分布が発生しても、両素子をほぼ等しい温度に保って環境温度の変化にかかわらず、常に安定よい出力が得られ、また、特別なカバー等を用いずに温度補償用素子への赤外線の入射を防止することが可能である。

しかしながら、従来の赤外線アレイセンサでは、上述のような安定出力及び温度補償用素子への赤外線の入射防止という機能を達成するために、半導体基板に縦横マトリックス状の貫通孔を形成するだけでなく、その基板の赤外線非入射面側にも縦横マトリックス状の凹部を形成することが必要であり、そのため、半導体基板の構造が非常に複雑で基板自体の製作加工が困難な上に、各素子の基板への作り込みも難しい。特に、温度補償用素子については、赤外線の入射防止機能を確実化するために複数個の素子を対応する凹部に個々に作り込む必要があり、その結果、センサ全体の製作工程が多大かつ煩雑となり、製作コストの著しい上昇を招き、また、製造歩留りも悪化しやすいという問題があった。

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、この種センサが本来備えている集光レンズを合理的に有効利用することにより、製作コストの上昇並びに製造歩留りの悪化を抑えつつ、環境温度変化の影響が少なく、常に安定した温度測定を行なうことができる赤外線アレイセンサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る赤外線アレイセンサは、半導体基板の同一平面上に複数個の赤外線測定用センサ素子を縦横マトリックス状に作製して複数列のセンサアレイが形成されているとともに、前記複数個の赤外線測定用センサ素子の受光部に対応する位置にそれぞれ赤外線入射用貫通孔を形成した集光用ミラーが設けられている赤外線アレイセンサであって、前記複数列のセンサアレイの各端部に位置するセンサ素子に隣接する半導体基板部分でそれらセンサ素子と同一平面上には複数個の温度補償用素子が列状に作製され、前記集光用ミラーで前記複数個の温度補償用素子に対応する位置にはそれら温度補償用素子への赤外線の入射を防止する遮光部が形成され、この遮光部及び前記赤外線入射用貫通孔を有する集光用ミラーを前記半導体基板に密接状態に積層して構成されていることを特徴としている。

上記のような特徴構成を有する本発明の赤外線アレイセンサは、赤外線測定用センサ素子と温度補償用素子とが半導体基板の同一平面上に作製されているので、基板内に温度分布が発生しても両素子をほぼ等しい温度に保って、環境温度変化があった場合でも、センサ素子による測定温度を温度補償用素子による出力で補正して常に安定よい出力を得ることができる。しかも、温度補償用素子への赤外線の入射防止のための遮光部が、この種のセンサが本来的に備えている集光用ミラーの一部を利用して形成されているので、特別なカバー等を用いる必要がないのはもとより、従来例のように、半導体基板にマトリックス状に遮光用凹部及び貫通孔を形成することが不要となる。したがって、半導体基板自体の構成及び製作加工が簡単であるだけでなく、その基板に対する各素子の作り込みも容易になり、センサ全体の製作コストの著しい低減及び製造歩留りの改善を図りつつ、上述したとおり環境温度変化などの影響が少なく、常に正確かつ安定のよい温度測定を行なうことができるという効果を奏する。

特に、本発明に係る赤外線アレイセンサにおいて、請求項２に記載のように、前記複数個の赤外線測定用センサ素子と温度補償用素子を同一のメンブレン構造とすることにより、両素子が同じような環境温度変化を受けたときの影響をほぼ同等にして、誤差の少ない安定した出力を確保することができる。

また、本発明に係る赤外線アレイセンサにおいて、請求項３に記載のように、前記集光用ミラーの赤外線入射用貫通孔の周面に、例えば金をスパッタリングするなど前記集光用ミラーにおける該周面以外の部位よりも高反射率の薄膜を形成することにより、貫通孔に入射する赤外線が孔周面で吸収されることが少なくなり、測定用センサ素子の受光部に集光させて測定精度の一層の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る赤外線アレイセンサ１全体の概略平面図、図２は図１のＡ−Ａ’線に沿った要部の拡大断面図であり、この赤外線アレイセンサ１は、受光チップ２とこれに重ね合わせられた集光用ミラー３とからなる。

前記受光チップ２を構成するシリコン基板（半導体基板の一例）４の表面側の同一平面上には、図３の（ａ）に示すように、縦横方向でｍ個×ｎ個、例えば８個×７個の赤外線測定用センサ素子５が一定間隔を隔ててドットマトリックス状に作製されており、これによって、ｍ列、例えば８列のセンサアレイ６が形成されているとともに、それら各列のセンサアレイ６の端部に位置するｍ個の測定用センサ素子５に隣接するシリコン基板２の端部分には、前記各測定用センサ素子５と同一平面上に並べてｍ個、例えば８個の温度補償用素子７が列状に作製されている。

一方、前記集光ミラー３には、図３の（ｂ）に示すように、受光チップ２におけるｍ個×ｎ個の赤外線測定用センサ素子５の各受光部５ａに対応する位置それぞれにｍ個×ｎ個の赤外線入射用貫通孔８が形成されているとともに、受光チップ２におけるｍ個の温度補償用素子７に対応する位置に無孔でそれら温度補償用素子７への赤外線ＩＲの入射を防止する帯状の遮光部９が形成されている。なお、各赤外線入射用貫通孔８の周面には、例えば金スパッタリングなどにより高反射率の薄膜１８が形成されており、貫通孔８に入射する赤外線ＩＲが孔周面で吸収されることを少なくして、測定用センサ素子５の受光部５ａに集光させている。

そして、図３の（ｂ）に示すような構成の集光ミラー３を、その裏面がシリコン基板４の表面に密接する状態で前記受光チップ２上に積層固着して組付けることにより、図２に明示するように、各赤外線測定用センサ素子５の受光部５ａ上に赤外線入射用の貫通孔８が位置し、かつ、各温度補償用素子７が集光ミラー３の遮光部９で覆われて赤外線ＩＲの入射が防止される状態の赤外線アレイセンサ１が構成される。

前記赤外線測定用センサ素子５としては、図４及び図５に示すように構成されたものを使用している。すなわち、シリコン基板４の上面にＳｉＯ2 薄膜１０が形成され、このＳｉＯ2 薄膜１０上に、サーモパイルセンサ１２が積層されたメンブレン構造に構成されており、さらにサーモパイルセンサ１２上に絶縁膜１３を介して赤外線吸収膜１４が積層されている。また、温度補償用素子７は、前記赤外線測定用センサ素子５と同一のメンブレン構造に構成されている。

なお、前記赤外線測定用センサ素子５及び温度補償用素子７に使用されているサーモパイルセンサ１２は、アルミ１２ａとポリシリコン１２ｂという異種金属からなり、その温接点１２ｃを冷却しておくことでペルチェ効果により冷接点１２ｄを熱する方向の熱起電力を発生する熱電対（サーモカップル）を直列に数十対つないで構成されたものである。

また、前記受光チップ２の周辺には、信号出力部１４及び出力選択回路１５が形成されており、図６のチップ回路図に示すように、出力選択回路１５により所定の電圧が供給されたとき、前記サーモカップル１２を使用してなる赤外線測定用センサ素子５に隣接されているスイッチＳＷ及び各センサアレイ６の端部に設けられたスイッチＳＷ１〜ＳＷ８を介してセンサ素子５及びセンサアレイ６が選択されて、赤外線ＩＲの受光量に応じた信号を出力部１４から信号検出・処理回路１７に出力できるように構成されている。

以上のように、赤外線測定用センサ素子５と温度補償用素子７とがシリコン基板４表面の同一平面上に作製されてなる赤外線アレイセンサ１においては、シリコン基板４内に温度分布が発生しても両素子５，７をほぼ等しい温度に保って、環境温度変化があった場合でも、センサ素子５による測定温度を温度補償用素子７による出力で補正して常に安定よい出力を得ることができる。

また、温度補償用素子７への赤外線ＩＲの入射防止のための遮光部９が、この種の赤外線アレイセンサ１が本来的に備えている集光用ミラー３の一部を利用して形成されているので、特別なカバー等を用いる必要がないのはもとより、従来例のように、シリコン基板４にマトリックス状に遮光用凹部及び貫通孔を形成することも不要であり、シリコン基板４自体の構成及び製作加工が簡単であるだけでなく、そのシリコン基板４に対する各素子５，７の作り込みも容易である。

特に、赤外線測定用センサ素子５と温度補償用素子７とを同一のメンブレン構造に構成とすることにより、温度補償用素子７として特別なものを作製する必要がなく、受光チップ２上に必要数の同一素子をドットマトリックス状に作製すればよいので、センサ１全体の製作コストの著しい低減及び製造歩留りの改善を図ることができる。それでいて、集光ミラー３の貫通孔８に入射する赤外線ＩＲを高反射率の薄膜１８で反射させ、それを吸収膜１４で十分に吸収させて測定用センサ素子５の受光部５ａに効率よく集光させて測定感度を高めることが可能であるから、両素子５，７が同じような環境温度変化を受けたときの影響をほぼ同等にして、誤差の非常に少ない正確かつ安定のよい温度測定を行なうことができる。

なお、上記実施の形態では、赤外線測定用センサ素子５及び温度補償用素子７として、サールパイルセンサ１２を使用したもので説明したが、ボロメータ型素子を使用したものであってもよい。

また、上記実施の形態では、赤外線測定用センサ素子５及び温度補償用素子７を、縦横８個×８個のドットマトリックス状に配置したが、その縦横の配置数はそれ以外であってもよいこともちろんである。

本発明に係る赤外線アレイセンサ全体の概略平面図である。図１のＡ−Ａ’線に沿った要部の拡大断面図である。赤外線アレイセンサの組付前の状態を示し、（ａ）は受光チップの概略平面図、（ｂ）は集光ミラーの概略平面図である。赤外線測定用センサ素子の一部切欠き斜視図である。赤外線測定用センサ素子の縦断面図である。受光チップの回路図である。

符号の説明

１赤外線アレイセンサ
３集光用ミラー
４シリコン基板（半導体基板）
５赤外線測定用センサ素子
５ａ受光部
６センサアレイ
７温度補償用素子
８赤外線入射用貫通孔
９遮光部
１２サーモパイルセンサ
１４赤外線吸収膜
１８高反射率薄膜
ＩＲ赤外線

Claims

半導体基板の同一平面上に複数個の赤外線測定用センサ素子を縦横マトリックス状に作製して複数列のセンサアレイが形成されているとともに、前記複数個の赤外線測定用センサ素子の受光部に対応する位置にそれぞれ赤外線入射用貫通孔を形成した集光用ミラーが設けられている赤外線アレイセンサであって、
前記複数列のセンサアレイの各端部に位置するセンサ素子に隣接する半導体基板部分でそれらセンサ素子と同一平面上には複数個の温度補償用素子が列状に作製され、前記集光用ミラーで前記複数個の温度補償用素子に対応する位置にはそれら温度補償用素子への赤外線の入射を防止する遮光部が形成され、この遮光部及び前記赤外線入射用貫通孔を有する集光用ミラーを前記半導体基板に密接状態に積層して構成されていることを特徴とする赤外線アレイセンサ。
前記複数個の赤外線測定用センサ素子と温度補償用素子は、同一のメンブレン構造である請求項１に記載の赤外線アレイセンサ。
前記集光用ミラーの赤外線入射用貫通孔の周面には、前記集光用ミラーにおける該周面以外の部位よりも高反射率の薄膜が形成されている請求項１または２に記載の赤外線アレイセンサ。