JP4508495B2

JP4508495B2 - 赤外線検出装置

Info

Publication number: JP4508495B2
Application number: JP2001287544A
Authority: JP
Inventors: 稲男豊田; 和明浜本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2021-09-20
Also published as: US20020050623A1; US6476455B2; JP2002202195A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線検出装置に関するもので、特に熱電対と赤外線吸収膜からなる検出領域の配置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、物体の表面温度を非接触で検知する赤外線検出器としては、“ＩＥＥＥＴＲａＮＳａＣＴＩＯＮＯＮＥＬＥＣＴＲＯＮＤＥＶＩＣＥ，ＶＯＬ．ＥＤ−２９，ＮＯ．１，ＪａＮＵａＲＹ１９８２”（ｐｐ１４〜２２）や、“ＩＥＥＥＴＲａＮＳａＣＴＩＯＮＯＮＥＬＥＣＴＲＯＮＤＥＶＩＣＥ，ＶＯＬ．ＥＤ−３３，ＮＯ．１，ＪａＮＵａＲＹ１９８６”（ｐｐ７２〜７９）に開示されているようなサーモパイル式の赤外線検出装置がある。
【０００３】
この赤外線検出装置は、シリコン基板の裏面に相当する部分をエッチングで除去することによって形成されたメンブレン領域を備え、さらに、このメンブレン領域上に形成され温度差によって生じる起電力変化を測定する熱電対と、この熱電対上に形成され赤外線を吸収する赤外線吸収膜とで構成される検出領域を複数備えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、メンブレン領域の周辺部は、メンブレン領域の中心部に比べてシリコン基板への熱伝導が大きいため、メンブレン領域の周辺部に設けられた赤外線吸収膜は、メンブレン領域の中心部に設けられた赤外線吸収膜に比べて温度が上昇しにくい。
【０００５】
このため、メンブレン領域の周辺部と中心部とに一様のパターンで検出領域を形成すると、赤外線吸収膜が赤外線を吸収する際に、メンブレン領域の周辺部に設けられた検出領域と中心部に設けられた検出領域との間に感度差が生じてしまうという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記問題点に鑑み、メンブレン領域の周辺部の検出領域と中心部の検出領域との間の感度差を低減することのできる赤外線検出装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の赤外線検出装置は、裏面に空洞部（２）が形成されることでメンブレン領域（３）が形成された基板（１）と、メンブレン領域（３）内に配置され、赤外線を吸収する赤外線吸収膜（７）と、赤外線吸収膜（７）からメンブレン領域（３）の外側の基板領域に渡って設けられ、赤外線吸収膜（７）における複数の温接点とメンブレン領域（３）の外側の基板領域における複数の冷接点とを有してなり、複数の温接点と複数の冷接点との温度差によって生じる起電力変化を測定する熱電対群（１０）とを備え、熱電対群（１０）と赤外線吸収膜（７）とからなる検出領域（８）を複数有する赤外線検出装置において、複数の検出領域（８）は、赤外線吸収膜（７）がメンブレン領域（３）のうち中心側に配置される検出領域（８）に比べて、赤外線吸収膜（７）がメンブレン領域（３）のうちメンブレン領域（３）の外側の基板領域側に配置される検出領域（８）の方が熱電対群（１０）の温接点および冷接点が多く配置されるように構成されていることを特徴としている。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、複数の検出領域（８）は、赤外線吸収膜（７）がメンブレン領域（３）のうち中心側に配置される検出領域（８）に比べて、赤外線吸収膜（７）がメンブレン領域（３）のうちメンブレン領域（３）の外側の基板領域側に配置される検出領域（８）の方が熱電対群（１０）の温接点および冷接点が多く配置されるように構成されているため、赤外線吸収膜（７）がメンブレン領域（３）のうちメンブレン領域（３）の外側の基板領域側に配置される検出領域（８）の起電力を大きくすることができる。
【０００９】
それによって、赤外線吸収膜（７）がメンブレン領域（３）のうちメンブレン領域（３）の外側の基板領域側に配置される検出領域（８）の感度低下を防ぐことができるため、複数の検出領域（８）の感度差を低減することができる。
【００１０】
請求項２に記載の赤外線検出装置は、赤外線吸収膜（７）は、メンブレン領域（３）の中心側を中心としたマトリックス状に配置されており、複数の検出領域（８）は、赤外線吸収膜（７）がマトリックス状の中心に配置される検出領域（８）に比べて、赤外線吸収膜（７）がマトリックス状の中心に隣り合う位置に配置される検出領域（８）の方が熱電対群（１０）の温接点および冷接点が多く配置されるように、かつ、赤外線吸収膜（７）がマトリックス状の中心に隣り合う位置に配置される検出領域（８）に比べて、赤外線吸収膜（７）がマトリックス状の中心から対角線方向に配置される検出領域（８）の方が熱電対群（１０）の温接点および冷接点が多く配置されるように構成されていることを特徴としている。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果を得ることができる。
【００１４】
請求項３に記載の赤外線検出装置は、裏面に空洞部（２）が形成されることでメンブレン領域（３）が形成された基板（１）と、メンブレン領域（３）内に配置され、赤外線を吸収する赤外線吸収膜（７）と、赤外線吸収膜（７）からメンブレン領域（３）の外側の基板領域に渡って設けられ、赤外線吸収膜（７）における温接点とメンブレン領域（３）の外側の基板領域における冷接点とを有してなり、温接点と冷接点との温度差によって生じる起電力変化を測定する熱電対（５）とを備え、熱電対（５）と赤外線吸収膜（７）とからなる検出領域（８）を複数有する赤外線検出装置において、複数の検出領域（８）は、赤外線吸収膜（７）がメンブレン領域（３）のうち中心側に配置される検出領域（８）に比べて、赤外線吸収膜（７）がメンブレン領域（３）のうちメンブレン領域（３）の外側の基板領域側に配置される検出領域（８）の方が赤外線吸収膜（７）の面積が大きくなるように構成されていることを特徴としている。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、複数の検出領域（８）は、赤外線吸収膜（７）がメンブレン領域（３）のうち中心側に配置される検出領域（８）に比べて、赤外線吸収膜（７）がメンブレン領域（３）のうちメンブレン領域（３）の外側の基板領域側に配置される検出領域（８）の方が赤外線吸収膜（７）の面積が大きくなるように構成されているため、赤外線吸収膜（７）がメンブレン領域（３）のうちメンブレン領域（３）の外側の基板領域側に配置される検出領域（８）の起電力を大きくすることができる。
【００１６】
それによって、赤外線吸収膜（７）がメンブレン領域（３）のうちメンブレン領域（３）の外側の基板領域側に配置される検出領域（８）の感度低下を防ぐことができるため、複数の検出領域（８）の感度差を低減することができる。
【００１７】
請求項４に記載の赤外線検出装置は、赤外線吸収膜（７）は、メンブレン領域（３）の中心側を中心としたマトリックス状に配置されており、複数の検出領域（８）は、赤外線吸収膜（７）がマトリックス状の中心に配置される検出領域（８）に比べて、赤外線吸収膜（７）がマトリックス状の中心に隣り合う位置に配置される検出領域（８）の方が赤外線吸収膜（７）の面積が大きくなるように、かつ、赤外線吸収膜（７）がマトリックス状の中心に隣り合う位置に配置される検出領域（８）に比べて、赤外線吸収膜（７）がマトリックス状の中心から対角線方向に配置される検出領域（８）の方が赤外線吸収膜（７）の面積が大きくなるように構成されていることを特徴としている。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明と同様の効果を得ることができる。なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
【００２４】
（第１実施形態）
尚、本発明における赤外線検出装置は、例えば、車輛用のエアコン制御における車室内温度測定に用いられる。
【００２５】
図１には、本実施形態の赤外線検出装置の概略断面構造を示す。また、図２には、本実施形態の赤外線検出装置の概略平面構造を示す。尚、この図２は図１におけるａ矢視図である。
【００２６】
まず、図１に示されるように、単結晶シリコンからなるシリコン基板１には、その裏面に相当する部分を選択的にエッチングすることによって空洞部２が形成されており、それによって、メンブレン領域３が形成されている。
【００２７】
また、シリコン基板１の上には、熱酸化処理によってシリコン酸化膜４が形成されており、このシリコン酸化膜４の上には、ポリシリコン５ａとアルミ配線５ｂとが所望のパターンに形成され、これらポリシリコン５ａとアルミ配線５ｂによって熱電対５が構成されている。
【００２８】
また、シリコン酸化膜４と熱電対５を覆うようにパッシベーション膜６（シリコン窒化膜など）が形成され、さらに、このパッシベーション膜６を介して、熱電対５の上に赤外線吸収膜７が複数形成されている。
【００２９】
ここで、熱電対５と赤外線吸収膜７の配置について、図２を用いて説明する。
【００３０】
まず、この図２に示されるように、シリコン基板１には、平面構造が矩形状のメンブレン領域３が形成されており、さらに、このメンブレン領域３内には、矩形状の赤外線吸収膜７が等間隔で縦横３列のマトリックス状に９つ形成されている。
【００３１】
また、赤外線吸収膜７からメンブレン領域３の外側の基板領域に渡って、ポリシリコン５ａとアルミ配線５ｂとが交互に配置されるとともに、直列状に接続されて熱電対５が形成されている。
【００３２】
また、ポリシリコン５ａとアルミ配線５ｂからなる熱電対５は直列状に複数形成されており、それにより熱電対群１０を形成している。
【００３３】
このような熱電対５は、９つの赤外線吸収膜７の下部に各々独立に設けられており、これら熱電対５と赤外線吸収膜７とで検出領域８を形成している。尚、本実施形態では、９つの検出領域８を形成している。
【００３４】
また、赤外線吸収膜７の下でポリシリコン５ａとアルミ配線５ｂとが接合した部分が温接点であり、メンブレン領域３の外側の基板領域でポリシリコン５ａとアルミ配線５ｂとが接合した部分が冷接点である。
【００３５】
尚、熱電対群１０の終端には各々アルミパッド９が形成されており、このアルミパッド９とアルミ配線５ｂとが電気的に接続されていることにより、検出領域９で検出した赤外線温度を外部に伝えることができるようになっている。
【００３６】
ここで、図２の一部拡大図である図３の矢印に示されるように、メンブレン領域３内において、中心部の検出領域８ａと隣り合う検出領域８ｂは、シリコン基板１へ熱が逃げる経路が一方向であるのに対し、中心部の検出領域８ａから対角線方向に設けられた検出領域８ｃは、シリコン基板１へ熱が逃げる経路が二方向であるため、シリコン基板１へ熱が最も逃げやすい。
【００３７】
尚、中心部の検出領域８ａは、その周辺部に設けられた検出領域８ｂ、８ｃに比べて、シリコン基板１への距離が遠くなるように設けられているため、それによって、シリコン基板１へ熱が逃げにくくなっている。
【００３８】
また、上記シリコン基板１へ最も熱が逃げやすいというのは、検出領域がシリコン基板１と対向する領域が最も多いということである。また、図３は熱電対５を省略した状態を図示している。
【００３９】
そこで、本実施形態では、図２及び図３に示されるように、マトリックス状に９つ形成された検出領域８のうち、中心部の検出領域８ａには熱電対５が２堆、中心部の検出領域８ａと隣り合う検出領域８ｂには熱電対５が３堆、中心部の検出領域８ａから対角線方向に設けられた検出領域８ｃには熱電対５が４堆というように、メンブレン領域３の周辺部に行くほど熱電対５の数が多くなるように配置している。
【００４０】
それによって、メンブレン領域３の周辺部に配置された検出領域８ｂ、特に検出領域８ｃの起電力を大きくすることができるため、メンブレン領域３の周辺部の検出領域８ｂ、８ｃの感度低下を防ぐことができ、メンブレン領域３の周辺部の検出領域８ｂ、８ｃと中心部の検出領域８ａとの間の感度差を低減することができる。
【００４１】
尚、中心部の検出領域８ａから対角線方向に設けられた検出領域８ｃとは、メンブレン領域３内の隅部に設けられた検出領域のことであり、また、中心部の検出領域８ａと隣り合う検出領域８ｂとは、前記隅部に設けられた検出領域に挟まれた位置に設けられた検出領域のことである。
【００４２】
ここで、本実施形態の赤外線検出装置の製造工程について、図１を用いて簡単に説明する。
【００４３】
まず、この図１に示されるように、シリコン基板１の一方の面に、熱酸化処理によってシリコン酸化膜４（若しくは、シリコン窒化膜でもよい）を形成する。
【００４４】
続いて、このシリコン酸化膜４の上に、異なるゼーベック効果を持つ２種類の導体または半導体材料によって、所望のパターンに熱電対５を形成する。尚、本実施形態では、Ｎ型のポリシリコン５ａとアルミ配線５ｂを用いて熱電対５を形成している。
【００４５】
続いて、この熱電対５の上にパッシベーション膜６を形成し、ボンディングワイヤを接続する部分のパッシベーション膜６を除去する。
【００４６】
続いて、ＫＯＨ（水酸化カリウム）などのエッチング液を用いて、シリコン基板１の裏面から異方性エッチングを行い空洞２を開口し、それによって、メンブレン領域３を形成する。
【００４７】
続いて、パッシベーション膜６を介して、異方性エッチングにより形成されたメンブレン領域３の上に、金を微粒子にした金黒を用いて、赤外線吸収膜７を蒸着により形成する。尚、本実施形態では、メンブレン領域３の上に９つの赤外線吸収膜７を形成している。
【００４８】
続いて、シリコン基板１をダイシングなどにより、個々の半導体センサチップに切り分け、切り分けられた半導体センサチップをステム（図示せず）に銀ペーストなどの接着剤により接着する。
【００４９】
最後に、ボンディングワイヤを用いて、ステムに設けられたピンと電気的に接続し、キャップ（図示せず）を付けてシール溶接をすることにより、赤外線検出装置が完成となる。
【００５０】
（第２実施形態）
図４に本発明の第２実施形態に係る赤外線検出装置の平面構造を示す。
【００５１】
本実施形態の赤外線検出装置の構成は、上記第１実施形態とほぼ同様であるため、第１実施形態と同等な構成については同様の符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。
【００５２】
本実施形態では、図４に示されるように、マトリックス状に９つ形成された検出領域８のうち、中心部の検出領域８ａにおける赤外線吸収膜７の面積が最も小さく、中心部の検出領域８ａと隣り合う検出領域８ｂにおける赤外線吸収膜７の面積が次に小さく、中心部の検出領域８ａから対角線方向に設けられた検出領域８ｃにおける赤外線吸収膜７の面積が最も大きいというように、メンブレン領域３の周辺部に行くほど赤外線吸収膜７の面積を大きくしている。
【００５３】
それによって、上記第１実施形態のように熱電対５の数を調整することなく、メンブレン領域３の周辺部に配置された検出領域８ｂ、特に検出領域８ｃの起電力を大きくすることができるため、メンブレン領域３の周辺部の検出領域８ｂ、８ｃの感度低下を防ぐことができ、メンブレン領域３の周辺部の検出領域８ｂ、８ｃと中心部の検出領域８ａとの間の感度差を低減することができる。
【００５４】
（他の実施形態）
また、熱電対５の配置上の制約や赤外線吸収膜７の面積及び膜厚上の制約がある場合などは、上記第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせてもよい。
【００５５】
つまり、第１実施形態のように、メンブレン領域３の周辺部に行くほど熱電対５の数が多くなるように配置しつつ、第２実施形態のように、メンブレン領域３の周辺部に行くほど赤外線吸収膜７の面積を大きくした構成としてもよい。それによって、上記両実施形態の効果を発揮することができる。
【００５６】
尚、本発明は、上記各実施形態に限られるものではなく、様々な態様に適用可能である。
【００５７】
例えば、上記各実施形態では、シリコン基板１上に形成された熱電対５の材料として、Ｎ型のポリシリコン３とアルミ配線４を用いたが、これに限られるものではなく、他の導体または半導体材料でも良い。
【００５８】
また、上記第１実施形態では、メンブレン領域３の上に形成された検出領域８のうち、中心部の検出領域８ａには熱電対５が２堆、中心部の検出領域８ａと隣り合う検出領域８ｂには熱電対５が３堆、中心部の検出領域８ａから対角線方向に設けられた検出領域８ｃには熱電対５が４堆というように配置されているが、これに限られるものではなく、他の配置パターンでも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る赤外線検出装置の概略断面構造を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る赤外線検出装置の概略平面構造を示す図である。尚、図１におけるａ矢視図である。
【図３】図２の一部拡大図を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る赤外線検出装置の概略平面構造を示す図である。
【符号の説明】
１…シリコン基板、
２…空洞、
３…メンブレン領域、
４…シリコン酸化膜、
５…熱電対、
５ａ…ポリシリコン、
５ｂ…アルミ配線、
６…パッシベーション膜、
７…赤外線吸収膜、
８、８ａ、８ｂ、８ｃ…検出領域、
９…アルミパッド、
１０…熱電対群。

Claims

裏面に空洞部（２）が形成されることでメンブレン領域（３）が形成された基板（１）と、
前記メンブレン領域（３）内に配置され、赤外線を吸収する赤外線吸収膜（７）と、
前記赤外線吸収膜（７）から前記メンブレン領域（３）の外側の基板領域に渡って設けられ、前記赤外線吸収膜（７）における複数の温接点と前記メンブレン領域（３）の外側の基板領域における複数の冷接点とを有してなり、前記複数の温接点と前記複数の冷接点との温度差によって生じる起電力変化を測定する熱電対群（１０）とを備え、
前記熱電対群（１０）と前記赤外線吸収膜（７）とからなる検出領域（８）を複数有する赤外線検出装置において、
前記複数の検出領域（８）は、前記赤外線吸収膜（７）が前記メンブレン領域（３）のうち中心側に配置される検出領域（８）に比べて、前記赤外線吸収膜（７）が前記メンブレン領域（３）のうち前記メンブレン領域（３）の外側の基板領域側に配置される検出領域（８）の方が前記熱電対群（１０）の温接点および冷接点が多く配置されるように構成されていることを特徴とする赤外線検出装置。
前記赤外線吸収膜（７）は、前記メンブレン領域（３）の中心側を中心としたマトリックス状に配置されており、
前記複数の検出領域（８）は、前記赤外線吸収膜（７）が前記マトリックス状の中心に配置される検出領域（８）に比べて、前記赤外線吸収膜（７）が前記マトリックス状の中心に隣り合う位置に配置される検出領域（８）の方が前記熱電対群（１０）の温接点および冷接点が多く配置されるように、かつ、前記赤外線吸収膜（７）が前記マトリックス状の中心に隣り合う位置に配置される検出領域（８）に比べて、前記赤外線吸収膜（７）が前記マトリックス状の中心から対角線方向に配置される検出領域（８）の方が前記熱電対群（１０）の温接点および冷接点が多く配置されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出装置。
裏面に空洞部（２）が形成されることでメンブレン領域（３）が形成された基板（１）と、
前記メンブレン領域（３）内に配置され、赤外線を吸収する赤外線吸収膜（７）と、
前記赤外線吸収膜（７）から前記メンブレン領域（３）の外側の基板領域に渡って設けられ、前記赤外線吸収膜（７）における温接点と前記メンブレン領域（３）の外側の基板領域における冷接点とを有してなり、前記温接点と前記冷接点との温度差によって生じる起電力変化を測定する熱電対（５）とを備え、
前記熱電対（５）と前記赤外線吸収膜（７）とからなる検出領域（８）を複数有する赤外線検出装置において、
前記複数の検出領域（８）は、前記赤外線吸収膜（７）が前記メンブレン領域（３）のうち中心側に配置される検出領域（８）に比べて、前記赤外線吸収膜（７）が前記メンブレン領域（３）のうち前記メンブレン領域（３）の外側の基板領域側に配置される検出領域（８）の方が前記赤外線吸収膜（７）の面積が大きくなるように構成されていることを特徴とする赤外線検出装置。
前記赤外線吸収膜（７）は、前記メンブレン領域（３）の中心側を中心としたマトリックス状に配置されており、
前記複数の検出領域（８）は、前記赤外線吸収膜（７）が前記マトリックス状の中心に配置される検出領域（８）に比べて、前記赤外線吸収膜（７）が前記マトリックス状の中心に隣り合う位置に配置される検出領域（８）の方が前記赤外線吸収膜（７）の面積が大きくなるように、かつ、前記赤外線吸収膜（７）が前記マトリックス状の中心に隣り合う位置に配置される検出領域（８）に比べて、前記赤外線吸収膜（７）が前記マトリックス状の中心から対角線方向に配置される検出領域（８）の方が前記赤外線吸収膜（７）の面積が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の赤外線検出装置。