JP5001007B2 - 最適化された表面を活用する赤外線センサー - Google Patents

Description

本発明は、例えば、非接触温度測定または赤外線ガス分光のための放射線センサーに関する。

温度を測定する公知の技術は多いが、それらは、物理的または化学的な材料特性が温度に依存する多くの特質を技術的に活用している。これらの方法の殆ど全てが、測定センサーの熱伝達に基づいている。いわゆる接触温度計では、この熱伝達は、熱の伝導と対流とを介して行われ、非接触温度計（放射温度計）の場合、熱放射によって行われる。

接触温度計が一般的に非常に信頼できて最も単純で製造費用効果が高くても、それらの用途は依然として限られている。従って、例えば、測定センサーの材料特性のために上限温度があり、それを越えると、測定センサーはもう動作できない。そのうえ、接触温度計は、高速で移動し、または、接近しにくい物体の温度の測定に適していない。

従って、熱放射に準じる非接触温度計は、多くの用途で採用されている。温度がＴ＞０Ｋである任意の表面は、電磁波、いわゆる熱放射線を放出する。表面から放出された放射線が別の表面に接すると、それは、部分的に反射、吸収または伝達される。従って、吸収エレメントの加熱が放出された赤外放射線の証拠として機能するので、吸収エレメントは、波長に関係なく、かつ、放射線の入射によって加熱される吸収能力を理想的に有する放射温度計に用いられる。

放射温度計またはいわゆる放射高温計は、一般に、レンズと、吸収エレメントを備えた検出器エレメントだけでなく、レンズと検出器とを機械的に熱的に保護するハウジングをも有している。これらのセンサーの場合、被測定物体から放出される赤外放射線は、吸収面上に、適切な窓または光学部品を介し、しるされるので、この表面は、吸収により温度が上昇する。放射温度計は、温度計の自己温度より低い温度の測定にも使用できることが分かる。この場合、吸収表面は、全体的に吸収表面が冷えるように、吸収する以上に放射している。

温度の上昇（または低下）は異なる方式で測定できる。サーミスター・ボロメータの場合、それは、測定される電気抵抗の変化であり、サーモ・エレメントについては、二つの金属ワイヤ間の接触点における電圧であり、パイロ電気検出器の場合、特殊な絶縁クリスタルの温度に変化がある場合に生じる電荷の変位である。

サーモ・エレメントは、温度上昇をもたらす所謂ゼーベック効果を用いている。二つの異なる熱電材料製の熱電対の接合点が吸収領域と接し、基準接点は一般的にセンサー・ハウジングの温度である。このようなサーモ・エレメントのセンサー出力電圧は非常に小さいので、しばしば、多くのこのようなサーモ・エレメントが直列に接続されている。このような多くのサーモ・エレメントの直列接続は、サーモ−カラムまたはサーモ−パイルとも呼ばれている。

近年、多くの努力が電気および電子の構成部品を小型化するために多くの技術分野で行われているが、同時に、公知の標準化可能なプロセスでコスト効率的にそれらを製造できるようにすべきである。更なる小型化は、放射センサーの場合、吸収器の表面を狭くするので、温度上昇が僅かになり、それと共に信号も小さくなり、分解能も小さくなる。
従って、特に小型化されたセンサーの場合、吸収器システムの赤外放射線の吸収をできるだけ高めて、環境から吸収器の表面を断熱し、温度上昇をできるだけ高くし、センサー出力信号を大きくすることが重要である。

検出器エレメントを有する赤外線センサーは既に公知であるが、検出器エレメントは、放射線を吸収する結果として加熱される吸収器エレメントと、吸収器エレメントの位置を定めるための表面を備えた支持体とからなり、この支持体の表面に凹部があり、吸収器エレメントは、吸収器エレメントの一部が支持体に触れないように、支持体の表面上で凹部の上方に配置されている。通常は、凹部の上方に置かれた非常に小さな熱伝導性を備えた膜があり、その上に順に吸収器エレメントが置かれている。これは、一方の吸収器エレメントとヒート・シンクとして作用する支持体との間の熱的な分離を殆どの範囲で保証し、他方、吸収器エレメントと支持体の間に高い温度差が生じることになり、より大きな信号強度が生じる。

このようなセンサーは、ＤＥ ４２ ２１ ０３７に既に記されている。このセンサーは、精密機械技術で製造されている。検出器は、ここでは、センサー・ハウジングのベース・プレートに接合されているシリコンの支持体を有している。

ＤＥ ４２ ２１ ０３７に示すセンサーは、いわゆるウエット・エッチング技術（ＫＯＨ）で製造されているが、凹部に傾斜側壁が生じる結果になる。言い換えれば、凹部を囲む支持体のフィンが先細りする結果になる。しかし、これは、フィンが吸収器エレメントに面する側面上で実際には広がることを意味し、吸収器エレメントにとって不適切な断熱になるか、または、有効表面が狭くなる結果になる。

公知の赤外線センサーの殆ど全てにおいて、吸収器エレメントのサイズは、例えば、チップ形状の検出器の全体的なサイズと比べると、比較的小さく、低い信号利用となる。

ＤＥ １００ ０９ ５９３では、ヒート・シンクとして作用する支持体が既述されているが、その場合、凹部を囲む壁はベース・プレート上で実質的に垂直である。しかし、この形状では、吸収器エレメントのエッジとシリコン・ヒートシンクとの間の距離が比較的長くなる。この領域には、不適切な熱導体である膜が１つだけ存在し、吸収器エレメントと比べると、赤外放射線に対して低い吸収性を有するだけである。従って、膜に入射する赤外放射線は、信号生成には不十分であり、測定点のサイズが検出器チップ表面だけ増加するので、高温計への適用には特に適していない。更に、ＤＥ １００ ０９ ５９３に示す形状では、支持体の縁部が非常に大きいので、検出器エレメントの全体的なサイズと比べると吸収器エレメントの有効サイズが小さくなる結果になる。

そのうえ、周知の赤外線センサーの場合、吸収器エレメントの端部とシリコン・ヒートシンクとの間の距離が比較的長い。そのうえ、吸収器表面は、全体的な検出器表面と比べると、比較的狭い。

その解決方法

従って、最新の技術に基づき、本発明の目的は、冒頭に記したタイプの放射センサーを製造し、できるだけ小さくした表面上に増幅信号を生成することにある。そのうえ、本発明の目的は、小さな測定点を許容すると共に、公知の標準化技術で製造できる赤外線センサーを提供することにある。

本発明では、この目標は次のようにして解決した。すなわち、凹部が、支持体面積の少なくとも４５％に対応する、吸収器エレメントに面する少なくともその側面上に、表面伸長部を有している。言い換えれば、凹部を支持体に導入することにより、支持体表面の少なくとも４５％が除去される。凹部を囲む支持体表面の残りは、従って、支持体表面全体の最大で５５％の全体的な表面伸長部を有している。その結果、信号強度が一定に維持されながら、センサー表面全体が減少するので、製造コストが安価になる。支持体を乾燥エッチング・プロセスで製造することも効果的である。

特に好ましいデザイン形状では、凹部は、支持体表面の４５〜７５％の範囲、好ましくは５０〜７０％の範囲、特に好ましくは約６５％である膨張部を有している。特に優れた信号要素は凹部の形状設定から実現できて、支持体の満足できる安定性も保証されることが分かった。

特に有用なデザイン形状では、凹部は、支持体の上側の支持体表面に関して８０〜１００度の範囲、好ましくは８５〜９５度の範囲、特に好ましくは約９０度の角度をもつ側壁を有している。この測定は、吸収器エレメントの表面と全体的な検出器表面または支持体表面との比率を増加するように機能する。

凹部は、それが支持体全体を介して伸長するように好都合に製造すべきことが分かった。言い換えれば、センサーのベース・プレート上に実装できる支持体は、一貫する開口部を有している。これは、吸収器エレメントと支持体またはセンサーのグランド・プレートとの間の距離をできるだけ大きくするので、吸収器エレメントまたは膜と凹部のフロアまたはベースとの間に存在するガスの熱伝導性に起因する信号低下を和らげる。

支持体はシリコン技術で好都合に製造される。更に、吸収器エレメントが、適切なデザイン形状で少なくとも一つの放射線検知機能層上に配置されている、少なくとも一つのＣＭＯＳコンパチブル・被覆層を有していると効果的である。

被覆層が、全体的な支持体表面の少なくとも３０％、好ましくは３５〜７０％の範囲、特に好ましくは４０〜６０％の範囲の表面積を有していると、特に効果的であることが分かった。全体的な支持体表面は、凹部を含めた支持体の表面積を意味することを、ここで再び強調しなければならない。

ここで述べた吸収器エレメントは、サーモ−エレメントまたはサーモパイルと組み合わせて用いる必要性は必ずしもないが、例えば、パイロ電気エレメントまたはボロメータと組み合わせて使用することもできる。

更に、信号要素は、凹部の少なくともフロアまたはベースが赤外放射線を反射する材料で製造されていると、更に強化されることが試験で証明された。これは、例えば、金属の層、例えば、１μｍ未満の厚みを適切に有する金の層によって実現できる。

更に、特に好ましいデザイン形状があり、センサーは、ベース・プレートから作られたハウジングと、そこに接合されたキャップとを有し、検出器エレメントまたは支持体がベース・プレート上に配置されている。ここで、ベース・プレートは、支持体を囲む領域に少なくとも赤外放射線を反射しないように構成されていると効果的である。これは、例えば、適切な非反射材料のベース・プレートを製造することによって実現できる。代わりに、ベース・プレートは、非反射材料、好ましくはラッカーまたはフォトレジストを用いて、支持体を囲む領域に塗布できる。

他の特に好ましいデザイン形状も従属請求項の特徴を実現する。

本発明の他の長所と特徴と適用事例は、添付する図面だけでなく、好ましいデザイン形状に関する次の説明から明らかになる。

図１Ａと１Ｂは、本発明に係る赤外線センサーの二つの異なる基本的な構造を、最新の技術観点から、少なくとも部分的にわかりやすい方法で示している。検出器エレメント２と基準エレメント３とがベース・プレート１上に配置され、周囲温度を測定するために前記ベース・プレートと良好な熱接触を保っている。

代わりに、基準エレメントは、図１Ｂのデザイン形状で示すように、シリコン回路１１に統合することもできる。これは、例えば、信号条件設定と周囲温度補償のために第一の段階で一緒に行うことができる。

基準エレメント３とベース・プレート１との間の機械的な接続は、好ましくは、導電性のエポキシ樹脂、例えば、銀を補充したエポキシ樹脂を用いている。もちろん、低温溶融性ハンダによるハンダ付けのような他の方法も可能である。

検出器エレメント２と基準エレメント３またはシリコン回路１１は、例えば、細い結合ワイヤであるワイヤ４を介し、接続ピン５またはベース・プレート１の接続用接触面６に接続している。

検出器エレメント２には、後述するように、凹部４０がある。前記凹部４０の底部は、例えば、１マイクロメータ未満の厚さで、非常に高反射性の金属層７が塗布されている。

検出器エレメント２を囲むベース・プレート１の領域は、図示するデザイン形状のように、非反射層８で被覆できる。この層は、例えば、ラッカーまたはフォトレジストでもよい。製造時に、検出器エレメント２、基準エレメント３またはシリコン回路のための接触点を除き、表面全体を塗布すると効果的である。赤外線センサーは、例えば、鉄、ニッケル、真鍮または銅製の金属キャップ９を更に備えている。金属キャップ９は、できるだけ堅固にベース・プレート１に接合されている。キャップ９は、例えば、溶接、ハンダ付け、または、接着で、ベース・プレート１を密閉できる。検出器エレメントの上方の金属キャップ９に開口部があり、そこには、赤外放射線を通すフィルタ１０がある。

既に記述し、かつ、図１Ｂに示すように、温度基準３は、シリコン回路１１として、例えば、用途特定集積回路またはいわゆるＡＳＩＣの形式で、必要に応じ、増幅器と補償回路だけでなく、統合化した温度基準でも製造できる。

ベース・プレート１は、例えば、図１Ａに示すように、標準的なトランジスタ・ハウジングに用いられているような金属または金属合金から製造できる。好ましい材料の例として、鉄、ニッケル、コバルト、または類似の材料がある。代わりに、図１Ｂに示すように、ベース・プレート１は、プリント基板材料ＦＲ４のように、セラミックまたは有機材料から製造できる。

図２Ａと２Ｂは、例えば、標準的なＰＣＢ材料（ＦＲ３、ＦＲ４またはセラミック）から製造された、非金属キャリア基板を備えたセンサー構造の好ましいデザイン形状を示す。図２Ａは、センサー構造の平面図を示す図２ＢのＡ−Ａ’線断面図である。検出器エレメント２と温度基準３または信号の事前調整構造エレメント（ＡＳＩＣ）１１が、ＰＣＢ上に実装されている。金属層４１が非金属製ＰＣＢ上に置かれている。この層は、好ましくは、２０〜１００μｍの厚みを有するべきである。この金属層は、例えば、市販のＰＣＢにしばしば用いられている銅層を用いて製造できる。金属層４１は、キャップ９の接触面まで、検出器エレメント、温度基準またはＡＳＩＣの下方に延在している。

この金属層４１は、一方側にフィルタを、他方側に検出器エレメント２と温度基準３とを備えたキャップ９との間で良好な温度接続を保証するように作用する。特に好ましいことは、接点４８と貫通路４４とを設けるための個々のアイランド４２を除き、ベース・プレート１に沿う道の全てに走る金属層４１を有していることである。

ベース・プレート１に対するキャップ９の固定は、例えば、ハンダ付け、接着または溶接を用いて行われる。用途に基づき、キャップ９と金属層４１または電気的に絶縁された実装部との間の電気的接続が優れたものになる。

図示したデザイン形状において、金属層４１は、更に高い反射性で適切に接合可能な層７が、検出器エレメントの下方側の領域、すなわち、検出器エレメントまたは支持体が有する連続する凹部をもつポイントの領域、および、接続接点４８の隣接する囲み部内に設けられている。層７は、例えば、薄い金の層である。

検出器エレメント２の周囲におよび接触面の周囲の全てにおいて、図示するデザイン形状で、金属層７、４１は、吸収層４３、例えば、ハンダ・レジスト・ラッカーで被覆されている。

吸収層４３は、測定結果を好ましくない方法で影響するおそれがある入射光線の反射を避けるために用いられる。

スルーホール４４も可能であり、これは、しばしばビアとも呼ばれ、ベース・プレートの下側に対する接続を提供する。スルーホール４４は、それらの内壁面が実装完了までに金属メッキで覆われ、できるだけガスが漏れのないように下側から封止されている。これは、例えば、接着剤の滴下またはハンダ・ロック４５によって行うことができる。このロックは、アグレッシブガスだけでなく、湿気のような外因からセンサー・ハウジングを密封するために必要である。ある用途では、それは、センサー内部を所定のガスと湿気との比率に設定するため、乾燥窒素または不活性ガスのような所定のガス雰囲気中でロックされると、効果的である。

ベース・プレート１の下側で、接点４４の金属製部品は、プリント・ハンダ・ビーズ４６に連なっている。これらのハンダ・ビーズは、例えば、スズ・ハンダによって構成できる。後のスズ・ハンダの溶融により、いわゆるリフロー・ハンダ工程により、センサーを標準的なＰＣＢ上に自動的に設置できる。

図３は、本発明に係るベース・プレート上のセンサーのデザイン形状について基本的な構造を示す。センサーの作用について、この図面と前の図面とを用いて次に記す。

温度測定を求められる物体に由来する赤外放射線５３は、キャップ９に設けたフィルタを通過し、吸収器システムを有する検出器エレメント２に入射する。

吸収器システム１９では、熱放射線は実質的に完全に吸収され、シリコン・キャリア上方の検出器エレメント２の支持体１２の境界と吸収器領域１９との間に温度差が生じる結果になる。数多くのサーモ・エレメントは、それらの接続部の１つが赤外放射線に晒される吸収器システムの領域に位置し、他の接続部が検出器エレメントの境界に固定されるように、吸収器システム上に配置されている。熱電効果により、電位差が全ての熱電対に生じる。この電位差は、赤外放射線に晒される吸収器システムの領域と、検出器エレメントの境界との間の温度差に比例する。熱電圧は、通常は非常に小さく、数マイクロボルトである。信号電圧を高めるために、数多くの熱電対がいわゆるサーモパイルに直列に接続している。これらは、典型的に数十、または百以上の熱電対にしてもよい。

前述の方法でつながれた熱電対の二つの末端は、結合アイランド２１に接続されている。結合アイランド２１から、結合ワイヤ４は、信号を外部に向けて接続ワイヤまたは接続接点に送る。

好ましくは、良好な熱伝導性を有すべきグランド・プレート１上に、検出器エレメント２は検知エレメントまたは吸収器エレメントと一緒に配置されている。検出器エレメント２は、図示するデザイン形状で、２５０〜６５０μｍの範囲で、好ましくは約４００μｍの厚みのシリコンの支持体１２である支持体と、その上方の膜と薄い層１３、１４、１５、１６とから成る。断熱性の約０．３〜１μｍの薄膜層１３と１４は、誘電層（好ましくは、窒化珪素と酸化珪素またはシリコン窒化酸素物（silicon oxy-nitrite））から成る。

膜の層は、少なくとも二つの層をもつサンドイッチ構造である。ここで、ベース層１４とも呼ばれる、二酸化珪素の最下限層１４を製造し、５０〜３０ｎｍの厚みにすることは効果的である。二酸化珪素は、後の反応シリコン・エッチング・プロセスに適した非常に低いエッチング・レートを有しているので、あるエッチング障壁層を形成するために選択されてきた。ベース層の上方に、膜層１３があり、その上に熱電的に能動的な層１５、１６が設けられている。ｐ−導通（ホール導通）性の多結晶シリコンと、ｎ−導通（電子導通）性の多結晶シリコンとが、ここでは一緒に適切に用いられている。両方の材料は、符号が逆の高い熱電係数をもち、ＣＭＯＳ標準工程で容易に使用できる。

個々の熱電対は、ｎ−導通性ポリシリコンの一つのリムと、ｐ−導通性ポリシリコンの一つとをそれぞれ有している。これらのリムの両方は、一方が他方の上に適切に配置され、各々前後の熱電対にそれらの末端で接続されている。結果として、いわゆる“熱”接点１８が膜の中心に位置している。なぜならば、この領域は、ヒート・シンク、いわゆる“冷”接点１７として作用するシリコン・キャリア２の上方で、チップ２のエッジ上で、赤外放射線に晒される。接触は、アルミニウムまたはアルミニウム合金製の一つ以上の接触窓において行うことができる。

一方が他方の最上部に位置する二つのポリシリコンリム間の絶縁は、ＣＭＯＳ標準方法を用いて、例えば、二酸化珪素または窒化珪素の薄層を用いて、好ましいデザイン形状で実現される。

熱接点１８の上方に置かれた吸収器構造１９がある。少なくとも一層、必要に応じて数層から成る、この被覆層は、測定すべき赤外放射線に対して（例えば、３〜１５μｍ）、できるだけ低く、かつ、高い吸収性の反射機能を有していなければならない。

膜層１３、１４、１５、１６と反射層２０とが一緒に、それらは本発明の吸収器システムを形成している。

本発明に係るセンサー・チップは、通常は１００〜２００ｍｍ直径のシリコン・ウエハー上の化合物において製造できる。その際に、一般的に、２，０００〜２０，０００個のチップを１枚のウエハー上に配置できる。ここで、検知層は、ウエハーの上側に配置されている。このために、誘電層１３、好ましくは、窒化珪素と酸化珪素またはシリコン窒化酸素物が、ＣＭＯＳ技術において標準化されたＣＶＤ工程により、シリコン上に沈着している。これは、数層を有するサンドイッチ構造になる。層の厚みは、室温に上昇した温度で沈着した後のチップの冷却のために異なる熱膨張係数に起因する機械的応力が、できる限りバランスするように選択される。従って、例えば、窒化珪素は冷却後に引張応力のもとにあるが、酸化珪素は冷却後に圧縮応力のもとにある。層全体の応力が室温に冷却後に多かれ少なかれ除去されるか、または最悪の場合でも僅かの引張応力だけ残るように、層の厚みを選択することが効果的である。

図４は、強度比が明確になるのに役立つ接点だけでなく、膜や吸収器を含んでいるセンサー２の更なる図を示している。

ここでは、シリコン層から構成されている支持体１２は、互いにほぼ直角の角度をなす厚さＤの四つの壁だけで実質的に形成されているので、凹部４０を有していることが明確に分かる。支持体の残りのフレームの厚みＤは、チップ２の側面の全長Ｓに対し、好ましくは最大で１８％、特に好ましくは８〜１２％の範囲にある。温度センサーの放射探査は結果として増加している。更に、吸収器構造１９の境界と膜との間の距離Ａ１は、６％未満、好ましくは、チップの側面全長の２〜５％の範囲にある。非常に小さい検出器エレメントの場合、例えば、約１ｍｍ以下の側面長で、ＤとＡ１との値は指定の上限になるが、低い値が２ｍｍを超える側面長を備えた検出器エレメントにとって効果的であることが分かる。

吸収器エレメントの幅または長さＡ２は、チップの側面長と呼ばれ、特に約１ｍｍ未満の検出器サイズの場合に、好ましくは少なくとも５２％であり、特に１．５ｍｍを越える側面長を備えた検出器サイズの場合に、好ましくは６５〜８０％の範囲である。

試験時に、次に示す表に記すサイズ比が、それらを証明した。

本発明に係るチップ形状を構成することにより、実現できることは、検出器表面と呼ばれる実現可能な信号電圧が公知のセンサーと比べると大幅に増加することである。従って、信号電圧が試験中に測定され、それは、同じ検出器表面積を有する公知のセンサー・チップの信号電圧の１．４〜２倍だった。

そのうえ、支持体の境界が最新式のセンサーと比べると大きく減少しているので、測定点の好ましくない拡大を招く反射の可能性が減少する。その結果、空間的に限定される被測定物体を測定するための本発明の赤外線放射温度計の測定精度が大幅に増加する。

シリコン支持体１２のエッジの近くの膜のエッジ上に冷接点１７を配置し、熱接点をできるだけ離して吸収器１９の下方に置くと、吸収器表面の領域全体を活用できるので効果的であることが分かった。その結果、ある接点、例えば、全ての第二のまたは第三の接点が吸収器境界の近傍に配置され、残りは、吸収器の境界と吸収器１９の中間部との間に設けられる。

図５Ａと５Ｂは、本発明に係る吸収器システムの構造を示す。そこでは、ハウジング底面を含むセンサー全体が、エレメントの全てが吸収に関与するようにデザインされている。赤外線フィルタ１０を介して非検出エレメント２に入射する赤外放射線は、まず、吸収器被覆層５２に達する。この被覆層は、適切にＣＭＯＳコンパチブル・プロセスで製造でき、できるだけ小さい反射係数を有するとともに、例えば、３〜１４μｍのスペクトル範囲で高い自己吸収性を有している。ＣＭＯＳとクリーン・ルーム・コンパチブル層は、最大で約５０〜７０％の吸収を一般的に有しているだけなので、赤外放射線の一部は、被覆層５２を必然的に貫通し、被覆層５２の下方に形成された不活性化層５１だけでなく、不活性化層５１下方の熱電層１５、１６と膜層１３、１４とにも入射する。これらの層は、赤外線領域においても特定の吸収を呈する。層のような構造の全体的な吸収は、赤外放射線の波長と用いる誘電層の厚みの両方に依存する。従って、入射した赤外放射線の一部が、層構造を貫通してベース・プレート１に達することができる。しかし、ベース・プレート１上には、既述のように、自己反射も伝搬も殆ど無い高反射層７を凹部に設けてあり、放射線の成分を反射して膜に戻す。また、膜層１４は層７で反射した放射線の一部をも反射する可能性があるので、放射線の成分がほぼ完全に貫通して下方から膜層に戻るまで、多重反射が生じる可能性がある。残留放射線のなかで最も大きなものは、すなわち、最初に吸収器層を貫通した放射線は、層１３、１４、１５、１６、５１、５２から成る層システムを介して２回目の通過中で吸収される。

代わりに、多重反射が層システムの一部に生じるだけであるので、吸収層の誘電層の系統内に反射層を導入することも可能である。更に、ある用途の場合、できるだけ完全に吸収層における入射光を吸収するため、干渉作用に関して誘電層の厚みを効果的に最適化できる。従って、例えば、更なる反射層を介し、例えば、酸化珪素の厚みが０．５〜１μｍの誘電層を適用できる。実際に広帯域センサーに用いると、誘電層の全体的な厚みを１．５〜２．５μｍまでに増加させるのに効果的である。

経験によれば、できるだけ多量に入射放射線を吸収するため、熱電層が膜全体上に実質的に形成されている。さらに、吸収器層は、自立膜の表面、すなわち、支持体に接触していない膜の表面を、少なくとも７０〜８５％にまで、好ましくは満たすべきである。

層システムは、例えば、サーマルな酸化珪素またはＣＶＤ酸化物から成る基本酸化層１４と、例えば、窒化珪素、酸化珪素またはシリコン窒化酸化物から成る膜サンドイッチ１３とから成る。例えば、ｎ−とｐ−の導通性多結晶シリコンまたはシリコンとゲルマニウムからなる熱電層１５，１６は、ＣＶＤ分離工程からも製造できる。熱電層１５，１６の上方に、厚みが約１００〜１，５００ｎｍの酸化珪素または窒化珪素の不活性化層がある。

吸収器被覆層５２は、単一層または多重層のデザインで製造できる。試験から、二つの変形例が特に有効であることが分かった。

第一の変形例では、窒化チタン製の薄い反射低減金属層が、例えば、不活性化層５１上に溶着されている。溶着は、例えば、スパッタリングまたは蒸着によってできる。このような反射低減薄層の活用は、既知の層の場合に、原理的に公知の技術であるが、酸化とエージング・プロセスのために、層の抵抗、すなわち、吸収特性が時間の経過とともに変わる。従って、本発明では、酸化珪素または窒化珪素製の更なる不活性化層を反射低減層上に設け、第二の層の厚みが好ましくは１０〜５０ｎｍの範囲であることを提案している。この層は、例えば、約３５０〜４００℃以下の温度でプラズマ低減ＣＶＤ溶着手段を用いて製造できる。非常に薄い不活性化層は、金属層の反射特性を微々たる範囲で低下させるが、反射低減薄層の長期間にわたる優れた安定性を提供する。

第二の変形例では、ポリマー層が吸収器被覆層として用いられている。ポリマー層の厚みは、約２〜１０μｍである。ポリアミドのようなフォトイミドまたは他のポリマーは、ポリマー層として適切に用いられている。

そのうえ、吸収量を増加するために記した二つの変形例は、組み合わせることもできる。そのため、反射低減金属層がポリマー層上に溶着する。

更に測定点を限定するため、検出器エレメント２のシリコン支持体は、使用可能な吸収器表面が検出器エレメントの全表面エリアと比べて非常に大きいので、本発明では非常に小さい幅になっている。赤外放射線２６の一部がそれにもかかわらず検出器エレメント２の縁部に入射する場合、それらは、縁部２５の吸収器と同時に膜上に生成された吸収器層により更なる反射から遮ることができる。吸収器層２５は、シリコン・キャリア上方の全支持体の端部を被覆できるので、ワイヤを接続するために必要な表面を除外しなければならない。シリコンの高い熱伝導と、シリコン・キャリアに対する吸収器層の良好な熱結合と、ハウジング上のシリコン・キャリアとにより、端部領域に入射する放射線の吸収は、既述の価値である冷接点１７の温度上昇を生じさせない。

赤外放射線２４の一部が検出器エレメント２に加えてベース・プレート１に入射する場合、これらは、更なる吸収器層４３によって吸収できる。これが行われることは、これらの放射線成分２４が、或る環境のもとで、ベース・プレートやキャップ壁やキャップ・カバーでの多重反射により、吸収器に戻ることを妨げる。

これは、そうしないと、レンズの画像生成機能を劣化させることになる。

図６は、本発明に係る改善したキャップ形状をもつ二つのデザイン形状を示す。図示する特殊なキャップ形状により、寸法精度が高まり、特に、いわゆる“熱衝撃作用”の発生時に高くなる。いわゆる熱衝撃作用は、周囲温度が急激に変わる際に、温度勾配がキャップとベース・プレートとの間に生じることに起因する。この温度差は、ベース・プレート上の温度基準が補正できない不適切な信号を必然的に生じる。このエラー信号は、キャップとベース・プレートが再び全く同じ温度になった後に消えるだけである。この効果は、検出器エレメントまたはチップ２の吸収器システムが、“視界”内でキャップ９上にフィルタ１０を固定するために一般的に用いられるフィルタ・ステッカー２７を有する場合に、特に注目される。この原因は、金属キャップ９と比べると、用いるフィルタ・ステッカーの−しばしば非常に高い−自己吸収と放出とによる。その結果、ベース・ボディとキャップ９との間、または、ベース・ボディと用いるステッカー２７との間の温度差は、検出器エレメント２に、ステッカー２７が放出した赤外放射線を介して送られる。これは、キャップ９が検出器エレメント２と異なる温度の場合に、測定エラーを生じる。

従って、図６ａに示すデザイン形状の場合、例えば、金属またはプラスチック製の更なるスクリーン２８が、穴あきスクリーン２８が放射線をフィルタ１０から吸収器に送り、外部キャップ壁から到達する放射線成分を検出器エレメント２から引き離すように、キャップ６内で検出器エレメントの上方に組み込まれている。しかし、このスクリーン２８が両側で反射するように製造し、赤外線フィルタ１０に面する少なくとも上側が吸収性になるように塗布されていると、効果的である。

図６ｂに示すキャップ形状を有する第二のデザイン形状の場合、フィルタ１０は、窪みのキャップ９の上側に組み込まれている。この窪みは、フィルタ・ステッカー２７が検出器エレメント２の“視界”内に位置しないように形成されている。窪みの深さは、それをフィルタの厚みより少し深くなるように選択されているので、フィルタはキャップの上面から突出しない。

図７ａと７ｂは、サーモパイル・センサーの空間分解能が更に増大しているものが用いられ、更に好ましいキャップ形状を示している。

従って、回転対称ミラー３０が図７ａに示すキャップ２９に設置されている。このミラーは、反射性コーティングした金属またはプラスチック部品から製造できる。

ミラー３０の上部は、赤外線フィルタ１０を通る光線が検出器エレメント２の吸収器表面に焦点を結ぶように形成されている。これは、例えば、放物線としてまたはいわゆるウィンストーン−コーンとしてミラー３０の上部を形成することにより実現できる。

ミラーの下端３２は、他方で、キャップ２９の壁領域がセンサー吸収器の可視範囲に属さないように作られている。例えば、酸化珪素またはポリマー材料の不活性化被覆層をもつ、例えば、薄い金、銀またはアルミニウム層から成る、ミラー内面３１、３３上の金属反射層は、ミラーまたはキャップの加熱に起因する更なる測定エラーを解消する。ミラーの下側３２はいずれも図７ａに示すように湾曲しているとともに、面が、例えば、フロア・プレートと実質的に平行である。

図７ｂは、光学的焦点設定機能をもつ別のデザイン形状を示す。キャップ２９は、例えば、シリコン、ゲルマニウム、フッ化カルシウムまたは類似の材料から製作できる、挿入レンズ３４を有している。ある用途では、レンズ３４の伝搬範囲は、レンズ表面上の既知の非反射性フィルタ層で対応して制限できる。回転対称口径ボディまたは開口ボディ３６は、好ましいプラスチック製であり、キャップに設けられ、キャップ壁上の反射を防いでいる。従って、開口ボディ３６の内面３５が吸収性に作られる。口径ボディ３６の下側は、ベース・プレート１と平行であるだけでなく、いずれにも曲がることができ、必要に応じて、反射性にもできる。

複数の検出器エレメント２、例えば、本発明のように、各々が一つの吸収器システムをもつセンサーエレメントの一列またはアレイが、検出器エレメント２上に統合できることが分かる。個々の信号の信号前処理は、フロア・プレート１上の検出器エレメント２に次いで、アプリケーション特定シリコン回路１１だけでなく、検出器エレメント２の両方で一貫して実行できる。

図７ｃは、本発明のような吸収器システムの別のデザイン形状を示す。原理的に、このデザイン形状のチップ構造と層系列は、図２，３，５の関係で述べたデザイン形状に対応している。多重エレメント配置の場合でも、膜７の下方の領域に配置された高反射層７がある。吸収器構造１９は、膜層１３、１４の下方に置かれ、ここで同様に、シリコン・キャリア１２の残壁５４間の大部分のエレメントの表面に調整されている。単一エレメント方式と対照的に、レンズ３４を挿入しなければならない。また、口径ボディ３０の口径開口部は、外部に存在するセンサーエレメントのサイズと合致していなければならない。

ミラー３０だけでなく口径ボディ３６は、キャップ２９の一部として製作できることが分かる。図８Ａと８Ｂは対応するデザイン形状を示す。

例えば、深絞りした金属または射出成形したプラスチックから製作できるキャップ２９は、フィルタ１０を位置決めするために上端面に窪み３７を有している。窪みでは、ミラー表面３０が、反射コーティング３１に直接隣接している。ミラー表面３１とキャップ２９は、従って、ベース・プレートに対するミラーとキャップとフィルタまたはレンズの特に好ましい熱接触を実現できるので、単一の部品から形成されている。更に、このデザイン形状により、組立コストが安くなる。なぜならば、ミラーを別途に設置する必要がなく、対応する配置構成も必要がないからである。図示するデザイン形状において、その反射コーティング３１をもつミラー３０の内部部品は、赤外線フィルタ１０を介して入射する放射線の焦点設定作用を呈するように形作られている。その結果、放射線は、検出器エレメント２の吸収器表面上でマップされる。このために、ミラーは、放物線またはいわゆるウィンストーン−コーンの形をしている。

図８ａに示すデザイン形状により、特に再生可能な光学的画像特性を実現できる。なぜならば、深絞りツール２０としてまたは射出成形ツールとしてのキャップ２９の形状設定により、ミラーと検出器エレメント２との間の距離も適正に定まるからである。特に好ましいデザイン形状では、キャップの少なくとも内面全体が、反射コーティングを塗布されている。

そのうえ、キャップの外面が、グランド・プレート１と比べると、キャップ２９の好ましくない加熱を避けるため、反射コーティングを塗布されていると、より一層効果的である。

図８ｂに示すデザイン形状は、キャップ２９に挿入されている、例えば、シリコン、ゲルマニウム、フッ化カルシウムまたは類似の材料から成るレンズ３４を示している。ここで、キャップ２９は、金属の深絞り部品またはプラスチック射出成形部品であり、その上端にレンズ３４が置かれる窪み３７がある。更に、窪み３７には、その周辺を走行する溝３８がある。周辺の溝３８は、図８ａに示すデザイン形状でも使用できるが、フィルタ１０またはレンズ３４を取り付けるステッカーが、センサーから見えるフィルタ表面、ミラー表面またはレンズ表面にまで押されて進むことを防止する。このデザイン形状でも、窪みでは、口径表面３０が吸収コーティング３５に直接隣接している。

更なるスクリーン２８は、適切に深絞り金属部品として製造されるか、または、反射コーティングをプラスチック塗布できるが、スクリーン２８により放射線がフィルタから吸収器に通過可能になり、外部キャップ壁からくる放射線の成分を検出器エレメントから離して保つように、チップ２の上方に配置されている。キャップ２９がプラスチック製の場合、良好な熱接触になるように、穴あきスクリーン２８は好ましくは金属製であり、下端３９が、ベース・プレート１まで延在し、それに接続している。穴あきスクリーン２８は、光学的画像作成条件を改善し、いわゆる熱衝撃作用を低減するように機能する。ここで、キャップ２９の全体的な内面および外面も、適切に反射コーティングされている。

非接触温度測定または赤外線ガス分光のための放射線センサー以外の放射センサーにも利用できる。

図１Ａおよび１Ｂは、赤外線センサーの構造を描写した二つの概略図である。 図２Ａおよび２Ｂは、非金属キャリア上のサーモパイル・センサーの断面図である。 図３は、本発明のセンサーの概略的な構造を示す。 図４は、センサー上の接点を描写した概略図である。 図５Ａおよび５Ｂは、本発明に係る吸収器システムを備えた二つの異なるデザイン形状を示す。 図６Ａおよび６Ｂは、センサー・ハウジングの二つの異なるデザイン形状を示す。 図７Ａ、７Ｂおよび７Ｃは、イメージレンズを備えたセンサー・キャップの三つの異なるデザイン形状を示す。 図８Ａおよび８Ｂは、一体化したイメージレンズを備えたセンサー・キャップの二つ以上のデザイン形状を示す。

符号の説明

１ ベース・プレート
２ 検出器エレメント
３ 温度基準エレメント
４ 接続ワイヤ
５ 接続ピン
６ 接触表面
７ 反射層
８ 吸収層
９ キャップ
１０ フィルタ
１１ 信号処理回路
１２ 支持体
１３ 膜層
１４ ベース層／下膜層
１５、１６ 熱電層
１７ 冷接点
１８ 熱接点
１９ 吸収器構造
２０ 反射層
２１ 結合アイランド
２４ 赤外放射線の一部
２５ 吸収器層の境界領域
２６ 赤外放射線の一部
２７ フィルタ・ステッカー
２８ スクリーン
２９ キャップ
３０ ミラー
３１ ミラー層
３２ ミラーの下側
３３ 反射層
３４ レンズ
３５ 表面
３６ 口径ボディ
３７ 窪み
３８ 溝
３９ スクリーンの下端
４９ 凹部
４１ 金属層
４２ アイランド
４３ 吸収層
４４ 通路
４５ ハンダ・ロック
４６ ハンダ・ビーズ
４８ 接点
５１ 不活性化層
５２ 吸収器被覆層
５３ 赤外放射線
５４ シリコン支持体の壁
Ａ１ 吸収器境界と膜との間の距離
Ａ２ 吸収器エレメントの長さ
Ｄ 支持体フレームの厚み
Ｓ 検出器エレメントの側面長

Claims (32)

1. 放射線を吸収し、結果として加熱される吸収器エレメント（１９，５１，５２）と、前記吸収器エレメント（１９，５１，５２）および膜層（１３，１４）を配置するための支持体表面を備えた支持体（１２）と、を有する検出器エレメントを備え、
   前記支持体（１２）が平面方形の前記吸収器エレメント（１９，５１，５２）を積層した膜層（１３，１４）の下方に凹部（４０）を有する非接触温度測定法または赤外分光法のための放射線センサーであって、
   前記支持体（１２）の側面全長Ｓの最大１６％の厚さを有する側壁によって平面方形の前記凹部（４０）が形成され、
   前記吸収器エレメント（１９，５１，５２）に被覆された２重構造の熱電層（１５，１６）の一端に設けた複数の冷接点（１７）が、前記支持体（１２）の平面方形の環状開口縁部の各辺に沿って前記膜層（１３，１４）上に並設されている一方、
   前記熱電層（１５，１６）の他端に設けられ、かつ、前記凹部（４０）を部分的に被覆する平面方形の吸収器エレメント（１９，５１，５２）の下方側に配置された複数の熱接点（１８）のうち、奇数番目の熱接点（１８）が前記吸収器エレメント（１９，５１，５２）の縁部に沿って平行に前記膜層（１３，１４）上に配置されているとともに、偶数番目の熱接点（１８）が前記奇数番目の熱接点（１８）よりも前記吸収器エレメント（１９，５１，５２）の内側に位置し、かつ、各辺ごとに三角形を形成するように前記膜層（１３，１４）上に配置されていることを特徴とする放射線センサー。
2. 凹部の少なくとも吸収器エレメント（１９、５１、５２）に対向する側が、支持体の表面の４５〜７５％の断面積を占めることを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
3. 凹部が、支持体（１２）の上面に対し、８０〜１００度の角度を有する側壁で形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のセンサー。
4. 凹部が、支持体（１２）全体を通じて載置面に対して垂直に延びることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセンサー。
5. 支持体（１２）がシリコンエッチング法を採用して製造されることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のセンサー。
6. ベース・プレート（１）上に、支持体（１２）が固定されることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のセンサー。
7. 吸収器エレメント（１９、５１、５２）が少なくとも一つの被覆層（５２）を有することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のセンサー。
8. 吸収器エレメント（１９、５１、５２）が多層化され、被覆層（５２）が、少なくとも一つの放射線感応性または温度感応性の機能層である熱電層（１５、１６）上に設けられていることを特徴とする、請求項７に記載のセンサー。
9. 被覆層（５２）が、支持体の表面の少なくとも３０％の表面積を有することを特徴とする、請求項７または８に記載のセンサー。
10. 凹部の少なくとも底面が赤外放射線反射材料である金属層（７）からなり、前記金属層（７）が１μｍ未満の厚みであることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか１項に記載のセンサー。
11. ベース・プレート（１）が、赤外放射線を反射しない材料から製造されているか、または赤外放射線を反射しない材料を、支持体（１２）を囲む領域（４３）上に少なくとも塗布していることを特徴とする、請求項６ないし１０のいずれか１項に記載のセンサー。
12. 吸収器エレメント（１９、５１、５２）を支持する膜層（１３）が設けてあり、前記膜層（１３）は少なくとも二つの層を有することを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のセンサー。
13. 膜層（１３）が、二酸化珪素、窒化珪素または炭化珪素から製造されていることを特徴とする、請求項１２に記載のセンサー。
14. 吸収器エレメント（１９、５１、５２）が多重層構造を有することを特徴とする、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のセンサー。
15. 吸収器エレメント（１９、５１、５２）が、金属吸収層からなる被覆層（１９、５２）を有することを特徴とする、請求項１４に記載のセンサー。
16. 被覆層（１９、５２）が５０ｎｍ未満の厚みであることを特徴とする、請求項１５に記載のセンサー。
17. 被覆層（１９、５２）が窒化チタンから成ることを特徴とする、請求項１５または１６に記載のセンサー。
18. 被覆層（１９、５２）が１８０〜４００Ωの範囲の層抵抗を有することを特徴とする、請求項１５ないし１７のいずれか１項に記載のセンサー。
19. 不活性化層が被覆層（１９、５２）上に置かれ、不活性化層は酸化珪素または窒化珪素から製造されていることを特徴とする、請求項１５ないし１８のいずれか１項に記載のセンサー。
20. 吸収器エレメント（１９、５１、５２）が、２〜１０μｍの範囲の厚みのポリマー層によって形成された被覆層（１９，５２）を有することを特徴とする、請求項１４に記載のセンサー。
21. 被覆層（１９）が、２〜１０μｍの厚みのポリマー層と、ポリマー層の上方に配置された５０ｎｍ未満の厚みの金属吸収層と、１０〜５０ｎｍの厚みの金属吸収層の上方に配置された不活性化層とから成ることを特徴とする、請求項１５または１６に記載のセンサー。
22. 被覆層（１９、５２）を形成する少なくとも一つの層が、凹部を囲む支持体（１２）の上端表面まで、少なくとも部分的に延伸していることを特徴とする、請求項１５ないし２１のいずれか１項に記載のセンサー。
23. 吸収器エレメントの温度を測定するための温度測定デバイスであるサーモ・エレメントが設けられていることを特徴とする、請求項１ないし２２のいずれか１項に記載のセンサー。
24. 温度測定デバイスが少なくとも一つのサーモ・エレメントを有することを特徴とする、請求項２３に記載のセンサー。
25. 少なくとも一つのサーモ・エレメントが多結晶シリコンの二つの熱電層から形成され、一方の熱電層がｎ型導電性であり、他方の熱電層がｐ型導電性であり、両方の熱電層が酸化珪素または窒化珪素で形成された絶縁層によって互いに分離されていることを特徴とする、請求項２４に記載のセンサー。
26. 吸収器エレメント（１９、５１、５２）が放射線を反射する反射層を有することを特徴とする、請求項１ないし９および請求項１１ないし２５のいずれか１項に記載のセンサー。
27. 反射層上に、誘電層が設けられ、厚みが０．５〜２．５μｍの範囲であることを特徴とする、請求項２６に記載のセンサー。
28. 誘電層が、窒化珪素と酸化珪素またはオキシ窒化珪素とから成ることを特徴とする、請求項２７に記載のセンサー。
29. 複数のサーモパイル・エレメントが列またはマトリクス形式で配置され、全てのサーモパイル・エレメントが別々の吸収器エレメントに割り当てられていることを特徴とする、請求項２３ないし２８のいずれか１項に記載のセンサー。
30. 支持体が複数の凹部と複数の吸収器エレメントとを有し、吸収器エレメントが凹部の上方にそれぞれ配置されていることを特徴とする、請求項２９に記載のセンサー。
31. サーモパイルを構成する各サーモ−エレメントである熱電層の一つの接続部である、いわゆる熱接点が吸収器エレメントの下方に配置され、第二または第三のサーモ−エレメントの熱接点が吸収器エレメントの中間領域に延在し、他のサーモ−エレメントの熱接点だけが吸収器エレメントの縁部領域に延在していることを特徴とする、請求項２４ないし３０のいずれか１項に記載のセンサー。
32. サーモパイルを構成するサーモ−エレメントである熱電層の一つの接続部である、いわゆる冷接点が凹部を囲む支持体の縁部に接続され、支持体に対する冷接点の接続ポイントが凹部を囲む支持体のフレームの内側縁部の領域内にあることを特徴とする、請求項２４ないし３１のいずれか１項に記載のセンサー。

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