JP5179004B2 - Infrared sensor - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線センサに関し、特にサーモパイル型の赤外線センサに関するものである。 The present invention relates to an infrared sensor, and more particularly to a thermopile type infrared sensor.
従来より、人体から放射される赤外線(8μm〜13μm程度の波長範囲の赤外線)を検出可能な赤外線センサとして、マイクロマシンニング技術を利用して形成され、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と、赤外線吸収部の温度変化を検出する感温部とを備えた赤外線センサが知られている。 Conventionally, as an infrared sensor capable of detecting infrared rays radiated from a human body (infrared rays having a wavelength range of about 8 μm to 13 μm), an infrared absorbing portion that is formed using micromachining technology and absorbs infrared rays to convert it into heat. An infrared sensor including a temperature sensing unit that detects a temperature change of the infrared absorption unit is known.
また、上述の赤外線吸収部と感温部とを備えたセンサ部を2次元アレイ状(マトリクス状)に配列し各センサ部が画素を構成するようにした赤外線センサ(赤外線画像センサ)が各所で研究開発されている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, infrared sensors (infrared image sensors) in which the sensor units including the infrared absorbing unit and the temperature sensing unit described above are arranged in a two-dimensional array (matrix shape) and each sensor unit constitutes a pixel are provided at various places. Research and development have been conducted (for example, see Patent Document 1).
この種の赤外線センサとしては、例えば、図6に示すように、シリコン基板を用いて形成されたベース基板10と、ベース基板10の一表面(図6(a)における上面)に形成された凹所15の周部の2点間に架け渡された梁部20と、ベース基板10の上記一表面から離間して配置され赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部30と、ベース基板10の上記一表面側において赤外線吸収部30の温度変化を検出する感温部40と、梁部20の中間部と赤外線吸収部30の中央部とを機械的且つ熱的に結合する結合部(接合柱)50とを備えた構成のものが提案されている。
As this type of infrared sensor, for example, as shown in FIG. 6, a
ここにおいて、図6に示した構成の赤外線センサでは、赤外線吸収部30がSiO2もしくはSi3N4により形成されるとともに、結合部50がSiO2もしくはSi3N4により形成されている。また、この赤外線センサでは、梁部20がSiO2により形成されている。また、感温部40は、異種導電形の半導体エレメント41a,41bの対からなる2つの熱電対41,41が直列接続された細長のサーモパイルであって、梁部20に沿って配置されており、1つの冷接点部40Aがベース基板10における凹所15の周部に配置されるとともに、2つの温接点部40Bが梁部20の中間部に配置されている。ここで、各熱電対41は、対となる半導体エレメント41a,41bの一方をp形ポリシリコンにより形成するとともに他方をn形ポリシリコンにより形成し、両半導体エレメント41a,41aが金属材料からなる接合部41cを介して接続されている。なお、図6に示した構成の赤外線センサは、ベース基板10の上記一表面側に赤外線吸収部30と感温部40とを備えたセンサ部が各画素ごとに備えており、感温部40を構成する細長のサーモパイルの一端部が信号読み出し用の信号線(図示せず)に接続され、他端部が給電用のバイアス線に接続されている。
上述の図6に示した構成の赤外線センサの各センサ部では、赤外線吸収部30と梁部20とが結合部50を介して熱的に結合されているが、赤外線吸収部30の熱が結合部50を通して温接点部40Bに熱伝達されるので、結合部50の熱抵抗などに起因して赤外線吸収部30と温接点部40Bとの間に温度勾配が生じ、温接点部40Bの温度が赤外線吸収部30の温度に比べて低くなるから、感度が低くなってしまう。
In each sensor part of the infrared sensor having the configuration shown in FIG. 6 described above, the
また、上述の赤外線センサでは、結合部50の熱容量に起因して熱時定数が長くなり、応答速度が低下してしまい、熱画像取得に用いる赤外線画像センサとして用いる場合には、フレーム周波数が低くなってしまう。
Further, in the above infrared sensor, the thermal time constant becomes long due to the heat capacity of the
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、感度および応答速度を向上することができる赤外線センサを提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said reason, The objective is to provide the infrared sensor which can improve a sensitivity and a response speed.
請求項1の発明は、一表面に凹所が形成されたベース基板と、ベース基板の前記一表面側において凹所の周部の内側に配置された梁部と、ベース基板の前記一表面からベース基板の厚み方向に離間して配置され赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と、梁部の中間部と赤外線吸収部の中央部とを機械的に結合する結合部と、ベース基板の前記一表面側において赤外線吸収部の温度変化を検出する感温部とを備え、赤外線吸収部は、ベース基板の前記一表面における凹所の内周形状よりも外形寸法を大きく設定してあり、感温部は、複数の熱電対が直列接続された細長のサーモパイルであって梁部に沿って配置されて冷接点部がベース基板における前記凹所の周部に配置されるとともに、温接点部が梁部の中間部に配置され、温接点部の少なくとも一部が冷接点部よりも前記厚み方向において前記一表面から離れて位置して赤外線吸収部と直接接しており、温接点部の前記一部は、赤外線吸収部の周部まで広げられてなることを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a base substrate having a recess formed on one surface thereof, a beam portion disposed inside a peripheral portion of the recess on the one surface side of the base substrate, and the one surface of the base substrate. An infrared absorption part that is arranged spaced apart in the thickness direction of the base substrate and absorbs infrared rays to convert it into heat, a coupling part that mechanically couples the intermediate part of the beam part and the central part of the infrared absorption part, and the base board A temperature-sensitive portion that detects a temperature change of the infrared absorption portion on the one surface side of the infrared absorption portion, and the infrared absorption portion has an outer dimension set larger than an inner peripheral shape of the recess in the one surface of the base substrate. The temperature sensing part is an elongated thermopile in which a plurality of thermocouples are connected in series and is arranged along the beam part, and the cold junction part is arranged at the peripheral part of the recess in the base substrate. Is located in the middle of the beam, and And a portion without the contact than the cold junction is located away from the one surface in the thickness direction directly with the infrared absorbing section, said portion of the hot junction is extended to the peripheral portion of the infrared absorbing section characterized in that it comprises Te.
この発明によれば、サーモパイルからなる感温部の温接点部の少なくとも一部が冷接点部よりもベース基板の厚み方向においてベース基板の一表面から離れて位置して赤外線吸収部と直接接しているので、赤外線吸収部と温接点部との温度差を低減できて感度を向上できるとともに、応答速度を向上することができる。また、この発明によれば、温接点部の前記一部は、赤外線吸収部の周部まで広げられてなるので、赤外線吸収部と温接点部の前記一部との温度差をより低減でき、さらに高感度化を図れる。 According to the present invention, at least a part of the hot junction part of the thermosensitive part made of the thermopile is located farther from one surface of the base substrate in the thickness direction of the base substrate than the cold junction part and is in direct contact with the infrared absorption part. As a result, the temperature difference between the infrared absorbing portion and the hot contact portion can be reduced, the sensitivity can be improved, and the response speed can be improved . In addition, according to the present invention, the part of the hot junction part is extended to the peripheral part of the infrared absorption part, so that the temperature difference between the infrared absorption part and the part of the hot junction part can be further reduced, In addition, higher sensitivity can be achieved.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記熱電対は、異種導電形の半導体エレメントの対を有し、前記温接点部の前記一部は、各半導体エレメントそれぞれの材料に比べて熱伝導率の高い材料により形成されてなることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the thermocouple includes a pair of semiconductor elements of different conductivity types, and the part of the hot junction portion is compared with a material of each semiconductor element. It is formed of a material having high thermal conductivity.
この発明によれば、前記赤外線吸収部と前記温接点部との温度差をより低減でき、より一層の高感度化を図れる。 According to this invention, the temperature difference between the infrared ray absorbing portion and the hot junction portion can be further reduced, and the sensitivity can be further increased.
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記赤外線吸収部は、赤外線を吸収する赤外線吸収層と、赤外線吸収層よりも熱伝導率の高い材料からなり赤外線吸収層における前記ベース基板側に積層され前記赤外線吸収部の中央部と周部との温度差を低減する均熱層とを備えることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the infrared absorbing portion comprises an infrared absorbing layer that absorbs infrared rays and a material having a higher thermal conductivity than the infrared absorbing layer. characterized in that it comprises a soaking layer to reduce the temperature difference between the central portion and the peripheral portion of the laminated on the base substrate side the infrared absorbing section.
この発明によれば、前記赤外線吸収部が均熱層を備えているので、前記赤外線吸収部の中央部と周部との温度差を低減することができ、さらに高感度化を図れる。 According to this invention, since the infrared absorbing portion includes the soaking layer, the temperature difference between the central portion and the peripheral portion of the infrared absorbing portion can be reduced, and higher sensitivity can be achieved.
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、前記梁部は、前記温接点部が配置された中間部が両端部に比べて前記厚み方向において前記一表面から離れて位置していることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the present invention, the beam portion is positioned such that an intermediate portion where the hot contact portion is disposed is separated from the one surface in the thickness direction as compared to both end portions. It is characterized by that.
この発明によれば、前記温接点部の温度が前記赤外線吸収部の温度により近づき、さらに高感度化を図れる。 According to the present invention, the temperature of the hot junction portion approaches the temperature of the infrared ray absorbing portion, so that higher sensitivity can be achieved.
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4の発明において、前記赤外線吸収部と前記感温部とを備えた複数のセンサ部が前記ベース基板の前記一表面側で2次元アレイ状に配置されてなることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the present invention, a plurality of sensor units including the infrared absorbing unit and the temperature sensing unit are arranged in a two-dimensional array on the one surface side of the base substrate. It is characterized by being arranged.
この発明によれば、従来に比べて高感度で且つ応答速度の速い赤外線画像センサを実現可能となる。 According to the present invention, it is possible to realize an infrared image sensor with higher sensitivity and faster response speed than in the past.
請求項1の発明は、感度および応答速度を向上することができるという効果がある。
The invention of
(実施形態1)
本実施形態の赤外線センサは、図1(a),(b)に示すように、シリコン基板からなる半導体基板10aを用いて形成されたベース基板10と、ベース基板10の一表面(図1(a)における上面)に形成された凹所15の周部の2点間に架け渡された梁部20と、ベース基板10の上記一表面からベース基板10の厚み方向に離間して配置され赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部30と、ベース基板10の上記一表面側において赤外線吸収部30の温度変化を検出する感温部40と、梁部20の中間部と赤外線吸収部30の中央部とを機械的且つ熱的に結合する結合部(接合柱)50とを備えている。なお、図1(a)は図1(b)のX−X’断面に対応している。
(Embodiment 1)
As shown in FIGS. 1A and 1B, the infrared sensor of this embodiment includes a
上述のベース基板10は、上述の半導体基板10aを用いて形成されており、半導体基板10aの一表面上に絶縁層11が形成されている。ここで、絶縁層11は、半導体基板10aの上記一表面上に形成されたシリコン酸化膜からなる第1の絶縁膜11aと、第1の絶縁膜11a上に積層されたシリコン酸化膜からなる第2の絶縁膜11bとで構成されている。
The
また、上述の梁部20は、ベース基板10の第1の絶縁膜11aに連続一体に形成された下部絶縁膜21aと、ベース基板10の第2の絶縁膜11bに連続一体に形成された上部絶縁膜21bとで構成されている。要するに、梁部20は、ベース基板10における凹所15の周部の内側に配置され凹所15の周部に連続一体に形成されている。ここにおいて、梁部20は、ベース基板10の厚み方向に直交する面内で蛇行する形状(上記面内で複数回折れ曲がったつづら折れ状の形状)に形成され、両端部がベース基板10における凹所15の周部に連結されている。なお、第2の絶縁膜11bおよび上部絶縁膜21bは、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成していもよい。
In addition, the above-described
赤外線吸収部30は、それぞれ赤外線を吸収する赤外線吸収材料により形成された第1の赤外線吸収層31と第2の赤外線吸収層32とがベース基板10の厚み方向に積層されている。ここで、赤外線吸収部30は、外周形状が矩形状に形成されており、ベース基板10の上記一表面における凹所15の矩形状の内周形状よりも外形寸法を大きく設定してある。なお、各赤外線吸収層31,32の赤外線吸収材料としては、SiONを採用しているが、SiONに限らず、例えば、Si3N4でもよい。
In the infrared absorbing
また、上述のように赤外線吸収部30の中央部と梁部20の中間部とを結合する結合部50は、シリコン酸化膜により構成されているが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。
In addition, as described above, the
感温部40は、異種導電形の半導体エレメント41a,41bの対からなる複数(ここでは、2つ)の熱電対41が直列接続された細長のサーモパイルであって、梁部20に沿って配置されており、1つの冷接点部40Aがベース基板10における凹所15の周部に配置されるとともに、2つの温接点部40Bが梁部20の中間部に配置されている。ここで、各熱電対41は、対となる半導体エレメント41a,41bの一方をp形ポリシリコンにより形成するとともに他方をn形ポリシリコンにより形成し、対となる半導体エレメント41a,41aの一端部同士が各半導体エレメント41a,41bそれぞれの材料に比べて熱伝導率の高い材料(例えば、アルミニウムなどの金属材料)からなる接合部41cを介して接続されており、対となる半導体エレメント41a,41bの各一端部と接合部41cとで温接点部40Bを構成している。また、感温部40は、一方の熱電対41の半導体エレメント41bの他端部と他方の熱電対41の半導体エレメント41aの他端部とが金属材料からなる接合部41dを介して接続されており、上記一方の熱電対41の半導体エレメント41bの他端部と上記他方の熱電対41の半導体エレメント41aの他端部と接合部41dとで冷接点部40Aを構成している。ここにおいて、各半導体エレメント41a,41bの全長は、冷接点部40Aがベース基板10における凹所15の周部に位置するように設定してある。なお、本実施形態の赤外線センサでは、各半導体エレメント41a,41bが梁部20および上述の絶縁層11に埋設されているので、製造時には、第1の絶縁膜11aおよび下部絶縁膜21aを形成してから、各半導体エレメント41a,41bを形成し、その後、第2の絶縁膜11bおよび上部絶縁膜21bを形成すればよい。
The
ところで、本実施形態の赤外線センサでは、上述のように冷接点部40Aがベース基板10における凹所15の周部に配置されるとともに、温接点部40Bが梁部20の中間部に配置されているが、温接点部40Bは当該温接点部40Bの一部が冷接点部40Aよりもベース基板10の厚み方向において当該ベース基板10の上記一表面から離れて位置して赤外線吸収部30と直接接している。具体的には、本実施形態の赤外線センサでは、冷接点部40Aは、絶縁層11に埋設されているのに対して、温接点部40Bにおける接合部41cが断面コ字状に形成されており、当該接合部41cの両脚片がベース基板10の厚み方向に沿って上述の上部絶縁膜21bと結合部50と第1の赤外線吸収層31とに跨って埋設されるとともに中央片がベース基板10の厚み方向に直交する面内で赤外線吸収部30に埋設されている。
By the way, in the infrared sensor of the present embodiment, the
以上説明した本実施形態の赤外線センサは、サーモパイルからなる感温部40の各温接点部40B,40Bそれぞれの一部が冷接点部40Aよりもベース基板10の厚み方向においてベース基板10の上記一表面から離れて位置して赤外線吸収部30と直接接しているので、図6に示した従来構成に比べて、赤外線吸収部30と各温接点部40B,40Bとの温度差を低減できて感度を向上できるとともに、応答速度を向上することができる。また、各温接点部40B,40Bの一部が各半導体エレメント41a,41bそれぞれの材料に比べて熱伝導率の高い材料により形成されているので、赤外線吸収部30と各温接点部40B,40Bとの温度差をより低減でき、より一層の高感度化を図れる。
In the infrared sensor according to the present embodiment described above, a part of each of the
(実施形態2)
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態1と略同じであって、図2に示すように、結合部50と第1の赤外線吸収層31とが梁部20の一部を兼ねている点が相違するだけである。
(Embodiment 2)
The basic configuration of the infrared sensor of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and the
(実施形態3)
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態1と略同じであって、図3に示すように、赤外線吸収部30における第1の赤外線吸収層31が結合部50に重なる部位のみに形成されており、各赤外線吸収層31,32よりも熱伝導率の高い材料(例えば、CrNi合金、Alなど)からなる均熱層33が第2の赤外線吸収層32におけるベース基板10側に積層されている点が相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 3)
The basic configuration of the infrared sensor of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and as shown in FIG. 3, the first
しかして、本実施形態の赤外線センサでは、赤外線吸収部30が均熱層33を備えているので、赤外線吸収部30の中央部と周部との温度差を低減することができ、実施形態1の赤外線センサに比べて、さらに高感度化を図れる。
Therefore, in the infrared sensor of this embodiment, since the
(実施形態4)
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態1と略同じであって、図4に示すように、各温接点部40Bの上記一部が、赤外線吸収部30の周部まで広げられている点が相違する。したがって、本実施形態では、各温接点部40Bの上記一部のうち赤外線吸収部30の第1の赤外線吸収層31に積層される部位の平面サイズが実施形態1よりも大きくなっている。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 4)
The basic configuration of the infrared sensor of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and as shown in FIG. 4, the above-mentioned part of each
しかして、本実施形態の赤外線センサでは、赤外線吸収部30と各温接点部40B,40Bとの温度差をより低減でき、さらに高感度化を図れる。
Therefore, in the infrared sensor according to the present embodiment, the temperature difference between the infrared absorbing
(実施形態5)
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態1と略同じであって、図5に示すように、梁部20の全体的な形状が相違し、梁部20の中間部が両端部に比べてベース基板10の厚み方向において当該ベース基板10の上記一表面から離れて位置しており、実施形態1にて説明した結合部50が存在せず、梁部20の中間部と赤外線吸収部30の中央部とが直接結合されている点や、温接点部40Bの接合部41cの形状などが相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 5)
The basic configuration of the infrared sensor of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and as shown in FIG. 5, the overall shape of the
しかして、本実施形態の赤外線センサでは、梁部20の中間部が両端部に比べてベース基板10の厚み方向において当該ベース基板10の上記一表面から離れて位置しているので、各温接点部40B,40Bの温度が赤外線吸収部30の温度により近づき、さらに高感度化を図れる。
Therefore, in the infrared sensor of the present embodiment, the intermediate portion of the
ところで、各実施形態にて説明した赤外線センサは、赤外線吸収部30と感温部40とを備えたセンサ部を1つだけ設けた赤外線センサであるが、赤外線吸収部30と感温部40とを備えたセンサ部を2次元アレイ状(マトリクス状)に配列し各センサ部が画素を構成するようにすれば、赤外線画像を取得する赤外線画像センサを構成することもできる。なお、赤外線画像センサを構成する場合には、感温部40を構成するサーモパイルの一端部が信号読み出し用の信号線(図示せず)に接続されるとともに、他端部が給電用のバイアス線に接続されるように構成すればよい。ここにおいて、赤外線吸収部30と感温部40とがベース基板10の厚み方向に離間して配置されているので、赤外線吸収部30のサイズを画素のサイズと同程度まで大きくすることで(赤外線吸収部30の面積が画素サイズの面積に占める割合である開口率として90%以上の値を得ることが可能である)、より一層の高感度化を図れる。
By the way, although the infrared sensor demonstrated in each embodiment is an infrared sensor which provided only one sensor part provided with the
なお、上記各実施形態では、梁部20がベース基板10における凹所15の周部に連続一体に形成されているが、梁部20は凹所15の周部の内側に配置されていればよく、必ずしも凹所15の周部に連続一体に形成されていなくてもよい。
In each of the above embodiments, the
10 ベース基板
15 凹所
20 梁部
30 赤外線吸収部
40 感温部
40A 冷接点部
40B 温接点部
41 熱電対
41a 半導体エレメント
41b 半導体エレメント
41c 接合部
41d 接合部
50 結合部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
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