JP5530274B2 - Temperature sensor - Google Patents

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Description

本発明は、温度センサに関するものである。   The present invention relates to a temperature sensor.

従来から、図25および図26に示す構成の赤外線センサ100’が提案されている(特許文献1)。この赤外線センサ100’は、赤外線を吸収する赤外線吸収部33’の温度変化に応じた出力電圧を発生する熱電対型の感温部(熱電変換部)30’を具備する熱型赤外線検出部3’とMOSトランジスタ4’とを有する画素部2’を備えている。また、この赤外線センサ100’は、a×b個(図26の例では、4×4個)の画素部2’が、ベース基板201の一表面側において2次元アレイ状に配置されている。ここで、ベース基板201は、n形のシリコン基板201aを用いて形成されている。   Conventionally, an infrared sensor 100 'configured as shown in FIGS. 25 and 26 has been proposed (Patent Document 1). This infrared sensor 100 ′ is a thermal infrared detector 3 having a thermocouple-type temperature sensing part (thermoelectric converter) 30 ′ that generates an output voltage corresponding to a temperature change of the infrared absorber 33 ′ that absorbs infrared rays. And a pixel portion 2 ′ having a MOS transistor 4 ′. Further, in the infrared sensor 100 ′, a × b (4 × 4 in the example of FIG. 26) pixel portions 2 ′ are arranged in a two-dimensional array on the one surface side of the base substrate 201. Here, the base substrate 201 is formed using an n-type silicon substrate 201a.

上述の赤外線センサ100’を備えた赤外線センサモジュールでは、MOSトランジスタ4’が順次オン状態になるように各画素選択用のパッドPselの電位を制御することで各画素部2’の出力電圧を出力用のパッドPoutから順次読み出すことができる。   In the infrared sensor module including the above-described infrared sensor 100 ′, the output voltage of each pixel unit 2 ′ is output by controlling the potential of each pixel selection pad Psel so that the MOS transistors 4 ′ are sequentially turned on. Can be sequentially read from the pad Pout.

また、特許文献1には、図27に示すように、赤外線センサ100’と、当該赤外線センサ100’の出力信号である出力電圧を信号処理する信号処理ICチップ220’と、赤外線センサ100’および信号処理ICチップ220’が実装されたパッケージ本体230’とを備えた赤外線センサモジュールが記載されている。なお、パッケージ本体230’は、一面開口した矩形箱状に形成されており、内底面に赤外線センサ100’および信号処理ICチップ220’が搭載され、赤外線センサ100’における熱型赤外線検出部3’の赤外線吸収部33’へ赤外線を収束するレンズを備えたパッケージ蓋(図示せず)が覆着されている。   Further, in Patent Document 1, as shown in FIG. 27, an infrared sensor 100 ′, a signal processing IC chip 220 ′ that processes an output voltage that is an output signal of the infrared sensor 100 ′, an infrared sensor 100 ′, and An infrared sensor module including a package body 230 ′ on which a signal processing IC chip 220 ′ is mounted is described. Note that the package body 230 ′ is formed in a rectangular box shape that is open on one surface, and the infrared sensor 100 ′ and the signal processing IC chip 220 ′ are mounted on the inner bottom surface, and the thermal infrared detector 3 ′ in the infrared sensor 100 ′. A package lid (not shown) having a lens for converging infrared rays is covered with the infrared absorbing portion 33 ′.

ここで、特許文献1には、信号処理ICチップ220’に、図28に示すように、赤外線センサ100’の複数(図示例では、4つ)の出力用のパッドPoutそれぞれがボンディングワイヤからなる配線80を介して各別に電気的に接続される複数(図示例では、4つ)の入力用のパッドPin、入力用のパッドPinの出力電圧を増幅する増幅回路AMP、複数の入力用のパッドPinの出力電圧を択一的に増幅回路AMPに入力するマルチプレクサMUXなどを設ければ、赤外線画像を得ることができることが記載されている。   Here, in Patent Document 1, each of a plurality (four in the illustrated example) of output pads Pout of the infrared sensor 100 ′ is formed of a bonding wire on the signal processing IC chip 220 ′ as shown in FIG. A plurality of (four in the illustrated example) input pads Pin electrically connected to each other via the wiring 80, an amplifier circuit AMP for amplifying the output voltage of the input pad Pin, and a plurality of input pads It is described that an infrared image can be obtained by providing a multiplexer MUX or the like that selectively inputs the output voltage of Pin to the amplifier circuit AMP.

また、従来から、図29に示すように、測定対象物(例えば、火災による火、人)から放射される赤外線を検知して測定対象物の温度Tbbに対応する電圧Vbb(信号S11)を出力する赤外線センサ311と、当該赤外線センサ311の温度Tthを検出し当該温度Tthに対応する電圧Vth(信号S12)を出力するサーミスタ312とを備えた温度検出装置が提案されている(例えば、特許文献2)。   Conventionally, as shown in FIG. 29, infrared rays radiated from a measurement object (for example, fire due to fire, human) are detected and a voltage Vbb (signal S11) corresponding to the temperature Tbb of the measurement object is output. There has been proposed a temperature detection device that includes an infrared sensor 311 that performs detection, and a thermistor 312 that detects a temperature Tth of the infrared sensor 311 and outputs a voltage Vth (signal S12) corresponding to the temperature Tth (for example, Patent Documents). 2).

この温度検出装置は、赤外線センサ311およびサーミスタ312それぞれから出力される電圧Vbb,Vthを各別に増幅する2つのアンプ402a,402bと、各アンプ402a,402bの出力をアナログ−ディジタル変換するA/D変換器403と、A/D変換器403の出力に基づいて測定対象物の温度Tbbを演算し当該温度Tbbを示す信号Soutを出力する温度演算部404と、温度演算部404での演算に用いる後述の係数A,Bおよびオフセット値R1、後述の(2)式の演算式などを記憶したメモリ405とを備えている。   This temperature detection device includes two amplifiers 402a and 402b that individually amplify voltages Vbb and Vth output from the infrared sensor 311 and the thermistor 312, respectively, and an A / D that performs analog-digital conversion on the outputs of the amplifiers 402a and 402b. This is used for the calculation in the temperature calculation unit 404, the temperature calculation unit 404 that calculates the temperature Tbb of the measurement object based on the output of the converter 403, the output of the A / D converter 403, and outputs the signal Sout indicating the temperature Tbb. And a memory 405 that stores coefficients A and B and offset value R1, which will be described later, and a formula (2) which will be described later.

また、赤外線センサ311およびサーミスタ312は、金属製のパッケージ(図示せず)に収納されている。このパッケージには、赤外線センサ311が赤外線を受光できるような窓が形成されている。   The infrared sensor 311 and the thermistor 312 are housed in a metal package (not shown). In this package, a window is formed so that the infrared sensor 311 can receive infrared rays.

上述の温度演算部404は、下記(1)式に従って測定対象物の温度Tbbを演算する。   The above-described temperature calculation unit 404 calculates the temperature Tbb of the measurement object according to the following equation (1).

Figure 0005530274
この(1)式を測定対象物の温度Tbbを求める式に変形すると、下記(2)式となる。
Figure 0005530274
When this equation (1) is transformed into an equation for obtaining the temperature Tbb of the measurement object, the following equation (2) is obtained.

Figure 0005530274
(1)式、(2)式において、Voは赤外線センサ311の出力電圧〔V〕、Tbbは測定対象物の温度〔K〕、Aは測定対象物の温度を電圧に換算するための係数、Tthは赤外線センサ311の温度〔K〕、B(≠A)は赤外線センサ311の温度を電圧に換算するための係数、R1はオフセット値である。ここにおいて、温度Tbbは、赤外線センサ311の視野に入った赤外線エネルギを黒体の温度に換算した値である。また、係数Aは、ステファン−ボルツマン定数、エミッション係数、アンプ402aの増幅率などにより決まる値である。また、係数Bは、ステファン−ボルツマン定数、エミッション係数、アンプ402bの増幅率などにより決まる値である。なお、係数A、Bに含まれているステファン−ボルツマン定数は、測定対象物と赤外線センサ311とで同じ値である。しかし、エミッション係数は、測定対象物と赤外線センサ311とで異なる値になる。
Figure 0005530274
In the equations (1) and (2), Vo is the output voltage [V] of the infrared sensor 311, Tbb is the temperature [K] of the measurement object, A is a coefficient for converting the temperature of the measurement object into voltage, Tth is the temperature [K] of the infrared sensor 311, B (≠ A) is a coefficient for converting the temperature of the infrared sensor 311 into a voltage, and R1 is an offset value. Here, the temperature Tbb is a value obtained by converting the infrared energy entering the field of view of the infrared sensor 311 into the temperature of the black body. The coefficient A is a value determined by the Stefan-Boltzmann constant, the emission coefficient, the amplification factor of the amplifier 402a, and the like. The coefficient B is a value determined by the Stefan-Boltzmann constant, the emission coefficient, the amplification factor of the amplifier 402b, and the like. The Stefan-Boltzmann constant included in the coefficients A and B is the same value for the measurement object and the infrared sensor 311. However, the emission coefficient differs between the measurement object and the infrared sensor 311.

温度演算部404は、(2)式に示す演算式に基づいて、測定対象物の温度Tbbを取得し、この温度Tbbを示す信号Soutを出力する。   The temperature calculation unit 404 acquires the temperature Tbb of the measurement object based on the calculation expression shown in the expression (2), and outputs a signal Sout indicating the temperature Tbb.

特開2010−78451号公報JP 2010-78451 A 特開2007−198745号公報JP 2007-198745 A

ところで、測定対象物などの物体から放射された赤外線は、赤外線センサに到達するまでに大気中の水蒸気や二酸化炭素などによって吸収され減衰する(吸収率は波長によって異なる)。また、赤外線センサの前方にレンズなどの赤外線透過部材が配置されている場合、物体から放射された赤外線は、赤外線透過部材での反射や吸収などによっても減衰する(反射率や透過率は波長によって異なる)。   By the way, infrared rays radiated from an object such as an object to be measured are absorbed and attenuated by water vapor or carbon dioxide in the atmosphere before reaching the infrared sensor (absorption rate varies depending on the wavelength). In addition, when an infrared transmitting member such as a lens is disposed in front of the infrared sensor, the infrared light emitted from the object is attenuated by reflection or absorption by the infrared transmitting member (the reflectance and transmittance are dependent on the wavelength). Different).

しかしながら、上記特許文献2に開示された温度検出装置では、ステファン−ボルツマンの法則に従って(2)式が求められているものと考えられ、測定対象物の温度Tbbの検出精度が、赤外線センサの周囲環境の影響で低下してしまう懸念がある。   However, in the temperature detection device disclosed in Patent Document 2, it is considered that the expression (2) is obtained according to the Stefan-Boltzmann law, and the detection accuracy of the temperature Tbb of the measurement object is around the infrared sensor. There is a concern that it will decrease due to environmental influences.

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、物体の温度の検出精度を向上させることが可能な温度センサを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above reasons, and an object thereof is to provide a temperature sensor capable of improving the accuracy of detecting the temperature of an object.

本発明の温度センサは、サーモパイルにより構成される熱電変換部を有する赤外線センサと、前記赤外線センサの出力電圧に基づいて前記物体の温度を演算する演算部と、演算式の係数を記憶する記憶部を備え、前記演算部は、前記赤外線センサの出力電圧が、プランクの放射則に従って表され前記物体の温度に依存する前記赤外線センサの吸収エネルギ密度と、ステファン−ボルツマンの法則に従って表され前記赤外線センサの温度に依存する前記赤外線センサの放射エネルギ密度との差分に比例すると仮定して求められた前記演算式を用いて前記物体の温度を演算し、前記赤外線センサは、前記熱電変換部を有する複数の画素部が配置されており、前記記憶部は、前記係数として、前記各画素部ごとに個別に設定された1つの個別係数と、前記各画素部に共通に設定された複数の共通係数とを記憶していることを特徴とする。 Temperature sensor of the present invention, an infrared sensor having a thermoelectric conversion unit constituted by Sa Mopairu, a calculator for calculating the temperature of the object based on the output voltage of the infrared sensor, memory for storing the coefficients of the arithmetic expression And the calculation unit is configured to output the infrared sensor in accordance with Planck's radiation law and the absorbed energy density of the infrared sensor depending on the temperature of the object, and in accordance with the Stefan-Boltzmann law. using said Starring formula obtained by assuming that proportional to the difference of the radiation energy density of the infrared sensor depends on the temperature of the sensor by computation a temperature of the object, the infrared sensor, the thermoelectric conversion unit A plurality of pixel units, and the storage unit includes, as the coefficient, one individual coefficient set individually for each pixel unit. Characterized in that it stores a plurality of common coefficients the set in common to the pixel portions.

この温度センサにおいて、前記赤外線センサの温度を測定するサーミスタを備え、前記物体の温度をTo〔K〕、前記赤外線センサの出力電圧をVout〔V〕、前記赤外線センサの温度をTs〔K〕とするとき、前記演算式は、   The temperature sensor includes a thermistor for measuring the temperature of the infrared sensor, the temperature of the object is To [K], the output voltage of the infrared sensor is Vout [V], and the temperature of the infrared sensor is Ts [K]. When the arithmetic expression is

Figure 0005530274
で表されることが好ましい。
Figure 0005530274
It is preferable to be represented by

この温度センサにおいて、前記赤外線センサの温度を一定温度に保つペルチェ素子を備え、前記物体の温度をTo〔K〕、前記赤外線センサの出力電圧をVout〔V〕とするとき、前記演算式は、   This temperature sensor includes a Peltier element that keeps the temperature of the infrared sensor at a constant temperature. When the temperature of the object is To [K] and the output voltage of the infrared sensor is Vout [V], the arithmetic expression is

Figure 0005530274
で表されることが好ましい。
Figure 0005530274
It is preferable to be represented by

この温度センサにおいて、前記赤外線センサは、前記物体の温度の上昇に伴い出力電圧が低下する負特性を有することが好ましい。   In this temperature sensor, it is preferable that the infrared sensor has a negative characteristic in which an output voltage decreases as the temperature of the object increases.

この温度センサにおいて、前記赤外線センサは、前記熱電変換部を有する複数の画素部が半導体基板の一表面側においてアレイ状に配置されたものであることが好ましい。   In this temperature sensor, it is preferable that the infrared sensor has a plurality of pixel portions having the thermoelectric conversion portion arranged in an array on one surface side of the semiconductor substrate.

この温度センサにおいて、前記演算式の係数を記憶する記憶部を有し、前記赤外線センサが、前記熱電変換部を有する複数の画素部が半導体基板の一表面側においてアレイ状に配置されたものであり、前記記憶部は、前記係数が、前記赤外線センサの前記各画素部ごとに対応付けて記憶されてなることが好ましい。   The temperature sensor includes a storage unit that stores a coefficient of the arithmetic expression, and the infrared sensor includes a plurality of pixel units including the thermoelectric conversion unit arranged in an array on one surface side of the semiconductor substrate. Preferably, the storage unit stores the coefficient in association with each pixel unit of the infrared sensor.

本発明の温度センサにおいては、物体の温度の検出精度を向上させることが可能となる。   In the temperature sensor of the present invention, it is possible to improve the detection accuracy of the temperature of the object.

実施形態の温度センサに関し、(a)は概略断面図、(b)は赤外線センサの要部概略断面図、(c)は回路ブロック図である。Regarding the temperature sensor of the embodiment, (a) is a schematic cross-sectional view, (b) is a schematic cross-sectional view of an essential part of an infrared sensor, and (c) is a circuit block diagram. 同上の温度センサにおける赤外線センサの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the infrared sensor in the temperature sensor same as the above. 同上における赤外線センサの要部等価回路図である。It is a principal part equivalent circuit diagram of the infrared sensor in the same as the above. 同上における赤外線センサの平面レイアウト図である。It is a plane layout figure of the infrared sensor in the same as the above. 同上における赤外線センサの画素部の平面レイアウト図である。It is a plane layout figure of the pixel part of the infrared sensor in the same as the above. 同上における赤外線センサの画素部の平面レイアウト図である。It is a plane layout figure of the pixel part of the infrared sensor in the same as the above. 同上における赤外線センサの画素部の要部を示し、(a)は平面レイアウト図、(b)は(a)のD−D’断面に対応する概略断面図である。The principal part of the pixel part of the infrared sensor in the same as above is shown, (a) is a plan layout view, (b) is a schematic sectional view corresponding to the D-D 'section of (a). 同上における赤外線センサの画素部の要部の平面レイアウト図である。It is a plane layout figure of the principal part of the pixel part of the infrared sensor same as the above. 同上における赤外線センサの画素部の要部の平面レイアウト図である。It is a plane layout figure of the principal part of the pixel part of the infrared sensor same as the above. 同上における赤外線センサの冷接点を含む要部を示し、(a)は平面レイアウト図、(b)は概略断面図である。The principal part containing the cold junction of the infrared sensor in the same as the above is shown, (a) is a plan layout view, (b) is a schematic sectional view. 同上における赤外線センサの温接点を含む要部を示し、(a)は平面レイアウト図、(b)は概略断面図である。The principal part containing the hot junction of the infrared sensor in the same as above is shown, (a) is a plan layout view, and (b) is a schematic sectional view. 同上における赤外線センサの画素部の要部を示し、(a)は平面レイアウト図、(b)は(a)のD−D’断面に対応する概略断面図である。The principal part of the pixel part of the infrared sensor in the same as above is shown, (a) is a plan layout view, (b) is a schematic sectional view corresponding to the D-D 'section of (a). 同上における赤外線センサの画素部の要部の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the principal part of the pixel part of the infrared sensor in the same as the above. 同上における赤外線センサの画素部の要部の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the principal part of the pixel part of the infrared sensor in the same as the above. 同上における赤外線センサの要部説明図である。It is principal part explanatory drawing of the infrared sensor in the same as the above. 同上における赤外線センサに関し、(a)は要部の平面レイアウト図、(b)は、(a)のツェナダイオードの拡大図、(c)はツェナダイオードの概略断面図である。Regarding the infrared sensor of the above, (a) is a plan layout view of the main part, (b) is an enlarged view of the Zener diode of (a), and (c) is a schematic sectional view of the Zener diode. 同上における赤外線センサの特性説明図である。It is characteristic explanatory drawing of the infrared sensor in the same as the above. 同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。It is principal process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the infrared sensor in the same as the above. 同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。It is principal process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the infrared sensor in the same as the above. 同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。It is principal process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the infrared sensor in the same as the above. 同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。It is principal process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the infrared sensor in the same as the above. 同上における赤外線センサの他の構成例の要部概略断面図である。It is a principal part schematic sectional drawing of the other structural example of the infrared sensor in the same as the above. 同上における赤外線センサの他の構成例の要部概略断面図である。It is a principal part schematic sectional drawing of the other structural example of the infrared sensor in the same as the above. 同上における赤外線センサの他の構成例の要部概略断面図である。It is a principal part schematic sectional drawing of the other structural example of the infrared sensor in the same as the above. 従来例における赤外線センサを示し、(a)は画素部の平面レイアウト図、(b)は(a)のD−D’断面に対応する概略断面図である。The infrared sensor in a prior art example is shown, (a) is a plane layout figure of a pixel part, (b) is a schematic sectional drawing corresponding to the D-D 'cross section of (a). 同上を示し、(a)は平面レイアウト図、(b)は等価回路図である。FIG. 4A is a plan layout diagram, and FIG. 4B is an equivalent circuit diagram. 同上の赤外線センサを備えた赤外線センサモジュールの要部概略平面図である。It is a principal part schematic plan view of the infrared sensor module provided with the infrared sensor same as the above. 同上の赤外線センサを備えた赤外線センサモジュールの要部説明図である。It is principal part explanatory drawing of the infrared sensor module provided with the infrared sensor same as the above. 同上の赤外線センサモジュールの動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of an infrared sensor module same as the above.

以下、本実施形態の温度センサについて図1〜図17を参照しながら説明する。   Hereinafter, the temperature sensor of the present embodiment will be described with reference to FIGS.

本実施形態の温度センサは、赤外線センサ100と、サーミスタ110と、IC素子120とが、1つのパッケージ133に収納されている。   In the temperature sensor of this embodiment, the infrared sensor 100, the thermistor 110, and the IC element 120 are accommodated in one package 133.

赤外線センサ100は、物体(例えば、人体など)400から放射された赤外線による熱エネルギを電気エネルギに変換するサーモパイル30aにより構成される熱電変換部である感温部30を有している。また、赤外線センサ100は、感温部30および感温部30の出力電圧を取り出すためのMOSトランジスタ4を具備するa×b個(図4の例では、8×8個)の画素部2が、半導体基板1の一表面側においてa行b列(図4の例では、8行8列)の2次元アレイ状に配置されている。なお、図4の例では、a=8、b=8としてあるが、a≧2、b≧2であればよい。   The infrared sensor 100 includes a temperature sensing unit 30 that is a thermoelectric conversion unit including a thermopile 30a that converts thermal energy generated by infrared rays emitted from an object (for example, a human body) 400 into electrical energy. In addition, the infrared sensor 100 includes the axb (8 × 8 in the example of FIG. 4) pixel units 2 including the temperature sensing unit 30 and the MOS transistor 4 for extracting the output voltage of the temperature sensing unit 30. They are arranged in a two-dimensional array of a rows and b columns (8 rows and 8 columns in the example of FIG. 4) on one surface side of the semiconductor substrate 1. In the example of FIG. 4, a = 8 and b = 8, but a ≧ 2 and b ≧ 2 are acceptable.

上述のMOSトランジスタ4は、図1(b)、図7、図14に示すように、半導体基板1の上記一表面側に形成された第1導電形のウェル領域41内で、第2の導電形のソース領域44と第2導電形のドレイン領域43とが離間して形成されている。本実施形態では、ウェル領域がチャネル形成用領域を構成している。なお、図2には、第1導電形をp形、第2導電形をn形としてMOSトランジスタ4をnチャネルMOSトランジスタとした場合の等価回路図を示してある。この図2の等価回路図では、感温部30を抵抗の図記号で表してある。   As shown in FIGS. 1B, 7, and 14, the above-described MOS transistor 4 has a second conductivity in the first conductivity type well region 41 formed on the one surface side of the semiconductor substrate 1. The source region 44 having the shape and the drain region 43 having the second conductivity type are formed apart from each other. In this embodiment, the well region constitutes a channel formation region. FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram when the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type, and the MOS transistor 4 is an n-channel MOS transistor. In the equivalent circuit diagram of FIG. 2, the temperature sensing unit 30 is represented by a resistance symbol.

赤外線センサ100は、各列のb個(8個)の画素部2の感温部30の一端がMOSトランジスタ4のソース領域44−ドレイン領域43を介して各列ごとに共通接続されたb個(8個)の第1の配線101を備えている。   The infrared sensor 100 includes b pieces (8 pieces) in which one end of the temperature sensing unit 30 of the b pieces (eight pieces) of the pixel units 2 in each row is commonly connected to each row through the source region 44 and the drain region 43 of the MOS transistor 4. (Eight) first wirings 101 are provided.

また、赤外線センサ100は、各行の感温部30に対応するMOSトランジスタ4のゲート電極46が各行ごとに共通接続されたa個(8個)の第2の配線102と、各行のMOSトランジスタ4のウェル領域41が各列ごとに共通接続されたb個(8個)の第3の配線103と、各列のa個(8個)の感温部30の他端が各列ごとに共通接続されたb個(図示例では、8個)の第4の配線104とを備えている。   Further, the infrared sensor 100 includes a (eight) second wirings 102 in which the gate electrodes 46 of the MOS transistors 4 corresponding to the temperature sensing units 30 in the respective rows are commonly connected to the respective rows, and the MOS transistors 4 in the respective rows. B (eight) third wirings 103 in which the well regions 41 are commonly connected to each column, and the other ends of the a (eight) temperature sensing portions 30 in each column are common to each column. B (four in the illustrated example) connected to the fourth wiring 104.

上述の赤外線センサ100は、第1の配線101が各別に接続された出力用のb個の第1のパッドVout1〜Vout8と、第2の配線102が各別に接続された画素部選択用のa個の第2のパッドVsel1〜Vsel8と、各第3の配線103が共通接続された第3のパッドVchと、第4の配線104が共通接続された基準バイアス用の第4のパッドVrefinとを備えている。しかして、赤外線センサ100は、全ての感温部30の出力を時系列的に読み出すことができるようになっている。すなわち、MOSトランジスタ4が、順次、オン状態になるように各画素部2を選択するための第2のパッドVsel1〜Vsel8の電位を制御することで各画素部2の出力電圧を順次読み出すことができる。   In the infrared sensor 100 described above, the b first pads Vout1 to Vout8 for output to which the first wiring 101 is individually connected and the pixel part selection a to which the second wiring 102 is individually connected. The second pads Vsel1 to Vsel8, the third pad Vch to which each third wiring 103 is commonly connected, and the fourth pad Vrefin for reference bias to which the fourth wiring 104 is commonly connected. I have. Therefore, the infrared sensor 100 can read the outputs of all the temperature sensing units 30 in time series. That is, the output voltage of each pixel unit 2 can be read sequentially by controlling the potentials of the second pads Vsel1 to Vsel8 for selecting each pixel unit 2 so that the MOS transistor 4 is sequentially turned on. it can.

サーミスタ110は、赤外線センサ100の温度を検出するためのものであり、パッケージ133内において赤外線センサ100に近接して配置され、赤外線センサ100の温度に応じたアナログの出力電圧を発生する。なお、サーミスタ110は、一端がプルアップ抵抗(図示せず)を介して電源(図示せず)に接続され、他端がグランド(図示せず)に接続されている。   The thermistor 110 is for detecting the temperature of the infrared sensor 100, and is disposed in the package 133 in the vicinity of the infrared sensor 100, and generates an analog output voltage corresponding to the temperature of the infrared sensor 100. The thermistor 110 has one end connected to a power source (not shown) via a pull-up resistor (not shown) and the other end connected to a ground (not shown).

IC素子120は、赤外線センサ100とサーミスタ110との各出力電圧に基づいて物体400の温度を演算する演算部124を有している。   The IC element 120 has a calculation unit 124 that calculates the temperature of the object 400 based on output voltages of the infrared sensor 100 and the thermistor 110.

パッケージ133は、赤外線センサ100、サーミスタ110およびIC素子120が実装されたパッケージ本体134と、パッケージ本体134との間に赤外線センサ100、サーミスタ110およびIC素子120を囲む形でパッケージ本体134に気密的に接合されたパッケージ蓋135とで構成されている。   The package 133 is hermetically sealed to the package body 134 so as to surround the infrared sensor 100, the thermistor 110, and the IC element 120 between the package body 134 and the package body 134 on which the infrared sensor 100, the thermistor 110, and the IC element 120 are mounted. The package lid 135 is joined to the package lid 135.

パッケージ本体134は、IC素子120と赤外線センサ100とが横並びで実装されている。一方、パッケージ蓋135は、赤外線センサ100での検知対象の赤外線を透過する機能および導電性を有している。   The package body 134 has the IC element 120 and the infrared sensor 100 mounted side by side. On the other hand, the package lid 135 has a function of transmitting infrared rays to be detected by the infrared sensor 100 and conductivity.

パッケージ蓋135は、パッケージ本体134の上記一表面側に覆着されたメタルキャップ152と、メタルキャップ152において赤外線センサ100に対応する部位に形成された開口窓152aを閉塞し且つ赤外線を透過する赤外線透過部材153とで構成されている。要するに、赤外線センサ100の前方に、赤外線透過部材153が配置されている。本実施形態では、赤外線透過部材153をレンズにより構成してあり、赤外線透過部材153が、赤外線センサ100へ赤外線を収束する機能を有している。なお、赤外線透過部材153は、レンズに限らず、例えば、平板状のものでもよい。   The package lid 135 is a metal cap 152 that is covered on the one surface side of the package body 134, and an infrared ray that closes an opening window 152a formed in a portion of the metal cap 152 corresponding to the infrared sensor 100 and transmits infrared rays. The transmission member 153 is configured. In short, the infrared transmitting member 153 is disposed in front of the infrared sensor 100. In the present embodiment, the infrared transmitting member 153 is configured by a lens, and the infrared transmitting member 153 has a function of converging infrared rays to the infrared sensor 100. The infrared transmitting member 153 is not limited to a lens, and may be a flat plate, for example.

以下、各構成要素についてさらに説明する。   Hereinafter, each component will be further described.

赤外線センサ100は、感温部30が埋設された熱型赤外線検出部3とMOSトランジスタ4とを有する複数(a×b個)の画素部2が、半導体基板1の上記一表面側において2次元アレイ状に配置されている。ここで、半導体基板1の上記一表面は、Si(100)面としてある。感温部30は、複数個(ここでは、6個)のサーモパイル30a(図5参照)を直列接続することにより構成されている。   The infrared sensor 100 includes a plurality of (a × b) pixel units 2 each having a thermal infrared detection unit 3 and a MOS transistor 4 in which a temperature sensing unit 30 is embedded, two-dimensionally on the one surface side of the semiconductor substrate 1. Arranged in an array. Here, the one surface of the semiconductor substrate 1 is a Si (100) plane. The temperature sensing unit 30 is configured by connecting a plurality of (here, six) thermopiles 30a (see FIG. 5) in series.

各画素部2の熱型赤外線検出部3は、半導体基板1の上記一表面側において熱型赤外線検出部3の形成用領域A1(図7参照)に形成されている。また、各画素部2のMOSトランジスタ4は、半導体基板1の上記一表面側においてMOSトランジスタ4の形成用領域A2(図7参照)に形成されている。   The thermal infrared detector 3 of each pixel unit 2 is formed in the formation area A1 of the thermal infrared detector 3 (see FIG. 7) on the one surface side of the semiconductor substrate 1. The MOS transistor 4 of each pixel portion 2 is formed in the formation region A2 of the MOS transistor 4 (see FIG. 7) on the one surface side of the semiconductor substrate 1.

赤外線センサ100は、半導体基板1の上記一表面側において熱型赤外線検出部3の一部の直下に空洞部11が形成されている。熱型赤外線検出部3は、半導体基板1の上記一表面側で空洞部11の周部に形成された支持部3dと、半導体基板1の上記一表面側で平面視において空洞部11を覆う第1の薄膜構造部3aとを備えている。第1の薄膜構造部3aは、赤外線を吸収する赤外線吸収部33を備えている。ここで、第1の薄膜構造部3aは、空洞部11の周方向に沿って並設され支持部3dに支持された複数の第2の薄膜構造部3aaと、隣接する第2の薄膜構造部3aa同士を連結する連結片3c(図5参照)とを有している。なお、図5の例の熱型赤外線検出部3では、複数の線状のスリット13を設けることにより、第1の薄膜構造部3aが6つの第2の薄膜構造部3aaに分離されている。以下では、赤外線吸収部33(第1の赤外線吸収部33と称する)のうち第2の薄膜構造部3aaそれぞれに対応して分割された各部位を第2の赤外線吸収部33aと称する。   In the infrared sensor 100, a cavity 11 is formed immediately below a part of the thermal infrared detector 3 on the one surface side of the semiconductor substrate 1. The thermal infrared detector 3 includes a support 3d formed on the periphery of the cavity 11 on the one surface side of the semiconductor substrate 1, and a first cover that covers the cavity 11 in plan view on the one surface side of the semiconductor substrate 1. 1 thin film structure portion 3a. The first thin film structure portion 3a includes an infrared absorbing portion 33 that absorbs infrared rays. Here, the first thin film structure portion 3a includes a plurality of second thin film structure portions 3aa arranged in parallel along the circumferential direction of the cavity portion 11 and supported by the support portion 3d, and adjacent second thin film structure portions. It has the connection piece 3c (refer FIG. 5) which connects 3aa mutually. In the thermal infrared detector 3 in the example of FIG. 5, the first thin film structure 3a is separated into six second thin film structures 3aa by providing a plurality of linear slits 13. Below, each part divided | segmented corresponding to each 2nd thin film structure part 3aa among the infrared absorption parts 33 (it calls 1st infrared absorption part 33) is called 2nd infrared absorption part 33a.

熱型赤外線検出部3は、第2の薄膜構造部3aaごとにサーモパイル30aが設けられている。ここで、サーモパイル30aは、温接点T1が、第2の薄膜構造部3aaに設けられ、冷接点T2が、支持部3dに設けられている。要するに、温接点T1は、熱型赤外線検出部3において空洞部11に重なる領域に形成され、冷接点T2は、熱型赤外線検出部3において空洞部11に重ならない領域に形成されている。   The thermal infrared detector 3 is provided with a thermopile 30a for each second thin film structure 3aa. Here, in the thermopile 30a, the hot junction T1 is provided in the second thin film structure portion 3aa, and the cold junction T2 is provided in the support portion 3d. In short, the hot junction T1 is formed in a region overlapping the cavity 11 in the thermal infrared detector 3, and the cold junction T2 is formed in a region not overlapping the cavity 11 in the thermal infrared detector 3.

また、熱型赤外線検出部3の感温部30は、各サーモパイル30aごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で、全てのサーモパイル30aが電気的に接続されている。図5の例では、感温部30は、6個のサーモパイル30aを直列接続してある。ただし、上述の接続関係は、複数個のサーモパイル30aの全てを直列接続する接続関係に限らない。例えば、それぞれ3個のサーモパイル30aの直列回路を並列接続すれば、6個のサーモパイル30aが並列接続されている場合や、各サーモパイル30aごとに出力を取り出す場合に比べて、感度を高めることができる。また、6個のサーモパイル30aの全てが直列接続されている場合に比べて、感温部30の抵抗値を低くできて熱雑音が低減されるから、S/N比が向上する。   In addition, the temperature sensing unit 30 of the thermal infrared detection unit 3 has a connection relationship in which the output change with respect to the temperature change is larger than when the output is taken out for each thermopile 30a, and all the thermopile 30a are electrically connected. Yes. In the example of FIG. 5, the temperature sensing unit 30 has six thermopiles 30a connected in series. However, the connection relationship described above is not limited to the connection relationship in which all of the plurality of thermopiles 30a are connected in series. For example, if a series circuit of three thermopiles 30a is connected in parallel, the sensitivity can be increased as compared with the case where six thermopiles 30a are connected in parallel or the output is taken out for each thermopile 30a. . In addition, as compared with the case where all of the six thermopiles 30a are connected in series, the resistance value of the temperature sensing unit 30 can be lowered and the thermal noise is reduced, so the S / N ratio is improved.

ここで、熱型赤外線検出部3では、第2の薄膜構造部3aaごとに、支持部3dと第2の赤外線吸収部33aとを連結する2つの平面視短冊状のブリッジ部3bb,3bbが空洞部11の周方向に離間して形成されている。この熱型赤外線検出部3では、2つのブリッジ部3bb,3bbと第2の赤外線吸収部33aとを空間的に分離し空洞部11に連通する平面視U字状のスリット14が形成されている。熱型赤外線検出部3のうち、平面視において第1の薄膜構造部3aを囲む部位である支持部3dは、矩形枠状の形状となっている。なお、ブリッジ部3bbは、上述の各スリット13,14により、第2の赤外線吸収部33aおよび支持部3dそれぞれとの連結部位以外の部分が、第2の赤外線吸収部33aおよび支持部3dと空間的に分離されている。ここで、第2の薄膜構造部3aaは、支持部3dからの延長方向の寸法を93μm、この延長方向に直交する幅方向の寸法を75μmとし、各ブリッジ部3bbの幅寸法を23μm、各スリット13,14の幅を5μmに設定してあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではない。   Here, in the thermal-type infrared detection unit 3, for each second thin film structure unit 3aa, the two bridge portions 3bb and 3bb having a rectangular shape in plan view connecting the support unit 3d and the second infrared absorption unit 33a are hollow. The portions 11 are formed so as to be separated from each other in the circumferential direction. In the thermal infrared detector 3, a U-shaped slit 14 in plan view is formed that spatially separates the two bridge portions 3 bb and 3 bb from the second infrared absorber 33 a and communicates with the cavity 11. . The support part 3d which is a site | part surrounding the 1st thin film structure part 3a in planar view among the thermal-type infrared detection parts 3 has a rectangular frame shape. Note that the bridge portion 3bb has a space other than the second infrared absorption portion 33a and the support portion 3d, and the space between the second infrared absorption portion 33a and the support portion 3d. Separated. Here, in the second thin film structure portion 3aa, the dimension in the extending direction from the support part 3d is 93 μm, the dimension in the width direction orthogonal to the extending direction is 75 μm, the width dimension of each bridge portion 3bb is 23 μm, and each slit Although the widths 13 and 14 are set to 5 μm, these values are merely examples and are not particularly limited.

第1の薄膜構造部3aは、半導体基板1の上記一表面側に形成されたシリコン酸化膜1bと、当該シリコン酸化膜1b上に形成されたシリコン窒化膜32と、当該シリコン窒化膜32上に形成された感温部30と、シリコン窒化膜32の表面側で感温部30を覆うように形成された層間絶縁膜50と、層間絶縁膜50上に形成されたパッシベーション膜60との積層構造部をパターニングすることにより形成されている。層間絶縁膜50は、BPSG膜により構成してある。パッシベーション膜60は、PSG膜と当該PSG膜上に形成されたNSG膜との積層膜により構成してあるが、これに限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。   The first thin film structure portion 3 a includes a silicon oxide film 1 b formed on the one surface side of the semiconductor substrate 1, a silicon nitride film 32 formed on the silicon oxide film 1 b, and the silicon nitride film 32. A laminated structure of the formed temperature sensitive portion 30, an interlayer insulating film 50 formed so as to cover the temperature sensitive portion 30 on the surface side of the silicon nitride film 32, and a passivation film 60 formed on the interlayer insulating film 50. It is formed by patterning the part. The interlayer insulating film 50 is composed of a BPSG film. The passivation film 60 is composed of a laminated film of a PSG film and an NSG film formed on the PSG film, but is not limited thereto, and may be composed of, for example, a silicon nitride film.

上述の熱型赤外線検出部3では、シリコン窒化膜32のうち第1の薄膜構造部3aのブリッジ部3bb,3bb以外の部位が第1の赤外線吸収部33を構成している。また、支持部3dは、シリコン酸化膜1bとシリコン窒化膜32と層間絶縁膜50とパッシベーション膜60とで構成されている。   In the thermal infrared detector 3 described above, portions of the silicon nitride film 32 other than the bridge portions 3bb and 3bb of the first thin film structure portion 3a constitute the first infrared absorber 33. The support 3d is composed of a silicon oxide film 1b, a silicon nitride film 32, an interlayer insulating film 50, and a passivation film 60.

また、赤外線センサ100は、層間絶縁膜50とパッシベーション膜60との積層膜が、半導体基板1の上記一表面側において、熱型赤外線検出部3の形成用領域A1とMOSトランジスタ4の形成用領域A2とに跨って形成されており、この積層膜のうち、熱型赤外線検出部3の形成用領域A1に形成された部分が赤外線吸収膜70(図7(b)参照)を兼ねている。ここで、赤外線吸収膜70の屈折率をn、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、赤外線吸収膜70の厚さt2をλ/4nに設定するようにしているので、検出対象の波長(例えば、8〜12μm)の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、n=1.4、λ=10μmの場合には、t2≒1.8μmとすればよい。なお、本実施形態では、層間絶縁膜50の膜厚を0.8μm、パッシベーション膜60の膜厚を1μm(PSG膜の膜厚を0.5μm、NSG膜の膜厚を0.5μm)としてある。 Further, in the infrared sensor 100, the laminated film of the interlayer insulating film 50 and the passivation film 60 is formed on the one surface side of the semiconductor substrate 1, the formation region A 1 for the thermal infrared detector 3 and the formation region for the MOS transistor 4. A portion of the laminated film formed in the formation region A1 of the thermal infrared detector 3 also serves as the infrared absorbing film 70 (see FIG. 7B). Here, when the refractive index of the infrared absorption film 70 is n 2 and the center wavelength of the infrared ray to be detected is λ, the thickness t2 of the infrared absorption film 70 is set to λ / 4n 2. The absorption efficiency of infrared rays of the target wavelength (for example, 8 to 12 μm) can be increased, and high sensitivity can be achieved. For example, when n 2 = 1.4 and λ = 10 μm, t2≈1.8 μm may be set. In the present embodiment, the interlayer insulating film 50 has a thickness of 0.8 μm, the passivation film 60 has a thickness of 1 μm (the PSG film has a thickness of 0.5 μm, and the NSG film has a thickness of 0.5 μm). .

また、各画素部2では、空洞部11の内周形状が矩形状であり、連結片3cは、平面視X字状に形成されており、第2の薄膜構造部3aaの延長方向に交差する斜め方向において隣接する第2の薄膜構造部3aa,3aa同士、第2の薄膜構造部3aaの延長方向において隣接する第2の薄膜構造部3aa,3aa同士、第2の薄膜構造部3aaの延長方向に直交する方向において隣接する第2の薄膜構造部3aa,3aa同士を連結している。   Further, in each pixel portion 2, the inner peripheral shape of the cavity portion 11 is rectangular, and the connecting piece 3c is formed in an X shape in plan view, and intersects with the extending direction of the second thin film structure portion 3aa. The second thin film structure portions 3aa and 3aa adjacent in the oblique direction, the second thin film structure portions 3aa and 3aa adjacent in the extension direction of the second thin film structure portion 3aa, and the extension direction of the second thin film structure portion 3aa The second thin film structure portions 3aa and 3aa adjacent to each other in the direction orthogonal to are connected to each other.

サーモパイル30aは、シリコン窒化膜32上で第2の薄膜構造部3aaと支持部3dとに跨って形成されたn形ポリシリコン層34とp形ポリシリコン層35との一端部同士を第2の赤外線吸収部33aの赤外線入射面側で金属材料(例えば、Al−Siなど)からなる接続部36により電気的に接続した複数個(図5に示した例では、9個)の熱電対を有している。また、サーモパイル30aは、半導体基板1の上記一表面側で互いに隣り合う熱電対のn形ポリシリコン層34の他端部とp形ポリシリコン層35の他端部とが金属材料(例えば、Al−Siなど)からなる接続部37により接合され電気的に接続されている。ここで、サーモパイル30aは、n形ポリシリコン層34の上記一端部とp形ポリシリコン層35の上記一端部と接続部36とで温接点T1を構成している。また、サーモパイル30aは、n形ポリシリコン層34の上記他端部とp形ポリシリコン層35の上記他端部と接続部37とで冷接点T2を構成している。なお、本実施形態における赤外線センサ100では、サーモパイル30aの各n形ポリシリコン層34および各p形ポリシリコン層35それぞれにおいて、上述のブリッジ部3bb,3bbに形成されている部位および半導体基板1の上記一表面側のシリコン窒化膜32上に形成されている部位でも赤外線を吸収することができる。   The thermopile 30a has a second end portion of the n-type polysilicon layer 34 and the p-type polysilicon layer 35 formed on the silicon nitride film 32 across the second thin film structure portion 3aa and the support portion 3d. A plurality of (9 in the example shown in FIG. 5) thermocouples electrically connected by the connecting portion 36 made of a metal material (for example, Al—Si) on the infrared incident surface side of the infrared absorbing portion 33a. doing. In addition, the thermopile 30a has a metal material (for example, Al Al) with the other end of the n-type polysilicon layer 34 and the other end of the p-type polysilicon layer 35 of the thermocouple adjacent to each other on the one surface side of the semiconductor substrate 1. -Si and the like) are joined and electrically connected. Here, in the thermopile 30a, the one end portion of the n-type polysilicon layer 34, the one end portion of the p-type polysilicon layer 35, and the connection portion 36 constitute a hot junction T1. In the thermopile 30a, the other end portion of the n-type polysilicon layer 34, the other end portion of the p-type polysilicon layer 35, and the connection portion 37 constitute a cold junction T2. In the infrared sensor 100 according to the present embodiment, in each of the n-type polysilicon layer 34 and the p-type polysilicon layer 35 of the thermopile 30a, the portions formed in the above-described bridge portions 3bb and 3bb and the semiconductor substrate 1 Infrared rays can also be absorbed at a portion formed on the silicon nitride film 32 on the one surface side.

また、赤外線センサ100は、空洞部11の形状が、四角錘状であり、平面視における中央部の方が周部に比べて深さ寸法が大きくなっている。そこで、赤外線センサ100は、第1の薄膜構造部3aの中央部に温接点T1が集まるように、各画素部2におけるサーモパイル30aの平面レイアウトを設計してある。すなわち、図5の上下方向における真ん中の2つの第2の薄膜構造部3aaでは、図5および図8に示すように、3つの第2の薄膜構造部3aaの並設方向に沿って温接点T1を並べて配置してあるのに対し、当該上下方向における上側の2つの第2の薄膜構造部3aaでは、図5および図9に示すように、3つの第2の薄膜構造部3aaの並設方向において真ん中の第2の薄膜構造部3aaに近い側に温接点T1を集中して配置してあり、当該上下方向における下側の2つの第2の薄膜構造部3aaでは、図5に示すように、3つの第2の薄膜構造部3aaの並設方向において真ん中の第2の薄膜構造部3aaに近い側に温接点T1を集中して配置してある。しかして、赤外線センサ100は、図5の上下方向における上側、下側の第2の薄膜構造部3aaの複数の温接点T1の配置が、真ん中の第2の薄膜構造部3aaの複数の温接点T1の配置と同じである場合に比べて、温接点T1の温度変化を大きくできるので、感度を向上できる。なお、本実施形態では、空洞部11の最深部の深さを所定深さdp(図7(b)参照)とするとき、所定深さdpを200μmに設定してあるが、この値は一例であり、特に限定するものではない。   Further, in the infrared sensor 100, the shape of the cavity portion 11 is a quadrangular pyramid shape, and the depth dimension is larger in the central portion in plan view than in the peripheral portion. Therefore, in the infrared sensor 100, the planar layout of the thermopile 30a in each pixel portion 2 is designed so that the hot junction T1 is gathered at the center of the first thin film structure portion 3a. That is, in the two second thin film structure portions 3aa in the middle in the vertical direction of FIG. 5, as shown in FIGS. 5 and 8, the hot junction T1 is aligned along the juxtaposed direction of the three second thin film structure portions 3aa. Are arranged side by side, in the upper two second thin film structure portions 3aa in the vertical direction, as shown in FIGS. 5 and 9, the parallel arrangement direction of the three second thin film structure portions 3aa In FIG. 5, the hot junctions T <b> 1 are concentrated and arranged on the side close to the middle second thin film structure portion 3 aa, and in the two lower second thin film structure portions 3 aa in the vertical direction, as shown in FIG. 5. In the direction in which the three second thin film structure portions 3aa are arranged side by side, the hot junctions T1 are concentrated on the side close to the middle second thin film structure portion 3aa. Therefore, the infrared sensor 100 is configured such that the plurality of hot junctions T1 of the upper and lower second thin film structure portions 3aa in the vertical direction of FIG. Since the temperature change of the hot junction T1 can be increased as compared with the case where the arrangement is the same as that of T1, the sensitivity can be improved. In the present embodiment, when the depth of the deepest portion of the cavity 11 is set to a predetermined depth dp (see FIG. 7B), the predetermined depth dp is set to 200 μm, but this value is an example. There is no particular limitation.

また、第2の薄膜構造部3aaは、シリコン窒化膜32の赤外線入射面側においてサーモパイル30aを形成していない領域に、第2の薄膜構造部3aaの反りを抑制するとともに赤外線を吸収するn形ポリシリコン層からなる赤外線吸収層39が形成されている。また、隣接する第2の薄膜構造部3aa,3aa同士を連結する連結片3cには、当該連結片3cを補強するn形ポリシリコン層からなる補強層39b(図12参照)が設けられている。ここで、補強層39bは、赤外線吸収層39と連続一体に形成されている。しかして、赤外線センサ100では、連結片3cが補強層39bにより補強されているので、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止でき、また、製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。なお、本実施形態では、図12に示す連結片3cの長さ寸法L1を24μm、幅寸法L2を5μm、補強層39bの幅寸法L3を1μmに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。ただし、本実施形態のように半導体基板1としてシリコン基板を用いており、補強層39bがn形ポリシリコン層により形成される場合には、空洞部11の形成時に補強層39bがエッチングされるのを防止するために、補強層39bの幅寸法は、連結片3cの幅寸法よりも小さく設定し、平面視において補強層39bの両側縁が連結片3cの両側縁よりも内側に位置する必要がある。   Further, the second thin film structure portion 3aa is an n-type that suppresses the warp of the second thin film structure portion 3aa and absorbs infrared rays in a region where the thermopile 30a is not formed on the infrared incident surface side of the silicon nitride film 32. An infrared absorption layer 39 made of a polysilicon layer is formed. Further, the connecting piece 3c that connects the adjacent second thin film structures 3aa and 3aa is provided with a reinforcing layer 39b (see FIG. 12) made of an n-type polysilicon layer that reinforces the connecting piece 3c. . Here, the reinforcing layer 39 b is formed integrally with the infrared absorption layer 39. Thus, in the infrared sensor 100, since the connecting piece 3c is reinforced by the reinforcing layer 39b, it is possible to prevent damage due to stress generated due to external temperature change or impact during use, and damage during manufacture. And the production yield can be improved. In the present embodiment, the length L1 of the connecting piece 3c shown in FIG. 12 is set to 24 μm, the width L2 is set to 5 μm, and the width L3 of the reinforcing layer 39b is set to 1 μm. There is no particular limitation. However, when a silicon substrate is used as the semiconductor substrate 1 as in the present embodiment and the reinforcing layer 39b is formed of an n-type polysilicon layer, the reinforcing layer 39b is etched when the cavity 11 is formed. In order to prevent this, the width dimension of the reinforcing layer 39b must be set smaller than the width dimension of the connecting piece 3c, and both side edges of the reinforcing layer 39b need to be located inside the both side edges of the connecting piece 3c in plan view. is there.

また、赤外線センサ100は、図12および図15(b)に示すように、連結片3cの両側縁と第2の薄膜構造部3aaの側縁との間にそれぞれ面取り部3d,3dが形成され、X字状の連結片3cの略直交する側縁間にも面取り部3eが形成されている。しかして、赤外線センサ100では、図15(a)に示すように面取り部が形成されていない場合に比べて、連結片3cと第2の薄膜構造部3aaとの連結部位での応力集中を緩和でき、製造時に発生する残留応力を低減できるとともに製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。また、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止できる。なお、図12に示した例では、各面取り部3d,3eをR(アール)が3μmのR面取り部としてあるが、R面取り部に限らず、例えば、C面取り部としてもよい。   In addition, as shown in FIGS. 12 and 15B, the infrared sensor 100 has chamfered portions 3d and 3d formed between both side edges of the connecting piece 3c and side edges of the second thin film structure portion 3aa. The chamfered portion 3e is also formed between the side edges of the X-shaped connecting piece 3c that are substantially orthogonal to each other. Therefore, in the infrared sensor 100, compared to the case where the chamfered portion is not formed as shown in FIG. 15A, the stress concentration at the connecting portion between the connecting piece 3c and the second thin film structure portion 3aa is alleviated. In addition, it is possible to reduce the residual stress generated at the time of manufacturing, reduce the damage at the time of manufacturing, and improve the manufacturing yield. Further, it is possible to prevent damage due to stress generated due to an external temperature change or impact during use. In the example shown in FIG. 12, each of the chamfered portions 3d and 3e is an R chamfered portion having an R (R) of 3 μm, but is not limited to the R chamfered portion, and may be a C chamfered portion, for example.

また、赤外線センサ100は、各熱型赤外線検出部3に、支持部3dと一方のブリッジ部3bbと第2の赤外線吸収部33aと他方のブリッジ部3bbと支持部3dとに跨るように引き回されたn形ポリシリコン層からなる故障診断用配線(故障診断用のヒータ)139を設けて、全ての故障診断用配線139を直列接続してある。しかして、赤外線センサ100では、a×b個の故障診断用配線139の直列回路へ通電することで、ブリッジ部3bbの折れなどの破損の有無を検出することができる。   The infrared sensor 100 is routed to each thermal infrared detector 3 so as to straddle the support 3d, one bridge 3bb, the second infrared absorber 33a, the other bridge 3bb, and the support 3d. A fault diagnosis wiring (heat diagnosis heater) 139 made of the n-type polysilicon layer is provided, and all the fault diagnosis wirings 139 are connected in series. Therefore, the infrared sensor 100 can detect the presence or absence of breakage such as breakage of the bridge portion 3bb by energizing the series circuit of the a × b failure diagnosis wirings 139.

要するに、赤外線センサ100は、製造途中での検査時や使用時において、a×b個の故障診断用配線139の直列回路への通電の有無によって、ブリッジ部3bbの折れや故障診断用配線139の断線などを検出することができる。また、赤外線センサ100では、上述の検査時や使用時において、a×b個の故障診断用配線139の直列回路へ通電して各感温部30の出力を検出することにより、感温部30の断線の有無や感度のばらつき(感温部30の出力のばらつき)などを検知することが可能となる。ここにおいて、感度のばらつきに関しては、画素部2ごとの感度のばらつきを検知することが可能であり、例えば、第1の薄膜構造部3aの反りや第1の薄膜構造部3aの半導体基板1へのスティッキングなどに起因した感度のばらつきを検知することが可能となる。ここで、本実施形態における赤外線センサ100では、平面視において、故障診断用配線139を複数の温接点T1の群の付近において折り返され蛇行した形状としてある。したがって、故障診断用配線139へ通電することにより発生するジュール熱によって、各温接点T1を効率良く温めることができる。上述の故障診断用配線139は、n形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35と同一平面上に同一厚さで形成されている。   In short, the infrared sensor 100 is configured such that the bridge portion 3bb is broken or the failure diagnosis wiring 139 is changed depending on whether or not the series circuit of the a × b failure diagnosis wirings 139 is energized at the time of inspection or use during manufacture. Disconnection can be detected. Further, in the infrared sensor 100, the temperature sensing unit 30 is detected by energizing the series circuit of the a × b failure diagnosis wirings 139 and detecting the output of each temperature sensing unit 30 during the above-described inspection and use. It is possible to detect the presence / absence of disconnection and variations in sensitivity (variations in the output of the temperature sensing unit 30). Here, regarding the sensitivity variation, it is possible to detect the sensitivity variation for each pixel unit 2. For example, the warp of the first thin film structure unit 3 a or the semiconductor substrate 1 of the first thin film structure unit 3 a. It is possible to detect variations in sensitivity due to sticking or the like. Here, in the infrared sensor 100 according to the present embodiment, the fault diagnosis wiring 139 is folded and meandered in the vicinity of the group of the plurality of hot junctions T1 in a plan view. Therefore, each hot junction T1 can be efficiently warmed by Joule heat generated by energizing the failure diagnosis wiring 139. The above-described failure diagnosis wiring 139 is formed with the same thickness on the same plane as the n-type polysilicon layer 34 and the p-type polysilicon layer 35.

上述の赤外線吸収層39および故障診断用配線139は、n形ポリシリコン層34と同じn形不純物(例えば、リンなど)を同じ不純物濃度(例えば、1018〜1020cm−3)で含んでおり、n形ポリシリコン層34と同時に形成されている。また、p形ポリシリコン層35は、p形不純物として例えばボロンを採用すればよく、不純物濃度を例えば1018〜1020cm−3程度の範囲で適宜設定すればよい。本実施形態では、n形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35それぞれの不純物濃度が1018〜1020cm−3であり、熱電対の抵抗値を低減できてサーモパイル30aの抵抗値を低減でき、S/N比の向上を図れる。なお、赤外線吸収層39および故障診断用配線139は、n形ポリシリコン層34と同じn形不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてあるが、これに限らず、例えば、p形ポリシリコン層35と同じ不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてもよい。 The infrared absorption layer 39 and the failure diagnosis wiring 139 described above contain the same n-type impurity (for example, phosphorus) as the n-type polysilicon layer 34 at the same impurity concentration (for example, 10 18 to 10 20 cm −3 ). The n-type polysilicon layer 34 is formed at the same time. Further, the p-type polysilicon layer 35 may employ, for example, boron as the p-type impurity, and the impurity concentration may be appropriately set within a range of, for example, about 10 18 to 10 20 cm −3 . In the present embodiment, the impurity concentration of each of the n-type polysilicon layer 34 and the p-type polysilicon layer 35 is 10 18 to 10 20 cm −3 , and the resistance value of the thermopile 30 a can be reduced by reducing the resistance value of the thermocouple. It is possible to improve the S / N ratio. The infrared absorption layer 39 and the failure diagnosis wiring 139 are doped with the same n-type impurity as the n-type polysilicon layer 34 at the same impurity concentration. However, the present invention is not limited to this. For example, the p-type polysilicon layer 35 The same impurity may be doped with the same impurity concentration.

ところで、本実施形態では、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、および故障診断用配線139の屈折率をn、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、および故障診断用配線139それぞれの厚さt1をλ/4nに設定するようにしている。しかして、検出対象の波長(例えば、8〜12μm)の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、n=3.6、λ=10μmの場合には、t1≒0.69μmとすればよい。 By the way, in the present embodiment, the refractive index of the n-type polysilicon layer 34, the p-type polysilicon layer 35, the infrared absorption layer 39, and the failure diagnosis wiring 139 is n 1 , and the center wavelength of the detection target infrared is λ. time, so as to set the n-type polysilicon layer 34, p-type polysilicon layer 35, the infrared-absorbing layer 39, and the failure diagnosis wirings 139 respectively thicknesses t1 to lambda / 4n 1. Therefore, the absorption efficiency of infrared rays having a wavelength to be detected (for example, 8 to 12 μm) can be increased, and high sensitivity can be achieved. For example, when n 1 = 3.6 and λ = 10 μm, t 1 ≈0.69 μm may be set.

また、本実施形態では、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、および故障診断用配線139それぞれの不純物濃度が1018〜1020cm−3であるので、赤外線の吸収率を高くしつつ赤外線の反射を抑制することができて、感温部30の出力のS/N比を高めることができる。また、赤外線吸収層39および故障診断用配線139をn形ポリシリコン層34と同一工程で形成できるから、低コスト化を図れる。 In the present embodiment, since the n-type polysilicon layer 34, the p-type polysilicon layer 35, the infrared absorption layer 39, and the failure diagnosis wiring 139 have impurity concentrations of 10 18 to 10 20 cm −3 , the infrared The reflection of infrared rays can be suppressed while increasing the absorption rate of the light, and the S / N ratio of the output of the temperature sensing unit 30 can be increased. Further, since the infrared absorption layer 39 and the failure diagnosis wiring 139 can be formed in the same process as the n-type polysilicon layer 34, the cost can be reduced.

ここで、感温部30の接続部36と接続部37とは、半導体基板1の上記一表面側において、層間絶縁膜50によって絶縁分離されている(図10および図11参照)。すなわち、温接点T1側の接続部36は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50a,50aを通して、両ポリシリコン層34,35の上記各一端部と電気的に接続されている。また、冷接点T2側の接続部37は、層間絶縁膜50に形成されたコンタクトホール50a,50aを通して、両ポリシリコン層34,35の上記各他端部と電気的に接続されている。 Here, the connection part 36 and the connection part 37 of the temperature sensing part 30 are insulated and separated by the interlayer insulating film 50 on the one surface side of the semiconductor substrate 1 (see FIGS. 10 and 11). That is, the connecting portion 36 on the warm junction T1 side is electrically connected to the one end portions of the polysilicon layers 34 and 35 through the contact holes 50a 1 and 50a 2 formed in the interlayer insulating film 50. Further, the connecting portion 37 on the cold junction T2 side is electrically connected to the other end portions of the polysilicon layers 34 and 35 through contact holes 50a 3 and 50a 4 formed in the interlayer insulating film 50. .

また、MOSトランジスタ4は、上述のように、半導体基板1の上記一表面側においてMOSトランジスタ4の形成用領域A2に形成されている。   Further, the MOS transistor 4 is formed in the formation region A2 of the MOS transistor 4 on the one surface side of the semiconductor substrate 1 as described above.

MOSトランジスタ4は、図7および図14に示すように、半導体基板1の上記一表面側に第1導電形であるp形(p)のウェル領域41が形成され、ウェル領域41内に、第2導電形であるn形(n)のドレイン領域43と第2導電形であるn形(n)のソース領域44とが離間して形成されている。さらに、ウェル領域41内には、ドレイン領域43とソース領域44とを囲む第1導電形であるp形(p++)のチャネルストッパ領域42が形成されている。 As shown in FIGS. 7 and 14, the MOS transistor 4 has a p-type (p + ) well region 41 of the first conductivity type formed on the one surface side of the semiconductor substrate 1. An n-type (n + ) drain region 43 that is the second conductivity type and an n-type (n + ) source region 44 that is the second conductivity type are formed apart from each other. Further, in the well region 41, a p-type (p ++ ) channel stopper region 42 which is a first conductivity type surrounding the drain region 43 and the source region 44 is formed.

ウェル領域41においてドレイン領域43とソース領域44との間に位置する部位の上には、シリコン酸化膜(熱酸化膜)からなるゲート絶縁膜45を介してn形ポリシリコン層からなるゲート電極46が形成されている。   A gate electrode 46 made of an n-type polysilicon layer is disposed on a portion of the well region 41 located between the drain region 43 and the source region 44 via a gate insulating film 45 made of a silicon oxide film (thermal oxide film). Is formed.

また、ドレイン領域43上には、金属材料(例えば、Al−Siなど)からなるドレイン電極47が形成され、ソース領域44上には、金属材料(例えば、Al−Siなど)からなるソース電極48が形成されている。   A drain electrode 47 made of a metal material (for example, Al—Si) is formed on the drain region 43, and a source electrode 48 made of a metal material (for example, Al—Si) is formed on the source region 44. Is formed.

ゲート電極46、ドレイン電極47およびソース電極48は、上述の層間絶縁膜50によって絶縁分離されている。ここで、ドレイン電極47は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50dを通してドレイン領域43と電気的に接続され、ソース電極48は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50eを通してソース領域44と電気的に接続されている。   The gate electrode 46, the drain electrode 47, and the source electrode 48 are insulated and separated by the interlayer insulating film 50 described above. Here, the drain electrode 47 is electrically connected to the drain region 43 through a contact hole 50 d formed in the interlayer insulating film 50, and the source electrode 48 is electrically connected to the source region 44 through a contact hole 50 e formed in the interlayer insulating film 50. Connected.

赤外線センサ100の各画素部2では、MOSトランジスタ4のソース電極48と感温部30の一端とが電気的に接続され、感温部30の他端が第4の配線104に電気的に接続されている。また、各画素部2では、MOSトランジスタ4のドレイン電極47が、第1の配線101と電気的に接続され、ゲート電極46が、n形ポリシリコン配線からなる第2の配線102と電気的に接続されている。また、各画素部2では、MOSトランジスタ4のチャネルストッパ領域42上に、金属材料(例えば、Al−Siなど)からなる電極49が形成されている。しかして、ウェル領域41は、チャネルストッパ領域42および電極49を介して、第3の配線103と電気的に接続されている。なお、電極49は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50fを通してチャネルストッパ領域42と電気的に接続されている。   In each pixel unit 2 of the infrared sensor 100, the source electrode 48 of the MOS transistor 4 and one end of the temperature sensing unit 30 are electrically connected, and the other end of the temperature sensing unit 30 is electrically connected to the fourth wiring 104. Has been. In each pixel unit 2, the drain electrode 47 of the MOS transistor 4 is electrically connected to the first wiring 101, and the gate electrode 46 is electrically connected to the second wiring 102 made of n-type polysilicon wiring. It is connected. In each pixel portion 2, an electrode 49 made of a metal material (for example, Al—Si) is formed on the channel stopper region 42 of the MOS transistor 4. Thus, the well region 41 is electrically connected to the third wiring 103 through the channel stopper region 42 and the electrode 49. The electrode 49 is electrically connected to the channel stopper region 42 through a contact hole 50f formed in the interlayer insulating film 50.

また、赤外線センサ100は、各MOSトランジスタ4のゲート電極46・ソース電極48間に過電圧が印加されるのを防止するために各第2の配線102それぞれにカソードが接続された複数のツェナダイオードZDを備えている。ここで、ツェナダイオードZDは、半導体基板1の上記一表面側に形成された第1導電形の第1拡散領域81内に第2導電形の第2拡散領域82が形成されたものである。   In addition, the infrared sensor 100 includes a plurality of Zener diodes ZD each having a cathode connected to each second wiring 102 in order to prevent an overvoltage from being applied between the gate electrode 46 and the source electrode 48 of each MOS transistor 4. It has. Here, the Zener diode ZD is obtained by forming the second conductivity type second diffusion region 82 in the first conductivity type first diffusion region 81 formed on the one surface side of the semiconductor substrate 1.

上述のツェナダイオードZDは、図16に示すように、第1拡散領域81上にアノード電極83が形成され、第2拡散領域82上に2つのカソード電極84a,84bが形成されている。このツェナダイオードZDは、アノード電極83が、第5のパッドVzdと電気的に接続され、一方のカソード電極84aが、1つの第2の配線102を介して当該第2の配線102に接続されたMOSトランジスタ4のゲート電極46と電気的に接続され、他方のカソード電極84bが、当該第2の配線102に接続された第2のパッドVsel1〜Vsel8の1つと電気的に接続されている。   In the above-described Zener diode ZD, as shown in FIG. 16, an anode electrode 83 is formed on the first diffusion region 81, and two cathode electrodes 84a and 84b are formed on the second diffusion region. In this Zener diode ZD, the anode electrode 83 is electrically connected to the fifth pad Vzd, and one cathode electrode 84a is connected to the second wiring 102 via one second wiring 102. The MOS transistor 4 is electrically connected to the gate electrode 46, and the other cathode electrode 84 b is electrically connected to one of the second pads Vsel 1 to Vsel 8 connected to the second wiring 102.

また、赤外線センサ100は、半導体基板1が接続された基板バイアス用の第6のパッドVsuを備えている。   Further, the infrared sensor 100 includes a sixth pad Vsu for substrate bias to which the semiconductor substrate 1 is connected.

上述の赤外線センサ100によれば、通電されることにより発生するジュール熱によって温接点T1を温める故障診断用配線139を備えているので、故障診断用配線139へ通電してサーモパイル30aの出力を測定することにより、サーモパイル30aの断線などの故障の有無を判断することが可能となって、信頼性の向上を図れ、しかも、故障診断用配線139は、熱型赤外線検出部3において半導体基板1の空洞部11に重なる領域でサーモパイル30aと重ならないように配置されているので、故障診断用配線139によるサーモパイル30aの温接点T1の熱容量の増大を防止でき、感度および応答速度の向上を図れる。   According to the infrared sensor 100 described above, the failure diagnosis wiring 139 that warms the hot junction T1 by Joule heat generated by being energized is provided. Therefore, the failure diagnosis wiring 139 is energized and the output of the thermopile 30a is measured. By doing so, it is possible to determine the presence or absence of a failure such as disconnection of the thermopile 30a, and to improve the reliability. Moreover, the failure diagnosis wiring 139 is connected to the semiconductor substrate 1 in the thermal infrared detector 3. Since it is arranged so that it does not overlap with the thermopile 30a in the region overlapping the cavity 11, it is possible to prevent an increase in the heat capacity of the hot junction T1 of the thermopile 30a due to the failure diagnosis wiring 139, and to improve the sensitivity and response speed.

ここで、赤外線センサ100は、使用時において自己診断を行わない通常時において、故障診断用配線139も外部からの赤外線を吸収するので、複数の温接点T1の温度の均一化を図れ、感度の向上を図れる。なお、赤外線センサ100では、赤外線吸収層39および補強層39bも外部からの赤外線を吸収するので、複数の温接点T1の温度の均一化を図れ、感度の向上を図れる。また、赤外線センサ100の使用時の自己診断は、IC素子120に設けられた自己診断回路(図示せず)により定期的に行われるが、必ずしも定期的に行う必要はない。   Here, the infrared sensor 100 also absorbs infrared rays from the outside in the normal state when the self-diagnosis is not performed during use, so that the temperature of the plurality of hot junctions T1 can be made uniform and the sensitivity can be improved. Improvements can be made. In the infrared sensor 100, since the infrared absorbing layer 39 and the reinforcing layer 39b also absorb infrared rays from the outside, the temperature of the plurality of hot junctions T1 can be made uniform, and the sensitivity can be improved. Further, the self-diagnosis when using the infrared sensor 100 is periodically performed by a self-diagnosis circuit (not shown) provided in the IC element 120, but it is not always necessary to perform it periodically.

また、赤外線センサ100は、第1の薄膜構造部3aが、複数の線状のスリット13を設けることによって、空洞部11の内周方向に沿って並設されそれぞれ熱型赤外線検出部3において空洞部11を囲む部位である支持部3dから内方へ延長された複数の第2の薄膜構造部3aaに分離されている。そして、赤外線センサ100では、各第2の薄膜構造部3aaごとにサーモパイル30aの温接点T1が設けられるとともに、各サーモパイル30aごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全てのサーモパイル30aが電気的に接続されているので、応答速度および感度の向上を図れる。しかも、赤外線センサ100では、全ての第2の薄膜構造部3aaに跨って故障診断用配線139が形成されているので、熱型赤外線検出部3の全てのサーモパイル30aを一括して自己診断することが可能となる。また、赤外線センサ100では、隣接する第2の薄膜構造部3aa,3aa同士を連結する連結片3cが形成されていることにより、各第2の薄膜構造部3aaの反りを低減でき、構造安定性の向上を図れ、感度が安定する。   In addition, the infrared sensor 100 includes a plurality of linear slits 13 provided in the first thin film structure portion 3 a along the inner circumferential direction of the cavity portion 11. It is separated into a plurality of second thin film structure portions 3aa extending inward from the support portion 3d that is a portion surrounding the portion 11. In the infrared sensor 100, the hot contact T1 of the thermopile 30a is provided for each second thin film structure 3aa, and the output relationship with respect to the temperature change becomes larger than when the output is taken out for each thermopile 30a. Since all the thermopiles 30a are electrically connected, response speed and sensitivity can be improved. Moreover, in the infrared sensor 100, since the failure diagnosis wiring 139 is formed across all the second thin film structure portions 3aa, all the thermopiles 30a of the thermal infrared detection portion 3 can be self-diagnosed collectively. Is possible. Further, in the infrared sensor 100, since the connecting pieces 3c that connect the adjacent second thin film structure portions 3aa and 3aa are formed, the warpage of each second thin film structure portion 3aa can be reduced, and the structural stability can be reduced. The sensitivity is stabilized.

また、赤外線センサ100は、n形ポリシリコン層34とp形ポリシリコン層35と赤外線吸収層39と補強層39bと故障診断用配線139とが同一の厚さに設定されているので、第2の薄膜構造部3aaの応力バランスの均一性が向上し、第2の薄膜構造部3aaの反りを抑制することができ、製品ごとの感度のばらつきや、画素部2ごとの感度のばらつきを低減できる。   In the infrared sensor 100, the n-type polysilicon layer 34, the p-type polysilicon layer 35, the infrared absorption layer 39, the reinforcing layer 39b, and the failure diagnosis wiring 139 are set to the same thickness. The uniformity of the stress balance of the thin film structure portion 3aa can be improved, the warpage of the second thin film structure portion 3aa can be suppressed, and the variation in sensitivity among products and the variation in sensitivity among pixel portions 2 can be reduced. .

また、赤外線センサ100は、故障診断用配線139が、第1の熱電要素であるn形ポリシリコン層34もしくは第2の熱電要素であるp形ポリシリコン層35と同じ材料により形成されているので、故障診断用配線139を第1の熱電要素もしくは第2の熱電要素と同時に形成することが可能となり、製造プロセスの簡略化による低コスト化を図れる。   Further, in the infrared sensor 100, the failure diagnosis wiring 139 is formed of the same material as the n-type polysilicon layer 34 as the first thermoelectric element or the p-type polysilicon layer 35 as the second thermoelectric element. The fault diagnosis wiring 139 can be formed simultaneously with the first thermoelectric element or the second thermoelectric element, and the cost can be reduced by simplifying the manufacturing process.

また、赤外線センサ100は、赤外線吸収部33および故障診断用配線139を備えた複数の画素部2が、半導体基板1の上記一表面側で2次元アレイ状に設けられているので、製造時や使用時の自己診断に際して各画素部2それぞれの故障診断用配線139に通電することにより、各画素部2それぞれの感温部30の感度のばらつきを把握することが可能となる。   In addition, since the infrared sensor 100 is provided with a plurality of pixel portions 2 including the infrared absorbing portion 33 and the failure diagnosis wiring 139 in a two-dimensional array on the one surface side of the semiconductor substrate 1, By energizing the failure diagnosis wiring 139 of each pixel unit 2 at the time of self-diagnosis at the time of use, it becomes possible to grasp variation in sensitivity of the temperature sensing unit 30 of each pixel unit 2.

以下、赤外線センサ100の基本的な製造方法の一例について図18〜図21を参照して説明する。   Hereinafter, an example of a basic manufacturing method of the infrared sensor 100 will be described with reference to FIGS.

まず、第2の導電形のシリコン基板からなる半導体基板1の上記一表面側に第1の所定膜厚(例えば、0.3μm)の第1のシリコン酸化膜31と第2の所定膜厚(例えば、0.1μm)のシリコン窒化膜32との積層膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程を行う。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して当該絶縁層のうち熱型赤外線検出部3の形成用領域A1に対応する部分の一部を残してMOSトランジスタ4の形成用領域A2に対応する部分をエッチング除去する絶縁層パターニング工程を行うことによって、図18(a)に示す構造を得る。ここにおいて、シリコン酸化膜31は、半導体基板1を所定温度(例えば、1100℃)で熱酸化することにより形成し、シリコン窒化膜32は、LPCVD法により形成している。   First, a first silicon oxide film 31 having a first predetermined film thickness (for example, 0.3 μm) and a second predetermined film thickness (for example, 0.3 μm) are formed on the one surface side of the semiconductor substrate 1 made of a silicon substrate of the second conductivity type. For example, an insulating layer forming step of forming an insulating layer made of a laminated film with a silicon nitride film 32 of 0.1 μm) is performed. Thereafter, a portion corresponding to the formation region A2 of the MOS transistor 4 is left using the photolithography technique and the etching technique while leaving a part of the insulating layer corresponding to the formation area A1 of the thermal infrared detector 3. The structure shown in FIG. 18A is obtained by performing an insulating layer patterning process for removing the film by etching. Here, the silicon oxide film 31 is formed by thermally oxidizing the semiconductor substrate 1 at a predetermined temperature (for example, 1100 ° C.), and the silicon nitride film 32 is formed by LPCVD.

上述の絶縁層パターニング工程の後、半導体基板1の上記一表面側に第1導電形であるp形(p)のウェル領域41を形成するウェル領域形成工程を行い、続いて、半導体基板1の上記一表面側におけるウェル領域41内に第1導電形であるp形(p++)のチャネルストッパ領域42を形成するチャネルストッパ領域形成工程を行うことによって、図18(b)に示す構造を得る。ここで、ウェル領域形成工程では、まず、半導体基板1の上記一表面側の露出部位を所定温度で熱酸化することにより第2のシリコン酸化膜(熱酸化膜)51を選択的に形成する。その後、ウェル領域41を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してシリコン酸化膜51をパターニングする。続いて、第1導電形の不純物(ここでは、p形の不純物であり、例えば、ボロンなど)のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、ウェル領域41を形成する。また、チャネルストッパ領域形成工程では、半導体基板1の上記一表面側を所定温度で熱酸化することにより第3のシリコン酸化膜(熱酸化膜)52を選択的に形成する。その後、チャネルストッパ領域42を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第3のシリコン酸化膜52をパターニングする。続いて、第1導電形の不純物(ここでは、p形の不純物であり、例えば、ボロンなど)のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、チャネルストッパ領域42を形成する。なお、第1のシリコン酸化膜31と第2のシリコン酸化膜51と第3のシリコン酸化膜52とで、半導体基板1の上記一表面側のシリコン酸化膜1bを構成している。 After the above-described insulating layer patterning step, a well region forming step for forming a p-type (p + ) well region 41 of the first conductivity type on the one surface side of the semiconductor substrate 1 is performed. By performing a channel stopper region forming step of forming a p-type (p ++ ) channel stopper region 42 of the first conductivity type in the well region 41 on the one surface side of the above, the structure shown in FIG. obtain. Here, in the well region forming step, first, the second silicon oxide film (thermal oxide film) 51 is selectively formed by thermally oxidizing the exposed portion on the one surface side of the semiconductor substrate 1 at a predetermined temperature. Thereafter, the silicon oxide film 51 is patterned by using a photolithography technique and an etching technique using a mask for forming the well region 41. Subsequently, the well region 41 is formed by performing ion implantation of a first conductivity type impurity (here, p-type impurity, for example, boron) and then performing drive-in. In the channel stopper region forming step, the third silicon oxide film (thermal oxide film) 52 is selectively formed by thermally oxidizing the one surface side of the semiconductor substrate 1 at a predetermined temperature. Thereafter, the third silicon oxide film 52 is patterned by using a photolithography technique and an etching technique using a mask for forming the channel stopper region 42. Subsequently, the channel stopper region 42 is formed by performing ion implantation of a first conductivity type impurity (here, p-type impurity, for example, boron) and then performing drive-in. Note that the first silicon oxide film 31, the second silicon oxide film 51, and the third silicon oxide film 52 constitute the silicon oxide film 1 b on the one surface side of the semiconductor substrate 1.

上述のチャネルストッパ領域形成工程の後、第2導電形であるn形(n)のドレイン領域43および第2導電形であるn形(n)のソース領域44を形成するソース・ドレイン形成工程を行う。このソース・ドレイン形成工程では、ウェル領域41におけるドレイン領域43およびソース領域44それぞれの形成予定領域に第2導電形の不純物(ここでは、n形の不純物であり、例えば、リンなど)のイオン注入を行ってから、ドライブを行うことによって、ドレイン領域43およびソース領域44を形成する。 After the above-described channel stopper region forming step, source / drain formation for forming the second conductivity type n-type (n + ) drain region 43 and the second conductivity type n-type (n + ) source region 44 is formed. Perform the process. In this source / drain formation step, ions of a second conductivity type impurity (here, an n-type impurity, such as phosphorus) are implanted into the formation region of each of the drain region 43 and the source region 44 in the well region 41. After performing the above, the drain region 43 and the source region 44 are formed by driving.

ソース・ドレイン形成工程の後、半導体基板1の上記一表面側に例えば熱酸化により所定膜厚(例えば、600Å)のシリコン酸化膜(熱酸化膜)からなるゲート絶縁膜45を形成するゲート絶縁膜形成工程を行う。続いて、半導体基板1の上記一表面側の全面にゲート電極46、第2の配線102(図5参照)、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39および故障診断用配線139の基礎となる所定膜厚(例えば、0.69μm)のノンドープポリシリコン層をLPCVD法により形成するポリシリコン層形成工程を行う。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記ノンドープポリシリコン層のうちゲート電極46、第2の配線102、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39および故障診断用配線139それぞれに対応する部分が残るようにパターニングするポリシリコン層パターニング工程を行う。続いて、上記ノンドープポリシリコン層のうちp形ポリシリコン層35に対応する部分にp形の不純物(例えば、ボロンなど)のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりp形ポリシリコン層35を形成するp形ポリシリコン層形成工程を行う。その後、上記ノンドープポリシリコン層のうちn形ポリシリコン層34、赤外線吸収層39、故障診断用配線139、ゲート電極46および第2の配線102に対応する部分にn形の不純物例えば、リンなど)のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりn形ポリシリコン層34、赤外線吸収層39、故障診断用配線139、ゲート電極46および第2の配線102を形成するn形ポリシリコン層形成工程を行うことによって、図19(a)に示す構造を得る。なお、p形ポリシリコン層形成工程とn形ポリシリコン層形成工程との順序は逆でもよい。   After the source / drain formation step, a gate insulating film 45 is formed on the one surface side of the semiconductor substrate 1 by, for example, thermal oxidation to form a gate insulating film 45 made of a silicon oxide film (thermal oxide film) having a predetermined film thickness (for example, 600 mm). A formation process is performed. Subsequently, the gate electrode 46, the second wiring 102 (see FIG. 5), the n-type polysilicon layer 34, the p-type polysilicon layer 35, the infrared absorption layer 39, and the fault diagnosis are formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 on the one surface side. A polysilicon layer forming step is performed in which a non-doped polysilicon layer having a predetermined film thickness (for example, 0.69 μm) serving as the basis of the wiring 139 is formed by the LPCVD method. Thereafter, the gate electrode 46, the second wiring 102, the n-type polysilicon layer 34, the p-type polysilicon layer 35, the infrared absorption layer 39, and the fault diagnosis among the non-doped polysilicon layers using the photolithography technique and the etching technique. A polysilicon layer patterning process is performed so as to leave a portion corresponding to each of the wirings 139 for use. Subsequently, after p-type impurities (for example, boron) are ion-implanted into a portion of the non-doped polysilicon layer corresponding to the p-type polysilicon layer 35, the p-type polysilicon layer 35 is formed by driving. A p-type polysilicon layer forming step is performed. Thereafter, of the non-doped polysilicon layer, the n-type polysilicon layer 34, the infrared absorption layer 39, the failure diagnosis wiring 139, the gate electrode 46, and the portion corresponding to the second wiring 102 are n-type impurities such as phosphorus) The n-type polysilicon layer forming step of forming the n-type polysilicon layer 34, the infrared absorption layer 39, the failure diagnosis wiring 139, the gate electrode 46, and the second wiring 102 by performing the driving after the ion implantation is performed. By doing so, the structure shown in FIG. The order of the p-type polysilicon layer forming step and the n-type polysilicon layer forming step may be reversed.

上述のp形ポリシリコン層形成工程およびn形ポリシリコン層形成工程が終了した後、半導体基板1の上記一表面側に層間絶縁膜50を形成する層間絶縁膜形成工程を行う。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して層間絶縁膜50に各コンタクトホール50a,50a,50a,50a,50d,50e,50f(図10、図11、図14参照)を形成するコンタクトホール形成工程を行うことによって、図19(b)に示す構造を得る。層間絶縁膜形成工程では、半導体基板1の上記一表面側に所定膜厚(例えば、0.8μm)のBPSG膜をCVD法により堆積させてから、所定温度(例えば、800℃)でリフローすることにより平坦化された層間絶縁膜50を形成する。 After the p-type polysilicon layer forming step and the n-type polysilicon layer forming step are completed, an interlayer insulating film forming step for forming an interlayer insulating film 50 on the one surface side of the semiconductor substrate 1 is performed. Subsequently, the contact holes 50a 1 , 50a 2 , 50a 3 , 50a 4 , 50d, 50e, 50f (see FIGS. 10, 11, and 14) are formed in the interlayer insulating film 50 using photolithography technology and etching technology. The structure shown in FIG. 19B is obtained by performing the contact hole forming step to be formed. In the interlayer insulating film forming step, a BPSG film having a predetermined film thickness (for example, 0.8 μm) is deposited on the one surface side of the semiconductor substrate 1 by the CVD method, and then reflowed at a predetermined temperature (for example, 800 ° C.). The interlayer insulating film 50 planarized by the above is formed.

上述のコンタクトホール形成工程の後、半導体基板1の上記一表面側の全面に接続部36,37、ドレイン電極47、ソース電極48、第4の配線104、第1の配線101、第3の配線103、各パッドVout1〜Vout8,Vsel1〜Vsel8,Vrefin,Vsuなど(図1(a)参照)の基礎となる所定膜厚(例えば、2μm)の金属膜(例えば、Al−Si膜)をスパッタ法などにより形成する金属膜形成工程を行う。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜をパターニングすることで接続部36,37、ドレイン電極47、ソース電極48、第4の配線104、第1の配線101、第3の配線103、各パッドVout1〜Vout8,Vsel1〜Vsel8,Vrefin,Vsuなどを形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図20(a)に示す構造を得る。なお、金属膜パターニング工程におけるエッチングは、RIEにより行っている。また、この金属膜パターニング工程を行うことにより、温接点T1および冷接点T2が形成される。   After the contact hole forming step, the connection portions 36 and 37, the drain electrode 47, the source electrode 48, the fourth wiring 104, the first wiring 101, and the third wiring are formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 on the one surface side. 103, a metal film (for example, an Al-Si film) having a predetermined film thickness (for example, 2 μm) serving as a basis for the pads Vout1 to Vout8, Vsel1 to Vsel8, Vrefin, Vsu, etc. (see FIG. 1A). A metal film forming step is performed by, for example. Subsequently, the metal film is patterned using a photolithography technique and an etching technique to connect the connection portions 36 and 37, the drain electrode 47, the source electrode 48, the fourth wiring 104, the first wiring 101, and the third wiring. By performing a metal film patterning process for forming 103, pads Vout1 to Vout8, Vsel1 to Vsel8, Vrefin, Vsu, etc., the structure shown in FIG. Note that etching in the metal film patterning step is performed by RIE. Moreover, the hot junction T1 and the cold junction T2 are formed by performing this metal film patterning process.

上述の金属膜パターニング工程の後、半導体基板1の上記一表面側(つまり、層間絶縁膜50の表面側)に所定膜厚(例えば、0.5μm)のPSG膜と所定膜厚(例えば、0.5μm)のNSG膜との積層膜からなるパッシベーション膜60をCVD法により形成するパッシベーション膜形成工程を行うことによって、図20(b)に示す構造を得る。   After the metal film patterning step, a PSG film having a predetermined film thickness (for example, 0.5 μm) and a predetermined film thickness (for example, 0 μm) are formed on the one surface side of the semiconductor substrate 1 (that is, the surface side of the interlayer insulating film 50). A passivation film forming step of forming a passivation film 60 made of a laminated film with an NSG film of .5 μm) by the CVD method is performed to obtain the structure shown in FIG.

上述のパッシベーション膜形成工程の後、シリコン酸化膜31、シリコン窒化膜32、層間絶縁膜50、パッシベーション膜60などを備え、感温部30などが埋設された積層構造部をパターニングすることにより、第2の薄膜構造部3aaおよび連結片3cを形成する積層構造部パターニング工程を行うことによって、図21(a)に示す構造を得る。なお、積層構造部パターニング工程において、各スリット13,14を形成している。   After the above-described passivation film forming step, the silicon oxide film 31, the silicon nitride film 32, the interlayer insulating film 50, the passivation film 60, and the like, and the laminated structure portion in which the temperature sensitive portion 30 and the like are embedded are patterned. The structure shown in FIG. 21A is obtained by performing the laminated structure portion patterning step for forming the two thin film structure portions 3aa and the connecting pieces 3c. The slits 13 and 14 are formed in the layered structure portion patterning step.

上述の積層構造部パターニング工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して各パッドパッドVout1〜Vout8,Vsel1〜Vsel8,Vrefin,Vsuを露出させる開口部(図示せず)を形成する開口部形成工程を行う。次に、各スリット13,14をエッチング液導入孔としてエッチング液を導入し半導体基板1を異方性エッチング(結晶異方性エッチング)することにより半導体基板1に空洞部11を形成する空洞部形成工程を行うことで、図21(b)に示す構造の赤外線センサ100を得る。ここで、開口部形成工程におけるエッチングは、RIEにより行っている。また、空洞部形成工程では、エッチング液として所定温度(例えば、85℃)に加熱したTMAH溶液を用いているが、エッチング液はTMAH溶液に限らず、他のアルカリ系溶液(例えば、KOH溶液など)を用いてもよい。なお、空洞部形成工程が終了するまでの全工程はウェハレベルで行うので、空洞部形成工程が終了した後、個々の赤外線センサ100に分離する分離工程を行えばよい。また、上述の説明から分かるように、MOSトランジスタ4の製造方法に関してみれば、周知の一般的なMOSトランジスタの製造方法を採用しており、熱酸化による熱酸化膜の形成、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術による熱酸化膜のパターニング、不純物のイオン注入、ドライブイン(不純物の拡散)の基本工程を繰り返すことにより、ウェル領域41、チャネルストッパ領域42、ドレイン領域43とソース領域44を形成している。また、上述の製造方法では、ツェナダイオードZDの製造工程について説明を省略したが、周知の一般的なツェナダイオードの製造方法を適宜採用すればよい。   After the above-described laminated structure patterning step, an opening (not shown) is formed to expose the pad pads Vout1 to Vout8, Vsel1 to Vsel8, Vrefin, Vsu using photolithography technology and etching technology. Perform the process. Next, the cavity is formed by forming the cavity 11 in the semiconductor substrate 1 by introducing the etchant with the slits 13 and 14 as the etchant introduction holes and anisotropically etching the semiconductor substrate 1 (crystal anisotropic etching). By performing the process, the infrared sensor 100 having the structure shown in FIG. Here, the etching in the opening forming step is performed by RIE. In the cavity forming step, a TMAH solution heated to a predetermined temperature (for example, 85 ° C.) is used as the etching solution. However, the etching solution is not limited to the TMAH solution, and other alkaline solutions (for example, a KOH solution, etc.) ) May be used. In addition, since all the processes until the cavity part forming process is completed are performed at the wafer level, a separation process for separating the individual infrared sensors 100 may be performed after the cavity part forming process is completed. Further, as can be seen from the above description, as for the manufacturing method of the MOS transistor 4, a well-known general MOS transistor manufacturing method is adopted, and a thermal oxide film is formed by thermal oxidation, a photolithography technique and etching. The well region 41, the channel stopper region 42, the drain region 43, and the source region 44 are formed by repeating basic steps of thermal oxide film patterning, impurity ion implantation, and drive-in (impurity diffusion) by technology. In the manufacturing method described above, the description of the manufacturing process of the Zener diode ZD is omitted. However, a known general Zener diode manufacturing method may be adopted as appropriate.

上述の赤外線センサ100では、半導体基板1として上記一表面が(100)面の単結晶シリコン基板を用いて、エッチング速度の結晶面方位依存性を利用した異方性エッチングにより形成する空洞部11を四角錘状の形状としてあるが、四角錘状の形状に限らず、四角錘台状の形状でもよい。また、半導体基板1の上記一表面の面方位は特に限定するものではなく、例えば、半導体基板1として上記一表面がSi(110)面の単結晶のシリコン基板を用いてもよい。   In the infrared sensor 100 described above, the cavity 11 is formed by anisotropic etching utilizing the crystal plane orientation dependence of the etching rate, using the single crystal silicon substrate having the (100) surface as the semiconductor substrate 1. Although it has a quadrangular pyramid shape, it is not limited to a quadrangular pyramid shape, and may be a quadrangular frustum shape. The plane orientation of the one surface of the semiconductor substrate 1 is not particularly limited. For example, a single crystal silicon substrate having the Si (110) surface as the one surface may be used as the semiconductor substrate 1.

IC素子120は、ASIC(:Application Specific IC)であり、シリコン基板を用いて形成されている。また、IC素子120としてベアチップを用いている。しかして、本実施形態では、IC素子120がベアチップをパッケージングしたものである場合に比べて、パッケージ133の小型化を図れる。   The IC element 120 is an ASIC (Application Specific IC) and is formed using a silicon substrate. A bare chip is used as the IC element 120. Therefore, in the present embodiment, the package 133 can be downsized as compared with the case where the IC element 120 is a package of a bare chip.

IC素子120は、赤外線センサ100の各パッドVout1〜Vout8,Vsel1〜Vsel8,Vrefin,Vsu,Vzdそれぞれと電気的に接続される複数のパッド(図示せず)を備えている。そして、IC素子120は、赤外線センサ100の出力電圧を増幅する第1の増幅回路122aと、サーミスタ110の出力電圧を増幅する第2の増幅回路122bと、赤外線センサ100のb個の第1のパッドVout1〜Vout8の出力電圧を択一的に第1の増幅回路122aに入力するマルチプレクサ121とを備える。また、IC素子120は、第1の増幅回路122aにて増幅された赤外線センサ100の出力電圧、および第2の増幅回路122bにて増幅されたサーミスタ110の出力電圧をディジタル値に変換するA/D変換回路123を備えている。IC素子120の演算部124は、赤外線センサ100とサーミスタ110との各出力電圧に対応してA/D変換回路123から出力されるディジタル値を用いて物体400の温度を演算する。この演算部124については、後述する。また、IC素子120は、演算部124での演算に利用するデータなどを記憶する記憶部であるメモリ125と、赤外線センサ100を制御する制御回路126とを備えている。なお、IC素子120は、上述の自己診断回路も備えている。   The IC element 120 includes a plurality of pads (not shown) that are electrically connected to the pads Vout1 to Vout8, Vsel1 to Vsel8, Vrefin, Vsu, and Vzd of the infrared sensor 100, respectively. The IC element 120 includes a first amplifier circuit 122 a that amplifies the output voltage of the infrared sensor 100, a second amplifier circuit 122 b that amplifies the output voltage of the thermistor 110, and the b first elements of the infrared sensor 100. And a multiplexer 121 that selectively inputs the output voltages of the pads Vout1 to Vout8 to the first amplifier circuit 122a. The IC element 120 converts the output voltage of the infrared sensor 100 amplified by the first amplifier circuit 122a and the output voltage of the thermistor 110 amplified by the second amplifier circuit 122b into a digital value. A D conversion circuit 123 is provided. The calculation unit 124 of the IC element 120 calculates the temperature of the object 400 using digital values output from the A / D conversion circuit 123 corresponding to the output voltages of the infrared sensor 100 and the thermistor 110. The calculation unit 124 will be described later. In addition, the IC element 120 includes a memory 125 that is a storage unit that stores data used for calculation in the calculation unit 124, and a control circuit 126 that controls the infrared sensor 100. The IC element 120 also includes the above-described self-diagnosis circuit.

本実施形態の温度センサは、パッケージ本体134とパッケージ蓋135とで構成されるパッケージ133の内部空間(気密空間)165を、ドライ窒素雰囲気としてあるが、これに限らず、例えば、真空雰囲気としてもよい。   In the temperature sensor of the present embodiment, the internal space (airtight space) 165 of the package 133 constituted by the package body 134 and the package lid 135 is a dry nitrogen atmosphere, but the present invention is not limited to this. Good.

パッケージ本体134は、絶縁材料からなる基体134aに、金属材料からなる配線パターン(図示せず)および電磁シールド層144が形成されており、電磁シールド層144により電磁シールド機能を有している。一方、パッケージ蓋135は、赤外線透過部材153が導電性を有し、この赤外線透過部材153がメタルキャップ152に導電性材料により接合されているので、導電性を有している。そして、パッケージ蓋135は、パッケージ本体134の電磁シールド層144と電気的に接続されている。しかして、本実施形態では、パッケージ本体134の電磁シールド層144とパッケージ蓋135とを同電位とすることができる。その結果、パッケージ133は、赤外線センサ100とIC素子120と上記配線パターンと後述のボンディングワイヤ(図示せず)と含んで構成されるセンサ回路(図示せず)への外来の電磁ノイズを防止する電磁シールド機能を有している。   In the package body 134, a wiring pattern (not shown) made of a metal material and an electromagnetic shield layer 144 are formed on a base 134a made of an insulating material, and the electromagnetic shield layer 144 has an electromagnetic shield function. On the other hand, the package lid 135 has conductivity because the infrared transmitting member 153 has conductivity, and the infrared transmitting member 153 is joined to the metal cap 152 by a conductive material. The package lid 135 is electrically connected to the electromagnetic shield layer 144 of the package body 134. Therefore, in the present embodiment, the electromagnetic shield layer 144 of the package body 134 and the package lid 135 can be set to the same potential. As a result, the package 133 prevents external electromagnetic noise to a sensor circuit (not shown) including the infrared sensor 100, the IC element 120, the wiring pattern, and a bonding wire (not shown) described later. Has an electromagnetic shielding function.

パッケージ本体134は、赤外線センサ100およびIC素子120が一表面側に実装される平板状のセラミック基板により構成してある。要するに、パッケージ本体134は、基体134aが絶縁材料であるセラミックスにより形成されており、配線パターンのうち基体134aの一表面側に形成された部位に、赤外線センサ100の各パッドVout1〜Vout8,Vsel1〜Vsel8,Vrefin,Vsu,VzdおよびIC素子120の上記パッドが、適宜、ボンディングワイヤを介して接続されている。なお、赤外線センサ100とIC素子120とは、ボンディングワイヤなどを介して電気的に接続されている。各ボンディングワイヤとしては、Alワイヤに比べて耐腐食性の高いAuワイヤを用いることが好ましい。   The package body 134 is constituted by a flat ceramic substrate on which the infrared sensor 100 and the IC element 120 are mounted on one surface side. In short, the package body 134 has the base 134a made of ceramics, which is an insulating material, and the pads Vout1 to Vout8, Vsel1 to Vir1 of the infrared sensor 100 are formed on portions of the wiring pattern formed on the one surface side of the base 134a. Vsel8, Vrefin, Vsu, Vzd and the above-mentioned pads of the IC element 120 are appropriately connected via bonding wires. The infrared sensor 100 and the IC element 120 are electrically connected via a bonding wire or the like. As each bonding wire, it is preferable to use an Au wire having higher corrosion resistance than an Al wire.

本実施形態では、パッケージ本体134の絶縁材料としてセラミックスを採用しているので、上記絶縁材料としてエポキシ樹脂などの有機材料を採用する場合に比べて、パッケージ本体134の耐湿性および耐熱性を向上させることができる。ここで、絶縁材料のセラミックスとして、アルミナを採用すれば、窒化アルミニウムや炭化珪素などを採用する場合に比べて、上記絶縁材料の熱伝導率が小さく、IC素子120やパッケージ133の外部からの熱に起因した赤外線センサ100の温度上昇を抑制できる。   In the present embodiment, ceramics is used as the insulating material of the package body 134, so that the moisture resistance and heat resistance of the package body 134 are improved as compared with the case where an organic material such as an epoxy resin is used as the insulating material. be able to. Here, if alumina is used as the ceramic of the insulating material, the thermal conductivity of the insulating material is small compared to the case of using aluminum nitride, silicon carbide, or the like, and heat from the outside of the IC element 120 or the package 133 is reduced. The temperature rise of the infrared sensor 100 resulting from the can be suppressed.

また、パッケージ本体134は、上述の配線パターンの一部により構成される外部接続電極(図示せず)が、基体134aの他表面と側面とに跨って形成されている。しかして、本実施形態の温度センサでは、回路基板などへの2次実装後において、回路基板などとの接合部の外観検査を容易に行うことができる。   Further, the package body 134 is formed with external connection electrodes (not shown) constituted by a part of the above-described wiring pattern across the other surface and side surfaces of the base 134a. Thus, in the temperature sensor according to the present embodiment, after the secondary mounting on the circuit board or the like, it is possible to easily inspect the appearance of the joint portion with the circuit board or the like.

また、赤外線センサ100は、パッケージ本体134に対して、第1のダイボンド剤(例えば、シリコーン樹脂など)からなる複数の接合部115を介して実装されている。また、IC素子120は、パッケージ本体134に対して、第2のダイボンド剤(例えば、シリコーン樹脂など)からなる接合部118を介して実装されている。各ダイボンド剤としては、低融点ガラスやエポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂などの絶縁性接着剤、半田(鉛フリー半田、Au−Sn半田など)や銀ペーストなどの導電性接着剤を用いればよい。また、各ダイボンド剤を用いずに、例えば、常温接合法や、Au−Sn共晶もしくはAu−Si共晶を利用した共晶接合法などにより接合してもよい。   The infrared sensor 100 is mounted on the package body 134 via a plurality of joints 115 made of a first die bond agent (for example, silicone resin). In addition, the IC element 120 is mounted on the package body 134 via a joint 118 made of a second die bond agent (for example, silicone resin). As each die bond agent, an insulating adhesive such as low melting glass, epoxy resin, or silicone resin, or conductive adhesive such as solder (lead-free solder, Au—Sn solder, etc.) or silver paste may be used. Further, without using each die-bonding agent, for example, bonding may be performed by a room temperature bonding method or a eutectic bonding method using Au—Sn eutectic or Au—Si eutectic.

上述の温度センサは、赤外線センサ100が複数の接合部115を介してパッケージ本体134に実装されているので、赤外線センサ100の裏面の全体が接合部115を介してパッケージ本体134に接合される場合に比べて、赤外線センサ100とパッケージ本体134との間の空間116が断熱部として機能することと、接合部115の断面積の低減とにより、パッケージ本体134から赤外線センサ100へ熱が伝達しにくくなる。   In the above-described temperature sensor, since the infrared sensor 100 is mounted on the package body 134 via the plurality of joints 115, the entire back surface of the infrared sensor 100 is joined to the package body 134 via the joints 115. Compared to the above, the space 116 between the infrared sensor 100 and the package main body 134 functions as a heat insulating portion, and the cross-sectional area of the joint 115 is reduced, so that heat is not easily transmitted from the package main body 134 to the infrared sensor 100. Become.

この接合部115の数は、特に限定するものではないが、赤外線センサ100の外周形状が矩形状(正方形状ないし長方形状)の場合には、例えば、3つが好ましい。この場合には、赤外線センサ100の外周形状に基づいて規定した仮想三角形の3つの頂点に対応する3箇所に設けることにより、パッケージ本体134への実装時などの温度変化に起因したパッケージ本体134の変形が赤外線センサ100の傾きとして伝わるから、赤外線センサ100が変形するのを抑制することができ、赤外線センサ100に生じる応力を低減することが可能となる。なお、本実施形態では、赤外線センサ100の外周形状が例えば正方形状の場合、赤外線センサ100の外周の1辺の両端の2箇所と、当該1辺に平行な辺の1箇所との3箇所に頂点を有する仮想三角形を規定しているが、仮想三角形の頂点の位置は、赤外線センサ100の外周形状、赤外線センサ100の各パッドVout1〜Vout8,Vsel1〜Vsel8,Vrefin,Vsu,Vzdへのワイヤボンディング時の接合信頼性(言い換えれば、赤外線センサ100の各パッドVout1〜Vout8,Vsel1〜Vsel8,Vrefin,Vsu,Vzdの位置)を考慮して規定することが好ましい。接合部115には、赤外線センサ100とパッケージ本体134との距離を規定するスペーサを混入させてもよく、このようなスペーサを混入させておけば、温度センサの製品間での赤外線センサ100とパッケージ本体134との間の熱絶縁性能のばらつきを低減可能となる。ただし、赤外線センサ100の裏面全体を、接合部115を介してパッケージ本体134に接合してもよい。   The number of the joints 115 is not particularly limited, but when the outer peripheral shape of the infrared sensor 100 is rectangular (square or rectangular), for example, three is preferable. In this case, by providing at three locations corresponding to the three vertices of the virtual triangle defined based on the outer peripheral shape of the infrared sensor 100, the package main body 134 caused by temperature changes such as when mounted on the package main body 134 is provided. Since the deformation is transmitted as the inclination of the infrared sensor 100, the infrared sensor 100 can be prevented from being deformed, and the stress generated in the infrared sensor 100 can be reduced. In the present embodiment, when the outer peripheral shape of the infrared sensor 100 is, for example, a square shape, there are two locations on both ends of one side of the outer periphery of the infrared sensor 100 and one location on a side parallel to the one side. Although a virtual triangle having vertices is defined, the positions of the vertices of the virtual triangle are the outer peripheral shape of the infrared sensor 100 and wire bonding to the pads Vout1 to Vout8, Vsel1 to Vsel8, Vrefin, Vsu, and Vzd of the infrared sensor 100. It is preferable to define it in consideration of the bonding reliability at the time (in other words, the positions of the pads Vout1 to Vout8, Vsel1 to Vsel8, Vrefin, Vsu, and Vzd) of the infrared sensor 100. A spacer that defines the distance between the infrared sensor 100 and the package body 134 may be mixed in the joint portion 115. If such a spacer is mixed, the infrared sensor 100 and the package between the temperature sensor products are mixed. Variations in thermal insulation performance with the main body 134 can be reduced. However, the entire back surface of the infrared sensor 100 may be bonded to the package body 134 via the bonding portion 115.

また、IC素子120は、外周形状が矩形状(正方形状ないし長方形状)であり、裏面全体が接合部118を介してパッケージ本体134に接合されている。   Further, the outer periphery of the IC element 120 is rectangular (square or rectangular), and the entire back surface is bonded to the package body 134 via the bonding portion 118.

パッケージ蓋135は、パッケージ本体134側の一面が開放された箱状に形成され赤外線センサ100に対応する部位に開口窓152aが形成されたメタルキャップ152と、メタルキャップ152の開口窓152aを閉塞する形でメタルキャップ152に接合された赤外線透過部材153とで構成されており、メタルキャップ152の上記一面がパッケージ本体134により閉塞される形でパッケージ本体134に気密的に接合されている。ここで、パッケージ本体134の上記一表面の周部には、パッケージ本体134の外周形状に沿った枠状の金属パターン147(図1(a)参照)が全周に亘って形成されている。そして、パッケージ133は、パッケージ蓋135とパッケージ本体134の金属パターン147とが、シーム溶接(抵抗溶接法)により金属接合されており、気密性および電磁シールド効果を高めることができる。なお、パッケージ蓋135のメタルキャップ152は、コバールにより形成されており、Niめっきが施されている。また、パッケージ本体134の金属パターン147は、コバールにより形成され、Niのめっきが施され、さらにAuのめっきが施されている。   The package lid 135 is formed in a box shape in which one surface on the package body 134 side is opened, and a metal cap 152 in which an opening window 152a is formed at a portion corresponding to the infrared sensor 100, and the opening window 152a of the metal cap 152 is closed. The infrared ray transmitting member 153 is joined to the metal cap 152 in a form, and the one surface of the metal cap 152 is hermetically joined to the package body 134 so as to be closed by the package body 134. Here, a frame-like metal pattern 147 (see FIG. 1A) along the outer peripheral shape of the package main body 134 is formed on the entire periphery of the one surface of the package main body 134. In the package 133, the package lid 135 and the metal pattern 147 of the package body 134 are metal-bonded by seam welding (resistance welding method), so that the airtightness and the electromagnetic shielding effect can be enhanced. Note that the metal cap 152 of the package lid 135 is formed of Kovar and is plated with Ni. Further, the metal pattern 147 of the package body 134 is formed by Kovar, plated with Ni, and further plated with Au.

パッケージ蓋135とパッケージ本体134の金属パターン147との接合方法は、シーム溶接に限らず、他の溶接(例えば、スポット溶接)や、導電性樹脂により接合してもよい。ここで、導電性樹脂として異方導電性接着剤を用いれば、樹脂(バインダー)中に分散された導電粒子の含有量が少なく、接合時に加熱・加圧を行うことでパッケージ蓋135とパッケージ本体134との接合部の厚みを薄くできるので、外部からパッケージ133内へ水分やガス(例えば、水蒸気、酸素など)が侵入するのを抑制できる。また、導電性樹脂として、酸化バリウム、酸化カルシウムなどの乾燥剤を混入させたものを用いてもよい。   The joining method of the package lid 135 and the metal pattern 147 of the package body 134 is not limited to seam welding, and may be joined by other welding (for example, spot welding) or conductive resin. Here, if an anisotropic conductive adhesive is used as the conductive resin, the content of the conductive particles dispersed in the resin (binder) is small, and the package lid 135 and the package main body are heated and pressed during bonding. Since the thickness of the joint with 134 can be reduced, it is possible to prevent moisture and gas (for example, water vapor, oxygen, etc.) from entering the package 133 from the outside. Further, a conductive resin in which a desiccant such as barium oxide or calcium oxide is mixed may be used.

なお、パッケージ本体134およびパッケージ蓋135の外周形状は矩形状としてあるが、矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。また、パッケージ蓋135のメタルキャップ152は、パッケージ本体134側の端縁から全周に亘って外方に延設された鍔部152bを備えており、鍔部152bが全周に亘ってパッケージ本体134と接合されている。   In addition, although the outer peripheral shape of the package main body 134 and the package lid 135 is a rectangular shape, it is not limited to a rectangular shape, and may be a circular shape, for example. Further, the metal cap 152 of the package lid 135 includes a flange portion 152b extending outward from the edge on the package body 134 side over the entire circumference, and the flange portion 152b extends over the entire periphery. 134.

赤外線透過部材153を構成するレンズは、平凸型の非球面レンズである。しかして、本実施形態の温度センサでは、赤外線透過部材153の薄型化を図りながらも、赤外線センサ100での赤外線の受光効率の向上による高感度化を図れる。また、本実施形態の温度センサでは、赤外線センサ100の検知エリアを赤外線透過部材153により設定することが可能となる。赤外線透過部材153は、赤外線センサ100の半導体基板1とは別の半導体基板(半導体ウェハ)を用いて形成されている。なお、この種の非球面レンズからなるレンズは、例えば、陽極酸化技術を応用した半導体レンズの製造方法(例えば、特許第3897055号公報、特許第3897056号公報など参照)により形成することができる。   The lens constituting the infrared transmitting member 153 is a plano-convex aspherical lens. Therefore, in the temperature sensor of the present embodiment, it is possible to increase the sensitivity by improving the infrared light receiving efficiency of the infrared sensor 100 while reducing the thickness of the infrared transmitting member 153. In the temperature sensor of this embodiment, the detection area of the infrared sensor 100 can be set by the infrared transmission member 153. The infrared transmitting member 153 is formed using a semiconductor substrate (semiconductor wafer) different from the semiconductor substrate 1 of the infrared sensor 100. In addition, the lens which consists of this kind of aspherical lens can be formed by the manufacturing method (For example, refer patent-patent 397055 gazette, patent 397056 gazette etc.) which applied the anodic oxidation technique, for example.

本実施形態では、赤外線センサ100の検知エリアを上述の半導体レンズからなるレンズにより構成される赤外線透過部材153により設定することができ、また、レンズとして、球面レンズよりも短焦点で且つ開口径が大きく収差が小さな半導体レンズを採用することができるから、短焦点化により、パッケージ133の薄型化を図れる。本実施形態の温度センサは、物体400として、人体を想定しているので、赤外線センサ100の検知対象の赤外線としては、人体から放射される10μm付近の波長帯(8μm〜13μm)の赤外線を想定している。なお、物体400は、人体に限定するものではなく、赤外線センサ100での検知対象の赤外線の波長も、特に限定するものではない。   In the present embodiment, the detection area of the infrared sensor 100 can be set by the infrared transmitting member 153 configured by the lens made of the above-described semiconductor lens, and the lens has a shorter focal point and an aperture diameter than the spherical lens. Since a semiconductor lens having a large aberration can be employed, the package 133 can be thinned by reducing the focal length. Since the temperature sensor of the present embodiment assumes a human body as the object 400, the infrared ray to be detected by the infrared sensor 100 is assumed to be an infrared ray in the wavelength band (8 μm to 13 μm) near 10 μm emitted from the human body. doing. The object 400 is not limited to a human body, and the wavelength of infrared rays to be detected by the infrared sensor 100 is not particularly limited.

また、赤外線透過部材153は、メタルキャップ152における開口部152aの周部に導電性接着剤(例えば、鉛フリー半田、銀ペーストなど)からなる接合部158により固着されている。本実施形態では、接合部158の材料として導電性接着剤を採用することにより、赤外線透過部材153が、接合部158およびメタルキャップ152を介してパッケージ本体134の電磁シールド層144に電気的に接続されるので、電磁ノイズに対するシールド性を高めることができ、外来の電磁ノイズに起因したS/N比の低下を防止することができる。   Further, the infrared transmitting member 153 is fixed to the peripheral portion of the opening 152a in the metal cap 152 by a joint portion 158 made of a conductive adhesive (for example, lead-free solder, silver paste, etc.). In the present embodiment, by using a conductive adhesive as the material of the joint portion 158, the infrared transmitting member 153 is electrically connected to the electromagnetic shield layer 144 of the package body 134 via the joint portion 158 and the metal cap 152. Therefore, the shielding property against electromagnetic noise can be improved, and the S / N ratio can be prevented from being lowered due to external electromagnetic noise.

上述の赤外線透過部材153には、赤外線センサ100での検知対象の赤外線の波長を含む所望の波長域の赤外線を透過し当該波長域以外の赤外線を反射する光学多層膜(多層干渉フィルタ膜)からなるフィルタ部(図示せず)を設けることが好ましい。このようなフィルタ部を設けることにより、所望の波長域以外の不要な波長域の赤外線や可視光をフィルタ部によりカットすることが可能となり、太陽光などによるノイズの発生を抑制することができ、高感度化を図れる。   The infrared transmitting member 153 includes an optical multilayer film (multilayer interference filter film) that transmits infrared rays in a desired wavelength range including the wavelength of infrared rays to be detected by the infrared sensor 100 and reflects infrared rays outside the wavelength range. It is preferable to provide a filter part (not shown). By providing such a filter part, it becomes possible to cut infrared rays and visible light in an unnecessary wavelength range other than the desired wavelength range by the filter part, and it is possible to suppress the generation of noise due to sunlight, High sensitivity can be achieved.

また、本実施形態では、パッケージ本体134が平板状に形成されているので、パッケージ本体134への赤外線センサ100およびIC素子120の実装が容易になるとともに、パッケージ本体134の低コスト化が可能となる。また、パッケージ本体134が平板状に形成されているので、パッケージ本体134を、一面が開放された箱状の形状として、多層セラミック基板により構成し、パッケージ本体134の内底面に赤外線センサ100を実装する場合に比べて、パッケージ本体134の上記一表面側に配置される赤外線センサ100と赤外線透過部材153との間の距離の精度を高めることができ、より一層の高感度化を図れる。なお、以下では、パッケージ本体134において、赤外線センサ100を実装する領域を第1の領域140、IC素子120を実装する領域を第2の領域142と称する。   In this embodiment, since the package body 134 is formed in a flat plate shape, the infrared sensor 100 and the IC element 120 can be easily mounted on the package body 134, and the cost of the package body 134 can be reduced. Become. Further, since the package body 134 is formed in a flat plate shape, the package body 134 is formed of a multilayer ceramic substrate in a box shape with one surface open, and the infrared sensor 100 is mounted on the inner bottom surface of the package body 134. Compared with the case where it does, the precision of the distance between the infrared sensor 100 arrange | positioned at the said one surface side of the package main body 134 and the infrared rays transmissive member 153 can be improved, and much higher sensitivity can be achieved. In the following description, in the package body 134, a region where the infrared sensor 100 is mounted is referred to as a first region 140, and a region where the IC element 120 is mounted is referred to as a second region 142.

本実施形態の温度センサでは、パッケージ本体134において、第1の領域140に比べて、第2の領域142の厚みを薄くしてある。ここで、パッケージ本体134の第2の領域142は、基体134aの上記一表面に凹部134bを設けることにより、第1の領域140よりも厚みを薄くしてある。また、パッケージ本体134の第2の領域142では、電磁シールド層144が露出している。   In the temperature sensor of the present embodiment, the thickness of the second region 142 is made thinner in the package body 134 than in the first region 140. Here, the second region 142 of the package body 134 is made thinner than the first region 140 by providing a recess 134b on the one surface of the base body 134a. Further, the electromagnetic shield layer 144 is exposed in the second region 142 of the package body 134.

また、パッケージ本体134の第2の領域142では、金属材料(例えば、Cuなど)からなる複数のビア(サーマルビア)145が基体134aの厚み方向に貫設されており、各ビア145が電磁シールド層144と接して熱結合されている。   Further, in the second region 142 of the package body 134, a plurality of vias (thermal vias) 145 made of a metal material (for example, Cu) are provided in the thickness direction of the base body 134a, and each via 145 is an electromagnetic shield. It is thermally bonded in contact with layer 144.

ここで、IC素子120は、第2の領域142において電磁シールド層144に接合部118を介して実装されている。しかして、IC素子120で発生した熱を電磁シールド層144におけるIC素子120の直下の部位およびビア145を通してパッケージ133の外側へ効率良く放熱させることが可能となり、IC素子120の熱が赤外線センサ100に与える影響を低減することが可能となる。   Here, the IC element 120 is mounted on the electromagnetic shield layer 144 via the joint 118 in the second region 142. Accordingly, it is possible to efficiently dissipate heat generated in the IC element 120 to the outside of the package 133 through the portion immediately below the IC element 120 and the via 145 in the electromagnetic shield layer 144, and the heat of the IC element 120 is transferred to the infrared sensor 100. It is possible to reduce the influence on the image.

ところで、第1のパッドVout1〜Vout8の電位をVout、第2のパッドVsel1〜Vsel8の電位をVs、第3のパッドVchの電位をVwell、第4のパッドVrefinの電位をVref、感温部30の出力電圧をVoとすれば、IC素子120において赤外線センサ100を制御する制御回路126は、第2の配線102に接続されたa個(8個)のMOSトランジスタ4をオン状態とする際の第2のパッドVsel1〜Vsel8の電位VsをVon、第2の配線102に接続されたa個(8個)のMOSトランジスタ4をオフ状態とする際の第2のパッド102の電位VsをVoffとし、第2のパッドVsel1〜Vsel8の電位VsをVonとしたときに、VrefとVwellとの電位差に起因して第4のパッドVrefin−感温部30−ソース領域44−ウェル領域(チャネル形成用領域)41−第3のパッドVchを通る経路で流れるリーク電流が、A/D変換回路123における入力値(入力電圧)の分解能を感温部30の抵抗値と第1の増幅回路122aの増幅率との積により除した値以下となるように予め設定されたVwell、Vrefの条件で赤外線センサ100を制御する。   By the way, the potential of the first pads Vout1 to Vout8 is Vout, the potential of the second pads Vsel1 to Vsel8 is Vs, the potential of the third pad Vch is Vwell, the potential of the fourth pad Vrefin is Vref, and the temperature sensing unit 30. When the output voltage of V is V o, the control circuit 126 that controls the infrared sensor 100 in the IC element 120 is configured to turn on the a (eight) MOS transistors 4 connected to the second wiring 102. The potential Vs of the second pads Vsel1 to Vsel8 is Von, and the potential Vs of the second pad 102 when the a (eight) MOS transistors 4 connected to the second wiring 102 are turned off is Voff. When the potential Vs of the second pads Vsel1 to Vsel8 is Von, the fourth pad Vrefin−the temperature sensing portion 30−the source region 44−the well region (channel forming region) due to the potential difference between Vref and Vwell. 41) The third pack The leakage current flowing along the path passing through Vch is obtained by dividing the resolution of the input value (input voltage) in the A / D conversion circuit 123 by the product of the resistance value of the temperature sensing unit 30 and the amplification factor of the first amplifier circuit 122a. The infrared sensor 100 is controlled under the conditions of Vwell and Vref set in advance so as to be equal to or less than the values.

したがって、本実施形態の温度センサでは、例えば、制御回路126が、第4のパッドVrefinの電位Vrefを1.2V、第3のパッドVchの電位Vwellを1.2V、第2の配線102に接続されたa個(8個)のMOSトランジスタ4をオン状態とする際の第2のパッドVsel1〜Vsel8の電位VsであるVonを5Vとすれば、MOSトランジスタ4がオンとなり、第1のパッドVout1〜Vout8から画素部2の出力電圧(Vout=Vref+Vo)を読み出すことが可能となり、画素部2の出力電圧に、上述のリーク電流と感温部30の抵抗値との積により決まるオフセット電圧が生じるのを抑制することが可能となる。要するに、本実施形態の温度センサでは、オフセット電圧と第1の増幅回路122aの増幅率との積を、A/D変換回路123における入力値の分解能よりも小さくすることが可能となり、物体400の温度の検出精度を向上させることが可能となる。また、第2の配線102に接続されたa個(8個)のMOSトランジスタ4をオフ状態とする際の第2のパッドVsel1〜Vsel8の電位VsであるVoffを0Vとすれば、MOSトランジスタ4がオフとなり、第1のパッドVout1〜Vout8から画素部2の出力電圧は読み出されない。   Therefore, in the temperature sensor of this embodiment, for example, the control circuit 126 connects the potential Vref of the fourth pad Vrefin to 1.2 V, the potential Vwell of the third pad Vch to 1.2 V, and is connected to the second wiring 102. If Von, which is the potential Vs of the second pads Vsel1 to Vsel8 when the a (eight) MOS transistors 4 are turned on, is set to 5 V, the MOS transistor 4 is turned on and the first pad Vout1 The output voltage (Vout = Vref + Vo) of the pixel unit 2 can be read from ~ Vout8, and an offset voltage determined by the product of the leakage current and the resistance value of the temperature sensing unit 30 is generated in the output voltage of the pixel unit 2. Can be suppressed. In short, in the temperature sensor of this embodiment, the product of the offset voltage and the amplification factor of the first amplification circuit 122a can be made smaller than the resolution of the input value in the A / D conversion circuit 123, and the object 400 It becomes possible to improve the temperature detection accuracy. Further, if Voff which is the potential Vs of the second pads Vsel1 to Vsel8 when the a (eight) MOS transistors 4 connected to the second wiring 102 are turned off is set to 0 V, the MOS transistor 4 Is turned off, and the output voltage of the pixel portion 2 is not read from the first pads Vout1 to Vout8.

本実施形態の温度センサでは、制御回路126が、Vref=Vwellとすることが好ましく、これにより、上述のリーク電流を略ゼロとして、オフセット電圧を略ゼロとすることが可能となり、物体400の温度の検出精度を向上させることが可能となる。   In the temperature sensor of the present embodiment, it is preferable that the control circuit 126 sets Vref = Vwell, which makes it possible to make the above-described leakage current substantially zero and the offset voltage substantially zero, and the temperature of the object 400 Detection accuracy can be improved.

また、本実施形態の温度センサでは、MOSトランジスタ4がnMOSトランジスタの場合、チャネル形成用領域であるウェル領域41とソース領域44とで構成される第1の寄生ダイオードおよびウェル領域41とドレイン領域43とで構成される第2の寄生ダイオードのしきい値電圧をVtとすれば、制御回路126が、
−Vt<{Vwell−(Vref+Vo)}<Vt
の関係を満たすように設定されたVref、Vwellの条件で赤外線センサ100を制御すれば、第1の寄生ダイオードおよび第2の寄生ダイオードにリーク電流が流れるのを抑制することができ、S/N比の向上を図れる。すなわち、本実施形態の温度センサでは、MOSトランジスタ4がオンのときに、チャネル形成用領域であるウェル領域41を通るリーク電流が流れるのを抑制することができ、S/N比の向上を図れる。
In the temperature sensor of the present embodiment, when the MOS transistor 4 is an nMOS transistor, the first parasitic diode composed of the well region 41 and the source region 44, which are channel forming regions, and the well region 41 and the drain region 43. If the threshold voltage of the second parasitic diode composed of
−Vt <{Vwell− (Vref + Vo)} <Vt
If the infrared sensor 100 is controlled under the conditions of Vref and Vwell set so as to satisfy the relationship, leakage current can be suppressed from flowing through the first parasitic diode and the second parasitic diode. The ratio can be improved. That is, in the temperature sensor of this embodiment, when the MOS transistor 4 is on, it is possible to suppress the leakage current flowing through the well region 41 that is the channel formation region, and the S / N ratio can be improved. .

また、温度センサにおいて、MOSトランジスタ4がpMOSトランジスタの場合には、制御回路126が、
−Vt<{(Vref+Vo)−Vwell}<Vt
の関係を満たすように設定されたVref、Vwellの条件で赤外線センサ100を制御すれば、第1の寄生ダイオードおよび第2の寄生ダイオードにリーク電流が流れるのを抑制することができ、S/N比の向上を図れる。
In the temperature sensor, when the MOS transistor 4 is a pMOS transistor, the control circuit 126
−Vt <{(Vref + Vo) −Vwell} <Vt
If the infrared sensor 100 is controlled under the conditions of Vref and Vwell set so as to satisfy the relationship, leakage current can be suppressed from flowing through the first parasitic diode and the second parasitic diode. The ratio can be improved.

本実施形態では、半導体基板1として、第2導電形のシリコン基板を用いており、Vtが0.6V〜0.7V程度となる。なお、半導体基板1は、シリコン基板に限らず、例えば、ゲルマニウム基板を用いてもよく、この場合には、Vtが0.2V〜0.3V程度となる。   In the present embodiment, a silicon substrate of the second conductivity type is used as the semiconductor substrate 1, and Vt is about 0.6V to 0.7V. The semiconductor substrate 1 is not limited to a silicon substrate, and may be a germanium substrate, for example. In this case, Vt is about 0.2V to 0.3V.

また、本実施形態の温度センサは、各MOSトランジスタ4のゲート電極46・ソース電極48間に過電圧が印加されるのを防止するために各第2の配線102それぞれにカソード(カソード電極84a)が接続された複数のツェナダイオードZDを備えているので、各MOSトランジスタ4のゲート電極46・ソース電極48間に過電圧が印加されるのを防止することができ、ゲート絶縁膜45の絶縁破壊を防止することが可能となる。   In the temperature sensor of this embodiment, each second wiring 102 has a cathode (cathode electrode 84a) to prevent an overvoltage from being applied between the gate electrode 46 and the source electrode 48 of each MOS transistor 4. Since the plurality of Zener diodes ZD connected are provided, it is possible to prevent an overvoltage from being applied between the gate electrode 46 and the source electrode 48 of each MOS transistor 4 and to prevent dielectric breakdown of the gate insulating film 45. It becomes possible to do.

また、本実施形態の温度センサは、上述のツェナダイオードZDが、半導体基板1の上記一表面側に形成された第1導電形の第1拡散領域81内に第2導電形の第2拡散領域82が形成されたものであり、各ツェナダイオードZDの第1拡散領域81が共通接続された第5のパッドVzdを備え、第5のパッドVzdの電位をVhogoとするとき、制御回路126が、VhogoとVwellとを異ならせるので、MOSトランジスタ4のゲート絶縁膜45を保護しつつS/N比の向上を図れる。ここで、制御回路126は、例えば、上述のように、第3のパッドVchの電位Vwellを1.2Vとする場合、第5のパッドVzdの電位Vhogoを0Vとする。   In the temperature sensor of the present embodiment, the above-described Zener diode ZD is provided in the second diffusion region of the second conductivity type in the first diffusion region 81 of the first conductivity type formed on the one surface side of the semiconductor substrate 1. 82, and includes a fifth pad Vzd to which the first diffusion regions 81 of the respective Zener diodes ZD are commonly connected. When the potential of the fifth pad Vzd is Vhogo, the control circuit 126 Since Vhogo and Vwell are made different, the S / N ratio can be improved while protecting the gate insulating film 45 of the MOS transistor 4. Here, for example, as described above, when the potential Vwell of the third pad Vch is 1.2 V, the control circuit 126 sets the potential Vhogo of the fifth pad Vzd to 0 V.

また、温度センサは、赤外線センサ100において、半導体基板1が接続された基板バイアス用の第6のパッドVsuを備えており、第6のパッドVsuの電位をVsubとするとき、制御回路126が、Vwell=Vsubとする。すなわち、制御回路126は、例えば、上述のように、第3のパッドVchの電位Vwellを1.2Vとする場合、第6のパッドVsuの電位Vsubを1.2Vとする。なお、図3の等価回路図には、ウェル領域41と半導体基板1とで構成される第3の寄生ダイオードD3、第1拡散領域81と半導体基板1とで構成される第4の寄生ダイオードD4も記載してある。   Further, the temperature sensor includes a sixth substrate bias Vsu for substrate bias to which the semiconductor substrate 1 is connected in the infrared sensor 100. When the potential of the sixth pad Vsu is Vsub, the control circuit 126 Let Vwell = Vsub. That is, for example, as described above, when the potential Vwell of the third pad Vch is set to 1.2 V, the control circuit 126 sets the potential Vsub of the sixth pad Vsu to 1.2 V. In the equivalent circuit diagram of FIG. 3, a third parasitic diode D3 composed of the well region 41 and the semiconductor substrate 1 and a fourth parasitic diode D4 composed of the first diffusion region 81 and the semiconductor substrate 1 are shown. Is also described.

また、本実施形態の温度センサでは、半導体基板1の導電形が第2導電形であり、半導体基板1が接続された基板バイアス用の第6のパッドVsuを備え、第6のパッドVsuの電位をVsubとするとき、制御回路126が、第3のパッドVchの電位Vwellと第6のパッドVsuの電位Vsubとを等しくする、すなわち、Vwell=Vsubとするので、チャネル形成用領域であるウェル領域41と半導体基板1との電位差をなくすことが可能となり、ウェル領域41と半導体基板1とで構成される第3の寄生ダイオードD3(図3参照)にリーク電流が流れるのを抑制することが可能となる。この場合、赤外線センサ100において、第4のパッドVrefinと第3のパッドVchと第6のパッドVsuとを1個に共通化すれば、パッド数の低減を図れるとともに、制御回路126の回路構成の簡略化を図れる。   Further, in the temperature sensor of the present embodiment, the conductivity type of the semiconductor substrate 1 is the second conductivity type, and includes the sixth pad Vsu for substrate bias to which the semiconductor substrate 1 is connected, and the potential of the sixth pad Vsu. When Vsub is Vsub, the control circuit 126 makes the potential Vwell of the third pad Vch equal to the potential Vsub of the sixth pad Vsu, that is, Vwell = Vsub, so that the well region which is a channel formation region It is possible to eliminate a potential difference between the semiconductor substrate 1 and the semiconductor substrate 1, and to suppress a leakage current from flowing through the third parasitic diode D <b> 3 (see FIG. 3) composed of the well region 41 and the semiconductor substrate 1. It becomes. In this case, in the infrared sensor 100, if the fourth pad Vrefin, the third pad Vch, and the sixth pad Vsu are shared, the number of pads can be reduced and the circuit configuration of the control circuit 126 can be reduced. Simplification can be achieved.

また、本実施形態の温度センサは、半導体基板1の導電形が第2導電形であって、第1導電形がp形、第2導電形がn形であり、制御回路126が、Vhogo≦Voff、且つ、Vhogo≦Vsubとすることにより、ツェナダイオードZDのリーク電流を抑制することができる。   In the temperature sensor of the present embodiment, the conductivity type of the semiconductor substrate 1 is the second conductivity type, the first conductivity type is the p-type, the second conductivity type is the n-type, and the control circuit 126 has Vhogo ≦ By setting Voff and Vhogo ≦ Vsub, the leakage current of the Zener diode ZD can be suppressed.

また、本実施形態の温度センサについて、ここまでは、第1導電形がp形、第2導電形がn形である一例(この一例では、MOSトランジスタ4は、nMOSトランジスタである)について説明したが、第1導電形がn形、第2導電形がp形でもよく、この場合(この場合、MOSトランジスタ4は、pMOSトランジスタである)、制御回路126が、Vhogo≧Voff、且つ、Vhogo≦Vsubとすることにより、ツェナダイオードZDのリーク電流を抑制することができる。   In the temperature sensor of the present embodiment, the example in which the first conductivity type is the p-type and the second conductivity type is the n-type (in this example, the MOS transistor 4 is an nMOS transistor) has been described so far. However, the first conductivity type may be n-type and the second conductivity type may be p-type. In this case (in this case, the MOS transistor 4 is a pMOS transistor), the control circuit 126 has Vhogo ≧ Voff and Vhogo ≦ By setting Vsub, leakage current of the Zener diode ZD can be suppressed.

要するに、半導体基板1の導電形は、n形に限らず、例えば、図22〜図24に示すようにp形でもよい。図22は、p形の半導体基板1がチャネル形成用領域を構成し、ドレイン領域43およびソース領域44の導電形をn形(n)とする例である。また、図23は、p形の半導体基板1に形成したp形(p)のウェル領域41がチャネル形成用領域を構成し、ドレイン領域43およびソース領域44の導電形をn形(n)とする例である。また、図24は、p形の半導体基板1に形成したn形のウェル領域41がチャネル形成用領域を構成し、ドレイン領域43およびソース領域44の導電形をp形(p)とする例である。 In short, the conductivity type of the semiconductor substrate 1 is not limited to the n-type, and may be, for example, a p-type as shown in FIGS. FIG. 22 shows an example in which the p-type semiconductor substrate 1 forms a channel formation region, and the conductivity type of the drain region 43 and the source region 44 is n-type (n + ). In FIG. 23, a p-type (p + ) well region 41 formed in the p-type semiconductor substrate 1 constitutes a channel formation region, and the conductivity type of the drain region 43 and the source region 44 is n-type (n + ). FIG. 24 shows an example in which the n-type well region 41 formed in the p-type semiconductor substrate 1 constitutes a channel formation region, and the conductivity type of the drain region 43 and the source region 44 is p-type (p + ). It is.

以下、IC素子120の演算部124において物体400の温度を演算する演算式について説明する。   Hereinafter, a calculation formula for calculating the temperature of the object 400 in the calculation unit 124 of the IC element 120 will be described.

物体400から放射される電磁波(主に赤外線)のエネルギ密度は、ステファン−ボルツマンの法則によれば、電磁波のエネルギ密度をP0〔W/m2〕、物体400の放射率をε0、物体400の絶対温度をTo〔K〕、ステファン−ボルツマン定数をσ〔W/(m2・K4)〕とするとき、 According to the Stefan-Boltzmann law, the energy density of electromagnetic waves (mainly infrared rays) radiated from the object 400 is P 0 [W / m 2 ], the emissivity of the object 400 is ε 0 , When the absolute temperature of 400 is To [K] and the Stefan-Boltzmann constant is σ [W / (m 2 · K 4 )],

Figure 0005530274
で表される。
Figure 0005530274
It is represented by

しかしながら、物体400から放射された赤外線は、赤外線センサ100に到達するまでに大気中の水蒸気や二酸化炭素などによって吸収され減衰し、しかも、吸収率が波長により異なる。また、赤外線センサ100の前方に赤外線透過部材153が配置されているので、物体400から放射された赤外線は、赤外線透過部材153での反射や吸収などによっても減衰する。   However, infrared rays radiated from the object 400 are absorbed and attenuated by water vapor, carbon dioxide, etc. in the atmosphere before reaching the infrared sensor 100, and the absorptance varies depending on the wavelength. In addition, since the infrared transmitting member 153 is disposed in front of the infrared sensor 100, the infrared light emitted from the object 400 is attenuated by reflection or absorption by the infrared transmitting member 153.

したがって、物体400から放射される電磁波のエネルギ密度をステファン−ボルツマンの法則に従って表し、この電磁波のエネルギ密度を赤外線センサ100の吸収エネルギ密度と仮定した場合には、赤外線センサ100の吸収エネルギ密度の誤差が大きくなってしまう。   Therefore, when the energy density of the electromagnetic wave radiated from the object 400 is expressed according to the Stefan-Boltzmann law and the energy density of the electromagnetic wave is assumed to be the absorbed energy density of the infrared sensor 100, an error in the absorbed energy density of the infrared sensor 100 is assumed. Will become bigger.

そこで、本願発明者らは、赤外線センサ100の吸収エネルギ密度を導出するにあたって、まず、物体400から放射される電磁波のエネルギ密度について、プランクの放射則により表すことを考えた。   Therefore, the inventors of the present application first considered expressing the energy density of the electromagnetic wave radiated from the object 400 by Planck's radiation law when deriving the absorbed energy density of the infrared sensor 100.

物体400から放射される電磁波のエネルギ密度は、プランクの放射則によれば、電磁波のエネルギ密度をW(λ)〔W/m2〕、プランク定数をh〔J・s〕、光束をc〔m/s〕、波長をλ〔m〕、ボルツマン定数をk〔J/K〕、物体400の絶対温度をTo〔K〕、物体400の放射率をη0とするとき、 According to Planck's radiation law, the energy density of the electromagnetic wave radiated from the object 400 is W (λ) [W / m 2 ], the Planck's constant is h [J · s], and the luminous flux is c [ m / s], wavelength λ [m], Boltzmann constant k [J / K], object 400 absolute temperature To [K], and object 400 emissivity η 0 ,

Figure 0005530274
で表される。
Figure 0005530274
It is represented by

ここで、物体400から放射され赤外線センサ100に吸収される電磁波(主に赤外線)のエネルギ密度(吸収エネルギ密度)は、吸収エネルギ密度をP1〔W/m2〕、波長をλ〔m〕、赤外線センサ100の吸収率をε(λ)、大気の波長別の透過率をηair(λ)、赤外線透過部材153の波長別の透過率をηtra(λ)、赤外線透過部材153であるレンズの明るさをFとするとき、 Here, the energy density (absorption energy density) of electromagnetic waves (mainly infrared rays) radiated from the object 400 and absorbed by the infrared sensor 100 is P1 [W / m 2 ] for the absorption energy density, λ [m] for the wavelength, The infrared sensor 100 has an absorptivity of ε (λ), the atmospheric transmittance by η air (λ), the infrared transmissive member 153 by wavelength η tra (λ), and the infrared transmissive member 153 lens. When the brightness of F is F,

Figure 0005530274
で表される。
Figure 0005530274
It is represented by

一方、赤外線センサ100からは、赤外線センサ100の温度に応じた電磁波(主に、赤外線)が放射される。赤外線センサ100から放射される電磁波については、大気や赤外線透過部材153での吸収を考慮する必要がない。そこで、赤外線センサ100から放射される電磁波のエネルギ密度(放射エネルギ密度)については、ステファン−ボルツマンの法則により表すことを考えた。   On the other hand, electromagnetic waves (mainly infrared rays) corresponding to the temperature of the infrared sensor 100 are radiated from the infrared sensor 100. For electromagnetic waves radiated from the infrared sensor 100, it is not necessary to consider the absorption by the atmosphere or the infrared transmitting member 153. Therefore, the energy density (radiant energy density) of the electromagnetic wave radiated from the infrared sensor 100 is considered to be expressed by the Stefan-Boltzmann law.

赤外線センサ100の放射エネルギ密度は、ステファン−ボルツマンの法則によれば、放射エネルギ密度をP2〔W/m2〕、赤外線センサ100の放射率をεs、赤外線センサ100の温度をTs〔K〕、ステファン−ボルツマン定数をσ〔W/(m2・K4)〕とするとき、 According to the Stefan-Boltzmann law, the radiant energy density of the infrared sensor 100 is P2 [W / m 2 ], the emissivity of the infrared sensor 100 is ε s , and the temperature of the infrared sensor 100 is Ts [K]. When the Stefan-Boltzmann constant is σ [W / (m 2 · K 4 )],

Figure 0005530274
で表される。
Figure 0005530274
It is represented by

ここで、赤外線センサ100におけるエネルギ収支(吸収エネルギと放射エネルギとの差分)は、赤外線センサ100の吸収エネルギ密度と赤外線センサ100の放射エネルギ密度との差分に比例するので、赤外線センサ100におけるエネルギ収支をΔQ〔W〕、赤外線センサ100の面積をAse〔m2〕とすると、 Here, the energy balance (difference between absorbed energy and radiant energy) in the infrared sensor 100 is proportional to the difference between the absorbed energy density of the infrared sensor 100 and the radiant energy density of the infrared sensor 100. Is ΔQ [W] and the area of the infrared sensor 100 is Ase [m 2 ],

Figure 0005530274
で表される。なお、本実施形態における赤外線センサ100では、赤外線の吸収、赤外線の放射が、ほとんど、上述の半導体基板1の上記一表面側で平面視において空洞部11を覆う第1の薄膜構造部3aで行われるので、赤外線センサ100の面積Aseの値を、第1の薄膜構造部3aの面積の値とすればよい。また、赤外線センサ100の放射率εsについては、赤外線センサ100の第1の薄膜構造部3aに関してFT−IR(フーリエ変換赤外分光法)により測定した吸収率の値を用いればよい。
Figure 0005530274
It is represented by In the infrared sensor 100 according to the present embodiment, absorption of infrared rays and emission of infrared rays are mostly performed by the first thin film structure portion 3a that covers the cavity portion 11 in plan view on the one surface side of the semiconductor substrate 1 described above. Therefore, the value of the area Ase of the infrared sensor 100 may be set to the value of the area of the first thin film structure portion 3a. Moreover, what is necessary is just to use the value of the absorptivity measured by FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) regarding the 1st thin film structure part 3a of the infrared sensor 100 about the emissivity (epsilon) s of the infrared sensor 100. FIG.

そして、赤外線センサ100の出力電圧は、当該赤外線センサ100のエネルギ収支に比例するので、赤外線センサ100の出力電圧をVout〔V〕、比例係数をLとすると、   Since the output voltage of the infrared sensor 100 is proportional to the energy balance of the infrared sensor 100, if the output voltage of the infrared sensor 100 is Vout [V] and the proportionality coefficient is L,

Figure 0005530274
で表される。ここで、本願発明者らは、実験、シミュレーションなどを繰り返して行った結果、物体400の温度Toおよび赤外線センサ100の温度Tsが、253K(−20℃)〜373K(100℃)の範囲内であれば、上記(8)式を下記(9)式で示す2次方程式での近似により、99%以上の相関係数が得られるという知見を得た。
Figure 0005530274
It is represented by Here, as a result of repeating experiments and simulations, the inventors of the present application have found that the temperature To of the object 400 and the temperature Ts of the infrared sensor 100 are within a range of 253 K (−20 ° C.) to 373 K (100 ° C.). If it exists, the knowledge that 99% or more of a correlation coefficient is obtained by the approximation by the quadratic equation which shows the said (8) Formula by following (9) Formula was acquired.

Figure 0005530274
上記(9)式において、係数Cと係数Fとを合わせて係数Gとすれば、上記(9)式は、下記(10)式のように表すことができる。
Figure 0005530274
If the coefficient C and the coefficient F are combined into the coefficient G in the expression (9), the expression (9) can be expressed as the following expression (10).

Figure 0005530274
ここで、(10)式について、物体400の温度Toを未知数とすれば、解の公式により、物体400の温度Toは、下記(11)式のようになる。
Figure 0005530274
Here, regarding the equation (10), if the temperature To of the object 400 is an unknown, the temperature To of the object 400 is represented by the following equation (11) according to the formula of the solution.

Figure 0005530274
温度センサは、上述の演算部124において、(11)式の演算式を用いて物体400の温度Toを演算する。ここで、演算部124は、メモリ125に予め記憶された係数A,B,D,E,Gの値(データ)と、赤外線センサ100の出力電圧Voutおよびサーミスタ110により測定された赤外線センサ100の温度Tsとを利用して(11)式の演算を行う。なお、赤外線センサ100の出力電圧Voutは、第1の増幅回路122aにて増幅されA/D変換回路123にてディジタル値に変換されて演算部124に入力される。また、赤外線センサ100の温度Tsは、当該温度Tsに対応するサーミスタ110の出力電圧が第2の増幅回路122bにて増幅されA/D変換回路123にてディジタル値に変換されて演算部124に入力される。また、係数A,B,D,E,Gの一例を下記表1に示す。
Figure 0005530274
The temperature sensor calculates the temperature To of the object 400 using the calculation formula (11) in the calculation unit 124 described above. Here, the calculation unit 124 calculates the values (data) of the coefficients A, B, D, E, and G stored in advance in the memory 125, the output voltage Vout of the infrared sensor 100, and the infrared sensor 100 measured by the thermistor 110. The equation (11) is calculated using the temperature Ts. The output voltage Vout of the infrared sensor 100 is amplified by the first amplifier circuit 122a, converted to a digital value by the A / D conversion circuit 123, and input to the arithmetic unit 124. Further, the temperature Ts of the infrared sensor 100 is converted into a digital value by the A / D conversion circuit 123 after the output voltage of the thermistor 110 corresponding to the temperature Ts is amplified by the second amplifying circuit 122b, and is input to the arithmetic unit 124. Entered. Table 1 below shows examples of the coefficients A, B, D, E, and G.

Figure 0005530274
以上説明した本実施形態の温度センサは、物体400から放射された赤外線による熱エネルギを電気エネルギに変換するサーモパイル30aにより構成される感温部(熱電変換部)30を有する赤外線センサ100と、赤外線センサ100の出力電圧Voutに基づいて物体400の温度Toを演算する演算部124とを備え、演算部124は、赤外線センサ100の出力電圧Voutが、プランクの放射則に従って表され物体400の温度Toに依存する赤外線センサ100の吸収エネルギ密度と、ステファン−ボルツマンの法則に従って表され赤外線センサ100の温度Tsに依存する赤外線センサ100の放射エネルギ密度との差分に比例すると仮定して求められた演算式を用いて物体400の温度Toを演算するので、物体400の温度Toの検出精度を向上させることが可能となる。
Figure 0005530274
The temperature sensor according to the present embodiment described above includes an infrared sensor 100 having a temperature sensing unit (thermoelectric conversion unit) 30 including a thermopile 30a that converts thermal energy generated by infrared rays emitted from an object 400 into electrical energy, and infrared rays. A calculation unit 124 that calculates the temperature To of the object 400 based on the output voltage Vout of the sensor 100. The calculation unit 124 represents the output voltage Vout of the infrared sensor 100 according to Planck's radiation law, and the temperature To of the object 400. Calculated based on the assumption that the absorbed energy density of the infrared sensor 100 depending on the difference between the absorbed energy density of the infrared sensor 100 and the radiant energy density of the infrared sensor 100 depending on the temperature Ts of the infrared sensor 100 expressed in accordance with the Stefan-Boltzmann law. Is used to calculate the temperature To of the object 400, so that the temperature To of the object 400 is detected. It is possible to improve the degree.

また、本実施形態の温度センサは、赤外線センサ100の温度を測定するサーミスタ110を備え、演算式として上記(11)式を用いるので、物体400の温度Toを、容易に且つ高精度に検出することが可能となる。すなわち、物体400の温度Toの検出精度の低下を抑制しつつ演算部124での演算時間を短縮することが可能となる。   In addition, the temperature sensor of the present embodiment includes the thermistor 110 that measures the temperature of the infrared sensor 100, and uses the above equation (11) as an arithmetic expression, so that the temperature To of the object 400 can be detected easily and with high accuracy. It becomes possible. That is, it is possible to reduce the calculation time in the calculation unit 124 while suppressing a decrease in the detection accuracy of the temperature To of the object 400.

ところで、上記(11)式で示した演算式の導出にあたっては、上記(5)式を利用しているが、赤外線透過部材153がレンズではなく平板状の形状の場合には、赤外線センサ100に吸収される電磁波(主に赤外線)のエネルギ密度P1〔W/m2〕は、下記(12)式で表され、係数A,B,D,E,Gの値は上記表1の値とは異なった値となる。 By the way, in deriving the arithmetic expression shown in the above equation (11), the above equation (5) is used. However, when the infrared transmitting member 153 is not a lens but a flat plate shape, The energy density P1 [W / m 2 ] of the absorbed electromagnetic wave (mainly infrared) is expressed by the following equation (12), and the values of the coefficients A, B, D, E, and G are the values in Table 1 above. Different values.

Figure 0005530274
また、赤外線透過部材153が無い場合には、赤外線センサ100に吸収される電磁波(主に赤外線)のエネルギ密度P1〔W/m2〕は、下記(13)式で表され、係数A,B,D,E,Gの値は上記表1の値とは異なった値となる。
Figure 0005530274
In the absence of the infrared transmitting member 153, the energy density P1 [W / m 2 ] of electromagnetic waves (mainly infrared rays) absorbed by the infrared sensor 100 is expressed by the following equation (13), and coefficients A and B , D, E, and G are different from the values in Table 1 above.

Figure 0005530274
また、本実施形態の温度センサにおいて、赤外線センサ100は、図17に示すように、物体400の温度の上昇に伴い出力電圧Voutが低下する負特性を有することが好ましい。赤外線センサ100は、MOSトランジスタ4がオンのときに感温部30において第1の配線101に電気的に接続される熱電要素をn形ポリシリコン層34とし、第4の配線104に電気的に接続される熱電要素をp形ポリシリコン層35とすることにより、図17に示すような負特性を有することとなる。
Figure 0005530274
In the temperature sensor of the present embodiment, the infrared sensor 100 preferably has a negative characteristic in which the output voltage Vout decreases as the temperature of the object 400 increases, as shown in FIG. The infrared sensor 100 uses the n-type polysilicon layer 34 as a thermoelectric element electrically connected to the first wiring 101 in the temperature sensing unit 30 when the MOS transistor 4 is turned on, and electrically connects the fourth wiring 104 to the fourth wiring 104. By using the p-type polysilicon layer 35 as the thermoelectric element to be connected, negative characteristics as shown in FIG. 17 are obtained.

本実施形態の温度センサでは、赤外線センサ100が図17に示すような負特性を有していることにより、物体400の温度Toが高くなるほど出力電圧Voutが低くなり、逆に、物体400の温度Toが低くなるほど出力電圧Voutが高くなるが、図17の負特性は、上に凸の二次方程式で表される。言い換えれば、図17の負特性は、上記(10)式で近似した場合、係数Aがマイナスの値となる(表1参照)。本実施形態の温度センサでは、赤外線センサ100が図17に示すような負特性を有していることにより、出力電圧Voutの最大値が上記(10)式の二次方程式で表される二次曲線の頂点の値となるので、赤外線センサ100の出力電圧Voutのダイナミックレンジを決めることができ、A/D変換回路123の入力範囲および分解能を適切に決めることが可能となる。例えば、第1の増幅回路122aで増幅されA/D変換回路123に入力される電圧の範囲が0〜1Vであるとし、必要な分解能が1mVであれば、分解能を10ビットとして、1024分割すればよい。   In the temperature sensor of this embodiment, since the infrared sensor 100 has a negative characteristic as shown in FIG. 17, the output voltage Vout decreases as the temperature To of the object 400 increases. The output voltage Vout increases as To decreases, but the negative characteristic of FIG. 17 is expressed by an upward convex quadratic equation. In other words, when the negative characteristic of FIG. 17 is approximated by the above equation (10), the coefficient A becomes a negative value (see Table 1). In the temperature sensor of this embodiment, since the infrared sensor 100 has a negative characteristic as shown in FIG. 17, the maximum value of the output voltage Vout is a secondary expressed by the quadratic equation (10). Since it becomes the value of the apex of the curve, the dynamic range of the output voltage Vout of the infrared sensor 100 can be determined, and the input range and resolution of the A / D conversion circuit 123 can be determined appropriately. For example, if the voltage range that is amplified by the first amplifier circuit 122a and input to the A / D converter circuit 123 is 0 to 1 V, and the required resolution is 1 mV, the resolution is 10 bits, and 1024 divisions are made. That's fine.

また、本実施形態の温度センサは、赤外線センサ100が、熱電変換部である感温部30を有する複数の画素部2が半導体基板1の上記一表面側においてアレイ状(ここでは、二次元アレイ状)に配置されたものなので、物体400の高精度な温度分布測定が可能となる。
また、本実施形態の温度センサは、上述の演算式の係数A,B,D,E,Gを記憶する記憶部としてのメモリ125を有しているが、赤外線センサ100として複数の画素部2が半導体基板1の一表面側においてアレイ状に配置されたものなので、メモリ125においては、係数A,B,D,E,Gが、赤外線センサ100の各画素部2ごとに対応付けて記憶されていることが好ましい。言い換えれば、予め赤外線センサ100の各画素部2ごとに独立して係数A,B,D,E,Gを求めてメモリ125に記憶させておき、演算部124にて画素部2ごとに物体400の温度Toを演算する際に、各画素部2ごとに対応付けられた係数A,B,D,E,Gを読み出して演算を行うことによって、より高精度な温度分布測定が可能となる。
In the temperature sensor of the present embodiment, the infrared sensor 100 includes a plurality of pixel units 2 each having a temperature sensing unit 30 that is a thermoelectric conversion unit on the one surface side of the semiconductor substrate 1 (here, a two-dimensional array). The temperature distribution of the object 400 can be measured with high accuracy.
In addition, the temperature sensor of the present embodiment includes a memory 125 as a storage unit that stores the coefficients A, B, D, E, and G of the above-described arithmetic expression. Are arranged in an array on one surface side of the semiconductor substrate 1, the coefficients A, B, D, E, and G are stored in association with each pixel unit 2 of the infrared sensor 100 in the memory 125. It is preferable. In other words, the coefficients A, B, D, E, and G are independently obtained for each pixel unit 2 of the infrared sensor 100 and stored in the memory 125 in advance, and the object 400 is stored for each pixel unit 2 in the calculation unit 124. When calculating the temperature To, the coefficients A, B, D, E, and G associated with each pixel unit 2 are read and calculated, so that temperature distribution can be measured with higher accuracy.

ところで、感温部30において直列に接続されている熱電対の数をn、サーモパイル30aの熱電要素であるn形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35のゼーベック係数をSc〔V/K〕、赤外線センサ100が赤外線を吸収したことによる赤外線センサ100の温度変化をΔTs〔K〕とすれば、赤外線センサ100の出力電圧Voutは、下記(14)式でも表すことができる。   By the way, the number of thermocouples connected in series in the temperature sensing unit 30 is n, and the Seebeck coefficients of the n-type polysilicon layer 34 and the p-type polysilicon layer 35 which are thermoelectric elements of the thermopile 30a are Sc [V / K]. If the temperature change of the infrared sensor 100 due to the absorption of infrared rays by the infrared sensor 100 is ΔTs [K], the output voltage Vout of the infrared sensor 100 can also be expressed by the following equation (14).

Figure 0005530274
上記(14)式において、n、Scは赤外線センサ100の各画素部2で同じであるが、ΔTsは赤外線センサ100の画素部2によって異なる可能性がある。ここで、赤外線センサ100の感度係数S〔V/K〕を画素部2ごとにあらかじめ求めて、赤外線センサ100の出力電圧Voutを下記(15)式で近似するようにしてもよい。
Figure 0005530274
In the above equation (14), n and Sc are the same in each pixel unit 2 of the infrared sensor 100, but ΔTs may be different depending on the pixel unit 2 of the infrared sensor 100. Here, the sensitivity coefficient S [V / K] of the infrared sensor 100 may be obtained for each pixel unit 2 in advance, and the output voltage Vout of the infrared sensor 100 may be approximated by the following equation (15).

Figure 0005530274
なお、感度係数Sは、例えば、物体400の温度が298K(25℃)、328K(55℃)それぞれの場合の赤外線センサ100の出力電圧Voutを測定して、出力電圧Voutの変化量を温度の変化量で除することにより求めればよい。
Figure 0005530274
For example, the sensitivity coefficient S is obtained by measuring the output voltage Vout of the infrared sensor 100 when the temperature of the object 400 is 298K (25 ° C.) and 328K (55 ° C.), respectively. It may be obtained by dividing by the amount of change.

赤外線センサ100の出力電圧Voutを上記(15)式で近似する場合には、メモリ125に、演算式で用いる係数として、係数Sを各画素部2ごとに個別に設定された1つの個別係数として記憶させ、係数a,b,d,e,gを、各画素部2に共通に設定された複数の共通係数として記憶させることが好ましい。これにより、メモリ125の記憶容量を低減させることができ、低コストおよび小型化を図ることが可能となる。メモリ125の記憶容量を減らさない場合には、各係数S,a,b,d,e,gのビット数を増やすことによって、より高精度な演算が可能となる。なお、個別係数および共通係数それぞれの数は特に限定するものではなく、適宜変更してもよい。   When the output voltage Vout of the infrared sensor 100 is approximated by the above expression (15), the coefficient S is set as one individual coefficient individually set for each pixel unit 2 in the memory 125 as a coefficient used in the arithmetic expression. It is preferable to store the coefficients a, b, d, e, and g as a plurality of common coefficients set in common in each pixel unit 2. As a result, the storage capacity of the memory 125 can be reduced, and the cost and size can be reduced. In the case where the storage capacity of the memory 125 is not reduced, more accurate calculation can be performed by increasing the number of bits of each coefficient S, a, b, d, e, g. The numbers of individual coefficients and common coefficients are not particularly limited, and may be changed as appropriate.

ところで、上述の温度センサは、赤外線センサ100の温度を測定するサーミスタ110を備えている例について説明したが、これに限らず、赤外線センサ100の温度を一定温度に保つペルチェ素子を備えている場合には、当該ペルチェ素子により赤外線センサ100の温度を一定温度に保つことができるので、サーミスタ110を設ける必要はなく、赤外線センサ100の出力電圧Voutを下記(16)式により近似することにより、物体400の温度Toが、253K(−20℃)〜373K(100℃)の範囲内であれば、99%以上の相関係数が得られるので、この場合の演算式としては、下記(17)式を用いればよい。   By the way, although the above-mentioned temperature sensor demonstrated the example provided with the thermistor 110 which measures the temperature of the infrared sensor 100, not only this but the case where it has the Peltier device which maintains the temperature of the infrared sensor 100 at fixed temperature Since the temperature of the infrared sensor 100 can be kept constant by the Peltier element, it is not necessary to provide the thermistor 110. By approximating the output voltage Vout of the infrared sensor 100 by the following equation (16), the object If the temperature To of 400 is in the range of 253 K (−20 ° C.) to 373 K (100 ° C.), a correlation coefficient of 99% or more can be obtained. May be used.

Figure 0005530274
Figure 0005530274

Figure 0005530274
この場合の温度センサも、物体400から放射された赤外線による熱エネルギを電気エネルギに変換するサーモパイル30aにより構成される感温部(熱電変換部)30を有する赤外線センサ100と、赤外線センサ100の出力電圧Voutに基づいて物体400の温度Toを演算する演算部124とを備え、演算部124は、赤外線センサ100の出力電圧Voutが、プランクの放射則に従って表され物体400の温度Toに依存する赤外線センサ100の吸収エネルギ密度と、ステファン−ボルツマンの法則に従って表され赤外線センサ100の温度Tsに依存する赤外線センサ100の放射エネルギ密度との差分に比例すると仮定して求められた演算式を用いて物体400の温度Toを演算するので、物体400の温度Toの検出精度を向上させることが可能となる。
Figure 0005530274
The temperature sensor in this case also includes an infrared sensor 100 having a temperature sensing part (thermoelectric conversion part) 30 constituted by a thermopile 30a that converts thermal energy generated by infrared rays radiated from the object 400 into electrical energy, and an output of the infrared sensor 100. A calculation unit 124 that calculates the temperature To of the object 400 based on the voltage Vout. The calculation unit 124 is an infrared ray in which the output voltage Vout of the infrared sensor 100 is expressed according to Planck's radiation law and depends on the temperature To of the object 400. Using an arithmetic expression obtained on the assumption that the absorbed energy density of the sensor 100 is proportional to the difference between the radiant energy density of the infrared sensor 100 expressed in accordance with the Stefan-Boltzmann law and depending on the temperature Ts of the infrared sensor 100 Since the temperature To of 400 is calculated, the detection accuracy of the temperature To of the object 400 is improved. It becomes possible.

上述の赤外線センサ100において、半導体基板1の空洞部11は、半導体基板1の厚み方向に貫通する形で形成してもよく、この場合は、空洞部11を形成する空洞部形成工程において、半導体基板1の上記一表面とは反対の他表面側から、半導体基板1における空洞部11の形成予定領域を、例えば誘導結合プラズマ(ICP)型のドライエッチング装置を用いた異方性エッチング技術を利用して形成すればよい。また、赤外線センサ100は、熱電変換部である感温部30を具備する複数の画素部2が半導体基板1の一表面側においてアレイ状に配置されたものに限らず、感温部30が1つだけのものでもよく、この場合は、MOSトランジスタ4を設ける必要はない。また、感温部30を構成するサーモパイル30aの数も複数に限らず、1つでもよい。また、赤外線センサ100は、半導体基板1を用いて形成したものに限らず、他の基板を用いて形成されたものでもよい。   In the infrared sensor 100 described above, the cavity 11 of the semiconductor substrate 1 may be formed so as to penetrate in the thickness direction of the semiconductor substrate 1. In this case, in the cavity forming process for forming the cavity 11, the semiconductor An anisotropic etching technique using, for example, an inductively coupled plasma (ICP) type dry etching apparatus is used to form a region where the cavity 11 is to be formed in the semiconductor substrate 1 from the other surface side opposite to the one surface of the substrate 1. To be formed. In addition, the infrared sensor 100 is not limited to one in which the plurality of pixel units 2 including the temperature sensing unit 30 that is a thermoelectric conversion unit are arranged in an array on the one surface side of the semiconductor substrate 1, and the temperature sensing unit 30 is 1 In this case, it is not necessary to provide the MOS transistor 4. Moreover, the number of thermopile 30a which comprises the temperature sensing part 30 is not restricted to plural, One may be sufficient. In addition, the infrared sensor 100 is not limited to the one formed using the semiconductor substrate 1 but may be formed using another substrate.

1 半導体基板
2 画素部
30 感温部(熱電変換部)
30a サーモパイル
100 赤外線センサ
110 サーミスタ
124 演算部
125 メモリ(記憶部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Pixel part 30 Temperature sensing part (thermoelectric conversion part)
30a Thermopile 100 Infrared sensor 110 Thermistor 124 Calculation unit 125 Memory (storage unit)

Claims (6)

ーモパイルにより構成される熱電変換部を有する赤外線センサと、前記赤外線センサの出力電圧に基づいて前記物体の温度を演算する演算部と、演算式の係数を記憶する記憶部を備え、前記演算部は、前記赤外線センサの出力電圧が、プランクの放射則に従って表され前記物体の温度に依存する前記赤外線センサの吸収エネルギ密度と、ステファン−ボルツマンの法則に従って表され前記赤外線センサの温度に依存する前記赤外線センサの放射エネルギ密度との差分に比例すると仮定して求められた前記演算式を用いて前記物体の温度を演算し、前記赤外線センサは、前記熱電変換部を有する複数の画素部が配置されており、前記記憶部は、前記係数として、前記各画素部ごとに個別に設定された1つの個別係数と、前記各画素部に共通に設定された複数の共通係数とを記憶していることを特徴とする温度センサ。 Comprising an infrared sensor having a thermoelectric conversion unit constituted by Sa Mopairu, a calculator for calculating the temperature of the object based on the output voltage of the infrared sensor, a storage unit for storing the coefficients of the arithmetic expression, the arithmetic unit The output voltage of the infrared sensor is expressed in accordance with Planck's radiation law and depends on the temperature of the object, and the absorbed energy density of the infrared sensor is expressed in accordance with the Stefan-Boltzmann law and depends on the temperature of the infrared sensor. using said Starring formula obtained by assuming that proportional to the difference of the radiation energy density of the infrared sensor and computation of temperature of the object, the infrared sensor has a plurality of pixel portions arranged with the thermoelectric conversion unit The storage unit is commonly used for each pixel unit and one individual coefficient individually set for each pixel unit as the coefficient. Temperature sensor characterized in that it stores a constant to a plurality of common coefficients. 前記赤外線センサの温度を測定するサーミスタを備え、前記物体の温度をTo〔K〕、前記赤外線センサの出力電圧をVout〔V〕、前記赤外線センサの温度をTs〔K〕とするとき、前記演算式は、
Figure 0005530274
で表されることを特徴とする請求項1記載の温度センサ。
A thermistor for measuring the temperature of the infrared sensor, the temperature of the object is To [K], the output voltage of the infrared sensor is Vout [V], and the temperature of the infrared sensor is Ts [K]. ceremony,
Figure 0005530274
The temperature sensor according to claim 1, represented by:
前記赤外線センサの温度を一定温度に保つペルチェ素子を備え、前記物体の温度をTo〔K〕、前記赤外線センサの出力電圧をVout〔V〕とするとき、前記演算式は、
Figure 0005530274
で表されることを特徴とする請求項1記載の温度センサ。
Provided with a Peltier element that keeps the temperature of the infrared sensor at a constant temperature, when the temperature of the object is To [K] and the output voltage of the infrared sensor is Vout [V], the arithmetic expression is
Figure 0005530274
The temperature sensor according to claim 1, represented by:
前記赤外線センサは、前記物体の温度の上昇に伴い出力電圧が低下する負特性を有することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の温度センサ。   The temperature sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the infrared sensor has a negative characteristic in which an output voltage decreases as the temperature of the object increases. 前記赤外線センサは、前記熱電変換部を有する複数の画素部が半導体基板の一表面側においてアレイ状に配置されたものであることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の温度センサ。   5. The infrared sensor according to claim 1, wherein a plurality of pixel portions having the thermoelectric conversion portion are arranged in an array on one surface side of a semiconductor substrate. The temperature sensor described. 前記演算式の係数を記憶する記憶部を有し、前記赤外線センサが、前記熱電変換部を有する複数の画素部が半導体基板の一表面側においてアレイ状に配置されたものであり、前記記憶部は、前記係数が、前記赤外線センサの前記各画素部ごとに対応付けて記憶されてなることを特徴とする請求項2または請求項3記載の温度センサ A storage unit configured to store a coefficient of the arithmetic expression; and the infrared sensor includes a plurality of pixel units including the thermoelectric conversion unit arranged in an array on one surface side of the semiconductor substrate, and the storage unit The temperature sensor according to claim 2 or 3, wherein the coefficient is stored in association with each pixel portion of the infrared sensor .
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