JP5540406B2 - 赤外線センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、サーモパイル素子を利用した赤外線センサ装置に関するものである。

サーモパイル素子は、非接触で個々の物体から放射される赤外線を受け、そのエネルギーに応じた熱起電力を発生する赤外線センサ装置に用いられる。従来技術には、サーモパイル単素子と増幅器（アンプ：ＡＭＰ）とを１つのチップに搭載した赤外線センサ装置がある（特許文献１）。また、サーモパイル素子をアレイ状に配列した基本構造にアンプ（ＡＭＰ）が形成された別のチップを付加した赤外線センサ装置も知られている（特許文献２）。
これら従来技術には、二次元に配列したエリア型のサーモパイルセンサにおいては、アンプをエリアセンサと同一チップ上に形成するものはない。

これら従来技術に基づいて、１チップ化した赤外線センサ装置を作ろうとすると、図５に示すエリアセンサ装置が得られる。図５において、基板１００には、サーモパイル素子を複数個アレイ状に配列されたサーモパイルエリアセンサ部１０１が形成され、さらに、エリアセンサ部１０１に隣接したアンプ（ＡＭＰ）部１０２が設けられている。このような構成の赤外線センサ装置は、装置の動作に伴ってアンプ部に熱が発生する。この発生する熱は、アンプ部の近くに位置するサーモパイル素子の冷接点部ほどこの発生する熱の影響を受け、エリア全体として不均一に熱影響を与えていた。このような事情により、アンプとエリアセンサとを同一のチップ上に形成した装置の場合は高精度な温度測定ができない。

特許文献１には環境温度の変化により検出素子内で温度勾配が生じても、赤外線受光素子の温度を正確に検出することにより、対象物の温度をより正確に検出可能とした輻射温度検出素子が開示されている。赤外線受光素子と同一の半導体チップ上に、該半導体チップのデザインルールの最小単位で受光素子に隣接する温度センサを有する。赤外線受光素子は、受光赤外線エネルギーに対してリニアな電圧を出力可能なサーモパイル素子よりなり、温度センサも、温度に対してリニア若しくはほぼリニアな電圧を出力するものを使用する。また、赤外線受光素子の出力を増幅する直流アンプを同一の半導体チップ上に有する。

また、特許文献２にはマトリクス状の赤外線検出素子を用いて居住空間の温度分布を検出し迅速かつ高精度、省スペース、低コストで移動人体、静止人体検出を可能とした人体検知装置と、空調時の快適性を向上すると共に省エネルギーを実現する空気調和装置が開示されている。居住空間を複数領域に分けて各領域の温度を検出するマトリクス状に配置された複数のサーモパイル素子が一体に形成されたサーモパイルユニットを設け、マトリクス配設された検出素子の最上行は少なくとも水平面を含む領域を含んだ温度分布検出結果に基づいて居住空間に存在する人体存在の有無等を認識し、この認識結果と居住空間の温度分布により空気調和装置の制御量を決定する。
特開２００１−９１３６０号公報 特開２００１−３０４６５５号公報

本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであり、一体型チップ内でアンプ部等の発熱による熱分布（熱の不均一）が発生しないようにした赤外線センサ装置を提供する。

本発明の赤外線センサ装置の一態様は、半導体チップと、前記半導体チップの中央部分に形成され、アレイ状に配列された複数のサーモパイル素子からなるサーモパイルアレイ（サーモパイル型エリアセンサ）と、前記半導体チップに形成され、前記サーモパイルアレイの出力を増幅するアンプと、前記半導体チップ内に形成され、連続した形状であり前記サーモパイルアレイの周辺部の全周に沿って多重に配置形成された高熱伝導性金属膜とを具備したことを特徴としている。前記高熱伝導性金属膜は、アルミニウムからなるようにしても良い。前記アンプは、複数個に分割形成され、前記分割されたアンプは、前記半導体チップの周辺部に、前記高熱伝導性金属膜を囲むように配置されているようにしても良い。

本発明は、半導体チップ内のアンプ部の発熱による熱分布（熱の不均一）が発生したとしても、高熱伝導性金属膜によって熱が拡散して行き、半導体チップ内は均一な温度分布になる。これにより、サーモパイルアレイ（サーモパイル型エリアセンサ）部とその出力を増幅するアンプとを同一半導体チップに形成した赤外線センサ装置において、高精度な温度測定が可能となる。

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。
本発明は、一体型半導体チップ内でアンプ部の発熱による熱分布が発生しないように、熱伝導性の良い金属膜を半導体チップ全体に張り巡らせる赤外線センサ装置を特徴としている。この高熱伝導性金属膜によって熱が拡散して行き、半導体チップ内は均一な温度になる。よって、エリアセンサ部とアンプ部とを特別な分離をしなくても、サーモパイル素子の冷接点部の温度に不均一が発生しないために高精度な温度測定が可能になる。

まず、図１及び図２を参照して実施例１を説明する。
図１は、この実施例の赤外線センサ装置が形成された半導体チップの平面図、図２は、赤外線センサ装置を構成するサーモパイル型エリアセンサを構成するサーモパイル素子を形成した半導体チップの平面図及び断面図である。サーモパイル型エリアセンサは、サーモパイル素子をアレイ状に形成配置したものである。
サーモパイルは、非接触で個々の物体から放射される赤外線を受けると、そのエネルギーに応じた熱起電力を発生する赤外線センサであり、そのエネルギー絶対量（温度）が検出可能である。
次に、図２を参照して、サーモパイル型エリアセンサを構成するサーモパイル素子の一例を説明する。この実施例では既存のどのようなサーモパイル素子でも用いることができる。サーモパイル素子を構成する熱電対は、温度計の１種であり、異なる２種類の導電材料の細線の両端を接合し、２つの接合点の温度差により発生する電位差を測定することにより温度を測定する装置である。

基板１上に、異種の導電材料からなる熱電対７が複数個直列に接続した構造のサーモパイル６を設ける。熱電対７の温接点部５は基板１中心付近に、冷接点部４は基板１周辺部になるように配置する。サーモパイル６の上は黒体用絶縁膜８で覆われている。この黒体用絶縁膜８上には、サーモパイル６の温接点部５上で、且つ冷接点部４上にかからないように黒体（熱吸収膜）９が配設される。基板上には、図示しないが基準温度、即ち冷接点部４の温度を測定するための温度検出素子である薄膜サーミスタが設置されている。
測定物から赤外線の入射があると、黒体９がこの赤外線を吸収し、サーモパイル６の温接点部５の温度が上昇し、温接点部５と冷接点部４との間に温度差を生じ、これによって熱電対７にそれぞれ熱起電力が生じる。サーモパイル６には、これらの熱電対７の熱起電力が足し合わされ、サーモパイル引き出し電極２から出力を取り出すことができる。この場合、基準温度となる冷接点部４の温度を薄膜サーミスタを用いて測定することによって、測定物の赤外線量を正確に測定でき、したがって測定物の温度を測定することができる。

赤外線センサ装置を構成するサーモパイル型エリアセンサは、以上のように説明したサーモパイル素子を複数個、例えば、３×３個あるいは８×８個などアレイ状に配置してなるものである。
図１に示すように、複数のサーモパイル素子で構成されたサーモパイル型エリアセンサ部（以下、エリアセンサ部という）１２が、例えば、シリコンなどの半導体基板１０（以下、半導体チップという）に形成されている。エリアセンサ部１２は、半導体チップ１０のほぼ中央部分に形成されている。半導体チップ１０の周辺部には、内部の集積回路に接続された接続電極（以下、パッドという）１４が形成されている。パッド１４は、例えば、アルミニウム層を用いる。半導体チップ１０には、さらに、周辺部にアンプ部１３が形成されている。また、半導体チップ１０は、エリアセンサ部１２の外周に形成され、アンプ部１３とエリアセンサ部１２との間に配置された３重のリング状の高熱伝導性金属層１１を有している。金属層の材料としてはアルミニウムや銅などがある。
アンプ部１３は、エリアセンサ部１２のエリアセンサからの電圧を高精度に直流増幅するアンプであり、エリアセンサ部１２に近接して設けられている。

高熱伝導性金属層１１を形成する工程は、半導体装置の製造方法の通常の工程を利用する。例えば、アンプなどを構成するトランジスタに繋がる配線を形成する時に、同時に高熱伝導性金属層１１を形成する。また、図１の半導体チップに表示されているパッド１４を形成する時にパッド材料をパターニングして形成しても良い。
この実施例では、以上のような構成により、アンプ部の発熱による熱分布が、例え、発生したとしても、熱伝導性の良い銅やアルミニウムなどの高熱伝導性金属層の存在によって熱が拡散して行き、半導体チップの内部は均一な温度分布になる。その結果、アンプとエリアセンサとを同一のチップに形成しても、高精度な温度測定が可能となる。

まず、図３を参照して実施例２を説明する。
図３は、この実施例の赤外線センサ装置が形成された半導体チップの平面図である。赤外線センサ装置を構成するサーモパイル型エリアセンサは、例えば、実施例１において説明したサーモパイル素子を複数個、例えば、３×３個あるいは８×８個などアレイ状に配置してなるものである。エリアセンサ部２２は、半導体チップ２０のほぼ中央部分に形成されている。半導体チップ２０の周辺部には、内部の集積回路に接続されたパッド２４が形成されている。パッド２４は、例えば、アルミニウム層を用いる。半導体チップ２０には、さらに、周辺部にアンプ部２３、２３１、２３２、２３３が各辺に沿って形成されている。また、半導体チップ２０は、エリアセンサ部２２の外周に形成され、アンプ部２３、２３１、２３２、２３３とエリアセンサ部２２との間の各辺に沿って配置された４つの高熱伝導性金属層２１、２１１、２１２、２１３を有している。金属層の材料としてはアルミニウムや銅などがある。

アンプ部２３、２３１、２３２、２３３は、エリアセンサ部２２のエリアセンサからの電圧を高精度に直流増幅するアンプであり、エリアセンサ部２２に近接して設けられている。
高熱伝導性金属層２１、２１１、２１２、２１３を形成する工程は、半導体装置の製造方法の通常の工程を利用する。例えば、アンプなどを構成するトランジスタに繋がる配線を形成する時に、同時に高熱伝導性金属層を形成する。また、図３の半導体チップに表示されているパッド２４を形成する時にパッド材料をパターニングして形成しても良い。
この実施例では、以上のような構成により、アンプ部の発熱による熱分布が、例え、発生したとしても、熱伝導性の良い銅やアルミニウムなどの高熱伝導性金属層の存在によって熱が拡散して行き、半導体チップの内部は均一な温度分布になる。その結果、アンプとエリアセンサとを同一のチップに形成しても、高精度な温度測定が可能となる。アンプを分割し、分散配置することにより、熱の拡散をより迅速に行うことができる。

まず、図４を参照して実施例３を説明する。
図４は、この実施例の赤外線センサ装置が形成された半導体チップの平面図である。サーモパイル素子を形成した半導体チップの平面図及び断面図を示す。赤外線センサ装置を構成するサーモパイル型エリアセンサは、サーモパイル素子をアレイ状に形成配置したものである。
図４に示すように、複数のサーモパイル素子で構成されたサーモパイル型エリアセンサ部（以下、エリアセンサ部という）３２が半導体チップに形成されている。エリアセンサ部３２は、半導体チップ３０のほぼ中央部分に形成されている。半導体チップ３０の周辺部には、内部の集積回路に接続されたパッド３４が形成されている。パッド３４は、例えば、アルミニウム層を用いる。半導体チップ３０には、さらに、周辺部にアンプ部３３が形成されている。また、半導体チップ３０は、エリアセンサ部３２の外周に形成され、アンプ部３３とエリアセンサ部３２との間に配置されたスパイラル状の高熱伝導性金属層３１を有している。金属層の材料としてはアルミニウムや銅などがある。

アンプ部３３は、エリアセンサ部３２からの電圧を高精度に直流増幅するアンプであり、エリアセンサ部３２に近接して設けられている。
高熱伝導性金属層３１を形成する工程は、半導体装置の製造方法の通常の工程を利用する。例えば、アンプなどを構成するトランジスタに繋がる配線を形成する時に、同時に高熱伝導性金属層３１を形成する。また、図４の半導体チップに表示されているパッド３４を形成する時にパッド材料をパターニングして形成しても良い。
この実施例では、以上のような構成により、アンプ部の発熱による熱分布が、例え、発生したとしても、熱伝導性の良い銅やアルミニウムなどの高熱伝導性金属層の存在によって熱が拡散して行き、半導体チップの内部は均一な温度分布になる。その結果、アンプとエリアセンサとを同一のチップに形成しても、高精度な温度測定が可能となる。リング状の高熱伝導性金属層と同じような効果が得られる。

実施例１の赤外線センサ装置が形成された半導体チップの概念的平面図。 実施例１で用いられる赤外線センサ装置を構成するサーモパイル型エリアセンサを構成するサーモパイル素子の平面図及び断面図。 実施例２の赤外線センサ装置が形成された半導体チップの概念的平面図。 実施例３の赤外線センサ装置が形成された半導体チップの概念的平面図。 従来の赤外線センサ装置が形成された半導体チップの概念的平面図。

符号の説明

１・・・基板
２・・・サーモパイル引き出し電極
４・・・冷接点部
５・・・温接点部
６・・・サーモパイル
７・・・熱電対
８・・・黒体用絶縁膜
９・・・黒体
１０、２０、３０・・・半導体チップ（半導体基板）
１１、２１、３１・・・高熱伝導性金属膜
１２、２２、３２・・・エリアセンサ
１３、２３、２３１、２３２、２３３、３３・・・アンプ部
１４、２４、３４・・・パッド

Claims (2)

1. 半導体チップと、前記半導体チップの中央部分に形成され、アレイ状に配列された複数のサーモパイル素子からなるサーモパイルアレイと、前記半導体チップに形成され、前記サーモパイルアレイの出力を増幅するアンプと、前記半導体チップ内に形成され、連続した形状であり前記サーモパイルアレイの周辺部の全周に沿って多重に配置形成された高熱伝導性金属膜とを具備したことを特徴とする赤外線センサ装置。
2. 前記アンプは、複数個に分割形成され、前記分割されたアンプは、前記半導体チップの周辺部に、前記高熱伝導性金属膜を囲むように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ装置。

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