JP5564681B2

JP5564681B2 - 赤外線センサ

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Publication number: JP5564681B2
Application number: JP2009208260A
Authority: JP
Inventors: 聖一徳尾
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2029-09-09
Also published as: JP2011058929A

Description

本発明は、赤外線センサに関し、より詳細には、赤外線センサの受光面とほぼ同一面に感熱素子の感熱面を配置することにより赤外線センサの出力の温度補正を精度良く行うようにした赤外線センサ、特に、量子型赤外線センサの温度補正技術に関する。

一般に、赤外線センサは、物体の表面温度を非接触で検知したり、物体の存在を検知したり、また、大気中のガス濃度の測定など各種の用途に使われている。この種の従来の赤外線センサとして、大きく分けて熱型赤外線センサと量子型赤外線センサが知られている。

熱型赤外線センサは、赤外線を受光して熱によってセンサ素子が温められ、そのセンサ素子の温度の上昇によって変化する電気的性質を検知するもので、感度や応答速度は低いが、波長帯域が広く常温で使えるのが特徴である。熱起電力効果を原理としたサーモパイル、焦電センサのＰＺＴ、温度変化による電気抵抗の変化のサーミスタ、ボロメータなどがある。また、量子型赤外線センサは、光エネルギーによって起こる電気現象を検知するもので、検出感度が高く、応答速度に優れ、熱型赤外線センサより高い検出能力を持つが、動作温度が低いために冷却する必要がある。フォトダイオードやフォトトランジスタ、フォトＩＣなどがある。

このような赤外線センサは、受光する赤外線のエネルギーと赤外線センサ自体の温度による赤外線エネルギーの差分を出力するもので、受光する赤外線量を測るためには、赤外線センサの温度をモニターして温度補正をする必要があるため、赤外線センサを構成するセンサ素子の近傍に感熱素子を設ける必要がある。

赤外線センサの出力の温度補正をしたものとして、例えば、特許文献１及び２のものがある。この特許文献１のものは、ケースからの２次輻射を検出することなどによる温度測定の誤差を極力少なくするとともに外乱に影響されにくい赤外線センサに関するもので、サーモパイル素子をステムの部品搭載面に形成された凹部に収納し、この凹部の近傍にチップ型のサーミスタを搭載し、さらに、サーモパイル素子とサーミスタを覆うようにしてステムと熱的に接続されたインナーキャップを備えたものである。つまり、感熱素子が正確に温度をモニターするために赤外線センサのセンサ素子と感熱素子をパッケージケース内にインナーケースで覆ったものである。

また、特許文献２のものは、赤外線センサを構成するセンサチップ基板上の冷接点の温度を正確に検出するための温度補償用の感熱素子を載置したものである。つまり、サーモパイル素子を用いた場合の基準となる冷接点側にヒートシンクを設け、その中に感熱素子を埋め込んだものである。

また、特許文献３のものは、被対象物体から輻射される赤外線のエネルギーを電気信号に変換して出力する赤外線センサであって、量子型の赤外線検出素子を有し、前記赤外線のエネルギーを前記電気信号に変換する受光部と、前記受光部からの出力信号を補正するための補正部と、を有し、前記受光部と前記補正部とが同一の基板上に同一の材料で形成され、且つ、前記赤外線が同じように入射するように同一の構造を有しているものである。

特開２００３−３４４１５６号公報特開２００６−１０５６５１号公報国際公開第２００７／１２５８７３号パンフレット

しかしながら、これらの特許文献１及び２に記載のものは、センサ素子及び感熱素子を覆うようにして、赤外線を選択的に透過させるための窓材が設けられたケースをステムに溶接して密封する構成になっている。そのため、周囲温度が急激に変化した場合に、赤外線センサを構成するセンサ素子と温度補正用に設けられた感熱素子に過渡的な温度差が生じ、それによる赤外線センサの出力の温度補正が正確にできないという問題が依然として残っていた。

特許文献３記載のものは、同一基板上に感熱素子を設けたものであって、感熱素子は赤外線検出素子と同一構造の素子を用いている。そのため、感熱素子の電気的特性に制約があり、温度補正のための信号処理回路や補正方法に制約があった。

そこで、本発明の赤外線センサは、センサ素子と同一構造内で近接して一体的に感熱素子を設けることで、パッケージ表面や、外部からの熱放射（輻射）や、感熱素子自体からの熱放射等の温度外乱や、センサ素子の設置場所に温度分布があったとしても、センサ素子と感熱素子の温度分布が過渡的にも一様になるようにして、赤外線センサの出力の温度補正を過渡的にも精度良く行うことができるようにするとともに、感熱素子選定の自由度を改善したものである。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、赤外線センサの受光面とほぼ同一面に感熱素子の感熱面を配置することにより赤外線センサの出力の温度補正を精度良く行うようにした赤外線センサを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、モールド樹脂内の周辺に配置された複数のセンサ電極端子と、該センサ電極端子に囲まれた領域内に配置されたセンサ素子と、該センサ素子の近傍でかつ前記領域内に配置され、該センサ素子と前記モールド樹脂で一体的に設けられた温度補正用の感熱素子とを備え、前記センサ素子の受光面と前記感熱素子の感熱面と前記モールド樹脂の一方の表面とが、同一面となるように配置されたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記センサ素子の受光面上に光学フィルタを設けたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記センサ素子が、量子型センサ素子であることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記量子型センサ素子はセンサ素子部を有し、該センサ素子部は、基板上に設けられた第１のコンタクト層と、該第１のコンタクト層上に設けられた吸収層と、該吸収層上に設けられたバリア層と、該バリア層上に設けられた第２のコンタクト層と、該第２のコンタクト層上に設けられた第２の電極と、前記第１のコンタクト層と前記吸収層と前記バリア層と前記第２のコンタクト層に隣接して設けられたパッシベーション層と、該パッシベーション層を介して前記基板上に設けられた第１の電極とを備えたことを特徴とする。

また、請求項５記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記第１のコンタクト層はｎ型のＩｎＳｂからなり、前記吸収層はπ型のＩｎＳｂからなり、前記バリア層はｐ型のＡｌＩｎＳｂからなり、前記第２のコンタクト層はｐ型のＩｎＳｂからなることを特徴とする。

本発明によれば、赤外線センサを構成するセンサ素子と同一構造内で近接して一体的に温度補正用の感熱素子を設けたので、パッケージ表面や、外部からの熱放射（輻射）や、感熱素子自体からの熱放射等の温度外乱や、センサ素子の設置場所に温度分布があったとしても、センサ素子と感熱素子の温度分布が過渡的にも一様になるようにして赤外線センサの出力の温度補正を過渡的にも精度良く行うことができるという効果を奏する。

本発明に係る赤外線センサの実施例１を説明するための構成図である。（ａ）は図１のＡ−Ａ線断面図で、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線断面図である。本発明に係る赤外線センサの実施例２を説明するための構成図である。（ａ）は図３のＡ−Ａ線断面図で、（ｂ）は図３のＢ−Ｂ線断面図である。本発明に係る赤外線センサの実施例３を説明するための構成図である。（ａ）は図５のＡ−Ａ線断面図で、（ｂ）は図５のＢ−Ｂ線断面図である。本発明に係る赤外線センサの量子型センサ素子の具体的な構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明に係る赤外線センサの実施例１を説明するための構成図で、図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ線断面図、図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。図中符号１１はモールド樹脂、１２ａ乃至１２ｄはセンサ電極端子（リードフレーム）、１３はセンサ素子、１３ａは受光面、１４は感熱素子、１４ａは感熱面を示している。なお、符号１５は、センサ素子１３とセンサ電極端子１２ａ乃至１２ｄとを電気的に接続するワイヤーボンディングである。

本実施例１の赤外線センサは、モールド樹脂１１内の周辺に配置された複数のセンサ電極端子１２ａ乃至１２ｄと、このセンサ電極端子１２ａ乃至１２ｄに囲まれた領域内に配置されたセンサ素子１３と、このセンサ素子１３の近傍でかつ領域内に配置され、センサ素子１３とモールド樹脂１１で一体的に設けられた温度補正用の感熱素子１４とから構成されている。

そして、センサ素子１３の受光面１３ａと感熱素子１４の感熱面１４ａとは同一面になるように配置されている。また、センサ素子１３の受光面１３ａ上に必要に応じて光学フィルタ（図示せず）を設けてもよい。さらに、センサ素子１３は、量子型センサ素子であることが望ましい。この量子型センサ素子については、図７に基づいて後述する。

感熱素子は、サーミスタ、熱電対、白金抵抗体など熱を抵抗や電圧などとして検知できる物であれば良く、特に方式はこだわらない。形状は、チップ状の物がセンサ素子と同一構造で接近して設けることが出来るため好適である。また、感熱部は、チップの表面に薄膜状であっても、チップ全体であっても良い。

図３は、本発明に係る赤外線センサの実施例２を説明するための構成図で、図４（ａ）は、図３のＡ−Ａ線断面図、図４（ｂ）は、図３のＢ−Ｂ線断面図である。図中符号２１はモールド樹脂、２２ａ乃至２２ｄはセンサ電極端子（リードフレーム）、２３はセンサ素子、２３ａは受光面、２４は感熱素子、２６は保持部材を示している。なお、符号２５は、センサ素子２３とセンサ電極端子２２ａ乃至２２ｄとを電気的に接続するワイヤーボンディングである。

感熱素子が小型の場合に、ダイボンド工程やワイヤーボンド工程で感熱素子が剥がれる心配がある。その場合には、保持性を高めるための保持部材に感熱素子を取り付けることが必要である。

本実施例２の赤外線センサは、モールド樹脂２１内の周辺に配置された複数のセンサ電極端子２２ａ乃至２２ｄと、このセンサ電極端子２２ａ乃至２２ｄに囲まれた領域内に配置されたセンサ素子２３と、このセンサ素子２３の近傍でかつ領域内に配置され、センサ素子２３とモールド樹脂２１で一体的に設けられた温度補正用の感熱素子２４と、この感熱素子２４を保持する保持部材２６とから構成されている。

そして、感熱素子２４は、領域内に配置された保持部材２６上に搭載され、この保持部材２６の非搭載面は、センサ素子２３の受光面と同一面になるように配置されている。また、保持部材２６は、加工性や温度伝導性や赤外線の透過性などからシリコン基板が好適である。また、加工性や強度や熱伝導性からセラミックス基板などでも良い。また、センサ素子２３の受光面２３ａ上に必要に応じて光学フィルタ（図示せず）を設けてもよい。さらに、センサ素子２３は、量子型センサ素子であることが望ましい。この量子型センサ素子については、図７に基づいて後述する。なお、感熱素子については、上述した実施例１と同様である。

図５は、本発明に係る赤外線センサの実施例３を説明するための構成図で、図６（ａ）は、図５のＡ−Ａ線断面図、図６（ｂ）は、図５のＢ−Ｂ線断面図である。図中符号３１はモールド樹脂、３２ａ乃至３２ｄはセンサ電極端子（リードフレーム）、３２Ｒは延長部、３３はセンサ素子、３３ａは受光面、３４は感熱素子を示している。なお、符号３５は、センサ素子２３とセンサ電極端子２２ａ乃至２２ｄとを電気的に接続するワイヤーボンディングである。

上述した実施例２と同様に、感熱素子の保持性を高めるために保持部材を用いる場合に、リードフレームを保持部材として用いると、保持部材を別途用意する必要が無く、簡便な構造で熱伝導性の高い構造にすることができる。

本実施例３の赤外線センサは、モールド樹脂３１内の周辺に配置され、いずれかに延長部３２Ｒを有する複数のセンサ電極端子３２ａ乃至３２ｄと、このセンサ電極端子３２ａ乃至３２ｄに囲まれた領域内に配置されたセンサ素子３３と、このセンサ素子３３の近傍でかつ領域内に配置され、センサ素子３３とモールド樹脂３１で一体的に設けられた温度補正用の感熱素子３４とから構成されている。

そして、感熱素子３４は、領域内に延設されたセンサ電極端子３２ａ乃至３２ｄの延長部３２Ｒ上に搭載され、この延長部３２Ｒの非搭載面は、センサ素子３３の受光面と同一面であるように配置されている。なお、感熱素子については、上述した実施例１と同様である。

また、センサ素子３３の受光面３３ａ上に必要に応じて光学フィルタ（図示せず）を設けてもよい。さらに、センサ素子３３は、量子型センサ素子であることが望ましい。この量子型センサ素子については、図７に基づいて後述する。

次に、本発明の赤外線センサのセンサ素子として用いる量子型センサ素子について説明する。
図７は、本発明に係る赤外線センサの各実施例に用いられる量子型センサ素子の具体的な構成図で、符号１０３ａはセンサ素子部を示している。量子型センサ素子１０３はセンサ素子部１０３ａを有し、このセンサ素子部１０３ａは、基板１０５上に設けられた第１のコンタクト層１０６と、この第１のコンタクト層１０６上に設けられた吸収層１０７と、この吸収層１０７上に設けられたバリア層１０８と、このバリア層１０８上に設けられた第２のコンタクト層１０９と、この第２のコンタクト層１０９上に設けられた第２の素子部電極１１１ｂと、第１のコンタクト層１０６と吸収層１０７とバリア層１０８と第２のコンタクト層１０９に隣接して設けられたパッシベーション層１１０と、このパッシベーション層１１０を介して基板上１０５に設けられた第１の素子部電極１１１ａとを備えている。

つまり、センサ素子部１０３ａの受光面を除いた全体は、モールド樹脂１０１で覆われ、センサ素子部１０３ａの両側には、センサ信号を取り出すためのセンサ電極端子１０２ａ，１０２ｂが設けられている。さらに、センサ素子部１０３ａを構成する第１の素子部電極１１１ａと第２の素子部電極１１１ｂに接続され、基板１０５上に形成されたパッド電極１０４ａ，１０４ｂは、ワイヤーボンディング１１５によりセンサ電極端子１０２ａ，１０２ｂと電気的に接続されている。

さらに、センサ素子部１０３ａをより詳細に説明する。例えば、半絶縁性ＧａＡｓ基板１０５上にｎ型のＩｎＳｂコンタクト層１０６と、π型のＩｎＳｂ吸収層１０７と、ｐ型のＡｌＩｎＳｂバリア層１０８と、ｐ型のＩｎＳｂコンタクト層１０９が形成され、ｎ型のＩｎＳｂコンタクト層１０６は、一方のパッド電極１０４ａに素子部電極１１１ａで電気的に接続され、さらに、ｐ型のＩｎＳｂコンタクト層１０９は、他方のパッド電極１０４ｂに第２の素子部電極１１１ｂで電気的に接続されている。

センサ素子部１０３ａを構成する半導体薄膜の材料は、上述した例に限定されるものではない。また、センサ素子部は、上述した１組の１０３ａで構成した例に限定されるものではなく、基板上に直列または並列に複数組接続してあっても同じである。素子部電極１１１ａ，１１１ｂが、半導体層とコンタクトしないように所定の位置にＳｉＮなどのパッシベーション膜１１０が形成されている。さらに、半絶縁性ＧａＡｓ基板１０５の裏面には、保護膜１１２が形成されている。この保護膜１１２は、入射する赤外線の反射防止やセンサ部の保護のために設けられ、測定したい波長の赤外線をできるだけ多く透過させる材質が好ましく選択される。例えば、酸化シリコンや窒化シリコンなどが好ましく用いられる。

このように、センサ素子として量子型センサ素子を用いることによって、センサ素子の受光面と感熱素子の感熱面とをほぼ同一面に配置することが極めて容易になる。そのためパッケージ表面や、外部からの熱放射（輻射）や、感熱素子自体からの熱放射等の温度外乱や、センサ素子の設置場所に温度分布があったとしても、センサ素子と感熱素子の温度分布が過渡的にも一様になるようにして、赤外線センサの出力の温度補正を過渡的にも精度良く行うことができるようになる。

１１，２１，３１モールド樹脂
１２ａ乃至１２ｄ，２２ａ乃至２２ｄ，３２ａ乃至３２ｄセンサ電極端子（リードフレーム）
１３，２３，３３センサ素子
１３ａ，２３ａ，３３ａ受光面
１４，２４，３４感熱素子
１４ａ感熱面
１５，２５，３５ワイヤーボンディング
２６保持部材
３２Ｒ延長部
１０１モールド樹脂
１０２ａ，１０２ｂセンサ電極端子
１０３ａ，１０３ｂセンサ素子部
１０４ａ，１０４ｂパッド電極
１０５半絶縁性ＧａＡｓ基板
１０６第１のｎ型のＩｎＳｂコンタクト層
１０７ π型のＩｎＳｂ吸収層
１０８ｐ型のＡｌＩｎＳｂバリア層
１０９第２のｐ型のＩｎＳｂコンタクト層
１１０パッシベーション層
１１１ａ第１の素子部電極
１１１ｂ第２の素子部電極
１１２保護膜
１１５ワイヤーボンディング

Claims

モールド樹脂内の周辺に配置された複数のセンサ電極端子と、
該センサ電極端子に囲まれた領域内に配置されたセンサ素子と、
該センサ素子の近傍でかつ前記領域内に配置され、該センサ素子と前記モールド樹脂で一体的に設けられた温度補正用の感熱素子と
を備え、
前記センサ素子の受光面と前記感熱素子の感熱面と前記モールド樹脂の一方の表面とが、同一面となるように配置されたことを特徴とする赤外線センサ。
前記センサ素子の受光面上に光学フィルタを設けたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
前記センサ素子が、量子型センサ素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線センサ。
前記量子型センサ素子はセンサ素子部を有し、該センサ素子部は、
基板上に設けられた第１のコンタクト層と、該第１のコンタクト層上に設けられた吸収層と、該吸収層上に設けられたバリア層と、該バリア層上に設けられた第２のコンタクト層と、該第２のコンタクト層上に設けられた第２の電極と、前記第１のコンタクト層と前記吸収層と前記バリア層と前記第２のコンタクト層に隣接して設けられたパッシベーション層と、該パッシベーション層を介して前記基板上に設けられた第１の電極とを備えたことを特徴とする請求項３に記載の赤外線センサ。
前記第１のコンタクト層はｎ型のＩｎＳｂからなり、前記吸収層はπ型のＩｎＳｂからなり、前記バリア層はｐ型のＡｌＩｎＳｂからなり、前記第２のコンタクト層はｐ型のＩｎＳｂからなることを特徴とする請求項４に記載の赤外線センサ。