JPH041535A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、被測温体に対し非接触状態で温度を測定しう
る赤外線センサの構造に関する。

［従来技術］ 従来、例えば特開昭５７−１７８１４９号公報および特
開昭６２−２７７５２８号公報に開示されているように
、赤外線検出素子（感温素子）を基板から浮かせたブリ
ッジ上に形成することによって応答感度の改善を図った
赤外線センサが提案されている。さらに赤外線検出素子
を、それぞれ備えたブリッジを基板上に複数本設け、こ
れら複数の赤外線検出素子のうちの半数の素子のみに赤
外線を当て、残りの半数の素子には赤外線を当てないよ
うにするとともに、両者の出力差を算出することによっ
て外乱の影響を取り除き、応答感度の向上を図ることも
提案されている。

このように複数の赤外線検出素子を備え、かつ赤外線を
当てられた素子と当てられない素子との出力差を得るよ
うに構成された従来の赤外線センサの構成の一例を挙げ
ると、赤外線検出素子を１つずつ備えた２枚のセラミッ
クス製基板が赤外線の入射する窓を備えたハーメチック
・パッケージ内に収容されており、一方の基板は、その
赤外線検出素子に赤外線が当たるように上記窓に臨ませ
た態様でハーメチック・パッケージの端子ビンの先端に
接続されて浮かせて保持され、他方の基板はその赤外線
検出端子に赤外線が当たらないように上記窓から離れた
位置においてハーメチック・パッケージの端子ピンの先
端に接続されて浮かせて保持された構成を有し、２つの
赤外線検出素子の出力の差分を算出することによって外
乱の影響を取り除くようになっている。

また最近では、半導体の微細加工技術を利用して超小型
の赤外線センサを得る試みがなされており、フォトリン
グラフィ技術およびエツチング技術を用いて極めて小さ
いブリッジ構造を形成し、このブリッジ構造の上に赤外
線検出素子を形成している。この場合もそれぞれ赤外線
検出素子を備えたブリッジをセンサ基板の一方の面に形
成し、前記と同様に赤外線の当てられた赤外線検出素子
の出力と赤外線の当てられない赤外線検出素子の出力と
の差分によって赤外線を検出している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来の赤外線センサの構造は
、以下に述べるような欠点がある。

まずハーメチック・パッケージ内に基板を収容した構成
では、各基板をハーメチック・パッケージの端子に接続
するため、作業性、素子の位置の再現性などの点で作製
がきわめて困難である。また、ハーメチック・パッケー
ジの窓を避けた位置に１つの赤外線検出素子を配置する
としても、この素子とパッケージ・ケースとの間に所定
の距離を保つ必要があり、また赤外線が入射する側の素
子との位置関係を再現性の良い状態に保つことも困難で
ある。したがって、赤外線を当てない側の素子に対して
も、回りこみにより僅かながら赤外線が入射することに
なり、さらにはその赤外線の入射量においても、センサ
間でバラツキが生じることになる。このため、センサと
して組上げた後に１個ずつ検査を行なって選別し、さら
に較正を必要とするから、１個の特性の優れた赤外線セ
ンサを得るには多くの労力を必要とするものであった。

また、半導体の微細加工技術を利用した従来の赤外線セ
ンサでは、外形寸法が微小であるがために、前記のよう
に一方の赤外線検出素子のみに赤外線を当て、他方の素
子には赤外線を当てないように構成することがきわめて
困難である。そこで便宜的に赤外線を反射する金（Ａ　
ｕ　）等よりなる膜を片方のブリッジ上に形成すること
も行なわれている。しかしながら、ブリッジ上に反射膜
等を設けると、個々のブリッジの熱伝導状態が変化して
、真の差分を得ることが不可能となる。このため、外乱
の影響を受は易くなり、安定した出力を得ることが困難
であった。

［課題を解決するための手段］ 本発明による赤外線センサは、赤外線透過性センサ基板
の裏面側に赤外線検出素子を配設し、センサ基板の表面
側に、赤外線の透過を許容する窓を赤外線検出素子に関
連させて形成した赤外線反射性層を被着させた構成を有
する。センサ基板の材料としては、シリコンまたはゲル
マニウムが好適である。また上記赤外線反射性層は、赤
外線反射率の大きい金等よりなる金属膜によって形成さ
れる。赤外線は、センサ基板の表面側から上記窓および
センサ基板を通じてセンサ基板の裏面側に透過し、セン
サ基板の裏面側に設けられた赤外線検出素子に入射する
ように構成されている。赤外線検出素子は、センサ基板
の裏面上に形成された複数本のブリッジ上にそれぞれ１
つずつ形成され、センサ基板の表面側の窓は、複数の赤
外線検出素子のうちの特定の素子のみに入射しうる位置
および形状をもって形成されている。センサ基板のブリ
ッジか形成されている面上には、赤外線検出素子の電極
に接続された電極パッドが形成されている。さらに、セ
ンサ基板は、このセンサ基板の電極パッドに対応する位
置に複数の導電性層を備え、かつこれら導電性層にそれ
ぞれ接続された電気端子を備えた端子基板を有しており
、センサ基板か、その電極パッドを上記支持基板の導電
性層に接合させた態様で端子基板上に固着されている。

［作　用］ 本発明による赤外線センサにおいては、赤外線透過性セ
ンサ基板の一方の面に赤外線検出素子か設けられ、他方
の面に、赤外線を透過する窓を赤外線検出素子に関連さ
せて形成した赤外線反射性層が被着され、赤外線が窓お
よびセンサ基板を通じて所定の赤外線検出素子に入射す
るように構成されているので、特定の赤外線検出素子の
みに赤外線を当て、残りの赤外線検出素子には赤外線を
全く当てないようにすることができる。このため、従来
のように赤外線を当てないようにする赤外線検出素子に
赤外線反射膜を取付ける必要がなく、各赤外線検出素子
を同一の環境に保持することかできる。したがって、赤
外線を当てた素子の出力と赤外線を当てない素子の出力
との差分を算出することによって、外乱の影響を完全に
取除くことができる。また、センサ基板の裏面上に、赤
外線検出素子の電極に接続された電極パッドが形成され
ているため、電極パッドに対応する位置に導電性層を形
成した端子基板上にセンサ基板をフェイスダウン・ボン
ディングの形態で接合することかでき、赤外線検出素子
からの出力の取出しが容易となるとともに、赤外線セン
サ全体をきわめて小型に構成することができる。さらに
、端子基板のセンサ基板が接合される面上に掘込み部を
形成し、この掘込み部の周囲が、端子基板に対するセン
サ基板の接合に伴って完全に密封される構成とすること
により、この接合作業を真空中で行なえば、赤外線検出
素子を真空中に密封することができるから、赤外線検出
素子と外気との間の熱遮断性が高められ、赤外線センサ
の感度および精度をさらに向上させることができる。

［実　施　例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例について詳細に説
明する。

第１図〜第４図は本発明による赤外線センサのセンサ素
子の構成を示す図で、センサ素子１は一辺が約３ｍｍ程
度のほぼ正方形のシリコン基板２を備えており、このシ
リコン基板２の表面は、窓３の部分を除いて赤外線を反
射する金属膜４で覆われている。この金属膜４は、金、
白金、銀、アルミニウム、チタン、モリブデン等よりな
り、５０〜２０００ｎｍの厚さに形成されている。金属
膜４の形成には、蒸着、スパッタリング、イオンブレー
ティング、イオンビームスパッタリング、化学気相成長
（ＣＶＤ）、メツキ等の種々の方法を用いることができ
る。

シリコン基板２の裏面には、その中央の所定領域に、は
ぼ垂直な側壁と平坦な底壁とを備えた堀込み部５が形成
され、この堀込み部５上に、酸化シリコン、窒化シリコ
ン等よりなる２本の互いに平行なブリッジ６Ａ、６Ｂが
堀込み部５を跨いで橋架されている。ブリッジ６Ａ、６
Ｂは、スパッタリング、化学気相成長（ＣＶＤ）、イオ
ンビームスパッタリング等の方法により約６０μｍの幅
に形成され、それらが酸化シリコンよりなる場合は５０
０〜５０００ｎｍの厚さに形成され、窒化シリコンより
なる場合は５０〜１０００　ｎ　ｍの厚さに形成される
。

またブリッジ６Ａ、６Ｂは、酸化シリコン膜および窒化
シリコン膜が積層された多層構造とすることもできる。

これら酸化シリコン膜および／または窒化シリコン膜は
、シリコン基板２の堀込み部５を除く裏面上にも同時に
形成されるものであり、その結果、シリコン基板２の裏
面は、ブリッジ６Ａ、６Ｂの表面と同一平面をなす酸化
シリコン膜および／または窒化シリコン膜で覆われてい
る。

ブリッジ６Ａ、６Ｂの中央部分にはそれぞれ赤外線検出
素子７Ａ、７Ｂが設けられている。これら赤外線検出素
子７Ａ、７Ｂは、シリコンまたはゲルマニウムの膜より
なり、入射する赤外線の熱量に応じて抵抗値が変化する
性質を有するので、測温素子として使用できるのである
。赤外線検出素子７Ａ、７Ｂは、スパッタリング、イオ
ンビームスパッタリング、蒸着、化学気相成長（ＣＶ　
Ｄ）等の方法により１００〜３０００ｎｍの厚さに形成
されている。そしてシリコン基板２の表面を覆う赤外線
反射性層４に形成された窓３は、一方の赤外線検出素子
７Ｂのみに赤外線を入射させる位置に形成されており、
窓３を通じて入射した赤外線は、他方の赤外線検出素子
７Ａには全く当らないようになっている。

各赤外線検出素子７Ａ、７Ｂからはそれぞれ電極線８が
ブリッジ６Ａ、６Ｂに沿って両側に導出され、シリコン
基板２の周縁部に形成された電極バッド９に接続されて
いる。電極線８および電極バッド９は、チタン、モリブ
デン、アルミニウム、クロム、銅、ニッケル、タンタル
、タングステン、ポリシリコン等の膜よりなり、蒸着、
スパッタリング、イオンビームスパッタリング、イオン
ブレーティング、化学気相成長（ＣＶＤ）、メツキ等の
方法を用いて５０〜４０００ｎｍの厚さに形成されてい
る。

以上のような構成を有するセンサ素子１は、第５図およ
び第６図に示すように、４本の端子ピン１０を植設した
端子基板１１に固定される。この端子基板１１の上面１
１ａの中央部にはセンサ基板２の堀込み部５より僅かに
大きい堀込み部１２が形成され、かつ端子基板１１の上
面１１ａにおける堀込み部１２周囲にはセンサ基板２の
電極バッド９に対応する位置に導電性層１３が形成され
ている。この導電性層１３はそれぞれ端子ピン１０の上
端に電気的に接続されている。そしてセンサ基板２は、
そのブリッジ６Ａ、６Ｂが設けられている側の面の周縁
部にエポキシ樹脂等よりなる接着剤１４が塗布されて端
子基板１１の上面１１ａの所定位置に接着されて機械的
に固定されるが、それと同時にセンサ基板２の各電極バ
ッド９が端子基板１１の各導電性層１３上に重ねられて
、ハンダ付は等によって電気的にも接続される。

なお、センサ基板２の端子基板１１への接合には、接着
剤１４を用いずに陽極接合法、ハンダ封止を用いてもよ
い。モしてセンサ基板２の端子基板１１に対する接合作
業を真空中で行なうことによって、センサ基板２の赤外
線検出素子７Ａ、７Ｂを真空に保つことが可能になる。

また上記接合作業を真空中でなく、窒素、ヘリウム、ア
ルゴン等の不活性ガス中で行なうことにより、赤外線検
出素子７Ａ、７Ｂの周囲を不活性ガスで満たすことがで
きる。

なお、本実施例においては赤外線透過性を有するセンサ
基板としてシリコン基板２を用いているが、これに代り
、ゲルマニウム基板を用いてもよい。さらにセンサ基板
の窓３を備えた側の面をレンズ状に形成して、窓３を透
過した赤外線が赤外線検出素子７Ｂに集束される構成と
してもよい。

［効　果］ 以上の説明から明らかなように、本発明による赤外線セ
ンサにおいては、赤外線透過性センサ基板の一方の面に
赤外線検出素子が設けられ、他方の面に、赤外線を透過
する窓を赤外線検出素子に関連させて形成した赤外線反
射性層が被着され、赤外線が上記窓およびセンサ基板を
通じて所定の赤外線検出素子に入射するように構成され
ているので、特定の赤外線検出素子のみに赤外線を当て
、残りの赤外線検出素子には赤外線を全く当てないよう
にすることが可能になる。したがって赤外線を当てた素
子の出力と、赤外線を当てない素子の出力との差分を算
出することによって、外乱の影響を完全に取除くことか
可能になる。

また、センサ基板の赤外線検出素子を設けた側の面上に
、赤外線検出素子の電極に接続された電極パッドが形成
されているため、電極バンドに対応する位置に導電性層
を形成した端子基板上にセンサ基板をフェイスダウン・
ボンデイー・グの形式で接合することができ、赤外線検
出素子からの出力の取出しが容易となるとともに、赤外
線センサ全体をきわめて小型に構成することができる。

さらに、端子基板のセンサ基板が接合される面上に堀込
み部を形成し、この堀込み部の周囲が、端子基板に対す
るセンサ基板の接合に伴って完全に密封される構成とす
ることにより、この接合作業を真空中で行なえば、赤外
線検出端子を真空中に密封することができるから、赤外
線検出素子と外気との間の熱遮断性が高められ、赤外線
センサの感度および精度をさらに向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図は本発明の
赤外線センサを備えているセンサ素子の平面図、第２図
はその底面図、第３図および第４図はそれぞれ第１図の
■−■線およびＩＶ−４’線に沿った断面図、第５図は
赤外線センサの分解斜視図、第６図はその断面図である
。 １・・・センサ素子　　　２・・・シリコン基板３・・
・窓　　　　　　　４・・・赤外線反射性金属膜５・・
・堀込み部　　　　６Ａ、６Ｂ・・・ブリッジ７Ａ、７
Ｂ・・・赤外線検出素子 ８・・・電極線　　　　　９・・・電極パッド１０・・
・端子ビン　　　１１・・・端子基板１２・・・堀込み
部　　　１３・・・導電性層１４・・・接着剤

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、赤外線透過材料よりなるセンサ基板の一方の面に赤
   外線検出素子が設けられ、他方の面に、赤外線を透過す
   る窓を前記赤外線検出素子に関連させて形成した赤外線
   反射性層が被着され、赤外線が前記窓および前記センサ
   基板を透過して前記赤外線検出素子に入射するように構
   成されていることを特徴とする赤外線センサ。 ２、前記赤外線検出素子が前記センサ基板の前記一方の
   面に複数設けられ、前記窓は、前記複数の赤外線検出素
   子のうちの特定の素子のみに赤外線が入射しうる位置に
   形成されていることを特徴とする請求項１記載の赤外線
   センサ。 ３、前記赤外線検出素子が、前記センサ基板の前記一方
   の面に形成された複数のブリッジ上にそれぞれ１個ずつ
   設けられていることを特徴とする請求項２記載の赤外線
   センサ。 ４、前記センサ基板の前記一方の面上に、前記赤外線検
   出素子の電極に接続された電極パッドが形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のうちの１つに記載され
   た赤外線センサ。 ５、前記センサ基板の前記電極パッドに対応する位置に
   導電性層と、これら導電性層にそれぞれ接続された電気
   端子を備えた端子基板を有しており、前記センサ基板が
   、その電極パッドを前記端子基板の導電性層に接合され
   た態様で前記端子基板上に固着されていることを特徴と
   する請求項４記載の赤外線センサ。 ６、前記赤外線反射性層が金属膜よりなることを特徴と
   する請求項１〜５のうちの１つに記載された赤外線セン
   サ。 ７、前記赤外線透過性材料がシリコンよりなることを特
   徴とする請求項１〜６のうちの１つに記載された赤外線
   センサ。 ８、前記赤外線透過性材料がゲルマニウムよりなること
   を特徴とする請求項１〜６のうちの１つに記載された赤
   外線センサ。