JPH0498883A - シリコンを用いたサーモパイル装置 - Google Patents
シリコンを用いたサーモパイル装置Info
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- JPH0498883A JPH0498883A JP2216422A JP21642290A JPH0498883A JP H0498883 A JPH0498883 A JP H0498883A JP 2216422 A JP2216422 A JP 2216422A JP 21642290 A JP21642290 A JP 21642290A JP H0498883 A JPH0498883 A JP H0498883A
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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。
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、例えば赤外線等のセンサとして用いて好適な
、シリコンを用いたサーモパイル装置に関する。
、シリコンを用いたサーモパイル装置に関する。
従来、単結晶シリコンを用いたサーモパイルとしては、
ｐ型シリコンストリップとアルミニウムストリップとを
用いたものが報告されている（Ｇ。
ｐ型シリコンストリップとアルミニウムストリップとを
用いたものが報告されている（Ｇ。
Ｄ、 Ｎ１ｅｖｅｌｄ、 ”Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅｓ
Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｕｓｉｎｇ ５ｉ１ｉｃｏｎ
Ｐｌａｎａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 、 ５
ｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、 Ｖ
ｏｌ、３． （１９８２／８３） ｐＧｌ、１７９−１
８３）。このサーモパイルは、ｎ型単結晶シリコン内に
形成された１０［μｍ）Ｘｌ、５（■］ （マスク寸法
）の形状を持つｐ型シリコンストリップと、その上部に
形成された酸化シリコン膜でこのＰ型シリコンストリッ
プから絶縁されたアルミニウムストリップとを直列に接
続してなる熱電対を多数用いた構造である。比抵抗が５
Ｘ１０−”（Ω口〕のＰ型シリコンストリップを持つこ
のサーモパイルの熱起電力は、熱電対を１５２対直列に
接続したもので７６（ｍＶ／Ｋ）得られ、内部抵抗値は
２５０（ｋΩ〕である。
Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｕｓｉｎｇ ５ｉ１ｉｃｏｎ
Ｐｌａｎａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 、 ５
ｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、 Ｖ
ｏｌ、３． （１９８２／８３） ｐＧｌ、１７９−１
８３）。このサーモパイルは、ｎ型単結晶シリコン内に
形成された１０［μｍ）Ｘｌ、５（■］ （マスク寸法
）の形状を持つｐ型シリコンストリップと、その上部に
形成された酸化シリコン膜でこのＰ型シリコンストリッ
プから絶縁されたアルミニウムストリップとを直列に接
続してなる熱電対を多数用いた構造である。比抵抗が５
Ｘ１０−”（Ω口〕のＰ型シリコンストリップを持つこ
のサーモパイルの熱起電力は、熱電対を１５２対直列に
接続したもので７６（ｍＶ／Ｋ）得られ、内部抵抗値は
２５０（ｋΩ〕である。
このように、サーモパイルの熱電対としてｐ型シリコン
ストリップとアルミニウムストリップとを使用した場合
、サーモパイルの出力である熱起電力への双方の材料の
寄与を比較すると、Ｐ型車結晶シリコンのゼーベック係
数は、そのドーピング濃度にも依存するが、その値はほ
ぼ４５０〜１６００〔μＶ／Ｋ）をとるのに対し、アル
ミニウムは−１，７〔μＶ／Ｋ）程度となり、熱電対の
出力感度に対するアルミニウムの寄与は相対的に極めて
小さい。従って、サーモパイルの出力を大きくするには
、アルミニウムを大きなゼーベック係数を持つ別の材料
に代える必要がある。
ストリップとアルミニウムストリップとを使用した場合
、サーモパイルの出力である熱起電力への双方の材料の
寄与を比較すると、Ｐ型車結晶シリコンのゼーベック係
数は、そのドーピング濃度にも依存するが、その値はほ
ぼ４５０〜１６００〔μＶ／Ｋ）をとるのに対し、アル
ミニウムは−１，７〔μＶ／Ｋ）程度となり、熱電対の
出力感度に対するアルミニウムの寄与は相対的に極めて
小さい。従って、サーモパイルの出力を大きくするには
、アルミニウムを大きなゼーベック係数を持つ別の材料
に代える必要がある。
アルミニウムに代わる他の材料の候補としては、上述の
大きなゼーベック係数を持つ単結晶シリコンが挙げられ
る。熱電対としての条件は異種金属であることであるが
、これは単結晶シリコンの導電型を逆にすることで満足
させることができる。
大きなゼーベック係数を持つ単結晶シリコンが挙げられ
る。熱電対としての条件は異種金属であることであるが
、これは単結晶シリコンの導電型を逆にすることで満足
させることができる。
単結晶シリコン基板を利用した従来のシリコンサーモパ
イルの概要を第６図に示す。同図において、１１は例え
ばｐ型の単結晶シリコン基板、１２はこの単結晶シリコ
ン基板１１上に成長させた本例ではｎ型のシリコンエピ
タキシャル層、１３はこのシリコンエピタキシャル層１
２の表面に形成された二酸化シリコン等の絶縁層である
。１４はシリコンエピタキシャル層１２中に形成したｐ
。
イルの概要を第６図に示す。同図において、１１は例え
ばｐ型の単結晶シリコン基板、１２はこの単結晶シリコ
ン基板１１上に成長させた本例ではｎ型のシリコンエピ
タキシャル層、１３はこのシリコンエピタキシャル層１
２の表面に形成された二酸化シリコン等の絶縁層である
。１４はシリコンエピタキシャル層１２中に形成したｐ
。
型拡散層からなる第１導体層、１６は絶縁層１３上に形
成したｎ゛型拡散層からなる第２導体層である。第１及
び第２導体層１４及び１６は各々複数本あり、各々の一
端同士及び他端同士がアルミニウム等の金属層１７によ
り接続されている。これによって、これらの直列接続さ
れた第１及び第２導体層１４及び１６からなる熱電対が
複数個ジグザグ状に直列接続されたサーモパイルが構成
されている。
成したｎ゛型拡散層からなる第２導体層である。第１及
び第２導体層１４及び１６は各々複数本あり、各々の一
端同士及び他端同士がアルミニウム等の金属層１７によ
り接続されている。これによって、これらの直列接続さ
れた第１及び第２導体層１４及び１６からなる熱電対が
複数個ジグザグ状に直列接続されたサーモパイルが構成
されている。
第７図はこのサーモパイルにおける第１及び第２導体層
１４及び１６のジグザグ状直列接続状態を模式的に示し
たものである。これらの第１及び第２導体層１４及び１
６の一端は温接点、他端は冷接点となり、温接点側に二
酸化シリコン等の絶縁層１８を介して、例えば合焦であ
る電磁波吸収体層１９が形成されている。
１４及び１６のジグザグ状直列接続状態を模式的に示し
たものである。これらの第１及び第２導体層１４及び１
６の一端は温接点、他端は冷接点となり、温接点側に二
酸化シリコン等の絶縁層１８を介して、例えば合焦であ
る電磁波吸収体層１９が形成されている。
第２導体層１６はシリコン、それも単結晶シリコンであ
るのが熱起電力の点では好ましいが、それに限られるも
のではなく、製造上の容易さからは多結晶シリコン又は
アモルファスシリコンでもよく、更に簡単には、金属層
１７と同じ例えばアルミニウムでもよい（但し、この場
合は熱起電力はほぼ半減する）。
るのが熱起電力の点では好ましいが、それに限られるも
のではなく、製造上の容易さからは多結晶シリコン又は
アモルファスシリコンでもよく、更に簡単には、金属層
１７と同じ例えばアルミニウムでもよい（但し、この場
合は熱起電力はほぼ半減する）。
このサーモパイルにおいては、電磁波吸収体層１９に電
磁波、例えば赤外線を投射すると、この電磁波吸収体層
１９はそれを吸収して昇温し、サーモパイルの温接点側
温度が上昇する。これによって冷接点側との間に温度差
が生じ、熱起電力を生じる。
磁波、例えば赤外線を投射すると、この電磁波吸収体層
１９はそれを吸収して昇温し、サーモパイルの温接点側
温度が上昇する。これによって冷接点側との間に温度差
が生じ、熱起電力を生じる。
第１及び第２導体層１４及び１６の配列形状は、例えば
第８図や第９図に示すようなものであってよい。第８図
は第１及び第２導体層１４及び１６を放射状に配置した
例を示す。この場合、中心側が温接点、周辺側が冷接点
で、中心に電磁波吸収体層１９が配設される。２０．２
１はこのサーモパイルの引出線端子である。第９図は第
１及び第２導体層１４と１６を互いに平行に、そして全
体としては十字形に配置し、その中央に方形の電磁波吸
収体層１９を設けたサーモパイルを示す。なお、第８図
及び第９図において、２２はアイソレーション用の拡散
層である。
第８図や第９図に示すようなものであってよい。第８図
は第１及び第２導体層１４及び１６を放射状に配置した
例を示す。この場合、中心側が温接点、周辺側が冷接点
で、中心に電磁波吸収体層１９が配設される。２０．２
１はこのサーモパイルの引出線端子である。第９図は第
１及び第２導体層１４と１６を互いに平行に、そして全
体としては十字形に配置し、その中央に方形の電磁波吸
収体層１９を設けたサーモパイルを示す。なお、第８図
及び第９図において、２２はアイソレーション用の拡散
層である。
また、シリコン以外の材料を用いた例として、インジウ
ムアンチモンとテルルを２つの導体層として用い、熱伝
導率の低い絶縁膜上に放射状にジグザグ直列接続し、中
心に電磁波吸収体層として円形の全黒を配設した円形サ
ーモパイル（久森文詞、宿谷正典、「サーモパイル」、
センサ技術、Ｖｏｌ、７ （１９８７） ｐｐ、７５−
７９）や、２つの導体層を互いに平行にそして全体とし
ては十字形に配置し、その中央に電磁波吸収体層として
方形の全黒を配設した正方形サーモパイル（三上勝弘、
木村親夫、関向修−「サーモパイル赤外線センサ」、電
子材料、Ｖｏｌ、１９ （１９８０） ｐｐ、９Ｂ−１
０２）も報告されている。
ムアンチモンとテルルを２つの導体層として用い、熱伝
導率の低い絶縁膜上に放射状にジグザグ直列接続し、中
心に電磁波吸収体層として円形の全黒を配設した円形サ
ーモパイル（久森文詞、宿谷正典、「サーモパイル」、
センサ技術、Ｖｏｌ、７ （１９８７） ｐｐ、７５−
７９）や、２つの導体層を互いに平行にそして全体とし
ては十字形に配置し、その中央に電磁波吸収体層として
方形の全黒を配設した正方形サーモパイル（三上勝弘、
木村親夫、関向修−「サーモパイル赤外線センサ」、電
子材料、Ｖｏｌ、１９ （１９８０） ｐｐ、９Ｂ−１
０２）も報告されている。
光・赤外線センサの重要な特性の一つに検出能（Ｄ”で
表す）があり、検出器面積の平方根と感度の積を雑音密
度で除したもので表される。この検出能は、どのくらい
弱い光・赤外線パワーをセンサが検出できるか、言い換
えれば、センサの入射パワーに対するＳ／Ｎ比（信号雑
音比）や分解能を表すものであり、ひいては、これらの
センサを用いた、例えば、放射温度計や熱赤外画像撮影
装置などの応用機器システムの温度分解能や測定温度範
囲を決める重要な特性であり、この値は大きいほどよい
。この検出能の値を大きくするには、大きなチップのサ
ーモパイル装置を作ればよいが、大きなチップの素子を
作ると、結晶欠陥などの発生確率が高くなり、歩留が低
下し、ひいては、価格が高くなることにつながる。従っ
て、チップを大きくせずに、検出能の値を大きくする必
要がある。しかしながら、従来のサーモパイル装置では
、限られた大きさのチップの中で検出能を大きくするた
めの考慮がなされていなかった。
表す）があり、検出器面積の平方根と感度の積を雑音密
度で除したもので表される。この検出能は、どのくらい
弱い光・赤外線パワーをセンサが検出できるか、言い換
えれば、センサの入射パワーに対するＳ／Ｎ比（信号雑
音比）や分解能を表すものであり、ひいては、これらの
センサを用いた、例えば、放射温度計や熱赤外画像撮影
装置などの応用機器システムの温度分解能や測定温度範
囲を決める重要な特性であり、この値は大きいほどよい
。この検出能の値を大きくするには、大きなチップのサ
ーモパイル装置を作ればよいが、大きなチップの素子を
作ると、結晶欠陥などの発生確率が高くなり、歩留が低
下し、ひいては、価格が高くなることにつながる。従っ
て、チップを大きくせずに、検出能の値を大きくする必
要がある。しかしながら、従来のサーモパイル装置では
、限られた大きさのチップの中で検出能を大きくするた
めの考慮がなされていなかった。
本発明は、チップの大きさを与えられた条件下で最大限
の検出能を持つサーモパイル装置を提供しようとするも
のである。
の検出能を持つサーモパイル装置を提供しようとするも
のである。
本発明の請求項１に記載した発明は、シリコンを用いた
サーモパイル装置において、 シリコン基板上に形成された第１導電型のシリコンエピ
タキシャル層中に形成された第２導電型の第１導体層と
この第１導体層上に第１絶縁層を介して形成された第２
導体層とを直列接続してなる複数の熱電対が交互に折れ
曲がって温接点側の所定の中心のまわりに放射状に直列
接続され、上記中心上に第２絶縁層を介して電磁波吸収
体層が設けられているサーモパイルであって、上記複数
の熱電対の温接点が形成する円の半径が、冷接点が形成
する円の半径の０．４６〜０６７４倍であることを特徴
とするものである。
サーモパイル装置において、 シリコン基板上に形成された第１導電型のシリコンエピ
タキシャル層中に形成された第２導電型の第１導体層と
この第１導体層上に第１絶縁層を介して形成された第２
導体層とを直列接続してなる複数の熱電対が交互に折れ
曲がって温接点側の所定の中心のまわりに放射状に直列
接続され、上記中心上に第２絶縁層を介して電磁波吸収
体層が設けられているサーモパイルであって、上記複数
の熱電対の温接点が形成する円の半径が、冷接点が形成
する円の半径の０．４６〜０６７４倍であることを特徴
とするものである。
また、本発明の請求項２に記載した発明は、シリコンを
用いたサーモパイル装置において、シリコン基板上に形
成された第１導電型のシリコンエピタキシャル層中に形
成された第２導電型の第１導体層とこの第１導体層上に
第１絶縁層を介して形成された第２導体層とを直列接続
してなる複数の熱電対が交互に折れ曲がって温接点側の
所定の中心のまわりに互いに平行に且つ全体として十字
形に直列接続され、上記中心上に第２絶縁層を介して電
磁波吸収体層が設けられているサーモパイルであって、 上記複数の熱電対の温接点が形成する方形の一辺の長さ
が、冷接点が形成する方形の一辺の長さの０．５４〜０
．７９倍であることを特徴とするものである。
用いたサーモパイル装置において、シリコン基板上に形
成された第１導電型のシリコンエピタキシャル層中に形
成された第２導電型の第１導体層とこの第１導体層上に
第１絶縁層を介して形成された第２導体層とを直列接続
してなる複数の熱電対が交互に折れ曲がって温接点側の
所定の中心のまわりに互いに平行に且つ全体として十字
形に直列接続され、上記中心上に第２絶縁層を介して電
磁波吸収体層が設けられているサーモパイルであって、 上記複数の熱電対の温接点が形成する方形の一辺の長さ
が、冷接点が形成する方形の一辺の長さの０．５４〜０
．７９倍であることを特徴とするものである。
上記請求項１及び請求項２の発明において、上記第１導
体層が第２導電型の単結晶シリコン層であり、上記第２
導体層が第１導電型の単結晶シリコン層であることが好
ましい。
体層が第２導電型の単結晶シリコン層であり、上記第２
導体層が第１導電型の単結晶シリコン層であることが好
ましい。
第１図を用い、熱電対を放射状に配置した円形サーモパ
イルの場合について、本発明の説明をする。
イルの場合について、本発明の説明をする。
検出能Ｄ°は検出器面積の平方根ｆｆと感度Ｒｅｓに比
例し、雑音電圧密度Ｖ、／ｒτ丁に反比例する。冷接点
が形成する外円の半径をＲ１温接点が形成する内円の半
径をＲｏ、熱電対数をＮとすると、次の式が成り立つ。
例し、雑音電圧密度Ｖ、／ｒτ丁に反比例する。冷接点
が形成する外円の半径をＲ１温接点が形成する内円の半
径をＲｏ、熱電対数をＮとすると、次の式が成り立つ。
ｆワ ＣＸ： Ｒ，−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−（Ｉ）Ｒｅｓ ｃｃ Ｎ Ｉｎ（Ｒ／
Ｒｅ） −−−−−−−−−−−−−（２）また、
内部抵抗をＲｉ ａとすると、 ｖ、７ｒτＴ 工 Ｆπ− 工 ｎ ０−（３） となる。従って、 Ｄ” ｃｃ Ｒｏ Ｎ Ｉｎ（Ｒ／ Ｒｅ）
／ ｎ 。
−−−−−（Ｉ）Ｒｅｓ ｃｃ Ｎ Ｉｎ（Ｒ／
Ｒｅ） −−−−−−−−−−−−−（２）また、
内部抵抗をＲｉ ａとすると、 ｖ、７ｒτＴ 工 Ｆπ− 工 ｎ ０−（３） となる。従って、 Ｄ” ｃｃ Ｒｏ Ｎ Ｉｎ（Ｒ／ Ｒｅ）
／ ｎ 。
＝ Ｒ（Ｒｅ／Ｒ） ｎ ｏ −（
４）を得る。この式は、Ｄ”が、冷接点が形成する外円
の半径Ｒとその内部の設計で決まるＲ、／Ｒで決まり、
熱電対数によらないことを示す。また、チップ内の設計
が同じ（相似の）場合には、Ｄｌがチップの大きさに比
例することを意味する。
４）を得る。この式は、Ｄ”が、冷接点が形成する外円
の半径Ｒとその内部の設計で決まるＲ、／Ｒで決まり、
熱電対数によらないことを示す。また、チップ内の設計
が同じ（相似の）場合には、Ｄｌがチップの大きさに比
例することを意味する。
ここでは、チップの大きさが決まった時（即ち、Ｒが決
まった時）に、マスク設計でＤ＊を最大にする指針を求
める。
まった時）に、マスク設計でＤ＊を最大にする指針を求
める。
Ｒ，／ＲをＸとおくと、式（４）より次式を得る。
Ｄ′″国 Ｘ Ｆ−］１■−（０＜ Ｘ ＜ １ ）
・（５）従って、式（５）においてＤ′″が最大とな
るＸを求めればよい。今、 Ｙ ＝ Ｘ、「：ｎ】＝ （０＜Ｘ＜１） ４
６）とすると、 ｄＹ／ａｘ＝ （ＩｎＸ＋１／２）／Ｆ＝Ｔ口「−（
７）となり、１ｎＸ＝−１／２の時、即ち、Ｘ＝ｅ−”
”＝０．６１ の時、この値はＯになり、また、この時、Ｙは最大とな
る。この様子を第４図に示す。素子性能の変動等から、
検出能は最大値の９５％以上の値とすることが望ましく
、９５％未満の場合はサーモパイルのより小型化が困難
である。
・（５）従って、式（５）においてＤ′″が最大とな
るＸを求めればよい。今、 Ｙ ＝ Ｘ、「：ｎ】＝ （０＜Ｘ＜１） ４
６）とすると、 ｄＹ／ａｘ＝ （ＩｎＸ＋１／２）／Ｆ＝Ｔ口「−（
７）となり、１ｎＸ＝−１／２の時、即ち、Ｘ＝ｅ−”
”＝０．６１ の時、この値はＯになり、また、この時、Ｙは最大とな
る。この様子を第４図に示す。素子性能の変動等から、
検出能は最大値の９５％以上の値とすることが望ましく
、９５％未満の場合はサーモパイルのより小型化が困難
である。
上記したように、熱電対を放射状に配置した円形サーモ
パイルでは、温接点が形成する内円の半径を冷接点が形
成する外円の半径の０．４６〜０．７４倍とすることに
より、検出能が最大のサーモパイル装置が得られる。こ
れに対し、従来の円形サーモパイルは、温接点が形成す
る内円の半径が冷接点が形成する外円の半径の０．４１
倍程度のものが多く、本発明の０．４６〜０．７４倍と
した例はない。
パイルでは、温接点が形成する内円の半径を冷接点が形
成する外円の半径の０．４６〜０．７４倍とすることに
より、検出能が最大のサーモパイル装置が得られる。こ
れに対し、従来の円形サーモパイルは、温接点が形成す
る内円の半径が冷接点が形成する外円の半径の０．４１
倍程度のものが多く、本発明の０．４６〜０．７４倍と
した例はない。
次に、第３図を用い、熱電対を互いに平行に且つ全体と
して十字形に配置した方形サーモパイルについて、正方
形サーモパイルを例として、本発明の説明をする。
して十字形に配置した方形サーモパイルについて、正方
形サーモパイルを例として、本発明の説明をする。
冷接点が形成する正方形の一辺の長さを２Ｒ１温接点炉
形成する正方形の一辺の長さを２Ｒｏとする。正方形サ
ーモパイルの場合には、検出器面積Ａ、感度Ｒｅｓにつ
いて、円形サーモパイルの場合と同様の議論が成り立つ
。しかしながら、熱電対は放射状ではなく平行に並べら
れているため、Ｖｎ／ｒτＴ”ＣＣ＄ 戊 。−−（８） となる。従って１ 、−−−−−・−−−−−−−−−−−・−・・・−（
９）となる。円形サーモパイルの゛場合と同様、この式
は、Ｄ′″が、冷接点が形成する正方形の一辺の長さ２
Ｒとその内部設計で決まるＲｏ／Ｒで決まり、熱電対数
によらないこと、また、チップ内部の設計が同じ（相似
の）場合には、Ｄ′″がチップの大きさに比例すること
を意味する。円形サーモパイルの時と同様にＲ，／Ｒを
Ｘとおくと、Ｄ” ｃｃ−Ｘ”２１ｎＸ／ｒｒ：Ｔ （０＜Ｘ＜１） −−−−−−一曲−（Ｉｎ）ここで
、 Ｙ ＝ −Ｘ”２１ｎＸ／Ｆ丁：ズー（０＜ Ｘ
＜ １ ） 、、−−−−−−−一−−−−−−００
とおくと、 ｄＸ （１−Ｘ）””−−−−・
・−・・−・・−・−一−−− 面となる。数値計算に
よると、この値は、Ｘ＝＝０．６７の時に０となり、ま
た、この時Ｙは最大となる。この様子を第５図に示す。
形成する正方形の一辺の長さを２Ｒｏとする。正方形サ
ーモパイルの場合には、検出器面積Ａ、感度Ｒｅｓにつ
いて、円形サーモパイルの場合と同様の議論が成り立つ
。しかしながら、熱電対は放射状ではなく平行に並べら
れているため、Ｖｎ／ｒτＴ”ＣＣ＄ 戊 。−−（８） となる。従って１ 、−−−−−・−−−−−−−−−−−・−・・・−（
９）となる。円形サーモパイルの゛場合と同様、この式
は、Ｄ′″が、冷接点が形成する正方形の一辺の長さ２
Ｒとその内部設計で決まるＲｏ／Ｒで決まり、熱電対数
によらないこと、また、チップ内部の設計が同じ（相似
の）場合には、Ｄ′″がチップの大きさに比例すること
を意味する。円形サーモパイルの時と同様にＲ，／Ｒを
Ｘとおくと、Ｄ” ｃｃ−Ｘ”２１ｎＸ／ｒｒ：Ｔ （０＜Ｘ＜１） −−−−−−一曲−（Ｉｎ）ここで
、 Ｙ ＝ −Ｘ”２１ｎＸ／Ｆ丁：ズー（０＜ Ｘ
＜ １ ） 、、−−−−−−−一−−−−−−００
とおくと、 ｄＸ （１−Ｘ）””−−−−・
・−・・−・・−・−一−−− 面となる。数値計算に
よると、この値は、Ｘ＝＝０．６７の時に０となり、ま
た、この時Ｙは最大となる。この様子を第５図に示す。
円形サーモパイルの場合と同様に、素子性能の変動等か
ら検出能は最大値の９５％以上の値とすることが望マシ
く、９５％未満の場合はサーモパイルのより小型化が困
難である。
ら検出能は最大値の９５％以上の値とすることが望マシ
く、９５％未満の場合はサーモパイルのより小型化が困
難である。
上記したように、正方形サーモバイルでは、温接点が形
成する正方形の一辺の長さを、冷接点が形成する正方形
の一辺の長さの０．５４〜０．７９倍とすることにより
、検出能最大のサーモパイル装置が得られる。これに対
し、従来の正方形サーモバイルは、温接点が形成する正
方形の一辺の長さが、冷接点が形成する正方形の一辺の
長さの０．４６倍程度のものが多く、本発明の０．５４
〜０．７９倍とした例はない。
成する正方形の一辺の長さを、冷接点が形成する正方形
の一辺の長さの０．５４〜０．７９倍とすることにより
、検出能最大のサーモパイル装置が得られる。これに対
し、従来の正方形サーモバイルは、温接点が形成する正
方形の一辺の長さが、冷接点が形成する正方形の一辺の
長さの０．４６倍程度のものが多く、本発明の０．５４
〜０．７９倍とした例はない。
以上のように、本発明のサーモパイル装置は、チップの
大きさが与えられた条件下で最大の検出能を持つ。
大きさが与えられた条件下で最大の検出能を持つ。
以下、本発明の実施例を第１図〜第３図を参照して説明
する。なお、実施例の全図において、第６図〜第９図の
従来例と同−又は対応する部分には同一の符号を付す。
する。なお、実施例の全図において、第６図〜第９図の
従来例と同−又は対応する部分には同一の符号を付す。
第１図及び第２図は、本発明の第１の実施例によるサー
モパイル装置の構成を示す。
モパイル装置の構成を示す。
第２図に示すように、このサーモパイル装置は、例えば
Ｐ型のシリコン基板ｌｌ上に成長させた例えばｎ型のシ
リコンエピタキシャル層１２に設ケられている。そして
、第１図に示すように、第１及び第２導体層１４及び１
６を温接点側の所定の中心のまわりに放射状に配置し、
これらの第１及び第２導体層１４及び１６を直列接続し
てなる熱電対を複数個ジグザグ状に直列接続したものの
中央部に電磁波吸収体層１９を設けたものである。
Ｐ型のシリコン基板ｌｌ上に成長させた例えばｎ型のシ
リコンエピタキシャル層１２に設ケられている。そして
、第１図に示すように、第１及び第２導体層１４及び１
６を温接点側の所定の中心のまわりに放射状に配置し、
これらの第１及び第２導体層１４及び１６を直列接続し
てなる熱電対を複数個ジグザグ状に直列接続したものの
中央部に電磁波吸収体層１９を設けたものである。
２０．２１は引出線端子であり、２２はアイソレーショ
ン用の例えばｐ°型の拡散層である。
ン用の例えばｐ°型の拡散層である。
このサーモパイル装置においては、電磁波吸収体層１９
に例えば赤外線を投射すると、この電磁波吸収体層１９
はそれを吸収して昇温し、温接点側温度が上昇する。こ
れによって冷接点側との間に温度差が生じ、熱起電力を
生じる。そして、この熱起電力は電圧として引出線端子
２０．２１から出力されるようになっている。
に例えば赤外線を投射すると、この電磁波吸収体層１９
はそれを吸収して昇温し、温接点側温度が上昇する。こ
れによって冷接点側との間に温度差が生じ、熱起電力を
生じる。そして、この熱起電力は電圧として引出線端子
２０．２１から出力されるようになっている。
第２図に示すように、このサーモパイル装置においては
、例えばｐ型の単結晶シリコン基板１１上に成長させた
ｎ型のシリコンエピタキシャル層１２中にｐ°型型数散
層らなる第１導体層１４が形成すれ、シリコンエピタキ
シャル層１２の表面に形成された二酸化シリコン等の絶
縁層１３を介してこの第１導体層１４上りこ第２導体層
１６が形成されている。この第２導体層１６はｎ型の単
結晶シリコンであるのが好ましいが、ｎ型の多結晶シリ
コン又はｎ型のアモルファスシリコンでもよく、更には
、例えばアルミニウムでもよい。第１図に示すように放
射状に配置されたこれらの第１及び第２導体層１４及び
１６は、各々の一端同士及び他端同士がアルミニウム等
の金属層１７により接続されている。１８は二酸化シリ
コン等の絶縁層である。また、２３は、シリコンエピタ
キシャル層１２中に形成された例えばｎ゛型の拡散層、
２５．２６はアルミニウム等の金属層である。
、例えばｐ型の単結晶シリコン基板１１上に成長させた
ｎ型のシリコンエピタキシャル層１２中にｐ°型型数散
層らなる第１導体層１４が形成すれ、シリコンエピタキ
シャル層１２の表面に形成された二酸化シリコン等の絶
縁層１３を介してこの第１導体層１４上りこ第２導体層
１６が形成されている。この第２導体層１６はｎ型の単
結晶シリコンであるのが好ましいが、ｎ型の多結晶シリ
コン又はｎ型のアモルファスシリコンでもよく、更には
、例えばアルミニウムでもよい。第１図に示すように放
射状に配置されたこれらの第１及び第２導体層１４及び
１６は、各々の一端同士及び他端同士がアルミニウム等
の金属層１７により接続されている。１８は二酸化シリ
コン等の絶縁層である。また、２３は、シリコンエピタ
キシャル層１２中に形成された例えばｎ゛型の拡散層、
２５．２６はアルミニウム等の金属層である。
実際には、この実施例によるサーモパイル装置は、図示
省略したパッケージの台部に接着剤等により取り付けら
れ、電磁波透過窓（赤外線ならシリコン板）付きのキャ
ップを被せて、パッケージ内を不活性ガス封入又は真空
引きして使用する。
省略したパッケージの台部に接着剤等により取り付けら
れ、電磁波透過窓（赤外線ならシリコン板）付きのキャ
ップを被せて、パッケージ内を不活性ガス封入又は真空
引きして使用する。
そして、この透過窓を通った電磁波が電磁波吸収体層１
９に吸収されて、電磁波吸収体層１９が加熱されること
により昇温し、それが熱起電力を生じさせて、これが出
力電圧として検出される。
９に吸収されて、電磁波吸収体層１９が加熱されること
により昇温し、それが熱起電力を生じさせて、これが出
力電圧として検出される。
本例において、冷接点部半径Ｒは２１ｗｎ）である。そ
して、本発明の実施例として温接点部半径Ｒ０が冷接点
部半径Ｒの０．６１倍のサーモパイル装置、従来品に相
当するものとして温接点部半径Ｒ０が冷接点部半径Ｒの
０．４１倍のサーモパイル装置、更に、比較対照試料と
して、特許請求の範囲より従来品とは反対側に外れた温
接点部半径Ｒ０が冷接点部半径Ｒの０．８５倍のサーモ
パイル装置を夫々製作した。その結果、本発明の実施例
である温接点部半径Ｒ０が冷接点部半径Ｒの０．６１倍
のサーモパイル装置の検出能は７．６Ｘ１０’（ｃ１１
０／Ｗ）であり、従来品に相当する温接点部半径Ｒ０が
冷接点部半径Ｒの０．４１倍のサーモパイル装置の検出
能は６．７Ｘ１０’（ｃｖｌ−ｒＴｒ／ Ｗ ）であり
、また、比較対照試料の温接点部半径Ｒ０が冷接点部半
径Ｒの０．８５倍のサーモパイル装置の検出能は６．ｌ
Ｘｌ０’ Ｃｃｒｓ、ｒ旧−／Ｗ〕であった。
して、本発明の実施例として温接点部半径Ｒ０が冷接点
部半径Ｒの０．６１倍のサーモパイル装置、従来品に相
当するものとして温接点部半径Ｒ０が冷接点部半径Ｒの
０．４１倍のサーモパイル装置、更に、比較対照試料と
して、特許請求の範囲より従来品とは反対側に外れた温
接点部半径Ｒ０が冷接点部半径Ｒの０．８５倍のサーモ
パイル装置を夫々製作した。その結果、本発明の実施例
である温接点部半径Ｒ０が冷接点部半径Ｒの０．６１倍
のサーモパイル装置の検出能は７．６Ｘ１０’（ｃ１１
０／Ｗ）であり、従来品に相当する温接点部半径Ｒ０が
冷接点部半径Ｒの０．４１倍のサーモパイル装置の検出
能は６．７Ｘ１０’（ｃｖｌ−ｒＴｒ／ Ｗ ）であり
、また、比較対照試料の温接点部半径Ｒ０が冷接点部半
径Ｒの０．８５倍のサーモパイル装置の検出能は６．ｌ
Ｘｌ０’ Ｃｃｒｓ、ｒ旧−／Ｗ〕であった。
第３図は、本発明の第２の実施例によるサーモパイル装
置の構成を示す。
置の構成を示す。
本例は、第１及び第２導体層１４及び１６を、温接点側
の所定の中心のまわりに互いに平行に、そして全体とし
て十字形に配置したものである。
の所定の中心のまわりに互いに平行に、そして全体とし
て十字形に配置したものである。
２０．２１は引出線端子、２２はアイソレーション用の
例えばｐ゛型の拡散層である。
例えばｐ゛型の拡散層である。
本例において、冷接点部の一辺の長さ２Ｒは４〔鴎−］
である。そして、本発明の実施例として温接点部の一辺
の長さ２Ｒ，が冷接点部の一辺の長さ２Ｒの０．６７倍
のサーモパイル装置、従来品に相当するものとして温接
点部の一辺の長さ２Ｒ。
である。そして、本発明の実施例として温接点部の一辺
の長さ２Ｒ，が冷接点部の一辺の長さ２Ｒの０．６７倍
のサーモパイル装置、従来品に相当するものとして温接
点部の一辺の長さ２Ｒ。
が冷接点部の一辺の長さ２Ｒの０．４６倍のサーモパイ
ル装置、更に、比較対照試料として、特許請求の範囲よ
り従来品とは反対側に外れた温接点部の一辺の長さ２Ｒ
ｏが冷接点部の一辺の長さ２Ｒの０．８５倍のサーモパ
イル装置を夫々製作した。その結果、本発明の実施例で
ある温接点部の一辺の長さ２Ｒ，が冷接点部の一辺の長
さ２Ｒの０．６７倍のサーモパイル装置の検出能は７．
ＩＸ １０ ’ Ｃｃｒａ（Ｔｉ／ Ｗ ）であり、
従来品に相当する温接点部の一辺の長さ２Ｒｏが冷接点
部の一辺の長さ２Ｒの０．４６倍のサーモパイル装置の
検出能は６．０ＸＩＯ’ Ｃｃｔａ（Ｔｉシ′Ｗ〕で
あり、また、比較対照試料の温接点部の一辺の長さ２Ｒ
。
ル装置、更に、比較対照試料として、特許請求の範囲よ
り従来品とは反対側に外れた温接点部の一辺の長さ２Ｒ
ｏが冷接点部の一辺の長さ２Ｒの０．８５倍のサーモパ
イル装置を夫々製作した。その結果、本発明の実施例で
ある温接点部の一辺の長さ２Ｒ，が冷接点部の一辺の長
さ２Ｒの０．６７倍のサーモパイル装置の検出能は７．
ＩＸ １０ ’ Ｃｃｒａ（Ｔｉ／ Ｗ ）であり、
従来品に相当する温接点部の一辺の長さ２Ｒｏが冷接点
部の一辺の長さ２Ｒの０．４６倍のサーモパイル装置の
検出能は６．０ＸＩＯ’ Ｃｃｔａ（Ｔｉシ′Ｗ〕で
あり、また、比較対照試料の温接点部の一辺の長さ２Ｒ
。
が冷接点部の一辺の長さＲの０．８５倍のサーモパイル
装置の検出能は６ 、 Ｉ Ｘ １０ ’ （ｃｍ
Ｊ／ Ｗ ］であった。
装置の検出能は６ 、 Ｉ Ｘ １０ ’ （ｃｍ
Ｊ／ Ｗ ］であった。
本発明によれば、大きさの制限されたチップ内で最大の
検出能を持つサーモパイル装置を提供することができ、
従って、大きな検出能を持つサーモパイル装置を安価に
提供でき、ひいては、これを用いた放射温度計や熱赤外
画像撮影装置などの温度分解能を向上させたり、測定温
度範囲を拡大することができる。
検出能を持つサーモパイル装置を提供することができ、
従って、大きな検出能を持つサーモパイル装置を安価に
提供でき、ひいては、これを用いた放射温度計や熱赤外
画像撮影装置などの温度分解能を向上させたり、測定温
度範囲を拡大することができる。
第１図は本発明の第１の実施例によるサーモパイル装置
の平面図、第２図は第１図のサーモパイル装置の断面回
、第３図は本発明の第２の実施例によるサーモパイル装
置の平面図、第４図は円形サーモパイルの検出能の平面
構造設計による変化（計算値）を表すグラフ、第５図は
正方形サーモバイルの検出能の平面構造設計による変化
（計算値）を表すグラフ、第６図はシリコンを用いた従
来のサーモパイルを示す斜視図、第７図は第６図のサー
モバイルにおける第１及び第２導体層の接続状態を示す
説明図、第８図及び第９図は第１及び第２導体層の配置
例を示す平面図である。 なお、図面に用いた符号において、 １１ ・・・・・・・・・ 単結晶シリコン基板１２
・・・・・・・・・ シリコンエピタキシャル層１３．
１８ ・・・ 絶縁層 １４ ・・・・・・・・・ 第１導体層１６ ・・・・
・・・・・ 第２導体層１９ ・・・・・・・・・ 電
磁波吸収体層２２ ・−・・・・・・・ アイソレーシ
ョン用拡散層である。 第１図 第 図 第 図 第 図 鄭＋１編 （画一＞ｃｍ懐８） 第 図 悪田躍 （連輪ＯＩＩ懐Ｓ） 第 図
の平面図、第２図は第１図のサーモパイル装置の断面回
、第３図は本発明の第２の実施例によるサーモパイル装
置の平面図、第４図は円形サーモパイルの検出能の平面
構造設計による変化（計算値）を表すグラフ、第５図は
正方形サーモバイルの検出能の平面構造設計による変化
（計算値）を表すグラフ、第６図はシリコンを用いた従
来のサーモパイルを示す斜視図、第７図は第６図のサー
モバイルにおける第１及び第２導体層の接続状態を示す
説明図、第８図及び第９図は第１及び第２導体層の配置
例を示す平面図である。 なお、図面に用いた符号において、 １１ ・・・・・・・・・ 単結晶シリコン基板１２
・・・・・・・・・ シリコンエピタキシャル層１３．
１８ ・・・ 絶縁層 １４ ・・・・・・・・・ 第１導体層１６ ・・・・
・・・・・ 第２導体層１９ ・・・・・・・・・ 電
磁波吸収体層２２ ・−・・・・・・・ アイソレーシ
ョン用拡散層である。 第１図 第 図 第 図 第 図 鄭＋１編 （画一＞ｃｍ懐８） 第 図 悪田躍 （連輪ＯＩＩ懐Ｓ） 第 図
Claims (3)
- （１）シリコン基板上に形成された第１導電型のシリコ
ンエピタキシャル層中に形成された第２導電型の第１導
体層とこの第１導体層上に第１絶縁層を介して形成され
た第２導体層とを直列接続してなる複数の熱電対が交互
に折れ曲がって温接点側の所定の中心のまわりに放射状
に直列接続され、上記中心上に第２絶縁層を介して電磁
波吸収体層が設けられているサーモパイルであって、 上記複数の熱電対の温接点が形成する円の半径が、冷接
点が形成する円の半径の０．４６〜０．７４倍であるこ
とを特徴とするシリコンを用いたサーモパイル装置。 - （２）シリコン基板上に形成された第１導電型のシリコ
ンエピタキシャル層中に形成された第２導電型の第１導
体層とこの第１導体層上に第１絶縁層を介して形成され
た第２導体層とを直列接続してなる複数の熱電対が交互
に折れ曲がって温接点側の所定の中心のまわりに互いに
平行に且つ全体として十字形に直列接続され、上記中心
上に第２絶縁層を介して電磁波吸収体層が設けられてい
るサーモパイルであって、 上記複数の熱電対の温接点が形成する方形の一辺の長さ
が、冷接点が形成する方形の一辺の長さの０．５４〜０
．７９倍であることを特徴とするシリコンを用いたサー
モパイル装置。 - （３）上記第１導体層が第２導電型の単結晶シリコン層
であり、上記第２導体層が第１導電型の単結晶シリコン
層であることを特徴とする請求項１又は２記載のシリコ
ンを用いたサーモパイル装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2216422A JPH0498883A (ja) | 1990-08-16 | 1990-08-16 | シリコンを用いたサーモパイル装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2216422A JPH0498883A (ja) | 1990-08-16 | 1990-08-16 | シリコンを用いたサーモパイル装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0498883A true JPH0498883A (ja) | 1992-03-31 |
Family
ID=16688319
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2216422A Pending JPH0498883A (ja) | 1990-08-16 | 1990-08-16 | シリコンを用いたサーモパイル装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0498883A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6998612B2 (en) | 2002-10-25 | 2006-02-14 | Denso Corporation | Sensor having membrane |
| US7859091B2 (en) | 2007-02-22 | 2010-12-28 | Denso Corporation | Manufacturing methods for semiconductor device with sealed cap |
| US20170219428A1 (en) * | 2015-07-15 | 2017-08-03 | Eko Instruments Co., Ltd. | Pyranometer |
-
1990
- 1990-08-16 JP JP2216422A patent/JPH0498883A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6998612B2 (en) | 2002-10-25 | 2006-02-14 | Denso Corporation | Sensor having membrane |
| DE10344373B4 (de) * | 2002-10-25 | 2013-08-14 | Denso Corporation | Sensor mit Membran |
| US7859091B2 (en) | 2007-02-22 | 2010-12-28 | Denso Corporation | Manufacturing methods for semiconductor device with sealed cap |
| US8349634B2 (en) | 2007-02-22 | 2013-01-08 | Denso Corporation | Semiconductor device with sealed cap |
| US20170219428A1 (en) * | 2015-07-15 | 2017-08-03 | Eko Instruments Co., Ltd. | Pyranometer |
| US9909919B2 (en) | 2015-07-15 | 2018-03-06 | Eko Instruments Co., Ltd. | Pyranometer |
| US10048122B2 (en) * | 2015-07-15 | 2018-08-14 | Eko Instruments Co., Ltd. | Pyranometer |
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