JPH0566529U - サーモパイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】温度変化、圧力変化にともなうダイアフラムの
歪や破壊等を回避し、常に安定した出力を得ると共に、
強度的にも従来に勝るサーモパイルを提供する。 【構成】基板のほぼ中央部の絶縁性被膜を基板表面から
浮かせることでダイアフラムを構成し、そのダイアフラ
ムには両面に通ずるスルーホールを設けた。 【効果】ダイアフラム下の空洞部ではスルーホールを通
して外気が常に出入りできるため、温度変化や真空封止
においても圧力の影響がなくダイアフラムに歪がかから
ない。また、基板を加工しないためダイアフラムを大型
化しても強度が大きく、ヒートシンクも充分機能でき
る。これらから従来より高出力で信頼性のあるサーモパ
イルが得られる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は赤外線検出素子として働くダイアフラム型サーモパイルに関し、特に ダイアフラムとそれを保持する基板の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来のダイアフラム型サーモパイルの構造について図４を用いて説明する。ヒ ートシンク２２となる熱伝導率の大きい基板１のほぼ中央にピット３０が設けら れ、全体を覆うように熱伝導率の小さなダイアフラム２１が張られている。この 従来にみられるダイアフラムの構造は、たとえば特開昭５３−４８７９１あるい は特開昭５４−１２５７８に記載されている。そしてダイアフラム２１上に温接 点４１が、ヒートシンク２２上に冷接点４２が位置するように熱電対４が多数配 置されている。基板１には一般的にシリコンウエハー等が用いられ、ダイアフラ ム２１としてはＳｉＯ₂ 膜あるいはＳｉ₃ Ｎ₄ 膜が用いられる。

【０００３】 このサーモパイルは、放射温度計などの赤外線検出用センサとして利用する時 には、ハーメチックシール用のステム等の基台８の上にマウントされる。この場 合、サーモパイル本体と基台８の温度ができるだけ同温度になるよう、熱伝導性 の良い金属ペースト等の接着剤７を用いて基板１と基台８とが密着した状態にす る。これにより、従来サーモパイルのピット３０部はダイアフラム２１と基台８ に挟まれて、密閉状態となる。そのため、温度変化によってピット３０内の圧力 が変化するとダイアフラム２１に歪を与え、出力特性に大きな影響を及ぼし、あ るいはダイアフラム２１が破損するという問題があった。また、サーモパイルの 出力はダイアフラム２１の大きさに左右され、できる限りダイアフラム２１の大 きさは大きな方がよい。しかし従来の構造では、ダイアフラム２１を大きくする とマウント時に基台８に接する面積が非常に小さくなり、ヒートシンク２２の性 能が充分に保てなる。また機械的強度も弱くなり壊れ易いなどの問題がある。

【０００４】 また、サーモパイルを真空中で用いると、空気中と比べて数倍出力が向上する ことが知られていが、その理由は、温接点４１から空気を介しての熱の散逸が抑 えられるためである。そこで、サーモパイルを真空封止してセンサとして用いる ことは高出力を得るための重要な方法と考えられる。ところが、従来のサーモパ イルにおいては、上述のようにピット３０内部はマウント時に密閉された構造に なっている。マウント作業は一般に大気圧において行うため、密閉されたピット ３０内部は大気圧で保持され、真空封止すると圧力差によりダイアフラム２１が 破損する。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

そこで本考案の目的は、上記の問題点を解決し、外気の温度変化が大きい場合 あるいは真空封止を行う場合においても、ダイアフラムが変形等を起こさず、常 に安定した出力が得られ、ヒートシンクの性能も良好で機械強度も大きなサーモ パイルを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために本考案においては、絶縁性被膜が形成されたヒート シンクとなる基板のほぼ中央に、基板と絶縁性被膜を空間的に分離するように空 洞部を設け、空洞部上の絶縁性被膜をダイアフラムとし、前記基板と接している 部分の絶縁性被膜をヒートシンクとし、ダイアフラム上に温接点、ヒートシンク 上に冷接点を有する多数の熱電対を配置し、前記ダイアフラム部には少なくとも １か所のスルーホールを形成し、このスルーホールを介して前記空洞部が外気と 導通できるようにした。

【０００７】

【作用】

本考案によれば、ダイアフラムを形成するための空洞部は常時外気と導通して 等圧状態になっているため、温度変化によるダイアフラムへの影響はなく、さら に真空封止も可能であるから高出力化にも対応でき、さらに基板にはピットが形 成されていないため、強度あるいはヒートシンクの性能に関しても信頼性がある サーモパイルが提供できる。

【０００８】

【実施例】

まず本考案のサーモパイルの構造について図１および図２を用いて説明する。 なお図１は本考案のサーモパイルの断面図であり、図２はその平面図である。

【０００９】 表面が平滑で熱伝導性の良好な基板１、たとえばＳｉウエハー上に絶縁性被膜 ２が成膜されている。基板１のほぼ中央部においては、絶縁性被膜２は浮き上が り空間的に基板１と分離されて、空洞部３を構成している。空洞部３に相当する 場所の絶縁性被膜２はダイアフラム２１となり、また基板１と接している部分で はヒートシンク２２となっている。絶縁性被膜２の上にはダイアフラム２１上に 温接点４１、ヒートシンク２２上に冷接点４２となるように、熱電対４が多数形 成されている。また熱電対４の端部には引き出し電極６が形成されている。

【００１０】 ここで、ダイアフラム２１にはスルーホール５が開けられている。スルーホー ル５は空洞部３にまで達しているため、空洞部３は密閉されておらず、常に外気 の出入りが可能になっている。ところで、熱電対４は図２のようなパターンとな っており、ダイアフラム２１すべての場所は使わず、４箇所のエッジ２３近辺に は形成されていない。それは、エッジ２３のかなり近くでは熱電対４の温接点４ １と冷接点４２の距離が近くなりすぎ１対当たりの出力は非常に減少し、もはや 作製しても全体の出力向上にはほとんど寄与しなくなるからである。ただし中心 部は反対に出力向上を考慮して利用する場合もある。そこで、本考案においては この４箇所のエッジ２３近傍にスルーホール５を形成した。ただし図２において は４個のスルーホール５が形成してあるが、最低１個有れば良い。

【００１１】 次に本考案のサーモパイルの作製法について図３を用いて説明する。まず図３ （ａ）に示すようにシリコンウエハーからなる基板１上にアルミ膜を成膜する。 アルミ膜はフォトエッチング技術により目的形状にパターン化され、犠牲層３１ となる。この犠牲層３１は、後に溶解して取り去り空洞部３を作り上げるためそ の名前としたが、それ故パターン形状は目的とする空洞部３の形状に等しい。つ づいて図３（ｂ）に示すように基板１全面にＳｉＯ₂ 膜あるいはＳｉ₃ Ｎ₄ 膜か らなる絶縁性被膜２を形成する。絶縁性被膜２の上には金膜を成膜およびパター ニングし引き出し電極を形成した後（図示せず）、ビスマスおよびアンチモンを 成膜しパターニングすることで図３（ｃ）に示すように熱電対４を作製する。こ れにつづき熱電対４が形成されていない場所で、かつ犠牲層３１の上に成膜され た絶縁性被膜２をフツ 酸系のエッチャントでエッチングしスルーホール５を形成 し、最後に形成したスルーホール５を利用して犠牲層３１であるアルミ膜を燐酸 −硝酸系のエッチャントにより溶解する。燐酸−硝酸系のエッチャントはアルミ を溶解するが、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜あるいはＳｉＯ₂ 膜またシリコンウエハーそれぞれ をほとんど溶解しない。そのため、犠牲層３１以外の部分はその前の形状を残し 、図１に示すような犠牲層３１が存在した空間が空洞部３となったサーモパイル が作製される。このスルーホール５は空洞部３の内部と外気とを導通する通気孔 として機能する。

【００１２】 実施例におけるサーモパイルの赤外線吸収はその構造から熱電対４あるいはダ イアフラム２１が直接行うこととなる。しかし、出力向上のためにダイアフラム ２１上に金黒等の黒体を形成し、赤外線吸収効率を高めることも可能である。

【００１３】 また実施例においては、基板１にシリコンウエハーを用いたが、熱伝導性が良 く表面が平滑なら、他の金属製基板を用いてもかまわない。また絶縁性被膜２も Ｔａ₂ Ｏ₅ やＡｌ₂ Ｏ₃ など他の酸化物膜あるいは有機物被膜も用いることがで きる。さらに犠牲層３１は、アルミの他に銅や鉄、その他のエッチングしやすい 金属なら何でも良く、また、フォトレジスト等も用いることができる。ただしこ れら基板１、絶縁性被膜２および犠牲層３１の材料を選択する場合、犠牲層３１ をエッチングするとき、犠牲層３１のエッチング速度に比較して基板１と絶縁性 被膜２のエッチング速度が非常に小さくなるような組み合わせを選ぶ必要がある 。

【００１４】

【考案の効果】

以上の説明により明らかなように本考案のサ−モパイルは温度変化が生じても ダイアフラムには歪の影響がなく常に安定した出力を得ることを可能とし、真空 封止にも問題なく用いることが可能である。さらに、基板にはピットが形成され ていないので強度的な弱点もなくダイアフラムは基板面積に近い大きさまで広げ ることが可能である。また基板の熱容量も充分大きくとれ基台へも密着させられ ることからも、大きな出力を安定して得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案のサーモパイルの要部断面図である。

【図２】本考案のサーモパイルの平面図である。

【図３（ａ）】、

【図３（ｂ）】、

【図３（ｃ）】本考案のサーモパイルの製造工程を示す
要部断面図である。

【図４】従来のサーモパイルの要部断面図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 絶縁性被膜 ２１ ダイアフラム ２２ ヒートシンク ２３ エッジ ３ 空洞部 ３０ ピット ３１ 犠牲層 ４ 熱電対 ４１ 温接点 ４２ 冷接点 ５ スルーホール ６ 引き出し電極 ７ 接着剤 ８ 基台

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性被膜が形成されたヒートシンクと
   なる基板のほぼ中央部に、基板と絶縁性被膜を空間的に
   分離するように空洞部が設けられており、この空洞部上
   方の絶縁性被膜はダイアフラムを形成しており、前記基
   板と接している部分の絶縁性被膜はヒートシンクを形成
   しており、前記ダイアフラムの上面には温接点を、前記
   ヒートシンクの上面に冷接点を有する多数の熱電対が前
   記絶縁性被膜の上面に配設されており、前記ダイアフラ
   ム部には少なくとも１か所のスルーホールが形成されて
   おり、このスルーホールを介して前記空洞部が常時外気
   と導通できる状態にあることを特徴とするサーモパイ
   ル。