JPH06160185A

JPH06160185A - 赤外線検出素子

Info

Publication number: JPH06160185A
Application number: JP31464692A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Himesawa; 秀和姫澤; Motoo Igari; 素生井狩; Fumihiro Kamiya; 文啓紙谷
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1992-11-25
Filing date: 1992-11-25
Publication date: 1994-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】例えば、人体検知のような温度差を検出する
ために適した小型で、低雑音、高感度化を図ること。【構成】４個の同特性のサーミスタでブリッジ回路を
構成する。環境の温度変化に対しては、４個のサーミス
タが同様に抵抗値変化を起こすので、信号出力端子ａ−
ｂ間の電位差は発生しない。電源１で発生するノイズは
ブリッジ回路の両辺に分散する。この時、４個のサーミ
スタ（赤外線検出部Ｔａ〜Ｔｄ）が同特性であれば、ブ
リッジの両辺に分散するノイズＶｎ₁とＶｎ₂は等しく
なる。点ａの電位をＶａ＋Ｖｎ₁、点ｂの電位をＶｂ＋
Ｖｎ₂とすると、信号出力端子ａ−ｂ間の電位差は、
（Ｖａ＋Ｖｎ₁）−（Ｖｂ＋Ｖｎ₂）となる。従って、
信号出力端子ａ−ｂ間の電位差を検出する時、ノイズＶ
ｎ₁とＶｎ₂は相殺され、電源ノイズは出力信号には影
響を及ぼさないのである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、温度による抵抗の変化
を利用して赤外線を検出する赤外線検出素子に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】本件出願人は、特開平３−２８７０２２
号公報、特開平３−２８７０２３号公報に示すように、
簡単で能率的に、且つ低コストで製造でき、小型である
赤外線検出素子を提案している。前記赤外線検出素子で
は、半導体基板の片面に赤外線検出部を備え、半導体基
板の赤外線検出部の裏側に熱分離空間を形成している。

【０００３】この赤外線検出部は、膜厚０．１〜５．０
μｍの多結晶シリコン又は非晶質シリコンからなる薄膜
抵抗体と、この薄膜抵抗体の表面を覆う複数の電極及び
赤外線を吸収する赤外線吸収膜から成っている。上記電
極は、薄膜抵抗体の抵抗値を計測し、配線を通して信号
処理回路で検出するもので、一般に半導体プロセスで作
製できるようにアルミが使用されている。

【０００４】赤外線検出部と半導体基板とは熱分離空間
にて熱的に分離することにより、赤外線検出の感度が良
好になる。赤外線検出部と半導体基板とを熱分離するた
めに、赤外線検出部の下部の半導体基板をエッチング等
により取り除いている。赤外線検出部は、シリコン酸化
膜あるいは、シリコン窒化膜あるいはそれらの多層膜か
らなる絶縁膜上の形成されている。

【０００５】また、他の従来例としては、例えば、特開
平２−２０１２２９号公報が挙げられる。これは、４個
のサーミスタ素子から成る赤外線センサーである。この
従来例は、図８及び図９に示すように、絶縁基板２１の
表面上には銅箔２２が設けてあり、更に、銅箔２２の表
面には絶縁層２３が形成してある。この絶縁層２３の上
にはサーミスタ材料からなる感熱層２４が設けてある。

【０００６】上記感熱層２４の形成後に、予定されるサ
ーミスタ素子の端子となる所定位置に、白金等の金属を
スパッタして導電体層電極２５を設けている。そして、
次に、予定されるサーミスタ素子にとって不要な感熱層
の部分をエッチングにて除去し、図８（ｂ）に示すよう
なパターン形状のサーミスタ素子が形成される。更に、
こうして素子が形成された面の上には、絶縁層２６を形
成した後、電極２５の位置に当たる絶縁層２６には、リ
ード線引出し用の開口２７が形成される。

【０００７】次に、素子の感熱層２４の検知部位に当た
る絶縁層２６の上には、光吸収層８が形成される。その
後、それぞれ形成されたサーミスタ素子の周囲にある不
要な絶縁層２６をエッチングで除去して銅箔２２を露出
させ、更に、銅箔２２の不要部分をエッチングで除去す
ると共に、検知部位の下側の銅箔部分も除去して空洞部
２９を形成する。

【０００８】こうして、電極２５部分の下側に銅箔２２
の橋架支持部を有する多層薄膜構造の橋架型サーミスタ
素子が得られる。このようにして１個の基板上に隣接し
て設けたそれぞれのサーミスタ素子は、図８（ｂ）のよ
うな形状に形成され、すべて同一の特性を有するものと
なる。上述のように１チップ上に形成された４個のサー
ミスタ素子は、図９に示すように回路結線される。こう
して結線された４個のサーミスタ素子のうち、例えば、
Ｔ₂とＴ₃とを赤外線検知素子として用いるときには、
温度補償素子となるＴ ₁とＴ₄との前面には少なくとも
赤外線遮蔽用の遮光体を設けた上、素子が搭載されたチ
ップを取り付けたステムに対して赤外線透過用フィルタ
が設けられたキャップを被着し、封止して赤外線センサ
ーを得るようになっている。

【０００９】そして、この従来例における赤外線センサ
ーは、ブリッジ回路の４辺を構成するサーミスタ素子が
すべて同一の特性を有しており、その１組の対辺に配置
された素子が赤外線検知用に、また他の１組の対辺に配
置された素子が温度補償用に用いられるようになってい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記図８及び図９に示
すサーミスタ素子は、銅箔２２の上に形成されており、
最後の工程でこの銅箔２２の一部をエッチングで除去す
る際のサイドエッチを利用することにより、架橋構造を
形成している。従って、サーミスタの構造に制約があ
り、幅が狭い長方形（線上）しか形成できないという問
題があった。すなわち、大きく幅広な形状のサーミスタ
が形成できないため人体検知には不向きであった。

【００１１】また、温度補償用として少なくとも１個の
サーミスタは遮蔽されているが、人体検知には温度補償
は不要である。本発明は上述の点に鑑みて提供したもの
であって、例えば、人体検知のような温度差を検出する
ために適した小型で、低雑音、高感度化を図ることを目
的とした赤外線検出素子を提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板の
一面に４つの赤外線検出部を備え、この赤外線検出部に
下部の基板がエッチングにより取り除かれた構造の赤外
線検出素子において、上記赤外線検出部をサーミスタで
構成すると共に、４つの赤外線検出部にてブリッジ回路
を構成し、各辺の赤外線検出部の接続点より出力される
出力を差動増幅する差動増幅器を設けたものである。

【００１３】また、請求項２においては、４つの赤外線
検出部を２行２列に配置し、行方向あるいは列方向に隣
接する赤外線検出部を、ブリッジ回路の対角に位置させ
ている。請求項３では、赤外線検出部を２個づつ近接し
て配置したものである。さらに、請求項４においては、
半導体基板の上面に形成した熱絶縁用の薄膜上に２個の
赤外線検出部を近接して配置したものである。

【００１４】

【作用】而して、同一の半導体基板上にサーミスタから
なる赤外線検出部を４つ形成しているために、温度特性
が同特性となり、そのため、電源部で発生したノイズは
ブリッジ回路の両辺に分散すると共に、この分散したノ
イズは等しくなる。そして、ブリッジ回路の両辺の出力
を差動増幅器にて差動増幅することで、ノイズが相殺さ
れることになる。従って、従来のように温度補償部を設
ける必要がなく、赤外線検出部を４個すべて赤外線受光
部としていることで、広視野、低雑音で高感度な赤外線
検出素子を実現することができる。

【００１５】また、請求項２においては、４つの赤外線
検出部を２行２列に配置し、行方向あるいは列方向に隣
接する赤外線検出部を、ブリッジ回路の対角に位置させ
ていることで、ブリッジ回路の両辺の出力の電位差を実
施例１のブリッジ回路における電位差の約２倍となり、
より高感度な赤外線検出素子を実現することができるも
のである。

【００１６】請求項３では、赤外線検出部を２個づつ近
接して配置したものであるから、低雑音で高感度な赤外
線検出素子を実現することができる。さらに、請求項４
においては、半導体基板の上面に形成した熱絶縁用の薄
膜上に２個の赤外線検出部を近接して配置したものであ
るから、赤外線検出部は半導体プロセスによって形成す
るので、２個の赤外線検出部の間隔をμｍオーダーまで
接近させることが可能で、赤外線検出部の有効面積を増
加させることができる。従って、請求項３記載の実施例
の場合よりも、より低雑音で高感度な赤外線検出素子を
実現することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図２（ａ）は赤外線検出素子Ａの平面図を示し、
（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ断面図を示している。本発
明における赤外線検出素子Ａは、本出願人が既に出願し
た先の従来例の赤外線検出素子を４個でブリッジ回路を
構成している。

【００１８】本発明における赤外線検出素子Ａを図２で
は、半導体基板１の片面に４つの赤外線検出部Ｔａ，Ｔ
ｂ，Ｔｃ，Ｔｄを備え、赤外線検出部Ｔａ，Ｔｂ，Ｔ
ｃ，Ｔｄの下部の基板がエッチングにより取り除かれた
構成となっている。赤外線検出部Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔ
ｄ（以下、代表してＴａと記す）は、膜厚０．１〜５．
０μｍの多結晶シリコン又は非晶質シリコンからなる薄
膜抵抗体５と、この薄膜抵抗体５の表面を覆う複数の電
極６から成り、赤外線検出部Ｔａの表面には赤外線を吸
収する赤外線吸収膜７を設けている。

【００１９】尚、３は半導体基板１の上面に形成されて
いる熱絶縁薄膜で、４は薄膜抵抗体５の下側に設けた電
極である。電極４，６は薄膜抵抗体５の抵抗値を計測す
るものであり、一般に半導体プロセスで作製できるよう
にアルミやクロムなどを用いている。赤外線検出部Ｔａ
と半導体基板１とは熱分離空間２にて熱的に分離してお
り、これにより、赤外線検出部Ｔａの感度を良好にして
いる。また、赤外線検出部Ｔａと半導体基板１とを熱分
離するために、赤外線検出部Ｔａの下部の基板をエッチ
ング等により取り除いている。

【００２０】赤外線検出部Ｔａは、シリコン酸化膜ある
いは、シリコン窒化膜あるいはそれらの多層膜から成る
上記熱絶縁薄膜３上に形成されている。なお、半導体基
板１には、赤外線検出部Ｔａと共に、検出された信号を
増幅したり、雑音を除去したり、適当な処理を行う信号
処理回路を設けておくようにしておいても良い。

【００２１】図１は上記４つの赤外線検出部Ｔａ，Ｔ
ｂ，Ｔｃ，Ｔｄをブリッジ接続した回路を示し、図１及
び図２（ａ）に示すように、赤外線検出部ＴａとＴｃと
の接続点を信号出力端子ａとし、赤外線検出部ＴｂとＴ
ｄの接続点を信号出力端子ｂとしている。上記信号出力
端子ａ，ｂからの出力を差動増幅器１２にて増幅して出
力するようにしている。尚、１１は電源である。

【００２２】ここで、上記４個の赤外線検出部Ｔａ・・
・は、すべてが赤外線を受光するように赤外線吸収膜７
を有しており、温度補償用のサーミスタは存在しない。
従って、多分割の光学系により図３に示すような検知エ
リアを実現でき、広い検知領域で高感度な赤外線検知装
置を実現することができる。また、温度差を相対的に検
出するためには温度補償用のサーミスタは不要であり、
言い換えると、４個のサーミスタをすべて赤外線検出部
（Ｔａ・・・）として用いるような本発明の赤外線検出
素子Ａは温度差検知に有効である。

【００２３】４個の同特性のサーミスタでブリッジ回路
を構成することにより、環境の温度変化に対して感度を
一定に保つことができる。サーミスタは、温度変化に従
って抵抗値が変化する特性があるが、環境の温度変化に
対しては、４個のサーミスタが同様に抵抗値変化を起こ
すので、図１に示す信号出力端子ａ−ｂ間の電位差は発
生しない。

【００２４】また、電源部（電源１）で発生するノイズ
がブリッジにおいて相殺され、出力に達しないため、高
感度、低ノイズの赤外線検出素子が実現できる。電源１
で発生するノイズはブリッジ回路の両辺に分散する。こ
の時、４個のサーミスタ（赤外線検出部Ｔａ・・・）が
同特性であれば、ブリッジの両辺に分散するノイズＶｎ
₁とＶｎ₂は等しくなる。

【００２５】点ａの電位をＶａ＋Ｖｎ₁、点ｂの電位を
Ｖｂ＋Ｖｎ₂とすると、信号出力端子ａ−ｂ間の電位差
は、（Ｖａ＋Ｖｎ₁）−（Ｖｂ＋Ｖｎ₂）となる。従っ
て、信号出力端子ａ−ｂ間の電位差を検出する時、ノイ
ズＶｎ₁とＶｎ₂は相殺され、電源ノイズは出力信号に
は影響を及ぼさないのである。尚、赤外線検出部Ｔａ・
・・を構成するサーミスタはどのような形状でも良い。

【００２６】（実施例２）図４に実施例２を示す。先の
実施例と異なる点は、ブリッジ回路の接続方法である。
すなわち、図４に示すように、サーミスタ（赤外線検出
部）ＴａとＴｂがブリッジ回路では対角に位置せしめて
いる。また、サーミスタＴａとＴｂに同時に赤外線が入
射した場合、サーミスタＴａは温度上昇のため抵抗値が
小さくなり、点ａの電位Ｖａは大きくなる。一方、サー
ミスタＴｂの抵抗値が減少すれば、点ｂの電位Ｖｂは小
さくなる。

【００２７】そのため、信号出力端子ａ−ｂ間の電位差
は先の実施例のブリッジ回路における電位差の約２倍と
なる。この実施例における赤外線検出素子は、特定の方
向に動く人体を感度良く検知したい場合に有効である。
その他の特徴は先の実施例と同じである。

【００２８】（実施例３）実施例３を図５に示す。本実
施例では、赤外線検出部ＴａとＴｂ、赤外線検出部Ｔｃ
とＴｄを近接して配置し、図６のブリッジ回路に示すよ
うに、それぞれブリッジの対角になるように接続してい
る。ここで、電源部にノイズが発生した場合の説明は実
施例１と同じなので説明は省略する。

【００２９】赤外線検出部ＴａとＴｂに同時に赤外線が
入射した場合、赤外線検出部Ｔａは温度上昇のため抵抗
値が小さくなり、点ａの電位Ｖａは大きくなる。一方、
赤外線検出部Ｔｂの抵抗値が減少すれば、点ｂの電位Ｖ
ｂは小さくなる。そのため、信号出力端子ａ−ｂ間の電
位差は、１個の赤外線検出部に赤外線が入射したときの
電位差の約２倍となる。このように、図５に示すＸ方向
に熱源が移動した時、Ｙ方向より高感度に検出すること
ができる。

【００３０】また、本実施例における赤外線検出部は、
圧電素子を用いずにサーミスタを用いていることで、振
動やきしみによるノイズは全く生じないものである。と
ころで、赤外線検出素子として最も一般的なものは、赤
外線エネルギーによる温度変化に応じて電気信号が現れ
るという焦電効果を利用した圧電素子である。その中で
も、２つの素子を逆極性に接続して周囲環境の温度変化
を打ち消し合うようにしたデュアルタイプが主流であ
る。

【００３１】ところが、焦電素子は強誘電体の焦電効果
を利用しており、強誘電体は圧電体でもあるため、急激
な温度変動によるきしみ、振動等によって出力が生じ誤
動作するという問題がある。そこで、本実施例では、赤
外線検出部として、圧電素子を用いずに、サーミスタを
用いているものである。

【００３２】（実施例４）図７は実施例４を示し、赤外
線検出部ＴａとＴｂ、赤外線検出部ＴｃとＴｄが同一の
熱絶縁薄膜３上に形成したものである。赤外線検出部は
半導体プロセスによって形成するので、赤外線検出部Ｔ
ａとＴｂ、赤外線検出部ＴｃとＴｄの間隔はμｍオーダ
ーまで接近させることが可能で、赤外線検出部の有効面
積を増加させることができる。

【００３３】このとき、赤外線検出部Ｔａに入射した熱
が赤外線検出部Ｔｂへ逃げたとしても、赤外線検出部Ｔ
ｂの抵抗値変化による出力電圧は感度を高める方向に働
くので、近接させても問題はない。その他の特徴は実施
例３の場合と同様である。

【００３４】

【発明の効果】本発明は上述のように、半導体基板の一
面に４つの赤外線検出部を備え、この赤外線検出部に下
部の基板がエッチングにより取り除かれた構造の赤外線
検出素子において、上記赤外線検出部をサーミスタで構
成すると共に、４つの赤外線検出部にてブリッジ回路を
構成し、各辺の赤外線検出部の接続点より出力される出
力を差動増幅する差動増幅器を設けたものであるから、
同一の半導体基板上にサーミスタからなる赤外線検出部
を４つ形成しているために、温度特性が同特性となり、
そのため、電源部で発生したノイズはブリッジ回路の両
辺に分散すると共に、この分散したノイズは等しくな
る。そして、ブリッジ回路の両辺の出力を差動増幅器に
て差動増幅することで、ノイズが相殺されることにな
る。従って、従来のように温度補償部を設ける必要がな
く、赤外線検出部を４個すべて赤外線受光部としている
ことで、広視野、低雑音で高感度な赤外線検出素子を実
現することができるという効果を奏するものである。

【００３５】また、請求項２においては、４つの赤外線
検出部を２行２列に配置し、行方向あるいは列方向に隣
接する赤外線検出部を、ブリッジ回路の対角に位置させ
ていることで、ブリッジ回路の両辺の出力の電位差を実
施例１のブリッジ回路における電位差の約２倍となり、
より高感度な赤外線検出素子を実現することができるも
のである。

【００３６】請求項３では、赤外線検出部を２個づつ近
接して配置したものであるから、低雑音で高感度な赤外
線検出素子を実現することができる。さらに、請求項４
においては、半導体基板の上面に形成した熱絶縁用の薄
膜上に２個の赤外線検出部を近接して配置したものであ
るから、赤外線検出部は半導体プロセスによって形成す
るので、２個の赤外線検出部の間隔をμｍオーダーまで
接近させることが可能で、赤外線検出部の有効面積を増
加させることができる。従って、請求項３記載の実施例
の場合よりも、より低雑音で高感度な赤外線検出素子を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の赤外線検出素子のブリッジ回
路を示す図である。

【図２】（ａ）は同上の赤外線検出素子の平面図であ
る。（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。

【図３】同上の複数の赤外線検出素子を配置した場合の
説明図である。

【図４】同上の実施例２のブリッジ回路を示す図であ
る。

【図５】（ａ）は同上の実施例３の赤外線検出素子の平
面図である。（ｂ）は同上の赤外線検出素子の断面図で
ある。

【図６】同上の実施例３のブリッジ回路を示す図であ
る。

【図７】同上の実施例４の赤外線検出素子の平面図であ
る。

【図８】（ａ）は従来例の赤外線検出素子の断面図であ
る。（ｂ）は同上の赤外線検出素子の平面図である。

【図９】従来例の赤外線検出素子の結線状態を示す図で
ある。

【符号の説明】

１半導体基板２熱分離空間３熱絶縁薄膜４電極５薄膜抵抗体６電極７赤外線吸収膜１１電源１２差動増幅器Ｔａ赤外線検出部Ｔｂ赤外線検出部Ｔｃ赤外線検出部Ｔｄ赤外線検出部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の一面に４つの赤外線検出部
を備え、この赤外線検出部に下部の基板がエッチングに
より取り除かれた構造の赤外線検出素子において、上記
赤外線検出部をサーミスタで構成すると共に、４つの赤
外線検出部にてブリッジ回路を構成し、各辺の赤外線検
出部の接続点より出力される出力を差動増幅する差動増
幅器を設けたことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項２】４つの赤外線検出部を２行２列に配置
し、行方向あるいは列方向に隣接する赤外線検出部を、
ブリッジ回路の対角に位置させたことを特徴とする請求
項１記載の赤外線検出素子。
【請求項３】赤外線検出部を２個づつ近接して配置し
たことを特徴とする請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項４】半導体基板の上面に形成した熱絶縁用の
薄膜上に２個の赤外線検出部を近接して配置したことを
特徴とする請求項３記載の赤外線検出素子。