JPH0663853B2 - 非接触型半導体温度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光吸収による温度上昇でセンサ部の電気抵抗
が変化することを利用して被測温体の温度を非接触で検
知する熱効果型の温度センサに関し、特に、宙吊状態の
センサ部を有する非接触型半導体温度センサに関するも
のである。

［従来の技術］ 被測温体の温度を非接触で測定する非接触型温度センサ
は、被測温体自身の温度に対応して熱輻射される光（赤
外線）を受光し、その光吸収による温度変化を抵抗変化
に変換して測温するもので、一般的に熱効果型赤外線温
度センサ（ボロメータ）と呼ばれている。そのセンサ部
の感度は温度増分に対する抵抗増分の比で与えられる
が、従来一般に、その比が大なる物質として例えば、F
e,Co,Ni,Mnなどの酸化物が用いられている。

従来、この種の非接触型温度センサとしては、第５図
（Ａ），（Ｂ）に示すように、基板１と赤外線フィルタ
2aを有する遮光キャップ２とからなる容器内において、
基板１に植立したピン1a,1b間に金属線3a,3bを以って横
架された長方形薄膜のセンサ体３とからなり、このセン
サ体３は前述したような物質で立体形単体に構成され、
ピン1a,1b間の空間において宙吊状態で配置されてい
る。センサ体３は赤外線フィルタ2aの真下に位置してお
り、フィルタ2aを通過した入射赤外光線が直接センサ体
３を照射することから、そのセンサ体３は被測温体の温
度変化に対応した抵抗値に変化する。

ところで、センサ体３を宙吊状態とする理由は、容器内
の気体を断熱材とし、固体同士の接触による熱伝導を極
力防止して、一旦捕捉した赤外線による輻射熱を散逸さ
せないためである。

［解決すべき問題点］ しかしながら、上記従来の非接触型温度センサにあって
は、次の問題点がある。

測温用センサ体３の構成物質は、Fe,Cc,Ni,Mnなどの
酸化物であり、温度当りの抵抗変化率（抵抗温度係数）
は３〜４％程度であり、未だ感度が充分ではなく、分解
能が悪い。

非接触型温度センサの製造にあたり、センサ体３をロ
ウ付けなどでピン1a,1b間に架設する配置接続作業を余
儀無くされ、手間及び時間がかかり、製品コスト高であ
る。

［発明の目的］ 本発明は、上記問題点を解決するものであり、その目的
は、高分解能であり、製品コストを低廉なものとしうる
非接触型温度センサを提供することにある。

［問題点の解決手段］ 上記目的を達成するため、本発明に係る非接触型半導体
温度センサの構成は、次の〜構成要件を有するもの
である。

開口部を具備する基板があること。

ここで「基板」には、シリコン，石英などの基板が含ま
れる。

多結晶シリコン膜に対し不純物拡散して形成された抵
抗膜を具備するセンサ部があること。

「不純物」には例えばP,A_Ｓなどが含まれる。

該センサ部を該開口部内において宙吊状態で該基板に
対し支持するメタルブリッジがあること。「メタルブリ
ッジ」は、Au,Ptなどを以って構成される。

［作用］ かかる構成によれば、被測温体から輻射された赤外線が
非接触型半導体温度センサに照射すると、多結晶シリコ
ン膜に対し不純物拡散して形成された抵抗膜が赤外線を
受光するが、この抵抗膜は抵抗温度係数が極めて大であ
ることから、その光吸収による僅小な温度変化によって
も抵抗値が大きく変化するので、被測温体の輻射温度が
高分解能で測定されることとなる。

［実施例］ 次に、本発明の一実施例を添付図面に基づいて説明す
る。

第１図は、本発明に係る非接触型半導体温度センサの一
実施例を示す拡大平面図である。

第２図は、第１図中II−II線で切断した状態を示す拡大
切断図である。

第３図は、第１図中III−III線で切断した状態を示す拡
大切断図である。

実施例の非接触型半導体温度センサ10は、シリコン基板
11、センサ部12、及びメタルブリッジ13,14から概略構
成されている。

半導体としてのシリコン基板11は、シリコンウエハを区
画細断してなる四角形状のチップで、センサ部12を非接
触で支持するための開口部15を中央に有しており、開口
部15内におけるセンサ部12とシリコン基板11との間には
非接触用間隙15aが形成されている。シリコン基板11の
表面にはSiO_２などの絶縁膜11aが形成されている。

センサ部12は、多結晶シリコン膜に対しP,A_Ｓなどの不
純物を拡散させて形成された抵抗膜12aと、この抵抗膜1
2a上に形成されたSiO_２などの絶縁膜12bと、この絶縁膜
12b上に形成されたAuブラックなどの光吸収率の大なる
光吸収膜12cと、この光吸収膜12cを被覆する保護膜12d
と、から構成されている。

メタルブリッジ13,14は互いに対向配置されており、各
メタルブリッジ13,（14）は、Auなどを以って構成さ
れ、センサ部12の抵抗膜12aの縁部付近にて接続導通す
るコンタクト部13a,（14a）と、非接触用間隙15aに架設
された弯曲形の一対のブリッジ部13b,（14b）と、シリ
コン基板11縁部の絶縁膜11a上に付着するボンディング
パッド部13c,（14c）と、から構成されている。

上記非接触型半導体温度センサ10は一般的な半導体製造
プロセスにより製造される。

即ち、第４図（Ａ）に示すように、面方位（100）のシ
リコンウエハ20を用意し、この表面及び裏面にSiO_２な
どを蒸着して絶縁膜20a,20bを形成する。また、絶縁膜2
0a上に多結晶シリコン膜を形成し、この多結晶シリコン
膜に対しP,A_Ｓなどの不純物を拡散して抵抗膜12aとなる
べき抵抗温度係数の大なる抵抗膜20cを形成する。

次に、第４図（Ｂ）に示すように、抵抗膜20c上にSiO₂
などの絶縁膜20dを形成し、この絶縁膜20d上においてセ
ンサ部12となるべき広さ範囲に亘り、Auブラック,Ptブ
ラックなどを蒸着して光吸収率大なる光吸収膜12cを形
成する。しかる後、この光吸収膜12cを含めて絶縁膜20d
を覆うSiO_２などの保護膜20eを形成する。

次に、第４図（Ｃ）に示すように、センサ部12となるべ
き以外の保護膜20e,絶縁膜20d,抵抗膜20cをエッチング
除去して絶縁膜20aを露出させると共に、抵抗膜20cの隣
接部分の絶縁膜20d,保護膜20eをエッチング除去してコ
ンタクト部13a,14aを作成すべき穴12eを形成する。これ
によって、センサ部12となるべき抵抗膜12a,絶縁膜12b,
保護膜12dが画成される。また同時に、裏面側の絶縁膜2
0bのうち抵抗膜12aの広さ範囲より若干広い部分をエッ
チング除去してシリコン基板20の対エッチングマスクと
して絶縁膜20fを残す。これにより、シリコン基板20の
裏面側には目抜き開口部20gが形成される。

次に、第４図（Ｄ）に示すように、穴12e内にAuAsなど
のようなオーミック性物質を蒸着した後、熱処理により
コンタクト部13a,14aを形成し、しかる後、エアブリッ
ジ技術によりメタルブリッジ13,14をセンサ部12の縁部
とこれに隣接するセンサ部12以外の絶縁膜20aとの間に
架設する。

次に、異方性エッチング液を以ってシリコン基板20の裏
面側に対しエッチングを施すことにより、絶縁膜20fを
対エッチングマスクとして異方性エッチング液が絶縁膜
の開口部20gからその幅方向に比し深さ方向に進行し、
第４図（Ｅ）に示すように、絶縁膜20aまでのシリコン
が除去されセンサ部12の真下に断面台形状の開口部15が
形成される。かかる状態においては、センサ部12はメタ
ルブリッジ13,14と絶縁膜20aによって開口部15内におい
て支持されている。このままの状態で非接触型半導体温
度センサとして使用しても良いが、絶縁膜20a部分の熱
容量を減少させ、熱の散逸を防止するため、最後に、エ
ッチングを施すことにより、第３図に示す如く、開口部
15に臨む絶縁膜20aの部分を除去すると、センサ部12は
メタルブリッジ13,14のみを以って支持される。なお、
エッチングにより絶縁膜20fも同時に除去される。この
後、各チップ毎に区画細断し、非接触型半導体温度セン
サ10が完成される。

上記実施例に係る非接触型半導体温度センサ10を適宜な
外囲器に収納せしめるか、又は適材適所にじか付けして
被測温体に臨ませた場合、被測温体から輻射された赤外
線が非接触型半導体温度センサ10に照射すると、光吸収
膜12cがその赤外線を良く吸収し、多結晶シリコン膜に
対し不純物拡散して形成された抵抗膜12aが赤外線を受
光するが、この抵抗膜12aは抵抗温度係数が極めて大で
あることから、その光吸収による僅小な温度変化によっ
ても抵抗値が大きく変化するので、被測温体の輻射温度
が高分解能で測定される。換言すれば、従来に比し、抵
抗膜12aの温度当りの抵抗変化率（抵抗温度係数）は２
〜３倍大きいので、抵抗膜12aの両端間の長さを小さく
しても同程度の分解能を得ることができる。

従来の抵抗体は立体形であるが、上記抵抗膜12aは薄膜
であることから、輻射線受光面積対構成物質容積の比が
従来に比し極めて大であるので、測温応答特性がすこぶ
る改善される。これに加えて、センサ部12はすべて薄膜
の積層構造で、従来に比し体積が僅小で、熱容量が非常
に小さいことから、上記効果と相まって、応答特性に優
れ、測定開始時の立上がりが速く、被測温体自身の温度
変化の敏感な追従測定が可能となる。

半導体製造プロセスなどの薄膜技術によりチップ状の非
接触型温度センサ10を製造できるから、これをそのまま
適宜な外囲器などにじか付けすれば良く、金線などで宙
吊状態に配置するロウ付け作業が不要となり、製造コス
トの低廉な非接触型温度センサを提供できる。

なお、上記実施例においては、１つの抵抗膜12aを形成
し、この上に光吸収膜12cを被覆してあるが、抵抗膜12a
の隣接部分に他の抵抗膜を形成し、この上に光反射膜を
形成して環境温度補償用センサ部を同時に構成しても良
い。

また、各膜を形成するための基板としては、シリコン基
板に限らず、石英，ガラスなどの基板を使用しても良
い。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明に係る非接触半導体温度セ
ンサにあっては、多結晶シリコン膜に対し不純物拡散さ
せて形成された抵抗膜を具備するセンサ部を、基板の開
口部内において宙吊状態でその基板に対しメタルブリッ
ジを以って支持するものであることから、次の効果を奏
する。

多結晶シリコン膜に対して不純物拡散させて形成され
た抵抗膜は、Fe,Co,Ni,Mnなどの酸化物を使用する従来
のサーミスタ物質に比較して、約２〜３倍の抵抗温度係
数を有するものであるから、温度測定の分解能が大幅に
改善される。

薄膜技術によって作成される抵抗膜を含めたセンサ部
の体積は従来の単体立体形のセンサ体に比し極めて小さ
な値であり、熱容量が非常に小さくできること、及び抵
抗膜の輻射線受光面積対構成物質容積の比が従来に比し
極めて大であることからして、感度及び応答特性がすこ
ぶる向上する。

全体的に薄膜技術により製造できるから、量産性に優
れていることは勿論のこと、金線などにより煩雑な宙吊
状態が不要となり、製造コストが低廉である、また小型
軽量であることから、センサの組込場所の制限が緩和さ
れるので、汎用性のある非接触半導体温度センサとな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る非接触半導体温度センサの一実
施例を示す拡大平面図である。 第２図は、第１図中II−II線で切断した状態を示す拡大
切断図である。 第３図は、第１図中III−III線で切断した状態を示す拡
大切断図である。 第４図（Ａ）乃至第４図（Ｅ）は、同実施例の製造プロ
セスにおける各状態を示す拡大切断図である。 第５図（Ａ）は従来の非接触型温度センサの一例を示す
縦断面図で、第５図（Ｂ）はその平面図である。 10……非接触型半導体温度センサ、11……シリコン基
板、12……センサ部、12a……抵抗膜、11a,12b,12d……
絶縁膜、12c……光吸収膜、13,14……メタルブリッジ、
15……開口部、15a……非接触用間隙。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】開口部を具備する基板と、多結晶シリコン
   膜に対し不純物拡散させて形成された抵抗膜を具備する
   センサ部と、該センサ部を該開口部内において宙吊状態
   で該基板に対し支持するメタルブリッジと、を有するこ
   とを特徴とする非接触型半導体温度センサ。