WO2014141824A1 - 赤外線センサおよび赤外線センサチップ - Google Patents
赤外線センサおよび赤外線センサチップ Download PDFInfo
- Publication number
- WO2014141824A1 WO2014141824A1 PCT/JP2014/053725 JP2014053725W WO2014141824A1 WO 2014141824 A1 WO2014141824 A1 WO 2014141824A1 JP 2014053725 W JP2014053725 W JP 2014053725W WO 2014141824 A1 WO2014141824 A1 WO 2014141824A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- sensor
- infrared sensor
- infrared
- thermopile
- recess
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 11
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 9
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000008685 targeting Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/02—Constructional details
- G01J5/0225—Shape of the cavity itself or of elements contained in or suspended over the cavity
- G01J5/023—Particular leg structure or construction or shape; Nanotubes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
- G01J2005/123—Thermoelectric array
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/02—Constructional details
- G01J5/04—Casings
- G01J5/046—Materials; Selection of thermal materials
Definitions
- the present invention relates to an infrared sensor and an infrared sensor chip.
- the surrounding environment is detected and the detection result is used for operation control.
- operation control is performed in which the presence of a person is detected and temperature control is performed targeting a place where the person is present.
- control is performed such that the presence / absence of a person in a certain area is detected and lighting of the area is switched on / off.
- a sensor device for detecting the surrounding environment is used.
- an infrared sensor that detects an object temperature in a non-contact manner by radiant heat from an object may be used.
- Patent Document 1 A first example of an infrared sensor based on the prior art is described in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-28165 (Patent Document 1).
- Patent Document 1 a rectangular sensor unit in which an SOI layer including a pn junction structure formed for thermoelectric conversion is embedded and held inside a silicon oxide film layer is formed on the upper surface of the substrate. It is supported by two support parts so as to float above the provided recess. Each support portion is formed in an elongated shape and is bent at a right angle of 2 degrees. Metal wiring is disposed on the support portion.
- Patent Document 2 a second example of an infrared sensor based on the prior art is described in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-170937 (Patent Document 2).
- the infrared sensor described in Patent Document 2 includes a square infrared absorption film disposed so as to float above a recess provided in a substrate.
- the infrared absorption film is supported by two support beams.
- a silicon oxide film is laminated on the upper side of the substrate, and the support beam connects the infrared absorption film to the silicon oxide film.
- Each support beam has a shape bent at a right angle of 2 degrees, and a P-type polysilicon layer and an N-type polysilicon layer are linearly formed inside each support beam, and these constitute a thermopile. Yes.
- the infrared absorbing film When the infrared absorbing film receives infrared rays and becomes high temperature, a temperature difference is generated between the infrared absorbing film and the surrounding silicon oxide film, and the temperature difference is converted into an electric signal by a thermopile, thereby reducing the amount of infrared rays. Can be detected.
- an object of the present invention is to provide a highly sensitive infrared sensor and infrared sensor chip while maintaining a good response speed.
- an infrared sensor includes a semiconductor substrate having a concave portion on an upper surface thereof, an upper layer formed on the upper side of the semiconductor substrate and having a sensor opening opening corresponding to the concave portion, A sensor section that crosses the sensor opening in an S shape in a state of being separated from the inner surface of the recess so as to connect between the first part and the second part of the inner periphery of the sensor opening,
- the sensor part is sealed in a vacuum, and the center part of the sensor part is arranged so as to be able to receive infrared rays from the observation object.
- the sensor part includes the center part, the first part, and the first part.
- a thermoelectric conversion structure that converts a temperature difference from the second part into an electrical signal is provided.
- a highly sensitive infrared sensor can be realized while maintaining a good response speed.
- FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV in FIG. 3. It is explanatory drawing regarding the shape of the sensor part with which the infrared sensor in Embodiment 1 based on this invention is provided.
- thermopile type infrared sensor As a kind of infrared sensor, not only the thermopile type but also a bolometer type and pyroelectric type infrared sensor can be considered.
- the present invention to be described later is not limited to a thermopile type infrared sensor, but can be applied to a bolometer type infrared sensor and a pyroelectric type infrared sensor.
- a thermopile infrared sensor will be described as an example.
- thermopile infrared sensors There are two types of thermopile infrared sensors: one that seals the sensor element in a vacuum and one that is placed in the air. Here, a description will be given focusing on a type sealed in a vacuum.
- the sensitivity S of the sensor can be derived as follows.
- thermocouples included in the thermopile increases, the sensitivity as a sensor increases.
- the width of the beam needs to be large to some extent.
- the infrared sensor chip 601 according to the present invention includes a main body 501.
- the main body portion 501 has a flat plate shape, and has the image receiving area 10 at the center of one main surface.
- a plurality of infrared sensors 101 are arranged in a matrix.
- Several external electrodes 504 are arranged outside the image receiving area 10 on the surface of the main body 501.
- infrared sensors 101 of 8 ⁇ 8 are arranged in the image receiving area 10, but this is an example for convenience of explanation, and actually the number of infrared sensors 101 is larger than this. May be less. For example, it may be 16 ⁇ 16.
- the number of infrared sensors 101 in the image receiving region 10 is equal in the vertical and horizontal directions, but this is only an example, and the present invention is not limited to this configuration. In the image receiving area, the vertical number and the horizontal number of infrared sensors may be different.
- infrared sensors 101 instead of arranging the plurality of infrared sensors 101 in the main body portion 501 in a matrix, only one infrared sensor may be arranged in one main body portion.
- FIG. 2 shows an enlarged view of one of the plurality of infrared sensors 101 shown in FIG.
- the infrared sensor 101 includes an S-shaped sensor unit 2.
- the sensor portion 2 is supported inside a substantially square sensor opening 3.
- the “sensor unit” here refers to an S-shaped member. Both ends of the sensor unit 2 are integrally connected to peripheral members.
- a plan view of one infrared sensor 101 is shown in FIG.
- the sensor part 2 has a central part 4.
- the inner periphery of the sensor opening 3 has a first part 61 and a second part 62.
- the sensor unit 2 includes a first thermopile having the central portion 4 as a hot junction and the first portion 61 as a cold junction.
- the sensor unit 2 includes a second thermopile having the central portion 4 as a hot junction and the second portion 62 as a cold junction.
- the “thermopile” here is a thermocouple bundle in which a plurality of thermocouples are connected in series. Each thermocouple is combined with a P-type part and an N-type part to constitute a reciprocal wiring starting from one of the hot junction and the cold junction and turning back at the other. Since the plurality of thermocouples are connected in series, the thermopile as a whole is a wiring that repeats reciprocation between the hot junction and the cold junction. The first thermopile and the second thermopile may be connected in series.
- FIG. 4 shows a more detailed display of the thermopile included in one infrared sensor 101.
- the thermopile included in one infrared sensor 101 is a combination of a first thermopile and a second thermopile.
- These thermopiles include a P-type layer 11, an N-type layer 12, a wiring 13, and lead-out wirings 14a and 14b.
- the P-type layer 11 and the N-type layer 12 are alternately connected in series via the wiring 13 and are arranged in a single stroke over the entire sensor unit 2.
- the lead wires 14a and 14b are for leading the wires to the outside from the first thermopile and the second thermopile stretched around the sensor unit 2.
- FIG. 5 A cross-sectional view of the infrared sensor 101 is shown in FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG.
- the infrared sensor 101 includes a semiconductor substrate 1 having a recess 5 on an upper surface, an upper layer 6 formed on the upper side of the semiconductor substrate 1 and having a sensor opening 3 corresponding to the recess 5, and the sensor opening.
- intersects the sensor opening part 3 in an S shape in the state spaced apart from the inner surface of the recessed part 5 is provided so that between the surrounding 1st site
- the sensor unit 2 is sealed in a vacuum.
- the central part 4 of the sensor part 2 is arranged so as to receive infrared rays from the observation target.
- the sensor unit 2 includes a thermoelectric conversion structure that converts a temperature difference between the central portion 4 and the first part 61 and the second part 62 into an electric signal.
- a thermoelectric conversion structure that converts a temperature difference between the central portion 4 and the first part 61 and the second part 62 into an electric signal.
- thermoelectric conversion structure includes a thermopile.
- thermopile thermopile
- the thermoelectric conversion structure includes a first thermopile configured to detect a temperature difference between the central portion 4 and the first portion 61, the central portion 4 and the second portion. And a second thermopile configured to detect a temperature difference with the other portion 62. That is, the first thermopile is configured with the first portion 61 as a cold junction and the central portion 4 as a hot junction, and the second thermopile has the second portion 62 as a cold junction and the central portion. 4 is configured as a hot junction.
- the recess 5 provided in the semiconductor substrate 1 is a recess having a trapezoidal cross section.
- the recess 5 is a truncated pyramid.
- the sensor unit 2 appears to be completely floating above the recess 5 of the semiconductor substrate 1.
- the shape of the recessed part 5 demonstrated here is an example to the last, Comprising: It does not restrict to this shape.
- the sensor unit 2 is provided so as to cross the sensor opening 3 in an S shape, a highly sensitive infrared sensor can be realized while maintaining a good response speed.
- the sensor unit 2 includes a first side 41 extending linearly from the first part 61 and a first part 61 of the first side 41, as shown in FIG. Is a second side 42 bent at a right angle from the opposite end 41a to the side approaching the central portion 4, and an end 42a opposite to the end 41a connected to the first side 41 of the second side 42. And a third side 43 that is bent at a right angle from the center portion 4 toward the central portion 4.
- the sensor unit 2 can be efficiently arranged inside the limited sensor opening 3.
- a U-shape is formed by the three sides of the first side 41, the second side 42, and the third side 43.
- the first side 41 and the third side 43 are parallel to each other.
- the gap 8 between the first side 41 and the third side 43 is a straight line. Since the central part 4 is connected to the second side 42 with a constant width by the third side 43, the heat accumulated in the central part 4 can be quickly released and the response speed can be increased.
- the width of the first side 41 and the width of the third side 43 of the sensor unit 2 are substantially the same.
- the recess 5 is formed in the semiconductor substrate 1 as shown in FIG.
- the sensor portion 2 may be broken in the middle of etching.
- this kind of cracking is biased in the progress of etching removal with respect to the material of the semiconductor substrate 1 during the etching for forming the recess 5, and stress concentration occurs due to the biased shape.
- stress concentration occurs due to the biased shape.
- the sensor unit 2 is cracked in the middle, all the thermocouples included in the thermopile of the sensor unit 2 will be disconnected at the cracked location, so the sensor unit 2 becomes unusable and one pixel It becomes a pixel defect.
- the inventors have found that the problem of pixel defects due to cracks in the sensor unit 2 and the problem of sensitivity reduction due to by-product adhesion can be improved by making the width of the sensor unit 2 constant. I found it.
- the width of the first side 41 of the sensor unit 2 is defined as A
- the width of the gap between the first side 41 and the third side 43 is defined as B.
- the inventors performed a comparative experiment by changing the ratio of A and B in several ways.
- the resulting graph is shown in FIG.
- the non-defective rate is almost 100% when A / B is less than 6, which is a result that is remarkably superior to that when A / B is greater than 6.
- a / B being less than 6 means that B / A is larger than 1/6.
- the width B of the gap between the first side 41 and the third side 43 is preferably larger than 1/6 of the width A of the first side 41.
- the concave portion 5 has a trapezoidal shape that expands upward as viewed in cross section. If the concave portion 5 has such a shape, the benefits of the present invention can be remarkably received with respect to pixel defects.
- the recess 5 is formed by etching, the above-described pixel defect tends to be a problem. However, when etching is performed, the recess 5 has such a shape.
- the shape of the part from the second part 62 to the central part 4 of the sensor unit 2 is the part of the part from the first part 61 to the central part 4.
- the shape is preferably point-symmetric.
- the sensor unit 2 has a point-symmetric S-shape.
- the S-shape has been described as being bent in the same direction as the Latin alphabet “S”, but the sensor unit may be bent in the opposite direction compared to “S”. . That is, the sensor unit may be an inverted S shape.
- the inverted S-shape is also regarded as a form of the S-shape.
- the first side and the third side of the sensor unit do not necessarily have the same width.
- the width of the third side may be many times wider than the width of the first side.
- a structure as shown in FIG. 9 may be used.
- the width of the third side is increased in this way, the situation is the same as the presence of an infrared absorption film having a certain width around the central portion 4.
- the infrared absorbing film is supported by two L-shaped beams. Providing such a wide infrared absorption film increases the sensitivity of the infrared sensor.
- the sensor part 2 having the structure shown in FIG. 9 is also S-shaped.
- the sensor unit 2 includes one infrared absorption film and two beams. In the example shown in FIG.
- thermocouple does not fill the inside of the infrared absorption film. Since the upper limit of the number of thermocouples included in the thermopile is determined by the width of the beam, a limited number of thermocouples extend inside the infrared absorption film, and many portions are blank. The ends of some thermocouples are arranged in the central part 4.
- the infrared sensor chip according to the present invention is an infrared sensor chip 601 having an image receiving area 10 in which any of the above-described infrared sensors are arranged in a matrix.
- the infrared sensor chip in the present embodiment is manufactured by using a manufacturing method of an infrared sensor based on a publicly known technique, and changing a mask pattern for forming the sensor portion to one corresponding to the above-described shape. can do.
- the present invention can be used for an infrared sensor and an infrared sensor chip.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
赤外線センサ(101)は、上面に凹部を有する半導体基板と、前記半導体基板の上側に形成され、前記凹部に対応して開口するセンサ開口部(3)を有する上部層と、センサ開口部(3)の内周の第1の部位(61)と第2の部位(62)との間をつなぐように、前記凹部の内面から離隔した状態でセンサ開口部(3)をS字形に横切るセンサ部(2)とを備える。センサ部(2)は真空中に封止されている。センサ部(2)の中央部(4)は観測対象からの赤外線を受光可能なように配置されている。センサ部(2)は、中央部(4)と第1の部位(61)および第2の部位(62)との間の温度差を電気信号に変換する熱電変換構造を備える。
Description
本発明は、赤外線センサおよび赤外線センサチップに関するものである。
近年の電子機器においては、周囲環境を検出し、その検出結果を運転制御に利用することが行なわれている。たとえばエアコンにおいては、人の存在を検知し、人の存在する場所を狙って温度制御するといった運転制御が行なわれている。また、照明機器においては、一定領域内における人の存在の有無を検知して、当該領域の照明のオン/オフを切り替えるといった制御が行なわれている。このような制御においては、周囲環境を検出するためのセンサ装置が用いられる。センサ装置の一種として、物体からの輻射熱によって非接触で物体温度を検知する赤外線センサが用いられる場合がある。
従来技術に基づく赤外線センサの第1の例が、特開2001-281065号公報(特許文献1)に記載されている。特許文献1に記載された赤外線センサにおいては、熱電変換のために形成されたpn接合構造を含むSOI層が埋込みシリコン酸化膜層の内部に保持された形の長方形のセンサ部が、基板上面に設けられた凹部の上方に浮くように、2本の支持部によって支持されている。各支持部は、細長く形成されており、2度直角に折れ曲がっている。支持部には金属配線が配置されている。
さらに、従来技術に基づく赤外線センサの第2の例が、特開2006-170937号公報(特許文献2)に記載されている。特許文献2に記載された赤外線センサは、基板に設けられた凹部の上方で浮くように配置された正方形の赤外線吸収膜を備えている。赤外線吸収膜は、2本の支持梁によって支持されている。基板の上側にシリコン酸化膜が積層されており、支持梁は赤外線吸収膜をシリコン酸化膜に接続している。各支持梁は2度直角に折れ曲がった形状をしており、各支持梁の内部にはP型ポリシリコン層およびN型ポリシリコン層が線状に形成されており、これらはサーモパイルを構成している。赤外線吸収膜が赤外線を受けて高温となることで、赤外線吸収膜と周辺のシリコン酸化膜との間に温度差が生じ、この温度差をサーモパイルによって電気信号に変換することによって、赤外線の量を検出することができる。
細かい運転制御にも対応できるようにするために、赤外線センサの感度を向上させることが求められている。その一方で、応答速度の速さもある程度以上のレベルに維持することが求められる。
そこで、本発明は、応答速度を良好に保ちつつ高感度な赤外線センサおよび赤外線センサチップを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に基づく赤外線センサは、上面に凹部を有する半導体基板と、上記半導体基板の上側に形成され、上記凹部に対応して開口するセンサ開口部を有する上部層と、上記センサ開口部の内周の第1の部位と第2の部位との間をつなぐように、上記凹部の内面から離隔した状態で上記センサ開口部をS字形に横切るセンサ部とを備え、上記センサ部は真空中に封止されており、上記センサ部の中央部は観測対象からの赤外線を受光可能なように配置されており、上記センサ部は、上記中央部と上記第1の部位および上記第2の部位との間の温度差を電気信号に変換する熱電変換構造を備える。
本発明によれば、応答速度を良好に保ちつつ高感度な赤外線センサを実現することができる。
赤外線センサの一種として、サーモパイル型赤外線センサがある。赤外線センサとしては、サーモパイル型に限らず、ボロメータ型、焦電型の赤外線センサも考えられる。後述する本発明は、サーモパイル型赤外線センサに限らず、ボロメータ型赤外線センサ、焦電型赤外線センサにも適用可能である。しかし、ここではひとまずサーモパイル型赤外線センサを例にとって説明する。
サーモパイル型赤外線センサにおいては、センサ素子を真空中に封止するタイプのものと、空気中に配置するタイプのものとの2通りがある。ここでは、真空中に封止するタイプのものに注目して説明する。
センサ素子を真空中に封止するタイプのセンサにおいては、断熱効果によりセンサとしての感度は向上する。理論上、センサの感度Sは以下のように導き出すことができる。
S=n・α・Rth・η・AS・Pin
n:1つのセンサ素子に含まれる熱電対の数
α:ゼーベック係数
Rth:熱抵抗
η:吸収率
AS:吸収膜面積
Pin:入射光強度
理論上は、梁の本数を少なくし、梁は細く、長く、薄くすればするほど、赤外線吸収膜に溜まった熱が逃げにくくなるので、センサとしての感度が上がる。また、理論上は、赤外線吸収膜の面積を広くすればするほど、受ける赤外線の量が増えるので、センサとしての感度が上がる。一方、応答速度を上げるには、赤外線吸収膜に溜まった熱を迅速に逃がす必要があるので、梁の幅を大きくすることが好ましい。また、サーモパイルに含まれる熱電対の数を多くすればするほどセンサとしての感度が上がる。ただし、多くの数の熱電対を配置しようとすれば、梁の幅もある程度の広さが必要となる。
n:1つのセンサ素子に含まれる熱電対の数
α:ゼーベック係数
Rth:熱抵抗
η:吸収率
AS:吸収膜面積
Pin:入射光強度
理論上は、梁の本数を少なくし、梁は細く、長く、薄くすればするほど、赤外線吸収膜に溜まった熱が逃げにくくなるので、センサとしての感度が上がる。また、理論上は、赤外線吸収膜の面積を広くすればするほど、受ける赤外線の量が増えるので、センサとしての感度が上がる。一方、応答速度を上げるには、赤外線吸収膜に溜まった熱を迅速に逃がす必要があるので、梁の幅を大きくすることが好ましい。また、サーモパイルに含まれる熱電対の数を多くすればするほどセンサとしての感度が上がる。ただし、多くの数の熱電対を配置しようとすれば、梁の幅もある程度の広さが必要となる。
本発明は、このような事情を考慮して検討した結果として見出されたものである。
(実施の形態1)
図1~図5を参照して、本発明に基づく実施の形態1における赤外線センサについて説明する。図1に示すように、本発明に基づく赤外線センサチップ601は、本体部501を備える。本体部501は、平板状であり、一方の主表面の中央部に受像領域10を有している。受像領域10には、複数の赤外線センサ101がマトリックス状に配置されている。本体部501の表面のうち受像領域10の外側に外部電極504がいくつか配置されている。
(実施の形態1)
図1~図5を参照して、本発明に基づく実施の形態1における赤外線センサについて説明する。図1に示すように、本発明に基づく赤外線センサチップ601は、本体部501を備える。本体部501は、平板状であり、一方の主表面の中央部に受像領域10を有している。受像領域10には、複数の赤外線センサ101がマトリックス状に配置されている。本体部501の表面のうち受像領域10の外側に外部電極504がいくつか配置されている。
図1では、受像領域10に8×8の64個の赤外線センサ101が配置されているが、これは説明の便宜のための一例であり、実際には赤外線センサ101の数はこれより多くても少なくてもよい。たとえば16×16であってもよい。図1に示した例では、受像領域10にある赤外線センサ101の個数は縦と横とで等しくなっているが、これはあくまで一例であって、この構成に限らない。受像領域においては、赤外線センサの縦の個数と横の個数とが異なっていてもよい。
また、複数の赤外線センサ101を本体部501にマトリックス状に配置する代わりに、1つの本体部に1個の赤外線センサのみが配置されたものであってもよい。
図1に示した複数の赤外線センサ101のうちの1個を拡大したところを図2に示す。赤外線センサ101は、S字形のセンサ部2を備える。平面的に見れば、ほぼ正方形のセンサ開口部3の内部にセンサ部2が支持された構造となっている。ここでいう「センサ部」は、S字形の部材をいう。センサ部2の両端は周辺の部材と一体的につながっている。1個の赤外線センサ101の平面図を図3に示す。センサ部2は中央部4を有する。センサ開口部3の内周は、第1の部位61と第2の部位62とを有する。センサ部2は、中央部4を温接点とし、第1の部位61を冷接点とする第1のサーモパイルを備える。センサ部2は、中央部4を温接点とし、第2の部位62を冷接点とする第2のサーモパイルを備える。ここでいう「サーモパイル」とは、複数の熱電対が直列に接続されたものが熱電対の束として配置されたものである。各熱電対はP型部とN型部とが組み合わさることによって、温接点と冷接点とのいずれか一方から開始して他方で折り返す往復の形の配線を構成する。複数の熱電対は直列に接続されているので、サーモパイル全体としては温接点と冷接点との間で往復を繰り返す形の配線となっている。第1のサーモパイルと第2のサーモパイルとは直列に接続されていてよい。
1個の赤外線センサ101に含まれるサーモパイルをより詳しく表示したところを図4に示す。1個の赤外線センサ101に含まれるサーモパイルは、第1のサーモパイルと第2のサーモパイルとの組合せとなっている。これらのサーモパイルはP型層11とN型層12と配線13と引出配線14a,14bとを含んでいる。P型層11とN型層12とは配線13を介して交互に直列に接続されており、センサ部2全体にわたって一筆書きで配列されている。引出配線14a,14bはセンサ部2に張り巡らされた第1のサーモパイルおよび第2のサーモパイルから外部に配線を引き出すためのものである。
赤外線センサ101の断面図を図5に示す。図5は図3におけるV-V線に関する矢視断面図である。
赤外線センサ101は、上面に凹部5を有する半導体基板1と、半導体基板1の上側に形成され、凹部5に対応して開口するセンサ開口部3を有する上部層6と、前記センサ開口部の内周の第1の部位61と第2の部位62との間をつなぐように、凹部5の内面から離隔した状態でセンサ開口部3をS字形に横切るセンサ部2とを備える。センサ部2は真空中に封止されている。センサ部2の中央部4は観測対象からの赤外線を受光可能なように配置されている。センサ部2は、中央部4と第1の部位61および第2の部位62との間の温度差を電気信号に変換する熱電変換構造を備える。熱電変換構造としては、2つの部位の間の温度差を電気信号に変換することができる公知技術が採用可能である。
本実施の形態では好ましいことに、熱電変換構造は、サーモパイルを含む。この構成を採用することにより、簡便な構造で2つの部位の間の温度差を電気信号に変換することができる。
本実施の形態ではさらに好ましいことに、熱電変換構造は、中央部4と第1の部位61との間で温度差を検出するように構成された第1のサーモパイルと、中央部4と第2の部位62との間で温度差を検出するように構成された第2のサーモパイルとを含む。すなわち、第1のサーモパイルは、第1の部位61を冷接点とし、中央部4を温接点として構成されたものであり、第2のサーモパイルは、第2の部位62を冷接点とし、中央部4を温接点として構成されたものである。
半導体基板1に設けられた凹部5は、断面形状が台形となる凹部である。センサ開口部3が四角形である場合、凹部5は四角錐台となる。断面図で見ると、センサ部2は半導体基板1の凹部5の上方で完全に浮いているように見える。ただし、ここで説明した凹部5の形状はあくまで一例であって、この形状に限らない。
本実施の形態では、センサ開口部3をS字形に横切るようにセンサ部2が設けられているので、応答速度を良好に保ちつつ高感度な赤外線センサを実現することができる。
より好ましい条件を特定するとすれば、センサ部2は、図6に示すように、第1の部位61から直線状に延びる第1の辺41と、第1の辺41の第1の部位61とは反対側の端41aから中央部4に近づく側に直角に折れ曲がった第2の辺42と、第2の辺42の第1の辺41に接続している端41aとは反対側の端42aから中央部4に向かって直角に折れ曲がった第3の辺43とを備えることが好ましい。この構成を採用することにより、限られたセンサ開口部3の内部に効率良くセンサ部2を配置することができる。この場合、第1の辺41、第2の辺42、第3の辺43の3つの辺によってコの字形が構成される。第1の辺41と第3の辺43とは平行となる。第1の辺41と第3の辺43との間の間隙8は、一直線状となる。中央部4からは第3の辺43によって一定幅で第2の辺42に接続されているので、中央部4に溜まった熱を迅速に逃がすことができ、応答速度を速くすることができる。
また、図6に示すように、センサ部2の第1の辺41の幅と第3の辺43の幅とがほぼ同じであることが好ましい。この構成を採用することにより、サーモパイルを効率良く配置することができる。
本実施の形態における赤外線センサは、センサ部2の下側に空洞を確保するために、図5に示したように半導体基板1に凹部5を形成することとしている。この凹部5を形成する際には薬液によるエッチングを用いる必要があるが、エッチング途中でセンサ部2が途中で割れてしまう場合があった。発明者らが検討した結果、この種の割れは、凹部5を形成するためのエッチング途中で、半導体基板1の材料に対するエッチング除去の進行具合に偏りが生じ、その偏った形状ゆえに応力集中が生じることが原因であることが判明した。センサ部2が途中で割れた場合、このセンサ部2のサーモパイルに含まれる熱電対は全てその割れた個所で断絶してしまうこととなるので、このセンサ部2は使用不能となり、1つの画素は画素欠陥となる。
発明者らは、検討の結果、センサ部2の割れによる画素欠陥の問題も、副生成物付着による感度低下の問題も、センサ部2の幅を一定条件下とすることによって改善されることを見出した。図7に示すように、センサ部2の第1の辺41の幅をAとし、第1の辺41と前記第3の辺43との間の間隙の幅をBと定義する。発明者らは、AとBとの比率を何通りかに変えて比較実験をした。その結果のグラフを図8に示す。A/Bが6未満である場合に良品率がほぼ100%となっており、A/Bが6より大きい場合に比べて飛躍的に優れた結果となっている。A/Bが6未満ということは、B/Aは1/6より大きいということである。
したがって、第1の辺41と前記第3の辺43との間の間隙の幅Bは、第1の辺41の幅Aの1/6より大きいことが好ましい。この構成を採用することにより、良品率を高くすることができる。
本実施の形態で示したように、凹部5は、断面で見たときに、上方にいくにつれて広がる台形状であることが好ましい。凹部5がこのような形状であれば、画素欠陥に関して本発明の恩恵を顕著に受けることができる。凹部5をエッチングによって形成する場合に、上述の画素欠陥が問題となりやすいが、エッチングによる場合には、凹部5はこのような形状になるからである。
なお、既に図3、図6などで示しているが、センサ部2のうち、第2の部位62から中央部4に至る部分の形状は、第1の部位61から中央部4に至る部分の形状と点対称であることが好ましい。この場合、センサ部2は点対称なS字形を有することになる。この構成を採用することにより、第1の部位61を冷接点とし、S字形の中央部4を温接点として接続された第1のサーモパイルと、第2の部位62を冷接点とし、S字形の中央部4を温接点として接続された第2のサーモパイルとを対称に同条件で配置することができ、赤外線センサとしての感度を上げることができる。
ここまで、S字形として、ラテン文字アルファベットの「S」と同じ向きの曲がり方のものを示して説明したが、センサ部は「S」に比べて逆向きの曲がり方のものであってもよい。すなわち、センサ部は逆S字形であってもよい。本発明においては、逆S字形もS字形の一形態であるものとみなす。
なお、本実施の形態としては、センサ部の第1の辺と第3の辺とが同じ幅であるとは限らない。第3の辺の幅が第1の辺の幅の何倍も広くてもよい。たとえば図9に示すような構造であってもよい。このように第3の辺の幅を広くした場合、中央部4の周辺に一定の広さを有する赤外線吸収膜が存在するのと同様の状況となる。赤外線吸収膜は2本のL字形の梁によって支持されている。このように広い赤外線吸収膜を設けることにより、赤外線センサの感度は上がる。図9に示した構造のセンサ部2もS字形であるといえる。センサ部2は、1つの赤外線吸収膜と2本の梁とを含む。図9に示した例では、赤外線吸収膜の内部を熱電対が埋めつくすわけではない。サーモパイルに含まれる熱電対の数の上限は梁の幅によって定まるので、赤外線吸収膜の内部には限られた数の熱電対が延在することとなり、多くの部分は余白となる。一部の熱電対の端は、中央部4に配置される。
本発明に基づく赤外線センサチップは、図1に示したように、上述のいずれかの赤外線センサがマトリックス状に配列された受像領域10を有する、赤外線センサチップ601である。
なお、本実施の形態における赤外線センサチップは、公知技術に基づく赤外線センサの製造方法を利用し、センサ部を形成するためのマスクパターンを、上述の形状に対応したものに変更することによって、製造することができる。
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
本発明は、赤外線センサおよび赤外線センサチップに利用することができる。
1 半導体基板、2 センサ部、3 センサ開口部、4、中央部、5 凹部、6 上部層、7 副生成物、8 間隙、10 受像領域、11 P型層、12 N型層、13 配線、41 第1の辺、41a,42a 端、42 第2の辺、43 第3の辺、61 第1の部位、62 第2の部位、101 赤外線センサ、501 本体部、502 キャップ部材、503 封止材、504 外部電極、506 接合領域、601 赤外線センサチップ。
Claims (9)
- 上面に凹部を有する半導体基板と、
前記半導体基板の上側に形成され、前記凹部に対応して開口するセンサ開口部を有する上部層と、
前記センサ開口部の内周の第1の部位と第2の部位との間をつなぐように、前記凹部の内面から離隔した状態で前記センサ開口部をS字形に横切るセンサ部とを備え、
前記センサ部は真空中に封止されており、
前記センサ部の中央部は観測対象からの赤外線を受光可能なように配置されており、
前記センサ部は、前記中央部と前記第1の部位および前記第2の部位のうち少なくとも一方との間の温度差を電気信号に変換する熱電変換構造を備える、赤外線センサ。 - 前記熱電変換構造は、サーモパイルを含む、請求項1に記載の赤外線センサ。
- 前記熱電変換構造は、
前記中央部と前記第1の部位との間で温度差を検出するように構成された第1のサーモパイルと、
前記中央部と前記第2の部位との間で温度差を検出するように構成された第2のサーモパイルとを含む、請求項1に記載の赤外線センサ。 - 前記センサ部は、前記第1の部位から直線状に延びる第1の辺と、前記第1の辺の前記第1の部位とは反対側の端から前記中央部に近づく側に直角に折れ曲がった第2の辺と、前記第2の辺の前記第1の辺に接続している端とは反対側の端から前記中央部に向かって直角に折れ曲がった第3の辺とを備える、請求項1から3のいずれかに記載の赤外線センサ。
- 前記第1の辺と前記第3の辺との間の間隙の幅は、前記第1の辺の幅の1/6より大きい、請求項4に記載の赤外線センサ。
- 前記センサ部の前記第1の辺の幅と前記第3の辺の幅とがほぼ同じである、請求項4または5に記載の赤外線センサ。
- 前記センサ部のうち、前記第2の部位から前記中央部に至る部分の形状は、前記第1の部位から前記中央部に至る部分の形状と点対称である、請求項1から6のいずれかに記載の赤外線センサ。
- 前記凹部は、断面で見たときに、上方にいくにつれて広がる台形状である、請求項1から7のいずれかに記載の赤外線センサ。
- 請求項1から8のいずれかに記載の赤外線センサがマトリックス状に配列された受像領域を有する、赤外線センサチップ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201480009824.3A CN105008876B (zh) | 2013-03-14 | 2014-02-18 | 红外线传感器及红外线传感器芯片 |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013-051505 | 2013-03-14 | ||
JP2013051505A JP6079327B2 (ja) | 2013-03-14 | 2013-03-14 | 赤外線センサおよび赤外線センサチップ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2014141824A1 true WO2014141824A1 (ja) | 2014-09-18 |
Family
ID=51536499
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/JP2014/053725 WO2014141824A1 (ja) | 2013-03-14 | 2014-02-18 | 赤外線センサおよび赤外線センサチップ |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6079327B2 (ja) |
CN (1) | CN105008876B (ja) |
WO (1) | WO2014141824A1 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106983945A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-07-28 | 京东方科技集团股份有限公司 | 助眠和/或唤醒装置及方法 |
JP7485581B2 (ja) | 2020-10-16 | 2024-05-16 | セイコーNpc株式会社 | 赤外線センサ素子及び赤外線センサ |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH1151762A (ja) * | 1997-08-06 | 1999-02-26 | Toshiba Corp | 赤外線固体撮像装置及びその製造方法 |
JP2005345227A (ja) * | 2004-06-02 | 2005-12-15 | Horiba Ltd | サーモパイルセンサ |
JP2006064604A (ja) * | 2004-08-30 | 2006-03-09 | Nissan Motor Co Ltd | 赤外線検出素子 |
JP2007333558A (ja) * | 2006-06-15 | 2007-12-27 | Nissan Motor Co Ltd | 赤外線検出装置 |
JP2009174917A (ja) * | 2008-01-22 | 2009-08-06 | Oki Semiconductor Co Ltd | 赤外線検出素子、及び赤外線検出素子の製造方法 |
JP2010045064A (ja) * | 2008-08-08 | 2010-02-25 | Panasonic Electric Works Co Ltd | 固体真空デバイス |
JP2011145296A (ja) * | 2010-01-18 | 2011-07-28 | Heimann Sensor Gmbh | モノリシックシリコン微細加工式サーモパイル赤外線センサー |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005241457A (ja) * | 2004-02-26 | 2005-09-08 | Hamamatsu Photonics Kk | 赤外線センサ及びその製造方法 |
KR20110066187A (ko) * | 2008-09-25 | 2011-06-16 | 파나소닉 전공 주식회사 | 적외선 센서 |
JP2011179953A (ja) * | 2010-03-01 | 2011-09-15 | Rohm Co Ltd | 赤外線センサ |
-
2013
- 2013-03-14 JP JP2013051505A patent/JP6079327B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2014
- 2014-02-18 WO PCT/JP2014/053725 patent/WO2014141824A1/ja active Application Filing
- 2014-02-18 CN CN201480009824.3A patent/CN105008876B/zh active Active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH1151762A (ja) * | 1997-08-06 | 1999-02-26 | Toshiba Corp | 赤外線固体撮像装置及びその製造方法 |
JP2005345227A (ja) * | 2004-06-02 | 2005-12-15 | Horiba Ltd | サーモパイルセンサ |
JP2006064604A (ja) * | 2004-08-30 | 2006-03-09 | Nissan Motor Co Ltd | 赤外線検出素子 |
JP2007333558A (ja) * | 2006-06-15 | 2007-12-27 | Nissan Motor Co Ltd | 赤外線検出装置 |
JP2009174917A (ja) * | 2008-01-22 | 2009-08-06 | Oki Semiconductor Co Ltd | 赤外線検出素子、及び赤外線検出素子の製造方法 |
JP2010045064A (ja) * | 2008-08-08 | 2010-02-25 | Panasonic Electric Works Co Ltd | 固体真空デバイス |
JP2011145296A (ja) * | 2010-01-18 | 2011-07-28 | Heimann Sensor Gmbh | モノリシックシリコン微細加工式サーモパイル赤外線センサー |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2014178171A (ja) | 2014-09-25 |
JP6079327B2 (ja) | 2017-02-15 |
CN105008876A (zh) | 2015-10-28 |
CN105008876B (zh) | 2017-08-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9478682B2 (en) | IR sensor package including a cover member and a sensor chip recessed into the package body | |
US10119865B2 (en) | Infrared sensor having improved sensitivity and reduced heat generation | |
JP6889981B2 (ja) | 高い温度安定性の干渉型吸収体を使用する表面微細加工赤外線センサ | |
WO2010114001A1 (ja) | 赤外線アレイセンサ | |
WO2014141824A1 (ja) | 赤外線センサおよび赤外線センサチップ | |
JP2009180682A (ja) | 赤外線センサ | |
JP2009229260A (ja) | 赤外線センサ素子 | |
JP2007132865A (ja) | サーモパイル及びそれを用いた赤外線センサ | |
JP2013041921A (ja) | 真空封止デバイス | |
JP6225582B2 (ja) | 熱型赤外線センサー | |
US9018723B2 (en) | Infrared camera sensor | |
JP2008082790A (ja) | 赤外線センサ | |
TWI498038B (zh) | 紅外線放射元件 | |
JP2013024745A (ja) | 赤外線センサ | |
US10989603B2 (en) | Infrared sensor chip, and infrared sensor employing same | |
JP2012173156A (ja) | 赤外線センサモジュール | |
JP2012063221A (ja) | 赤外線センサ | |
JP2012063222A (ja) | 赤外線センサおよびその製造方法 | |
KR20200090796A (ko) | 웨이퍼 | |
JP2014149976A (ja) | 赤外光源素子 | |
JP2011203221A (ja) | 赤外線センサモジュール | |
JP2006138747A (ja) | 赤外線検出素子およびその製造方法 | |
CN102963860B (zh) | 微桥结构红外探测器的制造方法 | |
JP2010101730A (ja) | サーモパイルチップ | |
JP5629146B2 (ja) | 温度センサ |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 14765177 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 14765177 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |