WO2019171465A1 - 熱利用デバイス - Google Patents

熱利用デバイス Download PDF

Info

Publication number
WO2019171465A1
WO2019171465A1 PCT/JP2018/008556 JP2018008556W WO2019171465A1 WO 2019171465 A1 WO2019171465 A1 WO 2019171465A1 JP 2018008556 W JP2018008556 W JP 2018008556W WO 2019171465 A1 WO2019171465 A1 WO 2019171465A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wiring layer
thermistor
layer
utilization device
heat utilization
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/008556
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
晋治 原
尚城 太田
青木　進
英嗣 小村
明政 海津
Original Assignee
Tdk株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tdk株式会社 filed Critical Tdk株式会社
Priority to CN201880090904.4A priority Critical patent/CN111819425B/zh
Priority to US16/969,015 priority patent/US11480477B2/en
Priority to PCT/JP2018/008556 priority patent/WO2019171465A1/ja
Priority to JP2020504526A priority patent/JP7173125B2/ja
Publication of WO2019171465A1 publication Critical patent/WO2019171465A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/22—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/01—Mounting; Supporting
    • H01C1/012—Mounting; Supporting the base extending along and imparting rigidity or reinforcement to the resistive element
    • 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
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/008—Thermistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/06—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material including means to minimise changes in resistance with changes in temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/08—Cooling, heating or ventilating arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a heat utilization device, and more particularly, to a heat utilization device including a thermistor whose electric resistance changes according to temperature.
  • Thermistors used as thermal elements in various temperature sensors change their electrical resistance depending on the temperature. For this reason, the temperature around the thermistor can be detected by detecting a change in the electrical resistance of the thermistor.
  • the temperature change of the thermistor is caused by radiant heat, the temperature of an object that radiates radiant heat can be detected based on the Stefan-Boltzmann law.
  • Japanese Patent Nos. 5866881 and 60302732 disclose infrared temperature sensors in which leads connected to a thermal element for detecting infrared rays are formed in a meander pattern.
  • the infrared detecting thermal element and the lead are installed on the substrate, and the lead is formed on the substrate as a wiring pattern.
  • the sensitivity of the infrared temperature sensor is enhanced by the heat collecting effect of the lead.
  • the thermistor is housed in a vacuum vessel, and further installed so as to float in the vacuum vessel with an arm-shaped support. This suppresses heat dissipation from the thermistor through the atmosphere and heat dissipation from the thermistor to the container due to heat conduction.
  • the support portion also has a function of holding a wiring layer that supplies current to the thermistor.
  • the support portion is generally formed of an insulating material having high physical strength, but the wiring layer is formed of a conductive material.
  • electrical resistance and thermal resistance Wideemann-Franz rule
  • the thermal resistance of the insulating material is large, but the thermal resistance of the conductive material is small.
  • heat conduction in the support portion is suppressed, heat conduction in the wiring layer may be at a level that cannot be ignored.
  • the wiring layer is formed of a material having low conductivity, heat conduction can be suppressed, but an increase in electric resistance leads to an increase in power consumption. As a result, the amount of heat generated in the wiring layer increases, which may increase the measurement error of the thermistor.
  • An object of the present invention is to provide a heat utilization device in which the thermal resistance of a wiring layer is increased while suppressing an increase in electrical resistance of the wiring layer.
  • the heat utilization device of the present invention has a thermistor whose electrical resistance changes according to temperature, and a wiring layer connected to the thermistor.
  • the mean free path of phonons in the wiring layer is smaller than the mean free path of phonons in an infinite medium made of the material of the wiring layer.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view of the wiring layer along the line AA in FIG. 2A.
  • 2 is a cross-sectional view of a wiring layer 10 as viewed from the X direction.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of the wiring layer along the line AA in FIG. 4A.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of the wiring layer along the line AA in FIG. 5A. It is a side view of the edge part of wiring layer, and the vicinity of a pillar. It is a schematic plan view of the vicinity of the thermistor film
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of the wiring layer along the line AA in FIG. 6A. It is sectional drawing of the wiring layer seen from the X direction.
  • the X direction and the Y direction are parallel to the main surfaces of the first substrate 2 and the second substrate 3.
  • the Z direction is a direction orthogonal to the X direction and the Y direction, and is a direction perpendicular to the main surfaces of the first substrate 2 and the second substrate 3.
  • the heat utilization device of the present invention includes a thermistor whose electrical resistance changes according to temperature.
  • the heat utilization device of each embodiment is an infrared sensor including only one thermistor film, but the heat utilization device may include an array of thermistor films arranged in a two-dimensional manner.
  • a heat utilization device including such an array of thermistor films is used as an image sensor of an infrared camera. Infrared cameras can be used as night vision scopes and night vision goggles in the dark, and can also be used to measure the temperature of people and objects.
  • An infrared sensor in which a plurality of thermistor films are arranged one-dimensionally can be used as a sensor for measuring various temperatures or temperature distributions.
  • An infrared sensor in which a plurality of thermistor films are arranged one-dimensionally is also included in the scope of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic side view of the infrared sensor 1 according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 2A is a schematic plan view in the vicinity of the thermistor film
  • FIG. 2C shows a cross-sectional view of the wiring layer 10 as viewed from the X direction.
  • a portion of the thermistor film 7 is omitted to show the central portion 91 of the support layer 9.
  • the infrared sensor 1 includes a first substrate 2, a second substrate 3 positioned opposite to the first substrate 2, and a side wall 4 connecting the first substrate 2 and the second substrate 3.
  • the second substrate 3 is a window substrate on which infrared rays are incident.
  • the first substrate 2, the second substrate 3 and the side wall 4 form a sealed internal space 5.
  • a thermistor film 7 is accommodated in the internal space 5.
  • the internal space 5 is evacuated or evacuated. That is, the first substrate 2, the second substrate 3 and the side wall 4 form a sealed vacuum vessel 6. Thereby, the convection of the gas in the internal space 5 is prevented or suppressed, and the thermal influence on the thermistor film 7 can be reduced.
  • the thermistor film 7 has a silicon substrate (not shown) and a vanadium oxide (VOx) film (not shown) formed on the silicon substrate.
  • VOx vanadium oxide
  • an amorphous silicon (a-Si), TiOx, NiOx, or CoMnNiOx film may be used.
  • the thermistor film 7 has a light receiving surface 7 a that is approximately square or rectangular, and the light receiving surface 7 a faces the second substrate 3.
  • An infrared absorption film 8 is formed on the light receiving surface 7 a of the thermistor film 7.
  • the infrared absorption film 8 is provided to increase the amount of infrared heat input to the thermistor film 7.
  • the infrared absorption film 8 is formed of SiOx, but can also be formed of SiN, AlOx, TaOx, NbOx, AlN, SiON, AlON, soot carbon, organic matter, or the like.
  • the thermistor film 7 is supported by a support layer 9.
  • the material of the support layer 9 is not limited as long as it has a lower thermal conductivity than the wiring layer 10 described later and has the strength to support the thermistor film 7, but the support layer 9 is preferably an insulator such as AlN, AlOx. , Diamond-like carbon, SiNx, SiOx, TaOx, TiO 2 , and Si (x means an arbitrary composition).
  • the support layer 9 includes a substantially square central portion 91 that supports the thermistor film 7 and a pair of arm portions 92 (hereinafter referred to as a first arm portion 92a and a second arm portion) that extend from two corners on the diagonal line of the central portion 91. Part 92b).
  • the arm portion 92 connects the central portion 91 to the pillar 11 (described later). Further, the arm portion 92 is connected to the thermistor film 7 through the central portion 91.
  • the central portion 91 and the arm portion 92 are formed of the same material, but may be formed of different materials.
  • the central portion 91 has a slightly larger planar dimension than the thermistor film 7, and the thermistor film 7 is surrounded by four sides of the central portion 91 when viewed from the direction perpendicular to the thermistor film 7 (Z direction).
  • a pair of wiring layers 10 (hereinafter referred to as a first wiring layer 10a and a second wiring layer 10b) are supported on a pair of arm portions 92 of the support layer 9.
  • the wiring layer 10 is provided on the support layer 9, but the configuration of the wiring layer 10, in which a part of the wiring layer 10 may be provided on the thermistor film 7, will be described later.
  • the first arm portion 92 a and the second arm portion 92 b have the same configuration, and have a point-symmetric shape with respect to the center of the thermistor film 7. Therefore, here, the first arm portion 92a will be described.
  • the first arm portion 92 a is a substantially L-shaped member composed of a first portion 93 and a second portion 94.
  • the first portion 93 extends along the first side 72a of the thermistor film 7 from the first corner 71a of the thermistor film 7 to the vicinity of the second corner 71b adjacent to the first corner 71a. It extends.
  • the second portion 94 is connected to the first portion 93 in the vicinity of the second corner portion 71b of the thermistor film 7, and from the second corner portion 71b to the third corner portion adjacent to the second corner portion 71b. It extends along the second side 72b adjacent to the first side 72a of the thermistor film 7 to the vicinity of 71c.
  • the first arm portion 92 a is separated from the thermistor film 7 except for the connection portion between the first portion 93 and the thermistor film 7. For this reason, heat conduction from the thermistor film 7 to the first arm portion 92a is limited.
  • the vicinity of the third corner portion 71 c of the second portion 94 is connected to the pillar 11.
  • the support layer 9 is supported by a pair of pillars 11 extending from the first substrate 2 toward the second substrate 3.
  • the pillar 11 is a column having a circular cross section.
  • the pillar 11 also has a function as an electrode for supplying a sense current to the thermistor film 7, and is formed of a conductive material such as Ta, Cu, Ru, W, Au, Ni, Fe, and is formed by plating, for example. be able to.
  • the two pillars 11 are connected to the end portions of the first arm portion 92a and the second arm portion 92b, respectively.
  • the thermistor film 7 and the support layer 9 are arranged so as to float in the internal space 5, and are connected to the first substrate 2 of the vacuum vessel 6 through only the pillar 11. Thereby, the influence of heat from the first substrate 2 and the second substrate 3 is suppressed.
  • the first substrate 2 is composed of a silicon substrate and various elements and wirings formed thereon. Elements include ROIC (Read Out Out Integrated Circuit), regulator, A / D converter, multiplexer, and the like.
  • the ROIC is an integrated circuit that converts resistance changes of a plurality of thermistor films 7 into electric signals. These elements are connected to the pillar 11 via, for example, the wiring 13 and the pillar 12 in the first substrate 2.
  • the second substrate 3 is a window substrate that transmits long-wavelength infrared light, and is formed of a silicon substrate, a germanium substrate, or the like. The wavelength of the long-wavelength infrared is approximately 8 to 14 ⁇ m.
  • an antireflection film is formed on the inner and outer surfaces of the second substrate 3.
  • the wiring layer 10 is formed of a conductive material such as Au, B 4 C, Co, Cu, Fe, Mo, NbC, Ni, Rh, Ru, Ta, TaC, TiN, W, and ZrN.
  • the wiring layer 10 is supported by the support layer 9 as described above, and the surface opposite to the surface supported by the support layer 9, that is, the surface facing the second substrate 3 is covered with the first insulating layer 15.
  • the side surfaces are covered with the second insulating layer 16.
  • the first insulating layer 15 and the second insulating layer 16 are made of one or more materials selected from the group consisting of AlN, AlOx, diamond-like carbon, SiNx, SiOx, TaOx, TiO 2 and Si.
  • the second insulating layer 16 is located between the support layer 9 and the first insulating layer 15 and protrudes alternately from both sides in a comb blade shape.
  • the wiring layer 10 forms a meander pattern in the arm portion 92.
  • the pattern of the wiring layer 10 is not limited to the meander pattern. As long as the center line C of the wiring layer 10 intersects the extending direction D of the arm portion 92 in at least a part of the arm portion 92, the pattern is zigzag. Any non-linear pattern such as a pattern, a curved line pattern, or a polygonal line pattern can be adopted.
  • the center line C of the wiring layer 10 means a center line along the bent path of the wiring layer 10 and is different from the X direction and the Y direction.
  • Such a pattern is preferably formed over the entire length of the arm portion 92, but may be formed only on a part of the arm portion 92. A part of the arm portion 92 and another part may be formed in different patterns. It is also possible to combine the various patterns described above (for example, a curved zigzag pattern).
  • the heat radiation from the wiring layer 10 is caused by the heat conduction of the wiring layer 10.
  • Thermal conduction in solids is borne by atomic vibrations.
  • energy transfer by vibration phonon / lattice vibration
  • energy transfer based on movement of conduction electrons it is considered that there are two mechanisms: energy transfer by vibration (phonon / lattice vibration) transmitted between crystal lattices and energy transfer based on movement of conduction electrons.
  • the distance (free path) that particles such as molecules and electrons can travel without being disturbed by scattering (collision) by a scattering source Is called the mean free path.
  • the particles perform a ballistic linear motion, change direction when they collide with a scattering source, and then perform a ballistic linear motion again.
  • a particle moves a distance equal to the mean free path, on average it collides with another particle once.
  • Such a way of thinking can be applied to phonons.
  • the travel distance until the phonon collides with another substance has a stochastic distribution, and the average travel distance (mean free path) is an index of the ease of phonon conduction. That is, reducing the thermal conductivity due to phonons is synonymous with reducing the mean free path of phonons.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the principle of the present invention. Since the mean free path of electrons is based on an infinite medium, the mean free path of electrons in the wiring layer 10 is smaller than the value based on the assumption of an infinite medium. However, since the mean free path of electrons is short (up to several hundred nm), the mean free path of electrons in the wiring layer 10 is considered to be almost the same as the value assuming an infinite medium regardless of the structure of the wiring layer 10. Can do. On the other hand, it is known that the mean free path of phonons at room temperature is evaluated by (3 ⁇ thermal conductivity) / (heat capacity ⁇ sonic velocity).
  • the phonon mean free path MFP1 in the wiring layer 10 is smaller than the phonon mean free path MFP2 in the infinite medium. Since the phonon mean free path is several ⁇ m and longer than the electron mean free path, the phonon mean free path is more susceptible to the structure of the wiring layer 10 than the electron mean free path. Therefore, by adopting a structure in which the mean free path of phonons is shortened, it is possible to realize the wiring layer 10 with reduced thermal conductivity while suppressing the decrease in conductivity.
  • This embodiment provides a wiring layer structure based on such a basic principle, in which the mean free path of electrons is substantially unaffected and only the mean free path of phonons is shortened.
  • 4A is a schematic plan view of the vicinity of the thermistor film 7 of the infrared sensor having the wiring layer 110 of the comparative example
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of the wiring layer 110 along the line AA in FIG. 4A
  • FIG. A cross-sectional view of the wiring layer 110 viewed from the direction is shown.
  • the wiring layer 110 is formed of a linear conductive layer, and is bent at a right angle once in the middle according to the shape of the arm portion 92.
  • the phonon reaches the pillar 11 at the end by three times of ballistic phonon transport (that is, only reflected twice at the interface of the wiring layer 110).
  • the phonon moves along the meander structure, and therefore reaches the pillar 11 at the end after a very large number of ballistic phonon transports (41 times in the example shown in FIG. 2A).
  • the arrows in FIGS. 2A and 4A indicate one ballistic phonon transport.
  • the linear wiring layer 110 is scattered many times in the middle, and the number of times is the meander.
  • the mean free path of phonons in the wiring layer 10 is preferably smaller than the mean free path of phonons in an infinite medium made of the material of the wiring layer 10.
  • a single band-like region 18 extending along the arm portion 92 is formed (FIGS. 2C and 4C). At least a part of each edge 18a in the width direction (Y direction in the first portion 93, X direction in the second portion 94) of the band-shaped region 18 and each edge 18b in the thickness direction (Z direction). At least a part of is formed of a conductor. This conductor forms wiring layers 10 and 110 extending continuously along the arm portion 92 from one end connected to the thermistor film 7 to the other end connected to the pillar 11.
  • the conductor does not have an interface with a substance having a lower thermal conductivity than the conductor inside the single band-shaped region 18.
  • the inside of the single band-shaped region 18 means a region that does not include the boundary surface of the single band-shaped region 18 and is inside the boundary surface of the single band-shaped region 18.
  • the conductor has an interface with a substance having a lower thermal conductivity than the conductor inside the single band-shaped region 18. This interface is a new phonon scattering source.
  • FIG. 5A is a schematic plan view of the vicinity of the thermistor film 7 of the infrared sensor of the second embodiment
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of the wiring layer 20 along the line AA in FIG.
  • differences from the first embodiment will be mainly described.
  • omitted description it is the same as that of 1st Embodiment.
  • the wiring layer 20 is separated or divided in the thickness direction (Z direction) by the separation layer 17.
  • the first wiring layer 21 is formed on the support layer 9 (first arm portion 92a and second arm portion 92b), the separation layer 17 is formed on the first wiring layer 21, and the separation layer 17 is formed.
  • a second wiring layer 22 is formed thereon, and the second wiring layer 22 is covered with the first insulating layer 15.
  • Isolation layer 17 is AlN, AlOx, diamond-like carbon, SiNx, SiOx, TaOx, is formed from one or more materials selected from the group consisting of TiO 2.
  • the separation layer 17 may be formed of the same material as that of the support layer 9 or may be formed of a material different from that of the support layer 9.
  • the number of divided wiring layers 20 or the number of separation layers 17 is not particularly limited, and a plurality of separation layers 17 may be inserted into the wiring layer 20 to divide the wiring layer 20 into three or more. That is, it is sufficient that at least one separation layer 17 is inserted into the wiring layer 20.
  • FIG. 5C shows a side view of the end of the wiring layer 20 and the vicinity of the pillar 11.
  • the phonon not only moves in parallel with the wiring layer 20, but also moves diagonally (that is, with a Z-direction component) with respect to the wiring layer 20. Therefore, by inserting the separation layer 17, the interface of the wiring layer 20 increases and the number of phonon scattering sources increases. For this reason, also in this embodiment, the wiring layer 20 with reduced thermal conductivity can be realized while suppressing the decrease in conductivity. Furthermore, the wiring layer 20 can be easily formed by a wafer process. That is, since the separation layer 17 and the wiring layer 20 divided by the separation layer 17 are parallel to the first substrate 2, the wiring layer 20 having a desired structure can be obtained by simply repeating a simple process.
  • the wiring layer is larger in width (X-direction dimension or Y-direction dimension) than thickness (Z-direction dimension)
  • dividing the wiring layer in the thickness direction rather than dividing the wiring layer in the width direction reduces the surface area of the separation layer. Easy to secure. As a result, the number of phonon scattering sources can be increased efficiently.
  • FIG. 6A is a schematic plan view of the vicinity of the thermistor film 7 of the infrared sensor according to the third embodiment
  • FIG. 6B is an enlarged view of a portion A in FIG. 6
  • FIG. 6C is a sectional view of the portion A viewed from the X direction.
  • differences from the first embodiment will be mainly described. About the structure and effect which abbreviate
  • the wiring layer 30 is separated or divided in the width direction by the separation layer 31. More specifically, the wiring layer 30 is separated or divided in the Y direction by the separation layer 31 in the first portion 93 of the first arm portion 92a, and in the X direction by the separation layer 31 in the second portion 94. Separated or divided.
  • First to fourth wiring layers 30a to 30d extending in parallel to each other are formed on the support layer 9 (first arm portion 92a), and the first wiring layer 30a and the second wiring layer 30b are provided between the first wiring layer 30a and the second wiring layer 30b.
  • One isolation layer 31a is provided between the second wiring layer 30b and the third wiring layer 30c, and the second isolation layer 31b is provided between the third wiring layer 30c and the fourth wiring layer 30d.
  • a separation layer 31c is provided.
  • the first to fourth wiring layers 30a to 30d and the first to third separation layers 31a to 31c are covered with the first insulating layer 15.
  • the first to third separation layers 31a to 31c are formed of one or more materials selected from the group consisting of AlN, AlOx, diamond-like carbon, SiNx, SiOx, TaOx, TiO 2 and Si.
  • the first to third separation layers 31 a to 31 c may be formed of the same material as the support layer 9 or may be formed of a material different from that of the support layer 9 as long as the thermal conductivity is lower than that of the wiring layer 30.
  • the number in which the wiring layer 30 is separated or divided or the number of the separation layers 31 is not particularly limited, and the wiring layer 30 can be separated or divided by inserting an arbitrary number of separation layers 31 into the wiring layer 30. That is, it is only necessary that at least one separation layer 31 is inserted in the wiring layer 30.
  • the phonon not only moves in parallel with the wiring layer 30 but also obliquely with respect to the wiring layer 30 (that is, the Y-direction component in the first portion 93). Therefore, the second portion 94 may move (with an X-direction component). Therefore, by inserting the separation layer 31, the interface of the wiring layer 30 increases and the number of phonon scattering sources increases. For this reason, also in this embodiment, it is possible to realize the wiring layer 30 with reduced thermal conductivity while suppressing the decrease in conductivity.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view of the wiring layer 40 of the infrared sensor of the fourth embodiment.
  • differences from the first embodiment will be mainly described.
  • omitted description it is the same as that of 1st Embodiment.
  • Dispersions 41 having thermal conductivity lower than that of the wiring layer 40 are distributed in the wiring layer 40. Since the conductive portion of the wiring layer 40 is continuous from one end to the other end of the wiring layer 40, the wiring layer 40 is not divided by the dispersion body 41 in the extending direction.
  • the dispersion 41 is made of one or more materials selected from the group consisting of AlN, AlOx, diamond-like carbon, SiNx, SiOx, TaOx, TiO 2 and Si.
  • the shape of the dispersion 41 is not particularly limited, and may be a block shape, a linear shape, or the like.
  • an organic sacrificial layer 51 is formed on the first substrate 2 on which an element such as ROIC is formed, an opening is formed by a photoresist process and a milling process, and the pillar 11 is formed by plating in the opening.
  • the support layer 9 is formed on the organic sacrificial layer 51 and the pillar 11 by sputtering.
  • the wiring layer 10 is formed on the support layer 9 by sputtering, and the wiring layer 10 is formed into a predetermined shape by patterning.
  • a set of the separation layer 17 and the conductive layer is further laminated a desired number of times.
  • an opening is formed in the wiring layer 30 by a photoresist process and a milling process, and an insulating layer 31 is formed in the opening.
  • the wiring layer 40 is formed by a method such as simultaneous sputtering of the conductor and the dispersion 41 or sputtering of a mixture of the conductor and the dispersion 41.
  • the thermistor film 7 and the infrared absorption film 8 are formed on the support layer 9 by sputtering.
  • the organic sacrificial layer 51 is removed by a dry process. Then, the infrared sensor 1 shown in FIG. 1 is obtained by joining the 1st board
  • first to fourth embodiments can be combined with each other.
  • a separation layer 31 that separates the wiring layer in the thickness direction as in the second embodiment can be provided.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

配線層の電気抵抗の増加を抑制しつつ配線層１０の熱抵抗が増加した熱利用デバイスが提供される。　熱利用デバイス１は、温度に応じて電気抵抗が変化するサーミスタ７と、サーミスタ７に接続された配線層１０と、を有している。配線層１０におけるフォノンの平均自由行程は、配線層１０の材料からなる無限媒質におけるフォノンの平均自由行程より小さい。

Description

熱利用デバイス
　本発明は熱利用デバイスに関し、特に温度に応じて電気抵抗が変化するサーミスタを備えた熱利用デバイスに関する。
　各種の温度センサで感熱素子として用いられるサーミスタは、温度に応じて電気抵抗が変化する。このため、サーミスタの電気抵抗の変化を検出することによってサーミスタの周辺の温度を検知することができる。サーミスタの温度変化が輻射熱によって生じるときは、Ｓｔｅｆａｎ－Ｂｏｌｔｚｍａｎｎの法則に基づき、輻射熱を放射する物体の温度を検知することができる。
　サーミスタの感度を向上させるためには、サーミスタの熱吸収効率を改善することが有効である。特許第５８６６８８１号明細書及び特許第６０３０２７３２号明細書には、赤外線検知用感熱素子に接続されるリードがミアンダパターンで形成された赤外線温度センサが開示されている。赤外線検知用感熱素子とリードは基板上に設置され、リードは基板上に配線パターンとして形成される。リードの集熱効果により赤外線温度センサの感度が高められる。
　対象物の輻射熱を測定し、対象物の表面温度を測定する用途では、対象物からの輻射熱だけを検出し、それ以外の物体からの輻射熱の影響を抑制することが必要である。対象物から放射される電磁波を、サーミスタまたはサーミスタ近傍で熱に変換して観測するセンサにおいては、電磁波の入射量に対するサーミスタの温度上昇効率を高めるためにサーミスタからの放熱を抑制することが必要となる。この目的で、サーミスタは真空容器に収容され、さらに、アーム状の支持部で真空容器中に浮くように設置される。これによって、雰囲気を介したサーミスタからの放熱と、熱伝導によるサーミスタから容器への放熱が抑制される。
　しかしながら、この構成では、支持部はサーミスタに電流を供給する配線層を保持する機能を併せ持つ。支持部は一般的に物理的強度の高い絶縁材料で形成されるが、配線層は導電材料から形成される。一般に電気抵抗と熱抵抗との間には正の相関関係があり（ヴィーデマン・フランツ則）、絶縁材料の熱抵抗は大きいが、導電材料の熱抵抗は小さい。このため、支持部における熱伝導は抑制されるが、配線層における熱伝導は無視できないレベルとなることがある。配線層を導電性の低い材料で形成すれば熱伝導は抑えられが、電気抵抗の増加により消費電力の増加につながる。これに伴い配線層の発熱量が増えるため、サーミスタの測定誤差が増大する可能性もある。
　本発明は、配線層の電気抵抗の増加を抑制しつつ配線層の熱抵抗が増加した熱利用デバイスを提供することを目的とする。
　本発明の熱利用デバイスは、温度に応じて電気抵抗が変化するサーミスタと、サーミスタに接続された配線層と、を有している。配線層におけるフォノンの平均自由行程は、配線層の材料からなる無限媒質におけるフォノンの平均自由行程より小さい。
　上述した、およびその他の、本出願の目的、特徴、および利点は、本出願を例示した添付の図面を参照する以下に述べる詳細な説明によって明らかとなろう。
本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサの概略断面図である。 図１に示す赤外線センサのサーミスタ膜の近傍の概略平面図である。 図２ＡのＡ－Ａ線に沿った配線層の断面図である。 Ｘ方向からみた配線層１０の断面図である。 本発明の原理を示す模式図である。 比較例の赤外線センサのサーミスタ膜の近傍の概略平面図である。 図４ＡのＡ－Ａ線に沿った配線層の断面図である。 Ｘ方向からみた配線層の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサのサーミスタ膜の近傍の概略平面図である。 図５ＡのＡ－Ａ線に沿った配線層の断面図である。 配線層の端部とピラーの近傍の側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサのサーミスタ膜の近傍の概略平面図である。 図６ＡのＡ－Ａ線に沿った配線層の断面図である。 Ｘ方向からみた配線層の断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサの配線層の部分断面図である。 本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。 本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。 本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。 本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。 本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。
　１　赤外線センサ
　２　第１の基板
　３　第２の基板
　５　内部空間
　６　真空容器
　７　サーミスタ膜
　８　赤外線吸収膜
　９　支持層
　１０，２０，３０，４０，１１０　配線層
　１０ａ　第１の配線層
　１０ｂ　第２の配線層
　１１　ピラー
　１５　第１の絶縁層
　１６　第２の絶縁層
　１７　分離層
　１８　単一の帯状領域
　２０　配線層
　２１　第１の配線層
　２２　第２の配線層
　３０ａ～３０ｄ　第１～第４の配線層
　３１　分離層
　３１ａ～３１ｃ　第１～第３の分離層
　４１　分散体
　９１　中央部
　９２　腕部
　９２ａ　第１の腕部
　９２ｂ　第２の腕部
　９３　第１の部分
　９４　第２の部分
　以下、図面を参照して本発明の熱利用デバイスの様々な実施形態を説明する。以下の説明及び図面において、Ｘ方向及びＹ方向は第１の基板２及び第２の基板３の主面と平行な向きである。Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向と直交する方向であり、第１の基板２及び第２の基板３の主面と垂直な方向である。
　本発明の熱利用デバイスは温度に応じて電気抵抗が変化するサーミスタを備えている。説明の便宜上、各実施形態の熱利用デバイスは一つのサーミスタ膜だけを備えた赤外線センサであるが、熱利用デバイスは２次元状に配列したサーミスタ膜のアレイを備えていてもよい。このようなサーミスタ膜のアレイを備えた熱利用デバイスは赤外線カメラの撮像素子として利用される。赤外線カメラは暗所での暗視スコープ、暗視ゴーグルとして利用できるほか、人や物の温度測定などに利用可能である。また、複数のサーミスタ膜が１次元状に配列した赤外線センサは、各種の温度ないし温度分布を測定するセンサとして利用することができる。複数のサーミスタ膜が１次元状に配列した赤外線センサも本発明の範囲に含まれる。
　（第１の実施形態）
　図１は本発明の第１の実施形態の赤外線センサ１の概略側面図、図２Ａはサーミスタ膜の近傍の概略平面図、図２Ｂは図２ＡのＡ－Ａ線に沿った配線層１０の断面図を、図２ＣはＸ方向からみた配線層１０の断面図を示している。図２Ａでは支持層９の中央部９１を示すため、サーミスタ膜７の一部を省略している。
　赤外線センサ１は、第１の基板２と、第１の基板２に対向して位置する第２の基板３と、第１の基板２と第２の基板３とを接続する側壁４と、を有している。第２の基板３は赤外線が入射する窓基板である。第１の基板２と第２の基板３と側壁４は密閉された内部空間５を形成している。内部空間５にはサーミスタ膜７が収容されている。内部空間５は負圧ないしは真空にされている。すなわち、第１の基板２と第２の基板３と側壁４は密閉された真空容器６を形成している。これによって、内部空間５での気体の対流が防止または抑制され、サーミスタ膜７への熱的影響を軽減することができる。
　サーミスタ膜７はシリコン基板（図示せず）と、シリコン基板上に形成された酸化バナジウム（ＶＯｘ）の膜（図示せず）とを有している。ＶＯｘの膜の代わりにアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ），ＴｉＯｘ，ＮｉＯｘ，ＣｏＭｎＮｉＯｘの膜を用いてもよい。サーミスタ膜７は概ね正方形または長方形の受光面７ａを有し、受光面７ａが第２の基板３と対向している。サーミスタ膜７の受光面７ａには赤外線吸収膜８が形成されている。赤外線吸収膜８はサーミスタ膜７に入力される赤外線の熱量を増加させるために設けられている。赤外線吸収膜８はＳｉＯｘで形成されるが、ＳｉＮ，ＡｌＯｘ，ＴａＯｘ，ＮｂＯｘ，ＡｌＮ，ＳｉＯＮ，ＡｌＯＮ, カーボン，有機物などで形成することもできる。
　サーミスタ膜７は支持層９で支持されている。支持層９の材料は、後述する配線層１０より低い熱伝導率を有し、且つサーミスタ膜７を支持する強度を有する限り限定されないが、支持層９は好ましくは絶縁体、例えば、ＡｌＮ，ＡｌＯｘ，ダイヤモンドライクカーボン，ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ，ＴｉＯ２，Ｓｉからなる群（ｘは任意組成を意味する）から選択された１または２以上の材料から形成される。支持層９はサーミスタ膜７を支持する概ね正方形の中央部９１と、中央部９１の対角線上の２つの角部から延びる一対の腕部９２（以下、第１の腕部９２ａ、第２の腕部９２ｂという）とを有している。腕部９２は中央部９１をピラー１１（後述）に接続する。また、腕部９２は中央部９１を介してサーミスタ膜７に接続されている。中央部９１と腕部９２は同じ材料で形成されているが、互いに異なる材料で形成されてもよい。中央部９１はサーミスタ膜７よりわずかに平面寸法が大きく、サーミスタ膜７と垂直な方向（Ｚ方向）からみたときに、サーミスタ膜７は中央部９１の四辺に取り囲まれている。支持層９の一対の腕部９２には一対の配線層１０（以下、第１の配線層１０ａ、第２の配線層１０ｂという）が支持されている。本実施形態では配線層１０は支持層９に設けられているが、配線層１０の一部がサーミスタ膜７に設けられていてもよい、配線層１０の構成については後述する。
　第１の腕部９２ａと第２の腕部９２ｂは同一の構成を有し、且つサーミスタ膜７の中心に関し点対称の形状を有している。従って、ここでは第１の腕部９２ａについて説明する。第１の腕部９２ａは、第１の部分９３と第２の部分９４とからなる概ねＬ字形状の部材である。第１の部分９３は、サーミスタ膜７の第１の角部７１ａから、第１の角部７１ａに隣接する第２の角部７１ｂの近傍まで、サーミスタ膜７の第１の辺７２ａに沿って延びている。第２の部分９４はサーミスタ膜７の第２の角部７１ｂの近傍で第１の部分９３に接続され、第２の角部７１ｂから、第２の角部７１ｂに隣接する第３の角部７１ｃの近傍まで、サーミスタ膜７の第１の辺７２ａに隣接する第２の辺７２ｂに沿って延びている。第１の腕部９２ａは、第１の部分９３のサーミスタ膜７との接続部を除きサーミスタ膜７から離隔している。このため、サーミスタ膜７から第１の腕部９２ａへの熱伝導が制限されている。第２の部分９４の第３の角部７１ｃの近傍はピラー１１に接続されている。
　支持層９は第１の基板２から第２の基板３に向けて延びる一対のピラー１１で支持されている。ピラー１１は円形断面の柱体である。ピラー１１はサーミスタ膜７にセンス電流を供給する電極としての機能も有しており、Ｔａ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｗ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｆｅなどの導電性の材料で形成され、例えばめっきによって作成することができる。２つのピラー１１はそれぞれ第１の腕部９２ａと第２の腕部９２ｂの端部に接続される。サーミスタ膜７と支持層９は内部空間５に浮くように配置され、ピラー１１のみを介して真空容器６の第１の基板２に接続される。これにより、第１の基板２や第２の基板３からの熱の影響が抑えられる。
　第１の基板２はシリコン基板とその上に形成された様々な素子や配線から構成されている。素子としては、ＲＯＩＣ（Read Out Integrated Circuit）、レギュレータ、Ａ／Ｄコンバータ、マルチプレクサなどが含まれる。ＲＯＩＣは複数のサーミスタ膜７の抵抗変化を電気信号に変換する集積回路である。これらの素子は例えば第１の基板２内の配線１３やピラー１２を介してピラー１１に接続されている。第２の基板３は長波長赤外線を透過させる窓基板であり、シリコン基板、ゲルマニウム基板などから形成される。長波長赤外線の波長は概ね８～１４μｍである。図示は省略するが、第２の基板３の内外面に反射防止膜が形成されている。
　配線層１０はＡｕ，Ｂ４Ｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｏ，ＮｂＣ，Ｎｉ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｔａ，ＴａＣ，ＴｉＮ，Ｗ，ＺｒＮなどの導電性の材料で形成されている。配線層１０は上述の通り支持層９で支持されており、さらに支持層９で支持されている面の反対面、すなわち第２の基板３と対向する面が第１の絶縁層１５で被覆され、側面が第２の絶縁層１６で被覆されている。第１の絶縁層１５と第２の絶縁層１６はＡｌＮ，ＡｌＯｘ，ダイヤモンドライクカーボン，ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ，ＴｉＯ２，Ｓｉからなる群から選択された１または２以上の材料から形成される。
　第２の絶縁層１６は支持層９と第１の絶縁層１５との間に位置し、両側から櫛刃状に交互に突き出している。この結果、配線層１０は腕部９２の中でミアンダパターンを形成している。配線層１０のパターンはミアンダパターンに限定されず、配線層１０の中心線Ｃが、腕部９２の少なくとも一部の区間で、腕部９２の延在する方向Ｄと交差している限り、ジグザグパターン、曲線パターン、折れ線パターンなど、非直線のあらゆるパターンが採用可能である。なお、配線層１０の中心線Ｃとは配線層１０の折れ曲がった経路に沿った中心線を意味し、Ｘ方向、Ｙ方向とは異なる。このようなパターンは好ましくは腕部９２の全長に渡って形成されるが、腕部９２の一部のみに形成されてもよい。腕部９２の一部と他の一部が互いに異なるパターンで形成されてもよい。また、上述の様々なパターンを組み合わせる（例えば、曲線状のジグザグパターンなど）ことも可能である。
　サーミスタ膜７に入射した輻射熱エネルギーが配線層１０を通って放熱すると赤外線センサ１の感度の低下につながる。このため、本発明では赤外線センサ１の感度を向上させるため、配線層１０からの放熱を抑制することを目的としている。配線層１０からの放熱は配線層１０の熱伝導によって引き起こされる。固体中での熱伝導は原子の振動が担う。特に、金属における熱伝導では、結晶格子間を伝わる振動（フォノン・格子振動）によるエネルギー伝達と、伝導電子に移動に基づくエネルギー伝達の２つの機構があると考えられている。導電性の金属におけるエネルギー伝達では伝導電子による寄与が大きいので、一般に導電性の金属は電気の良導体であるとともに熱の良導体でもある（ヴィーデマン＝フランツ則）。従って、導電体からなる配線層１０は、絶縁体からなる支持層９と比べて容積が小さいにも拘らず、熱の伝達経路として無視できない。しかし、導電性の金属においてもフォノンを介した熱伝導性の寄与が一定程度存在するため、フォノンによる熱伝導性を低下させることで、配線層１０からの放熱を抑制することができる。
　気体分子運動論において、分子や電子などの粒子が散乱源（同じ粒子の場合もあれば、異なる粒子の場合もある）による散乱（衝突）で妨害されることなく進むことのできる距離（自由行程という）の平均値を平均自由行程という。粒子は弾道的な直線運動を行い、散乱源に衝突すると方向を変え、再び弾道的な直線運動を行う。粒子が平均自由行程に等しい距離を運動すると、平均して他の粒子と１回衝突する。フォノンにおいてもこのような考え方を取ることが可能である。フォノンが他の物質と衝突するまでの移動距離は確率的な分布を取り、その平均移動距離（平均自由行程）はフォノンの伝導のしやすさの指標となる。すなわち、フォノンによる熱伝導性を低下させることはフォノンの平均自由行程を減少させることと同義である。
　図３は、本発明の原理を示す模式図である。電子の平均自由行程は無限媒質を前提としたものであるため、配線層１０における電子の平均自由行程は無限媒質を前提にした値よりも小さくなる。しかし、電子の平均自由行程は短いため(～数百ｎｍ)、配線層１０における電子の平均自由行程は、配線層１０の構造によらず、無限媒質を前提にした値とほぼ同じとみなすことができる。一方、室温におけるフォノンの平均自由行程は（３×熱伝導率）／（熱容量×音速）で評価されることが知られている。フォノンの平均自由行程も無限媒質を前提としたものであるため、配線層１０におけるフォノンの平均自由行程ＭＦＰ１は無限媒質におけるフォノンの平均自由行程ＭＦＰ２よりも小さくなる。そして、フォノンの平均自由行程は数μｍであり電子の平均自由行程よりも長いため、フォノンの平均自由行程は、電子の平均自由行程と比べて、配線層１０の構造から影響を受けやすい。従って、フォノンの平均自由行程が短くなる構造を採用することで、導電性の低下を抑えつつ、熱伝導性が低下した配線層１０を実現することができる。
　本実施形態は、このような基本原理に基づき、電子の平均自由行程はほぼ影響を受けず、フォノンの平均自由行程だけが短くなる配線層構造を提供する。図４Ａは比較例の配線層１１０を備えた赤外線センサのサーミスタ膜７の近傍の概略平面図、図４Ｂは図４ＡのＡ－Ａ線に沿った配線層１１０の断面図を、図４ＣはＸ方向からみた配線層１１０の断面図を示している。配線層１１０は直線状の導電層からなり、腕部９２の形状に従い途中で１回だけ直角に曲がっている。このため、極端な場合、フォノンは３回の弾道性フォノン輸送で（つまり、配線層１１０の界面に２回反射しただけで）端部のピラー１１に到達する。これに対し、本実施形態では、フォノンはミアンダ構造に沿って運動するため、非常に多くの回数の弾道性フォノン輸送の後に（図２Ａに示す例では４１回）端部のピラー１１に到達する。なお、図２Ａと図４Ａの矢印は１回の弾道性フォノン輸送を示している。これに対し、図示は省略するが、電子の平均自由行程はフォノンの平均自由行程よりはるかに短いため、直線状の配線層１１０においても途中で多数回の散乱を受け、しかも、その回数はミアンダパターンの配線層１０で受ける回数と大きく変わらない。つまり、ミアンダパターンによって生じる経路途中の壁が、フォノンの新たな散乱源、すなわちフォノン伝導に対する新たな阻害要素となり、フォノン伝導性だけが低下する。図３においてはＡより大きな自由行程の発生頻度がほぼゼロとなっている。これは、Ａがミアンダパターンにおいて幾何学的に決まる、弾道性フォノン輸送の最長行程に対応しているためである。配線層１０におけるフォノンの平均自由行程は、配線層１０の材料からなる無限媒質におけるフォノンの平均自由行程より小さいことが望ましい。
　本実施形態と比較例のいずれにおいても、腕部９２に沿って延びる単一の帯状領域１８が形成されている（図２Ｃ，図４Ｃ）。帯状領域１８の幅方向（第１の部分９３におけるＹ方向、第２の部分９４におけるＸ方向）におけるそれぞれの縁部１８ａの少なくとも一部と、厚さ方向（Ｚ方向）におけるそれぞれの縁部１８ｂの少なくとも一部は導電体で形成されている。この導電体はサーミスタ膜７に接続された一端からピラー１１に接続された他端まで、腕部９２に沿って連続して延びる配線層１０，１１０を形成している。比較例では単一の帯状領域１８はすべて配線層１１０で埋められており、導電体は単一の帯状領域１８の内側に、導電体より熱伝導率が低い物質との界面を有していない。単一の帯状領域１８の内側とは、単一の帯状領域１８の境界面を含まず、単一の帯状領域１８の境界面よりも内側の領域を意味する。これに対して、本実施形態では、導電体は単一の帯状領域１８の内側に、導電体より熱伝導率が低い物質との界面を有している。この界面がフォノンの新たな散乱源である。
　（第２の実施形態）
　図５Ａは第２の実施形態の赤外線センサのサーミスタ膜７の近傍の概略平面図、図５Ｂは図５のＡ－Ａ線に沿った配線層２０の断面図を示している。ここでは主に第１の実施形態との違いを説明する。説明を省略した構成及び効果については第１の実施形態と同様である。
　本実施形態では、配線層２０は分離層１７によって厚さ方向（Ｚ方向）に分離ないし分割されている。支持層９（第１の腕部９２ａ及び第２の腕部９２ｂ）の上に第１の配線層２１が形成され、第１の配線層２１の上に分離層１７が形成され、分離層１７の上に第２の配線層２２が形成され、第２の配線層２２が第１の絶縁層１５で被覆されている。分離層１７はＡｌＮ，ＡｌＯｘ，ダイヤモンドライクカーボン，ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ，ＴｉＯ２からなる群から選択された１または２以上の材料から形成される。分離層１７は配線層２０より熱伝導率が低い限り、支持層９と同じ材料から形成されてもよいし、支持層９と異なる材料から形成されてもよい。配線層２０が分割される数ないし分離層１７の数は特に制限されず、配線層２０に複数の分離層１７を挿入して、配線層２０を３つ以上に分割してもよい。つまり、配線層２０には少なくとも１つの分離層１７が挿入されていればよい。
　図５Ｃは配線層２０の端部とピラー１１の近傍の側面図を示している。支持層９の上に第１の配線層２１と分離層１７と第２の配線層２２を形成する際に、スパッタリングの角度を調整してこれらの層２１，１６，２２を支持層９の側面にも付着させている。これによって、厚さ方向（Ｚ方向）に分割された配線層２０をピラー１１に電気接続させることができる。
　図５Ｂに示すように、フォノンは配線層２０と平行に運動するだけでなく、配線層２０に対し斜めに（つまりＺ方向成分をもって）運動することもある。従って、分離層１７を挿入することによって配線層２０の界面が増加し、フォノンの散乱源が増加する。このため、本実施形態においても導電性の低下を抑えつつ、熱伝導性が低下した配線層２０を実現することができる。さらに、配線層２０はウエハプロセスによって容易に作成することができる。すなわち、分離層１７と、分離層１７によって分割された配線層２０は第１の基板２と平行であるため、単純なプロセスを繰り返すだけで所望の構造の配線層２０が得られる。また、一般に配線層は厚さ（Ｚ方向寸法）より幅（Ｘ方向寸法またはＹ方向寸法）のほうが大きいため、配線層を幅方向に分割するより厚さ方向に分割するほうが分離層の表面積を確保しやすい。これにより、フォノンの散乱源を効率的に増加させることができる。
　（第３の実施形態）
　図６Ａは第３の実施形態の赤外線センサのサーミスタ膜７の近傍の概略平面図を、図６Ｂは図６のＡ部拡大図を、図６ＣはＸ方向からみたＡ部断面図を示している。ここでは主に第１の実施形態との違いを説明する。説明を省略した構成及び効果については第１の実施形態と同様である。
　本実施形態では、配線層３０は分離層３１によって幅方向に分離ないし分割されている。より詳細には、配線層３０は、第１の腕部９２ａの第１の部分９３においては分離層３１によってＹ方向に分離ないし分割され、第２の部分９４においては分離層３１によってＸ方向に分離ないし分割されている。支持層９（第１の腕部９２ａ）の上に互いに平行に延びる第１～第４の配線層３０ａ～３０ｄが形成され、第１の配線層３０ａと第２の配線層３０ｂの間に第１の分離層３１ａが、第２の配線層３０ｂと第３の配線層３０ｃの間に第２の分離層３１ｂが、第３の配線層３０ｃと第４の配線層３０ｄの間に第３の分離層３１ｃが設けられている。第１～第４の配線層３０ａ～３０ｄと第１～第３の分離層３１ａ～３１ｃは第１の絶縁層１５で被覆されている。第１～第３の分離層３１ａ～３１ｃはＡｌＮ，ＡｌＯｘ，ダイヤモンドライクカーボン，ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ，ＴｉＯ２，Ｓｉからなる群から選択された１または２以上の材料から形成される。第１～第３の分離層３１ａ～３１ｃは配線層３０より熱伝導率が低い限り、支持層９と同じ材料から形成されてもよいし、支持層９と異なる材料から形成されてもよい。配線層３０が分離ないし分割される数ないし分離層３１の数は特に制限されず、配線層３０に任意の数の分離層３１を挿入して、配線層３０を分離ないし分割することができる。つまり、配線層３０には少なくとも１つの分離層３１が挿入されていればよい。
　図示は省略するが、第２の実施形態で述べたとおり、フォノンは配線層３０と平行に運動するだけでなく、配線層３０に対し斜めに（すなわち、第１の部分９３においてはＹ方向成分をもって、第２の部分９４においてはＸ方向成分をもって）運動することもある。従って、分離層３１を挿入することによって配線層３０の界面が増加し、フォノンの散乱源が増加する。このため、本実施形態においても導電性の低下を抑えつつ、熱伝導性が低下した配線層３０を実現することができる。
　（第４の実施形態）
　図７は第４の実施形態の赤外線センサの配線層４０の断面図を示している。ここでは主に第１の実施形態との違いを説明する。説明を省略した構成及び効果については第１の実施形態と同様である。
　配線層４０には配線層４０より低い熱伝導率を有する分散体４１が分散配置されている。配線層４０の導電部は配線層４０の一端から他端まで連続しているため、配線層４０がその延在方向に分散体４１によって分断されることはない。分散体４１はＡｌＮ，ＡｌＯｘ，ダイヤモンドライクカーボン，ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ，ＴｉＯ２，Ｓｉからなる群から選択された１または２以上の材料から形成される。分散体４１の形状は特に限定されず、塊状、線状などであってよい。分散体４１を設けることによって、他の実施形態と同様、配線層４０の界面が増加し、フォノンの散乱源が増加する。このため、本実施形態においても導電性の低下を抑えつつ、熱伝導性が低下した配線層４０を実現することができる。
　（赤外線センサ１の製造方法）
　次に、図８Ａ～８Ｅを参照して本発明の赤外線センサ１の製造方法の一例を示す。赤外線センサ１はウエハプロセスによって製造されるため、以下の説明において、第１の基板２、第２の基板３はウエハを意味する。ここでは第１の実施形態を例に説明し、他の実施形態については第１の実施形態との違いを説明する。
　まず、図８Ａに示すように、ＲＯＩＣなどの素子が形成された第１の基板２上に有機犠牲層５１を形成し、フォトレジスト工程及びミリング工程によって開口を形成し、開口にめっきでピラー１１を形成する。次に、図８Ｂに示すように、有機犠牲層５１及びピラー１１の上にスパッタリングで支持層９を形成する。次に、図８Ｃに示すように、支持層９の上にスパッタリングで配線層１０を形成し、パターニングによって配線層１０を所定の形状に成形する。第２の実施形態の場合は、さらに分離層１７と導電層の組を所望の回数だけ積層する。第３の実施形態の場合は、フォトレジスト工程及びミリング工程によって配線層３０に開口を形成し、開口に絶縁層３１を形成する。第４の実施形態の場合は、導電体と分散体４１の同時スパッタリング、導電体と分散体４１の混合物のスパッタリングなどの方法で配線層４０を作成する。次に、図８Ｄに示すように、支持層９の上にスパッタリングでサーミスタ膜７と赤外線吸収膜８を形成する。次に、図８Ｅに示すように、ドライプロセスにより有機犠牲層５１を除去する。その後、真空雰囲気中で第１の基板２と第２の基板３を接合することで図１に示す赤外センサ１が得られる。
　本発明のいくつかの好ましい実施形態を詳細に示し、説明したが、添付された請求項の趣旨または範囲から逸脱せずに様々な変更および修正が可能であることを理解されたい。例えば、第１～第４の実施形態は互いに組み合わせることが可能である。一例として、第１の実施形態のように配線層をミアンダパターンに形成した上で、第２の実施形態のように配線層を厚さ方向に分離する分離層３１を設けることができる。

Claims (10)

  1. 　温度に応じて電気抵抗が変化するサーミスタと、
    　前記サーミスタに接続された配線層と、を有し、
    　前記配線層におけるフォノンの平均自由行程は、前記配線層の材料からなる無限媒質におけるフォノンの平均自由行程より小さい、熱利用デバイス。
  2. 　前記サーミスタと前記配線層とを支持し、前記配線層より低い熱伝導率を有する支持層を有している、請求項１に記載の熱利用デバイス。
  3. 　外部に対して負圧にされた内部空間を形成する容器と、前記内部空間で前記容器に支持された複数のピラーと、を有し、前記サーミスタと前記配線層と前記支持層は前記内部空間に収容され、前記支持層は前記複数のピラーのみを介して前記容器に接続されている、請求項２に記載の熱利用デバイス。
  4. 　前記支持層は、前記サーミスタを支持する中央部と、前記配線層の少なくとも一部を保持し、前記中央部と前記ピラーとを接続する腕部と、を有している、請求項３に記載の熱利用デバイス。
  5. 　前記配線層の中心線が前記腕部の延在する方向と交差する、請求項４に記載の熱利用デバイス。
  6. 　前記配線層を当該配線層の厚さ方向に分離する、前記配線層より熱伝導率が低い分離層を有している、請求項１から５のいずれか１項に記載の熱利用デバイス。
  7. 　前記配線層を当該配線層の幅方向に分離する、前記配線層より熱伝導率が低い分離層を有している、請求項１から６のいずれか１項に記載の熱利用デバイス。
  8. 　前記分離層はＡｌＮ，ＡｌＯｘ，ダイヤモンドライクカーボン，ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ，ＴｉＯ２，Ｓｉからなる群から選択された１または２以上の材料からなる、請求項６または７に記載の熱利用デバイス。
  9. 　前記配線層に分散配置され、前記配線層より熱伝導率が低い分散体を有する、請求項４から８のいずれか１項に記載の熱利用デバイス。
  10. 　温度に応じて電気抵抗が変化するサーミスタと、
    　前記サーミスタに接続された腕部と、
    　前記腕部に沿って延び、幅方向と厚さ方向の縁部の少なくとも一部を導電体が形成する帯状領域と、を有し、
    　前記導電体は前記サーミスタに接続された一端から他端まで連続して延び、前記帯状領域の内側に前記導電体より熱伝導率が低い物質との界面を有している、熱利用デバイス。
PCT/JP2018/008556 2018-03-06 2018-03-06 熱利用デバイス WO2019171465A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201880090904.4A CN111819425B (zh) 2018-03-06 2018-03-06 热利用装置
US16/969,015 US11480477B2 (en) 2018-03-06 2018-03-06 Heat utilizing device
PCT/JP2018/008556 WO2019171465A1 (ja) 2018-03-06 2018-03-06 熱利用デバイス
JP2020504526A JP7173125B2 (ja) 2018-03-06 2018-03-06 熱利用デバイス

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2018/008556 WO2019171465A1 (ja) 2018-03-06 2018-03-06 熱利用デバイス

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019171465A1 true WO2019171465A1 (ja) 2019-09-12

Family

ID=67846497

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/008556 WO2019171465A1 (ja) 2018-03-06 2018-03-06 熱利用デバイス

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11480477B2 (ja)
JP (1) JP7173125B2 (ja)
CN (1) CN111819425B (ja)
WO (1) WO2019171465A1 (ja)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10332480A (ja) * 1997-05-29 1998-12-18 Mitsubishi Electric Corp 赤外線固体撮像素子
JP2007316076A (ja) * 2007-06-08 2007-12-06 Matsushita Electric Works Ltd 赤外線センサ
WO2008068386A1 (en) * 2006-12-05 2008-06-12 Jyväskylän Yliopisto An elongated nanofiber with an improved prevention of thermal conductance and method to prevent thermal conductance in the nanofiber
JP2009194085A (ja) * 2008-02-13 2009-08-27 Toyota Motor Corp 熱電変換素子及びその製造方法
JP2009229260A (ja) * 2008-03-24 2009-10-08 Toshiba Corp 赤外線センサ素子
JP2011237256A (ja) * 2010-05-10 2011-11-24 Seiko Epson Corp 熱型光検出器、熱型光検出装置および電子機器
JP2013050365A (ja) * 2011-08-31 2013-03-14 Tdk Corp 赤外線温度センサ
US20170199082A1 (en) * 2015-11-30 2017-07-13 International Business Machines Corporation Sensors for detecting incident signals having disturbance elements
JP2017223644A (ja) * 2016-06-13 2017-12-21 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 赤外線センサ

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6030273B2 (ja) 1980-08-13 1985-07-15 昭和製袋工業株式会社 紙袋の製造方法
US6239431B1 (en) * 1998-11-24 2001-05-29 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce Superconducting transition-edge sensor with weak links
US6829269B2 (en) * 2002-05-21 2004-12-07 University Of Massachusetts Systems and methods using phonon mediated intersubband laser
JP2014173850A (ja) * 2013-03-05 2014-09-22 Ricoh Co Ltd 熱型赤外線センサー
US20200191655A1 (en) * 2018-12-15 2020-06-18 William N. Carr Photonic- and Phononic-structured pixel for electromagnetic radiation and detection
US9006857B1 (en) * 2013-04-04 2015-04-14 William N. Carr Platform comprising an infrared sensor
WO2016152222A1 (ja) 2015-03-25 2016-09-29 Ｓｅｍｉｔｅｃ株式会社 赤外線温度センサ及び赤外線温度センサを用いた装置
JP6638269B2 (ja) * 2015-09-10 2020-01-29 富士通株式会社 ナノ構造素子及びその製造方法、並びに熱電変換装置
US11300453B2 (en) * 2017-06-18 2022-04-12 William N. Carr Photonic- and phononic-structured pixel for electromagnetic radiation and detection
US11378467B2 (en) * 2018-07-24 2022-07-05 Indian Institute Of Science Highly sensitive reduced graphene oxide-nickel composite based cryogenic temperature sensor

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10332480A (ja) * 1997-05-29 1998-12-18 Mitsubishi Electric Corp 赤外線固体撮像素子
WO2008068386A1 (en) * 2006-12-05 2008-06-12 Jyväskylän Yliopisto An elongated nanofiber with an improved prevention of thermal conductance and method to prevent thermal conductance in the nanofiber
JP2007316076A (ja) * 2007-06-08 2007-12-06 Matsushita Electric Works Ltd 赤外線センサ
JP2009194085A (ja) * 2008-02-13 2009-08-27 Toyota Motor Corp 熱電変換素子及びその製造方法
JP2009229260A (ja) * 2008-03-24 2009-10-08 Toshiba Corp 赤外線センサ素子
JP2011237256A (ja) * 2010-05-10 2011-11-24 Seiko Epson Corp 熱型光検出器、熱型光検出装置および電子機器
JP2013050365A (ja) * 2011-08-31 2013-03-14 Tdk Corp 赤外線温度センサ
US20170199082A1 (en) * 2015-11-30 2017-07-13 International Business Machines Corporation Sensors for detecting incident signals having disturbance elements
JP2017223644A (ja) * 2016-06-13 2017-12-21 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 赤外線センサ

Also Published As

Publication number Publication date
JP7173125B2 (ja) 2022-11-16
US20210025765A1 (en) 2021-01-28
CN111819425B (zh) 2023-12-12
JPWO2019171465A1 (ja) 2021-03-04
US11480477B2 (en) 2022-10-25
CN111819425A (zh) 2020-10-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9638582B2 (en) Terahertz wave detection device, camera, imaging device, and measuring device
KR101910573B1 (ko) 광대역 광 흡수체를 포함하는 적외선 검출기
CN111947788B (zh) 红外探测器及其制备方法
US9121761B2 (en) Infrared detectors
US9163998B2 (en) Infrared detector
US20140319357A1 (en) Electromagnetic wave detector and electromagnetic wave detector array
CN111947787B (zh) 红外探测器及其制备方法
WO2011078004A1 (ja) 赤外線センサ
JP2015152597A (ja) 温度測定要素を有するｍｉｍ構造体を備えた放射検出器
JPWO2019171488A1 (ja) 電磁波センサ
WO2011139327A2 (en) Pixel structure for microbolometer detector
US20140361170A1 (en) Terahertz wave detecting device, camera, imaging apparatus and measuring apparatus
JP2014224810A (ja) 電磁波センサ装置
EP3933357B1 (en) Infrared sensor and infrared sensor array
EP0645001B1 (en) Use of vanadium oxide in microbolometer sensors
JP5706174B2 (ja) 赤外線センサおよび赤外線センサアレイ
WO2019171465A1 (ja) 熱利用デバイス
JPH11211558A (ja) センサ及びセンサアレイ
US10663350B1 (en) Two-dimensional phononic metamaterial filter structure for ultra-low-background detectors
US10018511B2 (en) Infrared detector including broadband surface plasmon resonator
JP2013083651A (ja) 赤外線サーマルディテクタ及びその製造方法
US12007283B2 (en) Infrared sensor and infrared sensor array
US7633065B2 (en) Conduction structure for infrared microbolometer sensors

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: 18909112

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020504526

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18909112

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1