赤外線センサ
【課題】受光部と基板の熱エネルギーの授受を低減することが可能であり、さらに、ＩＲＰＳＤ等の画素を構成するためにアレイ配置した際に画素間の配線を最短距離とすることが可能な赤外線センサを提供する。
【解決手段】基板１１と、基板１１の上面との間に空間を隔てて位置する受光部１２と、受光部１２と基板１１との間に架け渡され受光部１２を支持する複数の支持脚１３ａ、１３ｂと、熱伝導率の異なる２つの熱電対導体１４ａ、１４ｂを電気的に接合してなる熱電対１４と、を備える赤外線センサ１０であって、長い支持脚１３ａに熱伝導率の高い熱電対導体１４ａを配置し、短い支持脚１３ｂに熱伝導率の低い熱電対導体１４ｂを配置する。
【解決手段】基板１１と、基板１１の上面との間に空間を隔てて位置する受光部１２と、受光部１２と基板１１との間に架け渡され受光部１２を支持する複数の支持脚１３ａ、１３ｂと、熱伝導率の異なる２つの熱電対導体１４ａ、１４ｂを電気的に接合してなる熱電対１４と、を備える赤外線センサ１０であって、長い支持脚１３ａに熱伝導率の高い熱電対導体１４ａを配置し、短い支持脚１３ｂに熱伝導率の低い熱電対導体１４ｂを配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電方式の温度センサを搭載した赤外線センサに関するものであり、特に、真空封止した赤外線アレイセンサを構成するに適した赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線センサのうち冷却を必要としない熱型（非冷却）赤外線センサは、従来は人体検知などに用いられる単画素のものしかなかった。しかし、ＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical Systems)技術の進歩によりアレイ化が可能になり、赤外線センサの応用分野の拡大が期待されている。
【０００３】
赤外線アレイセンサは、高解像度画像を得るための高感度デバイスの開発が進んでいる。一方、こうした高性能デバイスと単画素赤外線センサの間の市場を狙った小規模赤外線アレイセンサの開発も始まっており、小規模赤外線アレイセンサは、赤外線センサ市場の飛躍的な拡大をもたらすものと期待されている。
【０００４】
小規模赤外線アレイセンサの例として、非特許文献１には、熱電方式の温度センサを用いたＩＲＰＳＤ(Infrared Position Sensitive Detector)が報告されている。このＩＲＰＳＤは、１つの画素内に２つの温度センサを持ち、水平方向および垂直方向に並んだ画素の温度センサを直列に接続することで、行と列の和信号を得て、発熱体の位置の検出と発熱体の数（面積）の計測をデジタル信号処理することなしに可能にするという機能を有している。
【０００５】
熱型赤外線センサは、基板上に高い熱抵抗を持った支持構造で支えられた受光部に温度センサと赤外線吸収層を形成した構造を有しており、赤外線吸収層で入射赤外線を吸収して、光エネルギーを熱エネルギーに変換し、受光部の温度を変化させることで赤外線を検出するセンサである。熱型赤外線センサには、いろいろなメカニズムで動作する温度センサが用いられているが、感度は、一定の量の赤外線が入射したときに、それをどれだけ大きな温度変化に変えられるかということと、一定の温度変化を検出器部に与えたとき、それをどれだけ大きな電気信号に変えられるかで決定される。後者は、温度センサの性能で決まるが、前者は受光部と基板を含めた周囲との熱エネルギーの授受に依存して決まるもので、受光部と周囲の熱コンダクタンスを小さくすることで得られる温度差を大きくすることができ、高感度化できる。
【０００６】
熱型赤外線センサの内、熱電方式の赤外線センサは、強誘電体温度センサ、抵抗ボロメータ温度センサ、ダイオード温度センサを用いたものに比べ感度は低いものの、絶対温度ではなく差温度を出力する素子であるので、素子の温度制御が不要なこと、温度差で起電力を発生するので、温度センサとしては電源が不要なこと、などの特長があり、低コストが強く求められる小規模赤外線アレイセンサには適した方式である。
【非特許文献１】木股、浅地、太田、高畑、島田、吉岡、吉田、電気学会総合研究会資料、pp. 69-74、 2007.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
熱電方式の赤外線イメージセンサは、通常大気中で動作させるように設計されている。この場合、受光部と周囲の熱エネルギーの授受のうち、大気を通して流れる熱エネルギーの量が大きく、温接点と冷接点の間を往復して配線される多数の直列熱電対を温度センサとしたサーモパイルを温度センサとしたものが一般的である。しかし、多数の配線が必要なサーモパイルでは、直列に接続する配線のレイアウトに制約がある。そのため、高熱伝導率で低電気抵抗率の材料と低熱伝導率で高電気抵抗率の材料の組み合わせ、例えば、熱電方式の赤外線イメージセンサでよく使用され、シリコンＬＳＩ（Large Scale Integration）プロセス材料であるアルミニウムとポリシリコンの組み合わせなどでは、受光部を支持する支持脚を受光部と基板の熱エネルギーの授受の観点から最適化することが困難であるという問題があった。
【０００８】
さらに、ＩＲＰＳＤにおいては、サーモパイルを用いたもの赤外線センサを画素とすると、画素間を配線で交差させて接続する必要があるため、画素間の配線抵抗が大きくなり、熱雑音が増大し、外来雑音の影響を受けやすいという問題点があった。
【０００９】
本発明は、かかる問題を解決すべくなされたものであり、受光部と基板の熱エネルギーの授受を低減することが可能であり、さらに、ＩＲＰＳＤ等の画素を構成するためにアレイ配置した際に画素間の配線を最短距離とすることが可能な赤外線センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
当該目的を達成するために、請求項１に記載の赤外線センサは、基板と、前記基板の上面との間に空間を隔てて位置する受光部と、前記受光部と前記基板との間に架け渡され、前記受光部を支持する複数の支持脚と、熱伝導率の異なる２つの熱電対導体を電気的に接合してなる熱電対と、を備え、前記支持脚のうち長い支持脚に前記熱電対導体のうち熱伝導率の高い熱電対導体を配置し、前記支持脚のうち短い支持脚に前記熱電対導体のうち熱伝導率の低い熱電対導体を配置することを特徴としている。
【００１１】
請求項２に記載の赤外線センサは、基板と、前記基板の上面との間に空間を隔てて位置する受光部と、前記受光部と前記基板との間に架け渡され、前記受光部を支持する少なくとも４本の支持脚と、熱伝導率の異なる２つの熱電対導体を電気的に接合してなる２つの熱電対と、を備え、前記支持脚のうち長い２本の支持脚に前記熱電対導体のうち熱伝導率の高い熱電対導体をそれぞれ配置し、前記支持脚のうち短い２本の支持脚に前記熱電対導体のうち熱伝導率の低い熱電対導体をそれぞれ配置し、前記２つの熱電対が前記受光部で上面視にて交差することを特徴としている。
【００１２】
請求項３に記載の赤外線センサは、請求項１又は２に記載の赤外線センサにおいて、前記基板の上面に窪み部が形成され、前記受光部が前記窪み部の上方に支持されることを特徴としている。
【００１３】
請求項４に記載の赤外線センサは、請求項１又は２に記載の赤外線センサにおいて、前記受光部が、前記基板の上面より上方に持ち上げるように支持されることを特徴としている。
【００１４】
請求項５に記載の赤外線センサは、請求項１から４の何れか１項に記載の赤外線センサにおいて、前記熱電対導体のうち熱伝導率の低い熱電対導体が必要最小長さにて構成されることを特徴としている。
【００１５】
請求項６に記載の赤外線センサは、請求項１から５の何れか１項に記載の赤外線センサにおいて、前記２つの熱電対導体が、少なくとも当該２つの熱電対導体よりも電気抵抗の低い部材によって、前記受光部で電気的に接合されることを特徴としている。
【００１６】
請求項７に記載の赤外線センサは、請求項６に記載の赤外線センサにおいて、前記部材が、面状に形成され、前記受光部での赤外線吸収率を増加させる赤外線反射層として機能することを特徴としている。
【００１７】
請求項８に記載の赤外線センサは、請求項６に記載の赤外線センサにおいて、前記部材が、面状に形成され、前記受光部での赤外線吸収率を増加させる赤外線吸収層として機能することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の赤外線センサによれば、長い支持脚に熱伝導率の高い熱電対導体を配置し、短い支持脚に熱伝導率の低い熱電対導体を配置する。そのため、熱電対導体の熱伝導率に応じて当該熱電対導体を配置する支持脚の長さを最適な長さにすることができるので、受光部と基板の熱エネルギーの授受を低減することが可能となる。
【００１９】
請求項２に記載の赤外線センサによれば、長い支持脚に熱伝導率の高い熱電対導体を配置し、短い支持脚に熱伝導率の低い熱電対導体を配置する。そのため、熱電対導体の熱伝導率に応じて当該熱電対導体を配置する支持脚の長さを最適な長さにすることができるので、受光部と基板の熱エネルギーの授受を低減することが可能となる。さらに、２つの熱電対が受光部で上面視にて交差する。そのため、当該赤外線センサをアレイ配置する際に、隣接する赤外線センサ間にて配線を交差させる必要がないので、画素としての赤外線センサ間の配線を最短距離とすることが可能となる。
【００２０】
請求項３に記載の赤外線センサによれば、受光部が基板の上面に形成された窪み部の上方に支持されるので、受光部と基板との間に容易に空隙を設けることができる。
【００２１】
請求項４に記載の赤外線センサによれば、受光部が基板の上面より上方に持ち上げるように支持されるので、受光部と基板との間に容易に空隙を設けることができる。
【００２２】
請求項５に記載の赤外線センサによれば、熱伝導率の低い熱電対導体が必要最小長さにて構成されるので、受光部と基板の熱エネルギーの授受の量を維持したまま、さらに電気抵抗の減少を図ることができる。
【００２３】
請求項６に記載の赤外線センサによれば、２つの熱電対導体が、少なくとも当該２つ熱電対導体よりも電気抵抗の低い部材によって、受光部で電気的に接合されるので、電気抵抗の減少を図ることができる。
【００２４】
請求項７に記載の赤外線センサによれば、電気抵抗の低い面状に形成された部材が受光部での赤外線吸収率を増加させる赤外線反射層として機能するので、受光部における赤外線吸収率を増大することができる。
【００２５】
請求項８に記載の赤外線センサによれば、電気抵抗の低い面状に形成された部材が受光部での赤外線吸収率を増加させる赤外線吸収層として機能するので、受光部における赤外線吸収率を増大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサ１０について、図面に基づき説明する。赤外線センサ１０は、図１および図２に示すように、半導体基板１１と、半導体基板１１の上面との間に空間を隔てて位置する受光部１２と、受光部１２と半導体基板１１との間に架け渡され受光部１２を支持する複数の支持脚（支持構造体）１３ａ、１３ｂと、熱伝導率の異なる２つの熱電対導体１４ａ、１４ｂを電気的に接合してなる熱電対１４とを備えている。熱電対１４を構成する第１の熱電対導体１４ａは、アルミニウムからなっている。熱電対１４を構成する第２の熱電対導体１４ｂは、ポリシリコンからなっている。これら２種類の熱電対導体１４ａ、１４ｂは、半導体基板１１の上に成膜された絶縁膜１５の上に形成されており、第１の熱電対導体１４ａと第２の熱電対導体１４ｂが接続されて熱電対１４が構成されている。アルミニウム、ポリシリコンの熱伝達率は、それぞれ２３５Ｗ／ｍＫ、２０Ｗ／ｍＫであり、アルミニウムの熱伝達率はポリシリコンの熱伝達率よりも高い。
【００２７】
受光部１２には、絶縁膜１５および２つの熱電対導体１４を上方から覆うように赤外線吸収層１６が形成されている。この赤外線吸収層１６にてその領域が覆われている受光部１２は、支持脚１３ａ、１３ｂにより、半導体基板１１の上面との間に空洞（空隙）Ｓを介して半導体基板１１の上方に支持されている。支持脚１３ａ、１３ｂは、熱電対導体１４ａ、１４ｂの一部を内部に含んでいる。より具体的には、長い支持脚１３ａには、熱伝達率の高い第１の熱電対導体１４ａの一部が内部に配置され、短い支持脚１３ｂには、熱伝達率の低い高い第２の熱電対導体１４ｂの一部が内部に配置されている。なお、支持脚１３ａ、１３ｂの長さとは、当該支持脚１３ａ、１３ｂ内に配置された熱電対導体１４ａ、１４ｂの経路に沿って一定の幅を有する形状の長さであり、支持脚１３ａ、１３ｂの両端部を支持脚１３ａ、１３ｂにより形成される上面視２次元形状内において最短で結ぶ経路に沿った長さを意味する。
【００２８】
半導体基板１１の中央部付近には窪み部１７が形成されており、この窪み部１７の上方に空洞Ｓを介して受光部１２が支持脚１３ａ、１３ｂにて支持されている。受光部１２（赤外線吸収層１６、およびその下方に位置し熱電対の一部を内部に含む部分）は、上面視にて矩形、より具体的には正方形に形成されており、この正方形の４つの各辺から支持脚１３ａ、１３ｂが対向する半導体基板１１の窪み部１７の周囲の上面に渡るようにして形成されている。２つの長い支持脚１３ａ、２つの短い支持脚１３ｂは、それぞれ隣接する辺に設けられている。すなわち、長い支持脚１３ａと短い支持脚１３ｂとは互いに対向する辺に設けられている。そして、長い支持脚１３ａに一部が配置される熱伝達率の高い第１の熱電対導体１４ａと、短い支持脚１３ｂに一部が配置される熱伝達率の低い第２の熱電対導体１４ｂとが電気的に接合してなる２つの熱電対１４が受光部１２で上面視にて交差する。なお、第１の熱電対導体１４ａと第２の熱電対導体１４ｂとの上下方向の間には層間絶縁膜が形成されており、互いに電気的に絶縁されている。また、第２の熱電対導体１４ｂと、当該赤外線センサ１０に隣接する赤外線センサ１０の第１の熱電対導体１４ａとを接続するための配線（第２の熱電対導体１４ｂと当該赤外線センサ１０の端部までの配線）は、電気抵抗率の低いアルミニウムからなる導体１８にて構成されている。
【００２９】
次に、赤外線センサ１０の動作を説明する。赤外線センサ１０に入射した赤外線は、赤外線吸収層１６で吸収され受光部１２の温度を変化させ、受光部１２に形成された熱電対導体１４ａ、１４ｂの温接点と半導体基板１１上に形成された熱電対導体１４ａ、１４ｂの冷接点の間に温度差ができ、起電力が発生する。
【００３０】
赤外線センサ１０は、熱電方式であるので、熱型の光センサである。そのため、その感度は、温度センサの性能と受光部１２およびその周りの半導体基板１１を含むヒートシンクへの熱エネルギーの授受の大きさによって決まり、熱エネルギーの授受が小さいほど高感度になる。
【００３１】
熱電方式の赤外線センサの画素としては、通常、温接点と冷接点を交互に設けた熱電対を多数直列してサーモパイルという形式の温度センサとすることで出力電圧を大きくして高感度化している。直列に接続される熱電対の数を増加させると、同じ温度変化に対しては熱電対の数に比例した出力の増大が達成される。しかし、熱電対の数を増やすと、同時に受光部を支持する支持脚を通した熱エネルギーの授受もほぼ熱電対の数に比例して大きくなる。そのため、直列に接続された熱電対が配置された支持脚を通した熱エネルギーの授受が大気を通した熱エネルギーの授受と同程度となると、熱電対の数を増加させても感度は増大しなくなる。すなわち、支持脚に配置される熱電対を直列に接続される数を増していくと、感度は、最初は増大するが、やがて飽和して増大しなくなる。従って、熱電対を直列接続したサーモパイルで温度センサを構成することで感度が増大できるのは、大気を通した熱エネルギーの授受が、１つの熱電対からなる支持脚を通した熱エネルギーの授受が十分大きい場合のみである。
【００３２】
本発明で対象としている熱電方式の赤外線センサは、大気を通した熱エネルギーの授受が他のメカニズムによる熱エネルギーの授受に比べて無視できるレベルの真空中で動作させることを前提としたものである。真空中動作を前提にすると、上述のように、熱電方式の赤外線センサの感度は、熱電対の数にほとんど依存しないので、熱電対を多数直列接続するサーモパイルではなく、１つの熱電対を温度センサに用いてもサーモパイルと同等の感度が得られ、一方、温度センサを１つの熱電対とすることでいくつかの利点が生じる。
【００３３】
１つの熱電対を温度センサとすることにより、受光部１２と半導体基板１１を含むヒートシンクとの間の配線数が減らせるため、図１に示すように、４つの熱電対導体１４ａ、１４ｂをそれぞれ別々の４本の支持脚１３ａ、１３ｂ内に形成することにより、熱電対導体１４ａ、１４ｂをそれぞれ大きく長さの異なった形状とすることが可能となる。
【００３４】
シリコンＬＳＩ製造技術を利用して製造される熱電方式の赤外線センサでは、熱電対導体としてアルミニウムとポリシリコンを用いることが多い。アルミニウムの熱伝導率は、上述したように、ポリシリコンより２桁以上大きいためアルミニウムとポリシリコンからなる熱電対導体を同じ支持脚内に配置した場合、受光部から半導体基板への熱エネルギーの流れを支配するのはアルミニウムであり、アルミニウムによる熱エネルギーの流れを減らすために支持脚の長さを長くすると、電気抵抗率の高いポリシリコンの電気抵抗が高くなり、熱雑音の増加など性能劣化の原因となる。
【００３５】
そこで、本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサ１０は、アルミニウムとポリシリコンとからなる２種の熱電対導体１４ａ、１４ｂはそれぞれ別々の支持脚１３ａ、１３ｂ内に形成されている。そのため、アルミニウムからなる熱電対導体１４ａは長い支持脚１３ａ内に、ポリシリコンからなる熱電対導体１４ｂは短い支持脚１３ｂ内に配置することにより、熱エネルギーの流れと電気抵抗の最適化を図ることが可能となる。
【００３６】
赤外線センサ１０は、その１つを１画素として、図３に示すように、複数縦横に隣接して配列することにより、赤外線センサアレイの一例であるＩＲＰＳＤ１００を構成する。ＩＲＰＳＤ１００は、１つの画素（赤外線センサ）１０に２つの温度センサとしての熱電対１４を配置し、水平に配列された全ての画素１０および垂直に配列された全ての画素１０をそれぞれ直列に接続する必要があるので、水平側の配線と垂直側の配線が交差することになる。配線の交差構造は、図１および図２に示すように、受光部１２に設けられている。図３は、画素１０が縦横４画素ずつ配列されたアレイの構成を示しており、熱電対導体１４ａは隣接する画素の熱電対導体１４ｂと、熱電対導体１４ｂは隣接する画素の熱電対導体１４ａと画素１０の境界で導体１８を介して接続されている。画素１０間で直列接続された熱電対１４列の出力から和信号が得られ、ＩＲＰＳＤ１００の位置検出動作と発熱体数（面積）計測動作が可能となる。
【００３７】
また、ＩＲＰＳＤ１００を構成する画素１０は、受光部１２で熱電対１４が交差しているので、熱電対１４やその配線を交差するために特別に構造を必要としない。さらに、画素１０間の配線は、図３に示すように、最短距離で配線できるため（すなわち、画素１０間に配線を必要にせず直接接続することができるため）、配線抵抗を小さくすることができ、配線抵抗に起因した熱雑音や、高インピーダンス信号線で問題になる誘導雑音などを低減することが可能となる。
【００３８】
以下、本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサ２０について、赤外線センサ１０との相違点についてのみ説明する。赤外線センサ２０は、図４に示すように、ポリシリコンからなる熱伝達率の低い第２の熱電対導体２４ｂは、熱電対２４に必要な最小の長さで構成されている。受光部２２での熱電対２４の配線（第１の熱電対導体２４ａと第２の熱電対導体２４ｂとを接続するための配線）は、電気抵抗率の低いアルミニウムからなる導体２８にて構成されている。これにより、赤外線センサ１０における熱エネルギーの授受の量を維持したまま、さらに電気抵抗の減少を図ることができる。熱電対２４に必要な最小の長さは、熱コンダクタンスに依存する感度によって決めることができる。
【００３９】
以下、本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサ３０について、赤外線センサ２０との相違点についてのみ説明する。赤外線センサ３０は、図５および図６に示すように、熱電対３４を形成する第１の熱電対導体３４ａをアルミニウムではなく、第２の熱電対導体２４ｂとは異なった導電型のポリシリコンから構成したものである。この場合、第１の熱電対導体３４ａの一部を配置する支持脚３３ａは、第２の熱電対導体２４ｂの一部を配置する支持脚１３ｂと同じような形状とすることができる。そして、ポリシリコンからなる熱電対導体３４ａ、２４ｂの長さを、熱電対３４を構成するのに必要な最低限の長さとし、受光部３２での熱電対３４の配線（第１の熱電対導体３４ａと第２の熱電対導体２４ｂとを接続するための配線）はアルミニウムなどの低抵抗率の材料からなる金属配線３８で構成している。そのため、赤外線センサ３０の電気抵抗の低抵抗化と、アレイにした場合の配線長を短縮することが可能となる。また、第１の熱電対導体３４ａと当該赤外線センサ３０の端部までの配線も、電気抵抗率の低いアルミニウムからなる導体１８にて構成されている。
【００４０】
以下、本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサ４０について、赤外線センサ３０との相違点についてのみ説明する。赤外線センサ４０は、図７に示すように、赤外線吸収率を増加させるために、低抵抗金属配線３８（図５参照。）を受光面全体に広げ、受光部４２にアルミニウムなどからなる反射膜４９を形成している。赤外線吸収層１６を透過した赤外線は反射膜４９で反射するので、赤外線吸収層１６における赤外線吸収率が増大する。さらに、低抵抗金属配線はシート抵抗を調整することで赤外線吸収層として用いることもできるため、図７に示した反射膜４９と同様な形状を維持して、低抵抗金属配線を赤外線吸収層１６の一部として使用することもできる。
【００４１】
以下、本発明の第５の実施形態に係る赤外線センサ５０について、赤外線センサ２０との相違点についてのみ説明する。赤外線センサ５０は、図８に示すように、ＩＲＰＳＤに用いられるものではなく、温度センサとしての熱電対１４を１つのみ備えている。すなわち、赤外線センサ５０は、赤外線センサ１０の構成から１つの熱電対１４を削除したものである。しかし、効果としては赤外線センサ１０と同様である。すなわち、熱電対導体１４ａ、１４ｂはそれぞれ別々の支持脚１３ａ、１３ｂ内に形成されているので、アルミニウムからなる熱伝達率の高い第１の熱電対導体１４ａは長い支持脚１３ａ内に、ポリシリコンからなる熱伝達率の低い第２の熱電対導体１４ｂは短い支持脚１３ｂ内に配置することにより、熱エネルギーの流れと電気抵抗の最適化を図ることが可能となる。
【００４２】
以下、本発明の第６の実施形態に係る赤外線センサ６０について、赤外線センサ１０との相違点についてのみ説明する。赤外線センサ６０は、図９および図１０に示すように、受光部６２を半導体基板６１の上面より上方に持ち上げるように、支持脚６３ａ、６３ｂにて支持されている。受光部６２と半導体基板６１との上面には空洞（空隙）Ｓが形成されており、半導体基板６１には窪み部は形成されていない。上面視で正方形の受光部６２の４つの各辺から支持脚６３ａ、６３ｂが、上面視で正方形の半導体基板６１の４つの各辺に近い部分の上面に渡るようにして形成されている。また、上記した本発明の第１から第５の実施形態に係る赤外線センサ１０、２０、３０、４０、５０を同様な構造として実現することが可能であり、これらと同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上のように、本発明に係る赤外線センサは、熱電対を構成する材料の熱伝導率の差が大きくても、熱的および電気的に最適な画素設計ができるので、従来の熱電方式の赤外線センサでは不可能であった受光部と周囲の熱エネルギーの授受の低減と熱電対抵抗の低減を両立させることができ、高性能化を図ることができる。特に、本発明による赤外線センサをＩＲＰＳＤに適用した場合、画素間での最短配線が可能となるという利点も生まれる。赤外線センサは、人体検知から自動車搭載やセキュリティー応用などへの応用分野の拡大が予想されており、本発明による赤外線センサの性能改善が応用分野の拡大促進に寄与することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサ１０を模式的に示す平面図である。
【図２】赤外線センサ１０を示し、図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】赤外線センサ１０を画素としてアレイ配置したＩＲＰＳＤを模式的に示す平面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサ２０を模式的に示す平面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサ３０を模式的に示す平面図である。
【図６】赤外線センサ３０を示し、図５におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサ４０を模式的に示す平面図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る赤外線センサ５０を模式的に示す平面図である。
【図９】本発明の第６の実施形態に係る赤外線センサ６０を模式的に示す平面図である。
【図１０】赤外線センサ６０を示し、図９におけるＣ−Ｃ断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０、２０、３０、４０、５０、６０ 赤外線センサ（画素）
１１、３１、５１、６１ 半導体基板（基板）
１２、２２、３２、４２、５２、６２ 受光部１２
１３ａ、１３ｂ、３３ａ、６３ａ、６３ｂ 支持脚
１４、２４、３４、５４、６４ 熱電対
１４ａ、３４ａ、６４ａ 第１の熱電対導体
１４ｂ、２４ｂ、６４ｂ 第２の熱電対導体
１５ 絶縁膜
１６ 赤外線吸収層
１７ 窪み部
１８、２８、６８ 導体
３８、４８ 金属配線
４９ 反射膜
１００ ＩＲＰＳＤ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電方式の温度センサを搭載した赤外線センサに関するものであり、特に、真空封止した赤外線アレイセンサを構成するに適した赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線センサのうち冷却を必要としない熱型（非冷却）赤外線センサは、従来は人体検知などに用いられる単画素のものしかなかった。しかし、ＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical Systems)技術の進歩によりアレイ化が可能になり、赤外線センサの応用分野の拡大が期待されている。
【０００３】
赤外線アレイセンサは、高解像度画像を得るための高感度デバイスの開発が進んでいる。一方、こうした高性能デバイスと単画素赤外線センサの間の市場を狙った小規模赤外線アレイセンサの開発も始まっており、小規模赤外線アレイセンサは、赤外線センサ市場の飛躍的な拡大をもたらすものと期待されている。
【０００４】
小規模赤外線アレイセンサの例として、非特許文献１には、熱電方式の温度センサを用いたＩＲＰＳＤ(Infrared Position Sensitive Detector)が報告されている。このＩＲＰＳＤは、１つの画素内に２つの温度センサを持ち、水平方向および垂直方向に並んだ画素の温度センサを直列に接続することで、行と列の和信号を得て、発熱体の位置の検出と発熱体の数（面積）の計測をデジタル信号処理することなしに可能にするという機能を有している。
【０００５】
熱型赤外線センサは、基板上に高い熱抵抗を持った支持構造で支えられた受光部に温度センサと赤外線吸収層を形成した構造を有しており、赤外線吸収層で入射赤外線を吸収して、光エネルギーを熱エネルギーに変換し、受光部の温度を変化させることで赤外線を検出するセンサである。熱型赤外線センサには、いろいろなメカニズムで動作する温度センサが用いられているが、感度は、一定の量の赤外線が入射したときに、それをどれだけ大きな温度変化に変えられるかということと、一定の温度変化を検出器部に与えたとき、それをどれだけ大きな電気信号に変えられるかで決定される。後者は、温度センサの性能で決まるが、前者は受光部と基板を含めた周囲との熱エネルギーの授受に依存して決まるもので、受光部と周囲の熱コンダクタンスを小さくすることで得られる温度差を大きくすることができ、高感度化できる。
【０００６】
熱型赤外線センサの内、熱電方式の赤外線センサは、強誘電体温度センサ、抵抗ボロメータ温度センサ、ダイオード温度センサを用いたものに比べ感度は低いものの、絶対温度ではなく差温度を出力する素子であるので、素子の温度制御が不要なこと、温度差で起電力を発生するので、温度センサとしては電源が不要なこと、などの特長があり、低コストが強く求められる小規模赤外線アレイセンサには適した方式である。
【非特許文献１】木股、浅地、太田、高畑、島田、吉岡、吉田、電気学会総合研究会資料、pp. 69-74、 2007.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
熱電方式の赤外線イメージセンサは、通常大気中で動作させるように設計されている。この場合、受光部と周囲の熱エネルギーの授受のうち、大気を通して流れる熱エネルギーの量が大きく、温接点と冷接点の間を往復して配線される多数の直列熱電対を温度センサとしたサーモパイルを温度センサとしたものが一般的である。しかし、多数の配線が必要なサーモパイルでは、直列に接続する配線のレイアウトに制約がある。そのため、高熱伝導率で低電気抵抗率の材料と低熱伝導率で高電気抵抗率の材料の組み合わせ、例えば、熱電方式の赤外線イメージセンサでよく使用され、シリコンＬＳＩ（Large Scale Integration）プロセス材料であるアルミニウムとポリシリコンの組み合わせなどでは、受光部を支持する支持脚を受光部と基板の熱エネルギーの授受の観点から最適化することが困難であるという問題があった。
【０００８】
さらに、ＩＲＰＳＤにおいては、サーモパイルを用いたもの赤外線センサを画素とすると、画素間を配線で交差させて接続する必要があるため、画素間の配線抵抗が大きくなり、熱雑音が増大し、外来雑音の影響を受けやすいという問題点があった。
【０００９】
本発明は、かかる問題を解決すべくなされたものであり、受光部と基板の熱エネルギーの授受を低減することが可能であり、さらに、ＩＲＰＳＤ等の画素を構成するためにアレイ配置した際に画素間の配線を最短距離とすることが可能な赤外線センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
当該目的を達成するために、請求項１に記載の赤外線センサは、基板と、前記基板の上面との間に空間を隔てて位置する受光部と、前記受光部と前記基板との間に架け渡され、前記受光部を支持する複数の支持脚と、熱伝導率の異なる２つの熱電対導体を電気的に接合してなる熱電対と、を備え、前記支持脚のうち長い支持脚に前記熱電対導体のうち熱伝導率の高い熱電対導体を配置し、前記支持脚のうち短い支持脚に前記熱電対導体のうち熱伝導率の低い熱電対導体を配置することを特徴としている。
【００１１】
請求項２に記載の赤外線センサは、基板と、前記基板の上面との間に空間を隔てて位置する受光部と、前記受光部と前記基板との間に架け渡され、前記受光部を支持する少なくとも４本の支持脚と、熱伝導率の異なる２つの熱電対導体を電気的に接合してなる２つの熱電対と、を備え、前記支持脚のうち長い２本の支持脚に前記熱電対導体のうち熱伝導率の高い熱電対導体をそれぞれ配置し、前記支持脚のうち短い２本の支持脚に前記熱電対導体のうち熱伝導率の低い熱電対導体をそれぞれ配置し、前記２つの熱電対が前記受光部で上面視にて交差することを特徴としている。
【００１２】
請求項３に記載の赤外線センサは、請求項１又は２に記載の赤外線センサにおいて、前記基板の上面に窪み部が形成され、前記受光部が前記窪み部の上方に支持されることを特徴としている。
【００１３】
請求項４に記載の赤外線センサは、請求項１又は２に記載の赤外線センサにおいて、前記受光部が、前記基板の上面より上方に持ち上げるように支持されることを特徴としている。
【００１４】
請求項５に記載の赤外線センサは、請求項１から４の何れか１項に記載の赤外線センサにおいて、前記熱電対導体のうち熱伝導率の低い熱電対導体が必要最小長さにて構成されることを特徴としている。
【００１５】
請求項６に記載の赤外線センサは、請求項１から５の何れか１項に記載の赤外線センサにおいて、前記２つの熱電対導体が、少なくとも当該２つの熱電対導体よりも電気抵抗の低い部材によって、前記受光部で電気的に接合されることを特徴としている。
【００１６】
請求項７に記載の赤外線センサは、請求項６に記載の赤外線センサにおいて、前記部材が、面状に形成され、前記受光部での赤外線吸収率を増加させる赤外線反射層として機能することを特徴としている。
【００１７】
請求項８に記載の赤外線センサは、請求項６に記載の赤外線センサにおいて、前記部材が、面状に形成され、前記受光部での赤外線吸収率を増加させる赤外線吸収層として機能することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の赤外線センサによれば、長い支持脚に熱伝導率の高い熱電対導体を配置し、短い支持脚に熱伝導率の低い熱電対導体を配置する。そのため、熱電対導体の熱伝導率に応じて当該熱電対導体を配置する支持脚の長さを最適な長さにすることができるので、受光部と基板の熱エネルギーの授受を低減することが可能となる。
【００１９】
請求項２に記載の赤外線センサによれば、長い支持脚に熱伝導率の高い熱電対導体を配置し、短い支持脚に熱伝導率の低い熱電対導体を配置する。そのため、熱電対導体の熱伝導率に応じて当該熱電対導体を配置する支持脚の長さを最適な長さにすることができるので、受光部と基板の熱エネルギーの授受を低減することが可能となる。さらに、２つの熱電対が受光部で上面視にて交差する。そのため、当該赤外線センサをアレイ配置する際に、隣接する赤外線センサ間にて配線を交差させる必要がないので、画素としての赤外線センサ間の配線を最短距離とすることが可能となる。
【００２０】
請求項３に記載の赤外線センサによれば、受光部が基板の上面に形成された窪み部の上方に支持されるので、受光部と基板との間に容易に空隙を設けることができる。
【００２１】
請求項４に記載の赤外線センサによれば、受光部が基板の上面より上方に持ち上げるように支持されるので、受光部と基板との間に容易に空隙を設けることができる。
【００２２】
請求項５に記載の赤外線センサによれば、熱伝導率の低い熱電対導体が必要最小長さにて構成されるので、受光部と基板の熱エネルギーの授受の量を維持したまま、さらに電気抵抗の減少を図ることができる。
【００２３】
請求項６に記載の赤外線センサによれば、２つの熱電対導体が、少なくとも当該２つ熱電対導体よりも電気抵抗の低い部材によって、受光部で電気的に接合されるので、電気抵抗の減少を図ることができる。
【００２４】
請求項７に記載の赤外線センサによれば、電気抵抗の低い面状に形成された部材が受光部での赤外線吸収率を増加させる赤外線反射層として機能するので、受光部における赤外線吸収率を増大することができる。
【００２５】
請求項８に記載の赤外線センサによれば、電気抵抗の低い面状に形成された部材が受光部での赤外線吸収率を増加させる赤外線吸収層として機能するので、受光部における赤外線吸収率を増大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサ１０について、図面に基づき説明する。赤外線センサ１０は、図１および図２に示すように、半導体基板１１と、半導体基板１１の上面との間に空間を隔てて位置する受光部１２と、受光部１２と半導体基板１１との間に架け渡され受光部１２を支持する複数の支持脚（支持構造体）１３ａ、１３ｂと、熱伝導率の異なる２つの熱電対導体１４ａ、１４ｂを電気的に接合してなる熱電対１４とを備えている。熱電対１４を構成する第１の熱電対導体１４ａは、アルミニウムからなっている。熱電対１４を構成する第２の熱電対導体１４ｂは、ポリシリコンからなっている。これら２種類の熱電対導体１４ａ、１４ｂは、半導体基板１１の上に成膜された絶縁膜１５の上に形成されており、第１の熱電対導体１４ａと第２の熱電対導体１４ｂが接続されて熱電対１４が構成されている。アルミニウム、ポリシリコンの熱伝達率は、それぞれ２３５Ｗ／ｍＫ、２０Ｗ／ｍＫであり、アルミニウムの熱伝達率はポリシリコンの熱伝達率よりも高い。
【００２７】
受光部１２には、絶縁膜１５および２つの熱電対導体１４を上方から覆うように赤外線吸収層１６が形成されている。この赤外線吸収層１６にてその領域が覆われている受光部１２は、支持脚１３ａ、１３ｂにより、半導体基板１１の上面との間に空洞（空隙）Ｓを介して半導体基板１１の上方に支持されている。支持脚１３ａ、１３ｂは、熱電対導体１４ａ、１４ｂの一部を内部に含んでいる。より具体的には、長い支持脚１３ａには、熱伝達率の高い第１の熱電対導体１４ａの一部が内部に配置され、短い支持脚１３ｂには、熱伝達率の低い高い第２の熱電対導体１４ｂの一部が内部に配置されている。なお、支持脚１３ａ、１３ｂの長さとは、当該支持脚１３ａ、１３ｂ内に配置された熱電対導体１４ａ、１４ｂの経路に沿って一定の幅を有する形状の長さであり、支持脚１３ａ、１３ｂの両端部を支持脚１３ａ、１３ｂにより形成される上面視２次元形状内において最短で結ぶ経路に沿った長さを意味する。
【００２８】
半導体基板１１の中央部付近には窪み部１７が形成されており、この窪み部１７の上方に空洞Ｓを介して受光部１２が支持脚１３ａ、１３ｂにて支持されている。受光部１２（赤外線吸収層１６、およびその下方に位置し熱電対の一部を内部に含む部分）は、上面視にて矩形、より具体的には正方形に形成されており、この正方形の４つの各辺から支持脚１３ａ、１３ｂが対向する半導体基板１１の窪み部１７の周囲の上面に渡るようにして形成されている。２つの長い支持脚１３ａ、２つの短い支持脚１３ｂは、それぞれ隣接する辺に設けられている。すなわち、長い支持脚１３ａと短い支持脚１３ｂとは互いに対向する辺に設けられている。そして、長い支持脚１３ａに一部が配置される熱伝達率の高い第１の熱電対導体１４ａと、短い支持脚１３ｂに一部が配置される熱伝達率の低い第２の熱電対導体１４ｂとが電気的に接合してなる２つの熱電対１４が受光部１２で上面視にて交差する。なお、第１の熱電対導体１４ａと第２の熱電対導体１４ｂとの上下方向の間には層間絶縁膜が形成されており、互いに電気的に絶縁されている。また、第２の熱電対導体１４ｂと、当該赤外線センサ１０に隣接する赤外線センサ１０の第１の熱電対導体１４ａとを接続するための配線（第２の熱電対導体１４ｂと当該赤外線センサ１０の端部までの配線）は、電気抵抗率の低いアルミニウムからなる導体１８にて構成されている。
【００２９】
次に、赤外線センサ１０の動作を説明する。赤外線センサ１０に入射した赤外線は、赤外線吸収層１６で吸収され受光部１２の温度を変化させ、受光部１２に形成された熱電対導体１４ａ、１４ｂの温接点と半導体基板１１上に形成された熱電対導体１４ａ、１４ｂの冷接点の間に温度差ができ、起電力が発生する。
【００３０】
赤外線センサ１０は、熱電方式であるので、熱型の光センサである。そのため、その感度は、温度センサの性能と受光部１２およびその周りの半導体基板１１を含むヒートシンクへの熱エネルギーの授受の大きさによって決まり、熱エネルギーの授受が小さいほど高感度になる。
【００３１】
熱電方式の赤外線センサの画素としては、通常、温接点と冷接点を交互に設けた熱電対を多数直列してサーモパイルという形式の温度センサとすることで出力電圧を大きくして高感度化している。直列に接続される熱電対の数を増加させると、同じ温度変化に対しては熱電対の数に比例した出力の増大が達成される。しかし、熱電対の数を増やすと、同時に受光部を支持する支持脚を通した熱エネルギーの授受もほぼ熱電対の数に比例して大きくなる。そのため、直列に接続された熱電対が配置された支持脚を通した熱エネルギーの授受が大気を通した熱エネルギーの授受と同程度となると、熱電対の数を増加させても感度は増大しなくなる。すなわち、支持脚に配置される熱電対を直列に接続される数を増していくと、感度は、最初は増大するが、やがて飽和して増大しなくなる。従って、熱電対を直列接続したサーモパイルで温度センサを構成することで感度が増大できるのは、大気を通した熱エネルギーの授受が、１つの熱電対からなる支持脚を通した熱エネルギーの授受が十分大きい場合のみである。
【００３２】
本発明で対象としている熱電方式の赤外線センサは、大気を通した熱エネルギーの授受が他のメカニズムによる熱エネルギーの授受に比べて無視できるレベルの真空中で動作させることを前提としたものである。真空中動作を前提にすると、上述のように、熱電方式の赤外線センサの感度は、熱電対の数にほとんど依存しないので、熱電対を多数直列接続するサーモパイルではなく、１つの熱電対を温度センサに用いてもサーモパイルと同等の感度が得られ、一方、温度センサを１つの熱電対とすることでいくつかの利点が生じる。
【００３３】
１つの熱電対を温度センサとすることにより、受光部１２と半導体基板１１を含むヒートシンクとの間の配線数が減らせるため、図１に示すように、４つの熱電対導体１４ａ、１４ｂをそれぞれ別々の４本の支持脚１３ａ、１３ｂ内に形成することにより、熱電対導体１４ａ、１４ｂをそれぞれ大きく長さの異なった形状とすることが可能となる。
【００３４】
シリコンＬＳＩ製造技術を利用して製造される熱電方式の赤外線センサでは、熱電対導体としてアルミニウムとポリシリコンを用いることが多い。アルミニウムの熱伝導率は、上述したように、ポリシリコンより２桁以上大きいためアルミニウムとポリシリコンからなる熱電対導体を同じ支持脚内に配置した場合、受光部から半導体基板への熱エネルギーの流れを支配するのはアルミニウムであり、アルミニウムによる熱エネルギーの流れを減らすために支持脚の長さを長くすると、電気抵抗率の高いポリシリコンの電気抵抗が高くなり、熱雑音の増加など性能劣化の原因となる。
【００３５】
そこで、本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサ１０は、アルミニウムとポリシリコンとからなる２種の熱電対導体１４ａ、１４ｂはそれぞれ別々の支持脚１３ａ、１３ｂ内に形成されている。そのため、アルミニウムからなる熱電対導体１４ａは長い支持脚１３ａ内に、ポリシリコンからなる熱電対導体１４ｂは短い支持脚１３ｂ内に配置することにより、熱エネルギーの流れと電気抵抗の最適化を図ることが可能となる。
【００３６】
赤外線センサ１０は、その１つを１画素として、図３に示すように、複数縦横に隣接して配列することにより、赤外線センサアレイの一例であるＩＲＰＳＤ１００を構成する。ＩＲＰＳＤ１００は、１つの画素（赤外線センサ）１０に２つの温度センサとしての熱電対１４を配置し、水平に配列された全ての画素１０および垂直に配列された全ての画素１０をそれぞれ直列に接続する必要があるので、水平側の配線と垂直側の配線が交差することになる。配線の交差構造は、図１および図２に示すように、受光部１２に設けられている。図３は、画素１０が縦横４画素ずつ配列されたアレイの構成を示しており、熱電対導体１４ａは隣接する画素の熱電対導体１４ｂと、熱電対導体１４ｂは隣接する画素の熱電対導体１４ａと画素１０の境界で導体１８を介して接続されている。画素１０間で直列接続された熱電対１４列の出力から和信号が得られ、ＩＲＰＳＤ１００の位置検出動作と発熱体数（面積）計測動作が可能となる。
【００３７】
また、ＩＲＰＳＤ１００を構成する画素１０は、受光部１２で熱電対１４が交差しているので、熱電対１４やその配線を交差するために特別に構造を必要としない。さらに、画素１０間の配線は、図３に示すように、最短距離で配線できるため（すなわち、画素１０間に配線を必要にせず直接接続することができるため）、配線抵抗を小さくすることができ、配線抵抗に起因した熱雑音や、高インピーダンス信号線で問題になる誘導雑音などを低減することが可能となる。
【００３８】
以下、本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサ２０について、赤外線センサ１０との相違点についてのみ説明する。赤外線センサ２０は、図４に示すように、ポリシリコンからなる熱伝達率の低い第２の熱電対導体２４ｂは、熱電対２４に必要な最小の長さで構成されている。受光部２２での熱電対２４の配線（第１の熱電対導体２４ａと第２の熱電対導体２４ｂとを接続するための配線）は、電気抵抗率の低いアルミニウムからなる導体２８にて構成されている。これにより、赤外線センサ１０における熱エネルギーの授受の量を維持したまま、さらに電気抵抗の減少を図ることができる。熱電対２４に必要な最小の長さは、熱コンダクタンスに依存する感度によって決めることができる。
【００３９】
以下、本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサ３０について、赤外線センサ２０との相違点についてのみ説明する。赤外線センサ３０は、図５および図６に示すように、熱電対３４を形成する第１の熱電対導体３４ａをアルミニウムではなく、第２の熱電対導体２４ｂとは異なった導電型のポリシリコンから構成したものである。この場合、第１の熱電対導体３４ａの一部を配置する支持脚３３ａは、第２の熱電対導体２４ｂの一部を配置する支持脚１３ｂと同じような形状とすることができる。そして、ポリシリコンからなる熱電対導体３４ａ、２４ｂの長さを、熱電対３４を構成するのに必要な最低限の長さとし、受光部３２での熱電対３４の配線（第１の熱電対導体３４ａと第２の熱電対導体２４ｂとを接続するための配線）はアルミニウムなどの低抵抗率の材料からなる金属配線３８で構成している。そのため、赤外線センサ３０の電気抵抗の低抵抗化と、アレイにした場合の配線長を短縮することが可能となる。また、第１の熱電対導体３４ａと当該赤外線センサ３０の端部までの配線も、電気抵抗率の低いアルミニウムからなる導体１８にて構成されている。
【００４０】
以下、本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサ４０について、赤外線センサ３０との相違点についてのみ説明する。赤外線センサ４０は、図７に示すように、赤外線吸収率を増加させるために、低抵抗金属配線３８（図５参照。）を受光面全体に広げ、受光部４２にアルミニウムなどからなる反射膜４９を形成している。赤外線吸収層１６を透過した赤外線は反射膜４９で反射するので、赤外線吸収層１６における赤外線吸収率が増大する。さらに、低抵抗金属配線はシート抵抗を調整することで赤外線吸収層として用いることもできるため、図７に示した反射膜４９と同様な形状を維持して、低抵抗金属配線を赤外線吸収層１６の一部として使用することもできる。
【００４１】
以下、本発明の第５の実施形態に係る赤外線センサ５０について、赤外線センサ２０との相違点についてのみ説明する。赤外線センサ５０は、図８に示すように、ＩＲＰＳＤに用いられるものではなく、温度センサとしての熱電対１４を１つのみ備えている。すなわち、赤外線センサ５０は、赤外線センサ１０の構成から１つの熱電対１４を削除したものである。しかし、効果としては赤外線センサ１０と同様である。すなわち、熱電対導体１４ａ、１４ｂはそれぞれ別々の支持脚１３ａ、１３ｂ内に形成されているので、アルミニウムからなる熱伝達率の高い第１の熱電対導体１４ａは長い支持脚１３ａ内に、ポリシリコンからなる熱伝達率の低い第２の熱電対導体１４ｂは短い支持脚１３ｂ内に配置することにより、熱エネルギーの流れと電気抵抗の最適化を図ることが可能となる。
【００４２】
以下、本発明の第６の実施形態に係る赤外線センサ６０について、赤外線センサ１０との相違点についてのみ説明する。赤外線センサ６０は、図９および図１０に示すように、受光部６２を半導体基板６１の上面より上方に持ち上げるように、支持脚６３ａ、６３ｂにて支持されている。受光部６２と半導体基板６１との上面には空洞（空隙）Ｓが形成されており、半導体基板６１には窪み部は形成されていない。上面視で正方形の受光部６２の４つの各辺から支持脚６３ａ、６３ｂが、上面視で正方形の半導体基板６１の４つの各辺に近い部分の上面に渡るようにして形成されている。また、上記した本発明の第１から第５の実施形態に係る赤外線センサ１０、２０、３０、４０、５０を同様な構造として実現することが可能であり、これらと同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上のように、本発明に係る赤外線センサは、熱電対を構成する材料の熱伝導率の差が大きくても、熱的および電気的に最適な画素設計ができるので、従来の熱電方式の赤外線センサでは不可能であった受光部と周囲の熱エネルギーの授受の低減と熱電対抵抗の低減を両立させることができ、高性能化を図ることができる。特に、本発明による赤外線センサをＩＲＰＳＤに適用した場合、画素間での最短配線が可能となるという利点も生まれる。赤外線センサは、人体検知から自動車搭載やセキュリティー応用などへの応用分野の拡大が予想されており、本発明による赤外線センサの性能改善が応用分野の拡大促進に寄与することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサ１０を模式的に示す平面図である。
【図２】赤外線センサ１０を示し、図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】赤外線センサ１０を画素としてアレイ配置したＩＲＰＳＤを模式的に示す平面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサ２０を模式的に示す平面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサ３０を模式的に示す平面図である。
【図６】赤外線センサ３０を示し、図５におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサ４０を模式的に示す平面図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る赤外線センサ５０を模式的に示す平面図である。
【図９】本発明の第６の実施形態に係る赤外線センサ６０を模式的に示す平面図である。
【図１０】赤外線センサ６０を示し、図９におけるＣ−Ｃ断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０、２０、３０、４０、５０、６０ 赤外線センサ（画素）
１１、３１、５１、６１ 半導体基板（基板）
１２、２２、３２、４２、５２、６２ 受光部１２
１３ａ、１３ｂ、３３ａ、６３ａ、６３ｂ 支持脚
１４、２４、３４、５４、６４ 熱電対
１４ａ、３４ａ、６４ａ 第１の熱電対導体
１４ｂ、２４ｂ、６４ｂ 第２の熱電対導体
１５ 絶縁膜
１６ 赤外線吸収層
１７ 窪み部
１８、２８、６８ 導体
３８、４８ 金属配線
４９ 反射膜
１００ ＩＲＰＳＤ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上面との間に空間を隔てて位置する受光部と、
前記受光部と前記基板との間に架け渡され、前記受光部を支持する複数の支持脚と、
熱伝導率の異なる２つの熱電対導体を電気的に接合してなる熱電対と、を備え、
前記支持脚のうち長い支持脚に前記熱対導体のうち熱伝導率の高い熱電対導体を配置し、前記支持脚のうち短い支持脚に前記熱対導体のうち熱伝導率の低い熱電対導体を配置することを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
基板と、
前記基板の上面との間に空間を隔てて位置する受光部と、
前記受光部と前記基板との間に架け渡され、前記受光部を支持する少なくとも４本の支持脚と、
熱伝導率の異なる２つの熱電対導体を電気的に接合してなる２つの熱電対と、を備え、
前記支持脚のうち長い２本の支持脚に前記熱対導体のうち熱伝導率の高い熱電対導体をそれぞれ配置し、前記支持脚のうち短い２本の支持脚に前記熱電対導体のうち熱伝導率の低い熱電対導体をそれぞれ配置し、前記２つの熱電対が前記受光部で上面視にて交差することを特徴とする赤外線センサ。
【請求項３】
前記基板の上面に窪み部が形成され、前記受光部が前記窪み部の上方に支持されることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサ。
【請求項４】
前記受光部が、前記基板の上面より上方に持ち上げるように支持されることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサ。
【請求項５】
前記熱電対導体のうち熱伝導率の低い熱電対導体が必要最小長さにて構成されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の赤外線センサ。
【請求項６】
前記２つの熱電対導体が、少なくとも当該２つ熱電対導体よりも電気抵抗の低い部材によって、前記受光部で電気的に接合されることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の赤外線センサ。
【請求項７】
前記部材が、面状に形成され、前記受光部での赤外線吸収率を増加させる赤外線反射層として機能することを特徴とする請求項６に記載の赤外線センサ。
【請求項８】
前記部材が、面状に形成され、前記受光部での赤外線吸収率を増加させる赤外線吸収層として機能することを特徴とする請求項６に記載の赤外線センサ。
【請求項１】
基板と、
前記基板の上面との間に空間を隔てて位置する受光部と、
前記受光部と前記基板との間に架け渡され、前記受光部を支持する複数の支持脚と、
熱伝導率の異なる２つの熱電対導体を電気的に接合してなる熱電対と、を備え、
前記支持脚のうち長い支持脚に前記熱対導体のうち熱伝導率の高い熱電対導体を配置し、前記支持脚のうち短い支持脚に前記熱対導体のうち熱伝導率の低い熱電対導体を配置することを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
基板と、
前記基板の上面との間に空間を隔てて位置する受光部と、
前記受光部と前記基板との間に架け渡され、前記受光部を支持する少なくとも４本の支持脚と、
熱伝導率の異なる２つの熱電対導体を電気的に接合してなる２つの熱電対と、を備え、
前記支持脚のうち長い２本の支持脚に前記熱対導体のうち熱伝導率の高い熱電対導体をそれぞれ配置し、前記支持脚のうち短い２本の支持脚に前記熱電対導体のうち熱伝導率の低い熱電対導体をそれぞれ配置し、前記２つの熱電対が前記受光部で上面視にて交差することを特徴とする赤外線センサ。
【請求項３】
前記基板の上面に窪み部が形成され、前記受光部が前記窪み部の上方に支持されることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサ。
【請求項４】
前記受光部が、前記基板の上面より上方に持ち上げるように支持されることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサ。
【請求項５】
前記熱電対導体のうち熱伝導率の低い熱電対導体が必要最小長さにて構成されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の赤外線センサ。
【請求項６】
前記２つの熱電対導体が、少なくとも当該２つ熱電対導体よりも電気抵抗の低い部材によって、前記受光部で電気的に接合されることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の赤外線センサ。
【請求項７】
前記部材が、面状に形成され、前記受光部での赤外線吸収率を増加させる赤外線反射層として機能することを特徴とする請求項６に記載の赤外線センサ。
【請求項８】
前記部材が、面状に形成され、前記受光部での赤外線吸収率を増加させる赤外線吸収層として機能することを特徴とする請求項６に記載の赤外線センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１８０６８２（Ｐ２００９−１８０６８２Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１８２８（Ｐ２００８−２１８２８）
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【出願人】（０００１４３０３１）コーデンシ株式会社 (18)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【出願人】（０００１４３０３１）コーデンシ株式会社 (18)
【Ｆターム（参考）】
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