赤外線温度センサ
【課題】小型化が可能で、かつ感度特性に優れた赤外線温度センサを提供する。
【解決手段】本発明に係わる赤外線温度センサ１００は、メンブレン構造を持つ第１感熱素子２１によって形成された赤外線検知用素子２１と、メンブレン構造を持つ第２感熱素子２２によって形成された温度補償用素子２２と、前記赤外線検知用素子及び前記温度補償用素子とを支持する基板と、前記赤外線検知用素子上に形成された赤外線吸収膜３０と、前記温度補償用素子上に形成されると共に、前記赤外線吸収膜と同一材料にて形成された赤外線放熱膜４０を備え、前記赤外線吸収膜は前記第１感熱素子のメンブレン構造上にのみ形成され、前記赤外線放熱膜は前記第２感熱素子のメンブレン構造を跨いで成膜されている。
【解決手段】本発明に係わる赤外線温度センサ１００は、メンブレン構造を持つ第１感熱素子２１によって形成された赤外線検知用素子２１と、メンブレン構造を持つ第２感熱素子２２によって形成された温度補償用素子２２と、前記赤外線検知用素子及び前記温度補償用素子とを支持する基板と、前記赤外線検知用素子上に形成された赤外線吸収膜３０と、前記温度補償用素子上に形成されると共に、前記赤外線吸収膜と同一材料にて形成された赤外線放熱膜４０を備え、前記赤外線吸収膜は前記第１感熱素子のメンブレン構造上にのみ形成され、前記赤外線放熱膜は前記第２感熱素子のメンブレン構造を跨いで成膜されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源の温度を非接触測定する赤外線温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、赤外線の輻射エネルギを測定することで非接触での温度検知が可能な素子が知られている。そのようなデバイスでは検知用素子で赤外線量を計り、補償用素子で検知用素子を含む素子全体の温度を計り測定対象物の温度を計算する。例えば温接点と冷接点の温度差による熱起電力により検知を行うサーモパイル、強誘電体の焦電効果による起電力を利用した焦電素子や負の抵抗温度変化を用いたサーミスタ材料、ボロメータ材料を用いて赤外線の輻射エネルギを抵抗変化により検知するサーミスタ素子などが提案されている。
【０００３】
特許文献１では、サーミスタを用いた赤外線検出器として赤外線検知用サーミスタ素子と温度補償用サーミスタ素子を組み合わせた構成が提案されている。赤外線検知用サーミスタ素子は赤外線に対して開口した位置に配置し、温度補償用サーミスタ素子は遮蔽する構造が採られている。
【０００４】
特許文献２では、赤外線検出素子の熱容量を小さくすることで素子の感度・応答特性を改善出来るので、検知部を薄膜で形成して支持基板から浮かすダイヤフラム構造すなわちメンブレン構造を用いた構成が開示されている。また、メンブレン構造の薄膜サーミスタについて提案されており、赤外線検出素子の赤外線吸収膜について開示されている。
【０００５】
また特許文献３においては、メンブレン構造を用いた赤外線センサの構成として、基板上に赤外線の照射エネルギーと周囲温度に感応する感熱抵抗体、周囲温度のみに感応する感熱抵抗体を持つ構造で、それぞれの上に異なる材料からなる赤外線吸収膜と赤外線反射膜が形成された構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２６０５７９公報
【特許文献２】特開平７−１２０３０８公報
【特許文献３】特開平７−１４０００８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の技術には以下の課題が残されている。特許文献１では、温度補償用サーミスタ素子を遮蔽するためには素子をセッティングする筐体すなわちパッケージに遮蔽用の構造を持たせるために複雑な構造となるので小型化が困難である上、コストアップ要因となる。
【０００８】
特許文献２の構成によれば、メンブレン構造を用いた赤外線検出素子において赤外線吸収膜を用いることで感度の向上は可能であるが、これとは別に、赤外線補償素子を設けた場合に、小型化、コスト削減する上で、まだ不十分であり改善が必要になっている。
【０００９】
赤外線センサ市場で、小型化、コスト削減が求められている状況において、同時に周囲温度の急激な変化に対して感度特性の優れた、温度補償用素子と検知用素子とを備えた赤外線温度センサが求められている。
本発明では、この問題点を考慮してなされたもので、小型化が可能で、かつ感度特性に優れた赤外線温度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】
上記の課題を解決するため、本発明に係わる赤外線温度センサは、メンブレン構造を持つ第１感熱素子によって形成された赤外線検知用素子と、メンブレン構造を持つ第２感熱素子によって形成された温度補償用素子と、前記赤外線検知用素子及び前記温度補償用素子とを支持する基板と、前記赤外線検知用素子上に形成された赤外線吸収膜と、前記温度補償用素子上に形成されると共に、前記赤外線吸収膜と同一材料にて形成された赤外線放熱膜を備え、前記赤外線吸収膜は前記第１感熱素子のメンブレン構造上にのみ形成され、前記赤外線放熱膜は前記第２感熱素子のメンブレン構造を跨いで基板上にまで形成されている。
【００１１】
赤外線放熱膜は、第２感熱素子の上に、メンブレン構造を跨いで形成することですなわち、赤外線放熱膜を、キャビティの開口領域より大きな面積で温度補償用感熱素子を覆うように、基板上まで形成することにより、赤外線放熱膜は十分な熱容量を持ち、熱伝導性の良い基板と熱的に繋がることになる。このため赤外線放熱膜上で受けた赤外線からの熱は基板を介して流れることになり、赤外線の影響を温度補償用感熱素子が受けないようにすることになる。このようにすることで、小型化が可能で、かつ感度特性に優れた赤外線温度センサが得られる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば以下の効果を奏する。赤外線検知用感熱素子の赤外線吸収膜と、温度補償用感熱素子の赤外線放熱膜を、同じ材料で構成し、赤外線吸収膜は赤外線検知用感熱素子のメンブレン構造上にのみ形成され、赤外線放熱膜は温度補償用感熱素子のメンブレン構造を跨いで、基板上にまで形成されているため、小型化が可能で、かつ感度特性に優れた赤外線温度センサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態における感熱素子の平面図である。
【図２】第１実施形態における感熱素子のＡ−Ａ断面図である。
【図３】第１実施形態における赤外線センサの平面図である。
【図４】第１実施形態における赤外線センサのＢ−Ｂ断面図である。
【図５】第２実施形態における赤外線センサの平面図である。
【図６】第２実施形態における赤外線センサのＤ−Ｄ断面図である。
【図７】第３実施形態における赤外線センサの平面図である。
【図８】第３実施形態における赤外線センサのＥ−Ｅ断面図である。
【図９】比較例における赤外線センサの平面図である。
【図１０】比較例における赤外線センサのＦ−Ｆ断面図である
【図１１】第１実施形態における赤外線センサの評価用回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。
【００１５】
（第１実施形態）
第１実施形態の赤外線温度センサの構成を分かり易く説明するために、いわゆる赤外線温度センサの基本となる一般的な感熱素子構成部位の説明と、第１実施形態の構成の要部の説明とに分けて説明する。同一のデバイスについては同一の符号を付すものとし、重複する説明を省略する。なお、図面は、模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、及びデバイス相互間の厚みの比率は、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実のセンサ構造とは異なっていてもよい。
【００１６】
本実施形態による赤外線温度センサは、メンブレン構造を持つ第１感熱素子によって形成された赤外線検知用素子と、メンブレン構造を持つ第２感熱素子によって形成された温度補償用素子からなる。
【００１７】
図１、図２に示す感熱素子１０は、第１感熱素子によって形成された赤外線検知用素子、または、第２感熱素子によって形成された温度補償用素子に対応する。
【００１８】
（感熱素子の構成）
図１、図２を参照しながら赤外線温度センサの第１実施形態における感熱素子１０のデバイス構造について説明する。図１は感熱素子１０の平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。感熱素子１０は、基板１、絶縁膜２、一対の取出し電極３、感熱膜４、保護膜６、出力端子電極５から構成され、所定のギャップ間隔をおいて形成される１対の取出し電極３と、これらの取出し電極３間に成膜される感熱膜４とを備え、例えば薄膜サーミスタを構成している。
【００１９】
感熱膜４の材質としては例えば、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイド、複合金属酸化物等の負の温度係数を有するサーミスタ薄膜が好適である。取出し電極３の材質としては、感熱膜４の成膜工程や熱処理工程等に耐え得る耐熱性を有し、且つ適度な伝導性を有する比較的高融点の材質が好ましく、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、又はこれらの金属を２種類以上含む合金等が好適である。また電気信号を取り出すためには取出し電極３に接続された出力端子電極５が各々の取出し電極３に接続されるように形成される。出力端子電極５の材質としては、ワイヤーボンドやフリップチップボンディング等の電気的接続が容易な材質、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等が好適である。
【００２０】
基板１は、第１の主面１Ａ及びその裏面である第２の主面１Ｂを有しており少なくとも第１の主面には絶縁膜２が形成されている。基板１の材質としては、適度な機械的強度を有し、且つエッチング等の微細加工に適した材質であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン（Ｓｉ）単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミックス基板、石英基板、ガラス基板等が好適である。絶縁膜２としては、適度な機械的強度を有し、且つ公知の薄膜プロセスで容易に成膜できるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、Ｓｉ酸化膜、Ｓｉ窒化膜等が好適である。基板１の主面１Ａには、上述の感熱膜４が絶縁膜２を介して形成されている。また感熱膜４を被覆して外気から遮蔽するための保護膜６が形成されている。
【００２１】
また、基板１には、感熱素子１０が配置される位置に、より具体的には、感熱膜４が配置される位置に対応してキャビティ７が形成される。キャビティ７は、第２の主面１Ｂ側から第一の主面１Ａ側に向けて基板内部に凹部を有している。凹部は絶縁膜２が完全に露出していることが好ましいが熱容量が大きく増加することがなければ除去残りがあってもよい。言い換えれば、感熱素子１０は基板１のキャビティ部分７に形成されたメンブレン構造を有している。
【００２２】
赤外線検知用感熱素子と温度補償用感熱素子は、それぞれ１つの素子を組み合わせて動作し、検知した赤外線量に応じた温度変化により素子抵抗が変化することで変化量に対応した電圧を得る。赤外線検知用感熱素子上には、赤外線吸収膜がメンブレン内に形成され、温度補償用感熱素子上には、赤外線の影響を避けるための赤外線放熱膜が、赤外線吸収膜と同一材料で形成されている。ここで、メンブレン構造とは、基板に支持された薄膜部分で構成され断面方向から見た場合、中空となっている構造である。これにより検知素子の熱容量を小さくすることが可能になる。
【００２３】
赤外線検知用感熱素子は赤外線吸収膜により、赤外線を吸収しやすい構造となり、赤外線量に応じて大きく温度が変化し、それに応じて抵抗が変化する。温度補償用感熱素子は赤外線放熱膜により、赤外線に対して影響されにくい放熱構造となっており、赤外線による温度変化による抵抗変化がない状態、あるいは、小さい状態にされている。このため、検知用素子を含む素子全体の温度を赤外線の影響がない状態で検知することができる。その結果、検知用と補償用素子の応答の差から赤外線温度センサに受けた赤外線量を正確に算出することが可能になる。
【００２４】
感熱素子に用いる各サーミスタは同一の抵抗値および抵抗温度特性であるＢ定数を持ち、メンブレンサイズを同じにすることにより各素子の検知部の熱容量は等しく構成される。ここで、Ｂ定数とは、抵抗-温度特性の任意の２点の温度から求めた抵抗変化の大きさを表す定数であり、Ｂとは半導体の抵抗がＲ、半導体の絶対温度Ｔが無限大のときの抵抗値に相当する値がＲ０のときＲ＝Ｒ０＊ｅ＾（Ｂ／Ｔ）で表される。
【００２５】
赤外線検知用感熱素子となる薄膜サーミスタは表面に赤外線を吸収しやすい赤外線吸収膜を有しており、メンブレン内のサーミスタ上で赤外線からの熱を蓄熱することでサーミスタ抵抗が変化する。温度補償用素子に用いるサーミスタでは、表面に赤外線吸収膜と同一材料の赤外線放熱膜を、メンブレン構造の外側、つまり基板部分にまで広げることで赤外線からの熱を基板から逃がす熱伝導層としての機能を持たせることで赤外線による温度変化の影響を低減する。
【００２６】
（赤外線温度センサの構造）
上述した図１、図２の感熱素子を２つ以上配置することで、図３、図４の赤外線温度センサ１００を構成する。図３、４に示される第１実施形態の構造について説明する。図３は赤外線温度センサ１００の平面図、図４は図３におけるＢ−Ｂ断面図である。
【００２７】
基板１の第一の主面１Ａには、第１感熱素子である赤外線検知用感熱素子２１、第２感熱素子である温度補償用感熱素子２２が絶縁膜２を介して形成されている。また、赤外線検知用感熱素子２１及び温度補償用感熱素子２２を被覆して外気から遮蔽するための保護膜６が形成されている。ここで保護膜６は少なくとも赤外線検知用感熱素子２１及び温度補償用感熱素子２２のみが覆われていればよい。保護膜６の材質としては、適度な耐久性を有する絶縁膜であればよく、特に限定されるものではないが、絶縁膜２の材質と同一であることが好ましい。このようにすることで赤外線検知用感熱素子２１及び温度補償用感熱素子２２の周囲を構成する絶縁膜が全て同一材質になるため、より均一な温度分布となり好ましい。
【００２８】
また、熱源から放射される赤外線を吸収してそのエネルギーを熱に変換し、その熱を赤外線検知用感熱素子２１に伝熱させるための赤外線吸収膜３０が、保護膜６を介して赤外線検知用感熱素子２１の少なくとも一部を被覆するように成膜されている。このとき、赤外線吸収膜３０は、キャビティ７Ａに対応する領域の一部にのみ形成されており、これによりメンブレン構造上にのみ形成されている。赤外線吸収膜３０の材質としては、４μｍ〜１５μｍの波長の赤外線を効率よく吸収する材質であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、表面に微小な凹凸を形成することで赤外線の吸収効率を良くした、Ａｕ黒、Ｐｔ黒、銅（Ｃｕ）黒などの黒体材料、ポリイミド等の赤外線吸収効率の高い樹脂が好適である。また、例えば、Ａｕ黒、Ｐｔ黒とはそれぞれの金属が微粒子状で黒い膜の状態になったものであり、またＣｕ黒とは、Ｃｕを酸化処理して黒い状態にしたもの、すなわち黒化処理したものである。
【００２９】
温度補償用感熱素子２２は周囲温度による変化を検知するために用いる。つまり周囲温度に応じた抵抗変化を示すことで素子の周辺温度を測定して基準となる温度を示す役目をもつ。従来の温度補償用感熱素子は赤外線を反射させることで赤外線の影響を除く効果を得ていた。その場合、上述した赤外線吸収膜は反射率が低く、必然的に別の材料を用いる必要があった。
【００３０】
本発明者は温度補償用感熱素子の赤外線からの影響を反射ではなく基板への放熱を効果的に行うことで吸収膜として用いる材料を放熱膜として用いても感熱部への赤外線からの影響をなくすことが可能になることが確認できた。赤外線吸収膜と同一の材料からなるＣｕ黒は放熱膜としては使えないと考えられていたが基板との熱接触を十分に行うことで赤外線からの熱を基板へ放熱する赤外線放熱膜として機能させることが出来る。検知領域の熱容量は吸収膜と放熱膜を同一材料を用いることでほぼ同じとなり赤外線検知素子と温度補償用感熱素子の応答性にも影響がない。また赤外線検知用素子上と温度補償用素子上の材料を同一プロセスで形成することが可能になるので素子を容易に、また、安価に製造することが可能となる。
【００３１】
赤外線放熱膜４０は、赤外線吸収膜３０と同一の材料で形成され、第２感熱素子２２の保護膜６上に、メンブレン構造を跨いで成膜することで、赤外線放熱膜４０を、キャビティ７Ｂの開口領域より大きな面積で温度補償用感熱素子２２を覆うように、基板１上まで形成する。これにより、赤外線放熱膜４０は十分な熱容量を持ち、熱伝導性の良い基板１と熱的に繋がることになる。このため赤外線放熱膜４０上で受けた赤外線からの熱は基板１を介して流れることになり、赤外線の影響を温度補償用感熱素子２２が受けないようにすることになる。このようにすることで、小型化及びコスト削減が可能で、かつ感度特性に優れた赤外線温度センサが得られる。
【００３２】
以上のような構成により、赤外線検知用素子と温度補償用素子には、赤外線量に応じた抵抗差が生じ、この抵抗差から赤外線量を算出することが可能となる。このような構成を用いることにより従来技術で問題となっていた筐体での遮蔽に対する構造上の複雑さを回避して小型化が実現できるとともに、メンブレン素子の熱容量の違いによる周囲温度の急激な変化に対して温度補償用素子が検知用素子と同様の温度追随性を示すことで、さらに感度の優れたつまり赤外線量に応じて赤外線検知素子と温度補償素子の出力電圧差が大きい、赤外線温度センサを得ることが出来る。
【００３３】
赤外線温度センサ１００の第１実施形態の製造方法について説明する。図３、４に示すように、基板１として、面方位が（１００）である（１００）シリコン（Ｓｉ）基板を用意し、基板１の第一の主面１Ａ及び第二の主面１Ｂに絶縁膜２としてＳｉ酸化膜を成膜する。Ｓｉ酸化膜を成膜するには、例えば、熱酸化法等を適用すればよい。絶縁膜２の膜厚は、基板１との絶縁性が確保される程度に調整すればよく、例えば、０．１μｍ〜０．５μｍ程度が好適である。
【００３４】
次に、第一の主面１Ａ上の絶縁膜２に取出し電極３Ａ、３Ｂを形成する。取出し電極３Ａ、３Ｂを形成するには、例えば、ＲＦマグネトロンスパッタ法等を用いて絶縁膜２上に１５０ｎｍ〜６００ｎｍ程度の金属薄膜を堆積し、フォトリソグラフィによってエッチングマスクを形成し、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングでこの金属薄膜を所定の電極形状に加工すればよい。金属薄膜と絶縁膜２との間の密着性を高めるには、チタン（Ｔｉ）等の密着層を介在させるのが好ましい。
【００３５】
次に、感熱膜４Ａ、４Ｂとしての複合金属酸化膜をスパッタ法により取出し電極３Ａ、３Ｂに堆積し、ウェットエッチングにより複合金属酸化膜を所定形状にパターニングする。以上の工程により、絶縁膜２上に第１感熱素子である赤外線検知用感熱素子２１及び第２感熱素子である温度補償用感熱素子２２が形成される。続いて、保護膜６としての酸化Ｓｉ膜をテトラエトキシシランという有機金属材料を用いたＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により０．３μｍ〜２μｍ程度の膜厚で基板全面に成膜し、フォトリソグラフィによりエッチングマスクを形成した後、酸化Ｓｉ膜をウェットエッチングにより選択的に除去し、出力端子電極５Ａ、５Ｂが形成されるべき箇所を露出させる。そして、出力端子電極５としてＡｌ電極をＥＢ蒸着法により１μｍ程度形成し、リフトオフ法によりＡｌ電極５の不要部分を除去する。
【００３６】
次に、赤外線吸収膜３０および赤外線放熱膜４０として用いる銅（Ｃｕ）をスパッタ法により保護膜６上に成膜する。上面から見て、キャビティ７Ａの開口領域の外縁の所定距離（例えば、２０μｍ）内側に赤外線吸収膜３０の外縁が位置するように、キャビティ７Ａの開口領域よりも小さいパターンをフォトリソ工程を用いて保護膜６上に形成する。同時にキャビティ７Ｂの開口領域の外縁の所定距離（例えば、２０μｍ）外側に赤外線放熱膜４０の外縁が位置するように、フォトリソ工程を用いて形成する。その後、赤外線吸収膜、赤外線放熱膜として用いる部分以外の不要部分を除去する。次に、Ｃｕを酸化処理させることでＣｕ黒膜とする、すなわち黒化処理することにより、赤外線吸収膜および赤外線放熱膜としての機能をもたせる。すなわち、Ｃｕ黒膜は表面には微小な凹凸を持つことで膜表面の赤外線が厚み方向に進行する際に乱反射しながら膜に熱として取り込まれることにより機能する。
【００３７】
赤外線放熱膜４０は、第２感熱素子２２の保護膜６上に、メンブレン構造を跨いで成膜することで、赤外線放熱膜４０を、キャビティ７Ｂの開口領域より大きな面積で温度補償用感熱素子を覆うように、基板１上まで形成することにより、赤外線放熱膜４０は十分な熱容量を持ち、熱伝導性の良い基板１と熱的に繋がることになる。このため赤外線放熱膜４０上で受けた赤外線からの熱は基板１を介して流れることになり、赤外線の影響を温度補償用感熱素子が受けないようにすることになる。
【００３８】
次に、基板１の第二の主面１Ｂ側にフォトリソグラフィによってエッチングマスクを形成した後、フッ化物系ガスを用いたＤ−ＲＩＥ法等の反応性イオンエッチングによって、基板１を第二の主面１Ｂに対して垂直に深堀し、キャビティ７Ａ、７Ｂを開口する。Ｄ−ＲＩＥ法とは、Ｃ4Ｆ8ガスを用いて反応抑止膜（フルオロカーボン系ポリマー）をキャビティ７Ａ、７Ｂの側壁に堆積させることにより、主としてＦラジカルによる化学的なサイドエッチングを抑制するためのプラズマデポジション工程と、ＳＦ6ガスを用いてＦラジカルによる基板１の化学的エッチングとＦイオンによる反応抑止膜の物理的エッチングとにより、基板１を略垂直に異方性エッチングするためのプラズマエッチング工程とを交互に繰り返して基板１を深堀する方法である。
【００３９】
（第２実施形態）
図５、６に示される第２実施形態の構造について説明する。第１実施形態に対して、出力端子電極５Ｄに特徴を有している。図５は赤外線温度センサ２００の平面図、図６は図５のＤ−Ｄ断面図である。出力端子電極５Ｄ以外は、第１実施形態の構成と同じである。
【００４０】
第２実施形態では温度補償用素子２２２のアルミニウム（Ａｌ）からなる一対の出力端子電極５Ｄと５Ｂのうち片側の出力端子電極５Ｄが赤外線放熱膜４０と接続されるように形成されている。この時、赤外線放熱膜４０の熱は出力端子電極５Ｄを伝って基板１に逃げることになり、第１実施形態に増して放熱効果が高い。このようにすることにより熱伝導の良い出力端子電極５Ｄと赤外線放熱膜４０が直接接触するのでより効率よく赤外線により発生する熱を基板１に放熱することが可能になる。
【００４１】
（第３実施形態）
図７、８に示される第３実施形態の構造について説明する。図７は赤外線温度センサ３００の平面図、図８は赤外線温度センサ３００の、図７におけるＥ−Ｅ断面図である。第３実施形態は第２実施形態と異なり、一対の取り出し電極３Ａ、３Ｂと直交した２方向から出力端子電極５Ｂと同時に形成された一対の放熱電極５Ｃが、取出し電極３Ａ、３Ｂおよび、これらと同時に形成された一対のストライプ状の電極３Ｃを介して基板１と接触している。なお、一対の取り出し電極３Ａ、３Ｂと、一対のストライプ状の電極３Ｃは、Ｐｔ／Ｔｉからなることが好ましい。
【００４２】
言い換えると、第１実施形態の出力端子電極５Ａと５Ｂはそのままで、温度補償素子３２２の一対の出力端子電極５Ｂを結んだ線に直交する方向であって、温度補償素子３２２の両脇に新たに一対の放熱電極５Ｃを設けて、放熱電極５Ｃの一部が赤外線放熱膜４０と接続されており、保護膜６の下にある取出し電極３Ｂと同時に形成された一対のストライプ状の電極３Ｃと保護膜６が開口された領域で接続されている。ストライプ状の電極３Ｃは感熱素子とは電気的に絶縁されているが、基板１と熱的に接続されることで赤外線放熱膜４０からの熱を逃がすことになる。より低抵抗で熱伝導の良い金属膜すなわち、ストライプ状の電極３Ｃを赤外線放熱膜４０と基板１との間に設けることにより第１実施形態よりも放熱効果が高い。こうすることで、赤外線放熱膜４０からの熱が、さらに２方向から基板に移動することでより効率よく放熱することが出来る。なお、放熱電極５Ｃは必ずしも一対でなくてもよい。ストライプ状の電極３Ｃを取り出し電極３Ａ、３Ｂと同時に形成することにより少ない工程で形成することが可能となる。
【実施例】
【００４３】
（第１実施例）
第１実施形態における赤外線温度センサ１００を以下の手順で作製した。まず、基板１として、Ｓｉ基板を用意し、その基板表面に絶縁膜２としての熱絶縁膜を０．５μｍ成膜した。次に、Ｐｔ／Ｔｉをスパッタ法で絶縁膜２上に成膜し、ドライエッチングで所定の電極形状に加工することで、取出し電極３Ａ、３Ｂを形成した。次に、基板温度６００℃、成膜圧力０．５Ｐａ、Ｏ2／Ａｒ流量比１％、ＲＦパワー４００Ｗのスパッタ条件でＭｎＮｉＣｏ系酸化物を取り出し電極３Ａ、３Ｂ上に０．４μｍ程度堆積した。その後、焼成炉を用いてＭｎＮｉＣｏ系酸化物膜に大気雰囲気で６５０℃１時間の熱処理を施し、塩化第二鉄水溶液を用いたウェットエッチングで所定形状に加工することで、目標抵抗値１４０ｋΩ（室温）の感熱膜１４Ａ、１４Ｂを形成した。
【００４４】
次に、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により０．５μｍ程度の保護膜６を成膜した。保護膜形成後にＣｕ膜をスパッタ法により１．５μｍ形成し、フォトリソ法により温度検知用感熱素子２１上にはメンブレンの内側にのみＣｕ膜が残るように、温度補償用感熱素子２２上には赤外線放熱膜４０を、メンブレン構造を跨いで、すなわち、キャビティ７Ｂの開口領域より大きな面積で基板上まで感熱素子を覆するようにＣｕ膜にマスキングしウェットエッチングを用いて不要部を除去した。その後、アルカリ系水溶液に浸漬することでＣｕ黒化処理を行った。その後、表面出力端子電極を配置する部位を除くＳｉＯ２膜上にマスクを作成し、出力端子電極を配置する部位にウェットエッチング処理を施し、その後、非マスク領域のＳｉＯ２膜を除去することで、開口を形成した。出力端子電極５Ａ，５ＢとしてのＡｌ電極をＥＢ蒸着法により１μｍ程度形成した。最後に、Ｄ−ＲＩＥ法により基板１を略垂直に深堀し、外部環境に関して熱伝導的に対称なキャビティ７Ａ、７Ｂを形成した。
【００４５】
（第２実施例）
第２実施形態の赤外線温度センサ２００を以下の手順で製造した。図５、６に示すように、基板１として、Ｓｉ基板を用意し、その基板表面に絶縁膜２としての熱絶縁膜を０．５μｍ成膜した。次に、Ｐｔ／Ｔｉをスパッタ法で絶縁膜２上に成膜し、ドライエッチングで所定の電極形状に加工することで、取出し電極３Ａ、３Ｂを形成した。次に、基板温度６００℃、成膜圧力０．５Ｐａ、Ｏ2／Ａｒ流量比１％、ＲＦパワー４００Ｗのスパッタ条件でＭｎＮｉＣｏ系酸化物を個別電極３Ａ、３Ｂ上に０．４μｍ程度堆積した。その後、焼成炉を用いてＭｎＮｉＣｏ系酸化物膜に大気雰囲気で６５０℃１時間の熱処理を施し、塩化第二鉄水溶液を用いたウェットエッチングで所定形状に加工することで、室温での目標抵抗値１４０ｋΩの感熱膜４Ａ、４Ｂを形成した。
【００４６】
次に、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により０．５μｍ程度の保護膜６を成膜した。保護膜形成後にＣｕ膜をスパッタ法により１．５ｕｍ形成し、フォトリソ法により、上面から見て、赤外線検知用感熱素子２１上にはメンブレンの内側にのみＣｕ膜が残るように、温度補償用感熱素子２２上には、上述と同じようにメンブレンを跨ぐようにＣｕ膜にマスキングしウェットエッチングを用いて不要部を除去した。この時その後、アルカリ系水溶液に浸漬することでＣｕ黒化処理を行った。その後、表面出力端子電極５を配置する部位を除くＳｉＯ２膜上にマスクを作成し、出力端子電極５を配置する部位にウェットエッチング処理を施し、その後、非マスク領域のＳｉＯ２膜を除去することで、開口を形成した。
【００４７】
出力端子電極５Ａ、５ＢとしてのＡｌ電極をＥＢ蒸着法により１μｍ程度形成した。その際に開口の出力端子電極５Ｄと５Ｅのうちの片側の電極５Ｄを延ばすことで温度補償用感熱素子２２の赤外線放熱膜４０と接続した。最後に、Ｄ−ＲＩＥ法により基板１を略垂直に深堀し、外部環境に関して熱伝導的に対称なキャビティ７Ａ、７Ｂを形成した。
【００４８】
（第３実施例）
第３実施形態の赤外線温度センサ３００を以下の手順で製造した。図７、８に示すように、まず、基板１として、Ｓｉ基板を用意し、その基板表面に絶縁膜２としての熱絶縁膜を０．５μｍ成膜した。次に、Ｐｔ／Ｔｉをスパッタ法で絶縁膜２上に成膜し、ドライエッチングで所定の電極形状に加工することで、取出し電極３Ａ、３Ｂを形成した。この時メンブレン領域端部から５０μｍ離れた場所にＰｔ／Ｔｉからなる一対のストライプ上の電極３Ｃを同時に形成した。このストライプ状の電極３Ｃは、基板１と放熱電極５Ｃとを熱的に繋ぐためのものである。なお、Ｐｔ／Ｔｉ膜は、先に密着層としてのＴｉを成膜してから、電極層としてのＰｔを成膜する。
【００４９】
次に、基板温度６００℃、成膜圧力０．５Ｐａ、Ｏ2／Ａｒ流量比１％、ＲＦパワー４００Ｗのスパッタ条件でＭｎＮｉＣｏ系酸化物を個別電極３Ａ，３Ｂ上に０．４μｍ程度堆積した。その後、焼成炉を用いてＭｎＮｉＣｏ系酸化物膜に大気雰囲気で６５０℃１時間の熱処理を施し、塩化第二鉄水溶液を用いたウェットエッチングで所定形状に加工することで、目標抵抗値１４０ｋΩ（室温）の感熱膜４Ａ、４Ｂを形成した。
【００５０】
次に、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により０．５μｍ程度の保護膜６を成膜した。保護膜形成後にＣｕ膜をスパッタ法により１．５μｍ形成し、フォトリソ法により赤外線検知用感熱素子２１上にはメンブレンの内側にのみＣｕ膜が残るように、温度補償用感熱素子３２２上にはメンブレンを跨ぐようにＣｕ膜にマスキングしウェットエッチングを用いて不要部を除去した。この時その後、アルカリ系水溶液に浸漬することでＣｕ黒化処理を行った。
【００５１】
その後、表面出力端子電極を配置する部位を除くＳｉＯ２膜上にマスクを作成し、出力端子電極を配置する部位および温度補償用感熱素子３２２のキャビティ７Ｂ横に形成した一対のストライプ電極３Ｃ上も同時に開口してウェットエッチング処理を施し、その後、非マスク領域のＳｉＯ２膜を除去することで、開口を形成した。出力端子電極５Ａ、５ＢとしてのＡｌ電極をＥＢ蒸着法により１μｍ程度形成した。開口されたストライプ上のＡｌ電極のパターンを延ばすように一対の放熱電極５Ｃを形成して温度補償用感熱素子３２２の赤外線放熱膜４０と接続した。最後に、Ｄ−ＲＩＥ法により基板１を略垂直に深堀し、外部環境に関して熱伝導的に対称なキャビティ７Ａ、７Ｂを形成した。
【００５２】
（比較例）
図９、１０に示される比較例の構造について説明する。図９は赤外線温度センサ４００の平面図、図１０は図９におけるＦ−Ｆ断面図である。
比較例は第１実施形態と比べると、赤外線検知用感熱素子２１の赤外線吸収膜３０と温度補償用感熱素子４２２の赤外線反射膜５０は同一ではなく、赤外線吸収膜３０および赤外線反射膜５０はメンブレン構造を跨いでいない。出力端子電極は図１０、１１の１５Ａ、１５Ｂに示すような構成になっている。
【００５３】
比較例として図９、１０に関わる赤外線温度センサ４００を以下の手順で作製した。まず、基板１として、Ｓｉ基板を用意し、その基板表面１Ａに絶縁膜２として熱絶縁膜を０．５μｍ成膜した。次に、Ｐｔ／Ｔｉをスパッタ法で絶縁膜２上に成膜し、ドライエッチングで所定の電極形状に加工することで、取出し電極３Ａ、３Ｂを形成した。
【００５４】
次に、基板温度６００℃、成膜圧力０．５Ｐａ、Ｏ2／Ａｒ流量比１％、ＲＦパワー４００Ｗのスパッタ条件でＭｎＮｉＣｏ系酸化物を取出し電極３Ａ、３Ｂ上に０．４μｍ程度堆積した。その後、焼成炉を用いてＭｎＮｉＣｏ系酸化物膜に大気雰囲気で６５０℃１時間の熱処理を施し、塩化第二鉄水溶液を用いたウェットエッチングで所定形状に加工することで、目標抵抗値１４０ｋΩ（室温）の感熱膜１４Ａ、１４Ｂを形成した。
【００５５】
次に、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により０．５μｍ程度の保護膜６を成膜した。赤外線吸収膜３０としてＣｕ黒を第１実施形態と同様の方法により赤外線検知用感熱素子２１上にのみ形成した。続いて、赤外線反射膜５０としての金（Ａｕ）をスパッタ法により０．１μｍ程度成膜し、温度補償用感熱素子４２２の上部にのみ残すようにフォトリソ工程によりパターン形成を行った。
【００５６】
その後、表面出力端子電極を配置する部位を除くＳｉＯ２膜上にマスクを作成し、出力端子電極を配置する部位を開口してウェットエッチング処理を施し、その後、非マスク領域のＳｉＯ２膜を除去することで、開口を形成した。出力端子電極１５Ａ、１５ＢとしてのＡｌ電極をＥＢ蒸着法により１μｍ程度形成した。最後に、Ｄ−ＲＩＥ法により基板１１を略垂直に深堀し、外部環境に関して熱伝導的に対称なキャビティ７Ａ、７Ｂを形成した。
【００５７】
（評価）
第１実施例から第３実施例及び比較例の赤外線温度センサについて、赤外線量を推定するための素子出力電圧測定を行った。出力電圧を得るための回路として、第１実施例から第３実施例の赤外線温度センサおよび比較例の赤外線温度センサについて図１１に示す様な赤外線検知用感熱素子２１と温度補償用感熱素子２２を含むフルブリッジ回路を用いた。
【００５８】
赤外線検出用感熱素子と温度補償用素子の赤外線吸収及び放熱あるいは反射の差により生じる２素子の温度差ひいては抵抗差を検知する本実施例の場合には、２素子に対する外部からの熱的影響は等しくする方が好ましい。このような抵抗差を利用した検知には、ハーフブリッジ回路もしくはフルブリッジ回路を用いる事が多いが、本実施例においては赤外線量に相当する出力電圧を得る部位に、フルブリッジ回路を用いる事が好ましい。
【００５９】
具体的には、フルブリッジ回路は、評価対象の赤外線検知用感熱素子２１及び温度補償用感熱素子２２を使用し、回路には、赤外線検知用感熱素子の抵抗をＴＨｓ、温度補償用感熱素子の抵抗をＴＨｒと示した。素子外部に２つの基準抵抗素子Ｒ１、Ｒ２で構成される。この基準抵抗素子の形状、組成を揃えることで、赤外線検知用感熱素子２１と温度補償用感熱素子２２への外部からの熱的影響を等しくする事が出来る。
【００６０】
赤外線量に相当する出力電圧Ｐは、電圧Ｐ１と電圧Ｐ２の電圧の差すなわち差電圧で得られる。図１１で示すように、電圧Ｐ１と電圧Ｐ２はグランドの電位＝０と電位Ｐ１、Ｐ２との電位差であり、電位Ｐ１と電位Ｐ２は電圧Ｐ１と電圧Ｐ２と等しいため以降は電圧Ｐ１、電圧Ｐ２とする。赤外線検知用感熱素子２１の抵抗ＴＨｓと基準抵抗素子Ｒ１の中間電圧Ｐ１すなわち電圧Ｐ１は赤外線量に応じて値が変化する。つまり赤外線検知素子２１の抵抗ＴＨｓが赤外線を受けたことによる温度上昇より伴い、抵抗が減少することにより電圧Ｐ１は小さくなる。一方温度補償素子２２の抵抗ＴＨｒと基準抵抗素子Ｒ２の中間電圧Ｐ２すなわち電圧Ｐ２は赤外線からの影響はほとんど受けず、温度補償素子の抵抗ＴＨｒが周囲温度の変化および放熱しきれない赤外線からのわずかな影響を伴った変化を示すことになる。従って電圧Ｐ１と電圧Ｐ２の電圧の差すなわち差電圧、すなわち出力電圧Ｐは周囲温度の影響を考慮した赤外線量を示すことになり、出力電圧Ｐが大きいほど感度が良いことを示す。赤外線検知用感熱素子２１、温度補償用感熱素子２２は薄膜サーミスタであり、上述したように２素子を隣接で配置した構造の赤外線温度センサ１００である。
【００６１】
赤外線量の測定方法としては、所定温度に保持した赤外線温度センサ素子１００に、第１実施例から第３実施例および比較例について所定の赤外線を与えた時の、基準電圧Ｖｃｃを印可した回路の測定点Ｐ１、Ｐ２の電位すなわち電圧Ｐ１と電圧Ｐ２を測定する。
【００６２】
具体的には、赤外線検知用感熱素子２１及び温度補償用感熱素子２２の２つの素子を隣接で配置した赤外線センサ素子１００の温度を２５℃に保ち、表面温度４０℃に設定した測定対象としての平面黒体表面から５ｃｍ離して設置した時の、平面黒体の表面温度に対応する各測定点の電位すなわち電圧Ｐ１と電圧Ｐ２を測定した。
【００６３】
表１は、第１実施例から第３実施例および比較例における赤外線温度センサの出力電圧特性を示す表である。出力電圧Ｐすなわち差電圧Ｐは比較例および第１実施例から第３実施例の黒体温度４０℃の赤外線量を出力電圧により測定した結果、つまりＰ１からＰ２の差電圧Ｐを示す。応答速度６３％および９０％はそれぞれの出力電圧Ｐすなわち差電圧Ｐの６３％、９０％に到達するまでの時間を示す。
【００６４】
【表１】
【００６５】
第１実施例から第３実施例および比較例では、赤外線量に相当する出力電圧Ｐは、Ｐ１とＰ２の差電圧で得られる。外部基準抵抗Ｒ１は１７５ｋΩ、基準電圧Ｖｃｃは５Ｖであった。外部基準抵抗Ｒ２は、平面黒体表面温度を２５℃にした時の出力電圧Ｐが０になるように調整してあらかじめ設置し、第１実施例から第３実施例での抵抗値は、１７５ｋΩ±１ｋΩであった。比較例では、外部固定抵抗Ｒは１７５ｋΩ、基準電圧Ｖｃｃは５Ｖであった。比較例の出力電圧Ｐは平面黒体の表面温度が４０℃の場合、１．０９５ｍVであった。
【００６６】
これに対して第１実施例では１．２５３ｍＶであり、赤外線放熱膜４０を片側の端子出力電極に接続するように配置した第２実施例では１．２６７ｍＶ、基板へ構成した金属電極と赤外線放熱膜４０を接続した第３実施例では、１．２７８ｍＶとなり、いずれも比較例より赤外線量を示す出力電圧Ｐは大きな値が得られた。
【００６７】
比較例と第１実施例の赤外線量に応じた出力電圧を比べると第１実施例のほうが出力電圧すなわち差電圧Ｐの値は大きい。赤外線吸収膜３０の効率が同等であるとすると比較例の赤外線反射膜５０よりも第１実施例の赤外線放熱膜４０のほうがより赤外線の影響が少ないことになる。これは同じ量の赤外線を測定した場合、より高感度に赤外線を検出することを示す。さらに第１実施例と第２、３実施例を比較すると、第２、３実施例の出力電圧Ｐは第１実施例よりも大きくなっていることから赤外線放熱膜４０から基板１への接点を増やすことで効果的に放熱を行うことが可能となる。
【００６８】
表１から、第１実施例から第３実施例の各出力電圧Ｐは、比較例の出力電圧Ｐより大きい、これは、赤外線測定精度があがる、すなわち感度が良いことを示しており、メンブレン、同一材料、跨ぎ、放熱工夫の効果がでていることを示している。
【００６９】
応答速度は主に感熱部分の熱容量の違いによって決まることになるが、第１実施例から第３実施例のいずれの応答速度値も比較例の応答速度値と比べて大きな差がない結果となっている。つまり、それぞれの構成において感熱部分の熱容量は大きな違いがないことで結果的に第１実施例から第３実施例では応答速度には大きく影響していない、問題がないことを示している。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明に係わる赤外線温度センサは、熱源の温度を非接触測定する様々な用途に利用できる。
【符号の説明】
【００７１】
１０ 感熱素子
１ 基板
１Ａ 基板の第１の主面
１Ｂ 基板の第２の主面
２ 絶縁膜
３、３Ａ、３Ｂ 取出し電極
３Ｃ ストライプ状の電極
４、４Ａ、４Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ 感熱膜
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｄ、５Ｅ、１５Ａ、１５Ｂ 出力端子電極
５Ｃ 放熱電極
６ 保護膜
７、７Ａ、７Ｂ キャビティ
２１ 赤外線検知用感熱素子（第１感熱素子）
２２、２２２、３２２、４２２ 温度補償用感熱素子（第２感熱素子）
３０ 赤外線吸収膜
４０ 赤外線放熱膜
５０ 赤外線反射膜
１００、２００、３００、４００ 赤外線センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源の温度を非接触測定する赤外線温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、赤外線の輻射エネルギを測定することで非接触での温度検知が可能な素子が知られている。そのようなデバイスでは検知用素子で赤外線量を計り、補償用素子で検知用素子を含む素子全体の温度を計り測定対象物の温度を計算する。例えば温接点と冷接点の温度差による熱起電力により検知を行うサーモパイル、強誘電体の焦電効果による起電力を利用した焦電素子や負の抵抗温度変化を用いたサーミスタ材料、ボロメータ材料を用いて赤外線の輻射エネルギを抵抗変化により検知するサーミスタ素子などが提案されている。
【０００３】
特許文献１では、サーミスタを用いた赤外線検出器として赤外線検知用サーミスタ素子と温度補償用サーミスタ素子を組み合わせた構成が提案されている。赤外線検知用サーミスタ素子は赤外線に対して開口した位置に配置し、温度補償用サーミスタ素子は遮蔽する構造が採られている。
【０００４】
特許文献２では、赤外線検出素子の熱容量を小さくすることで素子の感度・応答特性を改善出来るので、検知部を薄膜で形成して支持基板から浮かすダイヤフラム構造すなわちメンブレン構造を用いた構成が開示されている。また、メンブレン構造の薄膜サーミスタについて提案されており、赤外線検出素子の赤外線吸収膜について開示されている。
【０００５】
また特許文献３においては、メンブレン構造を用いた赤外線センサの構成として、基板上に赤外線の照射エネルギーと周囲温度に感応する感熱抵抗体、周囲温度のみに感応する感熱抵抗体を持つ構造で、それぞれの上に異なる材料からなる赤外線吸収膜と赤外線反射膜が形成された構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２６０５７９公報
【特許文献２】特開平７−１２０３０８公報
【特許文献３】特開平７−１４０００８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の技術には以下の課題が残されている。特許文献１では、温度補償用サーミスタ素子を遮蔽するためには素子をセッティングする筐体すなわちパッケージに遮蔽用の構造を持たせるために複雑な構造となるので小型化が困難である上、コストアップ要因となる。
【０００８】
特許文献２の構成によれば、メンブレン構造を用いた赤外線検出素子において赤外線吸収膜を用いることで感度の向上は可能であるが、これとは別に、赤外線補償素子を設けた場合に、小型化、コスト削減する上で、まだ不十分であり改善が必要になっている。
【０００９】
赤外線センサ市場で、小型化、コスト削減が求められている状況において、同時に周囲温度の急激な変化に対して感度特性の優れた、温度補償用素子と検知用素子とを備えた赤外線温度センサが求められている。
本発明では、この問題点を考慮してなされたもので、小型化が可能で、かつ感度特性に優れた赤外線温度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】
上記の課題を解決するため、本発明に係わる赤外線温度センサは、メンブレン構造を持つ第１感熱素子によって形成された赤外線検知用素子と、メンブレン構造を持つ第２感熱素子によって形成された温度補償用素子と、前記赤外線検知用素子及び前記温度補償用素子とを支持する基板と、前記赤外線検知用素子上に形成された赤外線吸収膜と、前記温度補償用素子上に形成されると共に、前記赤外線吸収膜と同一材料にて形成された赤外線放熱膜を備え、前記赤外線吸収膜は前記第１感熱素子のメンブレン構造上にのみ形成され、前記赤外線放熱膜は前記第２感熱素子のメンブレン構造を跨いで基板上にまで形成されている。
【００１１】
赤外線放熱膜は、第２感熱素子の上に、メンブレン構造を跨いで形成することですなわち、赤外線放熱膜を、キャビティの開口領域より大きな面積で温度補償用感熱素子を覆うように、基板上まで形成することにより、赤外線放熱膜は十分な熱容量を持ち、熱伝導性の良い基板と熱的に繋がることになる。このため赤外線放熱膜上で受けた赤外線からの熱は基板を介して流れることになり、赤外線の影響を温度補償用感熱素子が受けないようにすることになる。このようにすることで、小型化が可能で、かつ感度特性に優れた赤外線温度センサが得られる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば以下の効果を奏する。赤外線検知用感熱素子の赤外線吸収膜と、温度補償用感熱素子の赤外線放熱膜を、同じ材料で構成し、赤外線吸収膜は赤外線検知用感熱素子のメンブレン構造上にのみ形成され、赤外線放熱膜は温度補償用感熱素子のメンブレン構造を跨いで、基板上にまで形成されているため、小型化が可能で、かつ感度特性に優れた赤外線温度センサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態における感熱素子の平面図である。
【図２】第１実施形態における感熱素子のＡ−Ａ断面図である。
【図３】第１実施形態における赤外線センサの平面図である。
【図４】第１実施形態における赤外線センサのＢ−Ｂ断面図である。
【図５】第２実施形態における赤外線センサの平面図である。
【図６】第２実施形態における赤外線センサのＤ−Ｄ断面図である。
【図７】第３実施形態における赤外線センサの平面図である。
【図８】第３実施形態における赤外線センサのＥ−Ｅ断面図である。
【図９】比較例における赤外線センサの平面図である。
【図１０】比較例における赤外線センサのＦ−Ｆ断面図である
【図１１】第１実施形態における赤外線センサの評価用回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。
【００１５】
（第１実施形態）
第１実施形態の赤外線温度センサの構成を分かり易く説明するために、いわゆる赤外線温度センサの基本となる一般的な感熱素子構成部位の説明と、第１実施形態の構成の要部の説明とに分けて説明する。同一のデバイスについては同一の符号を付すものとし、重複する説明を省略する。なお、図面は、模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、及びデバイス相互間の厚みの比率は、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実のセンサ構造とは異なっていてもよい。
【００１６】
本実施形態による赤外線温度センサは、メンブレン構造を持つ第１感熱素子によって形成された赤外線検知用素子と、メンブレン構造を持つ第２感熱素子によって形成された温度補償用素子からなる。
【００１７】
図１、図２に示す感熱素子１０は、第１感熱素子によって形成された赤外線検知用素子、または、第２感熱素子によって形成された温度補償用素子に対応する。
【００１８】
（感熱素子の構成）
図１、図２を参照しながら赤外線温度センサの第１実施形態における感熱素子１０のデバイス構造について説明する。図１は感熱素子１０の平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。感熱素子１０は、基板１、絶縁膜２、一対の取出し電極３、感熱膜４、保護膜６、出力端子電極５から構成され、所定のギャップ間隔をおいて形成される１対の取出し電極３と、これらの取出し電極３間に成膜される感熱膜４とを備え、例えば薄膜サーミスタを構成している。
【００１９】
感熱膜４の材質としては例えば、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイド、複合金属酸化物等の負の温度係数を有するサーミスタ薄膜が好適である。取出し電極３の材質としては、感熱膜４の成膜工程や熱処理工程等に耐え得る耐熱性を有し、且つ適度な伝導性を有する比較的高融点の材質が好ましく、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、又はこれらの金属を２種類以上含む合金等が好適である。また電気信号を取り出すためには取出し電極３に接続された出力端子電極５が各々の取出し電極３に接続されるように形成される。出力端子電極５の材質としては、ワイヤーボンドやフリップチップボンディング等の電気的接続が容易な材質、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等が好適である。
【００２０】
基板１は、第１の主面１Ａ及びその裏面である第２の主面１Ｂを有しており少なくとも第１の主面には絶縁膜２が形成されている。基板１の材質としては、適度な機械的強度を有し、且つエッチング等の微細加工に適した材質であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン（Ｓｉ）単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミックス基板、石英基板、ガラス基板等が好適である。絶縁膜２としては、適度な機械的強度を有し、且つ公知の薄膜プロセスで容易に成膜できるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、Ｓｉ酸化膜、Ｓｉ窒化膜等が好適である。基板１の主面１Ａには、上述の感熱膜４が絶縁膜２を介して形成されている。また感熱膜４を被覆して外気から遮蔽するための保護膜６が形成されている。
【００２１】
また、基板１には、感熱素子１０が配置される位置に、より具体的には、感熱膜４が配置される位置に対応してキャビティ７が形成される。キャビティ７は、第２の主面１Ｂ側から第一の主面１Ａ側に向けて基板内部に凹部を有している。凹部は絶縁膜２が完全に露出していることが好ましいが熱容量が大きく増加することがなければ除去残りがあってもよい。言い換えれば、感熱素子１０は基板１のキャビティ部分７に形成されたメンブレン構造を有している。
【００２２】
赤外線検知用感熱素子と温度補償用感熱素子は、それぞれ１つの素子を組み合わせて動作し、検知した赤外線量に応じた温度変化により素子抵抗が変化することで変化量に対応した電圧を得る。赤外線検知用感熱素子上には、赤外線吸収膜がメンブレン内に形成され、温度補償用感熱素子上には、赤外線の影響を避けるための赤外線放熱膜が、赤外線吸収膜と同一材料で形成されている。ここで、メンブレン構造とは、基板に支持された薄膜部分で構成され断面方向から見た場合、中空となっている構造である。これにより検知素子の熱容量を小さくすることが可能になる。
【００２３】
赤外線検知用感熱素子は赤外線吸収膜により、赤外線を吸収しやすい構造となり、赤外線量に応じて大きく温度が変化し、それに応じて抵抗が変化する。温度補償用感熱素子は赤外線放熱膜により、赤外線に対して影響されにくい放熱構造となっており、赤外線による温度変化による抵抗変化がない状態、あるいは、小さい状態にされている。このため、検知用素子を含む素子全体の温度を赤外線の影響がない状態で検知することができる。その結果、検知用と補償用素子の応答の差から赤外線温度センサに受けた赤外線量を正確に算出することが可能になる。
【００２４】
感熱素子に用いる各サーミスタは同一の抵抗値および抵抗温度特性であるＢ定数を持ち、メンブレンサイズを同じにすることにより各素子の検知部の熱容量は等しく構成される。ここで、Ｂ定数とは、抵抗-温度特性の任意の２点の温度から求めた抵抗変化の大きさを表す定数であり、Ｂとは半導体の抵抗がＲ、半導体の絶対温度Ｔが無限大のときの抵抗値に相当する値がＲ０のときＲ＝Ｒ０＊ｅ＾（Ｂ／Ｔ）で表される。
【００２５】
赤外線検知用感熱素子となる薄膜サーミスタは表面に赤外線を吸収しやすい赤外線吸収膜を有しており、メンブレン内のサーミスタ上で赤外線からの熱を蓄熱することでサーミスタ抵抗が変化する。温度補償用素子に用いるサーミスタでは、表面に赤外線吸収膜と同一材料の赤外線放熱膜を、メンブレン構造の外側、つまり基板部分にまで広げることで赤外線からの熱を基板から逃がす熱伝導層としての機能を持たせることで赤外線による温度変化の影響を低減する。
【００２６】
（赤外線温度センサの構造）
上述した図１、図２の感熱素子を２つ以上配置することで、図３、図４の赤外線温度センサ１００を構成する。図３、４に示される第１実施形態の構造について説明する。図３は赤外線温度センサ１００の平面図、図４は図３におけるＢ−Ｂ断面図である。
【００２７】
基板１の第一の主面１Ａには、第１感熱素子である赤外線検知用感熱素子２１、第２感熱素子である温度補償用感熱素子２２が絶縁膜２を介して形成されている。また、赤外線検知用感熱素子２１及び温度補償用感熱素子２２を被覆して外気から遮蔽するための保護膜６が形成されている。ここで保護膜６は少なくとも赤外線検知用感熱素子２１及び温度補償用感熱素子２２のみが覆われていればよい。保護膜６の材質としては、適度な耐久性を有する絶縁膜であればよく、特に限定されるものではないが、絶縁膜２の材質と同一であることが好ましい。このようにすることで赤外線検知用感熱素子２１及び温度補償用感熱素子２２の周囲を構成する絶縁膜が全て同一材質になるため、より均一な温度分布となり好ましい。
【００２８】
また、熱源から放射される赤外線を吸収してそのエネルギーを熱に変換し、その熱を赤外線検知用感熱素子２１に伝熱させるための赤外線吸収膜３０が、保護膜６を介して赤外線検知用感熱素子２１の少なくとも一部を被覆するように成膜されている。このとき、赤外線吸収膜３０は、キャビティ７Ａに対応する領域の一部にのみ形成されており、これによりメンブレン構造上にのみ形成されている。赤外線吸収膜３０の材質としては、４μｍ〜１５μｍの波長の赤外線を効率よく吸収する材質であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、表面に微小な凹凸を形成することで赤外線の吸収効率を良くした、Ａｕ黒、Ｐｔ黒、銅（Ｃｕ）黒などの黒体材料、ポリイミド等の赤外線吸収効率の高い樹脂が好適である。また、例えば、Ａｕ黒、Ｐｔ黒とはそれぞれの金属が微粒子状で黒い膜の状態になったものであり、またＣｕ黒とは、Ｃｕを酸化処理して黒い状態にしたもの、すなわち黒化処理したものである。
【００２９】
温度補償用感熱素子２２は周囲温度による変化を検知するために用いる。つまり周囲温度に応じた抵抗変化を示すことで素子の周辺温度を測定して基準となる温度を示す役目をもつ。従来の温度補償用感熱素子は赤外線を反射させることで赤外線の影響を除く効果を得ていた。その場合、上述した赤外線吸収膜は反射率が低く、必然的に別の材料を用いる必要があった。
【００３０】
本発明者は温度補償用感熱素子の赤外線からの影響を反射ではなく基板への放熱を効果的に行うことで吸収膜として用いる材料を放熱膜として用いても感熱部への赤外線からの影響をなくすことが可能になることが確認できた。赤外線吸収膜と同一の材料からなるＣｕ黒は放熱膜としては使えないと考えられていたが基板との熱接触を十分に行うことで赤外線からの熱を基板へ放熱する赤外線放熱膜として機能させることが出来る。検知領域の熱容量は吸収膜と放熱膜を同一材料を用いることでほぼ同じとなり赤外線検知素子と温度補償用感熱素子の応答性にも影響がない。また赤外線検知用素子上と温度補償用素子上の材料を同一プロセスで形成することが可能になるので素子を容易に、また、安価に製造することが可能となる。
【００３１】
赤外線放熱膜４０は、赤外線吸収膜３０と同一の材料で形成され、第２感熱素子２２の保護膜６上に、メンブレン構造を跨いで成膜することで、赤外線放熱膜４０を、キャビティ７Ｂの開口領域より大きな面積で温度補償用感熱素子２２を覆うように、基板１上まで形成する。これにより、赤外線放熱膜４０は十分な熱容量を持ち、熱伝導性の良い基板１と熱的に繋がることになる。このため赤外線放熱膜４０上で受けた赤外線からの熱は基板１を介して流れることになり、赤外線の影響を温度補償用感熱素子２２が受けないようにすることになる。このようにすることで、小型化及びコスト削減が可能で、かつ感度特性に優れた赤外線温度センサが得られる。
【００３２】
以上のような構成により、赤外線検知用素子と温度補償用素子には、赤外線量に応じた抵抗差が生じ、この抵抗差から赤外線量を算出することが可能となる。このような構成を用いることにより従来技術で問題となっていた筐体での遮蔽に対する構造上の複雑さを回避して小型化が実現できるとともに、メンブレン素子の熱容量の違いによる周囲温度の急激な変化に対して温度補償用素子が検知用素子と同様の温度追随性を示すことで、さらに感度の優れたつまり赤外線量に応じて赤外線検知素子と温度補償素子の出力電圧差が大きい、赤外線温度センサを得ることが出来る。
【００３３】
赤外線温度センサ１００の第１実施形態の製造方法について説明する。図３、４に示すように、基板１として、面方位が（１００）である（１００）シリコン（Ｓｉ）基板を用意し、基板１の第一の主面１Ａ及び第二の主面１Ｂに絶縁膜２としてＳｉ酸化膜を成膜する。Ｓｉ酸化膜を成膜するには、例えば、熱酸化法等を適用すればよい。絶縁膜２の膜厚は、基板１との絶縁性が確保される程度に調整すればよく、例えば、０．１μｍ〜０．５μｍ程度が好適である。
【００３４】
次に、第一の主面１Ａ上の絶縁膜２に取出し電極３Ａ、３Ｂを形成する。取出し電極３Ａ、３Ｂを形成するには、例えば、ＲＦマグネトロンスパッタ法等を用いて絶縁膜２上に１５０ｎｍ〜６００ｎｍ程度の金属薄膜を堆積し、フォトリソグラフィによってエッチングマスクを形成し、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングでこの金属薄膜を所定の電極形状に加工すればよい。金属薄膜と絶縁膜２との間の密着性を高めるには、チタン（Ｔｉ）等の密着層を介在させるのが好ましい。
【００３５】
次に、感熱膜４Ａ、４Ｂとしての複合金属酸化膜をスパッタ法により取出し電極３Ａ、３Ｂに堆積し、ウェットエッチングにより複合金属酸化膜を所定形状にパターニングする。以上の工程により、絶縁膜２上に第１感熱素子である赤外線検知用感熱素子２１及び第２感熱素子である温度補償用感熱素子２２が形成される。続いて、保護膜６としての酸化Ｓｉ膜をテトラエトキシシランという有機金属材料を用いたＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により０．３μｍ〜２μｍ程度の膜厚で基板全面に成膜し、フォトリソグラフィによりエッチングマスクを形成した後、酸化Ｓｉ膜をウェットエッチングにより選択的に除去し、出力端子電極５Ａ、５Ｂが形成されるべき箇所を露出させる。そして、出力端子電極５としてＡｌ電極をＥＢ蒸着法により１μｍ程度形成し、リフトオフ法によりＡｌ電極５の不要部分を除去する。
【００３６】
次に、赤外線吸収膜３０および赤外線放熱膜４０として用いる銅（Ｃｕ）をスパッタ法により保護膜６上に成膜する。上面から見て、キャビティ７Ａの開口領域の外縁の所定距離（例えば、２０μｍ）内側に赤外線吸収膜３０の外縁が位置するように、キャビティ７Ａの開口領域よりも小さいパターンをフォトリソ工程を用いて保護膜６上に形成する。同時にキャビティ７Ｂの開口領域の外縁の所定距離（例えば、２０μｍ）外側に赤外線放熱膜４０の外縁が位置するように、フォトリソ工程を用いて形成する。その後、赤外線吸収膜、赤外線放熱膜として用いる部分以外の不要部分を除去する。次に、Ｃｕを酸化処理させることでＣｕ黒膜とする、すなわち黒化処理することにより、赤外線吸収膜および赤外線放熱膜としての機能をもたせる。すなわち、Ｃｕ黒膜は表面には微小な凹凸を持つことで膜表面の赤外線が厚み方向に進行する際に乱反射しながら膜に熱として取り込まれることにより機能する。
【００３７】
赤外線放熱膜４０は、第２感熱素子２２の保護膜６上に、メンブレン構造を跨いで成膜することで、赤外線放熱膜４０を、キャビティ７Ｂの開口領域より大きな面積で温度補償用感熱素子を覆うように、基板１上まで形成することにより、赤外線放熱膜４０は十分な熱容量を持ち、熱伝導性の良い基板１と熱的に繋がることになる。このため赤外線放熱膜４０上で受けた赤外線からの熱は基板１を介して流れることになり、赤外線の影響を温度補償用感熱素子が受けないようにすることになる。
【００３８】
次に、基板１の第二の主面１Ｂ側にフォトリソグラフィによってエッチングマスクを形成した後、フッ化物系ガスを用いたＤ−ＲＩＥ法等の反応性イオンエッチングによって、基板１を第二の主面１Ｂに対して垂直に深堀し、キャビティ７Ａ、７Ｂを開口する。Ｄ−ＲＩＥ法とは、Ｃ4Ｆ8ガスを用いて反応抑止膜（フルオロカーボン系ポリマー）をキャビティ７Ａ、７Ｂの側壁に堆積させることにより、主としてＦラジカルによる化学的なサイドエッチングを抑制するためのプラズマデポジション工程と、ＳＦ6ガスを用いてＦラジカルによる基板１の化学的エッチングとＦイオンによる反応抑止膜の物理的エッチングとにより、基板１を略垂直に異方性エッチングするためのプラズマエッチング工程とを交互に繰り返して基板１を深堀する方法である。
【００３９】
（第２実施形態）
図５、６に示される第２実施形態の構造について説明する。第１実施形態に対して、出力端子電極５Ｄに特徴を有している。図５は赤外線温度センサ２００の平面図、図６は図５のＤ−Ｄ断面図である。出力端子電極５Ｄ以外は、第１実施形態の構成と同じである。
【００４０】
第２実施形態では温度補償用素子２２２のアルミニウム（Ａｌ）からなる一対の出力端子電極５Ｄと５Ｂのうち片側の出力端子電極５Ｄが赤外線放熱膜４０と接続されるように形成されている。この時、赤外線放熱膜４０の熱は出力端子電極５Ｄを伝って基板１に逃げることになり、第１実施形態に増して放熱効果が高い。このようにすることにより熱伝導の良い出力端子電極５Ｄと赤外線放熱膜４０が直接接触するのでより効率よく赤外線により発生する熱を基板１に放熱することが可能になる。
【００４１】
（第３実施形態）
図７、８に示される第３実施形態の構造について説明する。図７は赤外線温度センサ３００の平面図、図８は赤外線温度センサ３００の、図７におけるＥ−Ｅ断面図である。第３実施形態は第２実施形態と異なり、一対の取り出し電極３Ａ、３Ｂと直交した２方向から出力端子電極５Ｂと同時に形成された一対の放熱電極５Ｃが、取出し電極３Ａ、３Ｂおよび、これらと同時に形成された一対のストライプ状の電極３Ｃを介して基板１と接触している。なお、一対の取り出し電極３Ａ、３Ｂと、一対のストライプ状の電極３Ｃは、Ｐｔ／Ｔｉからなることが好ましい。
【００４２】
言い換えると、第１実施形態の出力端子電極５Ａと５Ｂはそのままで、温度補償素子３２２の一対の出力端子電極５Ｂを結んだ線に直交する方向であって、温度補償素子３２２の両脇に新たに一対の放熱電極５Ｃを設けて、放熱電極５Ｃの一部が赤外線放熱膜４０と接続されており、保護膜６の下にある取出し電極３Ｂと同時に形成された一対のストライプ状の電極３Ｃと保護膜６が開口された領域で接続されている。ストライプ状の電極３Ｃは感熱素子とは電気的に絶縁されているが、基板１と熱的に接続されることで赤外線放熱膜４０からの熱を逃がすことになる。より低抵抗で熱伝導の良い金属膜すなわち、ストライプ状の電極３Ｃを赤外線放熱膜４０と基板１との間に設けることにより第１実施形態よりも放熱効果が高い。こうすることで、赤外線放熱膜４０からの熱が、さらに２方向から基板に移動することでより効率よく放熱することが出来る。なお、放熱電極５Ｃは必ずしも一対でなくてもよい。ストライプ状の電極３Ｃを取り出し電極３Ａ、３Ｂと同時に形成することにより少ない工程で形成することが可能となる。
【実施例】
【００４３】
（第１実施例）
第１実施形態における赤外線温度センサ１００を以下の手順で作製した。まず、基板１として、Ｓｉ基板を用意し、その基板表面に絶縁膜２としての熱絶縁膜を０．５μｍ成膜した。次に、Ｐｔ／Ｔｉをスパッタ法で絶縁膜２上に成膜し、ドライエッチングで所定の電極形状に加工することで、取出し電極３Ａ、３Ｂを形成した。次に、基板温度６００℃、成膜圧力０．５Ｐａ、Ｏ2／Ａｒ流量比１％、ＲＦパワー４００Ｗのスパッタ条件でＭｎＮｉＣｏ系酸化物を取り出し電極３Ａ、３Ｂ上に０．４μｍ程度堆積した。その後、焼成炉を用いてＭｎＮｉＣｏ系酸化物膜に大気雰囲気で６５０℃１時間の熱処理を施し、塩化第二鉄水溶液を用いたウェットエッチングで所定形状に加工することで、目標抵抗値１４０ｋΩ（室温）の感熱膜１４Ａ、１４Ｂを形成した。
【００４４】
次に、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により０．５μｍ程度の保護膜６を成膜した。保護膜形成後にＣｕ膜をスパッタ法により１．５μｍ形成し、フォトリソ法により温度検知用感熱素子２１上にはメンブレンの内側にのみＣｕ膜が残るように、温度補償用感熱素子２２上には赤外線放熱膜４０を、メンブレン構造を跨いで、すなわち、キャビティ７Ｂの開口領域より大きな面積で基板上まで感熱素子を覆するようにＣｕ膜にマスキングしウェットエッチングを用いて不要部を除去した。その後、アルカリ系水溶液に浸漬することでＣｕ黒化処理を行った。その後、表面出力端子電極を配置する部位を除くＳｉＯ２膜上にマスクを作成し、出力端子電極を配置する部位にウェットエッチング処理を施し、その後、非マスク領域のＳｉＯ２膜を除去することで、開口を形成した。出力端子電極５Ａ，５ＢとしてのＡｌ電極をＥＢ蒸着法により１μｍ程度形成した。最後に、Ｄ−ＲＩＥ法により基板１を略垂直に深堀し、外部環境に関して熱伝導的に対称なキャビティ７Ａ、７Ｂを形成した。
【００４５】
（第２実施例）
第２実施形態の赤外線温度センサ２００を以下の手順で製造した。図５、６に示すように、基板１として、Ｓｉ基板を用意し、その基板表面に絶縁膜２としての熱絶縁膜を０．５μｍ成膜した。次に、Ｐｔ／Ｔｉをスパッタ法で絶縁膜２上に成膜し、ドライエッチングで所定の電極形状に加工することで、取出し電極３Ａ、３Ｂを形成した。次に、基板温度６００℃、成膜圧力０．５Ｐａ、Ｏ2／Ａｒ流量比１％、ＲＦパワー４００Ｗのスパッタ条件でＭｎＮｉＣｏ系酸化物を個別電極３Ａ、３Ｂ上に０．４μｍ程度堆積した。その後、焼成炉を用いてＭｎＮｉＣｏ系酸化物膜に大気雰囲気で６５０℃１時間の熱処理を施し、塩化第二鉄水溶液を用いたウェットエッチングで所定形状に加工することで、室温での目標抵抗値１４０ｋΩの感熱膜４Ａ、４Ｂを形成した。
【００４６】
次に、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により０．５μｍ程度の保護膜６を成膜した。保護膜形成後にＣｕ膜をスパッタ法により１．５ｕｍ形成し、フォトリソ法により、上面から見て、赤外線検知用感熱素子２１上にはメンブレンの内側にのみＣｕ膜が残るように、温度補償用感熱素子２２上には、上述と同じようにメンブレンを跨ぐようにＣｕ膜にマスキングしウェットエッチングを用いて不要部を除去した。この時その後、アルカリ系水溶液に浸漬することでＣｕ黒化処理を行った。その後、表面出力端子電極５を配置する部位を除くＳｉＯ２膜上にマスクを作成し、出力端子電極５を配置する部位にウェットエッチング処理を施し、その後、非マスク領域のＳｉＯ２膜を除去することで、開口を形成した。
【００４７】
出力端子電極５Ａ、５ＢとしてのＡｌ電極をＥＢ蒸着法により１μｍ程度形成した。その際に開口の出力端子電極５Ｄと５Ｅのうちの片側の電極５Ｄを延ばすことで温度補償用感熱素子２２の赤外線放熱膜４０と接続した。最後に、Ｄ−ＲＩＥ法により基板１を略垂直に深堀し、外部環境に関して熱伝導的に対称なキャビティ７Ａ、７Ｂを形成した。
【００４８】
（第３実施例）
第３実施形態の赤外線温度センサ３００を以下の手順で製造した。図７、８に示すように、まず、基板１として、Ｓｉ基板を用意し、その基板表面に絶縁膜２としての熱絶縁膜を０．５μｍ成膜した。次に、Ｐｔ／Ｔｉをスパッタ法で絶縁膜２上に成膜し、ドライエッチングで所定の電極形状に加工することで、取出し電極３Ａ、３Ｂを形成した。この時メンブレン領域端部から５０μｍ離れた場所にＰｔ／Ｔｉからなる一対のストライプ上の電極３Ｃを同時に形成した。このストライプ状の電極３Ｃは、基板１と放熱電極５Ｃとを熱的に繋ぐためのものである。なお、Ｐｔ／Ｔｉ膜は、先に密着層としてのＴｉを成膜してから、電極層としてのＰｔを成膜する。
【００４９】
次に、基板温度６００℃、成膜圧力０．５Ｐａ、Ｏ2／Ａｒ流量比１％、ＲＦパワー４００Ｗのスパッタ条件でＭｎＮｉＣｏ系酸化物を個別電極３Ａ，３Ｂ上に０．４μｍ程度堆積した。その後、焼成炉を用いてＭｎＮｉＣｏ系酸化物膜に大気雰囲気で６５０℃１時間の熱処理を施し、塩化第二鉄水溶液を用いたウェットエッチングで所定形状に加工することで、目標抵抗値１４０ｋΩ（室温）の感熱膜４Ａ、４Ｂを形成した。
【００５０】
次に、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により０．５μｍ程度の保護膜６を成膜した。保護膜形成後にＣｕ膜をスパッタ法により１．５μｍ形成し、フォトリソ法により赤外線検知用感熱素子２１上にはメンブレンの内側にのみＣｕ膜が残るように、温度補償用感熱素子３２２上にはメンブレンを跨ぐようにＣｕ膜にマスキングしウェットエッチングを用いて不要部を除去した。この時その後、アルカリ系水溶液に浸漬することでＣｕ黒化処理を行った。
【００５１】
その後、表面出力端子電極を配置する部位を除くＳｉＯ２膜上にマスクを作成し、出力端子電極を配置する部位および温度補償用感熱素子３２２のキャビティ７Ｂ横に形成した一対のストライプ電極３Ｃ上も同時に開口してウェットエッチング処理を施し、その後、非マスク領域のＳｉＯ２膜を除去することで、開口を形成した。出力端子電極５Ａ、５ＢとしてのＡｌ電極をＥＢ蒸着法により１μｍ程度形成した。開口されたストライプ上のＡｌ電極のパターンを延ばすように一対の放熱電極５Ｃを形成して温度補償用感熱素子３２２の赤外線放熱膜４０と接続した。最後に、Ｄ−ＲＩＥ法により基板１を略垂直に深堀し、外部環境に関して熱伝導的に対称なキャビティ７Ａ、７Ｂを形成した。
【００５２】
（比較例）
図９、１０に示される比較例の構造について説明する。図９は赤外線温度センサ４００の平面図、図１０は図９におけるＦ−Ｆ断面図である。
比較例は第１実施形態と比べると、赤外線検知用感熱素子２１の赤外線吸収膜３０と温度補償用感熱素子４２２の赤外線反射膜５０は同一ではなく、赤外線吸収膜３０および赤外線反射膜５０はメンブレン構造を跨いでいない。出力端子電極は図１０、１１の１５Ａ、１５Ｂに示すような構成になっている。
【００５３】
比較例として図９、１０に関わる赤外線温度センサ４００を以下の手順で作製した。まず、基板１として、Ｓｉ基板を用意し、その基板表面１Ａに絶縁膜２として熱絶縁膜を０．５μｍ成膜した。次に、Ｐｔ／Ｔｉをスパッタ法で絶縁膜２上に成膜し、ドライエッチングで所定の電極形状に加工することで、取出し電極３Ａ、３Ｂを形成した。
【００５４】
次に、基板温度６００℃、成膜圧力０．５Ｐａ、Ｏ2／Ａｒ流量比１％、ＲＦパワー４００Ｗのスパッタ条件でＭｎＮｉＣｏ系酸化物を取出し電極３Ａ、３Ｂ上に０．４μｍ程度堆積した。その後、焼成炉を用いてＭｎＮｉＣｏ系酸化物膜に大気雰囲気で６５０℃１時間の熱処理を施し、塩化第二鉄水溶液を用いたウェットエッチングで所定形状に加工することで、目標抵抗値１４０ｋΩ（室温）の感熱膜１４Ａ、１４Ｂを形成した。
【００５５】
次に、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により０．５μｍ程度の保護膜６を成膜した。赤外線吸収膜３０としてＣｕ黒を第１実施形態と同様の方法により赤外線検知用感熱素子２１上にのみ形成した。続いて、赤外線反射膜５０としての金（Ａｕ）をスパッタ法により０．１μｍ程度成膜し、温度補償用感熱素子４２２の上部にのみ残すようにフォトリソ工程によりパターン形成を行った。
【００５６】
その後、表面出力端子電極を配置する部位を除くＳｉＯ２膜上にマスクを作成し、出力端子電極を配置する部位を開口してウェットエッチング処理を施し、その後、非マスク領域のＳｉＯ２膜を除去することで、開口を形成した。出力端子電極１５Ａ、１５ＢとしてのＡｌ電極をＥＢ蒸着法により１μｍ程度形成した。最後に、Ｄ−ＲＩＥ法により基板１１を略垂直に深堀し、外部環境に関して熱伝導的に対称なキャビティ７Ａ、７Ｂを形成した。
【００５７】
（評価）
第１実施例から第３実施例及び比較例の赤外線温度センサについて、赤外線量を推定するための素子出力電圧測定を行った。出力電圧を得るための回路として、第１実施例から第３実施例の赤外線温度センサおよび比較例の赤外線温度センサについて図１１に示す様な赤外線検知用感熱素子２１と温度補償用感熱素子２２を含むフルブリッジ回路を用いた。
【００５８】
赤外線検出用感熱素子と温度補償用素子の赤外線吸収及び放熱あるいは反射の差により生じる２素子の温度差ひいては抵抗差を検知する本実施例の場合には、２素子に対する外部からの熱的影響は等しくする方が好ましい。このような抵抗差を利用した検知には、ハーフブリッジ回路もしくはフルブリッジ回路を用いる事が多いが、本実施例においては赤外線量に相当する出力電圧を得る部位に、フルブリッジ回路を用いる事が好ましい。
【００５９】
具体的には、フルブリッジ回路は、評価対象の赤外線検知用感熱素子２１及び温度補償用感熱素子２２を使用し、回路には、赤外線検知用感熱素子の抵抗をＴＨｓ、温度補償用感熱素子の抵抗をＴＨｒと示した。素子外部に２つの基準抵抗素子Ｒ１、Ｒ２で構成される。この基準抵抗素子の形状、組成を揃えることで、赤外線検知用感熱素子２１と温度補償用感熱素子２２への外部からの熱的影響を等しくする事が出来る。
【００６０】
赤外線量に相当する出力電圧Ｐは、電圧Ｐ１と電圧Ｐ２の電圧の差すなわち差電圧で得られる。図１１で示すように、電圧Ｐ１と電圧Ｐ２はグランドの電位＝０と電位Ｐ１、Ｐ２との電位差であり、電位Ｐ１と電位Ｐ２は電圧Ｐ１と電圧Ｐ２と等しいため以降は電圧Ｐ１、電圧Ｐ２とする。赤外線検知用感熱素子２１の抵抗ＴＨｓと基準抵抗素子Ｒ１の中間電圧Ｐ１すなわち電圧Ｐ１は赤外線量に応じて値が変化する。つまり赤外線検知素子２１の抵抗ＴＨｓが赤外線を受けたことによる温度上昇より伴い、抵抗が減少することにより電圧Ｐ１は小さくなる。一方温度補償素子２２の抵抗ＴＨｒと基準抵抗素子Ｒ２の中間電圧Ｐ２すなわち電圧Ｐ２は赤外線からの影響はほとんど受けず、温度補償素子の抵抗ＴＨｒが周囲温度の変化および放熱しきれない赤外線からのわずかな影響を伴った変化を示すことになる。従って電圧Ｐ１と電圧Ｐ２の電圧の差すなわち差電圧、すなわち出力電圧Ｐは周囲温度の影響を考慮した赤外線量を示すことになり、出力電圧Ｐが大きいほど感度が良いことを示す。赤外線検知用感熱素子２１、温度補償用感熱素子２２は薄膜サーミスタであり、上述したように２素子を隣接で配置した構造の赤外線温度センサ１００である。
【００６１】
赤外線量の測定方法としては、所定温度に保持した赤外線温度センサ素子１００に、第１実施例から第３実施例および比較例について所定の赤外線を与えた時の、基準電圧Ｖｃｃを印可した回路の測定点Ｐ１、Ｐ２の電位すなわち電圧Ｐ１と電圧Ｐ２を測定する。
【００６２】
具体的には、赤外線検知用感熱素子２１及び温度補償用感熱素子２２の２つの素子を隣接で配置した赤外線センサ素子１００の温度を２５℃に保ち、表面温度４０℃に設定した測定対象としての平面黒体表面から５ｃｍ離して設置した時の、平面黒体の表面温度に対応する各測定点の電位すなわち電圧Ｐ１と電圧Ｐ２を測定した。
【００６３】
表１は、第１実施例から第３実施例および比較例における赤外線温度センサの出力電圧特性を示す表である。出力電圧Ｐすなわち差電圧Ｐは比較例および第１実施例から第３実施例の黒体温度４０℃の赤外線量を出力電圧により測定した結果、つまりＰ１からＰ２の差電圧Ｐを示す。応答速度６３％および９０％はそれぞれの出力電圧Ｐすなわち差電圧Ｐの６３％、９０％に到達するまでの時間を示す。
【００６４】
【表１】
【００６５】
第１実施例から第３実施例および比較例では、赤外線量に相当する出力電圧Ｐは、Ｐ１とＰ２の差電圧で得られる。外部基準抵抗Ｒ１は１７５ｋΩ、基準電圧Ｖｃｃは５Ｖであった。外部基準抵抗Ｒ２は、平面黒体表面温度を２５℃にした時の出力電圧Ｐが０になるように調整してあらかじめ設置し、第１実施例から第３実施例での抵抗値は、１７５ｋΩ±１ｋΩであった。比較例では、外部固定抵抗Ｒは１７５ｋΩ、基準電圧Ｖｃｃは５Ｖであった。比較例の出力電圧Ｐは平面黒体の表面温度が４０℃の場合、１．０９５ｍVであった。
【００６６】
これに対して第１実施例では１．２５３ｍＶであり、赤外線放熱膜４０を片側の端子出力電極に接続するように配置した第２実施例では１．２６７ｍＶ、基板へ構成した金属電極と赤外線放熱膜４０を接続した第３実施例では、１．２７８ｍＶとなり、いずれも比較例より赤外線量を示す出力電圧Ｐは大きな値が得られた。
【００６７】
比較例と第１実施例の赤外線量に応じた出力電圧を比べると第１実施例のほうが出力電圧すなわち差電圧Ｐの値は大きい。赤外線吸収膜３０の効率が同等であるとすると比較例の赤外線反射膜５０よりも第１実施例の赤外線放熱膜４０のほうがより赤外線の影響が少ないことになる。これは同じ量の赤外線を測定した場合、より高感度に赤外線を検出することを示す。さらに第１実施例と第２、３実施例を比較すると、第２、３実施例の出力電圧Ｐは第１実施例よりも大きくなっていることから赤外線放熱膜４０から基板１への接点を増やすことで効果的に放熱を行うことが可能となる。
【００６８】
表１から、第１実施例から第３実施例の各出力電圧Ｐは、比較例の出力電圧Ｐより大きい、これは、赤外線測定精度があがる、すなわち感度が良いことを示しており、メンブレン、同一材料、跨ぎ、放熱工夫の効果がでていることを示している。
【００６９】
応答速度は主に感熱部分の熱容量の違いによって決まることになるが、第１実施例から第３実施例のいずれの応答速度値も比較例の応答速度値と比べて大きな差がない結果となっている。つまり、それぞれの構成において感熱部分の熱容量は大きな違いがないことで結果的に第１実施例から第３実施例では応答速度には大きく影響していない、問題がないことを示している。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明に係わる赤外線温度センサは、熱源の温度を非接触測定する様々な用途に利用できる。
【符号の説明】
【００７１】
１０ 感熱素子
１ 基板
１Ａ 基板の第１の主面
１Ｂ 基板の第２の主面
２ 絶縁膜
３、３Ａ、３Ｂ 取出し電極
３Ｃ ストライプ状の電極
４、４Ａ、４Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ 感熱膜
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｄ、５Ｅ、１５Ａ、１５Ｂ 出力端子電極
５Ｃ 放熱電極
６ 保護膜
７、７Ａ、７Ｂ キャビティ
２１ 赤外線検知用感熱素子（第１感熱素子）
２２、２２２、３２２、４２２ 温度補償用感熱素子（第２感熱素子）
３０ 赤外線吸収膜
４０ 赤外線放熱膜
５０ 赤外線反射膜
１００、２００、３００、４００ 赤外線センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メンブレン構造を持つ第１感熱素子によって形成された赤外線検知用素子と、
メンブレン構造を持つ第２感熱素子によって形成された温度補償用素子と、
前記赤外線検知用素子及び前記温度補償用素子を支持する基板と、
前記赤外線検知用素子上に形成された赤外線吸収膜と、
前記温度補償用素子上に形成されると共に、前記赤外線吸収膜と同一材料にて形成された赤外線放熱膜を備え、
前期赤外線吸収膜は前記第１感熱素子のメンブレン構造上にのみ形成され、前記赤外線放熱膜は前記第２感熱素子のメンブレン構造を跨いで、前記基板上にまで形成されていること特徴とする赤外線温度センサ。
【請求項２】
前記赤外線吸収膜と前記赤外線放熱膜は、金属材料からなる膜を黒化処理することにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線温度センサ。
【請求項３】
前記赤外線吸収膜と赤外線放熱膜はＣｕ黒膜によって形成されていることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の赤外線温度センサ。
【請求項４】
前記赤外線吸収膜と赤外線放熱膜は同一工程で形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の赤外線温度センサ。
【請求項５】
前記赤外線放熱膜は、前記第２感熱素子の一方の電極に接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の赤外線温度センサ。
【請求項６】
前記赤外線放熱膜は、前記基板上に形成された一対のストライプ状の電極に接続されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の赤外線温度センサ。
【請求項１】
メンブレン構造を持つ第１感熱素子によって形成された赤外線検知用素子と、
メンブレン構造を持つ第２感熱素子によって形成された温度補償用素子と、
前記赤外線検知用素子及び前記温度補償用素子を支持する基板と、
前記赤外線検知用素子上に形成された赤外線吸収膜と、
前記温度補償用素子上に形成されると共に、前記赤外線吸収膜と同一材料にて形成された赤外線放熱膜を備え、
前期赤外線吸収膜は前記第１感熱素子のメンブレン構造上にのみ形成され、前記赤外線放熱膜は前記第２感熱素子のメンブレン構造を跨いで、前記基板上にまで形成されていること特徴とする赤外線温度センサ。
【請求項２】
前記赤外線吸収膜と前記赤外線放熱膜は、金属材料からなる膜を黒化処理することにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線温度センサ。
【請求項３】
前記赤外線吸収膜と赤外線放熱膜はＣｕ黒膜によって形成されていることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の赤外線温度センサ。
【請求項４】
前記赤外線吸収膜と赤外線放熱膜は同一工程で形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の赤外線温度センサ。
【請求項５】
前記赤外線放熱膜は、前記第２感熱素子の一方の電極に接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の赤外線温度センサ。
【請求項６】
前記赤外線放熱膜は、前記基板上に形成された一対のストライプ状の電極に接続されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の赤外線温度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−５０３１４（Ｐ２０１３−５０３１４Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８６８７２（Ｐ２０１１−１８６８７２）
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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