JP2582418Y2 - チップ型赤外線センサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案はサーモパイル素子を用い
た赤外線センサに関し、特にサーモパイル素子を封止す
る構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のサーモパイル素子３を用いた赤外
線センサについて、図３を用いて説明する。まずサーモ
パイル素子３は絶縁膜の被覆されたヒートシンク３４と
なる基板１０にピット３０を設けダイアフラム３３を形
成し、さらにダイアフラム３３上が温接点３８、ヒート
シンク３４上が冷接点３９となるよう熱電対３５が多数
配されている。基板１０はシリコンウエハー等の熱伝導
率の良好な材料を用いている。

【０００３】このサーモパイル素子３は、出力を外部に
取り出すため一般にハーメチックシール用のヘッダー９
０にマウントされ、ワイヤーボンディングされている。
そしてサーモパイル素子３は経時安定性あるいは物理的
な保護も考慮し、キャップ６２がかぶせられ封止された
構造となっている。封止時の内部の気体は不活性ガスが
用いられ、普通窒素が用いられる。キャップ６２には、
赤外線を導入するため赤外線透過窓６が設けられてお
り、材料としてはシリコンウエハーが使われている。

【０００４】このサーモパイル素子３を封止した赤外線
センサの動作は次のとおりである。まずセンサの外部に
存在する検出対象物から発せられた赤外線は、赤外線透
過窓６を透過してサーモパイル素子３に達する。ダイア
フラム３３部は熱容量が小さいため吸収した赤外線によ
り瞬時に温度上昇するが、ヒートシンク３４の部分は熱
容量が大きいうえヘッダー９０に接しているため容易に
は暖められず、ダイアフラム３３とヒートシンク９０間
に温度差が生じる。これに従い、熱電対３５の温接点３
８と冷接点間３９にも温度差が生じるため、直流電圧出
力が得られる。ここで検出対象物から発せられる赤外線
の量は検出対象物の温度に相関していることは知られて
いる。サーモパイル素子３もまた自身の温度に相関した
赤外線を放出しているわけであるから、ダイアフラム３
３の温度上昇は検出対象物とサーモパイル素子３の温度
差によって決まることとなる。つまりはこの赤外線セン
サを用いて検出対象物の温度を知ることが出来、この赤
外線センサは放射温度計として働くことになる。

【０００５】ところで、サーモパイル素子３に到達する
赤外線は赤外線センサの外部からのみではない。当然な
がら赤外線センサを構成する赤外線透過窓６あるいはキ
ャップ６２もある温度を有しているため、そこからの放
射赤外線もサーモパイル素子３には達している。ただし
普通赤外線センサを構成するサーモパイル素子３、ヘッ
ダー９０、キャップ６２および赤外線透過窓６は密着し
ており、定常状態では熱伝導によりどの部分も同じ温度
と考えられる。したがって、赤外線透過窓６やキャップ
６２から放出される赤外線によりダイアフラム３３の温
度が上昇し出力が生じるということはない。しかしなが
らこの赤外線センサに外部からの急激な温度変化を与え
た場合、たとえばキャップ６２部を指で触るなどしたと
きは、その限りではない。キャップ６２を触れば触られ
た極近傍の部分がまず温度上昇し、その熱が伝達されヘ
ッダー９０やサーモパイル素子３を暖めて行く。ただ
し、現状外形４〜５ｍｍある赤外線センサではいかに構
成要素が密着していようと瞬時には熱伝達が出来ず、キ
ャップ部とサーモパイル素子３との間には温度差が生じ
てしまう。一度温度差が出来れば、キャップ６２部から
の放射赤外線は無視することは出来ず、つまりはキャッ
プ６２部から放出される赤外線によってダイアフラム３
３の温度は変化する。この変化は、出力にノイズという
形で現れ、もはや赤外線センサは正しく検出対象物の温
度を測定することが不可能となる。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】上記のように、従来の
サーモパイル素子３を用いた赤外線センサにおいては、
急激な温度変化を与えるとキャップ６２あるいは赤外線
透過窓６からの放射により出力に誤差が生じ、放射温度
計としては使用できなくなるという問題があった。その
ため従来はこの赤外線センサを放射温度計として用いる
ときは、熱容量の大きい金属ブロック等でセンサ全体を
保護し、急激な温度変化が及ばないようにしていた。し
かしながら、まったく外部の温度変化の影響をなくすた
めには非常に大きなブロックが必要である。そこで現在
はこの赤外線センサを正確な放射温度計として用いる場
合は、適当な大きさのブロックは用いるが、結局は使用
環境を制約する必要がある。そしてさらに誤差を補正す
るために、赤外線透過窓６やキャップ６２の温度を別の
温度センサでモニターするという言う煩雑な構成が必要
であった。

【０００７】そこで本考案の目的は上記の問題を解決
し、サーモパイル素子３とパッケージの他の部分との温
度差をなくし、赤外線透過窓６などのパッケージ構成部
からの放射による出力誤差をなくすことにより、ブロッ
ク等を必要とせずに温度変化の激しい環境においても安
定した出力が得られる赤外線センサを提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本考案においては、おもて面に赤外線検出用のサーモ
パイル素子が形成されているシリコンウエハーからなる
第１基板と、裏面に封止用溝が施されておりかつ裏面に
はガラス膜が形成され、さらにおもて面には金属膜によ
るマスクが形成されマスク以外の部分が赤外線透過窓と
なっているシリコンウエハーからなる第２基板とにおい
て、第１基板のおもて面と第２基板の裏面とが陽極接合
技術を用いることにより接合され密着した状態にあるこ
とで、第１基板おもて面のサーモパイル素子が２枚の基
板間に封止された構造であることを特徴とするチップ型
赤外線センサを作製した。

【０００９】

【作用】本考案によれば、サーモパイル素子の冷接点が
形成されている基板と赤外線透過窓となる基板が直接接
触しているため、両者の熱伝達は非常に速くなり温度差
がほとんど生じなくなる。ここでは赤外線透過窓から放
射される赤外線はサーモパイル素子のダイアフラムの温
度を変化させることはなく、サーモパイル素子から得ら
れる出力は外部の検出対象物から放出された赤外線によ
ってだけ影響される様になる。そこでこの赤外線センサ
を放射温度計に用いれば、温度変化の大きな環境におい
ても常に安定した信頼性のおける温度測定が出来るよう
になる。

【００１０】

【実施例】本考案の実施例を図１および図２を用いて説
明する。図１は本考案のチップ型赤外線センサの要部断
面図であり、図２はチップ型赤外線センサを構成する第
１基板のおもて面の平面図である。

【００１１】本考案のチップ型赤外線センサはそれぞれ
特有の形状に加工された２枚のシリコンウエハーからな
る第１基板１および第２基板２によって構成されてい
る。まず第１基板１のおもて面にはサーモパイル素子３
が形成されており、サーモパイル素子３の構成は次の通
りである。第１基板１のおもて面には絶縁性被膜３１が
成膜され、第１基板１の中央部近傍においては絶縁性被
膜３１は浮き上がり、空間的に第１基板１と分離されて
空洞部３２を作り上げている。この空洞部３２を有する
構造の作製であるが、まずアルミ膜等の溶解し易い金属
を第１基板１上に成膜した後、目的とする空洞部３２の
形状にパターン化する。そしてＳｉＯ₂ 膜あるいはＳｉ
₃ Ｎ₄ 膜からなる絶縁性被膜３１を形成しパターン化し
た後、スルーホール３７からアルミ膜を溶解することに
よって作製できる。これから空洞部３２に相当する場所
の絶縁性被膜３１はダイアフラム３３となり、また第１
基板１と接している部分ではヒートシンク３４となって
いる。

【００１２】絶縁性被膜３１の上にはダイアフラム３３
上に温接点３８、ヒートシンク３４上に冷接点３９とな
るように、熱電対３５が多数形成されている。熱電対３
５には主としてビスマスおよびアンチモンを用いた。ま
た熱電対３５の端部には引き出し電極３６がアルミ等に
より形成されている。さらに図には示していないが、ダ
イアフラム上には赤外線吸収効率を高めるために金黒等
を利用した黒体を形成する場合もある。

【００１３】続いて第２基板２について説明する。第２
基板２の裏面には基板材のシリコン自体をエッチングに
より加工し、封止用溝４を形成する。この封止用溝４は
第１基板１と第２基板２を後に貼り合わせた場合サーモ
パイル素子３が納まる大きさが必要なため、その平面形
状は絶縁性被膜３１よりも大きく、かつその深さはサー
モパイル素子３の厚みよりも大きいことが必要である。
第２基板２のおもて面からも基板材のシリコンはエッチ
ング加工され、おもて面に貫通する電極取り出し穴５を
設ける。また第２基板２のおもて面には赤外線透過窓６
が設けられる。これは、第２基板２のおもて面全体にク
ロム等の金属膜によりマスク６１を形成し、エッチング
によりクロム膜を必要な大きさだけ除去することによっ
て作製される。したがってマスク６１の膜厚は赤外光に
対して不透明であれば良い。さらに、第２基板２の裏面
で封止用溝４あるいは電極取り出し穴５に相当しない場
所には、ガラス膜７をスパッタリングなどの方法により
形成する。ここではガラス膜７には、低融点ガラスを用
いた。

【００１４】以上のように構成された第１基板１および
第２基板２は、お互いに位置を合わせて陽極接合法によ
って貼り合わせる。その方法であるが、まず第１基板１
のおもて面１１および第２基板２の裏面２２が接触する
ように両者を合わせる。このとき、引き出し電極３６の
一部を除いたサーモパイル素子３は封止用溝４の中に納
まる位置にくる。さらに第２基板２の電極取り出し穴５
は、引き出し電極３６の面内に納まるような大きさある
いは位置でなければならない。両基板の接触している部
分は図２に示した接触面８であり、これは第２基板にお
いてはガラス膜７が形成されている部分に相当する。合
わせたのち両基板は約１５０℃に加熱し、第１基板１が
負、第２基板２が正となるように約１００Ｖの直流電圧
を印加する。これによりガラス膜７中の金属イオンが表
面近傍に移動し、両基板間には大きな静電引力が生まれ
その力によって接合まで至る。陽極接合は、ガラスとシ
リコンあるいはガラスとアルミのような表面に酸化物が
でき易い金属との間で行えるため、接触面において両基
板は接合され、封止用溝４に納まっているサーモパイル
素子３は完全に封止された状態となる。

【００１５】この陽極接合は通常窒素雰囲気下で行うた
め、封止用溝４内部は窒素で満たされサーモパイル素子
３は酸化等の影響は回避され常に安定に保てることにな
る。さらには、接合を真空雰囲気下で行うことでサーモ
パイル素子３の真空封止も行え、これにより出力を大幅
に向上させることもできる。

【００１６】本実施例においては第１基板１にシリコン
ウエハーを用いているが、これは熱伝導性が良く表面が
研磨され平滑であれば他の金属基板でも代用できる。ま
た、第２基板２には低融点ガラスを成膜したがこれはイ
オン分が含まれるガラスであれば他の材料でも良く、ま
た成膜法もスパッタリング法には限らず真空蒸着法、Ｃ
ＶＤ法さらにはスピンコーティングでも良い。。ただし
その場合陽極接合の条件である温度や電圧はガラスの材
料に従って変化する。たとえばパイレックスガラスを用
いた場合では、温度は約４００℃、電圧は約５０Ｖとな
る。さらに接合に関与する引き出し電極３６はアルミを
用いることとしたが、チタン、ニッケル、クロム、鉄な
ど表面が酸化しやすい金属なら他の材料でも利用でき
る。

【００１７】

【考案の効果】実施例より明らかなように本考案によれ
ば、サーモパイル素子が形成されヒートシンクとなって
いる第１基板と赤外線透過窓を形成している第２基板と
が密着した状態にあるため、両基板間の熱伝達は速やか
に行われ常に両基板は同じ温度に保たれる。これによ
り、冷接点温度と赤外線透過窓との間には温度差がほと
んど生じないため、赤外透過窓などパッケージの他の部
分からの放射がサーモパイル素子のダイアフラム温度に
影響を与えることはなくなる。すなわち、サーモパイル
素子は外部から来る赤外線のみに反応し出力を生ずるよ
うになる。本考案の赤外線センサを放射温度計に用いれ
ば、常に安定した信頼性のおける非接触の温度測定が可
能であり、特に環境温度変化の大きい場所での使用にも
耐え得る。さらに、従来のように熱容量の大きな金属ブ
ロックで保護する必要がないため、放射温度計の小型化
に非常に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案のチップ型赤外線センサの要部断面図で
ある。

【図２】本考案のチップ型赤外線センサの第１基板おも
て面の平面図である。

【図３】従来の赤外線センサの要部断面図である。

【符号の説明】

１ 第１基板 １１ 第１基板おもて面 ２ 第２基板 ２１ 第２基板おもて面 ３ サーモパイル素子 ３０ ピット ３１ 絶縁性被膜 ３２ 空洞部 ３３ ダイアフラム ３４ ヒートシンク ３５ 熱電対 ３６ 引き出し電極 ３７ スルーホール ３８ 温接点 ３９ 冷接点 ４ 封止用溝 ５ 電極取り出し穴 ６ 赤外線透過窓 ６１ マスク ６２ キャップ ７ ガラス膜 ８ 接触面 ９０ ヘッダー

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 平坦なおもて面に、そのおもて面とのあ
   いだに空洞部を形成するダイアフラムと、上記ダイアフ
   ラム上に設けられ上記空洞部上からヒートシンク上まで
   至る多数の熱電対とを有するサーモパイル素子が形成さ
   れ、シリコンウエハーからなる第１基板と、 裏面に上記サーモパイル素子を納める封止用溝が施され
   ており、かつその裏面にはガラス膜が形成され、さらに
   おもて面には金属膜によるマスクが形成され、そのマス
   クの非形成部分が赤外線透過窓となっており、シリコン
   ウエハーからなる第２基板とを備え、 上記 第１基板のおもて面と上記第２基板の裏面とが陽極
   接合技術を用いることにより接合され密着した状態にあ
   ることで、上記第１基板おもて面の上記サーモパイル素
   子が上記第１基板と第２基板間に封止された構造である
   ことを特徴とするチップ型赤外線センサ。