JP2725965B2

JP2725965B2 - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP2725965B2
Application number: JP4277575A
Authority: JP
Inventors: 淳阪井; 浩一相澤; 崇善粟井; 拓郎石田; 啓治柿手; 秀和姫澤; 文啓紙谷
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1992-10-15
Filing date: 1992-10-15
Publication date: 1998-03-11
Anticipated expiration: 2013-03-11
Also published as: JPH06129898A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、赤外線センサに関
し、詳しくは、温度による抵抗値の変化を利用して赤外
線を検出する熱型赤外線センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】人体検知などに用いられる赤外線センサ
は、微弱な赤外線の輻射エネルギーを検出しなければな
らないため、高感度が要求される。赤外線センサに従来
使用されていた焦電素子に代わって、最近、Ｓｉマイク
ロマシニング技術を用いた熱型赤外線検出素子の開発が
盛んに行われている。これは、薄膜抵抗体には、温度の
変化によって抵抗値が変化するという特性があることか
ら、このような薄膜抵抗体に一対の電極を取り付けてお
き、赤外線の輻射エネルギーによる薄膜抵抗体の温度変
化を検出しようというものである。

【０００３】このような薄膜抵抗体を用いた熱型赤外線
素子は、半導体製造プロセスを利用して作製できるた
め、バッチ処理による大量生産、低コスト化、ＩＣとの
集積化が可能である等の特徴を有している。また、焦電
素子の欠点である、振動によってノイズが発生するとい
う問題がない点でも優れている。しかし、焦電素子に比
べて、感度が大幅に低いという大きな欠点があるため、
人体検知等に適用することは困難であった。

【０００４】そこで、薄膜抵抗体を用いた熱型赤外線素
子の感度を向上させるための工夫が様々になされてい
る。たとえば、赤外線検出部を熱絶縁性薄膜体の上に設
けるとともに、この熱絶縁性薄膜体を支持する基板のう
ち、赤外線検出部の裏側に対応する部分をエッチングで
欠除し、熱絶縁性薄膜体を中空状態にして周辺のみで支
持する、いわゆるダイアフラム構造が採用されている。
この構造では、赤外線検出部の熱が、薄い熱絶縁性薄膜
体のみを通じて周囲の基板側に伝達されることになるの
で、赤外線検出部の熱が基板側に逃げ難く、赤外線の輻
射エネルギーを薄膜抵抗体の温度変化に効率良く変換で
き、その結果、検出感度が向上する。

【０００５】また、赤外線検出部の赤外線入射側に、フ
ィルタを設けておくことが行われている。このフィルタ
は、シリコンなどからなる基板の表面に光学干渉多層膜
がコーティングされたものなどからなり、検出しようと
する赤外線の波長帯を良好に透過させるとともに、雑音
となる不要な波長成分を遮断し、空気との屈折率差によ
る反射損失を軽減することができ、その結果、赤外線セ
ンサの感度を向上させることができる。

【０００６】その他、従来採用されていた主な感度向上
方法は、熱絶縁性薄膜体の熱抵抗を高くする方法、
薄膜抵抗体の温度−抵抗係数（Ｂ定数）を高くする方
法、赤外線吸収膜の吸収率を高める方法などがある。
の方法は、熱絶縁性薄膜体に、ＳｉＯ₂のような熱伝
導率の低い材料を用いるとともに、膜厚を薄くしたり、
前記ダイアフラム構造における中空部分の面積を大きく
したりするというように形状的にも工夫して、熱抵抗を
高めるようにする方法である。

【０００７】の方法は、たとえば、薄膜抵抗体にアモ
ルファスＳｉを用いれば、前記Ｂ定数が８０００程度に
なり、わずかな温度上昇でも、大きな出力変化が得られ
て感度が向上する。の方法は、たとえば、赤外線吸収
膜の材料に、金黒（ゴールドブラック）を用いれば、赤
外線吸収率が９０％以上あるので、赤外線の輻射エネル
ギーを薄膜抵抗体の温度上昇に有効に利用できる。ま
た、ＳｉＯ₂も、人体検知用の一般的な赤外線センサに
おける検出波長に該当する７〜１２μｍ程度の波長帯に
対する吸収率が高いので、感度向上に有効である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な各種の感度向上方法を採用しても、薄膜抵抗体を用い
た熱型赤外線検出素子の感度向上には限度があり、各種
の用途に実用化するには、いまだ感度が不足していた。
具体的には、人体検知装置に赤外線センサを利用する場
合、従来の焦電素子に比べて、薄膜抵抗体を用いた赤外
線検出素子は、周辺装置などの条件が同じであると、感
度が１／１０以下であり、実用上充分な感度を達成する
には、改善が必要である。

【０００９】たとえば、前記の方法では、熱絶縁性薄
膜体の厚みをあまり薄くしたり、中空部分の面積を広く
したりすると、薄膜体の強度が不足して、破壊に至るこ
とになるので、この方法による感度向上効果には限度が
ある。前記の方法では、現在のところ、前記アモルフ
ァスＳｉよりも、さらに特性の優れた実用可能な薄膜抵
抗体の材料は見当たらず、これ以上の感度向上は難し
い。前記の方法でも、赤外線吸収膜の材料として、現
在以上の、飛躍的な特性向上は望めない。また、熱絶縁
性薄膜体や薄膜抵抗体、赤外線吸収膜などに、特性の優
れた材料が見つかったとしても、材料のコストが大幅に
高くなるのでは、実用化は困難である。

【００１０】そこで、この発明の課題は、前記のような
薄膜抵抗体を用いた赤外線センサにおいて、赤外線の検
出感度を大幅に向上させて、各種の用途に好適に採用で
きる赤外線センサを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する、こ
の発明のうち、請求項１の赤外線センサは、基板に中空
状態で支持された熱絶縁膜の上に、一対の電極を有する
抵抗体層からなる赤外線検出部を備え、前記基板がパッ
ケージ内に封入されてなる赤外線センサにおいて、パッ
ケージの内部空間が、１Torr以下の減圧状態である。

【００１２】基板や熱絶縁膜、赤外線検出部などの赤外
線検出素子の基本的な構造は、従来の薄膜抵抗体を用い
た赤外線検出素子と同様でよい。このような赤外線検出
素子は、金属や合成樹脂、セラミックなどからなるパッ
ケージ内に実装されて、赤外線センサが構成される。パ
ッケージの基本的な構造も、従来の通常の赤外線センサ
と同様でよい。

【００１３】この発明では、赤外線検出素子の基板をパ
ッケージの基台などに実装して、赤外線検出素子をパッ
ケージ内に封入しておくとともに、このパッケージの内
部空間を、１Torr以下の減圧状態にしておく。パッケー
ジ内を減圧状態にするには、赤外線検出素子をパッケー
ジ内に封入した後、パッケージから真空排気して減圧し
てもよいし、パッケージの基台などに赤外線検出素子の
基板を実装した後、基台の上にキャップすなわち蓋体を
被せて接合封止する作業を、減圧状態下で行ってもよ
い。その他、各種電子部品などにおける真空密封技術が
適用できる。

【００１４】減圧圧力は、低いほど、すなわち真空に近
いほど、この発明の作用効果が良好に達成されるが、減
圧作業の行い易さや、減圧状態を維持する密封構造の複
雑さなども考慮して、１Torr以下の適当な圧力に設定し
ておけばよい。パッケージの内部空間は、大気を減圧状
態で充填しておいてもよいし、熱伝導率の小さなガスあ
るいは不活性ガスなどを減圧状態で充填しておいてもよ
い。

【００１５】この発明では、赤外線検出素子をパッケー
ジ内に封入しておくので、赤外線検出素子へ赤外線が良
好に入射されるように、パッケージの壁面に、赤外線の
入射窓をあけ、この窓にフィルタを設けておくのが好ま
しい。フィルタの材料および構造は、従来の赤外線セン
サにも使用されているような通常の赤外線フィルタが用
いられる。

【００１６】パッケージ内に封入される赤外線検出素子
は、赤外線検出部が、出来るだけパッケージの壁体など
の構造物から離れた状態で配置されるようにしておくの
が好ましい。そのため、請求項１のように、基板がパッ
ケージの基台上に実装され、基台のうち、空間を隔てて
赤外線検出部と対面する個所が基板の接合個所よりも凹
んでいれば、赤外線検出部と基台の表面との距離を大き
くすることができる。

【００１７】この基台に設ける凹部の平面形状および深
さは、基板の基台への接合面積を充分にとることがで
き、基台の強度などを損なわなければ、出来るだけ大き
く深いほうが好ましいが、凹部の加工の手間なども考慮
して、少なくとも、赤外線検出部における抵抗体層や赤
外線吸収層の平面形状と同じ程度の形状寸法にしておく
のが好ましい。

【００１８】凹部の加工方法は、基台の材料に合わせ
て、任意の加工手段が採用でき、たとえば、基台の成形
と同時に成形しておいたり、機械加工を行ったり、エッ
チングなどの化学的加工手段を採用したりすることがで
きる。つぎに、請求項２のように、基台のうち、基板の
接合個所にスペーサを設け、このスペーサの上に基板を
接合しておくことができる。

【００１９】すなわち、基台の赤外線検出部と対面する
個所に凹部を加工する代わりに、基板の接合個所を、赤
外線検出部と対面する個所よりも高くしておくのであ
る。スペーサの形状および配置は、基板を基台に安定し
て確実に接合しておけ、スペーサが赤外線検出部と対面
する個所にはみださないようにしておければ、自由に設
定できる。スペーサの高さは、高くしておくほど、赤外
線検出部と基台の表面との間の距離をとれるが、基板の
支持強度やパッケージ全体の高さなども考慮して、必要
かつ充分な高さに設定しておけばよい。スペーサの材料
は、基台および基板に接合可能な材料であればよく、基
台あるいは基板と同じ材料など、通常の半導体装置やパ
ッケージに使用されている材料が用いられる。

【００２０】以上に説明した、パッケージ内を減圧状態
にしておくこと、あるいは、基台に設ける凹部もしくは
スペーサの構成以外の、赤外線センサの構成、たとえ
ば、赤外線検出部の抵抗体層や赤外線吸収層あるいは熱
絶縁膜の材料や構造、基板に対する熱絶縁膜の支持構
造、基板に設ける中空部の形状などは、通常の赤外線セ
ンサにおける構成を、任意に組み合わせて構成すること
ができる。

【００２１】

【作用】赤外線検出部において、一定の入射エネルギー
に対する温度上昇を高くするのに適した構造体は、赤外
線検出部を構成する材料の熱伝導率、比熱等の物性値お
よび構造体の形状寸法をもとに、所定の熱計算を行うこ
とによって、推定することができる。しかし、本発明者
らが、上記のような熱計算にもとづいて、実際に赤外線
検出素子を作製し、その構造と温度上昇の関係を求めた
ところ、ある一定レベル以上まで熱抵抗が高くなってく
ると、それ以上は推定値通りに温度上昇が起こらないと
いうことが、判明した。

【００２２】これは、赤外線検出部、たとえば熱絶縁膜
の材料やダイアフラム構造の具体的形状構造を改善し
て、赤外線検出部から熱絶縁膜などを介して熱が逃げる
のが良好に阻止された状態になると、赤外線検出部の周
囲に存在する空気を介しての熱伝導が、赤外線検出部か
ら外部への熱の伝達に大きな割合を占めるようになるか
らであると考えられる。したがって、この段階では、そ
れ以上に熱絶縁膜の材料の改良などを行っても、もは
や、赤外線センサの感度向上にはあまり役に立たないの
である。

【００２３】ところで、一般に、温度Ｔ₁、Ｔ₂の２枚
の平行平板間で、中間に存在する気体を介しての熱伝導
量Ｑは、気体分子の平均自由工程Ｌが平行平板間の間隔
ｄよりも充分に小さい場合、以下の式で表される。Ｑ＝κＡ（Ｔ₁−Ｔ₂）／ｄここで、κ：気体の熱伝導率、Ａ：断面積である。

【００２４】上の式を、前記赤外線センサに適用する
と、赤外線検出部とパッケージの壁体などの構造部分と
の間に存在する気体の熱伝導率が小さいほど、この気体
を介しての熱伝導は少なくなり、赤外線検出部を良好に
熱絶縁できることが判る。そこで、この発明では、赤外
線検出素子をパッケージ内に封入しておくとともに、パ
ッケージの内部空間を、１Torr以下の減圧状態にしてお
くことによって、内部空間の気体による実質的な熱伝導
率を低下させることができ、その結果、赤外線検出部か
ら内部空間の気体を介してパッケージの構造部分へと熱
が逃げるのを阻止して、赤外線の検出感度を向上させる
ことができる。

【００２５】つぎに、前記式から、赤外線検出部とパッ
ケージの構造部分との間隔を広げることによっても、赤
外線検出部からパッケージの構造部分への熱伝導量が減
少することが判る。通常の赤外線センサでは、赤外線検
出部の片面側には、赤外線フィルタが設けられ、赤外線
検出部の反対面側には、基台の表面が間隔をあけて対面
している。赤外線フィルタと赤外線検出部の距離は、赤
外線検出素子の実装構造や光学的や制約条件があるの
で、通常、１〜２mm程度に設定されていて、この距離を
大きく変更することはできない。

【００２６】そこで、請求項１のように、基台のうち、
空間を隔てて赤外線検出部と対面する個所を、基板の接
合個所よりも凹ませておけば、赤外線検出部と、これに
対面する基台の表面との距離が大きくなり、赤外線検出
部から基台の表面への熱伝達を阻止することができる。
この構造は、表面が平坦な基台を用いた場合と、基台の
厚みは同じでよく、パッケージ全体の厚みが増える心配
もないという利点を有している。

【００２７】また、請求項２のように、基台のうち、基
板の接合個所にスペーサを設け、スペーサの上に基板を
接合しておくことにより、前記同様に、赤外線検出部
と、これに対面する基台の表面との距離を大きくして、
赤外線検出部から基台の表面への熱伝達を阻止すること
ができる。この構造は、基台の厚みを充分に確保できる
ので、基台の機械的強度や耐久性が良好であるという利
点を有している。

【００２８】

【実施例】ついで、この発明の実施例について、図面を
参照しながら以下に説明する。図１に、赤外線センサの
全体構造を示している。シリコンなどからなる基板１０
の上に、窒化シリコンや酸化シリコンなどからなる熱絶
縁膜２０が形成され、熱絶縁膜２０の上には、アモルフ
ァスＳｉなどからなる抵抗体層４０、抵抗体層４０を上
下から挟むクロムなどからなる電極層３０、３０、抵抗
体層４０の表面を覆う赤外線吸収層５０を備えた赤外線
検出部が形成されている。電極層３０、３０の端部に
は、配線接続用のパッド３２、３２が設けられている。
赤外線検出部の設置個所に対応する熱絶縁膜２０の裏側
で、基板１０には中空部１２が欠除形成されており、こ
の中空部１２の部分では、熱絶縁膜２０が中空状態にな
っており、いわゆるダイアフラム構造を構成している。

【００２９】上記のような構造の赤外線検出素子が、パ
ッケージに封入されて赤外線センサとなる。赤外線検出
素子の基板１０が、セラミックや、金属あるいは合成樹
脂などからなる基台６０の上に、接合剤６２を介して接
合搭載されている。基台６０には、棒状の端子６４、６
４が、基台６０の上下面を貫通して取り付けられてい
る。端子６４、６４の上端と、赤外線検出素子のパッド
３２、３２は、ボンディングワイヤ６６で配線接続され
ている。

【００３０】基台６０のうち、赤外線検出素子の赤外線
検出部すなわち抵抗体層４０や赤外線吸収層５０と対面
する個所に、凹部６８が形成されており、基板１０が接
合される個所よりも、表面が低くなっている。すなわ
ち、赤外線検出部を設けた熱絶縁膜２０から、基板１０
の中空部１２を介して、凹部６８の底面までの距離が、
熱絶縁膜２０から基板１０を基台６０に接合した個所ま
での距離よりも、大きくなっている。

【００３１】基台６０の上方には、金属などからなるキ
ャップ状の蓋体７０が被せられて、赤外線検出素子を封
入した状態で、基台６０に接合されている。この基台６
０と蓋体７０で囲まれた内部空間は、不活性ガスを充填
しておいたり、減圧状態にしておいたりすることができ
る。蓋体７０のうち、赤外線検出部すなわち抵抗体層４
０および赤外線吸収層５０と対面する個所には、窓が貫
通形成されて、この窓にはフィルタ７２が取り付けられ
ている。フィルタ７２は、検出しようとする赤外線の透
過率の高いガラスや透明合成樹脂などが用いられる。

【００３２】上記のような構造を備えた赤外線センサの
製造方法について、特に、赤外線検出素子部分の製造方
法を主に説明する。まず、シリコン基板の上に熱絶縁膜
を形成した。すなわち、減圧ＣＶＤ法を用い、Ｓｉ₃Ｎ
₄を０．１μｍ、ＳｉＯ₂を０．４μｍ、さらにＳｉ₃
Ｎ₄を０．１μｍ連続形成して、３層構造の多層膜から
なる熱絶縁膜を形成した。

【００３３】この熱絶縁膜の上に、赤外線検出部を形成
した。ＥＢ蒸着により、下部電極となるＣｒを０．２μ
ｍ形成し、フォトリソグラフィで所定のパターンに加工
した。下部電極の上に、プラズマＣＶＤ法で、抵抗体層
となるアモルファスＳｉを１μｍ形成し、所定のパター
ンに加工した。この抵抗体層の上に、プラズマＣＶＤ法
で、赤外線吸収膜となるＳｉＯ₂を１．５μｍ形成し、
所定のパターンに加工した。このようにして形成された
赤外線検出部の平面形状は、１mm角の正方形状であっ
た。なお、ひとつの基板上には、上記したような赤外線
検出部を合計４個形成して、ブリッジ状に配線接続し
た。

【００３４】基板のうち、赤外線検出部が形成された面
の裏面側から、水酸化カリウムでエッチングして、基板
をパターン状に欠除して中空部を形成した。このように
して形成された熱絶縁膜の中空部分の大きさは、１．５
mm角の正方形状であった。このようにして作製された赤
外線検出素子を、パッケージの基台上にダイボンディン
グして実装し、ワイヤボンディングで配線接続を行っ
た。このとき使用した基台には、赤外線検出素子の赤外
線検出部と対面する個所に、幅１．５mm、深さ１．５mm
の凹部を形成しておいた。基台に被せる蓋体には、低融
点ガラスでフィルタを封着しておいた。５×１０^-2Torr
の減圧下で、赤外線検出素子が実装された基台に蓋体を
被せ、抵抗溶接によって封止した。これによって、パッ
ケージの内部空間は減圧状態のままで密封された。

【００３５】以上のようにして製造された赤外線センサ
に、黒体炉から照射された一定エネルギーの赤外線を入
射させて、そのときの温度上昇を測定したところ、３．
０ｍ℃／０．１μＷであった。比較のために、同様の構
造を備えているが、パッケージの封止を大気圧環境で行
った赤外線センサを製造し、同様の測定を行ったとこ
ろ、温度上昇が、０．３ｍ℃／０．１μＷであった。こ
のことから、この実施例の赤外線センサは、従来構造の
赤外線センサに比べて、入射した赤外線のエネルギーが
同じでも、より大きな温度上昇が得られることが判る。
すなわち、赤外線検出部から熱が逃げ難く、赤外線のエ
ネルギーを抵抗体層の温度上昇に有効に変換して、高い
出力感度が得られることになる。

【００３６】つぎに、図２に示す実施例は、基台に凹部
を形成しておく代わりに、スペーサを設けておく場合で
ある。基本的な構造は前記実施例と同様であるので、共
通する部分には同じ符号をつけ、構成の異なる部分を主
に説明する。赤外線検出素子の構造は前記実施例と全く
同じである。パッケージの基台６０には、前記実施例の
ような凹部は形成されておらず、全面が平坦に形成され
ている。この基台６０の上で、赤外線検出素子の基板１
０を接合する個所に、基台６０と同様の材料などからな
るスペーサ６９、６９が接合され、このスペーサ６９、
６９の上に接合材６２を介して基板１０が接合されてい
る。したがって、赤外線検出部の熱絶縁膜２０から基台
６０の表面までの距離は、基板１０の厚みにスペーサ６
９の厚みを加えた長さになる。

【００３７】上記実施例についても、前記実施例と同様
に温度上昇を測定したところ、前記実施例と同様に高い
温度上昇を示し、赤外線センサの感度向上を果たせるこ
とが確認できた。さらに、図３に示す実施例は、基台に
凹部およびスペーサの何れをも設けていない場合であ
る。

【００３８】この実施例の場合にも、前記各実施例と同
様の温度上昇測定を行ったところ、前記図１および図２
の実施例に比べると温度上昇は少なかったが、パッケー
ジの内部空間が大気圧のままの従来構造の赤外線センサ
に比べると、はるかに高い温度上昇が認められ、この発
明の作用効果が実証された。つぎに、図４には、前記図
１の実施例の赤外線センサで、パッケージを封止する際
の減圧圧力を種々に変えて赤外線センサを製造し、その
温度上昇を測定した結果をグラフに示している。このグ
ラフをみれば、真空度が０．１Torrのあたりで、温度上
昇値が顕著に増大していることが判る。なお、温度上昇
がある程度達成されると、それ以上真空度が高くなって
も、温度上昇の向上はあまり認められなくなることも判
る。

【００３９】

【発明の効果】以上に述べた、この発明にかかる赤外線
センサは、パッケージの内部空間を１Torr以下の減圧状
態にしていることにより、赤外線検出部から内部空間の
気体を介してパッケージの構造部分へと、熱が逃げるの
を良好に阻止して、赤外線検出部における赤外線の検出
感度を大幅に向上させることができた。

【００４０】その結果、従来、薄膜抵抗体を用いた熱型
赤外線センサでは、限界があると考えられていた検出感
度を、さらに大きく向上させることが可能になり、この
種赤外線センサの実用化、あるいは、用途の拡大に大き
く貢献することができる。また、この発明では、赤外線
検出部やパッケージの基本的な構造は、従来と同様の構
造が採用できるので、製造は容易でコスト的にも安価に
生産することができる。

【００４１】つぎに、上記この発明の赤外線センサにお
いて、赤外線検出素子を実装する基台に、前記したよう
な凹部やスペーサを設けておけば、赤外線検出部から基
台の表面までの間隔を広げることができ、この間隔の空
間が減圧状態であることと相まって、赤外線検出部から
基台に熱が逃げるのを、より良好に阻止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例をあらわす赤外線センサの
断面図

【図２】別の実施例をあらわす赤外線センサの断面図

【図３】別の実施例をあらわす赤外線センサの断面図

【図４】パッケージの真空度と赤外線検出部の温度上
昇の関係を表す線図

【符号の説明】

１０基板１２中空部２０熱絶縁膜３０電極層４０抵抗体層５０赤外線吸収層６０基台６８凹部６９スペーサ７０蓋体７２フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石田拓郎大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者柿手啓治大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者姫澤秀和大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者紙谷文啓大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (56)参考文献特開平４−252085（ＪＰ，Ａ) 特開平４−1535（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に中空状態で支持された熱絶縁膜の
上に、一対の電極を有する抵抗体層からなる赤外線検出
部を備え、前記基板がパッケージ内に封入されてなる赤
外線センサにおいて、パッケージの内部空間が、１Torr
以下の減圧状態であり、基板がパッケージの基台上に実
装され、基台のうち、空間を隔てて赤外線検出部と対面
する個所が基板の接合個所よりも凹んでいる赤外線セン
サ。
【請求項２】基板に中空状態で支持された熱絶縁膜の
上に、一対の電極を有する抵抗体層からなる赤外線検出
部を備え、前記基板がパッケージ内に封入されてなる赤
外線センサにおいて、パッケージの内部空間が、１Torr
以下の減圧状態であり、基板がパッケージの基台上に実
装され、基台のうち、基板の接合個所にスペーサが設け
られ、スペーサの上に基板が接合されている赤外線セン
サ。