JP2005147768A - 赤外線検出器 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型で安価であり、かつセンサ出力のずれが小さく高精度な赤外線検出器を提供する。
【解決手段】赤外線検出素子１０が形成されたセンサチップ２０と、赤外線検出素子１０の入出力を制御する制御回路チップ３１とを有し、センサチップ２０が、制御回路チップ３１上に積層配置される赤外線検出器１００であって、センサチップ２０が、制御回路チップ３１における相対的に発熱量の小さな領域に配置される赤外線検出器とする。
【選択図】 図１
【解決手段】赤外線検出素子１０が形成されたセンサチップ２０と、赤外線検出素子１０の入出力を制御する制御回路チップ３１とを有し、センサチップ２０が、制御回路チップ３１上に積層配置される赤外線検出器１００であって、センサチップ２０が、制御回路チップ３１における相対的に発熱量の小さな領域に配置される赤外線検出器とする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、温度変化を測定して赤外線を感知する、熱型赤外線検出器に関するものである。
温度変化を測定して赤外線を感知する熱型赤外線検出器が、例えば、特開特開平６−１３７９３５号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１に開示されている熱型赤外線検出器は、赤外線による温度変化を抵抗値変化で測定するもので、他に、赤外線による温度変化を熱電対で測定する熱型赤外線検出器がある。
図５（ａ）は、従来の熱型赤外線検出器の一例を示す模式的な断面図である。
図５（ａ）に示す赤外線検出器９０は、赤外線検出素子１０が形成されたセンサチップ２０と赤外線検出素子１０の入出力を制御する制御回路チップ３０が別体として形成され、ケース１ａに並んで配置されている。センサチップ２０は、薄肉部として形成されたメンブレン４ａを有するシリコン半導体基板２０ａからなり、熱電対１０ａと赤外線吸収膜１０ｂとからなる赤外線検出素子１０が、メンブレン４ａ上に形成されている。このようなメンブレン４ａを有するセンサチップ２０では、赤外線検出素子１０の熱が半導体基板２０ａ側に逃げ難く、高感度の赤外線検出が可能である。
図５（ｂ）は、従来の別の熱型赤外線検出器を示す模式的な断面図である。
図５（ｂ）に示す赤外線検出器９１も、図５（ａ）の赤外線検出器９０と同様に、センサチップ２０と制御回路チップ３０が別体として形成されている。一方、図５（ｂ）の赤外線検出器９１においては、センサチップ２０が制御回路チップ３０上に積層して配置され、ケース１ｂ内に収納されている。
図５（ａ），（ｂ）に示す赤外線検出器９０，９１は、いずれも、センサチップ２０と制御回路チップ３０が別体として形成されている。このように、赤外線検出素子とその制御回路を別チップとする図５（ａ），（ｂ）の赤外線検出器９０，９１は、赤外線検出素子とその制御回路を一つのチップに形成する場合に較べて、安価に製造することができる。
特開平６−１３７９３５号公報
センサチップ２０が制御回路チップ３０上に積層配置された図５（ｂ）の赤外線検出器９１は、センサチップ２０と制御回路チップ３０が並んで配置された図５（ａ）の赤外線検出器９０に較べて、小型化できる。一方、図５（ｂ）の赤外線検出器９１では、制御回路チップ３０が発熱すると、センサチップ２０に形成された赤外線検出素子１０が、図のように被測定物からの赤外線だけでなく制御回路チップ３０からの赤外線を直接検出して、センサ出力が求める値からずれてしまう。
図６は、図５（ｂ）の赤外線検出器９１において、制御回路チップ３０の発熱の有無によるセンサ出力の違いを測定した結果である。制御回路チップ３０が発熱して温度が数度上昇すると、センサ出力誤差が、温度換算で１０℃以上となる。このようなセンサ出力のずれは、メンブレン４ａを有する高感度のセンサチップ２０において、特に顕著である。
そこで本発明は、小型で安価であり、かつセンサ出力のずれが小さく高精度な赤外線検出器を提供することを目的としている。
請求項１に記載の発明は、赤外線検出素子が形成されたセンサチップと、前記赤外線検出素子の入出力を制御する制御回路チップとを有し、前記センサチップが、前記制御回路チップ上に積層配置される赤外線検出器であって、前記センサチップが、前記制御回路チップにおける相対的に発熱量の小さな領域に配置されることを特徴としている。
これによれば、センサチップと制御回路チップが別体として形成されるため安価であり、センサチップが制御回路チップ上に積層配置されるため、赤外線検出器を小型にすることができる。また、センサチップは制御回路チップにおける相対的に発熱量の小さな領域に配置されるため、制御回路の発熱による赤外線を赤外線検出素子が検出し、センサ出力がずれることも抑制される。このようにして、小型で安価であり、かつセンサ出力のずれが小さく高精度な赤外線検出器とすることができる。
請求項２に記載の発明は、前記制御回路チップにおける相対的に発熱量の小さな領域が、回路パターンが配置されていない領域であることを特徴としている。
回路パターンが配置されていない領域は、発熱を伴わないため、制御回路チップにおける相対的に発熱量の小さな領域となる。このため、上記のようにセンサチップを積層配置することで、小型で安価であり、かつセンサ出力のずれが小さく高精度な赤外線検出器とすることができる。
請求項３に記載の発明は、前記制御回路チップにおける相対的に発熱量の小さな領域が、前記赤外線検出素子の信号処理回路が形成される領域であることを特徴としている。
赤外線検出素子の信号処理回路は、一般的にほとんど発熱を伴わず、制御回路チップにおける相対的に発熱量の小さな領域となる。従って、上記センサチップが積層配置される制御回路チップにおける相対的に発熱量の小さな領域を有効利用することができ、小型赤外線検出器とすることができる。
請求項４に記載の発明は、赤外線検出素子が形成されたセンサチップと、前記赤外線検出素子の入出力を制御する制御回路チップとを有し、前記センサチップが、前記制御回路チップ上に積層配置される赤外線検出器であって、前記制御回路チップの発熱領域上に断熱層が形成され、前記センサチップが、前記断熱層上に配置されることを特徴としている。
これによれば、上記と同様にして、小型で安価な赤外線検出器とすることができる。また、制御回路チップの発熱領域上には断熱層が形成されるため、制御回路チップの発熱領域からの赤外線放射が断熱層によって抑制される。このため、断熱層上に配置されるセンサチップに到達する赤外線も抑制されて、制御回路チップからの赤外線による赤外線検出素子の起電力（センサ出力）のずれが抑制される。従って、小型で安価であり、かつセンサ出力のずれが小さく高精度な赤外線検出器とすることができる。
請求項５に記載の発明は、赤外線検出素子が形成されたセンサチップと、前記赤外線検出素子の入出力を制御する制御回路チップとを有し、前記センサチップが、前記制御回路チップ上に積層配置される赤外線検出器であって、前記センサチップが、前記制御回路チップの時間的に一定温度にある経時定温領域に配置されることを特徴としている。
これによれば、上記と同様にして、小型で安価な赤外線検出器とすることができる。また、経時定温領域は発熱量および赤外線放射が時間的に一定であり、赤外線検出素子が制御回路チップからの赤外線を検出してセンサ出力がずれても、簡単な温度補正回路により、センサ出力のずれを補正することができる。簡単な温度補正回路により、センサ出力のずれを補正することができる。従って、小型で安価であり、かつ高精度な赤外線検出器とすることができる。
請求項６に記載のように、前記赤外線検出器は、前記センサチップが、薄肉部として形成されたメンブレンを有する基板からなり、前記赤外線検出素子が、前記基板上に形成された熱電対と赤外線吸収膜とからなり、前記熱電対の温接点が前記メンブレン上に形成され、前記熱電対の冷接点が前記メンブレンの外側の基板上に形成され、前記赤外線吸収膜が、前記温接点を被覆するようにメンブレン上に形成され、前記赤外線検出素子が、赤外線を受光したときに前記熱電対における温接点と冷接点との間に生じる温度差によって熱電対の起電力を変化させ、その変化した起電力に基づいて赤外線を検出する赤外線検出器に好適である。
上記のようなメンブレンを有するセンサチップは、熱電対の温接点における熱が基板側に逃げ難く、高感度の赤外線検出が可能である。このような高感度赤外線検出器であっても、センサチップを上記のようにして制御回路チップ上へ配置することで、小型で安価であり、かつ高精度な赤外線検出器とすることができる。
請求項７に記載のように、上記の赤外線検出器は、前記熱電対が、基板の上に異種材料の膜が交互に複数組直列に延設され、一つおきの接合部が前記温接点と冷接点となる、いわゆるサーモパイル式赤外線検出器であることが好ましい。サーモパイル式赤外線検出器は、大きなセンサ出力が得られ、高感度で高精度な赤外線検出器とすることができる。このような高感度かつ高精度な赤外線検出器であっても、センサチップを上記のようにして制御回路チップ上へ配置することで、小型で安価であり、かつ制御回路チップの発熱の影響が抑制された赤外線検出器とすることができる。
請求項８に記載のように、前記基板は半導体基板であり、前記赤外線検出素子は、絶縁膜を介して、前記半導体基板上に形成されることが好ましい。半導体基板を用いることで、一般的な半導体製造技術により容易にメンブレンを有する基板とすることができ、高感度な赤外線検出器を、低コストで製造することができる。
以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。
図１（ａ）は、本発明の一例である熱型赤外線検出器１００の模式的な断面図である。また、図１（ｂ）は、赤外線検出器１００に用いられているセンサチップ２０と制御回路チップ３１の配置関係を示す図である。尚、図１（ａ），（ｂ）に示す赤外線検出器１００において、図５（ｂ）の赤外線検出器９１と同様の部分については、同一の符号を付けた。
図１（ａ），（ｂ）に示す赤外線検出器１００は、図５（ａ），（ｂ）の赤外線検出器９０，９１と同様に、別体として形成されたセンサチップ２０と制御回路チップ３１を有する。このように、センサチップ２０と制御回路チップ３１を別体として形成することで、それらを一体のチップとして形成する場合に較べて製造が容易になり、安価に製造することができる。
図２（ａ）〜（ｃ）は、センサチップ２０の詳細を示す図である。図２（ａ）は、センサチップ２０の模式的な断面図であり、図２（ｂ）は、模式的な上面図である。また、図２（ｃ）は、赤外線検出素子１０の構成およびセンサ出力の取り出しを示す模式図である。
図２（ａ）に示すように、センサチップ２０はシリコン半導体基板２０ａからなり、裏面からエッチングされて薄肉部として形成されたメンブレン４ａを有する。メンブレン４ａは、一般的な半導体製造技術により、容易に形成することができる。半導体基板２０ａ上には、赤外線検出素子１０が、絶縁膜４を介して形成されている。半導体基板２０ａ上に形成された赤外線検出素子１０は、熱電対１０ａと赤外線吸収膜１０ｂとからなる。
図２（ｂ）に示すように、熱電対１０ａは、メンブレン４ａを取り囲むように配置される。尚、見やすくするために、図２（ｂ）と図２（ｃ）では、赤外線吸収膜１０ｂの図示が省略されている。
図２（ｃ）に示すように、熱電対１０ａは、半導体基板２０ａの上に異種材料１０ａｍ，１０ａｎの膜が交互に複数組直列に延設され（サーモパイル）、一つおきの接合部が温接点１０ａｈと冷接点１０ａｃとなる。異種材料１０ａｍ，１０ａｎの膜の組み合せとしては、例えば、アルミニウム膜とポリシリコン膜の組み合せを用いることができる。このような熱電対１０ａを持つ赤外線検出器１００は、いわゆるサーモパイル式赤外線検出器と呼ばれるものである。図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、熱電対１０ａの温接点ａｈは、熱容量の小さいメンブレン４ａ上に形成されている。一方、熱電対１０ａの冷接点１０ａｃは、メンブレン４ａの外側における熱容量の大きい半導体基板２０ａ上に形成されており、半導体基板２０ａがヒートシンクとしての役割を果たしている。
図２（ａ）に示すように、赤外線検出素子１０においては、温接点１０ａｈを被覆するようにして、赤外線吸収膜１０ｂが、メンブレン４ａ上に形成される。
人体などから赤外線が照射されると、赤外線吸収膜１０ｂに赤外線が吸収されて、温度上昇が起こる。その結果、赤外線吸収膜１０ｂの下に配置された温接点１０ａｈの温度が上昇する。一方、冷接点１０ａｃは、半導体基板２ａがヒートシンクとなっているため、温度上昇は起きない。このように、赤外線検出素子１０は、赤外線を受光したときの温接点１０ａｈと冷接点１０ａｃとの間に生じる温度差により熱電対１０ａの起電力を変化（ゼーペック効果）させ、その変化した起電力に基づいて赤外線を検出する。尚、図２（ｃ）に示す熱電対１０ａはサーモパイルとなっているため、各異種材料１０ａｍ，１０ａｎの組で発生する起電力の総和が、赤外線検出素子１０の出力となる。
図２（ａ）のメンブレン４ａを有するセンサチップ２０は、熱電対１０ａの温接点１０ａｈにおける熱が半導体基板２０ａ側に逃げ難く、高感度の赤外線検出が可能である。また、サーモパイルとなっている熱電対１０ａは、大きな起電力（センサ出力）が得られ、高感度で高精度な赤外線検出素子とすることができる。
図１（ａ），（ｂ）に示す赤外線検出器１００は、図５（ｂ）の赤外線検出器９１と同様に、センサチップ２０が制御回路チップ３１上に積層して配置されており、小型の赤外線検出器となっている。一方、図１（ｂ）に示すように、赤外線検出器１００では赤外線検出器９１の場合と異なり、センサチップ２０が、制御回路チップ３１における発熱量の大きな領域を除いた、図中の一点差線で示す相対的に発熱量の小さな領域に特定して配置される。制御回路チップ３１における発熱量の大きな領域には、例えば、発熱量の大きな抵抗体が形成された領域や、電力用トランジスタ等のパワー素子が形成された領域がある。また、赤外線検出素子１００の信号処理回路は一般的にほとんど発熱を伴わないため、相対的に発熱量の小さな領域は、回路パターンが全く配置されていない領域のみならず、赤外線検出素子１０の信号処理回路が形成された領域であってもよい。赤外線検出器１００では、上記のような相対的に発熱量の小さな領域にセンサチップ２０が配置されるため、制御回路が発熱して発熱領域から赤外線が発生しても、センサチップ２０の赤外線検出素子１０が、発熱領域から放射される赤外線を直接検出しない。このため、発熱領域からの赤外線によるセンサ出力（起電力）のずれを抑制することができる。
以上のようにして、図１（ａ），（ｂ）の赤外線検出器１００は、小型で安価であり、かつセンサ出力のずれが小さく高精度な赤外線検出器とすることができる。
図３と図４は、本発明の別の熱型赤外線検出器１０１，１０２に関するもので、赤外線検出器１０１，０１２に用いられているセンサチップ２０と制御回路チップ３２，３３の配置関係を示す図である。尚、図３と図４の赤外線検出器１０１，１０２に用いられているセンサチップ２０は、図２（ａ）に示すセンサチップ２０と同じもので、図１（ａ），（ｂ）の赤外線検出器１００に用いられているセンサチップと同じである。また、センサチップ２０と制御回路チップ３２，３３が積層された赤外線検出器１０１，１０２の模式的な断面図は、図１（ａ）と同様になる。
図３と図４に示す赤外線検出器１０１，１０２についても、図１（ａ），（ｂ）に示す赤外線検出器１００と同様に、別体として形成されたセンサチップ２０が制御回路チップ３１，３２上に積層配置されている。従って、赤外線検出器１０１，１０２は、赤外線検出器１００と同様に、小型で安価な赤外線検出器とすることができる。
図３に示す赤外線検出器１０１では、図１（ａ），（ｂ）の赤外線検出器１００と異なり、制御回路チップ３２の発熱領域上に断熱層３２ｄが形成され、この断熱層３２ｄ上にセンサチップ２０が配置される。断熱層３２ｄには、例えば、ホトリソグラフィ、リフトオフ、スクリーン印刷法等により形成した樹脂材料等の比熱の大きな材料を用いることができる。制御回路チップ３２において発熱があっても、発熱領域上に形成された比熱の大きい材料からなる断熱層３２ｄは温度が上昇し難く、断熱層３２ｄからの赤外線放射が抑制される。
このように、図３に示す赤外線検出器１０１においては、制御回路チップ３２の発熱領域上に断熱層３２ｄが形成されているため、制御回路チップ３２ｄの発熱領域からの赤外線放射が、断熱層３２ｄによって抑制される。このため、断熱層３２ｄ上に配置されるセンサチップ２０に到達する赤外線も抑制されて、制御回路チップ３２ｄからの赤外線による赤外線検出素子１０の起電力（センサ出力）のずれが抑制される。従って、図３の赤外線検出器１０１についても、小型で安価であり、かつセンサ出力のずれが小さく高精度な赤外線検出器とすることができる。
図４に示す赤外線検出器１０２では、センサチップ２０が、制御回路チップ３２の時間的に一定温度にある経時定温領域に配置される。経時定温領域は、特性調整時および実動作時共に、定電流・定電圧で動作する素子のみが配置された領域で、温度上昇は起きるものの、温度が常時一定に保たれる領域である。
時間的に一定温度にある経時定温領域は、発熱量および赤外線放射が時間的に一定であり、センサチップ２０の赤外線検出素子１０が制御回路チップ３２ｄからの赤外線を検出して起電力（センサ出力）がずれても、簡単な温度補正回路により、センサ出力のずれを補正することができる。従って、図４の赤外線検出器１０２についても、小型で安価であり、かつ高精度な赤外線検出器とすることができる。
時間的に一定温度にある経時定温領域は、発熱量および赤外線放射が時間的に一定であり、センサチップ２０の赤外線検出素子１０が制御回路チップ３２ｄからの赤外線を検出して起電力（センサ出力）がずれても、簡単な温度補正回路により、センサ出力のずれを補正することができる。従って、図４の赤外線検出器１０２についても、小型で安価であり、かつ高精度な赤外線検出器とすることができる。
（他の実施形態）
上記の各実施形態では、赤外線検出素子が形成されるセンサチップとして、メンブレンを有するシリコン半導体基板からなるセンサチップの例を示した。シリコン半導体基板を用いた場合には、一般的な半導体製造技術により容易にメンブレンを形成することができ、低コストで製造できるため好ましい。しかしながら、赤外線検出素子が形成されるセンサチップはこれに限らず、ガラス等の任意の材料を用いた基板であってよい。また、高感度の赤外線検出素子とするために、基板にメンブレンを形成することが好ましいが、本発明は、メンブレンを有しないセンサチップであっても効果的である。また、赤外線検出素子は、熱電対を用いたものに限らず、薄膜抵抗体の温度による抵抗値変化を利用して赤外線を検出するものであってもよい。
上記の各実施形態では、赤外線検出素子が形成されるセンサチップとして、メンブレンを有するシリコン半導体基板からなるセンサチップの例を示した。シリコン半導体基板を用いた場合には、一般的な半導体製造技術により容易にメンブレンを形成することができ、低コストで製造できるため好ましい。しかしながら、赤外線検出素子が形成されるセンサチップはこれに限らず、ガラス等の任意の材料を用いた基板であってよい。また、高感度の赤外線検出素子とするために、基板にメンブレンを形成することが好ましいが、本発明は、メンブレンを有しないセンサチップであっても効果的である。また、赤外線検出素子は、熱電対を用いたものに限らず、薄膜抵抗体の温度による抵抗値変化を利用して赤外線を検出するものであってもよい。
９０，９１，１００〜１０２ 赤外線検出器
１０ 赤外線検出素子
１０ａ 熱電対
１０ａｈ 温接点
１０ａｃ 冷接点
１０ｂ 赤外線吸収膜
２０ センサチップ
２０ａ （半導体）基板
３０〜３３ 制御回路チップ
３２ｄ 断熱層
４ 絶縁膜
４ａ メンブレン
１０ 赤外線検出素子
１０ａ 熱電対
１０ａｈ 温接点
１０ａｃ 冷接点
１０ｂ 赤外線吸収膜
２０ センサチップ
２０ａ （半導体）基板
３０〜３３ 制御回路チップ
３２ｄ 断熱層
４ 絶縁膜
４ａ メンブレン
Claims (8)
- 赤外線検出素子が形成されたセンサチップと、前記赤外線検出素子の入出力を制御する制御回路チップとを有し、
前記センサチップが、前記制御回路チップ上に積層配置される赤外線検出器であって、
前記センサチップが、前記制御回路チップにおける相対的に発熱量の小さな領域に配置されることを特徴とする赤外線検出器。 - 前記制御回路チップにおける相対的に発熱量の小さな領域が、回路パターンが配置されていない領域であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
- 前記制御回路チップにおける相対的に発熱量の小さな領域が、前記赤外線検出素子の信号処理回路が形成される領域であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
- 赤外線検出素子が形成されたセンサチップと、前記赤外線検出素子の入出力を制御する制御回路チップとを有し、
前記センサチップが、前記制御回路チップ上に積層配置される赤外線検出器であって、
前記制御回路チップの発熱領域上に断熱層が形成され、
前記センサチップが、前記断熱層上に配置されることを特徴とする赤外線検出器。 - 赤外線検出素子が形成されたセンサチップと、前記赤外線検出素子の入出力を制御する制御回路チップとを有し、
前記センサチップが、前記制御回路チップ上に積層配置される赤外線検出器であって、
前記センサチップが、前記制御回路チップの時間的に一定温度にある経時定温領域に配置されることを特徴とする赤外線検出器。 - 前記センサチップが、薄肉部として形成されたメンブレンを有する基板からなり、
前記赤外線検出素子が、前記基板上に形成された熱電対と赤外線吸収膜とからなり、
前記熱電対の温接点が前記メンブレン上に形成され、前記熱電対の冷接点が前記メンブレンの外側の基板上に形成され、
前記赤外線吸収膜が、前記温接点を被覆するようにメンブレン上に形成され、
前記赤外線検出素子が、赤外線を受光したときに前記熱電対における温接点と冷接点との間に生じる温度差によって熱電対の起電力を変化させ、その変化した起電力に基づいて赤外線を検出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の赤外線検出器。 - 前記熱電対が、基板の上に異種材料の膜が交互に複数組直列に延設され、一つおきの接合部が前記温接点と冷接点となることを特徴とする請求項６に記載の赤外線検出器。
- 前記基板が半導体基板であり、
前記赤外線検出素子が、絶縁膜を介して、前記半導体基板上に形成されることを特徴とする請求項６または７に記載の赤外線検出器。
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