JP2005345227A

JP2005345227A - サーモパイルセンサ

Info

Publication number: JP2005345227A
Application number: JP2004164274A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Okamoto; 一隆岡本
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】サーモパイル素子を用いたサーモパイルセンサにおいて、温度補償素子の正確な位置決めを容易に行なって、より正確な温度補償を行なうことができるサーモパイルセンサを提供する。
【解決手段】肉厚部４および薄膜部３が形成された基板２と、前記肉厚部４に冷接点６、薄膜部３に温接点７を配置した複数の熱電対８が直列に接続されてなるサーモパイル素子５と、前記冷接点６の近傍で基板２自体に形成された段部９と、この段部９に取り付けられた温度補償素子１０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーモパイルセンサに関する。

特許文献１に示すように、雰囲気温度の変化に対して熱電対の冷接点の温度とサーミスタの温度を素早く時間差なく追従させることを目的として、サーモパイル素子の冷接点のパターンの上にチップサーミスタを搭載したサーモパイルセンサがある。

図６は、このようなサーモパイルセンサにおいて、サーモパイル素子の冷接点が形成された部分における断面を示す図であり、９１は基板に形成されたヒートシンク部、９２はヒートシンク部９１上に形成されたサーモパイル素子、９３はサーモパイル素子９２同士を接続する配線パターン、９４は冷接点に相当する部分におけるサーモパイル素子９２および配線パターン９３の表面に形成された保護膜、９５は冷接点を構成する部分の温度を測定するチップサーミスタ、９６はチップサーミスタ９５を冷接点上に接着するための接着剤、９７はヒートシンク部９１の裏面側から伝達する熱である。
特開２００３−６５８５４号公報

特許文献１に示すようなサーモパイルセンサを構成するチップサーミスタ９５はサーモパイル素子９２の冷接点のパターン上に載る程度の微小な大きさであるから、その取り扱いが困難になるという問題があった。つまり、サーモパイル素子９２の冷接点のパターンに正確に乗せるための位置決めが容易ではなく、ヒートシンク部９１の平坦面の所定位置（角度）に正しく接着する作業が困難であった。

加えて、冷接点を構成するサーモパイル素子９２や配線パターン９３の表面には保護膜９４が形成されているが、この保護膜９４の厚みが１〜２μｍ程度の極めて薄いものであるから傷つき易く、チップサーミスタ９５を接着する段階で簡単に剥がれてチップサーミスタ９５との接触部９５ａが生じたり、サーモパイル素子９２に接着剤９６による汚損や破損が生じることも考えられる。つまり、接点の回路パターン上にサーミスタを搭載接着することはパターンのストレスを誘発する懸念があった。

さらに、特許文献１に示す構成では、チップサーミスタ９５を搭載接着した冷接点の部分の温度を測定することはできても、全てのサーモパイル素子９２における冷接点の部分の温度が同じであるとは限らないという問題もあった。すなわち、ヒートシンク部９１の裏面側から伝達した熱９７による温度変化の生じ方は、ヒートシンク部９１の形状によって変わるが、特許文献１に示す構成では、チップサーミスタ９５を搭載接着した部分の温度を全てのサーモパイル素子９２の温度補償に用いることとなるので、温度補償が必ずしも正確に行えないという問題があった。また、チップサーミスタ９５の位置が確定されないので、個体差が大きくなるという問題もあった。

本発明は、上述のような課題を考慮に入れてなされたものであって、その目的は、サーモパイル素子を用いたサーモパイルセンサにおいて、温度補償素子の正確な位置決めを容易に行なって、より正確な温度補償を行なうことができるサーモパイルセンサを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るサーモパイルセンサは、肉厚部および薄膜部が形成された基板と、前記肉厚部に冷接点、薄膜部に温接点を配置した複数の熱電対が直列に接続されてなるサーモパイル素子と、前記冷接点の近傍で基板自体に形成された段部と、この段部に取り付けられた温度補償素子とを有することを特徴としている（請求項１）。
前記段部が凹部であり、前記温度補償素子がチップ型の温度補償素子であってもよい（請求項２）。

請求項１に記載の発明では、サーモパイル素子の冷接点のパターンから外れた部分の基板に段部が形成されているので、温度補償素子を段部に取り付けやすくなるだけでなく、温度補償素子の位置や角度を厳密に特定することができる。そして、温度補償素子の位置や角度を厳密に合わせることにより、個体差をできるだけ小さくすることができ、高精度の温度補償を行なうことができるサーモパイルセンサの生産が可能となる。

また、段部はサーモパイル素子の冷接点のパターンから外れた部分の基板自体に形成されているので、温度補償素子を取り付けるときに、サーモパイル素子上のパターンを汚損したり冷接点を破損することがない。加えて段部の位置が冷接点の近傍であるから冷接点近傍の正確な測温が可能となる。

なお、前記段部はエッチングによって形成されたものであることが好ましく、その位置は全ての熱電対の冷接点における平均的な温度を検出できる最適位置であることが好ましい。すなわち、サーモパイルセンサの基板の形状によって外部との接触による熱伝達の影響が変わり、サーモパイルセンサの基板上の各部における温度にも分布が生じるが、全ての熱電対の冷接点における平均的な温度を検出できる特定の位置に一つの温度補償素子を取り付けることにより、単一の温度補償素子を取り付けるだけの極めて簡単な構成でありながら、より正確な温度補償を行なうことが可能となる。

前記段部が凹部であり、前記温度補償素子がチップ型の温度補償素子である場合（請求項２）には、微小なチップ型の素子の位置決めを極めて精度良く簡単に行うことができる。また、前記段部が凹部である場合は、基板に薄膜部を構成する際にヒートシンクをエッチングする工程と同時に形成することも可能であるから、段部を形成するのが極めて容易になるという利点もある。

図１〜３は本発明のサーモパイルセンサ１の第１実施例を示す図であり、図１はこのサーモパイルセンサ１の平面図である。

図１において、２はサーモパイルセンサ１を形成する例えばシリコンなどからなる半導体基板（以下、シリコン基板）である。このシリコン基板２は、開口部２ａからの異方性エッチングによって中心部に形成された薄膜部３と、この薄膜部３の周囲において比較的大きな熱容量を有する肉厚部４とを有する。

５は図１に示すシリコン基板２の上下左右の肉厚部４にそれぞれ冷接点６（６ａ〜６ｄ）を配置する一方で中心部の薄膜部３に温接点７を配置するように複数の熱電対８（８ａ〜８ｄ）が直列に接続されてなるサーモパイル素子、９は段部の一例として前記冷接点６（６ａ，６ｄ）の近傍のシリコン基板２に形成された凹部、１０はこの凹部９に取り付けられた例えばチップ型のサーミスタからなる温度補償素子（以下、チップサーミスタという）である。

１１は前記温接点７の部分に形成された赤外線吸収体、１２は上下左右に配置された前記各熱電対８ａ〜８ｄを接続する配線パターン、１３，１４はサーモパイル素子５を後述のリード線に接続するためのパッドである。また、１５，１６は前記チップサーミスタ１０上に形成されたパッド、１７ａ，１７ｂはパッド１５，１６に接続するワイヤボンディング（リード線）である。

前記シリコン基板２の厚みは例えば０．６ｍｍであり、チップサーミスタ１０の大きさは例えば長さ０．６ｍｍ，幅０．３ｍｍ，高さ０．３ｍｍであり、このチップサーミスタ１０の取り付け位置を示す凹部９はシリコン基板２自体にその表面より所定の深さを有するように形成される陥没部であり、その深さは例えば１００μｍ程度である。なお、凹部９の深さは数十μｍ程度以上あればチップサーミスタ１０の位置や角度を定めることができる。

本実施例の場合、シリコン基板２の形状が、中心部に薄膜部３、外周に肉厚部４を配置するような形状であり、シリコン基板２の外周の肉厚部４と中心部の薄膜部３を渡すように設けた熱電対８が、上下左右の４つのグループに分けられた熱電対８ａ〜８ｄであるから、比較的小さい面積の薄膜部３に多数の熱電対８の温接点７を配置できる。しかしながら、熱電対８の配置には種々の変形が考えられることはいうまでもない。

凹部９を形成する位置は冷接点６ａ，６ｄの近傍であるが、全ての冷接点６ａ〜６ｄにおける温度の平均的な温度を検出できる位置や方向を特定することが好ましい。このチップサーミスタ１０の位置や方向は、異方性エッチングによって形成される薄膜部３と厚肉部４の形状によって異なる熱の伝わり方を基に判断して特定することができる。

また、凹部９を異方性エッチングによって形成することにより、薄膜部３と凹部９とを同一の方法で形成することができ、凹部９を形成するための別途の工程を必要としていない。そして、本実施例に示すように異方性エッチングによって形成される凹部９の側面９ａは斜面となるので、この側面９ａがチップサーミスタ１０を案内するガイド面となる。なお、凹部９の底面９ｂの形状をチップサーミスタ１０の下面の形状と合同にすることにより、凹部９に取り付けたチップサーミスタ１０の位置および角度を厳密に合わせることができる。しかしながら、凹部９の底面９ｂの形状をチップサーミスタ１０の下面の形状よりも僅かに大きく（略合同）して凹部９に対するチップサーミスタ１０の取付けを容易とすることも可能である。

さらに、凹部９をドライエッチングによって形成することも可能である。この場合は、凹部９の断面形状を矩形にすることができ、この凹部９に嵌合されるチップサーミスタ１０の位置決めを凹部９の底面９ｂのみならず、凹部９の開口部や側壁面によっても行なうことができるので、チップサーミスタ１０の位置決めをより確実に行なうことができる。

凹部９をどのようなエッチングによって形成する場合においても、エッチングの技術を用いて凹部９を形成することにより、既存の装置を用いて凹部９の位置精度を可及的に上げて、チップサーミスタ１０の極めて正確な位置決めを行なうことができる。

そして、本発明のように定まった位置に凹部９が形成してあることにより、サーモパイルセンサ１の形成時にチップサーミスタ１０を取り付けるときに、その位置を確実かつ容易に定めることができる。たとえ手作業でこれを行ったとしても、チップサーミスタ１０の取付位置や取付方向を簡便に確定することができる。つまり、凹部９を形成した特定の位置および角度に正確に配置したチップサーミスタ１０を用いて、サーモパイルセンサ１の形状に合わせて全ての冷接点６ａ〜６ｄにおける温度の平均的な温度を正確に検出することができる。

図２は前記サーモパイルセンサ１のＩ−Ｉ断面図である。本実施例の場合、既に言及した通り、シリコン基板２の表面に形成された開口部２ａ（図１参照）からの異方性エッチングによって薄膜部３を形成している。このため、本実施例における薄膜部３は異方性エッチングでは溶解しない酸化膜からなる。また、２’は異方性エッチングによって残される薄肉部である。

図２に示すように、エッチングでの溶解により形成された空間部２ｂの平面占有面積は、温接点７を形成するために必要な薄膜部３の面積Ｓ₁よりも狭くなる。さらに、薄肉部２’の面積Ｓ₂を前記面積Ｓ₁よりも狭くすることができる。つまり、本実施例のように薄膜部３の形成時に、基板２の表面側のみからエッチングする構成は、必要な薄膜部３の面積Ｓ₁よりも空間２ｂの占有面積および薄肉部２’の面積Ｓ₂のほうが小さくなる。

したがって、図示による詳細な説明を省略するが、本実施例のようにシリコン基板２の表面側から異方性エッチングを行なって薄膜部３を形成する構成は、一枚のシリコン基板２上に複数のサーモパイルセンサ１を並べて配置するアレイセンサを構成するのに適している。

図３は前記サーモパイルセンサ１を容器内に収容してなる熱型赤外線検出器の例を示す斜視図である。図３において、サーモパイルセンサ１を収容する容器は下部側が開放された筒状のキャン２０と、このキャン２０の下部開口を閉塞するステム２１とからなり、両者２０，２１は例えば溶接によって接合される。

キャン２０は、例えば鉄材をプレス加工によって縦断面が略Π字状に形成したものであり、この外面には鏡面あるいは光沢メッキを施してある。キャン２０の上面中央部には、適宜の大きさだけ例えば矩形状に切除して形成された開口に、赤外線透過性材料よりなる窓材を接合することにより赤外線透過窓２２が形成されている。なお、２３はキャン２０の開放下端部に形成される鍔部である。

ステム２１は、例えば鉄材からなり、４本の信号取り出し用のリードピン２４，２５ａ，２５ｂ，２６をステム２１の厚み方向に貫通させて設け、この貫通部には図示を省略するがリードピン２４，２５ａ，２５ｂ，２６とステム２１とを電気的に絶縁するためにガラス溶着を施してある。なお、２７はステム２１の下端部に形成されて前記鍔部２３と当接する鍔部である。

本実施例のサーモパイルセンサ１はステム２１と熱的に結合された状態でステム２１の上面に設けられ、例えば前記パッド１３とリードピン２６、パッド１４とリードピン２４、パッド１６とリードピン２５を接続するように信号取り出しワイヤ２８，２９，１７ａ，１７ｂ，３０がワイヤーボンディングされている。つまり、リードピン２５ａ，２５ｂを用いてチップサーミスタ１０の出力信号、リードピン２４，２６を用いてサーモパイル素子５の出力信号を得ることができる。

前記サーモパイルセンサ１では、チップサーミスタ１０を冷接点の近傍のシリコン基板２に取り付けているので、別途のサーミスタを組み込む必要なく熱型赤外線検出器を形成することができる。

図４は第２実施例のサーモパイルセンサ３１の構成を示す断面図である。図４において、図１〜３と同じ符号を付した部材は同一または同等の部材であるから、その詳細な説明を省略する。

第２実施例のサーモパイルセンサ３１が第１実施例のサーモパイルセンサ１と異なる点は薄膜部３がシリコン基板２の裏面側からの異方性エッチングによって形成されたものである点と、チップサーミスタ１０に形成された２つのパッド１５，１６のそれぞれがワイヤーボンディングによってリード線３２，３３を介してシリコン基板２上にパターン成形されたパッド３４，３５に接続してある点である。

なお、図示を省略するがパッド３４，３５はシリコン基板２上にパターン成形された回路や、サーモパイルセンサ３１を外部の電気回路に接続するためにシリコン基板２上にパターン成形された比較的大きな面積を有するパッドなどに引き出して配線されてもよい。

第２実施例のようにシリコン基板２の裏面側からエッチングを行って薄膜部３を形成することにより、薄膜部３の裏面側に、この薄膜部３の面積Ｓ₁よりも広い面積Ｓ₃で開放された空間２ｃを形成することができるので、シリコン基板２の厚肉部４が温度変化したときに輻射熱によって薄膜部３の温度が変化することを防止できる。また、薄膜部３の裏面側の空間２ｃを通気開放することも可能である。

また、チップサーミスタ１０が、予めリード線３２，３３によってシリコン基板２上にパターン成形された回路に電気的に接続されているので、このサーモパイルセンサ３１を図３に示すようなステム２１に固定して、熱型赤外線検出器を形成するときに、リードピン２４，２５ａ，２５ｂ，２６をシリコン基板２上にパターン成形された比較的大きなパッドに接続することができる。つまり、チップサーミスタ１０上の狭い面積のパッド１５，１６を直接リードピン２４，２５ａ，２５ｂ，２６に接続する必要がないので、サーモパイルセンサ３１とリードピン２４，２５ａ，２５ｂ，２６の電気的な接続を容易に行なうことができ、サーモパイル素子の上部空間でリード線が交錯することが避けられる。

図５は第３実施例のサーモパイルセンサ３６の構成を示す図である。図５において、図１〜４と同じ符号を付した部材は同一または同等の部材であるから、その詳細な説明を省略する。

第３実施例のサーモパイルセンサ３６において、３７は、上面に上部電極３８、下面に下部電極３９が形成されてなるチップサーミスタ、４０は凹部９の底面にパターン成形された接続部である。チップサーミスタ３７は、その下部電極３９を、エポキシ樹脂に銀を分散させてなる銀エポキシなどの導電性接着剤によって接続部４０に接続することにより、凹部９に嵌合するように固定されると同時に電気的に接続してある。一方、上部電極３８はワイヤーボンディングによってリード線４１を介してシリコン基板２上にパターン成形されたパッド４２に接続してある。

本実施例のように構成することにより、チップサーミスタ３７をシリコン基板２に取り付けるだけで、下部電極３９と接続部４０の電気的な接続を行なうことができるので、組付容易である。加えて、導電性接着剤によってシリコン基板２の肉厚部４に接続されたチップサーミスタ３７は、肉厚部４との熱的な結合も良好であるから、より正確な温度補償を行なうことができる。なお、下部電極３９と接続部４０の接続は導電性接着剤によって行われることに限られず、例えば金属ボールを用いた金属バンプによって接続してあってもよい。また、リード線４１はパッド４２を介さずに直接リードピンに接続した構成でもよい。更に温度補償素子はチップ型のサーミスタのほか、チップ型の金属（白金など）抵抗測測温体であってもよい。

第１実施例のサーモパイルセンサを示す平面図である。前記サーモパイルセンサの断面図である。前記サーモパイルセンサを用いて形成される熱型赤外線検出器の例を示す図である。第２実施例のサーモパイルセンサを示す断面図である。第３実施例のサーモパイルセンサを示す断面図である。従来のサーモパイルセンサの一部の構成を示す断面図である。

符号の説明

１，３０，３１サーモパイルセンサ
２基板
３薄膜部
４肉厚部
５サーモパイル素子
６冷接点
７温接点
８熱電対
９凹部（段部）
１０サーミスタ（温度補償素子）

Claims

肉厚部および薄膜部が形成された基板と、
前記肉厚部に冷接点、薄膜部に温接点を配置した複数の熱電対が直列に接続されてなるサーモパイル素子と、
前記冷接点の近傍で基板自体に形成された段部と、
この段部に取り付けられた温度補償素子とを有することを特徴とするサーモパイルセンサ。
前記段部が凹部であり、前記温度補償素子がチップ型の温度補償素子である請求項１に記載のサーモパイルセンサ。