JP2006153675A

JP2006153675A - サーモパイル

Info

Publication number: JP2006153675A
Application number: JP2004345060A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Moriguchi; 雅彦森口; Tsukasa Kawakami; 司川上; Motoki Tanaka; 基樹田中; Shingo Kimura; 親吾木村; Koji Kawaguchi; 浩二川口
Original assignee: Nippon Ceramic Co Ltd
Current assignee: Nippon Ceramic Co Ltd
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】従来の平凸レンズ平面をチップ側に位置させ、センサー部が投影された地域を赤外線検出域とするサーモパイルには、各センサー部投影面積が大きく異なり、微小計測が困難という欠点を有していた。
さらに、レンズ周囲部に配置したセンサー部では、検出域からの赤外線の一部がセンサー部に入射されず出力低という欠点もあった。また、アセンブリ時ワイヤーボンディングの精度要求高とであり、作製困難であった。さらに、レンズ軸の角度ズレが発生しやすく、作製容易ではなかった。
【解決手段】平凸レンズ球面をチップ側に位置させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は、物体の赤外線を電気信号に変換し検出するセンサー部を複数有すサーモパイルに関するものである。

サーモパイルは、二種の物質で構成された熱電対でダイヤフラム上に温接点を形成し、周囲ヒートシンク部上に冷接点を形成し、熱電対、冷接点及び温接点上に絶縁保護膜を設け且つ温接点上に吸収膜を設置しセンサー部とするチップ構成を採る。
センサー部である吸収膜に入射した赤外線は熱に変換され温接点の温度上昇を生じ、各熱電対材料のゼーベック定数に比例した電圧が発生する。また、この電圧は、熱電対本数、ダイヤフラム端からの吸収膜距離、吸収膜面積の寄与も受け、これらが大になると電圧も大となる。

例えば４行４列のセンサー部を持つサーモパイルでも同様構成となっており、例えばＴＯ−５ステムに収納する場合、例えば外形角２．９ミリメートルサーモパイルチップに、一例として角０．２８１ミリメートルの吸収膜が１６ヶ配列され、吸収膜下には１組当たり０．０３ミリメートルの寸法の熱電対と長０．０４５ミリメートル、幅０．０２３ミリメートルの１６ヶの温接点が設けられている。

吸収膜位置は、例えばダイヤフラム中央部４ヶ所の吸収膜間隔は０．２２１ミリメートル、その他の吸収膜間隔は０．２８２ミリメートルに設定される。各吸収膜周囲に例えば距離０．０７３５ミリメートルの位置にヒートシンクが配列され、吸収膜間ヒートシンク及びチップ周囲ヒートシンク上には温接点と同一寸法の冷接点が位置する。周囲ヒートシンク部には、各検出域からの出力信号取り出しパッドが設けられている。これらパッドはステムリード等とのワイヤーボンディングを容易にするため、サーモパイルチップの２辺に集中されている。また、同一目的で各検出域の負電圧出力端子は統合され１ヶの共通パッドとなっている。

上記サーモパイルチップは例えばＴＯ−５等のステムにエポキシ系接着剤等でダイボンディングされ、ステムに設けられたリードとチップ周囲ヒートシンク部に設けたパッド等をボンディングワイヤーで電気的結線される。その後、入射窓に片面が平面であり、他方の面が球面である平凸レンズを設けた缶とステムは溶接される。平凸レンズ材質は例えば屈折率ｎが３．４であるシリコンが用いられている。その仕様は例えば焦点距離ｆが１．９５ミリメートル、中心厚ｔｃが２ミリメートル、レンズ径６．６５ミリメートルのものが使用されている。平凸レンズは缶に設けた例えば直径３．５ミリメートルの円形入射窓にエポキシ系接着剤等で特開平０８−０６２０３７に記されているようにチップ側を平面とし、例えばレンズ主点Ｈからチップまでの距離１．６５ミリメートルとして固定接着されている。この距離は予め缶高さを設定した缶を用いることにより達成している。また、缶に設けた円形入射窓の軸とステム外周の軸とは、缶・ステムを嵌め合い構造を採用することにより一致させている。
以上により、サーモパイルチップセンサー部は平凸レンズで投影され赤外線検出域が形成され、各検出域の赤外線量に比例した電圧を出力とするサーモパイルが完成となる。

図５に従来のサーモパイル概念断面図を示す。
図９に上記４行４列の検出域を持つサーモパイルの斜視概念図を示す。
図１０に上記４行４列サーモパイルチップのセンサー部配置を示す。
特開平０８−０６２０３７号

従来の平凸レンズ平面をチップ側に位置させた場合、レンズ周辺に位置させたセンサー部の投影面積がレンズ中央に位置させたセンサー部投影面積に比較し極めて大となり、レンズ周辺に設けた同センサー部での微小計測が困難という欠点を有していた。

例えば、前述の外形角２．９ミリメートルで４行４列の角０．２８１ミリメートルのセンサー部が中央４ヶ所のセンサー部間隔は０．２２１ミリメートル、その他のセンサー部間隔は０．２８２ミリメートルとしたサーモパイルに焦点距離１．９５ミリメートル、中心厚２ミリメートルのシリコン平凸レンズが平面をチップ側としてレンズ主点Ｈからチップまでの距離１．６５ミリメートルで設置されている場合において、図１０に示した中央センサー部対角頂点ａ、ｂ及び四隅センサー部対角頂点ｃ、ｄの投影像を考える。

簡単化のため、各点よりレンズ軸と平行方向に出射した光を考えると、レンズからの距離１００ミリメートルの地点では図６に示すように、中央センサー部対角頂点ａ、ｂの投影点ａａ、ｂｂ間の距離は、２２．２１ミリメートルであるのに対し、四隅センサー部対角頂点ｃ、ｄの投影点ｃｃ、ｄｄ間の距離は１３０．１９ミリメートルとなりａａ、ｂｂ間の距離の５．８６倍となる。面積はこれの自乗となるので、従来方式では、四隅センサー部投影面積が、中央センサー部投影面積の３４．３倍となっていた。

図７は従来のサーモパイルセンサー部上の地点ａ、ｂ、ｃ、ｄにおけるレンズ軸と平行方向の光線軌跡を示したものである。同図は明瞭化のため缶側壁、ステムは省略している。

さらに、レンズ周辺に位置するセンサー部では、検出域からの赤外線の一部がセンサー部に入射されず出力低という欠点もあった。例えば上述例の四隅センサー部対角頂点ｄにおいて、図８に示すようにレンズ軸と＋１０度の角度をなす光線はレンズ球面法線に対し１７．４２度の角度を持つ。これは臨界角１７．１０度以上であるため、レンズ球面で全反射を起こし外部に出射されない。すなわち、四隅センサー部対角頂点ｄにはレンズ軸に対し＋１０度の角度をなす光線は検出域から入射されず、出力は低となる。

また、レンズとチップ間距離が小のため、サーモパイルチップアセンブリ時のボンディングワイヤー高さ等の許容値が小となり、作製精度高となっていた。
即ち上述例では、レンズ主点Ｈとチップ間距離は１．６５ミリメートルであるが、図７に示す様に平凸レンズの平面側主点Ｈは平面より、レンズ中心厚ｔｃをレンズ材質屈折率ｎで割った値である０．５９ミリメートル内側に位置するため、レンズ平面とチップ間距離は１．０６ミリメートルとなる。

さらに、缶に設けた円形入射窓に平凸レンズ接着固定時に、レンズ軸と缶の軸の角度ズレが発生しやすく作製精度高となり、角度ズレ防止のため、レンズ接着特殊治具及び角度ズレ検査治具が必要であった。これは、缶円形穴にレンズ球面が接する全ての角度でレンズが保持可能なため発生していた。

平凸レンズ球面をチップ側に位置させる。

平凸レンズ球面をチップ側に位置させると、レンズ中央に位置させたセンサー部の投影面積に対するレンズ周辺に位置するセンサー部投影面積の比が従来技術に比べ小となり、レンズ周辺に位置させたセンサー部での微小計測が可能となる。
さらに、平凸レンズ球面をチップ側に位置させると、レンズ周辺に位置するセンサー部において、レンズ全反射のため、入射されなかった赤外線もセンサー部に入射され出力増となる。
また、平凸レンズ球面をチップ側に位置させると、レンズ主点Ｈとチップ間距離を従来と同一としても、レンズとチップ間距離が大となるため、サーモパイルチップアセンブリ時のボンディングワイヤー高さ等の許容値が大となり、作製容易となる。
さらに、平凸レンズ球面をチップ側に位置させると、缶に設けた円形入射窓に平凸レンズ接着固定時に、レンズ軸と缶の軸角度ズレが発生せず作製容易となり、角度ズレ防止のためのレンズ接着特殊治具及び角度ズレ検査治具が不要となる。

サーモパイルチップは基板材上にダイヤフラム構成膜形成した後、熱電対パターン、絶縁保護膜、吸収膜の順で作製され、最後に裏面よりエッチングしダイヤフラムを作製する。
熱電対パターン、絶縁保護膜、吸収膜、ダイヤフラムは成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法を使用して作製され、予め多数のチップが得られるように設計されたフォトマスクが使用される。
サーモパイルチップを多数形成した基板材はダイシングソー等で切断され、ＴＯ−５等のステムにダイボンダー等でダイボンディングする。その後、ステムリードとチップ上に設けたパッドとを金ワイヤー等でワイヤーボンディングする。
さらに、例えば円形入射窓に球面を内側としてエポキシ系接着剤等で平凸レンズを接着した缶とステムを溶接する。レンズ主点Ｈからチップまでの距離は予め缶高さを設定した缶を用いることにより達成する。
以上により、球面がチップ側に位置し、チップセンサー部が平凸レンズで投影され赤外線検出域とするサーモパイルが完成となる。

以下に本発明実施例として、背景技術の項で記した４行４列の検出域を有し、チップセンサー部が球面をチップ側に位置させた平凸レンズで投影され赤外線検出域を形成するサーモパイル作製手順例を記す。

サーモパイルチップは一例として下記作製手順で作製される。
基板材を一例として厚０．４ミリメートルのシリコンウェハーとし、シリコンウェハー上に酸化ケイ素、窒化シリコン等の例えば総厚０．００２ミリメートルの膜をＣＶＤ法等により形成する。これら膜がダイヤフラム構成膜となる。
熱電対は例えば一方をニクロム、他方をビスマスアンチモン等の異なるゼーベック定数を持つ二種の材料が用いられ、上記成膜したシリコンウェハー上に熱電対パターンを多数形成する。この時、成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法を使用し、例えばニクロム幅０．００６ミリメートル、ビスマスアンチモン幅０．０１ミリメートル、両者の間隔を０．００７ミリメートルとする熱電対1組当たり０．０３ミリメートル、接点長０．０４５ミリメートル、接点幅０．０２３ミリメートルの微細パターンが形成される。露光工程には予めパターン設計したフォトマスクを用いる。
他の熱電対材料例として、一方をポリシリコン、他方をアルミニウムとしてもよい。

さらに、熱電対、冷接点及び温接点上に位置する絶縁保護膜として例えば、厚０．００２ミリメートルのポリイミド膜を全面コーティング後露光・エッチング等の半導体工程手法にて所定形状に加工する。

その後出力取り出し用パッドしてアルミニウム等のパッドを成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法を用い設ける。このパッドは金ワイヤー、アルミニウムワイヤー等でワイヤーボンディング可能な例えば長０．１２ミリメートル幅０．１ミリメートル等のサイズに予め設定されている。また、パッド下地には、シリコンウェハーに対する付着強度大であるニクロムが予め設けられている。
各検出域からの正電圧出力信号取り出し用パッドは、チップ作製最終工程でダイヤフラム形成時にチップ周囲ヒートシンクとなる地点に設定されている。これらパッドは後述するステムリード等とのワイヤーボンディングを容易にするため、チップ周囲ヒートシンクの２辺に集中されている。また、同一目的で各検出域の負電圧出力端子は統合され１ヶの共通パッドとなっている。

続いて、例えば厚０．００１ミリメートル吸収膜を成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法により作製する。これは、一例として角０．２８１ミリメートルの吸収膜が１６ヶ配列され、吸収膜位置は、例えばダイヤフラム中央部４ヶ所の吸収膜間隔は０．２２１ミリメートル、その他の吸収膜間隔は０．２８２ミリメートルに設定されたフォトマスクを用いて作製される吸収膜形成域がサーモパイルセンサー部となる。

その後、裏面保護パターンをフォトレジスト等で露光等の半導体工程手法で形成し、フッ化炭素系ガスを用い、高密度プラズマエッチング装置等でプラズマエッチングしダイヤフラムを作製する。この時フッ化炭素系ガスは、横方向エッチングスピード低で垂直なエッチングが可能な構成のガスが選定される。
予め裏面保護パターンを吸収膜間及びチップ周囲部に設定しておくと、ヒートシンクが吸収膜間及びチップ周囲に形成される。これにより、各吸収膜周囲に例えば距離０．０７３５ミリメートルの位置にヒートシンクが配列され、吸収膜サイズ角０．２８１ミリメートルの場合ダイヤフラムサイズは角０．４２８ミリメートルとなる。熱電対パターンフォトマスクに於ける冷接点位置設定により、ヒートシンク上に冷接点が位置することとなる。
吸収膜サイズ０．２８２ミリメートル、中央部４ヶ所の吸収膜間隔０．２２１ミリメートルの場合ヒートシンク幅０．０７４ミリメートルとなり、０．０４５ミリメートルの長さを持つ接点をこの上に設けることは、ダイヤフラム端より０．０４５ミリメートルの地点に位置することより不可である。吸収膜間隔０．２８２ミリメートルに対しては、ヒートシンク幅０．１３５ミリメートルとなり冷接点を設けることができる。よって、背景技術の項で記載した例の場合、各吸収膜に対し周囲２辺のヒートシンク上に冷接点が配置され、各吸収膜には１６本の熱電対が配列される。

上述した基板材上に多数形成された４行４列サーモパイルチップは一例として、材質を屈折率ｎが３．４であるシリコン、焦点距離ｆが１．９５ミリメートル、中心厚ｔｃが２ミリメートル、レンズ径６．６５ミリメートルの平凸レンズを用い、レンズ主点Ｈからチップまでの距離１．６５ミリメートルとして以下手順でアセンブリされる。

サーモパイルチップを多数形成した例えば厚０．４ミリメートルのシリコンウェハーをカット用シートに貼り付けた後、ダイシングソー等で所定寸法例えば角２．９ミリメートル等に切断加工する。このとき切りしろを考慮し、チップは例えば角２．９５ミリメートルで基板材上に配置しておく。

次にカット用シートごとダイボンダーにセットし、ＴＯ−５等のステムにサーモパイルチップを例えばエポキシ系接着剤を用い所定位置にダイボンディングする。

その後、例えば線径０．０２５ミリメートルの金ワイヤーでチップ周囲ヒートシンク部に設けたパッドとステムに設けられたリードとをワイヤーボンダー等の装置を用い電気的結線する。

さらに、例えば直径３．５ミリメートルの円形入射窓に球面を内側としてエポキシ系接着剤等で平凸レンズを接着した缶とステムを溶接する。レンズ主点Ｈからチップまでの距離１．６５ミリメートルは予め缶高さを設定した缶を用いることにより達成する。ここで、缶に設けた円形入射窓の軸とステム外周の軸とは、缶・ステムを嵌め合い構造を採用することにより一致させている。

以上により、球面がチップ側に位置し、チップセンサー部が平凸レンズで投影され赤外線検出域とするサーモパイルが完成となる。
図１に本発明のサーモパイル概念断面図を示す。

上述例は、背景技術の項で記載したサーモパイルとチップ仕様、レンズ仕様等は同一であり、唯一平凸レンズ保持方向のみが異なる。

いま、平凸レンズ球面をチップ側に配置した場合、図１０に示した中央センサー部対角頂点ａ、ｂ及び四隅センサー部対角頂点ｃ、ｄの投影像を考える。
発明が解決しようとする課題の項と同じく、簡単化のため、各点よりレンズ軸と平行方向に出射した光を考えると、レンズからの距離１００ミリメートルの地点では図２に示すように、中央センサー部対角頂点ａ、ｂの投影点ａ’、ｂ’間の距離は、２１．５２ミリメートルとなり、四隅センサー部対角頂点ｃ、ｄの投影点ｃ’、ｄ’間の距離は４１．９０ミリメートルとなる。即ち従来技術では５．８６倍であった距離比が１．９５倍となる。面積はこれの自乗となるので、従来技術では、四隅センサー部投影面積が、中央センサー部投影面積の３４．３倍となっていたのに対し、本発明例では３．８倍に低減する。
図３は本発明のサーモパイルセンサー部上の地点ａ、ｂ、ｃ、ｄにおけるレンズ軸と平行方向の光線軌跡を示したものである。同図は明瞭化のため缶側壁、ステムは省略している。

さらに、平凸レンズ球面をチップ側に配置した場合、上述例の四隅センサー部対角頂点ｄにおいて、図４に示すようにレンズ軸と＋１０度の角度をなす光線はレンズ平面法線に対し１２．７３度の角度を持つ。これは臨界角１７．１０度未満であるので、レンズ平面外に出射される。すなわち、従来技術では、四隅センサー部対角頂点ｄにはレンズ軸に対し＋１０度の角度をなす光線は検出域から入射されないのに対し、本発明例では入射され出力が増となる。
また、平凸レンズ球面をチップ側に配置した場合、平凸レンズの球面側主点Ｈは、図３に示すように球面頂点に位置するので、レンズ球面頂点とチップ間距離はレンズ主点Ｈとチップ間距離と同一の１．６５ミリメートルとなる。即ち、従来技術ではレンズとチップ間距離は１．０６ミリメートルであったものが、本発明例では０．５９ミリメートル増となり、サーモパイルチップアセンブリ時のボンディングワイヤー高さ等の許容値が大となる。
また、平凸レンズ球面をチップ側に配置した場合、缶内側平面に平凸レンズ平面を接着固定するので、レンズ軸と缶の軸の角度ズレは機構的に発生せず、缶とレンズとの接着作業は容易となる。
尚、上記チップ作製手順及びアセンブリ手順に記したように本発明はアセンブリ最終工程での缶に対するレンズ保持方向変更であり、チップ作製工程・手順及びアセンブリ工程・手順の変更無しで容易に行うことができる。
また、本発明は他の仕様の平凸レンズ例えば材質シリコン、焦点距離ｆ１．５ミリメートル、中心厚ｔｃ２ミリメートル、レンズ径６ミリメートルにも適用できる。

本発明サーモパイルの構造を示す概念断面図である。本発明サーモパイルのセンサー上各地点の投影位置を示す図である。本発明サーモパイルにおけるセンサー部上各地点のレンズ軸平行方向光線の軌跡を示した図である。本発明サーモパイルにおけるレンズ周囲に配置されたセンサー部上地点のレンズ軸と＋１０度の角度なす光線の軌跡を示した図である。従来サーモパイルの構造を示す概念断面図である。従来サーモパイルのセンサー上各地点の投影位置を示す図である。従来サーモパイルにおけるセンサー部上各地点のレンズ軸平行方向光線の軌跡を示した図である。従来サーモパイルにおけるレンズ周囲に配置されたセンサー部上地点のレンズ軸と＋１０度の角度なす光線の軌跡を示した図である。４行４列サーモパイルチップの構造を示す斜視概念図である。４行４列サーモパイルチップのセンサー部配置を示した図である。

符号の説明

１平凸レンズ
２サーモパイルチップ
３サーモパイルチップセンサー部
４缶
５入射窓
６ステム
７リード
８ボンディングワイヤー
９温接点
１０冷接点
１１熱電対
１２ダイヤフラム構成膜
１３絶縁保護膜
１４パッド
１５負電圧出力共通パッド
１６周囲ヒートシンク

Claims

二種の物質で構成された熱電対でダイヤフラム上に温接点を形成し、周囲ヒートシンク部上に冷接点を形成し、温接点上に吸収膜を設置し複数のセンサー部とするチップを形成し、さらにセンサー部を平凸レンズで投影し検出域とするサーモパイルにおいて、平凸レンズ球面をチップ側に位置させたことを特徴とするサーモパイル。