JP2009079946A - サーモパイル型赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】サーモパイル素子と同一の半導体基板に形成される増幅回路の消費電流による発熱に影響を軽減し、出力が安定した赤外線センサを提供する。
【解決手段】半導体基板５０に、サーモパイル素子１０からなる赤外線検出部１と、サーモパイル素子１０の出力を増幅する増幅回路からなる信号増幅部２とが形成され、赤外線検出部１と信号増幅部２との間に分離溝３が形成される。分離溝３によって赤外線検出部１と信号増幅部２との間の熱伝導が抑制されるため、信号増幅部２の消費電流に起因する発熱がサーモパイル素子１０の冷接点温度に与える影響が軽減され、出力が安定する。
【選択図】図１

Description

本発明はサーモパイル型の赤外線センサに関し、特にサーモパイル素子と当該サーモパイル素子の出力を増幅する増幅回路とが同一の半導体基板上に形成される赤外線センサに関する。

サーモパイル型の赤外線センサは、赤外線を電気信号に変換するサーモパイル素子と、サーモパイル素子の冷接点温度を検出してセンサ出力を補正するための温度センサと、これらの出力を増幅する増幅回路とによって構成される。従来の一般的なサーモパイル型の赤外線センサは、サーモパイル素子および増幅回路がそれぞれ別々の半導体基板で形成され、それぞれが１つのパッケージ内で接続される構成となっていた。

しかし、サーモパイル素子と増幅回路が別々の半導体基板上に形成されると、各半導体基板間の配線が長くなるほど、外部からのノイズが大きくなってしまうという問題があった。このような問題を解決するため、特許文献１には、サーモパイル素子および増幅回路を同一の半導体基板上に形成する赤外線センサが提案されている。

特許文献１の赤外線センサを図７に示す。図７の赤外線センサは、受光する赤外線量に応じた信号を生成するサーモパイル素子９１と、サーモパイル素子９１の冷接点温度を検出する温度センサ９２と、サーモパイル素子９１の出力を増幅する増幅回路９３と、温度センサ９２の出力を増幅する増幅回路９４と、が半導体基板９０上に形成されてなる。

特許文献１の赤外線センサは、サーモパイル素子９１と増幅回路９４とが同一の半導体基板９０に形成されることによって、各々を接続する配線を最小限の長さにすることができるため、配線を介しての外部ノイズの影響を抑えることができる。また、特許文献１の赤外線センサにおいて、温度センサ９２は、サーモパイル素子９１の冷接点のうち、入出力パッド９５から最も離れた位置に隣接していることで、入出力パッド９５を介したボンディングワイヤからの熱的な影響が軽減されるため、環境温度変化の影響を受けにくくすることができる。
特開２００１−０９１３６０号公報

しかしながら特許文献１の構成は、サーモパイル素子９１と増幅回路９３、９４とが同一の半導体基板上に隣接しているため、増幅回路９３、９４の消費電流に起因する発熱によって、サーモパイル素子９１の冷接点温度が上昇してしまう。サーモパイル型赤外線センサは、温接点温度と冷接点温度との温度差を検出して出力電圧を生成するという原理上、冷接点温度が安定しないと出力電圧も安定しないため、増幅回路９３、９４の消費電流の変動に伴ってサーモパイル素子９１の冷接点温度が変動してしまうと、出力電圧が不安定になってしまうという問題があった。

本発明は上記の問題点に鑑み、サーモパイル素子と同一の半導体基板上に形成される増幅回路の消費電流による発熱の影響を抑制し、出力が安定した赤外線センサを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明のサーモパイル型赤外線センサは、受光した赤外線量に応じた信号を出力するサーモパイル素子を含む赤外線検出部と、前記赤外線検出部によって生成された前記信号を増幅する増幅回路を含む信号処理部とを同一の半導体基板に形成したサーモパイル型赤外線センサであって、前記赤外線検出部と前記信号処理部との間に位置する前記半導体基板に形成された前記赤外線検出部と前記信号処理部との間の熱伝導を抑制する熱分離部を有する。

前記熱分離部は、前記半導体基板の表面に形成された溝領域で構成されてもよい。

前記溝領域は、前記赤外線検出部を囲って形成され構成でもよい。

前記熱分離部は、前記半導体基板の表面に形成された、前記サーモパイル素子と同じ構造を有するダミーのサーモパイル素子で構成されてもよい。

前記ダミーのサーモパイル素子は複数あり、前記赤外線検出部を囲って形成される構成でもよい。

前記ダミーのサーモパイル素子は、前記赤外線検出部を構成するサーモパイル素子と同一の寸法で形成される構成でもよい。

また、前記赤外線検出部と同一の半導体基板に、前記赤外線検出部と隣接し、かつ前記信号増幅部からの熱伝導が抑制された領域に、前記赤外線検出部に含まれるサーモパイル素子の冷接点温度を検出する温度センサが形成される構成であってもよい。

本発明に係る赤外線センサによれば、前記赤外線検出部と前記増幅回路の間に設けられる熱分離溝によって前記増幅回路と前記赤外線検出部との間の熱伝導が抑制される構成であるため、前記赤外線検出部に含まれるサーモパイル素子の冷接点温度が前記増幅回路の消費電流に与えられる影響を軽減し、出力を安定させることができる。また、前記赤外線検出部と前記増幅回路の間に複数のダミー素子が設けられることによっても前記増幅回路と前記赤外線検出部との間の熱伝導が抑制され、その出力を安定させることができる。

以下、本発明の赤外線センサを図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサを示す平面図である。そして、図２は、図１に示されたＡ‐Ａ部における断面を示した図である。図１の赤外線センサは、サーモパイル素子からなる赤外線検出部１、信号処理部としての増幅回路２、および熱分離部としての分離溝３が半導体基板５０に形成されてなる。

赤外線検出部１を構成するサーモパイル素子は、ｐ型ポリシリコン１１とｎ型ポリシリコン１２とが交互に直列接続されることによって熱電対を構成し、そのｐ型ポリシリコン１１とｎ型ポリシリコン１２との接続点は、それぞれ交互に、赤外線吸収膜１３に覆われた温接点部１４と、その周縁部に位置する冷接点部１５を構成する。これら熱電堆および赤外線吸収膜はメンブレン１６上に形成される。図２に示されるように、このメンブレン１６は空洞１７上に跨って形成され、その空洞部上に温接点部１４が位置することで、温接点部１４と冷接点部１５とを熱的に分離される。ｐ型ポリシリコン１１およびｎ型ポリシリコン１２から構成される熱電対によって、温接点部１４と冷接点部１５との温度差を検出し、それを電圧信号として出力する。

信号増幅部は、赤外線検出部１を構成するサーモパイル素子の出力信号を増幅する増幅回路２から構成される。図示していないが、増幅回路２と赤外線検出部１とは半導体基板５０上に形成された配線等によって接続され出力信号が伝達される。このように増幅回路２と赤外線検出部１は、ともに半導体基板５０に形成されることで、これらを接続する配線の長さを最小限にすることができるため、外部からのノイズの影響を抑えることができる。

分離溝３は、図２に示すように、赤外線検出部１と増幅回路２との間の半導体基板５０に形成された溝であり、この分離溝３によって、増幅回路２からサーモパイル素子に対する直接的な熱流が遮断される。そして増幅回路２から分離溝３の下方、および側方を介して冷接点部１５へ至る熱流は、信号増幅部２から冷接点部１５へ直接至る熱流よりも十分に小さいことから、サーモパイル素子に含まれる冷接点部１５の温度は、増幅回路２の発熱を受けず安定する。本実施例の赤外線センサは、分離溝３の長さが、増幅回路２に面したサーモパイル素子の長さＬ以上に形成される。

本実施例に係る赤外線センサは、分離溝３によってサーモパイル素子と増幅回路２との間の熱伝導が抑制されることで、サーモパイル素子に含まれる冷接点部１５の温度が信号増幅部２の発熱に影響されないため、センサとしての出力を安定させることができる。

なお、本実施例において、赤外線検出部１はサーモパイル素子１０が単体で構成された例を示したが、サーモパイル素子が複数行、複数列に配置されたサーモパイルアレイによって構成されてもよい。図３は、サーモパイルアレイによって構成された赤外線検出部１を有する赤外線センサの平面図であり、上述の実施例同様に赤外線検出部１と増幅回路２との間の半導体基板５０には、両者間の熱の影響を抑制するための分離溝３が形成される。

図４に本発明の第２の実施例に係る赤外線センサの平面図を示す。図４に示される赤外線センサは、サーモパイル素子１０が複数行、複数列に配置されたサーモパイルアレイからなる赤外線検出部１と、信号増幅部２と、赤外線検出部１を囲む分離溝３とから構成され、全てひとつの半導体基板上に形成されている。図示していないが、増幅回路２と赤外線検出部１とは半導体基板５０上に形成された配線等によって接続され出力信号が伝達される。そしてこの配線形成のための半導体基板領域を設けるため分離溝３は一部が途切れる場合もある。

本実施例の赤外線センサによると、赤外線検出部１が分離溝３に囲まれる構成であるため、赤外線検出部１は、信号増幅部２以外の構成要素との間の熱伝導も抑制され、サーモパイル素子１０に含まれる冷接点部１５の温度は、信号増幅部２以外の構成要素による温度変動、例えば半導体基板の周縁部に設けられたボンディングパッド（図示せず）を介したボンディングワイヤからの熱的な影響を抑えることもできる。

本発明の第３の実施例に係る赤外線センサの平面図を図５に示す。図５の赤外線センサは、サーモパイル素子１０が複数行、複数列に配置されたサーモパイルアレイからなる赤外線検出部１と、増幅回路２と、一列に並べられた複数個のダミー素子４とから構成される。

ダミー素子４は、増幅回路２に面したサーモパイルアレイの行に平行して複数個配置される。ダミー素子４は図２に示されたサーモパイル素子１０と同じ製造工程中で製造され、同様の構造で、同一の面積からなるが、電気的には他の構成要素から切断される。それぞれのダミー素子４に含まれる空洞によって、赤外線検出部１と信号増幅部２とを結ぶ最短経路を空間的に遮断し、熱流を制限することで熱伝導を抑制する。

本実施例に係る赤外線センサは、赤外線検出部１と増幅回路２との間に複数のダミー素子４が並べて挿入されることで、赤外線検出部１と増幅回路２との間に、分離溝３が形成された第１実施例の赤外線センサと同等の効果を得ることができる。また、本実施例に係る赤外線センサは、サーモパイル素子１０とダミー素子４とが同じ構造、および同じ面積で形成されるため、ともに同一のプロセスで製造することができ、工程の簡略化を図ることができる。

なお、本実施例に係る赤外線センサは、ダミー素子４がサーモパイル素子１０よりも小さい面積で構成されてもよい。小面積で形成された複数のダミー素子４が、隙間なく配置されることで、それぞれのダミー素子４に含まれる空洞１７が密集し、半導体基板５０中を増幅回路２から赤外線検出部１へ直接至る熱流が減少するため、熱伝導の抑制効果が上がる。
また、熱分離部として溝を設けた場合と同様に、サーモパイル素子が複数行、複数列に配置されたサーモパイルアレイからなる赤外線検出部と、信号増幅回路とを有する赤外線センサにおいても、サーモパイルから構成されるダミー素子を、赤外線検出部を囲むよう形成することも可能である。

このような場合でも、赤外線検出部は、信号増幅回路以外の構成要素からの熱伝導も抑制され、サーモパイル素子に含まれる冷接点部の温度は、信号増幅回路以外の構成要素からの熱的な影響を抑えることもできる。

図６に、本発明の第４の実施例に係る赤外線センサが示す。図６の赤外線センサは、赤外線検出部１と、信号増幅部２と、分離溝３と、温度センサ５と、から構成される。温度センサ５は、赤外線検出部１を構成するサーモパイル素子１０に含まれる冷接点部１５の温度を検出するものであり、赤外線検出部１と隣接し、かつ分離溝３によって増幅回路２からの熱伝導の影響が抑制された領域に形成される。そして、例えばサーミスタや、バンドギャップ型のアナログセンサから構成される。

本実施例に係る赤外線センサは、赤外線検出部１とともに温度センサ５が半導体基板５０上に形成されることで、これらを互いに接続する配線を短くすることができるため、当該配線からの熱的影響による誤差を極小化することができる。また、温度センサ５と信号増幅部２との間は分離溝３によって熱伝導が抑制されているため、信号増幅部２の消費電流の変動によって、赤外線検出部１の冷接点部１５の温度および温度センサ５の検出する温度が影響されることなく、赤外線検出部と温度センサが別々の半導体基板に形成される赤外線センサよりも、サーモパイル素子１０に含まれる冷接点部１５の温度をより正確に検出することができる。

なお本実施例に係る赤外線センサでは、分離溝３によって赤外線検出部１と信号増幅部２との間の熱伝導を抑制していたが、分離溝３に替えて複数のダミー素子４が用いられてもよい。

本発明の第１の実施例に係る赤外線センサの平面図。 図１のＡ−Ａ’についての断面図。 本発明の第１の実施例に係るサーモパイルアレイ構造を有する赤外線センサの平面図。 本発明の第２の実施例に係る他の赤外線センサの平面図。 本発明の第３の実施例に係る赤外線センサの平面図。 本発明の第４の実施例に係る赤外線センサの平面図。 従来の赤外線センサを表す平面図。

符号の説明

１ 赤外線検出部
２ 増幅回路
３ 分離溝
４ ダミー素子
５ 温度センサ
１０ サーモパイル素子
１１ ｎ型ポリシリコン
１２ ｐ型ポリシリコン
１３ 赤外線吸収膜
１４ 温接点部
１５ 冷接点部
１６ ダイアフラム
１７ 空洞
５０ 半導体基板

Claims (7)

1. 受光した赤外線量に応じた信号を出力するサーモパイル素子を含む赤外線検出部と、前記赤外線検出部によって生成された前記信号を増幅する増幅回路を含む信号処理部とを同一の半導体基板に形成したサーモパイル型赤外線センサであって、少なくとも前記赤外線検出部と前記信号処理部との間に位置する前記半導体基板に形成された前記赤外線検出部と前記信号処理部との間の熱伝導を抑制する熱分離部を有することを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ。
2. 前記熱分離部は、前記半導体基板の表面に形成された溝領域であることを特徴とする請求項１に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
3. 前記溝領域は、前記赤外線検出部を囲って形成されることを特徴とする請求項１に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
4. 前記熱分離部は、前記半導体基板の表面に形成された、前記サーモパイル素子と同じ構造を有するダミーのサーモパイル素子であることを特徴とする請求項１に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
5. 前記ダミーのサーモパイル素子は複数形成されており、前記赤外線検出部を囲って形成されることを特徴とする請求項４に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
6. 前記ダミーのサーモパイル素子は、前記赤外線検出部を構成するサーモパイル素子と同一の寸法で形成されることを特徴とする請求項４又は請求項５のいずれか一項に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
7. 前記赤外線検出部と同一の半導体基板に、前記赤外線検出部と隣接し、かつ前記信号増幅部からの熱伝導が抑制された領域に、前記赤外線検出部に含まれるサーモパイル素子の冷接点温度を検出する温度センサが形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のサーモパイル型赤外線センサ。

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