JP2011215160A - 赤外線センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】応答速度の高速化を図れ、且つ、温度検知部の受光効率および感度の低下を抑制することができる赤外線センサを提供する。
【解決手段】ベース基板1と、赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する温度検知部3と、温度検知部3がベース基板1の一表面から離間して配置されるように温度検知部3を支持して温度検知部3とベース基板1とを熱絶縁する断熱部4と、温度検知部3におけるベース基板1側とは反対側に配置された受光レンズ20とを備える。温度検知部3は、ベース基板1の厚み方向に直交する面内で2次元アレイ状に配列された複数のボロメータ形のセンシングエレメントからなる温度検知素子3aを有し、全ての温度検知素子3aを直列接続してある。受光レンズ20は、各温度検知素子3aに各別に赤外線を収束させるように2次元アレイ状に配列された複数のレンズ小体21を有する。
【選択図】図1
【解決手段】ベース基板1と、赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する温度検知部3と、温度検知部3がベース基板1の一表面から離間して配置されるように温度検知部3を支持して温度検知部3とベース基板1とを熱絶縁する断熱部4と、温度検知部3におけるベース基板1側とは反対側に配置された受光レンズ20とを備える。温度検知部3は、ベース基板1の厚み方向に直交する面内で2次元アレイ状に配列された複数のボロメータ形のセンシングエレメントからなる温度検知素子3aを有し、全ての温度検知素子3aを直列接続してある。受光レンズ20は、各温度検知素子3aに各別に赤外線を収束させるように2次元アレイ状に配列された複数のレンズ小体21を有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、赤外線センサに関するものである。
従来から、熱型の赤外線センサとして、温度検知部がベース基板の一表面から離間して配置され、温度検知部が当該温度検知部とベース基板とを熱絶縁する断熱部を介してベース基板に支持された赤外線センサが提案されている(例えば、特許文献1参照)。なお、上記特許文献1に開示された赤外線センサでは、断熱部が、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜により構成されている。
ところで、上述のように温度検知部が断熱部を介してベース基板に支持された赤外線センサにおいて、応答速度の高速化を目的として、温度検知部の熱容量を低減するために温度検知部の平面サイズを小さくすることが考えられる。
しかしながら、上述の赤外線センサでは、温度検知部の平面サイズが小さくなると、受光効率が低下し感度が低下してしまう。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、応答速度の高速化を図れ、且つ、温度検知部の受光効率および感度の低下を抑制することができる赤外線センサを提供することにある。
請求項1の発明は、ベース基板と、赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する温度検知部と、温度検知部がベース基板の一表面から離間して配置されるように温度検知部を支持して温度検知部とベース基板とを熱絶縁する断熱部と、温度検知部におけるベース基板側とは反対側に配置された受光レンズとを備え、温度検知部は、ベース基板の厚み方向に直交する面内で2次元アレイ状に配列された複数の温度検知素子を有するとともに各温度検知素子ごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての温度検知素子が電気的に接続されてなり、受光レンズは、各温度検知素子に各別に赤外線を収束させるように2次元アレイ状に配列された複数のレンズ小体を有することを特徴とする。
この発明によれば、温度検知部が、ベース基板の厚み方向に直交する面内で2次元アレイ状に配列された複数の温度検知素子を有するので、温度検知部の熱容量を小さくできて応答速度の高速化を図れ、しかも、受光レンズが、各温度検知素子に各別に赤外線を収束させるように2次元アレイ状に配列された複数のレンズ小体を有するので、温度検知部の受光効率の低下を抑制することができ、温度検知部では、各温度検知素子ごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての温度検知素子が電気的に接続されているので、感度の低下を抑制することができる。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記温度検知部は、前記各温度検出素子が、温度に応じて電気抵抗値が変化するセンシングエレメントからなり、前記接続関係が直列接続であることを特徴とする。
この発明によれば、前記温度検知部が前記各温度検出素子として温度に応じて電気抵抗値が変化するセンシングエレメントを採用した構成において、前記各温度検知素子ごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる。
請求項3の発明は、請求項1の発明において、前記温度検知部は、前記各温度検出素子が、温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメントもしくは焦電型のセンシングエレメントのいずれか1種類のセンシングエレメントからなり、前記接続関係が並列接続であることを特徴とする。
この発明によれば、前記温度検知部が前記各温度検出素子として温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメントもしくは焦電型のセンシングエレメントのいずれか1種類のセンシングエレメントを採用した構成において、前記各温度検知素子ごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる。
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、前記断熱部は、多孔質材料により形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記断熱部が非多孔質材料により形成されている場合に比べて、断熱性が向上して感度が高くなるとともに、前記断熱部の熱容量を小さくできて応答速度の高速化を図れる。
請求項5の発明は、請求項4の発明において、前記多孔質材料は、多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマー、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料であることを特徴とする。
この発明によれば、前記断熱部の形成にあたっては、ゾルゲル溶液を前記ベース基板の前記一表面側に回転塗布してから、乾燥させるプロセスを採用することができ、前記断熱部を容易に形成することが可能となる。
請求項1の発明は、応答速度の高速化を図れ、且つ、温度検知部の受光効率および感度の低下を抑制することができるという効果がある。
以下、本実施形態の赤外線センサについて図1を参照しながら説明する。
本実施形態の赤外線センサは、矩形板状のベース基板1と、赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する温度検知部3と、温度検知部3がベース基板1の一表面(図1(b)における上面)から離間して配置されるように温度検知部3を支持して温度検知部3とベース基板1とを熱絶縁する断熱部4と、ベース基板1の上記一表面上に形成され温度検知部3および断熱部4を透過した赤外線を温度検知部3側へ反射する赤外線反射膜6とを有する赤外線センサ素子Bを備え、さらに、温度検知部3におけるベース基板1側とは反対側に配置された受光レンズ20を備えている。なお、本実施形態の赤外線センサは、検出対象の赤外線として人体から放射される8μm〜13μmの波長帯の赤外線を想定しており、赤外線反射膜6の材料としては、Al−Siを採用している。
ベース基板1は、シリコン基板1aと当該シリコン基板1aの一表面側に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜1bとで構成してある。また、ベース基板1は、平面形状が正方形状に形成されている。
断熱部4は、ベース基板1の上記一表面から離間して配置されベース基板1側とは反対側に温度検知部3が形成される支持部41と、支持部41とベース基板1とを連結した2つの脚部42,42とを有している。
これに対して、温度検知部3は、断熱部4の脚部42,42に沿って形成された配線8,8を介してベース基板1の上記一表面上の金属膜(例えば、Al−Si膜など)からなる導体パターン10,10と電気的に接続されている。ここにおいて、本実施形態では、各導体パターン10,10の材料としてAl−Siを採用しており、各導体パターン10,10それぞれの一部がパッドを構成しているので、一対のパッドを通して温度検知部3の出力を外部へ取り出すことができるようになっている。
上述の断熱部4における脚部42,42は、ベース基板1の上記一表面側において導体パターン10,10上に立設された2つの円筒状の支持ポスト部42a,42aと、各支持ポスト部42a,42aそれぞれの上端部と支持部41とを連結した梁部42b,42bとで構成されており、支持部41とベース基板1との間に間隙7が形成されている。ここで、各梁部42b,42bは、L字状の平面形状に形成されており、支持部41の厚み方向に沿った中心軸に対して回転対称性を有するように配置されている。なお、上述の配線8,8のうち脚部42,42の梁部42b,42b上に形成された第1配線部8aの線幅は、当該第1配線部8a,8aを通した熱伝達を抑制するために梁部42b,42bの幅寸法よりも十分に小さく設定してある。また、配線8,8のうち支持ポスト部42a,42aに沿って形成されている第2配線部8b,8bは、支持ポスト部42a,42aの内周面の全体と導体パターン10,10の表面とに跨って形成されており、支持ポスト部42a,42aが第2配線部8b,8bにより補強されている。本実施形態では、第1配線部8a,8aの材料として、温度検知部3と同じ材料を採用しており、後述のように第1配線部8a,8aと温度検知部3とを同時に形成している。
ところで、断熱部4における支持部41は、ベース基板1の厚み方向に直交する面内で2次元アレイ状に配列された複数(本実施形態では、9つ)の矩形状(本実施形態では、正方形状)の支持セル部41aと、支持部41全体としてつづら折れ状の形状となるように一方向において隣り合う支持セル部41a同士を連結した複数の連結部41bとで構成されており、各支持セル部41aそれぞれにおけるベース基板1側とは反対側に温度検知素子3aが形成されている。ここで、断熱部4は、上記一方向において隣り合う支持セル部41a間の熱伝達を抑制するために、連結部41bにおいて上記一方向に直交する幅方向の寸法を支持セル部41aの寸法に比べて十分に小さく設定してある。
上述の説明から分かるように、温度検知部3は、ベース基板1の厚み方向に直交する面内で2次元アレイ状に配列された複数(本実施形態では、9つ)の温度検知素子3aを有している。ここで、温度検知部3は、各温度検知素子3aごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての温度検知素子3aが電気的に接続されている。ここにおいて、温度検知素子3aは、温度に応じて電気抵抗値が変化するボロメータ形のセンシングエレメントであり、上記一方向において隣り合う支持セル部41a上に形成された温度検知素子3a同士が連結部41b上に形成された素子間接続用配線3bを介して直列接続されている。要するに、温度検知部3は、全ての温度検知素子3aが直列接続されており、各温度検知素子3aそれぞれの抵抗値変化に応じた出力変化が加算して出力されることになるので、上記接続関係を満足することができ、感度が高くなる。
温度検知素子3aは、支持セル部41a側のチタン膜と当該チタン膜上の窒化チタン膜とからなるセンサ層で構成され、平面形状が直線状あるいはL字状に形成されている。ここで、窒化チタン膜は、チタン膜の酸化防止膜として設けてある。また、素子間接続用配線3bは、温度検知素子3aと同じ材料を採用しており、温度検知素子3aと同時に形成している。なお、センサ層の材料としては、チタンに限らず、例えば、アモルファスシリコン、酸化バナジウムなどを採用してもよい。各温度検知素子3aの平面形状は特に限定するものではないが、例えば、図2に示すように、蛇行した形状(ここでは、つづら折れ状の形状)とすれば、各温度検知素子3aの抵抗値を大きくすることができ、感度を高めることができる。
温度検知素子3aは、温度に応じて電気抵抗値が変化するセンシングエレメントに限らず、サーモパイル型のセンシングエレメント、焦電型のセンシングエレメント、温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメントなどを採用してもよく、いずれのセンシングエレメントを採用した場合でも、材料を適宜選択することで一般的な薄膜形成技術を利用して形成することができる。
ここで、各温度検知素子3aとして、サーモパイル型のセンシングエレメントを採用する場合には、全ての温度検知素子3aを直列接続すれば、各温度検知素子3aそれぞれの熱起電力が加算して出力されることになるので、上記接続関係を満足することができ、感度が高くなる。
また、各温度検知素子3aとして、温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメントを採用する場合には、図3に示すように、支持セル部41a上の下部電極31aと下部電極31a上の誘電体膜32aと誘電体膜32a上の上部電極33aとで構成される温度検知素子3aを並列接続すれば、各温度検知素子3aの誘電率変化が加算して出力されることになるので、上記接続関係を満足することができ、感度が高くなる。ここにおいて、図3に示した例では、各温度検知素子3aの上部電極33aを共通接続するとともに各温度検知素子3aの下部電極31aを共通接続し、一方の配線8(図3における左側の配線8)を上部電極33aと電気的に接続し、他方の配線8(図3における右側の配線8)を下部電極31aと電気的に接続してある。誘電体膜32aの材料としては、例えば、PZT、BSTなどを採用すればよい。また、各温度検知素子3aとして、焦電型のセンシングエレメントを採用する場合には、温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメントの場合と同様、全ての温度検知素子3aを並列接続すれば、焦電効果により発生する電荷が加算して出力されることになるので、上記接続関係を満足することができ、感度が高くなる。
ところで、本実施形態の赤外線センサでは、断熱部4の脚部42,42および支持部41が多孔質材料により形成されている。ここで、断熱部4の脚部42,42および支持部41の多孔質材料として、多孔質の酸化シリコンの一種であるポーラスシリカを採用しているが、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマーの一種であるメチル含有ポリシロキサン、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの一種であるSi−H含有ポリシロキサン、シリカエアロゲルなどを採用してもよく、多孔質材料として、多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマー、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料を採用すれば、断熱部4の形成にあたっては、ゾルゲル溶液をベース基板1の上記一表面側に回転塗布してから、乾燥させるプロセスを採用することができ、断熱部4を容易に形成することが可能となる。
ここにおいて、本実施形態における断熱部4は、多孔度が60%のポーラスシリカ膜(多孔質シリコン酸化膜)により構成してあるが、多孔度が小さ過ぎると十分な断熱効果が得られず多孔度が大き過ぎると機械的強度が弱くなって構造形成が困難となるので、ポーラスシリカ膜の多孔度は例えば40%〜80%程度の範囲内で適宜設定することが望ましい。
ここで、2つの脚部42,42合計の熱コンダクタンスGは、脚部42の材料の熱伝導率をα〔W/(m・K)〕、脚部42の長さをL〔μm〕、脚部42の延長方向に直交する断面の断面積をSとすれば、G=2×α×(S/L)で求められるが、仮に、脚部42の材料がSiO2の場合には、α=1.4〔W/(m・K)〕、L=50〔μm〕、S=10〔μm2〕とすれば、熱コンダクタンスGは、
G=2×α×(S/L)=560×10−9〔W/K〕となる。
G=2×α×(S/L)=560×10−9〔W/K〕となる。
これに対して、本実施形態のように、脚部42を多孔度が60%のポーラスシリカ膜により構成している場合には、α=0.05〔W/(m・K)〕、L=50〔μm〕、S=10〔μm2〕とすれば、熱コンダクタンスGは、
G=2×α×(S/L)=2.0×10−8〔W/K〕
となり、熱コンダクタンスGを脚部42がシリコン酸化膜により構成される比較例の熱コンダクタンスGの10分の1よりも小さな値とすることができ、脚部42,42を通した熱伝達をより抑制することができ、高感度化を図れる。
G=2×α×(S/L)=2.0×10−8〔W/K〕
となり、熱コンダクタンスGを脚部42がシリコン酸化膜により構成される比較例の熱コンダクタンスGの10分の1よりも小さな値とすることができ、脚部42,42を通した熱伝達をより抑制することができ、高感度化を図れる。
また、支持部41の熱容量Cは、支持部41の体積比熱をcv、支持セル部41aの厚み方向に直交する断面の面積をA0、支持セル部41aの数をn、支持部41の厚み方向に直交する断面の面積をA〔μm2〕、支持部41の厚さをd〔μm〕とし、連結部41bの熱容量を無視すれば、C=cv×A×d=cv×(A0×n)×dで求められる。ここで、仮に、支持部41の材料がSiO2の場合には、cv=1.8×106〔J/(m3・K)〕、A0=225〔μm2〕、n=9、d=0.5〔μm〕とすれば、支持部41の熱容量Cは、
C=cv×A×d=18.3×10−10〔J/K〕となる。
C=cv×A×d=18.3×10−10〔J/K〕となる。
これに対して、本実施形態のように、支持部41を多孔度が60%のポーラスシリカ膜により構成している場合には、cv=0.88×106〔J/(m3・K)〕、A0=225〔μm2〕、n=9、d=0.5〔μm〕とすれば、支持部41の熱容量Cは、
C=cv×A×d=8.9×10−10〔J/K〕
となり、支持部41の熱容量Cを支持部41がシリコン酸化膜により構成される比較例の場合に比べて半分よりも小さな値とすることができ、時定数が小さくなって応答速度の高速化を図れる。
C=cv×A×d=8.9×10−10〔J/K〕
となり、支持部41の熱容量Cを支持部41がシリコン酸化膜により構成される比較例の場合に比べて半分よりも小さな値とすることができ、時定数が小さくなって応答速度の高速化を図れる。
受光レンズ20は、各温度検知素子3aに各別に赤外線を収束させるように2次元アレイ状に配列された複数(本実施形態では、9つ)のレンズ小体21を有している。ここで、受光レンズ20は、各レンズ小体21が平凸レンズであり、各レンズ小体21それぞれの凸曲面21b側の焦点が温度検知素子3aに合うように配置されている(なお、図1(b)中の一点鎖線は、受光レンズ20へ入射した赤外線を示している)。ここで、各温度検知素子3aの受光面の形状が仮に図4(a)に示すような正方形状の形状である場合、各温度検知素子3aの受光面を含む平面における赤外線の入射位置は、図4(a)中にドットで示すように大部分が温度検知素子3aの受光面上に存在することとなり、図4(a)のA−A’線上の各位置における赤外線受光量は図4(b)中に実線で示すような分布となる。一方、上述の受光レンズ20を備えていない場合の赤外線受光量の分布は図4(b)中に破線で示すような分布となる。要するに、本実施形態の赤外線センサでは、温度検知部3を複数の温度検知素子3aにより構成することで温度検知部3の受光面積が小さくなっているにも関わらず、上述の受光レンズ20を備えていることにより、温度検知部3での受光効率の低下を抑制することができる。また、受光レンズ20の材料としては、Siを採用しているが、遠赤外線の透過率が高い材料であればよく、例えば、Ge,InP,ZnSe,ZnS,Al2O3,CdSeなどを採用してもよい。ここにおいて、赤外線センサ素子Bの素子サイズを150μm□とした場合には、凸曲面21bの曲率半径は、0.05mm〜1mm程度の範囲で設定すればよく、受光レンズ20を備えていない場合の温度検知素子3aの受光効率に比べて、2〜5倍程度の受光効率を得ることが可能となる。
ところで、本実施形態の赤外線センサは、上述の赤外線センサ素子Bを収納するCANパッケージ(図示せず)を備えており、受光レンズ20が、CANパッケージにおいて赤外線センサ素子Bの前方(温度検知部3におけるベース基板1側とは反対側)に位置する前壁に設けられた透光窓を閉塞する形でCANパッケージの内側に配設されている。なお、パッケージの形態は特に限定するものではなく、例えば、チップサイズパッケージでもよく、チップサイズパッケージに受光レンズ20を一体に形成してもよい。
以下、赤外線センサ素子Bの製造方法について図5および図6を参照しながら説明する。なお、図5および図6では、図1(b)に示した断面図に対応する部位の断面を示してある。
まず、ベース基板1の基礎となる単結晶のシリコン基板(後述のダイシングを行うまではウェハ)1aの一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜1bを例えば熱酸化法により形成することによって、図5(a)に示す構造を得る。
その後、シリコン基板1aと絶縁膜1bとからなるベース基板1の一表面側(図5(a)における上面側)の全面に導体パターン10,10および赤外線反射膜6の材料からなる金属膜(例えば、Al−Si膜など)をスパッタ法などにより成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記金属膜をパターニングすることでそれぞれ上記金属膜の一部からなる導体パターン10,10および赤外線反射膜6を形成することによって、図5(b)に示す構造を得る。
次に、ベース基板1の上記一表面側の全面にレジストを回転塗布してレジスト層からなる犠牲層51を成膜し、その後、犠牲層51のうち各支持ポスト部42a,42aそれぞれの形成予定領域に対応する部位をエッチングして導体パターン10,10の一部の表面を露出させる円形状の開孔部53,53を形成することによって、図5(c)に示す構造を得る。
続いて、ベース基板1の上記一表面側の全面に断熱部4の材料である多孔質材料(例えば、ポーラスシリカ、シリカエアロゲルなど)からなる多孔質膜40を成膜することによって、図5(d)に示す構造を得る。ここにおいて、多孔質膜40の形成にあたっては、上記多孔質材料がポーラスシリカの場合には、ゾルゲル溶液をベース基板1の上記一表面側に回転塗布してから、熱処理で乾燥させるプロセスを採用することで容易に形成することができ、上記多孔質材料がシリカエアロゲルの場合には、ゾルゲル溶液をベース基板1の上記一表面側に回転塗布してから、超臨界乾燥処理で乾燥させるプロセスを採用することで容易に形成することができる。
その後、ベース基板1の上記一表面側の全面に温度検知部3であるセンサ層および第1配線部8a,8aの基礎となるチタン膜と窒化チタン膜との積層膜からなるセンサ材料層30をスパッタ法などにより成膜することによって、図5(e)に示す構造を得る。
次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してセンサ材料層30をパターニングすることでそれぞれセンサ材料層30の一部からなる温度検知部3(各温度検知素子3aおよび各素子間接続用配線3b)および第1配線部8a,8aを形成することによって、図6(a)に示す構造を得る。
その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して多孔質膜40をパターニングすることで断熱部4(支持部41および脚部42,42)を形成することによって、図6(b)に示す構造を得る。
続いて、ベース基板1の上記一表面側の全面に第2配線部8bの基礎となる金属膜(例えば、Al−Si膜)を成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して当該金属膜をパターニングすることで第2配線部8bを形成することによって、図6(c)に示す構造を得る。
次に、ベース基板1の上記一表面側の犠牲層51を選択的にエッチング除去することで支持部41とベース基板1との間に間隙7を形成することによって、図6(d)に示す構造の赤外線センサ素子Bを得る。ここで、上述のように赤外線センサ素子BをCANパッケージに収納する場合には、ダイシングを行うことで個々の赤外線センサ素子Bに分割すればよいし、パッケージの形態としてチップサイズパッケージを採用する場合には、例えば、ウェハレベルパッケージング技術などを利用してウェハレベルでパッケージングを行ってからダイシングを行えばよい。
以下、受光レンズ20の製造方法について図7〜図12を参照しながら説明する。
まず、受光レンズ20の基礎となるシリコン基板100の一表面側に有機材料からなるレジストをスピンコート法により回転途布してレジスト層101を形成するレジスト層形成工程を行うことによって、図7(a)に示す構造を得る。
レジスト層形成工程の後、受光レンズ形成用の金型110の凹凸パターンをレジスト層101に転写する転写工程を行うことによって、図7(c)に示す構造を得る。ここにおいて、転写工程では、図7(b)に示すように受光レンズ形成用の金型110をレジスト層101にプレスしてからレジスト層101を硬化させ、レジスト層101から金型110を離型する。
転写工程の後、反応性イオンエッチング装置を用いてシリコン基板100の上記一表面側からレジスト層101およびシリコン基板100を異方性エッチングするドライエッチング工程を行う(図7(d)は当該ドライエッチング工程の途中での断面形状を示し、同図中の矢印はイオンの入射方向を示している)ことによって、図7(e)に示す構造の受光レンズ20を得る。なお、ドライエッチング工程では、エッチングガスとして、例えば、SF6ガス、あるいは、SF6ガスとO2ガスとの混合ガスを採用すればよい。
ところで、上述の金型110としては、シリコン基板200(図9(a)参照)を用いて形成したマスタ(母型)120を基に複製した複製型を利用している。すなわち、図8(a)に示すようにマスタ120を型として用いて電鋳法によってニッケル製の電鋳型130を形成し、その後、図8(b)に示すように電鋳型130を型として用いて電鋳法によってニッケル製の金型110を形成している。
ここで、マスタ120の作製方法の一例について説明する。
まず、マスタ120の基礎となるシリコン基板200の一表面側に有機材料からなるレジストをスピンコート法により回転途布してレジスト層201を形成するレジスト形成工程を行うことによって、図9(a)に示す構造を得る。
その後、受光レンズ20の所望のレンズ形状に応じて設計した凹凸パターンを形成した金属製(本実施形態では、Ni−P)の構造体からなる型材220の凹凸パターンをレジスト層201に転写する転写工程を行うことによって、図9(d)に示す構造を得る。ここにおいて、転写工程では、図9(b)に示すように型材220とレジスト層201の表面に対向させた後、図9(c)に示すように型材220をレジスト層201にプレスしてからレジスト層201を硬化させ、続いて、図9(d)に示すようにレジスト層201から型材220を離型する。なお、型材220は、型材220の基礎となる金属板230(図10(a)参照)の一表面を図10(b)に示すようにダイヤモンドバイト240により切削加工することによって作製してあり、図11(a),(b)に示すように、四角錘状の山部220aが2次元アレイ状に配列されており、レジスト層201は、図12(a),(b)に示すような凹凸パターンとなる。
上述の転写工程が終了した後、シリコン基板200の上記一表面側からレジスト層201およびシリコン基板200を等方性エッチングすることでシリコン基板200の上記一表面に凹凸パターン(本実施形態では、各レンズ小体21の凸曲面21bそれぞれに対応する複数の凹曲面120bを有するパターン)を形成するパターン形成工程を行うことによって、図9(f)に示す構造のマスタ120を得る。なお、図9(e)はパターン形成工程の途中での断面形状を示してある。
以上説明した本実施形態の赤外線センサでは、温度検知部3が、ベース基板1の厚み方向に直交する面内で2次元アレイ状に配列された複数の温度検知素子3aを有するので、温度検知部3の熱容量を小さくできて応答速度の高速化を図れ、しかも、受光レンズ20が、各温度検知素子3aに各別に赤外線を収束させるように2次元アレイ状に配列された複数のレンズ小体21を有するので、温度検知部3の受光効率の低下を抑制することができ、温度検知部3では、各温度検知素子3aごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての温度検知素子が電気的に接続されているので、感度の低下を抑制することができる。
また、本実施形態の赤外線センサでは、支持部41が多孔質材料により形成されているので、支持部41がSiO2やSi3N4などの非多孔質材料により形成されている場合に比べて、支持部41の低熱容量化を図れ、応答速度のより一層の高速化を図れる。さらに、本実施形態の赤外線センサでは、断熱部4における脚部42も多孔質材料により形成されているので、脚部42がSiO2やSi3N4などの非多孔質材料により形成されている場合に比べて、脚部42の熱コンダクタンスを小さくできて高感度化を図れるとともに脚部42の熱容量を小さくできて応答速度の高速化を図れるから、従来に比べて高性能となる。
また、本実施形態の赤外線センサでは、ベース基板1の上記一表面側に、温度検知部3および支持部41を透過した赤外線を温度検知部3側へ反射する赤外線反射膜6が設けられているので、温度検知部3での赤外線の吸収効率を高めることができ、温度検知部3の高感度化を図れる。
なお、上記実施形態にて説明した赤外線センサでは、1枚のベース基板1に対して温度検知部3を1つだけ設けてあるが、ベース基板1の一表面側において温度検知部3を2次元アレイ状(マトリクス状)に配列し、各温度検知部3それぞれが1画素を構成するようにした赤外線画像センサとしてもよい。また、上記実施形態にて説明した赤外線センサは、支持部41におけるベース基板1側とは反対側に温度検知部3を設けてあるが、温度検知部3は支持部41におけるベース基板1側に設けてもよい。
1 ベース基板
3 温度検知部
3a 温度検知素子
4 断熱部
20 受光レンズ
21 レンズ小体
3 温度検知部
3a 温度検知素子
4 断熱部
20 受光レンズ
21 レンズ小体
Claims (5)
- ベース基板と、赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する温度検知部と、温度検知部がベース基板の一表面から離間して配置されるように温度検知部を支持して温度検知部とベース基板とを熱絶縁する断熱部と、温度検知部におけるベース基板側とは反対側に配置された受光レンズとを備え、温度検知部は、ベース基板の厚み方向に直交する面内で2次元アレイ状に配列された複数の温度検知素子を有するとともに各温度検知素子ごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての温度検知素子が電気的に接続されてなり、受光レンズは、各温度検知素子に各別に赤外線を収束させるように2次元アレイ状に配列された複数のレンズ小体を有することを特徴とする赤外線センサ。
- 前記温度検知部は、前記各温度検出素子が、温度に応じて電気抵抗値が変化するセンシングエレメントからなり、前記接続関係が直列接続であることを特徴とする請求項1記載の赤外線センサ。
- 前記温度検知部は、前記各温度検出素子が、温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメントもしくは焦電型のセンシングエレメントのいずれか1種類のセンシングエレメントからなり、前記接続関係が並列接続であることを特徴とする請求項1記載の赤外線センサ。
- 前記断熱部は、多孔質材料により形成されてなることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の赤外線センサ。
- 前記多孔質材料は、多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマー、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料であることを特徴とする請求項4記載の赤外線センサ。
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- 2011-08-01 JP JP2011168056A patent/JP2011215160A/ja active Pending
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