JP2725965B2 - Infrared sensor - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、赤外線センサに関
し、詳しくは、温度による抵抗値の変化を利用して赤外
線を検出する熱型赤外線センサに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an infrared sensor, and more particularly, to a thermal infrared sensor that detects infrared rays by using a change in resistance value with temperature.
【０００２】[0002]
【従来の技術】人体検知などに用いられる赤外線センサ
は、微弱な赤外線の輻射エネルギーを検出しなければな
らないため、高感度が要求される。赤外線センサに従来
使用されていた焦電素子に代わって、最近、Ｓｉマイク
ロマシニング技術を用いた熱型赤外線検出素子の開発が
盛んに行われている。これは、薄膜抵抗体には、温度の
変化によって抵抗値が変化するという特性があることか
ら、このような薄膜抵抗体に一対の電極を取り付けてお
き、赤外線の輻射エネルギーによる薄膜抵抗体の温度変
化を検出しようというものである。2. Description of the Related Art An infrared sensor used for detecting a human body or the like must detect radiant energy of a weak infrared ray, and is required to have high sensitivity. In place of the pyroelectric element conventionally used for an infrared sensor, development of a thermal infrared detecting element using Si micromachining technology has been actively performed recently. This is because a thin film resistor has a characteristic that its resistance value changes with a change in temperature. Therefore, a pair of electrodes is attached to such a thin film resistor, and the temperature of the thin film resistor due to infrared radiation energy is increased. It is to detect changes.
【０００３】このような薄膜抵抗体を用いた熱型赤外線
素子は、半導体製造プロセスを利用して作製できるた
め、バッチ処理による大量生産、低コスト化、ＩＣとの
集積化が可能である等の特徴を有している。また、焦電
素子の欠点である、振動によってノイズが発生するとい
う問題がない点でも優れている。しかし、焦電素子に比
べて、感度が大幅に低いという大きな欠点があるため、
人体検知等に適用することは困難であった。Since a thermal infrared device using such a thin film resistor can be manufactured by utilizing a semiconductor manufacturing process, mass production by batch processing, cost reduction, integration with an IC, and the like are possible. Has features. It is also excellent in that there is no problem that noise is generated by vibration, which is a drawback of the pyroelectric element. However, compared to pyroelectric elements, there is a major disadvantage that the sensitivity is significantly lower,
It has been difficult to apply to human body detection and the like.
【０００４】そこで、薄膜抵抗体を用いた熱型赤外線素
子の感度を向上させるための工夫が様々になされてい
る。たとえば、赤外線検出部を熱絶縁性薄膜体の上に設
けるとともに、この熱絶縁性薄膜体を支持する基板のう
ち、赤外線検出部の裏側に対応する部分をエッチングで
欠除し、熱絶縁性薄膜体を中空状態にして周辺のみで支
持する、いわゆるダイアフラム構造が採用されている。
この構造では、赤外線検出部の熱が、薄い熱絶縁性薄膜
体のみを通じて周囲の基板側に伝達されることになるの
で、赤外線検出部の熱が基板側に逃げ難く、赤外線の輻
射エネルギーを薄膜抵抗体の温度変化に効率良く変換で
き、その結果、検出感度が向上する。Therefore, various devices have been devised for improving the sensitivity of a thermal infrared device using a thin film resistor. For example, while providing the infrared detecting section on the heat insulating thin film body, a portion of the substrate supporting the heat insulating thin film body corresponding to the back side of the infrared detecting section is etched away, and the heat insulating thin film is removed. A so-called diaphragm structure in which the body is hollow and supported only at the periphery is employed.
In this structure, the heat of the infrared detector is transmitted to the surrounding substrate only through the thin heat-insulating thin film, so that the heat of the infrared detector is less likely to escape to the substrate, and the infrared radiation energy is It can be efficiently converted to a change in the temperature of the resistor, and as a result, the detection sensitivity is improved.
【０００５】また、赤外線検出部の赤外線入射側に、フ
ィルタを設けておくことが行われている。このフィルタ
は、シリコンなどからなる基板の表面に光学干渉多層膜
がコーティングされたものなどからなり、検出しようと
する赤外線の波長帯を良好に透過させるとともに、雑音
となる不要な波長成分を遮断し、空気との屈折率差によ
る反射損失を軽減することができ、その結果、赤外線セ
ンサの感度を向上させることができる。Further, a filter is provided on the infrared ray incident side of the infrared ray detecting section. This filter consists of a substrate made of silicon or the like coated with an optical interference multilayer film, etc., and transmits the infrared wavelength band to be detected well, and blocks unnecessary wavelength components that become noise. In addition, reflection loss due to a difference in refractive index from air can be reduced, and as a result, the sensitivity of the infrared sensor can be improved.
【０００６】その他、従来採用されていた主な感度向上
方法は、熱絶縁性薄膜体の熱抵抗を高くする方法、
薄膜抵抗体の温度−抵抗係数（Ｂ定数）を高くする方
法、赤外線吸収膜の吸収率を高める方法などがある。
の方法は、熱絶縁性薄膜体に、ＳｉＯ2 のような熱伝
導率の低い材料を用いるとともに、膜厚を薄くしたり、
前記ダイアフラム構造における中空部分の面積を大きく
したりするというように形状的にも工夫して、熱抵抗を
高めるようにする方法である。[0006] In addition, the main methods of improving the sensitivity which have been conventionally adopted include a method of increasing the thermal resistance of a thermally insulating thin film,
There are a method of increasing the temperature-resistance coefficient (B constant) of the thin film resistor, and a method of increasing the absorptance of the infrared absorbing film.
The method uses a material with low thermal conductivity such as SiO 2 for the heat insulating thin film, and reduces the film thickness,
This is a method of increasing the thermal resistance by devising a shape such as increasing the area of a hollow portion in the diaphragm structure.
【０００７】の方法は、たとえば、薄膜抵抗体にアモ
ルファスＳｉを用いれば、前記Ｂ定数が８０００程度に
なり、わずかな温度上昇でも、大きな出力変化が得られ
て感度が向上する。の方法は、たとえば、赤外線吸収
膜の材料に、金黒（ゴールドブラック）を用いれば、赤
外線吸収率が９０％以上あるので、赤外線の輻射エネル
ギーを薄膜抵抗体の温度上昇に有効に利用できる。ま
た、ＳｉＯ2 も、人体検知用の一般的な赤外線センサに
おける検出波長に該当する７〜１２μｍ程度の波長帯に
対する吸収率が高いので、感度向上に有効である。In the method (1), for example, if amorphous Si is used for the thin film resistor, the B constant becomes about 8000, and a large output change can be obtained even with a slight temperature rise, and the sensitivity is improved. According to the method (1), for example, if gold black (gold black) is used as the material of the infrared absorbing film, the infrared absorption is 90% or more, so that the infrared radiation energy can be effectively used to raise the temperature of the thin film resistor. Further, SiO 2 is also effective in improving the sensitivity because it has a high absorptance in a wavelength band of about 7 to 12 μm corresponding to a detection wavelength in a general infrared sensor for detecting a human body.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な各種の感度向上方法を採用しても、薄膜抵抗体を用い
た熱型赤外線検出素子の感度向上には限度があり、各種
の用途に実用化するには、いまだ感度が不足していた。
具体的には、人体検知装置に赤外線センサを利用する場
合、従来の焦電素子に比べて、薄膜抵抗体を用いた赤外
線検出素子は、周辺装置などの条件が同じであると、感
度が１／１０以下であり、実用上充分な感度を達成する
には、改善が必要である。However, even if the above-mentioned various sensitivity improving methods are adopted, there is a limit to the improvement of the sensitivity of the thermal type infrared detecting element using the thin film resistor, and it is not suitable for various uses. Sensitivity was still insufficient for practical use.
Specifically, when an infrared sensor is used for a human body detecting device, the sensitivity of an infrared detecting device using a thin film resistor is 1 compared to a conventional pyroelectric device when the conditions of peripheral devices and the like are the same. / 10 or less, and improvement is necessary to achieve a practically sufficient sensitivity.
【０００９】たとえば、前記の方法では、熱絶縁性薄
膜体の厚みをあまり薄くしたり、中空部分の面積を広く
したりすると、薄膜体の強度が不足して、破壊に至るこ
とになるので、この方法による感度向上効果には限度が
ある。前記の方法では、現在のところ、前記アモルフ
ァスＳｉよりも、さらに特性の優れた実用可能な薄膜抵
抗体の材料は見当たらず、これ以上の感度向上は難し
い。前記の方法でも、赤外線吸収膜の材料として、現
在以上の、飛躍的な特性向上は望めない。また、熱絶縁
性薄膜体や薄膜抵抗体、赤外線吸収膜などに、特性の優
れた材料が見つかったとしても、材料のコストが大幅に
高くなるのでは、実用化は困難である。For example, in the above-mentioned method, if the thickness of the heat insulating thin film is made too thin or the area of the hollow portion is made large, the strength of the thin film becomes insufficient and the thin film is broken. There is a limit to the effect of improving sensitivity by this method. In the above-mentioned method, at present, no practical thin-film resistor material having more excellent characteristics than the amorphous Si has been found, and it is difficult to further improve the sensitivity. Even with the above method, no dramatic improvement in properties can be expected as a material for the infrared absorbing film. Further, even if a material having excellent characteristics is found in a heat insulating thin film, a thin film resistor, an infrared absorbing film, or the like, it is difficult to put it into practical use if the cost of the material is significantly increased.
【００１０】そこで、この発明の課題は、前記のような
薄膜抵抗体を用いた赤外線センサにおいて、赤外線の検
出感度を大幅に向上させて、各種の用途に好適に採用で
きる赤外線センサを提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an infrared sensor using the above-described thin film resistor, which has a significantly improved infrared detection sensitivity and can be suitably used in various applications. It is in.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する、こ
の発明のうち、請求項１の赤外線センサは、基板に中空
状態で支持された熱絶縁膜の上に、一対の電極を有する
抵抗体層からなる赤外線検出部を備え、前記基板がパッ
ケージ内に封入されてなる赤外線センサにおいて、パッ
ケージの内部空間が、１Torr以下の減圧状態である。According to the present invention, there is provided an infrared sensor according to the present invention, comprising a resistor having a pair of electrodes on a heat insulating film supported in a hollow state on a substrate. In an infrared sensor having an infrared detecting section composed of a layer and the substrate enclosed in a package, the internal space of the package is in a reduced pressure state of 1 Torr or less.
【００１２】基板や熱絶縁膜、赤外線検出部などの赤外
線検出素子の基本的な構造は、従来の薄膜抵抗体を用い
た赤外線検出素子と同様でよい。このような赤外線検出
素子は、金属や合成樹脂、セラミックなどからなるパッ
ケージ内に実装されて、赤外線センサが構成される。パ
ッケージの基本的な構造も、従来の通常の赤外線センサ
と同様でよい。The basic structure of an infrared detecting element such as a substrate, a heat insulating film and an infrared detecting section may be the same as that of a conventional infrared detecting element using a thin film resistor. Such an infrared detecting element is mounted in a package made of metal, synthetic resin, ceramic, or the like, to constitute an infrared sensor. The basic structure of the package may be the same as that of a conventional ordinary infrared sensor.
【００１３】この発明では、赤外線検出素子の基板をパ
ッケージの基台などに実装して、赤外線検出素子をパッ
ケージ内に封入しておくとともに、このパッケージの内
部空間を、１Torr以下の減圧状態にしておく。パッケー
ジ内を減圧状態にするには、赤外線検出素子をパッケー
ジ内に封入した後、パッケージから真空排気して減圧し
てもよいし、パッケージの基台などに赤外線検出素子の
基板を実装した後、基台の上にキャップすなわち蓋体を
被せて接合封止する作業を、減圧状態下で行ってもよ
い。その他、各種電子部品などにおける真空密封技術が
適用できる。According to the present invention, the substrate of the infrared detecting element is mounted on the base of the package or the like, the infrared detecting element is sealed in the package, and the internal space of the package is evacuated to 1 Torr or less. deep. In order to reduce the pressure inside the package, the infrared detecting element may be sealed in the package and then evacuated from the package to reduce the pressure, or after mounting the substrate of the infrared detecting element on a package base or the like, The operation of joining and sealing by placing a cap, that is, a lid, on the base may be performed under reduced pressure. In addition, vacuum sealing technology for various electronic components and the like can be applied.
【００１４】減圧圧力は、低いほど、すなわち真空に近
いほど、この発明の作用効果が良好に達成されるが、減
圧作業の行い易さや、減圧状態を維持する密封構造の複
雑さなども考慮して、１Torr以下の適当な圧力に設定し
ておけばよい。パッケージの内部空間は、大気を減圧状
態で充填しておいてもよいし、熱伝導率の小さなガスあ
るいは不活性ガスなどを減圧状態で充填しておいてもよ
い。The lower the decompression pressure, that is, the closer to the vacuum, the better the function and effect of the present invention can be achieved. However, the ease of decompression work and the complexity of the sealing structure for maintaining the decompression state are taken into consideration. The pressure may be set to an appropriate pressure of 1 Torr or less. The interior space of the package may be filled with the atmosphere under reduced pressure, or may be filled with a gas having a low thermal conductivity or an inert gas under reduced pressure.
【００１５】この発明では、赤外線検出素子をパッケー
ジ内に封入しておくので、赤外線検出素子へ赤外線が良
好に入射されるように、パッケージの壁面に、赤外線の
入射窓をあけ、この窓にフィルタを設けておくのが好ま
しい。フィルタの材料および構造は、従来の赤外線セン
サにも使用されているような通常の赤外線フィルタが用
いられる。In the present invention, since the infrared detecting element is sealed in the package, an infrared light incident window is provided on the wall surface of the package so that infrared light can be favorably incident on the infrared detecting element, and a filter is provided on the window. Is preferably provided. As a material and a structure of the filter, a normal infrared filter which is also used for a conventional infrared sensor is used.
【００１６】パッケージ内に封入される赤外線検出素子
は、赤外線検出部が、出来るだけパッケージの壁体など
の構造物から離れた状態で配置されるようにしておくの
が好ましい。そのため、請求項１のように、基板がパッ
ケージの基台上に実装され、基台のうち、空間を隔てて
赤外線検出部と対面する個所が基板の接合個所よりも凹
んでいれば、赤外線検出部と基台の表面との距離を大き
くすることができる。It is preferable that the infrared detecting element enclosed in the package is arranged so that the infrared detecting section is located as far as possible from a structure such as a wall of the package. Therefore, as in claim 1, the substrate is mounted on a base of the package, of the base, if recessed than the junction point of the point is the substrate that faces the infrared detecting portion with a space, infrared detection The distance between the part and the surface of the base can be increased.
【００１７】この基台に設ける凹部の平面形状および深
さは、基板の基台への接合面積を充分にとることがで
き、基台の強度などを損なわなければ、出来るだけ大き
く深いほうが好ましいが、凹部の加工の手間なども考慮
して、少なくとも、赤外線検出部における抵抗体層や赤
外線吸収層の平面形状と同じ程度の形状寸法にしておく
のが好ましい。The plane shape and the depth of the concave portion provided on the base are preferably as large and deep as possible as long as the bonding area of the substrate to the base can be sufficiently obtained and the strength of the base is not impaired. In consideration of the time and labor required for processing the concave portion, it is preferable that the shape is at least as large as the planar shape of the resistor layer and the infrared absorbing layer in the infrared detecting section.
【００１８】凹部の加工方法は、基台の材料に合わせ
て、任意の加工手段が採用でき、たとえば、基台の成形
と同時に成形しておいたり、機械加工を行ったり、エッ
チングなどの化学的加工手段を採用したりすることがで
きる。つぎに、請求項２のように、基台のうち、基板の
接合個所にスペーサを設け、このスペーサの上に基板を
接合しておくことができる。As the method of processing the concave portion, any processing means can be adopted in accordance with the material of the base. For example, the concave portion can be formed at the same time as the base is formed, machined, or subjected to chemical processing such as etching. Processing means can be employed. Next, as in claim 2 , a spacer can be provided at a bonding position of the substrate on the base, and the substrate can be bonded on the spacer.
【００１９】すなわち、基台の赤外線検出部と対面する
個所に凹部を加工する代わりに、基板の接合個所を、赤
外線検出部と対面する個所よりも高くしておくのであ
る。スペーサの形状および配置は、基板を基台に安定し
て確実に接合しておけ、スペーサが赤外線検出部と対面
する個所にはみださないようにしておければ、自由に設
定できる。スペーサの高さは、高くしておくほど、赤外
線検出部と基台の表面との間の距離をとれるが、基板の
支持強度やパッケージ全体の高さなども考慮して、必要
かつ充分な高さに設定しておけばよい。スペーサの材料
は、基台および基板に接合可能な材料であればよく、基
台あるいは基板と同じ材料など、通常の半導体装置やパ
ッケージに使用されている材料が用いられる。That is, instead of processing a concave portion at a position facing the infrared detecting portion of the base, a bonding position of the substrate is set higher than a position facing the infrared detecting portion. The shape and arrangement of the spacers can be freely set as long as the substrate can be stably and securely bonded to the base and the spacers do not protrude from the portion facing the infrared detection unit. The higher the height of the spacer, the more the distance between the infrared detector and the surface of the base can be increased.However, considering the supporting strength of the substrate and the height of the entire package, the necessary and sufficient height is required. It should just be set to. The material of the spacer may be any material that can be bonded to the base and the substrate, and materials used for ordinary semiconductor devices and packages, such as the same material as the base or the substrate, are used.
【００２０】以上に説明した、パッケージ内を減圧状態
にしておくこと、あるいは、基台に設ける凹部もしくは
スペーサの構成以外の、赤外線センサの構成、たとえ
ば、赤外線検出部の抵抗体層や赤外線吸収層あるいは熱
絶縁膜の材料や構造、基板に対する熱絶縁膜の支持構
造、基板に設ける中空部の形状などは、通常の赤外線セ
ンサにおける構成を、任意に組み合わせて構成すること
ができる。The structure of the infrared sensor other than keeping the inside of the package under reduced pressure or the structure of the concave portion or the spacer provided on the base, as described above, for example, the resistor layer and the infrared absorbing layer of the infrared detecting section Alternatively, the material and structure of the heat insulating film, the support structure of the heat insulating film with respect to the substrate, the shape of the hollow portion provided on the substrate, and the like can be configured by arbitrarily combining the configurations of ordinary infrared sensors.
【００２１】[0021]
【作用】赤外線検出部において、一定の入射エネルギー
に対する温度上昇を高くするのに適した構造体は、赤外
線検出部を構成する材料の熱伝導率、比熱等の物性値お
よび構造体の形状寸法をもとに、所定の熱計算を行うこ
とによって、推定することができる。しかし、本発明者
らが、上記のような熱計算にもとづいて、実際に赤外線
検出素子を作製し、その構造と温度上昇の関係を求めた
ところ、ある一定レベル以上まで熱抵抗が高くなってく
ると、それ以上は推定値通りに温度上昇が起こらないと
いうことが、判明した。In the infrared detector, the structure suitable for increasing the temperature rise for a given incident energy is determined by the physical properties of the material constituting the infrared detector, such as the thermal conductivity and the specific heat, and the shape and dimensions of the structure. Based on this, it can be estimated by performing a predetermined heat calculation. However, the present inventors, based on the above thermal calculation, actually produced an infrared detection element, and obtained the relationship between the structure and the temperature rise, the thermal resistance increased to a certain level or more, It turned out that no further increase in temperature occurred as estimated.
【００２２】これは、赤外線検出部、たとえば熱絶縁膜
の材料やダイアフラム構造の具体的形状構造を改善し
て、赤外線検出部から熱絶縁膜などを介して熱が逃げる
のが良好に阻止された状態になると、赤外線検出部の周
囲に存在する空気を介しての熱伝導が、赤外線検出部か
ら外部への熱の伝達に大きな割合を占めるようになるか
らであると考えられる。したがって、この段階では、そ
れ以上に熱絶縁膜の材料の改良などを行っても、もは
や、赤外線センサの感度向上にはあまり役に立たないの
である。This improves the material of the infrared detecting section, for example, the material of the heat insulating film and the specific shape of the diaphragm structure, and prevents the heat from escaping from the infrared detecting section via the heat insulating film and the like. It is considered that in this state, heat conduction via air existing around the infrared detection unit occupies a large proportion of heat transfer from the infrared detection unit to the outside. Therefore, at this stage, even if the material of the thermal insulating film is further improved, it will not be very useful for improving the sensitivity of the infrared sensor.
【００２３】ところで、一般に、温度Ｔ1 、Ｔ2 の２枚
の平行平板間で、中間に存在する気体を介しての熱伝導
量Ｑは、気体分子の平均自由工程Ｌが平行平板間の間隔
ｄよりも充分に小さい場合、以下の式で表される。 Ｑ＝κＡ（Ｔ1 −Ｔ2 ）／ｄ ここで、κ：気体の熱伝導率、Ａ：断面積である。By the way, in general, the amount of heat conduction Q between two parallel plates at temperatures T 1 and T 2 via a gas present in the middle is determined by the mean free path L of gas molecules. If it is sufficiently smaller than d, it is expressed by the following equation. Q = κA (T 1 −T 2 ) / d Here, κ: thermal conductivity of gas, and A: cross-sectional area.
【００２４】上の式を、前記赤外線センサに適用する
と、赤外線検出部とパッケージの壁体などの構造部分と
の間に存在する気体の熱伝導率が小さいほど、この気体
を介しての熱伝導は少なくなり、赤外線検出部を良好に
熱絶縁できることが判る。そこで、この発明では、赤外
線検出素子をパッケージ内に封入しておくとともに、パ
ッケージの内部空間を、１Torr以下の減圧状態にしてお
くことによって、内部空間の気体による実質的な熱伝導
率を低下させることができ、その結果、赤外線検出部か
ら内部空間の気体を介してパッケージの構造部分へと熱
が逃げるのを阻止して、赤外線の検出感度を向上させる
ことができる。When the above equation is applied to the infrared sensor, the smaller the thermal conductivity of the gas existing between the infrared detecting portion and the structural portion such as the wall of the package, the smaller the thermal conductivity through this gas. It can be seen that the infrared detector can be thermally insulated well. Therefore, according to the present invention, the substantial thermal conductivity due to gas in the internal space is reduced by enclosing the infrared detecting element in the package and keeping the internal space of the package at a reduced pressure of 1 Torr or less. As a result, heat can be prevented from escaping from the infrared detector to the structural portion of the package via the gas in the internal space, and the detection sensitivity of infrared can be improved.
【００２５】つぎに、前記式から、赤外線検出部とパッ
ケージの構造部分との間隔を広げることによっても、赤
外線検出部からパッケージの構造部分への熱伝導量が減
少することが判る。通常の赤外線センサでは、赤外線検
出部の片面側には、赤外線フィルタが設けられ、赤外線
検出部の反対面側には、基台の表面が間隔をあけて対面
している。赤外線フィルタと赤外線検出部の距離は、赤
外線検出素子の実装構造や光学的や制約条件があるの
で、通常、１〜２mm程度に設定されていて、この距離を
大きく変更することはできない。Next, it can be seen from the above equation that the amount of heat conduction from the infrared detecting section to the structural section of the package is also reduced by increasing the distance between the infrared detecting section and the structural section of the package. In a normal infrared sensor, an infrared filter is provided on one side of the infrared detection unit, and the surface of the base is opposed to the opposite side of the infrared detection unit with an interval. The distance between the infrared filter and the infrared detection unit is usually set to about 1 to 2 mm because of the mounting structure of the infrared detection element, optics and restrictions, and this distance cannot be changed greatly.
【００２６】そこで、請求項１のように、基台のうち、
空間を隔てて赤外線検出部と対面する個所を、基板の接
合個所よりも凹ませておけば、赤外線検出部と、これに
対面する基台の表面との距離が大きくなり、赤外線検出
部から基台の表面への熱伝達を阻止することができる。
この構造は、表面が平坦な基台を用いた場合と、基台の
厚みは同じでよく、パッケージ全体の厚みが増える心配
もないという利点を有している。Therefore, according to claim 1 , of the base,
If the part facing the infrared detector with the space in between is recessed from the joint of the board, the distance between the infrared detector and the surface of the base facing it will increase, and the base from the infrared detector will be larger. Heat transfer to the surface of the platform can be prevented.
This structure has the advantage that the thickness of the base may be the same as when a base having a flat surface is used, and there is no fear that the thickness of the entire package increases.
【００２７】また、請求項２のように、基台のうち、基
板の接合個所にスペーサを設け、スペーサの上に基板を
接合しておくことにより、前記同様に、赤外線検出部
と、これに対面する基台の表面との距離を大きくして、
赤外線検出部から基台の表面への熱伝達を阻止すること
ができる。この構造は、基台の厚みを充分に確保できる
ので、基台の機械的強度や耐久性が良好であるという利
点を有している。Further, as in claim 2, of the base, a spacer provided on the junction point of the substrate, by previously bonding the substrate on the spacer, the same way, an infrared detector, in which by increasing the distance between the pair facing base surface,
Heat transfer from the infrared detection section to the surface of the base can be prevented. This structure has an advantage that the mechanical strength and durability of the base are good because the thickness of the base can be sufficiently ensured.
【００２８】[0028]
【実施例】ついで、この発明の実施例について、図面を
参照しながら以下に説明する。図１に、赤外線センサの
全体構造を示している。シリコンなどからなる基板１０
の上に、窒化シリコンや酸化シリコンなどからなる熱絶
縁膜２０が形成され、熱絶縁膜２０の上には、アモルフ
ァスＳｉなどからなる抵抗体層４０、抵抗体層４０を上
下から挟むクロムなどからなる電極層３０、３０、抵抗
体層４０の表面を覆う赤外線吸収層５０を備えた赤外線
検出部が形成されている。電極層３０、３０の端部に
は、配線接続用のパッド３２、３２が設けられている。
赤外線検出部の設置個所に対応する熱絶縁膜２０の裏側
で、基板１０には中空部１２が欠除形成されており、こ
の中空部１２の部分では、熱絶縁膜２０が中空状態にな
っており、いわゆるダイアフラム構造を構成している。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows the entire structure of the infrared sensor. Substrate 10 made of silicon or the like
A thermal insulating film 20 made of silicon nitride, silicon oxide, or the like is formed thereon. A resistive layer 40 made of amorphous Si or the like is formed on the thermal insulating film 20 by using chrome or the like sandwiching the resistive layer 40 from above and below. An infrared detecting portion including an infrared absorbing layer 50 covering the surfaces of the electrode layers 30 and 30 and the resistor layer 40 is formed. At the ends of the electrode layers 30, 30, pads 32, 32 for wiring connection are provided.
On the back side of the heat insulating film 20 corresponding to the installation position of the infrared detecting unit, a hollow portion 12 is formed in the substrate 10 by being cut off. In the hollow portion 12, the heat insulating film 20 becomes hollow. And constitutes a so-called diaphragm structure.
【００２９】上記のような構造の赤外線検出素子が、パ
ッケージに封入されて赤外線センサとなる。赤外線検出
素子の基板１０が、セラミックや、金属あるいは合成樹
脂などからなる基台６０の上に、接合剤６２を介して接
合搭載されている。基台６０には、棒状の端子６４、６
４が、基台６０の上下面を貫通して取り付けられてい
る。端子６４、６４の上端と、赤外線検出素子のパッド
３２、３２は、ボンディングワイヤ６６で配線接続され
ている。The infrared detecting element having the above structure is sealed in a package to form an infrared sensor. The substrate 10 of the infrared detecting element is mounted on a base 60 made of ceramic, metal, synthetic resin, or the like via a bonding agent 62. The base 60 has bar-shaped terminals 64, 6
4 is attached through the upper and lower surfaces of the base 60. The upper ends of the terminals 64, 64 and the pads 32, 32 of the infrared detecting element are wired and connected by bonding wires 66.
【００３０】基台６０のうち、赤外線検出素子の赤外線
検出部すなわち抵抗体層４０や赤外線吸収層５０と対面
する個所に、凹部６８が形成されており、基板１０が接
合される個所よりも、表面が低くなっている。すなわ
ち、赤外線検出部を設けた熱絶縁膜２０から、基板１０
の中空部１２を介して、凹部６８の底面までの距離が、
熱絶縁膜２０から基板１０を基台６０に接合した個所ま
での距離よりも、大きくなっている。A concave portion 68 is formed in the base 60 at a portion facing the infrared detecting portion of the infrared detecting element, that is, the resistor layer 40 or the infrared absorbing layer 50, and the concave portion 68 is formed at a position smaller than the portion where the substrate 10 is bonded. The surface is low. That is, the thermal insulation film 20 provided with the infrared detection unit is moved from the substrate 10 to the substrate 10.
Distance through the hollow portion 12 to the bottom surface of the concave portion 68,
The distance is larger than the distance from the heat insulating film 20 to the place where the substrate 10 is joined to the base 60.
【００３１】基台６０の上方には、金属などからなるキ
ャップ状の蓋体７０が被せられて、赤外線検出素子を封
入した状態で、基台６０に接合されている。この基台６
０と蓋体７０で囲まれた内部空間は、不活性ガスを充填
しておいたり、減圧状態にしておいたりすることができ
る。蓋体７０のうち、赤外線検出部すなわち抵抗体層４
０および赤外線吸収層５０と対面する個所には、窓が貫
通形成されて、この窓にはフィルタ７２が取り付けられ
ている。フィルタ７２は、検出しようとする赤外線の透
過率の高いガラスや透明合成樹脂などが用いられる。A cap-like cover 70 made of metal or the like is covered above the base 60 and is joined to the base 60 in a state where the infrared detecting element is sealed. This base 6
The internal space surrounded by the zero and the lid 70 can be filled with an inert gas or can be kept under reduced pressure. In the lid 70, the infrared detecting portion, that is, the resistor layer 4
A window is formed at a position facing the zero and infrared absorption layer 50, and a filter 72 is attached to the window. The filter 72 is made of glass or transparent synthetic resin having a high transmittance of infrared light to be detected.
【００３２】上記のような構造を備えた赤外線センサの
製造方法について、特に、赤外線検出素子部分の製造方
法を主に説明する。まず、シリコン基板の上に熱絶縁膜
を形成した。すなわち、減圧ＣＶＤ法を用い、Ｓｉ3 Ｎ
4 を０．１μｍ、ＳｉＯ2 を０．４μｍ、さらにＳｉ3
Ｎ4 を０．１μｍ連続形成して、３層構造の多層膜から
なる熱絶縁膜を形成した。A method of manufacturing an infrared sensor having the above-described structure will be described mainly, particularly a method of manufacturing an infrared detecting element. First, a heat insulating film was formed on a silicon substrate. That is, using the low pressure CVD method, Si 3 N
4 is 0.1 μm, SiO 2 is 0.4 μm, and Si 3
N 4 was continuously formed to a thickness of 0.1 μm to form a heat insulating film composed of a multilayer film having a three-layer structure.
【００３３】この熱絶縁膜の上に、赤外線検出部を形成
した。ＥＢ蒸着により、下部電極となるＣｒを０．２μ
ｍ形成し、フォトリソグラフィで所定のパターンに加工
した。下部電極の上に、プラズマＣＶＤ法で、抵抗体層
となるアモルファスＳｉを１μｍ形成し、所定のパター
ンに加工した。この抵抗体層の上に、プラズマＣＶＤ法
で、赤外線吸収膜となるＳｉＯ2 を１．５μｍ形成し、
所定のパターンに加工した。このようにして形成された
赤外線検出部の平面形状は、１mm角の正方形状であっ
た。なお、ひとつの基板上には、上記したような赤外線
検出部を合計４個形成して、ブリッジ状に配線接続し
た。On this heat insulating film, an infrared detecting section was formed. By EB evaporation, 0.2 μm of Cr as the lower electrode
m was formed and processed into a predetermined pattern by photolithography. On the lower electrode, 1 μm of amorphous Si serving as a resistor layer was formed by a plasma CVD method, and processed into a predetermined pattern. On this resistor layer, 1.5 μm of SiO 2 serving as an infrared absorbing film was formed by a plasma CVD method,
It was processed into a predetermined pattern. The planar shape of the infrared detector thus formed was a square of 1 mm square. In addition, a total of four infrared detectors as described above were formed on one substrate, and were connected by wiring in a bridge shape.
【００３４】基板のうち、赤外線検出部が形成された面
の裏面側から、水酸化カリウムでエッチングして、基板
をパターン状に欠除して中空部を形成した。このように
して形成された熱絶縁膜の中空部分の大きさは、１．５
mm角の正方形状であった。このようにして作製された赤
外線検出素子を、パッケージの基台上にダイボンディン
グして実装し、ワイヤボンディングで配線接続を行っ
た。このとき使用した基台には、赤外線検出素子の赤外
線検出部と対面する個所に、幅１．５mm、深さ１．５mm
の凹部を形成しておいた。基台に被せる蓋体には、低融
点ガラスでフィルタを封着しておいた。５×１０-2Torr
の減圧下で、赤外線検出素子が実装された基台に蓋体を
被せ、抵抗溶接によって封止した。これによって、パッ
ケージの内部空間は減圧状態のままで密封された。The substrate was etched with potassium hydroxide from the rear surface side of the surface on which the infrared detecting portion was formed, and the substrate was cut in a pattern to form a hollow portion. The size of the hollow portion of the thus formed heat insulating film is 1.5
It had a square shape of mm square. The infrared detecting element thus manufactured was mounted on a package base by die bonding, and wiring connection was performed by wire bonding. The base used at this time had a width of 1.5 mm and a depth of 1.5 mm at the location facing the infrared detector of the infrared detector.
Was formed. The filter was sealed with a low-melting glass on the lid that was placed on the base. 5 × 10 -2 Torr
Under the reduced pressure described above, the base on which the infrared detecting element was mounted was covered with a lid, and sealed by resistance welding. As a result, the internal space of the package was hermetically sealed in a reduced pressure state.
【００３５】以上のようにして製造された赤外線センサ
に、黒体炉から照射された一定エネルギーの赤外線を入
射させて、そのときの温度上昇を測定したところ、３．
０ｍ℃／０．１μＷであった。比較のために、同様の構
造を備えているが、パッケージの封止を大気圧環境で行
った赤外線センサを製造し、同様の測定を行ったとこ
ろ、温度上昇が、０．３ｍ℃／０．１μＷであった。こ
のことから、この実施例の赤外線センサは、従来構造の
赤外線センサに比べて、入射した赤外線のエネルギーが
同じでも、より大きな温度上昇が得られることが判る。
すなわち、赤外線検出部から熱が逃げ難く、赤外線のエ
ネルギーを抵抗体層の温度上昇に有効に変換して、高い
出力感度が得られることになる。The infrared sensor having a constant energy emitted from the black body furnace was applied to the infrared sensor manufactured as described above, and the temperature rise at that time was measured.
0 m ° C./0.1 μW. For comparison, an infrared sensor having the same structure but having the package sealed in an atmospheric pressure environment was manufactured, and the same measurement was performed. As a result, the temperature rise was 0.3 mC / 0. It was 1 μW. From this, it can be seen that the infrared sensor of this embodiment can obtain a larger temperature rise than the conventional infrared sensor even if the energy of the incident infrared light is the same.
That is, it is difficult for heat to escape from the infrared detection unit, and the energy of infrared light is effectively converted into a rise in the temperature of the resistor layer, so that high output sensitivity is obtained.
【００３６】つぎに、図２に示す実施例は、基台に凹部
を形成しておく代わりに、スペーサを設けておく場合で
ある。基本的な構造は前記実施例と同様であるので、共
通する部分には同じ符号をつけ、構成の異なる部分を主
に説明する。赤外線検出素子の構造は前記実施例と全く
同じである。パッケージの基台６０には、前記実施例の
ような凹部は形成されておらず、全面が平坦に形成され
ている。この基台６０の上で、赤外線検出素子の基板１
０を接合する個所に、基台６０と同様の材料などからな
るスペーサ６９、６９が接合され、このスペーサ６９、
６９の上に接合材６２を介して基板１０が接合されてい
る。したがって、赤外線検出部の熱絶縁膜２０から基台
６０の表面までの距離は、基板１０の厚みにスペーサ６
９の厚みを加えた長さになる。Next, the embodiment shown in FIG. 2 is a case where a spacer is provided instead of forming a concave portion on the base. Since the basic structure is the same as that of the above-described embodiment, the same reference numerals are given to the common parts, and the parts having different configurations will be mainly described. The structure of the infrared detecting element is exactly the same as that of the embodiment. The concave portion is not formed in the package base 60 as in the above-described embodiment, and the entire surface is formed flat. On the base 60, the substrate 1 of the infrared detecting element
The spacers 69, 69 made of the same material as that of the base 60 are joined at the positions where the bases 60 are joined.
The substrate 10 is joined to the substrate 69 via the joining material 62. Therefore, the distance from the thermal insulating film 20 of the infrared detecting section to the surface of the base 60 is determined by the thickness of the spacer 10
This is the length obtained by adding the thickness of 9.
【００３７】上記実施例についても、前記実施例と同様
に温度上昇を測定したところ、前記実施例と同様に高い
温度上昇を示し、赤外線センサの感度向上を果たせるこ
とが確認できた。さらに、図３に示す実施例は、基台に
凹部およびスペーサの何れをも設けていない場合であ
る。When the temperature rise of the above embodiment was measured in the same manner as in the above embodiment, it was confirmed that the temperature rise was high as in the above embodiment and that the sensitivity of the infrared sensor could be improved. Further, the embodiment shown in FIG. 3 is a case where neither the concave portion nor the spacer is provided on the base.
【００３８】この実施例の場合にも、前記各実施例と同
様の温度上昇測定を行ったところ、前記図１および図２
の実施例に比べると温度上昇は少なかったが、パッケー
ジの内部空間が大気圧のままの従来構造の赤外線センサ
に比べると、はるかに高い温度上昇が認められ、この発
明の作用効果が実証された。つぎに、図４には、前記図
１の実施例の赤外線センサで、パッケージを封止する際
の減圧圧力を種々に変えて赤外線センサを製造し、その
温度上昇を測定した結果をグラフに示している。このグ
ラフをみれば、真空度が０．１Torrのあたりで、温度上
昇値が顕著に増大していることが判る。なお、温度上昇
がある程度達成されると、それ以上真空度が高くなって
も、温度上昇の向上はあまり認められなくなることも判
る。In the case of this embodiment, the same temperature rise measurement as in each of the above embodiments was performed.
Although the temperature rise was smaller than that of the Example, the temperature rise was much higher than that of the infrared sensor having the conventional structure in which the internal space of the package was kept at the atmospheric pressure, and the operation and effect of the present invention were proved. . Next, FIG. 4 is a graph showing the results of measuring the temperature rise of the infrared sensor of the embodiment of FIG. 1 by manufacturing the infrared sensor by changing the reduced pressure at the time of sealing the package in various ways. ing. From this graph, it can be seen that the temperature rise value is remarkably increased when the degree of vacuum is around 0.1 Torr. It is also understood that, when the temperature rise is achieved to some extent, even if the degree of vacuum is further increased, the temperature rise is hardly improved.
【００３９】[0039]
【発明の効果】以上に述べた、この発明にかかる赤外線
センサは、パッケージの内部空間を１Torr以下の減圧状
態にしていることにより、赤外線検出部から内部空間の
気体を介してパッケージの構造部分へと、熱が逃げるの
を良好に阻止して、赤外線検出部における赤外線の検出
感度を大幅に向上させることができた。As described above, in the infrared sensor according to the present invention, since the internal space of the package is kept at a reduced pressure of 1 Torr or less, the infrared sensor can be connected to the structural portion of the package via the gas in the internal space. Thus, the escape of heat can be satisfactorily prevented, and the infrared detection sensitivity of the infrared detector can be greatly improved.
【００４０】その結果、従来、薄膜抵抗体を用いた熱型
赤外線センサでは、限界があると考えられていた検出感
度を、さらに大きく向上させることが可能になり、この
種赤外線センサの実用化、あるいは、用途の拡大に大き
く貢献することができる。また、この発明では、赤外線
検出部やパッケージの基本的な構造は、従来と同様の構
造が採用できるので、製造は容易でコスト的にも安価に
生産することができる。As a result, it has become possible to further increase the detection sensitivity, which was conventionally considered to be limited in the thermal infrared sensor using a thin film resistor, and to make this type of infrared sensor practical, Alternatively, it can greatly contribute to expansion of applications. Further, according to the present invention, the basic structure of the infrared detecting unit and the package can be the same as the conventional structure, so that the manufacturing is easy and the production can be performed at low cost.
【００４１】つぎに、上記この発明の赤外線センサにお
いて、赤外線検出素子を実装する基台に、前記したよう
な凹部やスペーサを設けておけば、赤外線検出部から基
台の表面までの間隔を広げることができ、この間隔の空
間が減圧状態であることと相まって、赤外線検出部から
基台に熱が逃げるのを、より良好に阻止することができ
る。Next, in the infrared sensor of the present invention, if the above-described concave portion or spacer is provided on the base on which the infrared detecting element is mounted, the distance from the infrared detecting section to the surface of the base is increased. In combination with the reduced pressure in the space at this interval, it is possible to better prevent the heat from escaping from the infrared detector to the base.
【図１】 この発明の実施例をあらわす赤外線センサの
断面図FIG. 1 is a cross-sectional view of an infrared sensor according to an embodiment of the present invention.
【図２】 別の実施例をあらわす赤外線センサの断面図FIG. 2 is a cross-sectional view of an infrared sensor showing another embodiment.
【図３】 別の実施例をあらわす赤外線センサの断面図FIG. 3 is a cross-sectional view of an infrared sensor showing another embodiment.
【図４】 パッケージの真空度と赤外線検出部の温度上
昇の関係を表す線図FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a degree of vacuum of a package and a temperature rise of an infrared detection unit.
１０ 基板 １２ 中空部 ２０ 熱絶縁膜 ３０ 電極層 ４０ 抵抗体層 ５０ 赤外線吸収層 ６０ 基台 ６８ 凹部 ６９ スペーサ ７０ 蓋体 ７２ フィルタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 12 Hollow part 20 Thermal insulating film 30 Electrode layer 40 Resistor layer 50 Infrared absorption layer 60 Base 68 Depression 69 Spacer 70 Lid 72 Filter
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 拓郎 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工 株式会社内 (72)発明者 柿手 啓治 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工 株式会社内 (72)発明者 姫澤 秀和 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工 株式会社内 (72)発明者 紙谷 文啓 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工 株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−252085（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−1535（ＪＰ，Ａ) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Takuro Ishida 1048 Kadoma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Works, Ltd. (72) Inventor Keiji Kakitate 1048 Kadoma Kadoma, Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Works (72 Inventor Hidekazu Himezawa 1048 Kadoma Kadoma, Kadoma City, Osaka Pref. (72) Inventor Fumihiro Kamiya 1048 Kadoma Kadoma Kadoma, Osaka Pref.Matsushita Electric Works Co., Ltd. 252085 (JP, A) JP-A-4-1535 (JP, A)
Claims (2)
上に、一対の電極を有する抵抗体層からなる赤外線検出
部を備え、前記基板がパッケージ内に封入されてなる赤
外線センサにおいて、パッケージの内部空間が、１Torr
以下の減圧状態であり、基板がパッケージの基台上に実
装され、基台のうち、空間を隔てて赤外線検出部と対面
する個所が基板の接合個所よりも凹んでいる赤外線セン
サ。1. An infrared sensor comprising: an infrared detecting section comprising a resistor layer having a pair of electrodes on a heat insulating film supported in a hollow state on a substrate, wherein the substrate is sealed in a package. 1 Torr inside package space
Following reduced pressure der is, the substrate is real on the base of the package
Mounted on the base, facing the infrared detector across a space
Infrared sensor where the location where the contact is made is more concave than the location where the board is joined .
上に、一対の電極を有する抵抗体層からなる赤外線検出
部を備え、前記基板がパッケージ内に封入されてなる赤
外線センサにおいて、パッケージの内部空間が、１Torr
以下の減圧状態であり、基板がパッケージの基台上に実
装され、基台のうち、基板の接合個所にスペーサが設け
られ、スペーサの上に基板が接合されている赤外線セン
サ。2. A thermal insulation film supported in a hollow state on a substrate.
Infrared detection consisting of a resistor layer with a pair of electrodes on top
Part, wherein the substrate is enclosed in a package in red.
In the outside line sensor, the internal space of the package is 1 Torr
An infrared sensor in the following reduced pressure state, in which a substrate is mounted on a base of a package, a spacer is provided at a bonding portion of the base on the base, and the substrate is bonded on the spacer.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP4277575A JP2725965B2 (en) | 1992-10-15 | 1992-10-15 | Infrared sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4277575A JP2725965B2 (en) | 1992-10-15 | 1992-10-15 | Infrared sensor |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| Country | Link |
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Also Published As
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| JPH06129898A (en) | 1994-05-13 |
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