JP3597069B2 - 複数の赤外波長帯を検出する熱型赤外アレイセンサ - Google Patents
複数の赤外波長帯を検出する熱型赤外アレイセンサ Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は赤外線波長検出器に関し、特に単一のデバイスで複数の赤外波長帯を検出することのできる熱型赤外アレイセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来用いられていたボロメータ型の熱型赤外センサアレイは、一般に図７にて示す構成のものが採用されていた。図７は従来例のサーミスタボロメータ型熱型赤外アレイセンサの構成図であり、（ａ）は模式的斜視図、（ｂ）は模式的側面断面図である。
【０００３】
図７に示すように従来例のサーミスタボロメータ型熱型赤外アレイセンサはダイアフラム３０１と梁３０２とから成る熱分離構造を有している（Ｒ．Ａ．Ｗｏｏｄ，“Ｕｎｃｏｏｌｅｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｉｍａｇｅ Ａｒｒａｙｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ”，Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ，Ｖｏｌ．１７，ｖｏｌｕｍｅ ｅｄｉｔｏｒｓ Ｐ．Ｗ．Ｋｒｕｓｅ ＆ Ｄ．Ｄ．Ｓｋａｔｒｕｄ，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，１９９７年，ｐ．１０３参照）。
【０００４】
ダイアフラム３０１は抵抗温度係数の大きなボロメータ材料薄膜ＶＯｘ３０５と電極（不図示）およびそれらを取り囲む保護膜ＳｉＮ３０６とから成る。梁３０２には熱伝導率の小さい金属薄膜ＮｉＣｒで電気配線（不図示）がなされており、読出回路３０７を搭載したＳｉ基板３０８に接続されている。ダイアフラム直下には空洞３０９があり基板上に完全反射膜３０４がある。ダイアフラム３０１に入射した赤外線３００はＳｉＮ保護膜３０６に吸収され、ダイアフラム３０１を透過した赤外線３００は完全反射膜３０４でダイアフラムの方向に反射され再度ＳｉＮ保護膜３０６に吸収される。このように吸収された赤外線はダイアフラムを暖めボロメータの抵抗を変化させ電圧変化として検出される。被写体の温度がダイアフラムより低い場合は、逆にダイアフラムが熱輻射をして温度が下がり、それに対応したボロメータの抵抗変化が生じる。ＳｉＮ保護膜３０６の赤外吸収帯は波長１０μｍ帯にあるため、この熱型赤外センサアレイの検出波長はこの波長帯に限られる。
【０００５】
図８は他の従来例の強誘電体型熱型赤外アレイセンサの構成図であり、（ａ）は模式的斜視図、（ｂ）は模式的側面断面図である。図８に示す従来例は、強誘電体セラミクス４０１とＳｉ読出回路４０２とをバンプ４０３でハイブリッド化した熱型赤外センサアレイである（Ｃ．Ｈ．Ｈａｎｓｅｎ，ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃ．２０２０巻，１９９３年，ｐ３３０参照）。この場合、赤外吸収機構は図７のサーミスタボロメータ型熱型赤外アレイセンサと異なり、赤外吸収膜４０５で一部の入射赤外線４００は反射され、一方残りの入射赤外線４００は赤外吸収のないキャビティ層４０６を通り完全反射膜（共通電極も兼用）４０７で反射される。これら２つの反射赤外線は、赤外吸収膜４０５の位置で打ち消し合う干渉を起こして同膜内の自由電子に吸収される。吸収された赤外線は熱に変わり（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３ 強誘電体セラミクス４０１の誘電率を変化させ、電極４０８、電気配線４０９を経由して読出回路４０２により電圧変化として検出される。この赤外センサアレイではキャビティ層の厚みが各画素ごとに同じであるため、すべての画素は同じ波長帯しか検出できない。
【０００６】
図９は他の従来例のデュアルバンドＨｇＣｄＴｅ赤外アレイセンサの模式的斜視図である。図９に示す従来例は図７、図８を参照して説明した熱型赤外センサではなく、Ｓｉ読出回路とハイブリッド化した２次元ＨｇＣｄＴｅフォトダイオードアレイで、２つの赤外波長帯を同一画素内で同時に検出することができる、いわゆるデュアルバンドの量子型赤外アレイセンサである（Ｐ．Ｒ．Ｎｏｒｔｏｎ，米国特許５，１４９，９５６参照）。なお、同図にはＳｉ読出回路は示されていない。各画素５０１は、赤外線に透明なＣｄＺｎＴｅ基板５０２上に形成され、波長３−５μｍ帯の赤外線を吸収するｎ型Ｈｇ０．７ Ｃｄ０．３ Ｔｅ層５０３（バンドギャップ約０．２４ｅＶ，厚さ１０μｍ）、同層よりバンドギャップが大きいｐ型Ｈｇ０．６ Ｃｄ０．４ Ｔｅ層５０４（厚さ３μｍ）及び波長１０μｍ帯の赤外線を吸収するｎ型Ｈｇ０．８ Ｃｄ０．２ Ｔｅ層５０５（バンドギャップ約０．１ｅＶ、厚さ１０μｍ）から成る。Ｉｎのバンプ５０６−５０８はこれらの各層をＳｉ読出回路基板と電気的・機械的に接続するためのものである。ｐ型ＨｇＣｄＴｅ層５０４はアレイ全体で共通電極の役目をする。一方、２つのｎ型ＨｇＣｄＴｅ層５０３と５０５は、画素ごとに分離されていて各画素が独立したｎｐｎ構造となっており、同一画素内で２つの波長帯の赤外線を検出することができる。
【０００７】
さて入射赤外線５００がｎｐｎの画素構造のＣｄＺｎＴｅ基板５０２に入射すると、まず波長の短い赤外線がＨｇＣｄＴｅ層５０３と５０４に吸収される。次にこれら２つの層を透過した長い波長の赤外線はＨｇＣｄＴｅ層５０５に吸収される。このように短波長帯の赤外線は２つのＨｇＣｄＴｅ層５０３と５０４のｐｎ接合により、一方、長波長帯の赤外線は２つのＨｇＣｄＴｅ層５０５と５０４のｐｎ接合により光電流として検出される。この光電流はＩｎバンプ５０６−５０８を通じてＳｉ読出回路に送り込まれる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図７と図８とに示した従来例の熱型非冷却赤外アレイセンサ場合、１つのデバイスで複数の赤外波長帯を検出することができないという問題点があり、一方、図９に示したＨｇＣｄＴｅデュアルバンド赤外アレイセンサの場合、２つの赤外波長帯まで検出できるが３つ以上の波長帯の赤外線を検出することはできなく、しかも冷却しないと動作しないという問題点がある。
【０００９】
本発明の目的は、１つの熱型非冷却赤外アレイセンサで複数の波長帯の赤外線を検出することができる熱型赤外アレイセンサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の複数の赤外波長帯を検出する熱型赤外アレイセンサは、入射する赤外線を測定するセンサが所定の配列で配置されている熱分離構造を有する熱型赤外線アレイセンサであって、検出する赤外波長帯が異なるセンサが千鳥配列されている。
【００１１】
本発明の検出する赤外波長帯が異なるセンサの第１の態様では、基板から伸長している梁によって空間に支持されているダイアフラムがそれぞれ１つの画素に対応して配置され、そのダイアフラムは、赤外線を透過しあるいは反射する熱電変換材料薄膜と、電極と、熱電変換材料薄膜と電極とを取り囲む保護膜とから構成される構造を基本としており、熱電変換材料薄膜の種類と、保護膜の種類と、ダイアフラム上に形成された真空インピーダンスマッチングした赤外吸収薄膜と基板上に設けられた完全反射膜との間で打ち消し合う干渉による特定波長帯の赤外線の吸収とを組み合わせて構成されている。
【００１２】
その第１の応用例では、赤外線を透過する熱電変換材料薄膜が用いられており、特定波長を吸収する保護膜を有するグループと赤外吸収薄膜と基板上に設けられた完全反射膜との間で打ち消し合う干渉により特定波長帯の赤外線を吸収するグループとを組み合わせているので複数の波長帯の赤外線が検出できる。
【００１３】
第２の応用例では、赤外線を透過する熱電変換材料薄膜が用いられており、赤外吸収薄膜と基板上に設けられた完全反射膜との間で打ち消し合う干渉により特定波長帯の赤外線を吸収する構造で、赤外吸収薄膜と完全反射膜との間隔が異なるグループを設けることで複数の波長帯の赤外線が検出できる。
【００１４】
第３の応用例では、完全反射膜の代わりに赤外線を反射する金属サーミスタボロメータ薄膜を用い、赤外吸収薄膜と金属サーミスタボロメータ薄膜との間で打ち消し合う干渉により特定波長帯の赤外線を吸収する構造で、赤外吸収薄膜と金属サーミスタボロメータ薄膜との間隔が異なるグループを設けることで複数の波長帯の赤外線が検出できる。
【００１５】
第４の応用例では、完全反射膜の代わりに赤外線を反射する金属サーミスタボロメータ薄膜を用い、特定波長を吸収する保護膜を有するグループと、赤外吸収薄膜と金属サーミスタボロメータ薄膜との間で打ち消し合う干渉により特定波長帯の赤外線を吸収するグループとを組み合わせているので複数の波長帯の赤外線が検出できる。
【００１６】
第２の態様では、センサは画素ごとに分離された強誘電体セラミクスが赤外吸収層で支持されており、かつ熱伝導率の小さいバンプで基板と結合したハイブリッド型の構造を有しており、赤外吸収層が真空インピーダンスマッチングした赤外吸収薄膜と、赤外線に透明なキャビティ層と、完全反射膜との３層から構成され、赤外吸収薄膜と完全反射膜との間で打ち消し合う干渉により特定の波長帯の赤外線を吸収するように、キャビティ層の厚さの異なったグループを設けているので複数の波長帯の赤外線が検出できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明の複数の赤外波長帯を検出する熱型赤外アレイセンサについて第１から第５の実施の形態を例示するが、それらのうち第１から第４の実施の形態においては共通な点が多いので、まず一括して基本となる構造を説明し次に個別の特徴を説明する。
【００１８】
図１は本発明の複数の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的斜視図であり、アレイを構成する２種類のセンサを模式的に表示している。本発明の複数の赤外波長帯を検出する熱型赤外アレイセンサの第１の典型例では、図１に示すように、Ｓｉ読出回路基板４から伸びている梁３によって支えられて宙に浮いているダイアフラム２から成る熱分離構造を有する上層部と読出回路や完全反射膜を有するＳｉ基板４とで構成されている。このような熱型赤外アレイセンサにおいて隣り合う画素のダイアフラム２の多層構造や使用する薄膜材料を変えたり、上層部と基板上の完全反射膜との間隔を画素ごとに変えることにより、異なる波長帯の赤外線を検出することができる。画素の大きさは、本発明の場合、３０から１００μｍ程度である。
【００１９】
第１の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサについて図１、図２を参照して説明する。図２は本発明の第１の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。第１の実施の形態ではボロメータ材料薄膜が赤外線に対して透明な金属酸化物となっている。図２は図１のＡ−Ａ’とＢ−Ｂ’の断面である。
【００２０】
画素のダイアフラム２は、赤外線を透過する酸化バナジウムまたは希土類を含むペロブスカイトの酸化マンガンの薄膜であるボロメータ材料薄膜５と保護膜６または保護膜７とから成る。例えば、Ａ−Ａ’の断面の画素では保護膜６はＳｉＮ膜（厚さの合計約５０００Å）であり波長１０μｍ帯の赤外線を吸収する。高い赤外吸収率は、Ｓｉ基板９上の完全反射膜８（例えば、２０００Å厚のＡｌ，Ｔｉ，ＷＳｉ等の金属膜）で入射赤外線１をダイアフラム２の方向に反射させることによって達成される。この場合、空洞１０の間隔はダイアフラム２が宙に浮いていれば良い。
【００２１】
一方、断面Ｂ−Ｂ’に示す他の画素では、保護膜７として赤外線に対してほぼ透明なＳｉＯ２ を採用している。この場合、ダイアフラムに赤外線を吸収させるためダイアフラムの上面には真空インピーダンスマッチングした、つまりシート抵抗３７７Ωの赤外吸収薄膜１１（例えば、厚さ約１５０ÅのＴｉＮまたは約３０ÅのＮｉＦｅ）が形成されており、赤外吸収薄膜１１と完全反射膜８との間での打ち消し合う干渉により特定の波長帯、例えば波長４μｍ帯の赤外線を主に吸収するように赤外吸収薄膜１１と完全反射膜８との間隔を光学的に１μｍに調整している。厚さ５０００ÅのＳｉＯ２ 保護膜７の場合にキャビティ長１０’は、０．３μｍにした。
【００２２】
このようにして吸収された赤外線は熱となってダイアフラムの温度を変化させ、ダイアフラム内のボロメータの抵抗が変わり、電気信号に変換され信号処理された後に画像化される。
【００２３】
単一の赤外アレイセンサに所望の配置でＡ−Ａ‘断面やＢ−Ｂ’断面のセンサを配置し、あるいはＢ−Ｂ’断面のセンサのキャビティ長を変えることによって複数の波長帯の赤外線を検出することができる。
【００２４】
次に第２の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサについて図１、図３を参照して説明する。図３は本発明の第２の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。第２の実施の形態ではボロメータ材料薄膜１３が赤外線を通す酸化バナジウムまたは希土類を含むペロブスカイトの酸化マンガンの薄膜となっている。図３は図１のＡ−Ａ’とＢ−Ｂ’の断面である。
【００２５】
画素のダイアフラム１２は、赤外線を通す酸化バナジウムまたは希土類を含むペロブスカイトの酸化マンガンの薄膜であるボロメータ材料薄膜１３と保護膜１４または保護膜１５とから成る。第２の実施の形態では保護膜１４、保護膜１５は赤外線に対して透明なＳｉＯ２ である。ダイアフラムの上面には真空インピーダンスマッチングした、つまりシート抵抗３７７Ωの赤外吸収薄膜１７（例えば、厚さ約１５０ÅのＴｉＮまたは約３０ÅのＮｉＦｅ）が形成されており、赤外吸収薄膜１７と完全反射膜１６（例えば、２０００Å厚のＡｌ，Ｔｉ，ＷＳｉ等の金属膜）との間で打ち消し合う干渉により、ある画素（例えば断面Ａ−Ａ’）では、波長１０μｍ帯の赤外線を吸収するように赤外吸収薄膜１７と完全反射膜１６との間隔を光学的に約２．５μｍに調整している。実際には厚さ５０００ÅのＳｉＯ２ 保護膜の場合、キャビティ長１９を２μｍにした。
【００２６】
隣の画素（断面Ｂ−Ｂ’）では、波長４μｍ帯の赤外線を主に吸収するように赤外吸収薄膜１７と完全反射膜１６との間隔を光学的に約１μｍに調整しており、厚さ５０００ÅのＳｉＯ２ 保護膜の場合、キャビティ長２０を０．３μｍにした。
【００２７】
このように単一の赤外アレイセンサに所望の配置でキャビティ長の異なるセンサを配置することによって複数の波長帯の赤外線を検出することができる。
【００２８】
次に第３の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサについて図１、図４を参照して説明する。図４は本発明の第３の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。第３の実施の形態ではボロメータ材料薄膜２２が赤外線を反射する厚さ１０００ÅのＴｉや厚さ４００ÅのＰｔのような金属薄膜となっている。図４は図１のＡ−Ａ’とＢ−Ｂ’の断面である。
【００２９】
画素のダイアフラム２１は、赤外線を反射する厚さ１０００ÅのＴｉや厚さ４００ÅのＰｔのような金属薄膜であるボロメータ材料薄膜２２と、保護膜２３または保護膜２４と、保護膜２５とから成る。保護膜２３、保護膜２４は、赤外線に対して透明なＳｉＯ２ で形成されている。ダイアフラムの上面には真空インピーダンスマッチングした、つまりシート抵抗が３７７Ωの赤外吸収薄膜２６（例えば、厚さ約１５０ÅのＴｉＮまたは約３０ÅのＮｉＦｅ）が形成されており、赤外吸収薄膜２６と金属ボロメータ薄膜２２との間で打ち消し合う干渉により、ある画素（例えば断面Ａ−Ａ’）では、波長１０μｍ帯の赤外線を吸収するように金属ボロメータ薄膜２２上の保護膜２３の厚さを光学的に約２．５μｍに調整している。実際には、ＳｉＯ２ の保護膜の場合２μｍにした。
【００３０】
隣の画素（断面Ｂ−Ｂ’）では、波長４μｍ帯の赤外線を主に吸収するように保護膜２４の厚さを光学的に１μｍに調整しており、ＳｉＯ２ の保護膜の場合０．７μｍにした。
【００３１】
なお本実施の形態では、金属ボロメータ薄膜２２の下の保護膜２５はＳｉＮでもＳｉＯ２ でも構わない。また空洞２７の間隔もダイアフラム２１が宙に浮いていれば良い。
【００３２】
このように単一の赤外アレイセンサに所望の配置で赤外吸収薄膜と金属ボロメータ材料薄膜との間の保護膜の厚さの異なるセンサを配置することによって複数の波長帯の赤外線を検出することができる。
【００３３】
次に第４の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサについて図１、図５を参照して説明する。図５は本発明の第４の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。第４の実施の形態ではボロメータ材料薄膜３１が第３の実施の形態と同様に赤外線を反射する厚さ１０００ÅのＴｉや厚さ４００ÅのＰｔのような金属薄膜となっているが、ダイアフラム上部の保護膜の材料と赤外線吸収薄膜との組み合わせが異なっている。図５は図１のＡ−Ａ’とＢ−Ｂ’の断面である。
【００３４】
画素のダイアフラム３０は、赤外線を反射する厚さ１０００ÅのＴｉや厚さ４００ÅのＰｔのような金属薄膜である金属ボロメータ薄膜３１と、保護膜３２または保護膜３３と、保護膜３５とから成る。ある画素（例えば断面Ａ−Ａ’）では、保護膜３２は波長１０μｍ帯の赤外線を吸収するＳｉＮ膜（厚さ約５０００Å）である。高い赤外吸収率は、入射赤外線１を金属ボロメータ薄膜３１で保護膜３２の方向に反射させることによって達成される。
【００３５】
隣の（断面Ｂ−Ｂ’）画素では、保護膜３３は赤外線に対して透明なＳｉＯ２ で、ダイアフラム３０の上面には真空インピーダンスマッチングした、つまりシート抵抗３７７Ωの赤外吸収薄膜３４（例えば、厚さ約１５０ÅのＴｉＮまたは約３０ÅのＮｉＦｅ）が形成されており、赤外吸収薄膜３４と金属ボロメータ薄膜３１との間で打ち消し合う干渉により波長４μｍ帯の赤外線を主に吸収するように赤外吸収薄膜３４と金属ボロメータ薄膜３１との間隔を光学的に１μｍに調整している。ＳｉＯ２ の保護膜の場合０．７μｍにした。
【００３６】
なお本実施の形態では、金属ボロメータ薄膜３１の下の保護膜３５はＳｉＮでもＳｉＯ２ でも構わない。また空洞３６の間隔もダイアフラム３０が宙に浮いていれば良い。
【００３７】
このように単一の赤外アレイセンサに所望の配置で赤外吸収薄膜を有せず赤外線を吸収する保護膜を用いたセンサと、ボロメータ材料薄膜材質と赤外吸収薄膜とを組合わせたセンサとを配置することによって複数の波長帯の赤外線を検出することができる。
【００３８】
次に第５の実施の形態の赤外波長帯を検出する強誘電体型赤外アレイセンサについて図６と図８とを参照して説明する。図６は本発明の第５の実施の形態の赤外波長帯を検出する強誘電体型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。全体の構成については図８を参照されたい。第５の実施の形態は上述の第１−第４の実施の形態と基本構造が異なっている。
【００３９】
本発明の複数の赤外波長帯を検出する熱型赤外アレイセンサの第２の典型例は、図６に示すように、赤外吸収層２０４で支持されており、かつ画素ごとに分離された（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３ のような強誘電体セラミクス２０１（厚さ２０μｍ程度）を、熱伝導率の小さいバンプ２０３（ポリイミドの柱）で読出回路（不図示）を含む基板２０２と結合したハイブリッド型の構造を有している。赤外吸収層２０４は真空インピーダンスマッチングした、つまりシート抵抗３７７Ωの赤外吸収薄膜２０５（例えば、厚さ約１５０ÅのＴｉＮまたは約３０ÅのＮｉＦｅ）と、入射赤外線２００に透明なキャビティ層２０６と、共通電極も兼ねている完全反射膜２０７（例えば、厚さ２０００ÅのＴｉ等の金属膜）とから成り、赤外吸収薄膜２０５と完全反射膜２０７との間で打ち消し合う干渉により、ある画素では波長がλ１ μｍ帯の赤外線を吸収するようにキャビティ層２０６の厚さを赤外吸収薄膜２０５と完全反射膜２０７との間隔が実効的にλ１ ／４ｎ（ｎは実効的な吸収率）になるように調整し、隣の画素では他の間隔（λ２ ／４ｎ）に調整する。
【００４０】
このようにして吸収された赤外線は熱となって強誘電体セラミクス２０１の誘電率つまり容量を変化させ、電気信号に変換され信号処理された後に画像化される。
【００４１】
具体的には、波長１０μｍ帯の赤外線の検出の場合、ポリイミド（屈折率１．８）で形成したキャビティ層２０６の厚さを１．４μｍに調整し（図６の左側の画素）、波長４μｍ帯の赤外線の検出の場合、キャビティ層２０６の厚さを０．５６μｍ（図６の右側の画素）にした。
【００４２】
なお同図の２０８は強誘電体セラミクス２０１の他方の電極で、ハイブリッド時の密着性が確保でき、かつオーミックコンタクトが取れればどんな金属でも良い。今回はＩｎを用いた。また、読出回路基板２０２への電気配線２０９には、熱伝導率の小さいＮｉＣｒ薄膜を用いた。また、図６に示す赤外吸収薄膜２０５は、熱分離を高めるため、つまり画素間のクロスト−ク防止の観点から画素間で分離しておく方が良い。
【００４３】
このように単一の赤外アレイセンサに所望の配置でキャビティ層の厚さの異なるセンサを配置することによって複数の波長帯の赤外線を検出することができる。
【００４４】
以上の実施の形態では、１つの熱型赤外アレイセンサにおいて２つの赤外波長帯の検出を行う例で説明した。しかし本発明の概念は、各実施の形態で説明したように１つのアレイセンサの中で３つ以上の赤外波長帯の検出にも適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の複数の赤外波長帯を検出する熱型赤外アレイセンサを用いると、１つのアレイセンサの中でキャビティ長を複数設けたりダイアフラムの上部の保護膜の材質や赤外吸収薄膜との組み合わせを変えることにより、複数の赤外波長帯の検出を行うことができる。その結果、対象物体の温度を複数の赤外波長帯で測定することができ、１つの赤外波長帯で測定するよりもより正確に温度を求めることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複数の赤外波長帯を検出する強誘電体型赤外アレイセンサの模式的斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態の赤外波長帯を検出する強誘電体型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。
【図７】従来例のサーミスタボロメータ型熱型赤外アレイセンサの構成図である。
（ａ）は模式的斜視図である。
（ｂ）は模式的側面断面図である。
【図８】他の従来例の強誘電体型熱型赤外アレイセンサの構成図である。
（ａ）は模式的斜視図である。
（ｂ）は模式的側面断面図である。
【図９】他の従来例のデュアルバンドＨｇＣｄＴｅ赤外アレイセンサの模式的斜視図である。
【符号の説明】
１、２００、３００、４００、５００ 入射赤外線
２、１２、２１、３０、３０１ ダイアフラム
３、３０２ 梁
４ 読出回路基板
５、１３、２２、３１、３０５ ボロメータ材料薄膜
６、７、１４、１５、２３、２４、２５、３２、３３、３５、３０６ 保護膜
８、１６、２０７、３０４、４０７ 完全反射膜
９、１８、２８、３７、２０２ 基板
１０、２７、３６、３０９ 空洞
１０’１９、２０ キャビティ長
１１、１７、２６、３４、２０５、４０５ 赤外吸収薄膜
２０１、４０１ 強誘電体セラミックス
２０３、４０３、５０６、５０７、５０８ バンプ
２０４、４０４ 赤外吸収層
２０６、４０６ キャビティ層
２０８、４０８ 電極
２０９、４０９ 電気配線
３０７、４０２ 読出回路
３０８ シリコン基板
５０１ 画素
５０２ ＣｄＺｎＴｅ基板
５０３ ｎ型Ｈｇ０．７ Ｃｄ０．３ Ｔｅ層
５０４ ｐ型Ｈｇ０．６ Ｃｄ０．４ Ｔｅ層
５０５ ｎ型Ｈｇ０．８ Ｃｄ０．２ Ｔｅ層
【発明の属する技術分野】
本発明は赤外線波長検出器に関し、特に単一のデバイスで複数の赤外波長帯を検出することのできる熱型赤外アレイセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来用いられていたボロメータ型の熱型赤外センサアレイは、一般に図７にて示す構成のものが採用されていた。図７は従来例のサーミスタボロメータ型熱型赤外アレイセンサの構成図であり、（ａ）は模式的斜視図、（ｂ）は模式的側面断面図である。
【０００３】
図７に示すように従来例のサーミスタボロメータ型熱型赤外アレイセンサはダイアフラム３０１と梁３０２とから成る熱分離構造を有している（Ｒ．Ａ．Ｗｏｏｄ，“Ｕｎｃｏｏｌｅｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｉｍａｇｅ Ａｒｒａｙｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ”，Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ，Ｖｏｌ．１７，ｖｏｌｕｍｅ ｅｄｉｔｏｒｓ Ｐ．Ｗ．Ｋｒｕｓｅ ＆ Ｄ．Ｄ．Ｓｋａｔｒｕｄ，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，１９９７年，ｐ．１０３参照）。
【０００４】
ダイアフラム３０１は抵抗温度係数の大きなボロメータ材料薄膜ＶＯｘ３０５と電極（不図示）およびそれらを取り囲む保護膜ＳｉＮ３０６とから成る。梁３０２には熱伝導率の小さい金属薄膜ＮｉＣｒで電気配線（不図示）がなされており、読出回路３０７を搭載したＳｉ基板３０８に接続されている。ダイアフラム直下には空洞３０９があり基板上に完全反射膜３０４がある。ダイアフラム３０１に入射した赤外線３００はＳｉＮ保護膜３０６に吸収され、ダイアフラム３０１を透過した赤外線３００は完全反射膜３０４でダイアフラムの方向に反射され再度ＳｉＮ保護膜３０６に吸収される。このように吸収された赤外線はダイアフラムを暖めボロメータの抵抗を変化させ電圧変化として検出される。被写体の温度がダイアフラムより低い場合は、逆にダイアフラムが熱輻射をして温度が下がり、それに対応したボロメータの抵抗変化が生じる。ＳｉＮ保護膜３０６の赤外吸収帯は波長１０μｍ帯にあるため、この熱型赤外センサアレイの検出波長はこの波長帯に限られる。
【０００５】
図８は他の従来例の強誘電体型熱型赤外アレイセンサの構成図であり、（ａ）は模式的斜視図、（ｂ）は模式的側面断面図である。図８に示す従来例は、強誘電体セラミクス４０１とＳｉ読出回路４０２とをバンプ４０３でハイブリッド化した熱型赤外センサアレイである（Ｃ．Ｈ．Ｈａｎｓｅｎ，ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃ．２０２０巻，１９９３年，ｐ３３０参照）。この場合、赤外吸収機構は図７のサーミスタボロメータ型熱型赤外アレイセンサと異なり、赤外吸収膜４０５で一部の入射赤外線４００は反射され、一方残りの入射赤外線４００は赤外吸収のないキャビティ層４０６を通り完全反射膜（共通電極も兼用）４０７で反射される。これら２つの反射赤外線は、赤外吸収膜４０５の位置で打ち消し合う干渉を起こして同膜内の自由電子に吸収される。吸収された赤外線は熱に変わり（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３ 強誘電体セラミクス４０１の誘電率を変化させ、電極４０８、電気配線４０９を経由して読出回路４０２により電圧変化として検出される。この赤外センサアレイではキャビティ層の厚みが各画素ごとに同じであるため、すべての画素は同じ波長帯しか検出できない。
【０００６】
図９は他の従来例のデュアルバンドＨｇＣｄＴｅ赤外アレイセンサの模式的斜視図である。図９に示す従来例は図７、図８を参照して説明した熱型赤外センサではなく、Ｓｉ読出回路とハイブリッド化した２次元ＨｇＣｄＴｅフォトダイオードアレイで、２つの赤外波長帯を同一画素内で同時に検出することができる、いわゆるデュアルバンドの量子型赤外アレイセンサである（Ｐ．Ｒ．Ｎｏｒｔｏｎ，米国特許５，１４９，９５６参照）。なお、同図にはＳｉ読出回路は示されていない。各画素５０１は、赤外線に透明なＣｄＺｎＴｅ基板５０２上に形成され、波長３−５μｍ帯の赤外線を吸収するｎ型Ｈｇ０．７ Ｃｄ０．３ Ｔｅ層５０３（バンドギャップ約０．２４ｅＶ，厚さ１０μｍ）、同層よりバンドギャップが大きいｐ型Ｈｇ０．６ Ｃｄ０．４ Ｔｅ層５０４（厚さ３μｍ）及び波長１０μｍ帯の赤外線を吸収するｎ型Ｈｇ０．８ Ｃｄ０．２ Ｔｅ層５０５（バンドギャップ約０．１ｅＶ、厚さ１０μｍ）から成る。Ｉｎのバンプ５０６−５０８はこれらの各層をＳｉ読出回路基板と電気的・機械的に接続するためのものである。ｐ型ＨｇＣｄＴｅ層５０４はアレイ全体で共通電極の役目をする。一方、２つのｎ型ＨｇＣｄＴｅ層５０３と５０５は、画素ごとに分離されていて各画素が独立したｎｐｎ構造となっており、同一画素内で２つの波長帯の赤外線を検出することができる。
【０００７】
さて入射赤外線５００がｎｐｎの画素構造のＣｄＺｎＴｅ基板５０２に入射すると、まず波長の短い赤外線がＨｇＣｄＴｅ層５０３と５０４に吸収される。次にこれら２つの層を透過した長い波長の赤外線はＨｇＣｄＴｅ層５０５に吸収される。このように短波長帯の赤外線は２つのＨｇＣｄＴｅ層５０３と５０４のｐｎ接合により、一方、長波長帯の赤外線は２つのＨｇＣｄＴｅ層５０５と５０４のｐｎ接合により光電流として検出される。この光電流はＩｎバンプ５０６−５０８を通じてＳｉ読出回路に送り込まれる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図７と図８とに示した従来例の熱型非冷却赤外アレイセンサ場合、１つのデバイスで複数の赤外波長帯を検出することができないという問題点があり、一方、図９に示したＨｇＣｄＴｅデュアルバンド赤外アレイセンサの場合、２つの赤外波長帯まで検出できるが３つ以上の波長帯の赤外線を検出することはできなく、しかも冷却しないと動作しないという問題点がある。
【０００９】
本発明の目的は、１つの熱型非冷却赤外アレイセンサで複数の波長帯の赤外線を検出することができる熱型赤外アレイセンサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の複数の赤外波長帯を検出する熱型赤外アレイセンサは、入射する赤外線を測定するセンサが所定の配列で配置されている熱分離構造を有する熱型赤外線アレイセンサであって、検出する赤外波長帯が異なるセンサが千鳥配列されている。
【００１１】
本発明の検出する赤外波長帯が異なるセンサの第１の態様では、基板から伸長している梁によって空間に支持されているダイアフラムがそれぞれ１つの画素に対応して配置され、そのダイアフラムは、赤外線を透過しあるいは反射する熱電変換材料薄膜と、電極と、熱電変換材料薄膜と電極とを取り囲む保護膜とから構成される構造を基本としており、熱電変換材料薄膜の種類と、保護膜の種類と、ダイアフラム上に形成された真空インピーダンスマッチングした赤外吸収薄膜と基板上に設けられた完全反射膜との間で打ち消し合う干渉による特定波長帯の赤外線の吸収とを組み合わせて構成されている。
【００１２】
その第１の応用例では、赤外線を透過する熱電変換材料薄膜が用いられており、特定波長を吸収する保護膜を有するグループと赤外吸収薄膜と基板上に設けられた完全反射膜との間で打ち消し合う干渉により特定波長帯の赤外線を吸収するグループとを組み合わせているので複数の波長帯の赤外線が検出できる。
【００１３】
第２の応用例では、赤外線を透過する熱電変換材料薄膜が用いられており、赤外吸収薄膜と基板上に設けられた完全反射膜との間で打ち消し合う干渉により特定波長帯の赤外線を吸収する構造で、赤外吸収薄膜と完全反射膜との間隔が異なるグループを設けることで複数の波長帯の赤外線が検出できる。
【００１４】
第３の応用例では、完全反射膜の代わりに赤外線を反射する金属サーミスタボロメータ薄膜を用い、赤外吸収薄膜と金属サーミスタボロメータ薄膜との間で打ち消し合う干渉により特定波長帯の赤外線を吸収する構造で、赤外吸収薄膜と金属サーミスタボロメータ薄膜との間隔が異なるグループを設けることで複数の波長帯の赤外線が検出できる。
【００１５】
第４の応用例では、完全反射膜の代わりに赤外線を反射する金属サーミスタボロメータ薄膜を用い、特定波長を吸収する保護膜を有するグループと、赤外吸収薄膜と金属サーミスタボロメータ薄膜との間で打ち消し合う干渉により特定波長帯の赤外線を吸収するグループとを組み合わせているので複数の波長帯の赤外線が検出できる。
【００１６】
第２の態様では、センサは画素ごとに分離された強誘電体セラミクスが赤外吸収層で支持されており、かつ熱伝導率の小さいバンプで基板と結合したハイブリッド型の構造を有しており、赤外吸収層が真空インピーダンスマッチングした赤外吸収薄膜と、赤外線に透明なキャビティ層と、完全反射膜との３層から構成され、赤外吸収薄膜と完全反射膜との間で打ち消し合う干渉により特定の波長帯の赤外線を吸収するように、キャビティ層の厚さの異なったグループを設けているので複数の波長帯の赤外線が検出できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明の複数の赤外波長帯を検出する熱型赤外アレイセンサについて第１から第５の実施の形態を例示するが、それらのうち第１から第４の実施の形態においては共通な点が多いので、まず一括して基本となる構造を説明し次に個別の特徴を説明する。
【００１８】
図１は本発明の複数の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的斜視図であり、アレイを構成する２種類のセンサを模式的に表示している。本発明の複数の赤外波長帯を検出する熱型赤外アレイセンサの第１の典型例では、図１に示すように、Ｓｉ読出回路基板４から伸びている梁３によって支えられて宙に浮いているダイアフラム２から成る熱分離構造を有する上層部と読出回路や完全反射膜を有するＳｉ基板４とで構成されている。このような熱型赤外アレイセンサにおいて隣り合う画素のダイアフラム２の多層構造や使用する薄膜材料を変えたり、上層部と基板上の完全反射膜との間隔を画素ごとに変えることにより、異なる波長帯の赤外線を検出することができる。画素の大きさは、本発明の場合、３０から１００μｍ程度である。
【００１９】
第１の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサについて図１、図２を参照して説明する。図２は本発明の第１の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。第１の実施の形態ではボロメータ材料薄膜が赤外線に対して透明な金属酸化物となっている。図２は図１のＡ−Ａ’とＢ−Ｂ’の断面である。
【００２０】
画素のダイアフラム２は、赤外線を透過する酸化バナジウムまたは希土類を含むペロブスカイトの酸化マンガンの薄膜であるボロメータ材料薄膜５と保護膜６または保護膜７とから成る。例えば、Ａ−Ａ’の断面の画素では保護膜６はＳｉＮ膜（厚さの合計約５０００Å）であり波長１０μｍ帯の赤外線を吸収する。高い赤外吸収率は、Ｓｉ基板９上の完全反射膜８（例えば、２０００Å厚のＡｌ，Ｔｉ，ＷＳｉ等の金属膜）で入射赤外線１をダイアフラム２の方向に反射させることによって達成される。この場合、空洞１０の間隔はダイアフラム２が宙に浮いていれば良い。
【００２１】
一方、断面Ｂ−Ｂ’に示す他の画素では、保護膜７として赤外線に対してほぼ透明なＳｉＯ２ を採用している。この場合、ダイアフラムに赤外線を吸収させるためダイアフラムの上面には真空インピーダンスマッチングした、つまりシート抵抗３７７Ωの赤外吸収薄膜１１（例えば、厚さ約１５０ÅのＴｉＮまたは約３０ÅのＮｉＦｅ）が形成されており、赤外吸収薄膜１１と完全反射膜８との間での打ち消し合う干渉により特定の波長帯、例えば波長４μｍ帯の赤外線を主に吸収するように赤外吸収薄膜１１と完全反射膜８との間隔を光学的に１μｍに調整している。厚さ５０００ÅのＳｉＯ２ 保護膜７の場合にキャビティ長１０’は、０．３μｍにした。
【００２２】
このようにして吸収された赤外線は熱となってダイアフラムの温度を変化させ、ダイアフラム内のボロメータの抵抗が変わり、電気信号に変換され信号処理された後に画像化される。
【００２３】
単一の赤外アレイセンサに所望の配置でＡ−Ａ‘断面やＢ−Ｂ’断面のセンサを配置し、あるいはＢ−Ｂ’断面のセンサのキャビティ長を変えることによって複数の波長帯の赤外線を検出することができる。
【００２４】
次に第２の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサについて図１、図３を参照して説明する。図３は本発明の第２の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。第２の実施の形態ではボロメータ材料薄膜１３が赤外線を通す酸化バナジウムまたは希土類を含むペロブスカイトの酸化マンガンの薄膜となっている。図３は図１のＡ−Ａ’とＢ−Ｂ’の断面である。
【００２５】
画素のダイアフラム１２は、赤外線を通す酸化バナジウムまたは希土類を含むペロブスカイトの酸化マンガンの薄膜であるボロメータ材料薄膜１３と保護膜１４または保護膜１５とから成る。第２の実施の形態では保護膜１４、保護膜１５は赤外線に対して透明なＳｉＯ２ である。ダイアフラムの上面には真空インピーダンスマッチングした、つまりシート抵抗３７７Ωの赤外吸収薄膜１７（例えば、厚さ約１５０ÅのＴｉＮまたは約３０ÅのＮｉＦｅ）が形成されており、赤外吸収薄膜１７と完全反射膜１６（例えば、２０００Å厚のＡｌ，Ｔｉ，ＷＳｉ等の金属膜）との間で打ち消し合う干渉により、ある画素（例えば断面Ａ−Ａ’）では、波長１０μｍ帯の赤外線を吸収するように赤外吸収薄膜１７と完全反射膜１６との間隔を光学的に約２．５μｍに調整している。実際には厚さ５０００ÅのＳｉＯ２ 保護膜の場合、キャビティ長１９を２μｍにした。
【００２６】
隣の画素（断面Ｂ−Ｂ’）では、波長４μｍ帯の赤外線を主に吸収するように赤外吸収薄膜１７と完全反射膜１６との間隔を光学的に約１μｍに調整しており、厚さ５０００ÅのＳｉＯ２ 保護膜の場合、キャビティ長２０を０．３μｍにした。
【００２７】
このように単一の赤外アレイセンサに所望の配置でキャビティ長の異なるセンサを配置することによって複数の波長帯の赤外線を検出することができる。
【００２８】
次に第３の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサについて図１、図４を参照して説明する。図４は本発明の第３の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。第３の実施の形態ではボロメータ材料薄膜２２が赤外線を反射する厚さ１０００ÅのＴｉや厚さ４００ÅのＰｔのような金属薄膜となっている。図４は図１のＡ−Ａ’とＢ−Ｂ’の断面である。
【００２９】
画素のダイアフラム２１は、赤外線を反射する厚さ１０００ÅのＴｉや厚さ４００ÅのＰｔのような金属薄膜であるボロメータ材料薄膜２２と、保護膜２３または保護膜２４と、保護膜２５とから成る。保護膜２３、保護膜２４は、赤外線に対して透明なＳｉＯ２ で形成されている。ダイアフラムの上面には真空インピーダンスマッチングした、つまりシート抵抗が３７７Ωの赤外吸収薄膜２６（例えば、厚さ約１５０ÅのＴｉＮまたは約３０ÅのＮｉＦｅ）が形成されており、赤外吸収薄膜２６と金属ボロメータ薄膜２２との間で打ち消し合う干渉により、ある画素（例えば断面Ａ−Ａ’）では、波長１０μｍ帯の赤外線を吸収するように金属ボロメータ薄膜２２上の保護膜２３の厚さを光学的に約２．５μｍに調整している。実際には、ＳｉＯ２ の保護膜の場合２μｍにした。
【００３０】
隣の画素（断面Ｂ−Ｂ’）では、波長４μｍ帯の赤外線を主に吸収するように保護膜２４の厚さを光学的に１μｍに調整しており、ＳｉＯ２ の保護膜の場合０．７μｍにした。
【００３１】
なお本実施の形態では、金属ボロメータ薄膜２２の下の保護膜２５はＳｉＮでもＳｉＯ２ でも構わない。また空洞２７の間隔もダイアフラム２１が宙に浮いていれば良い。
【００３２】
このように単一の赤外アレイセンサに所望の配置で赤外吸収薄膜と金属ボロメータ材料薄膜との間の保護膜の厚さの異なるセンサを配置することによって複数の波長帯の赤外線を検出することができる。
【００３３】
次に第４の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサについて図１、図５を参照して説明する。図５は本発明の第４の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。第４の実施の形態ではボロメータ材料薄膜３１が第３の実施の形態と同様に赤外線を反射する厚さ１０００ÅのＴｉや厚さ４００ÅのＰｔのような金属薄膜となっているが、ダイアフラム上部の保護膜の材料と赤外線吸収薄膜との組み合わせが異なっている。図５は図１のＡ−Ａ’とＢ−Ｂ’の断面である。
【００３４】
画素のダイアフラム３０は、赤外線を反射する厚さ１０００ÅのＴｉや厚さ４００ÅのＰｔのような金属薄膜である金属ボロメータ薄膜３１と、保護膜３２または保護膜３３と、保護膜３５とから成る。ある画素（例えば断面Ａ−Ａ’）では、保護膜３２は波長１０μｍ帯の赤外線を吸収するＳｉＮ膜（厚さ約５０００Å）である。高い赤外吸収率は、入射赤外線１を金属ボロメータ薄膜３１で保護膜３２の方向に反射させることによって達成される。
【００３５】
隣の（断面Ｂ−Ｂ’）画素では、保護膜３３は赤外線に対して透明なＳｉＯ２ で、ダイアフラム３０の上面には真空インピーダンスマッチングした、つまりシート抵抗３７７Ωの赤外吸収薄膜３４（例えば、厚さ約１５０ÅのＴｉＮまたは約３０ÅのＮｉＦｅ）が形成されており、赤外吸収薄膜３４と金属ボロメータ薄膜３１との間で打ち消し合う干渉により波長４μｍ帯の赤外線を主に吸収するように赤外吸収薄膜３４と金属ボロメータ薄膜３１との間隔を光学的に１μｍに調整している。ＳｉＯ２ の保護膜の場合０．７μｍにした。
【００３６】
なお本実施の形態では、金属ボロメータ薄膜３１の下の保護膜３５はＳｉＮでもＳｉＯ２ でも構わない。また空洞３６の間隔もダイアフラム３０が宙に浮いていれば良い。
【００３７】
このように単一の赤外アレイセンサに所望の配置で赤外吸収薄膜を有せず赤外線を吸収する保護膜を用いたセンサと、ボロメータ材料薄膜材質と赤外吸収薄膜とを組合わせたセンサとを配置することによって複数の波長帯の赤外線を検出することができる。
【００３８】
次に第５の実施の形態の赤外波長帯を検出する強誘電体型赤外アレイセンサについて図６と図８とを参照して説明する。図６は本発明の第５の実施の形態の赤外波長帯を検出する強誘電体型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。全体の構成については図８を参照されたい。第５の実施の形態は上述の第１−第４の実施の形態と基本構造が異なっている。
【００３９】
本発明の複数の赤外波長帯を検出する熱型赤外アレイセンサの第２の典型例は、図６に示すように、赤外吸収層２０４で支持されており、かつ画素ごとに分離された（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３ のような強誘電体セラミクス２０１（厚さ２０μｍ程度）を、熱伝導率の小さいバンプ２０３（ポリイミドの柱）で読出回路（不図示）を含む基板２０２と結合したハイブリッド型の構造を有している。赤外吸収層２０４は真空インピーダンスマッチングした、つまりシート抵抗３７７Ωの赤外吸収薄膜２０５（例えば、厚さ約１５０ÅのＴｉＮまたは約３０ÅのＮｉＦｅ）と、入射赤外線２００に透明なキャビティ層２０６と、共通電極も兼ねている完全反射膜２０７（例えば、厚さ２０００ÅのＴｉ等の金属膜）とから成り、赤外吸収薄膜２０５と完全反射膜２０７との間で打ち消し合う干渉により、ある画素では波長がλ１ μｍ帯の赤外線を吸収するようにキャビティ層２０６の厚さを赤外吸収薄膜２０５と完全反射膜２０７との間隔が実効的にλ１ ／４ｎ（ｎは実効的な吸収率）になるように調整し、隣の画素では他の間隔（λ２ ／４ｎ）に調整する。
【００４０】
このようにして吸収された赤外線は熱となって強誘電体セラミクス２０１の誘電率つまり容量を変化させ、電気信号に変換され信号処理された後に画像化される。
【００４１】
具体的には、波長１０μｍ帯の赤外線の検出の場合、ポリイミド（屈折率１．８）で形成したキャビティ層２０６の厚さを１．４μｍに調整し（図６の左側の画素）、波長４μｍ帯の赤外線の検出の場合、キャビティ層２０６の厚さを０．５６μｍ（図６の右側の画素）にした。
【００４２】
なお同図の２０８は強誘電体セラミクス２０１の他方の電極で、ハイブリッド時の密着性が確保でき、かつオーミックコンタクトが取れればどんな金属でも良い。今回はＩｎを用いた。また、読出回路基板２０２への電気配線２０９には、熱伝導率の小さいＮｉＣｒ薄膜を用いた。また、図６に示す赤外吸収薄膜２０５は、熱分離を高めるため、つまり画素間のクロスト−ク防止の観点から画素間で分離しておく方が良い。
【００４３】
このように単一の赤外アレイセンサに所望の配置でキャビティ層の厚さの異なるセンサを配置することによって複数の波長帯の赤外線を検出することができる。
【００４４】
以上の実施の形態では、１つの熱型赤外アレイセンサにおいて２つの赤外波長帯の検出を行う例で説明した。しかし本発明の概念は、各実施の形態で説明したように１つのアレイセンサの中で３つ以上の赤外波長帯の検出にも適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の複数の赤外波長帯を検出する熱型赤外アレイセンサを用いると、１つのアレイセンサの中でキャビティ長を複数設けたりダイアフラムの上部の保護膜の材質や赤外吸収薄膜との組み合わせを変えることにより、複数の赤外波長帯の検出を行うことができる。その結果、対象物体の温度を複数の赤外波長帯で測定することができ、１つの赤外波長帯で測定するよりもより正確に温度を求めることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複数の赤外波長帯を検出する強誘電体型赤外アレイセンサの模式的斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態の赤外波長帯を検出するサーミスタボロメータ型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態の赤外波長帯を検出する強誘電体型赤外アレイセンサの模式的部分断面図である。
【図７】従来例のサーミスタボロメータ型熱型赤外アレイセンサの構成図である。
（ａ）は模式的斜視図である。
（ｂ）は模式的側面断面図である。
【図８】他の従来例の強誘電体型熱型赤外アレイセンサの構成図である。
（ａ）は模式的斜視図である。
（ｂ）は模式的側面断面図である。
【図９】他の従来例のデュアルバンドＨｇＣｄＴｅ赤外アレイセンサの模式的斜視図である。
【符号の説明】
１、２００、３００、４００、５００ 入射赤外線
２、１２、２１、３０、３０１ ダイアフラム
３、３０２ 梁
４ 読出回路基板
５、１３、２２、３１、３０５ ボロメータ材料薄膜
６、７、１４、１５、２３、２４、２５、３２、３３、３５、３０６ 保護膜
８、１６、２０７、３０４、４０７ 完全反射膜
９、１８、２８、３７、２０２ 基板
１０、２７、３６、３０９ 空洞
１０’１９、２０ キャビティ長
１１、１７、２６、３４、２０５、４０５ 赤外吸収薄膜
２０１、４０１ 強誘電体セラミックス
２０３、４０３、５０６、５０７、５０８ バンプ
２０４、４０４ 赤外吸収層
２０６、４０６ キャビティ層
２０８、４０８ 電極
２０９、４０９ 電気配線
３０７、４０２ 読出回路
３０８ シリコン基板
５０１ 画素
５０２ ＣｄＺｎＴｅ基板
５０３ ｎ型Ｈｇ０．７ Ｃｄ０．３ Ｔｅ層
５０４ ｐ型Ｈｇ０．６ Ｃｄ０．４ Ｔｅ層
５０５ ｎ型Ｈｇ０．８ Ｃｄ０．２ Ｔｅ層
Claims (10)
- 入射する赤外線を測定するセンサが所定の配列で配置されている熱分離構造を有する熱型赤外線アレイセンサであって、検出する赤外波長帯が異なるセンサが千鳥配列されており、基板から伸長している梁によって空間に支持されているダイアフラムがそれぞれ１つの画素に対応して配置され、該ダイアフラムは、赤外線を透過する熱電変換材料薄膜と、該熱電変換材料薄膜の抵抗の変化を取り出すための電極と、該熱電変換材料薄膜と該電極とを取り囲む保護膜とから構成され、前記ダイアフラムの直下の前記基板上には赤外線完全反射膜が形成され、一種類の画素の前記ダイアフラムの前記保護膜は所定の波長帯の赤外線を吸収する材質で構成され、他の種類の画素の前記ダイアフラムの前記保護膜は赤外線に対して透明な材質で構成され、かつ該ダイアフラムの上面には真空インピーダンスマッチングした赤外吸収薄膜が形成され、該赤外吸収薄膜と前記赤外線完全反射膜との間で打ち消し合う干渉により前記所定の波長帯以外の赤外線が吸収されるような間隔に、前記赤外吸収薄膜と前記赤外線完全反射膜との間隔が調整されていることを特徴とする熱型赤外アレイセンサ。
- 前記所定の波長帯が１０μｍである請求項１に記載の熱型赤外アレイセンサ。
- 前記所定の波長帯の赤外線を吸収する保護膜の材質がＳｉＮであり、前記赤外線に対して透明な保護膜の材質がＳｉＯ2 である請求項２に記載の熱型赤外アレイセンサ。
- 入射する赤外線を測定するセンサが所定の配列で配置されている熱分離構造を有する熱型赤外線アレイセンサであって、検出する赤外波長帯が異なるセンサが千鳥配列されており、基板から伸長している梁によって空間に支持されているダイアフラムがそれぞれ１つの画素に対応して配置され、該ダイアフラムは、赤外線を反射する金属サーミスタボロメータ薄膜と、該金属サーミスタボロメータ薄膜を取り囲む保護膜とから構成され、該保護膜は赤外線に対して透明な材質で構成され、前記ダイアフラムの上面には真空インピーダンスマッチングした赤外吸収薄膜が形成され、該赤外吸収薄膜と前記金属サーミスタボロメータ薄膜との間で打ち消し合う干渉により複数の所定の波長帯の赤外線が吸収されるような間隔に、前記赤外吸収薄膜と前記金属サーミスタボロメータ薄膜との間の前記保護膜の厚さがそれぞれ調整されていることを特徴とする熱型赤外アレイセンサ。
- 前記所定の波長帯の一つの波長がλ1 μｍであり、波長λ1μｍ帯の赤外線を吸収するように前記保護膜の厚さが実効的にλ1 ／４ｎ（ｎは実効的な吸収率）に調整され、他の前記所定の波長帯の波長がλ2 μｍであり、波長λ2 μｍ帯の赤外線を吸収するように前記保護膜の厚さが実効的に波長λ2／４ｎに調整されている請求項４に記載の熱型赤外アレイセンサ。
- 入射する赤外線を測定するセンサが所定の配列で配置されている熱分離構造を有する熱型赤外線アレイセンサであって、検出する赤外波長帯が異なるセンサが千鳥配列されており、基板から伸長している梁によって空間に支持されているダイアフラムがそれぞれ１つの画素に対応して配置され、該ダイアフラムは、赤外線を反射する金属サーミスタボロメータ薄膜と、該熱金属サーミスタボロメータを取り囲む保護膜とから構成され、一種類の画素の前記ダイアフラムの前記保護膜は所定の波長帯の赤外線を吸収する材質で構成され、他の種類の画素の前記ダイアフラムの前記保護膜は赤外線に対して透明な材質で構成され、かつ該ダイアフラムの上面には真空インピーダンスマッチングした赤外吸収薄膜が形成され、該赤外吸収薄膜と前記金属サーミスタボロメータ薄膜との間で打ち消し合う干渉により前記所定の波長帯以外の赤外線が吸収されるような間隔に、前記赤外吸収薄膜と前記金属サーミスタボロメータ薄膜との間の前記保護膜の厚さが調整されていることを特徴とする熱型赤外アレイセンサ。
- 前記所定の波長帯が１０μｍである請求項６に記載の熱型赤外アレイセンサ。
- 前記所定の波長帯の赤外線を吸収する保護膜の材質がＳｉＮであり、前記赤外線に対して透明な保護膜の材質がＳｉＯ2 である請求項７に記載の熱型赤外アレイセンサ。
- 入射する赤外線を測定するセンサが所定の配列で配置されている熱分離構造を有する熱型赤外線アレイセンサであって、検出する赤外波長帯が異なるセンサが千鳥配列されており、前記センサは、画素ごとに分離された強誘電体セラミクスが赤外吸収層で支持されており、かつ熱伝導率の小さいバンプで基板と結合したハイブリッド型の構造を有しており、前記赤外吸収層は真空インピーダンスマッチングした赤外吸収薄膜と、赤外線に透明なキャビティ層と、赤外線完全反射膜とから構成され、前記赤外吸収薄膜と前記赤外線完全反射膜との間で打ち消し合う干渉により、複数の所定の波長帯の赤外線を吸収するように透明な前記キャビティ層の厚さがそれぞれ調整されていることを特徴とする熱型赤外アレイセンサ。
- 前記所定の波長帯の一つの波長がλ1 μｍであり、波長λ1 μｍ帯の赤外線を吸収するように前記キャビティ層の厚さが実効的にλ1 ／４ｎ（ｎは実効的な吸収率）に調整され、他の前記所定の波長帯の波長がλ2 μｍであり、波長λ2 μｍ帯の赤外線を吸収するように前記キャビティ層の厚さが実効的にλ2 μｍ／４ｎに調整されている請求項９に記載の熱型赤外アレイセンサ。
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