JP4241245B2 - センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、メンブレン構造を有し、検出部により物理量を検出する構成のセンサ装置に関する。

メンブレン構造を有するセンサ装置としては、例えばサーモパイル式赤外線センサがある（例えば特許文献１）。このサーモパイル式赤外線センサにおいては、熱電対の温接点と冷接点との間の熱分離をよくするために、薄膜のメンブレンを形成し、この上に温接点側を配置する必要がある。
特開平４−９８８８３号公報

しかし、温度や歪みなどで過大な応力がかかると強度的に弱いメンブレン部分が破壊したり、クラックが発生する問題がある。これに対して、メンブレンの強度を上げて破壊防止を図る手段としては、メンブレンを形成する薄膜の膜厚を厚く設定して強度を高める方法がある。
ところが、メンブレンの膜厚を厚くすることは、熱伝導が大きくなるため熱分離が悪くなり、温度差が低下することにつながり、これによってサーモパイルの感度が低下する問題がある。この問題に対処するべく、メンブレン薄膜を厚くする分、薄膜材料を熱伝導の小さな材料にするということが考えられるが、この場合には、構造材料の変更に伴い新たな設計開発が必要となるため、多大なコストがかかってしまう問題がある。

図６は矩形状をなすメンブレン構造においてサーモパイルを配置した構成の赤外線センサ１の平面図を示している。この構成において、サーモパイル２は、基板となるシリコン基板３の中央部に矩形状のメンブレン４が形成されている。サーモパイル２を構成する多数の熱電対２ａは、冷接点がシリコン基板３側に配置され、温接点がメンブレン４側に配置され、直列に接続された状態に形成されている。

これにより、赤外線の輻射を受けると、冷接点側はシリコン基板３がヒートシンクとなって温度上昇が抑制され、温接点側はメンブレン４により熱の逃げ場がないのでその温度が上昇し、両者の間で温度差を生ずるようになる。ゼーベック効果によってその温度差が起電力の差となり、直列に接続している熱電対の数だけ起電力が足しあわされ、出力端子間には温度差に応じた出力電圧を得ることができるようになる。

ところで、このような構成において、メンブレン４上に形成しているサーモパイル２は、図７（ａ）に示すように、絶縁膜５を介して絶縁された状態に配置形成され、上面には保護膜６が形成された状態とさているので、サーモパイル２の部分で段差を生じた状態となる。サーモパイル２が配置されない部分では、同図（ｂ）に示すように段差の生じない状態に形成されている。このような段差があると、メンブレン４の形成工程中またはセンサ装置の使用環境下において発生する応力により、この部分に応力が集中して破壊やクラックなどの損傷をもたらす場合がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、メンブレン構造の形成過程で応力を受けても破壊やクラックの発生が極力防止できるようにしたセンサ装置を提供することにある。

請求項１の発明によれば、メンブレン構造は矩形状を成す形状に形成され、当該メンブレン構造の各辺部の中央から内側に向けて、各辺の辺方向に沿った寸法をその辺の１５分の１、各辺から内側に直交する方向への寸法を直行する辺部の長さ寸法の２００分の１に回避領域が形成され、検出部を、メンブレン構造の表面に形成する場合に回避領域を避けるようにパターンを配置しているので、メンブレン構造部分に検出部の構成を形成していても、応力が集中しやすい回避領域を避けるように配置したことから、破壊やクラックなどの発生を防止できて、品質の良好なものを製作することができるようになる。
また、後述するシミュレーション結果から製造工程での応力の集中領域を特定の領域に発生させて、そこを回避領域として形成することで検出部の配置形成を良好な品質で行うことができるようになる。
発明者らは、シミュレーションおよび実験結果から、製造工程で大きな応力発生が予想される領域が上記した回避領域に含まれることを求めた。そして、得られた回避領域を避けるように検出部を配置することで、破壊やクラック発生を極力抑制したセンサ装置を得ることができるようになることを見出した。

請求項２の発明では、検出部をサーモパイルを設けることで赤外線を検知する構成としているので、そのサーモパイルをメンブレン構造部分に形成する場合でも、製造工程段階または使用時に発生することが予想される破壊やクラックなどの損傷から防止することができるので、品質の良好なものを得ることができるようになる。
しかも、後述するシミュレーション結果から製造工程での応力の集中領域を特定の領域に発生させて、そこを回避領域として形成することでサーモパイルの配置形成を良好な品質で行うことができるようになる。

以下、本発明を赤外線センサに適用した場合の一実施形態について図１ないし図５を参照して説明する。
図１は赤外線センサのチップ１１の上面図（ａ）とその模式的な断面図（ｂ）を示すもので、チップ１１はシリコン基板１１ａを加工して形成している。チップ１１の表面にはメンブレン構造１２を形成するための薄膜１３が形成され、シリコン基板１１ａの裏面側をエッチングすることにより薄膜１３部分が矩形状に露出するようにしてメンブレン構造１２が形成されている。

メンブレン構造１２の表面には、サーモパイル１４が形成されている。このサーモパイル１４は、多数の熱電対１５を直列に接続したものとして構成されている。各熱電対１５は、温接点１５ａがメンブレン構造１２側に位置し、冷接点１５ｂがシリコン基板１１ａ側に位置するようにして接続されている。そして、矩形状をなすメンブレン構造１２に対して、各辺部の中央寄りに所定個数が配列されている。

なお、メンブレン構造１２の各辺部の中央にはサーモパイル１４の配置を避けるべく設定された回避領域１６が設けられている。この回避領域１６については後述するが、製造工程上または使用時にメンブレン構造１２との関係により応力が集中して発生しやすい領域となっている。この回避領域１６は、サーモパイル１４のパターンを配置形成すると、その段差（図７（ａ）参照）に起因して応力によるクラックなどが発生しやすくなっている。

発明者らの実験結果によると、メンブレン構造１２において、同図（ｂ）に示すサーモパイル１４のパターンが形成されない部分に比べて同図（ａ）に示す部分は、約７割以下に強度が低下することが確認されている。そこで、この実施形態においては、図示のように、この部分を避けるようにしてサーモパイル１４のパターンを形成している。
また、メンブレン構造１２の上のサーモパイル１４には赤外線吸収膜１７を覆うように形成しており、受けた赤外線をできるだけ反射や透過するのを少なくして熱の吸収率を高めるようにしている。サーモパイル１４の両端部は、外部に電気的に接続するためのパッドとして出力端子１４ａ，１４ｂが形成されており、ボンディングワイヤやバンプなどを接続することができる大きさに設定されている。

サーモパイル１４は、図２に示すような等価回路として示すことができる。すなわち、異なる電極材料（図中では線の太さを変えて示している）を一対の熱電対１５として、多数の熱電対１５を直列接続となるようにして、その温接点１５ａをメンブレン構造１２側にまとめて配置し、冷接点１５ｂ側をシリコン基板１１側にまとめて配置することで、すべての熱電対１５の出力を加算した出力信号（出力電圧Ｖout）として出力端子１４ａ，１４ｂ間に得られるようにしたものである。

次に、上記した回避領域１６の寸法について説明する。図３は回避領域１６の形成範囲を示したものである。メンブレン構造１２の各辺の長さをＡ，Ｂとすると、この寸法Ａ，Ｂを基準として形成することができる。図示のように、上下の辺部の寸法をＡ、左右の辺部の寸法をＢとした場合に、回避領域１６は、各辺の方向の寸法Ｘおよび幅寸法Ｙは次式のように形成されている。

Ｘ＝Ａ／１５ …（１）
Ｙ＝Ｂ／２００ …（２）
ただし、回避領域１６は各辺部の中央（サーモパイル１４の形成領域であるＣ，Ｄの範囲は等しい寸法に設定されている）に位置するように形成されている。これは、シミュレーションの結果と実験結果とに基づいて、応力集中を起こす領域がこの位置となることを見出したものである。

図４は応力発生に起因して発生したクラックの個数を実験的に確かめた結果を示すもので、同図（ｂ）に示すようにメンブレン端を距離０（μｍ）としたときの内側に向かう方向の寸法を変数として、クラック発生位置（μｍ）を観察したものである。このクラック発生位置は、回避領域１６の寸法Ｙを設定するためのデータとなる。
上述の実験結果から、クラックの発生がメンブレン端（０μｍ）から３μｍ程度の範囲までが最も多く、少なくとも４．５μｍまでの範囲で発生していることがわかった。この結果に基づいて、製造ばらつきなどを考慮して寸法Ｙの値を５μｍが適切な寸法であると判断した。この寸法Ｙの値は、メンブレンサイズ１０００μｍの２００分の１となっているので、前述の式（２）を設定する根拠となっている。

一方、回避領域１６の寸法Ｘを設定するために、発明者らはＦＥＭ（Finite Element Method）解析により応力が集中する領域の確認を行った。シミュレーションに用いた領域Ｓは、図４（ｂ）に示したメンブレン構造１２において、縦横の中心線を引いた状態でその左上部分である。シミュレーション結果は、図５に示している。
図中では、発生応力の等しい部分を等応力線で結んで示しており、右上部分と左下部分に応力が集中していることがわかった。これらの部分は、図４（ｂ）では、メンブレン構造１２の辺部の中央に位置する。そして、この結果から、回避領域１６の寸法Ｘは、全体の幅寸法の１５分の１程度であれば十分であることがわかり、前述の式（１）を設定する根拠とした。

上記した構成を採用することにより、赤外線センサ１１は、メンブレン構造１２上にサーモパイル１４を形成する際に回避領域１６を除いた領域に形成することで、製造工程または使用時に発生する応力による影響を極力低減してクラックの発生や破壊を抑制して良質なものを得ることができるようになる。
また、このように回避領域１６を設定することは、製造工程上で新規な工程が増えることはなくサーモパイル１４のパターン変更のみで実施することができるので、工程変更などに伴うプロセス条件などの設計変更を必要とせず、また、製造コストの上昇を抑制することができるようになる。

本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。

赤外線センサ以外にも、焦電型の温度センサや、圧力センサなどのメンブレン構造によって物理量を検出するセンサ装置に適用することができる。

本発明の一実施形態を示す赤外線センサの上面図および模式的断面図 サーモパイルの等価回路図 回避領域の設定を説明する図 回避領域の設定に用いた実験結果のデータおよびシミュレーション領域を示す図 回避領域の設定に用いたシミュレーションの結果を示す図 従来技術を説明する図１相当図 メンブレン構造の模式的断面図

符号の説明

１１は赤外線センサ、１１ａはシリコン基板、１２はメンブレン構造、１３はメンブレン薄膜、１４はサーモパイル、１４ａ，１４ｂは出力端子、１５は熱電対、１５ａは温接点、１５ｂは冷接点、１６は回避領域、１７は赤外線吸収膜である。

Claims (2)

1. メンブレン構造を有し、検出部により物理量を検出する構成のセンサ装置において、
   前記メンブレン構造は矩形状を成す形状に形成され、当該メンブレン構造の各辺部の中央から内側に向けて、各辺の辺方向に沿った寸法をその辺の１５分の１、各辺から内側に直交する方向への寸法を直行する辺部の長さ寸法の２００分の１に回避領域が形成され、
   前記検出部は、前記メンブレン構造の表面に形成される場合に前記回避領域を避けるようにパターンが配置されていることを特徴とするセンサ装置。
2. 請求項１に記載のセンサ装置において、
   前記検出部は、サーモパイルを設けることで赤外線を検知するように構成していることを特徴とするセンサ装置。

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