JP5540406B2 - 赤外線センサ装置 - Google Patents
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Description
これら従来技術には、二次元に配列したエリア型のサーモパイルセンサにおいては、アンプをエリアセンサと同一チップ上に形成するものはない。
本発明は、一体型半導体チップ内でアンプ部の発熱による熱分布が発生しないように、熱伝導性の良い金属膜を半導体チップ全体に張り巡らせる赤外線センサ装置を特徴としている。この高熱伝導性金属膜によって熱が拡散して行き、半導体チップ内は均一な温度になる。よって、エリアセンサ部とアンプ部とを特別な分離をしなくても、サーモパイル素子の冷接点部の温度に不均一が発生しないために高精度な温度測定が可能になる。
図1は、この実施例の赤外線センサ装置が形成された半導体チップの平面図、図2は、赤外線センサ装置を構成するサーモパイル型エリアセンサを構成するサーモパイル素子を形成した半導体チップの平面図及び断面図である。サーモパイル型エリアセンサは、サーモパイル素子をアレイ状に形成配置したものである。
サーモパイルは、非接触で個々の物体から放射される赤外線を受けると、そのエネルギーに応じた熱起電力を発生する赤外線センサであり、そのエネルギー絶対量(温度)が検出可能である。
次に、図2を参照して、サーモパイル型エリアセンサを構成するサーモパイル素子の一例を説明する。この実施例では既存のどのようなサーモパイル素子でも用いることができる。サーモパイル素子を構成する熱電対は、温度計の1種であり、異なる2種類の導電材料の細線の両端を接合し、2つの接合点の温度差により発生する電位差を測定することにより温度を測定する装置である。
測定物から赤外線の入射があると、黒体9がこの赤外線を吸収し、サーモパイル6の温接点部5の温度が上昇し、温接点部5と冷接点部4との間に温度差を生じ、これによって熱電対7にそれぞれ熱起電力が生じる。サーモパイル6には、これらの熱電対7の熱起電力が足し合わされ、サーモパイル引き出し電極2から出力を取り出すことができる。この場合、基準温度となる冷接点部4の温度を薄膜サーミスタを用いて測定することによって、測定物の赤外線量を正確に測定でき、したがって測定物の温度を測定することができる。
図1に示すように、複数のサーモパイル素子で構成されたサーモパイル型エリアセンサ部(以下、エリアセンサ部という)12が、例えば、シリコンなどの半導体基板10(以下、半導体チップという)に形成されている。エリアセンサ部12は、半導体チップ10のほぼ中央部分に形成されている。半導体チップ10の周辺部には、内部の集積回路に接続された接続電極(以下、パッドという)14が形成されている。パッド14は、例えば、アルミニウム層を用いる。半導体チップ10には、さらに、周辺部にアンプ部13が形成されている。また、半導体チップ10は、エリアセンサ部12の外周に形成され、アンプ部13とエリアセンサ部12との間に配置された3重のリング状の高熱伝導性金属層11を有している。金属層の材料としてはアルミニウムや銅などがある。
アンプ部13は、エリアセンサ部12のエリアセンサからの電圧を高精度に直流増幅するアンプであり、エリアセンサ部12に近接して設けられている。
この実施例では、以上のような構成により、アンプ部の発熱による熱分布が、例え、発生したとしても、熱伝導性の良い銅やアルミニウムなどの高熱伝導性金属層の存在によって熱が拡散して行き、半導体チップの内部は均一な温度分布になる。その結果、アンプとエリアセンサとを同一のチップに形成しても、高精度な温度測定が可能となる。
図3は、この実施例の赤外線センサ装置が形成された半導体チップの平面図である。赤外線センサ装置を構成するサーモパイル型エリアセンサは、例えば、実施例1において説明したサーモパイル素子を複数個、例えば、3×3個あるいは8×8個などアレイ状に配置してなるものである。エリアセンサ部22は、半導体チップ20のほぼ中央部分に形成されている。半導体チップ20の周辺部には、内部の集積回路に接続されたパッド24が形成されている。パッド24は、例えば、アルミニウム層を用いる。半導体チップ20には、さらに、周辺部にアンプ部23、231、232、233が各辺に沿って形成されている。また、半導体チップ20は、エリアセンサ部22の外周に形成され、アンプ部23、231、232、233とエリアセンサ部22との間の各辺に沿って配置された4つの高熱伝導性金属層21、211、212、213を有している。金属層の材料としてはアルミニウムや銅などがある。
高熱伝導性金属層21、211、212、213を形成する工程は、半導体装置の製造方法の通常の工程を利用する。例えば、アンプなどを構成するトランジスタに繋がる配線を形成する時に、同時に高熱伝導性金属層を形成する。また、図3の半導体チップに表示されているパッド24を形成する時にパッド材料をパターニングして形成しても良い。
この実施例では、以上のような構成により、アンプ部の発熱による熱分布が、例え、発生したとしても、熱伝導性の良い銅やアルミニウムなどの高熱伝導性金属層の存在によって熱が拡散して行き、半導体チップの内部は均一な温度分布になる。その結果、アンプとエリアセンサとを同一のチップに形成しても、高精度な温度測定が可能となる。アンプを分割し、分散配置することにより、熱の拡散をより迅速に行うことができる。
図4は、この実施例の赤外線センサ装置が形成された半導体チップの平面図である。サーモパイル素子を形成した半導体チップの平面図及び断面図を示す。赤外線センサ装置を構成するサーモパイル型エリアセンサは、サーモパイル素子をアレイ状に形成配置したものである。
図4に示すように、複数のサーモパイル素子で構成されたサーモパイル型エリアセンサ部(以下、エリアセンサ部という)32が半導体チップに形成されている。エリアセンサ部32は、半導体チップ30のほぼ中央部分に形成されている。半導体チップ30の周辺部には、内部の集積回路に接続されたパッド34が形成されている。パッド34は、例えば、アルミニウム層を用いる。半導体チップ30には、さらに、周辺部にアンプ部33が形成されている。また、半導体チップ30は、エリアセンサ部32の外周に形成され、アンプ部33とエリアセンサ部32との間に配置されたスパイラル状の高熱伝導性金属層31を有している。金属層の材料としてはアルミニウムや銅などがある。
高熱伝導性金属層31を形成する工程は、半導体装置の製造方法の通常の工程を利用する。例えば、アンプなどを構成するトランジスタに繋がる配線を形成する時に、同時に高熱伝導性金属層31を形成する。また、図4の半導体チップに表示されているパッド34を形成する時にパッド材料をパターニングして形成しても良い。
この実施例では、以上のような構成により、アンプ部の発熱による熱分布が、例え、発生したとしても、熱伝導性の良い銅やアルミニウムなどの高熱伝導性金属層の存在によって熱が拡散して行き、半導体チップの内部は均一な温度分布になる。その結果、アンプとエリアセンサとを同一のチップに形成しても、高精度な温度測定が可能となる。リング状の高熱伝導性金属層と同じような効果が得られる。
2・・・サーモパイル引き出し電極
4・・・冷接点部
5・・・温接点部
6・・・サーモパイル
7・・・熱電対
8・・・黒体用絶縁膜
9・・・黒体
10、20、30・・・半導体チップ(半導体基板)
11、21、31・・・高熱伝導性金属膜
12、22、32・・・エリアセンサ
13、23、231、232、233、33・・・アンプ部
14、24、34・・・パッド
Claims (2)
- 半導体チップと、前記半導体チップの中央部分に形成され、アレイ状に配列された複数のサーモパイル素子からなるサーモパイルアレイと、前記半導体チップに形成され、前記サーモパイルアレイの出力を増幅するアンプと、前記半導体チップ内に形成され、連続した形状であり前記サーモパイルアレイの周辺部の全周に沿って多重に配置形成された高熱伝導性金属膜とを具備したことを特徴とする赤外線センサ装置。
- 前記アンプは、複数個に分割形成され、前記分割されたアンプは、前記半導体チップの周辺部に、前記高熱伝導性金属膜を囲むように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ装置。
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