JP6225582B2 - 熱型赤外線センサー - Google Patents

Description

本発明は、サーモパイルを備えた熱型赤外線センサーに関するものである。

近年、ボロメータ、サーモパイル（熱電堆）、ダイオード等を使用した非冷却型の熱型赤外線アレイセンサー、熱型赤外線ラインセンサー等の開発が盛んに行われている。これらのセンサーは、中赤外から遠赤外の波長帯に感度を有するため、自動車向けの暗視カメラや、セキュリティー機器向けの人体検知センサー、電気電子機器の節電を目的とした人体検知センサー等に幅広く用いられている。

これらの熱型赤外線センサーは、主に赤外線吸収層と断熱構造体と温度センサーの三つの要素から構成され、断熱構造体上に赤外線吸収層と温度センサーが配置される構成が一般的である。

断熱構造体は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセス等によって形成されたブリッジ構造体やダイアフラム構造体などが一般的である。この断熱構造体によって微弱な赤外線に対して十分な感度を得ることができる。

また、このような熱型赤外線センサーをレンズと組み合わせて用いることにより、画角や検出範囲を調整し、様々なアプリケーションに適用されている。

熱型赤外線センサーの検出方式の中でも、温度センサーとしてサーモパイルを用いたものの開発が近年特になされている。サーモパイル型の熱型赤外線センサーは例えば特許文献１に開示されている。特許文献１には、梁に加わる曲げ及びねじり応力を低減する目的で、梁上のＮ型ポリシリコン材料とＰ型ポリシリコン材料を梁の長手方向の中心線に対して線対称に配置した構成のサーモパイル型の熱型赤外線センサーが開示されている。

図１６及び図１７は、従来の熱型赤外線センサーを説明するための概略的な図である。図１６は平面図である。図１７は図１６のＸ−Ｘ’位置での断面図である。

基材部１０１上に、サーモパイル１０２を構成する第１のサーモパイル材料１０３と第２のサーモパイル材料１０４が導電材料からなる配線材料１０５によって接続されて熱電対が形成されている。この熱電対が配線材料１０５によって直列に複数段接続されてサーモパイル１０２が形成されている。第１のサーモパイル材料１０３と第２のサーモパイル材料１０４はコンタクトホール１０６を介して配線材料１０５で接続されている。

基材部１０１に形成された空洞部１０７によって薄膜部１０８が形成されている。薄膜部１０８の周囲の薄膜部分に複数の貫通孔１０９が形成されて梁部１１０が形成されている。第１のサーモパイル材料１０３及び第２のサーモパイル材料１０４は、薄膜部１０８上から梁部１１０上を介して基材部１０１上に跨って配置されている。

第１のサーモパイル材料１０３及び第２のサーモパイル材料１０４は、基材部１０１上に形成された絶縁膜１１１上に形成されている。第１のサーモパイル材料１０３、第２のサーモパイル材料１０４及び配線材料１０５は層間絶縁膜１１２で覆われている。層間絶縁膜１１２上に赤外線吸収膜１１３が形成されている。

図１６及び図１７に示されたサーモパイル型の熱型赤外線センサーにおいて、サーモパイル１０２の電気的な導通経路は、薄膜部１０８の中央部分を取り囲むように略環状に配置されている。サーモパイル１０２によって形成される略環状の導通経路に対して紙面に垂直方向に一様な磁界１１４が貫いた場合、右ネジの法則に従い、サーモパイル１０２に図１６中の矢印１１５の向きの誘導電流が生じる。したがって、サーモパイル型の熱型赤外線センサーは、外来の電磁ノイズの影響を受けやすいという問題があった。

本発明は、サーモパイル型の熱型赤外線センサーにおいて、外来の電磁ノイズに対する耐性を向上させることを目的とする。

本発明に係る熱型赤外線センサーは、サーモパイルを備えた熱型赤外線センサーであって、断熱構造体と赤外線吸収部を備え、上記断熱構造体は、基材部と、上記基材部に比べて薄い厚みを持ち、略矩形形状の領域を有する薄膜部とを備え、上記赤外線吸収部は上記断熱構造体の上記薄膜部に配置されており、上記サーモパイルは上記略矩形形状の４辺において上記薄膜部上から上記基材部上に跨って配置されており、上記サーモパイルの電気的な導通経路は上記導通経路が交差している交差部分を少なくとも１ヶ所備えており、上記導通経路の出力部分と上記交差部分を含む上記導通経路で形成される閉じられた又は略閉じられた第１の領域と、１又は複数の上記交差部分を境界とする上記導通経路で形成される閉じられた又は略閉じられた第２の領域とが重なっておらず、上記交差部分は、上記略矩形形状の４辺に配置された上記サーモパイルの間の領域又は中央部において下層側のサーモパイル材料と上層側の配線材料が積層されて設けられていることを特徴とするものである。

本発明の熱型赤外線センサーは、外来の電磁ノイズに対する耐性を向上させることができる。

一実施例を説明するための概略的な平面図である。 同実施例を説明するための概略的な断面図であり、図１のＡ−Ａ’位置に対応している。 ループ状の導線の１ヶ所を交差させて互いに重なっていない第１の領域と第２の領域を形成した状態を示す模式図である。 ループ状の導線の１ヶ所を交差させて第１の領域が第２の領域に囲まれるように第１の領域と第２の領域を形成した状態を示す模式図である。 他の実施例を説明するための概略的な平面図である。 同実施例を説明するための概略的な断面図であり、図５のＢ−Ｂ’位置に対応している。 さらに他の実施例を説明するための概略的な平面図である。 同実施例を説明するための概略的な断面図であり、図７のＣ−Ｃ’位置に対応している。 さらに他の実施例を説明するための概略的な平面図である。 同実施例を説明するための概略的な断面図であり、図９のＤ−Ｄ’位置に対応している。 さらに他の実施例を説明するための概略的な平面図である。 同実施例を説明するための概略的な断面図であり、図１１のＥ−Ｅ’位置に対応している。 さらに他の実施例を説明するための概略的な平面図である。 同実施例を説明するための概略的な断面図であり、図１３のＦ−Ｆ’位置に対応している。 さらに他の実施例を説明するための概略的な平面図である。 従来の熱型赤外線センサーを説明するための概略的な平面図である。 同従来技術を説明するための概略的な断面図であり、図１６のＸ−Ｘ’位置に対応している。

本発明の熱型赤外線センサーにおいて、サーモパイルの導通経路で形成される閉じられた領域は、サーモパイル配置面に対して垂直な方向から見て導通経路で囲まれて閉じられている領域である。また、サーモパイルの導通経路で形成される略閉じられた領域は、サーモパイル配置面に対して垂直な方向から見て導通経路で囲まれているが完全には閉じられていない領域である。例えば、サーモパイルの出力部分（両端部分）は、通常、他の導通経路部分と交差しないように配置される。したがって、サーモパイルの出力部分のうち少なくとも一方を含む導通経路部分で囲まれている領域は、閉じられていない略閉じられた領域となる。なお、サーモパイルの出力部分が他の導通経路部分と交差されて交差部分が形成されているようにしてもよい。その場合、サーモパイルの導通経路で囲まれている領域は、略閉じられた領域を含まずに、閉じられた領域のみによって形成されているようになる。

本発明の熱型赤外線センサーは、サーモパイルの導通経路において、その導通経路が交差している交差部分を少なくとも１ヶ所備えている。また、サーモパイルの導通経路の出力部分と上記交差部分を含む導通経路で形成される閉じられた又は略閉じられた第１の領域と、１又は複数の上記交差部分を境界とする上記導通経路で形成される閉じられた又は略閉じられた第２の領域が設けられている。さらに、上記第１の領域と上記第２の領域は重なっていない。サーモパイルの導通経路を一様な磁界が貫く場合、第１の領域を囲んでいる導通経路部分と第２の領域を囲んでいる導通経路部分において互いに逆方向の電磁誘導が生じ、サーモパイルの導通経路において誘導電流が相殺される。したがって、本発明の熱型赤外線センサーは、サーモパイルの導通経路における誘導電流を低減することができ、外来の電磁ノイズに対する耐性を向上させることができる。

本発明の熱型赤外線センサーにおいて、上記サーモパイルの導通経路を磁界が貫く場合に、上記第１の領域の導通経路に上記磁界に起因する第１の方向の電流が流れ、上記第２の領域の導通経路に上記磁界に起因する第２の方向の電流が流れ、上記第１の方向と上記第２の方向とは互いに逆方向である例を挙げることができる。

また、本発明の熱型赤外線センサーにおいて、上記第１の領域の内側の面積と上記第２の領域の内側の面積とが等しい例を挙げることができる。この態様によれば、第１の領域を囲んでいる導通経路部分に生じようとする誘導電流と第２の領域を囲んでいる導通経路部分に生じようとする誘導電流はほぼ同じ大きさになる。したがって、本発明の熱型赤外線センサーのこの態様は、サーモパイルの導通経路における誘導電流の発生をほぼ無くすことができ、外来の電磁ノイズに対する耐性を向上させることができる。

本発明の熱型赤外線センサーにおいて、複数の上記交差部分と複数の上記第２の領域を備え、上記サーモパイルの導通経路を磁界が貫く場合に、上記第１の領域の導通経路に上記磁界に起因する第１の方向の電流が流れ、複数の上記第２の領域は、上記磁界に起因する電流が上記第１の方向に流れる第３の領域と、上記磁界に起因する電流が上記第１の方向とは逆の第２の方向に流れる第４の領域とを含む例を挙げることができる。本発明の熱型赤外線センサーのこの態様では、第１の領域又は第３の領域を囲んでいる導通経路部分と第４の領域を囲んでいる導通経路部分において互いに逆方向の電磁誘導が生じ、サーモパイルの導通経路において誘導電流が相殺される。したがって、本発明の熱型赤外線センサーのこの態様は、サーモパイルの導通経路における誘導電流を低減することができ、外来の電磁ノイズに対する耐性を向上させることができる。

さらに、上記第１の領域の内側の面積と上記第３の領域の内側の面積の和と、上記第４の領域の内側の面積とが等しい例を挙げることができる。この態様によれば、第１の領域又は第３の領域を囲んでいる導通経路部分に生じようとする誘導電流の和と、第４の領域を囲んでいる導通経路部分に生じようとする誘導電流は、ほぼ同じ大きさになる。したがって、本発明の熱型赤外線センサーのこの態様は、サーモパイルの導通経路における誘導電流の発生をほぼ無くすことができ、外来の電磁ノイズに対する耐性を向上させることができる。

本発明の熱型赤外線センサーにおいて、断熱構造体と赤外線吸収部を備え、上記断熱構造体は基材部と上記基材部に比べて薄い厚みをもつ薄膜部とを備え、上記赤外線吸収部は上記断熱構造体の上記薄膜部に配置されており、上記サーモパイルは第１のサーモパイル材料と第２のサーモパイル材料が交互に複数本直列接続されて構成されており、上記第１のサーモパイル材料及び上記第２のサーモパイル材料は上記薄膜部上から上記基材部上に跨って配置されている例を挙げることができる。本発明の熱型赤外線センサーのこの態様は、断熱構造体によって微弱な赤外線に対して十分な感度を得ることができる。

本発明の熱型赤外線センサーにおいて、第１の領域を囲んでいる導通経路部分と第２の領域を囲んでいる導通経路部分は対称形状に配置されている例を挙げることができる。ここで、第１の領域を囲んでいる導通経路部分と第２の領域を囲んでいる導通経路部分は、サーモパイルの導通経路を一様な磁界が貫く場合に上記サーモパイルの導通経路で発生する誘導電流が完全に相殺される程度に対称形状に配置されていることが好ましい。これにより、本発明の熱型赤外線センサーのこの態様は、サーモパイルの導通経路において上記磁界に起因する誘導電流が生じないようにすることができ、外来の電磁ノイズに対する耐性を向上させることができる。

本発明の熱型赤外線センサーにおいて、上記第１のサーモパイル材料と上記第２のサーモパイル材料のうち少なくとも一方がポリシリコン材料である例を挙げることができる。

ポリシリコン材料で形成されたサーモパイルは、金属化合物材料で形成されたサーモパイルと比較して電気抵抗が高くなる。また、サーモパイルの場合、断熱構造体の形状、パッケージの形状等にもよるが、サーモパイルを構成する熱電対の対数が多い方がセンサーの感度向上につながる。したがって、ポリシリコン材料の線幅を小さくして、対数を増やす設計が行われる。その場合、線幅に反比例してポリシリコン材料の電気抵抗が増加する。

上述のように、サーモパイルの導通経路で囲まれている領域を一様な磁界が貫いた場合、右ネジの法則に従い、サーモパイルには誘導電流が生じる。そのとき、サーモパイルには、誘導電流とサーモパイルのインピーダンスの積で決まるノイズ電圧が生じる。つまり、ポリシリコン材料で形成されたサーモパイルはインピーダンスが高いため、外来の電磁ノイズの影響を特に受けやすくなる。

本発明の熱型赤外線センサーは、サーモパイルの導通経路における上記誘導電流を低減することができるので、第１のサーモパイル材料と第２のサーモパイル材料のうち少なくとも一方がポリシリコン材料で形成されている場合に特に有効である。

本発明の熱型赤外線センサーにおいて、上記サーモパイルの導通経路によって囲まれている領域内に、上記サーモパイルの導通経路に電気的短絡が生じない構成で導電材料が配置されている例を挙げることができる。上記導電材料が配置されていることにより、サーモパイルの導通経路によって囲まれている領域の内側の面積は上記磁界に対して実質的に小さくなる。したがって、本発明の熱型赤外線センサーのこの態様は、より効果的に電磁ノイズを抑制することができ、外来の電磁ノイズに対する耐性をより向上させることができる。

さらに、上記導電材料は上記サーモパイルと電気的に接続されている例を挙げることができる。この態様は、上記導電材料の電位がフローティングになることを防止できる。

さらに、上記導電材料は、上記サーモパイルによって囲まれている領域内に、上記サーモパイルの導通経路に電気的短絡が生じない範囲で最大の範囲に配置されている例を挙げることができる。この態様は、より効果的に電磁ノイズを抑制することができる。

また、上記導電材料は赤外線を反射する材料で形成されている例を挙げることができる。この態様は、上記導電材料によって赤外線吸収部の厚みを等価的に厚くすることができ、赤外線吸収効率を向上させて、センサー感度を向上させることができる。

本発明の熱型赤外線センサーにおいて、上記断熱構造体は、複数の上記薄膜部と、複数の上記薄膜部を連結し上記基材部に比べて薄い厚みをもつ連結部とを備え、上記サーモパイルの導通経路は複数の上記薄膜部及び上記連結部に跨って形成され、上記サーモパイルの導通経路の少なくとも１ヶ所の上記交差部分は、上記連結部の上に配置されている例を挙げることができる。この態様は、複数の薄膜部に跨って形成されたサーモパイルにおいても、サーモパイルの導通経路の配置に関して上記誘導電流が完全に相殺される配置の設計が可能になる。

ところで、熱型赤外線センサーのパッケージに関して、従来は、金属製のパッケージが使用されることが多かった。金属製のパッケージは電磁波を遮断するため、外来の電磁ノイズが熱型赤外線センサーのサーモパイルに直接影響を及ぼすことは少なかった。

また、近年、熱型赤外線センサーのパッケージの小型化が進んでおり、従来型の金属製パッケージに対してより小型化が可能なウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）の開発が進んでいる。

ウェハレベルパッケージではシリコン、ガラス、セラミック等がパッケージの基材として用いられる。したがって、ウェハレベルパッケージは、電磁波を遮断する従来型の金属製パッケージと比較して、電磁シールド性に劣る。

サーモパイル型の熱型赤外線センサーのパッケージにウェハレベルパッケージが適用された場合、熱型赤外線センサーは外来の電磁ノイズを拾いやすくなる。特に、サーモパイル材料として高インピーダンスのポリシリコン材料が用いられる場合、電磁ノイズの影響が大きな問題となる。

本発明の熱型赤外線センサーは、上述のようにサーモパイルの導通経路において上記磁界に起因する誘導電流を低減し、外来の電磁ノイズに対する耐性を向上させることができる。したがって、本発明の熱型赤外線センサーは、ウェハレベルパッケージに適用された場合であっても、外来の電磁ノイズに起因する誤動作や誤検出、検出感度の低下などを低減することができる。

次に、図面を参照して本発明の熱型赤外線センサーの実施例について説明する。なお、以下に説明される実施例は本発明の一例であり、本発明は以下に説明される実施例に限定されるものではない。

図１は、一実施例を説明するための概略的な平面図である。図２は、同実施例を説明するための概略的な断面図である。図２の断面は、図１のＡ−Ａ’位置に対応している。

基材部１上に、サーモパイル２を構成する第１のサーモパイル材料３と第２のサーモパイル材料４が導電材料からなる配線材料５によって接続されて熱電対が形成されている。この熱電対が配線材料５によって直列に複数段接続されてサーモパイル２（熱電堆）が形成されている。

第１のサーモパイル材料３と第２のサーモパイル材料４はコンタクトホール６を介してアルミニウム等の配線材料５で接続されている。基材部１の材料としては一般的にはシリコン基板が使用されることが多い。

第１のサーモパイル材料３と第２のサーモパイル材料４としては、ゼーベック係数の極性が互いに異なる材料が用いられる。一般的にはＮ型ポリシリコン材料とＰ型ポリシリコン材料が使用されることが多い。ただし、第１のサーモパイル材料３と第２のサーモパイル材料４はＮ型ポリシリコン材料とＰ型ポリシリコン材料に限定されるものではない。例えば、第１のサーモパイル材料３と第２のサーモパイル材料４はＮ型ポリシリコン材料とアルミニウム等であってもよい。

熱型赤外線センサーでは、微弱な赤外線を感度良く検出するために、断熱構造体が形成される。図１及び図２では、基材部１に形成された空洞部７によって薄膜部８が形成されている。断熱構造体は基材部１と薄膜部８を有している。

薄膜部８は基材部１に比べて薄い厚みをもつ。この断熱構造体は、薄膜部８から基材部１に伝わる熱を低減して感度を向上させるとともに、薄膜部８の熱容量を低減させて応答性を向上させている。

また、薄膜部８の周囲の薄膜部分に複数の貫通孔９が形成されて梁部１０が形成されている。梁部１０は薄膜部８から基材部１に伝わる熱をより低減し、より熱抵抗の高い断熱構造体を形成している。

図１及び図２では、一例として４本の梁部１０で薄膜部８が中空状に支持されている構成が示されている。
第１のサーモパイル材料３及び第２のサーモパイル材料４は、薄膜部８上から梁部１０上を介して基材部１上に跨って配置されている。

基材部１としてシリコン基板が用いられている場合、空洞部７はエッチング技術によって形成することができる。例えば、ＩＣＰ（Inductively coupled plasma）エッチング等による異方性ドライエッチングや、ＳＦ₆、ＸｅＦ₂等による等方性エッチング、シリコンの結晶異方性を利用したウェットエッチング等が用いられる。また、これらのエッチング技術が組み合わせられることもある。

また、空洞部７と接する基材部１の側壁の断面形状は、図２に示された垂直形状の他に、テーパー形状やラウンド形状であってもよい。なお、このテーパー形状又はラウンド形状は、薄膜部８側で広がるように傾斜又は湾曲していてもよいし、薄膜部８側で狭まるように傾斜又は湾曲していてもよい。このテーパー形状又はラウンド形状が薄膜部８側で広がるように傾斜又は湾曲している場合、空洞部７の底部は閉じられていてもよい（例えば特許文献１を参照。）。

第１のサーモパイル材料３及び第２のサーモパイル材料４は、基材部１上に形成された絶縁膜１１上に形成されている。絶縁膜１１上に第１のサーモパイル材料３及び第２のサーモパイル材料４を覆って層間絶縁膜が形成されている。その層間絶縁膜上に配線材料５が形成されている。第１のサーモパイル材料３及び第２のサーモパイル材料４と配線材料５の間の層間絶縁膜にコンタクトホール６が形成されている。その層間絶縁膜上に配線材料５を覆って他の層間絶縁膜が形成されている。これらの層間絶縁膜は図２においては一体化して層間絶縁膜１２として図示されている。なお、層間絶縁膜１２について図１での図示は省略されている。層間絶縁膜１２上に赤外線吸収膜１３が形成されている。

断熱構造体の形成にはＭＥＭＳプロセスを使用することが一般的である。したがって、基材部１としてシリコン基板が使用されることが多い。その場合、絶縁膜１１は熱酸化処理で形成されたシリコン酸化膜が一般的である。また、層間絶縁膜１２は例えばＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等で形成されたシリコン酸化膜が一般的である。絶縁膜１１及び層間絶縁膜１２は赤外線吸収層の機能を兼ねている。赤外線吸収膜１３としては、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜、金黒膜等が用いられる。

空洞部７によって基材部１から断熱された薄膜部８上に配置されているサーモパイル２の接点が温接点となっている。空洞部７のない基材部１上に形成されているサーモパイル２の接点が冷接点となっている。また、赤外線吸収膜１３はサーモパイル２の温接点を覆うように配置されている。

赤外線が絶縁膜１１、層間絶縁膜１２及び赤外線吸収膜１３を含む赤外線吸収部で吸収されると、薄膜部８の温度が上昇する。これにより、サーモパイル２において、温接点の温度が上昇し、温接点と冷接点との間で温度差が生じる。その温度差によって、サーモパイル２に熱起電力が発生する。サーモパイル型の熱型赤外線センサーはサーモパイル２に熱起電力に基づいて赤外線を検知する仕組みとなっている。

サーモパイル２の電気的な導通経路は、その導通経路の２ヶ所が互いに絶縁されつつ交差している交差部分１４を備えている。サーモパイル２の導通経路の端部は例えば出力部分５ａ，５ｂである。

出力部分５ａは、例えばサーモパイル２の一端に位置する第１のサーモパイル材料３の端部と電気的に接続され、その端部の上に配置された配線材料５の部分によって形成されている。出力部分５ｂは、例えばサーモパイル２の他端に位置する第２のサーモパイル材料４の端部と電気的に接続され、その端部の上に配置された配線材料５の部分によって形成されている。

ただし、本発明において、サーモパイルの導通経路の出力部分は出力部分５ａ，５ｂに限定されない。例えば、サーモパイルの導通経路の出力部分は、サーモパイルの端部に位置するサーモパイル材料の端部であってもよいし、その端部と電気的に接続されてその端部とは異なる位置に配置された導電材料の部分であってもよい。

サーモパイル２の導通経路の出力部分５ａ，５ｂと交差部分１４を含む導通経路で形成される略閉じられた第１の領域２ａが形成されている。また、交差部分１４を境界とするサーモパイル２の導通経路で形成される閉じられた第２の領域２ｂが形成されている。第１の領域２ａと第２の領域２ｂは重なっていない。サーモパイル２の導通経路は、第１の領域２ａ及び第２の領域２ｂを囲むように、概略８の字形状に配置されている。

交差部分１４は薄膜部８の上に薄膜部８の中央部に配置されている。交差部分１４は、交差部分用導電材料１５と配線材料５を備えている。交差部分用導電材料１５は、例えば第２のサーモパイル材料４と同時に形成されたポリシリコン材料によって形成されている。なお、交差部分用導電材料１５は第１のサーモパイル材料３と同時に形成されたポリシリコン材料であってもよい。

第１の領域２ａと第２の領域２ｂは対称形状に配置されている。ここで、第１の領域２ａと第２の領域２ｂは、サーモパイル２の導通経路を一様な磁界１６が貫く場合にサーモパイル２の導通経路で発生する誘導電流が完全に相殺される程度に対称形状に配置されている。

また、第１の領域２ａの内側の面積と第２の領域２ｂの内側の面積は等しい。ここで、第１の領域２ａの内側の面積は、サーモパイル２の端部に位置する第１のサーモパイル材料３の端部と第２のサーモパイル材料４の端部が他の熱電対と同様に配線材料５によって接続されていると仮定したときの面積とする。

サーモパイル２の導通経路を一様な磁界１６が貫く場合、図１に示されるように、第１の領域２ａを囲んでいる導通経路部分と第２の領域２ｂを囲んでいる導通経路部分において右ねじの法則に従った誘導電流が生じるようとする。第１の領域２ａを囲んでいる導通経路部分では第１の方向１７ａに電流が流れようとする。第２の領域２ｂを囲んでいる導通経路部分では第１の方向とは逆方向の第２の方向１７ｂに電流が流れようとする。例えば、出力部分５ａから出力部分５ｂへ電流が流れる方向が第１の方向１７ａである。また、出力部分５ｂから出力部分５ａへ電流が流れる方向が第２の方向１７ｂである。

第１の領域２ａを囲んでいる導通経路部分と第２の領域２ｂを囲んでいる導通経路部分にそれぞれ生じようとする誘導電流は、大きさがほぼ等しく、サーモパイル２の導通経路において互いに逆方向である。サーモパイル２の導通経路全体としてみた場合には、誘導電流はほぼ完全に相殺される。

したがって、インピーダンスの高いサーモパイル２においても、誘導電流が相殺されて０となり、ノイズ電圧が発生せず、外来の電磁波に起因するノイズの発生を抑制することが可能となる。

第１の領域２ａと第２の領域２ｂが重なっていないことの利益について説明する。
図３は、ループ状の導線２０１の１ヶ所を交差させて互いに重なっていない第１の領域２０１ａと第２の領域２０１ｂを形成した状態を示す模式図である。図４は、ループ状の導線２０１の１ヶ所を交差させて第１の領域２０１ａが第２の領域２０１ｂに囲まれるように第１の領域２０１ａと第２の領域２０１ｂを形成した状態を示す模式図である。

図３において、第１の領域２０１ａと第２の領域２０１ｂを一様な磁界２０２が貫いたとき、第１の領域２０１ａに生じる誘導電流２０３ａと第２の領域２０１ｂに生じる誘導電流２０３ｂは互いに打ち消し合う方向に流れようとする。

図４において、第１の領域２０１ａは第２の領域２０１ｂに対して重なっている。第１の領域２０１ａと第２の領域２０１ｂを一様な磁界２０２が貫いたとき、第１の領域２０１ａに生じる誘導電流２０３ａと第２の領域２０１ｂに生じる誘導電流２０３ｂは互いに加算される方向に流れる。

図１及び図２を参照して説明した実施例において、第１の領域２ａと第２の領域２ｂが重なっていない。したがって、第１の領域２ａを囲んでいる導通経路部分に生じる誘導電流と第２の領域２ｂを囲んでいる導通経路部分に生じる誘導電流は互いに打ち消し合う。このように、第１の領域２ａと第２の領域２ｂが重なっていないことにより、磁界１６に起因してサーモパイル２の導通経路に流れる誘導電流を抑制することができる。

図１及び図２を参照して説明した実施例では、サーモパイル２の導通経路を交差させる交差部分１４が必要である。例えば図１に示されるように、配線材料５を交差部分１４で用いる場合には、通常の配線層である配線材料５とは別の層の交差部分用導電材料１５が必要となる。

通常、サーモパイル２の温接点が配置される薄膜部８の熱容量を減らすために、薄膜部８は薄型化が要求され、配線材料５は第１のメタル配線層が用いられる。交差部分用導電材料１５としては、薄膜部８の厚膜化を避けるために、配線材料５よりも下層の導電材料、例えばポリシリコン材料配線等が使用されることが好ましい。なお、交差部分１４において、配線材料５よりも上層の第２のメタル配線層等を使用することも可能である。

図１及び図２に示された実施例では、交差部分用導電材料１５としてポリシリコン材料配線を使用した例を示しており、配線材料５と交差部分用導電材料１５の接続は、サーモパイル２における他の導通経路部分と同様に、コンタクトホール６を介して行われている。第１のサーモパイル材料３及び第２のサーモパイル材料４としてポリシリコン材料を使用する場合には、サーモパイル材料と交差部分用導電材料１５との共通化が可能であり、プロセスの簡略化が可能である。

以上のように、この実施例は、サーモパイル２の導通経路に関して略閉じられた第１の領域２ａを囲んでいる導通経路部分と閉じられた第２の領域２ｂを囲んでいる導通経路部分を備えている。さらに、第１の領域２ａ及び第２の領域２ｂを一様の磁界１６が貫く際に、サーモパイル２の導通経路に生じる誘導電流の総和がほぼ０となるようにした。したがって、この実施例の熱型赤外線センサーは、サーモパイル２における外来の電磁波に起因するノイズの発生を抑制することができる。

図５は、他の実施例を説明するための概略的な平面図である。図６は、同実施例を説明するための概略的な断面図である。図６の断面は、図５のＢ−Ｂ’位置に対応している。図５及び図６において、図１及び図２と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。

この実施例は、サーモパイル２の導通経路の交差部分１４における交差部分用導電材料１８として第２のメタル配線層を使用した構成となっている。交差部分用導電材料１８と配線材料５との電気的接続はスルーホール１９を介して形成されている。

また、交差部分用導電材料１８の周辺部以外の薄膜部８の厚みを薄くするエッチング工程を加えることによって、薄膜部８の熱容量の増加を低減することが可能である。

この実施例において、サーモパイル２の第１のサーモパイル材料３や第２のサーモパイル材料４、配線材料５、サーモパイル２の導通経路の配置方法等の説明については、図１及び図２を参照して説明された実施例と同様であり、ここでは省略する。

図７は、さらに他の実施例を説明するための概略的な平面図である。図８は、同実施例を説明するための概略的な断面図である。図８の断面は、図７のＣ−Ｃ’位置に対応している。図７及び図８において、図１及び図２と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。

この実施例において、断熱構造体は梁部を備えておらず、薄膜部８はダイアフラム形状となっている。この実施例は、梁部がないことにより、断熱構造体の破壊の可能性が低減する。さらに、この実施例は、貫通孔を開口するプロセスが必要ないことから、製造プロセスの簡略化が可能となる。

この実施例において、サーモパイル２の第１のサーモパイル材料３や第２のサーモパイル材料４、配線材料５、サーモパイル２の導通経路の配置方法等の説明については、図１及び図２を参照して説明された実施例と同様であり、ここでは省略する。

図９は、さらに他の実施例を説明するための概略的な平面図である。図１０は、同実施例を説明するための概略的な断面図である。図１０の断面は、図９のＤ−Ｄ’位置に対応している。図９及び図１０において、図１及び図２と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。

上記で説明された実施例は、サーモパイル２に１ヶ所の交差部分１４が形成され、第１の領域２ａ及び第２の領域２ｂが形成されている構成を有する。これに対し、この実施例は、３ヶ所の交差部分１４が形成され、第１の領域２ｃ、第３の領域２ｄ及び第４の領域２ｅ，２ｆが形成されている構成を有する。第１の領域２ｃ、第３の領域２ｄ、第４の領域２ｅ，２ｆは薄膜部８の中央に対してほぼ対称形状に配置されている。

第１の領域２ｃは、サーモパイル２の導通経路の出力部分５ａ，５ｂと交差部分１４を含む導通経路で形成される略閉じられた領域で形成されている。第３の領域２ｄ及び第４の領域２ｅ，２ｆは、それぞれ、交差部分１４を境界とするサーモパイル２の導通経路で形成される閉じられた領域で形成されている。第１の領域２ｃ、第３の領域２ｄ、第４の領域２ｅ，２ｆは互いに重なっていない。

また、第１の領域２ｃの内側の面積と第３の領域２ｄの内側の面積の和と、第４の領域２ｅの内側の面積と第４の領域２ｆの内側の面積の和は等しい。ここで、第１の領域２ｃの内側の面積は、サーモパイル２の端部に位置する第１のサーモパイル材料３の端部と第２のサーモパイル材料４の端部が他の熱電対と同様に配線材料５によって接続されていると仮定したときの面積とする。

サーモパイル２の導通経路を一様な磁界１６が貫く場合に、第１の領域２ｃと第３の領域２ｄには、それぞれ第１の方向１７ａに誘導電流が生じるようとする。また、第４の領域２ｅ，２ｆには、それぞれ第２の方向１７ｂに誘導電流が生じるようとする。

第１の領域２ｃ、第３の領域２ｄ及び第４の領域２ｅ，２ｆにそれぞれ生じようとする各誘導電流の大きさはほぼ等しい。また、第１の領域２ｃと第３の領域２ｄに生じようとする誘導電流と第４の領域２ｅ，２ｆに生じようとする誘導電流はサーモパイル２の導通経路において互いに逆方向である。したがって、サーモパイル２の導通経路全体としてみた場合には、誘導電流はほぼ完全に相殺される。

この実施例において、サーモパイル２の第１のサーモパイル材料３や第２のサーモパイル材料４、配線材料５、サーモパイル２の導通経路の配置方法等の説明については、図１及び図２を参照して説明された実施例と同様であり、ここでは省略する。

本発明においては、サーモパイルに生じる誘導電流の総和がほぼ０となるようにサーモパイルが構成されていることが好ましい。より好ましくは、サーモパイルの導通経路に囲まれている領域の個数が偶数個で略同一形状であれば、サーモパイルの導通経路に生じる誘導電流の総和が自ずとほぼ０となる。

なお、本発明において、サーモパイルの導通経路に囲まれている領域の個数は限定されない。また、本発明は、サーモパイルの導通経路に囲まれている領域について、形状が同一であることに限定されない。

図１１は、さらに他の実施例を説明するための概略的な平面図である。図１２は、同実施例を説明するための概略的な断面図である。図１２の断面は、図１１のＥ−Ｅ’位置に対応している。図１１及び図１２において、図１及び図２と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。

この実施例は、サーモパイル２の導通経路によって囲まれている領域内に、サーモパイル２の導通経路に電気的短絡が生じない構成で導電材料２０が配置されていることを特徴とする。導電材料２０は配線材料５と同一材料で同時に形成されたものである。

導電材料２０はサーモパイル２の導通経路に電気的短絡が生じない構成で配線材料５と電気的に接続されている。また、導電材料２０はサーモパイル２の導通経路によって囲まれている領域内に、サーモパイル２の導通経路に電気的短絡が生じない範囲で最大の範囲に配置されている。

導電材料２０が配置されていることによって、サーモパイル２の導通経路によって形成される第１の領域２ａと第２の領域２ｂの内側の面積は上記磁界に対して実質的に小さくなる。したがって、この実施例は、より効果的に電磁ノイズを抑制することが可能となる。

また、導電材料２０は、配線材料５と同じく第１のメタル配線層で形成されているようにすれば、赤外線の反射膜としても機能させることが可能である。例えば、図１２に示された断面図において、基材部１側から薄膜部８に赤外線が入射する場合、第１のメタル配線層は薄膜部８の比較的上層に位置している。したがって、導電材料２０で赤外線を反射させると、薄膜部８における赤外線吸収層の厚みが等価的に厚くなることになり、赤外線吸収効率を向上させることができる。なお、導電材料２０は、赤外線を吸収又は透過する材料で形成されていてもよい。

また、導電材料２０は、配線材料５と一体的に形成されており、電気的にフローティングとなることが防止されている。なお、導電材料２０は、サーモパイル２の導通経路とは電気的に絶縁されていてもよい。

このように、この実施例は、前述の実施例の効果に加えて、さらに電磁ノイズに対する抑制効果が高くなるとともに、赤外線吸収効率も向上させることが可能である。

この実施例において、サーモパイル２の第１のサーモパイル材料３や第２のサーモパイル材料４、配線材料５、サーモパイル２の導通経路の配置方法等の説明については、図１及び図２を参照して説明された実施例と同様であり、ここでは省略する。なお、この実施例において、赤外線吸収膜１３は配置されていなくてもよい。

図１３は、さらに他の実施例を説明するための概略的な平面図である。図１４は、同実施例を説明するための概略的な断面図である。図１４の断面は、図１３のＦ−Ｆ’位置に対応している。図１３及び図１４において、図１及び図２と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。

この実施例の断熱構造体は、複数の薄膜部８と、それらの薄膜部８を連結する連結部２１を備えている。連結部２１は基材部１に比べて薄い厚みをもつ。連結部２１の層構成は例えば薄膜部８と同じである。

サーモパイル２の導通経路は複数の薄膜部８及び連結部２１に跨って形成されている。サーモパイル２の導通経路の交差部分１４は連結部２１の上に配置されている。サーモパイル２の導通経路によって、略閉じられた第１の領域２ｇと、閉じられた第２の領域２ｈが形成されている。第１の領域２ｇと第２の領域２ｈは交差部分１４に対してほぼ対称形状に配置されている。

第１の領域２ｇは、サーモパイル２の導通経路の出力部分５ａ，５ｂと交差部分１４を含む導通経路で形成される略閉じられた領域で形成されている。第２の領域２ｈは、交差部分１４を境界とするサーモパイル２の導通経路で形成される閉じられた領域で形成されている。

第１の領域２ｇと第２の領域２ｈは互いに重なっていない。また、第１の領域２ｇの内側の面積と第２の領域２ｈの内側の面積は等しい。

サーモパイル２の導通経路を一様な磁界１６が貫く場合に、第１の領域２ｇを囲んでいる導通経路部分と第２の領域２ｈを囲んでいる導通経路部分において同じ大きさで互いに逆向きの誘導電流が生じようとする。これにより、サーモパイル２の導通経路全体としては誘導電流が相殺されてほぼ０となる。したがって、この実施例も、上記実施例と同様に、電磁ノイズに対する耐性を向上させることができる。

この実施例において、サーモパイル２の第１のサーモパイル材料３や第２のサーモパイル材料４、配線材料５、サーモパイル２の導通経路の配置方法等の説明については、図１及び図２を参照して説明された実施例と同様であり、ここでは省略する。

なお、この実施例において、図１及び図２を参照して説明した実施例と同様に、薄膜部８において層間絶縁膜１２上に赤外線吸収膜１３が設けられていてもよい。

図１５は、さらに他の実施例を説明するための概略的な平面図である。図１５において、図１、図２、図１３及び図１４と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。

この実施例の断熱構造体は、複数の薄膜部８と、それらの薄膜部８を連結する複数の連結部２１を備えている。ここでは、８つの薄膜部８と３つの連結部２１が設けられている。

サーモパイル２の導通経路は８つの薄膜部８及び２つの連結部２１に跨って形成されている。サーモパイル２の導通経路に２つの交差部分１４が設けられている。２つの交差部分１４は互いに異なる連結部２１の上に配置されている。

サーモパイル２の導通経路によって、略閉じられた第１の領域２ｉと、閉じられた第３の領域２ｊと、閉じられた第４の領域２ｋが形成されている。第１の領域２ｉは、サーモパイル２の導通経路の出力部分５ａ，５ｂと交差部分１４を含む導通経路で形成される略閉じられた領域で形成されている。第３の領域２ｊは、１つの交差部分１４を境界とするサーモパイル２の導通経路で形成される閉じられた領域で形成されている。第４の領域２ｋは、２つの交差部分１４を境界とするサーモパイル２の導通経路で形成される閉じられた領域で形成されている。

第１の領域２ｉと第３の領域２ｊと第４の領域２ｋは互いに重なっていない。また、第１の領域２ｉの内側の面積と第３の領域２ｊの内側の面積の和と、第４の領域２ｋの内側の面積は等しい。

サーモパイル２の導通経路を一様な磁界１６が貫く場合、第１の領域２ｉを囲む導通経路と第３の領域２ｊを囲む導通経路には同じ大きさで第１の方向１７ａの誘導電流が生じようとする。また、第４の領域２ｋを囲む導通経路には第１の方向１７ａとは逆方向の第２の方向１７ｂの誘導電流が生じようとする。このとき、誘導電流の大きさは磁束が貫く導通経路で囲まれている領域の内側の面積に比例する。

第１の領域２ｉの内側の面積と第３の領域２ｊの内側の面積の和が第４の領域２ｋの内側の面積と等しくなるようにサーモパイル２の導通経路を配置すれば、サーモパイル２の導通経路全体としては誘導電流が相殺されてほぼ０となる。したがって、この実施例も、上記実施例と同様に、電磁ノイズに対する耐性を向上させることができる。

このように、本発明の熱型赤外線センサーにおいて、サーモパイルの導通経路に３つ以上の閉じられた又は略閉じられた領域が形成されている構成ようにしてもよい。その場合、ある方向（第１の方向）に誘導電流が生じる閉じられた又は略閉じられた領域の面積の総和と、その逆方向（第２の方向）に誘導電流が生じる閉じられた又は略閉じられた領域の面積の総和が等しくなるように、サーモパイルの導通経路を配置すればよい。

この実施例において、サーモパイル２の第１のサーモパイル材料３や第２のサーモパイル材料４、配線材料５、サーモパイル２の導通経路の配置方法等の説明については、図１及び図２を参照して説明された実施例と同様であり、ここでは省略する。

なお、この実施例において、図１及び図２を参照して説明した実施例と同様に、薄膜部８において層間絶縁膜１２上に赤外線吸収膜１３が設けられていてもよい。

以上、本発明の実施例を説明したが、上記実施例での数値、材料、配置、個数等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施例では、熱型赤外線センサーはサーモパイルと赤外線吸収部と断熱構造体を備えているが、本発明が適用される熱型赤外線センサーはこれに限定されない。本発明は、サーモパイルを備えた熱型赤外線センサーであれば、どのような構成の熱型赤外線センサーにも適用できる。

１ 基材部
２ サーモパイル
２ａ，２ｃ，２ｇ，２ｉ 第１の領域
２ｂ，２ｈ 第２の領域
２ｄ，２ｊ 第３の領域
２ｅ，２ｆ，２ｋ 第４の領域
３ 第１のサーモパイル材料
４ 第２のサーモパイル材料
５ａ，５ｂ 出力部分
８ 薄膜部
１１ 絶縁膜（赤外線吸収部）
１２ 層間絶縁膜（赤外線吸収部）
１３ 赤外線吸収膜（赤外線吸収部）
１４ 交差部分
１６ 磁界
１７ａ 第１の方向
１７ｂ 第２の方向
２０ 導電材料
２１ 連結部

特開２０００−６５６３８号公報

Claims (10)

1. サーモパイルを備えた熱型赤外線センサーにおいて、
   断熱構造体と赤外線吸収部を備え、
   前記断熱構造体は、基材部と、前記基材部に比べて薄い厚みを持ち、略矩形形状の領域を有する薄膜部とを備え、
   前記赤外線吸収部は前記断熱構造体の前記薄膜部に配置されており、
   前記サーモパイルは前記略矩形形状の４辺において前記薄膜部上から前記基材部上に跨って配置されており、
   前記サーモパイルの電気的な導通経路は前記導通経路が交差している交差部分を少なくとも１ヶ所備えており、
   前記導通経路の出力部分と前記交差部分を含む前記導通経路で形成される閉じられた又は略閉じられた第１の領域と、１又は複数の前記交差部分を境界とする前記導通経路で形成される閉じられた又は略閉じられた第２の領域とが重なっておらず、
   前記交差部分は、前記略矩形形状の４辺に配置された前記サーモパイルの間の領域又は中央部において下層側のサーモパイル材料と上層側の配線材料が積層されて設けられている
   ことを特徴とする熱型赤外線センサー。
2. 前記サーモパイルの導通経路を磁界が貫く場合に、前記第１の領域の導通経路に前記磁界に起因する第１の方向の電流が流れ、前記第２の領域の導通経路に前記磁界に起因する第２の方向の電流が流れ、前記第１の方向と前記第２の方向とは互いに逆方向であることを特徴とする請求項１に記載の熱型赤外線センサー。
3. 前記第１の領域の内側の面積と前記第２の領域の内側の面積とが等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱型赤外線センサー。
4. 複数の前記交差部分と複数の前記第２の領域を備え、
   前記サーモパイルの導通経路を磁界が貫く場合に、前記第１の領域の導通経路に前記磁界に起因する第１の方向の電流が流れ、
   複数の前記第２の領域は、前記磁界に起因する電流が前記第１の方向に流れる第３の領域と、前記磁界に起因する電流が前記第１の方向とは逆の第２の方向に流れる第４の領域とを含むことを特徴とする請求項１に記載の熱型赤外線センサー。
5. 前記第１の領域の内側の面積と前記第３の領域の内側の面積の和と、前記第４の領域の内側の面積とが等しいことを特徴とする請求項４に記載の熱型赤外線センサー。
6. 前記サーモパイルは第１のサーモパイル材料と第２のサーモパイル材料が交互に複数本直列接続されて構成されており、
   前記第１のサーモパイル材料及び前記第２のサーモパイル材料は前記薄膜部上から前記基材部上に跨って配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の熱型赤外線センサー。
7. 前記第１のサーモパイル材料と前記第２のサーモパイル材料のうち少なくとも一方がポリシリコン材料であることを特徴とする請求項６に記載の熱型赤外線センサー。
8. 前記サーモパイルの導通経路によって囲まれている領域内に、前記サーモパイルの導通経路に電気的短絡が生じない構成で導電材料が配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の熱型赤外線センサー。
9. 前記導電材料は前記サーモパイルと電気的に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の熱型赤外線センサー。
10. 前記導電材料は赤外線を反射する材料で形成されている請求項８又は９に記載の熱型赤外線センサー。

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