JPH05118909A - 赤外線検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡易に且つ小型に製造できて、赤外線検出の
応答性に優れたものとし、しかも所望のレンズを外付け
して使用するような不便さを解消することができる赤外
線検出素子の提供を目的とする。 【構成】 赤外線透過基板１の片面には赤外線検出部２
が設けられているとともに、該赤外線透過基板１の反対
面には赤外線透過フィルタ３が形成され、赤外線透過基
板１の赤外線検出部２の下方には、該赤外線検出部２と
赤外線透過基板１との相互間の熱伝導を抑制する熱分離
空間部５が形成された赤外線検出素子であって、前記赤
外線検出部２と対面する熱分離空間部５の内壁面５Ａに
レンズ８が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、赤外線吸収による温度
変化に伴った抵抗体の電気抵抗等の変化を利用して赤外
線を検出する方式の赤外線検出素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】赤外線検出に際しては、微弱な赤外線の
検出感度を高めるために、赤外線検出部とは別に、赤外
線以外の電磁波を遮断するための赤外線透過フィルタが
併用されている。ここに、従来では、これら赤外線検出
部と赤外線透過フィルタとは別々に製作され、互いの光
軸を合わせて組立てられていたのが一般的であった。す
なわち、図７はその従来例の一例を示すもので、ステム
２０にサーミスタ等の赤外線検出部を形成した赤外線検
出チップ２１を取付け、また該チップ２１の上方には、
赤外線のみを通過させて雑音となる不要な波長成分の通
過を遮断する赤外線透過フィルタ３ｅを、キャップ２２
で保持させて配置したものである。一方、従来では、例
えば赤外線検出により人体検知を行うような場合には、
その赤外線検出感度を高めるために、赤外線検出装置に
集光レンズ等のレンズを組み込んで併用していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、赤外線
検出に際して他のレンズを併用する手段では、赤外線検
出装置にレンズを組み付ける加工が煩雑となって製造コ
ストが高価となり、また赤外線検出装置の全体が大型化
するという難点がある。しかも、上記従来の図７に示す
ものでは、赤外線透過フィルタ３ｅをキャップ２２の開
口部２３の形状に合わせた微細な形状に切り出し、これ
をキャップ２２の開口部２３へ接着剤で貼付ける必要が
ある等、その組立工程が多く、その製造コストが一層高
くなる欠点があった。更に、上記従来のものでは、各部
品の組立作業性等の制約から、赤外線透過フィルタ３ｅ
と赤外線検出チップ２１とをある程度離しておく必要が
あるために、これらの全体構造も嵩張るという欠点もあ
った。尚、赤外線検出チップ２１の表面に赤外線透過フ
ィルタ３ｅを直接重ね合わせれば、両者の取付構造の簡
略化、コンパクト化が図れるが、かかる手段では赤外線
検出チップ２１からステム２０側への熱吸収以外とし
て、赤外線検出チップ２１から赤外線透過フィルタ３ｅ
への熱吸収も加わるために、赤外線吸収に応じた赤外線
検出チップ２１の温度変化が鈍くなり、赤外線検出の感
度が低下する。また、赤外線検出部位全体の見かけ上の
熱容量が増加することにも原因して応答性が一層悪化
し、実用性に劣る難点がある。それ故、本発明は、簡易
に且つ小型に製造できて、赤外線検出の応答性に優れた
ものとし、しかも所望のレンズを外付けして使用するよ
うな不便さを解消することができる赤外線検出素子を提
供することを、その目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に提案された本発明に係る赤外線検出素子は、赤外線透
過基板の片面には赤外線検出部が設けられているととも
に、該赤外線透過基板の反対面には赤外線透過フィルタ
が形成され、赤外線透過基板の赤外線検出部の下方に
は、該赤外線検出部と赤外線透過基板との相互間の熱伝
導を抑制する熱分離空間部が形成された赤外線検出素子
であって、前記赤外線検出部と対面する熱分離空間部の
内壁面にレンズが形成された構成である。

【０００５】

【作用】上記構成を特徴とする赤外線検出素子では、赤
外線透過基板の反対面側から赤外線透過フィルタ及び赤
外線透過基板を透過する赤外線が、熱分離空間部の内壁
面のレンズを通過して集光又は分散された状態で赤外線
検出部に吸収され、赤外線の検出がなされる。従って、
当該赤外線検出素子とは別個に集光用又は分散用のレン
ズを併用する必要はなくなる。前記レンズを集光用の凸
レンズとして形成すれば、視野角を狭めて拡大像が得ら
れ、感度のよい赤外線検出を行うことができる。また、
凹レンズとすれば、視野角を拡大して縮小像が得られ
る。また、前記レンズは熱分離空間部の内壁面に形成さ
れているから、赤外線透過フィルタが設けられた赤外線
透過基板の反対面側を、赤外線透過フィルタの形成に最
適なフラット面の状態に形成しておくことができる。更
に、赤外線検出部は熱分離空間部によって基板と熱分離
され、しかも赤外線透過フィルタとも離間しているため
に、赤外線検出部からこれら各部への不当な熱伝導が抑
制され、また赤外線検出部の位置全体における見かけ上
の熱容量も小さくなる。従って、赤外線吸収による赤外
線検出部の温度変化が鋭敏なものとなって、赤外線検出
部における赤外線検出の感度、並びに応答性が向上す
る。当該赤外線検出素子では、赤外線検出部を備えた赤
外線透過基板に、赤外線透過フィルタ及びレンズを形成
しているから、その全体が嵩張らず、全体をワンチップ
状の小サイズに形成できる。しかも、赤外線検出部と赤
外線透過フィルタを接近させることができるから、視野
角の拡大も図れることとなる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明に係る赤外線検出素子Ａの断
面図、図２はその平面図である。当該赤外線検出素子Ａ
は、赤外線透過基板１の表面側に赤外線検出部２を、裏
面側に赤外線透過フィルタ３を各々設け、又赤外線検出
部２の下方の赤外線透過基板１の内部に熱分離空間部５
を設け、その内壁面にレンズ８を形成したものである。
ここに、赤外線透過基板１は、上下二枚の基板１ａ、１
ｂを一体的に接着して一枚の基板として構成されたもの
で、その材質としては、赤外線を良好に透過させ得るも
のであれば一般の半導体基板材料の中から適当なものを
選択して用いることが可能である。具体的には、シリコ
ン基板が好ましく、特に比抵抗０．１Ωｃｍ以上のシリ
コン基板が赤外線透過性に優れ望ましい。赤外線透過基
板１の表面には絶縁膜４が設けられているが、当該絶縁
膜４は赤外線吸収膜としての機能をも兼備するもので、
半導体プロセスに適し且つ赤外線吸収率の高い物質で形
成されている。その具体例としては、酸化シリコン膜又
は酸化シリコンと窒化シリコンの多層膜が適用される。

【０００７】熱分離空間部５は、絶縁膜４よりも下層側
の赤外線透過基板１を一部除去して形成されたものであ
る。これは、後述する如く上下の基板１ａ、１ｂを接着
させる以前に、上側の基板１ａの裏面側をエッチング等
によって所望の切欠凹部を形成することにより構成され
る。レンズ８は、前記熱分離空間部５の内壁面のうち赤
外線検出部２と対面する位置に存する内壁面５Ａが加工
されて、例えば集光用のフレネルレンズとして形成され
たものである。フレネルレンズの形成手段としては、上
下基板１ａ、１ｂを接着させる以前において、下側の基
板１ｂ上に電子ビームレジストをコーティングし、電子
ビームリソグラフィにより所望のレンズパターンを作成
してイオンビームエッチングを行い、電子ビームレジス
トの形を基板１ｂの表面に転写させればよい。

【０００８】赤外線検出部２は、前記熱分離空間部５の
上方位置に相当する絶縁膜４上に、薄膜抵抗体２ｂ及び
電極２ａ、２ａを順次重ねて設けることにより構成さ
れ、赤外線透過基板１とは熱分離空間部５を介して熱分
離されている。このうち、薄膜抵抗体２ｂは、例えば膜
厚が０．１〜５．０μｍの非結晶シリコン又は多結晶シ
リコンからなるもので、赤外線吸収による温度変化に伴
って抵抗値が変化するものである。薄膜抵抗体２ｂとし
ては、温度上昇によって抵抗値が増加するものと減少す
るものの両方があり、本発明では何れのタイプでもよ
い。電極２ａ、２ａは、薄膜抵抗体２ｂの抵抗値の変化
が正確に検出できるように、互いに対向する櫛型の平面
形状に形成されて、薄膜抵抗体２ｂと広面積で接触する
ように構成され、又その各端部は後述する信号処理回路
６に接続されている。電極２ａ、２ａの材料も、好まし
くは半導体プロセスに適した薄膜材料で形成され、その
材料としては、ＡｕやＡｌ等の通常の電極材料の他、Ｔ
ｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐ
ｔ、Ｐｄ等の金属合金、或いは多結晶シリコンとのシリ
サイドを用いると、赤外線の吸収率が高いので、検出感
度を向上させることが可能である。

【０００９】赤外線透過基板１の裏面側の赤外線透過フ
ィルタ３は、赤外線以外の電磁波を遮断し、赤外線を通
過させるもので、その一例としては、高屈折率の酸化マ
グネシウムと低屈折率の弗化マグネシウムの多層膜が適
用される。尚、赤外線透過基板１の絶縁膜４よりも下層
の他の部位には、通常の赤外線検出装置と同様の増幅回
路やその他の回路を備えた信号処理回路６が設けられ、
その適所には前記電極２ａ、２ａの各端部が絶縁膜４を
通過した状態で接続されている。

【００１０】上記構成の赤外線検出素子Ａの製造に際し
ては、赤外線透過基板１の上下基板１ａ、１ｂを各々個
別に製作した後に、これらを相互に接着させるが、基板
１ａ側においては、図３の（ａ）に示すように、基板１
ａ上に信号処理回路６を通常の半導体プロセスに則した
方法で作製した後に、基板１ａの表面に絶縁膜４を成膜
させる。次に、同図（ｂ）に示すように、赤外線検出部
２が設けられる予定位置の基板１ａの下面側を異方性エ
ッチング等によって除去し、熱分離空間部５を形成す
る。その後、同図（ｃ）に示すように、熱分離空間部５
の上方の絶縁膜４上に薄膜抵抗体２ｂ及び電極２ａ、２
ａを蒸着やスパッタリング等により成膜させる。一方、
同図（ｄ）に示すように、基板１ｂ側においては、その
下面側に赤外線透過フィルタ３を蒸着等によって成膜さ
せると共に、上面側の熱分離空間部５と対応する位置に
前記既述のエッチング手段等によりレンズ８を形成して
おく。従って、その後にこれら両基板１ａ、１ｂを従来
既知の適当な手段で接着させれば、前記図１に示す赤外
線検出素子Ａが得られる。

【００１１】上記構成の赤外線検出素子Ａは、赤外線透
過基板１の両面に赤外線検出部２と赤外線透過フィルタ
３を設け、且つ熱分離空間部の内部にレンズ８が一体的
に形成された半導体チップとして構成されたものであ
り、そのサイズを非常に小さくできるものである。次い
で、その使用に際して、赤外線透過基板１の裏面下方側
から赤外線が赤外線透過フィルタ３を透過して赤外線透
過基板１内に入射すると、当該赤外線は集光用のレンズ
８によって集光された状態で赤外線吸収膜として機能す
る絶縁膜４中の酸化シリコン又は窒化シリコンに吸収さ
れ、絶縁膜４上に設けられた赤外線検出部２の薄膜抵抗
体２ｂの温度が変化する。かかる温度変化に伴う薄膜抵
抗体２ｂの抵抗値の変化は、電極２ａ、２ａが接続され
た信号処理回路６を通じて検出できることとなる。赤外
線透過基板１の表裏に設けられた赤外線透過フィルタ３
と赤外線検出部２とは相互に接近しているから、その視
野角は広くなる。

【００１２】而して、赤外線検出部２で受光する赤外線
は、レンズ８によって集光されたものであるから、赤外
線検出素子Ａが受光する赤外線が微量であってもこれを
集光して検出感度を高めることが可能となる。即ち、集
光レンズ８を設けたことにより、赤外線検出部２で受光
する視野角を絞り、赤外線像を等価的に拡大したのと同
様な作用が得られる。また、赤外線検出部２と赤外線透
過基板１とは熱分離空間部５によって熱分離された状態
であるから、赤外線検出部２から赤外線透過基板１側へ
熱が逃げることが抑制される。更に、赤外線透過フィル
タ３は赤外線透過基板１の裏面側に設けられているか
ら、赤外線検出部２の熱が赤外線透過フィルタ３に奪わ
れることもない。従って、赤外線吸収による赤外線検出
部２の温度変化は鋭敏となり、赤外線検出の応答速度を
速めることができる。また、赤外線検出部２は赤外線透
過基板１と熱分離されて設けられていることにより、そ
の全体の見かけ上の熱容量も小さくでき、赤外線検出の
感度を一層向上させることが可能となる。尚、赤外線透
過基板１に信号処理回路６を設けたことにより、当該信
号処理回路６が赤外線検出部２等とともにワンチップに
集積され、その取扱いに利便であり、また赤外線検出部
２等の一連の製造過程において信号処理回路６の製造が
能率良く行える。しかも、赤外線検出部２と信号処理回
路６との配線距離を短くできるために、信号の減衰や雑
音の侵入を少なくでき、赤外線検出性能を一層向上させ
ることが可能である。

【００１３】図４は、熱分離空間部５の内壁面５Ａを凸
状曲面に形成して凸レンズ８ａを形成した場合を示し、
図５は内壁面５Ａを凹状曲面に形成して凹レンズ８ｂを
形成した場合を示している。請求項１記載の本発明で
は、レンズ８がフレネルレンズに限定されず、これら図
４、図５に示すような形態のレンズとして構成してもよ
い。尚、本発明では、凹レンズとして形成した場合に
は、受光する赤外線を分散させることができるから、赤
外線検出部２で受光する視野角を拡大し、赤外線像を縮
小させることが可能である。図６に示す赤外線検出素子
Ａは、上下二枚の電極２ａ、２ａで薄膜抵抗体２ｂを挟
み込む構造としたものであり、本発明ではかかる電極構
造であっても構わない。

【００１１】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る赤外線検出
素子によれば、簡易な製造手段によって全体をワンチッ
プ状の非常に小型のものに製作でき、また赤外線検出の
視野角も広く確保できる効果が得られるのに加え、人体
検知の使用用途等に際して従来のように外付用レンズを
別個に使用する必要性もなくなり、そのまま人体検知等
に使用できる等の利便性が得られる。しかも、赤外線検
出部から赤外線透過基板や赤外線透過フィルタ側への不
当な熱伝導も抑制できて、赤外線検出の応答性能をも向
上させることができる。また、レンズを熱分離空間部の
内壁面に形成しているために、赤外線検出素子の大型化
が抑制できることは勿論のこと、赤外線透過フィルタを
形成する赤外線透過基板の裏面をフラット面として形成
できることとなって、赤外線透過フィルタの形成に際し
て支障を生じさせないという利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る赤外線検出素子の一実施例を示す
断面図。

【図２】本発明に係る赤外線検出素子の一実施例を示す
平面図。

【図３】本発明に係る赤外線検出素子の製造工程の一例
を示す断面図。

【図４】赤外線検出素子に形成するレンズの他の実施例
を示す要部断面図。

【図５】赤外線検出素子に形成するレンズの他の実施例
を示す要部断面図。

【図６】赤外線検出素子に形成する電極の他の実施例を
示す要部断面図。

【図７】従来の赤外線検出装置の一例を示す要部断面
図。

【符号の説明】

１ 赤外線透過基板 ２ 赤外線検出部 ２ａ 電極 ２ｂ 薄膜抵抗体 ３ 赤外線透過フィルタ ４ 絶縁膜 ５ 熱分離空間部 ５Ａ 内壁面 ６ 信号処理部 ８ レンズ Ａ 赤外線検出素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】赤外線透過基板の片面には赤外線検出部が
   設けられているとともに、該赤外線透過基板の反対面に
   は赤外線透過フィルタが形成され、赤外線透過基板の赤
   外線検出部の下方には、該赤外線検出部と赤外線透過基
   板との相互間の熱伝導を抑制する熱分離空間部が形成さ
   れた赤外線検出素子であって、 前記赤外線検出部と対面する熱分離空間部の内壁面にレ
   ンズが形成されていることを特徴とする赤外線検出素
   子。
2. 【請求項２】前記レンズが、熱分離空間部の内壁面の表
   面をエッチングにより複数の波状部を同心円状に形成し
   て構成されたフレネルレンズである請求項１記載の赤外
   線検出素子。