JPH058447U - サーモパイル型赤外線センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ピット部４とヒートシンク３とを有する基板
１と、この基板１上に設けピット部４でダイアフラム５
となるおもて面絶縁膜２と、異種の金属からなる熱電対
８を複数個直列に接続して配置し、かつダイアフラム５
の上では温接点部１１となりヒートシンク３の上では冷
接点部１０となるサーモパイル９とを備える。 【効果】 熱や雰囲気に対して非常に特性が変わりやす
い黒体を用いないため、熱や雰囲気に対して安定なサー
モパイル型赤外線センサーを得ることができる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、サーモパイル型赤外線センサーの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来のサーモパイル型赤外線センサーの構造とその動作を図２および図３を用 いて説明する。図２は第１の従来例を示し、図３は第２の従来例を示す。図２（ ａ）、および図３（ａ）は、それぞれ従来のサーモパイル型赤外線センサーの構 造を示す平面図であり、図２（ｂ）、および図３（ｂ）は、それぞれ従来のサー モパイル型赤外線センサーの構造を示す断面図である。

【０００３】 まず、第１の従来例におけるサーモパイル型赤外線センサーの構造を、図２を 用いて説明する。

【０００４】 基板１としては、シリコンの（１００）配向基板を用いる。この基板１の上に は、おもて面絶縁膜２を形成する。さらにこのおもて面絶縁膜２上に、異種の金 属からなる熱電対８を複数個直列に接続し、かつサーモパイル引き出し電極１２ に接続するサーモパイル９を配設する。このとき、サーモパイル９の冷接点部１ ０は、基板１とおもて面絶縁膜２とからなるヒートシンク３上に配置し、サーモ パイル９の温接点部１１は、ダイアフラム５上に配置する。

【０００５】 さらに、金（Ａｕ）あるいはビスマスなどの金属の超微粒子膜からなる黒体６ を、ダイアフラム５上の温接点部１１付近の中央部に配置する。この黒体６は、 サーモパイル９の個々の温接点部１１どおしが短絡しないように、温接点部１１ から数μｍ程度離して配置する。

【０００６】 さらに、基板１の裏面には、ピット部４を設ける。このピット部４は、基板１ の裏面から水酸化カリウム（ＫＯＨ）や、ヒドラジンなどの強アルカリ溶液を用 いて、基板１であるシリコンの異方性エッチングを行って、ピット部４を形成す る。ピット部４では、基板１をすべてエッチングし、おもて面絶縁膜２のみが残 り、このおもて面絶縁膜２にてダイアフラム５を構成する。

【０００７】 この図２に示すサーモパイル型赤外線センサーは、たとえば放射温度計などに 利用される。この図２に示すサーモパイル型赤外線センサーの動作は以下のよう になる。

【０００８】 温度測定物から放射される赤外線を黒体６が吸収して熱に変え、熱容量の小さ なダイアフラム５を加熱し、このダイアフラム６上に配置するサーモパイル９の 温接点部１１を加熱する。このとき、サーモパイル９の冷接点部１０は、熱容量 の大きなヒートシンク３上に配置してあるため、ほとんど温度上昇しない。この ため、温接点部１１と冷接点部１０との間に温度差が生じる。この温接点部１０ と冷接点部１１との温度差によって、サーモパイル９に熱起電力が生じ、温度測 定物の温度を測定することができる。

【０００９】 つぎに第２の従来例におけるサーモパイル型赤外線センサーの構造を、図３を 用いて説明する。

【００１０】 図３に示すサーモパイル型赤外線センサーは、図２に示すサーモパイル型赤外 線センサーと同様に、基板１上におもて面絶縁膜２を形成する。さらにこのおも て面絶縁膜２上に異種金属からなる熱電対８を複数個直列に接続し、かつサーモ パイル引き出し電極１２に接続するサーモパイル９を形成する。このときサーモ パイル９の冷接点部１０はヒートシンク３上に、温接点部１１はダイアフラム３ 上に配置する。

【００１１】 さらに、図３に示すように、サーモパイル９の温接点部１１を覆うように、絶 縁性を有する黒体下絶縁膜７を設ける。この黒体下絶縁膜７のパターニング方法 は、通常のフォトエッチング技術を用いても良いし、金属マスクに開口部を設け この開口部内に黒体下絶縁膜７を形成する、いわゆるマスク蒸着法などを用いて も良い。また、この黒体下絶縁膜７の大きさは、後に形成する黒体６と同じ大き さか若干大きめであれば良い。

【００１２】 さらに、この黒体下絶縁膜７の上に黒体６を設ける。この黒体６の大きさは、 ダイアフラム５の大きさよりも若干小さく、かつサーモパイル９の温接点部１１ を全て覆う程度の大きさとする。このとき、サーモパイル９の温接点部１１と黒 体６との絶縁性は、黒体下絶縁膜７によって維持される。

【００１３】 さらに、図２に示すサーモパイル型の赤外線センサーと同様に、ピット部４を 形成し、おもて面絶縁膜２からなるダイアフラム５を形成する。

【００１４】 つぎに図３に示すサーモパイル型赤外センサーの動作を以下に説明する。

【００１５】 温度測定物から放射された赤外線を黒体６で受光し、熱に変換し、この熱が黒 体下絶縁膜７を介して伝導して、サーモパイル９の温接点部１１およびダイアフ ラム５全体を加熱する。

【００１６】 このとき、サーモパイル９の冷接点部１０は、ヒートシンク３上に配置してあ るため、ほとんど温度上昇せず、結果的に温接点部１１と冷接点部１０との間に 温度差が生じる。

【００１７】 この冷接点部１０と温接点部１１との間の温度差によって、サーモパイル９に 熱起電力が発生し、温度測定が可能となる。

【００１８】 この図３に示すサーモパイル型赤外線センサーの方が、図２に示すサーモパイ ル型赤外線センサーよりも、黒体６から温接点部１１までの距離を短く設定でき るために出力が高くなる。

【００１９】

【考案が解決しようとする課題】

前記の図２と図３とに示す２種類の構造の従来例におけるサーモパイル型赤外 線センサーは、温度測定物から放射される赤外線を効率よく受光するために、赤 外線吸収率が８０％から９０％程度と非常に高い黒体６を、赤外線受光面に配設 している。

【００２０】 しかしながら、図３に示すサーモパイル型赤外線センサーでは、金あるいはビ スナスなどの金属からなる黒体６によるサーモパイル９の温接点部１１の短絡を 防ぐために、黒体６をサーモパイル９の温接点部１１に直接形成することはでき ない。このため最低でも数百ｎｍの厚さを持つ黒体下絶縁膜７を介して、サーモ パイル９の温接点部１１上に黒体６を配設している。

【００２１】 この結果、図３に示すサーモパイル型赤外線センサーでは、黒体下絶縁膜７を 介して、黒体６から温接点部１１に熱が伝わる。このため、黒体６から温接点部 １１への熱伝導のうち６割程度の損失がある。

【００２２】 したがって、黒体６に入射した赤外線の３割から４割程度の熱量で、温接点部 １１を加熱することとなり、非常に効率が悪い。

【００２３】 さらに、図２に示すサーモパイル型赤外線センサーでは、黒体６から温接点部 １１への熱伝導は、おもて面絶縁膜２を介して熱が伝わる。このため図２に示す サーモパイル型赤外線センサーは、さらに熱の損失が大きいため、より効率が悪 くなる。

【００２４】 そのうえ、金やビスマスなどの金属の超微粒子膜からなる黒体６は、熱や雰囲 気などに非常に弱く、凝集あるいは変質などが発生する。このために、黒体６で の赤外線吸収率が変化してしまい、サーモパイル型赤外線センサーの安定性を悪 くするという問題がある。

【００２５】 そこで、本考案の目的は、上記課題を解決して、熱や雰囲気などに対して安定 なサーモパイル型赤外線センサーの構造を提供することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、本考案のサーモパイル型赤外線センサーは、以下 に示す構造を採用することを特徴とする。

【００２７】 すなわち、ピット部とヒートシンクとを有する基板と、この基板上に設けピッ ト部でダイアフラムとなるおもて面絶縁膜と、異種の金属からなる熱電対を複数 個直列に接続しておもて面絶縁膜上に配置し、かつダイアフラム上では温接点部 となりヒートシンク上では冷接点部となるサーモパイルとを備える。

【００２８】 この異種金属からなる熱電対は、少なくとも一方が赤外線吸収体で構成する。

【００２９】

【実施例】

以下図１を用いて本考案のサーモパイル型赤外線センサーの一実施例を説明す る。図１（ａ）は、本考案のサーモパイル型赤外線センサーの平面図を示し、図 １（ｂ）は、その断面図である。

【００３０】 図１に示すように、基板１のおもて面におもて面絶縁膜２を形成する。このお もて面絶縁膜２は、基板１を裏側からエッチングすることにより形成するピット 部４上ではダイアフラム５となり、基板１上では基板１とともにヒートシンク３ を構成する。

【００３１】 このおもて面絶縁膜２上に、異種の金属からなる熱電対８を複数個直列に接続 するサーモパイル９を設ける。このサーモパイル９は、冷接点部１０がヒートシ ンク３上に、温接点部１１がダイアフラム５上になるように配設する。 さらにこの異種の金属からなる熱電対８のすくなくとも一方は、赤外線吸収体 で構成する。

【００３２】 さらに、サーモパイル９の出力を取るために、このサーモパイル９と接続する サーモパイル引き出し電極１２を配設する。

【００３３】 図１に示す本考案のサーモパイル型赤外線センサーは、図２および図３に示す 従来例と異なり黒体を形成していない。すなわち黒体の代わりに、熱電対８で赤 外線を吸収して、熱に変換する。

【００３４】 つぎに本考案によるサーモパイル型赤外線センサーの動作を以下に説明する。 赤外線量を測定する測定物から入射した赤外線を、熱電対８の少なくとも一方 の材料が吸収し、サーモパイル９を加熱する。

【００３５】 サーモパイル９の温接点部１１は、ダイアフラム５上に設けてあるために、速 やかに温度上昇する。一方、サーモパイル９の冷接点部１０は、ヒートシンク３ 上に設けてあるために、ほとんど温度変化しない。したがって温接点部１１と冷 接点部１０との間に温度差が生じる。この冷接点部１０と温接点部１１との間の 温度差に対応した熱起電力が、熱電対８のそれぞれに発生し、それぞれの熱起電 力が足し合わされてサーモパイル９に電圧を発生させる。

【００３６】 発生した電圧は、サーモパイル引き出し電極１２より取り出すことにより、入 射した赤外線量を検知することができる。

【００３７】 このとき、サーモパイル９を構成する熱電対８の材料自体が赤外線を吸収し、 温接点部１１の温度が上昇すれば、従来のように、黒体が赤外線を吸収して熱を 伝達するときの損失が全く発生しない。 このため、サーモパイル９の材料自体の赤外線吸収率が、黒体の赤外線吸収率 に比べて低くても、熱伝導による損失が全く発生しないため、効率的には変わら ない。 さらに、サーモパイル９の赤外線を吸収する温接点部１１の面積を大きくする などの工夫で、むしろサーモパイル型赤外線センサーの出力を、従来より高める ことが可能となる。

【００３８】 このため、熱あるいは雰囲気などに非常に弱い黒体を用いなくて良いため、非 常に安定なサーモパイル型赤外線センサーが得られる。

【００３９】 また、図示しないが、冷接点部１０上にのみに、絶縁膜を形成して、金などの 赤外線を反射する金属膜を冷接点部１０上に配置して、冷接点部１０では赤外線 を反射するように構成すれば、温接点部１１のみで赤外線を吸収することが可能 となり、より出力が高くなる。

【００４０】 つぎに図１を用いて本考案によるサーモパイル型赤外線センサーの製造方法を 説明する。

【００４１】 基板１にはシリコンの（１００）に配向した基板を用いて、この基板１のおも て面におもて面絶縁膜２として、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜などをプラズ マ化学気相成長法によって形成する。

【００４２】 このおもて面絶縁膜２上に、一方をビスマス、他方をアンチモンからなる熱電 対８を形成する。

【００４３】 ここで、熱電対８の材料としてアンチモンを使用する例を挙げたが、このアン チモンは広い波長領域にわたって赤外線吸収率が約３５％と高く、このアンチモ ンは赤外線吸収体として非常に優れている。とくに、アンチモンは室温付近から 数百℃程度までの物質から放射される赤外線の波長領域全般にわたって赤外線を 吸収するため、幅広い温度範囲の放射温度計に応用することが可能となる。

【００４４】 もちろん、アンチモンにテルルなどの他の物質を加えて合金化させたものなど も、高い赤外線吸収率を示すことから、本考案のサーモパイル型赤外線センサー に応用できる。

【００４５】 つぎに、サーモパイル９の出力を取り出すために、金などの金属を通常のフォ トエッチング技術を用いてパターニングし、サーモパイル引き出し電極１２を形 成する。

【００４６】 このとき、図示しないが、サーモパイル引き出し電極１２の形成工程と同時に 異種金属からなる熱電対８の接点の密着性を上げる目的で、それぞれの接点部に 金などの金属を形成しても良い。

【００４７】 この熱電対８の形成方法としては、あらかじめ、感光性樹脂を露光現像処理し て所望の金属を形成する領域に開口を有する感光性樹脂を形成し、その後所望の 金属を真空蒸着法によって形成し、感光性樹脂を取り除くことにより所望の金属 をパターニングする、いわゆるリフトオフ法によればよい。

【００４８】 この熱電対８は、複数個直列に接続することによりサーモパイル９となる。こ のサーモパイル９は、温接点部１１が、後工程で形成するダイアフラム５上に、 冷接点部１０が、ヒートシンク３上になるように配設する。

【００４９】 その後、基板１の裏面からヒドラジンなどの強アルカリ溶液を用いて、シリコ ンの異方性エッチングを行い、ピット部４を形成する。ピット部４のパターニン グ方法としては、図示しないが、基板１の裏面に強アルカリ溶液に対して耐エッ チング性が大きい窒化シリコン膜などを被覆して、この窒化シリコン膜をパター ニングして、エッチングマスクとする。

【００５０】 ここで、ピット部４では基板１のシリコンを全てエッチングし、おもて面絶縁 膜２のみが残り、このおもて面絶縁膜２からなるダイアフラム５を形成し、サー モパイル型赤外線センサーが完成する。また、基板１のシリコンが残っている基 板１周辺部においては、基板１とおもて面絶縁膜２とが、ダイアフラム５に比較 して非常に熱容量の大きなヒートシンク３となる。

【００５１】

【考案の効果】

上記の説明のように、本考案によれば、熱や雰囲気などの変化に対して非常に 安定に動作するサーモパイル型赤外線センサーを得ることが可能となる。 さらにまた、黒体を形成しないことから、構造が簡略化され、低コスト化も達 成できる。さらには、熱電対材料を選定することによって、非常に広い温度範囲 を測定することが可能な、放射温度計に応用できる、サーモパイル型赤外線セン サーを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例におけるサーモパイル型赤外
線センサーの構造を示す図面である。

【図２】従来のサーモパイル型赤外線センサーの構造を
示す図面である。

【図３】従来のサーモパイル型赤外線センサーの構造を
示す図面である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ おもて面絶縁膜 ３ ヒートシンク ４ ピット部 ５ ダイアフラム ８ 熱電対 ９ サーモパイル １０ 冷接点部 １１ 温接点部

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピット部とヒートシンクとを有する基板
   と、該基板上に設け該ピット部でダイアフラムとなるお
   もて面絶縁膜と、異種の金属からなる熱電対を複数個直
   列に接続して該おもて面絶縁膜上に配置し、かつ前記ダ
   イアフラム上では温接点部となり前記ヒートシンク上で
   は冷接点部となるサーモパイルとを備えることを特徴と
   するサーモパイル型赤外線センサー。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の異種金属からなる熱電
   対は、少なくとも一方が赤外線吸収体であることを特徴
   とするサーモパイル型赤外線センサー。