JPH07306093A - 焦電センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、焦電感度が優れ、容易に製作でき
る焦電センサを提供することを目的とする。 【構成】 本発明に係る焦電センサ１は、表面側の所定
の領域にトランジスタを含む信号処理回路１５が形成さ
れると共に、この信号処理回路１５の近傍領域に凹溝が
形成された半導体基板１２と、凹溝にかけ渡されて半導
体基板１２の表面側に設けられ、信号処理回路１５との
間が配線によって電気的に接続されているチップ型焦電
素子１１とを備えていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、焦電センサに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】現在、熱型センサの中で最も多く用いら
れているものとして焦電センサがある。この焦電センサ
は常温動作が可能で、低価格及び感度の波長依存性がな
い等の特徴を有しており、侵入者検知、炎検知等の防犯
・防災システム等をはじめとした種々の分野への応用が
進められている。

【０００３】このような焦電センサとしては従来、以下
に示すようなものが開示されている。

【０００４】まず、第１の従来技術に係る焦電センサと
しては、特開平０１−０９４２２７号公報に示されるよ
うなものがあった。すなわち、図７（ａ）に示されるよ
うに、増幅用トランジスタを含む信号処理回路３１５が
形成されると共に、この近傍領域に裏面からのエッチン
グで貫通口３１７が設けられている半導体基板３１２
と、この貫通口３１７の上側開口を閉鎖するように半導
体基板３１２上に形成された薄い絶縁膜３２２と、この
貫通口３１７上方の絶縁膜３２２上に下側電極３１３、
焦電材料膜３１９及び上側電極３１４を順次に積層して
形成された焦電素子３１１とを備えるものが開示されて
いる。

【０００５】また、第２の従来技術に係る焦電センサと
しては、特開平０２−２８４０２８号公報に示されるよ
うな、受光面の表面と裏面の双方向からの赤外線を感知
することを目的としたものがあった。すなわち、図７
（ｂ）に示されるように、貫通口４１７を有する絶縁性
の基板４１２上にパターン配線４１８が形成され、この
パターン配線４１８にＦＥＴ４１５が接続されて基板４
１２上に載置されている。貫通口４１７の一方の開口端
には第１の光学フィルタ４１６が設けられ、他方の開口
端には焦電素子４１１が設けられて、導電材料を介して
パターン配線４１８と接続され、かつ、貫通口４１７の
上方であって第１の光学フィルタ４１６と反対側に第２
の光学フィルタ４１９が取り付けられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、第１の従来技
術に係る焦電センサでは、薄い絶縁膜が焦電エレメント
を載置する支持体の役割を担っており、かつ、この薄い
絶縁膜は基板に形成された貫通口上に設ける必要があ
る。また、基板の表面側から焦電エレメントを形成する
一方で、基板の裏面側から貫通口を形成する加工をしな
ければならないため、加工の位置合わせが難しくなる。

【０００７】また、第２の従来技術に係る焦電センサで
は、絶縁性の特にセラミック基板等は赤外線透過用の貫
通口が必要になるが、このような貫通口の形成は、基板
自体のコストの上昇を招く。特に、１ｍｍ角乃至は５０
０μｍ角程度の焦電エレメントで覆うことができるよう
な貫通口をセラミック基板に形成することは、技術的に
困難であって部品コストの上昇を招き、また、微小サイ
ズの焦電エレメントを貫通口と位置合せしてマウントす
ることは困難であった。

【０００８】そこで、本発明は、上記問題点を解決する
焦電センサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明に係る焦電センサは、表面側の所定の領域
にトランジスタを含む信号処理回路が形成されると共
に、この信号処理回路の近傍領域に凹溝が形成された半
導体基板と、凹溝にかけ渡されて半導体基板の表面側に
設けられ、信号処理回路との間が配線によって電気的に
接続されているチップ型焦電素子とを備えていることを
特徴とする。

【００１０】また、凹溝は半導体基板をダイシングする
ことにより形成されることが望ましい。さらに、凹溝の
両端の縁部には半導体基板の表面から立ち下がった段差
面が形成され、この段差面上にチップ型焦電素子の両端
部がそれぞれ支持されていることが望ましい。

【００１１】

【作用】上記の構成によれば、半導体基板の表面側から
凹溝を形成し、かつ表面側からチップ型焦電素子をセッ
トできる簡単な構造でありながら、チップ型焦電素子の
端部以外の下面は下方の半導体基板に接触しないように
できるので、チップ型焦電素子と半導体基板との間での
熱伝導による熱量の損失は極めて少なくなる。また、半
導体基板には信号処理回路が形成されているので、半導
体基板にチップ型焦電素子をマウントした焦電センサ自
体からの信号出力レベルを大きくできる。さらに、凹溝
をダイシングで形成すれば量産が容易であり、段差を同
時に形成すれば、チップ型焦電素子の位置合せが容易か
つ正確になる。

【００１２】

【実施例】以下、添付図面に従って、本発明のいくつか
の実施例について説明する。なお、同一要素には同一符
号を付すものとする。また、図面における各部分の寸法
比は現実の寸法比とは必ずしも一致しないものとし、ま
た面積についても同様とする。

【００１３】図１は、本発明の第１実施例に係る焦電セ
ンサを用いた赤外線検出装置を示す組み立て断面図であ
り、焦電センサ１が上面に載置された円柱形状の基体２
と、この基体２を覆う有底円筒形状のキャップ３とを備
えている。基体２の上面には焦電センサ１がマウントさ
れている。そして、基体２が絶縁性材料からなる場合に
は、図１のように基体２の上面にはメタライズによる配
線パターンが形成され、これとワイヤを介して、焦電セ
ンサ１の電極の一方が信号処理回路に接続されている。
一方、基体２が金属性の場合には、基体２自身がグラン
ドとなり、かつ、電極端子２２ａ、２２ｂとの間には絶
縁材（図示せず）が介在されている。

【００１４】基体２の下側の周端部にはキャップ３を接
着固定するキャップ固着部２１が張り出して設けられ、
かつ、２本の円柱状の電極端子２２ａ、２２ｂが上面か
ら下面にわたって突き通されている。これらの電極端子
２２ａ、２２ｂの上側の端面と焦電センサ１の電極と
は、ワイヤで電気的に接続されている。キャップ３は上
端及び下端が開口した中空円筒部材からなり、上端部に
は赤外線透過材３１が内側から貼り合わせて設けられて
いる。

【００１５】基体２の上面に載置された焦電センサ１
は、図２に示すように、長方形のチップ型焦電素子１１
と、より長尺の長方形板状の半導体基板１２とを備えて
いる。チップ型焦電素子１１に設けられた配線と半導体
基板１２の配線とは導電ペーストによって電気的に接続
されている。チップ型焦電素子１１は、焦電効果を呈す
るＰｂ（ＴｉＺｒ）Ｏ₃ 、ＰｂＴｉＯ₃ 等のセラミック
ス材料からなる焦電材料板１９と、この焦電材料板１９
の表面に形成された受光電極１３と補助電極１４とを備
えている。なお、焦電材料板１９の裏面（図示せず）に
も、表面とペアになる受光電極および補助電極が形成さ
れている。

【００１６】シリコン等の半導体基板１２の表面の一端
部側には、信号処理回路（前置アンプ等）１５を形成す
るＦＥＴ等が形成され、他の領域には僅かに表面から立
ち下がった段差部１６ａ、１６ｂと、断面が凹状の溝部
１７とが形成されている。また、一方の段差部１６ａに
はメタライズによってリード電極１８ａが設けられ、一
端は半導体基板１１表面の信号処理回路１５の近傍に延
びている。半導体基板１２に形成された信号処理回路１
５のＦＥＴとリード電極１８ａとは、ワイヤボンディン
グ（図示せず）によって接続されているが、メタライズ
よるパターン配線によって接続してもよく、これによ
り、リード電極１８ａを介してチップ型焦電素子１１の
裏面の補助電極および受光電極（共に図示せず）が、信
号処理回路１５中のＦＥＴに接続される。

【００１７】チップ型焦電素子１１は、半導体基板１２
の段差部１６ａ、１６ｂにかけ渡すようにして設置さ
れ、表面側の補助電極１４は半導体基板１２上のメタラ
イズによる他方のリード電極１８ｂに接続される。な
お、信号処理回路１５は前置増幅用のトランジスタのみ
を有するものでもよく、後段アンプを構成するトランジ
スタ等の回路要素を備えているものでもよい。また、こ
の焦電センサ１を一次元又は二次元に拡張することでア
レイ化することができる。

【００１８】なお、これら赤外線検出装置の基体２及び
焦電センサ１の各部分の寸法の一例を、図３（ａ）およ
び（ｂ）に示す。図３（ａ）は、赤外線検出装置の基体
２を上方から見た説明図であり、図３（ｂ）は焦電セン
サを側面から見た説明図である。次に、この赤外線検出
装置の動作について説明する。キャップ３に設けられた
赤外線透過材３１から入射した赤外線は、受光電極１３
を透過して焦電材料板１９に達して熱量を与える。焦電
材料板１９は熱量に応じた分極効果により、裏面および
表面に設けられた受光電極に電荷を発生させる。

【００１９】ところで、焦電材料板１９で発生した熱量
のごく一部は空中に放射されると共に、一部は裏面に設
けられた受光電極およびこれと接するリード電極１８
ａ、１８ｂを介して半導体基板１２側にも伝導する。し
かし、第１実施例ではチップ型焦電素子１１の下方の半
導体基板１２には溝部１７が形成されているため、この
熱伝導による熱量の損失は極めて少なく、従って、赤外
線による熱量は効率よく焦電材料板１９中に蓄えられる
ので、検出感度は著しく高まる。

【００２０】次に、この赤外線検出装置に用いられる焦
電センサの製造方法について説明する。図４および図５
は、図２に示す焦電センサに用いられる半導体基板の工
程別の素子断面図である。

【００２１】まず、図４（ａ）に示すように、シリコン
単結晶板（ウェーハ）１２１を用意し、次いで、図４
（ｂ）に示すように、このシリコン単結晶板１２１の上
面を酸化させて酸化シリコン膜１２２ａを形成する。次
に、図４（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ技術
を用いて酸化膜１２２ａに開口を形成し、この開口から
不純物をドープして、図４（ｄ）に示すような埋め込み
層１２３を形成する。なお、この埋め込み層１２３に不
純物をドープする技術としては、イオン注入技術や熱拡
散技術を用いることができる。

【００２２】次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、
所望の開口を形成し、所定の不純物をドープすることで
ゲート領域１２４、ソース領域１２５およびドレイン領
域１２６を形成して、ＦＥＴ１５を形成する。この後、
図４（ｅ）に示すように、不純物をドープするために設
けた開口及び酸化膜１２２ａ上に酸化膜を形成して、こ
の開口を埋める。この酸化膜１２２ｂを形成するに当た
っては、スパッタ又はプラズマＣＶＤのいずれを用いて
もよい。

【００２３】次に、図５（ｆ）に示すように、ウェーハ
状態でダイシング装置を用いることにより、シリコン単
結晶板１２１の埋め込み層１２３以外の所望の領域を削
成して溝部１７を形成する。このように、溝部１７を形
成するにあたり、ダイシング装置を用いれば、１ｍｍ角
ないしは５００ｍ角の微小なチップ型焦電素子を用いた
場合でも、これらのチップ型焦電素子で覆われる位の微
小な溝部を所望の深さで容易に形成することができる。

【００２４】次に、図５（ｇ）に示すように、さらに、
ダイシング装置を用いてより浅く、かつ幅広く切削を行
うことにより、先に削成した溝部１７の両側に段差部１
６ａ、１６ｂを形成する。なお、段差部１６ａ、１６ｂ
の削成後に溝部１７を削成してもよい。また、これら段
差部１６ａ、１６ｂおよび溝部１７は、エッチングによ
り形成してもよい。

【００２５】このように、ウェーハ状態でダイシング装
置を用いれば、溝部１７や、段差部１６ａ、１６ｂの形
成は多数のチップ型焦電素子に対して、一挙に歩留まり
よく行うことができる。

【００２６】次に、図５（ｈ）に示されるように、ＣＶ
Ｄ法等を用いてシリコン単結晶板１２１の上方に酸化膜
１２２ｃを形成する。このとき形成される酸化膜１２２
ｃで段差部１６ａ、１６ｂ及び溝部１７は覆われること
になる。

【００２７】次に、図５（ｉ）に示されるように、絶縁
膜１２１にコンタクトホール１２７を形成する。このコ
ンタクトホール１２７はＦＥＴ１５上に形成されるもの
で、例えば、リソグラフィ技術を用いて形成される。次
に、図５（ｊ）に示されるように、絶縁膜１２２、コン
タクトホール１２７及び段差部１６ａ、１６ｂの所望の
領域に導電材料を被着してパターン配線１８ａ、１８ｂ
を形成する。なお、ドレイン領域１２６への配線はこの
図には示してない。しかる後、再びウェーハ状態のシリ
コン単結晶板１をダイシング装置にセットし、チップ単
位に分割すれば、同一構造のチップ型半導体基板１２を
量産できる。

【００２８】最後に、あらかじめ作製しておいたチップ
型焦電素子をチップ型の半導体基板１２にセットし、接
着剤で固定すると共に導電ペーストやボンディングワイ
ヤで電気接続をとれば、焦電センサ１が完成する。

【００２９】次に、第２実施例に係る焦電センサについ
て説明する。第２実施例に係る焦電センサが第１実施例
と異なる点は次に示す通りである。すなわち、第１実施
例では半導体基板１２には段差部１６ａ、１６ｂが設け
られているが、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、第
２実施例に係る半導体基板２１２ではこの段差部がな
い。従って、第２実施例に係る半導体基板２１２を製造
するにあたっては、段差部を設けるためのダイシング処
理を行う必要がない点で、第１実施例よりも製造工程を
簡易化することができる。第２実施例においては、チッ
プ型焦電素子１１の補助電極と半導体基板２１２のパタ
ーン配線とを導電ペーストで接着することで、両者を電
気的に接続すると共に、チップ型焦電素子１１を半導体
基板２１２の凹型溝部上に固定する。

【００３０】但し、チップ型焦電素子１１を半導体基板
に設ける際の位置合わせの容易さという点からは、第１
実施例のものが優れている。二段階のダイシング処理を
する必要がない点では第２実施例のものが優れている。
その他の構成と作用に関しては、第１実施例と第２実施
例とで異なるところはないので、用途に応じて適宜に使
い分けることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
係る焦電センサによれば、簡単な構造でありながら、焦
電素子の下方の半導体基板には溝部が形成されているの
で、焦電素子と半導体基板との間での熱伝導による熱量
の損失は極めて少なくなる。従って、入射された赤外線
の熱量を焦電素子に効率よく蓄えることができ、焦電感
度を向上させることができる。同一構造のものを量産で
きるので、各種の用途に適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る焦電センサを用いた
赤外線検出装置を示す組み立て断面図である。

【図２】本発明の第１実施例に係る焦電センサを示す組
み立て断面図である。

【図３】本発明の第１実施例に係る赤外線検出装置の基
体及び焦電センサの各部分の寸法を示した説明図であ
る。

【図４】本発明の第１実施例に係る焦電センサに含まれ
る半導体基板の各製造工程を示した素子断面図である。

【図５】本発明の第１実施例に係る焦電センサに含まれ
る半導体基板の各製造工程を示した素子断面図である。

【図６】本発明の第２実施例に係る焦電センサを示した
分解斜視図及び断面図である。

【図７】従来技術に係る焦電センサを示した断面図であ
る。

【符号の説明】

１…焦電センサ、１１、３１１、４１１…焦電素子、１
２、２１２、３１２、４１２…半導体基板、１３…受光
電極、１５、３１５、４１５…ＦＥＴ、１６ａ、１６ｂ
…段差部、１７…溝部、１９…焦電材料板、３１７、４
１７…貫通口。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面側の所定の領域にトランジスタを含
   む信号処理回路が形成されると共に、この信号処理回路
   の近傍領域に凹溝が形成された半導体基板と、 前記凹溝にかけ渡されて前記半導体基板の表面側に設け
   られ、前記信号処理回路との間が配線によって電気的に
   接続されているチップ型焦電素子とを備えていることを
   特徴とする焦電センサ。
2. 【請求項２】 前記凹溝は前記半導体基板をダイシング
   することにより形成されることを特徴とする請求項１に
   記載の焦電センサ。
3. 【請求項３】 前記凹溝の両端の縁部には前記半導体基
   板の表面から立ち下がった段差面が形成され、この段差
   面上に前記チップ型焦電素子の両端部がそれぞれ支持さ
   れていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載
   の焦電センサ。