JPH09126895A - 焦電型赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 焦電型赤外線検出器の焦電体に直接ＦＥＴを
実装した時に発生するＦＥＴの自己発熱による性能低下
とＦＥＴ実装時に焦電体を壊す恐れを解決し、性能、生
産性に優れた焦電型赤外線検出器を提供することを目的
とする。 【解決手段】 少なくとも単結晶からなる基板１１とこ
の基板１１の上層に下部電極１２を設け、この下部電極
１２の上層に焦電薄膜１３を設け、さらにその上層に赤
外線吸収効果を有する受光電極１５を設けた赤外線検出
部が接する基板表層部に空洞１６を設けた焦電素子の前
記空洞部１６の周辺にＦＥＴ１７をマウントすることに
より、ＦＥＴ１７の発熱の影響を無くし、また焦電薄膜
１３を壊すこと無く実装でき、生産性に優れた信頼性の
高い構造を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焦電体を用いて赤
外線を検出する焦電型赤外線検出器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、焦電型赤外線検出器は、非接触で
物体の検知や温度検出ができる点を生かして、電子レン
ジの調理物の温度測定、エアコンの室内温度制御、或い
は自動照明、自動ドア、警報装置での人体検知等に利用
されており、今後その利用範囲は拡大していくと見られ
る。

【０００３】焦電型赤外線検出器は、強誘電体の焦電効
果を利用したセンサーであり、強誘電体は内部に一定方
向の自発分極を有しており、その表面に正及び負電荷を
発生させる。大気中における定常状態では、大気中の分
子が持つ電荷と結合して中性状態になっている。すべて
の物体は、温度に応じた赤外線を放出しており、赤外線
検出部に入射した赤外線量に応じた温度変化を強誘電体
に生じさせる。そのため、赤外線検出部の熱応答性を良
好にする必要がある。

【０００４】以下、従来の焦電型赤外線検出器について
図面を参照しながら説明する。図３（ａ），（ｂ），
（ｃ）及び（ｄ）は従来の焦電型赤外線検出器に用いる
焦電素子の表面を示す斜視図、裏面を示す斜視図、組立
状態を示す断面図、及び等価回路図である。図３
（ａ），（ｂ）及び（ｃ）において、焦電素子は平板状
の焦電体２３と、この焦電体２３の表面側中央部に形成
された赤外線の吸収膜としての機能を有した受光電極２
５と、この受光電極２５に対応して焦電体２３の裏面に
下部電極２４ａ，２４ｂを有している。

【０００５】通常、前記焦電体２３の出力インピーダン
スは極めて高く、外部雑音の影響を受けやすいので、イ
ンピーダンス変換する必要がある。焦電体２３は高入力
インピーダンスを持つ増幅器であるＦＥＴ（電解効果型
トランジスタ）２７と、前記ＦＥＴ２７への入力抵抗素
子としてのチップ抵抗２６とに焦電体２３の裏面の下部
電極２４ａ，２４ｂを利用して接続され、インピーダン
ス変換される。前記各素子、すなわち焦電体２３、チッ
プ抵抗２６及びＦＥＴ２７はパッケージ化するために用
いるときのベースとなるステム３０と導電樹脂等で焦電
体２３に形成したＧＮＤ電極２８及びＦＥＴ引き出し電
極２９ａ，２９ｂを介して接続され、外部端子３１によ
り引き出される。

【０００６】このように焦電体２３上にチップ抵抗２６
及びＦＥＴ２７を直接マウントすることにより、配線用
の回路基板を使用しない簡単な構成で製造上も低コスト
を実現する構成となっているものであった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、温度変化に敏感な焦電体２３上にＦＥＴ２
７が熱分離されずに直接マウントされているため、ＦＥ
Ｔ２７の発熱により焦電体２３の熱応答性を著しく低下
させ、温度検知においては正確に温度を検出できなかっ
たり、人体検知においては周囲温度と体温が近い時など
温度変化の小さい場合は検出できないという問題があっ
た。

【０００８】また、焦電体２３は薄くなるほど熱応答性
が良いため、通常厚みは０．１ｍｍ以下となっている
が、焦電体２３を壊すことなくマウンターなどの機械で
薄い焦電体２３上に直接チップ抵抗２６及びＦＥＴ２７
をマウントすることは困難であった。

【０００９】本発明はこのような上記問題点を解決する
ものであり、赤外線検出部における熱応答性に優れ、低
コスト、小型・薄型化そして高集積化が可能で生産性に
優れた信頼性の高い焦電型赤外線検出器を提供すること
を目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の焦電型赤外線検出器は、第一の電極と焦電体
と第二の電極を積層して形成された赤外線検出部と、一
部に空洞を設けた面を上記赤外線検出部の第一の電極側
に結合した少なくとも単結晶からなる基板により構成さ
れた焦電素子と、この焦電素子に接続された電解効果型
トランジスタからなる構成としたものである。

【００１１】この本発明によれば、焦電体の下層部分に
相当する基板の表層部に空洞を設けるので、赤外線検出
部における熱容量を焦電体と下部電極と上部受光電極と
だけの熱容量の合成容量とすることができ、熱応答性が
向上するとともに、ＦＥＴを焦電体が熱分離された堅固
な空洞部の周辺にマウントしているためＦＥＴの発熱の
影響もなく、焦電体を壊すこともない、熱応答性に優
れ、低コスト、小型・薄型化そして高集積化が可能で生
産性に優れた信頼性の高い構造を実現することができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の請求項に記載の発明は、
第一の電極と焦電体と第二の電極を積層して形成された
赤外線検出部と、一部に空洞を設けた面を上記赤外線検
出部の第一の電極側に結合した少なくとも単結晶からな
る基板により構成された焦電素子と、この焦電素子の引
き出し電極上にベアチップの状態で直接マウントされて
接続された電解効果型トランジスタからなる構成とした
ものであり、熱応答性に優れ、小型・薄型化ができると
いう作用を有するものである。

【００１３】以下、本発明の一実施の形態について図面
を参照しながら説明する。図１（ａ），（ｂ），（ｃ）
は同実施の形態における焦電型赤外線検出器に用いる焦
電素子の平面図と断面図、ならびに焦電型赤外線検出器
の組立状態を示す斜視図、図２（ａ），（ｂ）は複数の
焦電薄膜を有する焦電素子を実装した焦電型赤外線検出
器の一例を示した平面図とその等価回路図を示したもの
である。

【００１４】図１に示すように本発明の焦電型赤外線検
出器は、素子部として、結晶方位（１００）面ＭｇＯ単
結晶基板（以下、基板という）１１と、この基板１１上
に下部電極１２を有し、この下部電極１２上に焦電薄膜
１３を有し、この焦電薄膜１３上に赤外線吸収効果を有
する受光電極１５を有した赤外線検出部とからなり、前
記赤外線検出部が接する基板１１の表層部に空洞１６を
設け、この焦電素子の前記空洞１６の周辺の下部電極１
２から引き出した電極上にＦＥＴ１７を直接マウント
し、焦電素子、チップ抵抗１８及びＦＥＴ１７をワイヤ
１９でステム２０と接続した構成としたものである。

【００１５】以上のように構成された本発明の焦電型赤
外線検出器について、その製造方法を以下に説明する。

【００１６】まず、基板１１として結晶方位（１００）
面ＭｇＯ単結晶からなる基板を用いる。そして、下部電
極１２を形成する工程として上記基板１１上に１５０ｎ
ｍ程度の膜厚を有するＰｔ薄膜をスパッタリング法で形
成する。次に、焦電薄膜１３を形成する工程として下部
電極１２上に焦電薄膜１３としてランタンを含有したチ
タン酸鉛を高周波マグネトロンスパッタリング法で形成
する。次に、フォトリソグラフィ法で焦電薄膜１３を所
定の形状にパターニングする。

【００１７】次に、下部電極１２を所定の形状にパター
ニングする。次に、フォトリソグラフィ法で層間絶縁膜
１４を所定の形状にパターニングする。次に、赤外線吸
収効果を有する受光電極１５を形成する工程として焦電
薄膜１３上の少なくとも一部に、２０ｎｍ程度の膜厚を
有する赤外光の反射率が少なく吸収効果の高いＮｉＣｒ
薄膜をスパッタリング法で形成し、続いてフォトリソグ
ラフィ法により所定の形状にパターニングする。

【００１８】最後に空洞１６を形成する工程として、初
めにフォトリソグラフィ法によりエッチングマスクを介
してエッチング液を注入して、前記基板１１に前記下部
電極１２と接する側より、空洞１６を形成する。このと
きのエッチング液として燐酸を用いる。その結果、結晶
方位（１００）方向のエッチングの進行速度が非常に速
いことを確認している。次に、この焦電素子の前記空洞
１６の周辺の下部電極１２から引き出した電極上に導電
性樹脂を塗布後、裏面がゲート電極であるベアチップの
ＦＥＴ１７を直接マウントし、チップ抵抗１８はステム
２０上にマウントしてワイヤ１９で焦電素子と接続し、
焦電素子及びＦＥＴ１７をワイヤ１９でステム２０と接
続した構成とするものである。なお、チップ抵抗１８は
直接焦電素子上に形成し省略することも可能である。

【００１９】上記のように構成された本発明の焦電型赤
外線検出器について、以下その特性について説明する。

【００２０】赤外線検出部が基板１１の表層部に設けら
れた空洞１６を介して保持され、かつ断熱されているた
め、ＮｉＣｒ薄膜からなる電極１５が受けた赤外線エネ
ルギーを熱に変換し、焦電薄膜１３が熱エネルギーを効
率よく吸収することが可能となり、応答速度が速く、感
度を良好にすることができる。

【００２１】また、焦電薄膜１３が基板１１及びＦＥＴ
１７と熱分離されているため熱応答性に優れたものにす
ることができる。

【００２２】また、残りの基板１１がセンサー部の支持
基板としてそのまま使用でき、焦電素子の小型化が可能
となるとともに、焦電薄膜１３を壊すことなくＦＥＴ１
７を直接マウントできるため製造上の歩留まりもよく、
生産性に優れた信頼性の高い構造を実現することができ
る。

【００２３】図２（ａ）は焦電薄膜１３が複数個存在す
る場合の焦電素子を実装した焦電型赤外線検出器の一例
を示したものであり、この例ではＦＥＴ１７の共通電源
電極２２を焦電素子上に形成してワイヤ１９で接続して
おり、図２（ｂ）は図２（ａ）の等価回路図を示したも
のである。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、焦電体の
下層部分に相当する基板の表層部に空洞を設けた構成と
することにより、赤外線検出部における熱容量を焦電体
と下部電極と上部の受光電極とだけの熱容量の合成容量
とすることができるとともに、ＦＥＴが熱分離された空
洞部の周辺にあるためにＦＥＴの発熱の影響もなく熱応
答性に優れ、ＦＥＴをマウンターなどの機械でマウント
する際にも堅固な空洞部の周辺にマウントするため焦電
体を壊すこともなく、低コスト、小型・薄型化そして高
集積化が可能で生産性に優れた信頼性の高い構造を実現
可能にするものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の一実施の形態における焦電型赤
外線検出器に用いる焦電素子の平面図 （ｂ）同断面図 （ｃ）同実施の形態における焦電型赤外線検出器の組立
状態を示す斜視図

【図２】（ａ）本発明の他の実施の形態における複数の
焦電薄膜を有する焦電素子を実装した例の焦電型赤外線
検出器の平面図 （ｂ）同等価回路図

【図３】（ａ）従来の焦電型赤外線検出器に用いる焦電
素子の表面の斜視図 （ｂ）同裏面の斜視図 （ｃ）従来の焦電型赤外線検出器の組立状態を示す断面
図 （ｄ）同等価回路図

【符号の説明】

１１ 基板 １２ 下部電極 １３ 焦電薄膜 １４ 層間絶縁膜 １５ 受光電極 １６ 空洞 １７ ＦＥＴ １８ チップ抵抗 １９ ワイヤ ２０ ステム ２１ ＧＮＤ電極 ２２ 共通電源電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第一の電極と焦電体と第二の電極を積層
   して形成された赤外線検出部と、一部に空洞を設けた面
   を上記赤外線検出部の第一の電極側に結合した少なくと
   も単結晶からなる基板により構成された焦電素子と、こ
   の焦電素子に接続された電解効果型トランジスタからな
   る焦電型赤外線検出器。
2. 【請求項２】 電解効果型トランジスタが焦電素子の引
   き出し電極上にベアチップの状態で直接マウントされた
   ものである請求項１記載の焦電型赤外線検出器。