JP2006317232A

JP2006317232A - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP2006317232A
Application number: JP2005138874A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nobe; 武野辺; Takuya Sunada; 卓也砂田; Hideo Nishikawa; 英男西川
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2006-11-24

Abstract

【課題】赤外線センサにおいて、赤外線感度の向上、低コスト化、小型化、高信頼性化を図る。
【解決手段】赤外線センサ１は、互いに略平行な第１及び第２の表面２ａ，２ｂを有するシリコン基板２と、シリコン基板２の第１の表面２ａ上に形成した赤外線を受けて出力変化する赤外線センシング部３と、赤外線センシング部３を囲んでその上部を覆うように形成した構造体４と、を備えている。赤外線センシング部３に対向するシリコン基板２の第１の表面２ａには熱絶縁のための空洞部５が形成されており、シリコン基板２の第２の表面２ｂ上には所定波長域の光を透過する光学フィルタＦが備えられている。赤外線センシング部３は、シリコン基板２の第２の表面２ｂ側から入射して光学フィルタＦとシリコン基板２を透過した赤外線ＩＲを受光して電気信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサに関する。

従来、赤外線センサは金属パッケージに実装されていたが、外部から赤外線を取り入れる開口と気密封止の構造の形成が高価となるので、図５に示すように、金属パッケージを用いないものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この赤外線センサは、例えばシリコン基板２と、シリコン基板２の一方の面に設けた熱絶縁用の空洞部５を橋渡しするブリッジ５ａ上に設けた赤外線センシング部３と、開口Ｍ１を有してシリコン基板２の他方の面に設けられたマスクＭと、赤外線センシング部３に対向する凹部９ａ及び赤外線センシング部３に電気接続される電極９ｂを有してシリコン基板２に接合された実装基板９とを備えている。

シリコン基板２と実装基板９は、その接合部６において、接着材による接着や陽極接合などによって接合され、赤外線センシング部３が空洞部５と凹部９ａによって外部に対して熱絶縁されると共に接合部６によって密封されている。赤外線センシング部３は、マスクＭの開口Ｍ１を通過してシリコン基板２を透過した赤外線ＩＲをセンシングする。
特開平４−１５３５号公報

しかしながら、上述した図５や特許文献１に示されるような赤外線センサにおいては、シリコン基板２を構成する基板材料であるシリコン（この他に、ゲルマニウム基板におけるゲルマニウムなど）を赤外線フィルタとして用いているので基板を薄くできなく、従って赤外線感度を向上できない。また、フィルタの特性が基板材料によって限定されるので、使用できる赤外線センシング部に制限があり、低コスト化できない。

本発明は、上記課題を解消するものであって、赤外線感度の向上、低コスト化、小型化を実現した信頼性の高い赤外線センサを提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、互いに略平行な第１及び第２の表面を有するシリコン基板と、前記シリコン基板の第１の表面上に形成した赤外線を受けて出力変化する少なくとも１つの赤外線センシング部と、前記赤外線センシング部を囲んでその上部を覆うように形成した構造体と、を備えた赤外線センサであって、前記赤外線センシング部に対向する前記シリコン基板の第１の表面には熱絶縁のための空洞部が形成されており、前記シリコン基板の第２の表面上に所定波長域の光を透過する光学フィルタを備え、前記赤外線センシング部は前記シリコン基板の第２の表面側から入射して前記光学フィルタと当該シリコン基板を透過した赤外線を受けるものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の赤外線センサにおいて、前記構造体はガラスから成り、シリコン基板と陽極接合されているものである。

請求項３の発明は、請求項２に記載の赤外線センサにおいて、前記赤外線センシング部は前記構造体とシリコン基板とによって密封され、その密封空間が真空のものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の赤外線センサにおいて、赤外線を通過させるための開口を有するリードフレームを備え、前記リードフレームは前記赤外線センシング部が前記開口を通して外部からの赤外線を受ける配置となるように前記シリコン基板の第２の表面に固定され、前記リードフレーム、シリコン基板、及び構造体が前記開口を残して樹脂モールドされているものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の赤外線センサにおいて、前記赤外線センシング部は赤外線吸収膜を備えているものである。

請求項１の発明によれば、第２の表面上に備えた光学フィルタによって赤外線のみを赤外線センシング部に入射させることができるので、赤外線専用の受光素子を用いることなく赤外線センシング部を形成でき、従って、赤外線センサを低コスト化できる。このような赤外線センシング部は、例えば、サーモパイル、サーミスタ、焦電素子などを用いて形成できる。また、シリコン基板のみを赤外線フィルタとして用いる従来の赤外線センサに比べて、赤外線を透過させるシリコン基板の厚みをより薄くすることができるので、シリコン基板による赤外線の吸収を抑制することができ、従って、赤外線センサの赤外線感度を向上できる。

また、光学フィルタとして多層薄膜を用いることによりその光学特性を容易に変更できるので、光学フィルタを透過する波長域、従って、赤外線センサがセンシングする波長域を容易に変更でき、従来のようなシリコン基板だけを赤外線フィルタとして用いる赤外線センサに比べて、目的の波長光に対する感度をより選択的に容易に向上させることができる。また、赤外線センシング部を複数設けることにより、１つ又は複数の赤外線センサによって赤外線画像を得る画像センサを形成できる。このような赤外線センサを用いて、例えば、人の存在位置検出を高精度に行う装置をより安価に構成できる。

請求項２の発明によれば、陽極接合によって容易に信頼性の高い気密性のある構造を形成できるので、赤外線センシング部に対する外部からの異物の浸入や、外部雰囲気による暴露を確実に防止でき、長期信頼性を確保できる。

請求項３の発明によれば、赤外線センシング部が真空中に置かれることにより、赤外線センシング部の熱絶縁をより確実にできるので、赤外線センサの感度を向上できる。

請求項４の発明によれば、真空封止された赤外線センサを、高価な金属パッケージなどを用いることなく、リードフレームに固定して樹脂モールドするので、低コスト化、小型化された取扱簡便な赤外線センサが得られる。

請求項５の発明によれば、赤外線吸収膜がない場合に赤外線センシング部を透過していた赤外線を赤外線吸収膜により吸収し、その発熱などに基づいて赤外線センシング部に赤外線をセンシングさせることができるので、赤外線センサの感度を向上できる。なお、赤外線吸収膜を赤外線センシング部の透過赤外線出射面側（シリコン基板の第２の表面に対向する面が赤外線入射面側）に設ける配置とすることにより、赤外線吸収膜が赤外線センシング部による赤外線センシングを妨げることなく赤外線センシング部を透過した後の赤外線を吸収することにより赤外線センサの感度を向上できる。この場合、赤外線吸収膜は赤外線センシング部に近い面から温められるので、赤外線吸収膜の厚みによる熱容量の影響を少なくできる。

以下、本発明の一実施形態に係る赤外線センサについて、図面を参照して説明する。図１は、本発明の赤外線センサ１を示す。赤外線センサ１は、互いに略平行な第１及び第２の表面２ａ，２ｂを有するシリコン基板２と、シリコン基板２の第１の表面２ａ上に形成した赤外線を受けて出力変化する赤外線センシング部３と、赤外線センシング部３を囲んでその上部を覆うように形成した構造体４と、を備えている。また、赤外線センシング部３に対向するシリコン基板２の第１の表面２ａには熱絶縁のための空洞部５が形成されており、シリコン基板２の第２の表面２ｂ上には所定波長域の光を透過する光学フィルタＦが備えられている。赤外線センシング部３は、シリコン基板２の第２の表面２ｂ側から入射して光学フィルタＦとシリコン基板２を透過した赤外線ＩＲを受光して電気信号を出力する。

構造体４は、赤外線センシング部３に対向する側に凹部を有し、その凹部の内部に赤外線センシング部３と接触することなく赤外線センシング部３を内蔵すると共に、シリコン基板２の第１の表面２ａとの接合部６においてシリコン基板２と接合されている。従って、赤外線センシング部３は、シリコン基板２の空洞部５と構造体４の凹部とによる空間によって熱絶縁して密封されている。

上述の構造体４は、例えばガラスにより形成することができる。この場合、ガラスから成る構造体４とシリコン基板２とは、その接合部６を、いわゆる陽極接合によって形成することができる。また、陽極接合の工程を真空中において行うことにより、シリコン基板２と構造体４とによって形成された空間、すなわち、赤外線センシング部３を取り囲む空間を真空とした真空封止を行うことができる。陽極接合によって容易に信頼性の高い気密性のある構造を形成できるので、赤外線センシング部３に対する外部からの異物の浸入や、外部雰囲気による暴露を確実に防止でき、赤外線センサ１は長期信頼性を有する低コストのものとなっている。また、赤外線センシング部３が真空中に置かれることにより、赤外線センシング部３の熱絶縁をより確実にできるので、赤外線センサ１は高感度となっている。

上述のような構成の赤外線センサ１は、第２の表面２ｂ上に備えた光学フィルタＦによって赤外線ＩＲのみを赤外線センシング部３に入射させることができるので、赤外線専用の受光素子を用いることなく赤外線センシング部３を形成でき、従って、赤外線センサ１を低コスト化できる。赤外線センシング部３は、例えば、サーモパイル、サーミスタ、焦電素子などを用いて形成できる。また、シリコン基板２のみを赤外線フィルタとして用いる従来の赤外線センサに比べて、赤外線ＩＲを透過させるシリコン基板の厚みをより薄くできるので、シリコン基板２による赤外線ＩＲの吸収を抑制することができ、従って、赤外線センサ１の赤外線感度を向上できる。

また、光学フィルタＦとして多層薄膜を用いることによりその光学特性を容易に変更できるので、光学フィルタＦを透過する波長域、従って、赤外線センサ１がセンシングする波長域を容易に変更でき、従来のようなシリコン基板２だけを赤外線フィルタとして用いる赤外線センサに比べて、この赤外線センサ１は、目的の波長光に対する感度を選択的に容易に向上できる。

図２は、樹脂モールドした赤外線センサ１を示す。この赤外線センサ１は、赤外線ＩＲを通過させるための開口７ａを有するリードフレーム７を備えて樹脂８によって樹脂モールドされている。すなわち、リードフレーム７は、不図示の配線パターンによって赤外線センシング部３に電気接続されると共に、赤外線センシング部３が開口７ａを通して外部からの赤外線ＩＲを受ける配置となるようにシリコン基板２の第２の表面２ｂに固定されている。また、リードフレーム７、シリコン基板２、及び構造体４が開口７ａを残して樹脂８によって樹脂モールドされている。真空封止した赤外線センサ１を、高価な金属パッケージなどを用いることなく、リードフレーム７に固定して樹脂モールドするので、低コスト化、小型化された取扱簡便な赤外線センサ１が得られる。

図３は、赤外線センシング部３に赤外線吸収膜３ａを備えた赤外線センサ１を示す。赤外線吸収膜がない場合（例えば図１参照）に赤外線センシング部３を透過していた赤外線ＩＲを、赤外線センシング部３の透過赤外線の出射面側（シリコン基板２の第２の表面２ｂに対向する面が赤外線の入射面側）に設けた赤外線吸収膜３ａにより吸収し、その発熱などに基づいて赤外線センシング部３に赤外線ＩＲをより確実にセンシングさせることができる。これにより、赤外線センサ１の感度を向上できる。なお、赤外線吸収膜３ａは、赤外線センシング部３の入射面側に配置することもできるが、図３に示すように、出射面側に配置するのが好ましい。この構造によると、赤外線吸収膜３ａは、赤外線センシング部３による赤外線センシングを妨げることがなく、赤外線センシング部３を透過した後の赤外線ＩＲを吸収して赤外線センサ１の感度を向上できる。この場合、赤外線吸収膜は赤外線センシング部に近い面から温められるので、赤外線吸収膜の厚みによる熱容量の影響を少なくできる。

図４は、複数の赤外線センシング部３と空洞部５を備えた赤外線センサ１を示す。このように、１つの赤外線センサ１に赤外線センシング部３を複数、又は多数設けることにより、１つ又は複数の赤外線センサ１によって赤外線画像を得る画像センサを形成できる。このような赤外線センサ１を用いて、例えば、人の存在位置検出を高精度に行う装置をより安価に構成できる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。上述の図１乃至図４において赤外線センシング部３を平板形状に示しているが、他の形状としてブリッジやカンチレバーなどの構造物を形成し、その構造物の上に赤外線センシング部３を形成することができる。これにより、熱絶縁された高感度の赤外線センサ１を形成できる。また、赤外線センシング部３から外部の空間に電気信号を出力する構造は、シリコン基板２をその第１の表面２ａから第２の表面２ｂに貫通するＶＩＡや、シリコン基板２の表面に沿って接合部６を通過して外部に導出する配線パターンを用いて形成することができる。

本発明の一実施形態に係る赤外線センサの断面図。同上赤外線センサを樹脂モールドした状態の断面図。同上赤外線センサの他の例を示す断面図。同上赤外線センサのさらに他の例を示す断面図。従来の赤外線センサの断面図。

符号の説明

１赤外線センサ
２シリコン基板
２ａ第１の表面
２ｂ第２の表面
３赤外線センシング部
３ａ赤外線吸収膜
４構造体
５空洞部
６接合部
７リードフレーム
７ａ開口
８樹脂
Ｆ光学フィルタ
ＩＲ赤外線

Claims

互いに略平行な第１及び第２の表面を有するシリコン基板と、
前記シリコン基板の第１の表面上に形成した赤外線を受けて出力変化する少なくとも１つの赤外線センシング部と、
前記赤外線センシング部を囲んでその上部を覆うように形成した構造体と、を備えた赤外線センサであって、
前記赤外線センシング部に対向する前記シリコン基板の第１の表面には熱絶縁のための空洞部が形成されており、前記シリコン基板の第２の表面上に所定波長域の光を透過する光学フィルタを備え、前記赤外線センシング部は前記シリコン基板の第２の表面側から入射して前記光学フィルタと当該シリコン基板を透過した赤外線を受けることを特徴とする赤外線センサ。
前記構造体はガラスから成り、シリコン基板と陽極接合されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
前記赤外線センシング部は前記構造体とシリコン基板とによって密封され、その密封空間が真空であることを特徴とする請求項２に記載の赤外線センサ。
赤外線を通過させるための開口を有するリードフレームを備え、前記リードフレームは前記赤外線センシング部が前記開口を通して外部からの赤外線を受ける配置となるように前記シリコン基板の第２の表面に固定され、前記リードフレーム、シリコン基板、及び構造体が前記開口を残して樹脂モールドされていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の赤外線センサ。
前記赤外線センシング部は赤外線吸収膜を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の赤外線センサ。