JP5122866B2 - 赤外線センサー - Google Patents

Description

本発明は、基材状に熱型赤外線検知要素を配した赤外線センサーに関するものである。

特許文献１は、熱型赤外線検知要素と半導体デバイスとで構成される赤外線センサーを開示しており、これらは半導体基材の上面で横に並んで配置されている。熱型赤外線検知要素は半導体基材の上面に形成されたセンサー台座へ保持され、センサー台座から基材の残りの部分に延出するビームによって支持されている。センサー台座とビームとは基材の上面の一部によって構成され、多孔質構造に変質されることで赤外線検知要素を基材の残りの部分から熱的に絶縁している。即ち、センサー台座とビームとは、半導体基材の上面に形成したドープ領域の上部を陽極処理することで多孔質体に形成されている。このように、先行技術は半導体基材を上手く利用して基材の上表面内にセンサー台座を実現している。しかしながら、センサー台座は基材の上表面内に限定されているため、半導体デバイスを半導体基材内でセンサー台座や検知要素の直下方に形成することは、実質的に不可能である。特に、多孔質のビームは半導体基材の上表面内でのみ延出しているため、センサー台座を基材の上面から上方に持ち上げることができない。

特許文献２は別の先行技術を開示しており、ここではセンサー台座は基材から離間して支持されて赤外線検知要素を実装することで検知要素が基材から十分に熱絶縁されている。この場合、センサー台座から斜め外下方に延出して基材上に達するビームによってセンサー台座が支持される。ビームやセンサー台座はシリコン酸化物やシリコン窒化物によって形成されており、センサー台座や検知要素を基材の上面に離間した状態で指示するのに十分な強度があると考えられる。弛緩しながら、斜めになったビームを使用する上の支持構造は、赤外線検知要素を所定の高さに正確に保持することには適していないと認められる。高さ位置に関して正確な位置決めを行うことは、特に、複数の検知要素を２次元配列で配置する場合、重要である。文献１に見られるように、ビームやセンサー台座を多孔質材料として高い熱断熱を行う場合、斜めのビームを使用した支持構造では検知要素を安定に支持することが難しく、特許文献１や特許文献２から導くことができない独特の設計が必要とされる。
米国特許第６、３５９、２７６号公報 特開２０００−９７７６５号公報

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、基材の上面で赤外線検知要素を離間して保持するために、多孔質材料を使用することを可能としながらも、赤外線検知要素を所定の高さで正確に安定して保持することができる有用な構造を備えた赤外線センサーを実現するものである。

請求項１の発明に係る赤外線センサーは、基材、基材上に保持されるセンサーユニットを備える。センサーユニットは、熱型赤外線検知要素、この検知要素を実装するセンサー台座、センサー台座から一体に延出してセンサー台座を基材の上表面から上方に離間させて支持する一対のビーム、及び基材の上表面に形成した端子ランドを備える。センサー台座とビームは多孔質材料で形成されて熱型赤外線検知要素を基材から十分に熱絶縁する。検知要素は一対のリードを有し、各リードは対応する各ビームの上に支持され、このビームに沿って延出して対応する各端子ランドに電気接続される。

リードは、センサー台座と同一平面内で基材の上面に離間した状態で延出するビームに保持される。センサーユニットは、更に、各端子ランドからそれぞれ上方へ突出するアンカー突起を備え、各アンカー突起はその上端で検知要素における対応する各リードの先端に結合される。このため、検知要素はセンサー台座と共に、アンカー突起によって基材に支持され、基材上に離間した形で保持され、この状態で、検知要素が基材上の端子ランドへアンカー突起を介して電気接続される。このような構成のため、アンカー突起はリード、従って検知要素を支持することになり、検知要素を基材上面の一定の高さに保持することになる。更に、各アンカー突起の上端は対応するビームに埋め込まれてビームで包囲される。このため、多孔質材料であるビームは対応するアンカー突起と確実に結合して、センサー台座がアンカー突起に結合されて検知要素をバックアップする。従って、赤外線検知要素が多孔質材料のセンサー台座やビームによって確実にバックアップされた状態で、赤外線検知要素が所定の高さへ正確に維持されることができて、基材の上面との間に高い熱絶縁性能が得られる。また、アンカー突起はその上下長さに沿って酸化シリコン、酸化シリコン系有機ポリマー、酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択された多孔質材料のスリーブで包囲されることで、アンカー突起の周りでも熱絶縁が行える。このスリーブはまたビームの一端を支持するために役立つ。

請求項２の発明では、各リードが対応する各ビーム上に蒸着により形成されている。この場合、各アンカー突起の上端は対応するビームの端部に形成した穴に収められると共に、各アンカー突起の上端に形成したフランジが穴の周りのビームに重複して対応するリードに結合する。このフランジはアンカー突起とビームとの間に大きな接触面積を与えることで、多孔質材料のビームとアンカー突起との分子間接合力を高め、ビーム及びセンサー台座を基材の上面の上方の一定高さに保持することができる。

請求項３の発明では、各リードとこれに対応するアンカー突起が共通の電気導電性材料で形成されて互いに連続するものであり、リードとアンカー突起とが単一の過程で形成することができる。

請求項４や５の発明では、リードとアンカー突起とは別々の工程で形成されて、各アンカー突起のフランジの一部が対応するリードに重複してここで結合する。この場合、アンカー突起はリードよりも大きい一様な厚みを有することが好ましい。この構成によれば、アンカー突起には赤外線検知要素及びセンサー台座を支持するのに十分な機械的強度が与えられる一方、リードは薄くして赤外線検知要素の感度を上げることができる。

請求項６の発明では、スリーブは上記のビームの一部として一体に形成されることが製造上好ましい。

請求項７の発明では、センサー台座は、酸化シリコン、酸化シリコン系有機ポリマー、酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択された多孔質材料で成形され、熱赤外線検知要素の熱絶縁が効果的に行える。

請求項８の発明では、複数のセンサーユニットのアレイが共通の基材上に配置される。この場合、各ユニットの検知要素が、基材の上表面から一定の高さに維持され、各センサーユニットからむらのない調和した出力を取り出すことができる。

請求項９の発明では、基材に結合されて両者の間に気密空間を形成する封止キャップが備えられ、この気密空間内に上記のセンサーユニットが収容され、上記封止キャップには、入射赤外線を上記熱型赤外線検知要素に通過させる窓が設けられる。

請求項１０の発明では、気密空間が減圧されて赤外線検知要素と基材との間の熱絶縁を高めている。
請求項１１や１２の発明では、複数の光学レンズが配列されたレンズアレイが上記窓に備えられて、入射赤外線をセンサーユニットの何れかの熱型赤外線検知要素に収束させており、各センサーユニットへ広い範囲から効果的に赤外線を集めることができる。この場合、レンズアレイは封止キャップと一体に成型されて封止キャップの一部を構成することが、部品点数を削減する上で好ましい。
請求項１３の発明では、レンズアレイはセンサーユニットに対向する封止キャップの表面で上記の窓に積層され、レンズアレイの屈折率が窓の屈折率よりも小さくされている。従って、入射する赤外線は検知要素に向かうに従って屈折率が低くなる媒体を介して進むため、窓と外部雰囲気との界面、窓とレンズの界面、レンズの気密空間内の媒質との界面でそれぞれ生じる反射の全体損失を低減することができ、赤外線検知要素で受光する赤外線の量を増大させて感度を高めることができる。

赤外線検知要素が多孔質材料のセンサー台座やビームによって確実にバックアップされた状態で、赤外線検知要素が所定の高さへ正確に維持されることができて、基材の上面との間に高い熱絶縁性能を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサーを図１〜図６に示す。図４〜６に示すように、本発明の赤外線センサーは複数のセンサーユニット１００を備え、このセンサーユニットが２次元アレイに配置して熱画像センサーを構成しているが、本発明はこれのみに限定されない。センサーユニット１００は単一の半導体基材１０上に共通して形成され、基材１０とこれに結合する封止キャップ２００との間にできる気密空間に収容される。この気密空間は減圧されて周囲から熱的に隔離される。封止キャップ２００はシリコンで形成され、赤外線を透過する窓２０２を有して赤外線をセンサーユニット１００へ導く。窓２０２には複数の凸レンズ２０４を備えるレンズアレイが一体に形成され、各凸レンズ２０４は各センサーユニット１００に対応して赤外線を集光する。

図１と図２に示すように、各センサーユニット１００は半導体基材１０の上表面内に形成した半導体装置２０と、この半導体装置２０と離間した形で基材１０に支持された熱型赤外線検知要素３０とを備える。半導体デバイス２０は赤外線検知要素３０に電気的に接続されて外部の処理回路へセンサー出力を与え、ここで、温度測定や赤外線を放射する物体の存在判定を行うために、センサー出力が赤外線検知要素３０で受光した赤外線の量について分析される。

半導体デバイス２０は、例えば、ＭＯＳＦＥＴトランジスタであり、トリガー信号を受けてオンオフすることでセンサー出力を与える。このトランジスタは公知技術により基材１０の上表面内に形成され、ドレイン２２とソース２３を有するドープ領域２１、ゲート２４、ドレイン電極２５、ソース電極２６、及びゲート電極２８を備える。これらの電極は基材１０の上面に露出する端子パッドに電気的に接続される。以後、「トランジスタ」なる語句が半導体デバイス２０を示すものとして使用するが、本発明は図示するような単一のトランジスタを使用することに限定されない。基材１０の上面の略全面に亘って、例えば、ＳｉＯ₂やＳｉＮの絶縁層１２が形成されてトランジスタ２０をその背面側に覆い隠す。トランジスタ２０が基材上面の電極に接続される場合は、この絶縁層１２は電極を除く部分の基材上面の全面を覆うように形成される。

図１と図２に示すように、各センサーユニット１００は、検知要素３０を保持するセンサー台座４０、センサー台座４０の対向両辺からこれと同一平面内で一体に延出してセンサー台座を基材に支持する一対の水平ビーム４２、基材１０の上表面に形成された一対の端子ランド５０を備える。熱型赤外線検知要素３０は、センサー台座４０上に蒸着されたチタンのような金属でパターン状の帯片に形成され、入射赤外線の量即ち強度に比例して変化する電気抵抗値を与え、ビーム４０の上でこれに沿って延出して各端子ランド５０に電気接続される一対の導体即ち、リード３２を備える。センサー台座４０及びビーム４２は多孔質材料で形成されて、赤外線検知要素３０を基材１０及びトランジスタ２０から効果的に熱的に隔離する。本実施形態で使用される多孔質材料は多孔質シリカ（ＳｉＯ₂）であるが、酸化シリコン系有機ポリマーや酸化シリコン系無機ポリマーを使用しても良い。

各端子ランド５０にはアンカー突起５２が形成され、アンカー突起は上方に突出して対応するビーム４２の先端を保持することで、センサー台座４０を基材１０の上表面の上方の高さ位置に配置して、検知要素を基材１０の上表面の上方で、トランジスタ２０の直上方に、離間させた状態に維持する。アンカー突起５２は検知要素３０と同一の材料で形成されその上端でリード３２に結合する。図７と図８に示されるように、アンカー突起５２は中空筒形状となりその上端が、対応するビーム４２の端部に形成された穴４４に収められる。アンカー突起４２の上端に形成したフランジ５４は穴４４の周りのビーム４２に重複し、周部の一箇所がビーム４２上を走るリード３２の端部に結合している。基材１０上で垂直なアンカー突起５２にリード３２が一体化されているため、赤外線検知要素３０が基材１０へリード３２とアンカー突起５２とで支持され、アンカー突起５２の長さと正確に対応する高さで基材１０の上表面と離間した位置に維持される。後述するように、検知要素３０及びリード３２はそれぞれセンサー台座４０及びビーム４２の上に蒸着されて、分子間接合力を作り出し、これによってセンサー台座４０及びビーム４２をそれぞれ検知要素３０及びリード３２へ固定する。この結果、センサー台座４０及びビーム４２は、検知要素３０やアンカー突起５２に結合するリード３２によって保持され、従って、アンカー突起５２によって基材１０に支持される。アンカー突起５２がビーム４２の端部の穴４４内に合致しているため、ビーム４２の端部はアンカー突起５２の上端全周を包囲し、その結果、穴４４の周りの分子間接合力によりアンカー突起の上端へ結合されて、ビーム４２及びセンサー台座４０とアンカー突起５２即ち基材１０へ確実に支持する。更に、フランジ５４はビーム４２との間に穴４４の全周に亘る大きな接合面積を与えるため、ここでの分子間接合力が付加されてビーム４２をアンカー突起５２へ安定支持している。

端子ランド５０には、図３に示されるように、基準電圧源Ｖｒｅｆとトランジスタ２０のソース電極２６とに接続されるパッド５５、５７が設けられる。ゲート電極（図２には表示されない）は埋め込みライン２７を介して端子パッド２８に接続されてトランジスタ２０のオンオフを制御する外部回路に接続される。ドレイン電極２５は埋め込みライン２９を介して端子パッド１６に接続され、対象物体からの赤外線検出のための外部回路にセンサー出力を与える。

アルミニウムのような金属でできた赤外線反射体１７が絶縁上層１２の上に形成され、赤外線検知要素３０を通過する赤外線をここへ戻すように反射させて感度を高めている。赤外線検知要素３０と反射体１７との距離はｄ＝λ／４とされる（λは対象物体からの赤外線の波長）。この赤外線センサーを人体検出として使用する場合は、人体からの赤外線の波長（λ）が１０μｍであることから、この距離は２．５μｍと設定される。

多孔質材料の多孔度は、好ましくは、４０％〜８０％とされて、十分な機械的強度と良好な熱絶縁効果を与える。

尚、多孔質シリカ（ＳｉＯ₂）は優れた熱絶縁効果を有し、ビーム４２から基材への熱コンダクタンスを最小としながらも、センサー台座４０の熱容量を最小として、赤外線センサーの感度を向上させる。

上述した構成のセンサーユニットは、図９（Ａ）〜（Ｈ）に示す過程を経て製造される。半導体基材１０の上面にトランジスタ２０を形成した後に、熱酸化によってＳｉＯ₂の絶縁上層１２を形成して、図４（Ａ）に示すように、半導体基材１０の上面全体を被覆する。もしくは、ＳｉＮの絶縁上層１２をＣＶＤ法によって形成する。次いで、アルミニウム層をスパッタリングによって絶縁上層１２に形成した後に、これを選択的にエッチング除去して、図９（Ｂ）に示すように、絶縁上層１２の上に端子ランド５０と赤外線反射体１７を形成する。その後、図９（Ｃ）に示すように、適宜のレジスト材料の犠牲層６０をスピンコート法で絶縁上層１２の上に塗布する。犠牲層６０は、この他、ポリイミドをスピンコート法で形成したり、金属の蒸着で形成したり、或いは、ＣＶＤ法でポリシリコンを形成することができる。次に、図９（Ｄ）に示すように、多孔質シリカ（ＳｉＯ₂）の溶液を犠牲層６０の上にスピンコート法で塗布して多孔質層７０を形成する。その後、多孔質層７０を適宜のレジストでマスクして選択的にエッチング除去することで、図９（Ｅ）に示すように、センサー台座４０とビーム４２を形成すると共に、多孔質層７０と犠牲層６０とを通過して端子ランド５０に至る透孔７２を形成する。この透孔７２はリソグラフィー、ドライエッチング、ウェットエッチングによって形成される。次いで、チタンの電気導体層８０がスパッタリングによって、図９（Ｆ）に示すように、センサー台座４０、ビーム４２、透孔７２に蒸着された後、窒化チタンからなる保護層がスパッタリングによって被覆される。その後、導体層８０及び保護層が選択的にエッチング除去されて、センサー台座４０に赤外線検知要素３０のパターン化された帯片を、ビーム４２の上にリード３２を形成すると共に、各透孔７２にアンカー突起５２をフランジ５４と共に形成して、図９（Ｇ）に示すように、検知要素３０と端子ランド５０との電気接続を完成させる。このようにして、アンカー突起５２がリード３２及び検知要素３０と一体に連続し、これらの部材は単一の構造体に結合される。最後に、犠牲層６０をエッチング除去して、図９（Ｈ）に示すように、センサーユニットを得る。

検知要素３０、リード３２、アンカー突起５２を形成する導電材料はチタンやクロムが使用され、窒化チタンや金で被覆される。単一の構造体である検知要素３０、リード３２、アンカー突起５２は０．０５μｍ〜０．５μｍ程度の均一な厚みを有することが望ましい。

図１０及び図１１は、上述の実施形態の一変更態様を示し、アンカー突起５２がリード３２と別体に形成されてこれに結合することを除いて上述の実施形態と同一である。この変更態様は、検知素子３０やセンサー台座４０をアンカー突起５２へ安定に支持しながらも、リード３２及び検知素子３０の厚さを小さくして入射赤外線に対する感度を高める場合に有用である。例えば、検知素子３０及びリード３２の厚さは０．２μｍとし、アンカー突起５２を０．２μｍ以上の厚さとする。この変更態様では、リード３２の端部はフランジ５４の一部に重複する形で結合されることで、検知素子３０がアンカー突起５２に支持される。

図１２（Ａ）〜図１２（Ｈ）は、この変更態様のセンサーユニットを製造する過程を示す。図１２（Ａ）に示すように、上表面内にトランジスタ２０が形成された機材０の絶縁上層１２の上に端子ランド５０や赤外線反射体１７を形成した後、図１２（Ｂ）に示すように、適宜のレジスト材料の犠牲層６０がスピンコート法によって絶縁上層１２の上面全面に塗布される。次いで、図１２（Ｃ）に示すように、多孔質シリカ（ＳｉＯ₂）の溶液を犠牲層６０の上にスピンコート法で塗布して多孔質層７０を形成する。その後、多孔質層７０を適宜のレジストでマスクして選択的にエッチング除去することで、図１２（Ｄ）に示すように、センサー台座４０とビーム４２を形成すると共に、多孔質層７０と犠牲層６０とを通過して端子ランド５０に至る透孔７２を形成する。次いで、図１２（Ｅ）に示すように、チタンやクロムの電気導体層８０がスパッタリングによって、センサー台座４０やビーム４２の上に蒸着されてから、窒化チタンや金の保護膜がスパッタリングによって被覆される。この後、図１２（Ｆ）に示すように、導体層８０及び保護膜が選択的にエッチング除去されて、センサー台座４０に赤外線検知要素３０のパターン化された帯片を、ビーム４２の上にリード３２を形成する。チタンやクロムの電気導電材料をスパッタリングによって透孔７２及びリード３２の端部へ部分的に、検知素子３０やリード３２よりも大きな厚さで蒸着した後、この材料を選択的にエッチング除去して、図１２（Ｇ）に示すように、アンカー突起５２を形成する。この過程において、アンカー突起５２がそのフランジ５４部分でリード３２に結合することで、検知素子３０、リード３２、センサー台座４０、ビーム４２がアンカー突起５２に支持される。最後に、犠牲層６０をエッチング除去して、図１２（Ｈ）に示すように、センサーユニットを得る。

図１３〜図１５は、本発明の第２の実施形態に係るセンサーユニットを示し、熱型赤外線検知素子３０Ａの構造を除いて、第１の実施形態と同一である。同様の部材については、同様の番号の末尾に「Ａ」を付して示し、重複した説明は割愛する。

熱型赤外線検知素子３０Ａは、アモルファスシリコンの抵抗層１３０を下部電極１３１と上部電極１３２との間に配置して構成され、電極はそれぞれリード３２Ａを介して端子ランド５０Ａに接続される。この抵抗層１３０は、上下の電極間において入射赤外線の量の変化に応じて変化する抵抗を示す。この赤外線検知素子３０Ａはセンサー台座４０Ａに載置され、センサー台座４０Ａと共にアンカー突起５２Ａに支持される。アンカー突起５２Ａは端子ランド５０Ａ上に蒸着されてここから上方に突出し、その上端に形成されるフランジ５４Ａがそれぞれ上下の電極１３１、１３２から延出するリード３２Ａと一体に結合する。このため、リード３２Ａを含む検知素子３０Ａ全体がアンカー突起５２Ａと一体となって、基材１０Ａの上に離間した形で支持される。一対のビーム４２Ａが多孔質材料のセンサー台座４０から一体に延出してその上にリード３２Ａを保持することで、検知素子３０Ａ及びリード３２Ａが基材から熱的に絶縁される。各アンカー突起５２Ａは、図１５に示すように、ビーム４２Ａと一体のスリーブ４６によって包囲される。ビーム４２Ａとスリーブ４６はそれぞれリード３２Ａとアンカー突起５２Ａへ分子間力によって接合されることで、アンカー突起５２Ａを介して基材１０Ａへ支持される。上部電極１３２の上には赤外線吸収体１３４が蒸着されて赤外線を効率的に集める。この赤外線吸収体１３４はＳｉＯＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂または金黒で形成される。

センサーユニットを製造する過程を図１６（Ａ）から図１６（Ｋ）を参照して説明する。単結晶シリコンの半導体基材１０Ａ上にトランジスタ２０Ａを形成した後に、図１６（Ａ）に示すように、熱酸化によって形成するＳｉＯ₂の絶縁上層１２Ａで半導体基材１０Ａの上面全体を被覆する。次いで、スパッタリングによってアルミニウム層を絶縁上層１２Ａに被覆して、これを選択的にエッチング除去して、図１６（Ｂ）に示すように、絶縁上層１２Ａ上に、端子ランド５０Ａ、及び赤外線反射体１７Ａを残す。その後、図１６（Ｃ）に示すように、適宜のレジスト材料の犠牲層６０Ａがスピンコート法にて絶縁上層１２Ａの全面に塗布され、犠牲層６０Ａの一部をエッチング除去することで、図１６（Ｄ）に示すように、各端子ランド５０Ａを露出させる透孔６２Ａを形成する。次いで、犠牲層６０Ａの上面全体へ多孔質シリカ（ＳｉＯ₂）をスピンコート法で塗布して、犠牲層の上から透孔６２Ａ内に至る多孔質層７０Ａを形成した後、図１６（Ｅ）に示すように、一方の透孔６２Ａ内の一部の多孔質材料を部分的にエッチング除去して、端子ランド５０Ａに至る通孔７２Ａを形成する。

次に、多孔質層７０Ａの上及び通孔７２Ａ内にクロムをスパッタリングで蒸着させた後に、一部をエッチング除去して、図１６（Ｆ）に示すように、多孔質層７０Ａの上に、下部電極１３１とこれに対応するリード３２Ａを形成すると同時に、多孔質材料のスリーブ４６で包囲されたアンカー突起５２Ａを形成する。その後、アモルファスシリコンをＣＶＤ法によって下部電極１３１を介して多孔質層７０Ａの上に蒸着させ、これを選択的にエッチング除去して、図１６（Ｇ）に示すように、下部電極１３１上に抵抗層１３０を形成する。その後、残りの透孔６２Ａ内に延出している多孔質層７０Ａを選択的にエッチング除去して、図１６（Ｈ）に示すように、別の通孔７２Ａが対応する端子ランド５０Ａを露出させるようにして形成される。次いで、多孔質層７０Ａ及び抵抗層１３０の上にクロムを蒸着させた後に、その一部を選択的にエッチング除去して、図１６（Ｉ）に示すように、上部電極１３２及びこの上部電極から延出するリード３２Ａを形成する。この過程で、クロムが通孔７２Ａ内に蒸着されてアンカー突起５２Ａが形成され、このアンカー突起はリード３２Ａを対応する端子ランド５０Ａに結合する。このようにして、検知素子３０Ａのリード３２Ａはアンカー突起５２Ａと一体となり、検知素子３０Ａをアンカー突起５２Ａによって基材１０Ａに支持する。次に、多孔質層７０Ａへ、上部電極１３２や対応するリード３２Ａを介して、ＳｉＯＮの層を蒸着した後、エッチング除去して、図１６（Ｊ）に示すように、上部電極１３２上に赤外線吸収体１３４を形成する。多孔質層７０Ａを適宜のレジストでマスクして選択的にエッチング除去することで、センサー台座４０Ａとビーム４２Ａを形成した後、犠牲層６０Ａをエッチング除去して、図１６（Ｋ）に示すセンサーユニットが得られる。

上述の実施形態では、多孔質層及びこれに対応した部材は多孔質シリカで形成されているが、本発明は他の多孔質材料を使用することが可能であり、例えばメチル含有ポリシロキサンのようなシロキサン系有機ポリマーや、ＳｉＨ含有シロキサンのようなシロキサン系無機ポリマーや、シリカエアロゲルが使用できる。

更に、多孔質材料は、中空微粒子とマトリクス形成材料とからなる多孔質マトリクス組成物であってもよい。中空微粒子とは、外殻によって包囲された空洞部を有する粒子であり、外殻としては金属酸化物やシリカが好ましい。この中空微粒子は、日本特許公開公報２００１−２３３６１１号公報に開示されたものや市販のものから選択される。特に、外殻としては、ＳｉＯ₂、ＳｉＯ_x、ＴｉＯ₂、ＴｉＯ_x、ＳｎＯ₂、ＣｅＯ₂、Ｓｂ₂Ｏ₅、ＩＴＯ、ＡＴＯ、Ａｌ₂Ｏ₃の単独材料またはこれらの材料のいずれかの組み合わせの混合物から選択される。多孔質マトリックス組成物は、基材上に塗布されて乾燥した後に、低熱伝導率で低比熱の多孔質層を形成する。この多孔質層内では、中空微粒子がフィラーとして分散してマトリックス内に捕捉される。マトリックス形成材料は、シロキサン結合を有する第1タイプのシリコン化合物、若しくは、膜や層を形成する際にシロキサン結合をもたらす第２タイプのシリコン化合物が含められる。第２タイプのシリコン化合物はシロキサン結合を有していてもよい。第１タイプ及び第２タイプのシリコン化合物としては、有機シリコン化合物、ハロゲン化シリコン化合物（例えば、塩化シリコンやフッ化シリコン）、或いは、有機基とハロゲンを含有する有機ハロゲン化シリコン化合物が挙げられる。

図１７〜図１９は、本発明で使用されるレンズアレイについての種々の構成を示す。各センサーユニット１００は、赤外線センサーの一画素を構成する単位正方形内に配置される。これに対応して、レンズアレイの各レンズ２０４は、図１７に示すように、単位正方形に一辺よりも短い直径の円形凸レンズとしたり、図１８に示すように、この一辺に等しい円形凸レンズとしたり、或いは、図１９に示すように、単位正方形の全体をカバーする平面視が正方形の凸レンズすることができる。

図２０は、上述の実施形態の変更態様を示すもので、封止キャップ２００の窓２０２に、センサーユニット１００と対向する面で、別体の凸レンズ２０４のアレイを付加しており、これらのレンズの屈折率を窓２０２即ち封止キャップ２００の屈折率よりも小さくしている。例えば、封止キャップ２００を屈折率が３．４のＳｉで形成し、レンズ２０４を屈折率が１．５のＳｉＯ₂で形成する。このような構成により、赤外線が窓及びレンズを通して検知素子３０に進む間に、異なる媒体の間の個々の界面で生じるそれぞれの反射の総量を低減させて、封止キャップ２００を通過する赤外線の透過率を向上させることに有効である。封止キャップ２００は他の材料、例えば、Ｇｅ、ＩｎＰ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣｄＳｅのような材料で成形することができ、レンズは封止キャップより小さな屈折率を有する適宜の材料からえることができる。また、窓２０２には、レンズと反対側の外面で、封止キャップよりも小さな屈折率を有する透過膜を被覆して、赤外線の透過率を更に高めることができる。

上述の実施形態では、入射赤外線の量や変化率に応じて変化する電気抵抗値を示す赤外線センサを使用した例を示しているが、赤外線の入射量の変化に応じて、誘電率が変化するタイプのものや、熱起電力を発生するサーモパイル型や、電圧差を発生する焦電型のものが使用できる。
更に、上述の実施形態では、本発明の赤外線センサーは複数のセンサーユニットを使用したことを示しているが、本発明はこの特定の構成に限定されるものではなく、単一のセンサーユニットを使用することをも包含するものである。また、図示の実施形態では、基材に半導体デバイスを備えたことを示したが、本発明は半導体デバイスを含まない他の変更態様を包含するものと解釈すべきである。

本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサーに使用されるセンサーユニットの斜視図。 図１中の２−２線断面図。 同上のセンサーユニットの回路図。 同上の赤外線センサーの斜視図。 同上の赤外線センサーの断面図。 同上の赤外線センサーの分解斜視図。 同上のセンサーユニットの一部の拡大斜視図。 図７中の８−８線断面図。 （Ａ）〜（Ｈ）で同上のセンサーユニットの製造過程を示す断面図。 同上のセンサーユニットの変更態様の一部を示す部分斜視図。 図１０中の１１−１１線断面図。 （Ａ）〜（Ｈ）で同上のセンサーユニットの変更態様の製造過程を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係るセンサーユニットの拡大斜視図。 図１３中の１４−１４線断面図。 同上のセンサーユニットの一部を示す断面図。 図１６Ａ乃至図１６Ｂの（Ａ）〜（Ｋ）で図１３のセンサーユニットの製造過程を示す断面図。 図１６Ａ乃至図１６Ｂの（Ａ）〜（Ｋ）で図１３のセンサーユニットの製造過程を示す断面図。 同上の赤外線センサーの変更態様を示す斜視図。 同上の赤外線センサーの変更態様を示す斜視図。 同上の赤外線センサーの変更態様を示す斜視図。 同上の赤外線センサーの別の変更態様を示す断面図。

符号の説明

１０、１０Ａ 基材
２０、２０Ａ 半導体デバイス
３０、３０Ａ 赤外線検知要素
３２、３２Ａ リード
４０、４０Ａ センサー台座
４２、４２Ａ ビーム
４４ 穴
５０、５０Ａ 端子ランド
５２、５２Ａ アンカー突起
５４、５４Ａ フランジ
１００、１００Ａ センサーユニット
２００ 封止キャップ
２０２ 窓
２０４ レンズ

Claims (13)

1. 基材と、センサーユニットとを備えた赤外線センサーであって、
   上記センサーユニットは、
   熱型赤外線検知要素と、
   上記熱型赤外線検知要素を保持する多孔質材料で形成したセンサー台座と、
   上記の多孔質材料で形成されて上記センサー台座から一体に延出して、上記のセンサー台座を上記基材の上面から上方に離間させて支持する一対のビームと、
   上記基材の上面に形成された端子ランドとで構成され、
   上記熱型赤外線検知要素は一対のリードを備え、各リードはそれぞれ上記ビームの上面に支持されてこのビームに沿って延出して対応する上記の各端子ランドに電気接続され、
   上記ビームは上記センサー台座と同一平面内で上記基材の上面と離間した形で延出して上記の各リードを保持し、
   上記センサーユニットには上記の各端子ランドからそれぞれ上方へ突出するアンカー突起が備えられ、各アンカー突起はその上端で対応する各リードの先端に結合されて、上記の検知要素が上記のセンサー台座と共に、上記基材の上面から離間された形で上記基材に支持されて、上記の検知要素がこのアンカー突起を介して端子ランドに電気接続され、
   上記の各アンカー突起の上端が対応するビームに埋め込まれて上記のビームで包囲され、
   上記の各アンカー突起はその上下長さに沿って酸化シリコン、酸化シリコン系有機ポリマー、酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択された多孔質材料のスリーブで包囲されたことを特徴とする赤外線センサー。
2. 上記の各リードは蒸着により対応する各ビーム上に形成され、
   上記の各アンカー突起の上端が各ビームの先端に形成された穴に収められ、
   上記の各アンカー突起の上端に形成したフランジが上記の各ビームの穴の周りに係止されて上記の各ビームに結合されることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサー。
3. 上記の各リードとこれに対応する上記のアンカー突起は共通の電気導電材料で形成されて互いに連続したことを特徴とする請求項２に記載の赤外線センサー。
4. 上記の各アンカー突起のフランジの一部が上記の各リードの端部に重複してここで互いに結合されたことを特徴とする請求項２に記載の赤外線センサー。
5. 上記の各アンカー突起は中空筒形状であり、その厚さが上記の各リードの厚さより大きいことを特徴とする請求項４に記載の赤外線センサー。
6. 上記のスリーブは上記のビームの一部として一体に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサー。
7. 上記のセンサー台座は、酸化シリコン、酸化シリコン系有機ポリマー、酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択された多孔質材料で成形されたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサー。
8. 複数の上記のセンサーユニットのアレイが上記基材上に共通して配置されたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサー。
9. 上記基材に結合されて両者の間に気密空間を形成する封止キャップが備えられ、この気密空間内に上記のセンサーユニットが収容され、上記封止キャップには、入射赤外線を上記熱型赤外線検知要素に通過させる窓が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサー。
10. 上記気密空間が減圧されたことを特徴とする請求項９に記載の赤外線センサー。
11. 複数の光学レンズが配列されたレンズアレイが上記窓に備えられて、入射赤外線をセンサーユニットの何れかの熱型赤外線検知要素に収束させることを特徴とする請求項９に記載の赤外線センサー。
12. 上記のレンズアレイは上記の封止キャップと一体に成型されて封止キャップの一部を構成することを特徴とする請求項１１に記載の赤外線センサー。
13. 上記のレンズアレイは上記センサーユニットに対向する封止キャップの表面で上記の窓に積層され、上記のレンズアレイの屈折率が上記窓の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１１に記載の赤外線センサー。

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