JP5276458B2

JP5276458B2 - 赤外線センサ

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Publication number: JP5276458B2
Application number: JP2009015939A
Authority: JP
Inventors: 真太郎林; 佳治佐名川; 充彦植田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-01-27
Also published as: JP2010175302A

Description

本発明は、赤外線センサに関するものである。

従来から、赤外線センサとして、凹部が形成されたセラミックパッケージと、該セラミックパッケージの前記凹部の内底面側に実装された赤外線センサ素子と、該赤外線センサ素子に赤外線を入射させるための開口部が設けられ前記セラミックパッケージの前記凹部を覆うように接合されたリッドと、該リッドの前記開口部を覆うように接合された赤外線透過キャップと、を有する赤外線センサが知られている。（例えば、特許文献１参照。）。

このような赤外線センサは、パッケージに用いられるセラミック材料の熱伝導率が金属材料の熱伝導率と比較して小さいため、金属材料を用いたいわゆるキャンパッケージを利用した赤外線センサよりも、外部の使用雰囲気からの熱の影響を受けにくい。そのため、外部雰囲気からの熱が、赤外線センサ素子のノイズとなることを抑制し、赤外線センサの感度を向上することができる。

また、赤外線センサ素子の感度をさらに向上させるため、赤外線センサの内部空間を断熱構造となる真空状態に保持することが行われている。

ところで、図７に示すように上記赤外線センサ２０’は、赤外線センサ素子２が凹部の内底面に実装されたセラミックパッケージ１’を真空状態にして気密封止してあるが、通常、セラミックパッケージ１’の材料と赤外線透過キャップ４の材料との線膨張係数の差が大きいため、赤外線透過キャップ４をセラミックパッケージ１’と直接気密封止することができない。そのため、セラミックパッケージ１’の材料と赤外線透過キャップ４の材料との線膨張率が近い材料でリッド３を構成し、リッド３の開口部３ａを覆うように赤外線透過キャップ４を接合してある。赤外線透過キャップ４が接合されたリッド３は、セラミックパッケージ１’と、赤外線センサ２０’の内部空間が真空になるように気密接合し、不要な残留ガスを赤外線センサ２０’に内蔵させたゲッタ１３で吸着することが行われている。また、赤外線センサ素子２は、駆動時に赤外線センサ素子２の温度を所定の温度に安定化させるペルチェ効果を利用した電子冷却素子１４上に搭載されており、赤外線センサ素子２は金属ワイヤ７を介してセラミックパッケージ１’の外部電極１０’と電気的に接続されている。

特開２００４−３０１６９９号公報

しかしながら、赤外線センサ２０’の製造時において、リッド３とセラミックパッケージ１’を加熱して気密接合する際の熱が、赤外線センサ素子２に悪影響を生じるおそれがあるという問題がある。

なお、ペルチェ効果を利用した電子冷却素子１４は、通常は金属や半導体で構成されることから、赤外線センサ２０’の製造時において、リッド３とセラミックパッケージ１’を加熱して気密接合する際の熱が、赤外線センサ素子２に悪影響を生じることを排除できない。また、上記赤外線センサ２０’の駆動時においても、ペルチェ効果を利用した電子冷却素子１４から放出された熱自体が赤外線センサ素子２のノイズとなる場合があるという問題がある。

したがって、より簡便な構成で高感度の赤外線センサが求められる現在においては、上記赤外線センサ２０’の構造では十分ではない。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、赤外線センサの製造時において、リッドとセラミックパッケージを加熱して気密接合する際の熱が、赤外線センサ素子に悪影響を生じることを低減することが可能であると共に、より簡便な構成で外部雰囲気からの熱によるノイズを低減可能な赤外線センサを提供することにある。

請求項１の発明は、凹部が形成されたセラミックパッケージと、該セラミックパッケージの前記凹部の内底面側に実装された赤外線センサ素子と、該赤外線センサ素子に赤外線を入射させるための開口部が設けられ前記セラミックパッケージの前記凹部を覆うように接合されたリッドと、該リッドの前記開口部を覆うように接合された赤外線透過キャップと、を有する赤外線センサであって、前記赤外線透過キャップは、非球面レンズであり、前記セラミックパッケージは、前記セラミックパッケージの熱が該セラミックパッケージの内底面側から前記赤外線センサ素子へ伝導するのを阻止する断熱部が形成されてなり、該断熱部は、前記赤外線センサ素子が実装される前記セラミックパッケージの前記凹部の内底面に設けられ前記赤外線センサ素子と前記セラミックパッケージとの接触面積を低減する突起であり、該突起が前記セラミックパッケージの焼成時と同時に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、赤外線センサの製造時において、リッドとセラミックパッケージを加熱して気密接合する際の熱が、赤外線センサ素子に悪影響を生じることを低減することが可能であると共に、より簡便な構成で外部雰囲気からの熱によるノイズを低減可能な赤外線センサとすることができる。

また、この発明によれば、前記セラミックパッケージと前記赤外線センサ素子との接触面積を低減させることにより、前記セラミックパッケージから前記赤外線センサ素子へ伝導する熱を抑制することができる。そのため、比較的簡便な構成で、前記赤外線センサの製造時において、前記リッドと前記セラミックパッケージを加熱して気密接合する際の熱が、前記赤外線センサ素子に悪影響を生じることを低減することが可能であると共に、外部雰囲気からの熱によるノイズを低減可能な前記赤外線センサとすることができる。さらに、この発明によれば、前記赤外線透過キャップにレンズ効果を持たせつつ、凸レンズ状と比較して厚みを薄くすることが可能である。また、前記赤外線センサ素子に対する焦点距離を短くすることも容易なため、前記赤外線センサ全体を薄型化することもできる。このように前記赤外線センサ全体が薄型化した場合は、前記赤外線センサの製造時に生ずる熱が、前記セラミックパッケージの前記内底面側から前記赤外線センサ素子に伝導しやすいため、前記赤外線センサ素子に悪影響を及ぼす熱が伝導するのを阻止させる断熱部の効果がより大きく寄与する。

本願と別の参考例１の発明は、凹部が形成されたセラミックパッケージと、該セラミックパッケージの前記凹部の内底面側に実装された赤外線センサ素子と、該赤外線センサ素子に赤外線を入射させるための開口部が設けられ前記セラミックパッケージの前記凹部を覆うように接合されたリッドと、該リッドの前記開口部を覆うように接合された赤外線透過キャップと、を有する赤外線センサであって、前記セラミックパッケージの熱が該セラミックパッケージの内底面側から前記赤外線センサ素子へ伝導するのを阻止する断熱部が形成されてなり、該断熱部は、前記セラミックパッケージの前記凹部の前記内底面に平面視形状において前記赤外線センサ素子が実装される前記セラミックパッケージの実装部位と、前記赤外線センサ素子が実装されていない前記セラミックパッケージの非実装部位との間であって、前記セラミックパッケージの厚み方向に設けられた窪みにより形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、赤外線センサの製造時において、リッドとセラミックパッケージを加熱して気密接合する際の熱が、赤外線センサ素子に悪影響を生じることを低減することが可能であると共に、より簡便な構成で外部雰囲気からの熱によるノイズを低減可能な赤外線センサとすることができる。また、この発明によれば、前記セラミックパッケージから前記赤外線センサ素子へ伝導する熱の伝導経路を延長する或いは部分的に狭くすることにより、前記セラミックパッケージ全体から前記赤外線センサ素子へ伝導する熱を抑制することができる。そのため、比較的簡便な構成で、前記赤外線センサの製造時において、前記リッドと前記セラミックパッケージを加熱して気密接合する際の熱が、前記赤外線センサ素子に悪影響を生じることを低減することが可能であると共に、外部雰囲気からの熱によるノイズを低減可能な前記赤外線センサとすることができる。

本願と別の参考例２の発明は、凹部が形成されたセラミックパッケージと、該セラミックパッケージの前記凹部の内底面側に実装された赤外線センサ素子と、該赤外線センサ素子に赤外線を入射させるための開口部が設けられ前記セラミックパッケージの前記凹部を覆うように接合されたリッドと、該リッドの前記開口部を覆うように接合された赤外線透過キャップと、を有する赤外線センサであって、前記セラミックパッケージの熱が該セラミックパッケージの内底面側から前記赤外線センサ素子へ伝導するのを阻止する断熱部が形成されてなり、該断熱部は、前記赤外線センサ素子が実装される前記セラミックパッケージの前記凹部の前記内底面上に設けられた断熱部材であることを特徴とする。

この発明によれば、赤外線センサの製造時において、リッドとセラミックパッケージを加熱して気密接合する際の熱が、赤外線センサ素子に悪影響を生じることを低減することが可能であると共に、より簡便な構成で外部雰囲気からの熱によるノイズを低減可能な赤外線センサとすることができる。この発明によれば、前記赤外線センサ素子と前記セラミックパッケージとの間に断熱部材を設けるという簡便な構成により、前記赤外線センサの製造時において、前記リッドと前記セラミックパッケージを加熱して気密接合する際の熱が、前記赤外線センサ素子に悪影響を生じることを低減することが可能であると共に、外部雰囲気からの熱によるノイズを低減可能な前記赤外線センサとすることができる。

また、前記赤外線センサ素子全体が断熱部材を介して前記セラミックパッケージの前記凹部の前記内底面に保持することができるため、前記セラミックパッケージの前記凹部の前記内底面に突起若しくは窪みの少なくとも一方を設けたものと比較して、前記赤外線センサ素子に突起などを介して部分的に熱が伝導することも阻止することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記リッドは、前記セラミックパッケージの線膨張係数と前記赤外線透過キャップの線膨張係数との間の線膨張係数を有することを特徴とする。

この発明によれば、前記リッドによって前記セラミックパッケージと前記赤外線透過キャップとの線膨張係数の違いに伴う前記セラミックパッケージと前記赤外線透過キャップ間の応力を緩和することができる。特に、前記赤外線透過キャップの材料として、セラミックと比べて強度が弱く、線膨張係数が小さい半導体材料を用いた場合においては、熱応力により前記赤外線透過キャップが割れることを防止することが可能となる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記赤外線透過キャップは、接合材を介して前記リッドに接合されており、前記接合材は、低融点ガラスからなることを特徴とする。

この発明によれば、前記赤外線透過キャップと前記リッドとを接合させる接合材の材料として低融点ガラスを用いることにより、より気密性が高い接合が可能となる。

また、接合材の材料に低融点ガラスを用いることで、前記赤外線透過キャップと前記リッドとの接合をリフロー方式により形成可能な耐熱性を持たせることができ、リフロー方式を用いて前記赤外線センサを形成することができる。さらに、低融点ガラスは、高温半田や有機材料からなる接着剤と比較して、前記赤外線透過キャップと前記リッドとの接合形成時に不要なガスの発生が少なく、真空封止に適した前記赤外線センサとすることができる。さらに、前記リッドと前記赤外線透過キャップとの中間的な線膨張係数を持つ材料を選択することができ、前記赤外線透過キャップの破損を抑制することもできる。

請求項１の発明では、セラミックパッケージの熱が該セラミックパッケージの内底面側から赤外線センサ素子へ伝導するのを阻止する断熱部が形成されてなることにより、赤外線センサの製造時において、リッドと前記セラミックパッケージを加熱して気密接合する際の熱が、前記赤外線センサ素子に悪影響を生じることを低減することが可能であると共に、より簡便な構成で外部雰囲気からの熱によるノイズを低減することもできるという効果がある。

実施形態１の赤外線センサを示す概略断面図である。同上の赤外線センサ素子を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略斜視図である。同上の他の構成例を示し、（ａ）は赤外線透過キャップが凸レンズの場合の概略断面図であり、（ｂ）は赤外線透過キャップが非球面レンズの場合の概略断面図である。同上の異なる形状の要部概略断面図である。実施形態２の赤外線センサの要部概略断面図である。実施形態３の赤外線センサの要部概略断面図である。従来の赤外線センサを示す概略断面図である。

（実施形態１）
以下、本実施形態の赤外線センサについて図１および図２を参照して説明する。

本実施形態の赤外線センサ２０は、図１の断面図で示すように、凹部が形成されたセラミックパッケージ１と、該セラミックパッケージ１の前記凹部の内底面側に実装された赤外線センサ素子２と、該赤外線センサ素子２に赤外線を入射させるための開口部３ａが設けられセラミックパッケージ１の前記凹部を覆うように接合されたリッド３と、該リッド３の開口部３ａを覆うように接合された赤外線透過キャップ４と、を有し、セラミックパッケージ１の熱が該セラミックパッケージ１の内底面側から赤外線センサ素子２へ伝導するのを阻止する断熱部５が形成されている。

以下、本実施形態に用いられる各構成について、詳述する。

セラミックパッケージ１は、赤外線センサ素子２を収納するための前記凹部が形成されており、前記凹部の内底面側に赤外線センサ素子２が実装されている。赤外線センサ素子２の電極となる導体パターン２９，２９（図２を参照）は、例えば、金線などの金属ワイヤ７，７を介してセラミックパッケージ１の前記凹部の前記内底面に設けられた配線電極８，８と電気的に接続されている。配線電極８，８は、セラミックパッケージ１の厚み方向に設けられた配線９，９を介してセラミックパッケージ１の裏面と側面とに跨って設けられた外部電極１０，１０と電気的に接続させてある。なお、本実施形態の断熱部５についての詳細な説明は後述する。

セラミックパッケージ１は、赤外線センサ素子２に外部からの赤外線を入射させるための赤外線透過キャップ４が設けられたリッド３を蓋としてセラミックパッケージ１の前記凹部の内部を気密封止する。リッド３とセラミックパッケージ１とを気密性よく強固に接合するためには、抵抗シーム溶接で行うことができる。そのため、セラミックパッケージ１上には、リッド３と抵抗シーム溶接が可能なようにシームリング（例えば、コバールからなるリングなど）１２が設けられている。なお、抵抗シーム溶接する場合には、シームリング１２と当接するセラミックパッケージ１上に、シーム溶接用の金属（例えば、Ｗ膜、ＮｉメッキおよびＡｕメッキなど）を形成することが好ましい。

また、セラミックパッケージ１の前記凹部の形状、セラミックパッケージ１に設けられた配線電極８，８、配線９，９、外部電極１０，１０やシーム溶接用の金属の一部は、セラミックパッケージ１の焼成と同時に形成させることができる。

このようなセラミックパッケージ１は、その形成時に配線電極８，８、配線９，９、外部電極１０，１０等を所望の形状に形成することが容易で、キャンパッケージと比較して複雑な配線を行うことが可能になる。そのため、赤外線センサ２０をプリント配線板などの配線基板（図示しない）に実装するときに実装配置の自由度が向上する。また、セラミックパッケージ１は、赤外線センサ２０を前記配線基板へ実装させる際に、セラミックパッケージ１の前記裏面と前記側面に設けられた外部電極１０，１０で表面実装することもできるし、上記外部電極１０，１０の代わりにリード端子を用いて挿入実装するなど所望に応じて実装方法の選択の幅を広くすることができる。

このような、セラミックパッケージ１の材料としては、内部に実装させる赤外線センサ素子２にノイズが生じないように赤外線の透過率が低く、不活性ガスを封入したり真空排気させるなど気密封止させる場合には、ガスバリア性が高いことが要求される。そのため、特に、外部雰囲気からの熱の影響を極力低減させ、赤外線センサ素子２の感度をより向上させるためには、窒化アルミニウムや炭化珪素と比較して熱伝導率の低いアルミナやシリカ系セラミックを材料として用いることがより好ましい。なお、セラミックパッケージ１をアルミナで形成させた場合は、線膨張係数がおよそ７．１ｐｐｍ／Ｋとなる。

本実施形態では、例えば、外形寸法が縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚み１ｍｍであり、内部に凹部を有する主としてアルミナから構成されたセラミックパッケージ１を用いることができる。

次に、赤外線センサ素子２について図２を用いて説明する。

赤外線センサ素子２は、平面視形状が矩形板状となるベース基板２１、ベース基板２１の一表面側に配置され赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する温度検知部２３、および温度検知部２３がベース基板２１から離間して配置されるように温度検知部２３を支持する支持部４１から構成されている。また、温度検知部２３がベース基板２１の一表面から離間して配置されており、ベース基板２１の前記一表面上に、温度検知部２３を透過した赤外線を温度検知部２３側へ反射する赤外線反射部２６が形成されている。

ベース基板２１は、シリコン基板２１ａと、当該シリコン基板２１ａの前記一表面側に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜２１ｂと、当該シリコン基板２１ａの他表面側に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜２１ｃとで構成してある。なお、図２（ａ）における赤外線センサ素子２は、同図（ｂ）における赤外線センサ素子２のＤ−Ｄ’断面に相当する断面を示してある。

ベース基板２１には、２つの支持ポスト部４２ａ，４２ａが立設され、ベース基板２１側とは反対側に温度検知部２３が形成される支持部４１が梁部４２ｂ，４２ｂを介して支持ポスト４２ａ，４２ａと連結保持されている。

温度検知部２３は、温度に応じて電気的抵抗値が変化する抵抗ボロメータ形のセンシングエレメントを用いており、支持部４１側のＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上のＴｉＯ_２膜との積層膜を例えば、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの薄膜形成方法により形成してある。なお、温度検知部２３は、Ｔｉ膜とＴｉＯ膜との積層膜、Ｔｉ膜とＴｉＮ膜との積層膜、Ｔｉ膜とＴｉＯＮ膜との積層膜で形成してもよいし、抵抗ボロメータ形のセンシングエレメントの材料としては、Ｔｉに限られず、例えば、アモルファスＳｉ、ＶＯｘなどを採用してもよい。

また、温度検知部２３は、温度に応じて電気抵抗値が変化するセンシングエレメントに限られず、温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメントなどを採用してもよく、いずれのセンシングエレメントを採用した場合でも、材料を適宜選択することで一般的な薄膜形成技術を利用して形成することができる。ここにおいて、温度に応じて誘電率の変化するセンシングエレメントの材料としては、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）などを採用することができる。

温度検知部２３は、平面視形状において、蛇行した形状（ここでは、つづら折れ状の形状）に形成されており、両端部が脚部４２，４２に沿って延長された配線層２８，２８を介してベース基板２１の上記一表面上の金属膜（例えば、Ａｕ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなる上記導体パターン２９，２９と電気的に接続されている（図２（ｂ）を参照）。なお、配線層２８，２８を温度検知部２３と同じ積層膜で構成し、配線層２８，２８と温度検知部２３とを同時に形成することができるが、配線層２８，２８の材料は、特に限定するものではなく、Ａｌ、Ｗ、ＷＮ、ＷＳｉ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｍｏ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉの群から選択される１種類でもよい。配線層２８，２８を複数層により形成する場合には、これらの群から選択される複数種類の材料を適宜採用すればよい。

温度検知部２３は、支持部４１に保持され、支持部４１は、ベース基板２１側の表面に形成され多孔質シリカ膜４１ａが水分を吸着するのを防止するシリコン酸化膜からなる第１のバリア膜４１ｂと、支持部４１のベース基板２１側とは反対側の表面に形成されたシリコン酸化膜からなる第２のバリア膜４１ｃとから構成されている。すなわち、多孔質シリカ膜４１ａがシリコン酸化膜からなる第１および第２のバリア膜４１ｂ，４１ｃで挟まれた板状に構成され、この板状の第２のバリア膜４１ｃ上に温度検知部２３を設けている。

支持部４１を構成する多孔質シリカの材料としては、多孔質の酸化シリコンの一種である多孔質シリカを採用することができ、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマーの一種であるメチル含有ポリシリキサン、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの一種であるＳｉ−Ｈ含有ポリシロキサン、シリカエアロゲルなどを採用してもよい。ここで、支持部４１として、多孔質シリカを用いているため、シリコンと比較して熱伝導率を低くし、赤外線センサ素子２の感度を向上することができる。多孔質シリカの多孔度は、小さすぎると断熱し難くなり、多孔度を大きくし過ぎると機械的強度が低くなる傾向にある。そのため、支持部４１に用いられる多孔質シリカの多孔度は、所望の特性によって適宜設定することができるが、１０％から９０％が好ましい。

赤外線反射部２６は、赤外線を反射し温度検知部２３で効率よく吸収できるようにベース基板２１上に好適に設けられる。赤外線反射部２６の材料としては、例えば、人体から放射される８μｍから１３μｍの波長帯の赤外線を検出対象とする場合、導体パターン２９，２９の材料と同じＡｕを採用することができる。なお、製造プロセスの簡略化のため、導体パターン２９，２９の材料としてＡｕ−Ｓｉを用いた場合は、赤外線反射部２６の材料としてＡｕ−Ｓｉを用いることもできる。

脚部４２，４２は、ベース基板２１の上記一表面側において導体パターン２９，２９に立設された２つの円筒状の支持ポスト部４２ａ，４２ａと、各支持ポスト部４２ａ，４２ａそれぞれの上端部と支持部４１とを連結した梁部４２ｂ，４２ｂとで構成されており、支持部４１とベース基板２１との間に間隙２７が形成されている。ここで、支持部４１の外周形状が矩形状であって、各梁部４２ｂ，４２ｂは、支持部４１の一側縁の長手方向の一端部から当該一側縁に直交する方向に延長され更に当該一側縁の上記一端部から他端部に向う方向に沿って延長された平面形状に形成されており、支持部４１の厚み方向に沿った中心軸に対して回転対称性を有するように配置されている。

また、配線層２８，２８のうち脚部４２，４２の梁部４２ｂ，４２ｂ上に形成された部位の幅は、当該配線層２８，２８を通した熱伝導を抑制するために梁部４２ｂ，４２ｂの幅寸法よりも小さく設定してある。また、配線層２８，２８のうち支持ポスト部４２ａ，４２ａに形成されている部位は、支持ポスト部４２ａ，４２ａの内周面の全体と導体パターン２９，２９の表面とに跨って形成されており、支持ポスト部４２ａ，４２ａが配線層２８，２８により補強されている。なお、支持ポスト部４２ａ，４２ａは、例えば、Ｔｉ膜からなる金属で構成させるよりも、Ｔｉ膜とＡｕ膜などとの積層膜により構成し、当該積層膜の膜厚を適宜設定することで支持ポスト部４２ａ，４２ａの機械的強度を高めることもできる。

このような赤外線センサ素子２を形成するためには、例えば、ベース基板２１の基礎となる単結晶のシリコン基板２１ａの前記一表面側および前記他表面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜２１ｂ，２１ｃを熱酸化法により形成した後、ベース基板２１の一表面側に金属膜をＣＶＤ法や蒸着など各種成膜方法で成膜し、所望の形状にエッチングすることで導体パターン２９，２９や赤外線反射部２６を形成する。

次に、ベース基板２１の前記一表面の全面に、後にアッシング除去され間隙２７を構成する樹脂層（例えば、ポリイミドなど）を回転塗布により形成する。この樹脂層を支持部４１を形成するために利用する。すなわち、前記樹脂層上に、スパッタ法などによりシリコン酸化膜からなる第１のバリア層４１ｂ、ゾルゲル法などにより多孔質シリカ膜４１ａ、スパッタ法などによりシリコン酸化膜からなる第２のバリア層４１ｃをそれぞれ成膜し、所望の形状にフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることで、支持部４１を形成する。

こうして形成された支持部４１上に温度検知部２３を所望の形状に形成した後、ＮＨ_３ガス、Ｈ_２ガス、Ｈ_２ガスとＨｅガスとの混合ガスやＮ_２ガスとＨｅガスとの混合ガスの群から選択される１種のガスのプラズマを利用してアッシング処理することで、前記樹脂層を除去して図２のごとき間隙２７を有する赤外線センサ素子２を形成することができる。

こうして形成された赤外線センサ素子２は、例えば、平面視形状が３ｍｍ角程度で形成することができ、セラミックパッケージ１の前記凹部の前記内底面側の所定位置に有機材料からなる接着剤（例えば、高真空対応のエポキシ系樹脂）である接着層１１を介して実装することができる。なお、赤外線センサ素子２とセラミックパッケージ１との接合方法は、有機材料からなる接着剤だけに限らず、例えば、接着層１１の材料としてＡｕ-Ｓｎ共晶、Ａｕ−Ｓｉ共晶や半田を採用してもよいが、製造工程において赤外線センサ２０の内部に不要なガスが残留ガスとして残らない材料を用いることが好ましい。

また、図１で示した赤外線センサ２０においては、赤外線センサ素子２の導体パターン２９，２９と、セラミックパッケージ１の配線電極８，８とを金属ワイヤ７，７により電気的に接続させてあるが、赤外線センサ素子２のベース基板２１に予め貫通孔配線を貫設すると共にベース基板２１の前記他表面側に前記貫通孔配線に電気的に接続させた外部接続用電極を形成しておき、半田などを介してセラミックパッケージ１の配線電極８，８と電気的に接続（図示しない）することにより、温度検知部２３の出力をセラミックパッケージ１の外部へ取り出すこともできる。

次に、赤外線センサ２０に用いられるリッド３は、セラミックパッケージ１を気密封止が可能な蓋として用いられる。リッド３には、セラミックパッケージ１の内底面側に実装させた赤外線センサ素子２に外部から赤外線を入射させるための開口部３ａを有し、開口部３ａを覆うように赤外線透過キャップ４が接合される。したがって、リッド３は不要な電磁波を遮蔽して、赤外線センサ素子２へのノイズを除去すると共に気密封止を両立できるものが好ましい。リッド３とセラミックパッケージ１とをシーム溶接する場合は、リッド３が導電性を有することが好ましく、リッド３と赤外線透過キャップ４とを低融点ガラスにより接合する場合は、リッド３の表面に酸化膜を有することが好ましい。

また、リッド３は、セラミックパッケージ１の材料および赤外線透過キャップ４の材料それぞれの線膨張係数を考慮して、線膨張係数が４〜６ｐｐｍ／Ｋ程度の材料を用いることが好ましい。このようなリッド３の材料として、コバール、ステンレスや鉄などを用いることができる。なお、リッド３に設けられる開口部３ａの形状は、円形、楕円形、正方形や長方形など所望に応じて種々形成することができる。

本実施形態のリッド３として、例えば、予め平面視形状が矩形の５ｍ角程度の開口部３ａを形成した縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚み０．２ｍｍ程度のコバールからなる板体を用いることができる。リッド３と赤外線透過キャップ４とを接合材６として低融点ガラスにより接合する場合は、コバールからなる前記板体の表面に金属メッキ層（例えば、ＮｉＰメッキなど）を施すことが好ましい。

赤外線透過キャップ４は、リッド３の開口部３ａを覆うように接合され赤外線センサ素子２に赤外線を入射させるためのものであり、平板の板状に形成することもできるが、視野角を広げるため外部からの赤外線を集光可能なレンズ形状とすることもできる。このような赤外線透過キャップ４のレンズ形状としては、例えば、図１に示したように凸レンズとすることもできるが、これに限られず、凹レンズ、シリンドリカルレンズ、楕円球面レンズ、フレネルレンズや回折レンズなどとすることもできる。

また、赤外線透過キャップ４の材料としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅなどの半導体材料が好適に挙げられる。赤外線透過キャップ４の材料の線膨張係数としては、２．７〜３ｐｐｍ／Ｋのものを好適に用いることができる。なお、赤外線透過キャップ４をレンズ形状とするには、例えば、陽極酸化技術を応用した半導体レンズの形成方法により形成することができる。

より具体的には、陽極酸化技術を応用して赤外線透過キャップ４となる半導体レンズを形成する（特許第３８９７０５６号公報参照）ために、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した陽極を半導体基板（例えば、シリコン基板）の一表面側に半導体基板とオーミック接触をなすように形成する。例えば、図１に示したように凸レンズ形状の赤外線透過キャップ４を形成するために、前記半導体基板の前記一表面上に陽極の基礎となる導電性層を形成した後、該導電性層に円形状に開口した部位を設け前記半導体基板の前記一表面の一部が円形状に露出するようにパターニングを行う。

次に、前記半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去可能な電解液中に、前記半導体基板の他表面における多孔質部の形成予定領域全域を浸す。

その後、前記半導体基板の前記他表面側に対向配置される陰極と陽極との間に通電させ、前記半導体基板の前記他表面側に所望形状の多孔質部を酸化により形成する。続いて、前記半導体基板に形成された前記多孔質部をエッチングなどにより除去することで、凸レンズ形状の赤外線透過キャップ４を形成することができる。

なお、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した陽極の代わりに、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した絶縁層を半導体基板の一表面側に形成し、前記絶縁層を有する前記半導体基板の前記一表面側に導電層を形成する、或いは前記絶縁層を有する前記半導体基板の一表面側と電解液を介して通電用電極を対向配置することで、前記半導体基板の前記他表面側に、後に除去される多孔質部を形成することもできる。また、前記導電性層に円形状に開口した部位を設ける代わりに、平面形状が長方形状の陽極を形成すれば、赤外線透過キャップ４として平凹型のシリンドリカルレンズを形成することもできる。

また、赤外線透過キャップ４の形状を非球面レンズとすることで、凸レンズと比較してレンズ効果を持たせつつ、赤外線センサ素子２に対する焦点距離を短くすることができる。そのため、図３に示すように、赤外線透過キャップ４を非球面レンズ４ｂとした赤外線センサ２０（図３（ｂ））の厚みｈ２は、赤外線透過キャップ４が凸レンズ形状４ａとした赤外線センサ２０（図３（ａ））の厚みｈ１と比較して全体の厚みを薄型化することもできる。

このように赤外線センサ２０全体が薄型化した場合は、赤外線センサ２０の製造時に生ずる熱が、セラミックパッケージ１の内底面側から赤外線センサ素子２に伝導しやすいため、赤外線センサ素子２に悪影響を及ぼす熱が伝導するのを阻止させる断熱部５の効果がより大きくなる。なお、非球面レンズ４ｂの形状としては、フレネルレンズや回折レンズなどが挙げられる。

接合材６は、リッド３の開口部３ａを塞ぐようにリッド３と赤外線透過キャップ４とを気密接合が可能なものであり、このような接合材６の材料としては、低融点ガラス、有機材料からなる接着剤や半田などが挙げられる。接合材６は、リッド３と赤外線透過キャップ４との中間的な線膨張係数とすることができるものが好ましく、これによりリッド３と赤外線透過キャップ４とをリフロー方式で接合させる場合、リッド３と赤外線透過キャップ４間に生ずる熱応力により赤外線透過キャップ４などが破損することを抑制することができる。接合材６として低融点ガラスを用いた場合は、リッド３と赤外線透過キャップ４との気密接合時に、有機材料からなる接着剤や半田と比較して不要なガスの発生が少なくより好ましい。

例えば、赤外線透過キャップ４としてＳｉを用いた凸レンズ形状の半導体レンズをリッド３の開口部３ａの周縁に合わせて接合する場合、接合材６として鉛フリーのビスマス系低融点ガラスのフリットをリング状にプリフォームした成形品を好適に用いることができる。

リッド３と赤外線透過キャップ４とを接合材６により接合するためには、具体的には、リッド３の開口部３ａの端面上に接合材６となる低融点ガラスのプリフォーム成形品を設置し、その上に開口部３ａを塞ぐように赤外線透過キャップ４を重ね合わせる。

このような積層物を大気雰囲気下で予備加熱し、低融点ガラスのプリフォーム成形品内の不要なバインダを除去した後、リッド３の酸化防止のため真空雰囲気下で低融点ガラスの焼成温度まで加熱することでリッド３と赤外線透過キャップ４とを気密接合することができる。

なお、赤外線透過キャップ４とリッド３との接合において、接合材６の材料として半田を用いる場合は、赤外線透過キャップ４が固着されるリッド３表面に金属層（例えば、Ｃｕ−ＮｉＰ−Ａｕからなるメッキなど）を形成することで半田との接合性を向上させることが好ましい。

赤外線透過キャップ４を接合したリッド３と、セラミックパッケージ１と、を気密封止するためには、Ｎ_２ガス雰囲気中でシーム溶接機を用いて溶接することにより不要なガスの発生が少なく赤外線センサ２０の内部にＮ_２が封入された気密封止をすることができる。なお、Ｎ_２ガスの代わりに他の不活性ガスを封入してもよいし、真空気密封止を行ってもよい。さらに、真空気密封止を行う場合は、リッド３とセラミックパッケージ１との溶接した部位や赤外線センサ素子２をセラミックパッケージ１にダイボンドする有機材料からなる接着層１１（エポキシ樹脂など）から微量のガスが発生することがある。そのため、残留ガスを除去するためのゲッタ１３を赤外線センサ２０の内部空間側のリッド３表面に配置させ、ゲッタ１３を活性化させて気密封止した赤外線センサ２０内部の残留ガスを除去してもよい。ゲッタ１３は、電流加熱やレーザ加熱などにより外部から活性化することができ、不要な残留ガスを吸着して、例えば、赤外線センサ２０の内部の真空度を１Ｐａ程度以下とすることができる。

なお、本実施形態においては、赤外線センサ２０の内部を気密封止するにあたって、予め赤外線透過キャップ４を接合材６によりリッド３に接合させた蓋として、前記凹部が形成されたセラミックパッケージ１を気密封止させているが、セラミックパッケージ１にリッド３をシーム溶接などにより接合させた後に、リッド３の開口部３ａに赤外線透過キャップ４を接合させて気密封止してもよい。

このような赤外線センサ２０の製造時において、リッド３をセラミックパッケージ１にシーム溶接によって接合する場合などに生じる熱が、赤外線センサ素子２に熱破壊などを生じさせセンサ感度が低下するなどの悪影響をおよぼす場合がある。そのため、本実施形態の赤外線センサ２０には、セラミックパッケージ１の熱がセラミックパッケージ１の内底面側から赤外線センサ素子２へ伝導するのを阻止する断熱部５が形成されている。

このような断熱部５により、熱が伝導するのを阻止するとは、赤外線センサ素子２に悪影響が出ない程度にセラミックパッケージ１の熱が赤外線センサ素子２へ伝導することを抑制可能なものである。具体的には、セラミックパッケージ１と赤外線センサ素子２との接触面積を低減させる構造体やセラミックパッケージ１を伝導し赤外線センサ素子２に到達する熱の伝熱経路を延ばす或いは部分的に狭くする構造体などを形成することにより赤外線センサ素子２へ伝導する熱を抑制することができる。また、セラミックパッケージ１と赤外線センサ素子２との間に断熱材料を挟むことにより、赤外線センサ素子２へ伝導する熱を抑制することもできる。さらに、これらを所望に応じて組み合わせることもできる。

以下、赤外線センサ２０に用いられる断熱部５について図４の概略要部断面図を用いて詳述する。

本実施形態の断熱部５は、赤外線センサ素子２とセラミックパッケージ１との接触面積を低減する構造体により形成され、セラミックパッケージ１の内底面から部分的に突出して設けられた突起や部分的に窪んだ窪みにより構成することができる。

例えば、赤外線センサ素子２を保持するセラミックパッケージ１の内底面から突出した複数本の突起５ａ，５ａ（図４（ａ）を参照）、赤外線センサ素子２が実装されるセラミックパッケージ１の前記内底面に複数形成された断面が逆三角形状などの窪み５ｂ（図４（ｂ）を参照）、赤外線センサ素子２が実装されるセラミックパッケージ１の前記内底面に外周縁の少なくとも一部で赤外線センサ素子２を保持可能な窪み５ｃ（図４（ｃ）を参照）などが挙げられる。

このような断熱部５は、平面視形状においては、セラミックパッケージ１の前記内底面に設けられた平行な複数本の棒状の突起、リング状の突起、３点以上の柱状の突起などにより構成することができる。同様に、平面視形状において、赤外線センサ素子２が実装される赤外線センサ素子２直下のセラミックパッケージ１に、その開口形状が円形、楕円形などや三角形、四角形などの多角形を１つ以上設けた窪みにより構成とすることもできる（図示しない）。なお、このような断熱部５を形成する突起若しくは窪みの少なくとも一方は、セラミックパッケージ１の焼成時と同時に比較的簡単に形成することができる。また、赤外線センサ素子２のベース基板２１における前記他表面側にセラミックパッケージ１との接触面積を低減させる突起を設けても良い。

本実施形態の赤外線センサ２０は、上記断熱部５が設けられていることにより、赤外線センサ２０の製造時において、リッド３とセラミックパッケージ１を加熱して気密接合する際の熱が、赤外線センサ素子２に悪影響を生じることを低減することが可能であると共に、より簡便な構成で外部雰囲気からの熱によるノイズを低減可能となる。

なお、本実施形態の赤外線センサ２０は、セラミックパッケージ１の前記凹部の前記内底面側に１つの赤外線センサ素子２を配置させてあるが、複数個の赤外線センサ素子２を設けてもよいし、１個の赤外線センサ素子２のベース基板１の上記一表面側に複数個の温度検知部２３を設けてもよい。このような複数の部位で温度が検知できるものをアレイ状に構成することで、熱画像等を検出可能な赤外線センサ２０として構成することもできる。

（実施形態２）
本実施形態の赤外線センサ２０における基本構成は実施形態１と略同一であり、断熱部５が、セラミックパッケージ１と赤外線センサ素子２との接触面積を低減させる構造体により形成する代わりに、セラミックパッケージ１を伝導し赤外線センサ素子２に到達する熱の伝熱経路を延ばす或いは部分的に狭くする構造体により形成する点が異なる。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

セラミックパッケージ１を伝導する熱の伝導経路を延長する或いは部分的に狭くする断熱部５としては、例えば、図５に示すように、セラミックパッケージ１の前記凹部の前記内底面に平面視形状において赤外線センサ素子２が実装されるセラミックパッケージ１の実装部位１ａと、それ以外である赤外線センサ素子２が実装されていないセラミックパッケージ１の非実装部位１ｂとの間に、セラミックパッケージ１の厚み方向であって、赤外線センサ素子２が実装されるセラミックパッケージ１の表面側と外部電極１０が形成されるセラミックパッケージ１の裏面側にそれぞれ隣接した窪み５ｄ，５ｄ，５ｄ，５ｄ（図５を参照）を形成したものが挙げられる。

言い換えれば、断面視形状において、赤外線センサ素子２が実装されていないセラミックパッケージ１の非実装部位１ｂ側から赤外線センサ素子２が実装されるセラミックパッケージの実装部位１ａ側に向かう伝熱経路を部分的に狭くし且つ、蛇行した形状にさせて伝熱経路を延長し、赤外線センサ素子２へ伝導する熱を抑制させている。

このような断熱部５は、平面視形状においては、セラミックパッケージ１の内底面で、赤外線センサ素子２外形の近傍に複数の線状の溝を設けたもので形成させてもよいし、赤外線センサ素子２を囲むようにリング状の溝を用いて形成させてもよい。また、溝の代わりに複数の窪みにより形成することもできる。

なお、本実施形態において、断熱部５が、セラミックパッケージ１の前記凹部の内底面に平面視形状において赤外線センサ素子２が実装されるセラミックパッケージ１の実装部位１ａと、赤外線センサ素子２が実装されていないセラミックパッケージ１の非実装部位１ｂとの間にあるとは、セラミックパッケージ１の厚み方向に設けられた窪み５ｄの少なくとも一部が、実装部位１ａにあるものも含まれる。

（実施形態３）
本実施形態の赤外線センサ２０における基本構成は実施形態１と略同一であり、断熱部５が、セラミックパッケージ１と赤外線センサ素子２との接触面積を低減させる構造体により形成させる代わりに、断熱部５としてセラミックパッケージ１と赤外線センサ素子２との間に断熱部材を設けた点が異なる。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態の断熱部５は、図６に示すように、赤外線センサ素子２が実装されるセラミックパッケージ１の前記凹部の内底面上に設けられた断熱部材５ｅで構成されている。

断熱部材５ｅはシート状に形成され、セラミックパッケージ１の前記内底面と接着すると共に断熱部材５ｅ上に赤外線センサ素子２と接着可能な接着層１１がシート状の断熱部材５ｅの主表面側にそれぞれ設けられている（図６を参照）。

このような断熱部材５ｅは、セラミックパッケージ１の熱が赤外線センサ素子２側に伝導するのを抑制するものであって、セラミックパッケージ１の熱伝導率以下のものを用いることが好ましく、例えば、断熱部材５ｅの材料として、シリカを用いたセラミック繊維からなるシートやテフロン（登録商標）などのフッ素樹脂の多孔質材からなるシートを用いることができる。また、断熱部材５ｅに設けられた接着層１１の材料としては、例えば、エポキシ樹脂を用いることができる。

これにより、赤外線センサ２０の製造時において、リッド３とセラミックパッケージ１を加熱して気密接合する際の熱が、赤外線センサ素子２に悪影響を生じることを低減することが可能であると共に、より簡便な構成で外部雰囲気からの熱によるノイズを低減可能な赤外線センサ２０とすることができる。

また、赤外線センサ素子２全体が断熱部材５ｅを介してセラミックパッケージ１の前記凹部の前記内底面に保持することができるため、実施形態１で示したセラミックパッケージ１の前記凹部の前記内底面に突起５ａ，５ａなどを設けたものと比較して、赤外線センサ素子２に突起５ａ，５ａなどを介して部分的に熱が伝導することも阻止することができる。

１セラミックパッケージ
２赤外線センサ素子
３リッド
４赤外線透過キャップ
５ａ突起
５ｂ，５ｃ，５ｄ窪み
５ｅ断熱部材
６接合材

Claims

凹部が形成されたセラミックパッケージと、該セラミックパッケージの前記凹部の内底面側に実装された赤外線センサ素子と、該赤外線センサ素子に赤外線を入射させるための開口部が設けられ前記セラミックパッケージの前記凹部を覆うように接合されたリッドと、該リッドの前記開口部を覆うように接合された赤外線透過キャップと、を有する赤外線センサであって、
前記赤外線透過キャップは、非球面レンズであり、
前記セラミックパッケージは、前記セラミックパッケージの熱が該セラミックパッケージの内底面側から前記赤外線センサ素子へ伝導するのを阻止する断熱部が形成されてなり、該断熱部は、前記赤外線センサ素子が実装される前記セラミックパッケージの前記凹部の内底面に設けられ前記赤外線センサ素子と前記セラミックパッケージとの接触面積を低減する突起であり、該突起が前記セラミックパッケージの焼成時と同時に形成されてなることを特徴とする赤外線センサ。
前記リッドは、前記セラミックパッケージの線膨張係数と前記赤外線透過キャップの線膨張係数との間の線膨張係数を有することを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
前記赤外線透過キャップは、接合材を介して前記リッドに接合されており、前記接合材は、低融点ガラスからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の赤外線センサ。