JP5406082B2

JP5406082B2 - サーモパイル型赤外線センサおよびその製造方法

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Publication number: JP5406082B2
Application number: JP2010058437A
Authority: JP
Inventors: 仁中山; 武内山; 松雄岸
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2030-03-15
Also published as: JP2011191214A

Description

本発明は、熱源から放射される赤外線を検知して電気信号に変換する赤外線センサ、特に、温度変化を異種金属の接点の起電力に反映させる熱電対が複数直列接続されたサーモパイルを備えたサーモパイル型赤外線センサに関する。

サーモパイル型赤外線センサは、周知のように基板上に形成した異種金属の互いの端部を接点として接続した熱電対を複数直列接続することによりサーモパイルが構成されている。これにより、ゼーベック効果を利用して赤外線の放射吸収による温度変化を熱起電力として検出（出力）する。一般に、サーモパイル型赤外線センサでは、赤外線を受光する熱吸収体の熱伝導影響下に入るサーモパイルの各接点を温接点と呼ぶ。また、上記熱吸収体の熱伝導の影響が少ない方のサーモパイルの各接点を冷接点と呼ぶ。冷接点は、温度変化に際し基準温度となる接点である。

特開２００２−１５６２８３号公報特開平５−１２６６４３号公報

図１４は、従来のサーモパイル型赤外線センサ１００の要部を示す断面図である。サーモパイル型赤外線センサ１００は、例えばＰ型の単結晶Ｓｉ基板１０１に支えられた熱を伝え難い絶縁層上１０２にサーモパイルを有する。サーモパイルは、異種金属の互いの端部を接点として接続した熱電対を複数直列接続して構成される。サーモパイルにおける温接点１０８側は、絶縁基材１０２の中央付近にあり、下の基板は熱容量を懸念してエッチング除去される。温接点１０８側近傍には外部からの赤外線を受光する赤外線吸収層１１３が配される。また、サーモパイルにおける冷接点１０７側は温度変化に際し基準温度となる接点である。冷接点１０７側は絶縁層１０２の周辺付近にあり、下の基板１０１は絶縁層１０２を支える形態となっている。サーモパイルは、保護膜１０５により覆われ、その上に赤外線吸収層１１３が配置される。赤外線吸収層１１３が赤外線を受けて温度変化すると、これに伴い温接点１０８も温度変化する。サーモパイルの冷接点１０７側は、保護膜１０５により覆われ、その上に赤外線遮へい層１０６が配置される。赤外線遮へい層１０６が冷接点１０７側に照射される赤外線を反射し、または赤外線を吸収し、直接に冷接点１０７が赤外線により温度上昇することを防ぐ形態となっている。温接点１０８と冷接点１０７の間で生じる起電力（出力電圧）は、温接点と冷接点間の接点間温度差に依存する。

しかしながら、赤外線吸収層１１３に吸収されるべき赤外線は、一部が冷接点１０７側に到達し、その一部が赤外線遮へい層１０６に吸収され、赤外線遮へい層１０６の温度が上昇し、その熱が基板１０１および、冷接点１０７を温めてしまう問題があった。これにより、冷接点１０７の予期せぬ温度上昇が現れ、実際の温接点と冷接点間の接点間温度差が小さくなる。よって、サーモパイルにおける起電力（出力電圧）が小さくなるため、感度の低下や計測誤差が生じる問題に至る。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたもので、サーモパイルにおける冷接点の赤外線の影響を低減し、より感度よく、正確に計測ができるサーモパイル型赤外線センサを提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る赤外線センサは、電気的に絶縁性を有するフィルムと、前記フィルムの一方の面側に配置されたサーモパイルと、前記フィルムの一部を覆う赤外線遮へい層と、前記フィルムを支持する台座部と、を備えたサーモパイル型赤外線センサにおいて、前記フィルムは、樹脂を主成分とする材料で構成され、前記サーモパイルは、一部または全体が前記フィルムに埋没し、前記フィルムの面方向に沿って直列に接合された複数の膜状熱電対からなり、前記膜状熱電対は、互いに接合された２種類の膜状材料からなり、前記複数の膜状熱電対のうち、一の膜状熱電対における第１の膜状材料との一端側と、前記一の膜状材料における第２の膜状材料の一端側とを接続した温接点を前記フィルムの中央部側に配置するとともに、前記一の膜状熱電対における第１の膜状材料の他端側と、前記一の膜状熱電対に隣接する膜状熱電対における前記第２の膜状材料の他端側とを接続した冷接点を前記フィルムの外周部分に配置し、前記赤外線遮へい層は、前記フィルムの一方の面側において前記冷接点を、前記フィルムの一方の面の外周部分に形成された絶縁層を介して覆うとともに、前記フィルムの外周部分から延出して配置され、前記台座部は、前記フィルムの他方の面側における前記冷接点が配置された部分に配置された第１の台座部と、前記赤外線遮へい層における前記フィルムと対向する面側における外周部分から延出して配置された部分に配置され、前記第１の台座部と熱的に絶縁されるとともに、前記赤外線遮へい層と熱的に接続する第２の台座部と、で構成されることを特徴とする。

この発明によれば、赤外線センサのうち受光部（熱電対の温接点形成領域）が、熱伝導率の低い樹脂のフィルムで構成されているので、熱電対の温接点とそれ以外の領域とでの温度差を大きく取ることができる。そのため、赤外線センサの感度をより大きくすることができる。また、受光により温度上昇が生ずる膜状熱電対の温接点とこれと対をなす冷接点との間の温度差を大きく取ることができるため、出力電圧をより大きくすることができる。また膜状熱電対が樹脂フィルムに埋没しているので、受光部（膜状熱電対の温接点周辺）の温度均一性が高まり、安定的な出力を与えることができるサーモパイル型赤外線センサを提供できる。さらに、赤外線センサが台座部を介して配線基板等に実装されることになるので、熱電対が配線基板等に対して離間配置されることになる。そのため、サーモパイルの熱絶縁性を確保することができる。また、台座部は冷接点下に配置された第１の台座部と赤外線遮へい層下に配置され、第１の台座部と熱絶縁された第２の台座部とに分割されている。これにより、赤外線による冷接点の温度上昇を防ぎ、サーモパイルの感度をさらに向上させることができる。また、被測定物から照射される赤外線が赤外遮へい層によって冷接点に直接照射されない。これにより、赤外線による冷接点の温度上昇を防ぎ、サーモパイルの感度を向上させることができる。

本発明に係る赤外線センサは、前記台座部がめっき法により析出される金属からなることを特徴とする。前記フィルムの他方の面および前記赤外遮へい層の前記フィルムと対向する面に電気的に導電性を有する導電層が形成され、前記第１の台座部が、前記フィルムに接合する導電層から析出され、前記第２の台座部が、前記赤外遮へい部に接合する前記導電層から析出されることを特徴とする。この発明によれば、例えばサーモパイルに膜状熱電対を採用した場合には、温度上昇を極力避ける必要がある膜状熱電対の冷接点から台座部を伝って熱が放熱され易くなる。そして、赤外線遮へい層の熱が台座部から放熱されやすくなる。そのため、冷接点の温度上昇を防ぐことができるので、温接点と冷接点との温度差が大きくなり、膜状熱電対の起電力を大きくすることができる。その結果、高感度（出力）の赤外線センサを提供できる。また、基板等に実装する際に、他の部品とともに、はんだ付けにより実装することができる。

本発明に係る赤外線センサは、前記めっき法により析出される材料が、ニッケル、金、白金、ロジウム、鉄、パラジウム、銅から選ばれる材料、またはこれらから選ばれる材料を主成分とする材料であることを特徴とする。

本発明に係る赤外線センサは、前記第１の台座部および前記第２の台座部がシリコンからなることを特徴とする。

また、前記赤外線遮へい層が、赤外線反射層であることを特徴とする。さらに、前記赤外線反射層が、めっき法により析出される金属からなることを特徴とする。この発明によれば、被測定物から照射される赤外線が赤外反射層によって反射される。一部吸収することにより生じた熱は接続する第２の台座部により放熱される。これにより、赤外線による冷接点の温度上昇を防ぐと共に、赤外反射層の温度上昇を抑制することができる。

また、前記赤外線遮へい層が、赤外線吸収層であることを特徴とする。さらに、前記赤外線吸収層が、金黒またはＮｉＣｒ合金などの赤外線吸収性が高い金属からなることを特徴とする。この発明によれば、被測定物から照射される赤外線が赤外吸収膜によって吸収されることになる。吸収することにより生じた熱は接続する金属の台座部により放熱される。これにより、赤外線による冷接点の温度上昇を防ぐと共に、実装時の周辺部材からの迷光や二次ふく射等による誤差を低減することができる。

また、本発明に係る赤外線センサは、前記フィルムの他方の面側における温接点が配置された部分に、赤外線吸収層を形成させることを特徴とする。この発明によれば、被測定物から照射される赤外線が赤外吸収膜によって吸収されることになる。そのため、赤外吸収膜で吸収した赤外線によって、熱電対の温接点側を速やかに温度上昇させることができる。これにより、サーモパイルの感度をさらに向上させることができる。

また、本発明に係る赤外線センサは、前記第１の台座部および前記第２の台座部が、実装により配線基板と熱的に接合することを特徴とする。

本発明に係る赤外線センサの製造方法は、基板の外周部分に、赤外線遮へい層を形成する赤外線遮へい層形成工程と、前記赤外線遮へい層上の一部に、絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、前記絶縁層上及び前記基板上に、膜状熱電対を構成する第１の材料からなる第１の薄膜パターンを形成し、前記膜状熱電対を構成する第２の材料からなり、前記第１の薄膜パターンと接合する第２薄膜パターンを形成するとともに、前記第１の薄膜パターンと前記第２の薄膜パターンとの接点である温接点および冷接点をそれぞれ前記基板上および前記絶縁層上に形成してサーモパイルを形成するサーモパイル形成工程と、前記サーモパイルを覆うように、電気的に絶縁性を有する樹脂を主成分とするフィルムを形成するフィルム層形成工程と、前記フィルムの前記冷接点が配置された部分に第１の台座部を形成し、前記赤外線遮へい層の露出した部分に第２の台座部を形成する台座部形成工程と前記基板を剥離する剥離工程と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明に係る赤外線センサの製造方法は、基板上に剥離層を形成する剥離層形成工程と、前記剥離層の外周部分に、赤外線遮へい層を形成する赤外線遮へい層形成工程と、前記赤外線遮へい層上の前記剥離層の中央部側に、絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、前記絶縁層上及び前記剥離層上に、膜状熱電対を構成する第１の材料からなる第１の薄膜パターンを形成し、前記膜状熱電対を構成する第２の材料からなり、前記第１の薄膜パターンと接合する第２薄膜パターンを形成するとともに、前記第１の薄膜パターンと前記第２の薄膜パターンとの接点である温接点および冷接点をそれぞれ前記剥離層上および前記絶縁層上に形成してサーモパイルを形成するサーモパイル形成工程と、前記サーモパイルを覆うように、電気的に絶縁性を有する樹脂を主成分とするフィルムを形成するフィルム層形成工程と、前記フィルムの前記冷接点が配置された部分に第１の台座部を形成し、前記赤外線遮へい層の露出した部分に第２の台座部を形成する台座部形成工程と、前記剥離層を除去する剥離工程と、を備えていることを特徴とする。

この発明によれば、基板との分離が容易である剥離層を形成し、この剥離層上に形成された熱電対上にフィルム層を形成することにより、熱電対をフィルム層に埋没させることができる。次いで、接合体を剥離層と一体分離することで、基板から接合体を容易に分離することができる。その後、剥離層をエッチング等の手段により除去することにより、熱電対が樹脂製フィルムに埋没された赤外線センサを製造することができる。

また、本発明に係る赤外線センサの製造方法は、前記台座部形成工程において、前記赤外遮へい層上および前記フィルム上に電気的に導電性を有する導電層を形成し、前記第１の台座部および前記第２の台座部がそれぞれ前記フィルムおよび前記赤外遮へい層に接合する導電層から析出されることを特徴とする。

また、本発明に係る赤外線センサの製造方法は、前記台座部形成工程において、前記導電層を形成した後、前記導電層の基板の端部に形成された部分、前記導電層のフィルムの中央部に形成された部分および前記導電層の前記フィルムの端部に形成された部分に、フォトレジスト層を形成することを特徴とする。

また、本発明に係る赤外線センサの製造方法は、前記第１の台座部および前記第２の台座部が、めっき法により析出される金属からなることを特徴とする。

本発明によれば、赤外線遮へい層の温度は冷接点側に伝わり難く、冷接点の温度上昇を防ぐことができる。これにより、サーモパイルにおける冷接点の赤外線の影響を低減し、より感度よく、正確に計測ができるサーモパイル型赤外線センサを提供することができる。

本発明の第一実施形態に係るサーモパイル型赤外線センサをサーモパイル形成面方向と主要部断面を表す図である。本発明の第一実施形態に係るサーモパイル型赤外線センサのサーモパイル形成面方向断面を表す図である。本発明の第一実施形態に係るサーモパイル型赤外線センサを作製するための工程のうち、剥離層を形成する工程を示す説明図である。本発明の第一実施形態に係るサーモパイル型赤外線センサを作製するための工程のうち、赤外線遮へい層を形成する工程を示す説明図である。本発明の第一実施形態に係るサーモパイル型赤外線センサを作製するための工程のうち、絶縁層を形成する工程を示す説明図である。本発明の第一実施形態に係るサーモパイル型赤外線センサを作製するための工程のうち、膜状熱電対を構成する第一の材料からなる薄膜パターンと第二の材料からなる薄膜パターンを形成する工程を示す説明図である。本発明の第一実施形態に係るサーモパイル型赤外線センサを作製するための工程のうち、受光部等を構成することとなる電気的に絶縁性を有する樹脂を主成分とする層を形成する工程を示す説明図である。本発明の第一実施形態に係るサーモパイル型赤外線センサを作製するための工程のうち、膜状熱電対の冷接点からの熱を放熱し、冷接点の温度を一定に保つための金属部を形成する工程を示す説明図である。本発明の第一実施形態に係るサーモパイル型赤外線センサを作製するための工程のうち、膜状熱電対の冷接点からの熱を放熱し、冷接点の温度を一定に保つための金属部を形成する工程を示す説明図である。本発明の第一実施形態に係るサーモパイル型赤外線センサを作製するための工程のうち、基板と剥離層を剥離する工程と剥離層を除去する工程を示す説明図である。本発明の第一実施形態に係るサーモパイル型赤外線センサモジュールを配線基板に実装した断面を表す図である。本発明の第二実施形態に係るサーモパイル型赤外線センサの主要部断面を表す図である。本発明の第三実施形態に係るサーモパイル型赤外線センサの主要部断面を表す図である。従来のサーモパイル型赤外線センサの主要部断面を表す図である。

本発明に係る第一実施形態について、図面に基づいて説明する。
図１（ａ）は、本発明の第一実施形態であるサーモパイル型赤外線センサをサーモパイル形成面方向から示したものであり、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａにおける断面を表す図面である。

図１に示すように、サーモパイル型赤外線センサ１は、フィルム２と、第１の薄膜状熱電対材料３及び第２の薄膜状熱電対材料４が対となって構成された複数の膜状熱電対と、第１の台座部１５と第２の台座部１６とを有し、膜状熱電対はフィルム２の中に埋没している。

フィルム２は、電気的に絶縁性を有する樹脂を主成分とする材料で構成されており、厚さ方向から見て平面視矩形状のものである。フィルム２の材料として、例えば紫外線硬化型のエポキシ系フォトレジストを用いることができる。また、フィルム２は、その外周側において台座部１５に支持され、中央部において台座部１に架け渡されるとともに、赤外線の輻射を受光する受光部とを構成している。すなわち、本実施形態のサーモパイル型赤外線センサは、フィルム２の外周部分が台座部１５に支持されたメンブレン構造をとっている。

図２は、図１（ａ）の赤外遮へい層６を省略した図である。点線で示された領域が赤外遮へい層６を示している。

図２に示すように、複数対の膜状熱電対は、第１の薄膜状熱電対材料３及び第２の薄膜状熱電対材料４が交互に直列接続されることでサーモパイルを構成している。具体的に、各膜状熱電対は、一の膜状熱電対における第１の薄膜状熱電対材料３の一端側と、一の膜状熱電対における第２の薄膜状熱電対材料４の一端側とが接続された温接点８がフィルム２の受光部上に配置される一方、一の膜状熱電対における第１の薄膜状熱電対材料３の他端側と、一の膜状熱電対に隣接する膜状熱電対における第２の薄膜状熱電対材料４の他端側とが接続された冷接点７がフィルム２の台座１上に配置されている。これにより、複数の膜状熱電対が直列接続された状態でフィルム２内に埋没されている。

そして、複数の膜状熱電対の最終端には、それぞれ出力電極（接続用端子部）１４に接続されており、膜状熱電対に発生する電圧は、最終端である出力電極１４にて取り出されるようになっている。

図１に示すように、第１の台座部１５と第２の台座部は分割した構造である。また、第１の台座部１５および第２の台座部１６は、中央に貫通孔を有する矩形枠型形状のものであり、その一方側の開口縁を覆うようにフィルム２が形成されている。また、第１の台座部１５は、フィルムの冷接点が配置された部分に配置される。第２の台座部１６は、赤外線遮へい層におけるフィルムと対向する面側における外周部分から延出して配置された部分に配置される。また、第２の台座部１６は、赤外線遮へい層と熱的に接続する。なお、第１の台座部１５および第２の台座部１６は、例えば電気的な導電性を有する導電層９上にめっき層が形成されたものや、シリコンで形成されたものなどである。第１の台座部および前記第２の台座部が、めっきで形成される場合、ニッケル、金、白金、ロジウム、鉄、パラジウム、銅から選ばれる材料、またはこれらから選ばれる材料を主成分とする材料で形成することができる。また、第１の台座部１５とフィルム２との間、および第２の台座部１６と赤外線遮へい層６との間には導電層９が形成されている。導電層９は、フィルムおよび赤外遮へい層のフィルムと対向する面に形成される。

また、フィルムのサーモパイル側の面の冷接点７が配置された部分に絶縁層５が形成されている。絶縁層５上には、赤外線遮へい部６が形成されている。また、赤外線遮へい層は、フィルムの外周部分から延出して配置されている。絶縁層５は、例えば紫外線硬化型のエポキシ系フォトレジストで形成される。赤外線遮へい層（赤外線反射層）は、めっきで形成された場合、ニッケル、金、白金から選ばれる材料、またはこれらから選ばれる材料を主成分とする材料で形成することができる。

赤外線遮へい層６は、赤外線を反射することで遮へいする赤外線反射層、または赤外線を吸収することで遮へいする赤外線吸収層のいずれかで構成されている。赤外線遮へい層（赤外線反射層）は、スパッタリングで形成された場合、ＡｌやＡｇなどの材料で形成することができる。赤外線遮へい層（赤外線吸収層）は、真空蒸着法で形成された場合、金黒等の材料で形成することができる。赤外線遮へい層（赤外線吸収層）は、スパッタリングで形成された場合、ＮｉＣｒなどの材料で形成することができる。なお、フィルム２の材料に紫外線硬化型のエポキシ系フォトレジストを用いた場合、熱的な絶縁性も有する。そのため、冷接点と第２の台座部とをさらに熱絶縁することが可能である。

なお、図１では、フィルムのサーモパイル側の面が同一平面に形成されているが、製造方法によっては、同一平面に形成されない場合がある。

次に、このような構成からなるサーモパイル型赤外線センサ１の製造方法について説明する。図３から図１０は、サーモパイル型赤外線センサの製造方法を示す工程図である。

図３は剥離層１１を形成する剥離層形成工程を示めしている。
まず図３（ａ）に示すシリコンウエハからなる基板１０を用意する。なお、基板１０の材料は、シリコンに限らず、金属、ガラス、セラミックス等を用いることが可能である。
図３（ｂ）、図３（ｃ）は基板１０上に剥離層１１を形成する工程を示す図である。
図３（ｂ）の工程では、基板１０上に赤外線センサを基板１０から容易に引き剥がすことができる剥離層１１として、銅薄膜等を真空蒸着法により形成する。

さらに、図３（ｃ）の工程では、図３（ｂ）の工程で形成した剥離層１１上にマスク等を用いてさらに剥離層１１を基板の中央部に図３（ｂ）と同様に形成する。これにより、基板１０上に形成された剥離層１１は凸状に構成される。この工程により、後述する赤外線遮へい層、絶縁層を形成しない領域を形成することができる。

図４は、赤外線遮へい層を形成する赤外線遮へい層パターン形成工程を示している。
図４（ａ）に示すように、ポジ型フォトレジスト等により、赤外線遮へい層６を形成する部分に開口部を有するフォトレジスト層１２を形成する。具体的には、剥離層１１の外周部及び基板１０の中央部に形成された剥離層１１上、すなわち剥離層の凸部分の上に形成する。これにより、基板１０の中央部の剥離層１１またはフォトレジスト層１２と剥離層１１の外周部との間に開口部が形成される。

次いで、図４（ｂ）に示すように、電気めっき法により開口部に赤外線遮へい層６を形成する。図４（ａ）において、基板１０の中央部の剥離層１１および剥離層１１の外周部にフォトレジスト層１２を形成しているため、この部分には赤外線遮へい層６が形成されず、開口部のみに形成することができる。なお、赤外遮へい層６は、スパッタ、真空蒸着等でも形成できる。

その後、図４（ｃ）に示すように、フォトレジスト層１２をエッチングにより剥離する。
赤外線遮へい層６は、赤外線を反射することで遮へいする赤外線反射層、または赤外線を吸収することで遮へいする赤外線吸収層のいずれかで構成されている。

図５は、絶縁層５を形成する絶縁層形成工程を示している。
図５に示すように、電気的に絶縁性を有する材料、例えば紫外線硬化型のエポキシ系フォトレジストをスピンコート法により塗布しフォトレジスト層を形成する。その後、フォトレジスト層に対して露光、現像を行うことによりセンサの平面視の外形を形成するようにパターニングし、絶縁層５を形成する。なお、絶縁層５はポリイミド等を用いても構わない。なお、紫外線硬化型のエポキシ系フォトレジストなど熱的に絶縁性を有する材料を用いることで、冷接点へ熱を伝え難くすることが可能である。

図６は、第１の薄膜状熱電対材料３及び第２の薄膜状熱電対材料４からなる薄膜パターンを形成し、サーモパイルを形成するサーモパイル形成工程を示している。

図６（ａ）の工程では、第１の薄膜状熱電対材料３を絶縁層５及び剥離層１１上にスパッタリング等の真空成膜技術を用いて成膜し第１の薄膜パターンを形成する。

さらに、図６（ｂ）の工程で不要部分にマスクを行い、第２の薄膜状熱電対材料４を第１の薄膜状熱電対材料３、絶縁層５、及び剥離層上に図６（ａ）と同様の方法を用いて成膜し、第２の薄膜パターンを形成する。成膜後、マスクにエッチングを施し、さらに、第１の薄膜状熱電対材料３及び第２の薄膜状熱電対材料４、すなわち前記第１の薄膜パターンと前記第２の薄膜パターンとの熱電対接点である冷接点７及び温接点８を形成する。第１の薄膜状熱電対材料３と第２の薄膜状熱電対材料４の熱電材料はＮｉとＡｕなど様々な熱電材料の組み合わせが可能である。

さらに、膜状熱電対と同じ材料を用いて図２に記載した出力電極１４を構成することで、膜状熱電対の形成工程と同時に出力電極１４を形成することができる。よって、サーモパイル型赤外線センサを配線基板に実装する際、出力電極１４と配線基板の電極パッドとをワイヤボンディングや導電性物質で電気的に接続するために、別途、出力電極を形成する必要が無い。そのため、実装面積を小さくすることができ、小型のサーモパイル型赤外線センサを提供できる。

図７は、フィルム２を形成するフィルム層形成工程を示している。
図７に示すように、紫外線硬化型のエポキシ系フォトレジストを剥離層１１、赤外線遮へい層６、絶縁層５、第１の薄膜状熱電対材料３及び第２の薄膜状熱電対材料４を覆うようにスピンコート法により塗布し、フォトレジスト層を形成する。なお、フィルムは、電気的に絶縁性を有し、樹脂を主成分とする材料で形成することが可能である。その後、フォトレジスト層に対して露光、現像を行う。この工程で、フォトレジスト層のうち、剥離層１１及び赤外線遮へい層６のうち外周部分、すなわちセンサの外周部分を構成する部分を除去する。これにより、残ったフォトレジスト層がフィルム２を形成することになる。このとき、薄膜状熱電対材料３，４及び出力電極１４（図２）は、絶縁性フィルム２内に埋没することとなる。なお、フィルム２はポリイミド等を用いても構わない。また、これにより、赤外線遮へい層６は、フィルムの外周部分から延出して配置される部分を有している。

図８、図９は、膜状熱電対の冷接点７からの熱を放熱し、温接点８の温度を一定に保つための台座部１５、１６を形成する台座部形成工程を示している。

図８（ａ）はフィルム２上に電気的に導電性を有する導電層９を形成する工程を示す図である。この工程に置いて、スパッタリング等によりクロム、銅薄膜を順次形成することによりフィルム２上に導電層９を形成する。

図８（ｂ）は、導電層９上にフォトレジスト層１７を形成する工程を示す図である。この工程では、導電層９上にドライフィルムフォトレジストにより第１の台座部１５、第２の台座部１６となる部分に開口部を有するフォトレジスト層１７を形成する。具体的にはフォトレジスト層１７は、導電層９上の基板の端の部分、導電層９上のフィルム２の端の部分、および導電層９上のフィルム２の中央部に形成される。よって、開口部は、フィルムにおいて冷接点が配置された部分と、赤外線遮へい層のうちフィルムの外周部分から延出して配置された部分に形成されている。

図８（ｃ）は、導電層９上の露出している部分にニッケルめっき層を形成する工程を示す図である。この工程では、導電層９を利用して、電気めっき法により３０μｍの厚みを有するニッケルめっき層（第１の台座部１５、第２の台座部１６）を形成する。なお、赤外線遮へい層６が導電性を有している場合、赤外線遮へい層６上に導電層９を形成しなくても第２の台座部１６を形成することができる。

図９（ａ）は、フォトレジスト層１７を剥離する工程を示す図である。図７の工程後、図９（ａ）に示すように、フォトレジスト層１７をエッチングにより剥離する。

図９（ｂ）は、導電層９の一部を除去し、第１の台座部１５と第２の台座部１６を熱的に絶縁する工程を示す図である。図９（ｂ）に示すように、ニッケルめっき層（第１の台座部１５、第２の台座部１６）をマスキング層として、導電層９のうちニッケルめっき層を形成していない、すなわち露出している部分をエッチングにより除去する。これにより、熱的に絶縁された第１の台座部１５及び第２の台座部１６を形成する。この工程で、フィルム２内に複数の膜状熱電対及び出力電極１４（図２）と、第１の台座部１５及び第２の台座部１６とを有するセンサ本体部分が剥離層１１上に形成される。

図１０は、基板１０と剥離層１１の界面からセンサ本体部を引き剥がす工程と、剥離層１１をエッチングにより除去する剥離工程を示している。

図１０（ａ）は、剥離層１１の一部を除去する工程を示す図である。図１０（ａ）に示すように、基板の外周部分において、剥離層の表面を露出している部分をエッチングにより除去する。

図１０（ｂ）は、基板１０を剥離層１１から剥離する工程を示す図である。図１０（ｂ）に示すように、基板１０を剥離層１１との界面で引き剥がす。

図１０（ｃ）は、剥離層１１を除去する工程である。図１０（ｃ）に示すように、エッチングにより剥離層１１を除去することにより、膜状熱電対及び出力電極１４（図２）がフィルム２に埋没したサーモパイル型赤外線センサ１が作製される。

以上のように作製されたサーモパイル型赤外線センサ１は、温接点８が配置された受光部と、冷接点７が配置された放熱部とが熱伝導率の低いエポキシ樹脂等からなる絶縁性フィルム２であることから、冷接点７と温接点８との間に大きな温度差を作ることができる。これにより、出力電圧をより高くすることができる。同時に、膜状熱電対や出力電極１４がフィルム２に埋没されているため、フィルム２の受光部表面は平坦面となる。そのため、受光部の温度均一性が高まり、安定的な出力を与えることができるサーモパイル型赤外線センサ１を提供できる。さらに、フィルム２の凹凸による放熱が最小化できるため、さらに感度を向上させることができる。

また、第１の台座部１５を金属材料で形成することで、フィルム２の放熱部がフィルム２に対して十分熱伝導性が良い第１の台座部１５に支持されることになる。その結果、温度上昇を極力避ける必要がある膜状熱電対の冷接点７から第１の台座部１５を伝って熱が放熱され易くなるため、冷接点７の放熱効果が高まる。これにより、冷接点７の温度上昇を防ぐことができるので、冷接点７と温接点８との温度差を大きくすることができ、膜状熱電対の起電力を大きくすることができる。

また、前記フィルム２における前記熱電対の冷接点７側と重なる領域に赤外遮へい層６が配置される構成とした。この赤外遮へい層６により、被測定物から照射される温接点８側領域に吸収されるべき赤外線の一部が赤外遮へい層６によって吸収することにより生じた熱は、赤外遮へい層６と第２の台座部１６が金属で接続されることにより効率よく放熱される。さらに、台座部は冷接点下に配置された第１の台座部１５と赤外線遮へい層下に配置され、第１の台座部１５と熱絶縁された第２の台座部１６とに分割している。これにより、赤外線による冷接点７の温度上昇を防ぎ、サーモパイルの感度をさらに向上させることができる。なお、本実施形態において、剥離層１１を形成したが、剥離層１１を形成せずに基板に直接赤外線遮へい層等を形成して、製造された赤外線センサを基板から剥離してもよい。

図１１は、第一実施形態におけるサーモパイル型赤外線センサモジュール２０の断面を示したものである。図１１に示すように、サーモパイル型赤外線センサ１の第１の台座部１５と第２の台座部１６とがはんだ２１付けにより実装され、サーモパイル型赤外線センサ１の第１の台座部１５と第２の台座部１６と、配線基板２３の配線２２が熱的に接続されている。これにより、第１の台座部１５と第２の台座部１６の熱を効率よく配線基板２３の配線２２に放熱することができる。これにより、他の部品とともに実装することができ、実装工程を簡略化、コストダウンを図ることができる。

次に、本発明の第二実施形態におけるサーモパイル型赤外線センサについて説明する。なお、第一実施形態と同様の構成については、その詳細な説明を省略する。第二実施形態におけるサーモパイル型赤外線センサにおいて、第１の台座部、第２の台座部、及び導電層９が異なる点を除き、第一実施形態と同様である。

図１２は、本発明の第二実施形態におけるサーモパイル型赤外線センサ３０の断面を示したものである。

図１２に示すように、第二実施形態のサーモパイル型赤外線センサ３０は、例えば、Ｐ型の単結晶Ｓｉ基板２４に支えられた熱を伝え難い絶縁基材２５にサーモパイルを有する。サーモパイルは、異種金属３、４の互いの端部を接点として接続した熱電対を複数直列接続して構成される。上記異種金属は、ＡｕとＮｉなど、組み合わせる金属は様々考えられる。絶縁基材２５は、Ｓｉ基板２４のエッチングに耐えるＳｉ３Ｎ４を含む薄膜である。前記絶縁基材２５の端面に沿って伝熱層２６が形成され、伝熱層２６と冷接点７側の絶縁層２７上には赤外線を遮へいする赤外線遮へい層６が配される。伝熱層２６は、スパッタリング等により形成されるＮｉ等の金属である。サーモパイルにおける温接点８側は、絶縁基材２５の中央付近にあり、下のＳｉ基板２４は熱容量を懸念してエッチング除去される。サーモパイルにおける冷接点７側は、冷接点への熱の流入を懸念して、絶縁基材２５の端部に沿った部分のＳｉ基板２４をエッチング除去し、Ｓｉ基板２４を２つに分離する。すなわち、分離されたＳｉ基板２４は第一実施形態の第１の台座部および第２の台座部に相当する。また、サーモパイルにおける冷接点７側は、絶縁基材２５の周辺付近にあり、下のＳｉ基板２４は絶縁基材２５を支える形態となっている。

サーモパイルは、赤外線を透過する絶縁層２７により覆われている。温接点８側の絶縁層２７上には赤外線を受光する赤外線吸収層１３が配される。

以上の構造のサーモパイル型赤外線センサ３０は、Ｓｉ基板により第１の台座部および第２の台座部が形成されているため、外部からの赤外線が冷接点７側に照射されても、冷接点７に直接到達することはなく、冷接点７の温度上昇を抑えられ、測定感度が向上する。サーモパイル型赤外線センサ３０は、他の製造プロセスで作成されたセンサ素子に、スパッタや、蒸着等の方法で伝熱層２６、赤外線遮へい層６を形成させることで同構造を形成することができる。すなわち本実施形態においても、電気的に絶縁性を有するフィルムと、フィルムの一方の面側に配置されたサーモパイルと、フィルムの一部を覆う赤外線遮へい層と、フィルムを支持する台座部と、を備えたサーモパイル型赤外線センサにおいて、フィルムは、樹脂を主成分とする材料で構成され、サーモパイルは、一部または全体が前記フィルムに埋没し、前記フィルムの面方向に沿って直列に接合された複数の膜状熱電対からなり、膜状熱電対は、互いに接合された２種類の膜状材料からなり、複数の膜状熱電対のうち、一の膜状熱電対における第１の膜状材料との一端側と、一の膜状材料における第２の膜状材料の一端側とを接続した温接点を前記フィルムの中央部に配置するとともに、一の膜状熱電対における第１の膜状材料の他端側と、一の膜状熱電対に隣接する膜状熱電対における第２の膜状材料の他端側とを接続した冷接点をフィルムの外周部分に配置し、赤外線遮へい層は、フィルムの一方の面側において冷接点を、フィルムの一方の面の外周部分に形成された絶縁層を介して覆うとともに、フィルムの外周部分から延出して配置され、台座部は、前記フィルムの他方の面側における冷接点が配置された部分に配置された第１の台座部と、赤外線遮へい層におけるフィルムと対向する面側における外周部分から延出して配置された部分に配置され、第１の台座部と熱的に絶縁されるとともに、赤外線遮へい層と熱的に接続する第２の台座部と、で構成されている。

次に、本発明の第三実施形態におけるサーモパイル型赤外線センサについて説明する。
図１３は、第三実施形態におけるサーモパイル型赤外線センサ４０の断面を示したものである。なお、第一実施形態と同様の構成については、その詳細な説明を省略する。第三実施形態におけるサーモパイル型赤外線センサにおいて、フィルムの第１の台座部１５が形成された側の面における温接点が形成された部分に、赤外線吸収層１３が形成されていることを除き、第一実施形態と同様である。

図１３に示すように、第三実施形態におけるサーモパイル型赤外線センサにおいて、フィルムの第１の台座部１５が形成された側の面における温接点が形成された部分に、赤外線吸収層１３が形成されている。赤外線吸収層１３は、スパッタリングや真空蒸着等で形成するＮｉＣｒ合金や金黒等である。被測定物から照射される赤外線が赤外吸収膜１３によって吸収されることになる。そのため、赤外吸収膜で吸収した赤外線によって、熱電対の温接点８側を速やかに温度上昇させることができる。これにより、サーモパイルの感度をさらに向上させることができる。

１、３０、４０、１００サーモパイル型赤外線センサ
２フィルム
３、１０３第一熱電材料
４、１０４第二熱電材料
５、２７、１０２絶縁層
６、１０６赤外線遮へい層
７、１０７冷接点
８、１０８温接点
９導電層
１０、１０１基板
１１剥離層
１２、１７フォトレジスト層
１３、１１３赤外線吸収層
１４出力電極
１５、１６台座部（金属）
２０サーモパイル型赤外線センサモジュール
２１はんだ
２２配線
２３配線基板
２４Ｓｉ基板
２５絶縁基材
２６伝熱層
１０５保護膜

Claims

電気的に絶縁性を有するフィルムと、前記フィルムの一方の面側に配置されたサーモパイルと、前記フィルムの一部を覆う赤外線遮へい層と、前記フィルムを支持する台座部と、を備えたサーモパイル型赤外線センサにおいて、
前記フィルムは、樹脂を主成分とする材料で構成され、
前記サーモパイルは、一部または全体が前記フィルムに埋没し、前記フィルムの面方向に沿って直列に接合された複数の膜状熱電対からなり、
前記膜状熱電対は、互いに接合された２種類の膜状材料からなり、前記複数の膜状熱電対のうち、一の膜状熱電対における第１の膜状材料との一端側と、前記一の膜状材料における第２の膜状材料の一端側とを接続した温接点を前記フィルムの中央部側に配置するとともに、前記一の膜状熱電対における第１の膜状材料の他端側と、前記一の膜状熱電対に隣接する膜状熱電対における前記第２の膜状材料の他端側とを接続した冷接点を前記フィルムの外周部分に配置し、
前記赤外線遮へい層は、前記フィルムの一方の面側において前記冷接点を、前記フィルムの一方の面の外周部分に形成された絶縁層を介して覆うとともに、前記フィルムの外周部分から延出して配置され、
前記台座部は、前記フィルムの他方の面側における前記冷接点が配置された部分に配置された第１の台座部と、前記赤外線遮へい層における前記フィルムと対向する面側における外周部分から延出して配置された部分に配置され、前記第１の台座部と熱的に絶縁されるとともに、前記赤外線遮へい層と熱的に接続する第２の台座部と、で構成されることを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ。
前記第１の台座部および前記第２の台座部が、めっき法により析出される金属からなることを特徴とする請求項１に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
前記フィルムの他方の面および前記赤外遮へい層の前記フィルムと対向する面に電気的に導電性を有する導電層が形成され、前記第１の台座部が、前記フィルムに接合する導電層から析出され、前記第２の台座部が、前記赤外遮へい部に接合する前記導電層から析出されることを特徴とする請求項２に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
前記第１の台座部および前記第２の台座部が、ニッケル、金、白金、ロジウム、鉄、パラジウム、銅から選ばれる材料、またはこれらから選ばれる材料を主成分とする材料であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
前記赤外線遮へい層が、赤外線反射層であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
前記赤外線反射層が、めっき法により析出される金属からなることを特徴とする請求項５に記載したサーモパイル型赤外線センサ。
前記赤外線遮へい層が、赤外線吸収層であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載したサーモパイル型赤外線センサ。
前記赤外線吸収層が、金黒またはＮｉＣｒ合金などの赤外線吸収性が高い金属からなることを特徴とする請求項７に記載したサーモパイル型赤外線センサ。
前記フィルムの他方の面側における温接点が配置された部分に、赤外線吸収層を形成させることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
前記第１の台座部および前記第２の台座部が、実装により配線基板と熱的に接合することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
基板の外周部分に、赤外線遮へい層を形成する赤外線遮へい層形成工程と、
前記赤外線遮へい層上の一部に、絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記絶縁層上及び前記基板上に、膜状熱電対を構成する第１の材料からなる第１の薄膜パターンを形成し、前記膜状熱電対を構成する第２の材料からなり、前記第１の薄膜パターンと接合する第２薄膜パターンを形成するとともに、前記第１の薄膜パターンと前記第２の薄膜パターンとの接点である温接点および冷接点をそれぞれ前記基板上および前記絶縁層上に形成してサーモパイルを形成するサーモパイル形成工程と、
前記サーモパイルを覆うように、電気的に絶縁性を有する樹脂を主成分とするフィルムを形成するフィルム層形成工程と、
前記フィルムの前記冷接点が配置された部分に第１の台座部を形成し、前記赤外線遮へい層の露出した部分に第２の台座部を形成する台座部形成工程と、
前記基板を剥離する剥離工程と、
を備えていることを特徴とするサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
基板上に剥離層を形成する剥離層形成工程と、
前記剥離層の外周部分に、赤外線遮へい層を形成する赤外線遮へい層形成工程と、
前記赤外線遮へい層上の前記剥離層の中央部側に、絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記絶縁層上及び前記剥離層上に、膜状熱電対を構成する第１の材料からなる第１の薄膜パターンを形成し、前記膜状熱電対を構成する第２の材料からなり、前記第１の薄膜パターンと接合する第２薄膜パターンを形成するとともに、前記第１の薄膜パターンと前記第２の薄膜パターンとの接点である温接点および冷接点をそれぞれ前記剥離層上および前記絶縁層上に形成してサーモパイルを形成するサーモパイル形成工程と、
前記サーモパイルを覆うように、電気的に絶縁性を有する樹脂を主成分とするフィルムを形成するフィルム層形成工程と、
前記フィルムの前記冷接点が配置された部分に第１の台座部を形成し、前記赤外線遮へい層の露出した部分に第２の台座部を形成する台座部形成工程と、
前記剥離層を除去する剥離工程と、
を備えていることを特徴とするサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
前記台座部形成工程において、前記赤外遮へい層上および前記フィルム上に電気的に導電性を有する導電層を形成し、前記第１の台座部および前記第２の台座部がそれぞれ前記フィルムおよび前記赤外遮へい層に接合する導電層から析出されることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
前記台座部形成工程において、前記導電層を形成した後、前記導電層の基板の端部に形成された部分、前記導電層のフィルムの中央部側に形成された部分および前記導電層の前記フィルムの端部に形成された部分に、フォトレジスト層を形成することを特徴とする請求項１３に記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
前記第１の台座部および前記第２の台座部が、めっき法により析出される金属からなることを特徴とする請求項１４に記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法。