JPH11211558A - センサ及びセンサアレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来よりも熱分離が大きくとれるセンサおよ
びセンサアレイを提供することを目的とする。 【解決手段】 基板２上に中空状態に設けられる素子に
おいて、検知部１と基板２とを接続する導電部を備えた
支持脚３を立体的に設けた。これにより、素子の占める
領域に対して支持脚３が長くとれるため、素子と基板間
の熱分離が大きくとれ、熱型センサの効率が向上する。
また、センサの集積度を増すことが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、外部からの信号
を検知するセンサおよびセンサが２次元アレイ状に配置
されたセンサアレイに関するもので、特に、赤外線を検
出する赤外線センサおよびそのセンサアレイに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】熱型赤外線センサに代表される熱型セン
サの開発が活発であり、特にマイクロマシーニング技術
を用いた微細なセンサが実用段階にある。センサ機能と
しては熱線受光による温度変化を電気抵抗、自発分極、
あるいは、熱起電力等の物理量に変換して熱・温度を検
出している。ここで、検出部の熱量変化を有効に温度変
化に変換するために、検出部と外界との熱の遮断を図る
必要がある。感温部分の周囲を真空にして、対流による
環境への熱伝達を低下させたり、また、素子構造として
は素子を形成している基板への熱伝導を低下させる構造
が採用されている。

【０００３】図１２は例えば特表平７―５０８０９５号
公報に示された集積されたセンサ素子の構成図であり、
図中（ａ）は平面図、（ｂ）はＧ―Ｇ’での断面図であ
り、また１１７は検知部（感知領域）、１２０、１２１
は支持脚、１０２は基板、１１４は検知層である。検知
部１１７と支持脚１２０、１２１下の基板１０２はマイ
クロマシーニング技術をもって除去されており、検知部
１１７は支持脚１２０、１２１で保持され、基板に接続
されている。検知部１１７は検知層１１４、吸収層１１
６、および、支持層となる絶縁層１１２と１１３から構
成されている。検知部１１７に入射する熱線を受光する
ことにより検知部１１７の温度が上昇する。この温度上
昇を感熱素子である検知層１１４によって電気信号に変
換することで熱線検知を行なわれている。電気信号は支
持脚１２０、１２１の上層にある導電層をもって基板ま
で導かれ、ここには図示されていない処理回路等を経て
信号が得られている。この従来技術の構造は検知部１１
７の基板に対する断熱特性を向上させるために設けられ
た構造である。検知部１１７を基板から浮かせて、熱の
伝達経路を少なくしている。ここでの基板への伝達経路
は支持脚１２０、１２１であり、各々の支持脚を長く、
細く、かつ、熱伝導の少ない脚材料を用いることで断熱
特性を向上させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のセンサ素子にお
いて、素子の大きさは基板除去孔１４０、１５０に囲ま
れる一点破線に示された領域αになる。この領域内に、
従来示されている方法で支持脚を長く、細くとることは
幾何学的には可能であるものの、この構造は、例えば半
導体作製技術に代表される微細加工技術の限界によりき
まるものであり、無為に長くとることは不可能となる。
また、支持脚１２０、１２１を極めて細くすることは、
支持脚自体の機械的強度の低下を招き、空隙作製の困難
さ、および、信頼性の低下を招くことになる。さらに、
素子の占める領域を小さくして、同じ面積に多数の素子
を組み込むことになれば、同じ設計指針であると断熱特
性の劣化が生じて所望の性能が得られないことになるな
どの問題点があった。また、検知層１１４を形成できる
領域がセンサ素子が占める一点破線に示された領域αに
比べ狭いために、センサ素子の占める領域を小さくしよ
うとすると検知層を形成する領域が著しく狭くなるとい
う問題点もあった。

【０００５】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、断熱特性の向上、さらには、セ
ンサ素子の縮小化による多数センサ化・高密度集積を可
能とするセンサ構成を得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
わるセンサは、基板上に設けられ、外部からの信号を検
知する検知部を支持し、該検知部の信号を外部へ取り出
すための導電部を備えた支持部を有するセンサにおい
て、前記基板面の法線方向に矩形状に蛇行して形成され
た前記支持部により、前記検知部と前記基板とを断熱し
ものである。

【０００７】この発明の請求項２に係わるセンサは、請
求項１において、検知部が基板の上方に配置されるもの
である。

【０００８】この発明の請求項３に係わるセンサは、請
求項２において、検知部が支持部の上方に配置されるも
のである。

【０００９】この発明の請求項４に係わるセンサは、請
求項１において、検知部が基板の略同一面内に配置され
るものである。

【００１０】この発明の請求項５に係わるセンサは、請
求項１において、少なくとも検知部の下方の基板に該検
知部の領域に相当する溝を有し、支持部が基板の深さ方
向に配置されるものである。

【００１１】この発明の請求項６に係わるセンサは、請
求項５において、支持部及び検知部が形成される領域の
基板に溝が形成されるものである。

【００１２】この発明の請求項７に係わるセンサは、請
求項１において、検知部に信号吸収部をさらに備えたも
のである。

【００１３】この発明の請求項８に係わるセンサアレイ
は、基板上に設けられ、外部からの信号を検知するため
の検知部と、その一部が基板に接続されて前記検知部で
検知された信号を外部に取り出す導電部とを備えたセン
サが、２次元アレイ状に複数個配設されたセンサアレイ
において、前記導電層が隣接するセンサ、あるいはさら
に離れた場所のセンサ部で基板に接続されるものであ
る。

【００１４】この発明の請求項９に係わるセンサアレイ
は、請求項８において、１個のセンサが複数の導電部を
有し、該複数の導電部のうち少なくとも１つが導電性を
有する基板に電気的に接続されるものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、本発明の
一実施の形態によるセンサの構成を示した斜視図、図２
は各断面図であり、図２（ａ）は図１中のＡ―Ａ’断面
図、図２（ｂ）は図２（ａ）中のＢ―Ｂ’断面図、図２
（ｃ）は図２（ａ）中のＣ―Ｃ’断面図である。図にお
いて、１は基体層５（の下層）上に検知層７を備えた検
知部、２は基板、３は基体層５（の下層）上に導電層６
を備えた支持脚、８は接続部である。検知部１は基板か
ら立体的に延びた２本の支持脚３により支持され、検知
層７とその信号をとりだす導電層６の電極、基体層５か
らなる。基体層５は検知部１、支持脚３の構造を支える
層で、下層５ａ、上層５ｂからなる。支持脚３は導電層
６と基体層５からなる。これらの図では、検知領域のほ
かに３層の多層空中配線された様子を示している。各々
の支持脚３はそれらの端部において隣接する支持脚３、
検知部１、あるいは、基板２に接続部８をもって接続さ
れる。従来のように支持脚３を基板の面内方向だけでは
なく、本実施の形態のように法線方向に形成すること
で、支持脚の総延長を十分に長くすることができる。さ
らに、本発明によれば検知部を支持する支持体としての
支持脚を、従来のように細くしなくてもセンサ素子は作
製しうるために、センサの衝撃信頼性、保管信頼性等を
満足し得るセンサが作製できる。

【００１６】ここに示した一実施の形態の構成は、例え
ば以下のようにして作製される。図３は以下に示す作製
方法を示す図である。センサの信号処理回路を有する珪
素基板に保護用の酸化珪素を積層する。基板２も最後に
示される溶解層９の除去に耐え得る材質、あるいは、保
護層１３を有するものであれば特に問われるものではな
い。この基板２上に、例えば、珪素からなる溶解層９を
積層する。基板２に接続するために該溶解層９に接続部
８の箇所に孔を設け、酸化珪素からなる基体層５の下層
５ａを設け、さらに基板に電気接続する孔を接続部８内
に設ける（図３（ａ））。次に例えばクロム金属からな
る導電層６を積層し、図２（ｂ）に示された形状に導電
層６を整える。さらに、例えば窒化珪素からなる基体層
５の上層５ｂを積層する（図３（ｂ））。これら支持脚
３となる基体層５と導電層６を所望の形状に整形する
（図３（ｃ））。この後、必要とするだけ溶解層９、基
体層５、導電層６を積層、および、形状を整え得ること
で積層型の支持脚３は形成できる。検知部１として酸化
珪素からなる支持層、金属、酸化物、窒化物等、温度変
化で電気抵抗の変化する検知層７、電極としての導電層
６を設け、図２（ｃ）に示される形状に整える。ここで
は最後に保護層として窒化珪素を付加している（図３
（ｄ））。最後に、溶解層９として設けた珪素を弗化キ
セノンガス中にさらすことで除去する（図３（ｅ））。
これらの工程を経て、図１に示された構造を得ることが
できる。

【００１７】このように本発明で作製されるセンサ素子
は例えば数十ミクロン角の領域においても伝熱的にみた
実質的な支持脚長さが従来の平面的な手法で作製される
ものより数倍、あるいは、それ以上の長さを得ることが
できる。センサの占める領域を一定としても断熱特性の
向上が図れる。さらに、１個のセンサの占める領域を狭
くして同一面積上に多数のセンサ素子を設ける場合にも
断熱特性の劣化なしに、あるいは、さらに向上させて作
製しうる。また、検知部１をを最上面に設けることで、
センサが占める領域に対して検知層７を形成できる領域
が広くでき、特にセンサを小型、あるいは、多素子化す
るときに検知層領域を広くとれることで、微細な形状に
は加工しにくい検知層を適用できるといった利点があ
る。

【００１８】実施の形態２．図４は、実施の形態１に示
したセンサの一部上面図に相当するもので、支持脚３の
層の上面図であり、実施の形態１に関する図２（ｂ）に
相当するものである。実施の形態１に比べて支持脚３が
面内に延びて屈曲した構造となっている。この屈曲した
構造は従来の技術にもみられるもので、面内の領域をよ
り有効に利用とするものである。面内で支持脚の長さが
長くなるために、積層する支持脚の層数を軽減可能とな
る。

【００１９】上記実施の形態１、２においては示される
材料は、成熟したとみられる珪素系の半導体微細加工に
適用されているものであり、工業的に作製しやすいもの
である。支持脚として珪素、酸化珪素、窒化珪素を主に
使用することは半導体微細加工技術の適用で微細で、安
価なセンサを作製しやすいという利点を有する。

【００２０】実施の形態３．図５は同じく積層型支持脚
を有するセンサの別の形態の例である。図５（ａ）は平
面型の検知部１、および、支持脚３を有する形態におい
て、支持脚３を複数層設けたもので、この構造を用いる
ことにより、断熱特性の向上がはかることができる。

【００２１】ここで、例えば熱型の赤外線センサにおい
てはよく知られているように受光面積が性能に影響する
ことになる。赤外光学系と被測定体を決めると入射して
くる放射強度は面積密度で一定となるため、受光面積に
比例した性能が得られる。このため、開口率向上層１０
を設けることも可能となる。また、図５（ｂ）は実施の
形態１に吸収層１１を設けた構造である。前述のように
検知部１を最上面に設けることで、センサ領域に対し
て、検知層を形成できる領域が決して狭くならない。こ
の形態においても吸収層１１を有効にセンサ領域の多く
の領域に形成でき、センサとしての性能がさらに向上す
る。

【００２２】実施の形態４．さらに、図６に示すよう
に、検知層７を基板面上に位置させて支持脚３が基板２
の上面に張り出した構造も有効となる。材料的には、マ
イクロマシーニング技術として良く知られているよう
に、溶解層として酸化珪素、構造・支持脚として窒化珪
素、珪素他の組み合わせとか、溶解層として有機層、構
造層として無機層を用いるなど構造体の材料は実施の形
態１に限られるものではない。

【００２３】実施の形態５．図７は発明の実施の形態５
によるセンサの構成図である。図７（ａ）は図７（ｃ）
中のＤ―Ｄ’破線での断面図であり、図７（ｂ）は図７
（ｃ）中のＥ―Ｅ’破線での断面図である。このセンサ
素子においては支持脚３は基板２中に埋め込まれて作製
される。作製手段の一例は以下の通りである。

【００２４】基板２に深溝加工で例えば閉じられた矩形
状の溝を形成する。その上に酸化珪素からなる溶解層９
を設ける。この溶解層９は溝部、および、検知部１の下
部にのみ残すように整えられる。この後、基体層５、導
電層６、検知層７を積層し、その形状を整える。基体層
５、導電層６は溝側壁に付きやすいように気相成長型成
膜法で作製される。基体層５の形状を整えることで酸化
珪素の溶解層の一部は再表面に露出することになる。こ
の状態で弗化水素酸を主体として酸化珪素を除去するこ
とでセンサ素子が完成する。図７（ａ）では溶解層９は
除去されており空隙４となっている。支持脚３は基板２
中に設けられた溝に従って基板２中に延びる構造となっ
ている。支持脚の長さに比べて支持脚を形成する面積が
小さくできる。これにより、センサ領域の有効利用、あ
るいは、センサの小型化によって支持脚が短くならない
構造となりうる。この構造においても、放射線検出型セ
ンサとしての性能を向上させる前述開口向上層１０を設
けることは有効である。

【００２５】実施の形態６．図８は発明の実施の形態６
によるセンサ構成の断面図である。この場合にも実施の
形態５と同様に基板を溶解する方法を適用する。ここで
は結晶異方性のない加工法で作製されるもので、珪素を
基板材料としたときに弗化キセノンや硝酸弗酸を主体と
した溶液で加工可能となる。断熱特性を得るための支持
脚３を設けた領域を囲むように溝が設けられている。こ
の溝は例えば支持脚３を形成するときに形成したものと
同じように溝形成してもよく、あらためて設けられても
よい。この溝は空隙を有するセンサ部を取り囲むように
作製されるもので、空隙の形状を決めている。前述の空
隙作製方法では、基板を選択の余地無く加工されるた
め、センサを狭い領域に多素子化すると、隣接素子の空
隙部分がつながり、センサが基板に保持できなくなる。
この外周部にある閉じられた溝部は加工を止めるために
設けられるものである。この構造とすることで、基板の
一部を除去して空隙を設け、形成されるセンサにおいて
も、空隙を作製する方法として良好な特性を提供される
前述加工法の適用ができ、さらに、センサの小型化が容
易に可能となる。

【００２６】実施の形態７．図９は発明の実施の形態７
によるセンサ構成の断面図と上面図である。図９（ａ）
は図９（ｂ）中のＦ―Ｆ’破線での断面図である。この
センサにおいては基板は結晶性のものに限定される。例
えば良く知られた（１００）方位を表面に有する珪素基
板である。基板２に溝加工、基体層５、導電層６、検知
層７等の積層、整形した後、基板の｛１１０｝方向に平
行となる基板除去孔１２を基板２に到達するまで開口す
る。この状態で例えば水酸化カリウム溶液に浸すことで
基板２は特定の結晶方位面が露出したところで加工がと
まる。従来の技術にも示されている良く知られた結晶異
方性加工法である。これにより熱分離が良好なセンサ素
子が完成する。実施の形態４において必要であった溶解
層９が不要となりセンサの作製が可能になる。基板は他
にも酸化マグネシウム等も用いることができ燐酸を主成
分をするもので同様の構造を得ることが出来る。

【００２７】実施の形態８．図１０は発明の実施の形態
８によるセンサアレイの構成を示した上面図である。図
１１は従来の発明によるセンサをアレイ化して作製され
たセンサアレイを示す。図中２０、２１は基板に接続さ
れる箇所である。従来の形態ではセンサの占める領域内
に検知部１、及び検知部からの信号を取り出す導電部
（図示せず）を備えた支持脚３を設けており、従来の技
術で述べたように、本構造では断熱特性の向上は図りに
くい問題があった。実施の形態８の図１０においては、
アレイ化されたセンサで各センサ領域のみならず隣接、
あるいは、それより離れたセンサ部で支持脚（支持脚の
導電部）を基板に接続する構造としている。このような
構成にすることで、断熱特性の向上が図れる。

【００２８】さらに、基板に導電性をもので、かつ、各
センサが共通接地が可能なときには基板接続部の一方、
例えば図９において電気接続部２１を基板に接続させる
ことは有効となる。配線数を減らせること、また、アレ
イ動作させる周辺回路は従来のものと同様に駆動させて
も同じ動作が可能となることである。

【００２９】なお、上記実施の形態においては、センサ
は赤外線センサについて例示したが、赤外線以外の放射
線やその他の物理量を検知する温度センサや、真空領域
内での真空度を測定するセンサ、流量センサなどに応用
できることは言うまでもない。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本願発明の第１の発明に
よれば、基板上に設けられ、外部からの信号を検知する
検知部を支持し、該検知部で検知された信号を外部へ取
り出すための導電部を備えた支持部を有するセンサにお
いて、前記基板面の法線方向に矩形状に蛇行して形成さ
れた前記支持部により、前記検知部と前記基板とを断熱
したので、さらに、検知部が基板あるいは支持部の上方
に配置され、また検知部が基板の略面内に配置されるの
で、断熱特性が向上し、センサの縮小も可能となる。ま
た、上記構造において、支持部を基板の深さ方向に配置
する構造上記構造としたので、従来よりも支持部を長く
とることができ、断熱特性が向上し、また支持体を平面
に設けるよりも支持部の面内占有率が減少し、センサの
縮小も可能となる。さらに、上記構造において、検知部
に信号吸収部をさらに備えたので、信号の取り込みが効
率的に行われ、センサとしての性能が向上する。

【００３１】また、本願発明の第２の発明によれば、基
板上に設けられ、外部からの信号を検知するための検知
部と、その一部が基板に接続されて前記検知部で検知さ
れた信号を外部に取り出す導電部とを備えたセンサが２
次元アレイ状に複数個配設されたセンサアレイにおい
て、前記導電部が隣接するセンサ、あるいはさらに離れ
た場所のセンサ部で基板に接続されるので、断熱特性が
向上し、素子の集積度を上げることが可能となる。ま
た、上記構造において、１個のセンサが複数の導電部を
有し、該複数の導電部のうち少なくとも１つが導電性を
有する基板に電気的に接続されるので、基板内での配線
が容易なセンサの作製が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１によるセンサ構成の
斜視図である。

【図２】 この発明の実施の形態１によるセンサ構成の
断面図、上面図である。

【図３】 この発明の実施の形態１によるセンサ構成の
作製方法に関する図である。

【図４】 この発明の実施の形態２によるセンサ構成の
上面図である。

【図５】 この発明の実施の形態３によるセンサ構成の
断面図である。

【図６】 この発明の実施の形態４によるセンサの構成
を示す断面図である。

【図７】 この発明の実施の形態５によるセンサ構成の
断面図、上面図である。

【図８】 この発明の実施の形態６によるセンサ構成の
断面図である。

【図９】 この発明の実施の形態７によるセンサ構成の
断面図、上面図である。

【図１０】 この発明の実施の形態８によるセンサアレ
イ構成の上面図である。

【図１１】 従来のセンサアレイの配置を示した上面図
である。

【図１２】 従来のセンサの上面図、断面図である。

【符号の説明】

１ 検知部、 ２ 基板、 ３ 支持脚、 ４
空隙、 ５ 基体層、５ａ 基体層の下層、 ５ｂ
基板層の上層、 ６ 導電層、７ 検知層、 ８
接続部、 ９ 溶解層、 １０ 開口向上層、１
１ 吸収層、 １２ 基板除去孔、 １３ 保護
層、２０ 基板接続部、 ２１ 基板電気接続部。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に設けられ、外部からの信号を検
   知する検知部を支持し、該検知部で検知した信号を外部
   へ取り出すための導電部を備えた支持部を有するセンサ
   において、前記基板面の法線方向に矩形状に蛇行して形
   成された前記支持部により、前記検知部と前記基板とを
   断熱したことを特徴とするセンサ。
2. 【請求項２】 検知部が基板の上方に配置されることを
   特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 【請求項３】 検知部が支持部の上方に配置されること
   を特徴とする請求項２に記載のセンサ。
4. 【請求項４】 検知部が基板の略同一面内に配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
5. 【請求項５】 少なくとも検知部の下方の基板に該検知
   部の領域に相当する溝を有し、支持部が基板の深さ方向
   に配置されることを特徴とする請求項１に記載のセン
   サ。
6. 【請求項６】 支持部及び検知部が形成される領域の基
   板に溝が形成されることを特徴とする請求項５に記載の
   センサ。
7. 【請求項７】 検知部に信号吸収部をさらに備えたこと
   を特徴とする請求項１に記載のセンサ。
8. 【請求項８】 基板上に設けられ、外部からの信号を検
   知するための検知部と、その一部が基板に接続されて前
   記検知部で検知された信号を外部に取り出す導電部とを
   備えたセンサが、２次元アレイ状に複数個配設されたセ
   ンサアレイにおいて、前記導電層が隣接するセンサ、あ
   るいはさらに離れた場所のセンサ部で基板に接続される
   ことを特徴とするセンサアレイ。
9. 【請求項９】 １個のセンサが複数の導電部を有し、該
   複数の導電部のうち少なくとも１つが導電性を有する基
   板に電気的に接続されることを特徴とする請求項８に記
   載のセンサアレイ。