(57)【要約】【課題】感度を保ちつつ、曲げ応力とねじれ応力の両方を含めて支持梁の機械的強度を大きくできる赤外線検出素子を提供する。【解決手段】基枠１と、基枠１に囲まれて配置された赤外線を受光する受光部２と、受光部２と基枠１とを連結する屈曲点１２を有する支持梁３と、受光部２と支持梁３とを接合する温点接合部４と、基枠１と支持梁３とを接合する冷点接合部５と、受光部２の温度上昇を検出する温度上昇検出部６とを有する赤外線検出素子において、基枠１の内側の形状を長方形とした。【選択図】    図１
2006064604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基枠と、
前記基枠に囲まれて配置された赤外線を受光する受光部と、
前記受光部と前記基枠とを連結する少なくとも一つの屈曲点を有する支持梁と、
前記受光部と前記支持梁とを接合する温点接合部と、
前記基枠と前記支持梁とを接合する冷点接合部と、
前記受光部の温度上昇を検出する温度上昇検出部と
を有する赤外線検出素子において、
前記基枠の内側の形状を長方形としたことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項２】
前記支持梁は、前記温点接合部から前記屈曲点までの第一の梁と、
前記支持梁中の前記第一の梁を除いた部分である第二の梁から構成され、
前記第一の梁の長さが前記第二の梁の長さよりも短いことを特徴とする請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
前記支持梁を２本有し、前記受光部は長方形で、前記温点接合部は前記受光部のそれぞれ短辺に位置することを特徴とする請求項１または２記載の赤外線検出素子。
【請求項４】
前記温点接合部は、前記受光部の前記第一の梁に近い方の短辺であって、前記第二の梁と平行な中心線について、前記屈曲点と反対側にある前記短辺の端部に位置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の赤外線検出素子。
【請求項５】
前記温点接合部は、前記受光部の前記第一の梁に近い方の短辺の中央部に位置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の赤外線検出素子。
【請求項６】
前記温点接合部は、前記受光部の前記第一の梁に近い方の短辺の中央部と、前記第二の梁と平行な中心線について、前記屈曲点と反対側にある前記短辺の端部との間に位置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の赤外線検出素子。
【請求項７】
前記温度上昇検出部はサーモパイルからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の赤外線検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線を検出する赤外線検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーモパイルを用いた熱型赤外線検出素子は、基板上の基枠内に、受光した赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収体を有する受光部と、受光部を支持する支持梁と、支持梁と受光部を接合する温点接合部と、支持梁と基板とを接合する冷点接合部と、支持梁の内部にＰ型ポリシリコン（Ｓｉ）とＮ型ポリシリコンを用いて形成され、発生した熱量に基づいて起電力を発生するサーモパイルから構成される。このような赤外線検出素子では、赤外線吸収体の発熱により温度が上昇する受光部と基板との間が熱的に分離されている。サーモパイルは温点接合部と冷点接合部との温度差に応じて電気信号を端子から出力する。
【０００３】
このような赤外線検出素子の感度（起電力）Ｒは、次式（１）で表すことができる。  
Ｒ＝ｎ×（αｐ＋αｎ）×Ｒｔｈ×Ａ×Ｐ      …（１）
ここで、ｎはサーモカップルの対数、αｐ、αｎはそれぞれＰ型ポリシリコン、Ｎ型ポリシリコンのゼーベック係数、Ｒｔｈは赤外線検出素子全体の熱抵抗、Ａは開口率、Ｐは赤外線検出素子に入射する赤外線の強度である。  
受光部からの放熱はほとんど支持梁を通してのみ行われるので、熱抵抗値Ｒｔｈは、次式（２）のように表すことができる。  
Ｒｔｈ＝Ｌ／（κ×Ｗ×Ｈ）…（２）
ここで、Ｌ、Ｗ、Ｈはそれぞれ、支持梁の長さ、幅、高さである。κは支持梁の熱伝導係数である。  
感度を向上するためには、（１）、（２）式から、支持梁の熱抵抗Ｒｔｈを大きくすることと、開口率Ａを大きくすることが上げられる。つまり、受光部から放熱される熱量を減らし、吸収できる光の量を増やせばよい。支持梁を細くすることにより感度を上げる従来技術が、下記特許文献１に記載されている。
【０００４】
しかし、熱抵抗を上げるには支持梁を長く、細く、薄くすればよいが、そうすると機械的強度が低下するので、できるだけ機械的強度を損なわないことが重要な問題となっている。  
そこで例えば、受光部を支えている支持梁の機械的強度を上昇させるために、下記特許文献２に記載されているように、支持梁内に形成されたサーモパイルの断面の高さ／幅のアスペクト比を１以上とすることで、支持梁の曲げ応力に対する強化の提案がなされている。
【０００５】
【特許文献１】特表平７−５０８０９５号公報
【特許文献２】特開２０００−１１１３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のように赤外線検出素子の感度を上げるためには、受光部と基板との熱分離性を良くするため、支持梁を長く細く薄くすればよい。しかしながら、支持梁の機械的強度を上げるために、その逆に、支持梁を短く太く厚くする方がよい。このように赤外線検出素子の感度と機械的強度とは、全くの逆の方向に向うため、実際上は互いのトレードオフで支持梁の寸法を決定する。  
上記従来の技術では、支持梁には曲げ応力に対する強化方法は述べられているが、支持梁が例えばＬ字型等の少なくとも一つの屈曲点を有する折れ曲がった形状である場合は、ねじれ応力に対しても強化を行わなければならないという問題がある。  
本発明の目的は、感度を保ちつつ、曲げ応力とねじれ応力の両方を含めて支持梁の機械的強度を大きくすることができる赤外線検出素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、基枠に囲まれて配置された赤外線を受光する受光部と基枠とを連結する少なくとも一つの屈曲点を有する支持梁と、受光部と支持梁とを接合する温点接合部と、基枠と支持梁とを接合する冷点接合部と、受光部の温度上昇を検出する温度上昇検出部とを有し、基枠の内側の形状を長方形としたという構成になっている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、感度を保ちつつ、曲げ応力とねじれ応力の両方を含めて支持梁の機械的強度を大きくすることができる赤外線検出素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。  
実施の形態１
図３は、片持ち梁の振動の様子を示す図である。図３において、１００は梁、１０１は梁１００の固定端、１０２は梁１００の自由端、１０３は梁１００の自由端１０２に設けたおもり、１０４は振動である。  
前述のように熱型赤外線検出素子は、受光部を基板と熱分離するため、基板の上面に凹部が形成され、受光部が支持梁で支えられた中空構造をしている。このため、支持梁は、曲げ応力、ねじれによるせん断応力がかかると変形し、一種のばねとして働く。図３に、ばねの一例として、梁１００の端部の一方が固定端１０１、もう一方がおもり１０３が負荷された自由端１０２のような構造の片持ち梁１００の様子が示される。片持ち梁１００の機械的強度が高ければ高いほど、ばね定数Ｋが上がり変形しにくくなる。一般に、梁全体の剛性を高めるには、ばね定数Ｋを大きくする。これにより、振動に対しても衝撃に対しても強くなる。梁のばね定数Ｋを上げるには、梁を短く太く厚くすればよい。熱型赤外線検出素子において、支持梁を梁１００、受光部をおもり１０３と考えれば、図３の構造と近似することができる。
【００１０】
《構造》
〈平面構造〉
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１の赤外線検出素子の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の赤外線検出素子のＡ−Ａ’切断線における断面図である。以下、図１（ａ）、（ｂ）を用いて、本実施の形態の赤外線検出素子の構造について説明する。  
図１（ａ）において、１は基枠、２は基枠１に囲まれて配置された赤外線を受光する受光部、３は受光部２と基枠１とを連結する支持梁、１２は支持梁３の屈曲点（屈曲点１２は支持梁３において少なくとも一つ）、４は受光部２と支持梁３とを接合する温点接合部、５は基枠１と支持梁３とを接合する冷点接合部、３ａは温点接合部４から屈曲点１２までの第一の梁、３ｂは支持梁３中の第一の梁３ａを除いた部分である第二の梁、６は受光部２の温度上昇を検出するサーモパイルからなる温度上昇検出部、７は温度上昇検出部６を構成するＰ型ポリＳｉ膜、８は温度上昇検出部６を構成するＮ型ポリＳｉ膜、９はアルミ配線、１０は出力端子である。  
図１（ｂ）において、２１は基板、２５は基板２１に設けられた四角錐状の空隙、１１は空隙２５を形成するときのエッチング孔、２２は窒化膜、２３は酸化膜、２４は保護膜、２６は赤外線吸収膜である。
【００１１】
本実施の形態１は、Ｌ字型の２本の支持梁３で受光部２を支えている構造の例である。まず、図１（ａ）を用いて赤外線検出素子の平面構造について説明する。基枠１の内側の形状は、長方形をしている。受光部２も長方形をしている。基枠１の長方形状をした内側と、２本の支持梁３および受光部２とは、受光部２を基板２１から熱分離するために基板上面内部を除去するためのエッチング孔１１を介して分離されている。支持梁３は、温点接合部４にて受光部２と接続され、冷点接合部５にて基板２１と接続されており、受光部２からの熱の流れはほとんど支持梁３を通してのみとなる。また、支持梁３は屈曲点１２のところでＬ字型に折れ曲がっており、受光部２に接続され、温点接合部４から屈曲点１２までが第一の梁３ａ、基枠１に接続され、支持梁３中の第一の梁３ａを除いた部分が第二の梁３ｂである。第一の梁３ａの長さは第二の梁３ｂの長さよりも短い。温点接合部４は、受光部２の短辺側にある。温点接合部４は、受光部２の第一の梁３ａに近い方の短辺であって、第二の梁３ｂと平行な中心線Ｃ１について、屈曲点１２と反対側にある短辺の端部に位置するように配置する。支持梁３には、受光部２の温度上昇を検出するための温度上昇検出部を構成するサーモパイルとしてＰ型ポリＳｉ膜７、Ｎ型ポリＳｉ膜８が形成されている。  
Ｐ型、Ｎ型それぞれのポリＳｉ膜７、８は、支持梁３の長手方向に平行に配置形成され、電気的にはＰＮＰＮの順で、受光部２内のアルミ配線９と基枠１内のアルミ配線６によって直列に接続されている。出力端子１０は、赤外線検出素子の電気信号を外部に出力する端子である。
【００１２】
〈断面構造〉
次に、図１（ａ）を用いて赤外線検出素子の断面構造について説明する。  
受光部２および支持梁３の底面には、窒化膜２２が形成されており、各々の上に形成される膜を支持している。支持梁３においては、窒化膜２２の上にサーモパイルであるＰ型ポリＳｉ膜７、Ｎ型ポリＳｉ膜８が形成され、両ポリＳｉ膜７、８の上にはアルミ配線６、９と絶縁分離するために酸化膜２３が形成されている。さらに、その上にはプラズマＳｉＮ膜などからなる保護膜２４が形成されている。受光部２では、最上層にＡｕ−Ｂｌａｃｋからなる赤外線吸収膜２６がある。また、基板２１は、このエッチング孔１１を通してヒドラジンなどのアルカリ系エッチング液によって除去されて、（１１１）面が露出した四角錐状の空隙２５が形成され、これによって受光部２、支持梁３の基板２１からの熱分離が実現される。
【００１３】
《温度検出動作》
次に、図１（ａ）、（ｂ）に示した赤外線検出素子による温度検出動作について説明する。  
赤外線検出素子に入射する赤外線は、赤外線吸収膜２６によって吸収され、熱に変換されて、受光部２、温点接合部４の温度が上昇する。この結果、温点接合部４と基板２１内の冷点接合部５との間に、吸収した赤外線の量に応じた温度差が生じ、ゼーベック効果により、式（１）に記した値の起電力が生じ、出力端子１０から出力される。
【００１４】
次に、図２を用いて、前述した図３における片持ち梁のばねモデルとの対応について説明する。図２は、Ｌ字型の支持梁の振動の様子を示す図である。  
図３における梁１００に負荷されるおもり１０３は受光部２に、自由端１０２は温点接合部４に、梁１００は支持梁３に、固定端１０１は冷点接合部５に対応する。受光部２は、支持梁３に対して質点として働くと考えると、
本実施の形態１におけるＬ字型の支持梁３の一本あたりのばね定数Ｋは、式（３）のように表すことができる。  
【００１５】
【数３】
2006064604.tif 000003
Ｅは支持梁３を構成する物質のヤング率、Ｉは支持梁３の断面２次モーメント、Ｌａは第一の梁３ａの長さ、Ｌｂは第二の梁３ｂの長さ、Ｇはせん断弾性係数、ＩＰは支持梁３の断面２次極モーメント、Ｗは支持梁３の断面の幅、Ｈは支持梁３の断面の高さである。当然のことながら、曲げ剛性ＥＩとねじり剛性ＧＩＰが大きいほど、支持梁３は硬く剛性が高くなり、ばね定数Ｋが上昇する。支持梁３の内部にはＳｉ膜７、８からなるサーモパイルが、支持梁３の長手方向に平行に配置されているので、曲げに対して非常に強化された構造となっている。一方、ねじりについては特に強化されていない。そのため、式（３）に示す曲げ剛性ＥＩとねじり剛性ＧＩＰとの間に大きな差異が生じる。
【００１６】
以上述べてきたように、赤外線検出素子の感度は、支持梁３の断面が一定の場合、式（１）、（２）に示すように支持梁３の全長Ｌと開口率Ａとの積に比例する。一方、支持梁３の強度、つまり支持梁３のばね定数Ｋは、式（３）で表され、支持梁３の第一の梁３ａと第二の梁３ｂの長さによって変化する。さらに、支持梁３に負荷される質量Ｍは、受光部２の開口面積に比例する。  
強い（強度の高い）梁とは、剛性が高く、ばね定数Ｋが大きいことが条件であるが、負荷される質量Ｍによっても決定される。つまり、Ｋ／Ｍが素子としての強度である。  
感度Ｒを保ちつつ、支持梁３の強度をいかに上昇させるかの具体的な値について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態１の赤外線検出素子の寸法の一例を示す平面図である。  
前述のように、支持梁３の曲げ剛性ＥＩとねじり剛性ＧＩＰには大きな差異がある。例えば（１／３ＥＩ））と（１／ＧＩＰ）との比が１：１０の違いがある場合において、
（Ａ）基枠１の内側の形状が長方形で、その面積Ｘが１００００μｍ２、基枠１の内側の横辺の長さｘａが７１μｍ、縦辺の長さｘｂが１４１μｍ、エッチング孔１１の幅Ｗｅが４μｍ、支持梁３の幅Ｗが５μｍ、第一の梁３ａの長さＬａが４９μｍ、第二の梁３ｂの長さＬｂが１３７μｍ、受光部２の横辺の長さｓａが４５μｍ、縦辺の長さｓｂが１１５μｍの場合は、
（Ｂ）基枠１の内側の形状が正方形で、その面積Ｘが１００００μｍ２、基枠１の内側の横辺の長さｘａ、縦辺の長さｘｂが１００μｍ、エッチング孔１１の幅Ｗｅが４μｍ、支持梁３の幅Ｗが５μｍ、第一の梁３ａの長さＬａが７８μｍ、第二の梁３ｂの長さＬｂが９６μｍ、受光部２の横辺の長さｓａが７４μｍ、縦辺の長さｓｂが７４μｍとした場合に比べて、表１に示すような特性となる。表１は、赤外線検出素子の基枠１の内側の面積Ｘを一定にした場合の、基枠１の内側の形状を長方形と正方形にした場合の特性を比較した一例を示す表である。  
【００１７】
【表１】
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表１に示すように、受光部２の面積Ｓは、（Ｂ）では５４７６μｍ２、支持梁３の全長（Ｌａ＋Ｌｂ）は１７４μｍである。これに対して、（Ａ）における（Ｂ）からのアップ率は、受光部２の面積Ｓは０．９倍、支持梁３の全長は１．１倍、感度Ｒは１．０倍、ばね定数Ｋは１．２倍と２０％の上昇、強さは１．３倍と３０％の上昇となった。
【００１８】
このように基枠１の内側の面積を変えず、縦横比（ｘｂ／ｘａ）を約２とした（Ａ）の長方形の方が、（Ｂ）の正方形に比べ、ばね定数Ｋ、強さの値が大きくなる。なお、感度Ｒは同じである。このように基枠１の内側の形状を長方形にすることで、正方形に比べ感度を保ちながら支持梁３の強度を上昇させることができる。
【００１９】
以上説明したように本実施の形態１では、基枠１と、基枠１に囲まれて配置された赤外線を受光する受光部２と、受光部２と基枠１とを連結する少なくとも一つの屈曲点１２を有する支持梁３と、受光部２と支持梁３とを接合する温点接合部４と、基枠１と支持梁３とを接合する冷点接合部５と、受光部２の温度上昇を検出する温度上昇検出部６とを有する赤外線検出素子において、基枠１の内側の形状を長方形とした。これにより長方形の横辺と縦辺を最適な縦横比にすることで、Ｌ字型に折れ曲がった支持梁３の屈曲点１２の位置を支持梁３の強度についても感度Ｒについても最適な位置に置くことができる。その結果、支持梁３のばね定数を大きくすることができ、支持梁３の強度を上昇させることができる。このように、感度を保ちつつ、曲げ応力、ねじれ応力の両方を含めて支持梁３の強化を行い、固有振動数を大きくすることができる赤外線検出素子を提供できる。
【００２０】
また、支持梁３は、温点接合部４から屈曲点１２までの第一の梁３ａと、支持梁３中の第一の梁３ａを除いた部分である第二の梁３ｂから構成され、第一の梁３ａの長さが第二の梁３ｂの長さよりも短くなっている。このように第一の梁３ａの長さを第二の梁３ｂより短くしたことにより、第二の梁３ｂに負荷されるねじりトルクを軽減することができる。  
また、支持梁３を２本有し、受光部２は長方形で、温点接合部４は受光部２のそれぞれ短辺に位置している。赤外線検出素子には、製造プロセスにおける熱処理等の工程において、窒化膜２２、酸化膜２３、保護膜２４の間の残留応力が発生し、この残留応力により受光部２の膜の反りが発生する。そのため、２本の支持梁３によって受光部２の長方形の２つの短辺をそれぞれ支持することによって長方形の受光部２の膜内の反りを、長辺で支える場合よりも軽減することができる。その結果、受光部２の反りによる実質的な受光面積の減少分を抑制することができる。  
また、温点接合部４は、受光部２の第一の梁３ａに近い方の短辺であって、第二の梁３ｂと平行な中心線Ｃ１について、屈曲点１２と反対側にある短辺の端部に位置している。これにより、受光部２を長方形にした場合に取り得る最大の支持梁３の熱抵抗を得ることができる。
【００２１】
さらに、温度上昇検出部１３はサーモパイルからなるので、サーモパイルによって赤外線のエネルギーを電気信号に変換することができる。なお、支持梁３内には、Ｐ型ポリＳｉ膜７、Ｎ型ポリＳｉ膜８からなるサーモパイルが配置されている。この構造によりに支持梁３は曲げ応力に対して非常に強化されることになる。
【００２２】
実施の形態２
図５は、本発明の実施の形態２の赤外線検出素子の平面図である。  
上記実施の形態１においては、温点接合部４は、受光部２の短辺の支持梁３の屈曲点１２とは逆側の部分の端部に位置するよう配置していたが、別の位置でもよい。本実施の形態２では、温点接合部４は、受光部２の第一の梁３ａに近い方の短辺の中央に位置している。すなわち、受光部２の中心線Ｃ１が通る位置に配置する。その他の構造については、実施の形態１と同じであるので説明は省略する。  
受光部２は、温点接合部４を介して支持梁３によって支えられているため、支持梁３から引っ張りの力を受ける。支持梁３は２本あるため、２つの方向に引っ張り力を受けることによって受光部２を回転させようとする力が働く。  
２本の支持梁３の２つの温点接合部４を短辺の中央部にそれぞれ置くことによって、２本の支持梁３から受光部２にかかる引っ張り力による受光部２を回転させようとするモーメントは打ち消しあい、受光部２が平面内で回転することを抑制でき、温点接合部４以外で支持梁３や基板２１に当たることを回避することができる。
【００２３】
実施の形態３
図６は、実施の形態３の赤外線検出素子の平面図である。  
本実施の形態３では、温点接合部４を、受光部２の第一の梁３ａに近い方の短辺の中央部と、第二の梁３ｂと平行な中心線Ｃ１について、屈曲点１２と反対側にある短辺の端部との間に位置している。その他の構造については、実施の形態１と同じであるので説明は省略する。  
本実施の形態３では、受光部２の短辺の中央部から短辺の端部までの位置に２本の支持梁３との温点接合部４を設けることで、実施の形態２のような短辺の中央部に温点接合部４がある場合よりも、支持梁３の長さを長くすることができ、熱抵抗を高くすることができる一方で、２本の支持梁３から受光部２にかかる引っ張り力による回転モーメントを実施の形態１のような短辺の端部に位置する場合よりも軽減することができる。つまり、受光部２が２本の支持梁３から受ける引っ張り力により回転する力を抑えつつ、第一の梁３ａの長さを長くすることで感度の増加を図ることができる。
【００２４】
なお、以上説明した実施の形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施の形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、本実施の形態では、支持梁３の屈曲部１２は１個で構成したが、複数個あっても効果を奏することができる。また、本実施の形態では、支持梁３の数は２本で構成したが、１本または３本以上であっても効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１の赤外線検出素子の平面図、（ｂ）は（ａ）の赤外線検出素子のＡ−Ａ’切断線における断面図である。
【図２】Ｌ字型の支持梁の振動の様子を示す図である。
【図３】片持ち梁の振動の様子を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１の赤外線検出素子の寸法の一例を示す平面図である。
【図５】本発明の実施の形態２の赤外線検出素子の平面図である。
【図６】本発明の実施の形態３の赤外線検出素子の平面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１…基枠                          ２…受光部
３…支持梁
３ａ…第一の梁                    ３ｂ…第二の梁
４…温点接合部                    ５…冷点接合部
６…温度上昇検出部                ７…Ｐ型ポリＳｉ抵抗膜
８…Ｎ型ポリＳｉ抵抗膜            ９…アルミ配線
１０…出力端子                    １１…エッチング孔
１２…屈曲点
２１…基板                        ２２…窒化膜
２３…酸化膜                      ２４…保護膜
２５…空隙                        ２６…赤外線吸収膜
１００…梁                        １０１…固定端
１０２…自由端                    １０３…おもり
１０４…振動
【図１】
2006064604.tif 000005
【図２】
2006064604.tif 000006
【図３】
2006064604.tif 000007
【図４】
2006064604.tif 000008
【図５】
2006064604.tif 000009
【図６】
2006064604.tif 000010