(57)【要約】【課題】熱雑音の発生を抑制できる赤外線検知素子を提供する。【解決手段】基板１と、赤外線吸収部２と、赤外線吸収部２と基板１とを接続する２本の梁３と、梁３の上に設けられ、第１の物質であるｎ型ポリＳｉ膜４ｂと、ｎ型ポリＳｉ膜４ｂより導電率が小さい第２の物質であるｐ型ポリＳｉ膜４ａからなる少なくとも２本のサーモパイル４とを具備し、ｐ型ポリＳｉ膜４ａからなるサーモパイル４の断面積が、ｎ型ポリＳｉ膜４ｂからなるサーモパイル４の断面積に比べて大きく、赤外線検知素子の中央部に近い位置に、ｐ型ポリＳｉ膜４ａからなるサーモパイル４を配置し、このｐ型ポリＳｉ膜４ａからなるサーモパイル４の外側に、ｎ型ポリＳｉ膜４ｂからなるサーモパイル４を配置した構成。【選択図】    図１
2006023216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
赤外線吸収部と、
前記赤外線吸収部と前記基板とを接続する少なくとも１本の梁と、
前記梁の上に設けられ、第１の物質と、前記第１の物質より導電率が小さい第２の物質からなる少なくとも２本のサーモパイルと、
を具備する赤外線検知素子において、
前記第２の物質からなるサーモパイルの断面積を、前記第１の物質からなるサーモパイルの断面積に比べて大きくしたことを特徴とする赤外線検知素子。
【請求項２】
前記赤外線検知素子の中央部に近い位置に、前記第２の物質からなるサーモパイルを配置し、
前記第２の物質からなるサーモパイルの外側に、前記第１の物質からなるサーモパイルを配置したことを特徴とする請求項１記載の赤外線検知素子。
【請求項３】
前記第１の物質がｎ型ポリシリコン、前記第２の物質がｐ型ポリシリコンであることを特徴とする請求項１または２記載の赤外線検知素子。
【請求項４】
前記第２の物質からなるサーモパイルの幅を、前記第１の物質からなるサーモパイルの幅に比べて大きくしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の赤外線検知素子。
【請求項５】
前記第２の物質からなるサーモパイルの高さを、前記第１の物質からなるサーモパイルの高さに比べて大きくしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の赤外線検知素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線を検知する赤外線検知素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上の中央部上面に赤外線吸収部を有し、サーモパイルが梁上に形成されたサーモパイル型赤外線検知素子が、例えば下記特許文献１に記載されている。なお、赤外線吸収部は、Ｌ字型に屈曲した梁により基板に対して支持され、赤外線吸収部と基板とは熱分離構造となっている。また、赤外線吸収部にて赤外線を吸収し、赤外線を一旦熱に変換した後、受光部と基板との温度差による起電力などとして出力を取り出すようになっている。  
このような赤外線検知素子においては、感度向上と断熱向上を同時に達成させるために、サーモパイルは、ｐ型ポリシリコンおよびｎ型のポリシリコン（以下、ポリシリコンは、ポリＳｉと記す）によって形成されることが多い。
【０００３】
【特許文献１】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】
【０００４】
従来の赤外線検知素子では、サーモパイルを構成するｐ型ポリＳｉ膜およびｎ型ポリＳｉ膜は、同じ断面積で形成されていた。したがって、導電率が小さく、電気抵抗が高いｐ型ポリＳｉの断面積がｎ型ポリＳｉの断面積と同じであるために、熱雑音を上昇させる要因となっていた。  
本発明は、熱雑音を低減できる赤外線検知素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は、基板と、赤外線吸収部と、赤外線吸収部と基板とを接続する少なくとも１本の梁と、梁の上に設けられ、第１の物質と、第１の物質より導電率が小さい第２の物質からなる少なくとも２本のサーモパイルとを具備し、第２の物質からなるサーモパイルの断面積を、第１の物質からなるサーモパイルの断面積に比べて大きくした構成となっている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、熱雑音を低減できる赤外線検知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】
【０００７】
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１〜図４を用いて本発明の実施の形態１について説明する。  
図１（ａ）〜（ｅ）および図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１の赤外線検知素子の構造を説明する図である。  
図１（ａ）〜（ｅ）は本実施の形態１の構造を示し、図２（ａ）〜（ｄ）は本実施の形態１の構造と比較して説明するための、ポリＳｉ膜からなる２本のサーモパイルの断面積が同じ構造を示す図である。図２（ａ）は赤外線検知素子の上面図、（ｂ）、（ｃ）は斜視図、（ｄ）は主に赤外線検知素子の梁の上面図、（ｅ）は振動した際の梁の側面図である。
【０００８】
図において、１は例えばＳｉ等からなる基板、２は赤外線吸収部（すなわち、赤外線検知部。受光部）、３は梁、４は２本のポリＳｉ膜から構成されるサーモパイル、４ａはｐ型ポリＳｉ膜、４ｂはｎ型ポリＳｉ膜である。  
図１に示すような本実施の形態１の赤外線検知素子は、基板１と、赤外線吸収部２と、赤外線吸収部２と基板１とを接続する少なくとも１本の梁３と、梁３の上に設けられ、第１の物質（導電物質）であるｎ型ポリＳｉ膜４ｂと、ｎ型ポリＳｉ膜４ｂより導電率が小さい第２の物質であるｐ型ポリＳｉ膜４ａからなる少なくとも２本のサーモパイル４とを具備し、ｐ型ポリＳｉ膜４ａからなるサーモパイル４の断面積を、ｎ型ポリＳｉ膜４ｂからなるサーモパイル４の断面積に比べて大きくしてある。なお、ｐ型ポリＳｉ膜４ａからなるサーモパイル４の幅を、ｎ型ポリＳｉ膜４ｂからなるサーモパイル４の幅に比べて大きくしてある。また、赤外線検知素子の中央部に近い位置に、ｐ型ポリＳｉ膜４ａからなるサーモパイル４を配置し、このｐ型ポリＳｉ膜４ａからなるサーモパイル４の外側に、ｎ型ポリＳｉ膜４ｂからなるサーモパイル４を配置している。
【０００９】
梁３は、ここでは２本設けられ、基板１に対して中央の赤外線吸収部２を２本のＬ字型の梁３で支えている。  
中央に位置する赤外線吸収部２の断熱性向上のため、赤外線吸収部２の直下のＳｉ基板１の一部をマイクロマシン技術等を用いて除去し、基板１の上面に空隙（熱分離領域）を形成することにより、赤外線吸収部４はＳｉ基板１から離されている。中央の赤外線吸収部２は、ここでは２本の梁３で支えられている。図１（ｄ）に示すように、１本の梁３上には、赤外線吸収部４に近い内側に、幅の広いｐ型ポリＳｉ膜４ａが配置され、外側にはｐ型ポリＳｉ膜４ａより幅が狭いｎ型ポリＳｉ膜４ｂが配置されている。この４本のポリＳｉ膜４ａ、４ｂは互いに直列に接続されてサーモパイルを構成している。
【００１０】
ｐ型ポリＳｉの導電率は、ｎ型ポリＳｉの導電率に比べて小さい。すなわち、キャリア移動度は、ｎ型＞ｐ型、電気抵抗は、ｎ型＜ｐ型である。  
図２（ａ）に示すように、サーモパイル４を構成するｐ型ポリＳｉ膜４ａおよびｎ型ポリＳｉ膜４ｂが同じ断面積で形成されている場合、ｐ型ポリＳｉの電気抵抗が高くなり、大きな熱雑音を発生させてしまう。本実施の形態１では、図１（ｄ）に示すように、ｐ型ポリＳｉ膜４ａの断面積を、ｎ型ポリＳｉ膜４ｂの断面積に比べて大きくしてあるので、梁３の熱抵抗を変えずに、ｐ型ポリＳｉの電気抵抗を低減でき、大きな熱雑音の発生を抑制することができる。
【００１１】
また、中央に赤外線吸収部４を持ち、それをＬ字型に屈曲した梁３で支える構造を有するサーモパイル型赤外線検知素子では、赤外線吸収部４の面と垂直方向に加速度が加わった場合に、図１（ｂ）に示すように、Ｚ軸プラス方向に加速度が印加された場合、（ｃ）に示すように、（Ａ）赤外線吸収部２のメンブレンに慣性によってＺ軸マイナス方向（図中下方向）の力が加わる。その場合、（Ｂ）Ｌ字型に屈曲している梁３には、Ｘ方向の曲げ応力と同時にねじり応力が加わる。特に、赤外線吸収部４に近い内側は図２（ａ）、（ｂ）に示すように外側に比べて大きな応力が印加され、図２（ｄ）に示すように大きく変形する。図２（ａ）において、梁３におけるねじり振動は、一点鎖線Ｃ１を中心に（ｂ）のように振動するが、赤外線吸収部４が接続されている内側により大きな応力が加わる。
【００１２】
図１（ｄ）、図２（ａ）、（ｃ）、（ｄ）において、Ａ、Ａ’側は赤外線吸収部２と梁３とを接続する接点、Ｂ、Ｂ’側は梁３と基板１とを接続する接点、図２（ｃ）、（ｄ）において、Ｌは梁３の長さ、ａは梁３の幅である。  
次に、図３、図４を用いて作用を説明する。図２に示すＬ型に屈曲した梁３を有する赤外線検知素子では、図中Ｚ軸方向に加速度が加わると慣性の法則により梁３にねじり力が加わる。特に、図３に示すように梁３の内側の屈曲部に近いところには大きなねじり力が加わる。そこで、本実施の形態１では、図４に示すように内側のｐ型ポリＳｉ膜４ａの幅を外側のｎ型ポリＳｉ膜４ｂよりも広くして梁３の剛性を向上させている。  
一般的に、サーモパイル型赤外線検知素子の感度Ｒは、
Ｒ＝ｎ×α×Ｒｔｈ×ｈ  …（式１）
で表される。ここで、ｎは対数、αはゼーベック係数、Ｒｔｈは梁３の合成熱抵抗、ｈは赤外線吸収率である。  
また、サーモパイルの電気抵抗に起因する熱雑音Ｖｎは、
Ｖｎ＝（４×ｋ×Ｔ×Ｒ×Δｆ）１／２  …（式２）
で表される。ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｒはサーモパイルの電気抵抗、Δｆは周波数帯域である。  
式１から梁３の合成熱抵抗Ｒｔｈを変えなければ感度には変化が無いことが判る。すなわち、ｐ型ポリＳｉ膜４ａの幅を大きくした分、ｎ型ポリＳｉ膜４ｂの幅を小さくすれば感度を維持することが可能である。一方、ｐ型ポリＳｉは正孔をキャリアとしているため、前述のようにキャリア移動度が小さく、導電率が低い。言い換えると電気抵抗が大きい。一方、ｎ型ポリＳｉは電子をキャリアとしているため、キャリア移動度が大きく、導電率が高い。言い換えると電気抵抗が小さい。ｎ型ポリＳｉの電気抵抗は、ｐ型ポリＳｉの約１／３〜１／５である。よって、式２から同じ断面積（ここでは幅）で比較すると、ｐ型ポリＳｉで発生する熱雑音の方がｎ型ポリＳｉで発生する熱雑音よりも大きい。したがって、ｐ型ポリＳｉの幅を大きくして電気抵抗を下げることでサーモパイル全体の熱雑音を下げることが可能になる。上記のことから、ｐ型ポリＳｉ膜４ａを梁３の内側に配置して幅をｎ型ポリＳｉ膜４ｂよりも大きくすることによって梁３の剛性向上と熱雑音低減の両方を一度に達成することができる。
【００１３】
以上のように、導電率の小さい導電物質、ここではｐ型ポリＳｉ膜４ａからなるサーモパイル４の断面積を大きくして、赤外線検知素子の中央部に近い内側に配置し、該ｐ型ポリＳｉ膜４ａの外側にｎ型ポリＳｉ膜４ｂを配置したので、以下の効果が期待できる。（１）梁３の熱抵抗を変えずに電気抵抗を減らすことができる。（２）加えて、幅の大きいｐ型ポリＳｉ膜４ａを内側に配置することで、梁３のねじり剛性が高くなるため、熱分離構造全体の共振周波数が高くなり、例えば車両等に設置した場合、振動によって破壊する可能性が低くなる。
【００１４】
実施の形態２
本発明の実施の形態２を図５に示す。本実施の形態２は、ｐ型ポリＳｉ膜４ａの断面積を増加させるのに、幅ではなく厚みを増すことで達成した例である。すなわち、ｐ型ポリＳｉ膜４ａからなるサーモパイル４の高さを、ｎ型ポリＳｉ膜４ｂからなるサーモパイル４の高さに比べて大きくしてある。この例は、製作プロセスが若干複雑になるが、パターンレイアウトを一切変更することなく達成できるので、梁３の幅が小さく、ｐ型ポリＳｉ膜４ａの幅を大きくすることが困難な場合などに有効となる。
【００１５】
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、サーモパイル４は梁３上に２本形成した例を示したが、もっと多数本形成することも可能である。また、ｐ型ポリＳｉ膜４ａからなるサーモパイル４の幅、高さの両方を、ｎ型ポリＳｉ膜４ｂからなるサーモパイル４の幅、高さに比べて大きくしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１の赤外線検知素子の構造を説明する図である。
【図２】本発明の実施の形態１の赤外線検知素子の構造を説明する図である。
【図３】本実施の形態１の作用を説明する図である。
【図４】本実施の形態１の作用を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態２の赤外線検知素子の構造を説明する図である。
【符号の説明】
【００１７】
１…基板                            ２…赤外線吸収部
３…梁                              ４…サーモパイル
４ａ…ｐ型ポリＳｉ膜                ４ｂ…ｎ型ポリＳｉ膜
【図１】
2006023216.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006023216.tif 000006
【図５】
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