(57)【要約】【課題】赤外線を精度良く検出することができる赤外線検出センサを提供する。【解決手段】本発明に係る赤外線検出センサ１００は、内部に気体が存在する第１チャンバー１０と、第１チャンバーの下方に位置し、第１チャンバーと連通し、内部に気体が存在する第２チャンバー２０と、第１チャンバー内に配置され、第１チャンバーの外部から第１チャンバーの内部に入射した赤外線ＩＲを吸収して熱に変換する赤外線吸収部１１と、第１チャンバーと第２チャンバーとの連通部４０に配置され、上下方向に撓むことが可能な片持ち梁部材４１と、第１チャンバー内であって上下方向に見て赤外線吸収部と片持ち梁部材との間の位置に配置され、赤外線を透過させない遮光部６０とを備えることを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に気体が存在する第１チャンバーと、
前記第１チャンバーの下方に位置し、前記第１チャンバーと連通し、内部に気体が存在する第２チャンバーと、
前記第１チャンバー内に配置され、前記第１チャンバーの外部から前記第１チャンバーの内部に入射した赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と、
前記第１チャンバーと前記第２チャンバーとの連通部に配置され、上下方向に撓むことが可能な片持ち梁部材と、
前記第１チャンバー内であって上下方向に見て前記赤外線吸収部と前記片持ち梁部材との間の位置に配置され、赤外線を透過させない遮光部とを備えることを特徴とする赤外線検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部を有し、該赤外線吸収部によって赤外線から変換された熱により周囲の気体の圧力が上昇することを利用して赤外線を検出する赤外線検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線吸収部によって赤外線から変換された熱により周囲の気体の圧力が上昇することを利用して赤外線を検出する赤外線検出センサとしては、例えば、特許文献１に記載の装置が知られている。特許文献１に記載の装置は、内部に気体が存在する筒状のチャンバーと、チャンバーの一方側の開口部を閉塞するエネルギー吸収膜と、チャンバーの他方側の開口部を閉塞する薄膜とを備えている。
【０００３】
特許文献１に記載の装置において、エネルギー吸収膜が赤外線等の放射エネルギーを吸収すると、放射エネルギーが熱に変換され、この熱によりチャンバー内部に存在する気体が昇温し、該気体の圧力が上昇する。気体の圧力が上昇すると、チャンバーの外側に向いた力が薄膜に加わり、チャンバーの外側へ押し出されるように薄膜が撓む。このように、特許文献１に記載の装置では、放射エネルギーの吸収によって薄膜が撓むため、薄膜の撓み量に基づいて放射エネルギーを検出することが可能である。
【０００４】
ところで、赤外線検出センサには、従来より小型化の要請がある。特許文献１に記載の装置を小型化するためには、チャンバーの開口部及び薄膜の面積を小さくする必要がある。しかし、特許文献１に記載の薄膜は、チャンバーの他方の開口部を区画する部位全体においてチャンバーに固着されている。このため、薄膜の面積を小さくすると、薄膜は撓み難くなり、赤外線を精度良く検出することができなくなる。従って、特許文献１に記載の装置を小型化することは困難である。
【０００５】
このため、本件出願人らは、例えば、特許文献２に記載のように、赤外線を精度良く検出することができ、且つ、小型化することが可能な赤外線検出センサを提案している。
【０００６】
図１は、本件出願人らが従来提案している赤外線検出センサを模式的に示す断面図である。図１に示すように、従来の赤外線検出センサ２００は、内部に気体が存在する第１チャンバー１０と、内部に気体が存在し、第１チャンバー１０と水平方向に連通する第２チャンバー２０と、内部に気体が存在し、第２チャンバー２０と上下方向に連通する第３チャンバー３０とを備えている。第１チャンバー１０内には、第１チャンバー１０の外部（上方）から第１チャンバー１０の内部に入射した赤外線ＩＲを吸収して熱に変換する赤外線吸収部１１が配置されている。第２チャンバー２０と第３チャンバーとの連通部４０には、上下方向に撓むことが可能な片持ち梁部材４１が配置されている。第２チャンバー２０の底面の所定部位、及び、第２チャンバー２０の底面の所定部位に上下方向に対向する片持ち梁部材４１の底面の所定部位には、それぞれ電極２１、４２が配置されている。
【０００７】
上記構成の赤外線検出センサ２００において、赤外線吸収部１１が赤外線ＩＲを吸収してこれを熱に変換すると、この熱により第１チャンバー１０内部に存在する気体が昇温し、該気体の圧力が上昇する。第１チャンバー１０内部に存在する気体の圧力が上昇するに伴い、第１チャンバー１０に連通する第２チャンバー２０内部に存在する気体の圧力も上昇し、片持ち梁部材４１を第３チャンバー３０に向けて押圧する上向きの力が作用することになる。この上向きの力によって片持ち梁部材４１は撓み、その撓み量は赤外線吸収部１１の赤外線吸収量に応じて変化する。このため、片持ち梁部材の撓み量を一対の電極２１、４２間の静電容量を計測することによって検出すれば、第１チャンバー１０内部に入射した赤外線ＩＲを検出すること（赤外線ＩＲが赤外線吸収部１１に吸収されたか否かや、赤外線吸収部１１での赤外線ＩＲの吸収量を検出すること等）が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第２４２４９７６号明細書
【特許文献２】特開２０１０−５４４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記従来の赤外線検出センサ２００で精度良く赤外線ＩＲを検出するには、原理上、第１チャンバー１０内部の気体の熱時定数（熱応答時間）が、隣接する第２チャンバー２０内部の気体の圧力の時定数よりも小さい必要がある。
一方、本発明者らが鋭意検討したところ、片持ち梁部材４１に上向きの力を作用させる（第３チャンバー３０内部の気体の圧力よりも第２チャンバー２０内部の気体の圧力が高くなる）ためには、第３チャンバー３０の容積を大きくしなければならないことが分かった。そして、後述するように、従来の赤外線検出センサ２００の製作工程上、第３チャンバー３０の容積を大きくすると、第１チャンバー１０の容積も大きくしなければならない。本発明者らが鋭意検討したところ、第１チャンバー１０の容積を大きくする（具体的には、第１チャンバー１０内部の高さを大きくする）と、第１チャンバー１０内部の気体の熱時定数が大きくなることが分かった。従って、従来の赤外線検出センサ２００では、前述のように第１チャンバー１０内部の気体の熱時定数が第２チャンバー２０内部の気体の圧力の時定数よりも小さくなるように設計することが、実際には極めて困難であるという問題がある。
【００１０】
以下、図２〜図４を適宜参照しつつ、従来の赤外線検出センサ２００の製作工程の例について説明する。
図２〜図４は、従来の赤外線検出センサ２００の製作工程を模式的に示す断面図である。図２は、従来の赤外線検出センサ２００の製作工程のうち、片持ち梁部材４１を具備する片持ち梁層２００Ａを製作する片持ち梁層製作工程を示す。図３は、従来の赤外線検出センサ２００の製作工程のうち、赤外線吸収部１１を具備する赤外線吸収層２００Ｂを製作する赤外線吸収層製作工程を示す。図４は、従来の赤外線検出センサ２００の製作工程のうち、片持ち梁層２００Ａ、赤外線吸収層２００Ｂ及びＩＣ基板２００Ｄを接合して赤外線検出センサ２００を製作する接合工程を示す。
【００１１】
（１）片持ち梁層製作工程
図２（ａ）に示すように、本製作工程においては、Ｓｉ基板１、ＳｉＯ２犠牲層２及びＳｉ活性層３が積層されたＳＯＩウェハを用意する。そして、まず初めに、図２（ｂ）に示すように、このＳＯＩウェハのＳｉ活性層３の適宜の箇所をエッチングすることにより、片持ち梁部材４１に相当する部位を製作する。次に、図２（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板１の適宜の箇所（片持ち梁部材４１が撓む箇所等）をエッチングし、更に、図２（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２犠牲層２の適宜の箇所をエッチングして、片持ち梁部材４１を自立させる。その後、図２（ｄ）に示すように、片持ち梁部材４１の片方の面に電極４２を形成する。以上のようにして、片持ち梁層２００Ａが製作される。
【００１２】
（２）赤外線吸収層製作工程
図３（ａ）に示すように、本製作工程においては、上下面にＳｉＯ２膜４、６を形成したＳｉ基板５を用意する。そして、まず初めに、図３（ｂ）に示すように、一方のＳｉＯ２膜６上に赤外線吸収部１１を形成し、ＳｉＯ２膜６をエッチングして赤外線吸収部１１を支持する支持部１２を形成する。また、他方のＳｉＯ２膜４もエッチングにより除去する。次に、図３（ｃ）に示すように、ＳｉＯ２膜４を除去したＳｉ基板５の下面であって、上方に赤外線吸収部１１が形成されてない箇所に、赤外線ＩＲを透過させない遮光膜（Ａｕ膜）７を形成する。次に、図３（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２膜６の適宜の箇所に接着層８を形成する。最後に、図３（ｅ）に示すように、赤外線吸収部１１近傍のＳｉ基板５をエッチングして、赤外線吸収部１１を自立させる。以上のようにして、赤外線吸収層２００Ｂが製作される。
【００１３】
（３）接合工程
図４に示すように、本製作工程においては、前述のようにしてそれぞれ製作した、片持ち梁層２００ＡのＳｉ基板１と、赤外線吸収層２００Ｂの接着層８とを対向させて、両者を接合し、接合体２００Ｃを製作する。さらに、予め電極２１や接着層９が形成されたＩＣ基板２００Ｄと、上記の接合体２００Ｃとを接合することにより、赤外線検出センサ２００が製作される。
【００１４】
図４に示すように、従来の赤外線検出センサ２００の製作工程においては、前述のようにしてそれぞれ製作した、片持ち梁層２００Ａと赤外線吸収層２００Ｂとを上下に積層することで、第３チャンバー３０及び底面を除く第１チャンバー１０が形成され、更にＩＣ基板２００Ｄを積層することで、第１チャンバー１０の底面が形成される。この第１チャンバー１０及び第３チャンバー３０の内部の高さは、双方共に、片持ち梁層２００ＡのＳｉ基板１の厚み（高さ）に依存する。このため、第３チャンバー３０の容積を大きくする（Ｓｉ基板１の厚み（高さ）を大きくする）と、これに応じて、第１チャンバー１０の容積（第１チャンバー１０の内部の高さ）も大きくせざるを得ない。従って、前述のように、従来の赤外線検出センサ２００では、第１チャンバー１０内部の気体の熱時定数が大きくなり、第１チャンバー１０内部の気体の熱時定数が第２チャンバー２０内部の気体の圧力の時定数よりも小さくなるように設計することが極めて困難である。
【００１５】
本発明は、斯かる従来技術の問題を解決するためになされたものであり、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部を有し、該赤外線吸収部によって赤外線から変換された熱により周囲の気体の圧力が上昇することを利用して赤外線を検出する赤外線検出センサであって、赤外線を精度良く検出することができる赤外線検出センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記課題を解決するため、本発明は、内部に気体が存在する第１チャンバーと、前記第１チャンバーの下方に位置し、前記第１チャンバーと連通し、内部に気体が存在する第２チャンバーと、前記第１チャンバー内に配置され、前記第１チャンバーの外部から前記第１チャンバーの内部に入射した赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と、前記第１チャンバーと前記第２チャンバーとの連通部に配置され、上下方向に撓むことが可能な片持ち梁部材と、前記第１チャンバー内であって上下方向に見て前記赤外線吸収部と前記片持ち梁部材との間の位置に配置され、赤外線を透過させない遮光部とを備えることを特徴とする赤外線検出センサを提供する。
【００１７】
本発明に係る赤外線検出センサにおいて、第１チャンバー内に配置された赤外線吸収部が第１チャンバーの外部から第１チャンバーの内部に入射した赤外線を吸収してこれを熱に変換すると、この熱により第１チャンバー内部に存在する気体が昇温し、該気体の圧力が上昇する。第１チャンバー内部に存在する気体の圧力が上昇すると、片持ち梁部材を第２チャンバーに向けて押圧する下向きの力が作用することになる。この下向きの力によって片持ち梁部材は撓み、その撓み量は赤外線吸収部の赤外線吸収量に応じて変化する。このため、片持ち梁部材の撓み量を検出すれば、第１チャンバー内部に入射した赤外線を検出すること（赤外線が赤外線吸収部に吸収されたか否かや、赤外線吸収部での赤外線の吸収量を検出すること等）が可能である。
そして、本発明に係る赤外線検出センサのように、第１チャンバーと第２チャンバーとを上下方向に配置することにより、後述のように、第１チャンバーの容積を小さくすることが可能である。第１チャンバーの容積を小さくすることができれば、第１チャンバー内部の気体の熱時定数を小さくでき、第１チャンバー内部の気体の熱時定数が第２チャンバー内部の気体の圧力の時定数よりも小さくなるように設計することが容易となる。
ここで、赤外線吸収部と片持ち梁部材との間に気体しか存在しないとすれば、第１チャンバーの上方から第１チャンバーの内部に入射した赤外線のうち、赤外線吸収部で吸収されずに赤外線吸収部を透過した一部の赤外線が、第２チャンバーに入射し、第２チャンバーの内部に存在する気体を昇温することにより、赤外線の検出感度が低下するおそれがある。また、赤外線吸収部を透過した一部の赤外線が、第２チャンバーの底面に配置され得る電極や該電極に接続された電子回路に入射して、赤外線検出センサの誤動作を引き起こすおそれもある。
しかしながら、本発明に係る赤外線検出センサは、上下方向に見て赤外線吸収部と片持ち梁部材との間の位置に配置され、赤外線を透過させない遮光部を備えるため、赤外線吸収部を透過した一部の赤外線が第２チャンバーに入射するおそれが低減し、上記のような問題が生じない。このため、精度良く赤外線を検出することが可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、赤外線を精度良く検出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、従来の赤外線検出センサを模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す従来の赤外線検出センサの製作工程のうち、片持ち梁部材を具備する片持ち梁層を製作する片持ち梁層製作工程を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、図１に示す従来の赤外線検出センサの製作工程のうち、赤外線吸収部を具備する赤外線吸収層を製作する赤外線吸収層製作工程を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、図１に示す従来の赤外線検出センサの製作工程のうち、片持ち梁層、赤外線吸収層及びＩＣ基板を接合して赤外線検出センサを製作する接合工程を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る赤外線検出センサを模式的に示す断面図である。図５（ａ）は正面視断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の矢視ＡＡ断面図である。
【図６】図６は、図５に示す赤外線検出センサの製作工程のうち、片持ち梁部材を具備する片持ち梁層を製作する片持ち梁層製作工程を模式的に示す断面図である。
【図７】図７は、図５に示す赤外線検出センサの製作工程のうち、赤外線吸収部を具備する赤外線吸収層を製作する赤外線吸収層製作工程を模式的に示す断面図である。
【図８】図８は、図５に示す赤外線検出センサの製作工程のうち、片持ち梁層、赤外線吸収層及びＩＣ基板を接合して赤外線検出センサを製作する接合工程を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
図５は、本発明の一実施形態に係る赤外線検出センサを模式的に示す断面図である。図５（ａ）は正面視断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の矢視ＡＡ断面図である。
図５に示すように、本実施形態に係る赤外線検出センサ１００は、内部に気体が存在する第１チャンバー１０と、第１チャンバー１０の下方に位置し、第１チャンバー１０と連通し、内部に気体が存在する第２チャンバー２０と、第１チャンバー１０内に配置され、第１チャンバー１０の外部（上方）から第１チャンバー１０の内部に入射した赤外線ＩＲを吸収して熱に変換する赤外線吸収部１１と、第１チャンバー１０と第２チャンバー２０との連通部４０に配置され、上下方向に撓むことが可能な片持ち梁部材４１とを備えている。赤外線吸収部１１を形成する材料としては、ブラックマトリックス用感光材料や、カーボンナノチューブなどのカーボン系材料を例示できる。
また、本実施形態に係る赤外線検出センサ１００は、第１チャンバー１０内であって上下方向に見て赤外線吸収部１１と片持ち梁部材４１との間の位置に配置され、赤外線ＩＲを透過させない遮光部（本実施形態では、赤外線ＩＲを反射するＡｕ膜）６０を備えている。
また、本実施形態に係る赤外線検出センサ１００が備える第２チャンバー２０は、第２チャンバー２０の内部を第１チャンバー１０以外の外部と連通させるためのリーク部５０を具備している。
さらに、本実施形態に係る赤外線検出センサ１００において、片持ち梁部材４１に対向する第２チャンバー２０の底面の所定部位に電極２１が配置されている。なお、本実施形態の片持ち梁部材４１は、不純物を高濃度ドープすることで抵抗率を低下させており、これにより、電極としての機能も奏する。図１に示す従来の赤外線検出センサ２００のように電極２１に対向する電極４２を片持ち梁部材４１の底面に設けないため、片持ち梁部材４１のばね定数が変化したり、電極４２による膜応力によって片持ち梁部材４１が撓むといった問題が生じない点で有利である。
【００２１】
上記構成の赤外線検出センサ１００において、赤外線吸収部１１が赤外線ＩＲを吸収してこれを熱に変換すると、この熱により第１チャンバー１０内部に存在する気体が昇温し、該気体の圧力が上昇する。第１チャンバー１０内部に存在する気体の圧力が上昇すると、片持ち梁部材４１を第２チャンバー２０に向けて押圧する下向きの力が作用することになる。この下向きの力によって片持ち梁部材４１は撓み、その撓み量は赤外線吸収部１１の赤外線吸収量に応じて変化する。このため、片持ち梁部材の撓み量を電極２１と片持ち梁部材４１との間の静電容量を計測することによって検出すれば、第１チャンバー１０内部に入射した赤外線ＩＲを検出すること（赤外線ＩＲが赤外線吸収部１１に吸収されたか否かや、赤外線吸収部１１での赤外線ＩＲの吸収量を検出すること等）が可能である。
【００２２】
以下、図６〜図８を適宜参照しつつ、本実施形態に係る赤外線検出センサ１００の製作工程について説明する。
図６〜図８は、赤外線検出センサ１００の製作工程を模式的に示す断面図である。図６は、赤外線検出センサ１００の製作工程のうち、片持ち梁部材４１を具備する片持ち梁層１００Ａを製作する片持ち梁層製作工程を示す。図７は、赤外線検出センサ１００の製作工程のうち、赤外線吸収部１１を具備する赤外線吸収層１００Ｂを製作する赤外線吸収層製作工程を示す。図８は、赤外線検出センサ１００の製作工程のうち、片持ち梁層１００Ａ、赤外線吸収層１００Ｂ及びＩＣ基板１００Ｄを接合して赤外線検出センサ１００を製作する接合工程を示す。
【００２３】
（１）片持ち梁層製作工程
図６（ａ）に示すように、本製作工程においては、Ｓｉ基板１、ＳｉＯ２犠牲層２及びＳｉ活性層３が積層されたＳＯＩウェハを用意する。そして、まず初めに、図６（ｂ）に示すように、このＳＯＩウェハのＳｉ活性層３の適宜の箇所をエッチングすることにより、片持ち梁部材４１に相当する部位を製作する。次に、図６（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板１の適宜の箇所をエッチングし、更に、図６（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２犠牲層２の適宜の箇所（片持ち梁部材４１が撓む箇所等）をエッチングして、片持ち梁部材４１を自立させる。その後、図６（ｅ）に示すように、Ｓｉ基板１の片方の面（片持ち梁部材４１に対向する面と反対側の面）に遮光部６０を形成する。以上のようにして、片持ち梁層１００Ａが製作される。
【００２４】
（２）赤外線吸収層製作工程
図７（ａ）に示すように、本製作工程においては、上下面にＳｉＯ２膜４、６を形成したＳｉ基板５を用意する。そして、まず初めに、図７（ｂ）に示すように、一方のＳｉＯ２膜６上に赤外線吸収部１１を形成し、ＳｉＯ２膜６をエッチングして赤外線吸収部１１を支持する支持部１２を形成する。また、他方のＳｉＯ２膜４もエッチングにより除去する。次に、図７（ｃ）に示すように、ＳｉＯ２膜４を除去したＳｉ基板５の下面であって、上方に赤外線吸収部１１が形成されてない箇所に、赤外線ＩＲを透過させない遮光膜（Ａｕ膜）７を形成する。次に、図７（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２膜６の適宜の箇所に接着層８を形成する。最後に、図７（ｅ）に示すように、赤外線吸収部１１近傍のＳｉ基板５をエッチングして、赤外線吸収部１１を自立させる。以上のようにして、赤外線吸収層１００Ｂが製作される。
【００２５】
（３）接合工程
図８に示すように、本製作工程においては、前述のようにしてそれぞれ製作した、片持ち梁層１００ＡのＳｉ基板１と、赤外線吸収層１００Ｂの接着層８とを対向させて、両者を接合し、接合体１００Ｃを製作する。次に、予め電極２１や接着層９やリーク部５０が形成されたＩＣ基板１００Ｄと、上記の接合体１００Ｃとを接合することにより、赤外線検出センサ１００が製作される。
【００２６】
以上に説明した本実施形態の赤外線検出センサ１００の製作工程においては、前述のようにしてそれぞれ製作した、片持ち梁層１００Ａと赤外線吸収層１００Ｂとを上下に積層することで、第１チャンバー１０が形成され、更にＩＣ基板１００Ｄを積層することで、第１チャンバー１０の下方に第２チャンバー２０が形成される。換言すれば、第１チャンバー１０の容積と第２チャンバー２０の容積とは独立別個に設計でき、第１チャンバー１０の容積を小さくするには、赤外線吸収層１００Ｂの厚みを小さく設計すれば良い。本実施形態の赤外線検出センサ１００では、第１チャンバー１０内部の気体の熱時定数が、第２チャンバー２０内部の気体の圧力の時定数よりも小さくなるように、赤外線吸収層１００Ｂの厚みを設計（第１チャンバー１０の容積を設計）することが可能である。
【００２７】
また、本実施形態に係る赤外線検出センサ１００は、上下方向に見て赤外線吸収部１１と片持ち梁部材４１との間の位置に配置され、赤外線ＩＲを透過させない遮光部６０を備えるため、赤外線吸収部１１を透過した一部の赤外線ＩＲが第２チャンバー２０に入射するおそれが低減する。このため、本実施形態に係る赤外線検出センサ１００によれば、精度良く赤外線を検出することが可能である。
【符号の説明】
【００２８】
７・・・遮光膜
１０・・・第１チャンバー
１１・・・赤外線吸収部
２０・・・第２チャンバー
２１・・・電極
４０・・・連通部
４１・・・片持ち梁部材
４２・・・電極
５０・・・リーク部
６０・・・遮光部
１００・・・赤外線検出センサ  
ＩＲ・・・赤外線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図７】
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