(57)【要約】【課題】本発明は、赤外線吸収膜が冷接点を覆うように形成されることを防止して、感度を向上させることが可能なサーモパイル型赤外線センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】基材１１と、サーモパイル素子３０と、赤外線吸収膜２１とを有し、サーモパイル素子３０と赤外線吸収膜２１とは、基材１１に形成されており、サーモパイル素子３０の冷接点３５と温接点３４との温度差を検知可能としてなるサーモパイル型赤外線センサ１０であって、赤外線吸収膜２１と冷接点３５との間には、赤外線吸収膜２１の形成範囲を規制する範囲規制部材２０が形成されていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、サーモパイル素子と、赤外線吸収膜とを有し、
前記サーモパイル素子と前記赤外線吸収膜とは、前記基材に形成されており、
前記サーモパイル素子の冷接点と温接点との温度差を検知可能としてなるサーモパイル型赤外線センサであって、
前記赤外線吸収膜と前記冷接点との間には、前記赤外線吸収膜の形成範囲を規制する範囲規制部材が形成されていることを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項２】
前記範囲規制部材は前記温接点と前記冷接点との間に形成されているとともに前記赤外線吸収膜は前記温接点を覆うように形成されてい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。
【請求項３】
前記範囲規制部材は前記温接点の上に形成されるとともに前記赤外線吸収膜は前記温接点に近接して形成されてい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。
【請求項４】
前記サーモパイル素子は、平面パターンがミアンダ状の熱電材料を有して構成されており、
前記ミアンダ状の前記サーモパイル素子の幅方向における断面視において、前記範囲規制部材は、前記熱電材料の間を充填して形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項５】
前記基材は、薄肉部と、前記薄肉部の周囲に形成された厚肉部とを有し、
前記温接点は前記薄肉部に形成されるとともに前記冷接点は前記厚肉部に形成されており、
前記範囲規制部材は、前記薄肉部の中央部を囲うように形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項６】
前記範囲規制部材は、凸形状の壁部であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項７】
前記赤外線吸収膜は、前記範囲規制部材の高さよりも高く形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項８】
基材と、サーモパイル素子と、赤外線吸収膜とを有し、
前記サーモパイル素子と前記赤外線吸収膜とは、前記基材に形成されており、
前記サーモパイル素子の冷接点と温接点との温度差を検知可能としてなるサーモパイル型赤外線センサの製造方法であって、
（ａ）前記サーモパイル素子が形成された前記基材を用意して、前記赤外線吸収膜の形成範囲を設定するとともに、前記赤外線吸収膜の前記形成範囲を規制する範囲規制部材を、前記形成範囲と前記冷接点との間に形成する工程と、
（ｂ）赤外線吸収材料を含む溶液を前記形成範囲に塗布して前記赤外線吸収膜を形成する工程と、を含む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。
【請求項９】
前記（ａ）の工程の後に、前記温接点と重なる位置における前記基材をエッチングにより除去して薄肉部を形成する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
【請求項１０】
前記（ａ）の工程において、前記薄肉部の中央部を囲うように前記範囲規制部材を形成することを特徴とする請求項９に記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
【請求項１１】
前記（ｂ）の工程において、前記範囲規制部材の高さよりも前記溶液が高くなるように前記溶液を塗布することを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
【請求項１２】
前記（ｂ）の工程において、前記溶液をインクジェット印刷法により塗布することを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
【請求項１３】
前記（ｂ）の工程において、前記溶液を熱硬化または紫外線硬化によって硬化することによって前記赤外線吸収膜を形成することを特徴とする、請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーモパイル型赤外線センサ及びその製造方法に関し、特に、赤外線吸収膜を有するサーモパイル型赤外線センサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業機器や体温計などに、対象物からの赤外線を非接触で検知して温度を測定するために赤外線センサが用いられている。このような赤外線センサとして、サーモパイル型赤外線センサが知られている。
【０００３】
従来例のサーモパイル型赤外線センサは、基材と、２つの異種材料が交互に直列接続されたサーモパイル素子と、赤外線吸収膜とを有して構成される。基材は、薄肉部としてのメンブレンと、薄肉部の周囲に形成された厚肉部としての基部とを有して構成される。また、サーモパイル素子は温接点と冷接点とを有しており、冷接点は厚肉部としての基部に形成され、温接点は薄肉部としてのメンブレンに形成されている。サーモパイル型赤外線センサが赤外線を受光したときに、冷接点と温接点とで温度差が生じて、ゼーベック効果により起電力が発生する。この起電力に基づいて赤外線が検知される。
【０００４】
近年、サーモパイル型赤外線センサのモバイル機器などへの搭載が検討されており、小型化が望まれている。この場合、サーモパイル素子の冷接点と温接点との距離が小さくなり、接点間の温度差を大きくすることが困難であるため、サーモパイル型赤外線センサの感度が低下する。サーモパイル型赤外線センサを小型化した場合であっても感度を向上させるために、温接点の上を覆うように赤外線吸収膜が設けられており、外部から入射した赤外線は赤外線吸収膜に吸収され、そして熱変換される。これによって、温接点の温度が上昇して、冷接点と温接点との温度差を効果的に大きくすることができ、サーモパイル型赤外線センサの感度を向上させることができる。
【０００５】
このような、赤外線吸収膜を有するサーモパイル型赤外線センサは、例えば下記特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−０６５６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１３には、従来例のサーモパイル型赤外線センサ１０１の課題を説明するための平面図を示し、図１４には、図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線で切断したときの断面図を示す。図１３に示すように、基材１１０には、第１の熱電材料層１３１と第２の熱電材料層１３２とが交互に接続されたサーモパイル素子１３０が形成されている。図１４に示すように、第１の熱電材料層１３１と第２の熱電材料層１３２とが接続された温接点１３４は薄肉部１１２ａとしてのメンブレン１１２に形成され、冷接点１３５は厚肉部１１１ａとしての基部１１１に位置して形成されている。そして、メンブレン１１２の中央部には温接点１３４を覆うように赤外線吸収膜１２１が形成されている。
【０００８】
赤外線吸収膜１２１は、赤外線吸収材料を含む溶液をスクリーン印刷法によって塗布した後に硬化して形成される。しかしながら、赤外線吸収材料を含む溶液は流動性を有しているため、塗布した際の初期の溶液の形成範囲１２１ａよりも外側に流動して、実際の形成範囲１２１ｂまで拡がってしまう。そのため、図１３及び図１４に示すように、赤外線吸収膜１２１が冷接点１３５を覆うように形成される場合がある。
【０００９】
特に、サーモパイル型赤外線センサ１０１の小型化を図る場合、冷接点１３５と温接点１３４との距離が小さくなるため、赤外線吸収材料を含む溶液が流動して拡がり、冷接点１３５を覆いやすくなる。また、隣り合う第１の熱電材料層１３１と第２の熱電材料層１３２との間隔も小さくなる。その結果、この隣り合う熱電材料層の間に形成される細い凹状の溝を伝って赤外線吸収材料を含む溶液が流動しやすくなる。そのため、実際の形成範囲１２１ｂが、初期の溶液の形成範囲１２１ａよりも外側に拡がってしまう。
【００１０】
さらにサーモパイル型赤外線センサ１０１の感度を向上させるためには、冷接点１３５と温接点１３４との温度差を大きくする必要がある。外部から赤外線が入射したときの温接点１３４の温度上昇を大きくするために、赤外線吸収膜１２１を厚く形成して赤外線の吸収量を高くすることが望ましい。しかし、温接点１３４近傍の赤外線吸収膜１２１を厚く形成しようとすると、赤外線吸収材料を含む溶液の実際の形成範囲１２１ｂが、初期の溶液の形成範囲１２１ａよりも、より外側に拡がり易くなり、赤外線吸収膜１２１が冷接点１３５を覆って形成されてしまう。
【００１１】
図１３及び図１４に示すように、赤外線吸収材料を含む溶液が冷接点１３５を覆うところまで拡がって流れ出た状態で硬化されて、赤外線吸収膜１２１が形成されると、サーモパイル型赤外線センサ１０１が赤外線を受光したときに、温接点１３４だけではなく冷接点１３５についても赤外線吸収膜１２１によって温度が上昇するため、温接点１３４と冷接点１３５との温度差が小さくなってしまう。このため、サーモパイル型赤外線センサ１０１の感度が低下するという課題が生じる。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決して、赤外線吸収膜が冷接点を覆うように形成されることを防止して、感度を向上させることが可能なサーモパイル型赤外線センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のサーモパイル型赤外線センサは、基材と、サーモパイル素子と、赤外線吸収膜とを有し、前記サーモパイル素子と前記赤外線吸収膜とは、前記基材に形成されており、前記サーモパイル素子の冷接点と温接点との温度差を検知可能としてなるサーモパイル型赤外線センサであって、前記赤外線吸収膜と前記冷接点との間には、前記赤外線吸収膜の形成範囲を規制する範囲規制部材が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
これによれば、赤外線吸収膜を形成する際に赤外線吸収材料を含む溶液が流動した場合であっても、範囲規制部材によって赤外線吸収材料を含む溶液の流動が規制される。すなわち、赤外線吸収材料を含む溶液が、初期の溶液の形成範囲よりも外側に流動して拡がってしまうことを防ぐことができる。これにより、赤外線吸収膜が冷接点を覆うように形成されることを防止することができる。また、外部からの赤外線を受光したときに、冷接点は赤外線吸収膜に覆われていないため温度上昇が抑制されて、温接点と冷接点との温度差を大きくすることができる。したがって、面積を小型化しても、サーモパイル素子からのセンサ出力を大きくすることができ、サーモパイル型赤外線センサの感度を向上させることが可能となる。
【００１５】
本発明のサーモパイル型赤外線センサによれば、赤外線吸収膜が冷接点を覆うように形成されることを防止して、感度を向上させることが可能である。
【００１６】
本発明のサーモパイル型赤外線センサにおいて、前記範囲規制部材は前記温接点と前記冷接点との間に形成されているとともに前記赤外線吸収膜は前記温接点を覆うように形成されていることが好適である。前記温接点と前記冷接点との間に前記範囲規制部材が形成されることにより、赤外線吸収材料を含む溶液が、初期の溶液の形成範囲よりも外側に流動して拡がってしまうことを防止できる。そのため、赤外線吸収膜が冷接点を覆うように形成されることを防止できる。また、赤外線吸収膜が前記温接点を覆うように形成されるため、冷接点の温度上昇を抑制するとともに、温接点の温度を効果的に上昇させることが可能である。したがって、冷接点と温接点との温度差を大きくすることができ、サーモパイル型赤外線センサの感度を効果的に向上させることが可能となる。
【００１７】
本発明のサーモパイル型赤外線センサにおいて、前記範囲規制部材は前記温接点の上に形成されるとともに前記赤外線吸収膜は前記温接点に近接して形成されていることが好適である。これによれば、温接点の上に前記範囲規制部材が形成されることにより、赤外線吸収材料を含む溶液が初期の溶液の形成範囲よりも外側に流動して拡がってしまうことを防止できる。そのため、赤外線吸収膜が冷接点を覆うように形成されることを防止できる。また、赤外線吸収膜が前記温接点に近接して形成されるため、冷接点の温度上昇を抑制するとともに、温接点の温度を効果的に上昇させることが可能である。したがって、冷接点と温接点との温度差を大きくすることができ、サーモパイル型赤外線センサの感度を効果的に向上させることが可能となる。
【００１８】
本発明のサーモパイル型赤外線センサにおいて、前記サーモパイル素子は、平面パターンがミアンダ状の熱電材料を有して構成されており、前記ミアンダ状の前記サーモパイル素子の幅方向における断面視において、前記範囲規制部材は、前記熱電材料の間に有する間隙を充填して形成されていることが好適である。このように範囲規制部材を形成することにより、赤外線吸収膜を形成する際に、赤外線吸収材料を含む溶液が、幅方向に隣り合う熱電材料の間の間隙を伝って流動し難くなる。その結果、赤外線吸収膜が冷接点を覆うように形成されることを確実に防止することができる。
【００１９】
本発明のサーモパイル型赤外線センサにおいて、前記基材は、薄肉部と、前記薄肉部の周囲に形成された厚肉部とを有し、前記温接点は前記薄肉部に形成されるとともに前記冷接点は前記厚肉部に形成されており、前記範囲規制部材は、前記薄肉部の中央部を囲うように形成されていることが好ましい。これによれば、温接点及び赤外線吸収膜は、熱容量の小さい薄肉部に形成されて、冷接点は熱容量の大きい厚肉部に形成されるため、温接点と冷接点との温度差をより大きくすることが可能である。また、薄肉部の中央部を囲うように範囲規制部材を形成することにより、赤外線吸収材料を含む溶液の流動が規制されて、赤外線吸収材料を含む溶液が、初期の溶液の形成範囲よりも外側に流動して拡がってしまうことを確実に防止できる。したがって、サーモパイル型赤外線センサの感度を効果的に向上させることができる。
【００２０】
本発明のサーモパイル型赤外線センサにおいて、前記範囲規制部材は、凸形状の壁部であることが好ましい。これによれば、赤外線吸収膜を形成する際に、赤外線吸収材料を含む溶液が凸形状の壁部によりせき止められて、赤外線吸収膜の形成範囲よりも冷接点側に流動することを確実に防止することができる。
【００２１】
本発明のサーモパイル型赤外線センサにおいて、前記赤外線吸収膜は、前記範囲規制部材の高さよりも高く形成されていることが好適である。こうすれば、赤外線吸収膜の赤外線吸収量が上昇して、温接点と冷接点との温度差をより大きくすることができることから、サーモパイル型赤外線センサの感度をより向上させることができる。
【００２２】
本発明のサーモパイル型赤外線センサの製造方法は、
（ａ）前記サーモパイル素子が形成された前記基材を用意して、前記赤外線吸収膜の形成範囲を設定するとともに、前記赤外線吸収膜の前記形成範囲を規制する範囲規制部材を、前記形成範囲と前記冷接点との間に形成する工程と、
（ｂ）赤外線吸収材料を含む溶液を前記形成範囲に塗布して前記赤外線吸収膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２３】
これによれば、（ｂ）の工程で赤外線吸収材料を含む溶液が流動した場合であっても、赤外線吸収材料を含む溶液が範囲規制部材によって規制される。すなわち、赤外線吸収材料を含む溶液が、初期の溶液の形成範囲よりも外側に流動して拡がってしまうことを防ぐことができる。これにより、赤外線吸収膜が冷接点を覆うように形成されることを防止することができる。また、外部からの赤外線を受光したときに、冷接点は赤外線吸収膜に覆われていないため温度上昇が抑制されて、温接点と冷接点との温度差を大きくすることができる。したがって、面積を小型化しても、サーモパイル素子からのセンサ出力を大きくすることができ、サーモパイル型赤外線センサの感度を向上させることが可能となる。
【００２４】
本発明のサーモパイル型赤外線センサの製造方法によれば、赤外線吸収膜が冷接点を覆うように形成されることを防止して、感度を向上させることが可能である。
【００２５】
本発明のサーモパイル型赤外線センサの製造方法において、前記（ａ）の工程の後に、前記温接点と重なる位置における前記基材をエッチングにより除去して薄肉部を形成する工程を含むことが好ましい。これにより、温接点が形成された箇所の熱容量を小さくすることができ、温接点と冷接点との温度差を大きくすることができる。
【００２６】
前記（ａ）の工程において、前記薄肉部の中央部を囲うように前記範囲規制部材を形成することが好ましい。これによれば、赤外線吸収材料を含む溶液の流動が規制されて、赤外線吸収材料を含む溶液が、初期の溶液の形成範囲よりも外側に流動して拡がってしまうことを確実に防止できる。したがって、赤外線吸収膜が冷接点を覆うように形成されることを防止して、サーモパイル型赤外線センサの感度を向上させることができる。
【００２７】
本発明のサーモパイル型赤外線センサの製造方法は、前記（ｂ）の工程において、前記範囲規制部材の高さよりも前記溶液が高くなるように前記溶液を塗布することが好適である。これによれば、溶液の表面張力を利用して赤外線吸収膜を厚く形成することができる。したがって、赤外線吸収膜の赤外線吸収量が上昇して、温接点と冷接点との温度差をより大きくすることができ、サーモパイル型赤外線センサの感度をより向上させることができる。
【００２８】
前記（ｂ）の工程において、前記溶液をインクジェット印刷法により塗布することが好適である。これによれば、赤外線吸収材料を含む溶液を塗布する際に、薄肉部に非接触で塗布形成することができ、製造工程において薄肉部が破壊されることを防止できる。
【００２９】
前記（ｂ）の工程において、前記溶液を熱硬化または紫外線硬化によって硬化することによって前記赤外線吸収膜を形成することが好ましい。これによれば、赤外線吸収材料を含む溶液を簡単な工程で短時間に硬化して、赤外線吸収膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明のサーモパイル型赤外線センサ及びその製造方法によれば、赤外線吸収膜を形成する際に赤外線吸収材料を含む溶液が流動した場合であっても、範囲規制部材によって赤外線吸収材料を含む溶液の流動が規制される。すなわち、赤外線吸収材料を含む溶液が、初期の溶液の形成範囲よりも外側に流動して拡がってしまうことを防ぐことができる。これにより、赤外線吸収膜が冷接点を覆うように形成されることを防止することができる。また、外部からの赤外線を受光したときに、冷接点は赤外線吸収膜に覆われていないため温度上昇が抑制されて、温接点と冷接点との温度差を大きくすることができる。したがって、面積を小型化しても、サーモパイル素子からのセンサ出力を大きくすることができ、サーモパイル型赤外線センサの感度を向上させることが可能となる。
【００３１】
本発明のサーモパイル型赤外線センサ及びその製造方法によれば、赤外線吸収膜が冷接点を覆うように形成されることを防止して、感度を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態におけるサーモパイル型赤外線センサの平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線で切断したときの断面図である。
【図３】図１の二点鎖線で囲む領域Ａの部分拡大平面図（ａ）、及び部分拡大断面図（ｂ）を示す。
【図４】第１の変形例におけるサーモパイル型赤外線センサを示す平面図である
【図５】図４のＶ−Ｖ線で切断したときの断面図を示す。
【図６】第２の変形例におけるサーモパイル型赤外線センサを示す平面図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線で切断したときの断面図を示す。
【図８】第３の変形例におけるサーモパイル型赤外線センサを示す平面図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸ線で切断したときの断面図を示す。
【図１０】本実施形態のサーモパイル型赤外線センサについて、測定対象の温度とセンサ出力との関係を示すグラフである。
【図１１】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１２】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１３】従来例におけるサーモパイル型赤外線センサの平面図である。
【図１４】図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線で切断したときの断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態のサーモパイル型赤外線センサについて説明する。図１に、本実施形態のサーモパイル型赤外線センサ１の平面図を示す。また、図２には、図１のＩＩ−ＩＩ線で切断したときのサーモパイル型赤外線センサ１の断面図を示す。なお、各図面の寸法比率は、見やすくするために適宜変更して示している。
【００３４】
本実施形態のサーモパイル型赤外線センサ１は、図１及び図２に示すように、基材１０と、基材１０に形成されたサーモパイル素子３０及び赤外線吸収膜２１を有して構成される。図２に示すように、基材１０は、基部１１とメンブレン１２とを有して構成される。基部１１の中央部にはキャビティ１３が形成されており、キャビティ１３を覆うようにメンブレン１２が形成されている。メンブレン１２は、薄肉部１２ａとして形成されているとともに、基部１１のキャビティ１３が形成されていない部分が、厚肉部１１ａとしてメンブレン１２の周囲に形成されている。本実施形態において、基部１１としてシリコン基板を用いることができ、メンブレン１２には、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの絶縁薄膜が用いられる。
【００３５】
図１に示すように、サーモパイル素子３０は、平面パターンがミアンダ状の熱電材料層を有して形成されており、第１の熱電材料層３１と第２の熱電材料層３２とが交互に直列接続されてミアンダ状に構成されている。そして、第１の熱電材料層３１と第２の熱電材料層３２との接続部のうち、薄肉部１２ａとしてのメンブレン１２に位置して接続された箇所を温接点３４とし、厚肉部１１ａとしての基部１１に位置して接続された箇所を冷接点３５とする。
【００３６】
第１の熱電材料層３１と第２の熱電材料層３２とは、互いに異なる材料を用いて形成されており、本実施形態において、第１の熱電材料層３１としてポリシリコンが用いられ、第２の熱電材料層３２としてアルミニウムが用いられている。１対の第１の熱電材料層３１と第２の熱電材料層３２とで熱電対３３が構成され、温接点３４と冷接点３５との間に温度差が生じた場合、ゼーベック効果により各熱電対３３に熱起電力が発生する。サーモパイル素子３０は複数の熱電対３３が直列に接続された熱電対群であり、各熱電対３３の起電力の総和がサーモパイル素子３０の出力となる。サーモパイル素子３０の出力は、サーモパイル素子３０の両端に形成された接続端子３６から外部へと取り出される。また、図１及び図２に示すように、温接点３４は熱容量の小さい薄肉部１２ａに形成されており、冷接点３５は熱容量の大きい厚肉部１１ａに位置して形成されているため、温接点３４と冷接点３５との温度差を大きくして、より大きい出力を得ることができる。
【００３７】
図１及び図２に示すように、薄肉部１２ａとしてのメンブレン１２には、範囲規制部材２０と赤外線吸収膜２１とが形成されている。
【００３８】
赤外線吸収膜２１は、温接点３４を覆うように薄肉部１２ａとしてのメンブレン１２の中央部に形成されている。赤外線吸収膜２１は、入射した赤外線を吸収して効率的に熱変換可能であり、温接点３４の温度を上昇させて温接点３４と冷接点３５との温度差を大きくすることができる。赤外線吸収膜２１はカーボンブラックや金属酸化物の粉末を含む溶液を用いて、インクジェット印刷やスクリーン印刷などの印刷法によって塗布形成することができる。
【００３９】
本実施形態のサーモパイル型赤外線センサ１において、範囲規制部材２０は赤外線吸収膜２１の形成範囲を規制するために形成されており、温接点３４と冷接点３５との間に位置するとともに、薄肉部１２ａとしてのメンブレン１２の中央部を囲むように形成されている。そして、範囲規制部材２０に囲まれた領域内に赤外線吸収膜２１は形成されている。すなわち、範囲規制部材２０は赤外線吸収膜２１と冷接点３５との間に形成されることになる。
【００４０】
本実施形態において、範囲規制部材２０は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などにより形成することができ、あるいは、レジスト材料等の樹脂材料により形成しても良い。また、図２に示すように、範囲規制部材２０は断面凸形状の壁部であり、範囲規制部材２０の高さは１μｍ〜１０μｍ程度に、幅は５μｍ〜２０μｍ程度に形成することが好ましい。
【００４１】
範囲規制部材２０を設けることにより、赤外線吸収膜２１を塗布形成する際に、カーボンブラックや金属酸化物の粉末を含む溶液が流動した場合であっても、範囲規制部材２０によってせき止められる。すなわち、溶液が、初期の形成範囲よりも外側に流動して拡がって冷接点３５を覆うことを防止できる。したがって、図１及び図２に示すように、温接点３４は赤外線吸収膜２１に覆われて形成されるとともに、範囲規制部材２０の外方に位置する冷接点３５は赤外線吸収膜２１に覆われることが防止される。サーモパイル型赤外線センサ１が赤外線を受光したときに、赤外線吸収膜２１によって温接点３４は効率よく温度が上昇して、赤外線吸収膜２１に覆われていない冷接点３５との温度差を大きくすることができる。これにより、サーモパイル素子３０のセンサ出力を大きくすることができ、サーモパイル型赤外線センサ１の感度を向上させることが可能となる。
【００４２】
特に、モバイル機器等へ搭載される小型のサーモパイル型赤外線センサ１において、温接点３４と冷接点３５との距離を１００μｍ〜５００μｍ程度に小さく形成した場合であっても、範囲規制部材２０を設けることにより、赤外線吸収膜２１を塗布形成する際に、赤外線吸収材料を含む溶液が、初期の溶液の形成範囲よりも外側に流動して拡がってしまうことを確実に防止できる。したがって、温接点３４と冷接点３５との温度差を拡げることができ、サーモパイル型赤外線センサ１の感度を向上させることができる。
【００４３】
また、範囲規制部材２０は断面凸形状の壁部で構成されているが、こうすれば、赤外線吸収材料を含む溶液が凸形状の壁部によりせき止められて、赤外線吸収膜２１の形成範囲よりも冷接点３５側に流動することを確実に防止することができる。ただし範囲規制部材２０はこのような形状に限定されず、断面形状が異なっていても同様の効果を奏し、また、棒状、島状等に形成された複数の範囲規制部材を配置するような構成であっても良い。
【００４４】
図３（ａ）は、図１の二点鎖線で囲む領域Ａの部分拡大平面図を示し、図３（ｂ）には、図３（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断したときの部分拡大断面図を示す。図３（ａ）に示すように、サーモパイル素子３０は平面パターンがミアンダ状に接続された第１熱電材料層３１と第２熱電材料層３２とを有して構成される。サーモパイル素子３０の第１熱電材料層３１及び第２熱電材料層３２が温接点３４と冷接点３５とを結んで延在する方向をサーモパイル素子３０の長さ方向（Ｙ１−Ｙ２方向）とする。また、サーモパイル素子３０の長さ方向と直交する方向をサーモパイル素子３０の幅方向（Ｘ１−Ｘ２方向）とする。サーモパイル素子３０の長さ方向及び幅方向は、サーモパイル素子３０のミアンダ状の平面パターンの配置によって変化し、例えば、図１に示す、基材１０のＸ１側に配置されているミアンダ状の平面パターンにおいては、サーモパイル素子３０の長さ方向はＸ１−Ｘ２方向であり、幅方向はＹ１−Ｙ２方向である。
【００４５】
図３（ａ）に示すように、範囲規制部材２０は、サーモパイル素子３０の幅方向に延在して第１の熱電材料層３１、第２の熱電材料層３２及びメンブレン１２（薄肉部１２ａ）の上に形成されている。そして、図３（ｂ）に示すように、範囲規制部材２０は、第１の熱電材料層３１と第２の熱電材料層３２との間を充填して形成されている。
【００４６】
特に、サーモパイル型赤外線センサ１の小型化を図る場合、ミアンダ状に折り返されて接続されている第１の熱電材料層３１と第２の熱電材料層３２との間隔が小さくなり、細い凹状の溝部を形成する。赤外線吸収膜を形成する際、赤外線吸収材料を含む溶液はこの細い凹状の溝部を伝って流動しやすくなる。本実施形態においては、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、第１の熱電材料層３１と第２の熱電材料層３２との間を充填して範囲規制部材２０を形成することにより、赤外線吸収膜２１を形成する際に、赤外線吸収材料を含む溶液が、細い凹状の溝部を伝って流動し難くなる。その結果、赤外線吸収膜２１が冷接点３５を覆うように形成されることを確実に防止することができる。
【００４７】
温接点３４と冷接点３５との間の温度差をより大きくするためには、赤外線吸収膜２１の赤外線の吸収量を大きくすることが望ましい。赤外線吸収膜２１の赤外線吸収量を大きくする方法として、赤外線吸収膜２１の体積を増やすことが考えられる。本実施形態においては、図２に示すように、範囲規制部材２０によって赤外線吸収材料を含む溶液が流動して拡がることを防止しつつ、範囲規制部材２０の高さよりも、赤外線吸収膜２１が厚くなるように形成することができる。本実施例においては、範囲規制部材２０の天面２０ａよりも高さ方向（Ｚ１方向）に突出する曲面を有して赤外線吸収膜２１が形成されている。これにより、赤外線吸収膜２１の体積を大きくすることができ、入射する赤外線の吸収量を大きくすることができ、温接点３４の温度を効率的に上昇させることができる。
【００４８】
図１０に示すグラフは、赤外線吸収膜２１の厚さを変えて作製した本実施形態のサーモパイル型赤外線センサ１について、測定対象の温度とサーモパイル型赤外線センサ１の出力との関係を示す。比較例として赤外線吸収膜２１を形成していないサーモパイル型赤外線センサについても同様に示している。なお、図１０に示すグラフでは、２５℃を基準として測定しているため、２５℃以下の温度では負の値が出力され、２５℃以上で正の値が出力される。
【００４９】
図１０に示すように、いずれの赤外線センサにおいても測定対象の温度が上昇するにしたがって、センサ出力が大きくなる傾向を示す。また、赤外線吸収膜２１を形成していない場合と比較して、赤外線吸収膜２１を厚くするにしたがって、より大きな出力が得られることがわかる。例えば、対象の温度が１５０℃の場合、赤外線吸収膜２１の膜厚を４μｍとしたサーモパイル型赤外線センサ１は、赤外線吸収膜２１を形成しない場合に比べて、約２倍のセンサ出力が得られている。また、赤外線吸収膜２１の膜厚を２μｍで形成したサーモパイル型赤外線センサ１と比較しても約１．２倍のセンサ出力が得られることが示された。
【００５０】
したがって、本実施形態のサーモパイル型赤外線センサ１は、範囲規制部材２０によって赤外線吸収材料を含む溶液が冷接点３５を覆うことを確実に防止するとともに赤外線吸収膜２１を厚くすることが可能であり、これにより、温接点３４と冷接点３５との温度差を大きくして、センサ出力を向上させることが可能であると示された。なお、図１０に示すグラフでは赤外線吸収膜２１の膜厚を２μｍ、４μｍの場合について示したが、これに限定されるものではない。赤外線吸収膜２１をより厚く形成してさらに感度を向上させることも可能である。
【００５１】
＜第１の変形例＞
図４には、本実施形態の第１の変形例におけるサーモパイル型赤外線センサ２の平面図を示す。また、図５には、図４のＶ−Ｖ線で切断したサーモパイル型赤外線センサ２の断面図を示す。
【００５２】
第１の変形例のサーモパイル型赤外線センサ２において、基材１０（基部１１及びメンブレン１２）、及びサーモパイル素子３０の構成については、図１及び図２に示したものと同様である。本変形例においては、図４に示すように、範囲規制部材２０が温接点３４の上に形成されている。範囲規制部材２０は各温接点３４の上にメンブレン１２の中央部を囲むように形成されており、赤外線吸収膜２１は範囲規制部材２０の内側に形成されている。図５に示すように、赤外線吸収膜２１は温接点３４よりもメンブレン１２の中央部側に位置して、温接点３４と近接して形成されている。
【００５３】
このような態様であっても、赤外線吸収膜２１を形成する際に、赤外線吸収材料を含む溶液が初期の溶液の形成範囲よりも外側に流動して拡がって冷接点３５を覆うことを防止できる。これにより、赤外線吸収膜２１が冷接点３５を覆うように形成されることがない。また、赤外線吸収膜２１は温接点３４と近接して形成されているため、外部から入射した赤外線を受光したときに、赤外線吸収膜２１が赤外線を吸収して、温接点３４の温度が上昇する。これにより、温接点３４と冷接点３５との間の温度差を大きくすることができ、サーモパイル型赤外線センサ２の感度を向上させることが可能となる。
【００５４】
本変形例においては、図１から図３に示した、範囲規制部材２０を温接点３４と冷接点３５との間に形成する場合に比べて、範囲規制部材２０と冷接点３５との距離をより大きくすることができる。そのため、赤外線吸収膜２１が赤外線を吸収して温度が上昇したときの、冷接点３５への影響を小さくすることができ、冷接点３５の温度上昇を抑制できる。したがって、温接点３４と冷接点３５との温度差をより効果的に大きくすることができる。
【００５５】
＜第２の変形例＞
図６には、本実施形態の第２の変形例におけるサーモパイル型赤外線センサ３の平面図を示す。また、図７には、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線で切断したサーモパイル型赤外線センサ３の断面図を示す。
【００５６】
第２の変形例におけるサーモパイル型赤外線センサ３は、範囲規制部材２０を分割して配置している点で、図１から図５に示したものと異なる。なお、基材１０（基部１０、メンブレン１２）、サーモパイル素子３０の構成については同様である。
【００５７】
図６に示すように、基材１０のＸ１側において、Ｙ１−Ｙ２方向に隣り合って配置された複数の熱電対３３を第１の熱電対群３３ａとして、同様に、基材１０のＸ２側、Ｙ１側、Ｙ２側において隣り合って配置された複数の熱電対３３をそれぞれ第２の熱電対群３３ｂ、第３の熱電対群３３ｃ、第４の熱電対群３３ｄとする。本変形例においては、第１の熱電対群３３ａの各熱電対３３に亘って、各熱電対３３の延在する方向と交差する方向（Ｙ１−Ｙ２方向）に第１の範囲規制部材２０ａが形成されている。同様に、第２の熱電対群３３ｂ、第３の熱電対群３３ｃ、第４の熱電対群３３ｄには、それぞれ第２の範囲規制部材２０ｂ、第３の範囲規制部材２０ｃ、第４の範囲規制部材２０ｄが形成されている。
【００５８】
このように、熱電対群ごとに範囲規制部材２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを形成した場合でも、赤外線吸収膜２１を形成する際に、溶液の冷接点３５側への拡がりを防止して、赤外線吸収膜２１が冷接点３５を覆うように形成されることを防止できる。
【００５９】
本変形例に示すように範囲規制部材２０を分割して形成することにより、赤外線吸収膜２１の形成範囲を様々に変えることが可能であり、設計の自由度を高くすることができる。したがって、サーモパイル素子３０の配置や、基部１０、メンブレン１２の形状が異なる場合であっても、赤外線吸収材料を含む溶液が初期の溶液の形成範囲よりも外側に流動して拡がって冷接点３５を覆うことを効果的に防止することができる。これにより、赤外線吸収膜２１が冷接点３５を覆うように形成されることを防止できる。
【００６０】
＜第３の変形例＞
図８には、本実施形態の第３の変形例におけるサーモパイル型赤外線センサ４の平面図を示す。また、図９には、図８のＩＸ−ＩＸ線で切断したサーモパイル型赤外線センサ４の断面図を示す。
【００６１】
図８及び図９に示すように、第３の変形例におけるサーモパイル型赤外線センサ４において、範囲規制部材２０は、赤外線吸収膜２１の形成範囲外方の基材１０を覆うように形成されている。また、範囲規制部材２０は、温接点３４と冷接点３５との間から基材１０の外縁に亘って形成されており、赤外線吸収膜２１は温接点３４を覆うように形成されている。なお、本変形例において、基部１１のキャビティ部１３は、基部１１の下方側に形成されている。
【００６２】
このような態様であっても、範囲規制部材２０によって、赤外線吸収膜２１を形成する際に赤外線吸収材料を含む溶液が初期の溶液の形成範囲よりも外側に流動して拡がって、冷接点３５を覆うことを防止できる。これにより、赤外線吸収膜２１が冷接点３５を覆うように形成されることを防止できる。また、範囲規制部材２０を凸形状の壁部に形成した場合、そのアスペクト比によって範囲規制部材２０の高さが限定される場合があるが、本変形例においては、アスペクト比による制限が小さくなり、範囲規制部材２０の高さを比較的自由に設定することができる。したがって、赤外線吸収膜２１についても厚く形成することが可能であり、赤外線吸収量を向上させて、サーモパイル型赤外線センサ４の感度を向上させることが可能となる。
【００６３】
本実施形態及び各変形例に示すサーモパイル型赤外線センサ１、２、３では、範囲規制部材２０に赤外線吸収膜２１が接した状態で形成されており、赤外線吸収膜２１の形成範囲と範囲規制部材２０に囲まれた領域とがほぼ等しい場合について示している。しかし、このような態様に限定されず、少なくとも赤外線吸収膜２１が冷接点３５を覆うように形成されることを防止して範囲規制部材２０が形成されていればよい。
【００６４】
また、本実施形態に示す基部１１、メンブレン１２等の構成を変更した場合であっても、本発明を適用することができ、同等の効果を奏することが可能である。例えば、図９に示すように、キャビティ１３を基材１０の下面側から形成した構成であっても良い。また、第１の熱電材料層３１と第２の熱電材料層３２とを絶縁層を介して積層した熱電対３３を多数直列接続してサーモパイル素子３０を構成した場合であっても同様の効果を奏する。
【００６５】
＜サーモパイル型赤外線センサの製造方法＞
図１１、図１２に本実施形態のサーモパイル型赤外線センサ１の製造方法の工程図を示す。図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１２（ａ）、図１２（ｂ）の各左図には平面図を示し、各右図には、図１１（ａ）のＢ−Ｂ線に対応する箇所で各左図を切断したときの断面図を示す。
【００６６】
図１１（ａ）の工程では、基部１１としてシリコンウェハを用意して、基部１１の表面にメンブレン１２としてシリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの絶縁膜を成膜する。そして、メンブレン１２に第１の熱電材料膜３１及び第２の熱電材料膜３２としてポリシリコン膜及びアルミニウム膜を成膜する。第１の熱電材料膜３１及び第２の熱電材料膜３２は、それぞれフォトリソグラフィ法を用いてパターン形成されて、図１１（ａ）左図に示すような、第１の熱電材料膜３１と第２の熱電材料膜３２とがミアンダ状に直列接続されたサーモパイル素子３０が形成される。
【００６７】
図１１（ｂ）の工程では、後の工程で形成する赤外線吸収膜２１の形成範囲２１ａを設定する。本実施形態では、第１の熱電材料膜３１と第２の熱電材料膜３２との接続部分のうち、基材１０の内方を臨む位置に形成された接続部分を温接点３４とし、基材１０の外周を臨む位置に形成された接続部分を冷接点３５とする。本実施形態の形成範囲２１ａは、メンブレン１２の中央部を囲み、かつ、サーモパイル素子３０の温接点３４を含む領域とした。そして、形成範囲２１ａと冷接点３５との間に範囲規制部材２０を形成する。範囲規制部材２０は、図１１（ｂ）右図に示すように断面凸形状の壁部であり、また、図１１（ｂ）左図に示すように、メンブレン１２の中央部を囲むように、かつ、温接点３４を囲むように形成されている。
【００６８】
範囲規制部材２０は、酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁材料を用いて成膜して、フォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより形成される。
【００６９】
図１２（ａ）の工程では、まず、メンブレン１２のサーモパイル素子３０と重ならない位置に、複数のエッチング孔１４を形成する。そして、水酸化カリウム（ＫＯＨ）や水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等の強アルカリエッチング液を用いて、エッチング孔１４から基部１１を異方性エッチングにより除去する。これにより、基部１１にキャビティ１３を形成するとともに、薄肉部１２ａとしてのメンブレン１２を形成することができる。
【００７０】
図１２（ｂ）の工程では、図１１（ｂ）の工程で設定した形成範囲２１ａに赤外線吸収膜２１を形成する。赤外線吸収膜２１は、カーボンブラックや金属酸化物の粉末等の赤外線吸収材料を含む溶液を用いて、インクジェット印刷法により塗布形成される。
【００７１】
本製造方法において、赤外線吸収膜２１はインクジェット印刷法により塗布形成されるため、薄肉部１２ａとしてのメンブレン１２に非接触で印刷形成することができ、製造工程においてメンブレン１２が破壊されることを防止できる。塗布方法は、インクジェット印刷法に限定されるものではない。例えば、スクリーン印刷法などの他の塗布方法で形成する場合には、メンブレン１２に加えられる圧力を調整して、メンブレン１２の破壊を防止する必要がある。
【００７２】
また、赤外線吸収材料を含む溶液は流動性を有するため、塗布した際の初期の溶液の形成範囲よりも外側に流動しようとする。本実施形態のサーモパイル型赤外線センサ１の製造方法によれば、形成範囲２１ａと冷接点３５との間に範囲規制部材２０を形成しているため、流動した赤外線吸収材料を含む溶液が範囲規制部材２０によってせき止められて、冷接点３５を覆うことを防止できる。
【００７３】
また、図１２（ｂ）に示すように、赤外線吸収材料を含む溶液は、表面張力を利用して範囲規制部材２０の高さよりも高く形成することができる。こうすれば、範囲規制部材２０の天面２０ａよりも高さ方向に突出する曲面を有して赤外線吸収膜２１が厚く形成されるため、赤外線の吸収量が向上して効率よく熱変換することが可能である。
【００７４】
図１２（ｂ）の工程では、赤外線吸収材料を含む溶液として熱硬化型樹脂または紫外線硬化型樹脂を含むものを用いることが好ましい。こうすれば、赤外線吸収材料を含む溶液を塗布形成した後に、加熱処理又は紫外線照射を行って樹脂を硬化させることができ、簡便な工程で短時間に赤外線吸収膜２１を形成することができる。以上のような工程により、サーモパイル型赤外線センサ１を製造することができる。
【００７５】
本実施形態のサーモパイル型赤外線センサ１の製造方法によれば、赤外線吸収膜２１が冷接点３５を覆うように形成されることを防止するとともに、赤外線吸収膜２１が温接点３４を覆うように形成することができる。これにより、外部からの赤外線を受光した場合に、赤外線吸収膜２１が赤外線を吸収して、温接点３４の温度を効果的に上昇させる。したがって、温接点３４と冷接点３５との温度差が拡大して、サーモパイル型赤外線センサ１の感度を向上させることができる。
【００７６】
本実施形態のサーモパイル型赤外線センサ１及びその製造方法は、図１１及び図１２に示す構成に限定されるものではない。図４から図７に示した、第１の変形例及び第２の変形例においても適用することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１、２、３、４  サーモパイル型赤外線センサ
１０  基材
１１  基部
１１ａ  厚肉部
１２  メンブレン
１２ａ  薄肉部
１３  キャビティ
１４  エッチング孔
２０  範囲規制部材
２０ａ  天面
２１  赤外線吸収膜
２１ａ  形成範囲
３０  サーモパイル素子
３１  第１の熱電材料層
３２  第２の熱電材料層
３３  熱電対
３４  温接点
３５  冷接点
【図１】
2015132470.tif 000003
【図２】
2015132470.tif 000004
【図３】
2015132470.tif 000005
【図４】
2015132470.tif 000006
【図５】
2015132470.tif 000007
【図６】
2015132470.tif 000008
【図７】
2015132470.tif 000009
【図８】
2015132470.tif 000010
【図９】
2015132470.tif 000011
【図１０】
2015132470.tif 000012
【図１１】
2015132470.tif 000013
【図１２】
2015132470.tif 000014
【図１３】
2015132470.tif 000015
【図１４】
2015132470.tif 000016