(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メンブレン構造の薄膜サーミスタを有する検知用素子と、
メンブレン構造の薄膜サーミスタを有し、前記検知用素子と熱容量が同一の参照用素子と、
メンブレン構造の薄膜サーミスタを有し、前記参照用素子と熱容量が同一の温度補償用素子と、
前記検知用素子と前記参照用素子と前記温度補償用素子とを搭載する基板と、
を含み、
前記基板の前記検知用素子と前記参照用素子と前記温度補償用素子とを搭載する表面側の前記参照用素子と前記検知用素子との間及び前記温度補償用素子と前記検知用素子との間に、熱的分離手段を有し、
前記熱的分離手段は、前記基板よりも熱伝導率が低い材料である赤外線センサ。
【請求項２】
前記検知用素子の薄膜サーミスタと前記参照用素子の薄膜サーミスタと前記温度補償用素子の薄膜サーミスタとは、それぞれ抵抗値及び抵抗温度係数が同一である請求項１に記載の赤外線センサ。
【請求項３】
前記参照用素子と前記温度補償用素子とは、前記検知用素子と熱的に対称に配置される請求項１または２に記載の赤外線センサ。
【請求項４】
前記参照用素子と前記温度補償用素子との間に前記検知用素子が配置される請求項１から３のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
【請求項５】
前記参照用素子と前記温度補償用素子と前記検知用素子とは、いずれも薄膜サーミスタを含むメンブレン構造部が長方形形状又は正方形形状であり、それぞれの角部が対向して配置される請求項１から４のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
【請求項６】
赤外線を検出するにあたって、前記検知用素子と前記参照用素子とは、２つの抵抗とともにフルブリッジ回路を構成し、前記温度補償用素子は、１つの抵抗とともにハーフブリッジ回路を構成する請求項１から５のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
【請求項７】
前記検知用素子の薄膜サーミスタと電気的に接続された２つの検知用素子電極と、
前記参照用素子の薄膜サーミスタと電気的に接続された２つの参照用素子電極と、
前記温度補償用素子の薄膜サーミスタと電気的に接続された２つの温度補償用素子電極と、を有し、
１つの前記検知用素子電極と１つの前記参照用素子電極と１つの温度補償用素子電極とは、少なくともそれぞれ独立である請求項１から６のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メンブレン構造を持つ薄膜サーミスタを用いた赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、赤外線の輻射エネルギを測定することで非接触での温度測定が可能な検知素子が知られている。検知用素子で赤外線量を計り、補償用素子で検知用素子を含む素子の温度を計ることにより、測定対象物の温度を推定する。
【０００３】
検知用素子としては、温接点と冷接点との温度差による熱起電力により赤外線を検知するサーモパイル、強誘電体の焦電効果による起電力を利用した焦電素子（例えば、特許文献１）、負の抵抗温度変化を用いたサーミスタ材料又はボロメータ材料を用いて赤外線の輻射エネルギを抵抗変化により検知するサーミスタ素子（例えば、特許文献２）等が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１２１４３１号公報
【特許文献２】特開平７−１４０００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した素子は、検知部の熱容量を小さくすることで素子の感度及び応答特性を改善できるので、検知部を薄膜で形成して支持基板から浮かすメンブレン構造が主に用いられる。焦電素子を用いた赤外線センサの場合、赤外線量に応じて焦電素子の温度が変化すると、焦電効果により電荷が誘起され、起電力が生じ、これにより発生した電圧により相対温度が換算可能であり、実際の温度に対して補正をするためにパッケージ内にサーミスタを同載する。具体的には、特許文献１のように焦電素子と同一チップ内にサーミスタを形成することで周囲温度（素子温度）を測定し、焦電素子の発生電圧から換算した相対温度を加算して補正している。従来は周囲温度を検知するサーミスタと赤外線を検知する焦電素子の熱容量が違うために周囲温度の急激な変化に対して追随できないという問題があった。
【０００６】
特許文献１においては、赤外線用のメンブレン構造の焦電素子とメンブレン構造の温度補償用のサーミスタを用いることで、熱応答性を揃える設計がなされているが、電極構造及び素子材料が異なるため、熱応答性は完全には一致しない。特に、低赤外線量、すなわち低温度域の計測をする場合は、熱応答性の差が相対的に大きくなる問題があった。また、特許文献２においては、それぞれの感熱抵抗体の熱容量については考慮されていないので、複数の感熱抵抗体間において、熱応答性は完全には一致しない。このため、特許文献２においても、低赤外線量の場合に、熱応答性の差が相対的に大きくなる問題があった。本発明は、熱応答性を改善した赤外線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】
【０００７】
本発明は、メンブレン構造の薄膜サーミスタを有する検知用素子と、メンブレン構造の薄膜サーミスタを有し、前記検知用素子と熱容量が同一の参照用素子と、メンブレン構造の薄膜サーミスタを有し、前記参照用素子と熱容量が同一の温度補償用素子と、前記検知用素子と前記参照用素子と前記温度補償用素子とを搭載する基板と、を含むことを特徴とする赤外線センサである。
【０００８】
本発明の赤外線センサは、検知用素子と、参照用素子と、温度補償用素子との、機能が異なる３素子を有する。それぞれの素子は、メンブレン構造を持つ薄膜サーミスタを同一基板上に搭載される。検知用素子の薄膜サーミスタと参照用素子の薄膜サーミスタとは２素子で組み合わせられて動作し、赤外線量に応じて抵抗が変化し対応する電圧が得られる。検知用素子は、赤外線を吸収しやすい構造であり、赤外線量に応じて大きく温度が変化し抵抗が変化するのに対して、参照用素子は赤外線を反射する構造とすることで赤外線による温度変化がないか、極微量のため抵抗変化がないか小さい。このため、両者の応答の差から素子に受けた赤外線量を計ることが可能になる。温度補償用素子は、周囲の温度に応じた素子の温度を反映した抵抗値により、対応する電圧を得る。この赤外線センサは、検知用素子と、参照用素子と、温度補償用素子とは、例えば、それぞれの薄膜サーミスタの寸法を同一にすることで、それぞれ熱容量を同一としてある。このようにすることで、検知用素子、参照用素子及び温度補償用素子の熱応答性を略同一にして、熱応答性の差を相対的に小さくすることができる。その結果、この赤外線センサは、熱応答性を改善することができる。ここで、メンブレン構造とは、Ｓｉ（シリコン）等の基板上に薄膜によりデバイス等を作製した後、ドライエッチング法又はウェットエッチング法によってＳｉ基板の一部を取り除いて形成された薄肉部分を有する構造をいう。
【０００９】
本発明は、前記検知用素子の薄膜サーミスタと前記参照用素子の薄膜サーミスタと前記温度補償用素子の薄膜サーミスタとは、それぞれ抵抗値及び抵抗温度係数が同一であることが好ましい。この赤外線センサは、それぞれの薄膜サーミスタが同一の抵抗値及び同一の抵抗温度特性（Ｂ定数）を有するので、周囲温度の急激な変化に対して温度補償用素子が検知用素子と同様の温度追随性を示す。その結果、この赤外線センサは、補正の容易な赤外線センサを得ることができる。また、この赤外線センサは、赤外線量検知と周囲温度検知とを、すべて、熱的応答性の同じ薄膜サーミスタを用いて行うことで、幅広い温度域にわたって検知精度を向上させることができる。
【００１０】
本発明において、前記参照用素子と前記温度補償用素子とは、前記検知用素子と熱的に対称に配置されることが好ましい。このように、検知用素子を中心に参照用素子と温度補償用素子とを対称に配置することで、検知用素子に対して参照用素子及び温度補償用素子の熱分布が均等になり、精度の高い測定が可能になる。
【００１１】
本発明において、前記参照用素子と前記温度補償用素子との間に前記検知用素子が配置されることが好ましい。このようにすることで、検知用素子に対して参照用素子及び温度補償用素子の熱分布を均等にできるので、精度の高い測定が可能になる。
【００１２】
本発明において、前記参照用素子と前記温度補償用素子と前記検知用素子とは、いずれも薄膜サーミスタを含むメンブレン構造部が長方形形状又は正方形形状であり、それぞれの角部が対向して配置されることが好ましい。このようにすることで、検知用素子が有する薄膜サーミスタから、参照用素子及び温度補償用素子が有する薄膜サーミスタへの熱の移動を抑制できるので、精度の高い測定が可能になる。
【００１３】
本発明において、前記参照用素子と前記検知用素子との間及び前記温度補償用素子と前記検知用素子との間に、熱的分離手段を有することが好ましい。このように、検知用素子と、参照用素子及び温度補償用素子との間に熱的分離手段を設けることにより、検知用素子が赤外線を受けることで生じる温度変化が、参照用素子及び温度補償用素子へ伝わることが抑制されるので、赤外線センサは、赤外線の検出精度が向上するとともに、また検出結果を高出力で出力することが可能になる。
【００１４】
本発明において、赤外線を検出するにあたって、前記検知用素子と前記参照用素子とは、２つの抵抗とともにフルブリッジ回路を構成し、前記温度補償用素子は、１つの抵抗とともにハーフブリッジ回路を構成することが好ましい。この赤外線センサは、使用にあたって、検知用素子と参照用素子とは、素子外部の固定抵抗２素子とフルブリッジ回路を形成する。フルブリッジ回路は、検知用素子及び参照用素子の熱的影響を等しくできるため、ハーブブリッジの回路構成よりも精度の良い測定が可能になる。また差動電圧を１個の増幅器により増幅するため、増幅率を上げても外来ノイズの影響を受けにくくなり、微少な赤外線量を検知することが可能となる。
【００１５】
本発明において、前記検知用素子の薄膜サーミスタと電気的に接続された２つの検知用素子電極と、前記参照用素子の薄膜サーミスタと電気的に接続された２つの参照用素子電極と、前記温度補償用素子の薄膜サーミスタと電気的に接続された２つの温度補償用素子電極と、を有し、１つの前記検知用素子電極と１つの前記参照用素子電極と１つの温度補償用素子電極とは、少なくともそれぞれ独立であることが好ましい。このようにすることで、フルブリッジ回路を容易に組むことができる。なお、１つの前記検知用素子電極と１つの前記参照用素子電極と１つの温度補償用素子電極とが独立であれば、残りの前記検知用素子電極と前記参照用素子電極と温度補償用素子電極とは接続されていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、熱応答性を改善した赤外線センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施形態１に係る赤外線センサを構成する、薄膜サーミスタを有する素子の平面図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】図３は、実施形態１に係る赤外線センサを示す平面図である。
【図４】図４は、実施形態２に係る赤外線センサを示す平面図である。
【図５】図５は、実施形態３に係る赤外線センサを示す平面図である。
【図６】図６は、実施形態３に係る赤外線センサを示す平面図である。
【図７】図７は、実施形態４に係る赤外線センサを示す平面図である。
【図８】図８は、実施形態１から実施形態４に係る赤外線センサを用いて赤外線を計測するときに用いる測定回路の一例を示すフルブリッジ回路の図である。
【図９】図９は、ハーブリッジ回路の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらにに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
【００１９】
（実施形態１）
＜薄膜サーミスタを有する素子＞
図１は、実施形態１に係る赤外線センサを構成する、薄膜サーミスタを有する素子の平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ矢視図である。図１、図２を参照しながら、本実施形態に係る赤外線センサを構成する、薄膜サーミスタを有する素子（以下、必要に応じて素子という）１の構造について説明する。素子１は、基板２と、薄膜サーミスタ３と、絶縁膜６と、取り出し電極（下部電極）５Ｈと、保護膜７と、Ｐａｄ電極５Ｐとを備える（図１参照）。基板２の材質としては、適度な機械的強度を有し、かつエッチング等の微細加工に適した材質であれば、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミックス基板、石英基板又はガラス基板等が好適である。
【００２０】
基板２の表面と裏面との少なくとも一方には、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜等の絶縁膜６が形成されている。さらに、基板２には薄膜サーミスタ３の領域の熱容量を小さくするために、薄膜サーミスタ３の位置に対応してキャビティ２Ｉが基板２の裏面に開口している。薄膜サーミスタ３は、温度検知に必要な部分に形成され、その表面には外気からの影響を遮断する保護膜６が形成されている。薄膜サーミスタ３と外部との接続部には、ワイヤーボンド等で薄膜サーミスタ３からの電気信号を良好に取り出すためのＰａｄ電極５Ｐが形成される。下部電極５ＨとＰａｄ電極５Ｐとが、素子１の電極５となる。
【００２１】
検知用素子として作用する薄膜サーミスタ３は、赤外線の吸収効率を向上させるために、検知領域に保護膜６を介して赤外線吸収膜を設けてもよい。参照用素子及び温度補償用素子として作用する薄膜サーミスタ３の表面には、赤外線の影響を抑制するために赤外線反射膜を設けることが好ましい。薄膜サーミスタ３の材料は、例えば、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウム等の、負の温度抵抗係数を持つ材料を用いることができる。薄膜サーミスタ３は、例えば、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の薄膜プロセスを用いて、前述した材料を基板２の表面に成膜することにより形成することができる。
【００２２】
下部電極５Ｈは、薄膜サーミスタ３の材料の成膜工程及び熱処理工程等のプロセスに耐え得る適度な導電性材質で比較的高融点の材料を用いて形成することができる。このような材料としては、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ)、イリジウム（Ｉｒ）又はこれらのうち少なくとも２種以上を含む合金等が好適である。
【００２３】
Ｐａｄ電極５Ｐは、ワイヤーボンド、フリップチップボンディング等の電気的接続が行いやすい材料を用いて形成することができる。このような材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）等が好適であり、必要に応じて積層してもよい。赤外線吸収膜としては、特に、波長が４μｍ〜１０μｍの赤外線を効率よく吸収する材料であればよい。このような材料としては、例えば、Ａｕ黒又は赤外線を吸収する樹脂等が好適である。赤外線を吸収する樹脂は、例えば、ポリイミド等が挙げられる。また、保護膜７としているＳｉＯ２膜を、赤外線吸収膜として機能させてもよい。
【００２４】
赤外反射膜は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）等の、主として金属材料を用いることができる。赤外線反射膜は、薄膜プロセスで形成可能であり、表面が平滑かつ反射率が高ければよい。また、赤外線反射膜は、赤外線を反射するだけでなく、基板２への熱の逃げを良くするために、熱伝導率の高いものが好ましい。
【００２５】
次に、図２を参照しながら素子１の製造工程について説明する。まず、図２に示すように、基板２として、例えば、（１００）シリコン基板等を用意する。そして、基板２の表面に絶縁膜６を形成する。絶縁膜６として、例えば、シリコン酸化膜を用いる場合には、熱酸化法等を適用して絶縁膜６を形成すればよい。絶縁膜６は、基板２との絶縁が確保でき、かつ基板２にキャビティ２Ｉを形成する際のマスクとして機能することが可能な程度の厚みとすればよい。絶縁膜６の厚みは、例えば、０．１μｍ〜０．５μｍ程度が好適である。さらに、絶縁膜６の表面に、下部電極５Ｈとして、ＲＦ（Radio Frequency）マグネトロンスパッタリング法等を用いて、１５０ｎｍ〜６００ｎｍ程度の金属膜を堆積させる。下部電極５Ｈの材料は、反応性イオンエッチング又はイオンミリング等の高精度なドライエッチングが可能である電導材料が好ましい。このような材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）等が好適である。また、下部電極５Ｈと、シリコン酸化膜等を用いた絶縁膜６との密着性を向上させるために、下部電極５Ｈ（例えば、白金（Ｐｔ））と絶縁膜６との間に、Ｔｉ等の密着増強層を形成することが好ましい。フォトリソグラフィによってレジスト等で絶縁膜６の表面にエッチングマスクを形成した後、イオンミリングによって分離された下部電極５Ｈを形成する。その後レジストで形成された前記エッチングマスクを除去することにより電極膜が露出される。
【００２６】
次に、絶縁膜６の表面かつ一対の下部電極５Ｈの間に、サーミスタ材料として複合金属酸化物材料をスパッタ法により堆積させる。サーミスタ材料の厚みは、薄膜サーミスタ３の目標とする抵抗値に応じて調整すればよい。例えば、ＭｎＮｉＣｏ系酸化物を用い、室温における薄膜サーミスタ３の抵抗値（Ｒ２５）を１４０ｋΩ程度に設定するのであれば、素子１が有する一対の下部電極５Ｈ間の距離にもよるが、サーミスタ材料の厚みを０．２μｍ〜１μｍ程度に設定すればよい。本実施形態においては、サーミスタ材料の厚みを０．４μｍに設定し、スパッタ条件としては基板２の温度を６００℃、成膜圧力を０．５Ｐａ、Ｏ２／Ａｒ流量比を１％、ＲＦパワーを４００Ｗとして、前記サーミスタ材料を絶縁膜６の表面に成膜し、薄膜サーミスタ３を形成した。その後、ＢＯＸ焼成炉を用いて、絶縁膜６、下部電極５Ｈ及び薄膜サーミスタ３が形成された基板２を、大気雰囲気において６５０℃で熱処理した。本実施形態において、前記熱処理に要した時間は１時間とした。続いて、薄膜サーミスタ３の検出領域として必要な部分をフォトリフォグラフィで残し、それ以外の部分をウェットエッチングにより除去する。
【００２７】
例えば、薄膜サーミスタ３にＭｎＣｏＮｉ系酸化物を用いる場合、塩化第二鉄水溶液等を用いれば、薄膜サーミスタ３の下部の膜（絶縁膜６及び下部電極５Ｈ）にダメージを与えることなく、容易に不要部を除去することができる。続いて、素子１の全面を被覆するように、ＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane：テトラエトキシシラン）−ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、０．３μｍ〜２μｍ程度のＳｉＯ２膜を保護膜７として堆積させた。そして、保護膜７の表面に、フォトリソグラフィによってエッチングマスクを形成した後、ウェットエッチングによって、Ｐａｄ電極５Ｈの接続部分のＳｉＯ２膜を選択エッチングし、Ｐａｄ電極５Ｈの接続部分のみを露出させた。その後、Ｐａｄ電極５Ｈの接続部分に、Ａｌ電極をＥＢ蒸着法により１ｕｍ程度形成し、Ｐａｄ電極５Ｈを形成する。その後、リフトオフ法により、前記接続部分以外のＡｌ電極を除去した。
【００２８】
続いて、温度補償用素子として用いる薄膜サーミスタ３の領域を、フォトリソグラフィによって開口した。そして、開口した部分に、赤外線反射膜として金（Ａｕ）をスパッタ法により形成した。本実施形態において、金（Ａｕ）の厚みは０．１μｍとした。その後、リフトオフ法を用いて不要部を除去した。このとき、赤外線反射膜は、平面視における寸法が、基板２に形成されるキャビティ２Ｉよりも２０μｍ大きくなるようにした。同様に、検知用素子として用いる薄膜サーミスタ３の領域を、シャドーマスクによって必要な部分のみ開口して、Ｎ２を導入した抵抗加熱蒸着法により、赤外線反射膜としてＡｕ黒を約５μｍの厚みで形成した。この時、Ａｕ黒の膜は、平面視において、基板２に形成されるキャビティ２Ｉよりも２０μｍ内側に入るように形成した。次に、基板２の裏面（薄膜サーミスタ３等が形成される面とは反対面）に、例えば、フォトリソグラフィによってエッチングマスクを形成した後、フッ化物系ガスを用いた反応性イオンエッチングによって基板２の裏面を開口し、平面視において、５００μｍ×５００μｍ角のキャビティ２Ｉを形成した。キャビティ２Ｉは、エッチングとバリア層形成とを交互に行いながら、基板２の裏面に対して垂直に加工するＤ−ＲＩＥ（Deep-Reactive Ion Etching）法を用いた。
【００２９】
素子１は、基板２の表面に絶縁膜６、下部電極５Ｈ及び薄膜サーミスタ３等の薄膜膜を、薄膜サーミスタ３と対向する部分が取り除かれた枠形状の基板２によって支持した構造である。薄膜サーミスタ３の部分は、キャビティ２Ｉの周りの基板２によって支持される薄膜デバイスの部分である。すなわち、素子１が有する薄膜サーミスタ３は、メンブレン構造を有している。
【００３０】
＜赤外線センサ＞
図３は、実施形態１に係る赤外線センサを示す平面図である。赤外線センサ１０は、検知用素子１Ｓと、参照用素子１Ｒと、温度補償用素子１Ｃと、これらを搭載した基板２とを有している。検知用素子１Ｓ、参照用素子１Ｒ及び温度補償用素子１Ｃの構造は、保護膜７の表面に設けられる膜の種類が異なる以外は、上述した素子１と同様であり、いずれもメンブレン構造の薄膜サーミスタ３を有している。検知用素子１Ｓは赤外線吸収膜４Ａを有し、参照用素子１Ｒ及び温度補償用素子１Ｃは、赤外線反射膜４Ｒを有している。検知用素子１Ｓと、参照用素子１Ｒと、温度補償用素子１Ｃとは、それぞれ検知用素子電極５Ｓと、参照用素子電極５Ｒと、温度補償用素子電極５Ｃとを有している。
【００３１】
本実施形態において、検知用素子１Ｓと、参照用素子１Ｒと、温度補償用素子１Ｃとは、共通の基板２に搭載される。また、本実施形態において、検知用素子１Ｓの熱容量と、参照用素子１Ｒの熱容量と、温度補償用素子１Ｃの熱容量とは同一である。検知用素子、参照用素子及び温度補償用素子は、同一の材料で製造されるので、例えば、検知用素子、参照用素子及び温度補償用素子の寸法（厚み及び平面視における大きさ）を同一にすることで、これらの熱容量を同一とすることができる。なお、検知用素子１Ｓと、参照用素子１Ｒと、温度補償用素子１Ｃとは、保護膜７の表面に設けられる膜の種類が異なるので、例えば、膜の材料に応じて膜の寸法（厚み等）を異ならせることにより、検知用素子１Ｓ、参照用素子１Ｒ及び温度補償用素子１Ｃの熱容量を同一にすることができる。
【００３２】
赤外線センサ１０は、検知用素子１Ｓ、参照用素子１Ｒ及び温度補償用素子１Ｃの熱容量が同一なので、これらの熱応答性を略同一にすることができる。その結果、赤外線センサ１０は、検知用素子１Ｓと、参照用素子１Ｒと、温度補償用素子１Ｃとの熱応答性の差が相対的に小さくなるので、熱応答性が改善される。
【００３３】
本実施形態において、検知用素子１Ｓが有する薄膜サーミスタ３と、参照用素子１Ｒが有する薄膜サーミスタ３と、温度補償用素子１Ｃが有する薄膜サーミスタ３とは、それぞれ抵抗値及び抵抗温度係数（Ｂ定数）が同一である。このため、赤外線センサ１０が有する温度補償用素子１Ｃは、周囲温度の急激な変化に対して検知用素子１Ｓと同様の温度追随性を示す。その結果、赤外線センサ１０は、補正が容易になる。また、赤外線センサ１０は、熱的応答性の同じ薄膜サーミスタ３を用いて赤外線量検知及び周囲温度検知を行うので、幅広い温度域にわたって検知精度が向上する。
【００３４】
検知用素子１Ｓ、参照用素子１Ｒ及び温度補償用素子１Ｃは、いずれも周囲温度の影響を受けるが、検知用素子１Ｓは赤外線量に応じて大きく温度が変化する。このため、検知用素子１Ｓの温度変化は、同一の赤外線センサ１０の同一の基板２に配置される参照用素子１Ｒ及び温度補償用素子１Ｃにも影響を与える。本実施形態において、図３に示すように、赤外線センサ１０は、参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃとが、検知用素子１Ｓと熱的に対称に配置される。このようにすることで、検知用素子１Ｓと、参照用素子１Ｒと、温度補償用素子１Ｃとの温度影響を略等しくすることができるので、赤外線センサ１０は、測定精度が向上する。また、赤外線センサ１０は、参照用素子１Ｒ及び温度補償用素子１Ｃが基板２の外側に配置される。このため、赤外線センサ１０が有する参照用素子１Ｒ及び温度補償用素子１Ｃは、周囲温度の影響を受けやすくなる。その結果、赤外線センサ１０は、温度補償の精度が向上するので、測定精度が向上する。
【００３５】
本実施形態において、検知用素子１Ｓ、参照用素子１Ｒ及び温度補償用素子１Ｃは、いずれも平面視が略長方形形状である。参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃとは、検知用素子１Ｓの長手方向と平行、かつ検知用素子１Ｓの短手方向における中心を通る直線に対して線対称に配置される。このような配置により、検知用素子１Ｓは、参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃとの間、かつ基板２の中央部に配置される。このようにすることで、前述した熱的に対称な配置を実現している。その結果、検知用素子１Ｓに対して参照用素子１Ｒ及び温度補償用素子１Ｃの熱分布を均等にできるので、赤外線センサ１０は測定精度がより向上する。ただし、前記熱的に対称な配置は本実施形態のような配置に限定されるものではない。
【００３６】
赤外線センサ１０は、検知用素子１Ｓの検知用素子電極５Ｓが有する２つのＰａｄ電極５Ｐと、参照用素子１Ｒの参照用素子電極５Ｒが有する２つのＰａｄ電極５Ｐと、温度補償用素子１Ｃの温度補償用素子電極５Ｃが有する２つのＰａｄ電極５Ｐとがそれぞれ独立している。このため、後述する測定回路として用いるフルブリッジ回路に接続しやすくなる。なお、前記フルブリッジ回路を用いる場合、検知用素子１Ｓと参照用素子１Ｒとの接続部及び温度補償用素子１Ｃの一方のＰａｄ電極５Ｐをグランドに接続する必要がある。このため、検知用素子電極５Ｓ、参照用素子電極５Ｒ及び温度補償用素子電極５Ｃのそれぞれが有する２つのＰａｄ電極５Ｐのうち一方を、検知用素子電極５Ｓと参照用素子電極５Ｒと温度補償用素子電極５Ｃとの間で一体として形成してもよい。このようにすれば、検知用素子電極５Ｓと参照用素子電極５Ｒと温度補償用素子電極５Ｃとの間における配線を少なくすることができる。次に、赤外線センサ１０の作製方法を説明する。
【００３７】
赤外線センサ１０は、上述した素子１と同様に作製することができる。赤外線センサ１０は、絶縁性の基板２（シリコン基板、誘電率：２．４）の表面に、熱酸化法により、厚みが０．５μｍのシリコン酸化膜を略全面に形成し、絶縁膜６を形成した。次いで、絶縁膜６の表面に、高周波マグネトロンスパッタ法により、厚みが５ｎｍのＴｉの金属薄膜及び厚みが１００ｎｍのＰｔの金属薄膜を順次、略全面に形成する。形成された積層金属薄膜片上に、櫛歯状のエッチングマスクを形成した後、エッチングマスクで覆われていない積層金属薄膜片をイオンミリング法によりエッチングする。その後、エッチングマスクを除去することにより、櫛歯状の検知用素子電極５Ｓ、参照用素子電極５Ｒ及び温度補償用素子電極５Ｃを形成した。
【００３８】
次いで、形成した検知用素子電極５Ｓ、参照用素子電極５Ｒ及び温度補償用素子電極５Ｃの表面に、スパッタリング法により、ＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を成膜することで、厚みが０．４μｍ、抵抗値が１００ｋΩ、スリット幅が２０μｍのＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を形成した。このスパッタリングは、マルチターゲットスパッタ装置（商品名：ＥＳ３５０ＳＵ、株式会社エイコー・エンジニアリング製）を使用した。スパッタリングの条件は、基板２の温度を６００℃、アルゴン圧力を０．５Ｐａ、Ｏ２／Ａｒ流量比を１％、投入電力を４００Ｗとした。その後、ＢＯＸ焼成炉を使用し、大気雰囲気中で６５０℃、１時間の条件において、ＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜等が形成された基板２に熱処理を施した。
【００３９】
続いて、フォトリソグラフィ法により、検知部位を除くＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜にマスクを作製し、塩化第二鉄水溶液を用いてウェットエッチング処理した。その後、非マスク領域のＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を除去した。しかる後、マスクを除去することにより、検知部位にのみ薄膜サーミスタ３を形成した。
【００４０】
次いで、薄膜サーミスタ３の表面に、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により、ＳｉＯ２膜を成膜することで、厚みが０．４μｍの保護膜７を形成した。その後、Ｐａｄ電極５Ｐを配置する部位を除くＳｉＯ２膜上にマスクを作製し、Ｐａｄ電極５Ｐを配置する部位にウェットエッチング処理を施し、その後、非マスク領域のＳｉＯ２膜を除去することで、開口を形成した。続いて、形成した開口及びマスク上に、ＥＢ蒸着法より、厚みが１．０μｍのＡｌの金属薄膜を形成した。その後、リフトオフ法により、開口を充填するように形成したＡｌの金属薄膜を除く部位のＡｌ及びマスクを除去し、Ｐａｄ電極５Ｐを形成した。続いて、温度補償用素子として用いる薄膜サーミスタ３の領域を、フォトリソグラフィによって開口し、開口した部分に、スパッタ法により厚み０．１μｍの赤外線反射膜４Ｒを形成した。このような手順により、赤外線センサ１０を作製した。
【００４１】
上記のように、本実施形態について説明したが、本実施形態の構成は、以下の実施形態においても適宜適用することができる。また、本実施形態と同様の構成を有するものは、本実施形態と同様の作用、効果を奏する。
【００４２】
（実施形態２）
図４は、実施形態２に係る赤外線センサを示す平面図である。実施形態２の赤外線センサ１０Ａは、実施形態１の赤外線センサ１０（図３参照）と同様であるが、検知用素子１Ｓと、参照用素子１Ｒと、温度補償用素子１Ｃとの配置が異なる。赤外線センサ１０Ａは、参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃと検知用素子１Ｓとは、いずれも薄膜サーミスタ３を含むメンブレン構造部が長方形形状又は正方形形状である。そして、それぞれの前記メンブレン構造部の角部が対向して配置される。
【００４３】
赤外線センサ１０Ａが有する検知用素子１Ｓ、参照用素子１Ｒ及び温度補償用素子１Ｃは、それぞれ薄膜サーミスタ３を含むメンブレン構造部を有している。赤外線センサ１０Ａは、メンブレン構造部に含まれる薄膜サーミスタ３及び基板２のキャビティ２Ｉの平面視における形状が正方形である。なお、これらの平面視における形状は、長方形であってもよい。
【００４４】
検知用素子１Ｓの薄膜サーミスタ３は、参照用素子１Ｒの薄膜サーミスタ３と温度補償用素子１Ｃの薄膜サーミスタ３との間に配置される。そして、検知用素子１Ｓの薄膜サーミスタ３が有する１つの角部が参照用素子１Ｒの薄膜サーミスタ３が有する１つの角部と対向し、検知用素子１Ｓの薄膜サーミスタ３が有する前記１つの角部の対角線上にあるもう一つの角部が、温度補償用素子１Ｃの薄膜サーミスタ３が有する１つの角部と対向する。
【００４５】
赤外線センサ１０Ａは、検知用素子１Ｓの薄膜サーミスタ３が基板２の略中央部（好ましくは中央部）に配置されている。このように、検知用素子１Ｓの薄膜サーミスタ３を基板２の中央部に配置することにより、検知用素子１Ｓの受光位置の設計が容易になる。
【００４６】
上述したように、検知用素子１Ｓの薄膜サーミスタ３は、参照用素子１Ｒの薄膜サーミスタ３と温度補償用素子１Ｃの薄膜サーミスタ３との間に配置され、かつ角部が対向して配置される。このため、赤外線センサ１０Ａは、検知用素子１Ｓの薄膜サーミスタ３の中心（２本の対角線の交点、図心）に対して、参照用素子１Ｒの薄膜サーミスタ３と温度補償用素子１Ｃの薄膜サーミスタ３とが点対称に配置される。このような配置構造により、参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃとは、赤外線センサ１０Ａの外部からの赤外線に対して熱的に均等になる。その結果、参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃとの応答特性及び温度変化特性を揃えることができる。また、参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃとは、検知用素子１Ｓと対向する部分が角部（頂点）のみとなるため、参照用素子１Ｒと検知用素子１Ｓとの間及び温度補償用素子１Ｃと検知用素子１Ｓとの間における熱伝導による熱の移動を最小に抑えることができる。これらの作用により、赤外線センサ１０Ａ（より具体的には検知用素子１Ｓ）の検出感度を向上させることができる。
【００４７】
検知用素子１Ｓの検知用素子電極５Ｓが有する２つのＰａｄ電極５Ｐは、検知用素子１Ｓが有する薄膜サーミスタ３の１つの対角線の延長線上に配置される。また、参照用素子１Ｒの薄膜サーミスタ３の角部と温度補償用素子１Ｃの薄膜サーミスタ３の角部とは、検知用素子１Ｓが有する薄膜サーミスタ３の他の対角線の延長線上に配置される。２つのＰａｄ電極５Ｐが配置される延長線に含まれる薄膜サーミスタ３の対角線は、前記角部が配置される延長線に含まれる薄膜サーミスタ３の対角線と交差する。検知用素子１Ｓの検知用素子電極５Ｓが有する２つのＰａｄ電極５Ｐは、いずれも平面視が正方形（長方形でもよい）であり、それぞれのＰａｄ電極５Ｐが有する１つの角部は、検知用素子１Ｓが有する薄膜サーミスタ３の１つの対角線上に配置される角部と対向している。検知用素子１Ｓが有する薄膜サーミスタ３は、一対の下部電極５ＨによってそれぞれのＰａｄ電極５Ｐと接続されている。
【００４８】
参照用素子１Ｒの参照用素子電極５Ｒが有する２つのＰａｄ電極５Ｐは、それぞれ直交する方向に引き出される。また、温度補償用素子１Ｃの温度補償用素子電極５Ｃが有する２つのＰａｄ電極５Ｐは、それぞれ直交する方向に引き出される。このような構造により、限られた基板２の表面に、検知用素子１Ｓ、検知用素子電極５Ｓ、参照用素子１Ｒ、参照用素子電極５Ｒ、温度補償用素子１Ｃ及び温度補償用素子電極５Ｃを効率よく配置できるので、限られたスペースを有効に利用できる。
【００４９】
赤外線センサ１０Ａは、検知用素子１Ｓの検知用素子電極５Ｓが有する２つのＰａｄ電極５Ｐと、参照用素子１Ｒの参照用素子電極５Ｒが有する２つのＰａｄ電極５Ｐと、温度補償用素子１Ｃの温度補償用素子電極５Ｃが有する２つのＰａｄ電極５Ｐとがそれぞれ独立している。このため、後述する測定回路として用いるフルブリッジ回路に接続しやすくなる。なお、前記フルブリッジ回路を用いる場合、検知用素子１Ｓと参照用素子１Ｒとの接続部及び温度補償用素子１Ｃの一方のＰａｄ電極５Ｐをグランドに接続する必要がある。このため、検知用素子電極５Ｓ、参照用素子電極５Ｒ及び温度補償用素子電極５Ｃのそれぞれが有する２つのＰａｄ電極５Ｐのうち一方を、検知用素子電極５Ｓと参照用素子電極５Ｒと温度補償用素子電極５Ｃとの間で一体として形成してもよい。このようにすれば、検知用素子電極５Ｓと参照用素子電極５Ｒと温度補償用素子電極５Ｃとの間における配線を少なくすることができる。次に、赤外線センサ１０Ａの作製方法を説明する。
【００５０】
赤外線センサ１０Ａは、上述した素子１と同様に作成することができる。赤外線センサ１０Ａは、絶縁性基板（シリコン基板、誘電率：２．４）２の表面に、熱酸化法により、厚みが０．５μｍのシリコン酸化膜を略全面に形成し、絶縁膜６を形成した。次いで、絶縁膜６の表面に、高周波マグネトロンスパッタ法により、厚みが５ｎｍのＴｉの金属薄膜、及び厚みが１００ｎｍのＰｔの金属薄膜を順次、略全面に形成する。形成された積層金属薄膜片上に、櫛歯状のエッチングマスクを形成した後、エッチングマスクで覆われていない積層金属薄膜片をイオンミリング法によりエッチングする。その後、エッチングマスクを除去することにより、櫛歯状の検知用素子電極５Ｓ、参照用素子電極５Ｒ及び温度補償用素子電極５Ｃ電極膜を形成した。
【００５１】
次いで、形成した検知用素子電極５Ｓ、参照用素子電極５Ｒ及び温度補償用素子電極５Ｃの電極膜の表面に、スパッタリング法により、ＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を成膜することで、厚みが０．４μｍ、抵抗値が１００ｋΩ、スリット幅が２０μｍのＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を形成した。このスパッタリングは、マルチターゲットスパッタ装置（商品名：ＥＳ３５０ＳＵ、株式会社エイコー・エンジニアリング製）を使用した。スパッタリングの条件は、基板２の温度を６００℃、アルゴン圧力を０．５Ｐａ、Ｏ２／Ａｒ流量比を１％、投入電力を４００Ｗとした。その後、ＢＯＸ焼成炉を使用し、熱処理を大気雰囲気中で６５０℃、１時間の条件において、ＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜等が形成された基板２に熱処理を施した。
【００５２】
続いて、フォトリソグラフィ法により、検知部位を除くＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜上にマスクを作製し、塩化第二鉄水溶液を用いてウェットエッチング処理した。その後、非マスク領域のＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を除去した。しかる後、マスクを除去することにより、検知部位にのみ薄膜サーミスタ膜３を形成した。
【００５３】
次いで、薄膜サーミスタ３の表面に、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により、ＳｉＯ２膜を成膜することで、厚みが０．４μｍの保護膜７を形成した。その後、Ｐａｄ電極５Ｐを配置する部位を除くＳｉＯ２膜上にマスクを作製し、Ｐａｄ電極５Ｐを配置する部位にウェットエッチング処理を施し、その後、非マスク領域のＳｉＯ２膜を除去することで、開口を形成した。続いて、形成した開口及びマスク上に、ＥＢ蒸着法より、厚みが１．０μｍのＡｌの金属薄膜を形成した。その後、リフトオフ法により、開口を充填するように形成したＡｌの金属薄膜を除く部位のＡｌ及びマスクを除去し、Ｐａｄ電極５Ｐを形成した。このような手順により、赤外線センサ１０Ａを作製した。
【００５４】
上記のように、本実施形態について説明したが、本実施形態の構成は、以下の実施形態においても適宜適用することができる。また、本実施形態と同様の構成を有するものは、本実施形態と同様の作用、効果を奏する。
【００５５】
（実施形態３）
図５は、実施形態３に係る赤外線センサを示す平面図である。実施形態３の赤外線センサ１０Ｂは、実施形態１の赤外線センサ１０（図３参照）と同様であるが、参照用素子１Ｒと検知用素子１Ｓとの間及び温度補償用素子１Ｃと検知用素子１Ｓとの間に、熱的分離手段としての熱分離層８を有する点が異なる。赤外線センサ１０Ｂは、参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃとの間に検知用素子１Ｓが同一の基板２の表面に配置されている。本実施形態において、平面視が略長方形形状の参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃと検知用素子１Ｓとは、それぞれの長手方向が平行になるように配置されている。検知用素子１Ｓ、参照用素子１Ｒ及び温度補償用素子１Ｃは、いずれもメンブレン構造を有する薄膜サーミスタ３を有している。
【００５６】
赤外線センサ１０Ｂは、参照用素子１Ｒと検知用素子１Ｓとの間及び温度補償用素子１Ｃと検知用素子１Ｓとの間に熱分離層８を有している。熱分離層８は、基板２よりも熱伝導率が低い材料を薄膜で形成して、検知用素子１Ｓの熱変化の影響を低減するものである。本実施形態においては、薄膜サーミスタ３が有する電極５と同時に形成可能なＰｔを用いて熱分離層８とした。なお、熱分離層８は、Ｐｔに限定されるものではない。このように、赤外線センサ１０Ｂが熱分離層８を有することにより、検知用素子１Ｓが受けた熱変化は、検知用素子１Ｓの両側にある参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃとに伝わりにくくなる。その結果、赤外線センサ１０Ｂは、赤外線の検出精度が向上するとともに、また検出結果を高出力で出力することが可能になる。
【００５７】
図６は、実施形態３の変形例に係る赤外線センサを示す平面図である。実施形態３の変形例の赤外線センサ１０Ｂａは、実施形態２の赤外線センサ１０Ａ（図４参照）と同様であるが、参照用素子１Ｒと検知用素子１Ｓとの間及び温度補償用素子１Ｃと検知用素子１Ｓとの間に、熱的分離手段としての熱分離層８を有する点が異なる。赤外線センサ１０Ｂａは、参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃと検知用素子１Ｓとは、いずれも薄膜サーミスタ３を含むメンブレン構造部が長方形形状又は正方形形状である。そして、それぞれの前記メンブレン構造部の角部が熱分離層８を挟み、対向して配置される。赤外線センサ１０Ｂａが有する検知用素子１Ｓ、参照用素子１Ｒ及び温度補償用素子１Ｃは、それぞれ薄膜サーミスタ３を含むメンブレン構造部を有している。
【００５８】
検知用素子１Ｓの薄膜サーミスタ３は、基板２の略中央部（好ましくは中央部）に配置され、参照用素子１Ｒの薄膜サーミスタ３と温度補償用素子１Ｃの薄膜サーミスタ３との間に角部が熱分離層８を挟み、対向して配置される。そして、参照用素子１Ｒと検知用素子１Ｓとの間及び温度補償用素子１Ｃと検知用素子１Ｓとの間に熱分離層８を有している。このため、赤外線センサ１０Ｂａは、検知用素子１Ｓの薄膜サーミスタ３の中心（２本の対角線の交点、図心）に対して、参照用素子１Ｒの薄膜サーミスタ３と温度補償用素子１Ｃの薄膜サーミスタ３とが点対称に配置される。このような配置構造により、参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃとは、赤外線センサ１０Ａの外部からの赤外線に対して熱的に均等になる。その結果、参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃとの応答特性及び温度変化特性を揃えることができる。また、参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃとは、検知用素子１Ｓと対向する部分が熱分離層８を挟んで角部（頂点）のみとなり、参照用素子１Ｒと検知用素子１Ｓとの間及び温度補償用素子１Ｃと検知用素子１Ｓとの間における熱伝導による熱の移動を最小に抑えることができる。これらの作用により、赤外線センサ１０Ｂａ（より具体的には検知用素子１Ｓ）の検出感度を向上させることができる。
【００５９】
赤外線センサ１０Ｂ、１０Ｂａは、上述した素子１と同様に作成することができる。赤外線センサ１０Ｂ、１０Ｂａは、絶縁性基板２（シリコン基板、誘電率：２．４）の表面に、熱酸化法により、厚みが０．５μｍのシリコン酸化膜を略全面に形成し、絶縁膜６を形成した。次いで、絶縁膜６の表面に、高周波マグネトロンスパッタ法により、厚みが５ｎｍのＴｉの金属薄膜及び厚みが１００ｎｍのＰｔの金属薄膜を順次、略全面に形成する。形成された積層金属薄膜片上に、櫛歯状のエッチングマスクを形成した後、エッチングマスクで覆われていない積層金属薄膜片をイオンミリング法によりエッチングする。その後、エッチングマスクを除去することにより、櫛歯状の検知用素子電極５Ｓ、参照用素子電極５Ｒ及び温度補償用素子電極５Ｃ、熱分離層８を形成した。
【００６０】
次いで、形成した検知用素子電極５Ｓ、参照用素子電極５Ｒ及び温度補償用素子電極５Ｃの表面に、スパッタリング法により、ＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を成膜することで、厚みが０．４μｍ、抵抗値が１００ｋΩ、スリット幅が２０μｍのＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を形成した。このスパッタリングは、マルチターゲットスパッタ装置（商品名：ＥＳ３５０ＳＵ、株式会社エイコー・エンジニアリング製）を使用した。スパッタリングの条件は、基板２の温度を６００℃、アルゴン圧力を０．５Ｐａ、Ｏ２／Ａｒ流量比を１％、投入電力を４００Ｗとした。その後、ＢＯＸ焼成炉を使用し、熱処理を大気雰囲気中で６５０℃、１時間の条件において、ＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜等が形成された基板２に熱処理を施した。
【００６１】
続いて、フォトリソグラフィ法により、検知部位を除くＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜上にマスクを作製し、塩化第二鉄水溶液を用いてウェットエッチング処理した。その後、非マスク領域のＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を除去した。しかる後、マスクを除去することにより、検知部位にのみ薄膜サーミスタ３を形成した。
【００６２】
次いで、薄膜サーミスタ３の表面に、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により、ＳｉＯ２膜を成膜することで、厚みが０．４μｍの保護膜７を形成した。その後、Ｐａｄ電極５Ｐを配置する部位を除くＳｉＯ２膜上にマスクを作製し、Ｐａｄ電極５Ｐを配置する部位にウェットエッチング処理を施し、その後、非マスク領域のＳｉＯ２膜を除去することで、開口を形成した。続いて、形成した開口及びマスク上に、ＥＢ蒸着法より、厚みが１．０μｍのＡｌの金属薄膜を形成した。その後、リフトオフ法により、開口を充填するように形成したＡｌの金属薄膜を除く部位のＡｌ及びマスクを除去し、Ｐａｄ電極５Ｐを形成した。続いて、温度補償用素子として用いる薄膜サーミスタ３の領域を、フォトリソグラフィによって開口し、開口した部分に、スパッタ法により厚み０．１μｍの赤外線反射膜４Ｒを形成した。このような手順により、赤外線センサ１０Ａを作製した。
【００６３】
上記のように、本実施形態又はその変形例について説明したが、本実施形態又はその変形例の構成は、以下の実施形態においても適宜適用することができる。また、本実施形態又はその変形例と同様の構成を有するものは、本実施形態と同様の作用、効果を奏する。
【００６４】
（実施形態４）
図７は、実施形態４に係る赤外線センサを示す平面図である。実施形態４の赤外線センサ１０Ｃは、実施形態３の赤外線センサ１０Ｂ（図５参照）と同様であるが、熱的分離手段としての熱分離層８ａの構造が異なる。赤外線センサ１０Ｃは、参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃとの間に検知用素子１Ｓが熱分離層８ａを挟んで同一の基板２の表面に配置されている。本実施形態において、平面視が略長方形形状の参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃと検知用素子１Ｓとは、それぞれの長手方向が平行になるように配置されている。検知用素子１Ｓ、参照用素子１Ｒ及び温度補償用素子１Ｃは、いずれもメンブレン構造を有する薄膜サーミスタ３を有している。
【００６５】
赤外線センサ１０Ｃは、参照用素子１Ｒと検知用素子１Ｓとの間及び温度補償用素子１Ｃと検知用素子１Ｓとの間に熱分離層８ａを有している。熱分離層８ａは、基板２に設けられた熱分離層８ａの部分の熱伝導を低下させて、検知用素子１Ｓの熱変化の影響を低減するものである。本実施形態においては、基板２表面に熱分離層８ａの形状で１５μｍの溝を形成して熱分離層８ａとした。なお、熱分離層８ａは、溝に限定されるものではない。このように、赤外線センサ１０Ｃが熱分離層８ａを有することにより、検知用素子１Ｓが受けた熱変化は、検知用素子１Ｓの両側にある参照用素子１Ｒと温度補償用素子１Ｃとに伝わりにくくなる。その結果、赤外線センサ１０Ｃは、赤外線の検出精度が向上するとともに、また検出結果を高出力で出力することが可能になる。
【００６６】
赤外線センサ１０Ｃは、上述した素子１と同様に作成することができる。赤外線センサ１０Ｃは、絶縁性基板２（シリコン基板、誘電率：２．４）の表面に、熱酸化法により、厚みが０．５μｍのシリコン酸化膜を略全面に形成し、絶縁膜６を形成した。次いで、絶縁膜６の表面に、高周波マグネトロンスパッタ法により、厚みが５ｎｍのＴｉの金属薄膜及び厚みが１００ｎｍのＰｔの金属薄膜を順次、略全面に形成する。形成された積層金属薄膜片上に、櫛歯状のエッチングマスクを形成した後、エッチングマスクで覆われていない積層金属薄膜片をイオンミリング法によりエッチングする。その後、エッチングマスクを除去することにより、櫛歯状の検知用素子電極５Ｓ、参照用素子電極５Ｒ及び温度補償用素子電極５Ｃを形成した。
【００６７】
次いで、形成した検知用素子電極５Ｓ、参照用素子電極５Ｒ及び温度補償用素子電極５Ｃの表面に、スパッタリング法により、ＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を成膜することで、厚みが０．４μｍ、抵抗値が１００ｋΩ、スリット幅が２０μｍのＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を形成した。このスパッタリングは、マルチターゲットスパッタ装置（商品名：ＥＳ３５０ＳＵ、株式会社エイコー・エンジニアリング製）を使用した。スパッタリングの条件は、基板２の温度を６００℃、アルゴン圧力を０．５Ｐａ、Ｏ２／Ａｒ流量比を１％、投入電力を４００Ｗとした。その後、ＢＯＸ焼成炉を使用し、熱処理を大気雰囲気中で６５０℃、１時間の条件において、ＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜等が形成された基板２に熱処理を施した。
【００６８】
続いて、フォトリソグラフィ法により、検知部位を除くＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜上にマスクを作製し、塩化第二鉄水溶液を用いてウェットエッチング処理した。その後、非マスク領域のＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を除去した。しかる後、マスクを除去することにより、検知部位にのみ薄膜サーミスタ３を形成した。
【００６９】
次いで、薄膜サーミスタ３の表面に、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により、ＳｉＯ２膜を成膜することで、厚みが０．４μｍの保護膜７を形成した。その後、Ｐａｄ電極を配置する部位を除く部分及び熱分離層８ａの部分に、ＣＨＦ３を用いたドライエッチング処理を施しＳｉＯ２膜を除去することで、Ｐａｄ電極の開口、及び熱分離層８ａを形成した。熱分離層８ａは、基板２表面に幅１５０μｍ、深さ１５μｍの溝である。
【００７０】
続いて、形成した開口及びマスク上に、ＥＢ蒸着法より、厚みが１．０μｍのＡｌの金属薄膜を形成した。その後、リフトオフ法により、開口を充填するように形成したＡｌの金属薄膜を除く部位のＡｌ及びマスクを除去し、Ｐａｄ電極５Ｐを形成した。続いて、温度補償用素子として用いる薄膜サーミスタ３の領域を、フォトリソグラフィによって開口し、開口した部分に、スパッタ法により厚み０．１μｍの赤外線反射膜４Ｒを形成した。このような手順により、赤外線センサ１０Ｃを作製した。
【００７１】
上記のように、本実施形態又はその変形例について説明したが、本実施形態又はその変形例の構成は、以下の実施形態においても適宜適用することができる。また、本実施形態又はその変形例と同様の構成を有するものは、本実施形態と同様の作用、効果を奏する。
【００７２】
（実施形態５）
＜測定回路＞
図８は、実施形態１から実施形態４に係る赤外線センサを用いて赤外線を計測するときに用いる測定回路の一例を示すフルブリッジ回路の図である。実施形態１から実施形態４に係る赤外線センサ１０、１０Ａ等は、検知用素子１Ｓと参照用素子１Ｒとの赤外線吸収及び赤外線反射の差により生じた、検知用素子１Ｓと参照用素子１Ｒとの温度差ひいては抵抗差を電圧として検知している。このような抵抗差を利用した検知には、ハーフブリッジ回路又はフルブリッジ回路を用いるが、従来は、構成素子数が少ないことからハーフブリッジ回路を使うことが一般的であった。
【００７３】
しかし、ハーフブリッジ回路では２素子に接続する回路が非対称になり、検知用素子１Ｓと参照用素子１Ｒとに外部からの熱影響が異なって影響を及ぼし、赤外線を精度よく検出することが困難であった。そこで、本実施形態では、フルブリッジ回路２０を用い、検知用素子１Ｓと参照用素子１Ｒとに直接接続される素子（抵抗素子）を同じものにすることで、検知用素子１Ｓと参照用素子１Ｒとに作用する熱的影響を対称的にして、赤外線の測定精度を向上させることを可能にする。
【００７４】
具体的には、フルブリッジ回路２０は、評価対象の検知用素子４Ｓ及び参照用素子４Ｒを使用し、素子外部に２つの基準抵抗素子Ｒ１、Ｒ２で構成される。検知用素子４Ｓは基準抵抗素子Ｒ１と参照用素子４Ｒとに接続し、参照用素子４Ｒは基準抵抗素子Ｒ２と検知用素子４Ｓとに接続し、基準抵抗素子Ｒ１とＲ２もそれぞれ接続してフルブリッジ回路２０を形成する。この基準抵抗素子の形状、組成を揃えることで、検知用素子４Ｓと参照用素子４Ｒは熱的に対称となるため、外部からの熱的影響が等しくなり、検知精度を向上させることができる。
【００７５】
赤外線量に相当する電圧Ｐは、Ｐ１とＰ２との電圧差で得られる。周囲温度に相当する電圧Ｐ３は、評価対象の温度補償用素子４Ｃと、素子の外部の基準抵抗素子Ｒ３とのハーフブリッジ回路で得られる。これらは、図８中に示した点線枠内の検知用素子４Ｓ、参照用素子４Ｒ、温度補償用素子４Ｃである３個の薄膜サーミスタは一体構造の赤外線センサ１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｂ、１０Ｂａ、１０Ｃとしている。
【００７６】
上記のように、本実施形態と同様の構成を有するものは、本実施形態と同様の作用、効果を奏する。
【００７７】
＜評価＞
実施形態１から実施形態４に係る赤外線センサを評価した。実施形態１から実施形態４、及び比較例の赤外線センサについて、赤外線量を推定するための素子出力測定を行った。出力を得るための回路は、実施形態１から実施形態４の検知用素子４Ｓ、参照用素子４Ｒ及び温度補償用素子４Ｃについては、図８に示すような検知用素子４Ｓと参照用素子４Ｒとを含むフルブリッジ回路２０と温度補償用素子４Ｃを含むハーフブリッジ回路１１を用いた。
【００７８】
図９は、ハーブリッジ回路の一例を示す図である。実施形態１の赤外線センサ１０を用い、検知用素子ＴＨａはそのままであるが、参照用素子を第１の基準感熱抵抗体ＴＨａ、温度補償用素子を第２の基準感熱抵抗体ＴＨｂと役割を変更し、図７に示したような回路を接続して赤外線センサを構成した。すなわち検知用素子ＴＨｓと第１の基準用素子ＴＨａでハーフブリッジ回路を、第２の基準用素子ＴＨｂと外部固定抵抗Ｒでハーフブリッジを形成する。ここで図７中に示した点線枠内の検知用素子ＴＨｓ、第１の基準感熱抵抗体ＴＨａ、第２の基準感熱抵抗体ＴＨｂの薄膜サーミスタは一体構造の赤外線センサとしている。赤外線量を反映する電圧Ｐａは、検知用素子と第１の基準感熱抵抗体のハーフブリッジ回路から得られ、周囲温度を反映する電圧Ｐｂは、第２の基準感熱抵抗体と外部固定抵抗のハーフブリッジ回路から得られる。
【００７９】
＜測定方法＞
赤外線量の測定方法としては、所定温度に保持した赤外線センサ１０等に、実施形態１〜４については図８のフルブリッジ回路２０及びハーフブリッジ回路１１を、比較例については図９に示すハーフブリッジ回路３０を組み合わせ、所定の赤外線を与えた時の、基準電圧Ｖｃｃを印可した回路の測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰａ、Ｐｂの電圧を測定する。
【００８０】
具体的には、赤外線センサ１０等の温度を２５℃に保ち、表面温度３７℃に設定した平面黒体から５ｃｍ離して設置した時の、平面黒体の表面温度に対応する各測定点の電圧を測定した。実施形態１〜４は、赤外線量に相当する電圧Ｐは、Ｐ１とＰ２との電圧差で得られる。外部基準抵抗Ｒ１は１２０ｋΩ、基準電圧Ｖｃｃは５Ｖであった。外部基準抵抗Ｒ２は、平面黒体表面温度を２５℃にした時の電圧Ｐが０になるように調整してあらかじめ設置し、実施形態１〜４の抵抗値は、１２０ｋΩ±１ｋΩであった（条件１）。
【００８１】
比較例では、外部固定抵抗Ｒは１２０ｋΩ、基準電圧Ｖｃｃは５Ｖであった。比較例の場合、電圧Ｐａは検知用素子と第１の基準感熱抵抗体のハーフブリッジであるため、基準電圧の抵抗比分圧となり、常に既知の基準温度との相対値となる。この場合は、実施例に合わせ、平面黒体の表面温度を２５℃にした時の電圧からの差分を出力とした。評価結果を表１に示す。
【００８２】
【表１】
0005669678.tif 000002
【００８３】
電圧Ｐは、実施形態１が３．９４ｍＶで、検知用素子４Ｓに隣接する温度補償用素子４Ｃ又は参照用素子４Ｒの相対する端部が最短距離となるように配置した実施形態２は４．４３ｍＶ、熱的分離手段を施した実施形態３、４は、それぞれ４．３５ｍＶ、４．３７ｍＶとなった（表１参照）。比較例の電圧Ｐａは平面黒体の表面温度が３７℃の場合２．５４６Ｖで、赤外線量に換算するために、表面温度２５℃の時の値を基準にして、差分を求めた。その結果、３．８５ｍＶであった。また比較例は、実施形態１〜４と比較して、周囲の外来ノイズを拾い易く、ホワイトノイズで概ね２倍あった。
【００８４】
温度変化に対する追従性を観察した。周囲温度２５℃の環境で表面温度が３７℃となるような平面黒体から５ｃｍ離し設置し、Ｐ１、Ｐ２間の電圧差を測定した。次に周囲温度を急激に３７℃に変化させ１分後の電圧差を測定し、その電圧差を計算した（条件２）。
【００８５】
周囲温度が高くなるにしたがって電圧差は小さくなった。２５℃との電圧差を計算すると条件１と同様な傾向が見られた（表１参照）。表１に示した条件１の電圧と条件２の電位差とは、同一赤外線量に対する各実施形態と比較例との素子出力を示しており、この数値が大きいほど感度が良いことを示している。結果から、比較例（従来回路と実施形態１との組み合わせ）よりも、他の実施形態の方が感度は良くなっていることを示している。感度が良いということは、微少な赤外線量でも測定可能となり、測定素子温度と測定対象の温度が近い場合でも測定可能となるため、幅広い温度範囲を測定できるようになる。
【００８６】
以上、上述した実施形態及びその変形例によれば、検知用素子と同じの熱容量を持つ温度補償用素子で周囲温度を検出することで、特に周囲温度の変化の追随性に優れ、かつ熱衝撃に強い赤外線センサを提供することができる。赤外線センサは、少なくとも検知用素子に用いる薄膜サーミスタと参照用素子に用いる薄膜サーミスタと温度補償用素子に用いるサーミスタとで構成されており、各素子の検知部分の温度変化に対して応答よく赤外線を検知することができる。また、検知部分の薄膜サーミスタの配置を対称とすること、さらには検知用素子と、参照用素子及び温度補償用素子との間に熱的分離手段を設けることにより、高精度に環境温度と参照温度を一致させることが可能になり、赤外線の測定精度が向上する。
【符号の説明】
【００８７】
１  素子（薄膜サーミスタを有する素子）
１Ｓ  検知用素子
１Ｒ  参照用素子
１Ｃ  温度補償用素子
２  基板
３  薄膜サーミスタ
４Ａ  赤外線吸収膜
４Ｒ  赤外線反射膜
５  電極
５Ｃ  温度補償用素子電極
５Ｈ  取り出し電極（下部電極）
５Ｐ  Ｐａｄ電極
５Ｒ  参照用素子電極
５Ｓ  検知用素子電極
６  絶縁膜
７  保護膜
８  熱分離層
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｂ、１０Ｂａ、１０Ｃ  赤外線センサ
１１、３０  ハーフブリッジ回路
２０  フルブリッジ回路
【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７】
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【図８】
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【図９】
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