(57)【要約】  【課題】  赤外線吸収膜による透過率及び反射率共に大幅に低下させて赤外線吸収率の著しい増大を図り、感度及び応答性に非常に優れた熱型赤外線センサを提供する。  【解決手段】  シリコン基板２に設けた空洞部６の上面に熱絶縁性薄膜４を形成し、この薄膜４上に、赤外線の入射に伴う温度変化に応じて熱起電力を出力するサーモカップル５を配置し、このサーモカップル５を被覆する赤外線吸収膜７の表面７ａを粗面化するとともに、この赤外線吸収膜７の粗面化表面７ａを、カーボンブラックのような赤外線吸収材料を３ｗｔ％程度混入したネガレジスト材料のような感光性有機薄膜からなる反射抑制膜８で被覆させている。  【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線吸収膜を有する熱型赤外線センサにおいて、
前記赤外線吸収膜の表面を粗面化するとともに、この赤外線吸収膜の粗面化表面を反射抑制膜で被覆させていることを特徴とする熱型赤外線センサ。
【請求項２】
前記赤外線吸収膜が、クロム、ニッケル、ニクロム等の金属膜から構成されている請求項１に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項３】
前記センサ素子として、サーモパイルもしくはパイロまたはサーミスタを使用している請求項１または２に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項４】
前記反射抑制膜が、カーボンブラック、金属ブラックまたは金属酸化物などの赤外線吸収材料を混入した感光性有機薄膜により形成されたものである請求項１〜３のいずれかに記載の熱型赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば人体や配電盤、空調機器など各種物体の表面温度分布の計測、あるいは、食品の温度検査や衣類の保温効果測定等々に使用される熱型赤外線センサに関する。詳しくは、半導体基板に設けた空洞部の上面に熱絶縁性薄膜を形成し、この薄膜上に、赤外線の入射に伴う温度変化に応じて熱起電力、電荷、抵抗変化等の物理量を出力するサーモパイル、パイロ、サーミスタ等のセンサ素子を配置するとともに、このセンサ素子を赤外線吸収膜で被覆させてなる熱型赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の熱型赤外線センサにおいては、受光部での赤外線の吸収率を上げて感度を高めるために、サーモパイルやパイロ、サーミスタなどのセンサ素子が、赤外線を吸収して熱エネルギーに変換する赤外線吸収膜により被覆されているが、その赤外線吸収膜として、従来一般には、クロム（Ｃｒ）など強固な表面皮膜を形成可能な金属薄膜、あるいは、ニクロム（ＮｉとＣｒの合金）や白金などの酸化されにくい金属薄膜を使用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、この特許文献１では、赤外線吸収膜の表面付近に密度の小さい多孔質層を形成している。
【０００３】
また、カーボンブラック、金黒（ゴールドブラック）等の金属ブラックあるいは金属酸化物などの赤外線吸収材料を混入したゴムおよびビズアジト系よりなるネガレジスト材料等の感光性有機薄膜によって赤外線吸収膜を形成してなる熱型赤外線センサも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−４５３３９公報
【特許文献２】特開平９−３１８４５４公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した従来の熱型赤外線センサのうち、赤外線吸収膜として、ＣｒやＮｉ−Ｃｒなどの金属薄膜を使用した前者のものでは、その赤外線吸収膜を透過する赤外線を平均４０％程度に抑えることができる反面、残りの６０％程度は半導体基板の空洞部を透過あるいは反射することになって、赤外線吸収膜による吸収率は非常に小さい。すなわち、入射赤外線の熱エネルギーへの変換損失が大きく、それだけ信号レベルが小さく応答速度も遅くなる（これは、後述の実験結果を示す図６からも明らかである）という問題がある。
【０００６】
一方、カーボンブラックや金属ブラック等の赤外線吸収材料を混入したネガレジスト材料等の感光性有機薄膜により形成される赤外線吸収膜を用いる後者のものでは、薄膜の微細なパターニングをフォトリソグラフで直接行うことが可能で、微小領域にも少ない工数及び工程で簡単かつ精度よく赤外線吸収膜を形成することができ、また、前者のものに比べて反射率を下げ、その分だけ吸収率を増大することが可能であるものの、長波長域で透過率が漸増する傾向があって、熱型赤外線センサとして要求される中間赤外領域全体での吸収率は未だ不十分（これは、後述の実験結果で示す図７からも明らかである）で、高い信号レベル及び速い応答速度を有する赤外線センサが得られないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、赤外線吸収膜による透過率及び反射率共に大幅に低下させて赤外線吸収率の著しい増大を図り、信号レベルの高い、かつ、応答性に非常に優れた熱型赤外線センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る熱型赤外線センサは、赤外線吸収膜を有する熱型赤外線センサにおいて、前記赤外線吸収膜の表面を粗面化するとともに、この赤外線吸収膜の粗面化表面を反射抑制膜で被覆させていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
上記のような特徴構成を有する本発明の熱型赤外線センサによれば、センサ素子を被覆する赤外線吸収膜の表面が粗面化されているので、赤外線吸収膜の粗表面に入射された赤外線はその表面層内部で激しく散乱し、この内部散乱に伴う反射の繰り返しと吸収の繰り返しにより赤外線が閉じ込められ、透過率が著しく低下し、その結果、膜による赤外線吸収率を著しく増大することができる。しかも、赤外線吸収膜は反射抑制膜で被覆されているので、入射赤外線が直接吸収膜の粗表面で反射されるのに比して、その反射率を下げ、その結果、粗表面への入射率が上がって前述した表面層内部での散乱量を更に増大して膜による赤外線吸収率を一段と大きくすることができる。したがって、入射赤外線の熱エネルギーへの変換損失を非常に少なくして、信号レベル及び応答性の顕著な向上を達成することができるという効果を奏する。
【００１０】
本発明に係る熱型赤外線センサにおける赤外線吸収膜としては、請求項２に記載のように、クロム、ニッケル、ニクロム等の金属膜から構成されていることが望ましい。この場合は、スパッタリングや蒸着等により半導体基板上に容易に、かつ、密着性よく成膜することができるだけでなく、その表面をエッチング、スパッタリングなどにより容易に所望の粗面形状に形成することができる。
【００１１】
また、本発明に係る熱型赤外線センサにおけるセンサ素子としては、請求項３に記載のように、サーモパイルもしくはパイロまたはサーミスタのいずれを使用してもよい。
【００１２】
さらに、本発明に係る熱型赤外線センサにおける反射抑制膜として、請求項４に記載のように、カーボンブラック、金属ブラックまたは金属酸化物などの赤外線吸収材料を混入した感光性有機薄膜により形成されたものを用いることが望ましい。この場合は、受光部といった微小領域における薄膜の微細なパターニングをフォトリソグラフで直接行うことが可能で、少ない工数及び工程により微小領域にのみ所望の反射抑制膜を簡単かつ精度よく形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る熱型赤外線センサの一実施例であるサーモパイル式熱型赤外線センサ１の一部切欠き斜視図、図２は要部の断面展開図である。このサーモパイル式熱型赤外線センサ１は、半導体基板の例であるシリコン基板２の上面にＳｉＯ2膜等の絶縁膜３を形成した後、前記シリコン基板２の中央部をエッチングして空洞部６を形成し、この空洞部６の上面に正方形状でダイヤフラム構造の熱絶縁性薄膜部４を形成してこの薄膜部４を受光領域としている。
【００１４】
受光領域となる前記熱絶縁性薄膜部４の各辺には、センサ素子の一例となる複数個の熱電対（サーモカップル）５が、それらの各温接点５ｈを薄膜部４上に位置させ、かつ、それらの各冷接点５ｃを受光領域外のシリコン基板２上に位置させる状態に配置されているとともに、これら各サーモカップル５を直列に接続してサーモパイル式センシング部が構成されている。なお、前記サーモカップル５は、アルミ５Ａとポリシリコン５Ｂという異種金属からなり、赤外線の入射に伴う温度変化に応じて、ペルチェ効果により冷接点５ｃを熱する方向の熱起電力を発生し、その熱起電力を出力するように構成されている。
【００１５】
前記熱絶縁性薄膜部４上には、各サーモカップル５の温接点５ｈを被覆するようにＣｒやＮｉあるいはＣｒ−Ｎｉ合金等の金属膜からなる赤外線吸収膜７がスパッタや蒸着等により、例えば４００オングストローム程度の厚さで成膜されている。この金属膜からなる赤外線吸収膜７の表面７ａは、ウエットエッチングあるいはスパッタリングにより所望の形状（例えば、図３に拡大して明示するようなランダムな）の粗面に処理され、さらに、この赤外線吸収膜７の粗面化表面７ａは反射抑制膜８で被覆されている。
【００１６】
前記反射抑制膜８は、カーボンブラックのような赤外線吸収材料を３ｗｔ％程度混入した感光性有機薄膜、例えばゴムおよびビズアジト系よりなるネガレジスト材料のような感光性有機薄膜を、前記赤外線吸収膜７の粗面化表面７ａに適宜厚さ、約３μｍ程度の厚さに塗布した後、フォトリソグラフで直接にパターニングして形成されている。なお、感光性有機薄膜に混入する赤外線吸収材料としては、カーボンブラック以外に、金黒（ゴールドブラック）等の金属ブラックあるいは金属酸化物などを用いてもよい。
【００１７】
上記のように構成されたサーモカップル式熱型赤外線センサ１によれば、受光領域に入射された赤外線は反射抑制膜８により反射が抑制され、その大部分の赤外線が赤外線吸収膜７に到達する。そして、赤外線吸収膜７に入射された赤外線はその粗面化されている表面層内部で激しく散乱し、この内部散乱に伴う反射の繰り返しと吸収の繰り返しにより赤外線が閉じ込められ、透過率が著しく低下し、その結果、赤外線吸収膜７による赤外線吸収率が増大することになる。また、赤外線吸収膜７は反射抑制膜８で被覆されているので、入射赤外線が直接吸収膜７の粗表面７ａで反射されるのに比して、その反射率を下げ、その結果、粗表面７ａへの入射率が上がって前述した表面層内部での散乱量を更に増大して赤外線吸収膜７による赤外線吸収率を一段と大きくすることができる。したがって、受光領域への入射赤外線を効率よく熱エネルギーへ変換することが可能となり、信号レベルが非常に高く、かつ、応答速度に優れた熱型赤外線センサ１を得ることができる。
【００１８】
因みに、本発明者らは、４００オングストローム厚さのＣｒの表面をエッチングして粗面化した赤外線吸収膜７の粗面化表面上にカーボンブラックを約３ｗｔ％混入した感光性有機薄膜（以下、ＣＢレジストと称する）を約３μｍ程度の厚さに塗布して反射抑制膜８を形成してなる本発明の実施例品と、４００オングストローム厚さのＣｒの表面をエッチングして粗面化した赤外線吸収膜７のみを用いた比較例品と、３００オングストローム以下の厚さのＣｒ薄膜を赤外線吸収膜として使用した従来例品１と、約１μｍのネガレジスト材料にカーボンブラックを混入して約３μｍの厚さとしたＣＢレジストを赤外線吸収膜として使用した従来例品２とのそれぞれに関し、中赤外線領域における反射率及び透過率を測定する実験を行ったところ、図４（本発明品）、図５（比較例品）、図６（従来例品１）及び図７（従来例品２）に示すような結果が得られた。
【００１９】
これら図４〜図７からも明らかなように、本発明品は比較例品と比べると、透過率には差がないものの、反射率が大幅に低下しており、その分、赤外線吸収膜７による吸収率が非常に高いことが分かる。また、従来例品１及び従来例品２に比べると、透過率、反射率が共に低く、それらの相乗作用により赤外線吸収膜７による吸収率が非常に高いことが分かる。これによって、本発明の赤外線センサが、高感度でかつ応答速度に優れた高性能品であることを確認できた。なお、図４〜図７中に示した吸収率は、各実験例品毎に測定された反射率及び透過率からの計算値である。
【００２０】
また、上記実施例のサーモカップル式熱型赤外線センサ１では、反射抑制膜８がカーボンブラック、金属ブラックまたは金属酸化物などの赤外線吸収材料を混入した感光性有機薄膜により形成されるものであるから、受光部といった微小領域における薄膜の微細なパターニングをフォトリソグラフで直接行って、微小領域にのみ所望の反射抑制膜８を簡単かつ精度よく形成することが可能であり、これによって、感度及び応答性に優れた赤外線センサ１を容易かつ低コストに製作することができる。
【００２１】
なお、上記の実施例では、赤外線の入射に伴う温度変化に応じて熱起電力を発生し出力するサーモパイル式熱型赤外線センサに適用したが、焦電効果によって電荷を出力するパイロ式熱型赤外線センサ、あるいは、温度変化に応じて電気抵抗を変化するサーミスタ式熱型赤外線センサに適用してもよいこともちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る熱型赤外線センサの一実施例であるサーモパイル式熱型赤外線センサの一部切欠き斜視図である。
【図２】要部の断面展開図である。
【図３】図２のＡ部の拡大断面図である。
【図４】本発明品について測定した波長−反射（透過）率の関係を示す図である。
【図５】比較例品について測定した波長−反射（透過）率の関係を示す図である。
【図６】従来例品１について測定した波長−反射（透過）率の関係を示す図である。
【図７】従来例品２について測定した波長−反射（透過）率の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  サーモパイル式熱型赤外線センサ
２  シリコン基板（半導体基板）
４  熱絶縁性薄膜
５  サーモカップル（センサ素子の一例）
６  空洞部
７  赤外線吸収膜
７ａ  粗面化表面
８  反射抑制膜
【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】
2005315723.tif 000008
【図７】
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