(57)【要約】      （修正有）【課題】高画素化、高感度化が可能であるが、構造が簡単、製法が容易なため、従来よりも格段に低コストで製造可能な赤外線イメージセンサを提供する。【解決手段】基板１０１上に形成された読出し回路部１０７と、読出し回路に接続された共振器と、共振器の一部を形成する第１のコイル１０５と、基板から熱的に隔離されているサーミスタ抵抗体１０３と、サーミスタ抵抗体に接続され、第１のコイルと電磁的に結合する第２のコイル１０６とを有し、サーミスタ抵抗体の抵抗変化を共振器のインピーダンスの変化として読出すことを特徴としている。【選択図】図１
2013231714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された読出し回路と、
前記読出し回路に接続された共振器と、
前記共振器の一部を形成する第１のコイルと、
基板から熱的に隔離されているサーミスタ抵抗体と、
前記サーミスタ抵抗体に接続され、前記第１のコイルと電磁的に結合する第２のコイルとを有し、
前記サーミスタ抵抗体の抵抗変化を前記共振器のインピーダンスの変化として読出すことを特徴とするボロメータ。
【請求項２】
基板と、
前記基板上に形成された読出し回路と、
前記読出し回路に接続された共振器と、
前記共振器の一部を形成する第１のコイルと、
前記読出し回路上に形成された断熱層と
前記断熱層上に形成されたサーミスタ抵抗体と、
前記サーミスタ抵抗体に接続され、前記第１のコイルと電磁的に結合する第２のコイルとを有し、
前記サーミスタ抵抗体の抵抗変化を前記共振器のインピーダンスの変化として読出すことを特徴とするボロメータ。
【請求項３】
基板と、
前記基板上に形成された読出し回路と、
前記読出し回路に接続された共振器と、
前記共振器の一部を形成する第１のコイルと、
前記読出し回路上に形成された断熱層と
前記断熱層上に形成されたサーミスタ抵抗体と、
前記サーミスタ抵抗体の下層に形成された光反射膜と、
前記サーミスタ抵抗体に接続され、前記第１のコイルと電磁的に結合する第２のコイルとを有し、
前記サーミスタ抵抗体の抵抗変化を前記共振器のインピーダンスの変化として読出すことを特徴とするボロメータ。
【請求項４】
前記共振器は第１のコイルとキャパシタを含むことを特徴とする請求項１、２、３に記載のボロメータ。
【請求項５】
前記第２のコイルは、前記サーミスタ抵抗体を取り囲むように形成されていることを特徴とする請求項１、２、３に記載のボロメータ。
【請求項６】
前記断熱層はパリレンで形成されることを特徴とする請求項２、３に記載のボロメータ。
【請求項７】
前記サーミスタ抵抗体は、カーボンナノチューブを含むことを特徴とする請求項１、２、３に記載のボロメータ。
【請求項８】
前記サーミスタ抵抗体は導電性ポリマーを含むことを特徴とする請求項１、２、３に記載のボロメータ。
【請求項９】
前記サーミスタ抵抗体がアレイを形成することを特徴とする請求項１、２、３に記載のボロメータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボロメータに関し、特に、赤外線やテラヘルツ波を感知するボロメータ型センサのセル構造と読出し方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、赤外線又はテラヘルツ波を検出できる電磁波センサおよび電磁波イメージセンサには、ボロメータが使用されている。図６は従来例１の赤外線センサのセル構造を、図７はその回路図を示している。つまり、図６において、赤外線入射による温度変化を検知するためのセンサ層２１を含む赤外線検知部３１と、赤外線検知部３１を中空支持するための一対の支持脚３２，３３と、センサ層２１に電気接続された一対の第１電極層２２，２３と、第１電極層２２，２３から離間して基体部３４に配置され、第１電極層２２，２３との間でそれぞれ容量結合した第２電極層２６ａ，２７ａなどで構成されている。今、図６の構造の赤外線検知部３１に赤外線が照射されると、中空支持構造のため温度が上昇し、そのためセンサ層２１の抵抗値が変化する。その抵抗値の変化は電極２２，２３から、容量結合した電極２６，２７に伝えられて読み出す方式となっている。
【０００３】
図８は従来例２の赤外線センサのセル構造を、図９はその回路図を示している。図６、図７との違いは、センサ層２１が第１のインダクタ（５２，５３）に接続されており、これらと誘導結合された第２のインダクタ（５６，５７）を有することである。赤外線検知部３１に赤外線が照射されると、上記と同様にセンサ層２１の抵抗値が変化し、その変化は、第１のインダクタから第２のインダクタへ伝えられて読み出す方式となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３９７０８号公報（図２、図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上述べたような従来構造は構造が複雑であるという課題がある、特に、中空支持構造は製造するために多くの工程が必要であり、製造プロセスのコストが高くなるという欠点がある。また、赤外線検知部に付随する容量やインダクタの面積が大きいため、センサの面積が大きくなるという欠点がある。特に、イメージセンサを形成するために、センサをアレイ化して画素数を増やすとセンサチップ全体の面積が大きくなってしまうため、高画素化に限界があるという課題があった。
【０００６】
本発明の一つの課題は、高画素化、高感度化が可能であるが、構造が簡単、製法が容易なため、従来よりも格段に低コストで製造可能な赤外線イメージセンサ、特に、ボロメータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、基板上に形成された読出し回路と、
読出し回路に接続された共振器と、
共振器の一部を形成する第１のコイルと、
基板から熱的に隔離されているサーミスタ抵抗体と、
サーミスタ抵抗体に接続され、第１のコイルと電磁的に結合する第２のコイルとを有し、
サーミスタ抵抗体の抵抗変化を共振器のインピーダンスの変化として読出すことを特徴とするボロメータが得られる。
【０００８】
本発明に構成では、サーミスタ抵抗体を含むセンサ部に赤外線が照射されると温度が上昇し、温度上昇によるサーミスタ抵抗体の抵抗変化が生じる。サーミスタ抵抗体と第２のコイルは接続されているため、この抵抗変化によってサーミスタ抵抗体と第２のコイルの系のインピーダンスが変化する。ここで、第２のコイルと第１のコイルは電磁的に結合しているため、第１のコイルを含む共振器のインピーダンスも変化することになる。共振器にはあらかじめ共振周波数付近の周波数を有する高周波電源により励振しておき、その時に流れる電流を読出し回路によって読み出す方式にすることにより、共振器のインピーダンスの変化を読み出すことができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の構造をとることで、高画素、高感度な赤外線イメージセンサを従来よりも格段に低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のボロメータの第１実施例の断面図である。
【図２】本発明のボロメータの等価回路図である。
【図３】本発明のボロメータの共振器の特性を示す図である。
【図４】本発明のボロメータの第２実施例の断面図である。
【図５】本発明のボロメータの第３実施例の製造方法を示す図である。
【図６】従来例１の赤外線センサを示す図である。
【図７】従来例１の回路図である。
【図８】従来例２の赤外線センサを示す図である。
【図９】従来例２の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は本発明の実施例に係るボロメータを説明する図である。具体的に説明すると、図示されたボロメータは、半導体基板（１０１）上にＣＭＯＳ回路による読出し回路（１０７）と、絶縁膜を介して、読み出し回路（１０７）の上部に配置された第１のコイル（１０５）を有している。第１のコイル（１０５）はＣＭＯＳプロセスで通常使用される配線材料、例えばＡｌやＣｕとＷＳｉいった材料で形成されており、コンタクトによって読出し回路と接続されている。第１のコイルの上には、３０μｍの厚さのパリレンで形成された断熱層（１０２）がある。断熱層上には、赤外線反射膜及び赤外線反射膜上には１〜２μｍの厚さのパリレンで形成された赤外線透過膜が設けられても良い。
【００１２】
図示された断熱層（１０２）上にサーミスタ抵抗体（１０３）とそれに直列に接続された第２のコイル（１０６）が設けられている。
【００１３】
第２のコイルは第１のコイルと同様の金属で形成できる。また第２のコイルはサーミスタ抵抗体を取り囲むように形成しているため、コイル形成のために必要な面積は最小限となっている。サーミスタ抵抗体は温度変化による抵抗変化率（TCR）が大きい材料で形成するのが望ましい。例えばカーボンナノチューブ薄膜やPEDOT-PSS等の導電性ポリマー等を用いることにより、塗布するだけでTCRが大きいサーミスタ抵抗体が形成できる。
【００１４】
図２は、図１の構造の等価回路図を示している。つまり、図２の左側には第１のコイル（２０５）とそれに接続された容量が共振器（２０８）を形成している。共振器は高周波電圧Eによって励振されている。第１のコイルと電磁的に結合している第２のコイル（２０６）はサーミスタ抵抗体（２０３）と直列に接続されている。第１のコイルの自己インダクタンスをL1、第２のコイルの自己インダクタンスをL2、第１と第２のコイルの相互インダクタンスをM、サーミスタ抵抗体の抵抗値をR、容量の容量値をCとして、L1=L2=Lを仮定すると、この系で高周波電源Eに流れる電流Iは下記の数１で表わされる。
【数１】
2013231714.tif 000003
ここでωは各振動数で高周波電源の周波数fと下記の数２の関係がある。
【数２】
2013231714.tif 000004
【００１５】
今仮に、第１、第２のコイルが、半径８０μｍの円形であり、配線の断面が半径３μｍの円形である場合、自己インダクタンスLを計算すると、L=３．６×１０-10[H]の程度である。また、第１と第２のコイルが３０μｍ離れているとした場合の相互インダクタンスMはM＝１．１×１０-10[H]の程度である。容量値が100pFである場合に周波数fの関数として電流Iを図示すると、図３のような特性が得られる。
【００１６】
図３にはサーミスタ抵抗値Rが１００ｋΩと２００ｋΩの場合を図示してある。図３によると、共振周波数のピークがf=1GHz付近にあるが、抵抗値を変化させるとピーク電流値が変化する。実際に赤外線が照射された場合の温度変化による抵抗変化は小さいが、上述の方法で共振器に流れる電流の変化として読み出すことが可能である。
【００１７】
図４は、本発明の第２の実施例を示す図面である。図１との違いは、サーミスタ抵抗体（４０３）の上層に吸収膜（４０８）がある構造となっている。赤外線照射時に赤外線反射膜（４０４）で反射された赤外線を効率よく吸収することで、サーミスタ抵抗体の温度をより上昇させることができるため感度を上げることができる。
【００１８】
図５a)〜d)は、本発明の構造をアレイ状に並べてアレイセンサを形成している例とその製造方法である。図５a)に示すように、シリコン基板（５０１）上にＣＭＯＳ回路によって読出し回路部（５０７）を形成する。その上層に、コンタクトを介して読出し回路と接続された第１のコイル（５０５）をＡｌ、Ｃｕ、ＷＳｉなどの配線材料によって形成する。次に図５b)に示すように、熱伝導率の低い材料、例えばパリレン（ポリマー）などで２０〜３０μｍ程度の厚さの断熱層（５０２）を形成し、その上にＡｌやＡｕの金属材料で赤外線反射膜（５０４）を形成する。次に、図５c)に示すように、赤外線を透過しやすいパリレン等の材料で厚さ１〜２μｍ程度の赤外線透過膜（５０９）を形成し、その上に第２のコイル（５０６）を金属材料で形成する。次に、図５d)に示すように、厚さ５００ｎｍ程度のサーミスタ抵抗体（５０３）を形成する。サーミスタ抵抗体は温度変化による抵抗変化率（TCR）が大きい材料で形成するのが望ましい。例えばカーボンナノチューブ薄膜やPEDOT-PSS等の導電性ポリマー等を用いることにより、塗布するだけでTCRが大きいサーミスタ抵抗体が形成できる。第２のコイル（５０６）はサーミスタ抵抗体を取り囲むように形成されているため、コイル形成のために必要な面積は最小限で済み、アレイ化して画素数を増やすことが容易である。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明の活用例として、赤外線やテラヘルツ波のセンサーデバイス、特にイメージセンサデバイスとしての応用が可能である。
【符号の説明】
【００２０】
１０１、４０１、５０１：基板
１０２、４０２、５０２：断熱層
１０３、４０３、５０３：サーミスタ抵抗体
１０５、４０５、５０５：第１のコイル
１０６、４０６、５０６：第２のコイル
１０７、４０７、５０７：読出し回路部
４０４、５０４：赤外線反射膜
４０８：吸収膜
４０９、５０９：赤外線透過膜
【図１】
2013231714.tif 000005
【図２】
2013231714.tif 000006
【図３】
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【図４】
2013231714.tif 000008
【図５】
2013231714.tif 000009
【図６】
2013231714.tif 000010
【図７】
2013231714.tif 000011
【図８】
2013231714.tif 000012
【図９】
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