(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁材料からなるサポート膜、
中空部分を有して前記サポート膜の周縁部を支持する枠体、
温接点が前記中空部分の上部に形成されると共に冷接点が前記枠体の上部に形成された複数の熱電対が直列に接続され、前記温接点の上部を覆うように赤外線吸収層を形成することで1画素が構成され、前記サポート膜上にアレイ状に配置された３個以上の赤外線検出画素、並びに
前記赤外線検出画素に赤外線を照射したときに取り出される熱起電力と位置との相関に基づいて、周端部に配置された第１の赤外線検出画素の検出感度と、中間部に配置された第２の赤外線検出画素の検出感度との差を補償する補償手段を備え、
一つの前記中空部分に対して３個以上の赤外線検出画素が設置され、
一つの前記赤外線検出画素において、前記枠体の相対する２辺それぞれから熱電対群が互いに対向するように前記中空部分に伸びる形態で前記熱電対が設けられ、前記赤外線吸収層が前記中空部分の上部で対向する前記熱電対の温接点と前記サポート膜を覆うように貼り付けられており、
前記第１の赤外線検出画素が前記第２の赤外線検出画素よりも多くの前記熱電対を備えることにより、前記補償手段が実現されていることを特徴とする赤外線アレイ検出装置。
【請求項２】
絶縁材料からなるサポート膜、
中空部分を有して前記サポート膜の周縁部を支持する枠体、
温接点が前記中空部分の上部に形成されると共に冷接点が前記枠体の上部に形成された複数の熱電対が直列に接続され、前記温接点の上部を覆うように赤外線吸収層を形成することで1画素が構成され、前記サポート膜上にアレイ状に配置された３個以上の赤外線検出画素、並びに
前記赤外線検出画素に赤外線を照射したときに取り出される熱起電力と位置との相関に基づいて、周端部に配置された第１の赤外線検出画素の検出感度と、中間部に配置された第２の赤外線検出画素の検出感度との差を補償する補償手段を備え、
一つの前記中空部分に対して３個以上の赤外線検出画素が設置され、
一つの前記赤外線検出画素において、前記枠体の相対する２辺それぞれから熱電対群が互いに対向するように前記中空部分に伸びる形態で前記熱電対が設けられ、前記赤外線吸収層が前記中空部分の上部で対向する前記熱電対の温接点と前記サポート膜を覆うように貼り付けられており、
前記熱電対を構成する部材の幅を、前記第２の赤外線検出画素よりも前記第１の赤外線検出画素において狭くすることにより、前記補償手段が実現されていることを特徴とする赤外線アレイ検出装置。
【請求項３】
絶縁材料からなるサポート膜、
中空部分を有して前記サポート膜の周縁部を支持する枠体、
温接点が前記中空部分の上部に形成されると共に冷接点が前記枠体の上部に形成された複数の熱電対が直列に接続され、前記温接点の上部を覆うように赤外線吸収層を形成することで1画素が構成され、前記サポート膜上にアレイ状に配置された３個以上の赤外線検出画素、並びに
前記赤外線検出画素に赤外線を照射したときに取り出される熱起電力と位置との相関に基づいて、周端部に配置された第１の赤外線検出画素の検出感度と、中間部に配置された第２の赤外線検出画素の検出感度との差を補償する補償手段を備え、
一つの前記中空部分に対して３個以上の赤外線検出画素が設置され、
一つの前記赤外線検出画素において、前記枠体の相対する２辺それぞれから熱電対群が互いに対向するように前記中空部分に伸びる形態で前記熱電対が設けられ、前記赤外線吸収層が前記中空部分の上部で対向する前記熱電対の温接点と前記サポート膜を覆うように貼り付けられており、
前記熱電対を構成する部材の厚みを、前記第２の赤外線検出画素よりも前記第１の赤外線検出画素において薄くすることにより、前記補償手段が実現されていることを特徴とする赤外線アレイ検出装置。
【請求項４】
前記サポート膜が、シリコン基板上に形成された絶縁材料の膜により構成され、
前記枠体が、当該シリコン基板の周縁部に囲まれた領域を前記サポート膜の形成面の反対面よりエッチングして構成されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の赤外線アレイ検出装置。
【請求項５】
前記熱電対を構成する部材の一方が所定の導電型を有するポリシリコンであり、他方がアルミニウムである、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の赤外線アレイ検出装置。
【請求項６】
絶縁材料からなるサポート膜、
中空部分を有して前記サポート膜の周縁部を支持する枠体、
温接点が前記中空部分の上部に形成されると共に冷接点が前記枠体の上部に形成された複数の熱電対が直列に接続され、前記温接点の上部を覆うように赤外線吸収層を形成することで1画素が構成され、前記サポート膜上にアレイ状に配置された３個以上の赤外線検出画素、並びに
前記赤外線検出画素に赤外線を照射したときに取り出される熱起電力と位置との相関に基づいて、周端部に配置された第１の赤外線検出画素の検出感度と、中間部に配置された第２の赤外線検出画素の検出感度との差を補償する補償手段を備え、
前記第２の赤外線検出画素が、前記熱電対を構成する部材と接続され、当該電極と同一またはそれ以上の熱伝導性を有する材料からなるダミー配線をさらに備えることにより、前記補償手段が実現されている赤外線アレイ検出装置。
【請求項７】
絶縁材料からなるサポート膜、
中空部分を有して前記サポート膜の周縁部を支持する枠体、
温接点が前記中空部分の上部に形成されると共に冷接点が前記枠体の上部に形成された複数の熱電対が直列に接続され、前記温接点の上部を覆うように赤外線吸収層を形成することで1画素が構成され、前記サポート膜上にアレイ状に配置された３個以上の赤外線検出画素、並びに
前記赤外線検出画素に赤外線を照射したときに取り出される熱起電力と位置との相関に基づいて、周端部に配置された第１の赤外線検出画素の検出感度と、中間部に配置された第２の赤外線検出画素の検出感度との差を補償する補償手段を備え、
前記第１の赤外線検出画素において、前記熱電対を構成する部材の一部が、当該部材よりも低い熱伝導率を有し且つ当該部材と電気的に接続可能な材料で置換されたことにより、前記補償手段が実現されている赤外線アレイ検出装置。
【請求項８】
絶縁材料からなるサポート膜、
中空部分を有して前記サポート膜の周縁部を支持する枠体、
温接点が前記中空部分の上部に形成されると共に冷接点が前記枠体の上部に形成された複数の熱電対が直列に接続され、前記温接点の上部を覆うように赤外線吸収層を形成することで1画素が構成され、前記サポート膜上にアレイ状に配置された３個以上の赤外線検出画素、並びに
前記赤外線検出画素に赤外線を照射したときに取り出される熱起電力と位置との相関に基づいて、周端部に配置された第１の赤外線検出画素の検出感度と、中間部に配置された第２の赤外線検出画素の検出感度との差を補償する補償手段を備え、
前記第２の赤外線検出画素において、前記熱電対を構成する部材の一部が、当該部材よりも高い熱伝導率を有し且つ当該部材と電気的に接続可能な材料で置換されたことにより、前記補償手段が実現されている赤外線アレイ検出装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、赤外線アレイ検出装置に関し、詳しくは、３個以上の赤外線検出画素がアレイ状に形成された赤外線アレイ検出装置に関する。
背景技術
従来のサーモパイル型の赤外線検出器として、特許第２６６３６１２号公報は、ｐ型半導体とｎ型半導体とからなる複数個の熱電対を直列に接続することにより構成されるサーモパイルを開示している。このような赤外線検出器ではゼーベック効果が利用される。つまり、赤外線吸収膜において赤外線の吸収により発生する熱が熱電対に伝わる際に、熱電対の温接点と冷接点との温度差によって生じる起電力から、赤外線検出器に入射した赤外線量（熱量）が測定される。
上記従来の赤外線検出器は、例えば赤外線アレイ検出装置の画素として利用される。つまり、複数の赤外線検出器が基板上にアレイ状に配置される。各赤外線検出器で発生する起電力を画素情報信号として取り出すことによって、位置の違いによる赤外線量の違いが測定される。
発明の開示
本発明は、複数の赤外線検出画素を集積化すると共にそれらの検出感度を十分に高く且つ均一化することが可能な赤外線アレイ検出装置を提供することを目的とする。
一般に、赤外線アレイ検出装置においては、検出感度が高く且つ均一であることが重要である。しかし、上記の従来の赤外線アレイ検出装置においては赤外線吸収膜から熱電対に熱が伝わる際にその一部が基板に伝わり、熱電変換効率が悪くなり、検出感度が低下してしまう場合がある。検出感度が低下するのを防ぐため、基板を裏面からエッチングすることにより、基板はダイヤフラム構造へ加工される。ダイヤフラム構造の場合には、基板の薄板部の上部に熱電対の温接点、厚板部の上部に熱電対の冷接点が配置され、これにより基板に伝わる熱量が低減される。
しかしながら、このようにダイヤフラム構造の基板に複数の赤外線検出器を並べた場合には、赤外線検出器の位置によって基板への熱の伝わり方が異なる。よって、各赤外線検出器の熱電変換効率にばらつきが生じ、均一な検出感度が得られないという問題を生じる。例えば一次元アレイ状に並んだ赤外線検出器においては、アレイの両端に位置する赤外線検出器はこれらを除く他の赤外線検出器よりも基板の厚板部に近いため、アレイの両端に位置する赤外線検出器では赤外線の吸収に伴い発生する熱は、厚板部に容易に伝わり、熱電変換効率が悪くなり検出感度が低下しやすい。
なお、基板の薄板部を非常に大きくすることにより両端部の赤外線検出器と厚板部との間に十分な距離を確保したり、赤外線検出器ごとに別個に薄板部を付与したりすれば、赤外線検出器の感度を均一化することは可能である。しかし、このような方法では装置を小型化、集積化することが困難であり、実用上好ましくない。
本発明に係る赤外線アレイ検出装置は、絶縁材料からなるサポート膜、中空部分を有してサポート膜の周縁部を支持する枠体、温接点が中空部分の上部に形成されると共に冷接点が枠体の上部に形成された複数の熱電対が直列に接続され、前記温接点の上部を覆うように赤外線吸収層を形成することで１画素が構成され、サポート膜上にアレイ状に配置された３個以上の赤外線検出画素、並びに赤外線検出画素に赤外線を照射したときに取り出される起電力と位置との相関に基づいて、周端部に配置された第１の赤外線検出画素の検出感度と、中間部に配置された第２の赤外線検出画素の検出感度との差を補償する補償手段を備える。
本発明の赤外線アレイ検出装置においては、熱電対の温接点が中空部分の上部、冷接点が枠体の上部にそれぞれ配置されるように、３個以上の赤外線検出画素がサポート膜上にアレイ状に形成されている。このため、各赤外線検出画素においては、赤外線の吸収により発生する熱は赤外線吸収層から熱電対へ効率よく伝えられる。
また、赤外線検出画素の配列方向について見ると、周端部に配置された第１の赤外線検出画素は枠体に近い。このため、第１の赤外線検出画素においては、中間部に配置された第２の赤外線検出画素に比べて、枠体に伝わる熱量が大きいが、これらの検出画素間の損失熱量の差に起因する起電力差は補償手段により補償される。よって、枠体の中空部分を大きくしたり赤外線検出画素毎に別個に設けたりせずとも、赤外線検出画素の検出感度をその位置によらず実質的に同一にすることができる。したがって、複数の赤外線検出画素を集積化すると共にそれらの検出感度を十分に高く且つ均一化することが可能となる。
また、本発明の赤外線アレイ検出装置は、サポート膜が、シリコン基板上に形成された絶縁材料の膜により構成され、枠体が、当該シリコン基板の周縁部に囲まれた領域をサポート膜の形成面の反対面よりエッチングして構成されていると好適である。エッチングにより中空部分が形成されるため、中空部分の形状を精密に実現できる。
また、本発明の赤外線アレイ検出装置は、熱電対を構成する電極の一方が所定の導電型を有するポリシリコンであり、他方がアルミニウムであると有用である。このように構成されるため、本発明の赤外線アレイ検出装置は、十分に高い熱電変換効率をもって赤外線の照射量を測定できる。
また、本発明の赤外線アレイ検出装置は、第１の赤外線検出画素が第２の赤外線検出画素よりも多くの熱電対を備えることにより補償手段が実現されていると好ましい。第２の赤外線検出画素に比べて第１の赤外線検出画素でより多くの熱が枠体に伝わっても、補償手段により、その損失熱量の差による起電力の差が第１の赤外線検出画素の熱電対の増加分によって補償される。したがって、各赤外線検出画素の検出感度をその位置によらず実質的に同一にできる。
また、本発明の赤外線アレイ検出装置は、熱電対を構成する部材幅を、第２の赤外線検出画素よりも第１の赤外線検出画素で狭くすることにより、補償手段が実現されてもよい。この構成によれば、熱電対を介して放熱される熱量は、第２の赤外線検出画素よりも第１の赤外線検出画素で小さい。熱電対から失われる熱量の差は、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差を補償する。したがって、各赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化される。
また、本発明の赤外線アレイ検出装置は、熱電対を構成する部材の長さを、第２の赤外線検出画素よりも第１の赤外線検出画素で長くすることにより、補償手段が実現されてもよい。この構成によれば、熱電対を介して放熱される熱量は、第２の赤外線検出画素よりも第１の赤外線検出画素で小さくなる。熱電対を介して放熱される熱量の差は、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差を補償する。したがって、各赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化される。
また、本発明の赤外線アレイ検出装置は、熱電対を構成する部材の厚みを、第２の赤外線検出画素よりも第１の赤外線検出画素で薄くすることにより、補償手段が実現されてもよい。この構成によれば、熱電対を介して放熱される熱量は、第２の赤外線検出画素よりも第１の赤外線検出画素で小さくなる。熱電対を介して放熱される熱量の差は、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差を補償する。したがって、各赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化される。
また、本発明の赤外線検出アレイ装置は、第２の赤外線検出画素が、熱電対を構成する部材と接続され、当該部材と同一またはそれ以上の熱伝導性を有する材料からなるダミー配線をさらに備えることにより、補償手段が実現されてもよい。この構成によれば、第２の赤外線検出画素で発生した熱の一部がダミー配線での放熱により損失される。従って、第２の赤外線検出画素に比べて第１の赤外線検出画素でより多くの熱が枠体に伝わっても、ダミー配線を介して放熱される熱量は、枠体による損失熱量の差に起因する起電力の差を補償する。したがって、各赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化される。
また、本発明の赤外線アレイ検出装置は、第１の赤外線検出画素で、熱電対を構成する部材の一部が、当該部材よりも低い熱伝導率を有し且つ当該部材と電気的に接続可能な材料で置換されたことにより、前記補償手段が実現されてもよい。この構成によれば、熱電対を介して放熱する熱量は、第２の赤外線検出画素よりも第１の赤外線検出画素で小さくなる。熱電対を介して放熱される量の差は、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差を補償する。したがって、各赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化される。
また、本発明の赤外線アレイ検出装置は、第２の赤外線検出画素で、熱電対を構成する部材の一部が、当該部材よりも高い熱伝導率を有し且つ当該部材と電気的に接続可能な材料で置換されたことにより、補償手段が実現されてもよい。この構成によれば、熱電対を介して放熱する熱量は、第２の赤外線検出画素よりも第１の赤外線検出画素で小さくなる。熱電対を介して放熱される熱量の差は、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差を補償する。したがって、各赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化される。
発明を実施するための最良の形態
図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
図１Ａは、第１実施形態にかかる赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図１Ｂは、図１ＡにおけるＩ−Ｉに沿う断面図である。図示のようにダイヤフラム構造の支持部材は、サポート膜１とシリコン製の枠体３とから構成されている。枠体３は、矩形（正方形または長方形）の中空部分２を有している。サポート膜１の周縁部は枠体３で支持されている。サポート膜１上には赤外線検出画素４ａ、４ｂが１次元アレイ状に並べられている。
両端部に配置された赤外線検出画素４ａと、中間部に配置された赤外線検出画素４ｂとは、サーモパイルを構成する熱電対の数は異なっているが、同様の構成を有する。また、赤外線検出画素４ａ，４ｂの画素サイズは同一サイズの赤外線吸収膜９により決定されている。各赤外線検出画素においては、ｎ型またはｐ型の不純物が１０１８〜１０２０ｃｍ−３の濃度でドープされたポリシリコン膜５と、絶縁膜としてのＳｉＯ２膜６と、ポリシリコン膜５よりも幅の狭いアルミニウム膜７とがこの順でサポート膜１上に積層されている。ＳｉＯ２膜６の開口穴でポリシリコン膜５とアルミニウム膜７とが接続され、このようにして熱電対が形成されている。この熱電対の複数個が直列に接続されてサーモパイルが形成されている。図１Ａに示すように、積層されたポリシリコン膜５およびアルミニウム膜７は、枠体３の相対する２辺に設けられ、枠体３から中空部分２上部の中央に伸びている。
サポート膜１およびサーモパイルの露出表面は窒化シリコン（以下、ＳｉＮ）からなるパッシベーション膜８で被覆されている。パッシベーション膜８上には、中空部分２の上部に形成されたＳｉＯ２膜６の開口穴部を覆うように赤外線吸収膜９が形成されている。そして、ＳｉＯ２膜６の開口穴部におけるポリシリコン膜５とアルミニウム膜７との接点のうち、中空部分２の上部に形成された接点は赤外線吸収膜９で覆われている。赤外線吸収膜９で覆われたこの接点が温接点として働く。一方、枠体３の上部に形成された接点は、赤外線吸収膜９で覆われていない。赤外線吸収膜９に覆われていないこの接点が冷接点として働く。赤外線の吸収により赤外線吸収膜９で熱が発生すると、熱電対の温接点と冷接点とで温度差が生じ、ゼーベック効果により起電力が生じる。
赤外線検出画素の配列方向（図１Ａに示すＩ−Ｉに沿った方向）について見ると、赤外線検出画素４ａの方が赤外線検出画素４ｂよりも枠体３に近いため、枠体３に伝わる熱量は赤外線検出画素４ａで多くなる。第１実施形態による赤外線アレイ検出装置においては、赤外線検出画素４ａ、４ｂへの赤外線の照射により発生する起電力と赤外線検出画素の位置との相関に基づいて、サーモパイルを構成する熱電対の数は赤外線検出画素４ｂよりも赤外線検出画素４ａにおいて多くなるように決定される。このため、枠体３に伝わる熱量の差により赤外線検出画素４ａ，４ｂ間で起電力に差が生じても、起電力の差は赤外線検出画素４ａの追加された熱電対で生じる起電力により補償される。よって、赤外線照射量が同じであれば各赤外線検出画素から取り出される起電力は、その位置によらず実質的に同一にされる。すなわち、赤外線検出画素４ａの熱電対は、熱電対として、且つ、補償手段として働く。
赤外線検出画素４ａ、４ｂが備えるサーモパイルの一端には赤外線検出画素毎に別個の取り出し電極１０ａが接続されており、他端には各赤外線検出画素の共通電極として共通取り出し電極１０ｂが接続されている。電極１０ａ，１０ｂにより、赤外線の吸収により熱電対で生じる起電力が画素情報信号として取り出され、１次元的な位置の違いによる赤外線照射量の違いが測定される。
以下、枠体３の形成方法を説明する。第１に、所定の直径および厚さを有するシリコン基板の表面にサポート膜１、サーモパイルパターン、パッシベーション膜８、赤外線吸収膜９が形成される。第２に、シリコン基板のサポート膜１が形成されているのとは反対側の面（裏面）に、シリコンエッチング液に耐性のあるＳｉＮなどからなるマスク１１が形成される。第３に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、マスク１１に中空部分２を形成するための開口部が形成される。最後に、シリコン基板の表面はエッチングされないように保護しながら、マスク１１を用いてシリコン基板がエッチングされる。マスク１１の開口部に露出するシリコンがエッチングされて中空部分２が形成される。サポート膜１はエッチング液に耐性のあるため、中空部分２を覆うようにサポート膜１が残る。マスク１１をシリコン基板の（１００）面上に形成し、エッチング液として例えば水酸化カリウム溶液などを用いれば、異方性エッチングを行うことができる。よって、図１Ｂに示す中空部分２を有したダイヤフラム構造を形成することができる。なお、サポート膜１は、窒化シリコン（ＳｉＮ）、またはＳｉＯ２から構成されることができる。或いは、サポート膜１は、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）のいずれかを含む多層膜から構成されてもよい。また、サポート膜１の厚さは０．５〜５μｍである。
パッシベーション膜８はＳｉＯ２やポリイミド膜などの絶縁膜でよい。また、赤外線吸収膜９は、赤外線を容易に吸収し且つ接着力を持つ材料から構成される。このような材料としては黒化樹脂が好ましい。この黒化樹脂としては、カーボンフィラーなどの黒色フィラーを混ぜた樹脂（エポキシ系、シリコーン系、アクリル系、ウレタン系、ポリイミド系など）や、黒色レジストなどが挙げられる。
第１実施形態に係る赤外線アレイ検出装置によれば、ポリシリコン膜５とアルミニウム膜７とから構成される熱電対の温接点が中空部分２の上部、冷接点が枠体３の上部にそれぞれ配置されるように複数の赤外線検出画素がアレイ状に形成される。赤外線吸収膜９が全ての温接点を覆うように形成されているため、赤外線の吸収により赤外線吸収膜９で発生した熱は熱電対に効率よく伝わる。
また、赤外線検出画素４ａの熱電対は、赤外線検出画素４ｂの熱電対よりも多いため、枠体３に伝わる熱量の差による起電力の差は、赤外線検出画素４ａの熱電対で生じる起電力により補償される。このため、赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化され、位置の違いによる赤外線の照射量の違いを精度よく測定することができる。
従って、第１実施形態の赤外線アレイ検出装置によれば、複数の赤外線検出画素を集積化すると共にそれらの検出感度を十分に高く且つ均一化することが可能となる。なお、後述する他の実施形態においても、熱電対の数を上記のように設定することによって同様の効果を得ることができる。
また、第１実施形態に係る赤外線アレイ検出装置においては、ポリシリコン膜５とアルミニウム膜７とが積層して熱電対が形成されているため、１つの熱電対に対する配置領域が狭くなる。よって、熱電対は高密度に配置されることができる。さらに、サーモパイルは、ポリシリコン膜５、ＳｉＯ２膜６、およびアルミニウム膜７がこの順に積層された３層構造を有するため、高い機械的支持強度を有する。このような３層構造は枠体３から中空部分２に広がるように形成されるため、中空部分２の機械的強度は高くなる。さらに、中空部分２上部において、接着力を持つ材料からなる単一の塊である赤外線吸収膜９がサポート膜１とサーモパイルパターンを覆うように貼り付けられているため、中空部分２で肉薄となっている領域の機械的強度は更に高くなる。
一般に、アルミニウムは比較的高い熱伝導率を有するため、温接点で得られた熱はアルミニウム膜７を通して枠体３上に容易に伝わる。このため、赤外線検出画素の感度が低下する可能性がある。しかしながら、第１実施形態の赤外線アレイ検出装置においては、アルミニウム膜７は、ＳｉＯ２膜６を間にしてポリシリコン膜５上に薄く積層されているため、アルミニウム膜７とシリコン製枠体３とは熱的に絶縁されている。このため、赤外線検出画素の感度が低下するのが防止される。ＳｉＯ２膜６は、ポリシリコン膜５とアルミニウム膜７との電気絶縁機能だけでなく、熱をポリシリコン膜５からアルミニウム膜７に伝えないための熱絶縁機能もまた有している。
赤外線吸収膜９に入射した赤外線が、赤外線吸収膜９下に形成されているアルミニウム膜７で反射されることにより、一般に、赤外線検出画素の感度低下を招く可能性がある。しかしながら、第１実施形態の赤外線検出画素においては、アルミニウム膜７は細く形成されているため赤外線の反射は低減される。しかも、アルミニウム膜７で反射された赤外線もまた赤外線吸収膜９で吸収されるため、赤外線検出画素の感度が低下するのが更に防止される。
なお、第１実施形態はこれに限られるものではない。図１には赤外線検出画素４ａ、４ｂが１次元アレイ状に並べられた例を示すが、第１の実施形態においては、図２に示すように、枠体３に２個の中空部分２が設けられ、枠体３の上部から各中空部分２の上部にわたって赤外線検出画素４ａ、４ｂが２次元アレイ状に並べられてよい。このような構成により、赤外線照射量の２次元的な違いを測定することができる。後述する他の実施形態においても、複数の赤外線検出画素を２次元アレイ状に並べることによって同様の効果を得ることができる。
図３Ａは、第２実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図３Ｂは、図３ＡにおけるＩ−Ｉに沿う断面図である。第２実施形態の赤外線アレイ検出装置においては、図１Ａおよび図１Ｂに示す第１実施形態の赤外線アレイ検出装置の赤外線検出画素と同様の構成を有する赤外線検出画素が１次元アレイ状に並べられている。第２実施形態の赤外線アレイ検出装置においては、赤外線検出画素４ａ、４ｂの熱電対数は同一であるが、赤外線検出画素４ａのアルミニウム膜７の幅は赤外線検出画素４ｂのアルミニウム膜７よりも狭くなっている。このため、熱は赤外線検出画素４ａの熱電対から枠体３に伝わり難い。これらのアルミニウム膜７の幅は、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差が熱電対を介して放熱される熱量の差で補償されるように決定される。これらのアルミニウム膜７の幅の決定は、赤外線検出画素の位置と枠体３に伝わる熱量との間の前もって得られている相関に基づく。このように構成されているため、当該熱電対は、熱電対として、且つ、補償手段として働く。
第２実施形態による赤外線アレイ検出装置は、熱電対の数が赤外線検出画素４ａ、４ｂで同一である点、並びにアルミニウム膜７の幅が赤外線検出画素４ｂよりも赤外線検出画素４ａで狭くなっている点で第１実施形態と相違するが、熱電対、パッシベーション膜８、赤外線吸収膜９の積層構造及び配置は第１実施形態と同様である。このため、各赤外線検出画素においては十分に高い検出感度が達成される。これに加えて、第２実施形態では、赤外線検出画素４ａのアルミニウム膜７の幅は赤外線検出画素４ｂのアルミニウム膜７のそれよりも狭いため、熱電対から放熱される熱量は、赤外線検出画素４ｂよりも赤外線検出画素４ａで小さくなる。このため、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差が熱電対を介して放熱される熱量の差で補償される。したがって、各赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化される。
なお、第２実施形態はこれに限られるものではない。第２実施形態では赤外線検出画素４ａのアルミニウム膜７の幅が赤外線検出画素４ｂのアルミニウム膜７の幅よりも狭い例を示したが、ポリシリコン膜５の幅、あるいはポリシリコン膜５とアルミニウム膜７との双方の幅が、赤外線検出画素４ｂよりも赤外線検出画素４ａにおいて狭くなっていてもよい。このような構成により、熱電対から放熱される熱量は、赤外線検出画素４ｂよりも赤外線検出画素４ａで小さくなり、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差が熱電対を介して放熱される熱量の差で補償される。したがって、各赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化される。
ポリシリコンはアルミニウムに比べて比抵抗が高いため、熱電対の電気抵抗は、ポリシリコン膜により支配される。よって、ポリシリコン膜の幅が不必要に狭くされると熱電対の電気抵抗が上昇するため、雑音が増加しＳ／Ｎ比が悪くなってしまう。従って、アルミニウム膜とポリシリコン膜とを組み合わせる場合には、アルミニウム膜の幅を調節して熱電対を介して放熱される熱量を制御することが好ましい。また、後述するように、熱電対を構成する電極の長さや厚みを調節することによっても熱電対を介して放熱される熱量を制御することが可能であるが、このような場合にもアルミニウム膜の長さや幅を調節することが好ましい。
図４Ａは、第３実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図４Ｂは、図４ＡにおけるＩ−Ｉに沿う断面図を示している。第２実施形態では、赤外線検出画素４ａのアルミニウム膜７の幅が赤外線検出画素４ｂのアルミニウム膜７の幅よりも狭くなっている。一方、第３実施形態では、赤外線検出画素４ａにおけるアルミニウム膜７は波形に曲がり、赤外線検出画素４ａにおけるアルミニウム膜７の長さは赤外線検出画素４ｂにおけるアルミニウム膜７の長さよりも長くなっている。アルミニウム膜７の長さは、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差が熱電対を介して放熱される熱量の差で補償されるように決定される。アルミニウム膜７の長さの決定は、赤外線検出画素の位置と枠体３に伝わる熱量との間の前もって得られている相関に基づく。このように構成されるため、当該熱電対は、熱電対としての機能と、補償手段としての機能とを有している。
第３実施形態は、熱電対の数が赤外線検出画素４ａ、４ｂで同一である点、並びにアルミニウム膜７の長さが赤外線検出画素４ｂよりも赤外線検出画素４ａで長くなっている点で第１実施形態と相違するが、熱電対、パッシベーション膜８、赤外線吸収膜９の積層構造及び配置は第１実施形態と同様である。このため、各赤外線検出画素においては十分に高い検出感度が達成される。第３実施形態では赤外線検出画素４ａのアルミニウム膜７の長さが赤外線検出画素４ｂのアルミニウム膜７の長さよりも長いため、熱電対を介して放熱される熱量は、赤外線検出画素４ｂよりも赤外線検出画素４ａで小さくなる。このため、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差が熱電対を介して放熱される熱量の差で補償される。したがって、各赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化される。
なお、第３実施形態はこれに限られるものではない。第３実施形態では、赤外線検出画素４ａのアルミニウム膜７が波形状である例を示したが、アルミニウム膜７長さが上記の条件を満たす限り、その形状は直線状、Ｓ字状、鋸刃状などであってもよい。
図５Ａは、第４実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図５Ｂは、図５ＡにおけるＩ−Ｉに沿う断面図である。第２実施形態ではアルミニウム膜７の幅が赤外線検出画素４ｂよりも赤外線検出画素４ａで狭くなっているのに対し、第４実施形態ではアルミニウム膜７の厚みが赤外線検出画素４ｂよりも赤外線検出画素４ａで薄くなっている。これらのアルミニウム膜７の厚みは、赤外線検出画素４ａ，４ｂの位置の違いにより生じる損失熱量の差が熱電対を介して放熱される熱量の差で補償されるように決定される。アルミニウム膜７の厚みの決定は、赤外線検出画素の位置と枠体３に伝わる熱量との間の予め得られている相関に基づく。このように構成されているため、当該熱電対は、熱電対として、且つ、補償手段として働く。
第４実施形態は、熱電対の数が赤外線検出画素４ａ、４ｂで同一である点、並びにアルミニウム膜７の厚みが赤外線検出画素４ｂよりも赤外線検出画素４ａで薄くなっている点で第１実施形態と相違するが、熱電対、パッシベーション膜８、赤外線吸収層９の積層構造及び配置は第１実施形態と同様である。このため、各赤外線検出画素においては十分に高い検出感度が達成される。これに加えて、第４実施形態では、赤外線検出画素４ａのアルミニウム膜７の厚みを赤外線検出画素４ｂのアルミニウム膜７の厚みよりも薄いため、熱電対を介して放熱される熱量が、赤外線検出画素４ｂよりも赤外線検出画素４ａで小さくなる。このため、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差が熱電対を介して放熱される熱量の差で補償される。したがって、各赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化される。
図６Ａは、第５実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図６Ｂは、図６ＡにおけるＩ−Ｉに沿う断面図である。第６実施形態の赤外線アレイ検出装置においては、赤外線検出画素４ｂのアルミニウム膜７に、アルミニウムと同等またはそれ以上の熱伝導率を有する材料から構成されるダミー配線１２が接続されている。ダミー配線１２は、アルミニウム、金などといった材料から構成されることができる。ダミー配線１２の材料および形状は、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差が熱電対を介して放熱される熱量の差で補償されるように選択される。ダミー配線１２の材料および形状の決定は、赤外線検出画素の位置と枠体３に伝わる熱量との間の前もって得られている相関に基づく。このように構成されるため、当該熱電対は、熱電対として、且つ、補償手段として働く。
第５実施形態は、熱電対の数が赤外線検出画素４ａ、４ｂで同一である点、並びに赤外線検出画素４ｂがダミー配線１２を更に備える点で第１実施形態と相違するが、熱電対、パッシベーション膜８、赤外線吸収層９の積層構造及び配置は第１実施形態と同様である。このため、各赤外線検出画素においては十分に高い検出感度が達成される。これに加えて、第５実施形態では、赤外線検出画素４ｂがダミー配線１２を備えるため、赤外線の吸収により発生する熱の一部がダミー配線１２を通して損失される。このため、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差がダミー配線における損失熱量で補償される。したがって、各赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化される。
なお、第５実施形態はこれに限られるものではない。これまでの説明では、赤外線検出画素４ｂのアルミニウム膜７に接続されたダミー配線１２を備える例を参照したが、第５の実施形態による赤外線アレイ検出装置においては、赤外線検出画素４ｂのシリコン膜５、あるいはシリコン膜５とアルミニウム膜７との双方にダミー配線が設けられてよい。
図７Ａは、第６実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図７Ｂは、図７ＡにおけるＩ−Ｉに沿う断面図である。第６実施形態の赤外線アレイ検出装置においては、赤外線検出画素４ａのアルミニウム膜７の一部が、アルミニウム膜７よりも低い熱伝導率を有し且つアルミニウム膜７と電気的に接続可能な材料で置換される。このような材料としては、ポリシリコン、クロム、チタンなどを用いることができる。どのような材料が使用されるか、或いは、アルミニウム膜７の長さのどの程度が置換されるかは、位置の違いにより生じる損失熱量の差が熱電対を介して放熱される熱量の差で補償されるように決定される。材料および置換されるべき長さの決定は、赤外線検出画素の位置と枠体３に伝わる熱量との間の前もって得られている相関に基づく。このように構成されるため、当該熱電対は、熱電対として、且つ、補償手段として働く。
第６実施形態は、熱電対の数が赤外線検出画素４ａ、４ｂで同一である点、並びに赤外線検出画素４ａのアルミニウム膜７の一部が上記の材料に置換されている点で第１実施形態と相違するが、熱電対、パッシベーション膜８、赤外線吸収層９の積層構造及び配置は第１実施形態と同様である。このため、各赤外線検出画素においては十分に高い検出感度が達成される。これに加えて、第６実施形態では、赤外線検出画素４ａのアルミニウム膜７の一部が、アルミニウム膜７よりも低い熱伝導率を有し且つアルミニウム膜７と電気的に接続可能な材料で置換されているため、熱電対を介して放熱される熱量が赤外線検出画素４ｂよりも赤外線検出画素４ａで小さくなる。このため、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差が熱電対を介して放熱される熱量の差で補償される。したがって、各赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化される。
なお、第６実施形態はこれに限られるものではない。第６実施形態では赤外線検出画素４ａのアルミニウム膜７の一部をアルミニウム膜７よりも低い熱伝導率を有し且つアルミニウム膜７と電気的に接続可能な材料で置換した例を示した。しかし、赤外線検出画素４ａのシリコン膜５の一部、あるいはシリコン膜５とアルミニウム膜７との双方の一部を、それぞれの材料よりも低い熱伝導率を有し且つ電気的に接続可能な材料で置換してもよい。
図８Ａは、第７実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図８Ｂは、図８ＡにおけるＩ−Ｉに沿う断面図である。第６実施形態の赤外線アレイ検出装置においては、赤外線検出画素４ｂのアルミニウム膜７の一部が、アルミニウム膜７よりも高い熱伝導率を有し且つアルミニウム膜７と電気的に接続可能な材料で置換されている。置換された部分は、クロム−金、チタン−金などの２種類の金属の積層体であることができる。どのような材料を使用するか、およびアルミニウム膜７のどの程度を置換するかは、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差が熱電対を介して放熱される熱量の差で補償されるように決定される。材料および置換されるべき長さは、赤外線検出画素の位置と枠体３に伝わる熱量との間の前もって得られている相関に基づく。このように構成されるため、当該熱電対は、熱電対として、且つ、補償手段として働く。
第７実施形態は、熱電対の数が赤外線検出画素４ａ、４ｂで同一である点、並びに赤外線検出画素４ｂのアルミニウム膜７の一部が上記の材料に置換されている点で第１実施形態と相違するが、熱電対、パッシベーション膜８、赤外線吸収層９の積層構造及び配置は第１実施形態と同様である。このため、各赤外線検出画素においては十分に高い検出感度が達成される。これに加えて、第７実施形態では、赤外線検出画素４ｂのアルミニウム膜７の一部が、アルミニウム膜７よりも高い熱伝導率を有し且つアルミニウム膜７と電気的に接続可能な材料で置換されているため、熱電対を介して放熱される熱量が赤外線検出画素４ｂよりも赤外線検出画素４ａで小さくなる。このため、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差が熱電対を介して放熱される熱量の差で補償される。したがって、各赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化される。
なお、第７実施形態はこれに限られるものではない。第６実施形態では赤外線検出画素４ｂのアルミニウム膜７の一部をアルミニウム膜７よりも高い熱伝導率を有し且つアルミニウム膜７と電気的に接続可能な材料で置換した例を示した。しかし、赤外線検出画素４ｂのシリコン膜５、あるいはシリコン膜５とアルミニウム膜７との双方を、それぞれの材料よりも高い熱伝導率を有し且つ電気的に接続可能な材料で置換してもよい。
図９Ａは、第８実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図９Ｂは、図９ＡにおけるＩ−Ｉに沿う断面図である。上記第１〜７実施形態では全ての熱電対がポリシリコン膜５とアルミニウム膜７とで構成されている。これに対し、第８実施形態では、赤外線検出画素４ａの熱電対がｎ型ポリシリコン膜５０とｐ型ポリシリコン膜５１とで構成され、赤外線検出画素４ｂの熱電対がｎ型またはｐ型のポリシリコン膜５とアルミニウム膜７とで構成されている。これにより、当該熱電対は、熱電対として、且つ、補償手段として働く。
第８実施形態は、熱電対の数が赤外線検出画素４ａ、４ｂで同一である点、並びに赤外線検出画素４ａの熱電対がｎ型ポリシリコン膜５０とｐ型ポリシリコン膜５１とで構成されている点で第１実施形態と相違するが、熱電対、パッシベーション膜８、赤外線吸収層９の積層構造及び配置は第１実施形態と同様である。このため、各赤外線検出画素においては十分に高い検出感度が達成される。これに加えて、第８実施形態では、赤外線検出画素４ａの熱電対は、ｎ型ポリシリコン膜５０とｐ型ポリシリコン膜５１とで構成されているため、ポリシリコン膜５とアルミニウム膜７とで構成される赤外線検出画素４ｂの熱電対に比べて高い熱電変換効率を示す。このため、赤外線検出画素４ａにおいては、赤外線検出画素４ａよりも少ない熱量で同等の起電力を発生することができる。よって、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差が熱電変換効率の違いにより補償される。したがって、各赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化される。
なお、第８実施形態はこれに限られるものではない。第８実施形態では、赤外線検出画素４ａの熱電対としてｎ型ポリシリコン膜とｐ型ポリシリコン膜とで構成される。しかし、赤外線検出画素４ｂの熱電対よりも熱電変換効率が高い材料が使用されれば、この組合せに特に制限されることはない。
図１０Ａは、第９実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図１０Ｂは、図１０ＡにおけるＩ−Ｉに沿う断面図である。上記第１〜第８実施形態では２つの電極（例えばポリシリコン膜５とアルミニウム膜７）が積層されて熱電対が形成されている。これに対し、第９実施形態の熱電対ではポリシリコン膜５とアルミニウム膜７とが並列に配置されて熱電対が形成され、その熱電対が複数直列に接続されてサーモパイルが形成されている。そして、赤外線検出画素４ａのアルミニウム膜７の幅は赤外線検出画素４ｂのアルミニウム膜７の幅よりも狭くなっている。これらのアルミニウム膜７の幅は、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差が熱電対を介して放熱される熱量の差で補償されるように決定される。アルミニウム膜７の幅の決定は、赤外線検出画素の位置と枠体３に伝わる熱量との間の前もって得られている相関に基づく。このように構成されるため、当該熱電対は、熱電対として、且つ、補償手段として働く。
第９実施形態は、ポリシリコン膜５とアルミニウム膜７とが並列に配置されて熱電対が形成されている点、並びに熱電対数が赤外線検出画素４ａ、４ｂで同一である点で第１実施形態と相違するが、各熱電対の温接点は中空部分２の上部、冷接点が枠体３の上部にそれぞれ配置され、温接点を覆うように赤外線吸収層が形成されている。このため、各赤外線検出画素においては第１実施形態の赤外線検出画素と同様に高い検出感度を得ることができる。これに加えて、第２実施形態と同様に、アルミニウム膜７の幅が赤外線検出画素４ｂよりも赤外線検出画素４ａで狭くなっている。よって、熱電対を介して放熱される熱量は赤外線検出画素４ｂよりも赤外線検出画素４ａで小さくなる。このため、赤外線検出画素の位置の違いにより生じる損失熱量の差が熱電対を介して放熱される熱量の差で補償される。したがって、各赤外線検出画素の検出感度は十分に均一化される。
なお、第９実施形態はこれに限られるものではない。第９実施形態では赤外線検出画素４ａのアルミニウム膜７の幅が赤外線検出画素４ｂのアルミニウム膜７の幅よりも狭い例を示した。しかしながら、赤外線検出画素４ａのアルミニウム膜７の長さを短くしたり、厚みを薄くしたりしてもよい。
産業上の利用可能性
本発明の赤外線アレイ検出装置では、熱電対の温接点が中空部分の上部、冷接点が枠体の上部にそれぞれ配置されるように、３個以上の赤外線検出画素がサポート膜上にアレイ状に形成されている。
よって、各赤外線検出画素においては、赤外線の吸収により発生する熱を赤外線吸収層から熱電対へ効率よく伝えることができる。また、第１の赤外線検出画素において枠体に伝わる熱量は、中間部に配置された第２の赤外線検出画素において枠体に伝わる熱量よりも大きいが、それらの損失熱量に起因する起電力の差は補償手段により補償されるので、枠体の中空部分を大きくしたり赤外線検出画素毎に別個に設けたりせずとも、赤外線検出画素の検出感度をその位置によらず実質的に同一にすることができる。
したがって、複数の赤外線検出画素を集積化すると共にそれらの検出感度を十分に高く且つ均一化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは、第１実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図１Ｂは、図１ＡのＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
図２は、第１実施形態に係る赤外線アレイ検出装置の他の例のサーモパイルパターンを示す図である。
図３Ａは、第２実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図３Ｂは、図３ＡのＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
図４Ａは、第３実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図４Ｂは、図４ＡのＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
図５Ａは、第４実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図５Ｂは、図５ＡのＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
図６Ａは、第５実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図６Ｂは、図６ＡのＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
図７Ａは、第６実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図７Ｂは、図７ＡのＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
図８Ａは、第７実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図８Ｂは、図８ＡのＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
図９Ａは、第８実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図９Ｂは、図９ＡのＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
図１０Ａは、第９実施形態に係る赤外線アレイ検出装置のサーモパイルパターンを示す図である。図１０Ｂは、図１０ＡのＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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