(57)【要約】【課題】更なる高感度を達成する。【解決手段】熱型赤外線センサは、伝達された熱量に応じた電気信号を発生すると共に、基板２４の主面に形成された複数の空洞２６の各々の内部に配置された熱電変換素子としてのダイオード１７を各々含む複数の小型熱型赤外線センサ１４と、吸収した赤外線の熱量を複数の空洞２６の各々の内部に配置されたダイオード１７の各々に伝達するように配置された赤外線吸収膜２０と、複数の小型熱型赤外線センサ１４の各々に含まれるダイオード１７の各々を電気的に直列接続する接続配線１５と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
2009139111.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝達された熱量に応じた電気信号を発生すると共に、基板の主面に形成された複数の空洞の各々の内部に配置された熱電変換素子を各々含む複数の小型熱型赤外線センサと、
吸収した赤外線の熱量を前記複数の空洞の各々の内部に配置された前記熱電変換素子の各々に伝達するように配置された赤外線吸収膜と、
前記複数の小型熱型赤外線センサの各々に含まれる熱電変換素子の各々を電気的に直列接続する接続配線と、
を備えたことを特徴とする熱型赤外線センサ。
【請求項２】
前記小型熱型赤外線センサの画素サイズが１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の熱型赤外線センサ。
【請求項３】
前記赤外線吸収膜は、前記複数の空洞を１枚で覆うように配置されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱型赤外線センサ
【請求項４】
前記小型熱型赤外線センサは、ＳＯＩダイオード型赤外線センサ、又はボロメータ型赤外線センサである請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の熱型赤外線センサ。
【請求項５】
伝達された熱量に応じた電気信号を発生すると共に、基板の主面に形成された複数の空洞の各々の内部に配置された熱電変換素子を各々含む複数の小型熱型赤外線センサと、
吸収した赤外線の熱量を前記複数の空洞の内部に配置された前記熱電変換素子の各々に伝達するように配置された複数の赤外線吸収膜と、
前記複数の小型熱型赤外線センサの各々に含まれる熱電変換素子の各々を所定の個数ずつ電気的に直列接続する接続配線と、を備えたことを特徴とする熱型赤外線イメージセンサ。
【請求項６】
前記小型熱型赤外線センサの画素サイズが１５μｍ以下であることを特徴とする請求項５記載の熱型赤外線イメージセンサ。
【請求項７】
前記複数の赤外線の吸収膜の各々は、前記複数の空洞を各々複数個ずつ覆うように配置されると共に、吸収した赤外線の熱量を各々が覆っている複数個の空洞の内部に配置された前記熱電変換素子の各々に伝達するように配置され、
前記接続配線は、前記赤外線吸収膜の各々が覆っている複数個の空洞の内部に配置された複数個の前記熱電変換素子毎に、該複数個の熱電変換素子を電気的に直列接続する
ことを特徴とする請求項５または請求項６記載の熱型赤外線イメージセンサ。
【請求項８】
前記小型熱型赤外線センサは、ＳＯＩダイオード型赤外線センサ、又はボロメータ型赤外線センサである請求項５〜請求項７のいずれか１項記載の熱型赤外線イメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱型赤外線センサ、及び熱型赤外線イメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線センサには、赤外線のフォトンエネルギーにより励起されるキャリアによって生じる導電率の変化、あるいは光起電力を検出する量子型の赤外線センサと、黒体放射に基づく赤外線の放射エネルギー吸収による温度変化を検出する熱型の赤外線センサがある。一般に熱型の赤外線センサは、波長依存性を持ち極低温の冷却が必要となる特徴を有する量子型の赤外線センサと比較して、感度は劣るが波長依存性を持たず、冷却不要という特徴を有する。例えば、従来、熱型の赤外線センサとして、所定の大きさ内に、細長い支持脚で基板から分離した受光部を形成し、受光部内に所定数のダイオードを形成して、それらのダイオードが互いに直列接続されたＳＯＩダイオード型赤外線センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
なお、一般的に、熱型赤外線イメージセンサにおける画素の画素サイズは１７μｍ以上であることが知られている。これは、検出波長８〜１４μｍの遠赤外線センサでは、画素サイズが１５μｍ以下になると、十分な赤外線吸収率が得られなくなる事象が発生するからである。そのため、従来、画素サイズが１５μｍ以下の遠赤外線センサは作成されていなかった。
【特許文献１】特開２００５−２３３６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記で挙げた特許文献１に記載のＳＯＩダイオード型赤外線センサなどの熱型赤外線センサは、生体センシングやガスセンシングなどに用いられる場合において、更なる高感度が要求されている。
【０００５】
そこで、本発明は、更なる高感度を達成することができる熱型赤外線センサ、及び熱型赤外線イメージセンサ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】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明の熱型赤外線センサは、伝達された熱量に応じた電気信号を発生すると共に、基板の主面に形成された複数の空洞の各々の内部に配置された熱電変換素子を各々含む複数の小型熱型赤外線センサと、吸収した赤外線の熱量を前記複数の空洞の各々の内部に配置された前記熱電変換素子の各々に伝達するように配置された赤外線吸収膜と、前記複数の小型熱型赤外線センサの各々に含まれる熱電変換素子の各々を電気的に直列接続する接続配線と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、前記小型熱型赤外線センサの画素サイズを１５μｍ以下とするようにしてもよい。
【０００８】
また、前記赤外線吸収膜を、前記複数の空洞を１枚で覆うように配置されるようにしてもよい。
【０００９】
また、前記小型熱型赤外線センサを、ＳＯＩダイオード型赤外線センサ、又はボロメータ型赤外線センサであるようにしてもよい。
【００１０】
更に、上記の目的を達成するために、本発明の熱型赤外線イメージセンサは、伝達された熱量に応じた電気信号を発生すると共に、基板の主面に形成された複数の空洞の各々の内部に配置された熱電変換素子を各々含む複数の小型熱型赤外線センサと、吸収した赤外線の熱量を前記複数の空洞の内部に配置された前記熱電変換素子の各々に伝達するように配置された複数の赤外線吸収膜と、前記複数の小型熱型赤外線センサの各々に含まれる熱電変換素子の各々を所定の個数ずつ電気的に直列接続する接続配線と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、前記小型熱型赤外線センサの画素サイズを１５μｍ以下とするようにしてもよい。
【００１２】
また、前記複数の赤外線の吸収膜の各々を、前記複数の空洞を各々複数個ずつ覆うように配置されると共に、吸収した赤外線の熱量を各々が覆っている複数個の空洞の内部に配置された前記熱電変換素子の各々に伝達するように配置するようにし、前記接続配線を、前記赤外線吸収膜の各々が覆っている複数個の空洞の内部に配置された複数個の前記熱電変換素子毎に、該複数個の熱電変換素子を電気的に直列接続するようにしてもよい。
【００１３】
また、前記小型熱型赤外線センサを、ＳＯＩダイオード型赤外線センサ、又はボロメータ型赤外線センサであるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の熱型赤外線センサ、及び熱型赤外線イメージセンサによれば、高い熱絶縁性と大きな受光面積を両立させることができるので、従来達成されていない高感度かつ高速応答可能なセンサを実現することができる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の熱型赤外線センサの実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、本熱型赤外線センサとしてＳＯＩダイオード型赤外線センサを用いた例について説明する。
【００１６】
図１（Ａ）は、従来の熱型遠赤外線センサの画素９８を模式的に表した図であり、図１（Ｂ）は、本実施の形態に係るＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の小型画素（小型熱型赤外線センサ）１４を模式的に表した図である。図１（Ｂ）に示されるように、ＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０は、図１（Ａ）に図示される従来の熱型赤外線センサの画素の一辺の長さ（画素サイズ）のＮ（Ｎは１より大きい数；図１（Ｂ）の例ではＮ＝２）分の１の画素サイズ（例えば、図１（Ｂ）の例では１５μｍ）の小型画素１４ａ〜１４ｄを備えている。また、以下、添字の後ろに示すａ〜ｄのアルファベットは、当該添字によって示される構成の各々を区別する必要がない場合には、当該アルファベットを省略して本実施の形態の説明を行う。
【００１７】
小型画素１４ａ〜１４ｄの各々において、シリコン等から構成される基板が掘り下げられて凹部２６ａ〜２６ｄ（詳細は図３にて説明する）が形成されている。小型画素１４ａ〜１４ｄの各々は、温度検知部１６ａ〜１６ｄ（詳細は図３にて説明する）の各々を備えている。温度検知部１６ａ〜１６ｄの各々は、伝達された熱量に応じた温度に応じて、順方向にバイアスされたときの電流−電圧特性が変化するダイオード１７を複数（例えば６）個含んでいる。ダイオード１７は、温度検知部１６ａ〜１６ｄの各々において、電気的に直列接続されている。なお、温度検知部１６ａ〜１６ｄの各々におけるダイオード１７の個数は、複数個が望ましいが、１個であってもよい。また、温度検知部１６ａ〜１６ｄの各々は、凹部２６の内部に配置されている。
【００１８】
そして、図１（Ｂ）に図示されるように、温度検知部１６ａ〜１６ｄは電気的に接続配線１５によって直列接続されている。
【００１９】
次に、図２、図３を参照して、本発明の実施の形態におけるＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の小型画素１４について説明する。この熱型赤外線センサ素子としての小型画素１４は、上方から見ると図２のように、赤外線吸収膜２０が見える。なお、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサでは、画素毎に赤外線吸収膜が分割されていたが、本実施の形態では、赤外線吸収膜２０は、複数の凹部２６を全て１枚で覆うように（図１（Ｂ）の例では４：凹部２６ａ〜２６ｄを覆うように）配置される。また、赤外線吸収膜２０は、吸収した赤外線の熱量を、覆っている全ての凹部２６の内部に配置された温度検知部１６の各々に伝達するように配置されている。赤外線吸収膜２０のほぼ中央には支柱部２２の凹みがある。図２のＩＩ−ＩＩ線に関する矢視端面図を図３に示す。基板２４は、その主面に複数の空洞（凹部）２６が形成されている。すなわち、赤外線吸収膜２０の下方では基板２４を掘り下げて凹部２６が形成されている。基板２４は例えばシリコン基板を含んで構成される。
【００２０】
温度検知部１６は、直列されたダイオード１７を含んで構成されている。温度検知部１６は、基板２４に対して支持脚２８を介して接続されることによって凹部２６の上部の空中に保持されている。支持脚２８は、この例では２本あり、上方から見ると図４に示すようにそれぞれＬ字形に折れ曲がった橋のような形状をしている。支持脚２８は薄膜金属配線３０とこれを支える誘電体膜とを含んでいる。
【００２１】
薄膜金属配線３０は、直列接続されたダイオード１７とアルミ配線３２とを電気的に接続している。薄膜金属配線３０は例えば厚み１００ｎｍのチタン合金など、熱伝導率の低い導電膜によって形成される。直列接続されたダイオード１７が出力した電気信号は、支持脚２８に含まれる薄膜金属配線３０を経由してアルミ配線３２に伝わり、電気的に直列接続された他の小型画素（図示しない）のアルミ配線、薄膜金属配線及び検知膜等に出力されて、そして、図示しない検出回路によって取り出される。これにより、温度によるバイアス電圧の変化を検出することによって赤外線量を検出することができる。なお、図２及び図３に示される小型画素１４において、薄膜金属配線３０と直列接続されたダイオード１７との間、および、薄膜金属配線３０とアルミ配線３２との間の電気的接続は、必要に応じて上下方向に延在する導電体（図示せず）を介在させて行なわれている。また、上述した接続配線１５は、薄膜金属配線３０及びアルミ配線３２を含む。従って、図１（Ｂ）に図示されるように、温度検知部１６ａ〜１６ｄは電気的に接続配線１５によって直列接続されている。なお、本実施の形態では、４個（２×２個）の小型画素１４を直列接続する例について説明したが、本発明はこれに限られず、４個以外の複数の小型画素を直列接続するようにしてもよい。
【００２２】
赤外線反射膜１１は、温度検知部１６とは熱的に接続されない状態で、支持脚２８の少なくとも一部の上方を覆うように配置されている。赤外線反射膜１１は、熱容量を下げるために薄くされた赤外線吸収膜２０を透過した赤外線を反射して再度赤外線吸収膜２０に吸収させるためのものである。なお、この赤外線反射膜１１と、赤外線吸収膜２０とのギャップは検出波長の１／４λ（約２ｍ程度）にすることで、反射と吸収の効率を飛躍的に上げられるので、赤外線反射膜１１と、赤外線吸収膜２０とのギャップが検出波長の１／４λとなるように赤外線反射膜１１が設けられている。赤外線反射膜１１はアンカ部３４を介してアルミ配線３２を内部に収める配線保護絶縁膜３６に固定されている。
【００２３】
赤外線吸収膜２０は、吸収膜となる金属薄膜を含む。吸収膜は例えばクロムで厚み５ｎｍに形成した膜である。赤外線吸収膜２０は、図３に示すように温度検知部１６の上側に支柱部２２を介して取り付けられている。これは赤外線吸収膜２０が温度検知部１６に対して熱的に接続されていることを意味する。赤外線吸収膜２０は、赤外線吸収膜１１とは熱的に接続されない状態で、複数の凹部２６を全て１枚で覆うように（図１（Ｂ）の例では４：凹部２６ａ〜２６ｄを覆うように）配置される。
【００２４】
なお、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の小型画素１４については、従来の公知の半導体プロセスによって製造することができる。
【００２５】
ここで、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の本発明の原理について説明する。
【００２６】
まず、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０が真空封止によって製造された場合について説明する。
【００２７】
真空封止によって製造された場合におけるＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の熱コンダクタンスＧｓｅｎｓは、支持脚２８の熱コンダクタンスＧｌｅｇに等しくなる。すなわち、Ｇｓｅｎｓ＝Ｇｌｅｇとなる。
【００２８】
支持脚２８の熱コンダクタンスＧｌｅｇは、以下の式（１）で表すことができる。
【００２９】
【数１】
2009139111.tif 000003
ここで、
λ：熱伝導率
ｗ：受光部幅（温度検知部１６の幅）
ｔ：受光部厚み（温度検知部１６の厚み）
Ｌ：受光部長さ（温度検知部１６の長さ）
である。
【００３０】
また、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの熱コンダクタンスＧｂｅｆｏｒｅは、以下の式（２）で表すことができる。
【００３１】
【数２】
2009139111.tif 000004
ここで、
λ：熱伝導率
ｗ：受光部幅（温度検知部１６の幅）
ｔ：受光部厚み（温度検知部１６の厚み）
Ｌ：受光部長さ（温度検知部１６の長さ）
である。
【００３２】
従って、ＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の熱コンダクタンスＧｓｅｎｓ（＝Ｇｌｅｇ）は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの熱コンダクタンスＧｂｅｆｏｒｅの１／Ｎ倍になる。
【００３３】
熱型赤外線センサの感度を表す指標となる電圧感度ＲＶは、熱コンダクタンスＧ０に反比例するので、ＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の電圧感度Ｒｓｅｎｓは、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの電圧感度Ｒｂｅｆｏｒｅに比べてＮ倍になる。
【００３４】
また、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の小型画素１４のサイズは、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素のサイズを１／Ｎにしたものであり、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素１つに対応する小型画素１４の個数はＮ２個となる。
【００３５】
熱型赤外線センサの出力Ｖ０は、赤外線吸収膜面積（受光面積）Ａ０に比例し、熱コンダクタンスＧ０に反比例するので、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素に比べてサイズが１／Ｎになった小型画素１４をＮ２個直列接続し、赤外線吸収膜２０をＮ２個分各々接合させれば、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の受光面積Ａｓｅｎｓは従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの受光面積Ａｂｅｆｏｒｅと等しくなる。また、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の熱コンダクタンスＧｓｅｎｓ（＝Ｇｌｅｇ）は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの熱コンダクタンスＧｂｅｆｏｒｅに比べて１／Ｎの値となる。これらのことから、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の出力Ｖｓｅｎｓは、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの出力Ｖｂｅｆｏｒｅと比較してＮ倍となる。
【００３６】
また、小型画素１４のサイズは、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素のサイズと比較すると１／Ｎ２であるので、小型画素１４の体積は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素の体積と比較すると、１／Ｎ３倍となる。そのため、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の受光部体積（温度検知部１６の体積）についても、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの受光部体積と比較すると、１／Ｎ３倍となる。熱容量Ｈは、以下の式（３）で表すことができる。
【００３７】
【数３】
2009139111.tif 000005
ここで、
α：比熱
Ｖ：受光部体積
である。
【００３８】
上記の式（３）によって示されるように、熱容量Ｈは、受光部体積に比例する。そのため、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の熱容量Ｈｓｅｎｓは、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの熱容量Ｈｂｅｆｏｒｅの１／Ｎ３倍となる。
【００３９】
また、熱自定数τは、以下の式（４）で表すことができる。
【００４０】
【数４】
2009139111.tif 000006
ここで、
Ｈ：熱容量
Ｇ：熱コンダクタンス
である。
【００４１】
よって、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の熱自定数τｓｅｎｓは、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの熱自定数τｂｅｆｏｒｅの１／Ｎ２倍となる。すなわち、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の応答性は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの応答性と比較すると、Ｎ２倍となる。
【００４２】
以上説明したように、真空封止によって製造された場合における本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサと比較すると、電圧感度はＮ倍、出力はＮ倍、応答性はＮ２倍となる。
【００４３】
次に、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０が大気封止によって製造された場合について説明する。
【００４４】
大気封止によって製造された場合におけるＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の熱コンダクタンスＧｓｅｎｓは、支持脚２８の熱コンダクタンスＧｌｅｇと、温度検知部１６の下の空気の熱コンダクタンスＧａｉｒとの和に等しくなる。すなわち、Ｇｓｅｎｓ＝Ｇｌｅｇ＋Ｇａｉｒとなる。ただし、大気封止の場合は、ＧａｉｒがＧｌｅｇを大きく上回っている場合が多いので（すなわち、Ｇａｉｒ＞＞Ｇｌｅｇとなる場合が多いので）、Ｇｓｅｎｓ≒Ｇａｉｒと見なすことができるため、以下、Ｇｓｅｎｓ≒Ｇａｉｒと見なして説明する。
【００４５】
Ｇａｉｒは、以下の式（５）で表すことができる。
【００４６】
【数５】
2009139111.tif 000007
ここで、
λ´：熱伝導率
ｗ´：受光部幅（温度検知部１６の幅）
ｔ´：受光部厚み（温度検知部１６の厚み）
Ｌ´：温度検知部１６と基板２４とのギャップ
である。
【００４７】
ここで、ｗ´・ｔ´は温度検知部１６の面積に相当する。本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０における小型画素１４のサイズは、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素のサイズの１／Ｎ倍であるので、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０における温度検知部１６の面積は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素の受光部の面積の１／Ｎ２倍になる。そのため、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０における熱コンダクタンスＧａｉｒは、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの熱コンダクタンスＧｂｅｆｏｒｅと比較すると、１／Ｎ２倍になる。よって、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０における電圧感度Ｒｓｅｎｓは、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの電圧感度ＲｂｅｆｏｒｅのＮ２倍になる。
【００４８】
また、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の小型画素１４のサイズは、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素のサイズの１／Ｎ倍であり、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素１つに対応する小型画素１４の個数はＮ２個となる。
【００４９】
熱型赤外線センサの出力Ｖ０は、赤外線吸収膜面積（受光面積）Ａ０に比例し、熱コンダクタンスＧ０に反比例するので、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素に比べてサイズが１／Ｎになった小型画素１４をＮ２個直列接続し、赤外線吸収膜としての赤外線吸収膜２０をＮ２個分各々接合させれば、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の受光面積Ａｓｅｎｓは従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの受光面積Ａｂｅｆｏｒｅと等しくなる。また、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の熱コンダクタンスＧｓｅｎｓ（＝Ｇｌｅｇ）は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの熱コンダクタンスＧｂｅｆｏｒｅに比べて１／Ｎ２の値となる。これらのことから、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の出力Ｖｓｅｎｓは、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの出力Ｖｂｅｆｏｒｅと比較してＮ２倍となる。
【００５０】
また、小型画素１４のサイズは、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素のサイズの１／Ｎ倍であるので、小型画素１４の体積は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素の体積の１／Ｎ３倍となる。そのため、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の受光部体積についても、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの受光部体積と比較すると、１／Ｎ３倍となる。熱容量Ｈ´は、以下の式（６）で表すことができる。
【００５１】
【数６】
2009139111.tif 000008
ここで、
α´：比熱
Ｖ´：受光部体積
である。
【００５２】
上記の式（６）に示されるように、熱容量Ｈ´は、受光部体積Ｖ´に比例する。そのため、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の熱容量Ｈｓｅｎｓは、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの熱容量Ｈｂｅｆｏｒｅの１／Ｎ３倍となる。また、熱自定数τ´は、以下の式（７）で表すことができる。
【００５３】
【数７】
2009139111.tif 000009
ここで、
Ｈ：熱容量
Ｇ：熱コンダクタンス
である。
【００５４】
よって、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の熱自定数τｓｅｎｓは、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの熱自定数τｂｅｆｏｒｅの１／Ｎ倍となる。すなわち、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の応答性は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの応答性と比較すると、Ｎ倍となる。
【００５５】
以上説明したように、大気封止によって製造された場合における本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサと比較すると、電圧感度はＮ２倍、出力はＮ２倍、応答性はＮ倍となる。
【００５６】
ここで、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０が真空封止によって製造された場合に、歩留まり率向上のために、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素の長さ、幅のみ１／Ｎ倍して厚みはそのまま変えないときのケースについて説明する。
【００５７】
本ケースでは、ＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の熱コンダクタンスＧｓｅｎｓ２は、支持脚２８の熱コンダクタンスＧｌｅｇ２に等しくなる。すなわち、Ｇｓｅｎｓ２＝Ｇｌｅｇ２となる。
【００５８】
支持脚２８の熱コンダクタンスＧｌｅｇ２は、以下の式（８）で表すことができる。
【００５９】
【数８】
2009139111.tif 000010
ここで、
λ：熱伝導率
ｗ：受光部幅（温度検知部１６の幅）
ｔ：受光部厚み（温度検知部１６の厚み）
Ｌ：受光部長さ（温度検知部１６の長さ）
である。
【００６０】
すなわち、本ケースでは、熱コンダクタンスＧｌｅｇ２は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの熱コンダクタンスＧｂｅｆｏｒｅと同一であるので、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の電圧感度Ｒｓｅｎｓは、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの電圧感度Ｒｂｅｆｏｒｅと同一である。
【００６１】
また、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の小型画素１４の長さ及び幅は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素の長さ及び幅を１／Ｎにしたものであり、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素１つに対応する小型画素１４の個数はＮ２個となる。
【００６２】
熱型赤外線センサの出力Ｖ０は、赤外線吸収膜面積（受光面積）Ａ０に比例し、熱コンダクタンスＧ０に反比例するので、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素に比べて長さ及び幅が１／Ｎになった小型画素１４をＮ２個直列接続し、赤外線吸収膜２０をＮ２個分各々接合させれば、本ケースにおける本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の受光面積Ａｓｅｎｓ２は従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの受光面積Ａｂｅｆｏｒｅと等しくなる。また、本ケースにおける本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の熱コンダクタンスＧｓｅｎｓ２（＝Ｇｌｅｇ２）は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの熱コンダクタンスＧｂｅｆｏｒｅと同一である。これらのことから、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の出力Ｖｓｅｎｓ２は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの出力Ｖｂｅｆｏｒｅと同一である。
【００６３】
また、小型画素１４の長さ及び幅は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素の長さ及び幅の各々１／Ｎ倍であるので、小型画素１４の体積は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの画素の体積と比較すると、１／Ｎ２倍となる。そのため、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の受光部体積（温度検知部１６の体積）についても、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの受光部体積と比較すると、１／Ｎ２倍となる。また、熱容量Ｈは、以下の式（９）で表すことができる。
【００６４】
【数９】
2009139111.tif 000011
ここで、
α：比熱
Ｖ：受光部体積
である。
【００６５】
上記の式（９）によって示されるように、熱容量Ｈは、受光部体積に比例する。そのため、本ケースにおける本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の熱容量Ｈｓｅｎｓ２は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの熱容量Ｈｂｅｆｏｒｅの１／Ｎ２倍となる。
【００６６】
また、熱自定数τは、以下の式（１０）で表すことができる。
【００６７】
【数１０】
2009139111.tif 000012
ここで、
Ｈ：熱容量
Ｇ：熱コンダクタンス
である。
【００６８】
よって、本ケースにおける本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の熱自定数τｓｅｎｓ２は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの熱自定数τｂｅｆｏｒｅの１／Ｎ２倍となる。すなわち、本ケースにおける本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０の応答性は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサの応答性と比較すると、Ｎ２倍となる。
【００６９】
以上説明したように、本ケースにおける本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０は、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサと比較すると、電圧感度及び出力は変わらず、応答性はＮ２倍となる。
【００７０】
上述したように、本実施の形態の熱型赤外線センサとしてのＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０は、伝達された熱量に応じた電気信号を発生すると共に、基板２４の主面に形成された複数の空洞２６の各々の内部に配置された熱電変換素子としてのダイオード１７を各々含む複数の小型熱型赤外線センサ１４と、吸収した赤外線の熱量を複数の空洞２６の各々の内部に配置されたダイオード１７の各々に伝達するように配置された赤外線吸収膜２０と、複数の小型熱型赤外線センサ１４の各々に含まれるダイオード１７の各々を電気的に直列接続する接続配線１５と、を備えたことを特徴とする。なお、本実施の形態では、画素サイズを１５μｍとしたが、１５μｍ以下であってもよい。
【００７１】
本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０によれば、高い熱絶縁性と大きな受光面積を両立させることができるので、従来達成されていない高感度なセンサ、高速なセンサ、高感度かつ高速なセンサを実現することができる。
【００７２】
本実施の形態によれば、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサに比べて画素のサイズが小さいため、受光部（温度検知部１６）下のシリコン基板のエッチングをアンダーカットで行う際に、エッチングする量が少なくなるので、エッチング時間が短くなる。これにより、エッチングによる破壊が低減され、歩留まり率が向上し、低コスト化が図れる。
【００７３】
また、小型であるほど、内部応力による変形が小さく、破壊が低減され、歩留まり率が向上し、低コスト化が図れる。
【００７４】
また、従来のＳＯＩダイオード型赤外線センサにおける柱から赤外線吸収膜終端までのオーバーハングの長さＬ１（図５（Ａ）参照）が、本実施の形態のＳＯＩダイオード型赤外線センサ１０によれば、図５（Ｂ）に示すように短くなり、薄い赤外線吸収膜の変形を低減でき、歩留まり率を向上することができる。
【００７５】
なお、本実施の形態では、熱型赤外線センサとして、ＳＯＩダイオード型赤外線センサ用いた例について説明したが、本発明を適用するセンサは熱型赤外線センサであればどのようなセンサでもよく、例えば、焦電型赤外線センサ、強誘電型赤外線センサ、及びボロメータ型赤外線センサの何れを用いてもよい。
【００７６】
また、本実施の形態では、接続配線１５が、全ての小型画素１４を電気的に直列接続する例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限られない。例えば、従来の２次元アレイの熱型赤外線イメージセンサにおいて、この熱型赤外線イメージセンサの１画素に、本発明の小型画素１４を複数個直列接続したものを対応させるようにしてもよい。この場合には、熱型赤外線イメージセンサは、伝達された熱量に応じた電気信号を発生すると共に、基板２４の主面に形成された複数の空洞２６の各々の内部に配置された熱電変換素子としてのダイオード１７を各々含む複数の小型熱型赤外線センサ１４と、吸収した赤外線の熱量を複数の空洞２６の内部に配置されたダイオード１７の各々に伝達するように配置された複数の赤外線吸収膜２０と、複数の小型熱型赤外線センサ１４の各々に含まれるダイオード１７の各々を所定の個数ずつ電気的に直列接続する接続配線１５と、を備えたことを特徴とする。なお、この場合においても、小型熱型赤外線センサ１４の画素サイズを１５μｍ以下とすることが好ましい。
【００７７】
また、この場合には、複数の赤外線の吸収膜２０の各々は、複数の空洞２６を各々複数個ずつ覆うように配置されると共に、吸収した赤外線の熱量を各々が覆っている複数個の空洞２６の内部に配置されたダイオード１７の各々に伝達するように配置され、接続配線１５は、赤外線吸収膜２０の各々が覆っている複数個の空洞２６の内部に配置された複数個のダイオード１７毎に、該複数個のダイオード１７を電気的に直列接続するようにしてもよい。また、この場合においても、本発明を適用するセンサは熱型赤外線センサであればどのようなセンサでもよく、例えば、ＳＯＩダイオード型赤外線センサ、焦電型赤外線センサ、強誘電型赤外線センサ、及びボロメータ型赤外線センサの何れを用いてもよい。
【００７８】
このような熱型赤外線イメージセンサによれば、高い熱絶縁性と大きな受光面積を両立させることができるので、従来達成されていない高感度なイメージセンサ、高速なイメージセンサ、高感度かつ高速なイメージセンサを実現することができる。
【００７９】
また、図６に示すように、ボロメータ型赤外線センサにおいて、並列接続によりインピーダンスを低減することで、インピーダンスの平方根に比例する熱雑音によるノイズの低ノイズ化を図るために、所定値ｍ個（図６の例では４個）直列のセンサを所定のｎ列（図６の例では４列）並列接続するようにしてもよい。これにより、単画素のｍ倍の出力が得られ、１／√ｎにノイズを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱型赤外線センサの小型画素を示す図である。
【図２】本実施の形態に係る小型画素の平面図である。
【図３】本実施の形態に係る小型画素のＩＩ−ＩＩ線に関する矢視端面図である
【図４】本実施の形態に係る小型画素を説明するための図である。
【図５】本実施の形態に係る熱型赤外線センサが有する効果を説明するための図である。
【図６】変形例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０      ＳＯＩダイオード型赤外線センサ
１４      小型画素
１５      接続配線
１６      温度検知部
１７      ダイオード
２０      赤外線吸収膜
【図１】
2009139111.tif 000013
【図２】
2009139111.tif 000014
【図３】
2009139111.tif 000015
【図４】
2009139111.tif 000016
【図５】
2009139111.tif 000017
【図６】
2009139111.tif 000018