特許 7093772 赤外線センサデバイス及びその製造方法並びに赤外線センサデバイス・ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-22

(45)【発行日】2022-06-30

(54)【発明の名称】赤外線センサデバイス及びその製造方法並びに赤外線センサデバイス・ユニット

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20220623BHJP

   G01J 5/06 20220101ALI20220623BHJP

   H01L 23/02 20060101ALI20220623BHJP

【ＦＩ】

G01J1/02 C

G01J5/06

H01L23/02 C

H01L23/02 F

H01L23/02 J

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2019523982

(86)(22)【出願日】2018-06-07

(86)【国際出願番号】 JP2018021949

(87)【国際公開番号】W WO2018225840

(87)【国際公開日】2018-12-13

【審査請求日】2021-05-31

(31)【優先権主張番号】P 2017113745

(32)【優先日】2017-06-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000242633

【氏名又は名称】北陸電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091443

【弁理士】

【氏名又は名称】西浦 ▲嗣▼晴

(74)【代理人】

【識別番号】100130720

【弁理士】

【氏名又は名称】▲高▼見 良貴

(74)【代理人】

【識別番号】100130432

【弁理士】

【氏名又は名称】出山 匡

(72)【発明者】

【氏名】森田 健文

(72)【発明者】

【氏名】古越 亮平

(72)【発明者】

【氏名】松井 孝憲

(72)【発明者】

【氏名】今村 徹治

【審査官】嶋田 行志

(56)【参考文献】

【文献】特開平０８－１５９８６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３１５１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－０６６０２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１８８９７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０１４６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－０６３６１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００１６７６２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２５３１９４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｊ １／００－Ｇ０１Ｊ １／６０

Ｇ０１Ｊ ５／００－Ｇ０１Ｊ ５／９０

Ｈ０１Ｌ ２３／００－Ｈ０１Ｌ ２３／６６

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一面に開口部を有する周壁部と、前記開口部と対向する対向壁部と、前記開口部を囲む前記周壁部の端面に該端面に沿って延びる閉ループ状の半田付け可能な第１の接合パターンを備え、前記対向壁部に赤外線を透過する赤外線透過部が設けられたキャップ部材と、
前記第１の接合パターンに沿って形成された閉ループ状の半田層と、
前記赤外線透過部を透過した赤外線を受光する１以上の赤外線検知センサ素子及び前記１以上の赤外線検知センサ素子の出力の温度補償に用いる１以上の温度補償用センサ素子と、前記半田層により前記第１の接合パターンに接合される半田付け可能な第２の接合パターンを備えて前記開口部を塞ぐセンサ付き基板とを備え、
前記キャップ部材と前記センサ付き基板とによって囲まれた内部空間が真空状態に保持されている赤外線センサデバイスであって、
前記キャップ部材の前記対向壁部及び前記周壁部には、前記赤外線透過部から入射した赤外線が、前記１以上の温度補償用センサ素子に直接当たるのを阻止するように前記内部空間を仕切る１以上の仕切り壁が一体に設けられており、
前記１以上の仕切り壁と前記基板との間には、前記赤外線透過部から入射した前記赤外線の通過を阻止するが気体の流通は許容する隙間が形成されており、
前記キャップ部材の前記端面と前記仕切り壁の自由端部の端面は面一状態あり、
前記隙間の厚みが、前記半田層の厚みに依存していることを特徴とする赤外線センサデバイス。

【請求項2】

前記１以上の温度補償用センサ素子は、前記内部空間の温度を測定する内部空間温度センサと参照温度センサである請求項１に記載の赤外線センサデバイス。

【請求項3】

前記キャップ部材の前記周壁部及び前記対向壁部は、シリコンを主成分とする材料によって形成され一体に成形されたキャップ本体と、前記キャップ本体の少なくとも前記赤外線透過部及び内壁面を除いて前記キャップ本体の外面を覆う半田付け可能な金属薄膜層とから構成され、
前記第１の接合パターンは、前記金属薄膜層によって形成されている請求項１に記載の赤外線センサデバイス。

【請求項4】

前記センサ付き基板はシリコンを主体とする支持基板と、前記赤外線検知センサ素子及び前記１以上の温度補償用センサ素子をそれぞれ構成するために、前記支持基板上に積層された複数のＭＥＭＳセンサ素子とを備えており、
前記第２の接合パターンは、半田付け可能な金属薄膜層によって形成されている請求項１または３に記載の赤外線センサデバイス。

【請求項5】

前記半田層の厚みが１００μｍ以下である請求項１に記載の赤外線センサデバイス。

【請求項6】

前記仕切り壁の厚みが１０μｍ以上である請求項１に記載の赤外線センサデバイス。

【請求項7】

前記１以上の仕切り壁が、間隔を開けて並ぶ二枚の仕切り壁から構成されており、
前記二枚の仕切り壁の間に形成されている第１のチャンバ内には、前記赤外線検知センサ素子が収納され、前記二枚の仕切り壁の一方の前記仕切り壁と前記周壁部との間に形成されている第２のチャンバ内には前記内部空間温度センサが収納され、前記二枚の仕切り壁の他方の前記仕切り壁と前記周壁部との間に形成されている第３のチャンバ内には前記参照温度センサが収納されている請求項４に記載の赤外線センサデバイス。

【請求項8】

前記１以上の仕切り壁が、一枚の仕切り壁であり、
前記一枚の仕切り壁と前記周壁部との間に形成されている第１のチャンバ内には、２つの前記赤外線検知センサ素子が収納され、前記一枚の仕切り壁と前記周壁部との間に形成されている第２のチャンバ内には空間温度センサ素子と前記温度補償用センサ素子が収納されており、
前記２つの赤外線検知センサ素子、前記空間温度センサ素子及び前記温度補償用センサ素子は、それぞれ温度に依存する電気抵抗特性が同じ赤外線検出素子である請求項２に記載の赤外線センサデバイス。

【請求項9】

請求項８に記載の赤外線センサデバイスを備えて赤外線による温度上昇分の出力を発生する赤外線センサデバイス・ユニットであって、
前記２つの赤外線検知センサ素子の一方と前記空間温度センサ素子とが電気的に直列に接続された第１の直列回路と、
前記２つの赤外線検知センサ素子の他方と第１の負荷抵抗とが電気的に接続された第２の直列回路と、
前記温度補償用センサ素子と第２の負荷抵抗とが電気的に直列に接続された第３の直列回路とを備え、
前記第１の直列回路乃至第３の直列回路の一端が直流電源の一方の出力端子に電気的接続され、
前記第１の直列回路乃至第３の直列回路の他端が直流電源の他方の出力端子に電気的接続され、
前記第１の直列回路の中点から前記赤外線による温度上昇分に相当する信号が出力され、
前記第３の直列回路の中点から環境温度に相当する信号が出力されることを特徴とする赤外線センサデバイス・ユニット。

【請求項10】

前記第１の負荷抵抗及び前記第２の負荷抵抗が同じ抵抗値である請求項９に記載の赤外線センサデバイス・ユニット。

【請求項11】

請求項８に記載の赤外線センサデバイスを備えて赤外線による温度上昇分の出力と環境温度の出力とを発生する赤外線センサデバイス・ユニットであって、
前記２つの赤外線検知センサ素子の一方と前記空間温度センサ素子とが電気的に直列に接続された第１の直列回路と、
前記温度補償用センサ素子と前記２つの赤外線検知センサ素子の他方とが電気的に直列に接続された第２の直列回路とを備え、
前記第１の直列回路及び第２の直列回路の一端が直流電源の一方の出力端子に電気的接続され、
前記第１の直列回路及び第２の直列回路の他端が直流電源の他方の出力端子に電気的接続され、
前記第１の直列回路の中点から前記赤外線による温度上昇分に相当する一方の極性の信号が出力され、
前記第２の直列回路の中点から前記赤外線による温度上昇分に相当する他方の極性の信号が出力されることを特徴とする赤外線センサデバイス・ユニット。

【請求項12】

請求項１に記載の赤外線センサデバイスの製造方法であって、
前記キャップ部材の前記第１の接合パターン上または前記センサ付き基板の前記第２の接合パターンの一方の接合パターンの上に複数の半田ボールを前記一方の接合パターンに沿って配置し、
前記キャップ部材及び前記センサ付き基板との間に所定のスペースを開けた状態で、真空装置内で前記キャップ部材及び前記センサ付き基板を対向させ、
前記キャップ部材と前記センサ付き基板とを加熱しながら、前記真空装置を作動させて前記スペース内を所定の真空度にし、
前記複数の半田ボールが溶融状態になった後に、前記複数の半田ボールが溶融してできた溶融半田によって前記第１の接合パターンと前記第２の接合パターンの間に連続した溶融半田層を形成するように前記キャップ部材及び前記センサ付き基板を相対的に近付け、
その後前記加熱を停止して、前記連続した溶融半田層を凝固させることを特徴とする赤外線センサデバイスの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、赤外線センサデバイス及びその製造方法並びに赤外線センサデバイス・ユニットに関するものである。

【背景技術】

【0002】

特開平７－２０９０８９号公報（特許文献１）、特開平９－２６４７８４号公報（特許文献２）には、赤外線を透過する赤外線透過部が設けられたキャップ部材と、キャップ部材に設けた赤外線透過部を透過した赤外線を受光する赤外線検知センサ素子及び赤外線検知センサ素子の出力の温度補償に用いる１以上の温度補償用センサ素子を備えて、キャップ部材の開口部を塞ぐセンサ素子付き基板を備えた赤外線センサデバイスが開示されている。また特公昭６２－５７２１１号公報（特許文献３）には、第１乃至第３のサーミスタボロメータからなる赤外線検知センサ素子及び赤外線検知センサ素子の出力の温度補償に用いる１以上の温度補償用センサ素子が、採光窓部を備えたキャップ部材によって覆われた放射温度計等が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平７－２０９０８９号公報

【文献】特開平９－２６４７８４号公報

【文献】特公昭６２－５７２１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１及び２に示された従来の赤外線センサデバイスでは、赤外線透過部を透過した赤外線が内部空間内で反射して、１以上の温度補償用センサ素子にも当たるため、１以上の温度補償用センサ素子の出力を基準や補償にして温度補償精度を高めることに限界があった。

【0005】

本発明の目的は、検出精度が高い赤外線センサデバイス及びその製造方法並びに赤外線センサデバイス・ユニットを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の赤外線センサデバイスは、キャップ部材と、センサ付き基板と、キャップ部材とセンサ付き基板とを接合する半田層とを備えている。キャップ部材は、一面に開口部を有する周壁部と、開口部と対向する対向壁部と、開口部を囲む周壁部の端面に該端面に沿って延びる閉ループ状の半田付け可能な第１の接合パターンを備え、対向壁部に赤外線を透過する赤外線透過部が設けられている。半田層は、第１の接合パターンに沿って形成された閉ループ状を呈している。そしてセンサ付き基板は、赤外線透過部を透過した赤外線を受光する１以上の赤外線検知センサ素子及び該１以上の赤外線検知センサ素子の出力の温度補償に用いる１以上の温度補償用センサ素子と、半田層により第１の接合パターンに接合される半田付け可能な第２の接合パターンを備えて開口部を塞ぐ。そしてキャップ部材とセンサ付き基板とによって囲まれた内部空間が真空状態に保持されている。そして本発明では、キャップ部材の対向壁部には、赤外線透過部から入射した赤外線が、１以上の温度補償用センサ素子に直接当たるのを阻止するように内部空間を仕切る１以上の仕切り壁が一体に設けられている。そして１以上の仕切り壁とセンサ付き基板との間には、赤外線透過部から入射した赤外線の通過を阻止するが気体の流通は許容する隙間が形成されている。

【0007】

本発明によれば、仕切り壁を設けたことにより、赤外線が１以上の温度補償用センサ素子に直接当たるのを阻止することができる。その上仕切り壁とセンサ付き基板との間には、入射した赤外線の通過を阻止するが気体の流通は許容する隙間が形成されているので、この隙間を介して仕切り壁によって仕切られた隣り合う空間を同じ真空度に維持することができる。したがって赤外線が当たる条件を除いて、赤外線透過部を透過した赤外線を受光する赤外線検知センサ素子及び赤外線検知センサ素子の出力の温度補償に用いる１以上の温度補償用センサ素子を同じ環境下に置くことができる。その結果、１以上の温度補償用センサ素子を用いた温度補償を高い精度で実現することができ、検出精度が高い赤外線センサデバイスを提供できる。

【0008】

キャップ部材の端面と仕切り壁の自由端部の端面は面一状態あり、隙間の厚みが、半田層の厚みに依存しているのが好ましい。このようにすると、半田層の厚みが、仕切り壁の自由端部の端面とセンサ付き基板の上面との間の間隙の寸法を規定することになる。

【0009】

半田層の厚みは、１００μｍ以下であるのが好ましい。この寸法範囲であれば、真空漏れを生じさせない連続した半田層を確実に形成することができる。

【0010】

１以上の温度補償用センサ素子は、内部空間の温度を測定する内部空間温度センサと参照温度センサである。

【0011】

キャップ部材の周壁部及び対向壁部は、シリコンを主成分とする材料によって形成され一体に成形されたキャップ本体と、キャップ本体の少なくとも赤外線透過部及び内壁面を除いてキャップ本体の外面を覆う半田付け可能な金属薄膜層とから構成されたものを用いるのが好ましい。この場合、第１の接合パターンは、金属薄膜層によって形成することができる。このような構成を採用すると小型化をすることができる。

【0012】

１以上の温度補償用センサ素子をそれぞれ構成するために、支持基板上に積層された複数のＭＥＭＳセンサ素子を備えており、第２の接合パターンは、半田付け可能な金属薄膜層によって形成されているのが好ましい。この構成によれば更に小型化をすることができる。

【0013】

仕切り壁の厚みが１０μｍ以上であるのが好ましい。なお仕切り壁が、間隔を開けて並ぶ二枚の壁部から構成される二重構造を有していてもよい。この構造にすると、仕切り壁のトータルの厚みを薄くして、遮断効果を高めることができる。

【0014】

遮蔽効果を高めるためには、できるだけキャップ部材の壁の厚みや、仕切り壁の厚みを厚くするのが好ましい。

【0015】

１以上の仕切り壁が、間隔を開けて並ぶ二枚の仕切り壁から構成されている場合には、二枚の仕切り壁の間に形成されている第１のチャンバ内に、赤外線検知センサ素子が収納され、二枚の仕切り壁の一方の仕切り壁と周壁部との間に形成されている第２のチャンバ内には内部空間温度センサが収納され、二枚の仕切り壁の他方の仕切り壁と周壁部との間に形成されている第３のチャンバ内には参照温度センサが収納されているのが好ましい。このようにすると第１乃至第３のチャンバ内の温度の変化分を実質的に同じにすることができる。

【0016】

また１以上の仕切り壁が、一枚の仕切り壁である場合には、一枚の仕切り壁と周壁部との間に形成されている第１のチャンバ内には、２つの赤外線検知センサ素子を収納し、一枚の仕切り壁と周壁部との間に形成されている第２のチャンバ内には空間温度センサ素子と温度補償用センサ素子が収納し、２つの赤外線検知センサ素子、空間温度センサ素子及び温度補償用センサ素子として、それぞれ温度に依存する電気抵抗特性が同じ赤外線検出素子を用いるのが好ましい。このようにすると第１のチャンバに対して設けられる赤外線透過部の面積を大きくすることができ、２つの赤外線検知センサ素子の受光面を大きくすることができる。また第１のチャンバと第２のチャンバに同じ数のセンサ素子を配置すると、第１及び２のチャンバ内の温度の変化分を実質的に同じにすることができる。また４つのセンサ素子をブリッジ回路を構成することにより高感度化することが可能である。

【0017】

４つの赤外線センサデバイスを備えて赤外線による温度上昇分の出力と環境温度の出力とを発生する赤外線センサデバイス・ユニットを構成することができる。この赤外線センサデバイス・ユニットは、２つの赤外線検知センサ素子の一方と空間温度センサ素子とが電気的に直列に接続された第１の直列回路と、２つの赤外線検知センサ素子の他方と第１の負荷抵抗とが電気的に接続された第２の直列回路と、温度補償用センサ素子と第２の負荷抵抗とが電気的に直列に接続された第３の直列回路とを備えている。第１の直列回路乃至第３の直列回路の一端が直流電源の一方の出力端子に電気的接続され、第１の直列回路乃至第３の直列回路の他端が直流電源の他方の出力端子に電気的接続されている。そして第１の直列回路の中点から赤外線による温度上昇分に相当する信号が出力され、第３の直列回路の中点から環境温度に相当する信号が出力される。この赤外線センサデバイス・ユニットによれば、高い精度で赤外線による温度上昇分と環境温度を検出することができる。なお第１の負荷抵抗及び第２の負荷抵抗が同じ抵抗値であるのが好ましい。

【0018】

また赤外線センサデバイスを備えて赤外線による温度上昇分の出力だけを発生する赤外線センサデバイス・ユニットの場合には、２つの赤外線検知センサ素子の一方と空間温度センサ素子とが電気的に直列に接続された第１の直列回路と、温度補償用センサ素子と２つの赤外線検知センサ素子の他方とが電気的に直列に接続された第２の直列回路とを備え、第１の直列回路及び第２の直列回路の一端が直流電源の一方の出力端子に電気的接続され、第１の直列回路及び第２の直列回路の他端が直流電源の他方の出力端子に電気的接続された構成にすればよい。この構成では、第１の直列回路の中点から赤外線による温度上昇分に相当する一方の極性の信号が出力され、第２の直列回路の中点から赤外線による温度上昇分に相当する他方の極性の信号が出力される。この構成では、負荷抵抗等を用いることなく、赤外線による温度上昇分を検出することができる。

【0019】

本発明の赤外線センサデバイスの製造方法では、まずキャップ部材の第１の接合パターン上またはセンサ付き基板の第２の接合パターンの一方の接合パターンの上に、複数の半田ボールを一方の接合パターンに沿って配置する。そしてキャップ部材及びセンサ付き基板との間に所定のスペースを開けた状態で、真空装置内でキャップ部材及びセンサ付き基板を対向させる。次に、キャップ部材とセンサ付き基板とを加熱しながら、真空装置を作動させてスペーサ内を所定の真空度にする。次に、複数の半田ボールが溶融状態になった後に、複数の半田ボールが溶融してできた溶融半田によって第１の接合パターンと第２の接合パターンの間に連続した溶融半田層を形成するようにキャップ部材及びセンサ付き基板を相対的に近付ける。その後加熱を停止して、連続した溶融半田層を凝固させる。本発明によれば、複数の半田ボールが溶融してできた溶融半田によって第１の接合パターンと第２の接合パターンの間に連続した溶融半田層を確実に形成することができる。

【発明の効果】

【0020】

以上のように本発明に係る赤外線センサデバイスによると、赤外線検知センサ素子と温度補償用センサ素子を同じ環境下に置くことにより、高い検出精度を得ることができる。また本発明に係る赤外線センサデバイスの製造方法によると、検出精度の高い赤外線センサデバイスを高い歩留まりで製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明に係る赤外線センサデバイスの一つの実施の形態の構成を示す縦断面図であり、各層の厚さ等の寸法は説明のために適宜変更されている。

【図2】図１のＩＩ－ＩＩ線に沿って切断したより詳細な端面図である。

【図3】（Ａ）は図１の実施の形態におけるセンサ付き基板と接合される前のキャップの周壁部の下端面を示す底面図であり、（Ｂ）は図３（Ａ）に示したキャップ部材の一部をＢ－Ｂ線に沿って切断した拡大断面図であって、説明の便宜のために上下を反転して示してある。

【図4】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）（Ｆ）はそれぞれ、図１の赤外線センサデバイスの製造過程を示す縦断面図である。

【図5】図４に示した製造過程の各過程において設定されるトッププレートの温度及び荷重とボトムプレートの温度の経時変化を示す。

【図6】本発明に係る赤外線センサデバイスの第２の実施の形態の構成を模式的に示す縦断面図である。

【図7】図６の実施の形態の赤外線センサデバイスを使用した赤外線出力検出用の回路の一例を示す回路図である。

【図8】図６の実施の形態の赤外線センサデバイスを使用した赤外線出力検出用の回路の他の例を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る赤外線センサデバイスの一つの実施の形態について詳細に説明する。

【0023】

［第１の実施の形態］
図１は本発明に係る赤外線センサデバイスの第１の実施の形態の構成を模式的に示す縦断面図であり、各層の厚さ等の寸法は説明のために適宜変更されている。また図２は、図１の第１の実施の形態をＩＩ－ＩＩ線に沿って切断したより詳細な端面図であり、各部の厚み寸法は誇張して描いてある。図１に示すように、本実施の形態の赤外線センサデバイス１はキャップ部材１０と、センサ付き基板２０と、キャップ部材１０とセンサ付き基板２０とを接合する半田層３０とを備えている。

【0024】

そして図２に具体的に示すように、キャップ部材１０は、一面に開口部１１を有する周壁部１２と、開口部１１と対向する対向壁部１３と、開口部１１を囲む周壁部１２の下端面に該下端面に沿って延びる閉ループ状の半田付け可能な金属薄膜（本実施の形態では金のスパッタ膜）を成膜してパターニングした第１の接合パターン１４［図３（Ａ）］を備えている。対向壁部１３には、赤外線を透過する赤外線透過部１５が設けられている。

【0025】

キャップ部材１０の本体は、上端面と下端面に絶縁膜１６，１７を被覆したシリコン単結晶体１８にエッチングが施されて、一体に成形されている。図２に示すように、赤外線透過部１５は、赤外線が対向壁部１３のシリコン単結晶体１８を透過できるように、対向壁部１３の他の部分よりも厚みが薄く形成されている。そしてこの赤外線透過部１５の上の絶縁膜１６は除去されている。絶縁膜１６，１７はＳｉＮ／ＳｉＯ₂膜であり、絶縁膜１６の上には、薄膜層からなる赤外線遮断膜１９が形成されている。絶縁膜１６，１７はＳｉＮ／ＳｉＯ₂膜であり、赤外線遮断膜１９はスパッタリングまたはメッキにより形成されたＮｉＣｒ／Ａｕ層である。第１の接合パターン１４は、スパッタリングにより形成されたＴｉ／Ａｕ（若しくはこれらの合金）薄膜により形成されている。

【0026】

半田層３０は、第１の接合パターン１４に沿って形成された閉ループ状を呈している。半田層３０は高融点半田である金錫（ＡｕＳｎ）等の合金製であり、第１の接合パターン１４に半田層３０に対して半田濡れ性が高い材料が選択されている。

【0027】

シリコン基板にエッチングを施して形成されたセンサ付き基板２０の上には、キャップ部材１０の赤外線透過部１５を透過した赤外線を受光する赤外線検知センサ素子２１、内部空間の温度を測定する空間温度センサ素子２２及び温度補償用センサ素子２３が設けられている。空間温度センサ素子２２及び温度補償用センサ素子２３は、いずれも赤外線検知センサ素子２１の出力の温度補償に用いる。これらのセンサ素子２１，２２及び２３は、ＭＥＭＳ技術により形成されており、各センサ素子２１，２２及び２３の下方には基板２０からの熱的影響を抑制するために、空洞部２０Ａがエッチングにより形成されている。センサ素子２１，２２及び２３は、同じ温度に対して、同様に変動する抵抗値、熱容量、熱伝導性を有しており、センサ素子２１，２２及び２３をそれぞれ抵抗素子とするブリッジ回路（図示していない）を形成することにより、赤外線検知センサ素子２１の出力に温度補償を施すことができる。

【0028】

センサ付き基板２０の上面の周縁近くには、半田層３０によりキャップ部材１０の第１の接合パターン１４に接合される半田付け可能な金属薄膜層である第２の接合パターン２４が形成されている。キャップ部材１０の下端面の第１の接合パターン１４とセンサ付き基板２０の上面の第２の接合パターン２４との間を半田層３０で接合することにより、キャップ部材１０の開口部１１を塞ぐ。これにより、キャップ部材１０とセンサ付き基板２０とによって囲まれた内部空間は外部に対して気密状態となり、キャップ部材１０とセンサ付き基板２０とが真空雰囲気で接合された場合、大気圧の下でも内部空間は真空状態に保持される。第２の接合パターン２４もＴｉ／Ａｕ薄膜により形成されている。

【0029】

キャップ部材１０の対向壁部１３及び周壁部に２つの仕切り壁３１，３２が一体に設けられている。各仕切り壁３１，３２は対向壁部１３及び周壁部１２とともに、キャップ部材１０の内部空間を分けた３つのチャンバＣＨ１～ＣＨ３を構成している。図１において、中心のチャンバＣＨ１には赤外線検知センサ素子２１が収容され、そして左のチャンバＣＨ２には空間温度センサ素子２２が、右のチャンバＣＨ３には温度補償用センサ素子２３がそれぞれ収容される。赤外線透過部１５から入射する赤外線ＩＲは各仕切り壁３１，３２によって遮断され、空間温度センサ素子２２及び温度補償用センサ素子２３に直接当たることがない。なお各仕切り壁３１，３２は、キャップ部材１０の内部のシリコンを外壁を残して除去することにより内部空間を形成する際に、同時に形成すれば工数を増やさずに済む。赤外線を遮断できるように、仕切り壁３１，３２の厚みは、１０μｍ以上に設定されている。なお仕切り壁３１，３２のチャンバＣＨ１と対向する側面を、赤外線を反射する金属薄膜層で覆うようにしてもよい。

【0030】

他の実施の形態においては、キャップ部材１０の周壁部１２及び対向壁部１３は、例えば単結晶シリコンのようなシリコンを主成分とする材料によって一体に成形されたキャップ本体と、キャップ本体の少なくとも赤外線透過部１５及び内壁面を除いてキャップ本体の外面を覆う半田付け可能なＴｉ／Ａｕ薄膜のような金属薄膜層とから構成されたものを用いる。この場合、第１の接合パターンは、金属薄膜層によって形成することができる。このような構成を採用すると小型化をすることができる。

【0031】

キャップ部材１０とセンサ付き基板２０とが接合された状態では、仕切り壁３１，３２の自由端部の端面３１Ａ，３２Ａとセンサ付き基板２０の上面２０Ｂとの間には、赤外線透過部１５から入射した赤外線の通過を阻止するが気体の流通は許容する隙間ｇが形成されている。キャップ部材１０の下端面１０Ａと仕切り壁３１，３２の自由端部の端面３１Ａ，３２Ａは面一に形成されているので、隙間ｇの厚みは半田層３０の厚みに依存している。このようにすることで、半田層３０の厚みが、仕切り壁３１，３２の自由端部の端面３１Ａ，３２Ａとセンサ付き基板２０の上面２０Ｂとの間の隙間ｇの寸法を規定する。本実施の形態における隙間ｇの寸法＝半田層の厚みは、１００μｍ以下である。

【0032】

赤外線検知センサ素子２１、空間温度センサ素子２２及び温度補償用センサ素子は、センサ付き基板２０上に積層された複数のＭＥＭＳセンサ素子として構成されることにより、さらに小型化が図られている。すなわち各センサ素子２１，２２及び２３は、センサ付き基板２０の本体である単結晶シリコン層２５上に、酸化、拡散、エッチング、薄膜堆積、フォトリソグラフィ、めっき等のＭＥＭＳ技術を用いることにより形成されたＭＥＭＳセンサ素子である。

【0033】

図２に詳細に示す実際の構造では、単結晶シリコン層２５の両面はＳｉＮ／ＳｉＯ₂膜である絶縁膜２６，２７が形成されている。絶縁膜２６の上にＴａ／Ｐｔ薄膜製の電極層２８、Ｔｉ／Ａｕ／Ｐｔ／Ａｕ薄膜製のリード層２９、赤外線を検知するサーミスタ膜３３、サーミスタ膜３３を絶縁するシリコンジオキサイド（ＳｉＯ₂）製の絶縁膜３４、及びシリコンオキシナイトライド（ＳｉＯＮ）製の表面保護層３５から構成される赤外線検知センサ素子２１は、単結晶シリコン層２５の上面をエッチングにより掘り下げて設けた空洞部２０Ａとキャップ部材１０の内部空間の間に架橋したマイクロブリッジ構造を有している。これにより赤外線検知センサ素子２１は超低熱容量を実現している。なお図２は端面図であるため、仕切り壁３１は図示していない。

【0034】

図３（Ａ）に示す第１の接合パターン１４は、周壁部１２の下端面のほぼ全面を覆って形成されている。第１の接合パターン１４と第２の接合パターン２４とを半田層３０により接合する際には、ごく微小な部品への加工であるため、第１の接合パターン１４の上に図３（Ｂ）のような複数の半田ボール３７を設けている。第１の接合パターン１４と第２の接合パターン２４との間に半田ボール３７を挟んだ状態で、これら半田ボール３７を加熱して溶融し、溶融した半田材料を第１の接合パターン１４と第２の接合パターン２４との間に全体的に流動させて閉ループ状の溶融半田層を形成した後、これを冷却することにより半田層３０を形成する方法が採用されている。この過程については後に詳しく述べる。

【0035】

図３（Ａ）の第１の接合パターン１４上には、四角形の角及び辺の中間に、合計８個の半田ボール３７が配置されている。半田ボール３７は金錫合金製であり、半田ボール３７が第１の接合パターン１４と第２の接合パターン２４との間で溶融して冷却したときに、内部空間と外部との間に十分に気密性が保持できる厚さになり、且つ仕切り壁３１，３２の自由端部とセンサ付き基板２０との間の隙間ｇが十分に気体を流通できる寸法になるように、半田ボール３７の適正な大きさ及び実装される個数が選択されている。

【0036】

デバイスの小型化やコストダウンのためには半田層３０の厚さ及び各接合パターンの幅はできる限り小さくすることが好ましい。しかしながら、半田ボール３７の接合部の大きさは、技術上の制限があり、図３（Ｂ）に示すように第１の接合パターン１４の幅Ｗ１とほぼ等しい１４０μｍとするのが好ましい。

【0037】

次に、図１の実施の形態の製造過程について、図４及び図５を参照しつつ説明する。キャップ部材１０とセンサ付き基板２０との接合に先立って、キャップ部材１０の第１の接合パターン１４上（他の実施の形態ではセンサ付き基板の第２の接合パターン上に、複数の半田ボール３７を第１の接合パターン１４に沿って配置する。

【0038】

まず図４（Ａ）に示すように、キャップ部材１０及びセンサ付き基板２０との間に所定のスペースを開けた状態で、真空装置内でキャップ部材１０及びセンサ付き基板２０を対向させる。所定のスペースは、キャップ部材１０の半田ボール３７の下端とセンサ付き基板２０の第２の接合パターン２４の上面との間に挟まれたスペーサＳにより確保される。キャップ部材１０の上方には、数ｃｍの間隔を空けて、トッププレートＴＰが配置されている。センサ付き基板２０はボトムプレートＢＰの上に載置されている。

【0039】

トッププレートＴＰは常温から半田ボール３７が溶融する温度まで温度を上げることができ、また下方に移動して荷重を加えることができる。ボトムプレートＢＰも昇温可能であり、且つボトムプレートＢＰの下方に空気を流して放熱することにより常温まで冷却可能である。

【0040】

図４（Ａ）の状態では、トッププレートＴＰもボトムプレートＢＰも常温であり、トッププレートＴＰとキャップ部材１０との間には間隔が空いていて荷重をかけていない。このときの状態は、図５では（Ａ）の期間である。

【0041】

次に、トッププレートＴＰとボトムプレートＢＰの昇温を開始し、キャップ部材１０とセンサ付き基板２０とを加熱しながら、真空装置を作動させてスペーサによって形成したスペース内を所定の真空度にする（図４（Ｂ）、図５の（Ｂ）の区間）。

【0042】

トッププレートＴＰ及びボトムプレートＢＰの温度が半田ボール３７の溶融温度近く（約２５０℃）に達したら約２０分間予備加熱を行う（図４（Ｃ）、図５の（Ｃ）の区間）。続いてさらに両プレートの温度を３２０℃まで上昇させる（図４（Ｄ）、図５の（Ｄ）の区間）と半田ボール３７が溶融を始める。半田ボール３７の一部が溶融状態になった後、スペーサを抜き取り、トッププレートＴＰを下降させて、所定の荷重（２０００Ｎ）になるまで加圧し、その後加圧を保持する（図４（Ｅ）、図５の（Ｅ）の区間）。

【0043】

これによって、キャップ部材１０とセンサ付き基板２０が相対的に近付き、各半田ボール３７が溶融してできた溶融半田によって第１の接合パターン１４と第２の接合パターン２４の間に連続した溶融半田層を形成する。その後トッププレートＴＰ及びボトムプレートＢＰの加熱を停止して、トッププレートＴＰは自然冷却、ボトムプレートＢＰは空冷により、連続した溶融半田層を冷却して凝固させて、半田層３０が形成される（図４（Ｆ）、図５の（Ｆ）の区間）。さらにその後、両プレートが所定の温度（常温近く）に達したら、トッププレートＴＰによる加圧を解除し、真空装置内を大気開放する。

【0044】

本実施の形態の製造方法によれば、複数の半田ボール３７が溶融してできた溶融半田によって第１の接合パターン１４と第２の接合パターン２４の間に連続した溶融半田層を確実に形成することができる。

【0045】

次に本実施の形態の作用について説明する。

【0046】

本実施の形態によれば、キャップ部材１０の内部空間に仕切り壁３１，３２を設けたことにより、赤外線透過部１５を透過した赤外線ＩＲが空間温度センサ素子２２及び温度補償用センサ素子２３に直接当たるのを阻止することができる。その上仕切り壁３１，３２の下端とセンサ付き基板２０の上面との間には、入射した赤外線ＩＲの通過を阻止するが気体の流通は許容する隙間ｇが形成されているので、この隙間ｇを介して仕切り壁３１，３２によって仕切られた隣り合うチャンバを同じ真空度に維持することができる。

【0047】

したがって赤外線ＩＲが当たる条件を除いて、赤外線透過部１５を透過した赤外線ＩＲを受光する赤外線検知センサ素子２１、赤外線検知センサ素子の出力の温度補償に用いる空間温度センサ素子２２、及び温度補償用センサ素子２３を同じ環境下に置くことができる。その結果、空間温度センサ素子２２及び温度補償用センサ素子２３を用いた温度補償を高い精度で実現することができ、検出精度が高い赤外線センサデバイスを提供できる。

【0048】

（変形例）
上記実施の形態では、仕切り壁３１，３２をそれぞれ１枚の壁部で構成している。この場合、厚みを増すことにより赤外線の遮断能力は増大する。しかし仕切り壁３１，３２を、間隔を開けて並ぶ二枚の壁部から構成される二重構造にしてもよいのは勿論である。

【0049】

また遮断効果を高めるためには、できるだけキャップ部材の壁の厚みや、仕切り壁の厚みを厚くするのが好ましい。

【0050】

［第２の実施の形態］
図６は、本発明に係る赤外線センサデバイスの第２の実施の形態の構成を模式的に示す縦断面図であり、各層の厚さ等の寸法は説明のために適宜変更されている。図６には、図１の第１の実施の形態と同様の部分には、図１に付した符号の数に１００の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。

【0051】

本実施の形態では、一枚の仕切り壁１３１によってキャップ部材１０の内部空間を第１のチャンバＣＨ１と第２のチャンバＣＨ２とに仕切っている。本実施の形態でも、キャップ部材１１０とセンサ付き基板１２０とが接合された状態では、仕切り壁１３１の自由端部の端面１３１Ａとセンサ付き基板２０の上面２０Ｂとの間には、赤外線透過部１１５から入射した赤外線の通過を阻止するが気体の流通は許容する隙間ｇが形成されている。隙間ｇの厚みは半田層１３０の厚みに依存している。本実施の形態における隙間ｇの寸法＝半田層の厚みは、１００μｍ以下である。

【0052】

またシリコン基板にエッチングを施して形成されたセンサ付き基板１２０の上には、キャップ部材１１０の赤外線透過部１１５を透過した赤外線を受光する赤外線検知センサ素子１２１Ａ及び１２１Ｂ、内部空間の温度を測定する空間温度センサ素子１２２及び温度補償用センサ素子１２３が設けられている。空間温度センサ素子１２２及び温度補償用センサ素子１２３は、いずれも赤外線検知センサ素子１２１Ａ及び１２１Ｂの出力の温度補償に用いる。これらのセンサ素子１２１Ａ及び１２１Ｂ，１２２及び１２３も、ＭＥＭＳ技術により形成されており、センサ素子１２１Ａ及び１２１Ｂと，センサ素子１２２及び１２３の下方には基板１２０からの熱的影響を抑制するために、空洞部１２０Ａがエッチングにより形成されている。各センサ素子１２１Ａ及び１２１Ｂ，１２２及び１２３は、同じ温度に対して、同様に変動する抵抗値、熱容量、熱伝導性を有している。

【0053】

本実施の形態では、第１のチャンバＣＨ１には２つの赤外線検知センサ素子１２１Ａ及び１２１Ｂが収容されており、第２のチャンバＣＨ２には空間温度センサ素子１２２及び温度補償用センサ素子１２３が収容されている。赤外線透過部１１５から入射する赤外線は仕切り壁１３１によって遮断され、空間温度センサ素子１２２及び温度補償用センサ素子１２３に直接当たることがない。赤外線を遮断できるように、仕切り壁１３１の厚みは、１０μｍ以上に設定されている。

【0054】

このようにすると第１のチャンバＣＨ１に対して設けられる赤外線透過部１１５の面積を大きくすることができ、２つの赤外線検知センサ素子１２１Ａ及び１２１Ｂの受光面を大きくすることができる。また本実施の形態のように、第１のチャンバＣＨ１と第２のチャンバＣＨ２に同じ数のセンサ素子を配置すると、第１及び２のチャンバ内の温度の変化分を実質的に同じにすることができる。

【0055】

図７には、図６の実施の形態の赤外線センサデバイス１０１を使用した赤外線センサデバイス・ユニットの回路の一例が示されている。図７では、枠によって囲まれた部分が、赤外線センサデバイス１の回路部分である。各センサ素子１２１Ａ及び１２１Ｂ，１２２及び１２３は、同じ温度に対して、同様に変動するほぼ同じ抵抗値（Ｒｓ＝Ｒｄ＝Ｒｒ＝Ｒref）、同じ熱容量、同じ熱伝導性を有する赤外線検出素子（ボロメータ）である。図７においてＲＬは、センサ外部に作成された第１及び第２の負荷抵抗ＲＬ１及びＲＬ２であり、同じ抵抗値のものが用いられている。

【0056】

この赤外線センサデバイス・ユニットは、赤外線検知センサ素子１２１Ａと空間温度センサ素子１２２とが電気的に直列に接続された第１の直列回路と、赤外線検知センサ素子１２１Ｂと第１の負荷抵抗ＲＬ１とが電気的に接続された第２の直列回路と、温度補償用センサ素子１２３と第２の負荷抵抗ＲＬ２とが電気的に直列に接続された第３の直列回路とを備えている。第１の直列回路乃至第３の直列回路の一端が直流電源ＤＣのプラスの出力端子に電気的接続され、第１の直列回路乃至第３の直列回路の他端が直流電源のマイナスの出力端子に電気的接続されている。そして第１の直列回路の赤外線検知センサ素子１２１Ａと空間温度センサ素子１２２の接続点（中点）から赤外線による温度上昇分に相当する信号が出力される。また第３の直列回路の温度補償用センサ素子１２３と第２の負荷抵抗ＲＬ２の接続点（中点）から環境温度に相当する信号が出力される。この赤外線センサデバイス・ユニットによれば、高い精度で赤外線による温度上昇分と環境温度を検出することができる。

【0057】

センサ素子の抵抗値が変化する要因として以下の条件が考えられる。

【0058】

Ｔ１・・・赤外線を受光することでの温度変化
Ｔ２・・・ボロメータに電流が流れることで発生する熱による温度変化
Ｔ３・・・周辺温度の変化による温度変化
第１のチャンバＣＨ１のみがＴ１の温度変化を捉えることが可能であり、Ｔ３の温度変化は全てのセンサ素子に一様に作用する。Ｔ２の影響について考えると、赤外線検知センサ素子１２１Ａ及び空間温度センサ素子１２２には電流ＩａによりＴａの温度上昇が発生する。センサ素子１２１Ｂには電流ＩｂによりＴｂの温度上昇が発生する。温度補償用センサ素子１２３には電流ＩｃによりＴｃの温度上昇が発生する。ここで、第１のチャンバＣＨ１及び第２のチャンバＣＨ２の電流による温度上昇の総和はそれぞれ
第１のチャンバの温度上昇の総和Ｔ２＝Ｔａ＋Ｔｂ
第２のチャンバの温度上昇の総和Ｔ２＝Ｔａ＋Ｔｃ
となる。ここで電流Ｉｂと電流Ｉｃは、センサ素子１２１Ｂと温度補償用センサ素子１２３が同じ特性を有していることから、電流Ｉｂと電流Ｉｃとは実質的に同じであると考えることができ、同様に温度変化ＴｂとＴｃはほぼ同じであるといえる。

【0059】

このように回路を形成することで電流による温度上昇分は第１のチャンバＣＨ１と第２のチャンバＣＨ２で実質的に同じにすることができる。実際には各センサ素子の細かいバラつきや、赤外線検知センサ素子１２１Ｂが受ける赤外線の影響等によって完全に第１のチャンバＣＨ１の温度上昇の総和Ｔ２と第２のチャンバＣＨ２の温度上昇の総和Ｔ２が完全に同じになることはないが、この回路では第１のチャンバＣＨ１と第２のチャンバＣＨ２のそれぞれのＴ２の差分を限りなく小さくすることが可能である。これにより赤外線検知センサ素子１２１Ａと空間温度センサ素子１２２を直列に配置しその中点出力を読み取ることで、赤外線による温度上昇分の出力（ＩＲ出力）、すなわち赤外線を受光することでの温度変化Ｔ１のみをとらえることが可能となる。またこの回路では、温度補償用センサ素子１２３と負荷抵抗ＲＬとの中点出力が環境温度出力となる。

【0060】

図８は、図６の実施の形態の赤外線センサデバイス１０１を使用した赤外線センサデバイス・ユニットの回路の他の例が示されている。図８では、枠によって囲まれた部分が、赤外線センサデバイス１の回路部分である。この回路では、赤外線検知センサ素子１２１Ａと空間温度センサ素子１２２とが電気的に直列に接続された第１の直列回路と、温度補償用センサ素子１２３との赤外線検知センサ素子１２１Ｂとが電気的に直列に接続された第２の直列回路とを備えている。第１の直列回路及び第２の直列回路の一端が直流電源ＤＣのプラス出力端子に電気的接続され、第１の直列回路及び第２の直列回路の他端が直流電源のマイナスの出力端子に電気的接続されている。この構成では、第１の直列回路の赤外線検知センサ素子１２１Ａと空間温度センサ素子１２２の接続点（中点）から赤外線による温度上昇分に相当する一方の極性（＋）の信号が出力され、第２の直列回路の温度補償用センサ素子１２３との赤外線検知センサ素子１２１Ｂの接続点（中点）から赤外線による温度上昇分に相当する他方の極性（－）の信号が出力される。それぞれの中点出力の差分、すなわちＩＲ出力＋とＩＲ出力－の差分を読み取ることで、より効率良く赤外線による温度変化Ｔ１を取り出すことができる。また電流による温度変化量Ｔ２の影響については、各素子にはＩａの電流が流れるため、第１のチャンバの温度上昇の総和Ｔ２と第２のチャンバの温度上昇の総和Ｔ２はほぼ等しくなる。第１のチャンバの温度上昇の総和Ｔ２＝第２のチャンバの温度上昇の総和Ｔ２＝Ｔａとなる。

【0061】

なお本実施の形態の赤外線センサデバイスの使用方法は、上記回路を用いることに限定されるものではない。

【符号の説明】

【0062】

１，１０１ 赤外線センサデバイス
１０，１１０ キャップ部材
１１，１１１ 開口部
１２，１１２ 周壁部
１３，１１３ 対向壁部
１４ 第１の接合パターン
１５，１１５ 赤外線透過部
２０，１２０ センサ付き基板
２１，１２１ 赤外線検知センサ素子
２２，１２２ 空間温度センサ素子
２３，１２３ 温度補償用センサ素子
２４ 第２の接合パターン
３０，１３０ 半田層
３１，Ｃ３２，１３１ 仕切り壁
ＩＲ 赤外線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】