專利名稱:紅外線檢測元件及溫度測定裝置的制作方法
技術領域:
本發明涉及熱電堆型紅外線檢測元件及采用該元件的溫度測定裝置。
采用了檢測從熱源發射的紅外線并將其變換為電氣信號的紅外線檢測元件的溫度測定裝置是眾所周知的。作為紅外線檢測元件,已知有熱電堆型、熱電型及輻射熱計型等。熱電堆型紅外線檢測元件,利用熱電偶或將多個熱電偶串聯連接的熱電堆的塞貝克效應而將由紅外線的發射吸收引起的溫度變化作為熱電動勢進行檢測。而熱電型紅外線傳感器,則是利用由陶瓷等構成的基體材料中的與紅外線的熱能對應的極化所引起的浮動電荷的變化、即熱電效應檢測溫度。此外,輻射熱計,檢測由金屬及其他薄膜或極細的線形成的熱敏電阻體因熱而引起的電阻值變化。
在這些檢測元件中,熱電型紅外線傳感器,由于極化僅在施加熱能后的瞬間產生,因而必須在光路上設置光闌并交替地測定被測定面溫度和基準溫度。所以,很難小型化而測定精度也很難提高。因此,可以應用于像自動門的「人體檢測傳感器」等對小型化或測定精度要求不高的用途。但是,對于像體溫計等要求高精度的溫度測定并要求小型和低成本的溫度測定裝置是不適用的。
另外,與熱電型和熱電堆型中必須檢測與基準溫度的相對溫度差不同,輻射計型具有可以測定絕對溫度的優點。但是,由測定電流引起的自身發熱及電流噪聲等誤差因素很多,因此很難提高測定精度。此外,還需要偏置電源等,因而存在著使結構變得復雜且使用也很煩雜的難題。
與上述不同,熱電堆型紅外線檢測元件,不利用像熱電型那樣的瞬態現象,也不會流過像輻射熱計型那樣的過大的測定電流,所以能夠進行穩定的溫度檢測或測定。進一步,由于可以利用半導體制造工藝而小型化并能降低成本,所以適用于體溫計等要求小型和低價格的溫度測定裝置。
在圖21中,作為采用了熱電堆型紅外線傳感器或紅外線檢測元件的溫度測定裝置,示出了一種耳式體溫計100。該耳式體溫計100,具有本體外殼11、接收來自耳內的紅外線并輸出與耳內溫度即鼓膜溫度對應的電壓信號的紅外線接收檢測部200、裝有各種電子部件和電路的電路基板3。在該電路基板3上,裝有各種電子部件4C,從而形成根據紅外線接收檢測部200的輸出電壓求出鼓膜溫度或由此求出體溫值的溫度導出電路400,進一步,還安裝著對所求得的溫度等進行顯示的LCD5及對各部供給電力的電源6。
紅外線接收檢測部200,備有其形狀為整體呈筒狀向前(圖中向右)少許伸出且前端可以插入耳孔內的殼體211、裝在該殼體211內的波導管206、配置在該波導管206的基部并朝向殼體211前端的紅外線檢測芯片210。殼體211的前端是敞開的,用具有紅外線透過性的探頭蓋25封蓋,另外,波導管206的前端開口,用防止粉塵等進入的紅外線透過性薄膜23封蓋,該薄膜23,由薄膜壓緊O形環24支承。因此,在將殼體211前端插入耳孔內時,入射到紅外線接收檢測部200內的紅外線,由波導管206引導到紅外線檢測芯片210,紅外線檢測芯片210,接收與鼓膜溫度對應的紅外線并輸出與其對應的電壓信號。因此,當按壓耳式體溫計100的測溫開關SW4時,可以由紅外線接收檢測部200通過紅外線測定體溫。
即,該體溫計100為波導管型,如圖22所示,從熱源(耳孔)S入射的紅外線,通過配置在紅外線檢測芯片210的前方的波導管206傳播并引導到紅外線檢測芯片210。然后,由紅外線檢測芯片210的熱電堆將由紅外線引起的溫度上升變換為電壓后輸出。
在圖23中,示出紅外線檢測芯片210。該紅外線檢測芯片210,具有熱電堆型紅外線傳感器209及熱敏電阻211,該熱電堆型紅外線傳感器209及熱敏電阻211,安裝在封裝基板212上。在該紅外線檢測芯片210內,熱敏電阻211,用于決定在紅外線傳感器209上形成的熱電堆的基準溫度、即冷接點的溫度。而且,這些元件裝在封裝殼體213內,從而使總體整體化。此外,在封裝殼體213的入射紅外線的窗口上,設有用于遮斷可見光并使紅外線透過的由硅等構成的紅外線濾光片208。
在圖24中,用斜視圖簡略地示出紅外線傳感器、即紅外線檢測元件209。紅外線傳感器209,備有一個基座80,該基座80備有利用對硅基板進行蝕刻的方法使硅基板的底面或背面的中央形成空心而只留下薄膜的部分(薄膜部)802、及硅基板的未被蝕刻而留下的原有的壁厚部分(厚壁部)801。即,紅外線傳感器209,具有使基座80的中央從下側形成空心部分KW從而在上方構成膜片的結構。進一步,在薄膜部802的上方,用濺射、蒸鍍等方法形成金黑鍍膜,從而形成用作吸收紅外線的黑體的紅外線吸收體81。紅外線吸收體81,通過吸收紅外線而引起溫度變化。
進一步,紅外線傳感器209,還備有設置在紅外線吸收器81的四側的多個高靈敏度熱電偶82。各熱電偶82的熱接點83,配置成使其靠近或進一步重疊于紅外線吸收器81,各熱電偶82的冷接點84,配置在硅基板的基體材料部分的周邊留下的厚壁部801上。因此,在每個熱電偶82的熱接點83和冷接點84之間,將產生與紅外線吸收器81的溫度上升對應的電動勢,但只由單一的熱電偶82產生的電動勢是不夠的。因此,在紅外線傳感器209中,將多個上述的熱電偶82串聯連接而構成熱電堆85,并將其兩端作為端子(例如+端子)86及端子(例如-端子)87,從而可以輸出端子86與端子87之間的電壓。
如詳細地說明,則如圖25所示,在各熱電偶82中,采用鋁(Al)91及多晶硅(Si—P)92兩種導電體。多晶硅92,形成為線條狀膜。各多晶硅92的靠近紅外線吸收器81的一側、即配置在薄膜部802上的一端,與鋁配線91結合而形成熱接點83。另一方面,配置在起著散熱器作用的厚壁部801上的一端,與鋁配線91結合而形成冷接點84。而且,各鋁配線91將鄰接的多晶硅92的熱接點83和冷接點84相互連接,由此而使各熱電偶82成為串聯連接的狀態。
在圖26中用框圖示出耳式體溫計100的簡略功能結構。耳式體溫計100,備有溫度導出電路400,將紅外線傳感器209的熱電堆85的兩個端子86和87之間的溫度檢測電壓Vt作為輸入,并將基于該電壓的溫度T輸出到LCD5。溫度導出電路400,備有對溫度檢測電壓Vt進行放大的放大器41、將該放大器41的輸出轉換為數字值的模/數轉換器42、對數字值進行數值處理并求出與溫度檢測電壓Vt對應的溫度的CPU44、用作該CPU44的各種處理的工作區的RAM43。在溫度導出電路400中,檢測與紅外線傳感器209的熱電堆85的熱接點83和冷接點84之間產生的溫度變化對應的電動勢,并根據該輸出電壓Vt求出熱接點83和冷接點84之間的溫度差Ts。因此,為了求出紅外線吸收體81的溫度從而計算體溫T(這里,為鼓膜溫度),必需求出冷接點84的溫度(基準溫度)并進行校正。
因此,在紅外線檢測芯片210內裝有熱敏電阻211,用于檢測紅外線傳感器209的基準溫度Tr。此外,溫度導出電路400,還備有對熱敏電阻211的輸出電流It進行放大的放大器45及將其輸出轉換為數字值的模/數轉換器46,并將該數字化后的信號供給CPU44。因此,在CPU44中,可以利用由熱敏電阻211測得的基準溫度Tr對由來自熱電堆85的信號得到的溫度差Ts進行校正,從而求得體溫T。
但是,如圖23所示,用于檢測基準溫度Tr的熱敏電阻211,所測定的只不過是紅外線傳感器209的一側的溫度、即紅外線檢測芯片210內部的紅外線傳感器209的周邊的環境溫度。因此,由熱敏電阻211檢測的溫度,與冷接點84的實際溫度不同,因而在按如上所述方式求得的體溫T中有可能產生很大的誤差。
確切地說,熱敏電阻211,由于電阻系數隨溫度而變化,所以從可以測定溫度本身的意義上看適于測定基準溫度。但是,由于溫度特性是非線性的,所以必需引入適當的補償電路。此外,能以高精度測定溫度的范圍也受到限定。因此,在將耳式體溫計100用作體溫計時,對能以高精度測定的室溫范圍將可能產生限制,因此隨所使用的環境的不同不一定總是能以高的精度簡便地測定體溫。
因此,本發明的目的在于,提供一種當采用上述熱電堆型紅外線檢測元件進行溫度測定時能進一步提高測定溫度的精度的紅外線檢測元件及采用該元件的溫度測定裝置。本發明的另一目的在于,提供一種在任何環境下都始終能以高的精度簡便地測定溫度的紅外線檢測元件及采用該元件的溫度測定裝置。
為此,本發明的紅外線檢測元件,具有基座,備有薄膜部及配置在該薄膜部周圍的厚壁部;熱電堆,將形成為使冷接點位于厚壁部的上部并使熱接點位于薄膜部的上部的多個熱電偶串聯連接;及基準溫度檢測裝置,備有與厚壁部接觸的熱敏部。在本發明的紅外線檢測元件中,在使其與用作熱電堆的散熱器的基座的厚壁部接觸的狀態下配置熱敏部。因此,可以由熱敏感部直接檢測與熱電堆的冷接點接觸著的厚壁部的溫度,所以,即使紅外線檢測元件的周圍環境氣氛發生了變化,也能基本上精確地檢測冷接點的溫度。
因此,利用具有本發明的紅外線檢測元件及根據由基準溫度檢測裝置求得的基準溫度從熱電堆的輸出電壓求出溫度的裝置的溫度測定裝置,可以進行高精度的溫度測定。此外,本發明的紅外線檢測元件,是熱電堆型紅外線傳感器,因而可以利用半導體制造工序(工藝)并以小型和低成本進行批量生產。因此,通過采用本發明的紅外線檢測元件,可以進行高精度的溫度測定,同時能提供小型化的低成本溫度測定裝置。
由于熱敏部即使是熱敏電阻也仍能提高基準溫度的精度,所以溫度測定的精度得到改進。但是,就熱敏電阻而言,很難制作成使其與基座接觸。與此不同,如果是PN結、例如二極管,則可以在半導體基板上制成,而且由于其正向電壓降基本上隨溫度而線性變化,所以能夠用作熱敏部。因此,最好用半導體基板構成基座的至少厚壁部的基部并使熱敏部為在半導體基板上形成的PN結。由此,即可形成備有極小型的熱敏部的紅外線檢測元件。此外,與熱電堆等一樣,可以利用半導體工藝制作熱敏部,因而能降低制造成本。
進一步,由于在熱敏電阻中溫度特性為非線性變化,所以使其溫度測定范圍受到了限制。在現有的采用了熱敏電阻的體溫計中,存在著例如室溫如不是在大約15℃以上就不能進行精確的體溫測定等限制。與此不同,在將PN結用作熱敏部時,由于溫度特性是線性的,所以無論何時何地都能簡便地進行溫度測定而不受環境的影響。因此,通過采用備有本發明的作為熱敏部的PN結的紅外線檢測元件并在求取溫度的裝置中設置根據PN結的正向電壓降求出基準溫度的裝置,能以低的成本提供進一步小型化并在寬的溫度范圍內進行高精度測定的溫度測定裝置。
另外,當設置多個PN結作為熱敏部時,通過求取其正向電壓降的差分,可以消除正向電壓降中的反向飽和電流的影響。因此,能以更高的精度求取溫度,因而可以提高基準溫度的測定精度并能改進本發明的紅外線檢測元件的溫度測定精度。因此,通過采用備有作為熱敏部的多個PN結的本發明的紅外線檢測元件并在求取溫度的裝置中設置根據多個PN結的正向電壓降的差分求出基準溫度的裝置,可以提供測定精度更高的溫度測定裝置。
多個PN結雖然可以配置在半導體基板的任何部位,但最好將其并列地靠近半導體基板配置,以便使各PN結在特性上幾乎都不發生變化。而且,通過并列配置,可以共用多個PN結的一個導電體層,因而能提高空間效率,此外,還可以減少電極的數量。因此,能使本發明的紅外線檢測元件進一步小型化。例如,當采用多個二極管時,可以設置單一的正極區域及與該負極區域平行延伸的多個負極區域。
另外,可以在冷接點的下方形成PN結,從而使熱敏部進一步靠近冷接點,所以能更精確地檢測基準溫度。因此,可以進一步提高溫度測定的精度。此外,如沿著薄膜部的周圍形成配置著構成熱電堆的多個冷接點的PN結,則可以求得冷接點的平均基準溫度,因而可以求得更精確的基準溫度并能提高溫度測定的精度。當形成這種延伸得較長的PN結時,最好在PN結的第1導電體層和第2導電體層的各上表面上形成沿著該第1和第2導電體層延伸的電極,從而盡量減小同一導電體中的電位差。
另外,在基座的厚壁部上設置與其結合的第2基板,并可以將熱敏部設置在基座的與第2基板的結合部和(或)第2基板的與基座的結合部。當第2基板是紅外線透鏡或波導管時,在檢測基準溫度的同時,還可以掌握紅外線透鏡或波導管的溫度。因此,還可以對透鏡特性或聚光特性等進行溫度校正,所以能夠進一步提高測定精度。
進一步,如果第2基板是半導體基板,則可以在第2基板的結合部形成PN結并將其作為熱敏部。由此,能以與基座的厚壁部直接接觸的方式測量基準溫度,同時可以在基座側節省配置熱敏部的空間,所以能使紅外線檢測元件進一步小型化。特別是,紅外線透鏡或與紅外線透鏡結合的基板,適于用作第2基板。利用紅外線透鏡可以將從熱源發射的紅外線高效率地導向在上部配置著熱電堆的熱接點的薄膜部,并能限制由薄膜部接收的紅外線的入射角。因此,可以提高溫度測定的靈敏度。與此同時,通過將紅外線透鏡與基座的厚壁部結合,可以減低由外部的熱發射的紅外線的影響或干擾。因此,如果是紅外線透鏡,則通過使其為與基座結合的形態,可以減少誤差因素,從而進一步提高測定精度。另外,如上所述,通過將紅外線透鏡的結合部作為熱敏部的空間,可以實現小型化,并其還能減小由基準溫度與透鏡溫度的溫度差引起的測定誤差。
為提高溫度測定的靈敏度,最好在薄膜部上設置層疊的紅外線吸收體,使其至少覆蓋熱接點或其附近。當設置紅外線吸收體時,由于紅外線吸收體因吸收紅外線而溫度上升,所以能夠增大薄膜部與厚壁部之間的溫度差,從而可以提高熱電堆的輸出電壓。按照這種方式,可以進一步提高溫度測定的靈敏度。因此,即使是采用了紅外線透鏡的情況下也是有效的。
由于可以通過對半導體基板進行蝕刻而形成紅外線透鏡,所以可以將紅外線透鏡本身作為第2基板,或者也可以將由半導體基板構成的結合基板夾在紅外線透鏡與基座之間而作為第2基板。無論在哪一種情況下,都可以將PN結設置于結合部而作為熱敏部,因而可以提供能夠提高溫度測定精度的小型紅外線檢測元件。在結合部形成PN結的情況下,也與上述一樣,最好將多個PN結并列配置。在這種情況下,通過共用多個PN結的一個導電體層,可以進一步小型化。此外,如將PN結配置在冷接點的上方,則能以更高的精度測定基準溫度。當使結合部為沿著薄膜部周圍的形狀時,通過在結合部或其附近的結合部形成PN結,可以提高基準溫度的測定精度。在這種情況下,最好在結合部或與結合部對置的基座或基座的半導體基板上形成沿著PN結的第1導電體層和第2導電體層延伸并使其與該第1和第2導電體層的各上表面接觸的電極。
另一方面,為了提高熱電堆的溫度測定精度,最好是減少熱接點與冷接點之間的熱傳導量,從而確保兩接點之間有大的溫度差。為此,最好在構成熱電偶的電極或導電體之間形成貫通薄膜部的孔或設置凹入部等而使薄膜部為更薄的薄膜,從而減小熱接點與冷接點之間的薄膜的斷面積。進一步,通過在薄膜部上層疊構成熱電偶的導電體及將其串聯連接的導電體,借以增大薄膜部的可以由孔或狹縫切去的部分或可以減薄的部分,從而可以進一步減少熱傳導量。此外,將連接熱接點和冷接點的導電體也包括在內通過開孔而減少熱傳導量或將導電體包括在內而進一步減薄,也是有效的。由此,可以在兩接點之間保持大的溫度差并能增加各熱電偶的電動勢,所以能提高測定靈敏度。此外,由于這這樣的孔或狹縫可以很簡易地用半導體制造工藝形成,所以也不會降低紅外線檢測元件的生產率。如上所述,通過采用本發明的紅外線檢測元件,能以小型結構進行高精度的溫度測定,進一步,能以低的成本提供無論在何時何地都可以簡便地進行溫度測定的溫度測定裝置。因此,本發明的溫度測定裝置,也適用于體溫計,通過設置能使前端插入耳孔內的筒狀部分并將紅外線檢測元件配置成使薄膜部朝向筒狀部分的前端,即能以低的成本提供高精度的使用更加方便的耳式體溫計。此外,在層疊著紅外線吸收體的紅外線檢測元件中,最好將紅外線吸收體配置成朝向筒狀部分的前端。
圖1是簡略地表示本發明的紅外線檢測元件的圖。
圖2是圖1的紅外線檢測元件的熱電堆芯片的斜視圖。
圖3是表示圖2的熱電堆芯片的主表面側的結構的平面圖。
圖4是表示在圖2的熱電堆芯片上形成的狹縫的平面圖。
圖5是表示圖4的斷面VV的圖。
圖6是表示輸出在圖2的熱電堆芯片上形成的2個二極管的正向電壓降的差分的放大器一例的電路結構圖。
圖7是以斷面表示圖2的熱電堆芯片的一部分的圖。
圖8是用于說明將雙體透鏡與熱電堆芯片分開配置的紅外線檢測元件的例的圖。
圖9是簡略地表示備有本發明的紅外線檢測芯片的耳式體溫計的斷面圖。
圖10是表示圖9所示的耳式體溫計的簡略功能結構的框圖。
圖11是表示在紅外線檢測元件中形成的二極管的變形例的平面圖。
圖12是表示圖11所示的二極管的斷面的圖。
圖13是表示紅外線檢測元件的另一例的圖。
圖14是表示圖13所示的紅外線檢測元件的結合方法的一例的圖。
圖15是將圖14的結合部分放大后示出的圖。
圖16是表示在紅外線檢測元件的二極管上形成電極的例的斷面圖。
圖17是表示狹縫的變形例的平面圖。
圖18是表示圖17的斷面XVIII—XVIII的圖。
圖19是表示另一種不同的狹縫變形例的平面圖。
圖20是表示圖19的斷面XX—XX的圖。
圖21是簡略地表示采用了現有的紅外線檢測元件的耳式體溫計的斷面圖。
圖22是表示圖21的耳式體溫計中將來自熱源的紅外線導向紅外線檢測元件的狀態的圖。
圖23是簡略地表示現有的紅外線檢測元件的圖。
圖24是圖23所示的紅外線檢測元件的紅外線檢測傳感器的斜視圖。
圖25是表示在圖24所示的紅外線檢測傳感器中形成的熱電堆的平面圖。
圖26是表示圖21所示的耳式體溫計的簡略功能結構的框圖。
以下,邊參照附圖邊詳細說明本發明的紅外線檢測元件。在圖1中以斷面示出本發明的紅外線檢測元件的一例。本例的紅外線檢測元件21,具有在基座80的上表面80a上形成了熱電堆85及紅外線吸收體81的熱電堆芯片SPC、起著紅外線透鏡作用的雙體透鏡BL,雙體透鏡BL以與熱電堆芯片SPC的上表面結合的狀態構成一體,從而可以作為單片處理。因此,有時也將本例的紅外線檢測元件21稱作紅外線檢測芯片。將接線26連接于熱電堆芯片SPC,用于取出熱電堆85及在基座80上形成的二極管D1和D2的輸出,從而可以測定鼓膜等熱源S的溫度。
雙體透鏡BL,起著將紅外線會聚在熱電堆芯片SPC的作為黑體的紅外線吸收體81上的透鏡的作用。因此,雙體透鏡BL,通過對硅(Si)或鍺(Ge)制半導體基板Bla的一側的面進行蝕刻而形成一個具有多級階梯形結構的雙體透鏡鏡片BLb。并且,將形成雙體透鏡鏡片BLb的面與基座80結合,使其朝向熱電堆芯片SPC的形成了紅外線吸收體81的表面80a或主表面。
另外,雙體透鏡BL,與上述的紅外線濾光片208一樣,根據其組成,還可以兼有遮斷可見光并使紅外線透過的紅外線濾光片的功能。為了遮斷近紅外線等而進一步縮小透過的波長范圍,可以在與雙體透鏡鏡片BLb相反一側的面上設置由硫化鋅(ZnS)或鍺(Ge)的多層膜構成的紅外線鍍層BLc。利用上述的雙體透鏡BL,可以高效率地將紅外線會聚在熱電堆芯片SPC上。另外,在圖1中,雙體透鏡鏡片BLb的形狀,為便于理解而將其多級階梯形結構放大后示出。
本例的熱電堆芯片SPC,用蝕刻法將形成基座80的硅基板810的底面中央除去而設置空心部分KW,并具有在該空心部分KW之上只留有薄膜的薄膜部802及硅基板810的未被蝕刻而留下的原有的厚板或厚壁部801,從而構成被稱作膜片結構的形態。即,薄膜部802,具有由形成空心部后的硅基板810支承的結構。在薄膜部802的上表面,形成用濺射、蒸鍍等方法生成金黑鍍膜后的紅外線吸收體81。此外,在硅基板810所留下的厚壁部801上,形成用于檢測熱電堆85的基準溫度的2個二極管D1和D2。
在圖2中示出熱電堆芯片SPC的斜視圖,在圖3中將熱電堆芯片SPC的主表面80a側的結構放大后示出。在熱電堆芯片SPC的主表面80a上,在其中央的薄膜部802上設置大致成正方形的扁平的紅外線吸收體81,并配置與紅外線吸收體81鄰近或與其重疊的高靈敏度熱電偶82的熱接點83。另一方面,熱電偶82的冷接點84,設置在硅基板810的基體材料部分所留下的厚壁部801上。厚壁部801,保留著大量的熱傳導率高的硅,所以硅基板810起著冷接點84的散熱器作用。因此,在各熱電偶82中,在熱接點83和冷接點84之間將產生與紅外線吸收器81的溫度上升對應的電動勢。但是,由每個熱電偶82產生的電動勢是不夠的,因此,將多個熱電偶82串聯連接而構成熱電堆85。著設置在主表面80a上的端子86及87,是熱電堆85的輸出端子,可以由這兩個端子間的電壓求得熱電堆85的熱接點和冷接點的電位差。
本例的熱電堆芯片SPC的結構,如圖3所示,從特性上可以考慮分成支承著熱接點83的部分及紅外線吸收體81的熱接點支承區域66、支承著冷接點84的部分的冷接點支承區域67、連接該區域66和67并支承導電體91和92的中間支承區域68。并且,在本例的熱電堆芯片SPC中,板厚小的薄板或薄膜部802構成熱接點支承區域66和中間支承區域68,板厚大的厚板或厚壁部801構成冷接點支承區域67。另外,為了構成厚壁部801和薄膜部802,在基座80的背面側形成空心部KW。
空心部KW,與有任何熱傳導介質的情況相比可以減小熱的傳導。也可以說具有保溫作用。所以,可以減小從位于熱接點支承區域66的紅外線吸收體81及熱接點83到冷接點84的熱傳導量,從而可以保持熱接點83與冷接點84之間的溫度差。因此,可以增大構成熱電堆85的各熱電偶82的電動勢,因而能提高溫度測定的靈敏度。上述空心部KW可以按如下方法形成,即,在熱傳導率高的硅基板810上形成熱傳導率低的氧化膜(SiO)和氮化膜(SiN)等,然后,按照一般的半導體制造工序,從硅基板810的背面側起通過蝕刻將從背面側到薄膜部802的部分除去,即可形成空心部KW。
因此,本例的熱電堆芯片SPC的基座80的形狀,可以很容易地通過半導體制造工序形成。如上所述,通過用氧化膜和氮化膜等熱傳導率低的結構層形成構成熱接點支承區域66和中間支承區域68的薄膜部802,也可以減小薄膜部802的熱傳導量。另一方面,構成冷接點支承區域67的厚壁部801,主要由硅基板810形成,由于硅的熱傳導率高,所以留下的硅基板810的部分具有作為散熱器的功能。因此,熱接點支承區域66的溫度因紅外線而上升,而冷接點84則保持在環境溫度,因而可以確保熱接點83和冷接點84之間有大的溫度差,從而可以增大各熱電偶82的電動勢。
進一步,在本例的熱電堆芯片SPC中,即使從相對于基準溫度為500℃左右的高溫熱源接收紅外線,紅外線吸收體81的短時的溫度上升僅為大約1℃以下。因此,即使考慮到從冰點到1000℃以上的測量,熱電堆芯片SPC本身的溫度也幾乎沒有變化,所以幾乎不會發生因溫度變化而引起的變形或惡化。因此,具有作為紅外線傳感器而很少發生惡化的優點,因而可以長時間進行穩定的測定。另一方面,為能迅速地檢測出很小的溫度變化,必須提高響應速度,并提高靈敏度。特別是,在體溫計等要求迅速測定微小的溫度變化或溫度范圍的用途中,必須提高靈敏度。進一步,為能測量嬰幼兒的體溫,必須在使嬰幼兒的身體保持不動的時間內進行測定,因而當考慮這些應用場合時,最好是提供使靈敏度盡可能提高從而能在短時間內進行測定的熱電堆芯片SPC。
因此,如圖4所示,在本例的熱電堆芯片SPC中,為提高靈敏度,將多個熱電偶82串聯連接而形成熱電堆85,從而確保大的電動勢。各熱電偶82,由兩種導電體、即作為第1導電體層的多晶硅(Si—P)92和作為第2導電體層的鋁(Al)91構成。多晶硅92,形成線條狀圖案,使其從紅外線吸收體81向四側延伸。鄰接的多晶硅92的在紅外線吸收體81一側的端部與另一個多晶硅92的在厚壁部801一側的端部,由鋁91進行電氣連接,從而形成紅外線吸收體81側的熱接點83和厚壁部801側的冷接點84。與此同時,通過將這些熱電偶串聯連接,構成一個熱電堆85。
在熱電堆型紅外線傳感器中,為提高靈敏度,如上所述,關鍵在于盡量提高構成熱電堆的熱接點部分的溫度并使冷接點部分的溫度盡可能接近測定環境溫度,從而確保兩接點之間有大的溫度差。其原因是,這可以增大各熱電偶的兩接點間的電位差即電動勢。但是,為使熱電堆芯片SPC小型化,最好將熱電偶的長度縮短,因此縮短了冷接點與熱接點之間的距離,這將很難確保溫度差。因此,在本例的熱電堆芯片SPC中,為了在實現芯片的小型化的同時提高溫度測定的靈敏度,在用于支承構成熱電偶82的導電體91及92的中間支承區域68上、即在薄膜部801上,在構成熱電偶82的一對導電體91及92和與其鄰接的熱電偶82的導電體91及92之間,設置從主表面80a連通到背面側的空心部KW的狹縫98。在本例中,形成沿著與導電體92平行的方向延伸的狹縫。
在圖5中示出圖4的局部斷面,如圖5所示,通過在熱電偶82的電極之間設置開口,可以減小熱接點83與冷接點84之間的薄膜部801的斷面積。因此,減小了熱接點83與冷接點84之間的熱流路的斷面,從而可以減少熱傳導量。因此,即使縮短了熱接點83與冷接點84之間的距離,也可以抑制從紅外線吸收體81的熱傳導量,因而能抑制冷接點側的溫度變化。因此,增大了各熱電偶82的電動勢,從而能提高測定靈敏度,所以,本例的熱電堆芯片SPC,具有適于形成高靈敏度的小型紅外線檢測元件21的結構。
雖然減小薄膜部801的厚度也可以減小斷面積,但可能很難對膜厚進行控制。與此不同,如果是貫通薄膜部801的孔或狹縫98,則可以在形成空心部KW的蝕刻工序中與空心部KW同時或在隨后的一系列工序中形成,因而生產率也是優越的。進一步,如果是將連接熱接點83與冷接點84部分的方向作為長度方向的狹縫98,則即使不加寬連接著構成各熱電偶82的熱接點83與冷接點84的各導電體92的間隔,也能減小薄膜部801的斷面積。因此,可以在與導電體92的長度方向正交的方向上密集地形成熱電偶82,從而可以在小型的熱電堆芯片SPC中構成數量很多的熱電偶82,因而能構成輸出電壓高且靈敏度高的熱電堆85。
在熱電堆芯片SPC的主表面80a上,在位于周邊的厚壁部801內,在半導體基板810上還形成使其圍繞冷接點84的外側的2個導電體層DN和DP。導電體層DN是施主雜質摻雜量多的N+區域,該區域位于外周側并沿著基座80的外周以點對稱的形式分成2個區域DN1和DN2,各個區域DN1和DN2,按L字型形成。而導電體層DP是受主雜質摻雜量多的P+區域,在區域DN1和DN2的內側,與該區域DN1和DN2彼此相對地形成。雖然導電體層DP連接成一個整體,但在圖2中分成與區域DN1相對的區域DP1及與區域DN2相對的區域DP2并標以符號。因此,在半導體基板810上,由區域DN1和區域DP1、區域DN2和區域DP2形成2個PN結,如假定區域DN1和區域DP1為正極區域、而區域DN2和區域DP2為負極區域,則構成由區域DN1和區域DP1、區域DN2和區域DP2形成2個二極管D1和D2的狀態。在下文中,將該PN結稱作二極管。
在本例的熱電堆芯片SPC中,2個二極管D1和D2,沿著厚壁部801的四側按帶狀形成,并形成為使其圍繞著紅外線吸收體81的四側。此外,該二極管D1和D2,還靠近地圍繞著熱電堆85的冷接點84。可以從該二極管D1和D2的輸出求出二極管D1和D2的溫度。因此,通過在作為散熱器的厚壁部801上形成二極管D1和D2,可以將該二極管用作求取作為熱電堆85的冷接點84的溫度的基準溫度Tr的基準溫度檢測裝置70的熱敏部。進一步,為了將作為基準溫度檢測裝置70的熱敏部的二極管D1和D2的輸出供給到外部,在主表面80a上還設置著由二極管D1和D2共用的正極端子DA、二極管D1的負極端子DK1及二極管D2的負極端子DK2。
如上所述,在本例的構成紅外線檢測元件21的熱電堆芯片SPC中,作為熱敏部的二極管D1和D2,在作為散熱器的基座80的厚壁部801上直接形成。因此,可以通過形成了該冷接點84的基座80測定熱電堆85的冷接點84的溫度。特別是,在本例的熱電堆芯片SPC中,冷接點84與作為熱敏部的二極管D1和D2,在物理上通過熱傳導性良好的半導體基板810及在其上層疊的半導體系的物質相互關聯,因而能以非常高的精度測量冷接點84的溫度。此外,二極管D1和D2與冷接點84的距離是mm以下的單位因而非常短。因此,從這一點來看,也能由作為熱敏部的二極管D1和D2以高的精度檢測冷接點84的溫度。
可將二極管作為熱敏部進行溫度測定的原理,可以說明如下。二極管的正向電流IF和正向電壓或正向電壓降VF,具有如下關系。IF=IS(exp(qVF/KT)-1)…(1)IF正向電流[A]IS反向飽和電流[A]T絕對溫度[°K]VF正向電壓[V]K波爾茲曼常數(1.3804×10-23[JK-1])q電荷(1.602×10-19[C])另外,該式(1),當對VF求解時,可以變形為式(2)。VF=(KT/q)log(IF/IS)…(2)從式(2)可以看出,可以根據二極管D1或D2的電壓降VF測定溫度T、即熱敏部的基準溫度Tr。但是,在從1個PN結的電壓降VF求取基準溫度Tr的情況下,必須求出正向電流IF及反向飽和電流IS。由于這些值很難直接求出,所以最實際的方法是,預先測定溫度與電壓的關系,將其列表存儲,并根據所檢測的正向電壓VF求得基準溫度Tr。
與此不同,可按如下所列的式(3)求出正向電壓降VF的差分ΔVF。ΔVF=(KT/q)log(IF1/IS1)-(KT/q)log(IF2/IS2)=(KT/q)(log(IF1/IS1)-log(IF2/IS2))=(KT/q)(log(IF1/IF2)-log(IS1/IS2))…(3)進一步,當在同一半導體基板上以同樣制造方法按同樣的雜質濃度形成2個二極管時,反向飽和電流IS可以認為基本相同,所以可將反向飽和電流IS的項去掉。因此,可得以下的式(4)。ΔVF=(KT/q)log(IF1/IF2)…(4)另外,由于可以將正向電流IF看作是流過2個二極管的正向電流之比,所以也可以不用求出電流值本身。因此,在本例的紅外線檢測元件21中,當從在熱電堆芯片SPC上設有的二極管D1和二極管D2的正向電壓降VF1和VF2求取差分ΔVF的溫度系數時,可按以下的式(5)進行。ΔVF/T=(K/q)log(IF1/IF2)…(5)因此,可以由上述的各式精確地求出基座80的厚壁部801的溫度。
在圖6中,示出檢測2個二極管D1和D2的正向電壓降VF1和VF2并輸出其差分ΔVF的放大器的一例。圖6所示的放大器71,例如,可以代替在前面的圖26中說明過的溫度導出電路400的放大器45而進行設置。并且,可以代替熱敏電阻211而取入與基座80接觸的作為熱敏部的二極管D1和D2的輸出,并輸出可以提供精度高的基準溫度Tr的差分ΔVF。因此,通過將該信號數字化并由CPU44作為基準溫度Tr的數據進行運算,可以根據熱電堆85的輸出以高的精度求出熱源的溫度T。
本例的放大器71,備有由晶體管J1和電阻R1(例如50kΩ)構成的用于使正向電流IF1流過二極管D1的穩流源、由晶體管J2和電阻R2(例如100kΩ)構成的用于使正向電流IF2流過二極管D2的穩流源。另外,還備有分別對與二極管D1的內阻成比例的正向電壓(正極端子DA與負極端子DK1之間的電位差)VF1及與二極管D2的內阻成比例的正向電壓(正極端子DA與負極端子DK2之間的電位差)VF2進行放大的運算放大器U6和運算放大器U7、輸出與放大后的電壓VF1和VF2的差分成比例的電壓的差動放大器U8。因此,作為放大器71的輸出Vout,可以輸出正向電壓VF1和VF2的差分ΔVF。
通過利用由放大器71求得的差分ΔVF求取溫度,可以消除反向飽和電流的影響,所以,即使所形成的二極管的反向飽和電流的二極管特性與理論值不同,也能以高的精確測定溫度。進一步,通過使決定流過2個二極管D1和D2的正向電流IF1和IF2的電阻R1和R2為例如50kΩ和100kΩ這樣的不同值,可以將正向電流IF1和IF2設定為不同值。并且,如使二者之比一定,則正向電流的變化對溫度測定的影響也能消除。因此,盡管機構簡單,但可以將由反向飽和電流的每個芯片上不同的二極管特性差、噪聲和電位變化及其他測定環境的變化因素等引起的測定誤差消除,因而能簡單地以極高的精度進行溫度測定。
進一步,從以上給出的各式可以看出,在將二極管、即PN結用作熱敏部時,其輸出特性在理論上不存在像熱敏電阻那樣的與溫度的相關性。而且,也不需要像熱電偶那樣的基準溫度校正,所以,二極管適于用作求取熱電堆85的基準溫度的熱敏部。因此,通過采用本例的紅外線檢測元件21,可以提供測定時無需設定室溫限制或不嚴格限定于15℃以上的范圍的無論何時何地都能簡便地測定體溫的體溫計。
在圖7中用局部的斷面示出本例的熱電堆芯片SPC的結構。在本例的熱電堆芯片SPC中,為防止所吸收的熱向周圍散失從而使溫升增加,在由熱傳導率低的氧化膜(SiO2)94和氮化膜(Si3N4)97構成的幾微米厚的薄膜部802上,形成紅外線吸收體81。并且,在以熱電堆85測定溫度時用作原理基準點的冷接點84的大致正下方的半導體基板810的表面上,形成二極管D1和D2。另外,作為各二極管D1和D2的PN結區域,是在圖7的N+區域DN1和DN2上用虛線示出的部分93。
根據本圖簡單說明制造本例的紅外線檢測元件21的過程。在前已說明過的紅外線傳感器209中,首先例如用CVD(Chemical VaporDeposition化學汽相淀積)法在硅基板810的表面(主表面)上形成氧化膜94的薄膜層。在本例的熱電堆芯片SPC中,在形成氧化膜94之前,先在P-的半導體基板810上形成用于進行元件隔離的場氧化膜95。接著,在該場氧化膜95上形成圖案,并通過摻雜雜質形成P+區域DP1和DP2、N+區域DN1和DN2。由此。即可在半導體基板810上形成二極管D1和D2。
然后,用光刻技術依次形成氧化膜94、構成熱電偶82的多晶硅層92、用于電極分離的氧化膜96、構成熱電偶82的鋁電極91。接著,形成使其覆蓋上述各層的氮化硅的表面保膜97,并通過蒸鍍用作黑體的金黑鍍膜而形成紅外線吸收體81。在按上述工序形成主表面80a的結構后,根據制作圖案將用作基座80的基板的半導體基板810的背面中央蝕刻到氧化膜95,從而在基座80的中央部分形成薄膜部802。然后,根據處理上的必要性進行方形切割、單件檢查(芯片檢查)、包括與熱電堆芯片SPC并行制作的雙體透鏡BL的結合在內的組裝等。由此,即可形成圖1所示的紅外線檢測元件。
這里,氧化膜(SiO2)94等,對形成上述膜片結構時從背面進行的蝕刻起著阻擋層的作用,所以,如通過制作圖案而將與形成狹縫98的部分相當的薄膜層除去,則可以在形成膜片結構時的蝕刻工序中同時形成狹縫98。
如上所述,在熱電堆型紅外線檢測元件中,在原理上,檢測在接收紅外線的紅外線吸收體側的熱接點與基準溫度側的冷接點之間隨著紅外線吸收體的溫度變化而產生的電動勢,并根據該電動勢求得熱接點與冷接點之間的溫度差。而基準溫度則由與其不同的另外的溫度檢測裝置進行測定。因此,當基準溫度與冷接點溫度之間有溫度差時,這將成為一個誤差因素,因而使測定精度惡化。在這一點上,在現有的紅外線傳感器209中,在封裝基板212上安裝著用于檢測基準溫度的熱敏電阻211。因此,與將熱敏電阻設在封裝組件、即芯片之外的情況相比,精度雖然可以提高,但由熱敏電阻211測定的基準溫度的測定點與紅外線傳感器209的冷接點之間的距離依然較長,因此,不能按精確的基準溫度測定本來應測定的冷接點的溫度。
與此不同,在本例的紅外線檢測元件21中,在形成著熱電堆85的用作基座80的基體的硅基板810上整體地形成作為用于檢測熱電堆85的冷接點84的基準溫度的熱敏部的二極管D1和D2,并根據二極管的溫度特性檢測基準溫度。即,在本例的紅外線檢測元件21中,具有配置成使作為熱敏部的二極管D1和D2與基座80接觸并進一步裝在其內部的狀態的形態。通過使熱敏電阻與基座80接觸而求得基準溫度,可以直接測定冷接點的散熱器的溫度,所以,與圖23所示的現有的紅外線檢測芯片210相比,測定精度大大提高。但是,就熱敏電阻而言,很難制作成使其與基座接觸并構成一個整體。與此不同,在本例中,由于將二極管用做熱敏部,所以能夠與基座80的硅基板810整體形成。而且,通過將二極管及熱電堆85與熱電堆芯片SPC整體形成,還可以大幅度地縮短熱電堆85與二極管的距離,所以,可以進一步減小熱電堆85的基準溫度檢測的測定誤差。因此,可以按精確的基準溫度測定本來應測定的冷接點84的溫度,所以能提供測定精度高的紅外線檢測元件。
作為熱敏部的二極管D1和D2以及紅外線吸收體81、熱電堆85等構成紅外線檢測元件21的要素,可以利用CVD等半導體制造中的一般方法在用作基座80的基體的半導體基板810上形成。因此,在本例的紅外線檢測元件21中,很容易以高的精度在半導體基板810上形成各構成要素,并適于大量生產。另外,由于還能以非常高的精度測定基準溫度Tr,所以可以提供測定精度高的小型低成本的紅外線檢測元件。
另外,熱敏電阻中溫度特性變化很大,所以存在著能以高的精度測定溫度的范圍被限定為大約15℃以上等限制。與此不同,如果是二極管,則因其特性與溫度幾乎不存在相關性,只要是在大約5℃~40℃的范圍內,就能以足夠高的精度測定溫度。因此,本例的紅外線檢測元件21,可以在各種環境下簡單地使用。進一步,在本例的紅外線檢測元件21中,通過使用2個二極管D1和D2而消除了反向飽和電流及正向電流對溫度測定的影響。因此,可以提供測定精度更高的紅外線檢測元件。
如圖1所示,在本例的紅外線檢測元件21中,將雙體透鏡BL與熱電堆芯片SPC結合。與此不同,如圖8所示,也可以將雙體透鏡BL與熱電堆芯片SPC分開配置,并僅相當于將波導管206置換為透鏡。但是,如果是這種配置,則使雙體透鏡BL與熱電堆芯片SPC離開了一定距離。因此,雙體透鏡BL的溫度與熱電堆芯片SPC的溫度之間有產生溫差的可能性。當雙體透鏡BL與熱電堆芯片SPC之間產生溫度差時,將會測定到通過處在不同環境溫度下的透鏡BL接收的紅外線的影響,因而易于產生誤差,并有可能影響測定精度。
在這一點上,在本例的紅外線檢測元件21中,是將雙體透鏡BL與熱電堆芯片SPC的表面結合。因此,在熱電堆芯片SPC與雙體透鏡BL之間很少會產生溫度差,因而就不太可能發生如上所述的由雙體透鏡BL引起的誤差。另外,雙體透鏡BL與基座80的厚壁部801結合,并將作為用于檢測基準溫度的熱敏部的二極管D1和D2配置在該雙體透鏡BL與熱電堆芯片SPC的結合部附近。因此,不僅可以減小因基準溫度與冷接點溫度之間的溫度差引起的測定誤差,而且還可以減小因基準溫度的測定點與透鏡溫度之間的溫度差引起的測定誤差。因此,能以更高的精度進行溫度測定。當然,當進行精度較低的溫度測定時,也可以使用雙體透鏡BL與熱電堆芯片SPC分開的紅外線檢測元件。此外,將雙體透鏡BL省去的紅外線檢測芯片、即單獨的熱電堆芯片,也屬于本發明的范圍。這種紅外線檢測芯片,例如可以組裝在采用波導管206的體溫計100內使用。
在圖9中,用斷面圖簡略地示出裝有本例的紅外線檢測芯片21的耳式體溫計1。該耳式體溫計1,備有本體外殼11、接收來自熱源S的紅外線并輸出與熱源S的溫度對應的電氣信號的紅外線接收檢測部2、安裝和連接各種電子部件(電路)等的電路基板3。安裝在該電路基板3上的各種電子部件4C,構成根據紅外線接收檢測部2的輸出電壓決定熱源S的溫度的溫度導出電路4,進一步,在電路基板3上,還連接著對所測定的溫度等進行顯示的LCD部5及對各部供給電力的電源部6。
電源部6,備有電源開關SW6、扣式電池61、用于固定電池并將其連接于電路基板3的電路圖案的電池電池配件62,外殼11的一部分,構成更換電池時用于開閉的電池盒蓋63。此外,LDP部5,備有用于進行各種顯示的LCD板51、用于固定LCD板51并將其連接于電路基板3的連接器52、支承LCD板51的板框53。而且,外殼11的一部分,構成以可觀看的方式保護LCD板51的例如塑料制的透明蓋板54。
紅外線接收檢測部2,備有構成紅外線接收檢測部2的核心的用于接收與熱源S的溫度(體溫鼓膜溫度)對應的紅外線并輸出與其對應的電壓信號的本例的芯片狀紅外線檢測元件21、保護該元件21的例如塑料制的蓋22、防止粉塵等進入的紅外線透過性薄膜23、用于支承該薄膜23的薄膜壓緊O形環24、為了在測溫時插入耳孔而安裝成封蓋整個紅外線接收檢測部的紅外線透過性探頭蓋25。另外,容納紅外線接收檢測部2的部分211的外殼11,其前端為稍微變細一些的筒狀,在該部分211內,將紅外線檢測元件21配置成使雙體透鏡BL朝向前端,從而可以將透過安裝在筒狀部分211的前端的探頭蓋25的紅外線會聚在熱電堆芯片SPC的紅外線吸收體81上。紅外線檢測元件21也安裝在電路基板3上,將熱電堆芯片SPC與電路基板3用接線26連接,從而可以將二極管D1和D2的輸出及熱電堆85的輸出輸入到電路基板3的溫度導出電路4。
在圖10中,示出本例的溫度導出電路4。該溫度導出電路4,與參照圖26說明過的溫度導出電路400的結構基本相同,但為了求取檢測元件21的熱電堆85的基準溫度Tr而將二極管D1和二極管D2的正向電壓降VF1和VF2輸入到溫度導出電路4,并為對其進行處理而采用了圖6中示出的放大器71。然后,由模/數轉換器46將正向電壓降VF1和VF2的差分ΔVF轉換為數字信號,并將其作為指示基準溫度Tr的信號供給CPU44。
即,本例的溫度導出電路4,備有對從設置在紅外線接收檢測部2中的紅外線檢測元件21輸出的指示體溫的信號即從熱電堆85輸出的電壓信號進行放大的放大器41、將該放大器41的輸出轉換為數字值的模/數轉換器42、對模/數轉換器42的輸出值進行數值處理而求出體溫并可以將其顯示在LCD5上的CPU44、用作CPU44的各種處理的工作區的RAM43。此外,還備有對檢測元件21的基準溫度檢測裝置70的二極管D1和D2的輸出進行放大并輸出其差分ΔVF的放大器71、將該放大器71的輸出轉換為數字值的模/數轉換器46。接著,CPU44,將差分ΔVF作為基準溫度Tr,并根據差分ΔVF進行由熱電堆85的輸出Vt決定溫度T的處理。
例如,將圖9所示的電源開關SW6和測溫開關SW4連接于CPU44的輸入端口,使CPU44在電源斷開的初始狀態下處于備用狀態,其他電路為非通電狀態。在該狀態下,當由用戶按壓電源開關SW6時,CPU44,將該電平變化作為中斷信號檢測并變為激活狀態,而其他電路變為通電狀態。在CPU44變為激活狀態后,首先,在LCD板51上進行全部點亮顯示(初始顯示),然后,進行各種標志之類的初始化處理等測定準備。接著,在完成準備后,顯示指示「測定準備OK」的信息。
然后,在該測定準備OK的狀態下,當由用戶按壓測溫開關SW4時,CPU44,將模/數轉換器42和46激活,并通過放大器41及模/數轉換器42按數字值取得紅外線檢測元件21的輸出Vt。并且,通過放大器71及模/數轉換器46按數字值取得二極管D1和二極管D2的輸出VF1和VF2。接著,在由各放大器的偏置電壓等進行校正的同時,從模/數轉換器46的輸出求出基準溫度,并根據基準溫度從模/數轉換器42的輸出計算溫度T。
在求得溫度T后,接著,用嘟嘟聲等報知,同時將該值T作為測定結果顯示在LCD板51上,并使模/數轉換器42、46變為非激活狀態。在該狀態下,當按壓電源開關SW6時,或當在這之后在一定時間內不進行電源開關SW6和測溫開關SW4的操作而使電源自動切斷時,恢復到電源斷開的初始狀態。
在使用這種耳式體溫計1的情況下,用戶,首先,按壓電源開關SW6,并確認LCD板51從初始顯示改變為指示「測定準備OK」的信息顯示。然后,將探頭蓋25的部分插入耳孔,并在按壓測溫開關SW4后開始測定,接著,在幾秒鐘后,可聽到報知音并在LCD板51上顯示出測溫值,因而可以對該值(體溫)進行確認。并且,在這之后,按壓電源開關SW6或放置一定時間使電源自動切斷,即可將電源斷開。
在該耳式體溫計1中,由于可以進行高精度的溫度測定并在紅外線接收檢測部2內組裝了本例的小型低成本的紅外線檢測元件21,所以耳式體溫計本身也是能以高的精度測定溫度的小型低成本的裝置。另外,在該耳式體溫計1中,沒有使用波導管206。在利用如圖21所示的波導管206引導紅外線的情況下,從紅外線濾光片208的窗口面(檢測面)看去的視角大約為180°,所以還從波導管206的外部入射紅外線等光線。此外,如圖22所示,還受到由外部的熱Sd向波導管206發射的紅外線等的干擾。進一步,由這些干擾在內部引起的漫反射光也被引導而入射到檢測面,所以將使測定誤差增大。
與此不同,在本例的耳式體溫計1中,由于采用了由雙體透鏡BL將紅外線會聚在熱電堆芯片SPC上的紅外線檢測元件21,所以能夠限制紅外線的入射角。因此,可以減小因接收紅外線而引起的誤差,所以,與采用波導管206的體溫計相比,可以進行非常精密的體溫測定。此外,由于使用了將雙體透鏡BL與熱電堆芯片SPC結合并整體化的紅外線檢測元件21,所以也幾乎消除了因基準溫度與透鏡溫度的溫度差引起的測定誤差。
另外,利用耳式體溫計1,可以將人的鼓膜作為熱源,從而以高的精度測定其溫度并顯示為體溫T。
以上說明了本發明實施形態的一例,但本發明并不限定于上述實施形態,可以包含各種變形例。例如,作為在基座80的基體即半導體基板810上形成二極管D1和D2的變形,可以自由地改變P+區域DP和N+區域DN的配置。此外,如上所述,將2個二極管D1和D2以隔著位于中心的紅外線吸收體81彼此相對的方式沿著主面80a的周圍配置,但如圖11的平面圖及圖12的斷面圖所示,也可以沿著主面80a的周圍并列地形成二極管D1和D2。而在這種情況下,可以共用構成二極管D1和D2的導電體層中的一個。在圖12中,形成N+區域DN1及N+區域DN2,使其將共用的P+區域DP夾在中間,從而以3個導電體區域形成2個二極管D1和D2。
這樣,通過將二極管D1和D2沿著主面80a的周圍并列配置,可以沿著熱電堆85的多個冷接點84配置二極管D1和D2,從而可以求出這些冷接點84的溫度的平均值,并將其作為基準溫度Tr。二極管D1和D2的配置,不限定于這種方式,進一步,可以在考慮溫度特性和制造熱電堆芯片時的合格率后選擇適當的配置。此外,電極DK及DA的配置,也可以在考慮易于處理配線及各端子的分布等后選擇不同的配置。
另外,在熱電堆芯片SPC上形成的二極管,不限定于2個,如上所述,也可以是1個。此外,也可以是3個。但是,至少配置2個二極管才可以通過求取正向電壓降的差分而以高的精度測定基準溫度Tr。另外,也可以根據多個二極管的正向電壓VF的平均值求取基準溫度Tr,還可以進行將二極管的形成位置的差異、特性或環境差異、以及與理論值及設計值的偏差抵消的數據處理。
另外,如上所述,為能以高的精度測定熱電堆85的冷接點84的基準溫度,在冷接點84的正下方的半導體基板810上形成二極管D1和D2,從而可以使因與冷接點的距離及環境差異而引起的測定誤差非常小。但是,二極管D1和D2,并不限于在硅基板810上形成,也可以在與基座80結合的雙體透鏡BL的結合部上形成,或設置在重疊地配置在硅基板810上的另一個半導體基板上。即,在紅外線檢測元件21中,設置與熱電堆芯片SPC的表面結合的雙體透鏡BL而形成一個整體的紅外線檢測芯片。因此,只要二極管D1和D2的位置滿足在雙體透鏡BL與熱電堆芯片SPC的結合部附近且靠近作為原理基準點的冷接點的條件,就可以將其設置在雙體透鏡BL等其他構件上并與基座80結合,因而可以在使熱敏部與基座80接觸的狀態下測定基準溫度。
圖13(a)示出不是在熱電堆芯片SPC上而是在雙體透鏡BL側形成二極管D1和D2的紅外線檢測元件21的例。按照這種方式,即使不是在熱電堆芯片SPC本身形成二極管D1和D2,但只要是像雙體透鏡BL等那樣與熱電堆芯片SPC結合,就可以在與形成了熱電堆85的基座80接觸的狀態下、即不是在其間夾有空氣等的間接狀態而是在通過硅系或鍺系等半導體材料或金屬材料等熱導體與作為散熱器的厚壁部801連接的狀態下配置二極管D1和D2。
進一步,圖13(a)所示的紅外線測元件21,將雙體透鏡BL分為二極管芯片DDC雙體透鏡芯片BLC,并按其順序層疊在熱電堆芯片SPC的厚壁部801上。并且,在二極管芯片DDC的與熱電堆芯片SPC的結合部190上形成二極管D1和D2。即使不將雙體透鏡BL分為雙體透鏡芯片BLC和二極管芯片DDC時,也可以在雙體透鏡BL的與熱電堆芯片SPC的結合部上形成二極管,并使結合部與基座80的厚壁部801結合,從而可以檢測在該處的基準溫度。當考慮到通過蝕刻成形為多級階梯狀的雙體透鏡形狀時,分為透鏡芯片BLC和二極管芯片DDC進行制造的方法,可以將制造工序分散,所以能簡化工藝組合并易于提高生產率。進一步,采用在透鏡芯片BLC的組成中添加硫化鋅(ZnS)或鍺(Ge)等方法,可以兼有作為遮斷可見光的紅外線濾光片的功能。利用由硫化鋅或鍺的多層膜構成的紅外線鍍層,還可以縮小波長范圍。此外,采用多級階梯形結構的透鏡芯片BLC的形態,與通常由曲面構成的透鏡相比,很容易進行用于確保透鏡具有相同的聚光精度的成形加工。
如上所述,構成紅外線檢測元件21的雙體透鏡芯片BLC、二極管芯片DDC及熱電堆芯片SPC,都可以利用對硅或鍺的半導體基板進行蝕刻等的半導體制造工藝形成,在二極管芯片DDC中,如圖13(b)所示,首先,在二極管芯片DDC的硅基板180的表面(圖中的底面側)上形成氧化膜105。接著,對氧化膜105形成圖案并進行離子摻雜,從而形成用作二極管D1和D2的P+區域DP1和DP2及N+區域DN1和DN2。然后,形成氧化膜106,并形成由鋁構成的二極管正極圖案DAP1和DAP2、二極管負極圖案DKP1和DKP2的金屬層。進一步,形成對其進行保護的氮化膜107等薄膜層。同時還形成正極端子DAT等的結構。
按如上方式形成的二極管D1和D2,最好將P+區域DP1和DP2及N+區域DN1和DN2配置成當與熱電堆芯片SPC結合時在二極管芯片DDC的結合部190內使PN結區域103大致位于熱電堆85的冷接點84的正上方。因此,在將二極管芯片DDC與熱電堆芯片SPC結合時,在接觸的狀態下將作為熱敏部的二極管D1和D2配置在作為基準溫度檢測的原理基準點的冷接點84的正上方,從而能以高的精度測定正下方的冷接點84或其附近的基準溫度。
進一步,如圖14的展開圖所示,二極管芯片DDC是中央開孔以便使紅外線照射在熱電堆芯片SPC的紅外線吸收體81上的結合基板,因而使與熱電堆芯片SPC的結合部190成為環狀。另外,在結合部190上,形成沿著該環狀結合部190延伸的2個二極管D1和D2。具體地說,首先,按大致的環狀形成連接于負極端子DKT1的二極管負極圖案DKP1、與其對應的N+區域DN1、連接于負極端子DKT2的二極管負極圖案DKP2、與其對應的N+區域DN2。另外,還按大致的環狀形成與共用的正極端子DAT連接并向2個方向中的一個方向延伸的二極管正極圖案DAP1、與其對應的P+區域DP1、與上述正極端子DAT連接并向2個方向中的另一個方向延伸的二極管正極圖案DAP2、與其對應的P+區域DP2。
另一方面,在熱電堆芯片SPC側,設置與二極管芯片DDC結合時用作紅外線檢測元件21的二極管輸出端子的DA、DK1和DK2。這些端子,分別用鋁配線與用于連接二極管芯片DDC的端子DAS、DKS1和DKS2連接。進一步,將這些端子DAS、DKS1和DKS2配置成與二極管芯片DDC的各端子DAT、DKT1和DKT2彼此相對。因此,如圖15(a)和(b)所示,在將二極管芯片DDC與熱電堆芯片SPC結合時,通過在構成相對的各端子的鋁層之間插入焊料110等軟金屬,可以將各個連接用端子DAS和DAT、DKS1和DKT1、以及DKS2和DKT2連接。另外,在熱電堆芯片SPC中,由于將輸出端子DA、DK1和DK2配置在向與二極管芯片DDC結合的區域的外側延伸的基座表面80a上,所以可以提供很容易連接的紅外線檢測元件21。
這樣,通過在雙體透鏡BL或其他直接與熱電堆芯片SPC結合的基板的結合部分上形成二極管D1和D2,可以在與用作熱電堆芯片SPC的散熱器的厚壁部801接觸的狀態下配置二極管D1和D2。因此,可以將二極管D1和D2作為熱敏部而以高的精度檢測作為熱電堆85的冷接點84的溫度的基準溫度,因而能進行高精度的溫度測定。另外,通過將二極管配置在與熱電堆芯片SPC不同的芯片上,可以節省將二極管配置在熱電堆芯片SPC上的空間,所以,具有可以提供作為整體進一步小型化的紅外線檢測元件21的可能性。此外,這些雙體透鏡芯片BLC、二極管芯片DDC及熱電堆芯片SPC,都可以利用半導體制造工藝制作。因此,具有適于批量生產的結構,因而能以低成本供給靈敏度高的小型紅外線檢測元件。
進一步,通過將雙體透鏡BL與熱電堆芯片SPC結合或如本例所示將雙體透鏡芯片BLC和二極管芯片DDC的組合與熱電堆芯片SPC結合,可以使雙體透鏡的溫度與作為散熱器的厚壁部801的溫度一致,從而減小由外部的熱發射的紅外線的影響或干擾。因此,能夠減少誤差因素,并可以使測定精度進一步提高。此外,通過將用作紅外線透鏡的雙體透鏡與熱電堆芯片的結合部作為熱敏部的配置空間,可以實現小型化,同時還可以利用二極管D1和D2掌握雙體透鏡BL側的溫度(由于是接觸狀態,所以等于基準溫度),因而還可以減小由基準溫度與透鏡溫度的溫度差引起的測定誤差。
進一步,在上述的例中,用于形成二極管D1和D2的被稱作二極管芯片的基板,是為使雙體透鏡芯片(透鏡基板)BLC與熱電堆芯片SPC結合而加工形成的由半導體構成的結合基板。因此,不限于上述形式,可以加工為使透鏡芯片的形狀與熱電堆芯片的形狀一致的適當形狀,從而使具有適于用作透鏡的形狀的雙體透鏡芯片BLC與具有適于用作紅外線傳感器的形狀的熱電堆芯片SPC適當地結合。
另外,在上述的例中,將端子集中在熱電堆芯片SPC的一側配置,以便將接線26從一側引出,但也可以分開在兩側形成,或使熱電堆芯片SPC比雙體透鏡BL(雙體透鏡芯片BLC+二極管芯片DDC)大一周,從而可以將端子分散在芯片的周邊部形成,以便從整個區域取出信號。
進一步,在該例中,如圖16所示,將二極管正極圖案DAP1和DAP2及二極管負極圖案DKP1和DKP2設置成與作為二極管的導電體區域的P+區域DP1和DP2及N+區域DN1和DN2接觸,以便將作為二極管應為等電位的部位的電位差消除,從而可以確保更可靠的動作。如果在性能和動作上不存在問題,則可以從P+區域DP1和DP2及N+區域DN1和DN2直接連接到各端子DAT、DKT1和DKT2,從而也可以將各圖案DAP1、DAP2、DKP1、DKP2等省略。但是,當按環狀配置二極管時,由于導電體區域變長,所以最好按本例所示設置圖案,以便防止電位差的發生。
在熱電堆芯片SPC側形成二極管D1和D2時也一樣,如圖1所示,設置二極管正極圖案DAP1和DAP2及二極管負極圖案DKP1和DKP2并將其設置在熱電堆芯片SPC上,以便將作為二極管應為等電位的部位的電位差消除,從而可以確保更可靠的動作。在這種情況下,雖然很難在冷接點84的正下方構成二極管,但可以將二極管D1和D2配置在與冷接點84十分靠近的部位,因而能以與上述的例同樣或更高的精度測定基準溫度。
另外,作為形成熱電偶82的導電體材料,最好是電阻系數小、且熱傳導率小。因此,與電阻系數雖小但熱傳導率易于增大的金屬相比,大多采用易于得到電阻系數小而熱傳導率也小的材料的半導體。即,最好采用表示每單位溫度差的熱電動勢的絕對熱電能量(所謂的塞貝克系數)比普通金屬大得不能相比的半導體材料。因此,在上述的例中,作為形成熱電偶82的一個導電體,采用將V族元素的磷P作為雜質進行摻雜的多晶硅。因此,該多晶硅為n型半導體,但也可以變更為電阻系數和熱傳導率更小的半導體材料。此外,例如,也可以將摻雜了所謂III族元素等的受主雜質的p型半導體用作熱電偶82的導電體。另外,作為構成熱電偶82的另一個導電體,有鋁、(摻磷后)的多晶硅、硅化鉬、氮化鈦、硅化鎢等。
進一步,熱電偶82的另一個導電體雖然采用了鋁,但也可以用p型半導體與n型半導體的組合構成熱電偶。在這種情況下,由于p型半導體和n型半導體的塞貝克系數具有相反的極性,所以也可以采用將p型半導體與n型半導體交替地串聯連接而構成的熱電堆。此外,也可以僅在用作該熱接點和冷接點的部分使用電阻系數更小的金屬。
一般地說,如根據所謂開耳芬關系式及卡諾循環效率式等考慮到作為熱電堆的效率、或其使用的各種材質的性能系數、珀耳帖系數及湯姆遜系數,則可以達到高的效率,而且還可以提高作為熱電堆的靈敏度。此外,即使在使用金屬作為其中一個或兩個導電體的情況下,也可以只將熱接點與冷接點之間用熱傳導率小的金屬或半導體轉接,從而提高測定靈敏度。
為提高熱電偶82或熱電堆85的靈敏度,如上所述,狹縫是有效的方式。因此,在上述紅外線檢測元件21中,在各熱電偶的一個導電體、例如鋁電極91與鄰接的熱電偶的另一個導電體、例如多晶硅電極92之間設置著狹縫98。按照這種方式,可以減小熱接點83與冷接點84之間的熱傳導并確保兩者之間有大的溫度差,從而可以增大熱電偶82中產生的電動勢。因此,即使在將熱接點與冷接點的間隔縮短而實現小型化的情況下,也可以提供靈敏度高的紅外線檢測元件21。所以,最好是確保增加狹縫98的寬度。但是,由于必需增加各導電體的間隔,所以很難以密集的方式配置多個熱電偶,并有可能增加芯片的面積。
與此不同,如圖17的放大圖和圖18的其局部斷面圖所示,在薄膜部802的中間支承區域68內,在作為構成熱電偶82的一個導電體的多晶硅層92上設置氧化膜99并在其上形成作為另一個導電體的鋁層91,可以使導電體91和92上下重疊。因此,可以減小導電體91和92所占的平面面積,所以可以在兩者之間形成寬的狹縫98。另外,通過將導電體91和92重疊配置,可以進一步提高熱電偶82的安裝密度。因此,可以加寬狹縫98而不改變芯片整體的表面積,從而能進一步提高測定靈敏度。
另外,如圖19的放大圖和圖20的其局部斷面圖所示,在薄膜部802的中間支承區域68內,也可以將狹縫98設置在構成熱電偶的一個或兩個導電體的寬度內。在圖19和圖20所示的例中,在中間支承區域68內,在構成熱電偶的多晶硅層92上設置從表面連通到空心部KW的狹縫98,從而減小導電體的斷面積。因此,可以減少通過導電體92傳遞的熱量,并能提高熱電偶的靈敏度。而且,熱電偶82的安裝密度也不會降低。
另外,在上文中說明了以狹縫狀貫通薄膜部802的例,但不限于狹縫狀的孔。進一步,也不限于貫通薄膜部802而到達空心部KW,通過使薄膜部802或構成熱電偶82的導電體92或91的一部分形成凹狀以減小熱接點與冷接點之間的斷面積,也可以減少熱傳導量并提高靈敏度。
在本例中,以設有紅外線吸收體81的熱電堆芯片SPC為例說明了本發明,但通過由空心部KW形成薄膜部802也可以實現對紅外線具有足夠高的靈敏度的傳感器。此外,厚壁部801的未被蝕刻而留下的硅基板81具有散熱器的功能。因此,即使是在薄膜部802上未形成紅外線吸收體81的紅外線檢測元件,也可以采用本發明,因此可以提供靈敏度足夠高的紅外線檢測元件,并可以應用于體溫計等用途。此外,如果在薄膜部802上設有紅外先吸收體81,則由于紅外線吸收體81因吸收紅外線而溫度上升,所以能夠增大薄膜部802與厚壁部801之間的溫度差,所以可以提高熱電堆85的輸出電壓并使測定靈敏度進一步提高。
另外,在上文中,作為采用了本發明的紅外線檢測元件21的溫度測定裝置的一例,舉出了耳式體溫計,但只要是利用從熱源發射的紅外線測定該熱源的溫度,當然可以是其他型式的體溫計,當然也可以將本發明應用于其他用途的溫度測定裝置而不限于體溫計。此外,測定出的溫度有各種各樣的利用方法,如本例所示,可以顯示出所測定的溫度,或者也可以利用測定出的溫度進行各種控制。因此,本發明的溫度測定裝置,不限定于僅具有溫度測定功能的裝置,也包括與與其他功能、例如控制功能構成一體的裝置。進一步,如上所述的實施形態只不過是本發明的一例,在不脫離本發明的要點的范圍內,也可以進行適當的變更。
權利要求
1.一種紅外線檢測元件,具有基座,備有薄膜部及配置在該薄膜部周圍的厚壁部;熱電堆,將形成為使冷接點位于上述厚壁部的上部并使熱接點位于上述薄膜部的上部的多個熱電偶串聯連接;及基準溫度檢測裝置,備有與上述厚壁部接觸的熱敏部。
2.根據權利要求1所述的紅外線檢測元件,其特征在于上述基座至少備有形成上述厚壁部的基部的半導體基板,上述熱敏部,是在上述半導體基板上形成的PN結。
3.根據權利要求2所述的紅外線檢測元件,其特征在于由上述PN結形成二極管。
4.根據權利要求2所述的紅外線檢測元件,其特征在于備有多個上述PN結。
5.根據權利要求2所述的紅外線檢測元件,其特征在于將上述多個PN結并列配置。
6.根據權利要求5所述的紅外線檢測元件,其特征在于共用上述多個PN結的一個導電體層。
7.根據權利要求2所述的紅外線檢測元件,其特征在于上述PN結在上述冷接點的下方形成。
8.根據權利要求2所述的紅外線檢測元件,其特征在于上述PN結沿著上述薄膜部的周圍形成。
9.根據權利要求8所述的紅外線檢測元件,其特征在于在上述PN結的第1導電體層和第2導電體層的各上表面上,形成沿著該第1和第2導電體層延伸的電極。
10.根據權利要求1所述的紅外線檢測元件,其特征在于具有與上述基座的厚壁部的上表面結合的第2基板,在上述基座的與上述第2基板的結合部和/或上述第2基板的與上述基座的結合部上,設置上述熱敏部。
11.根據權利要求10所述的紅外線檢測元件,其特征在于上述第2基板是半導體基板,上述熱敏部,是在上述第2基板的結合部形成的PN結。
12.根據權利要求11所述的紅外線檢測元件,其特征在于備有多個上述PN結。
13.根據權利要求11所述的紅外線檢測元件,其特征在于上述多個PN結并列配置。
14.根據權利要求13所述的紅外線檢測元件,其特征在于共用上述多個PN結的一個導電體層。
15.根據權利要求11所述的紅外線檢測元件,其特征在于上述PN結配置在上述冷接點的上方。
16.根據權利要求11所述的紅外線檢測元件,其特征在于上述PN結沿著上述結合部形成。
17.根據權利要求16所述的紅外線檢測元件,其特征在于形成沿著上述PN結的這些第1導電體層和第2導電體層延伸的電極,使所述PN結與該第1和第2導電體層的各上表面接觸。
18.根據權利要求1所述的紅外線檢測元件,其特征在于在上述薄膜部上,還具有可以將紅外線會聚在該薄膜部上的紅外線透鏡。
19.根據權利要求18所述的紅外線檢測元件,其特征在于在上述薄膜部上,具有層疊的紅外線吸收體,使其至少覆蓋上述熱接點或其附近,上述紅外線透鏡聚光于上述紅外線吸收體。
20.根據權利要求18所述的紅外線檢測元件,其特征在于上述紅外線透鏡與上述基座的厚壁部結合。
21.根據權利要求20所述的紅外線檢測元件,其特征在于在上述基座的與上述紅外線透鏡的結合部和/或上述紅外線透鏡的與上述基座的結合部上,設置上述熱敏部。
22.根據權利要求20所述的紅外線檢測元件,其特征在于上述紅外線透鏡,通過對半導體基板進行蝕刻形成,上述熱敏部,是在上述紅外線透鏡的結合部形成的PN結。
23.根據權利要求22所述的紅外線檢測元件,其特征在于備有多個上述PN結。
24.根據權利要求23所述的紅外線檢測元件,其特征在于上述多個PN結并列配置。
25.根據權利要求24所述的紅外線檢測元件,其特征在于共用上述多個PN結的一個導電體層。
26.根據權利要求22所述的紅外線檢測元件,其特征在于上述PN結配置在上述冷接點的上方。
27.根據權利要求22所述的紅外線檢測元件,其特征在于上述PN結在上述結合部上沿著薄膜部的周圍形成。
28.根據權利要求27所述的紅外線檢測元件,其特征在于形成沿著上述PN結的這些第1導電體層和第2導電體層延伸的電極,使所述PN結與該第1和第2導電體層的各上表面接觸。
29.根據權利要求1所述的紅外線檢測元件,其特征在于形成貫通構成上述熱電偶的導電體之間的薄膜部的孔和/或更薄的薄膜部分。
30.根據權利要求29所述的紅外線檢測元件,其特征在于在上述薄膜部上,層疊構成上述熱電偶的導電體及與其串聯連接的導電體。
31.根據權利要求1所述的紅外線檢測元件,其特征在于形成貫通構成上述熱電偶的導電體的孔或使上述導電體薄膜化的部分。
32.根據權利要求1所述的紅外線檢測元件,其特征在于在上述薄膜部上,具有層疊的紅外線吸收體,使其至少覆蓋上述熱接點或其附近。
33.一種溫度測定裝置,具有權利要求1所述的紅外線檢測元件、及根據由上述基準溫度檢測裝置的輸出求得的基準溫度從上述熱電堆的輸出電壓求取溫度的裝置。
34.根據權利要求33所述的溫度測定裝置,其特征在于上述熱敏部備有PN結,上述求取溫度的裝置,備有根據上述PN結的正向電壓降求取上述基準溫度的裝置。
35.根據權利要求33所述的溫度測定裝置,其特征在于上述熱敏部備有多個PN結,上述求取溫度的裝置,備有根據上述多個PN結的正向電壓降的差分求取上述基準溫度的裝置。
36.根據權利要求33所述的溫度測定裝置,其特征在于具有可以將前端插入耳孔內的筒狀部分,并將上述紅外線檢測元件配置成使上述薄膜部朝向上述筒狀部分的前端。
37.根據權利要求36所述的溫度測定裝置,其特征在于上述紅外線檢測元件,在上述薄膜部上備有層疊的紅外線吸收體,使其至少覆蓋上述熱接點或其附近,并將該紅外線吸收體配置成朝向上述筒狀部分的前端。
全文摘要
本發明的紅外線檢測元件,具有:基座,備有薄膜部及配置在該薄膜部周圍的厚壁部;及熱電堆,將形成為使冷接點位于厚壁部的上部并使熱接點位于薄膜部的上部的多個熱電偶串聯連接,在該紅外線檢測元件中,設置與厚壁部接觸的熱敏部,從而當根據熱電堆的輸出求取溫度時可以利用精度高的基準溫度。通過將在半導體基板上形成的PN結用作熱敏部,能以低成本提供高性能的小型紅外線檢測元件。
文檔編號G01J1/02GK1328251SQ0112087
公開日2001年12月26日 申請日期2001年6月5日 優先權日2000年6月6日
發明者佐藤茂美, 巖本修, 鹽原康弘, 織田裕二 申請人:精工愛普生株式會社