專利名稱：輻射熱計及其制造方法
技術領域：
本發明涉及檢測紅外線或太赫茲波的輻射熱計。
背景技術：
下面參照圖11描述公知輻射熱計的單元結構。在此輻射熱計中，以腿部42作為支撐將通過間隙7與硅襯底I分離的隔膜型絕熱部4設置在硅襯底I上，將紅外線檢測部3設置在絕熱部4上。如果照射了紅外線，則紅外線檢測部3被加熱，并且隨溫度變化的電阻變化被檢測到。通常，如果在絕熱部4與硅襯底I之間的間隙7中有空氣，則因為熱量由于空氣的熱傳導而傳到硅襯底1，絕熱部4的溫度變化減少，并且靈敏度降低，所以該部分處于真空。設置紅外線反射膜6，以便將透過絕熱部4上的紅外線檢測部3而未被紅外線檢測部3吸收 的紅外線返回，從而增加吸收率(專利文獻I)。現有技術文獻專利文獻[專利文獻I]日本特開2007-263769號公報
發明內容
技術問題當制作圖11所示結構時，通常，使用硅微機電系統(MEMS)工藝。下面參照圖12描述典型MEMS工藝的制造流程。首先，如圖12 (a)所示，利用化學氣相沉積(CVD)方法在半導體襯底801 (其上制作具有互補金屬氧化物半導體(CMOS)晶體管等等的讀取電路)上形成絕緣中間層820，并且在絕緣中間層820上形成金屬紅外線反射膜804并對金屬紅外線反射膜804進行圖案化。之后，進一步形成絕緣中間層820，并在絕緣中間層820上形成犧牲層830。為了制作隔膜從半導體襯底801浮離的結構，首先，形成犧牲層830，在犧牲層830上形成隔膜或紅外線檢測部，最后通過蝕刻將犧牲層830去除。在形成犧牲層830以后，如圖12(b)所示，利用CVD方法形成由氮化硅膜831和氧化硅膜832制成的隔膜并對該隔膜進行圖案化。在犧牲層830上形成金屬電極805并對金屬電極805進行圖案化。隨后，如圖12(c)所示，形成與金屬電極805歐姆接觸的熱敏電阻器806并對熱敏電阻器806進行圖案化。在熱敏電阻器806上形成第二氮化硅膜833，然后形成紅外線吸收膜811并對紅外線吸收膜811進行圖案化。最后，如圖12(d)所示，通過蝕刻將犧牲層830去除，以獲得具有隔膜結構的單元。在圖中，為了有滿意靈敏度的檢測，通常將紅外線反射膜804與紅外線吸收膜811之間的距離設定為波長I的1/4。也就是說，當檢測波長I = IOmm時,設定d = 2. 5mm。
如上所述，為了產生現有技術的結構，需要復雜的制造方法，并且光刻次數增加。隔膜是由氮化硅膜831、833以及氧化硅膜832形成的薄膜(大約O. 5mm)，并通過細梁(l-2mm)連接到半導體襯底801以便保持熱量。因此，在蝕刻犧牲層830時，有可能出現諸如隔膜(831-833)由于表面張力或翹曲而粘貼到半導體襯底801之類的缺陷。也就是說，制造工藝的困難程度可能很高。因此，因為每個制造工藝需要更嚴格的條件調節，并且已發現的制造條件的裕度小，所以制造條件的波動大大影響了產率。熱敏電阻器806由電阻根據溫度而變化的材料制成。當電阻隨溫度的變化(TCR 電阻溫度系數值)大時，傳感器的靈敏度增加。因此，通常使用具有大TCR值的氧化釩等等。氧化釩是通常硅工藝中沒有的材料，并且其TCR值在很大程度上取決于膜形成條件或者隨后的熱處理條件。也就是說，這意味著關于電阻器形成，需要艱難的條件調節。 在這種方式下，制造隔膜(831-833)結構時的困難和形成電阻器材料方法中的困難影響產率，導致制造成本增加。如上所述，因為隔膜(831-833)與半導體襯底801之間的間隙應當處于真空，所以應當將傳感器芯片置于完全真空密封的封裝中，導致成本增加。結果，在現有技術的紅外線圖像傳感器中使用的微型輻射熱計在制造工藝中使用硅MEMS工藝，并且因為以真空密封的方式封裝傳感器，所以存在成本不可避免地增加的問題。當要由輻射熱計檢測的波具有像太赫茲波這樣的長波長時，必須增加反射膜與吸收膜之間的距離。例如，當檢測ITHz的波時，因為波長I = 300mm，所以必須使得d = 1/4=75mm0在現有技術的結構中，如上所述，隔膜(831-833)與半導體襯底801之間距離的增加對應于犧牲層厚度的增加，并伴隨著制造困難。也就是說，在現有技術的結構中，存在如下問題難以制造對太赫茲波具有高靈敏度的輻射熱計。考慮上述問題而完成了本發明，并且本發明的目的是提供一種能夠在不使用昂貴制造設備的情況下簡單地制造，并且能夠檢測現有技術中難以檢測的太赫茲波等等的輻射熱計及其制造方法。問題的解決方案根據本發明的輻射熱計包括襯底；在所述襯底上形成的絕熱層；在所述絕熱層上形成的熱敏電阻器；以及在所述熱敏電阻器與所述襯底之間形成的光反射膜。根據本發明的制造輻射熱計的方法包括在襯底上形成光反射膜；在所述襯底和所述光反射膜上形成絕熱層；以及在所述絕熱層上形成熱敏電阻器。雖然在根據本發明的制造方法中，按順序描述了多個制造工藝，但是該順序并非要限制執行多個制造工藝的順序。因此，當執行根據本發明的制造方法時，可按照內容沒有困難地改變多個制造工藝的順序。根據本發明的制造方法不限于在不同定時個體地執行多個制造工藝的情況。因此，當執行某一制造工藝時可進行另一制造工藝，執行某一制造工藝的定時與執行另一制造工藝的定時可部分或全部地相互重疊。發明的有益效果根據本發明，實現了能夠在不使用昂貴制造設備的情況下簡單地制造，并且能夠檢測現有技術中難以檢測的太赫茲波等等的輻射熱計及其制造方法。
根據以下實施方式及附圖，上述及其他目的、特征和優點將顯而易見。圖I示出根據本發明實施方式的輻射熱計的結構，具體而言，圖I (a)是平面圖，圖1(b)是沿著線A-A'的剖視圖。圖2是示出具有輻射熱計陣列的圖像傳感器的結構的平面圖。圖3是示出一變形例的輻射熱計的結構的縱剖前視圖。圖4是示出另一變形例的輻射熱計的結構的縱剖前視圖。 圖5是示出制造輻射熱計的方法的縱剖前視圖。圖6是示出制造第一實施例的輻射熱計的方法的工藝視圖。圖7是示出第二實施例的輻射熱計陣列的結構的平面圖。圖8是示出輻射熱計陣列的主要部分的內部結構的縱剖前視圖。圖9是示出制造輻射熱計陣列的方法的工藝視圖。圖10是示出輻射熱計陣列的總體結構的平面圖。圖11示出現有技術的輻射熱計的結構，具體而言，圖11 (a)是立體圖，圖11 (b)是縱首1J前視圖。圖12是示出制造輻射熱計的方法的工藝視圖。
具體實施例方式下面參照圖I描述本發明的實施方式。在本實施方式中，用相同的名稱表示與上述現有技術相同的部分，并且不重復其詳細描述。圖I示出其中使用根據本發明實施方式的輻射熱計的紅外線傳感器單元，具體而言，圖I (a)是平面圖，圖I (b)是沿著線A-A'的剖視圖。本實施方式的輻射熱計包括襯底101、形成在襯底101上并用作絕熱層(低熱導率層)的聚合物膜102、形成在聚合物膜102上的熱敏電阻器106以及形成在熱敏電阻器106與襯底101之間的光反射膜104。具體而言，在圖1(b)中，可使用諸如聚酰亞胺之類的塑料材料以低成本制造襯底101，并且因為熱量難以傳遞，所以襯底101能夠提高傳感器靈敏度。襯底101上的聚合物膜102由難以傳熱的材料形成，例如派瑞林(parylene)。派瑞林是熱導率僅為空氣的大約3倍并且難以傳熱的材料。本實施方式的聚合物膜102的熱導率必須低于襯底101的熱導率。例如，如上所述，當襯底101由聚酰亞胺制成時，聚合物膜102的熱導率必須等于或小于O. 3(W/mK)。因為沒有熱導率比空氣低的聚合物膜102，所以本實施方式的聚合物膜102的熱導率優選為
O.02-0. 3 (ff/mK)。派瑞林是對二甲苯系聚合物的通稱,在其結構中，苯環通過CH2連接在一起。派瑞林的示例包括派瑞林N、派瑞林C、派瑞林D、派瑞林HT等等。其中，熱導率最低的派瑞林是派瑞林C，其熱導率是0.084(W/mK)。因此作為本實施方式的聚合物膜102，優選使用派瑞林C。在這種情況下，熱導率大約是空氣的熱導率O.026 (W/mK)的 3· 2 倍。光反射膜104由金屬形成，例如鋁膜。在光反射膜104上，第二聚合物膜103由同一種派瑞林形成。該層必須令人滿意地透射紅外線，并且適當地使用派瑞林，因為派瑞林的紅外線透射率高。在第二聚合物膜103上形成電極105。作為用于電極的材料，希望使用熱導率低的鈦等等。熱敏電阻器106與電極105歐姆接觸。對于熱敏電阻器106，使用根據溫度變化而經歷電阻變化的材料。當電阻變化與單位溫度變化的比率(TCR值)大時，傳感器的靈敏度增加。作為熱敏電阻器106，適當地使用通過在材料上涂覆分散在溶劑中的碳納米管而形成的涂覆膜。這是因為由碳納米管網絡形成的膜的TCR值高，為O. 5-2. 0%，并且形成方法容易 進行。之所以將碳納米管有利地作為熱敏電阻器的原因是碳納米管膜對紅外線或太赫茲波具有高吸收率。如圖I (a)所示，電極105通過觸點107連接到行配線109和列配線108。作為用于行配線109和列配線108的材料，例如使用諸如鋁之類的金屬。利用上述構造，在圖1(b)的狀態下，如果紅外線或太赫茲波從上方入射，雖然一部分被熱敏電阻器106吸收，但是因為第二聚合物膜103由很可能透射紅外線或太赫茲波的派瑞林形成，所以大部分紅外線或太赫茲波透過第二聚合物膜103，到達金屬光反射膜104，并被光反射膜104反射。當熱敏電阻器106與光反射膜104之間的距離為d時，具有用d = 1/4表示且等于或小于I的波長的光分量諧振并變為熱量，并且熱敏電阻器的溫度上升。此時，因為聚合物膜102由具有低熱導率的派瑞林形成，所以熱量被保持，并且可獲得明顯的溫度上升。從電極105讀取隨著熱敏電阻器溫度上升的電阻變化，從而檢測紅外線的強度。因為本實施方式的輻射熱計不具有現有技術的隔膜結構，所以不需要制造隔膜結構所必須的硅MEMS工藝。因此，容易進行生產。不需要真空密封封裝對隔膜與襯底101之間進行真空化，從而促進了低成本。也就是說，因為在現有技術中的隔膜結構中存在空氣的位置被填充有絕熱性和低熱導率的聚合物膜103，所以容易進行制造，并且根據聚合物膜103的厚度，可以令人滿意地檢測期望的頻率。本發明不限于該實施方式，在不脫離本發明范圍的情況下可做出各種修改。例如，在上述形式中，示出一個單元的輻射熱計。但是，如圖2所示，熱敏電阻器206被以陣列形式布置，并且電極205通過各個列的觸點207連接到各個列的多條列配線208，并通過觸點207連接到各個行的多條行配線209。這樣，可獲得二維圖像傳感器。圖2是示出將圖I的傳感器單元布置為陣列的圖像傳感器的平面圖。當將熱敏電阻器206布置為陣列時，每條列配線208被布置在列方向上的單元共享，并且每條行配線209被布置在行方向上的單元共享。在這種方式下，在將各自具有輻射熱計的傳感器單元布置為陣列的結構中，將電信號給予與每個單元相對應的行配線209和列配線208，并且讀取該單元的電阻變化。因此，可以順序地讀取所有單元的電阻變化。因此，可以構造紅外線圖像傳感器。
在圖3所示的輻射熱計中，還在熱敏電阻器306上設置由派瑞林形成的第三聚合物膜310，并且在第三聚合物膜310上設置令人滿意地吸收紅外線或太赫茲波的光吸收層311。在這種情況下，對于光吸收層311，可使用碳納米管膜或者由氮化鈦形成的薄膜。在圖4所示的輻射熱計中，在熱敏電阻器406上形成光吸收層411。在這種情況下，作為光吸收層411，可使用溶解在有機溶劑中的聚酰亞胺的涂覆膜等等。如圖3或圖4所示，如果在輻射熱計中設置光吸收層311或411，則因為紅外線或太赫茲波的吸收率增加并且可獲得基本上100%的吸收率，所以獲得更高的溫度上升。作為用于熱敏電阻器106(206、306、506、406、606)的材料的另一種候選，考慮娃和鍺的混合物。雖然與碳納米管相比不容易進行硅和鍺的混合物的形成，但是已知該混合物具有等于或大于3%的聞TCR值,從而提聞傳感器的靈敏度。下面參照圖5簡單描述制造本實施方式的輻射熱計的方法的具體實施例。在圖5中，襯底501由諸如聚酰亞胺之類的塑料形成。在襯底501上，用鋁膜形成光反射膜504。·在光反射膜504上,用派瑞林形成聚合物膜502。在聚合物膜502上設置電極505和熱敏電阻器506。與圖I的不同是在襯底501上直接形成光反射膜504。在這種方式下，因為光反射膜504與熱敏電阻器506之間的距離d( = 1/4)大，所以可以對具有長波長的光提高靈敏度。例如，如果d = 75mm,則可以檢測I = 300mm的波長(ITHz的太赫茲波)。在這種情況下，雖然聚合物膜502應當具有對紅外線或太赫茲波的高透射率以及低熱導率，但是因為派瑞林滿足這兩個條件，所以派瑞林可以是合適的材料。當然，在內容一致的范圍內可將前述實施方式與各種變形例組合。雖然在前述實施方式和變形例中，具體描述了每個部分的結構等等，但是在滿足本發明的范圍內可以以各種形式改變結構等等。[第一實施例]作為本發明的第一實施例，下面參照圖6詳細描述制造輻射熱計的方法。在圖6(a)中，在由聚酰亞胺制成的塑料襯底601上沉積由鋁膜(1000人)構成的金屬掩膜，以形成列配線608。接下來，涂覆聚酰亞胺以形成絕緣膜620。類似于列配線，在絕緣膜620上形成行配線609。進一步在行配線609上涂覆聚酰亞胺以形成第二絕緣膜621。接下來，如圖6(b)所示，通過沉積形成厚度大約為20_的派瑞林膜，作為聚合物膜602。雖然派瑞林通常處于二聚體狀態，但是在沉積設備中將派瑞林加熱到大約700°C并置于單體狀態，并且在沉積于襯底以后置于聚合物狀態。接下來，通過鋁(1000 A )沉積在聚合物膜602上形成光反射膜604，并且通過派瑞林沉積在光反射膜604上形成厚度大約為2. 5mm的第二聚合物膜603。接下來，如圖6(c)所示，通過光刻和干蝕刻形成接觸孔607。接下來，如圖6(d)所示，使用鈦膜(1000 A)通過濺射形成通過接觸孔607連接到行配線和列配線的電極605，并通過光刻和剝離對電極605進行圖案化。之后，使用碳納米管膜形成熱敏電阻器606。可使用投放器，通過涂覆以超聲波方式將碳納米管分散在有機溶劑中的溶液來形成碳納米管膜。最后，如圖6(d)所示，可形成光反射膜604與熱敏電阻器606之間的距離d(=1/4)為d = 2. 5_的傳感器，也就是說，對波長為1-10_的遠紅外線具有高靈敏度的傳感器。[第二實施例]接下來，作為本發明的第二實施例，參照圖7描述輻射熱計陣列。圖7是本發明的輻射熱計陣列的實施例的平面圖。這里，描述布置兩行三列共六個輻射熱計的示例。第一電極702和第二電極703連接到每個輻射熱計的熱敏電阻器701。第一電極702連接到列配線704，第二電極703連接到行配線705。列配線704與行配線705通過絕緣膜706相互電絕緣。圖8是沿著圖7的線A-A'的剖視圖。如圖8所示，在襯底710上設置絕熱膜711，在絕熱膜711上設置光反射膜712，設置光透射層713，并設置連接到第一電極702和第二電極703的熱敏電阻器701。 利用這種結構，可形成觸點和輻射熱計陣列。雖然為了形成觸點通常需要光刻和蝕刻，但是根據本發明，不需要光刻和蝕刻，而是通過印刷等等進行制造，從而實現低成本。圖9(a)到圖9(d)是示出制造本發明的輻射熱計陣列的示意圖。如圖9(a)所示，在襯底710上形成絕熱層711，并且在絕熱層711上形成光反射膜712。作為襯底，可使用聚酰亞胺樹脂等等。希望由具有低熱導率的派瑞林形成絕熱層。如果派瑞林的厚度約為10-20 μ m，則足以用作絕熱層。可通過沉積金屬(例如鋁或金)的方法形成光反射膜。如果光反射膜的厚度大約是lOOnm，則足以用作反射膜。接下來，如圖9(b)所示，形成光透射層713，并在光透射層713上形成第一電極702和列配線704。在這種情況下，作為光透射層，希望使用可能透射紅外線的派瑞林。可同時用相同材料形成第一電極和列配線。作為形成方法，考慮通過沉積諸如鋁或金之類的金屬來形成第一電極和列配線的方法。通過印刷，第一電極和列配線可由諸如納米銀之類的材料形成。接下來，為了將列配線704的一部分與在后續工藝中跨過該行列的部分絕緣，形成絕緣膜706。作為形成絕緣膜的方法，使用通過印刷來涂覆和形成聚酰亞胺的方法。接下來，如圖9(c)所示，形成第二電極703和行配線705。在這種情況下，作為形成方法，可使用與形成第一電極和列配線的方法相同的方法。接下來，如圖9(d)所示，形成連接到第一電極和第二電極的熱敏電阻器701。作為熱敏電阻器，可使用碳納米管等等的墊形薄片。例如，可涂覆分散在溶劑中的碳納米管，并將溶劑蒸發，從而形成熱敏電阻器。圖10示出將本發明的輻射熱計陣列和讀取電路連接在一起的裝置的示例。也就是說，在圖10的第一襯底410上形成輻射熱計陣列。在每條列配線的一端形成列端子413，并在每條行配線的一端形成行端子414。第二襯底412例如是由硅半導體制成的襯底，并通過CMOS工藝(未示出)使用集成電路在該襯底上形成輻射熱計的讀取電路。在讀取電路上形成絕緣層，并將第一襯底接合到第二襯底。列端子413和行端子414與連接到第二襯底上形成的讀取電路中的列選擇電路415和行選擇電路416的端子電連接。雖然在這種情況下，使用接合線417進行連接，但是可以使用在端子上形成金屬球并壓制撓性線纜的另一方法。在這種方式下，使用在樹脂襯底上形成輻射熱計陣列、由半導體形成讀取電路、并使用安裝技術將它們連接在一起的方法，從而使得可以降低總制造成本。也就是說，如上所述，原因是可以通過低成本工藝在樹脂襯底上形成輻射熱計陣列，并且如果使用通常的硅CMOS工藝，則可以以低成本在半導體襯底上形成讀取電路。本申請要求基于2010年5月20日提交的日本專利申請No. 2010-115925以及2010年9月28日提交的日本專利申請No. 2010-216422的優先權，其全部公開內容 合并于此。
權利要求
1.一種輻射熱計，包括襯底；在所述襯底上形成的絕熱層；在所述絕熱層上形成的熱敏電阻器；以及在所述熱敏電阻器與所述襯底之間形成的光反射膜。
2.根據權利要求I所述的輻射熱計，其中所述絕熱層由派瑞林制成。
3.根據權利要求I或2所述的輻射熱計，其中所述熱敏電阻器與所述光反射膜之間的中間層膜由派瑞林制成。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的輻射熱計，其中所述襯底由樹脂制成。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的輻射熱計，還包括在所述熱敏電阻器附近形成且與所述熱敏電阻器熱耦合的光吸收層。
6.根據權利要求5所述的輻射熱計，其中所述光吸收層包含碳納米管。
7.根據權利要求5所述的輻射熱計，其中所述光吸收層由有機材料制成。
8.根據權利要求I至7中任一項所述的輻射熱計，其中所述熱敏電阻器包含碳納米管。
9.根據權利要求I至7中任一項所述的輻射熱計，其中所述熱敏電阻器包含硅和鍺。
10.一種制造輻射熱計的方法，該方法包括在襯底上形成光反射膜；在所述襯底和所述光反射膜上形成絕熱層；以及在所述絕熱層上形成熱敏電阻器。
全文摘要
在襯底(101)上形成聚合物膜(102)，在聚合物膜(102)上形成熱敏電阻器(106)，并在熱敏電阻器(106)與襯底(101)之間形成光反射膜(104)。因此，如果紅外線或太赫茲波從上方入射，則一部分被熱敏電阻器(106)吸收，并且大部分透過聚合物膜(102)并被光反射膜(104)反射。當熱敏電阻器(106)與光反射膜(104)之間的距離是d時，具有用d＝1/4表示且等于或小于1的波長的光分量諧振并變為熱量，并且熱敏電阻器(106)的溫度上升。檢測隨著熱敏電阻器(106)的溫度上升的電阻變化，從而檢測紅外線或太赫茲波的強度。
文檔編號H01C7/02GK102918369SQ20118002509
公開日2013年2月6日 申請日期2011年5月11日 優先權日2010年5月20日
發明者成田薰 申請人:日本電氣株式會社