专利名称：红外线检测元件和红外线成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及接收和检测红外线并且具体适于由于自发极化的变化而产生表面电荷的热电型红外线检测元件的红外线检测元件。此外，本发明涉及包括红外线检测元件并且获取红外线摄像图像的红外线成像装置。
背景技术：
检测感测的红外线的红外线检测元件主要分为所谓的量子型和热型两类。这两种类型中，吸收入射的红外线且通过红外线的温度变化检测红外线的热型红外线检测元件具有不需要冷却的优点。因此，近年来，热型红外线检测元件已经用作红外线成像装置的成像器(热敏成像)，或安装在环境产品等中的运动传感器。例如，热型红外线检测元件具有下列三种类型。一种是连接至引起塞贝克效应的热电偶的热电堆型。另一种是利用由于温度上升而引起的电阻值变化的辐射热计型。还有另一种是由于热电元件的自发极化的变化而产生表面电荷的热电型。其中，关于热电型红外线检测元件，为了提高对于红外线的敏感度，通过对各种热电材料或其组合的研究而不断地执行用于提高热电系数(由于温度变化而引起的表面电荷的产生效率)的研究和用于有效吸收入射的红外线的研究。例如，日本专利No. 3944465公开了如图15所示的中空结构，其中，红外线吸收部 101利用基板105上的支持柱104而浮在温度传感器103之上。通过利用支持柱104独立设置红外线吸收部101来尽可能多地增加红外线吸收部 101的面积。即，使可检测的传感器的面积与像素区域的面积的比率增加。此外，如图16所示，日本未审查专利申请公开No. 2008-51522公开了在二极管 114(红外线检测部)的上层侧上形成包括红外线吸收膜110、副反射膜111以及金属反射膜(红外线反射膜)112的红外线吸收层113。在红外线吸收层113中，通过最上部的红外线吸收膜110的红外线被最下部的红外线反射膜112反射，使得红外线返回至红外线吸收膜110，从而提高红外线的吸收效率。
发明内容
这里，在日本专利No. 3944465中，红外线吸收部101通过支持柱104支持以浮在空中。在该结构的半导体工艺中，需要一些步骤，其中，一次形成用于形成支持柱104的材料(称作支持柱层)，然后形成红外线吸收部101，通过蚀刻从支持柱层除去除支持柱104 的部分之外的多余部分，因此该结构使该工艺复杂化。此外，在日本专利No. 3944465中，经由支持柱104连接至红外线吸收部101的温度传感器103检测实际温度。它公开了二极管或晶体管用作温度传感器103，并且通过由于温度变化而引起的二极管或晶体管的电气特性的变化来检测红外线。从此可以看出，在日本专利No. 3944465的结构中，需要经由支持柱104将通过红外线吸收部101吸收红外线而获得的热量发送至温度传感器103。即，通过吸收红外线获得的热量没有完全用于增加温度传感器103的温度，因此，对应于在红外线吸收部101和支持柱104上增加的温度的量，换句话说，对应于红外线吸收部101和支持柱104的热容量发生损耗。结果，入射的红外线的使用效率趋于减小。此外，在上述结构中，还存在对传感器的热量的传导被延迟的问题。此外，在日本未审查专利申请公开No. 2008-51522中，需要在二极管114(红外线检测部)上形成红外线反射膜112和红外线吸收膜110，从而完成制造工艺。此外，还存在对应于红外线吸收膜110和反射膜112的热容量的损耗发生的问题。期望实现可以良好的效率吸收入射的红外线且以通过简单的结构而没有复杂的制造工艺有效使用获得的红外线能量的高敏感度红外线检测元件。根据本发明实施方式的红外线检测元件具有以下构造。S卩，红外线检测元件包括热电元件；上部电极和下部电极，被设置为具有该热电元件夹在其间的位置关系；以及开口功能不，在该上部电极上形成使得上部电极的膜厚度变小或为零。此外，根据本发明另一实施方式的成像装置具有以下构造。S卩，成像装置包括成像元件，包括设置在成像面上的多个红外线检测元件；以及成像光学系统，在该成像面上聚集红外线。此外，成像装置包括基于根据红外线的聚集由红外线检测元件获得的电荷的检测结果获得红外线摄像图像信号的图像信号获取单元。这里，成像元件的红外线检测元件包括热电元件；上部电极和下部电极，被设置为具有热电元件夹在其间的位置关系；以及开口功能部，在该上部电极上形成使得上部电极的膜厚度变小或为零。如上所述，在本发明实施方式中，提供了在上部电极上形成使得上部电极的膜厚度变小或为零的开口功能部。由于开口功能部中的红外线的透射率增大，所以透射至热电元件侧的红外线的量相应增加。结果，可提高红外线检测敏感度。此外，由于仅通过使上部电极的厚度变小或为零而形成开口功能部，所以可以防止实现高敏感度的红外线检测元件的制造工艺复杂化。根据本发明实施方式，可以实现高灵敏度的红外线检测元件而防止其制造工艺复
图1是示出根据本实施方式的成像装置的内部构造的框图。图2是示出根据第一实施方式的红外线检测元件的结构的透视图。图3是根据第一实施方式的红外线检测元件的截面结构图。图4是示出成像器的结构的平面图。图5A和图5B是示意性示出对应开口部的存在和不存在的红外线的透射和反射的形式的示图。图6A和图6B是示意性示出对应开口部的存在和不存在的热传导的形式的示图。图7是以表格示出开口率、红外线的透射率和反射率之间的关系的表格的示图。
图8是示出关于开口率的温度变化率和输出率之间的关系的示图。图9是根据第二实施方式的红外线线检测元件的截面结构图。图10是根据第三实施方式的红外线线检测元件的截面结构图。图11根据变形例1的红外线检测元件的截面结构图。图12A至图12F是示出开口部的形状修改的示图。图13A和13B是示出根据变形例2的红外线检测元件的结构的示图。图14是根据变形例3的红外线检测元件的截面结构图。图15是示出现有技术中具有支持柱的红外线检测元件的结构的示图。图16是示出现有技术中具有红外线吸收层的红外线检测元件的示图。
具体实施例方式下文，将描述本发明的实施方式。将以下列顺序进行描述。1.第一实施方式1-1.成像装置的构造1-2.红外线检测元件和成像器的结构1-3.操作和效果2.第二实施方式3.第三实施方式4.变形例1.第一实施方式1-1.成像装置的构造图1是示出根据本实施方式的成像装置的内部构造的框图(下文中，称为根据实施方式的成像装置)。在图1中，根据实施方式的成像装置包括成像透镜1。成像透镜1在成像器4的成像面上聚集图中入射光Li所表示的来自物体的红外线。成像透镜1的材料没有特别限制，只要它透过红外线。例如，除了已经在现有技术中提出的Ge透镜或Si透镜，可以使用由比现有技术中的透镜的材料更便宜的材料构成并且可以透过红外线的透镜。此外，可以使用将在今后开发的红外线的透镜材料。此外，用于在成像器4上聚集红外线的光学系统实际上包括多个透镜；然而，为了便于描述，仅抽取和示出成像透镜1。快门2和快门驱动单元3被安装使得交替重复从物体到成像器4的红外线的照射和遮蔽。例如，快门2可以使用包括遮蔽部件(由遮蔽来自物体的红外线的材料构成)的快门和保持遮蔽部件以被转移的致动器。这种情况下，快门驱动单元3可以控制致动器的驱动，从而可以重复对成像器4的红外线的照射和遮蔽。可选地，快门2可包括诸如液晶快门的开口和闭口可变设定元件，并且在这种情况下，快门驱动单元3电控制开口和闭口可变设定元件的开口状态和闭口状态，从而重复对成像器4的红外线的照射和遮蔽。
这里，包括在该实例中的成像器4中的红外线检测元件是所谓的利用热电元件的热电型红外线检测元件；然而，热电元件根据温度变化(温差)产生电荷，因此即使为了对静止物体进行成像也需要有意地产生温差。为此，设置上述快门2和快门驱动单元3。S卩，通过快门2和快门驱动单元3交替重复从物体到成像器4的红外线的照射和遮蔽。因此，可以在每个像素(每个红外线检测元件)中有意地产生温差(照射状态中物体的温度与遮蔽状态中快门2的温度之间的温差)， 因此可以对静止物体和移动物体进行成像。成像器4包括通过热电元件形成并且设置在其成像面上的多个红外线检测元件。如稍后所述，每个红外线检测元件包括热电元件(稍后所述的热电薄膜10)、以及其间夹有热电元件的上部电极11和下部电极12，当通过快门2和快门驱动单元3照射和遮蔽红外线时在热电元件中产生根据“温差”的电荷，并且电荷通过上部电极和下部电极经历电荷/电压变化，然后被检测到。图像信号获取单元5接收如上所述通过成像器4的各个红外线检测元件中的电荷 /电压变换获得的电压信号(亮度值)，并且获得红外线摄像图像信号。图像信号处理单元6对通过图像信号获取单元5获得的图像摄像信号执行各种图像信号处理。例如，执行黑电平校正、像素缺陷校正、像差校正、光学阴影校正、透镜失真校正、温度调节、距离变化量的计算、编码等。来自图像信号处理单元6的输出经由接口(未示出)被发送至成像装置的外部显示器(图像显示设备)。1-2.红外线检测元件和成像器的结构图2是根据第一实施方式的红外线检测元件的结构的透视图；图3是根据第一实施方式的红外线检测元件的截面结构图；图4是示出成像器4的结构的平面图。如图2和图3所示，根据该实施方式的红外线检测元件包括作为热电元件的热电薄膜10、上部电极11、下部电极12和基板13。具体地，它们从上层侧开始以上部电极11、 热电薄膜10、下部电极12和基板13的顺序形成。这里，在本说明书中，“上层侧”表示当红外线从物体入射至的表面(上述成像面) 被设定为上表面时的上层侧。热电薄膜10由其中自发极化值根据通过吸收红外线的温度变化而变化的热电材料构成。此外，热电材料没有特别限制，例如可以使用作为无机材料的钛酸铅、锆钛酸铅和钽酸锂，以及作为有机材料的硫酸三甘肽(TGQ和聚偏二氟乙烯。上部电极11和下部电极12由导电材料构成。例如，上部电极11和下部电极12 的材料可以包括例如Pt、Ti、Cr、Al、Au、Cu等。在该实施方式中，上部电极11设置有开口部11A。开口部11被形成以使下层热电薄膜10的一部分暴露至外部。即，形成开口部IlA的部分上的上部电极11的厚度为零。在该实例中，为每个红外线检测元件(每个像素)形成4个开口部IlA0此外，每个开口部IlA的形状是矩形。如图4所示，在成像器4中，均由“上部电极11、热电薄膜10和下部电极12”形成的多个单元(像素)分别设置在基板13上。形成有上部电极11的面是成像器4的表面 (成像面)。
1-3.操作和效果这里，由于热电薄膜10通过吸收红外线时发生的温度变化所引起的自发极化的变化而产生表面电荷，所以可以获得仅对应于夹在上下部电极之间的区域的输出。因此，为了通过吸收更多红外线来增加敏感度，通常，尽可能宽阔地形成上部电极11。然而，通常，金属的红外线反射率超过90%，并且如果金属实际上用作电极，那么 90%以上的输入的红外线能量被反射，因此该能量不能充分用于位于上部电极11以下的热电薄膜10的温度变化。因此，在该实施方式中，通过设置上述的开口部IlA而使热电薄膜10的一部分暴露至上表面侧。图5A和图5B示意性示出没有开口部IlA时红外线的透射和反射形式(图5A)和设置开口部IlA时红外线的透射和反射形式(图5B)，图6A和图6B示意性示出没有开口部 IlA时热传导的形式(图6A)和设置开口部IlA时热传导的形式(图6B)。此外，在图6A和图6B中，通过颜色的深浅表示热量，并且深颜色表示较大的热量。从图5A和图5B可以看出，在上部电极11上形成有开口部IlA的部分上暴露热电薄膜10，因此通过上部电极11最初反射的红外线可以透过热电元件，从而还增加到达热电薄膜10的红外线的量。此外，如图6A和6B所示，当设置开口部IlA时，到达热电薄膜10的红外线能量的量同时增加。图7以表格示出开口率、红外线的透射率和反射率之间的关系。此外，图7示出Pt 用作上部电极11的材料，其膜厚度被设定为30nm以及像素尺寸被设定为17 μ mX 17 μ m时的仿真结果。在图7中，可以看出随着上部电极11的开口率(上部电极11上的开口部IlA所占的比率)增加，反射率减小，并且相反，透射率增加。同时，通常通过以下等式1获得温度变化量ΔΤ。
权利要求
1.一种红外线检测元件，包括热电元件；上部电极和下部电极，被设置为具有所述热电元件夹在所述上部电极和所述下部电极之间的位置关系；以及开口功能部，在所述上部电极上形成使得所述上部电极的膜厚度变小或为零。
2.根据权利要求1所述的红外线检测元件，其中，所述开口功能部对所述上部电极的开口率约为30%至70%。
3.根据权利要求2所述的红外线检测元件，其中，所述上部电极由Pt、Ti、Cr、Al、Au和 Cu中的一种构成。
4.根据权利要求3所述的红外线检测元件，还包括设置在所述热电元件与所述上部电极之间的保护透射膜。
5.根据权利要求4所述的红外线检测元件，其中，所述保护透射膜由Ti或Cr构成。
6.根据权利要求5所述的红外线检测元件，还包括在所述上部电极的上表面上的红外线吸收膜。
7.根据权利要求1所述的红外线检测元件，其中，至少对所述热电元件的上表面中由所述开口功能部开口的区域或对所述上部电极的上表面或下表面给出至少具有等于或小于被设为检测对象的红外线的波长的节距的凹凸。
8.根据权利要求1所述的红外线检测元件，其中，在所述上部电极上形成的所述开口功能部的数量为1。
9.根据权利要求1所述的红外线检测元件，其中，在所述上部电极上形成多个所述开口功能部。
10.根据权利要求1所述的红外线检测元件，其中，所述开口功能部被形成为使得所述上部电极的厚度为零。
11.根据权利要求1所述的红外线检测元件，其中，所述开口功能部是使所述上部电极变薄的凹部。
12.根据权利要求1所述的红外线检测元件，其中，所述热电元件为锥形。
13.一种红外线成像装置，包括成像元件，包括设置在成像面上的多个红外线检测元件；成像光学系统，在所述成像面上聚集红外线；以及图像信号获取单元，基于根据所述红外线的聚集由所述红外线检测元件获得的电荷的检测结果获得红外线摄像图像信号，其中，所述成像元件的所述红外线检测元件包括热电元件；上部电极和下部电极，被设置成具有所述热电元件夹在所述上部电极和所述下部电极之间的位置关系；以及开口功能部，在所述上部电极上形成使得所述上部电极的膜厚度变小或为零。
14.根据权利要求13所述的红外线成像装置，其中，所述上部电极由Pt、Ti、Cr、Al、Au 和Cu中的一种构成。
全文摘要
本发明公开了一种红外线检测元件和红外线成像装置。该红外线检测元件包括热电元件；上部电极和下部电极；被设置为具有该热电元件夹在其间的位置关系；开口功能部，在上部电极上形成使得上部电极的膜厚度变小或为零。
文档编号H04N5/33GK102569634SQ201110391559
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月30日 优先权日2010年12月7日
发明者椛泽秀年, 若林稔, 齐藤政宏 申请人:索尼公司