专利名称：红外线检测元件及温度测定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及热电堆型红外线检测元件及采用该元件的温度测定装置。
采用了检测从热源发射的红外线并将其变换为电气信号的红外线检测元件的温度测定装置是众所周知的。作为红外线检测元件，已知有热电堆型、热电型及辐射热计型等。热电堆型红外线检测元件，利用热电偶或将多个热电偶串联连接的热电堆的塞贝克效应而将由红外线的发射吸收引起的温度变化作为热电动势进行检测。而热电型红外线传感器，则是利用由陶瓷等构成的基体材料中的与红外线的热能对应的极化所引起的浮动电荷的变化、即热电效应检测温度。此外，辐射热计，检测由金属及其他薄膜或极细的线形成的热敏电阻体因热而引起的电阻值变化。
在这些检测元件中，热电型红外线传感器，由于极化仅在施加热能后的瞬间产生，因而必须在光路上设置光阑并交替地测定被测定面温度和基准温度。所以，很难小型化而测定精度也很难提高。因此，可以应用于像自动门的「人体检测传感器」等对小型化或测定精度要求不高的用途。但是，对于像体温计等要求高精度的温度测定并要求小型和低成本的温度测定装置是不适用的。
另外，与热电型和热电堆型中必须检测与基准温度的相对温度差不同，辐射计型具有可以测定绝对温度的优点。但是，由测定电流引起的自身发热及电流噪声等误差因素很多，因此很难提高测定精度。此外，还需要偏置电源等，因而存在着使结构变得复杂且使用也很烦杂的难题。
与上述不同，热电堆型红外线检测元件，不利用像热电型那样的瞬态现象，也不会流过像辐射热计型那样的过大的测定电流，所以能够进行稳定的温度检测或测定。进一步，由于可以利用半导体制造工艺而小型化并能降低成本，所以适用于体温计等要求小型和低价格的温度测定装置。
在图21中，作为采用了热电堆型红外线传感器或红外线检测元件的温度测定装置，示出了一种耳式体温计100。该耳式体温计100，具有本体外壳11、接收来自耳内的红外线并输出与耳内温度即鼓膜温度对应的电压信号的红外线接收检测部200、装有各种电子部件和电路的电路基板3。在该电路基板3上，装有各种电子部件4C，从而形成根据红外线接收检测部200的输出电压求出鼓膜温度或由此求出体温值的温度导出电路400，进一步，还安装着对所求得的温度等进行显示的LCD5及对各部供给电力的电源6。
红外线接收检测部200，备有其形状为整体呈筒状向前(图中向右)少许伸出且前端可以插入耳孔内的壳体211、装在该壳体211内的波导管206、配置在该波导管206的基部并朝向壳体211前端的红外线检测芯片210。壳体211的前端是敞开的，用具有红外线透过性的探头盖25封盖，另外，波导管206的前端开口，用防止粉尘等进入的红外线透过性薄膜23封盖，该薄膜23，由薄膜压紧O形环24支承。因此，在将壳体211前端插入耳孔内时，入射到红外线接收检测部200内的红外线，由波导管206引导到红外线检测芯片210，红外线检测芯片210，接收与鼓膜温度对应的红外线并输出与其对应的电压信号。因此，当按压耳式体温计100的测温开关SW4时，可以由红外线接收检测部200通过红外线测定体温。
即，该体温计100为波导管型，如图22所示，从热源(耳孔)S入射的红外线，通过配置在红外线检测芯片210的前方的波导管206传播并引导到红外线检测芯片210。然后，由红外线检测芯片210的热电堆将由红外线引起的温度上升变换为电压后输出。
在图23中，示出红外线检测芯片210。该红外线检测芯片210，具有热电堆型红外线传感器209及热敏电阻211，该热电堆型红外线传感器209及热敏电阻211，安装在封装基板212上。在该红外线检测芯片210内，热敏电阻211，用于决定在红外线传感器209上形成的热电堆的基准温度、即冷接点的温度。而且，这些元件装在封装壳体213内，从而使总体整体化。此外，在封装壳体213的入射红外线的窗口上，设有用于遮断可见光并使红外线透过的由硅等构成的红外线滤光片208。
在图24中，用斜视图简略地示出红外线传感器、即红外线检测元件209。红外线传感器209，备有一个基座80，该基座80备有利用对硅基板进行蚀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、及硅基板的未被蚀刻而留下的原有的壁厚部分(厚壁部)801。即，红外线传感器209，具有使基座80的中央从下侧形成空心部分KW从而在上方构成膜片的结构。进一步，在薄膜部802的上方，用溅射、蒸镀等方法形成金黑镀膜，从而形成用作吸收红外线的黑体的红外线吸收体81。红外线吸收体81，通过吸收红外线而引起温度变化。
进一步，红外线传感器209，还备有设置在红外线吸收器81的四侧的多个高灵敏度热电偶82。各热电偶82的热接点83，配置成使其靠近或进一步重叠于红外线吸收器81，各热电偶82的冷接点84，配置在硅基板的基体材料部分的周边留下的厚壁部801上。因此，在每个热电偶82的热接点83和冷接点84之间，将产生与红外线吸收器81的温度上升对应的电动势，但只由单一的热电偶82产生的电动势是不够的。因此，在红外线传感器209中，将多个上述的热电偶82串联连接而构成热电堆85，并将其两端作为端子(例如+端子)86及端子(例如-端子)87，从而可以输出端子86与端子87之间的电压。
如详细地说明，则如图25所示，在各热电偶82中，采用铝(Al)91及多晶硅(Si—P)92两种导电体。多晶硅92，形成为线条状膜。各多晶硅92的靠近红外线吸收器81的一侧、即配置在薄膜部802上的一端，与铝配线91结合而形成热接点83。另一方面，配置在起着散热器作用的厚壁部801上的一端，与铝配线91结合而形成冷接点84。而且，各铝配线91将邻接的多晶硅92的热接点83和冷接点84相互连接，由此而使各热电偶82成为串联连接的状态。
在图26中用框图示出耳式体温计100的简略功能结构。耳式体温计100，备有温度导出电路400，将红外线传感器209的热电堆85的两个端子86和87之间的温度检测电压Vt作为输入，并将基于该电压的温度T输出到LCD5。温度导出电路400，备有对温度检测电压Vt进行放大的放大器41、将该放大器41的输出转换为数字值的模/数转换器42、对数字值进行数值处理并求出与温度检测电压Vt对应的温度的CPU44、用作该CPU44的各种处理的工作区的RAM43。在温度导出电路400中，检测与红外线传感器209的热电堆85的热接点83和冷接点84之间产生的温度变化对应的电动势，并根据该输出电压Vt求出热接点83和冷接点84之间的温度差Ts。因此，为了求出红外线吸收体81的温度从而计算体温T(这里，为鼓膜温度)，必需求出冷接点84的温度(基准温度)并进行校正。
因此，在红外线检测芯片210内装有热敏电阻211，用于检测红外线传感器209的基准温度Tr。此外，温度导出电路400，还备有对热敏电阻211的输出电流It进行放大的放大器45及将其输出转换为数字值的模/数转换器46，并将该数字化后的信号供给CPU44。因此，在CPU44中，可以利用由热敏电阻211测得的基准温度Tr对由来自热电堆85的信号得到的温度差Ts进行校正，从而求得体温T。
但是，如图23所示，用于检测基准温度Tr的热敏电阻211，所测定的只不过是红外线传感器209的一侧的温度、即红外线检测芯片210内部的红外线传感器209的周边的环境温度。因此，由热敏电阻211检测的温度，与冷接点84的实际温度不同，因而在按如上所述方式求得的体温T中有可能产生很大的误差。
确切地说，热敏电阻211，由于电阻系数随温度而变化，所以从可以测定温度本身的意义上看适于测定基准温度。但是，由于温度特性是非线性的，所以必需引入适当的补偿电路。此外，能以高精度测定温度的范围也受到限定。因此，在将耳式体温计100用作体温计时，对能以高精度测定的室温范围将可能产生限制，因此随所使用的环境的不同不一定总是能以高的精度简便地测定体温。
因此，本发明的目的在于，提供一种当采用上述热电堆型红外线检测元件进行温度测定时能进一步提高测定温度的精度的红外线检测元件及采用该元件的温度测定装置。本发明的另一目的在于，提供一种在任何环境下都始终能以高的精度简便地测定温度的红外线检测元件及采用该元件的温度测定装置。
为此，本发明的红外线检测元件，具有基座，备有薄膜部及配置在该薄膜部周围的厚壁部；热电堆，将形成为使冷接点位于厚壁部的上部并使热接点位于薄膜部的上部的多个热电偶串联连接；及基准温度检测装置，备有与厚壁部接触的热敏部。在本发明的红外线检测元件中，在使其与用作热电堆的散热器的基座的厚壁部接触的状态下配置热敏部。因此，可以由热敏感部直接检测与热电堆的冷接点接触着的厚壁部的温度，所以，即使红外线检测元件的周围环境气氛发生了变化，也能基本上精确地检测冷接点的温度。
因此，利用具有本发明的红外线检测元件及根据由基准温度检测装置求得的基准温度从热电堆的输出电压求出温度的装置的温度测定装置，可以进行高精度的温度测定。此外，本发明的红外线检测元件，是热电堆型红外线传感器，因而可以利用半导体制造工序(工艺)并以小型和低成本进行批量生产。因此，通过采用本发明的红外线检测元件，可以进行高精度的温度测定，同时能提供小型化的低成本温度测定装置。
由于热敏部即使是热敏电阻也仍能提高基准温度的精度，所以温度测定的精度得到改进。但是，就热敏电阻而言，很难制作成使其与基座接触。与此不同，如果是PN结、例如二极管，则可以在半导体基板上制成，而且由于其正向电压降基本上随温度而线性变化，所以能够用作热敏部。因此，最好用半导体基板构成基座的至少厚壁部的基部并使热敏部为在半导体基板上形成的PN结。由此，即可形成备有极小型的热敏部的红外线检测元件。此外，与热电堆等一样，可以利用半导体工艺制作热敏部，因而能降低制造成本。
进一步，由于在热敏电阻中温度特性为非线性变化，所以使其温度测定范围受到了限制。在现有的采用了热敏电阻的体温计中，存在着例如室温如不是在大约15℃以上就不能进行精确的体温测定等限制。与此不同，在将PN结用作热敏部时，由于温度特性是线性的，所以无论何时何地都能简便地进行温度测定而不受环境的影响。因此，通过采用备有本发明的作为热敏部的PN结的红外线检测元件并在求取温度的装置中设置根据PN结的正向电压降求出基准温度的装置，能以低的成本提供进一步小型化并在宽的温度范围内进行高精度测定的温度测定装置。
另外，当设置多个PN结作为热敏部时，通过求取其正向电压降的差分，可以消除正向电压降中的反向饱和电流的影响。因此，能以更高的精度求取温度，因而可以提高基准温度的测定精度并能改进本发明的红外线检测元件的温度测定精度。因此，通过采用备有作为热敏部的多个PN结的本发明的红外线检测元件并在求取温度的装置中设置根据多个PN结的正向电压降的差分求出基准温度的装置，可以提供测定精度更高的温度测定装置。
多个PN结虽然可以配置在半导体基板的任何部位，但最好将其并列地靠近半导体基板配置，以便使各PN结在特性上几乎都不发生变化。而且，通过并列配置，可以共用多个PN结的一个导电体层，因而能提高空间效率，此外，还可以减少电极的数量。因此，能使本发明的红外线检测元件进一步小型化。例如，当采用多个二极管时，可以设置单一的正极区域及与该负极区域平行延伸的多个负极区域。
另外，可以在冷接点的下方形成PN结，从而使热敏部进一步靠近冷接点，所以能更精确地检测基准温度。因此，可以进一步提高温度测定的精度。此外，如沿着薄膜部的周围形成配置着构成热电堆的多个冷接点的PN结，则可以求得冷接点的平均基准温度，因而可以求得更精确的基准温度并能提高温度测定的精度。当形成这种延伸得较长的PN结时，最好在PN结的第1导电体层和第2导电体层的各上表面上形成沿着该第1和第2导电体层延伸的电极，从而尽量减小同一导电体中的电位差。
另外，在基座的厚壁部上设置与其结合的第2基板，并可以将热敏部设置在基座的与第2基板的结合部和(或)第2基板的与基座的结合部。当第2基板是红外线透镜或波导管时，在检测基准温度的同时，还可以掌握红外线透镜或波导管的温度。因此，还可以对透镜特性或聚光特性等进行温度校正，所以能够进一步提高测定精度。
进一步，如果第2基板是半导体基板，则可以在第2基板的结合部形成PN结并将其作为热敏部。由此，能以与基座的厚壁部直接接触的方式测量基准温度，同时可以在基座侧节省配置热敏部的空间，所以能使红外线检测元件进一步小型化。特别是，红外线透镜或与红外线透镜结合的基板，适于用作第2基板。利用红外线透镜可以将从热源发射的红外线高效率地导向在上部配置着热电堆的热接点的薄膜部，并能限制由薄膜部接收的红外线的入射角。因此，可以提高温度测定的灵敏度。与此同时，通过将红外线透镜与基座的厚壁部结合，可以减低由外部的热发射的红外线的影响或干扰。因此，如果是红外线透镜，则通过使其为与基座结合的形态，可以减少误差因素，从而进一步提高测定精度。另外，如上所述，通过将红外线透镜的结合部作为热敏部的空间，可以实现小型化，并其还能减小由基准温度与透镜温度的温度差引起的测定误差。
为提高温度测定的灵敏度，最好在薄膜部上设置层叠的红外线吸收体，使其至少覆盖热接点或其附近。当设置红外线吸收体时，由于红外线吸收体因吸收红外线而温度上升，所以能够增大薄膜部与厚壁部之间的温度差，从而可以提高热电堆的输出电压。按照这种方式，可以进一步提高温度测定的灵敏度。因此，即使是采用了红外线透镜的情况下也是有效的。
由于可以通过对半导体基板进行蚀刻而形成红外线透镜，所以可以将红外线透镜本身作为第2基板，或者也可以将由半导体基板构成的结合基板夹在红外线透镜与基座之间而作为第2基板。无论在哪一种情况下，都可以将PN结设置于结合部而作为热敏部，因而可以提供能够提高温度测定精度的小型红外线检测元件。在结合部形成PN结的情况下，也与上述一样，最好将多个PN结并列配置。在这种情况下，通过共用多个PN结的一个导电体层，可以进一步小型化。此外，如将PN结配置在冷接点的上方，则能以更高的精度测定基准温度。当使结合部为沿着薄膜部周围的形状时，通过在结合部或其附近的结合部形成PN结，可以提高基准温度的测定精度。在这种情况下，最好在结合部或与结合部对置的基座或基座的半导体基板上形成沿着PN结的第1导电体层和第2导电体层延伸并使其与该第1和第2导电体层的各上表面接触的电极。
另一方面，为了提高热电堆的温度测定精度，最好是减少热接点与冷接点之间的热传导量，从而确保两接点之间有大的温度差。为此，最好在构成热电偶的电极或导电体之间形成贯通薄膜部的孔或设置凹入部等而使薄膜部为更薄的薄膜，从而减小热接点与冷接点之间的薄膜的断面积。进一步，通过在薄膜部上层叠构成热电偶的导电体及将其串联连接的导电体，借以增大薄膜部的可以由孔或狭缝切去的部分或可以减薄的部分，从而可以进一步减少热传导量。此外，将连接热接点和冷接点的导电体也包括在内通过开孔而减少热传导量或将导电体包括在内而进一步减薄，也是有效的。由此，可以在两接点之间保持大的温度差并能增加各热电偶的电动势，所以能提高测定灵敏度。此外，由于这这样的孔或狭缝可以很简易地用半导体制造工艺形成，所以也不会降低红外线检测元件的生产率。如上所述，通过采用本发明的红外线检测元件，能以小型结构进行高精度的温度测定，进一步，能以低的成本提供无论在何时何地都可以简便地进行温度测定的温度测定装置。因此，本发明的温度测定装置，也适用于体温计，通过设置能使前端插入耳孔内的筒状部分并将红外线检测元件配置成使薄膜部朝向筒状部分的前端，即能以低的成本提供高精度的使用更加方便的耳式体温计。此外，在层叠着红外线吸收体的红外线检测元件中，最好将红外线吸收体配置成朝向筒状部分的前端。
图1是简略地表示本发明的红外线检测元件的图。
图2是图1的红外线检测元件的热电堆芯片的斜视图。
图3是表示图2的热电堆芯片的主表面侧的结构的平面图。
图4是表示在图2的热电堆芯片上形成的狭缝的平面图。
图5是表示图4的断面VV的图。
图6是表示输出在图2的热电堆芯片上形成的2个二极管的正向电压降的差分的放大器一例的电路结构图。
图7是以断面表示图2的热电堆芯片的一部分的图。
图8是用于说明将双体透镜与热电堆芯片分开配置的红外线检测元件的例的图。
图9是简略地表示备有本发明的红外线检测芯片的耳式体温计的断面图。
图10是表示图9所示的耳式体温计的简略功能结构的框图。
图11是表示在红外线检测元件中形成的二极管的变形例的平面图。
图12是表示图11所示的二极管的断面的图。
图13是表示红外线检测元件的另一例的图。
图14是表示图13所示的红外线检测元件的结合方法的一例的图。
图15是将图14的结合部分放大后示出的图。
图16是表示在红外线检测元件的二极管上形成电极的例的断面图。
图17是表示狭缝的变形例的平面图。
图18是表示图17的断面XVIII—XVIII的图。
图19是表示另一种不同的狭缝变形例的平面图。
图20是表示图19的断面XX—XX的图。
图21是简略地表示采用了现有的红外线检测元件的耳式体温计的断面图。
图22是表示图21的耳式体温计中将来自热源的红外线导向红外线检测元件的状态的图。
图23是简略地表示现有的红外线检测元件的图。
图24是图23所示的红外线检测元件的红外线检测传感器的斜视图。
图25是表示在图24所示的红外线检测传感器中形成的热电堆的平面图。
图26是表示图21所示的耳式体温计的简略功能结构的框图。
以下，边参照附图边详细说明本发明的红外线检测元件。在图1中以断面示出本发明的红外线检测元件的一例。本例的红外线检测元件21，具有在基座80的上表面80a上形成了热电堆85及红外线吸收体81的热电堆芯片SPC、起着红外线透镜作用的双体透镜BL，双体透镜BL以与热电堆芯片SPC的上表面结合的状态构成一体，从而可以作为单片处理。因此，有时也将本例的红外线检测元件21称作红外线检测芯片。将接线26连接于热电堆芯片SPC，用于取出热电堆85及在基座80上形成的二极管D1和D2的输出，从而可以测定鼓膜等热源S的温度。
双体透镜BL，起着将红外线会聚在热电堆芯片SPC的作为黑体的红外线吸收体81上的透镜的作用。因此，双体透镜BL，通过对硅(Si)或锗(Ge)制半导体基板Bla的一侧的面进行蚀刻而形成一个具有多级阶梯形结构的双体透镜镜片BLb。并且，将形成双体透镜镜片BLb的面与基座80结合，使其朝向热电堆芯片SPC的形成了红外线吸收体81的表面80a或主表面。
另外，双体透镜BL，与上述的红外线滤光片208一样，根据其组成，还可以兼有遮断可见光并使红外线透过的红外线滤光片的功能。为了遮断近红外线等而进一步缩小透过的波长范围，可以在与双体透镜镜片BLb相反一侧的面上设置由硫化锌(ZnS)或锗(Ge)的多层膜构成的红外线镀层BLc。利用上述的双体透镜BL，可以高效率地将红外线会聚在热电堆芯片SPC上。另外，在图1中，双体透镜镜片BLb的形状，为便于理解而将其多级阶梯形结构放大后示出。
本例的热电堆芯片SPC，用蚀刻法将形成基座80的硅基板810的底面中央除去而设置空心部分KW，并具有在该空心部分KW之上只留有薄膜的薄膜部802及硅基板810的未被蚀刻而留下的原有的厚板或厚壁部801，从而构成被称作膜片结构的形态。即，薄膜部802，具有由形成空心部后的硅基板810支承的结构。在薄膜部802的上表面，形成用溅射、蒸镀等方法生成金黑镀膜后的红外线吸收体81。此外，在硅基板810所留下的厚壁部801上，形成用于检测热电堆85的基准温度的2个二极管D1和D2。
在图2中示出热电堆芯片SPC的斜视图，在图3中将热电堆芯片SPC的主表面80a侧的结构放大后示出。在热电堆芯片SPC的主表面80a上，在其中央的薄膜部802上设置大致成正方形的扁平的红外线吸收体81，并配置与红外线吸收体81邻近或与其重叠的高灵敏度热电偶82的热接点83。另一方面，热电偶82的冷接点84，设置在硅基板810的基体材料部分所留下的厚壁部801上。厚壁部801，保留着大量的热传导率高的硅，所以硅基板810起着冷接点84的散热器作用。因此，在各热电偶82中，在热接点83和冷接点84之间将产生与红外线吸收器81的温度上升对应的电动势。但是，由每个热电偶82产生的电动势是不够的，因此，将多个热电偶82串联连接而构成热电堆85。着设置在主表面80a上的端子86及87，是热电堆85的输出端子，可以由这两个端子间的电压求得热电堆85的热接点和冷接点的电位差。
本例的热电堆芯片SPC的结构，如图3所示，从特性上可以考虑分成支承着热接点83的部分及红外线吸收体81的热接点支承区域66、支承着冷接点84的部分的冷接点支承区域67、连接该区域66和67并支承导电体91和92的中间支承区域68。并且，在本例的热电堆芯片SPC中，板厚小的薄板或薄膜部802构成热接点支承区域66和中间支承区域68，板厚大的厚板或厚壁部801构成冷接点支承区域67。另外，为了构成厚壁部801和薄膜部802，在基座80的背面侧形成空心部KW。
空心部KW，与有任何热传导介质的情况相比可以减小热的传导。也可以说具有保温作用。所以，可以减小从位于热接点支承区域66的红外线吸收体81及热接点83到冷接点84的热传导量，从而可以保持热接点83与冷接点84之间的温度差。因此，可以增大构成热电堆85的各热电偶82的电动势，因而能提高温度测定的灵敏度。上述空心部KW可以按如下方法形成，即，在热传导率高的硅基板810上形成热传导率低的氧化膜(SiO)和氮化膜(SiN)等，然后，按照一般的半导体制造工序，从硅基板810的背面侧起通过蚀刻将从背面侧到薄膜部802的部分除去，即可形成空心部KW。
因此，本例的热电堆芯片SPC的基座80的形状，可以很容易地通过半导体制造工序形成。如上所述，通过用氧化膜和氮化膜等热传导率低的结构层形成构成热接点支承区域66和中间支承区域68的薄膜部802，也可以减小薄膜部802的热传导量。另一方面，构成冷接点支承区域67的厚壁部801，主要由硅基板810形成，由于硅的热传导率高，所以留下的硅基板810的部分具有作为散热器的功能。因此，热接点支承区域66的温度因红外线而上升，而冷接点84则保持在环境温度，因而可以确保热接点83和冷接点84之间有大的温度差，从而可以增大各热电偶82的电动势。
进一步，在本例的热电堆芯片SPC中，即使从相对于基准温度为500℃左右的高温热源接收红外线，红外线吸收体81的短时的温度上升仅为大约1℃以下。因此，即使考虑到从冰点到1000℃以上的测量，热电堆芯片SPC本身的温度也几乎没有变化，所以几乎不会发生因温度变化而引起的变形或恶化。因此，具有作为红外线传感器而很少发生恶化的优点，因而可以长时间进行稳定的测定。另一方面，为能迅速地检测出很小的温度变化，必须提高响应速度，并提高灵敏度。特别是，在体温计等要求迅速测定微小的温度变化或温度范围的用途中，必须提高灵敏度。进一步，为能测量婴幼儿的体温，必须在使婴幼儿的身体保持不动的时间内进行测定，因而当考虑这些应用场合时，最好是提供使灵敏度尽可能提高从而能在短时间内进行测定的热电堆芯片SPC。
因此，如图4所示，在本例的热电堆芯片SPC中，为提高灵敏度，将多个热电偶82串联连接而形成热电堆85，从而确保大的电动势。各热电偶82，由两种导电体、即作为第1导电体层的多晶硅(Si—P)92和作为第2导电体层的铝(Al)91构成。多晶硅92，形成线条状图案，使其从红外线吸收体81向四侧延伸。邻接的多晶硅92的在红外线吸收体81一侧的端部与另一个多晶硅92的在厚壁部801一侧的端部，由铝91进行电气连接，从而形成红外线吸收体81侧的热接点83和厚壁部801侧的冷接点84。与此同时，通过将这些热电偶串联连接，构成一个热电堆85。
在热电堆型红外线传感器中，为提高灵敏度，如上所述，关键在于尽量提高构成热电堆的热接点部分的温度并使冷接点部分的温度尽可能接近测定环境温度，从而确保两接点之间有大的温度差。其原因是，这可以增大各热电偶的两接点间的电位差即电动势。但是，为使热电堆芯片SPC小型化，最好将热电偶的长度缩短，因此缩短了冷接点与热接点之间的距离，这将很难确保温度差。因此，在本例的热电堆芯片SPC中，为了在实现芯片的小型化的同时提高温度测定的灵敏度，在用于支承构成热电偶82的导电体91及92的中间支承区域68上、即在薄膜部801上，在构成热电偶82的一对导电体91及92和与其邻接的热电偶82的导电体91及92之间，设置从主表面80a连通到背面侧的空心部KW的狭缝98。在本例中，形成沿着与导电体92平行的方向延伸的狭缝。
在图5中示出图4的局部断面，如图5所示，通过在热电偶82的电极之间设置开口，可以减小热接点83与冷接点84之间的薄膜部801的断面积。因此，减小了热接点83与冷接点84之间的热流路的断面，从而可以减少热传导量。因此，即使缩短了热接点83与冷接点84之间的距离，也可以抑制从红外线吸收体81的热传导量，因而能抑制冷接点侧的温度变化。因此，增大了各热电偶82的电动势，从而能提高测定灵敏度，所以，本例的热电堆芯片SPC，具有适于形成高灵敏度的小型红外线检测元件21的结构。
虽然减小薄膜部801的厚度也可以减小断面积，但可能很难对膜厚进行控制。与此不同，如果是贯通薄膜部801的孔或狭缝98，则可以在形成空心部KW的蚀刻工序中与空心部KW同时或在随后的一系列工序中形成，因而生产率也是优越的。进一步，如果是将连接热接点83与冷接点84部分的方向作为长度方向的狭缝98，则即使不加宽连接着构成各热电偶82的热接点83与冷接点84的各导电体92的间隔，也能减小薄膜部801的断面积。因此，可以在与导电体92的长度方向正交的方向上密集地形成热电偶82，从而可以在小型的热电堆芯片SPC中构成数量很多的热电偶82，因而能构成输出电压高且灵敏度高的热电堆85。
在热电堆芯片SPC的主表面80a上，在位于周边的厚壁部801内，在半导体基板810上还形成使其围绕冷接点84的外侧的2个导电体层DN和DP。导电体层DN是施主杂质掺杂量多的N+区域，该区域位于外周侧并沿着基座80的外周以点对称的形式分成2个区域DN1和DN2，各个区域DN1和DN2，按L字型形成。而导电体层DP是受主杂质掺杂量多的P+区域，在区域DN1和DN2的内侧，与该区域DN1和DN2彼此相对地形成。虽然导电体层DP连接成一个整体，但在图2中分成与区域DN1相对的区域DP1及与区域DN2相对的区域DP2并标以符号。因此，在半导体基板810上，由区域DN1和区域DP1、区域DN2和区域DP2形成2个PN结，如假定区域DN1和区域DP1为正极区域、而区域DN2和区域DP2为负极区域，则构成由区域DN1和区域DP1、区域DN2和区域DP2形成2个二极管D1和D2的状态。在下文中，将该PN结称作二极管。
在本例的热电堆芯片SPC中，2个二极管D1和D2，沿着厚壁部801的四侧按带状形成，并形成为使其围绕着红外线吸收体81的四侧。此外，该二极管D1和D2，还靠近地围绕着热电堆85的冷接点84。可以从该二极管D1和D2的输出求出二极管D1和D2的温度。因此，通过在作为散热器的厚壁部801上形成二极管D1和D2，可以将该二极管用作求取作为热电堆85的冷接点84的温度的基准温度Tr的基准温度检测装置70的热敏部。进一步，为了将作为基准温度检测装置70的热敏部的二极管D1和D2的输出供给到外部，在主表面80a上还设置着由二极管D1和D2共用的正极端子DA、二极管D1的负极端子DK1及二极管D2的负极端子DK2。
如上所述，在本例的构成红外线检测元件21的热电堆芯片SPC中，作为热敏部的二极管D1和D2，在作为散热器的基座80的厚壁部801上直接形成。因此，可以通过形成了该冷接点84的基座80测定热电堆85的冷接点84的温度。特别是，在本例的热电堆芯片SPC中，冷接点84与作为热敏部的二极管D1和D2，在物理上通过热传导性良好的半导体基板810及在其上层叠的半导体系的物质相互关联，因而能以非常高的精度测量冷接点84的温度。此外，二极管D1和D2与冷接点84的距离是mm以下的单位因而非常短。因此，从这一点来看，也能由作为热敏部的二极管D1和D2以高的精度检测冷接点84的温度。
可将二极管作为热敏部进行温度测定的原理，可以说明如下。二极管的正向电流IF和正向电压或正向电压降VF，具有如下关系。IF＝IS(exp(qVF/KT)-1)…(1)IF正向电流[A]IS反向饱和电流[A]T绝对温度[°K]VF正向电压[V]K波尔兹曼常数(1.3804×10-23[JK-1])q电荷(1.602×10-19[C])另外，该式(1)，当对VF求解时，可以变形为式(2)。VF＝(KT/q)log(IF/IS)…(2)从式(2)可以看出，可以根据二极管D1或D2的电压降VF测定温度T、即热敏部的基准温度Tr。但是，在从1个PN结的电压降VF求取基准温度Tr的情况下，必须求出正向电流IF及反向饱和电流IS。由于这些值很难直接求出，所以最实际的方法是，预先测定温度与电压的关系，将其列表存储，并根据所检测的正向电压VF求得基准温度Tr。
与此不同，可按如下所列的式(3)求出正向电压降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)进一步，当在同一半导体基板上以同样制造方法按同样的杂质浓度形成2个二极管时，反向饱和电流IS可以认为基本相同，所以可将反向饱和电流IS的项去掉。因此，可得以下的式(4)。ΔVF＝(KT/q)log(IF1/IF2)…(4)另外，由于可以将正向电流IF看作是流过2个二极管的正向电流之比，所以也可以不用求出电流值本身。因此，在本例的红外线检测元件21中，当从在热电堆芯片SPC上设有的二极管D1和二极管D2的正向电压降VF1和VF2求取差分ΔVF的温度系数时，可按以下的式(5)进行。ΔVF/T＝(K/q)log(IF1/IF2)…(5)因此，可以由上述的各式精确地求出基座80的厚壁部801的温度。
在图6中，示出检测2个二极管D1和D2的正向电压降VF1和VF2并输出其差分ΔVF的放大器的一例。图6所示的放大器71，例如，可以代替在前面的图26中说明过的温度导出电路400的放大器45而进行设置。并且，可以代替热敏电阻211而取入与基座80接触的作为热敏部的二极管D1和D2的输出，并输出可以提供精度高的基准温度Tr的差分ΔVF。因此，通过将该信号数字化并由CPU44作为基准温度Tr的数据进行运算，可以根据热电堆85的输出以高的精度求出热源的温度T。
本例的放大器71，备有由晶体管J1和电阻R1(例如50kΩ)构成的用于使正向电流IF1流过二极管D1的稳流源、由晶体管J2和电阻R2(例如100kΩ)构成的用于使正向电流IF2流过二极管D2的稳流源。另外，还备有分别对与二极管D1的内阻成比例的正向电压(正极端子DA与负极端子DK1之间的电位差)VF1及与二极管D2的内阻成比例的正向电压(正极端子DA与负极端子DK2之间的电位差)VF2进行放大的运算放大器U6和运算放大器U7、输出与放大后的电压VF1和VF2的差分成比例的电压的差动放大器U8。因此，作为放大器71的输出Vout，可以输出正向电压VF1和VF2的差分ΔVF。
通过利用由放大器71求得的差分ΔVF求取温度，可以消除反向饱和电流的影响，所以，即使所形成的二极管的反向饱和电流的二极管特性与理论值不同，也能以高的精确测定温度。进一步，通过使决定流过2个二极管D1和D2的正向电流IF1和IF2的电阻R1和R2为例如50kΩ和100kΩ这样的不同值，可以将正向电流IF1和IF2设定为不同值。并且，如使二者之比一定，则正向电流的变化对温度测定的影响也能消除。因此，尽管机构简单，但可以将由反向饱和电流的每个芯片上不同的二极管特性差、噪声和电位变化及其他测定环境的变化因素等引起的测定误差消除，因而能简单地以极高的精度进行温度测定。
进一步，从以上给出的各式可以看出，在将二极管、即PN结用作热敏部时，其输出特性在理论上不存在像热敏电阻那样的与温度的相关性。而且，也不需要像热电偶那样的基准温度校正，所以，二极管适于用作求取热电堆85的基准温度的热敏部。因此，通过采用本例的红外线检测元件21，可以提供测定时无需设定室温限制或不严格限定于15℃以上的范围的无论何时何地都能简便地测定体温的体温计。
在图7中用局部的断面示出本例的热电堆芯片SPC的结构。在本例的热电堆芯片SPC中，为防止所吸收的热向周围散失从而使温升增加，在由热传导率低的氧化膜(SiO2)94和氮化膜(Si3N4)97构成的几微米厚的薄膜部802上，形成红外线吸收体81。并且，在以热电堆85测定温度时用作原理基准点的冷接点84的大致正下方的半导体基板810的表面上，形成二极管D1和D2。另外，作为各二极管D1和D2的PN结区域，是在图7的N+区域DN1和DN2上用虚线示出的部分93。
根据本图简单说明制造本例的红外线检测元件21的过程。在前已说明过的红外线传感器209中，首先例如用CVD(Chemical VaporDeposition化学汽相淀积)法在硅基板810的表面(主表面)上形成氧化膜94的薄膜层。在本例的热电堆芯片SPC中，在形成氧化膜94之前，先在P-的半导体基板810上形成用于进行元件隔离的场氧化膜95。接着，在该场氧化膜95上形成图案，并通过掺杂杂质形成P+区域DP1和DP2、N+区域DN1和DN2。由此。即可在半导体基板810上形成二极管D1和D2。
然后，用光刻技术依次形成氧化膜94、构成热电偶82的多晶硅层92、用于电极分离的氧化膜96、构成热电偶82的铝电极91。接着，形成使其覆盖上述各层的氮化硅的表面保膜97，并通过蒸镀用作黑体的金黑镀膜而形成红外线吸收体81。在按上述工序形成主表面80a的结构后，根据制作图案将用作基座80的基板的半导体基板810的背面中央蚀刻到氧化膜95，从而在基座80的中央部分形成薄膜部802。然后，根据处理上的必要性进行方形切割、单件检查(芯片检查)、包括与热电堆芯片SPC并行制作的双体透镜BL的结合在内的组装等。由此，即可形成图1所示的红外线检测元件。
这里，氧化膜(SiO2)94等，对形成上述膜片结构时从背面进行的蚀刻起着阻挡层的作用，所以，如通过制作图案而将与形成狭缝98的部分相当的薄膜层除去，则可以在形成膜片结构时的蚀刻工序中同时形成狭缝98。
如上所述，在热电堆型红外线检测元件中，在原理上，检测在接收红外线的红外线吸收体侧的热接点与基准温度侧的冷接点之间随着红外线吸收体的温度变化而产生的电动势，并根据该电动势求得热接点与冷接点之间的温度差。而基准温度则由与其不同的另外的温度检测装置进行测定。因此，当基准温度与冷接点温度之间有温度差时，这将成为一个误差因素，因而使测定精度恶化。在这一点上，在现有的红外线传感器209中，在封装基板212上安装着用于检测基准温度的热敏电阻211。因此，与将热敏电阻设在封装组件、即芯片之外的情况相比，精度虽然可以提高，但由热敏电阻211测定的基准温度的测定点与红外线传感器209的冷接点之间的距离依然较长，因此，不能按精确的基准温度测定本来应测定的冷接点的温度。
与此不同，在本例的红外线检测元件21中，在形成着热电堆85的用作基座80的基体的硅基板810上整体地形成作为用于检测热电堆85的冷接点84的基准温度的热敏部的二极管D1和D2，并根据二极管的温度特性检测基准温度。即，在本例的红外线检测元件21中，具有配置成使作为热敏部的二极管D1和D2与基座80接触并进一步装在其内部的状态的形态。通过使热敏电阻与基座80接触而求得基准温度，可以直接测定冷接点的散热器的温度，所以，与图23所示的现有的红外线检测芯片210相比，测定精度大大提高。但是，就热敏电阻而言，很难制作成使其与基座接触并构成一个整体。与此不同，在本例中，由于将二极管用做热敏部，所以能够与基座80的硅基板810整体形成。而且，通过将二极管及热电堆85与热电堆芯片SPC整体形成，还可以大幅度地缩短热电堆85与二极管的距离，所以，可以进一步减小热电堆85的基准温度检测的测定误差。因此，可以按精确的基准温度测定本来应测定的冷接点84的温度，所以能提供测定精度高的红外线检测元件。
作为热敏部的二极管D1和D2以及红外线吸收体81、热电堆85等构成红外线检测元件21的要素，可以利用CVD等半导体制造中的一般方法在用作基座80的基体的半导体基板810上形成。因此，在本例的红外线检测元件21中，很容易以高的精度在半导体基板810上形成各构成要素，并适于大量生产。另外，由于还能以非常高的精度测定基准温度Tr，所以可以提供测定精度高的小型低成本的红外线检测元件。
另外，热敏电阻中温度特性变化很大，所以存在着能以高的精度测定温度的范围被限定为大约15℃以上等限制。与此不同，如果是二极管，则因其特性与温度几乎不存在相关性，只要是在大约5℃～40℃的范围内，就能以足够高的精度测定温度。因此，本例的红外线检测元件21，可以在各种环境下简单地使用。进一步，在本例的红外线检测元件21中，通过使用2个二极管D1和D2而消除了反向饱和电流及正向电流对温度测定的影响。因此，可以提供测定精度更高的红外线检测元件。
如图1所示，在本例的红外线检测元件21中，将双体透镜BL与热电堆芯片SPC结合。与此不同，如图8所示，也可以将双体透镜BL与热电堆芯片SPC分开配置，并仅相当于将波导管206置换为透镜。但是，如果是这种配置，则使双体透镜BL与热电堆芯片SPC离开了一定距离。因此，双体透镜BL的温度与热电堆芯片SPC的温度之间有产生温差的可能性。当双体透镜BL与热电堆芯片SPC之间产生温度差时，将会测定到通过处在不同环境温度下的透镜BL接收的红外线的影响，因而易于产生误差，并有可能影响测定精度。
在这一点上，在本例的红外线检测元件21中，是将双体透镜BL与热电堆芯片SPC的表面结合。因此，在热电堆芯片SPC与双体透镜BL之间很少会产生温度差，因而就不太可能发生如上所述的由双体透镜BL引起的误差。另外，双体透镜BL与基座80的厚壁部801结合，并将作为用于检测基准温度的热敏部的二极管D1和D2配置在该双体透镜BL与热电堆芯片SPC的结合部附近。因此，不仅可以减小因基准温度与冷接点温度之间的温度差引起的测定误差，而且还可以减小因基准温度的测定点与透镜温度之间的温度差引起的测定误差。因此，能以更高的精度进行温度测定。当然，当进行精度较低的温度测定时，也可以使用双体透镜BL与热电堆芯片SPC分开的红外线检测元件。此外，将双体透镜BL省去的红外线检测芯片、即单独的热电堆芯片，也属于本发明的范围。这种红外线检测芯片，例如可以组装在采用波导管206的体温计100内使用。
在图9中，用断面图简略地示出装有本例的红外线检测芯片21的耳式体温计1。该耳式体温计1，备有本体外壳11、接收来自热源S的红外线并输出与热源S的温度对应的电气信号的红外线接收检测部2、安装和连接各种电子部件(电路)等的电路基板3。安装在该电路基板3上的各种电子部件4C，构成根据红外线接收检测部2的输出电压决定热源S的温度的温度导出电路4，进一步，在电路基板3上，还连接着对所测定的温度等进行显示的LCD部5及对各部供给电力的电源部6。
电源部6，备有电源开关SW6、扣式电池61、用于固定电池并将其连接于电路基板3的电路图案的电池电池配件62，外壳11的一部分，构成更换电池时用于开闭的电池盒盖63。此外，LDP部5，备有用于进行各种显示的LCD板51、用于固定LCD板51并将其连接于电路基板3的连接器52、支承LCD板51的板框53。而且，外壳11的一部分，构成以可观看的方式保护LCD板51的例如塑料制的透明盖板54。
红外线接收检测部2，备有构成红外线接收检测部2的核心的用于接收与热源S的温度(体温鼓膜温度)对应的红外线并输出与其对应的电压信号的本例的芯片状红外线检测元件21、保护该元件21的例如塑料制的盖22、防止粉尘等进入的红外线透过性薄膜23、用于支承该薄膜23的薄膜压紧O形环24、为了在测温时插入耳孔而安装成封盖整个红外线接收检测部的红外线透过性探头盖25。另外，容纳红外线接收检测部2的部分211的外壳11，其前端为稍微变细一些的筒状，在该部分211内，将红外线检测元件21配置成使双体透镜BL朝向前端，从而可以将透过安装在筒状部分211的前端的探头盖25的红外线会聚在热电堆芯片SPC的红外线吸收体81上。红外线检测元件21也安装在电路基板3上，将热电堆芯片SPC与电路基板3用接线26连接，从而可以将二极管D1和D2的输出及热电堆85的输出输入到电路基板3的温度导出电路4。
在图10中，示出本例的温度导出电路4。该温度导出电路4，与参照图26说明过的温度导出电路400的结构基本相同，但为了求取检测元件21的热电堆85的基准温度Tr而将二极管D1和二极管D2的正向电压降VF1和VF2输入到温度导出电路4，并为对其进行处理而采用了图6中示出的放大器71。然后，由模/数转换器46将正向电压降VF1和VF2的差分ΔVF转换为数字信号，并将其作为指示基准温度Tr的信号供给CPU44。
即，本例的温度导出电路4，备有对从设置在红外线接收检测部2中的红外线检测元件21输出的指示体温的信号即从热电堆85输出的电压信号进行放大的放大器41、将该放大器41的输出转换为数字值的模/数转换器42、对模/数转换器42的输出值进行数值处理而求出体温并可以将其显示在LCD5上的CPU44、用作CPU44的各种处理的工作区的RAM43。此外，还备有对检测元件21的基准温度检测装置70的二极管D1和D2的输出进行放大并输出其差分ΔVF的放大器71、将该放大器71的输出转换为数字值的模/数转换器46。接着，CPU44，将差分ΔVF作为基准温度Tr，并根据差分ΔVF进行由热电堆85的输出Vt决定温度T的处理。
例如，将图9所示的电源开关SW6和测温开关SW4连接于CPU44的输入端口，使CPU44在电源断开的初始状态下处于备用状态，其他电路为非通电状态。在该状态下，当由用户按压电源开关SW6时，CPU44，将该电平变化作为中断信号检测并变为激活状态，而其他电路变为通电状态。在CPU44变为激活状态后，首先，在LCD板51上进行全部点亮显示(初始显示)，然后，进行各种标志之类的初始化处理等测定准备。接着，在完成准备后，显示指示「测定准备OK」的信息。
然后，在该测定准备OK的状态下，当由用户按压测温开关SW4时，CPU44，将模/数转换器42和46激活，并通过放大器41及模/数转换器42按数字值取得红外线检测元件21的输出Vt。并且，通过放大器71及模/数转换器46按数字值取得二极管D1和二极管D2的输出VF1和VF2。接着，在由各放大器的偏置电压等进行校正的同时，从模/数转换器46的输出求出基准温度，并根据基准温度从模/数转换器42的输出计算温度T。
在求得温度T后，接着，用嘟嘟声等报知，同时将该值T作为测定结果显示在LCD板51上，并使模/数转换器42、46变为非激活状态。在该状态下，当按压电源开关SW6时，或当在这之后在一定时间内不进行电源开关SW6和测温开关SW4的操作而使电源自动切断时，恢复到电源断开的初始状态。
在使用这种耳式体温计1的情况下，用户，首先，按压电源开关SW6，并确认LCD板51从初始显示改变为指示「测定准备OK」的信息显示。然后，将探头盖25的部分插入耳孔，并在按压测温开关SW4后开始测定，接着，在几秒钟后，可听到报知音并在LCD板51上显示出测温值，因而可以对该值(体温)进行确认。并且，在这之后，按压电源开关SW6或放置一定时间使电源自动切断，即可将电源断开。
在该耳式体温计1中，由于可以进行高精度的温度测定并在红外线接收检测部2内组装了本例的小型低成本的红外线检测元件21，所以耳式体温计本身也是能以高的精度测定温度的小型低成本的装置。另外，在该耳式体温计1中，没有使用波导管206。在利用如图21所示的波导管206引导红外线的情况下，从红外线滤光片208的窗口面(检测面)看去的视角大约为180°，所以还从波导管206的外部入射红外线等光线。此外，如图22所示，还受到由外部的热Sd向波导管206发射的红外线等的干扰。进一步，由这些干扰在内部引起的漫反射光也被引导而入射到检测面，所以将使测定误差增大。
与此不同，在本例的耳式体温计1中，由于采用了由双体透镜BL将红外线会聚在热电堆芯片SPC上的红外线检测元件21，所以能够限制红外线的入射角。因此，可以减小因接收红外线而引起的误差，所以，与采用波导管206的体温计相比，可以进行非常精密的体温测定。此外，由于使用了将双体透镜BL与热电堆芯片SPC结合并整体化的红外线检测元件21，所以也几乎消除了因基准温度与透镜温度的温度差引起的测定误差。
另外，利用耳式体温计1，可以将人的鼓膜作为热源，从而以高的精度测定其温度并显示为体温T。
以上说明了本发明实施形态的一例，但本发明并不限定于上述实施形态，可以包含各种变形例。例如，作为在基座80的基体即半导体基板810上形成二极管D1和D2的变形，可以自由地改变P+区域DP和N+区域DN的配置。此外，如上所述，将2个二极管D1和D2以隔着位于中心的红外线吸收体81彼此相对的方式沿着主面80a的周围配置，但如图11的平面图及图12的断面图所示，也可以沿着主面80a的周围并列地形成二极管D1和D2。而在这种情况下，可以共用构成二极管D1和D2的导电体层中的一个。在图12中，形成N+区域DN1及N+区域DN2，使其将共用的P+区域DP夹在中间，从而以3个导电体区域形成2个二极管D1和D2。
这样，通过将二极管D1和D2沿着主面80a的周围并列配置，可以沿着热电堆85的多个冷接点84配置二极管D1和D2，从而可以求出这些冷接点84的温度的平均值，并将其作为基准温度Tr。二极管D1和D2的配置，不限定于这种方式，进一步，可以在考虑温度特性和制造热电堆芯片时的合格率后选择适当的配置。此外，电极DK及DA的配置，也可以在考虑易于处理配线及各端子的分布等后选择不同的配置。
另外，在热电堆芯片SPC上形成的二极管，不限定于2个，如上所述，也可以是1个。此外，也可以是3个。但是，至少配置2个二极管才可以通过求取正向电压降的差分而以高的精度测定基准温度Tr。另外，也可以根据多个二极管的正向电压VF的平均值求取基准温度Tr，还可以进行将二极管的形成位置的差异、特性或环境差异、以及与理论值及设计值的偏差抵消的数据处理。
另外，如上所述，为能以高的精度测定热电堆85的冷接点84的基准温度，在冷接点84的正下方的半导体基板810上形成二极管D1和D2，从而可以使因与冷接点的距离及环境差异而引起的测定误差非常小。但是，二极管D1和D2，并不限于在硅基板810上形成，也可以在与基座80结合的双体透镜BL的结合部上形成，或设置在重叠地配置在硅基板810上的另一个半导体基板上。即，在红外线检测元件21中，设置与热电堆芯片SPC的表面结合的双体透镜BL而形成一个整体的红外线检测芯片。因此，只要二极管D1和D2的位置满足在双体透镜BL与热电堆芯片SPC的结合部附近且靠近作为原理基准点的冷接点的条件，就可以将其设置在双体透镜BL等其他构件上并与基座80结合，因而可以在使热敏部与基座80接触的状态下测定基准温度。
图13(a)示出不是在热电堆芯片SPC上而是在双体透镜BL侧形成二极管D1和D2的红外线检测元件21的例。按照这种方式，即使不是在热电堆芯片SPC本身形成二极管D1和D2，但只要是像双体透镜BL等那样与热电堆芯片SPC结合，就可以在与形成了热电堆85的基座80接触的状态下、即不是在其间夹有空气等的间接状态而是在通过硅系或锗系等半导体材料或金属材料等热导体与作为散热器的厚壁部801连接的状态下配置二极管D1和D2。
进一步，图13(a)所示的红外线测元件21，将双体透镜BL分为二极管芯片DDC双体透镜芯片BLC，并按其顺序层叠在热电堆芯片SPC的厚壁部801上。并且，在二极管芯片DDC的与热电堆芯片SPC的结合部190上形成二极管D1和D2。即使不将双体透镜BL分为双体透镜芯片BLC和二极管芯片DDC时，也可以在双体透镜BL的与热电堆芯片SPC的结合部上形成二极管，并使结合部与基座80的厚壁部801结合，从而可以检测在该处的基准温度。当考虑到通过蚀刻成形为多级阶梯状的双体透镜形状时，分为透镜芯片BLC和二极管芯片DDC进行制造的方法，可以将制造工序分散，所以能简化工艺组合并易于提高生产率。进一步，采用在透镜芯片BLC的组成中添加硫化锌(ZnS)或锗(Ge)等方法，可以兼有作为遮断可见光的红外线滤光片的功能。利用由硫化锌或锗的多层膜构成的红外线镀层，还可以缩小波长范围。此外，采用多级阶梯形结构的透镜芯片BLC的形态，与通常由曲面构成的透镜相比，很容易进行用于确保透镜具有相同的聚光精度的成形加工。
如上所述，构成红外线检测元件21的双体透镜芯片BLC、二极管芯片DDC及热电堆芯片SPC，都可以利用对硅或锗的半导体基板进行蚀刻等的半导体制造工艺形成，在二极管芯片DDC中，如图13(b)所示，首先，在二极管芯片DDC的硅基板180的表面(图中的底面侧)上形成氧化膜105。接着，对氧化膜105形成图案并进行离子掺杂，从而形成用作二极管D1和D2的P+区域DP1和DP2及N+区域DN1和DN2。然后，形成氧化膜106，并形成由铝构成的二极管正极图案DAP1和DAP2、二极管负极图案DKP1和DKP2的金属层。进一步，形成对其进行保护的氮化膜107等薄膜层。同时还形成正极端子DAT等的结构。
按如上方式形成的二极管D1和D2，最好将P+区域DP1和DP2及N+区域DN1和DN2配置成当与热电堆芯片SPC结合时在二极管芯片DDC的结合部190内使PN结区域103大致位于热电堆85的冷接点84的正上方。因此，在将二极管芯片DDC与热电堆芯片SPC结合时，在接触的状态下将作为热敏部的二极管D1和D2配置在作为基准温度检测的原理基准点的冷接点84的正上方，从而能以高的精度测定正下方的冷接点84或其附近的基准温度。
进一步，如图14的展开图所示，二极管芯片DDC是中央开孔以便使红外线照射在热电堆芯片SPC的红外线吸收体81上的结合基板，因而使与热电堆芯片SPC的结合部190成为环状。另外，在结合部190上，形成沿着该环状结合部190延伸的2个二极管D1和D2。具体地说，首先，按大致的环状形成连接于负极端子DKT1的二极管负极图案DKP1、与其对应的N+区域DN1、连接于负极端子DKT2的二极管负极图案DKP2、与其对应的N+区域DN2。另外，还按大致的环状形成与共用的正极端子DAT连接并向2个方向中的一个方向延伸的二极管正极图案DAP1、与其对应的P+区域DP1、与上述正极端子DAT连接并向2个方向中的另一个方向延伸的二极管正极图案DAP2、与其对应的P+区域DP2。
另一方面，在热电堆芯片SPC侧，设置与二极管芯片DDC结合时用作红外线检测元件21的二极管输出端子的DA、DK1和DK2。这些端子，分别用铝配线与用于连接二极管芯片DDC的端子DAS、DKS1和DKS2连接。进一步，将这些端子DAS、DKS1和DKS2配置成与二极管芯片DDC的各端子DAT、DKT1和DKT2彼此相对。因此，如图15(a)和(b)所示，在将二极管芯片DDC与热电堆芯片SPC结合时，通过在构成相对的各端子的铝层之间插入焊料110等软金属，可以将各个连接用端子DAS和DAT、DKS1和DKT1、以及DKS2和DKT2连接。另外，在热电堆芯片SPC中，由于将输出端子DA、DK1和DK2配置在向与二极管芯片DDC结合的区域的外侧延伸的基座表面80a上，所以可以提供很容易连接的红外线检测元件21。
这样，通过在双体透镜BL或其他直接与热电堆芯片SPC结合的基板的结合部分上形成二极管D1和D2，可以在与用作热电堆芯片SPC的散热器的厚壁部801接触的状态下配置二极管D1和D2。因此，可以将二极管D1和D2作为热敏部而以高的精度检测作为热电堆85的冷接点84的温度的基准温度，因而能进行高精度的温度测定。另外，通过将二极管配置在与热电堆芯片SPC不同的芯片上，可以节省将二极管配置在热电堆芯片SPC上的空间，所以，具有可以提供作为整体进一步小型化的红外线检测元件21的可能性。此外，这些双体透镜芯片BLC、二极管芯片DDC及热电堆芯片SPC，都可以利用半导体制造工艺制作。因此，具有适于批量生产的结构，因而能以低成本供给灵敏度高的小型红外线检测元件。
进一步，通过将双体透镜BL与热电堆芯片SPC结合或如本例所示将双体透镜芯片BLC和二极管芯片DDC的组合与热电堆芯片SPC结合，可以使双体透镜的温度与作为散热器的厚壁部801的温度一致，从而减小由外部的热发射的红外线的影响或干扰。因此，能够减少误差因素，并可以使测定精度进一步提高。此外，通过将用作红外线透镜的双体透镜与热电堆芯片的结合部作为热敏部的配置空间，可以实现小型化，同时还可以利用二极管D1和D2掌握双体透镜BL侧的温度(由于是接触状态，所以等于基准温度)，因而还可以减小由基准温度与透镜温度的温度差引起的测定误差。
进一步，在上述的例中，用于形成二极管D1和D2的被称作二极管芯片的基板，是为使双体透镜芯片(透镜基板)BLC与热电堆芯片SPC结合而加工形成的由半导体构成的结合基板。因此，不限于上述形式，可以加工为使透镜芯片的形状与热电堆芯片的形状一致的适当形状，从而使具有适于用作透镜的形状的双体透镜芯片BLC与具有适于用作红外线传感器的形状的热电堆芯片SPC适当地结合。
另外，在上述的例中，将端子集中在热电堆芯片SPC的一侧配置，以便将接线26从一侧引出，但也可以分开在两侧形成，或使热电堆芯片SPC比双体透镜BL(双体透镜芯片BLC+二极管芯片DDC)大一周，从而可以将端子分散在芯片的周边部形成，以便从整个区域取出信号。
进一步，在该例中，如图16所示，将二极管正极图案DAP1和DAP2及二极管负极图案DKP1和DKP2设置成与作为二极管的导电体区域的P+区域DP1和DP2及N+区域DN1和DN2接触，以便将作为二极管应为等电位的部位的电位差消除，从而可以确保更可靠的动作。如果在性能和动作上不存在问题，则可以从P+区域DP1和DP2及N+区域DN1和DN2直接连接到各端子DAT、DKT1和DKT2，从而也可以将各图案DAP1、DAP2、DKP1、DKP2等省略。但是，当按环状配置二极管时，由于导电体区域变长，所以最好按本例所示设置图案，以便防止电位差的发生。
在热电堆芯片SPC侧形成二极管D1和D2时也一样，如图1所示，设置二极管正极图案DAP1和DAP2及二极管负极图案DKP1和DKP2并将其设置在热电堆芯片SPC上，以便将作为二极管应为等电位的部位的电位差消除，从而可以确保更可靠的动作。在这种情况下，虽然很难在冷接点84的正下方构成二极管，但可以将二极管D1和D2配置在与冷接点84十分靠近的部位，因而能以与上述的例同样或更高的精度测定基准温度。
另外，作为形成热电偶82的导电体材料，最好是电阻系数小、且热传导率小。因此，与电阻系数虽小但热传导率易于增大的金属相比，大多采用易于得到电阻系数小而热传导率也小的材料的半导体。即，最好采用表示每单位温度差的热电动势的绝对热电能量(所谓的塞贝克系数)比普通金属大得不能相比的半导体材料。因此，在上述的例中，作为形成热电偶82的一个导电体，采用将V族元素的磷P作为杂质进行掺杂的多晶硅。因此，该多晶硅为n型半导体，但也可以变更为电阻系数和热传导率更小的半导体材料。此外，例如，也可以将掺杂了所谓III族元素等的受主杂质的p型半导体用作热电偶82的导电体。另外，作为构成热电偶82的另一个导电体，有铝、(掺磷后)的多晶硅、硅化钼、氮化钛、硅化钨等。
进一步，热电偶82的另一个导电体虽然采用了铝，但也可以用p型半导体与n型半导体的组合构成热电偶。在这种情况下，由于p型半导体和n型半导体的塞贝克系数具有相反的极性，所以也可以采用将p型半导体与n型半导体交替地串联连接而构成的热电堆。此外，也可以仅在用作该热接点和冷接点的部分使用电阻系数更小的金属。
一般地说，如根据所谓开耳芬关系式及卡诺循环效率式等考虑到作为热电堆的效率、或其使用的各种材质的性能系数、珀耳帖系数及汤姆逊系数，则可以达到高的效率，而且还可以提高作为热电堆的灵敏度。此外，即使在使用金属作为其中一个或两个导电体的情况下，也可以只将热接点与冷接点之间用热传导率小的金属或半导体转接，从而提高测定灵敏度。
为提高热电偶82或热电堆85的灵敏度，如上所述，狭缝是有效的方式。因此，在上述红外线检测元件21中，在各热电偶的一个导电体、例如铝电极91与邻接的热电偶的另一个导电体、例如多晶硅电极92之间设置着狭缝98。按照这种方式，可以减小热接点83与冷接点84之间的热传导并确保两者之间有大的温度差，从而可以增大热电偶82中产生的电动势。因此，即使在将热接点与冷接点的间隔缩短而实现小型化的情况下，也可以提供灵敏度高的红外线检测元件21。所以，最好是确保增加狭缝98的宽度。但是，由于必需增加各导电体的间隔，所以很难以密集的方式配置多个热电偶，并有可能增加芯片的面积。
与此不同，如图17的放大图和图18的其局部断面图所示，在薄膜部802的中间支承区域68内，在作为构成热电偶82的一个导电体的多晶硅层92上设置氧化膜99并在其上形成作为另一个导电体的铝层91，可以使导电体91和92上下重叠。因此，可以减小导电体91和92所占的平面面积，所以可以在两者之间形成宽的狭缝98。另外，通过将导电体91和92重叠配置，可以进一步提高热电偶82的安装密度。因此，可以加宽狭缝98而不改变芯片整体的表面积，从而能进一步提高测定灵敏度。
另外，如图19的放大图和图20的其局部断面图所示，在薄膜部802的中间支承区域68内，也可以将狭缝98设置在构成热电偶的一个或两个导电体的宽度内。在图19和图20所示的例中，在中间支承区域68内，在构成热电偶的多晶硅层92上设置从表面连通到空心部KW的狭缝98，从而减小导电体的断面积。因此，可以减少通过导电体92传递的热量，并能提高热电偶的灵敏度。而且，热电偶82的安装密度也不会降低。
另外，在上文中说明了以狭缝状贯通薄膜部802的例，但不限于狭缝状的孔。进一步，也不限于贯通薄膜部802而到达空心部KW，通过使薄膜部802或构成热电偶82的导电体92或91的一部分形成凹状以减小热接点与冷接点之间的断面积，也可以减少热传导量并提高灵敏度。
在本例中，以设有红外线吸收体81的热电堆芯片SPC为例说明了本发明，但通过由空心部KW形成薄膜部802也可以实现对红外线具有足够高的灵敏度的传感器。此外，厚壁部801的未被蚀刻而留下的硅基板81具有散热器的功能。因此，即使是在薄膜部802上未形成红外线吸收体81的红外线检测元件，也可以采用本发明，因此可以提供灵敏度足够高的红外线检测元件，并可以应用于体温计等用途。此外，如果在薄膜部802上设有红外先吸收体81，则由于红外线吸收体81因吸收红外线而温度上升，所以能够增大薄膜部802与厚壁部801之间的温度差，所以可以提高热电堆85的输出电压并使测定灵敏度进一步提高。
另外，在上文中，作为采用了本发明的红外线检测元件21的温度测定装置的一例，举出了耳式体温计，但只要是利用从热源发射的红外线测定该热源的温度，当然可以是其他型式的体温计，当然也可以将本发明应用于其他用途的温度测定装置而不限于体温计。此外，测定出的温度有各种各样的利用方法，如本例所示，可以显示出所测定的温度，或者也可以利用测定出的温度进行各种控制。因此，本发明的温度测定装置，不限定于仅具有温度测定功能的装置，也包括与与其他功能、例如控制功能构成一体的装置。进一步，如上所述的实施形态只不过是本发明的一例，在不脱离本发明的要点的范围内，也可以进行适当的变更。
权利要求
1.一种红外线检测元件，具有基座，备有薄膜部及配置在该薄膜部周围的厚壁部；热电堆，将形成为使冷接点位于上述厚壁部的上部并使热接点位于上述薄膜部的上部的多个热电偶串联连接；及基准温度检测装置，备有与上述厚壁部接触的热敏部。
2.根据权利要求1所述的红外线检测元件，其特征在于上述基座至少备有形成上述厚壁部的基部的半导体基板，上述热敏部，是在上述半导体基板上形成的PN结。
3.根据权利要求2所述的红外线检测元件，其特征在于由上述PN结形成二极管。
4.根据权利要求2所述的红外线检测元件，其特征在于备有多个上述PN结。
5.根据权利要求2所述的红外线检测元件，其特征在于将上述多个PN结并列配置。
6.根据权利要求5所述的红外线检测元件，其特征在于共用上述多个PN结的一个导电体层。
7.根据权利要求2所述的红外线检测元件，其特征在于上述PN结在上述冷接点的下方形成。
8.根据权利要求2所述的红外线检测元件，其特征在于上述PN结沿着上述薄膜部的周围形成。
9.根据权利要求8所述的红外线检测元件，其特征在于在上述PN结的第1导电体层和第2导电体层的各上表面上，形成沿着该第1和第2导电体层延伸的电极。
10.根据权利要求1所述的红外线检测元件，其特征在于具有与上述基座的厚壁部的上表面结合的第2基板，在上述基座的与上述第2基板的结合部和/或上述第2基板的与上述基座的结合部上，设置上述热敏部。
11.根据权利要求10所述的红外线检测元件，其特征在于上述第2基板是半导体基板，上述热敏部，是在上述第2基板的结合部形成的PN结。
12.根据权利要求11所述的红外线检测元件，其特征在于备有多个上述PN结。
13.根据权利要求11所述的红外线检测元件，其特征在于上述多个PN结并列配置。
14.根据权利要求13所述的红外线检测元件，其特征在于共用上述多个PN结的一个导电体层。
15.根据权利要求11所述的红外线检测元件，其特征在于上述PN结配置在上述冷接点的上方。
16.根据权利要求11所述的红外线检测元件，其特征在于上述PN结沿着上述结合部形成。
17.根据权利要求16所述的红外线检测元件，其特征在于形成沿着上述PN结的这些第1导电体层和第2导电体层延伸的电极，使所述PN结与该第1和第2导电体层的各上表面接触。
18.根据权利要求1所述的红外线检测元件，其特征在于在上述薄膜部上，还具有可以将红外线会聚在该薄膜部上的红外线透镜。
19.根据权利要求18所述的红外线检测元件，其特征在于在上述薄膜部上，具有层叠的红外线吸收体，使其至少覆盖上述热接点或其附近，上述红外线透镜聚光于上述红外线吸收体。
20.根据权利要求18所述的红外线检测元件，其特征在于上述红外线透镜与上述基座的厚壁部结合。
21.根据权利要求20所述的红外线检测元件，其特征在于在上述基座的与上述红外线透镜的结合部和/或上述红外线透镜的与上述基座的结合部上，设置上述热敏部。
22.根据权利要求20所述的红外线检测元件，其特征在于上述红外线透镜，通过对半导体基板进行蚀刻形成，上述热敏部，是在上述红外线透镜的结合部形成的PN结。
23.根据权利要求22所述的红外线检测元件，其特征在于备有多个上述PN结。
24.根据权利要求23所述的红外线检测元件，其特征在于上述多个PN结并列配置。
25.根据权利要求24所述的红外线检测元件，其特征在于共用上述多个PN结的一个导电体层。
26.根据权利要求22所述的红外线检测元件，其特征在于上述PN结配置在上述冷接点的上方。
27.根据权利要求22所述的红外线检测元件，其特征在于上述PN结在上述结合部上沿着薄膜部的周围形成。
28.根据权利要求27所述的红外线检测元件，其特征在于形成沿着上述PN结的这些第1导电体层和第2导电体层延伸的电极，使所述PN结与该第1和第2导电体层的各上表面接触。
29.根据权利要求1所述的红外线检测元件，其特征在于形成贯通构成上述热电偶的导电体之间的薄膜部的孔和/或更薄的薄膜部分。
30.根据权利要求29所述的红外线检测元件，其特征在于在上述薄膜部上，层叠构成上述热电偶的导电体及与其串联连接的导电体。
31.根据权利要求1所述的红外线检测元件，其特征在于形成贯通构成上述热电偶的导电体的孔或使上述导电体薄膜化的部分。
32.根据权利要求1所述的红外线检测元件，其特征在于在上述薄膜部上，具有层叠的红外线吸收体，使其至少覆盖上述热接点或其附近。
33.一种温度测定装置，具有权利要求1所述的红外线检测元件、及根据由上述基准温度检测装置的输出求得的基准温度从上述热电堆的输出电压求取温度的装置。
34.根据权利要求33所述的温度测定装置，其特征在于上述热敏部备有PN结，上述求取温度的装置，备有根据上述PN结的正向电压降求取上述基准温度的装置。
35.根据权利要求33所述的温度测定装置，其特征在于上述热敏部备有多个PN结，上述求取温度的装置，备有根据上述多个PN结的正向电压降的差分求取上述基准温度的装置。
36.根据权利要求33所述的温度测定装置，其特征在于具有可以将前端插入耳孔内的筒状部分，并将上述红外线检测元件配置成使上述薄膜部朝向上述筒状部分的前端。
37.根据权利要求36所述的温度测定装置，其特征在于上述红外线检测元件，在上述薄膜部上备有层叠的红外线吸收体，使其至少覆盖上述热接点或其附近，并将该红外线吸收体配置成朝向上述筒状部分的前端。
全文摘要
本发明的红外线检测元件,具有:基座,备有薄膜部及配置在该薄膜部周围的厚壁部;及热电堆,将形成为使冷接点位于厚壁部的上部并使热接点位于薄膜部的上部的多个热电偶串联连接,在该红外线检测元件中,设置与厚壁部接触的热敏部,从而当根据热电堆的输出求取温度时可以利用精度高的基准温度。通过将在半导体基板上形成的PN结用作热敏部,能以低成本提供高性能的小型红外线检测元件。
文档编号G01J1/02GK1328251SQ0112087
公开日2001年12月26日 申请日期2001年6月5日 优先权日2000年6月6日
发明者佐藤茂美, 岩本修, 盐原康弘, 织田裕二 申请人:精工爱普生株式会社