(57)【要約】【課題】  信頼性と赤外線検出感度の高い焦電型赤外線センサを提供すること。【解決手段】  焦電体膜１１、１２と、金属薄板２と、支持部材３を備え、金属薄板２上に焦電体膜１１、１２が形成され、金属薄板２の端部は支持部材３により固定され、焦電体膜１１、１２の少なくとも一部に入射した赤外線を焦電体膜１１、１２の表裏面に誘起された電荷により検出する焦電型赤外線センサを構成する。【選択図】  図１
2014041112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦電体膜と、
受光側電極と、
検出電極と、
金属薄板と、
支持部材を備え、
前記金属薄板上に前記絶縁膜、前記検出電極、前記焦電体膜、前記受光側電極が順に積層され、
前記金属薄板端部の少なくとも一部は前記支持部材により固定され、
前記受光側電極、前記焦電体膜、及び前記検出電極が積層された領域の少なくとも一部に入射した赤外線を、
前記受光側電極と前記検出電極に誘起された電荷により検出することを特徴とする焦電型赤外線センサ。
【請求項２】
前記金属薄板は、厚さ３μｍ以上、３０μｍ以下のステンレスであることを特徴とする請求項１記載の焦電型赤外線センサ。
【請求項３】
前記焦電体膜は、厚さが５μｍ以上、３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の焦電型赤外線センサ。
【請求項４】
さらに絶縁膜を備え、
前記金属薄板と前記検出電極の間に前記絶縁膜を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の焦電型赤外線センサ。
【請求項５】
前記焦電体膜は、少なくとも第１の焦電体膜と第２の焦電体膜を備え、
前記金属薄板における、前記第１の焦電体膜と前記第２の焦電体膜の間、並びに前記第１の焦電体膜及び前記第２の焦電体膜外周の一部にスリットが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の焦電型赤外線センサ。
【請求項６】
前記金属薄板の、前記赤外線が入射する側に対する裏面に少なくとも前記焦電体膜が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の焦電型赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線が照射された際の焦電体に生じる電荷を検出することにより赤外線を検出する焦電型赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を検出する焦電体の熱絶縁性を高めることにより、焦電型赤外線センサの感度を向上させる試みがなされている。
【０００３】
例えば特許文献１の段落００２２等には、板状の焦電体である焦電素子チップの赤外線検出に寄与する電極の周辺にくり抜き穴を設けることにより熱絶縁性を高める技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２の段落００２７には、絶縁体薄膜によって赤外線検出部を支持することにより熱絶縁性を高める技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−８１９９０号公報
【特許文献２】特開平０９−３２５０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
赤外線検出を行う焦電体は、熱容量が小さいほど赤外線検出感度を高めることができる。しかし、特許文献１のような焦電体板による構成では、強度面の制約により焦電体板の薄さに限界があり、充分な赤外線検出感度を得られないという課題がある。
【０００７】
また、特許文献１、特許文献２のいずれの構成においても赤外線を検出する焦電体の機械的強度を高めることが困難であり、信頼性の面で課題がある。
【０００８】
従って本発明の目的は、信頼性と赤外線検出感度を両立した焦電型赤外線センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、焦電体膜と、受光側電極と、検出電極と、金属薄板と、支持部材を備え、金属薄板上に絶縁膜、検出電極、焦電体膜、受光側電極が順に積層され、金属薄板端部の少なくとも一部は支持部材により固定され、受光側電極、焦電体膜、及び検出電極が積層された領域の少なくとも一部に入射した赤外線を、受光側電極と検出電極に誘起された電荷により検出する焦電型赤外線センサにより上記課題を解決する。
【００１０】
さらに、金属薄板は、厚さ３μｍ以上、３０μｍ以下のステンレスであってもよく、焦電体膜は、厚さが５μｍ以上、３０μｍ以下であってもよい。
【００１１】
また、さらに絶縁膜を備え、金属薄板と検出電極の間に絶縁膜を設けてもよい。
【００１２】
また、焦電体膜は、少なくとも第１の焦電体膜と第２の焦電体膜を備え、金属薄板における、第１の焦電体膜と第２の焦電体膜の間、並びに第１の焦電体膜及び第２の焦電体膜外周の一部にスリットが設けられている焦電型赤外線センサであってもよい。
【００１３】
また、金属薄板の、赤外線が入射する側に対する裏面にも焦電体膜が設けられている焦電型赤外線センサであってもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によって、信頼性と赤外線検出感度を両立した焦電型赤外線センサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明における焦電型赤外線センサの斜視図。
【図２】本発明における焦電型赤外線センサの分解斜視図。
【図３】本発明における焦電型赤外線センサの回路図。
【図４】本発明における焦電型赤外線センサの出力電圧波形を示す図。
【図５】チョッピング周波数に対する焦電型赤外線センサ出力の電圧振幅Ｖｐｐを示す図。
【図６】焦電型赤外線センサ出力の電圧振幅Ｖｐｐを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明における実施形態の一例について、図と共に説明する。
【００１７】
図１は、本発明における焦電型赤外線センサの斜視図である。
【００１８】
図１では、焦電体膜１１、１２と、金属薄板２と、支持部材３を備え、金属薄板２上に焦電体膜１１、１２が形成され、金属薄板２の端部は支持部材３により固定され、焦電体膜１１、１２の少なくとも一部に入射した赤外線を焦電体膜１１、１２の表裏面に誘起された電荷により検出する焦電型赤外線センサを構成している。
【００１９】
焦電体板による特許文献１の構成や、赤外線検出部を絶縁体薄膜で支持する特許文献２の構成と比較すると、赤外線を検出する焦電体膜１１、１２を金属薄板２で支持する本実施形態は、焦電体膜が金属薄板で裏打ちされているため強度面で優れており、外部の振動や衝撃等に対する信頼性が高い。
【００２０】
すなわち、焦電体膜１１、１２の下地として金属薄板２をあえて残しておくことにより、脆性のある焦電体膜１１、１２の強度を補強し、強度面での信頼性が向上する。
【００２１】
さらに、金属薄板２であれば、強度を保ちつつ、金属薄板の熱伝導率による影響を無視できるほどまでに薄くすることができるため、金属薄板に焦電体膜を形成した本実施形態の焦電型赤外線センサであれば、特許文献１や特許文献２ではなし得なかった赤外線検出部の強度と赤外線検出感度を両立することが可能となる。
【００２２】
このような金属薄板２の厚さは、薄いと充分な機械的強度が得られないので３μｍ以上あることが望ましく、５μｍ以上であればなお良い。厚いと熱容量が大きくなって赤外線検出感度が低下するため３０μｍ以下であることが望ましく、２０μｍ以下であればなお良い。
【００２３】
金属薄板２の材質は、強度と耐食性の面からステンレスであることが望ましく、形成された焦電体膜を緻密化させる熱処理時の耐久性を考慮すれば、８００度以上の耐熱性を有するステンレスが、より望ましい。
【００２４】
焦電体膜１１、１２の厚さは、薄いと電極間の絶縁性を維持することが困難となるため、５μｍ以上あることが望ましく、１０μｍ以上であればなお良い。厚いと熱容量が大きくなって赤外線検出感度が低下するため３０μｍ以下であることが望ましく、２０μｍ以下であればなお良い。
【００２５】
焦電体膜１１、１２の材料としては、ジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸の組成系であることが望ましい。
【００２６】
また、強度と小さい熱容量を両立する上で、焦電体膜１１、１２の厚さは、金属薄板２の厚さの０．５倍以上、７．０倍以下であることが望ましい。
【００２７】
焦電体膜１１、１２は、厚膜の形成に適しており、１０００℃以下で結晶粒成長、結晶性改善を行う緻密化熱処理が可能なエアロゾルデポジション法により形成するのが望ましい。
【００２８】
さらに、金属薄板２の、焦電体膜１１、１２が形成された赤外線が入射する側の表面に対する裏面に、図示しない別の焦電体膜を形成してもよい。
【００２９】
このような構成を取ることで、金属薄板２の表裏面に焦電体膜が配されるため、焦電体膜と金属薄板２との熱膨張係数の差や、焦電体膜の内部応力などによる金属薄板２の反りの発生を抑制することができる。
【００３０】
また、受光側電極４１と、検出電極４２１、４２２と、絶縁膜５があり、金属薄板２上に絶縁膜５、検出電極４２１、４２２、焦電体膜１１、１２、受光側電極４１が順に積層され、受光側電極４１と検出電極４２１、４２２が重なる領域の少なくとも一部には焦電体膜１１、１２が設けられることにより、受光側電極４１、焦電体膜１１、１２、及び検出電極４２１、４２２が積層された領域の少なくとも一部に入射した赤外線を検出するよう構成している。
【００３１】
検出電極４２１、４２２は絶縁膜５と焦電体膜１１、１２の間に設けられるため、焦電体膜を緻密化させる熱処理に耐え得るよう、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔを用いるのが望ましい。
【００３２】
受光側電極４１は、赤外線を吸収させたい場合にはＮｉが望ましく、差動検出等のため赤外線を吸収させたくない場合は、Ａｕ、Ａｇが望ましい。
【００３３】
このような絶縁膜５を焦電体膜１１、１２と金属薄板２の間に設ける構成を取ることにより、焦電体膜１１、１２から金属薄板２への熱伝導を抑制している。
【００３４】
金属薄板２として、例えばＡｌを３ｍｏｌ％以上８ｍｏｌ％以下含有するステンレスを用いると、金属薄板２を、例えば大気中１１００℃の熱処理をするだけで表面に絶縁膜５として機能するアルミナ皮膜が形成されるため、望ましい。
【００３５】
さらに、焦電体膜１１と焦電体膜１２の間、並びに焦電体膜１１及び焦電体膜１２外周の一部にスリット６０、６１、６２が設けられている。
【００３６】
スリット６０、６１、６２により焦電体膜と、その近傍の金属薄板との間の熱抵抗を高めることとなるが、さらにスリット６０、６１、６２によって面内方向で隣り合う電極膜間の電気絶縁を確実に行うことができる。
【００３７】
すなわち、焦電体膜１１と焦電体膜１２の間のスリット６０によって、検出電極４２１と、検出電極４２２の間が電気的に絶縁され、焦電体膜１１と焦電体膜１２の間も熱的に絶縁される。
【００３８】
また、焦電体膜１１の外周にあるスリット６１によって、受光側電極４１と検出電極４２１の間が電気的に絶縁され、焦電体膜１２の外周にあるスリット６２によって、受光側電極４１と検出電極４２２の間が電気的に絶縁される。
【００３９】
さらに、スリット６１、６２によって、焦電体膜１１と焦電体膜１２と支持部材３との間の熱絶縁性を高める構成となっている。
【００４０】
なお、検出電極４２１、４２２は、スリット６０によって隔てられていない部分では可能な限り相互に離して構成することで、より確実に電気絶縁を行うことができるため、望ましい。
【００４１】
図２は、本発明における焦電型赤外線センサの分解斜視図である。
【００４２】
本発明による実施形態の焦電型赤外線センサは、支持部材３の上にスリット６０、６１、６２を開けた金属薄板２を固定し、全面に絶縁膜５を形成し、検出電極４２１、４２２、焦電体膜１１、１２、受光側電極４１を順次形成した構成となっている。
【００４３】
なお、焦電型赤外線センサを作成した後に、金属薄板２のみに複数の穴を開け、網状となるようなエッチング処理を施すことにより、焦電体膜１１、１２の熱容量をさらに削減しても良い。
【００４４】
図３は、本発明における焦電型赤外線センサの回路図である。環境温度などによる焦電体膜１１と焦電体膜１２の電位及びその変化が等しい場合には、検出電極４２１、４２２間の電位差は零となる。
【００４５】
しかし、焦電体膜１１もしくは焦電体膜１２のいずれかに赤外線が入射した場合には、検出電極４２１、４２２間の電位差が発生し、オペアンプ７と抵抗Ｒｆｂによる電流／電圧変換回路、及びバンドパスフィルタを内蔵した増幅器８を介して出力電圧Ｖｏが得られる。
【００４６】
ここで基準電位Ｖｒｅｆはオペアンプ７及び増幅器８の特性に合わせて適宜調整する。
【００４７】
本実施形態では、このようないわゆるデュアルタイプの焦電型赤外線センサを構成しているが、焦電体膜パターンを４つ設けたクアッドタイプ、複数の焦電体膜パターンを並べたアレイタイプの焦電型赤外線センサを構成しても良い。
【実施例】
【００４８】
図１の構成を取り、以下の手順で焦電型赤外線センサを作成した。
【００４９】
最初にＡｌを５ｍｏｌ％含有するステンレスよりなる金属薄板２上に、エアロゾルデポジション法を用いてチタン酸鉛よりなる絶縁膜５を形成した。
【００５０】
次にメタルマスクを被せてスパッタ法により検出電極４２１、４２２を形成し、メタルマスクを交換した後、エアロゾルデポジション法を用いてチタン酸鉛よりなる焦電体膜１１、１２を形成した。ここで焦電体膜１１、１２の厚さは１４μｍである。
【００５１】
次に８５０℃で熱処理を行うことにより焦電体膜１１、１２を緻密化し、その後ＮｉＣｕをスパッタ法により形成することで受光側電極４１を設けた。
【００５２】
最後に受光側電極４１と検出電極４２１、４２２の間に焦電体膜１１、１２へ印加される電界強度が１０ｋＶ／ｍｍ以上となるよう１５０Ｖの電圧を印加して分極処理を行った。
【００５３】
完成した焦電型赤外線センサ素子の検出電極４２１、４２２を図３の赤外線検出回路に接続し、焦電体膜１２上を受光しないようマスキングして、４０℃の温度に設定された黒体炉から放射される赤外線を焦電体膜１１上の受光側電極４１に照射し、照射される赤外線をチョッピングすることにより、測定された出力電圧Ｖｏを図４に示す。
【００５４】
すなわち図４は、本発明における焦電型赤外線センサの出力電圧波形を示している。
【００５５】
図４中の出力電圧波形の電圧振幅Ｖｐｐが赤外線の検出信号となる。
【００５６】
図５は、チョッピング周波数に対する焦電型赤外線センサ出力の電圧振幅Ｖｐｐを示している。
【００５７】
ここで、金属薄板２の厚さを１０μｍとしたものを実施例１、２０μｍとしたものを実施例２としている。
【００５８】
また、金属薄板２及び焦電体膜１１、１２を厚さ９０μｍのチタン酸鉛セラミック薄板に置き換えたものを比較例１としている。
【００５９】
実施例１、２は比較例１よりも赤外線を検出したことによる出力電圧振幅が大きく、本発明により赤外線検出感度が向上していることを示している。
【００６０】
さらに、金属薄板２の厚さを２０μｍ、焦電体膜１１、１２の厚さを１０μｍとして、焦電体膜１１、１２が形成された赤外線が入射する側の表面に対する裏面に、別の焦電体膜を１０μｍ形成したものを実施例３とした。
【００６１】
さらに、別の焦電体膜を形成せず、焦電体膜１１、１２の厚さを１０μｍとして、金属薄板２の厚さを２０μｍとしたものを実施例４、３０μｍとしたものを実施例５とした。
【００６２】
実施例３は、実施例４、５よりも金属薄板２の反りが少ないことを確認した。
【００６３】
図６は、焦電型赤外線センサ出力の電圧振幅Ｖｐｐを示している。ここで、チョッピング周波数は１Ｈｚから３０Ｈｚの間に設定した。また、実施例３、４、５は同条件のサンプルを２つ作成し、電圧振幅Ｖｐｐを測定した。
【００６４】
実施例３は熱容量が実施例４よりも大きいが、実施例４とほぼ同等の電圧振幅であり、また実施例３は実施例５と熱容量がほぼ同等であるが、電圧振幅が向上していることを示している。
【符号の説明】
【００６５】
２  金属薄板
３  支持部材
５  絶縁膜
７  オペアンプ
８  増幅器
１１、１２  焦電体膜
４１  受光側電極
６０、６１、６２  スリット
４２１、４２２  検出電極
Ｒｆｂ  抵抗
Ｖｒｅｆ  基準電位
Ｖｏ  出力電圧
Ｖｐｐ  電圧振幅
【図１】
2014041112.tif 000003
【図２】
2014041112.tif 000004
【図３】
2014041112.tif 000005
【図４】
2014041112.tif 000006
【図５】
2014041112.tif 000007
【図６】
2014041112.tif 000008