(57)【要約】【課題】光学フィルタを用いずに所定の波長を選択的に検出する電磁波センサ、及び該電磁波センサを備えた電磁波センサ装置を提供する。【解決手段】電磁波センサ１００は、温度検知部４と、該温度検知部に熱的に接続され、少なくとも電磁波入射面が金属１２である電磁波吸収部３とを備え、電磁波入射面を通って電磁波吸収部に入射した電磁波を検出する。電磁波吸収部３は、互いに交差する２方向に、一定の溝周期で互いに平行に形成された複数の溝部１１（１１ａ，１１ｂ）をそれぞれ有し、溝部の溝深さｈ、溝幅ｗ及び溝周期ｐは、電磁波吸収部に入射した電磁波に含まれる特定波長の電磁波と結合する表面プラズモンを誘起するように選択される。【選択図】図４ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度検知部と、該温度検知部に熱的に接続され、少なくとも電磁波入射面が金属である電磁波吸収部とを備え、電磁波入射面を通って電磁波吸収部に入射した電磁波を検出する電磁波センサであって、
電磁波吸収部は、互いに交差する２方向に、一定の溝周期で互いに平行に形成された複数の溝部をそれぞれ有し、
溝部の溝深さ、溝幅及び溝周期は、電磁波吸収部に入射した電磁波に含まれる特定波長の電磁波と結合する表面プラズモンを誘起するように選択されたことを特徴とする電磁波センサ。
【請求項２】
電磁波吸収部は、温度検知部上に直接配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の電磁波センサ。
【請求項３】
前記複数の溝部は、互いに直交する２方向に形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電磁波センサ。
【請求項４】
溝部は、溝深さより小さい溝幅を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁波センサ。
【請求項５】
電磁波吸収部は、金属膜からなる単層構造、又は、金属膜と誘電体膜とを含む多層構造を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁波センサ。
【請求項６】
溝部の長手方向に対して垂直な断面は、矩形状に形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電磁波センサ。
【請求項７】
溝部は、前記特定波長以下の溝周期を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電磁波センサ。
【請求項８】
中空部を有する基板と、
温度検知部に接続され、中空部の上側に温度検知部を保持する支持脚とをさらに備え、
温度検知部は、温度によりその電気抵抗の値が変わる検知膜を有し、
電磁波吸収部は、温度検知部の上側に設けられたことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電磁波センサ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の電磁波センサがアレイ状に複数個配置されている、ことを特徴とする電磁波センサ装置。
【請求項１０】
溝部の溝深さ、溝幅及び溝周期のうちの少なくとも一つが互いに異なる複数の電磁波センサを含むことを特徴とする、請求項９に記載の電磁波センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波センサ及び電磁波センサ装置に関し、特に熱型の赤外線センサ及び赤外線センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱型赤外線センサ装置は、検出する赤外線の波長を選択するために、赤外線センサの前方に光学フィルタを装着していた。しかし、構造が複雑になる、検出効率が低下する等の理由により、光学フィルタを用いず、赤外線センサのみで検出波長を選択する熱型赤外線センサ装置が開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、赤外線吸収部に曲面からなる波形構造を設け、この波形構造の周期と等しい波長の赤外線のみを選択的に吸収する赤外線センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１−１４２４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の赤外線センサの場合、第１に、赤外線吸収部が有する周期構造の周期の大きさを検出波長より小さくすることができないため、吸収部の面積を縮小することが難しいという問題があった。第２に、吸収部を構成する材料に、金属でなくカーボン等を用いた場合には、材料そのものが検出波長以外の波長も吸収してしまい、波長選択性が悪化するという問題があった。第３に、かかる波型構造は、作製が困難であるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、光学フィルタを用いずに所定の波長を選択的に検出する電磁波センサ、及び該電磁波センサを備えた電磁波センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る電磁波センサは、温度検知部と、該温度検知部に熱的に接続され、少なくとも電磁波入射面が金属である電磁波吸収部とを備え、電磁波入射面を通って電磁波吸収部に入射した電磁波を検出する電磁波センサであって、電磁波吸収部は、互いに交差する２方向に、一定の溝周期で互いに平行に形成された複数の溝部をそれぞれ有し、溝部の溝深さ、溝幅及び溝周期は、電磁波吸収部に入射した電磁波に含まれる特定波長の電磁波と結合する表面プラズモンを誘起するように選択されたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る電磁波センサ装置は、前記電磁波センサがアレイ状に複数個配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、溝部の深さ方向、或いは面内方向で表面プラズモン共鳴が生じることにより、光学フィルタを設けないで、特定波長の電磁波の吸収量を特定波長以外の電磁波の吸収量より大きくすることができ、これにより、所望の波長の電磁波を選択して検出することができる。また、表面プラズモン共鳴を利用しており、周期の大きさを検出波長より小さくすることができるため、電磁波吸収部の面積を小さくすることが可能となる。
【００１０】
また、少なくとも電磁波入射面が金属であり、電磁波吸収部を構成する材料そのものによる検出波長以外の波長吸収を抑制でき、それゆえ吸収波長の選択性を向上させることができる。さらに、かかる溝部は、一般のエッチング工程により容易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１による赤外線センサ装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１による赤外線センサの上面図を、吸収体がない状態で示す。
【図３】図２のＩ−Ｉ断面図を、吸収体がある状態で示す。
【図４ａ】本発明の実施の形態１による吸収体の斜視図である。
【図４ｂ】本発明の実施の形態１による吸収体の上面図である。
【図５】図４ｂのＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１による代替の吸収体の、図５に対応する断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１による代替の吸収体の、図５に対応する断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１による吸収体の吸収特性を示している。
【図９】図８のｈ＝０．８μｍの場合の吸収特性を示しており、図９（ａ）はｘ方向に対して電界が平行であるときを、図９（ｂ）は垂直であるときをそれぞれ示す。
【図１０】本発明の実施の形態１による吸収体の吸収特性を示す。
【図１１】本発明の実施の形態１による吸収体の吸収特性を示す。
【図１２】本発明の実施の形態２による赤外線センサアレイの上面図である。
【図１３】本発明の実施の形態３による赤外線センサアレイの上面図である。
【図１４】図１３のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態４による赤外線センサの温度検知部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態では、電磁波センサの一例として、熱型の赤外線センサを用いて説明する。また、例として、温度検知部がシリコンダイオードである場合について記載するが、本発明はこれに限定されず、入射光の吸収体構造として、サーモパイル、ボロメータ等の吸収体構造を用いる場合にも有効である。つまり、本発明は、熱型赤外線センサの方式自体には依存しない。さらに、本発明は、赤外線以外の波長域、例えば可視、近赤外、テラヘルツ（ＴＨｚ）領域のセンサとしても有効である。
【００１３】
また、各実施形態において、同一の構成には同一の符号を付して、説明を省略する。
【００１４】
実施の形態１．
最初に、本発明の実施の形態１による赤外線センサ装置の構成について説明する。
図１は、全体が１０００で表される、本発明の実施の形態１による赤外線センサ装置の斜視図である。赤外線センサ装置１０００では、基板１の上に複数の赤外線センサ１００がｘ軸及びｙ方向にマトリックス状（アレイ状）に配置されており、ｚ軸に平行な方向から光を入射させる。赤外線センサ１００の周囲には、赤外線センサ１００により検出した信号を処理して画像を検出する検出回路１０１０が設けられている。
【００１５】
赤外線センサ装置１０００には、赤外線センサ１００が２次元的に配置されているが、１次元的に配置された構成でもよい。
【００１６】
図２は、吸収体１０を除去した赤外線センサ１００の上面図である。図２では、明確化のために、配線上の保護膜や反射膜は省略して図示している。図３は、赤外線センサ１００を図２に示すＩ−Ｉ方向、後述の図４ｂに示すＩＩ−ＩＩ方向に見た場合の断面図を、吸収体がある状態で示す。
【００１７】
図２、図３に示すように、赤外線センサ１００は、例えば、シリコンからなる基板１を含む。基板１には中空部２が設けられている。また、中空部２の上側には、温度を検知する温度検知部４が設けられている。温度検知部４は、２本の支持脚３により支持されている。支持脚３は、図２に示すように、上方から見るとＬ字型に折れ曲がったブリッジ形状を有する。支持脚３は、薄膜金属配線６と、配線６を支える絶縁層１４とを含む。
【００１８】
温度検知部４は、温度によってその電気抵抗の値が変化する検知膜５と薄膜金属配線６とを含む。検知膜５は、例えば、結晶シリコンを用いたダイオード、即ちシリコンダイオードからなる。上述の通り、薄膜金属配線６は、支持脚３にも設けられ、絶縁層１７で覆われたアルミニウム配線７と検知膜５とを電気的に接続している。薄膜金属配線６は、例えば、厚さが約１００ｎｍのチタン合金からなる。検知膜５が出力した電気信号は、支持脚３に形成された薄膜金属配線６を経由してアルミニウム配線７に伝わり、検出回路（図１の１０１０）により取り出される。薄膜金属配線６と検知膜５との間、及び薄膜金属配線６とアルミニウム配線７との間の電気的接続は、必要に応じて上下方向に延在する導電体（図示せず）を介して行ってもよい。
【００１９】
赤外線を反射する反射膜８は、中空部２を覆うように配置されている。ただし、反射膜８は、温度検知部４と熱的に接続されない状態で、支持脚３の少なくとも一部を覆うように配置されている。
【００２０】
図３に示すように、温度検知部４の上側には支持柱９が設けられ、支持柱９の上に吸収体１０が支持されている。つまり、吸収体１０は、温度検知部４の上側で支持柱９によって接続されている。また、吸収体１０は、温度検知部４と熱的に接続されており、吸収体１０で生じた温度変化が温度検知部４に伝わる構成を有する。
【００２１】
一方、吸収体１０は、反射膜８と熱的に接続されない状態で、反射膜８より上方に保持され、反射膜８の少なくとも一部を覆うように側方に広がっている。そのため、赤外線センサ１００は、上方から見ると図４ｂに示すように吸収体１０のみが見える。なお、吸収体１０で入射光を充分に吸収することができる場合、反射膜８は無くてもよい。それゆえ、反射膜８を設けるか否かは、必要に応じて選択することができる。
【００２２】
かかる赤外線センサ１００では、入射した赤外線（電磁波）は主に吸収体１０で吸収される。吸収体１０に吸収された赤外線は熱に変換され、支持柱９を経由して温度検知部４に伝わる。温度検知部４では、検知膜５の電気抵抗が温度により変化するため、外部に設けた検出回路１０１０で電気抵抗の値の変化を検出することにより、吸収体１０に吸収された赤外線の量を検出することができる。
【００２３】
次に、吸収体１０の構造について説明する。
図４ａ、図４ｂは、本発明の実施の形態１による赤外線センサが備える吸収体の斜視図及び上面図である。図４ａ、図４ｂでは、吸収体１０の構造を明確化するために、吸収体１０と後述の支持柱９とを接続する接続部の穴を省略して図示しているが、この穴の存在は必須ではない。
【００２４】
図４ａ、図４ｂに示すように、吸収体１０には、吸収体１０をｚ方向に貫通しない溝部１１（１１ａ,１１ｂ）がｘ方向、ｙ方向にそれぞれ周期的に形成されている。図４ａに示すように、溝部１１は、所定の溝深さｈ、溝幅ｗ及び溝周期ｐを有する。また、ｘ方向、ｙ方向にそれぞれ延設された溝部１１ａ，１１ｂは、互いに交差し、好ましくは直交している。さらに、溝周期ｐは、所望の吸収波長よりも小さい大きさに設定する。また、溝部１１ａ，１１ｂの周期数、即ち吸収体の凸部の数はそれぞれ等しいことが好ましい。ただし、周期数が充分に大きい場合、例えば、一般に周期数と溝周期ｐとの積が検知波長の数倍程度の値であれば、溝部１１ａ，１１ｂの周期数が異なっても吸収特性の非対称性を無視することができる。なお、図４ａ，図４ｂでは、溝部１１ａ，１１ｂは互いに直交し、吸収体の凸部の数がそれぞれ等しい場合について図示している。
【００２５】
溝部１１ａ，１１ｂが交差するように形成され、かつ、溝部１１ａ，１１ｂの周期数を等しくすることにより、吸収における入射光の偏光依存性が低下し、吸収率が増加するという効果がある。さらに、溝部１１ａ，１１ｂが直交する場合には、吸収における入射光の偏光依存性が無くなり、最も吸収率が増加する。
【００２６】
図５は、図４ｂに示す赤外線センサ１００の吸収体１０をＩＩ−ＩＩ方向に見た断面図（ｘ−ｚ平面）である。図４ｂでは、溝部１１ａ，１１ｂは互いに直交し、吸収体の凸部の数をそれぞれ等しいため、図５は、ｙ−ｚ平面の場合も同様の断面図となる。また、吸収体１０には、既に述べたように、溝部１１は２次元的な周期構造を形成するように設けられているところ、溝部１１の長手方向に対して垂直な断面は、矩形状に形成されていることが好ましい。つまり、溝部１１は、赤外線吸収面及び底面に対して直交する側壁を有することが好ましい。
【００２７】
図５に示すように、吸収体１０は、金属膜１２からなる。また、金属膜１２は、表面プラズモン共鳴を生じやすい金属で構成されていることが好ましい。かかる金属は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ等である。吸収体１０の全体的な膜厚は、吸収率、熱時定数、材料の応力等を考慮して適宜決定することができる。
【００２８】
かかる吸収体１０は、フォトリソグラフィにより金属をパターニングすることにより作製することができる。つまり、１）溝部１１のマスクパターンを作成し、２）金属膜にフォトレジストを塗布し、３）フォトレジストに光照射して溝部１１のマスクパターンを金属膜に転写し、４）金属膜を現像し、５）ハロゲン系ガスを用いたドライエッチングにより露出した金属部分を加工し、６）最後にレジストを有機溶剤で除去する。上記５）は、エッチング液を用いたウェットエッチングで行ってもよい。
【００２９】
ここで、吸収体１０は、少なくとも赤外線吸収面が金属であればよく、例えば図６に示すように、赤外線吸収面のみが金属膜１２からなり、内部は酸化シリコンＳｉＯ２、窒化シリコンＳｉＮ、シリコン等の誘電体１３で構成されていてもよい。この場合、金属膜１２が入射光を透過させることのないほど充分な厚さを有していれば、内部の誘電体１３そのものの吸収等の光学的な影響はない。
【００３０】
例えば吸収体１０の金属膜１２が、検出波長に対してδ＝（２／μσω）１／２で表される表皮効果の厚さ(skin depth)の２倍程度以上の厚さ（数１０ｎｍ程度から数１００ｎｍ程度）を有すれば、一般に入射光の漏れ出しが充分に小さいといえる。ただし、μ、σはそれぞれ金属膜１２の透磁率、電気伝導率であり、ωは検出波長を有する電磁波の角振動数である。
【００３１】
よって、吸収体１０は、誘電体膜上に金属膜を形成した２層構造を有してもよく、或いは、酸化シリコン等からなる誘電体膜が金属膜で挟持された３層構造を有してもよい。
【００３２】
吸収体１０がかかる多層構造を有する場合、一般に金属より誘電体の方が容積比熱が大きいことに起因して、熱容量が金属単体の場合に比べて小さくなる。これにより、応答速度が大きくなるという効果がある。また、上記の２層構造、３層構造は、上記のフォトリソグラフィによるパターニング及びエッチングで誘電体を加工した後に、金属をスパッタ等で表面に形成することにより作製することができる。それゆえ、図５のように金属単体で溝部を形成する場合よりも作製が容易になる。
【００３３】
さらに、図７に示すように、吸収体１０は、図６に示す構造から内部の誘電体を除去した構造でもよい。この構造の場合、既に説明した図５、図６の構造に比べて、吸収体１０自体の体積が減少するために、熱容量が最も小さくなり、応答速度がさらに大きくなるという効果がある。ここで、図７における金属膜１２の厚さは、対象とする入射電磁波が透過しない厚さであればよい。この厚さは、既に述べたように、表皮効果の厚さの２倍程度以上の値とすることができる。
【００３４】
次に、吸収体１０の吸収特性を説明する。
一般に、電磁波が境界面で全反射する時に発生するエバネセント波の波長が表面プラズモン波の波長と一致する場合には、表面プラズモンが励起される。また、本発明のように、吸収体の表面（赤外線吸収面）に微細かつ周期的な溝部を設けた場合、通常の入射光において表面プラズモンが励起され、表面に結合することが知られている。かかる結合により、共鳴波長の電磁波が表面に強く局在し、結果的に吸収されることになるので、共鳴波長において吸収が増加する。ここでは、簡単のため、１次元の周期構造を用いて説明する。１次元の周期構造の場合、誘起される表面プラズモンの波数をｋｓｐ、入射光の波数をｋ０、入射角をθ、ｍを整数とすると、下記の式が成立する。
【００３５】
【数１】
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【００３６】
したがって、溝周期ｐによって決定される波長が表面に強く局在し、結果的に吸収されることがわかる。２次元周期構造の場合は、上記式における逆格子ベクトルが２次元となる。孤立した凹みが２次元的に周期的に配置されている構造、例えば正方格子や三角格子等の場合、表面プラズモン共鳴は、面内方向及び深さ方向に生じるが、面内方向の表面プラズモン共鳴が支配的であり、主要な吸収波長は周期によって決定される。図４ａに示すような本発明の吸収体構造においては、溝幅ｗが溝深さｈより小さい場合には、深さ方向の表面プラズモン共鳴が支配的となるため、吸収波長は深さによって決定される。よって、周期ｐ以上の波長においても吸収を生じることが可能である。
【００３７】
図８に、吸収体１０を構成する材料がＡｕである場合について、ｐ＝６μｍ、ｗ＝０．１μｍとして、ｈ＝０．５、０．８、１．０μｍとしたときの吸収率を電磁界解析によって求めた結果を示す。図８で、縦軸は電磁波の吸収率を、横軸は吸収波長をそれぞれ表す。なお、溝部１１ａ，１１ｂは、互いに直交し、周期数は等しく、溝部１１の長手方向に対して垂直な断面は矩形状に形成されているものとした。吸収波長をλａｂとすると、それぞれのｈに対して、λａｂは、６．３、８．６、１０．０μｍであった。
【００３８】
また、ｈ＝０．８μｍの場合について、同様の電磁界解析によって、ｘ方向に対して電界が平行であるときと、垂直であるときの吸収特性をそれぞれ図９（ａ）、図９（ｂ）に示す。図９（ａ），（ｂ）で、縦軸は電磁波の吸収率を、横軸は波長をそれぞれ表す。図９（ａ）、図９（ｂ）は同じ結果となった。互いに直交する方向の電界について、吸収特性が同じになることから、溝部１１に対する電界の向きについて偏光依存性がないと認められる。この場合、その他の電界の向きについても偏光依存性がないことは、対称性から明らかである。
【００３９】
ここで、図５に示す例のように、溝幅ｗが溝深さｈよりも充分に小さい場合、表面の溝周期ｐに依存する面内方向の共鳴よりも、溝深さｈに依存する深さ方向の共鳴が支配的となる。それゆえ、溝深さｈによって決定される波長が表面に強く局在し、結果的に吸収されることになる。
【００４０】
次に、溝幅ｗを変化させた場合について考察する。
図１０は、ｈ＝０．８μｍ、ｐ＝６μｍに固定し、ｗを５０、１００、２００、４００ｎｍと変化させた場合について吸収率を求めた結果を示す。図１０で、縦軸は電磁波の吸収率を、横軸は波長をそれぞれ表す。図１０に示すように、溝幅ｗが大きくなるにしたがって、吸収波長は短波長側にシフトする。これは、溝幅が大きくなることで、深さ方向の共鳴に加えて、面内方向の共鳴が大きくなった結果であると考えられる。このように、溝深さｈに加えて、溝幅ｗを変化させることによっても、吸収波長は制御できることがわかる。このときでも、溝幅ｗが溝深さｈより小さい場合には、周期ｐ以上の大きさの波長において吸収が生じる。また、図１０に示すように、吸収率を大きくするためには、溝幅ｗが溝深さｈよりも充分に小さいことが好ましい。
【００４１】
さらに、溝幅ｗが溝深さｈよりも大きくなった場合についても考察する。
図１１は、ｈ＝０．８μｍ、ｐ＝６μｍに固定し、例として、ｗを２．０μｍ、３．０μｍとした場合の吸収率を示す。図１１で、縦軸は電磁波の吸収率を、横軸は波長をそれぞれ表す。図１１では、主要な吸収波長が多波長化している。これは、溝幅ｗが大きくなると深さ方向（ｚ方向）及び面内方向（ｘ方向、ｙ方向）の表面プラズモン共鳴が組み合わさって作用するからであると考えられる。この特性を利用して、多波長における吸収波長制御が可能となる。例えば、大気の窓と呼ばれる、大気の吸収がない約３μｍ〜約５μｍ、約８μｍ〜約１２μｍの波長で２波長吸収構造を実現することができる。上記波長の間の波長域の光は、大気の吸収波長に該当するためノイズとなり得るところ、本発明の構造により、ノイズとなる波長域の吸収を抑制して所望の波長を吸収することができる。
【００４２】
以上、溝幅ｗが溝深さｈより大きくなった場合についても、表面構造によって決定される表面プラズモンモードによって、吸収波長を決定することができ、吸収体１０を構成する材料そのものの吸収を防止することができることがわかる。また、一般に検出波長は多波長化する傾向にあるところ、上記の多波長における吸収波長制御を利用して、多波長同時検出が可能となる。さらにこの場合、図１１に示すように、溝部１１の溝周期ｐ以上の波長も吸収可能である。
【００４３】
このように、吸収体１０に形成された溝部１１によって、表面プラズモンが誘起され、所望の検出波長のみを選択的に吸収することが可能になる。また、溝幅ｗが溝深さｈよりも充分に小さい場合には、検出波長は溝深さによって決定される。つまり、赤外線センサとしては、波長において検出波長が選択される。この現象は、表面プラズモン、メタマテリアル、疑似表面プラズモン等と呼ばれるが、本質的な現象は同じである。本発明では、これらを区別せず、表面プラズモンと表記する。
【００４４】
特許文献１のような波型の周期構造を有する吸収体を備えた赤外線センサの場合、第１に、吸収体が有する周期構造の周期の大きさを検出波長以下にすることができないため、吸収体の面積を縮小することが難しいという問題があった。第２に、吸収体を構成する材料に金属でなくカーボン等を用いた場合には、材料そのものの吸収波長が、構造によって決定される吸収波長に加わるため、吸収波長、即ち検出波長の選択性が悪化するという問題があった。第３に、グレースケールマスクなど特殊なマスク形成・エッチング工程が必要になって作製が困難となるという問題があった。第４に、溝部での共鳴が乱されるため、吸収率が小さくなるという問題があった。
【００４５】
また、上記第２の問題と同様に、既に知られているように、フォトニック結晶を含む周期的な屈折率分布構造を赤外線吸収部に設けることで波長の選択性を実現する場合、吸収体材料である誘電体膜、例えば、酸化シリコン等の誘電体膜の吸収波長は８μｍ〜１４μｍ付近に存在するため、周期的屈折率分布や、フォトニックバンドギャップの構造によって、６μｍに吸収ピーク波長を設定しても、材料である酸化シリコンの吸収波長である８μｍ〜１４μｍも同時に検出してしまう。このように、検出波長が多波長化することで選択性が悪化してしまう。
【００４６】
これらの問題に対して、本実施形態では、表面プラズモン共鳴を利用しており、溝部１１の周期を検出波長以下にすることができるため、周期と吸収波長が一致する構造に比べて、吸収体１０の面積を縮小することができる。したがって、赤外線センサ１００のサイズ、したがって複数の赤外線センサにより熱画像イメージャ等を構成した場合の画素のサイズを縮小することが可能である。
【００４７】
また、赤外線吸収面に相当する表面に金属膜１２を用い、表面構造によって決定される表面プラズモン共鳴による吸収を利用することで、吸収体１０を構成する材料そのものの吸収を防止し、意図しない波長の検出を防止する効果がある。
【００４８】
また、波型のような特殊な形状を有さないため、吸収体１０の作製が容易になり、特に溝部１１の長手方向に対して垂直な断面が矩形状に形成されているため、通常のフォトリソグラフィを用いたドライエッチング等により容易に作製することができる。
【００４９】
さらに、側壁が傾斜したくさび形状や曲面であれば、側壁間における共鳴が乱され、吸収率が低下するところ、溝部１１が矩形に形成され、その側壁は赤外線吸収面及び底面に対して直交していることにより、側壁間の距離が深さ方向（ｚ方向）に一定となり、更には溝部１１の底面が平坦であることから、溝部上面と溝部底面との距離が面内方向（ｘ方向、ｙ方向）に一定となる。これらにより、共鳴が乱されず、それゆえ溝部１１で強い共鳴が生じ、吸収率が大きくなるという効果がある。
【００５０】
実施の形態２．
図１２は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２による熱型の赤外線センサアレイの上面図である。なお、本明細書中、「赤外線センサアレイ」は、図１で説明した赤外線センサ装置に搭載される、赤外線センサをアレイ状（マトリックス状）に配置した構造を指す。
【００５１】
赤外線センサアレイ２００は、赤外線センサ１００をアレイ状に配置したものである。図１２では、説明を簡単にするために、２行×２列の合計４個の赤外線センサ１００からなる赤外線センサアレイ２００を示しているが、本発明はこれに限定されず、配置される赤外線センサ１００の個数に制限はない。また、必ずしも２次元的な配列でなくともよく、１次元的な配列にしてもよい。赤外線センサアレイ２００は、外部の走査回路（図示せず）等により各行及び／又は各列の赤外線センサを選択して、各センサ１００が検出した情報を時系列に取り出す。また、各センサが検出した情報は並列に読み出してもよい。
【００５２】
このようにして、赤外線センサアレイ２００を搭載した赤外線センサ装置は、画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。このとき、図４ａに示す吸収体１０を赤外線吸収体として用いることにより、波長情報及び入射光強度の情報を有する画像を検出することができる。また、イメージセンサ以外の用途としては、少ない画素数で位置検知用のアレイ化センサとして用いることができる。
【００５３】
実施の形態３．
図１３は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態３による赤外線センサアレイの上面図であり、図１４は、赤外線センサアレイ３００を図１３に示すＩＩＩ−ＩＩＩ方向に見た断面図である。
【００５４】
赤外線センサアレイ３００は、溝部の溝深さｈのみが異なる４種類の赤外線センサ１００、１１０、１２０、１３０をアレイ状に配置したものである。図１３では、説明を簡単にするために、２行×２列の合計４個の赤外線センサからなる赤外線センサアレイ３００を図示しているが、本発明はこれに限定されず、配置される赤外線センサの個数に制限はない。また、必ずしも２次元的な配列でなくともよく、１次元的な配列にしてもよい。赤外線センサアレイ３００は、外部の走査回路（図示せず）等により各行及び／又は各列の赤外線センサを選択して、各センサが検出した情報を時系列に取り出す。また、各センサが検出した情報は並列に読み出してもよい。
【００５５】
既に述べたように、溝幅ｗが溝深さｈよりも充分に小さい場合、赤外線センサの吸収体に形成した溝部の溝深さｈを変えることにより、画素を構成するセンサの検出波長を変えることができる。つまり、各センサの吸収体に異なる深さを有する溝部を設けることにより、画素によって異なる波長の入射光強度情報を有する画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。
【００５６】
或いは、溝深さｈのみでなく、溝部周期ｐ及び溝幅ｗを変えることによって吸収率又は吸収波長を制御してもよい。つまり、本実施形態では、図４ａで表わされる２次元的な溝部の周期構造について、溝深さｈ、溝幅ｗ及び溝周期ｐのうち少なくとも一つが互いに異なるセンサ構造を有する画素をアレイ化することによって、異なる波長情報を有する情報を得ることができる熱画像イメージャとして用いることが可能となる。
【００５７】
そして、このように異なる検出波長を有する画素をアレイ化することによって、可視光域におけるイメージセンサと同様に、赤外波長域においてもカラー化した画像を得ることができる。また、イメージセンサ以外の用途としては、少ない画素数で位置検知用のアレイ化センサとして用いることができる。
【００５８】
実施の形態４．
図１５は、本発明の実施の形態４による熱型の赤外線センサの温度検知部の断面図である。温度検知部５４以外の構造は、図２、図４と同様であり、温度検知部５４は支持脚３により中空部２の上部に支持される。
【００５９】
図１５に示す温度検知部５４は、温度によってその電気抵抗の値が変化する検知膜５と薄膜金属配線６とを含む。検知膜５は、例えばシリコンダイオードである。薄膜金属配線６は、例えば厚さが約１００ｎｍのチタン合金からなる。検知膜５及び薄膜金属配線６は、例えば酸化シリコンからなる絶縁層１４で覆われている。
【００６０】
さらに、温度検知部５４は、赤外線（電磁波）を吸収する吸収体１０を、その上部に直接備えている。吸収体１０により吸収された赤外線は熱に変換され、温度検知部５４に伝わる。この作用により、入射電磁波を検出することができる。吸収体１０の構造は、実施形態１で述べた構造と同じであり、溝深さｈ、溝幅ｗ及び溝周期ｐを制御することによって、特定の波長を吸収する。
【００６１】
本実施形態のような吸収体１０と一体形成された温度検知部５４を有する赤外線センサでも、所望の検出波長が共鳴し選択的に吸収量が増加するため、所望の検出波長のみを選択的に検出することが可能となる。
【００６２】
さらに、吸収体１０を支持柱９で支持する構造を実現するための工程が不要となるため、実施形態１〜３で用いた赤外線センサを製造する場合よりも製造工程を簡略化することができ、したがって、より安価に製品を製造できる。
【００６３】
なお、かかる構造の温度検知部５４を含む赤外線センサをアレイ状に配置して、実施形態２、３による赤外線センサアレイを形成してもよい。
【００６４】
実施形態２で述べたように、吸収体１０について同じ構造の赤外線センサをアレイ化することによって、イメージセンサを構成することが可能である。また、実施形態３で述べたように、異なる構造（溝周期、溝深さ及び溝幅の少なくとも一つ）が異なる赤外線センサをアレイ化する（異なる検出波長を有する画素をアレイ化する）ことによって、可視光域におけるイメージセンサと同様に、赤外波長域においてもカラー化した画像を得ることができる。また、イメージセンサ以外の用途としては、少ない画素数で位置検知用のアレイ化センサとして用いることができる。
【符号の説明】
【００６５】
１  基板、２  中空部、３  支持脚、４，５４  温度検知部、５  検知膜、６  薄膜金属配線、７  アルミニウム配線、８  反射膜、９  支持柱、１０  吸収体、１１（１１ａ，１１ｂ），２１，３１，４１  溝部、１２，２２，３２，４２  金属膜、１３  誘電体膜、１４，１７  絶縁層、１８  絶縁膜、１００，１１０，１２０，１３０，１４０  赤外線センサ、２００，３００  赤外線センサアレイ、１０００  赤外線センサ装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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