(57)【要約】【課題】赤外線検出器を提供する。【解決手段】基板１１０と、基板１１０と離隔して配され、入射された赤外線のうち複数の波長で共鳴を起こして、熱を発生させる共振部１２０と、共振部１２０を支持しながら、共振部１２０で発生した熱によって抵抗値が変わるサーミスタ層１３０と、サーミスタ層１３０が、基板１１０から離隔されるように支持しながら、サーミスタ層１３０と基板１１０とを電気的に連結させる連結部１５０と、を備える赤外線検出器である。【選択図】図１
2014149297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板と離隔して配され、入射された赤外線のうち複数の波長で共鳴を起こして、熱を発生させる共振部と、
前記共振部を支持しながら、前記共振部で発生した熱によって抵抗値が変わるサーミスタ層と、
前記サーミスタ層が前記基板から離隔されるように支持すると共に、前記サーミスタ層と前記基板とを電気的に連結させる連結部と、を備える赤外線検出器。
【請求項２】
前記共振部は、第１波長帯域の赤外線を吸収する第１共振器と、
第２波長帯域の赤外線を吸収する第２共振器と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項３】
前記第１及び第２共振器のうち少なくとも一つは、
第１偏光を吸収する第１サブ共振器と、
前記第１偏光と垂直な第２偏光を吸収する第２サブ共振器と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の赤外線検出器。
【請求項４】
前記第１及び第２サブ共振器のうち少なくとも一つは、ロッド状であることを特徴とする請求項３に記載の赤外線検出器。
【請求項５】
前記第１サブ共振器と前記第２サブ共振器は互いに離隔して配されたり、一部領域を共有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の赤外線検出器。
【請求項６】
前記第１共振器の第１サブ共振器と前記第２共振器の第２サブ共振器は、一部領域を共有することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の赤外線検出器。
【請求項７】
前記第１共振器と前記第２共振器は、互いに離隔して配されるか、または一部領域を共有することを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の赤外線検出器。
【請求項８】
前記第１波長帯域と前記第２波長帯域は、一部が重畳されるか、または完全に異なることを特徴とする請求項２〜７のいずれか一項に記載の赤外線検出器。
【請求項９】
前記連結部は、
前記サーミスタ層が前記基板から離隔して配されるように、前記基板から突出して形成された支持台と、
前記サーミスタ層と前記支持台を連結させる熱画像レッグと、を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の赤外線検出器。
【請求項１０】
前記熱画像レッグは、メアンダパターンを含むことを特徴とする請求項９に記載の赤外線検出器。
【請求項１１】
前記支持台と前記基板との間に配され、前記支持台と前記基板を電気的に連結させる金属パッドをさらに備えることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の赤外線検出器。
【請求項１２】
前記基板と前記サーミスタ層との間に配され、入射される赤外線を反射させる反射板をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の赤外線検出器。
【請求項１３】
前記反射板は、前記基板と接して配されることを特徴とする請求項１２に記載の赤外線検出器。
【請求項１４】
前記反射板は、金属物質で形成され、前記共振器より熱吸収の少ない物質で形成されることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の赤外線検出器。
【請求項１５】
前記基板とサーミスタ層との間に配され、前記サーミスタ層から基板への熱伝達を遮断する熱隔離層をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の赤外線検出器。
【請求項１６】
基板と、
前記基板と離隔して配され、複数の共振波長で共鳴を起こして、赤外線を吸収する複数の共振部と、
前記複数の共振部のそれぞれを支持しながら、前記共振部の温度変化によって抵抗値が変わる複数のサーミスタ層と、
前記複数のサーミスタ層が前記基板から離隔されるように支持すると共に、前記複数のサーミスタ層と前記基板とを電気的に連結させる連結部と、を備える赤外線検出器。
【請求項１７】
前記連結部は、
前記複数のサーミスタ層が前記基板から離隔して配されるように、前記基板から突出して形成された複数の支持台と、
前記複数のサーミスタ層と前記複数の支持台とを連結させる複数の熱画像レッグと、を備えることを特徴とする請求項１６に記載の赤外線検出器。
【請求項１８】
前記複数の熱画像レッグは、直列に連結されることを特徴とする請求項１７に記載の赤外線検出器。
【請求項１９】
前記複数の共振部のそれぞれは、
第１波長帯域の赤外線を吸収する第１共振器と、
前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の赤外線を吸収する第２共振器と、を備えることを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の赤外線検出器。
【請求項２０】
前記第１及び第２共振器のうち少なくとも一つは、
第１偏光を吸収する第１サブ共振器と、
前記第１偏光と垂直な第２偏光を吸収する第２サブ共振器と、を備えることを特徴とする請求項１９に記載の赤外線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出器に係わり、さらに詳細には、広帯域の赤外線を吸収できる赤外線検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
黒体放射の原理によれば、物体は、その温度によって、特定波長で最大値を表す広帯域の電磁波を放射する。例えば、常温の物体は、約１０μｍの波長帯域で最大値を表す赤外線を放射する。ボロメータ(ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ)は、このように、黒体放射の原理によって、放射された赤外線(または、テラヘルツ)帯域の波長を有する電磁波を吸収して熱に変換し、熱による温度変化を感知して、周囲で放射される輻射エネルギーを測定する道具である。
【０００３】
最近、ＭＥＭＳ(Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ)技術の発達によって、多数のマイクロボロメータを２次元アレイに配列した赤外線検出器１２０ｂが製作されている。このような赤外線検出器１２０ｂは、例えば、熱画像イメージ(Ｔｈｅｒｍｏｉｍａｇｅ)を獲得できる熱画像カメラに利用される。解像度の高い温度精度を有する熱画像カメラを実現するためには、画素サイズの小型化が要求される。しかし、グラウンド平板と熱吸収体がλ／４間隔(ここで、λは、検出しようとする赤外線波長帯域の中心波長)を有するソールズベリスクリーン(Ｓａｌｉｓｂｕｒｙ Ｓｃｒｅｅｎ)方式のボロメータを使用する場合、画素内のスクリーンサイズを小さくすれば、各画素に入射するエネルギー量が減少して、温度変化量が減少し、信号対ノイズ比も、低下する。
【０００４】
ソールズベリスクリーン方式のボロメータの代わりに、局所表面プラズモン共鳴(Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＬＳＰＲ)を利用するボロメータが最近提案されている。表面プルラズモンは、金属の表面で起きる電子の集団的な振動によって発生する一種の電磁波である。プラズモニック吸収体(Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ Ｃａｂｓｏｒｂｅｒ)を利用するボロメータは、局所表面プラズモン共鳴によって、低い吸収率及び低い信号対ノイズ比の問題を改善させる。
【０００５】
ところで、プラズモニック吸収体は、帯域幅が相対的に狭く、熱画像イメージの獲得が困難であった。それにより、プラズモニック吸収体の共振帯域幅を増大させるための多様な方案が提案されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、プラズモン共鳴を利用して、赤外線を吸収する赤外線検出器を提供することである。
【０００７】
また、本発明が解決しようとする課題は、広帯域の波長に対して吸収率の高い赤外線検出器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を達成するために、一類型による赤外線検出器は、基板と、前記基板と離隔して配され、入射された赤外線のうち、複数の波長で共鳴を起こして熱を発生させる共振部と、前記共振部を支持しながら、前記共振部で発生した熱によって抵抗値が変わるサーミスタ層と、前記サーミスタ層が前記基板から離隔するように支持すると共に、前記サーミスタ層と前記基板とを電気的に連結させる連結部と、を備える。
【０００９】
そして、前記共振部は、第１波長帯域の赤外線を吸収する第１共振器と、第２波長帯域の赤外線を吸収する第２共振器と、を備える。
【００１０】
また、前記第１及び第２共振器のうち少なくとも一つは、第１偏光を吸収する第１サブ共振器と、前記第１偏光と垂直な第２偏光を吸収する第２サブ共振器と、を備える。
【００１１】
そして、前記第１及び第２サブ共振器のうち少なくとも一つは、ロッド状である。
【００１２】
また、前記第１サブ共振器と前記第２サブ共振器は、互いに離隔して配されるか、または一部領域を共有する。
【００１３】
そして、前記第１共振器の第１サブ共振器と前記第２共振器の第２サブ共振器は、一部領域を共有する。
【００１４】
また、前記第１共振器と前記第２共振器は、互いに離隔して配されるか、または一部領域を共有する。
【００１５】
そして、前記第１波長帯域と前記第２波長帯域は、一部が重畳されるか、または完全に異なる。
【００１６】
また、前記連結部は、前記サーミスタ層が、前記基板から離隔して配されるように、前記基板から突出して形成された支持台と、前記サーミスタ層と前記支持台とを連結させる熱画像レッグと、を備える。
【００１７】
そして、前記熱画像レッグは、メアンダパターンを含む。
【００１８】
また、前記支持台と前記基板との間に配され、前記支持台と前記基板とを電気的に連結させる金属パッドをさらに備える。
【００１９】
そして、前記基板と前記サーミスタ層との間に配され、入射される赤外線を反射させる反射板をさらに備える。
【００２０】
また、前記反射板は、前記基板と接して配される。
【００２１】
そして、前記反射板は、金属物質で形成され、前記共振器より熱吸収の少ない物質で形成される。
【００２２】
また、前記基板とサーミスタ層との間に配され、前記サーミスタ層から基板への熱伝達を遮断する熱隔離層をさらに備える。
【００２３】
一方、他の類型による赤外線検出器は、基板と、前記基板と離隔して配され、複数の共振波長で共鳴を起こして、赤外線を吸収する複数の共振部と、前記複数の共振部のそれぞれを支持しながら、前記共振部の温度変化によって抵抗値が変わる複数のサーミスタ層と、前記複数のサーミスタ層が、前記基板から離隔するように支持すると共に、前記複数のサーミスタ層と前記基板とを電気的に連結させる連結部と、を備える。
【００２４】
そして、前記連結部は、前記複数のサーミスタ層が、前記基板から離隔して配されるように、前記基板から突出して形成された複数の支持台と、前記複数のサーミスタ層と前記複数の支持台とを連結させる複数の熱画像レッグと、を備える。
【００２５】
また、前記複数の熱画像レッグは、直列に連結される。
【００２６】
そして、前記複数の共振部のそれぞれは、第１波長帯域の赤外線を吸収する第１共振器と、前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の赤外線を吸収する第２共振器と、を備える。
【００２７】
そして、前記第１及び第２共振器のうち少なくとも一つは、第１偏光を吸収する第１サブ共振器と、前記第１偏光と垂直な第２偏光を吸収する第２サブ共振器と、を備える。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、赤外線検出器は、多重波長帯域で共振するので、広帯域の赤外線が吸収でき、熱隔離層によって、赤外線検出器の安定性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】一実施形態による赤外線検出器の構造を示す斜視図である。
【図２】図１の赤外線検出器のＡ−Ａ’による断面図である。
【図３】図１の赤外線検出器のＢ−Ｂ’による断面図である。
【図４】図１に示された共振部の平面図である。
【図５】図１に示された赤外線検出器内の共振器の吸収スペクトルをシミュレーションした結果を示す図面である。
【図６Ａ】共振部内の共振器の配列形態を例示的に示す図面である。
【図６Ｂ】共振部内の共振器の配列形態を例示的に示す図面である。
【図６Ｃ】共振部内の共振器の配列形態を例示的に示す図面である。
【図７Ａ】一実施形態による共振部の他の形態を示す図面である。
【図７Ｂ】一実施形態による共振部の他の形態を示す図面である。
【図８】他の実施形態による広帯域の赤外線検出器に配される共振部を示す図面である。
【図９】図７Ａに示された共振部の吸収スペクトルをシミュレーションした結果を示す図面である。
【図１０】図８に示された共振部の吸収スペクトルをシミュレーションした結果を示す図面である。
【図１１】他の実施形態による赤外線検出器を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、添付した図面を参照して、赤外線検出器について詳細に説明する。以下の図面で、同じ参照符号は、同じ構成要素を表し、図面上で、各構成要素のサイズは、説明の明瞭性及び便宜上誇張されている。
【００３１】
図１は、一実施形態による赤外線検出器の構造を示す斜視図であり、図２は、図１の赤外線検出器のＡ−Ａ’による断面図であり、図３は、図１の赤外線検出器のＢ−Ｂ’による断面図であり、図４は、図１に示された共振部の平面図である。図１ないし図３に示された赤外線検出器が単位ピクセルとなる。
【００３２】
図１ないし図３を参照すれば、赤外線検出器１００は、基板１１０、基板１１０と離隔して配され、複数の波長でプラズモン共鳴して赤外線を吸収する共振部１２０と、共振部１２０を支持しながら、共振部１２０の温度変化によって抵抗値が変わるサーミスタ層１３０と、サーミスタ層１３０が基板１１０から離隔するように支持しながら、サーミスタ層１３０と基板１１０とを電気的に連結する連結部１５０と、を備える。
【００３３】
図示していないが、基板１１０には、赤外線検出器１００の動作を制御し、検出された赤外線の強度を読み取るための駆動回路及び多様な導電性金属配線が配される。
【００３４】
共振部１２０は、共鳴現象によって赤外線を吸収して、熱を発生させる。特に、共振部１２０は、複数の波長で共鳴を起こす。共振部１２０は、それぞれ異なる波長帯域の赤外線を吸収できる少なくとも二つの共振器を含む。それぞれ異なる波長帯域は、一部重畳されるか、または完全に異なる。赤外線の共振波長は、共振部１２０及びサーミスタ層１３０を形成する物質の誘電率、共振部１２０の形状及びサイズ、サーミスタ層１３０の厚さによって決定される。
【００３５】
例えば、図４に示したように、共振部１２０は、第１波長帯域の赤外線を吸収する第１共振器１２２（１２２ａ，１２２ｂ）、及び第２波長帯域の赤外線を吸収する第２共振器１２４（１２４ａ，１２４ｂ）を備える。また、第１共振器１２２及び第２共振器１２４のそれぞれは、第１偏光を吸収するサブ共振器１２２ａ，１２４ａ、及び第１偏光と垂直な第２偏光を吸収するサブ共振器１２２ｂ，１２４ｂを備える。具体的に、第１共振器１２２は、第１波長帯域の赤外線のうち垂直偏光を吸収する第１サブ共振器１２２ａと、第１波長帯域の赤外線のうち水平偏光を吸収する第２サブ共振器１２２ｂと、を含み、第２共振器１２４は、第２波長帯域の赤外線のうち垂直偏光を吸収する第３サブ共振器１２４ａと、第２波長帯域の赤外線のうち水平偏光を吸収する第４サブ共振器１２４ｂと、を含む。
【００３６】
第１サブ共振器１２２ａ、第２サブ共振器１２２ｂ、第３サブ共振器１２４ａ、第４サブ共振器１２４ｂのそれぞれは、ロッド状である。第１サブ共振器１２２ａ及び第２サブ共振器１２２ｂは、同じサイズであり、相互垂直に離隔して配される。また、第３サブ共振器１２４ａ及び第４サブ共振器１２４ｂも、同じサイズであり、相互垂直に離隔して配される。また、第１サブ共振器１２２ａ及び第２サブ共振器１２２ｂのサイズは、第３サブ共振器１２４ａ及び第４サブ共振器１２４ｂのサイズとそれぞれ異なる。
【００３７】
第１サブ共振器１２２ａ、第２サブ共振器１２２ｂ、第３サブ共振器１２４ａ、第４サブ共振器１２４ｂのそれぞれは、局部的な表面プラズモン共鳴を通じて、赤外線を吸収するプルラズモン吸収体であるか、またはメタ物質の共鳴現象を利用して、赤外線を吸収できるメタ物質吸収体である。このような第１サブ共振器１２２ａ，第２サブ共振器１２２ｂ，第３サブ共振器１２４ａ，第４サブ共振器１２４ｂのそれぞれは、金属を含む物質で形成される。例えば、サブ共振器１２２ａ，１２２ｂ，１２４ａ，１２４ｂは、金、チタン、アルミニウム、銅、白金、銀、ニッケル(Ｎｉ)、クロム(Ｃｒ)を含むグループのうち選択された少なくとも一つの金属物質、または金属の合金を含む。局部的な表面プラズモン共振現象を通じて、赤外線とサブ共振器１２２ａ，１２２ｂ，１２４ａ，１２４ｂとの相互作用が発生すれば、非常に狭い領域に光が集中する。
【００３８】
サーミスタ層１３０は、共振部１２０を機械的に支持するだけでなく、共振部１２０で発生した熱が伝達される。また、サーミスタ層１３０は、赤外線の一部を直接吸収することもできる。図面に示したように、サーミスタ層１３０は、その上部に共振部１２０が配され、平板構造である。サーミスタ層１３０の面積は、共振部１２０と同一か、または若干大きい。図１では、サーミスタ層１３０が共振部１２０より若干大きく、共振部１２０と平板型で形成されている。しかし、それに限定されない。
【００３９】
サーミスタ層１３０は、温度変化によって抵抗値が変わる熱可変抵抗物質を含む。サーミスタ層１３０は、非晶質（アモルファス）シリコン(ａ−Ｓｉ)、酸化バナジウム（Ｖａｎａｄｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ：ＶＯｘ)、酸化ニッケルのように高い抵抗温度係数(Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＣＲ)値を有する熱可変抵抗材料、または熱可変抵抗材料と異なる誘電体、例えば、シリコン窒化膜(Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ)、シリコン酸化膜(Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｘｉｄｅ)などの複合物質で形成される。
【００４０】
連結部１５０は、サーミスタ層１３０が、基板１１０から離隔して配されるように支持する。それだけでなく、連結部１５０は、サーミスタ層１３０と基板１１０とを電気的に連結させる。連結部１５０は、サーミスタ層１３０と基板１１０とを電気的に連結させるために、導電性物質で形成される。そして、サーミスタ層１３０と連結部１５０との間に電流が流れ、基板１１０内の駆動回路は、吸収された熱による抵抗変化を検出する。
【００４１】
例えば、連結部１５０は、サーミスタ層１３０が、基板１１０から離隔して配されるように、基板１１０から突出した形状の支持台１５２、支持台１５２と基板１１０との間に配されて、基板１１０内の駆動回路(図示せず)と支持台１５２とを電気的に連結させる金属パッド１５４、及び支持台１５２とサーミスタ層１３０とを連結させ、サーミスタ層１３０の熱が支持台１５２に伝達されることを最小化させる熱画像レッグ１５６を備える。図１には、支持台１５２、金属パッド１５４及び熱画像レッグ１５６のそれぞれが、一組設けられている。しかし、それに限定されない。支持台１５２、金属パッド１５４及び熱画像レッグ１５６は、二つ以上である。
【００４２】
支持台１５２は、基板１１０上で、共振部１２０と最大限遠く離隔して配されていることが望ましい。支持台１５２は、例えば、基板１１０の対角線方向に一つずつ、基板１１０上に垂直に突出して配される。支持台１５２の側部には、熱画像レッグ（Ｌｅｇ）１５６の端部が、例えば、カンチレバー(Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ)状に連結される。例えば、一組の熱画像レッグ１５６は、基板１１０に水平に配される。
【００４３】
支持台１５２の内部は、導電性物質で充填されてもよく、そうでなくてもよい。支持台１５２の内部が導電性物質で充填されている場合、金属パッド１５４は、不要である。支持台１５２だけで、電気的信号を駆動回路に十分に伝達するためである。
【００４４】
また、熱画像レッグ１５６の他の端部には、サーミスタ層１３０がそれぞれ連結される。したがって、サーミスタ層１３０は、熱画像レッグ１５６及び支持台１５２を通じて、基板１１０に離隔するように支持される。サーミスタ層１３０の両側に、一組の熱画像レッグ１５６が、それぞれ直列方式で連結される。熱画像レッグ１５６は、共振部１２０の熱が基板に伝達されることを防止するために、メアンダ(Ｍｅａｎｄｅｒ)パターンを含む。熱画像レッグ１５６は、熱可変抵抗物質、誘電体、金属薄膜を含む物質で形成される。
【００４５】
熱隔離層１６０は、基板１１０とサーミスタ層１３０との間に配される。熱隔離層１６０は、共振部１２０及びサーミスタ層１３０で発生した熱が、基板１１０に直接伝達することを最小化する。熱隔離層１６０は、真空層及び空気層のような低熱導電層のうちいずれか一つで形成される。
【００４６】
一方、赤外線検出器１００は、共振部１２０と基板１１０との間に配され、入射された赤外線を反射させる反射層１７０をさらに備える。図１ないし図３で、反射層１７０は、熱隔離層１６０と基板１１０との間に配されていると示されている。しかし、それに限定されない。反射層１７０は、サーミスタ層１３０と熱隔離層１６０との間に配されてもよい。記反射層１７０は、赤外線を共振部１２０側に反射させ、共振部１２０と共にプラズモン共鳴を発生させて、赤外線吸収効率をさらに高める。反射層１７０は、入射される赤外線が、基板１１０にほとんど透過しないように、一定の厚さ、例えば、約３００〜４００ｎｍ以上の厚さを有するように形成される。それにより、反射層１７０の下の基板１１０は、共鳴現象にほとんど影響を及ぼさない。
【００４７】
共振部１２０でプラズモン共鳴が発生する場合、反射層１７０で反射した赤外線では、共振部１２０で放射される赤外線と相殺干渉を起こして、吸収効率を高める。
【００４８】
図２のように、熱隔離層１６０が、反射層１７０とサーミスタ層１３０との間に位置する場合、反射層１７０は、基板１１０上に形成される。そして、反射層１７０は、共振部１２０より、赤外線の吸収による熱発生が少ない金属で形成される。それにより、反射層１７０で熱発生が最小化され、信号の大きさを増大させる。例えば、共振部１２０は、チタンを含み、反射層１７０は、金(Ａｕ)、銀、アルミニウムのうち少なくともいずれか一つを含む。図２のように、反射層１７０が基板１１０上に形成される場合、反射層１７０で発生した熱は、信号検出に使用されず、損失に当たるためである。
【００４９】
他の例として、反射層１７０は、サーミスタ層１３０と熱隔離層１６０との間に配される。この場合、反射層１７０は、金属を含み、サーミスタ層１３０に接するように位置する。反射層１７０がサーミスタ層１３０に接する場合、反射層１７０で発生した熱も、信号検出に使われるので、共振部１２０は、反射層１７０より熱発生が多い他の種類であるか、または反射層１７０と同一種類の金属を含む。
【００５０】
また、赤外線検出器１００は、共振部１２０とサーミスタ層１３０との間に配され、共振部１２０とサーミスタ層１３０とを電気的に絶縁させる絶縁層１８０をさらに備える。また、絶縁層１８０は、例えば、シリコン酸化物またはシリコン窒化物で形成される。
【００５１】
前述した構造を有する赤外線検出器１００の動作は、次の通りである。
【００５２】
赤外線検出器１００に検出しようとする赤外線帯域(例えば、８〜１４μｍ)の電磁波が入射すれば、電磁波のエネルギーによって、共振部１２０で表面プラズモン共鳴、またはメタ物質の共鳴現象が起きる。共振部１２０で吸収されない残りの電磁波は、反射板１７０によって反射されながら、再び共振部１２０に入射するので、吸収効率が高まる。共振部１２０で共鳴が起きれば、熱が発生するが、それにより、共振部１２０と隣接したサーミスタ層１３０の温度が上昇する。このような温度変化は、サーミスタ層１３０の抵抗を変化させる。一方、サーミスタ層１３０の抵抗によって、連結部１５０の電流が変わる。したがって、基板１１０上の駆動回路(図示せず)が、連結部１５０に流れる電流を測定することによって、赤外線検出器１００に入射する赤外線の強度を測定する。
【００５３】
一実施形態によれば、共振部１２０は、検出しようとする赤外線帯域(例えば、８〜１４μｍ)内で、多数の共振波長を有するように設計され、多数の共振モードで共振を起こす。共振部１２０は、第１波長帯域の赤外線のうち垂直偏光で共振できる第１サブ共振器１２２ａ、第１波長帯域の赤外線のうち水平偏光で共振できる第２サブ共振器１２２ｂ、第２波長帯域の赤外線のうち垂直偏光で共振できる第３サブ共振器１２４ａ、及び第２波長帯域の赤外線のうち水平偏光で共振できる第４サブ共振器１２４ｂを備える。このように、共振部１２０が、多様な共振周波数を有するように構成されるので、赤外線検出器１００は、広い赤外線帯域で一定に高い検出特性が得られる。
【００５４】
図５は、図１に示された赤外線検出器内の共振器の吸収スペクトルをシミュレーションした結果を示した図面である。第１共振器１２２の長さ及び幅のそれぞれは、１．４μｍ、０.５μｍにし、第２共振器１２４の長さ及び幅のそれぞれは、２.２μｍ、０.５μｍに設計した。図５に示されたように、吸収率が９０％以上である吸収スペクトルの波長帯域は、約８μｍないし１２μｍであって、大体広いことが確認できる。そして、平均吸収率は、７０％以上であることが確認できる。
【００５５】
前述したように、共振部１２０は、複数の共振波長を有する複数の共振器を備える。図１に示された共振器の配列形態は、一例に過ぎず、配列形態は、多様である。
【００５６】
図６Ａないし図６Ｃは、共振部内の共振器の配列形態を例示的に示した図面である。図６Ａに示したように、共振部１２０ａ内の第１サブ共振器１２２ａ，第２サブ共振器１２２ｂ，第３サブ共振器１２４ａ，第４サブ共振器１２４ｂは、相互離隔して配されており、全体的に四角形を形成する。
【００５７】
それだけでなく、複数のサブ共振器のうち少なくとも一部の共振器は、一定領域を互いに共有する。図６Ｂに示したように、第１サブ共振器１２２ａと第４サブ共振器１２４ｂは、一定領域を共有し、第２サブ共振器１２２ｂと第３サブ共振器１２４ａは、一定領域を共有する。そして、共振部１２０ｂは、全体的に十字形状である。または、図６Ｃに示したように、第１サブ共振器１２２ａと第４サブ共振器１２４ｂが、互いに連結され、第２サブ共振器１２２ｂと第３サブ共振器１２４ａが、互いに連結されている。そして、共振部１２０ｃは、全体的に四角形である。図６Ｂ及び図６Ｃには、第１サブ共振器１２２ａの端部領域と第４サブ共振器１２４ｂの端部領域が共有し、第２サブ共振器１２２ｂの端部領域と第３サブ共振器１２４ａの端部領域が共有するとしたが、それに限定されない。共振器の中間領域を共有することもある。
【００５８】
このような共振器の垂直及び水平への配列は、共振の偏光依存性を無くすため、垂直偏光赤外線及び水平偏光赤外線にいずれも共振を起こす。そして、異なる波長で共振する複数のサブ共振器が配されているため、関心波長帯域内での平均吸収率を高める。
【００５９】
また、共振波長は同一であるが、偏光特性が異なる、二つのサブ共振器は、互いに離隔して配されるとしたが、それに限定されない。偏光特性の異なる二つのサブ共振器が、一部領域を互いに共有することもある。
【００６０】
図７Ａ及び図７Ｂは、一実施形態による共振部の他の形態を示した図面である。図７Ａに示したように、共振器は、共振波長が同一であり、かつ偏光特性が異なる二つのサブ共振器２２１ａ，２２１ｂが連結されて、十字型を形成する。すなわち、二つのサブ共振器２２１ａ，２２１ｂは、中間領域を共有する。しかし、この場合、二つのサブ共振器の吸収波長帯域が同一であるので、吸収帯域幅が狭くなる。
【００６１】
また、図７Ｂに示したように、共振器は、二つのサブ共振器２２１ａ，２２１ｂが非対称的に連結される。例えば、ｈａ＜ｈｂ、ｈｃ＜ｈｄである。そして、図７Ｂの共振器は、共有する領域が一側に偏って、十字型を形成する。この場合、非対称形状によって、共振器は、一つ以上の共振波長を有し、吸収帯域幅が広くなる。
【００６２】
図８は、他の実施形態による広帯域の赤外線検出器に配される共振部を示した図面である。図８に示したように、共振部２２０は、第１サブ共振器２２２ａと第２サブ共振器２２２ｂが端部領域を共有する四つの第１共振器２２２と、第３サブ共振器２２４ａと第４サブ共振器２２４ｂが中間領域を共有する第２共振器２２４と、を備える。四つの第１共振器２２２のそれぞれは、サーミスタ層１３０のコーナー部領域に一つずつ配され、第２共振器２２４は、サーミスタ層１３０の中間領域に配される。そして、第１共振器２２２は、第１波長帯域の赤外線を吸収し、四つの第２共振器２２４は、第２波長帯域の赤外線を吸収する。
【００６３】
図９は、図７Ａに示された共振部の吸収スペクトルをシミュレーションした結果を示した図面であり、図１０は、図８に示された共振部の吸収スペクトルをシミュレーションした結果を示した図面である。第１共振器２２２の長さ及び幅のそれぞれは、２.２μｍ、０.５μｍにし、第２共振器２２４の長さ及び幅のそれぞれは、３.２μｍ、０.５μｍに設計した。図９に示したように、共振部が単一波長で共振する時、吸収率が９０％以上である吸収スペクトルの帯域は、約９.５μｍないし１０.５μｍであった。しかし、図１０に示したように、共振部が複数波長で共振する時、吸収率が９０％以上である吸収スペクトルの帯域は、約８μｍないし１２μｍであることが確認できた。したがって、多重波長で共振する共振部は、吸収スペクトルの帯域幅が大きく広くなったことが確認できる。そして、平均吸収率は、７０％以上であることが確認できる。
【００６４】
前述した赤外線検出器は、一つの共振部を含むと記載されている。しかし、赤外線検出器は、複数の共振部を含んでもよい。図１１は、他の実施形態による赤外線検出器を示した平面図である。図１１に示したように、赤外線検出器３００は、基板３１０、基板３１０から離隔して配され、赤外線を吸収して熱を発生させる複数の共振部３２０、複数の共振部３２０のそれぞれでの熱を電気的信号に変換させる複数のサーミスタ層３３０、複数のサーミスタ層３３０が基板３１０から離隔して配されるように支持し、複数のサーミスタ層３３０と基板３１０とを電気的に連結する連結部３５０、及び基板３１０とサーミスタ層３３０との間に設けられ、基板３１０への熱伝達を遮断する熱隔離層３６０を備える。
【００６５】
図１１では、４個の共振部３２０が示されているが、それに限定されない。共振部３２０の個数は、赤外線検出器３００の設計目的によって変わる。そして、複数のサーミスタ層３３０のそれぞれは、共振部３２０を一つずつ支持する。サーミスタ層３３０は、熱質量を最小化するために、共振部３２０の形状によってパターンされた形態である。
【００６６】
連結部３５０は、複数のサーミスタ層３３０が、前記基板３１０から離隔して配されるように、基板３１０から突出して形成された一組の支持台３５２と、複数のサーミスタ層３３０と一組の支持台３５２とを連結させる複数の熱画像レッグ３５６と、を備える。複数の熱画像レッグ３５６は、直列に連結される。複数の共振部３２０のそれぞれは、第１波長帯域の第１赤外線を吸収する第１共振器、及び第２波長帯域の第２赤外線を吸収する第２共振器を備え、第１及び第２共振器のそれぞれは、第１偏光を吸収する第１サブ共振器、及び第１偏光と垂直な第２偏光を吸収する第２サブ共振器を備える。
【００６７】
複数のサーミスタ層３３０及び複数の共振部３２０が配列される場合、回折損失(Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｌｏｓｓ)を減少させるために、隣接したサーミスタ層３３０間の間隔を適切に調節する。すなわち、隣接したサーミスタ層３３０間の間隔ｄ１，ｄ２は、一種の回折スリットの役割を行うが、検出しようとする波長帯域の赤外線が、隣接したサーミスタ層３３０間の間隔の間で回折すれば、赤外線検出器３００の効率が低下する。したがって、サーミスタ層３３０間の間隔ｄ１，ｄ２は、検出しようとする赤外線帯域の波長より小さく設定することによって、赤外線検出器３００に入射する赤外線が、サーミスタ層３３０間の間隔で回折しないようにする。例えば、サーミスタ層３３０間の間隔ｄ１，ｄ２は、８μｍより小さく、特に、約６μｍである。
【００６８】
図１１での赤外線検出器３００は、共振部３２０及びサーミスタ層３３０が複数個設けられており、複数のサーミスタ層３３０は、熱画像レッグ３５６に連結されているという特徴を除いては、前述した一実施形態による赤外線検出器１００と同一であるので、ここで具体的な説明は、省略する。
【００６９】
実施形態による赤外線検出器は、多重波長帯域で共振するので、広帯域の赤外線が吸収でき、熱隔離層によって、赤外線検出器の安定性を向上させる。
【００７０】
前述した赤外線検出器は、多数の単位画素を２次元アレイに配列した赤外線熱画像カメラに利用されたり、ただ一つの単位ピクセル構造だけで形成された赤外線感知センサー、または熱画像センサーに利用されるたりする。
【００７１】
このような本発明は、理解を助けるために、図面に示された実施形態を参照して説明されたが、それは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、それらから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解するであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決定されねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明の赤外線検出器は、例えば、撮影装置、望遠鏡、医療装置など熱画像を活用する技術分野に好適に適用可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１００  赤外線検出器、
１１０  基板、
１２０  共振部、
１２２  第１共振器、
１２２ａ  第１サブ共振器、
１２２ｂ  第２サブ共振器、
１２４  第２共振器、
１２４ａ  第３サブ共振器、
１２４ｂ  第４サブ共振器、
１３０  サーミスタ層、
１５０  連結部、
１５２  支持台、
１５４  金属パッド、
１５６  熱画像レッグ、
１６０  熱隔離層、
１７０  反射層、
１８０  絶縁層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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