(57)【要約】【課題】振動に強く、かつ、出力電圧も高い赤外線検出素子を提供する。【解決手段】基枠１と、基枠１に囲まれて配置された赤外線を受光する受光部２と、受光部２と基枠１とを連結する少なくとも一つの屈曲点１２を有する支持梁３と、受光部２と支持梁３とを接合する温点接合部４と、基枠１と支持梁３とを接合する冷点接合部５と、受光部２の温度上昇を検出する温度上昇検出部１３とを有する赤外線検出素子において、支持梁３中の第一の屈曲点１２から温点接合部４までを構成する第一の梁３ａの長さを、該第一の梁３ａと平行な受光部２の辺の長さよりも短くし、第一の梁３ａの幅を、支持梁３中の第一の梁３ａを除いた部分である第二の梁３ｂの幅よりも小さくする。【選択図】    図１
2006038613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基枠と、
前記基枠に囲まれて配置された赤外線を受光する受光部と、
前記受光部と前記基枠とを連結する少なくとも一つの屈曲点を有する支持梁と、
前記受光部と前記支持梁とを接合する温点接合部と、
前記基枠と前記支持梁とを接合する冷点接合部と、
前記受光部の温度上昇を検出する温度上昇検出部と
を有する赤外線検出素子において、
前記支持梁中の第一の前記屈曲点から前記温点接合部までを構成する前記第一の梁の長さは、該第一の梁と平行な前記受光部の辺の長さよりも短く、
前記第一の梁の幅は、前記支持梁中の前記第一の梁を除いた部分である第二の梁の幅よりも小さいことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項２】
前記受光部は、前記第一の梁の延長線上にある領域にも形成されていることを特徴とする請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
前記温度上昇検出部がサーモパイルから構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の赤外線検出素子。
【請求項４】
前記温度上昇検出部がボロメータ薄膜から構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の赤外線検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線を検出する赤外線検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱型の赤外線検出素子には、赤外線吸収体を有する受光部にて赤外線を吸収し、赤外線を一旦熱に変換した後、受光部と基板との温度差による抵抗変化や起電力などとして出力を取り出すサーモパイル型赤外線検出素子（あるいは焦電型赤外線検出素子）と呼ばれるものがある。例えば、発生した熱量に基づいて起電力を発生する抵抗膜からなるサーモパイルにより温度上昇検出部が構成される。  
なお、このサーモパイル型赤外線検出素子において温度上昇検出の感度を高めるには、受光部と基板との熱的分離を行う。このため、受光部と温度上昇検出部とが支持梁により支えられた中空構造を採用することにより、受光部からの基板への放熱を避け、主に受光部を支えている支持梁を通じて放熱が行われる構造とする。これにより赤外線の受光による受光部の温度上昇幅を大きくし、温度上昇検出の感度を高めることができる。  
さらに温度上昇検出の感度を上げるには、支持梁の熱抵抗値を高くすればよいので、支持梁の長さを長く、断面積を小さくすればよいが、機械的強度の制約があり、いかに機械的強度を上げるかも重要な問題となっている。  
例えば、受光部を支えている支持梁の強度を上げるために、下記特許文献１に記載されているように、支持梁上に形成され、受光部の温度上昇を検出する抵抗膜の断面形状における高さ／幅のアスペクト比を１以上とすることで、支持梁の曲げ応力に対する強化の提案がなされている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１１１３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１には、支持梁の振動を避ける方策については記載されていない。  
前述のように、熱型赤外線検出素子は、受光部（赤外線吸収部）を基板と熱分離するため、支持梁で支えられた中空構造をしている。したがって、受光部を支持する支持梁は機械的な固有振動数を持つ。機械的な固有振動数を持つ構造物の場合、外部から加えられる加速度、振動などによって共振を起こし、該構造物が破壊してしまう恐れがある。そのため、使用環境下において、該構造物をいかに共振させないかが重要となる。実際の使用環境では、該構造物が設置されている建物や地面から直接伝わる低い周波数を持った振動が多く、音などの空気を伝わってくる高い周波数の振動の影響は少ない。そのため、一般に構造物が持つ固有振動数が高い方が共振する可能性が低い。  
本発明の目的は、振動に強く、かつ、出力電圧も高い赤外線検出素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は、基枠に囲まれて配置された赤外線を受光する受光部と、受光部と基枠とを連結する少なくとも一つの屈曲点を有する支持梁と、受光部と支持梁とを接合する温点接合部と、基枠と支持梁とを接合する冷点接合部と、受光部の温度上昇検出部とを有し、支持梁中の第一の屈曲点から温点接合部までを構成する第一の梁の長さは、該第一の梁と平行な受光部の辺の長さよりも短く、第一の梁の幅は、支持梁中の第一の梁を除いた第二の梁の幅よりも小さいという構成になっている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、振動に強く、かつ、出力電圧も高い赤外線検出素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。  
図３は、片持ち梁の振動の様子の一例を示す図である。図３において、１００は梁、１０１は梁１００の固定端、１０２は梁１００の自由端、１０３は梁１００の自由端１０２に設けたおもり、１０４は振動である。  
図３に、梁１００の端部の一方が固定端１０１、もう一方がおもり１０３が負荷された自由端１０２のような構造の片持ち梁１００において、おもり１０３の振動１０４の様子が示される。おもり１０３付き梁１００の固有振動数ｆは、一般に以下のように表すことができる。  
【０００８】
【数１】
2006038613.tif 000003
ここで、Ｋは自由端１０２における梁１００のばね定数、Ｍは自由端１０２に負荷されているおもり１０３の質量である。  
式（１）より、固有振動数ｆは、梁１００のばね定数Ｋに依存するので、梁１００の剛性を高め、ばね定数Ｋを大きくすることにより、固有振動数ｆを大きくして共振を防ぐ方策が採られる。固有振動数ｆを大きくするには、梁１００の剛性を高めればよく、梁１００を太くし（すなわち、梁１００の幅あるいは高さを大きくし）、梁１００の長さを短くすればよい。  
熱型赤外線検出素子において、支持梁を梁１００、受光部をおもり１０３と考えれば、固有振動数ｆを高めるには、支持梁を太くし、長さを短くすればよい。
【０００９】
次に、サーモパイル型赤外線検出素子の出力電圧Ｖに関しては、次の式（２）で書き表すことができる。  
【００１０】
【数２】
2006038613.tif 000004
ここで、ｎはサーモカップルの対数、Ｓｅはゼーベック係数、Ｒｔｈは梁の熱抵抗値、Ｌ’は梁の長さ（全長）、ｒは梁の単位長さ辺りの熱伝導係数、Ｗは梁の断面形状における幅、Ｈは梁の断面形状における高さ、Ａは受光部の開口率、Ｐは赤外線検出素子に入射する赤外線のエネルギーである。  
式（２）より、出力電圧Ｖを大きくするためには、受光部の開口率Ａと、梁の熱抵抗値Ｒｔｈを大きくすればよいことが分かる。通常、熱抵抗値Ｒｔｈを大きくするには、梁を長く細くする。
【００１１】
以上説明したように、赤外線検出素子においては、梁の機械的強度を上げるためには、固有振動数ｆを上げる。そして、このためには、梁の高さＨを大きくし、梁の長さＬ’を短くすればよいが、そうすると、梁の熱抵抗値Ｒｔｈが低下し、出力電圧Ｖが低下してしまう。  
一方、温度上昇検出の感度を上げるため、梁の長さＬ’を長く、梁の断面積を小さくすると、梁が変形しやすくなり、固有振動数ｆが低下して、共振を起こす可能性が高くなる。  
本発明は、梁の形状に工夫を加えることによって固有振動数ｆを高くし、振動に強く、かつ、出力電圧Ｖも高い赤外線検出素子を提供するものである。
【００１２】
《構造》
図１（ａ）は、本発明の一実施の形態の赤外線検出素子の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の赤外線検出素子のＡ−Ａ’切断線における断面図である。以下、図１（ａ）、（ｂ）を用いて、本実施の形態の赤外線検出素子の構造について説明する。  
図１（ａ）において、１は基枠、２は基枠１に囲まれて配置された赤外線を受光する受光部、３は受光部２と基枠１とを連結する支持梁、１２は支持梁３の屈曲点（屈曲点１２は支持梁３において少なくとも一つ）、４は受光部２と支持梁３とを接合する温点接合部、５は基枠１と支持梁３とを接合する冷点接合部、３ａは支持梁３中の第一の屈曲点１２から温点接合部４までを構成する第一の梁、３ｂは支持梁３中の第一の梁３ａを除いた部分である第二の梁、２ａは第一の梁３ａの延長線上にある受光部２の一部の領域、１３は受光部２の温度上昇を検出するサーモパイルからなる温度上昇検出部、７は温度上昇検出部１３を構成するＰ型ポリＳｉ抵抗膜、８は温度上昇検出部１３を構成するＮ型ポリＳｉ抵抗膜、６はアルミ線、９はアルミ配線、１０は出力端子である。  
図１（ｂ）において、２１は基板、２５は基板２１に設けられた四角錐状の空隙、１１は空隙２５を形成するときのエッチング孔、２２は窒化膜、２３は酸化膜、２４は保護膜、２６は赤外線吸収膜である。
【００１３】
受光部２は、図１（ｂ）に示すように、赤外線吸収膜２６、窒化膜２２、酸化膜２３、保護膜２４、アルミ配線９とから構成されている。赤外線吸収膜２６は、例えばＳｉ等からなる基板２１上に、熱分離領域として形成された空隙２５の上部を覆うように形成されている。  
受光部２を支持する平面形状がＬ字型の支持梁３は、図１（ｂ）に示すように、窒化膜２２、酸化膜２３、保護膜２４、Ｐ型ポリＳｉ抵抗膜７、Ｎ型ポリＳｉ抵抗膜８から構成されている。Ｐ型ポリＳｉ抵抗膜７、Ｎ型ポリＳｉ抵抗膜８は、受光部２の温度上昇を検出するための温度上昇検出部であるサーモパイルとして、支持梁３の中に形成されている。  
Ｐ型ポリＳｉ抵抗膜７、Ｎ型ポリＳｉ抵抗膜８は、図１（ａ）に示すように、ＰＮＰＮの順で受光部２内にあるアルミ配線９とアルミ線６によって直列に接続されている。１０は赤外線検出素子の電気信号を外部に出力する出力端子である。  
サーモパイルの温点は、温点接合部４にて受光部２と接続され、冷点は冷点接合部５にて基板２１の基枠１とそれぞれ接続されている。受光部２は、空隙２５によって基板２１から熱的に分離されているため、基板２１への受光部２からの熱の流れは、主に支持梁３を通して生じ、その他の部分への放熱はほとんどない。
【００１４】
次に、図２を用いて、前述の図３における梁の振動モデルとの対応について説明する。図２はＬ字型の支持梁の振動の様子を示す斜視図である。図３における梁１００に負荷されるおもり１０３は、図２においては受光部２であり、自由端１０２は温点接合部４、梁１０２は支持梁３、固定端１０３は冷点接合部５である。また、支持梁３はＬ字型に折れ曲がっており、支持梁３中の第一の屈曲点１２から温点接合部４までの自由端側の梁が第一の梁３ａ、残りの固定端側の梁が第二の梁３ｂである。  
図２において、Ｌａは第一の梁３ａの長さ、Ｌｂは第二の梁３ｂの長さ、Ｗａは第一の梁３ａの断面形状における幅、Ｗｂは第二の梁３ｂの断面形状における幅、Ｈは第一の梁３ａおよび第二の梁３ｂの断面形状における高さである（下記式（３）においても同様）。なお、受光部２は質点として作用すると仮定する。  
長さに比べて幅が充分に細い等方的な材料からなる支持梁３がＬ字型に屈曲しており、第一の梁３ａと第二の梁３ｂとの断面寸法が異なる場合、支持梁３が形成されている平面に対して垂直な方向についての自由端におけるばね定数Ｋは、式（３）のように書くことができる。  
【００１５】
【数３】
2006038613.tif 000005
Ｅは梁を構成する物質のヤング率、Ｉは梁の断面２次モーメント、Ｌは梁の長さ、Ｇはせん断弾性係数、Ｉｐは梁の断面２次極モーメント、Ｗは梁の断面の幅、Ｈは梁の高さである。下付き添え字ａは、受光部２に近い側の第一の梁３ａの要素を表し、下付き添え字ｂは、基板２１に近い側の第二の梁３ｂの要素を表す。
【００１６】
《動作》
次に、図１（ａ）、（ｂ）に示した赤外線検出素子による温度上昇検出動作について説明する。赤外線検出素子に入射する赤外線は、受光部２によって吸収され、熱へ変換され、受光部２の温度が上昇する。この温度上昇は、熱伝導によりサーモパイルを構成するＰ型ポリＳｉ抵抗膜７、Ｎ型ポリＳｉ抵抗膜８の温点接合部４まで伝わり、温点接合部４の温度が上昇する。上述した熱分離領域である空隙２５の効果により、受光部２および支持梁３の下部に位置する基板２１へ直接的な熱伝導が生じないため、温点接合部４と、基板２１に接続されている冷点接合部５との間には吸収した赤外線の量に応じた温度差が生じる。その結果、ゼーベック効果により、式（２）に記した値の起電力が生じる。生じた起電力は出力端子１０から出力される。
【００１７】
本実施の形態では、基枠１と、基枠１に囲まれて配置された赤外線を受光する受光部２と、受光部２と基枠１とを連結する少なくとも一つの屈曲点１２を有する支持梁３と、受光部２と支持梁３とを接合する温点接合部４と、基枠１と支持梁３とを接合する冷点接合部５と、受光部２の温度上昇を検出する温度上昇検出部１３とを有する赤外線検出素子において、支持梁３中の第一の屈曲点１２から温点接合部４までを構成する第一の梁３ａの長さＬａは、該第一の梁３ａと平行な受光部２の辺の長さよりも短く、第一の梁３ａの幅Ｗａは、支持梁３中の第一の梁３ａを除いた部分である第二の梁３ｂの幅Ｗｂよりも小さいという構成になっている。  
このように本実施の形態の赤外線検出素子では、受光部２を少なくとも一つの屈曲点１２を持った支持梁３にて支えているが、温点接合部４から第一の屈曲点１２までの第一の梁３ａの長さを、第一の梁３ａと平行な受光部２の辺の長さよりも短くすることで、第二の梁３ｂにかかるねじりトルクを小さくすることができる。これにより、支持梁３全体の固有振動数ｆを小さくすることができる。
【００１８】
式（２）のばね定数Ｋは、第一の梁３ａの曲げ振動成分については、Ｌａ３に反比例し、また、ねじり振動成分については、Ｌａ２に反比例する。よって、Ｌａが短いほど振動成分を除去することができる。したがって、第一の梁３ａの長さＬａを、第一の梁３ａと平行な受光部２の辺の長さよりも短くする。  
また、第一の梁３ａの幅を第二の梁３ｂの幅よりも小さくすることによって、第一の梁３ａの長さを短くした分の感度の低下分を補い、結果として感度を低下させることなく、支持梁３の固有振動数を上昇させることができる。
【００１９】
さらに説明すると、前述のように支持梁３の固有振動数ｆを上げるためには、ばね定数Ｋが最大値を取るようにする。しかし、赤外線検知素子の感度Ｒを落さないために、熱抵抗値Ｒｔｈは維持する必要がある。支持梁３の全長を短くすると、支持梁３の固有振動数ｆは上がるが、熱抵抗値Ｒｔｈは下がる。第二の梁３ｂの長さＬｂを短くするよりも、ねじり成分が第一の梁３ａの長さＬａの２乗で効いてくるため、第一の梁３ａの長さＬａを短くした方がよい。また、曲げ振動成分はＷａＨａ３に比例するため、熱抵抗値Ｒｔｈを下げないように、第一の梁３ａの高さＨａではなく、第一の梁３ａの幅Ｗａを短くする。なお、赤外線検知素子の感度Ｒは、Ｌ／ＷＨに比例し、梁の断面２次極モーメントＩｐと梁の断面２次モーメントＩは、それぞれＷＨ３に比例する。  
さらに、第一の梁３ａの長さＬａと幅Ｗａの比であるＬａ／Ｗａを一定に保ちながら、長さＬａと幅Ｗａを共に小さくしていけば、固有振動数を上昇させ、かつ、感度も上昇させることが可能である。
【００２０】
また、第一の梁３ａの長さＬａを短くしたことによりできた第一の梁３ａの延長線上にある領域２ａをも受光部とすることにより、受光部２を拡大し、開口率を上昇させることができるので、赤外線検出素子の感度を高くすることができる。  
また、温度上昇検出部１３がサーモパイルから構成されている。すなわち、本赤外線検出素子は、サーモパイルを用いて実現することができる。  
なお、温度上昇検出部はボロメータ薄膜から構成することも可能である。すなわち、本赤外線検出素子は、ボロメータ薄膜（焦電ボロメータ）を用いて実現することができる。その場合には、受光部２にボロメータ薄膜が含まれ、支持梁３内にサーモパイルではなく電気配線を施し、温点接合部４にてボロメータ薄膜と接続される。  
なお、以上説明した実施の形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施の形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、本実施の形態では、支持梁３の屈曲部１２は１個で構成したが、複数個あっても同様の効果を奏することができる。また、本実施の形態では、支持梁３の数は２本で構成したが、１本または３本以上であっても同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）は本発明の一実施の形態の赤外線検出素子の平面図、（ｂ）は（ａ）の赤外線検出素子のＡ−Ａ’切断線における断面図である。
【図２】Ｌ字型の支持梁の振動の様子を示す斜視図である。
【図３】片持ち梁の振動の様子の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１…基枠                          ２…受光部
２ａ…受光部の一部の領域            ３…支持梁
３ａ…第一の梁                    ３ｂ…第二の梁
４…温点接合部                    ５…冷点接合部
６…アルミ線                      ７…Ｐ型ポリＳｉ抵抗膜
８…Ｎ型ポリＳｉ抵抗膜            ９…アルミ配線
１０…出力端子                    １１…エッチング孔
１２…屈曲点                      １３…温度上昇検出部
２１…基板                        ２２…窒化膜
２３…酸化膜                      ２４…保護膜
２５…空隙                        ２６…赤外線吸収膜
１００…梁                        １０１…固定端
１０２…自由端                    １０３…おもり
１０４…振動
【図１】
2006038613.tif 000006
【図２】
2006038613.tif 000007
【図３】
2006038613.tif 000008