(57)【要約】【課題】干渉光とそうでない波長帯の光とを検出することのできる赤外線センサ等の光センサを提供する。【解決手段】シリコン基板２と、干渉光を吸収する吸収膜９と、吸収膜９と第一の絶縁層８を介して対向する金属反射膜７とを備え、光線の吸収を感知するセンサ１において、第一の絶縁層８が、それ自体吸収波長帯を有し、吸収膜９の共振吸収状態及び第一の絶縁層８の固有振動励起に伴う光吸収状態の少なくともいずれか一方を検出することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉光を吸収する吸収膜と、前記吸収膜と第一の絶縁層を介して対向する金属反射膜とを備え、光線の吸収を感知するセンサにおいて、
前記第一の絶縁層が、それ自体吸収波長帯を有し、前記吸収膜の共振吸収状態及び前記第一の絶縁層の固有振動励起に伴う光吸収状態の少なくともいずれか一方を検出することを特徴とする光センサ。
【請求項２】
干渉光を吸収する吸収膜と、前記吸収膜と第一の絶縁層を介して対向する金属反射膜とを備え、光線の吸収を感知するセンサにおいて、
それ自体吸収波長帯を有する１又は２以上の第二の絶縁層が前記吸収膜の上に設けられ、前記吸収膜の共振吸収状態及び前記第二の絶縁層の固有振動励起に伴う光吸収状態の少なくともいずれか一方を検出することを特徴とする光センサ。
【請求項３】
前記吸収膜が、第一の絶縁層の吸収波長帯と一部重なる吸収波長帯を有する請求項１に記載の光センサ。
【請求項４】
前記吸収膜が、第二の絶縁層の吸収波長帯と一部重なる吸収波長帯を有する請求項２に記載の光センサ。
【請求項５】
前記光線が赤外線である請求項１〜４のいずれかに記載の光センサ。
【請求項６】
前記吸収膜が、３００〜６００Ω／□の範囲にあるシート抵抗を有する請求項１〜５のいずれかに記載の光センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光センサに関し、好ましくは熱型（非冷却型）赤外線センサに好適に利用される。
【背景技術】
【０００２】
熱型赤外線センサは、赤外線を受光し、その光吸収に伴う発熱によって検出部が温められ、その温度上昇によって変化する電気的性質を検知するもので、冷却装置を要しないことから小型で安価であるうえ、広い波長帯域で使えるので、汎用されている。
熱型赤外線センサの検出部は、金黒からなる吸収膜を備えるものと、金属からなる反射膜と所定の物理的距離ｄを隔てて対向するように配置された４００Ω／□程度のシート抵抗を有する吸収膜を備えるものとが知られている。前者は金黒が剥がれやすいという難点を有するのに対して、後者はそのような難点を有していない。
【０００３】
後者の場合、距離ｄは、ｎを吸収膜と金属との間に存在する物質の屈折率、λを波長、ｍを整数とするとき、ｎ・ｄ＝（２ｍ＋１）λ／４を充足するように定められる。そして、吸収膜を透過した赤外線が反射膜で反射されて入射光と反射光とが干渉し、共振波長が吸収膜にて吸収されることにより、吸収膜が発熱するという性質を利用している。
近年、この吸収効率を上げるために、吸収膜を平行に二層設けることにより、いずれか一方で吸収されなかった赤外線を他方で吸収するようにした構成が提案されている（特許文献１）。また、これを更に改良して吸収膜を平行に二層設けることに加えて、第二の反射膜を第一の反射膜の周囲に設けて、広い領域で吸収できるようにした構成も提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２９４５２３号公報
【特許文献２】特開２００６−２２０５５５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、干渉光を利用した従来の赤外線センサは、屈折率ｎ、及び吸収膜と反射膜との物理的距離ｄで定まる限られた波長の光しか吸収されない。例えば、人体が発する１０μｍ前後の波長の赤外線を吸収するようにｎとｄを選択すると、吸収される波長は１０μｍ（ｍ＝０）、３．３μｍ（ｍ＝１）、２．５μｍ（ｍ＝２）・・・といった具合である。従って、これに該当しない４．４〜５．５μｍの波長帯の赤外線は共振吸収されず、４．４μｍ付近に二酸化炭素による特異な放射を示す火炎と人体とを一つのセンサで検出することができなかった。
それ故、この発明の課題は、干渉光とそうでない波長帯の光とを検出することのできる光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】
【０００６】
その課題を解決するために、この発明の第一の光センサは、
干渉光を吸収する吸収膜と、前記吸収膜と第一の絶縁層を介して対向する金属反射膜とを備え、光線の吸収を感知するセンサにおいて、
前記第一の絶縁層が、それ自体吸収波長帯を有し、前記吸収膜の共振吸収状態及び前記第一の絶縁層の固有振動励起に伴う光吸収状態の少なくともいずれか一方を検出することを特徴とする。
【０００７】
同じく第二の光センサは、
干渉光を吸収する吸収膜と、前記吸収膜と第一の絶縁層を介して対向する金属反射膜とを備え、光線の吸収を感知するセンサにおいて、
それ自体吸収波長帯を有する１又は２以上の第二の絶縁層が前記吸収膜の上に設けられ、前記吸収膜の共振吸収状態及び前記第二の絶縁層の固有振動励起に伴う光吸収状態の少なくともいずれか一方を検出することを特徴とする。
【０００８】
この発明の光センサによれば、受光した光線がｎ・ｄ＝（２ｍ＋１）λ／４を充足するものであれば、吸収膜を透過した光線が金属反射膜で反射され、入射光と反射光とが干渉し、吸収膜にて吸収される。一方、受光した光線が前記のようには干渉しない波長帯の光線であるが、第一の光センサにおいては第一の絶縁層を形成する材質、第二の光センサにおいては第二の絶縁層を形成する材質の固有振動数と一致する波長帯の光線であるときは、第一もしくは第二の絶縁層の固有振動励起に伴い、第一、第二の絶縁層にて吸収される。
【０００９】
従って、前記の式を充足する干渉光だけでなく、絶縁層自体が吸収する異種の光線をも一つのセンサで検出することができる。例えば、酸化ケイ素膜は波長１０μｍ前後をピークとする波長帯、窒化ケイ素膜は波長１３μｍ前後をピークとする波長帯をそれぞれ吸収する。そこで、これらの材質で第一、又は第二の絶縁層を形成するとともに、吸収膜が４．４〜５．５μｍの波長帯の干渉光を吸収するｎ・ｄとなるように第一の絶縁層の厚さを設定することで、１０もしくは１３μｍの少なくともいずれか一方の波長帯と４．４〜５．５μｍの波長帯の両方の光線を検出することが可能である。例えば、第一の絶縁層で酸化ケイ素膜、第二の絶縁層で窒化ケイ素膜を使用した場合は、１０μｍおよび１３μｍと、共振吸収の光を吸収することができる。
【００１０】
前記吸収膜は、第一の光センサにおいては第一の、第二の光センサにおいては第二の絶縁層の吸収波長帯と一部重なる吸収波長帯を有してもよい。重ならない波長帯の干渉光に基づく出力信号をもって吸収膜による吸収であると判別できるし、重なる波長帯の光に基づく出力信号をもって絶縁層による吸収であると判別できるからである。
また、前記吸収膜は、３００〜６００Ω／□の範囲にあるシート抵抗を有するものが好ましい。干渉光を効率よく吸収するからである。
【発明の効果】
【００１１】
一つのセンサで干渉光とそうでない波長帯の光との両方を検出することができるので、センサを大型化することなく、性質の異なる複数の物質を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は実施形態１に係る赤外線センサを示す断面図、（ｂ）は（ａ）の赤外線受光部拡大図である。
【図２】（ａ）は実施形態２に係る赤外線センサを示す断面図、（ｂ）は対照センサを示す断面図である。
【図３】（Ａ）は実施形態２に係る赤外線センサによる吸収スペクトル、（Ｂ）は対照受光部による吸収スペクトル、（Ｃ）は両スペクトルの差分から求められたスペクトル、（Ｄ）は（Ｂ）の写しである。
【図４】（Ａ）は実施形態２に係る赤外線センサによる別の吸収スペクトル、（Ｂ）は対照受光部による吸収スペクトル、（Ｃ）は両スペクトルの差分から求められたスペクトル、（Ｄ）は（Ｂ）の写しである。
【図５】実施例の吸収スペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
−実施形態１−
図１（ａ）は第一の実施形態に係る赤外線センサを示す断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の赤外線受光部拡大図である。赤外線センサ１は、（１００）面方位の単結晶シリコン基板２と、基板２のキャビティ３上に形成された赤外線受光部４及びサーモパイル５と、基板１のキャビティ３外に形成された配線６とを備える。赤外線受光部４は、反射膜７と、反射膜７の上に形成された絶縁層８と、更にその上に形成された吸収膜９との積層構造を有する。キャビティ３は、基板２を結晶異方性エッチングすることによって形成されている。サーモパイル５は、赤外線受光部４と配線６とを連結し、エッチング後に赤外線受光部４を機械的に支持する脚を兼ねている。
【００１４】
反射膜７は、アルミニウムなどの導電性に優れ且つ赤外線を透過しない金属をスパッタリングすることによって形成されている。絶縁層８は、酸化ケイ素、窒化ケイ素又はそれらの積層体などのそれ自体が赤外線を吸収する材質からなり、化学気相成長法（ＣＶＤ）により形成されている。絶縁層８の物理的厚さｄは、光学距離ｎ・ｄ（ｎ：屈折率）が検出対象物の波長と一致するように設定されている。吸収膜９は、窒化チタンや酸化チタンなどの４００Ω／□前後のシート抵抗を有する導電体からなり、スパッタリングすることにより形成されている。
【００１５】
赤外線センサ１によれば、受光した赤外線がｎ・ｄ＝（２ｍ＋１）λ／４を充足するものであるときは、吸収膜９及び絶縁層８を順に透過し、反射膜７で反射されて、入射光と反射光とが干渉し、吸収膜９にて吸収される。また受光した赤外線が絶縁層８の吸収波長帯と一致する波長のものであるときは、固有振動励起により、絶縁層８にて吸収される。吸収された赤外線が吸収膜９及び絶縁層８のいずれで吸収されたものであるかは、第二の実施形態において詳述するように、吸収膜９を備えていない図略の対照受光部を赤外線受光部４と並べて配置するか又はそのような対照受光部を有する対照センサを赤外線センサ１と並べて配置し、両受光部又は両センサのサーモパイルの出力電圧の差分を求めることにより、判別される。
【００１６】
−実施形態２−
図２（ａ）は、第二の実施形態に係る赤外線センサの赤外線受光部を示す断面図である。赤外線受光部１０は、実施形態１と同じく反射膜１１と、反射膜１１の上に形成された絶縁層１２（第一の絶縁層）と、更にその上に形成された吸収膜１３と、更にその上に形成された絶縁層１４（第二の絶縁層）とを備える。基板、キャビティ、サーモパイル及び配線については実施形態１と同形同質であってよい。
【００１７】
反射膜１１及び吸収膜１３は、実施形態１における反射膜７及び吸収膜９と同形同質であってよく、説明を省略する。絶縁層１２は、実施形態１における絶縁層８の如く特定の波長の赤外線を吸収する材質からなっていてもよいし、空洞であってもよい。空洞であるときは、反射膜１１と吸収膜１３との間隔ｄがｎ・ｄ＝（２ｍ＋１）λ／４を充足するように図略のスペーサが両者の間に介在する。絶縁層１４は、実施形態１における絶縁層８の如く特定の波長の赤外線を吸収する材質からなり、絶縁層１２が赤外線吸収材料からなるときは絶縁層１２と同一材料であってもよい。
【００１８】
絶縁層１２が空洞である場合、受光した赤外線がｎ・ｄ＝（２ｍ＋１）λ／４を充足するものであるときは、絶縁層１４、吸収膜１３及び絶縁層１２を順に透過し、反射膜１１で反射されて、入射光と反射光とが干渉し、吸収膜１３にて吸収される。また受光した赤外線が絶縁層１４の吸収波長帯と一致する波長のものであるときは、固有振動励起により、絶縁層１４にて吸収される。
【００１９】
吸収された赤外線が吸収膜１３及び絶縁層１４のいずれで吸収されたものであるかは、図２（ｂ）に示すように吸収膜１３を備えていない以外は赤外線受光部１０と同一構成の対照受光部１５を赤外線受光部１０と並べて配置し、両受光部のサーモパイルの出力電圧の差分を求める。即ち、図３（Ａ）及び（Ｂ）にそれぞれ受光部１０及び受光部１５による吸収スペクトルを示すように、吸収膜１３で吸収される波長帯（干渉による吸収）がλ１以下であって、絶縁層１４によって吸収される波長帯λ２と重ならないときは、図３（Ｃ）で示すように受光部１０及び受光部１５の各サーモパイルの出力電圧の差分を求め、得られる信号から吸収膜１３による吸収の有無を判定する。また、受光部１５のみから得られる信号に基づいて絶縁層１４による吸収の有無を判定する。尚、図３（Ｃ）ではλ１未満の波長帯は図略のフィルタによりカットされているが、これは必須ではない。
【００２０】
また、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、吸収膜１３で吸収される波長帯（干渉による吸収）がλ２を含んでいて、絶縁層１４によって吸収される波長帯λ２と重なるときは、受光部１０のλ２に基づく出力Ｉａが受光部１５に基づく出力Ｉｂで打ち消されるように、図４（Ｃ）で示すように係数ｋ（ｋ＝Ｉａ／Ｉｂ）を乗じたうえで受光部１０に基づく出力と受光部１５に基づく出力の差分を求め、得られる信号から吸収膜１３による吸収の有無を判定する。また、受光部１５のみに基づいて得られる信号から絶縁層１４による吸収の有無を判定する。
【００２１】
絶縁層１２を空洞ではなく、絶縁層１４と同じ材質で形成すれば、λにおける吸光度が増す。
尚、各受光部の温度変化を電気特性に変換する手段としては、サーモパイルに限らず、ボロメータやダイオードなどの公知の適宜の手段を適用可能である。
【実施例】
【００２２】
実施形態２のセンサにおいて、反射膜１１をアルミニウム膜、絶縁層１２を厚さ０．８μｍの酸化ケイ素膜とその上に形成された厚さ１．０μｍの窒化ケイ素膜との積層体、吸収膜１３をシート抵抗約４００Ω／□の窒化チタン、絶縁層１４を厚さ０．３μｍの酸化ケイ素膜とした。形成手段は、ＣＶＤまたはスパッタリングである。得られたセンサについて赤外分光法にて吸収スペクトルを測定した結果を図５に示す。
【００２３】
図中、波長帯Ｎは人体など室温程度の物体の検知で用いられる８−１２μｍの領域で、波長帯Ｕは炎から発生する光のうち炭酸ガス（CO2）から共鳴放射される４．４μｍ付近の波長を含み、炎検知で用いられる３．６−５．２μｍの領域である。この結果から、この実施例のセンサを用いれば、人体と炎の両方を検出できることが明らかである。
【符号の説明】
【００２４】
１  赤外線センサ
２  シリコン基板
３  キャビティ
４、１０  赤外線受光部
５  サーモパイル
６  配線
７、１１  反射膜
８、１２  絶縁層（第一）
１４  絶縁層（第二）
９、１３  吸収膜
１５  対照受光部
【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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