(57)【要約】【課題】赤外線を精度良く検出することができる赤外線検出センサを提供する。【解決手段】本発明に係る赤外線検出センサ１００は、内部に気体が存在する第１チャンバー１０と、第１チャンバーの下方に位置し、第１チャンバーと連通し、内部に気体が存在する第２チャンバー２０と、第１チャンバー内に配置され、第１チャンバーの外部から第１チャンバーの内部に入射した赤外線ＩＲを吸収して熱に変換する赤外線吸収部１１と、第１チャンバーと第２チャンバーとの連通部４０に配置され、上下方向に撓むことが可能な片持ち梁部材４１とを備えることを特徴とする。【選択図】図６
2011209114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に気体が存在する第１チャンバーと、
前記第１チャンバーの下方に位置し、前記第１チャンバーと連通し、内部に気体が存在する第２チャンバーと、
前記第１チャンバー内に配置され、前記第１チャンバーの外部から前記第１チャンバーの内部に入射した赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と、
前記第１チャンバーと前記第２チャンバーとの連通部に配置され、上下方向に撓むことが可能な片持ち梁部材とを備えることを特徴とする赤外線検出センサ。
【請求項２】
前記第２チャンバーは、前記第２チャンバーの内部を前記第１チャンバー以外の外部と連通させるためのリーク部を具備することを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部を有し、該赤外線吸収部によって赤外線から変換された熱により周囲の気体の圧力が上昇することを利用して赤外線を検出する赤外線検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線吸収部によって赤外線から変換された熱により周囲の気体の圧力が上昇することを利用して赤外線を検出する赤外線検出センサとしては、例えば、特許文献１に記載の装置が知られている。特許文献１に記載の装置は、内部に気体が存在する筒状のチャンバーと、チャンバーの一方側の開口部を閉塞するエネルギー吸収膜と、チャンバーの他方側の開口部を閉塞する薄膜とを備えている。
【０００３】
特許文献１に記載の装置において、エネルギー吸収膜が赤外線等の放射エネルギーを吸収すると、放射エネルギーが熱に変換され、この熱によりチャンバー内部に存在する気体が昇温し、該気体の圧力が上昇する。気体の圧力が上昇すると、チャンバーの外側に向いた力が薄膜に加わり、チャンバーの外側へ押し出されるように薄膜が撓む。このように、特許文献１に記載の装置では、放射エネルギーの吸収によって薄膜が撓むため、薄膜の撓み量に基づいて放射エネルギーを検出することが可能である。
【０００４】
ところで、赤外線検出センサには、従来より小型化の要請がある。特許文献１に記載の装置を小型化するためには、チャンバーの開口部及び薄膜の面積を小さくする必要がある。しかし、特許文献１に記載の薄膜は、チャンバーの他方の開口部を区画する部位全体においてチャンバーに固着されている。このため、薄膜の面積を小さくすると、薄膜は撓み難くなり、赤外線を精度良く検出することができなくなる。従って、特許文献１に記載の装置を小型化することは困難である。
【０００５】
このため、本件出願人は、例えば、特許文献２に記載のように、赤外線を精度良く検出することができ、且つ、小型化することが可能な赤外線検出センサを提案している。
【０００６】
図１は、本件出願人が従来提案している赤外線検出センサを模式的に示す断面図である。図１に示すように、従来の赤外線検出センサ２００は、内部に気体が存在する第１チャンバー１０と、内部に気体が存在し、第１チャンバー１０と水平方向に連通する第２チャンバー２０と、内部に気体が存在し、第２チャンバー２０と上下方向に連通する第３チャンバー３０とを備えている。第１チャンバー１０内には、第１チャンバー１０の外部（上方）から第１チャンバー１０の内部に入射した赤外線ＩＲを吸収して熱に変換する赤外線吸収部１１が配置されている。第２チャンバー２０と第３チャンバーとの連通部４０には、上下方向に撓むことが可能な片持ち梁部材４１が配置されている。第２チャンバー２０の底面の所定部位、及び、第２チャンバー２０の底面の所定部位に上下方向に対向する片持ち梁部材４１の底面の所定部位には、それぞれ電極２１、４２が配置されている。
【０００７】
上記構成の赤外線検出センサ２００において、赤外線吸収部１１が赤外線ＩＲを吸収してこれを熱に変換すると、この熱により第１チャンバー１０内部に存在する気体が昇温し、該気体の圧力が上昇する。第１チャンバー１０内部に存在する気体の圧力が上昇するに伴い、第１チャンバー１０に連通する第２チャンバー２０内部に存在する気体の圧力も上昇し、片持ち梁部材４１を第３チャンバー３０に向けて押圧する上向きの力が作用することになる。この上向きの力によって片持ち梁部材４１は撓み、その撓み量は赤外線吸収部１１の赤外線吸収量に応じて変化する。このため、片持ち梁部材の撓み量を一対の電極２１、４２間の静電容量を計測することによって検出すれば、第１チャンバー１０内部に入射した赤外線ＩＲを検出すること（赤外線ＩＲが赤外線吸収部１１に吸収されたか否かや、赤外線吸収部１１での赤外線ＩＲの吸収量を検出すること等）が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第２４２４９７６号明細書
【特許文献２】特開２０１０−５４４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記従来の赤外線検出センサ２００で精度良く赤外線ＩＲを検出するには、原理上、第１チャンバー１０内部の気体の熱時定数（熱応答時間）が、隣接する第２チャンバー２０内部の気体の圧力の時定数よりも小さい必要がある。
しかしながら、上記従来の赤外線検出センサ２００では、後述のように、第１チャンバー１０と第２チャンバー２０との間の排気コンダクタンスが、第２チャンバー２０と第３チャンバー３０との間の排気コンダクタンスよりも極めて小さくならざるを得ず、片持ち梁部材４１に上向きの力を作用させる（第３チャンバー３０内部の気体の圧力よりも第２チャンバー２０内部の気体の圧力が高くなる）ためには、第３チャンバー３０の容積、ひいては第１チャンバー１０の容積を大きくしなければならない。第１チャンバー１０の容積を大きくすると、後述のように、第１チャンバー１０内部の気体の熱時定数が大きくなるという問題がある。換言すれば、前述のように第１チャンバー１０内部の気体の熱時定数が第２チャンバー２０内部の気体の圧力の時定数よりも小さくなるように設計することが、実際には極めて困難であるという問題がある。
【００１０】
本発明は、斯かる従来技術の問題を解決するためになされたものであり、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部を有し、該赤外線吸収部によって赤外線から変換された熱により周囲の気体の圧力が上昇することを利用して赤外線を検出する赤外線検出センサであって、赤外線を精度良く検出することができる赤外線検出センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するため、本発明は、内部に気体が存在する第１チャンバーと、前記第１チャンバーの下方に位置し、前記第１チャンバーと連通し、内部に気体が存在する第２チャンバーと、前記第１チャンバー内に配置され、前記第１チャンバーの外部から前記第１チャンバーの内部に入射した赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と、前記第１チャンバーと前記第２チャンバーとの連通部に配置され、上下方向に撓むことが可能な片持ち梁部材とを備えることを特徴とする赤外線検出センサを提供する。
【００１２】
本発明に係る赤外線検出センサにおいて、第１チャンバー内に配置された赤外線吸収部が第１チャンバーの外部から第１チャンバーの内部に入射した赤外線を吸収してこれを熱に変換すると、この熱により第１チャンバー内部に存在する気体が昇温し、該気体の圧力が上昇する。第１チャンバー内部に存在する気体の圧力が上昇すると、片持ち梁部材を第２チャンバーに向けて押圧する下向きの力が作用することになる。この下向きの力によって片持ち梁部材は撓み、その撓み量は赤外線吸収部の赤外線吸収量に応じて変化する。このため、片持ち梁部材の撓み量を検出すれば、第１チャンバー内部に入射した赤外線を検出すること（赤外線が赤外線吸収部に吸収されたか否かや、赤外線吸収部での赤外線の吸収量を検出すること等）が可能である。
そして、本発明に係る赤外線検出センサのように、第１チャンバーと第２チャンバーとを上下方向に配置することにより、後述のように、第１チャンバーの容積を小さくすることが可能である。第１チャンバーの容積を小さくすることができれば、第１チャンバー内部の気体の熱時定数を小さくでき、第１チャンバー内部の気体の熱時定数が第２チャンバー内部の気体の圧力の時定数よりも小さくなるように設計することが容易となる。このため、精度良く赤外線を検出することが可能である。
【００１３】
好ましくは、前記第２チャンバーは、前記第２チャンバーの内部を前記第１チャンバー以外の外部と連通させるためのリーク部を具備する。
【００１４】
斯かる好ましい構成によれば、後述のように、第１チャンバーと第２チャンバーとの間の排気コンダクタンスが、リーク部の排気コンダクタンスよりも極めて大きくない限り、片持ち梁部材に下向きの力を作用させる（第２チャンバー内部の気体の圧力よりも第１チャンバー内部の気体の圧力が高くなる）ことが可能である。そして、リーク部の排気コンダクタンスは、前述した従来の第１チャンバー１０と第２チャンバー２０との間の排気コンダクタンスと異なり、小さくせざるを得ないという制約がない。このため、リーク部の排気コンダクタンスを適切に設計することで、片持ち梁部材に十分な下向きの力を作用させることができ、精度良く赤外線を検出することが可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、赤外線を精度良く検出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、従来の赤外線検出センサを模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す従来の赤外線検出センサのリークモデルを示すブロック図である。
【図３】図３は、図１に示す従来の赤外線検出センサの製作工程のうち、片持ち梁部材を具備する片持ち梁層を製作する片持ち梁層製作工程を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、図１に示す従来の赤外線検出センサの製作工程のうち、赤外線吸収部を具備する赤外線吸収層を製作する赤外線吸収層製作工程を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、図１に示す従来の赤外線検出センサの製作工程のうち、片持ち梁層、赤外線吸収層及びＩＣ基板を接合して赤外線検出センサを製作する接合工程を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に係る赤外線検出センサを模式的に示す断面図である。図６（ａ）は正面視断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の矢視ＡＡ断面図である。
【図７】図７は、図６に示す赤外線検出センサの製作工程のうち、片持ち梁部材を具備する片持ち梁層を製作する片持ち梁層製作工程を模式的に示す断面図である。
【図８】図８は、図６に示す赤外線検出センサの製作工程のうち、赤外線吸収部を具備する赤外線吸収層を製作する赤外線吸収層製作工程を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、図６に示す赤外線検出センサの製作工程のうち、片持ち梁層、赤外線吸収層及びＩＣ基板を接合して赤外線検出センサを製作する接合工程を模式的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、図６に示す赤外線検出センサのリークモデルを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
まず最初に、前述した図１に示す従来の赤外線検出センサの問題点について、具体的に説明する。
＜１．従来の赤外線検出センサの問題点＞
（１）第１チャンバー１０内部に存在する気体の熱時定数について
図１に示す従来の赤外線検出センサ２００が備える赤外線吸収部１１に吸収された赤外線ＩＲのパワーをＷとすると、第１チャンバー１０内部の熱方程式は、以下の式（１）で表される。
【数１】
2011209114.tif 000003
なお、式（１）におけるＣは、第１チャンバー１０内部に存在する気体の熱容量を意味する。ｔは、経過時間を意味する。ΔＴ（ｔ）は、第１チャンバー１０内部に存在する気体の温度変化を意味する。Ｇは、第１チャンバー１０内部に存在する気体の熱コンダクタンスを意味する。ｈは、第１チャンバー１０内部に存在する気体と第１チャンバ１０を構成する壁面との熱伝達率を意味する。Ａ１は、第１チャンバ１０を構成する壁面の面積を意味する。ｋは、赤外線吸収部１１を支持する支持部１２の熱伝達係数を意味する。Ａ２は、赤外線吸収部１１を支持する支持部１２の断面積を意味する。ｌは、赤外線吸収部１１を支持する支持部１２の長さを意味する。
【００１８】
ここで、式（１）における、Ｇ＋ｈＡ１＋ｋＡ２／ｌ＝Ｇ’とすると、式（１）は、以下の式（２）で表される。
【数２】
2011209114.tif 000004
【００１９】
ここで、ΔＴ（ｔ）＝α−βｅｘｐ（−ａｔ）とおくと、
ΔＴの初期値であるΔＴ（０）＝α−β＝０、
ΔＴの最終値であるΔＴ（∞）＝α＝ΔＴｆｉｎ
となる。
従って、β＝α＝ΔＴｆｉｎとなる。
よって、以下の式（３）が成り立つ。
【数３】
2011209114.tif 000005
式（３）をｔについて微分すると、以下の式（４）が求まる。
【数４】
2011209114.tif 000006
【００２０】
式（４）を式（２）に代入すると、以下の式（５）が成り立つ。
【数５】
2011209114.tif 000007
【００２１】
式（５）において、ｔ＝０のとき、ｅｘｐ（−ａｔ）＝１、ΔＴ（０）＝０であるため、
ＣａΔＴｆｉｎ＝Ｗとなり、以下の式（６）が成り立つ。
【数６】
2011209114.tif 000008
【００２２】
また、式（５）において、ｔ＝∞のとき、ｅｘｐ（−ａｔ）＝０、ΔＴ（∞）＝ΔＴｆｉｎであるため、Ｇ’ΔＴｆｉｎ＝Ｗとなり、以下の式（７）が成り立つ。
【数７】
2011209114.tif 000009
【００２３】
式（７）を式（６）に代入すると、以下の式（８）が成り立つ。
【数８】
2011209114.tif 000010
さらに、式（７）及び式（８）を式（３）に代入すると、以下の式（９）が成り立つ。
【数９】
2011209114.tif 000011
【００２４】
式（９）より、第１チャンバー１０内部に存在する気体の熱時定数τ＝Ｃ／Ｇ’となる。
ｈ、ｋが小さな値となる設計にすれば、熱時定数τは、以下の式（１０）で表される。
【数１０】
2011209114.tif 000012
【００２５】
ここで、第１チャンバー１０内部に存在する気体の熱容量Ｃは、気体の比熱をｃ、気体の密度をρ、第１チャンバー１０の容積（第１チャンバー１０内部の気体の体積）をＶ１とすると、以下の式（１１）で表される。
【数１１】
2011209114.tif 000013
また、第１チャンバー１０内部に存在する気体の熱コンダクタンスＧは、第１チャンバー１０内部の断面積（水平方向（図１の紙面左右方向）断面の面積）をａ１２、第１チャンバー１０内部の高さをＬ、第１チャンバー１０内部に存在する気体の熱伝導度をＣ’とすると、以下の式（１２）で表される。
【数１２】
2011209114.tif 000014
【００２６】
式（１２）から明らかなように、第１チャンバー１０内部に存在する気体の熱時定数（熱応答時間）τは、第１チャンバー１０内部の高さの二乗（Ｌ２）に比例する。
なお、第１チャンバー１０内部の熱方程式において、厳密には、赤外線吸収部１１から放射される放射熱量を考慮する必要がある。しかしながら、第１チャンバー１０内部に存在する気体の温度変化ΔＴ（ｔ）が小さい場合には、赤外線吸収部１１から放射される放射熱量は極めて小さくなるため、上記の式（１２）を導出する過程では、赤外線吸収部１１からの放射熱量を無視している。
【００２７】
（２）従来の赤外線検出センサ２００のリークモデルについて
図２は、図１に示す従来の赤外線検出センサ２００のリークモデルを示すブロック図である。
図２に示すように、第１チャンバー１０内部の気体の圧力をＰ１、第１チャンバー１０の容積（第１チャンバー１０内部の気体の体積）をＶ１とし、第２チャンバー２０内部の気体の圧力をＰ２、第２チャンバー２０の容積（第２チャンバー２０内部の気体の体積）をＶ２とし、第３チャンバー３０内部の気体の圧力をＰ３、第３チャンバー３０の容積（第３チャンバー３０内部の気体の体積）をＶ３とする。また、第１チャンバー１０から第２チャンバー２０への気体の流入量をＱ２ｉｎとし、第１チャンバー１０と第２チャンバー２０との間の排気コンダクタンスをＣ１とする。さらに、第２チャンバー２０から第３チャンバー３０への気体の流出量をＱ２ｏｕｔとし、第２チャンバー２０と第３チャンバー３０との間の排気コンダクタンスをＣ２とする。図２に示すリークモデルでは、初期状態（時間ｔ＝０）において、赤外線吸収部１１で変換された熱により圧力Ｐ１が増加する一方、圧力Ｐ２、Ｐ３は未だ大気圧（＝Ｐ）の状態であると仮定している。
【００２８】
図２に示すリークモデルにおいて、第１チャンバー１０から第２チャンバー２０への気体の流入量Ｑ２ｉｎと、第２チャンバー２０から第３チャンバー３０への気体の流出量Ｑ２ｏｕｔとは、それぞれ以下の式（１３）、式（１４）で求めることができる。
【数１３】
2011209114.tif 000015
【数１４】
2011209114.tif 000016
【００２９】
また、第２チャンバー２０への気体の流入量Ｑ２ｉｎと、第２チャンバー２０からの気体の流出量Ｑ２ｏｕｔとの差は、以下の式（１５）でも表すことができる。
【数１５】
2011209114.tif 000017
【００３０】
式（１３）及び式（１４）を式（１５）に代入して整理すると、以下の式（１６）が成り立つ。
【数１６】
2011209114.tif 000018
【００３１】
ここで、Ｐ２（ｔ）＝α’−β’ｅｘｐ（−ｂｔ）とおくと、
Ｐ２の初期値であるＰ２（０）＝α’−β’＝Ｐ２ｉｎｉｔ＝Ｐ、
Ｐ２の最終値であるＰ２（∞）＝α’＝Ｐ２ｆｉｎ
となる。
従って、β’＝α’−Ｐ＝Ｐ２ｆｉｎ−Ｐとなる。
よって、以下の式（１７）が成り立つ。
【数１７】
2011209114.tif 000019
式（１７）をｔについて微分すると、以下の式（１８）が求まる。
【数１８】
2011209114.tif 000020
【００３２】
式（１８）を式（１６）に代入すると、以下の式（１９）が成り立つ。
【数１９】
2011209114.tif 000021
【００３３】
式（１９）において、ｔ＝０のとき、Ｐ１（０）＝Ｐ１ｉｎｉｔ、Ｐ２（０）＝Ｐ、Ｐ３（０）＝Ｐ３ｉｎｉｔ＝Ｐであるため、
Ｐ＝（Ｃ１Ｐ１ｉｎｉｔ＋Ｃ２Ｐ）／（Ｃ１＋Ｃ２）−Ｖ２ｂ（Ｐ２ｆｉｎ−Ｐ）／（Ｃ１＋Ｃ２）となり、以下の式（２０）が成り立つ。
【数２０】
2011209114.tif 000022
従って、第２チャンバー２０内部の気体の圧力Ｐ２の時定数は、Ｖ２（Ｐ２ｆｉｎ−Ｐ）／（Ｃ１（Ｐ１ｉｎｉｔ−Ｐ））となる。
【００３４】
一方、前述した式（１４）で表される第２チャンバー２０から第３チャンバー３０への気体の流出量Ｑ２ｏｕｔは、以下の式（２１）で表すことができる。
【数２１】
2011209114.tif 000023
式（２１）より、以下の式（２２）が成り立つ。
【数２２】
2011209114.tif 000024
【００３５】
ここで、第３チャンバー３０の内部の気体の圧力Ｐ３についても、前述した第２チャンバー２０の内部の気体の圧力Ｐ２に関する式（１７）と同様の導出過程により、以下の式（２３）が成り立つ。
【数２３】
2011209114.tif 000025
なお、式（２３）のＰ３ｆｉｎは、Ｐ３の最終値Ｐ３（∞）を意味する。
式（２２）の右辺に式（２３）を代入すると、以下の式（２４）が成り立つ。
【数２４】
2011209114.tif 000026
【００３６】
ここで、Ｐ２が増加し、Ｐ３が初期値（大気圧Ｐ）から変化していない微小時間ｄｔ後を考えると、式（２４）にｔ＝ｄｔを代入することにより、Ｐ＝Ｐ２（ｄｔ）−Ｖ３ｃ（Ｐ３ｆｉｎ−Ｐ）／Ｃ２が成り立ち、ｃは以下の式（２５）で表される。
【数２５】
2011209114.tif 000027
従って、第３チャンバー３０内部の気体の圧力Ｐ３の時定数は、Ｖ３（Ｐ３ｆｉｎ−Ｐ）／（Ｃ２（Ｐ２（ｄｔ）−Ｐ））となる。
【００３７】
片持ち梁部材４１に作用する上向きの圧力は、圧力Ｐ２と圧力Ｐ３との差圧になるため、片持ち梁部材４１に上向きの力を作用させるには、圧力Ｐ２の時定数が圧力Ｐ３の時定数よりも小さくなる必要がある。
すなわち、以下の式（２６）が成り立つことが必要である。
【数２６】
2011209114.tif 000028
【００３８】
式（２６）において、Ｐ２ｆｉｎ＝Ｐ３ｆｉｎであるため、以下の式（２７）が成り立つ。
【数２７】
2011209114.tif 000029
また、式（２７）において、Ｐ２（ｄｔ）≦Ｐ１ｉｎｉｔであるため、（Ｐ２（ｄｔ）−Ｐ）／（Ｐ１ｉｎｉｔ−Ｐ）≦１となり、以下の式（２８）が成り立つ。
【数２８】
2011209114.tif 000030
【００３９】
ここで、図１に示す赤外線検出センサ２００の構成では、第１チャンバー１０と第２チャンバー２０との間の排気コンダクタンスＣ１＜＜第２チャンバー２０と第３チャンバー３０との間の排気コンダクタンスＣ２とならざるを得ない。排気コンダクタンスＣ１が小さくならざるを得ないのは、片持ち梁部材４１の撓み量を検出するために電極２１、４２間の静電容量を計測する関係上、第２チャンバー２０の底面と片持ち梁部材４１との上下方向の隙間を小さくせざるを得ないからである。また、片持ち梁部材４１の支持部４１Ａが、後述する製作工程（図３（ｃ）参照）における加工上の制約から、水平方向に所定の長さを有しなければならないからである。
【００４０】
上記のようにＣ１＜＜Ｃ２であるため、片持ち梁部材４１に上向きの力を作用させるには、式（２８）より、第３チャンバー３０の容積Ｖ３を第２チャンバー２０の容積Ｖ２に対して大きく設計する必要がある。第３チャンバー３０の容積Ｖ３を大きくすると、後述する赤外線検出センサ２００の製作工程上、第１チャンバー１０の容積Ｖ１（具体的には、第１チャンバー１０内部の高さＬ）も大きくせざるを得ない。第１チャンバー１０内部の高さＬが大きくなれば、前述した式（１２）から明らかなように、第１チャンバー１０内部の気体の熱時定数τが大きくなる。従って、第１チャンバー１０内部の気体の熱時定数τが第２チャンバー２０内部の気体の圧力Ｐ２の時定数よりも小さくなるように設計することが極めて困難である。
【００４１】
（３）従来の赤外線検出センサ２００の製作工程について
以下、図３〜図５を適宜参照しつつ、従来の赤外線検出センサ２００の製作工程について説明する。
図３〜図５は、従来の赤外線検出センサ２００の製作工程を模式的に示す断面図である。図３は、従来の赤外線検出センサ２００の製作工程のうち、片持ち梁部材４１を具備する片持ち梁層２００Ａを製作する片持ち梁層製作工程を示す。図４は、従来の赤外線検出センサ２００の製作工程のうち、赤外線吸収部１１を具備する赤外線吸収層２００Ｂを製作する赤外線吸収層製作工程を示す。図５は、従来の赤外線検出センサ２００の製作工程のうち、片持ち梁層２００Ａ、赤外線吸収層２００Ｂ及びＩＣ基板２００Ｄを接合して赤外線検出センサ２００を製作する接合工程を示す。
【００４２】
（３−１）片持ち梁層製作工程
図３（ａ）に示すように、本製作工程においては、Ｓｉ基板１、ＳｉＯ２犠牲層２及びＳｉ活性層３が積層されたＳＯＩウェハを用意する。そして、まず初めに、図３（ｂ）に示すように、このＳＯＩウェハのＳｉ活性層３の適宜の箇所をエッチングすることにより、片持ち梁部材４１に相当する部位を製作する。次に、図３（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板１の適宜の箇所（片持ち梁部材４１が撓む箇所等）をエッチングし、更に、図３（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２犠牲層２の適宜の箇所をエッチングして、片持ち梁部材４１を自立させる。その後、図３（ｄ）に示すように、片持ち梁部材４１の片方の面に電極４２を形成する。以上のようにして、片持ち梁層２００Ａが製作される。
【００４３】
（３−２）赤外線吸収層製作工程
図４（ａ）に示すように、本製作工程においては、上下面にＳｉＯ２膜４、６を形成したＳｉ基板５を用意する。そして、まず初めに、図４（ｂ）に示すように、一方のＳｉＯ２膜６上に赤外線吸収部１１を形成し、ＳｉＯ２膜６をエッチングして赤外線吸収部１１を支持する支持部１２を形成する。また、他方のＳｉＯ２膜４もエッチングにより除去する。次に、図４（ｃ）に示すように、ＳｉＯ２膜４を除去したＳｉ基板５の下面であって、上方に赤外線吸収部１１が形成されてない箇所に、赤外線ＩＲを透過させない遮光膜（Ａｕ膜）７を形成する。次に、図４（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２膜６の適宜の箇所に接着層８を形成する。最後に、図４（ｅ）に示すように、赤外線吸収部１１近傍のＳｉ基板５をエッチングして、赤外線吸収部１１を自立させる。以上のようにして、赤外線吸収層２００Ｂが製作される。
【００４４】
（３−３）接合工程
図５に示すように、本製作工程においては、前述のようにしてそれぞれ製作した、片持ち梁層２００ＡのＳｉ基板１と、赤外線吸収層２００Ｂの接着層８とを対向させて、両者を接合し、接合体２００Ｃを製作する。さらに、予め電極２１や接着層９が形成されたＩＣ基板２００Ｄと、上記の接合体２００Ｃとを接合することにより、赤外線検出センサ２００が製作される。
【００４５】
図５に示すように、従来の赤外線検出センサ２００の製作工程においては、前述のようにしてそれぞれ製作した、片持ち梁層２００Ａと赤外線吸収層２００Ｂとを上下に積層することで、第３チャンバー３０及び底面を除く第１チャンバー１０が形成され、更にＩＣ基板２００Ｄを積層することで、第１チャンバー１０の底面が形成される。この第１チャンバー１０及び第３チャンバー３０の内部の高さは、双方共に、片持ち梁層２００ＡのＳｉ基板１の厚み（高さ）に依存する。このため、第３チャンバー３０の容積Ｖ３を大きくする（Ｓｉ基板１の厚み（高さ）を大きくする）と、これに応じて、第１チャンバー１０の容積Ｖ１（第１チャンバー１０の内部の高さＬ）も大きくせざるを得ない。従って、前述のように、従来の赤外線検出センサ２００では、第１チャンバー１０内部の気体の熱時定数τが大きくなり、第１チャンバー１０内部の気体の熱時定数τが第２チャンバー２０内部の気体の圧力Ｐ２の時定数よりも小さくなるように設計することが極めて困難である。
【００４６】
＜２．本発明の一実施形態に係る赤外線検出センサ＞
次に、本発明の一実施形態に係る赤外線検出センサについて説明する。
（１）赤外線検出センサの構成について
図６は、本発明の一実施形態に係る赤外線検出センサを模式的に示す断面図である。図６（ａ）は正面視断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の矢視ＡＡ断面図である。
図６に示すように、本実施形態に係る赤外線検出センサ１００は、内部に気体が存在する第１チャンバー１０と、第１チャンバー１０の下方に位置し、第１チャンバー１０と連通し、内部に気体が存在する第２チャンバー２０と、第１チャンバー１０内に配置され、第１チャンバー１０の外部（上方）から第１チャンバー１０の内部に入射した赤外線ＩＲを吸収して熱に変換する赤外線吸収部１１と、第１チャンバー１０と第２チャンバー２０との連通部４０に配置され、上下方向に撓むことが可能な片持ち梁部材４１とを備えている。赤外線吸収部１１を形成する材料としては、ブラックマトリックス用感光材料や、カーボンナノチューブなどのカーボン系材料を例示できる。
また、本実施形態に係る赤外線検出センサ１００が備える第２チャンバー２０は、第２チャンバー２０の内部を第１チャンバー１０以外の外部と連通させるためのリーク部５０を具備している。
さらに、本実施形態に係る赤外線検出センサ１００において、片持ち梁部材４１に対向する第２チャンバー２０の底面の所定部位に電極２１が配置されている。なお、本実施形態の片持ち梁部材４１は、不純物を高濃度ドープすることで抵抗率を低下させており、これにより、電極としての機能も奏する。図１に示す従来の赤外線検出センサ２００のように電極２１に対向する電極４２を片持ち梁部材４１の底面に設けないため、片持ち梁部材４１のばね定数が変化したり、電極４２による膜応力によって片持ち梁部材４１が撓むといった問題が生じない点で有利である。
【００４７】
上記構成の赤外線検出センサ１００において、赤外線吸収部１１が赤外線ＩＲを吸収してこれを熱に変換すると、この熱により第１チャンバー１０内部に存在する気体が昇温し、該気体の圧力が上昇する。第１チャンバー１０内部に存在する気体の圧力が上昇すると、片持ち梁部材４１を第２チャンバー２０に向けて押圧する下向きの力が作用することになる。この下向きの力によって片持ち梁部材４１は撓み、その撓み量は赤外線吸収部１１の赤外線吸収量に応じて変化する。このため、片持ち梁部材の撓み量を電極２１と片持ち梁部材４１との間の静電容量を計測することによって検出すれば、第１チャンバー１０内部に入射した赤外線ＩＲを検出すること（赤外線ＩＲが赤外線吸収部１１に吸収されたか否かや、赤外線吸収部１１での赤外線ＩＲの吸収量を検出すること等）が可能である。
【００４８】
（２）赤外線検出センサ１００の製作工程について
以下、図７〜図９を適宜参照しつつ、本実施形態に係る赤外線検出センサ１００の製作工程について説明する。
図７〜図９は、赤外線検出センサ１００の製作工程を模式的に示す断面図である。図７は、赤外線検出センサ１００の製作工程のうち、片持ち梁部材４１を具備する片持ち梁層１００Ａを製作する片持ち梁層製作工程を示す。図８は、赤外線検出センサ１００の製作工程のうち、赤外線吸収部１１を具備する赤外線吸収層１００Ｂを製作する赤外線吸収層製作工程を示す。図９は、赤外線検出センサ１００の製作工程のうち、片持ち梁層１００Ａ、赤外線吸収層１００Ｂ及びＩＣ基板１００Ｄを接合して赤外線検出センサ１００を製作する接合工程を示す。
【００４９】
（２−１）片持ち梁層製作工程
図７（ａ）に示すように、本製作工程においては、Ｓｉ基板１、ＳｉＯ２犠牲層２及びＳｉ活性層３が積層されたＳＯＩウェハを用意する。そして、図７（ｂ）に示すように、このＳＯＩウェハのＳｉ活性層３の適宜の箇所をエッチングすることにより、片持ち梁部材４１に相当する部位を製作する。以上のようにして、片持ち梁層１００Ａが製作される。
【００５０】
（２−２）赤外線吸収層製作工程
図８（ａ）に示すように、本製作工程においては、上下面にＳｉＯ２膜４、６を形成したＳｉ基板５を用意する。そして、まず初めに、図８（ｂ）に示すように、一方のＳｉＯ２膜６上に赤外線吸収部１１を形成し、ＳｉＯ２膜６をエッチングして赤外線吸収部１１を支持する支持部１２を形成する。また、他方のＳｉＯ２膜４もエッチングにより除去する。次に、図８（ｃ）に示すように、ＳｉＯ２膜４を除去したＳｉ基板５の下面であって、上方に赤外線吸収部１１が形成されてない箇所に、赤外線ＩＲを透過させない遮光膜（Ａｕ膜）７を形成する。次に、図８（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２膜６の適宜の箇所に接着層８を形成する。最後に、図８（ｅ）に示すように、赤外線吸収部１１近傍のＳｉ基板５をエッチングして、赤外線吸収部１１を自立させる。以上のようにして、赤外線吸収層１００Ｂが製作される。
【００５１】
（２−３）接合工程
図９に示すように、本製作工程においては、前述のようにしてそれぞれ製作した、片持ち梁層１００ＡのＳｉ活性層３と、赤外線吸収層１００Ｂの接着層８とを対向させて、両者を接合し、接合体１００Ｃを製作する。次に、接合体１００ＣのＳｉ基板１及びＳｉＯ２犠牲層２をエッチングして、片持ち梁部材４１を自立させる。さらに、予め電極２１や接着層９やリーク部５０が形成されたＩＣ基板１００Ｄと、上記の接合体１００Ｃとを接合することにより、赤外線検出センサ１００が製作される。
【００５２】
図９に示すように、本実施形態の赤外線検出センサ１００の製作工程においては、前述のようにしてそれぞれ製作した、片持ち梁層１００Ａと赤外線吸収層１００Ｂとを上下に積層することで、第１チャンバー１０が形成され、更にＩＣ基板１００Ｄを積層することで、第１チャンバー１０の下方に第２チャンバー２０が形成される。換言すれば、第１チャンバー１０の容積Ｖ１と第２チャンバー２０の容積Ｖ２とは独立別個に設計でき、第１チャンバー１０の容積Ｖ１を小さくするには、赤外線吸収層１００Ｂの厚みを小さく設計すれば良い。本実施形態の赤外線検出センサ１００では、第１チャンバー１０内部の気体の熱時定数τが、後述する第２チャンバー２０内部の気体の圧力Ｐ２の時定数よりも小さくなるように、赤外線吸収層１００Ｂの厚みを設計（第１チャンバー１０の容積Ｖ１を設計）することが可能である。
【００５３】
（３）赤外線検出センサ１００のリークモデルについて
図１０は、図６に示す赤外線検出センサ１００のリークモデルを示すブロック図である。
図１０に示すように、第１チャンバー１０内部の気体の圧力をＰ１、第１チャンバー１０の容積（第１チャンバー１０内部の気体の体積）をＶ１とし、第２チャンバー２０内部の気体の圧力をＰ２、第２チャンバー２０の容積（第２チャンバー２０内部の気体の体積）をＶ２とする。また、第１チャンバー１０から第２チャンバー２０への気体の流入量をＱｉｎとし、第１チャンバー１０と第２チャンバー２０との間の排気コンダクタンスをＣ１とする。また、第２チャンバー２０からリーク部５０を介した外部への気体の流出量をＱｏｕｔとし、第２チャンバー２０と外部との間の排気コンダクタンス（リーク部５０の排気コンダクタンス）をＣ２とする。さらに、第２チャンバー２０への気体の流入量Ｑｉｎと、第２チャンバー２０から外部への気体の流出量Ｑｏｕｔとが等しくなる（平衡状態になる）時間ｔをｔｅとする。なお、図１０に示すリークモデルでは、初期状態（時間ｔ＝０）において、赤外線吸収部１１で変換された熱により圧力Ｐ１が増加する一方、圧力Ｐ２は未だ大気圧（＝Ｐ）の状態であると仮定している。
【００５４】
図１０に示すリークモデルにおいて、第１チャンバー１０から第２チャンバー２０への気体の流入量Ｑｉｎと、第２チャンバー２０から外部への気体の流出量Ｑｏｕｔとは、それぞれ以下の式（２９）、式（３０）で求めることができる。
【数２９】
2011209114.tif 000031
【数３０】
2011209114.tif 000032
【００５５】
また、第２チャンバー２０への気体の流入量Ｑｉｎと、第２チャンバー２０からの気体の流出量Ｑｏｕｔとの差は、以下の式（３１）でも表すことができる。
【数３１】
2011209114.tif 000033
【００５６】
式（２９）及び式（３０）を式（３１）に代入して整理すると、以下の式（３２）が成り立つ。
【数３２】
2011209114.tif 000034
【００５７】
ここで、前述した式（１７）と同様の導出過程（ただし、式（１７）の導出過程と異なり、ここではＰ２の最終値をＰ２（ｔｅ）としている）により、以下の式（３３）が成り立つ。
【数３３】
2011209114.tif 000035
式（３３）をｔについて微分すると、以下の式（３４）が求まる。
【数３４】
2011209114.tif 000036
【００５８】
式（３４）を式（３２）に代入すると、以下の式（３５）が成り立つ。
【数３５】
2011209114.tif 000037
【００５９】
式（３５）において、ｔ＝０のとき、Ｐ１（０）＝Ｐ１ｉｎｉｔ、Ｐ２（０）＝Ｐであるため、
Ｐ＝（Ｃ１Ｐ１ｉｎｉｔ＋Ｃ２Ｐ）／（Ｃ１＋Ｃ２）−Ｖ２ｇ（Ｐ２（ｔｅ）−Ｐ）／（Ｃ１＋Ｃ２）となり、以下の式（３６）が成り立つ。
【数３６】
2011209114.tif 000038
【００６０】
ここで、ｔ＝ｔｅの平衡状態では、第２チャンバー２０への気体の流入量Ｑｉｎと、第２チャンバー２０から外部への気体の流出量Ｑｏｕｔとが等しくなるため、Ｑｉｎ（ｔｅ）−Ｑｏｕｔ（ｔｅ）＝０が成り立つ。従って、前述した式（２９）及び式（３０）より、Ｃ１（Ｐ１（ｔｅ）−Ｐ２（ｔｅ））−Ｃ２（Ｐ２（ｔｅ）−Ｐ）＝０となり、以下の式（３７）が成り立つ。
【数３７】
2011209114.tif 000039
【００６１】
式（３７）を式（３６）に代入して整理すると、以下の式（３８）が成り立つ。
【数３８】
2011209114.tif 000040
さらに、式（３７）及び式（３８）を式（３３）に代入すると、以下の式（３９）が成り立つ。
【数３９】
2011209114.tif 000041
【００６２】
平衡状態における第１チャンバー１０内部の気体の圧力Ｐ１と第２チャンバー２０内部の気体の圧力Ｐ２との差は、式（３７）より、以下の式（４０）で表される。
【数４０】
2011209114.tif 000042
【００６３】
ここで、リーク部５０からの気体の流出に起因した第１チャンバー１０内部の気体の圧力Ｐ１の変化量が十分小さい時には、平衡状態における圧力Ｐ１（ｔｅ）は、第１チャンバー１０内部の気体の圧力の初期値Ｐ１ｉｎｉｔと、第２チャンバー２０内部の気体の圧力の初期値Ｐとの分圧で表すことができる。つまり、Ｐ１（ｔｅ）は、以下の式（４１）で表すことができる。
【数４１】
2011209114.tif 000043
式（４１）より、Ｐ１（ｔｅ）＞Ｐであることは明らかである。従って、式（４０）におけるＰ１（ｔｅ）−Ｐ＞０である。このため、式（４０）より、第１チャンバー１０と第２チャンバー２０との間の排気コンダクタンスＣ１＞＞リーク部５０の排気コンダクタンスＣ２でない限り、Ｐ１（ｔｅ）＞Ｐ２（ｔｅ）とすることができ、平衡状態において、片持ち梁部材４１に下向きの力を作用させることができる。リーク部５０の排気コンダクタンスは、前述した従来の赤外線検出センサ２００の第１チャンバー１０と第２チャンバー２０との間の排気コンダクタンスと異なり、小さくせざるを得ないという制約がない。このため、リーク部５０の排気コンダクタンスを適切に設計することで、片持ち梁部材４１に十分な下向きの力を作用させることができ、精度良く赤外線を検出することが可能である。
【００６４】
例えば、Ｃ１＝Ｃ２となるように設計すれば、平衡状態におけるＰ１とＰ２との差は、式（４１）で表されるＰ１（ｔｅ）と大気圧Ｐとの差の１／２になり、Ｐ２の時定数は、式（３９）より、Ｖ２（Ｐ１（ｔｅ）−Ｐ）／｛（Ｃ１＋Ｃ２）（Ｐ１ｉｎｉｔ−Ｐ）｝となる。
【００６５】
以上に説明した本実施形態に係る赤外線検出センサ１００について、実現可能と考えられる各構成要素の寸法等を入力して数値計算を行ったところ、第１チャンバー１０内部に存在する気体の熱時定数τ＝Ｃ／Ｇ’＝１．９６μｓｅｃ、第２チャンバー２０内部の気体の圧力Ｐ２の時定数Ｖ２（Ｐ１（ｔｅ）−Ｐ）／｛（Ｃ１＋Ｃ２）（Ｐ１ｉｎｉｔ−Ｐ）｝＝３．５６μｓｅｃとなる計算結果が得られた。すなわち、本実施形態に係る赤外線検出センサ１００によれば、第１チャンバー１０内部の気体の熱時定数が第２チャンバー２０内部の気体の圧力の時定数よりも小さくなるように設計できることを確認できた。
【符号の説明】
【００６６】
７・・・遮光膜
１０・・・第１チャンバー
１１・・・赤外線吸収部
２０・・・第２チャンバー
２１・・・電極
４０・・・連通部
４１・・・片持ち梁部材
５０・・・リーク部
１００・・・赤外線検出センサ  
ＩＲ・・・赤外線
【図１】
2011209114.tif 000044
【図２】
2011209114.tif 000045
【図３】
2011209114.tif 000046
【図４】
2011209114.tif 000047
【図５】
2011209114.tif 000048
【図７】
2011209114.tif 000049
【図１０】
2011209114.tif 000050
【図６】
2011209114.tif 000051
【図８】
2011209114.tif 000052
【図９】
2011209114.tif 000053