(57)【要約】  波長λＡの電磁波を選択的に検出する電磁波検出器が、中空部を有する基板と、所定の波長λＡの電磁波と表面プラズモン共鳴を生じ、これを熱に変換して吸収する波長選択構造と、吸収された熱を検出する検知膜と、を含む温度検知部と、温度検知部を中空部の上に保持する支持構造と、を含み、支持構造は、更に、支持構造が有する吸収波長の電磁波を反射する反射構造を備える。
2016167052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λＡの電磁波を選択的に検出する電磁波検出器であって、
中空部を有する基板と、
所定の波長λＡの電磁波と表面プラズモン共鳴を生じ、これを熱に変換して吸収する波長選択構造と、吸収された熱を検出する検知膜と、を含む温度検知部と、
該温度検知部を該中空部の上に保持する支持構造と、を含み、
該支持構造は、更に、該支持構造が有する吸収波長の電磁波を反射する反射構造を備えることを特徴とする電磁波検出器。
【請求項２】
上記支持構造は、絶縁体層を含む支持脚からなり、該支持脚は、該絶縁体層が有する吸収波長の電磁波を反射する反射構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
【請求項３】
上記支持構造は、上記基板の上に設けられたメンブレンからなり、該メンブレンは、該メンブレンが有する吸収波長の電磁波を反射する反射構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
【請求項４】
上記メンブレンの上に、絶縁体層を含む支持脚が設けられ、該支持脚は、更に、該絶縁体層が有する吸収波長の電磁波を反射する反射構造を備えることを特徴とする請求項３に記載の電磁波検出器。
【請求項５】
上記反射構造は、上記支持脚の絶縁体層の表側に、該絶縁体層の吸収波長の電磁波が表面プラズモン共鳴するように配置された複数の金属パターンであることを特徴とする請求項２または４に記載の電磁波検出器。
【請求項６】
上記反射構造は、上記支持脚の絶縁体層と、該絶縁体層の表側に配置された複数の金属パターンと、該絶縁体層の裏側に配置された金属層とを含むＭＩＭ構造であり、該絶縁体層の吸収波長の電磁波が表面プラズモン共鳴することを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
【請求項７】
上記反射構造は、上記メンブレンの表側に、該メンブレンの吸収波長の電磁波が表面プラズモン共鳴するように配置された複数の金属パターンであることを特徴とする請求項３に記載の電磁波検出器。
【請求項８】
上記反射構造は、上記メンブレンと、該メンブレンの表側に配置された複数の金属パターンと、該メンブレンの裏側に配置された金属層とを含むＭＩＭ構造であり、該メンブレンの吸収波長の電磁波が表面プラズモン共鳴することを特徴とする請求項３に記載の電磁波検出器。
【請求項９】
上記波長選択構造は、表面に周期的な凹部または凸部を有する金属層を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１０】
上記波長選択構造は、絶縁体、半導体、または誘電体からなる中間層と、該中間層の表側に設けられた周期的な金属パターンと、該中間層の裏側に設けられた金属層と、を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１１】
上記金属パターンの水平断面は、円形、正方形、長方形、楕円形、および多角形からなる組から選択される形状であることを特徴とする請求項５、６、９および１０のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１２】
上記金属パターンは、金、銀、アルミニウム、およびグラフェンからなる組から選択される材料からなることを特徴とする請求項５、６、９および１０のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の電磁波検出器が、１次元または２次元に配置されたことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
【請求項１４】
少なくとも２つの上記電磁気検出器は、互いに異なる波長の電磁波を選択的に検出する電磁波検出器であることを特徴とする請求項１３に記載の電磁波検出器アレイ。
【請求項１５】
ガスにより吸収された波長を検出してガスを特定するガス分析装置であって、
電磁波を照射する光源と、
分析対象のガスを保持する容器と、
電磁波を受光する少なくとも１つの電磁波検出器を含み、
該光源から照射した電磁波は、該容器中のガスを透過した後に該電磁波検出器で検出されることを特徴とするガス分析装置。
【請求項１６】
上記電磁波検出器は、１次元または２次元に配置された複数の電磁波検出器であることを特徴とする請求項１５に記載のガス分析装置。
【請求項１７】
上記分析対象のガスがアルコールを含み、該ガス中のアルコール濃度を検出することを特徴とする請求項１５または１６に記載のガス分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波検出器、電磁波検出器アレイ、およびガス分析装置に関し、特に、特定波長の電磁波を選択的に熱に変換して検出する電磁波検出器、電磁波検出器アレイ、およびガス分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空調機器のような家電製品では、省エネルギー運転や快適な温度制御を実現するために、人体の位置や室内の温度分布を検知する高感度で簡便な電磁波検出器が必要とされる。このような電磁波検出器としては、特に赤外線の検出用として、入射した赤外線を吸収して熱に変換し、熱を電気信号に変換して検知する、熱型赤外線センサあるいは非冷却赤外線センサと呼ばれる赤外線センサが使用されている。熱型赤外線センサでは、支持脚を用いて赤外線吸収部を中空に保持することで、赤外線吸収部の熱絶縁性を向上させ、電磁波吸収部の温度変化を高精度に読み出す構造が用いられている。【０００３】
例えば、熱電対を用いるサーモパイル型赤外線センサでは、熱電対の温接点が中空部の上方に配置され、一方、熱電対の冷接点が中空部を囲む枠体上に配置される。そして、温接点と冷接点との温度差により発生する熱起電力から温接点の温度が検出される。このサーモパイル型赤外線センサでは、温接点の熱容量の低減、温接点から冷接点への熱伝導性の低減、電磁波吸収膜の吸収を高めるなどにより、高感度化が図られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７２７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の電磁波検出器では、検出する赤外線の波長を選択する場合、赤外線吸収部（温度センサ部）に、所定の波長域の赤外線のみを選択的に吸収する赤外線吸収膜を形成することにより、電磁波検出器の検出波長に選択性を持たせている。しかしながら、赤外線の吸収は、赤外線吸収部を中空部の上に保持する支持構造、例えば支持脚（例えば、支持脚を形成する絶縁膜、配線、および熱電対）でも生じる。この支持脚での非選択的な赤外線の吸収により、電磁波検出器の波長選択性が低下するという問題があった。【０００６】
そこで、本発明は、支持脚等での非選択的な電磁波の吸収を防止し、検出波長域の選択性が高い電磁波検出器の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの形態は、
波長λＡの電磁波を選択的に検出する電磁波検出器であって、
中空部を有する基板と、
所定の波長λＡの電磁波と表面プラズモン共鳴を生じ、これを熱に変換して吸収する波長選択構造と、吸収された熱を検出する検知膜と、を含む温度検知部と、
温度検知部を中空部の上に保持する支持構造と、を含み、
支持構造は、更に、支持構造が有する吸収波長の電磁波を反射する反射構造を備えることを特徴とする電磁波検出器である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかる電磁波検出器では、所定の波長の電磁波のみを高感度で検出できる電磁波検出器の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の上面図である。
【図２】図１の電磁波検出器をＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の波長選択構造の上面図である。
【図４】図３の波長選択構造をＩＩＩ−ＩＩＩ方向に見た場合の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる他の波長選択構造の上面図である。
【図６】図５の波長選択構造をＶ−Ｖ方向に見た場合の断面図である。
【図７】従来構造の支持脚を有する電磁波検出器の電磁波の吸収特性である。
【図８】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の上面図である。
【図９】図８の電磁波検出器の支持脚をＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ方向に見た場合の断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の支持脚の反射特性である。
【図１１】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の他の支持脚の断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２にかかるＭＩＭ構造の支持脚のプラズモン共鳴特性を示す。
【図１３】本発明の実施の形態２にかかるＭＩＭ構造の支持脚の吸収特性を示す。
【図１４】本発明の実施の形態３にかかる電磁波検出器の上面図である。
【図１５】図１４の電磁波検出器をＸＩＶ−ＸＩＶ方向に見た場合の断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態４にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。
【図１７】本発明の実施の形態５にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。
【図１８】本発明の実施の形態６にかかるガス分析装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態では、電磁波検出器について、検出光として赤外光（赤外線とも言う）を用いて説明するが、本発明にかかる電磁波検出器は、例えば紫外光、近赤外光、テラヘルツ（ＴＨｚ）波、マイクロ波などの赤外光以外の電磁波の検出にも有効である。なお、本発明の実施の形態では、これらの光や電波を総称して電磁波とも記載する。
【００１１】
金属表面と光との相互作用である表面プラズモン共鳴現象やプラズモン共鳴現象、可視光域以外や近赤外光域以外の光の金属表面における共鳴現象という意味での擬似表面プラズモン共鳴と呼ばれる現象、あるいは、波長以下の寸法の構造により、特定の波長を操作するという意味での、メタ表面、メタマテリアルやプラズモニックメタマテリアルと呼ばれる現象については、特にこれらの現象を名称により区別せず、現象が及ぼす効果の観点から同等のものとして扱う。本明細書中では、これらの共鳴を総称して、表面プラズモン共鳴、プラズモン共鳴、あるいは単に共鳴と呼ぶ。
【００１２】
なお、プラズモン共鳴を生じる材料としては、負の誘電率を有する金属、例えば金、銀、アルミニウム、銅などや、グラフェンが好ましい。また、本発明の実施の形態では、主にＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）ダイオード型の電磁波検出器について説明するが、本発明は、他の熱型赤外線センサ、例えばボロメータ型、サーモパイル型、焦電型のセンサにも適用可能である。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる熱型の電磁波検出器の上面図である。また、図２は、図１の電磁波検出器１００をＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図（吸収体等を含む）である。なお、図１では、通常は見えない検知膜５や薄膜金属配線６、７が見えるように記載されている。
【００１４】
図２に示すように、電磁波検出器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、中空部２の上には、温度検知部１０が支持脚３により支持されている。支持脚３は、ここでは２本であり、図１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となっているが、これに限定されるものではない。支持脚３は薄膜金属配線６とこれを支える誘電体層１６を含んでいる。薄膜金属配線６は、例えばチタンから形成され、誘電体層１６は、例えば酸化シリコンから形成される。
【００１５】
中空部２の周囲には、例えば酸化シリコンからなる誘電体層９が設けられ、誘電体層９の中には、アルミニウム配線７が設けられている。アルミニウム配線７は、検出回路（図示せず）に接続されている。
【００１６】
温度検知部１０は、例えば酸化シリコンからなる誘電体層４を含み、誘電体層４の中には、検知膜５と薄膜金属配線６が設けられている。検知膜５は、例えば結晶シリコンを用いたダイオードからなる。温度検知部１０は、更に、誘電体層４の上に波長選択構造８を含む。波長選択構造８は、金属からなり、表側に複数の凹部が設けられている。
【００１７】
図３は、波長選択構造８の上面図であり、図４は、図３の波長選択構造８をＩＩＩ−ＩＩＩ方向に見た場合の断面図である。図３、４に示すように、波長選択構造８は、金属層の表側に周期的に凹部または凸部を設けることで表面プラズモン共鳴を発生させ、特定の共鳴波長のみを熱に変換して吸収する構造となっている。具体的には、図３に示すように、周期的な凹部１１が、２次元方向に配置された構造を有する。ここでは、凹部１１が、３×３のマトリックス状に配置されているが、これに限定されるものではない。
【００１８】
波長選択構造８は、表面プラズモン共鳴が生じる金属から形成され、例えば、金、銀、アルミニウム、銅等からなる。波長選択構造８の膜厚は、選択的に吸収する赤外光の波長において、下方への染み出しが無い膜厚であれば良い。また、その膜厚を満足していれば、金属層の下部の層はプラズモン共鳴には影響を及ぼさないため、絶縁体層や半導体層であってもよい。
【００１９】
例えば、波長が１０μｍの赤外光を検出するには、凹部１１は、例えば、直径Ｗが６μｍ、深さＤが１．５μｍの円筒形からなり、配置される周期Ｐは、例えば１０μｍとなる。凹部１１のｘ−ｙ平面における断面（水平断面）は、図３では円形であるが、楕円形、正方形、長方形、多角形等であっても構わない。なお凹部１１の水平断面を楕円形や長方形とすることで、特定の偏光のみを吸収することが可能となる。また、凹部１１の周期Ｐは、選択的に吸収する電磁波の波長と一致することが好ましい。また、ここでは、凹部１１をマトリックス状（２次元）に配置したが、１次元に配置しても構わない。１次元に配置することで、特定の偏光のみを検出できる。
【００２０】
図５は、電磁波検出器１００に用いられる他の波長選択構造２８の上面図であり、図６は、図５の波長選択構造２８をＶ−Ｖ方向に見た場合の断面図である。波長選択構造２８では、金属層１４の上に中間層１３が設けられ、その上に金属パターン１２が設けられている。金属層１４は、例えばアルミニウム、金等からなり、中間層１３は、酸化シリコンなどの絶縁体または誘電体、あるいはシリコン、ゲルマニウム等の半導体からなる。中間層１３の材料を選択することにより、検出波長、検出波長の数、検出波長の帯域を制御できる。
【００２１】
金属パターン１２は、例えば、金、銀、アルミニウム等の金属に加えて、金属以外のグラフェンから形成しても良い。金属パターン１２をグラフェンから形成した場合、膜厚が１原子層まで薄くできるため、熱時定数を小さくでき、高速動作が可能となる。
【００２２】
金属パターン１２の大きさ（図５のｘ、ｙ方向の寸法）によりプラズモン共鳴を生じる波長を制御することができる。このため、金属パターン１２の大きさを変えることにより、吸収波長を選択できる。また、図５では、金属パターン１２が、所定の周期でマトリックス状（２次元）に配置されているが、１次元に配置しても良い。
【００２３】
なお、波長選択構造としては、これらの構造以外に、酸化シリコンや窒化シリコンからなる誘電体層を積層することにより、特定の波長のみを選択的に吸収する構造を用いても構わない。
【００２４】
支持脚３は、図２に示すように、例えば酸化シリコンの誘電体層１６からなり、その中に薄膜金属配線６が形成されている。薄膜金属配線６は、温度検知部１０の検知膜５とアルミニウム配線７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１００ｎｍのチタン合金からなる。検知膜５から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を通ってアルミニウム配線７に伝わり、検出回路（図示せず）により取り出される。薄膜金属配線６と検知膜５の間、および薄膜金属配線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）を介して行っても良い。
【００２５】
支持脚３が、従来構造のように、薄膜金属配線６と誘電体層１６からなる場合、赤外光は支持脚３にも入射するため、支持脚３の誘電体層１６で赤外光が吸収される。例えば、支持脚３の誘電体層１６が酸化シリコンや窒化シリコンから形成される場合、波長が１０μｍ近傍の赤外光が誘電体層１６により吸収される。
【００２６】
図７は、支持脚３が、従来構造のように、薄膜金属配線６と誘電体層１６からなる電磁波検出器の赤外光の吸収特性を示す。横軸が波長であり、縦軸が吸収率である。波長λＡ近傍の赤外光が温度検知部１０の波長選択構造８により吸収される一方、通常、誘電体層１６は赤外波長域において吸収波長（波長λＬとする）をもつため、近傍の赤外光が支持脚３に吸収される。例えば誘電体層１６が酸化シリコンの場合は１０μｍ付近の赤外光が吸収される。この結果、検出波長の選択性が低下し、波長λＡの赤外光の検出感度が低下するという問題が発生する。
【００２７】
これに対して、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００では、上述のように、支持脚３が、更に、反射構造を有する。図８は、電磁波検出器１００の、温度検知部１０および支持脚３の上面図であり、図９は、図８の支持脚３をＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ方向に見た場合の断面図（薄膜金属配線６は省略）である。
【００２８】
反射構造は、例えば、図９に示すような、誘電体層１６の表側に形成された金属パターン（パッチ）１５からなる。金属パターン１５は、その周期、大きさ、間隔に応じて特定の波長λｐにおいて表面プラズモン共鳴が生じる。この表面プラズモン共鳴は、共鳴波長の反射を強化する。また、金属パターン１５の膜厚は、赤外波長域に対しては、５０ｎｍ程度の薄膜で反射特性が得られる。なお、表側は、赤外光が入射する側をいい、裏側は、それに対向する側をいう。
【００２９】
図１０は、金属パターン１５を備えた反射構造を有する支持脚３による赤外光の反射特性を示す。横軸が波長であり、縦軸が反射率である。図１０では、波長λｐ近傍の赤外光が選択的に反射されている。反射される波長λｐは、金属パターン１５の周期、大きさ、間隔を変えることにより、所望の波長に設定できる。金属パターン１５の水平断面は、例えば円形、正方形、長方形、楕円形、その他の多角形等でもよい。これらの形状を変えることによっても、反射できる波長を選択できる。なお、長方形や楕円形などの形状を用いることにより、反射光に偏光選択性を持たせることもできる。
【００３０】
例えば、金属パターン１５の形状を、水平断面の一辺が２μｍの正方形とし、これを３μｍの周期で２列に配置し、金属パターン１５の材料として金を用いた場合、１０μｍ付近の波長を有する赤外光に対して強いプラズモン共鳴を生じる。この結果、１０μｍ付近の赤外光の反射率が選択的に増大する（反射波長λｐ＝１０μｍ）。
【００３１】
上述のように、酸化シリコンからなる支持脚３の誘電体層１６では、吸収波長が１０μｍ近傍となる（吸収波長λＬ＝１０μｍ）。従って、本発明の実施に形態１にかかる電磁波検出器１００のように、支持脚３が、１０μｍ近傍の赤外光を反射する反射構造（反射波長λｐ＝１０μｍ）を有することにより、１０μｍ近傍の赤外光が反射構造で反射され、誘電体層１６には入射しなくなり、吸収も発生しなくなる。つまり、反射波長λｐ＝吸収波長λＬとなるように反射構造を設けることにより、検出波長の選択性が向上し、波長λＡの赤外光を高感度で検出可能となる。
【００３２】
なお、金属パターン１５は、誘電体層１６の上に不連続に配置されるため、支持脚３の熱的な絶縁性を低下させない。つまり、支持脚３の熱コンダクタンスを増大させず、この結果、電磁波検出器１００の応答速度は低下しない。
【００３３】
特に、従来は、支持脚３での赤外光の吸収は考慮されていなかったため、反射構造を用いて支持脚３での赤外光の吸収を防止することで、支持脚３の熱コンダクタンスを小さくし、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。
【００３４】
実施の形態２．
図１１は、本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器に含まれる支持脚３の、図８のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩと同じ方向に見た場合の断面図（薄膜金属配線６は省略）である。支持脚３の構造以外は、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と同じである。
【００３５】
図１１に示すように、本実施の形態２の支持脚３では、実施の形態１と同様に誘電体層１６の表側に金属パターン１５が設けられるとともに、誘電体層１６の裏側に金属層１７が設けられ、３層のＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）構造を形成している。そして、このＭＩＭ構造でプラズモン共鳴が発生する。
【００３６】
金属層１７は、金属パターン１５と同様に、金、銀、アルミニウム等の反射率の高い金属材料からなる。金属層１７の膜厚は、ＭＩＭ構造でプラズモン共鳴が発生する赤外光の波長において、赤外光が透過しない膜厚であればよい。
【００３７】
一般的に、このようなＭＩＭ構造では、金属パターン１５の配置（例えば大きさ、周期、厚さ等）に依存して、特定の波長の赤外光でプラズモン共鳴が生じ、その共鳴波長の赤外光が吸収される。しかしながら、金属パターン１５と金属に挟まれた誘電体層１６が赤外光を吸収する場合、その吸収波長においてはプラズモン共鳴による吸収が生じることなく、強く反射される。
【００３８】
図１２は、ＭＩＭ構造の支持脚において、金属パターン１５の水平断面を、一辺の長さがｗの正方形とした場合の、一辺の長さｗと共鳴波長λｐとの関係を示す。縦軸は共鳴波長λｐであり、横軸は金属パターン１５の一辺の長さｗである。また、図１３は、ＭＩＭ構造の支持脚における、吸収波長とプラズモン共鳴波長λｐの関係を示す。縦軸は吸収率であり、横軸はプラズモン共鳴波長である。
【００３９】
図１２に示すように、金属パターン１５の一辺の長さｗが大きくなるほど、プラズモン共鳴の共鳴波長λｐは長くなる。そして、誘電体層１６の有する吸収波長λＬに近づくと共鳴波長の増加率は減少し、共鳴波長λｐ＝吸収波長λＬとなった時点でプラズモン共鳴が発生しなくなる。
【００４０】
即ち、図１３に示すように、金属パターン１５の一辺の長さｗを調整して、共鳴波長λｐを誘電体層１６の有する吸収波長λＬと等しくすることにより、支持脚３での吸収率を０にすることができる。
【００４１】
このように、本実施の形態２にかかる電磁波検出器では、支持脚３をＭＩＭ構造とすることで、支持脚３での赤外光の吸収を防止することができる。この結果、検出波長の選択性が向上し、特定の波長の赤外光を高感度で検出可能となる。
【００４２】
なお、支持脚に直接反射構造を形成せず、別に保持された反射膜を支持脚から空間を隔てて設けることによって、入射する赤外線を反射する構造の場合、支持脚と反射膜との間に空間が存在するため、迷光や多重反射により、入射する赤外線を反射膜で全て反射することは不可能である。これに対して本発明のように支持脚に特殊なプラズモン共鳴構造を形成した場合、全ての入射角度に対して支持脚に入射する赤外線を反射することができる。
【００４３】
実施の形態３．
図１４は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態３にかかる電磁波検出器の上面図であり、図１５は、図１４の電磁波検出器２００をＸＩＶ−ＸＩＶ方向に見た場合の断面図である。図１４、１５中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００４４】
図１５に示すように、電磁波検出器２００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。基板１の上には、例えば酸化シリコンの薄膜からなるメンブレン１８が設けられている。メンブレン１８は、周囲が基板１の上に固定され、中央部は中空部２の上に保持される。
【００４５】
メンブレン１８の上には、温度検知部１０と、温度検知部１０に接続された支持脚３が設けられている。温度検知部１０は、支持脚３とメンブレン１８により、中空部２の上に保持される。
【００４６】
温度検知部１０は、例えば酸化シリコンからなる誘電体層４を含み、誘電体層４の中には、検知膜５と薄膜金属配線６が設けられている。検知膜５は、例えば結晶シリコンを用いたダイオードからなる。温度検知部１０は、更に、誘電体層４の上に波長選択構造８を含む。
【００４７】
支持脚３は、実施の形態１と同じ構造でも良いし、サーモパイルの２本の導体が誘電体層１６の中に設けられた構造でも良い。電磁波検出器２００では、メンブレン１８と支持脚３の双方で温度検知部１０を保持するため、支持脚３のみで支持する構造に比較して、作製が容易となり、また強度も向上する。
【００４８】
電磁波検出器２００では、温度検知部１０以外に、支持脚３やメンブレン１８にも赤外光が入射するため、支持脚３やメンブレン１８で赤外光を吸収すると、検出波長の選択性が低下し、所定の波長の赤外光の検出感度が低くなるという問題が発生する。そこで、電磁波検出器２００では、図１４に示すように、支持脚３とメンブレン１８の上に、金属パターン１９が設けられている。上述のように、金属パターン１９は、その周期、大きさ、間隔に応じて特定の波長λｐで表面プラズモン共鳴を生じ、波長λｐ近傍の赤外光を反射する。電磁波検出器２００では、支持脚３およびメンブレン１８で吸収される波長の赤外光が反射されるように、金属パターン１９の周期や大きさを設定する。
【００４９】
このように、本実施の形態３にかかる電磁波検出器２００では、支持脚３およびメンブレン１８に金属パターン１９を設けることにより、支持脚３およびメンブレン１８での赤外光の吸収を防止することができる。この結果、検出波長の選択性が向上し、特定の波長の赤外光を高感度で検出可能となる。
【００５０】
なお、ここでは、メンブレン１８の上に金属パターン１９を設ける構造について説明したが、例えば実施の形態２の図１１に示すように、更にメンブレン１８の下に金属層を設けたＭＩＭ構造として構わない。
【００５１】
実施の形態４．
図１６は、全体が１０００で表される、本発明の実施の形態４にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。電磁波検出器アレイ１０００では、例えば基板（図示せず）の上に、複数の電磁波検出器１００が、２×２のマトリックス状に配置されている。例えば、外部に設けた走査回路（図示せず）により各行、各列の電磁波検出器１００が選択され、それぞれの電磁波検出器１００で検出した情報が時系列で取り出される。なお、ここでは電磁波検出器１００を２×２の配置としたが、かかる配置に限定されるものではない。
【００５２】
このように特定の波長のみを選択して検出する電磁波検出器１００をマトリックス状に並べて電磁波検出器アレイ１０００とすることで、特定波長のみを検出する画像センサを得ることができる。特に、支持脚３等における赤外光の吸収を防止することで、高感度な電磁波検出器アレイ１０００を得ることができる。ここで、マトリックス状とは２次元的な配置でも良いし、１次元的なライン状に配置しても良い。
【００５３】
なお、ここでは、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００をマトリックス状に配置したが、実施の形態３にかかる電磁波検出器２００等の他の電磁波検出器をマトリックス状に配置しても構わない。
【００５４】
実施の形態５．
図１７は、全体が１１００で表される、本発明の実施の形態５にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。電磁波検出器アレイ１１００では、検出波長の異なる複数の電磁波検出器１００、２００、３００、４００が、２×２のマトリックス状に配置されている。それ以外は、上述の電磁波検出器アレイ１０００と同じ構造である。なお、ここでは全ての電磁波検出器が異なる検出波長を有するものとしたが、例えば同じ検出波長の電磁波検出器１００を複数含むものであっても良い。また、ここでは電磁波検出器を２×２の配置としたが、かかる配置に限定されるものではない。
【００５５】
このように特定の波長のみを選択して検出する電磁波検出器１００、２００、３００、４００をマトリックス状に並べて電磁波検出器アレイ１１００とすることで、後述するように、例えば異なる種類のガスを視覚的に判別することが可能になる。特に、支持脚３等における赤外光の吸収を防止することで、高感度な電磁波検出器アレイを得ることができる。
【００５６】
実施の形態６．
図１８は、全体が２０００で表される、本発明の実施の形態６にかかるガス分析装置の概略図である。ガス分析装置２０００は、電磁波を照射する光源５００と、分析の対象となるガスを入れるガス導入機構（容器）６００と、電磁波を受光する電磁波検出器アレイ７００とを含む。電磁波検出器アレイ７００には、例えば実施の形態５に示すような、検出波長の異なる複数の電磁波検出器を含む電磁波検出器アレイが用いられるが、単体の電磁気検出器を用いる場合もある。そして、光源５００から照射された電磁波Ｌ１は、例えば、ガス導入機構６００に設けられた窓（図示せず）を通ってガス導入機構６００中のガスに照射される。ガス導入機構６００中のガスを透過した電磁波Ｌ２は、例えばガス導入機構６００に設けられた他の窓（図示せず）を通って、電磁波検出器アレイ７００に入射し、検出される。
【００５７】
一般に、気体は赤外波長域を含む複数の波長で吸収ピークを持つ。このため、ある気体に電磁波を照射し、その吸収ピークを検出すれば、そのガスの種類を判別できる。本実施の形態６にかかるガス分析装置２０００は、この性質を利用してガスの種類を判別するものである。つまり、電磁波Ｌ１がガス導入機構６００中に封入されたガスを通過すると、そのガスの吸収波長に対応する電磁波Ｌ１の強度が、ガスの濃度に応じて低下する。よって、検出波長の異なる複数の電磁波検出器を含む電磁波検出器アレイ７００で電磁波Ｌ２を受光し、検出することで、ガスにより吸収された波長を特定することがきる。これにより、ガス導入機構６００中のガスの種類を特定することができる。
【００５８】
ガス分析装置２０００は、例えば、分析対象のガスから二酸化炭素を検出して危険を知らせたり、分析対象ガスからアルコールを検出して酒気帯び状態を判別するために用いることができる。特に、電磁波検出器アレイ７００に、実施の形態５にかかる電磁波検出器アレイ１１００を用いることにより、ガスの成分分析の精度が向上する。
【符号の説明】
【００５９】
１  基板、２  中空部、３  支持脚、４  誘電体層、５  検知膜、６  薄膜金属配線、７  アルミニウム配線、８  波長選択構造、１０  温度検知部、１１  凹部、１２  金属パターン、１３  中間層、１４  金属層、１５  金属パターン、１６  誘電体層、１７  金属層、１８  メンブレン、１９  金属パターン、１００  電磁波検出器。
【図１】
2016167052.tif 000003
【図２】
2016167052.tif 000004
【図３】
2016167052.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2016167052.tif 000009
【図８】
2016167052.tif 000010
【図９】
2016167052.tif 000011
【図１０】
2016167052.tif 000012
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2016167052.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成28年8月31日(2016.8.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λＡの電磁波を選択的に検出する電磁波検出器であって、
中空部を有する基板と、
所定の波長λＡの電磁波と表面プラズモン共鳴を生じ、表面プラズモン共鳴波長のみを熱に変換して吸収する波長選択構造と、吸収された熱を検出する検知膜と、を含む温度検知部と、
該温度検知部を該中空部の上に保持する支持構造と、を含み、
該支持構造は、更に、該支持構造が有する吸収波長の電磁波を、該支持構造が吸収すること無く反射する反射構造を備えることを特徴とする電磁波検出器。
【請求項２】
上記支持構造は、絶縁体層を含む支持脚からなり、該支持脚は、該絶縁体層が有する吸収波長の電磁波を反射する反射構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
【請求項３】
上記支持構造は、上記基板の上に設けられたメンブレンからなり、該メンブレンは、該メンブレンが有する吸収波長の電磁波を反射する反射構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
【請求項４】
上記メンブレンの上に、絶縁体層を含む支持脚が設けられ、該支持脚は、更に、該絶縁体層が有する吸収波長の電磁波を反射する反射構造を備えることを特徴とする請求項３に記載の電磁波検出器。
【請求項５】
上記反射構造は、上記支持脚の絶縁体層の表側に、該絶縁体層の吸収波長の電磁波が表面プラズモン共鳴するように配置された複数の金属パターンであることを特徴とする請求項２または４に記載の電磁波検出器。
【請求項６】
上記反射構造は、上記支持脚の絶縁体層と、該絶縁体層の表側に配置された複数の金属パターンと、該絶縁体層の裏側に配置された金属層とを含むＭＩＭ構造であり、該絶縁体層の吸収波長の電磁波が表面プラズモン共鳴することを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
【請求項７】
上記反射構造は、上記メンブレンの表側に、該メンブレンの吸収波長の電磁波が表面プラズモン共鳴するように配置された複数の金属パターンであることを特徴とする請求項３に記載の電磁波検出器。
【請求項８】
上記反射構造は、上記メンブレンと、該メンブレンの表側に配置された複数の金属パターンと、該メンブレンの裏側に配置された金属層とを含むＭＩＭ構造であり、該メンブレンの吸収波長の電磁波が表面プラズモン共鳴することを特徴とする請求項３に記載の電磁波検出器。
【請求項９】
上記波長選択構造は、表面に周期的な凹部または凸部を有する金属層を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１０】
上記波長選択構造は、絶縁体、半導体、または誘電体からなる中間層と、該中間層の表側に設けられた周期的な金属パターンと、該中間層の裏側に設けられた金属層と、を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１１】
上記金属パターンの水平断面は、円形、正方形、長方形、楕円形、および多角形からなる組から選択される形状であることを特徴とする請求項５、６、９および１０のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１２】
上記金属パターンは、金、銀、アルミニウム、およびグラフェンからなる組から選択される材料からなることを特徴とする請求項５、６、９および１０のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の電磁波検出器が、１次元または２次元に配置されたことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
【請求項１４】
少なくとも２つの上記電磁気検出器は、互いに異なる波長の電磁波を選択的に検出する電磁波検出器であることを特徴とする請求項１３に記載の電磁波検出器アレイ。
【請求項１５】
ガスにより吸収された波長を検出してガスを特定するガス分析装置であって、
電磁波を照射する光源と、
分析対象のガスを保持する容器と、
電磁波を受光する少なくとも１つの請求項１〜１４のいずれかに記載の電磁波検出器を含み、
該光源から照射した電磁波は、該容器中のガスを透過した後に該電磁波検出器で検出されることを特徴とするガス分析装置。
【請求項１６】
上記電磁波検出器は、１次元または２次元に配置された複数の電磁波検出器であることを特徴とする請求項１５に記載のガス分析装置。
【請求項１７】
上記分析対象のガスがアルコールを含み、該ガス中のアルコール濃度を検出することを特徴とする請求項１５または１６に記載のガス分析装置。
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月13日(2016.12.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λＡの電磁波を選択的に検出する電磁波検出器であって、
中空部を有する基板と、
所定の波長λＡの電磁波と表面プラズモン共鳴を生じ、熱に変換して吸収する波長選択構造と、吸収された熱を検出する検知膜と、を含む温度検知部と、
該温度検知部を該中空部の上に保持する支持構造と、を含み、
該支持構造は、更に、該支持構造が有する吸収波長の電磁波を反射する反射構造を備え、
該支持構造は、絶縁体層を含む支持脚からなり、該支持脚は、該絶縁体層が有する吸収波長の電磁波を反射する反射構造を備え、
該反射構造は、該支持脚の絶縁体層の表側に、該絶縁体層の吸収波長の電磁波が表面プラズモン共鳴するように配置された複数の金属パターンであることを特徴とする電磁波検出器。
【請求項２】
波長λＡの電磁波を選択的に検出する電磁波検出器であって、
中空部を有する基板と、
所定の波長λＡの電磁波と表面プラズモン共鳴を生じ、熱に変換して吸収する波長選択構造と、吸収された熱を検出する検知膜と、を含む温度検知部と、
該温度検知部を該中空部の上に保持する支持構造と、を含み、
該支持構造は、更に、該支持構造が有する吸収波長の電磁波を反射する反射構造を備え、
該支持構造は、該基板の上に設けられたメンブレンからなり、該メンブレンは、該メンブレンが有する吸収波長の電磁波を反射する反射構造を備え、
該メンブレンの上に、絶縁体層を含む支持脚が設けられ、該支持脚は、更に、該絶縁体層が有する吸収波長の電磁波を反射する反射構造を備え、
該反射構造は、該支持脚の絶縁体層の表側に、該絶縁体層の吸収波長の電磁波が表面プラズモン共鳴するように配置された複数の金属パターンであることを特徴とする電磁波検出器。
【請求項３】
上記反射構造は、上記支持脚の絶縁体層と、該絶縁体層の表側に配置された複数の金属パターンと、該絶縁体層の裏側に配置された金属層とを含むＭＩＭ構造であり、該絶縁体層の吸収波長の電磁波が表面プラズモン共鳴することを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
【請求項４】
上記反射構造は、上記メンブレンの表側に、該メンブレンの吸収波長の電磁波が表面プラズモン共鳴するように配置された複数の金属パターンであることを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
【請求項５】
上記反射構造は、上記メンブレンと、該メンブレンの表側に配置された複数の金属パターンと、該メンブレンの裏側に配置された金属層とを含むＭＩＭ構造であり、該メンブレンの吸収波長の電磁波が表面プラズモン共鳴することを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
【請求項６】
上記波長選択構造は、表面に周期的な凹部または凸部を有する金属層を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項７】
上記波長選択構造は、絶縁体、半導体、または誘電体からなる中間層と、該中間層の表側に設けられた周期的な金属パターンと、該中間層の裏側に設けられた金属層と、を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項８】
上記金属パターンの水平断面は、円形、正方形、長方形、楕円形、および多角形からなる組から選択される形状であることを特徴とする請求項１、２、３、６および７のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項９】
上記金属パターンは、金、銀、アルミニウム、およびグラフェンからなる組から選択される材料からなることを特徴とする請求項１、２、３、６および７のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の電磁波検出器が、１次元または２次元に配置されたことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
【請求項１１】
少なくとも２つの上記電磁気検出器は、互いに異なる波長の電磁波を選択的に検出する電磁波検出器であることを特徴とする請求項１０に記載の電磁波検出器アレイ。
【請求項１２】
ガスにより吸収された波長を検出してガスを特定するガス分析装置であって、
電磁波を照射する光源と、
分析対象のガスを保持する容器と、
電磁波を受光する少なくとも１つの請求項１〜１１のいずれかに記載の電磁波検出器を含み、
該光源から照射した電磁波は、該容器中のガスを透過した後に該電磁波検出器で検出されることを特徴とするガス分析装置。
【請求項１３】
上記電磁波検出器は、１次元または２次元に配置された複数の電磁波検出器であることを特徴とする請求項１２に記載のガス分析装置。
【請求項１４】
上記分析対象のガスがアルコールを含み、該ガス中のアルコール濃度を検出することを特徴とする請求項１２または１３に記載のガス分析装置。
【国際調査報告】
2016167052.tif 000021
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2016167052.tif 000023
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