(57)【要約】  【課題】従来に比べて長寿命化が可能な赤外線放射素子を提供する。  【解決手段】赤外線放射素子Ａは、半導体基板１の厚み方向の一表面（図１（ｂ）の下面）に凹所１ａを設けることにより形成したダイヤフラム部１ａの厚み方向の一面（図１（ｂ）の上面）に多数の微細孔１ｃを設けることにより発熱体部２が形成され、発熱体部２上に通電用の一対のパッド４，４が離間して形成されている。一対のパッド４，４が発熱体部２の加熱用の通電部を構成している。半導体基板１として単結晶のシリコン基板を用いており、発熱体部２は、多孔度が４０％〜７０％程度の多孔質シリコン層により構成されている。発熱体部２は、微細孔１ｃの深さを微細孔１ｃの内径の３倍以上の値に設定してあって擬似黒体とみなせ、温度に応じたピーク波長の赤外線を放射する。【選択図】      図１
2005337817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の厚み方向の少なくとも一表面に凹所を設けることにより形成したダイヤフラム部の厚み方向の一面に多数の微細孔を設けることにより発熱体部が形成され、発熱体部の加熱用の通電部を備えることを特徴とする赤外線放射素子。
【請求項２】
前記通電部は、前記ダイヤフラム部の前記一面側に形成された一対の電極からなることを特徴とする請求項１記載の赤外線放射素子。
【請求項３】
前記通電部は、前記ダイヤフラム部の前記厚み方向の他面側に形成されたヒータ電極からなることを特徴とする請求項１記載の赤外線放射素子。
【請求項４】
前記発熱体部は、前記半導体基板よりも導電率が高く且つ抵抗温度係数が正となるように不純物がドーピングされてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の赤外線放射素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線放射素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、赤外放射源を利用した各種の分析装置（例えば、赤外線ガス分析計など）が提供されているが、これらの分析装置で用いられている赤外放射源として代表的なものは、ハロゲンランプであって、大型で且つ寿命が比較的短いので、赤外線を利用してガスを検出する小型のガスセンサへの適用は難しい。なお、透光性の気密容器内に放射体としてのフィラメントを収納したハロゲンランプのような赤外放射源においては、フィラメントの形状や放射特性などを工夫することにより小型化を図ったものもあるが、気密容器を必要とするから、小型のガスセンサへの適用は難しいのが現状である。
【０００３】
そこで、小型化が可能な赤外放射源として、マイクロマシンニング技術を利用して形成する赤外線放射素子が各所で研究開発されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。
【０００４】
ここにおいて、上記特許文献１〜３には、シリコン基板などをマイクロマシンニング技術により加工して形成した矩形枠状の支持基板の一表面側において２点間に線状の発熱体を架け渡した所謂マイクロブリッジ構造の赤外線放射素子が記載されている。なお、この種のマイクロブリッジ構造の赤外線放射素子は、線状の発熱体への通電に伴うジュール熱により発熱体から赤外線を放射させるものである。
【０００５】
ところで、赤外線の吸収を利用してガスを検出するガスセンサにおいて検出精度を高くするためには、赤外線放射素子から放射される赤外線の放射量を安定させ短時間で計測することが望ましく、上述のマイクロブリッジ構造の赤外線放射素子では、支持基板が矩形枠状に形成されており、線状の発熱体の周囲が空気なので、発熱体と発熱体周囲との熱容量差を大きくすることができ、発熱体へ流す電流のオンオフに高速で応答するようになっている。
【特許文献１】特開平９−１５３６４０号公報（段落番号〔００２７〕、〔００２８〕、図２参照）
【特許文献２】特開２０００−２３６１１０号公報（段落番号〔００１７〕、〔００１８〕、〔００１９〕、図１、図２参照）
【特許文献３】特開平１０−２９４１６５号公報（段落番号〔００１４〕、〔００１５〕、図１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記特許文献１〜３に開示された赤外線放射素子では、線状の発熱体の両端に設けたパッド間へ印加する電圧のオンオフに伴う応答速度を向上させるために、発熱体の周囲を空気または真空として発熱体と周囲との熱容量の差を大きくしてあるが、発熱体が線状の形状に形成されており両端部が支持基板に支持されているだけなので、発熱体が破損したり熱により溶断したりして寿命が短くなってしまうことがあった。
【０００７】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて長寿命化が可能な赤外線放射素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、半導体基板の厚み方向の少なくとも一表面に凹所を設けることにより形成したダイヤフラム部の厚み方向の一面に多数の微細孔を設けることにより発熱体部が形成され、発熱体部の加熱用の通電部を備えることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、半導体基板に形成したダイヤフラム部に多数の微細孔を設けることにより発熱体部が形成されているので、発熱体部が黒体放射と同じように赤外線を放射することとなって赤外線の放射効率が向上し、従来のように発熱体が線状に形成されている赤外線放射素子に比べて、赤外線の放射量を増加させることができ単位面積当たりの発熱量を抑えることで長寿命化を図ることができる。また、ダイヤフラム部の他面側の空間の空気層が断熱層を構成することとなるので、ダイヤフラム部を設けていない半導体基板の一表面に多数の微細孔を設けることにより発熱体部を形成した場合（つまり、半導体基板において発熱体部直下の部位が断熱層を構成する場合）に比べて、赤外線の放射効率が高くなる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記通電部は、前記ダイヤフラム部の前記一面側に形成された一対の電極からなることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、一対の電極の形状、大きさ、形成位置などを適宜設定することにより、前記発熱体部の露出表面の面積を設定することができる。また、一対の電極を通して前記発熱体部へ電流を流すことができるので、前記発熱体部へ容易に電流を流すことができる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記通電部は、前記ダイヤフラム部の前記厚み方向の他面側に形成されたヒータ電極からなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、前記通電部となるヒータ電極の抵抗値を所望の加熱温度に応じて設計すればよいので、前記通電部の設計が容易になる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記発熱体部は、前記半導体基板よりも導電率が高く且つ抵抗温度係数が正となるように不純物がドーピングされてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、前記発熱体部の温度が上昇するにつれて前記発熱体部の抵抗値が高くなって前記発熱体部へ流れる電流の電流値が減少するので、前記発熱体部の温度制御が容易になる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明では、半導体基板に形成したダイヤフラム部に多数の微細孔を設けることにより発熱体部が形成されているので、発熱体部が黒体放射と同じように赤外線を放射することとなって赤外線の放射効率が向上し、従来のように発熱体が線状に形成されている赤外線放射素子に比べて、赤外線の放射量を増加させることができ単位面積当たりの発熱量を抑えることで長寿命化を図ることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（実施形態１）
以下、本実施形態の赤外線放射素子Ａについて図１（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。
【００１８】
本実施形態の赤外線放射素子Ａは、半導体基板１の厚み方向の一表面（図１（ｂ）の下面）に凹所１ａを設けることにより形成したダイヤフラム部１ａの厚み方向の一面（図１（ｂ）の上面）に多数の微細孔１ｃを設けることにより発熱体部２が形成され、発熱体部２上に通電用の一対のパッド（電極）４，４が離間して形成されている。ここに、凹所１ａは、半導体基板１の上記厚み方向において上記一表面側ほど開口面積が大きくなっている。なお、本実施形態では、一対のパッド４，４が発熱体部２の加熱用の通電部を構成している。
【００１９】
発熱体部２は、多孔度が４０％〜７０％程度の多孔質シリコン層により構成されている。各パッド４，４の材料としては金属材料（例えば、金など）を採用しており、各パッド４，４は、めっき法や蒸着法などによって形成することができる。
【００２０】
また、半導体基板１としては単結晶のシリコン基板を用いており、アルカリ系溶液を用いた異方性エッチングにより凹所１ａを形成することができ、半導体基板１の厚み方向の他表面（図１（ｂ）の上面）側の所定領域（半導体基板１におけるダイヤフラム部１ｂおよびその周辺部分）をフッ化水素水溶液中で陽極酸化処理することにより発熱体部２となる多孔質シリコン層を形成することができ（つまり、多数の微細孔１ｃを形成することができ）、陽極酸化処理の条件を適宜変化させることにより、発熱体部２となる多孔質シリコン層の多孔度や微細孔１ｃの深さを制御することができる。なお、多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなり、例えば、熱伝導率が１６８〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、熱容量が１．６７×１０６〔Ｊ／（ｍ３・Ｋ）〕の単結晶のシリコン基板を陽極酸化して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、熱容量が０．７×１０６〔Ｊ／（ｍ３・Ｋ）〕であることが知られている。
【００２１】
ところで、本実施形態の赤外線放射素子Ａにおける発熱体部２は、図２に示すように、微細孔１ｃの深さを微細孔１ｃの内径の３倍以上の値に設定してあるが、微細孔１ｃの深さを内径の３倍以上の値に設定することにより、黒体放射と同じように赤外線を放射する。要するに、発熱体部２を擬似黒体とみなすことができる。
【００２２】
このように擬似黒体とみなすことができる発熱体部２が形成された本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、発熱体部２から放射される赤外線のピーク波長をλ（μｍ）、発熱体部２の絶対温度をＴ（Ｋ）とすれば、ピーク波長λは、
λ＝２８９８／Ｔ
となり、発熱体部２の絶対温度Ｔと発熱体部２から放射される赤外線のピーク波長λとの関係がウィーンの変位則を満たしている。したがって、本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、外部電源からパッド４，４間に印加する電圧を調整することにより、発熱体部２に発生するジュール熱を変化させることができて、発熱体部２から放射される赤外線のピーク波長λを変化させることができる。なお、本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、例えば、一対のパッド４，４間に３００Ｖ程度の電圧を印加することによりピーク波長λが３μｍ〜４μｍの赤外線を放射させることが可能であり、パッド４，４間に印加する電圧を適宜調整することにより、ピーク波長が４μｍ以上の赤外線を放射させることも可能である。
【００２３】
上述の赤外線放射素子Ａを駆動する駆動回路としては、例えば図３に示す回路を採用することができる。図３に示す構成の駆動回路は、直流電源Ｅの両端間にコンデンサＣが接続され、コンデンサＣの両端間にサイリスタＴｈとインダクタＬと抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との直列回路が接続され、抵抗Ｒ２の両端間に赤外線放射素子Ａを接続するように構成されており、コンデンサＣの両端電圧が所定のしきい値を超えるとサイリスタＴｈのゲートへ制御信号を与える制御部１０を備えている。すなわち、図３の駆動回路では、直流電源ＥからコンデンサＣに電荷を蓄積し、コンデンサＣの両端電圧が所定のしきい値を超えると、制御部１０からサイリスタＴｈへ制御信号が与えられてサイリスタＴｈがターンオンし、赤外線放射素子Ａのパッド４，４間に電圧が印加されて発熱体部２が発熱し赤外線が放射される。ここに、制御部１０において用いる上記しきい値を適宜設定することにより、赤外線放射素子Ａへの投入電圧の大きさを変動させることができ、赤外線放射素子Ａから放射させる赤外線のピーク波長λを制御することができる。なお、図３の駆動回路では、サイリスタＴｈがターンオンすることにより、赤外線放射素子Ａのパッド４，４間へ図４に示すような波形の電圧が印加されることになる。
【００２４】
以上説明した本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、半導体基板１に形成したダイヤフラム部１ｂに多数の微細孔１ｃを設けることにより発熱体部２が形成されているので、発熱体部２が黒体放射と同じように赤外線を放射することとなって赤外線の放射効率が向上し、従来のように発熱体が線状に形成されている赤外線放射素子に比べて、赤外線の放射量を増加させることができ単位面積当たりの発熱量を抑えることで長寿命化を図ることができる。また、ダイヤフラム部１ｂの上記他面側の空間（凹所１ａ内の空間）の空気層が断熱層を構成することとなるので、ダイヤフラム部１ｂを設けていない半導体基板の一表面に多数の微細孔を設けることにより発熱体部を形成した場合、つまり、半導体基板において発熱体部と他表面との間の部位（半導体基板の一部）が断熱層を構成する場合に比べて、ダイヤフラム部１ｂの上記一面側（つまり、発熱体部２の表面側）への赤外線の放射効率が高くなる。なお、本実施形態の赤外線放射素子Ａは、一対のパッド４，４の形状、大きさ、形成位置などを適宜設定することにより、発熱体部２の露出表面の面積を設定することができる。また、一対のパッド４，４を通して発熱体部２へ電流を流すことができるので、発熱体部２へ容易に電流を流すことができる。
【００２５】
ところで、多孔質シリコン層は高抵抗で且つ抵抗温度係数が負となるので、多孔質シリコン層を発熱させるためには一対のパッド４，４間に高電圧を印加する必要となり、しかも、温度上昇とともに抵抗値が低くなって一対のパッド４，４間を流れる電流が急激に増加し、温度制御性が悪化してしまう。
【００２６】
そこで、本実施形態の赤外線放射素子Ａの発熱体部２は、半導体基板１よりも導電率が高く且つ抵抗温度係数が正となるように不純物が高濃度にドーピングされている。具体的には、ダイヤフラム部１ｂに上述の多孔質シリコン層を形成した後にイオン注入により不純物イオンを注入してアニールを行うことにより、半導体基板１よりも導電率が高く且つ抵抗温度係数が正となるような金属と同様の性質を有する低抵抗（高濃度ドープ）の発熱体部２を形成しているが、多孔質シリコン層を形成する前に多孔質シリコン層の形成予定部位に不純物イオンをイオン注入してアニールを行うようにしてもよい。
【００２７】
しかして、本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、発熱体部２の温度が上昇するにつれて発熱体部２の抵抗値が高くなって発熱体部２へ流れる電流の電流値が減少するので、発熱体部２の温度制御が容易になる（温度制御性が向上する）。
【００２８】
なお、本実施形態では、上述のように発熱体部２を低抵抗化しているが、発熱体部２を低抵抗化しない場合には、電源として電流源を用いてパッド４，４間に一定電流を流すようにすれば、発熱体部２の温度上昇とともに発熱体部２の抵抗値が低くなるとともにパッド４，４間の電圧値も低下するので、温度制御性が向上する。
【００２９】
（実施形態２）
本実施形態の赤外線放射素子Ａの構成は実施形態１と略同じであり、図５に示すように、ダイヤフラム部１の厚み方向の一面（図５の上面）には実施形態１にて説明したパッド４，４を設けず、ダイヤフラム部１ｂの厚み方向の他面（図５の下面）に、発熱体部２の加熱用の通電部として金属膜からなるヒータ電極５を設けている点が相違するだけである。ここに、ヒータ電極５は、めっき法や蒸着法などによって形成することができる。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３０】
本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、外部電源からヒータ電極５へ電流を流すことによりヒータ電極５が加熱されて発熱体部２も加熱されるので、実施形態１と同様に発熱体部２から赤外線が放射される。
【００３１】
しかして、本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、通電部となるヒータ電極５の抵抗値を所望の加熱温度に応じて設計すればよく、ヒータ電極５を構成する金属膜の材料や膜厚により抵抗値を設計することが可能なので、実施形態１のように通電部として発熱体部２上に一対のパッド４，４を設ける場合に比べて通電部の設計が容易になる。また、発熱体部２からダイヤフラム部１ｂの上記他面側へ放射された赤外線をヒータ電極５によりダイヤフラム部１ｂの上記一面側へ反射させることも可能となり、ダイヤフラム部１ｂの上記一面側（つまり、発熱体部２の表面側）へ放射される赤外線の放射量を増大させることができる。
【００３２】
ところで、上記各実施形態では、半導体基板１の上記一表面に凹所１ａを設けることによりダイヤフラム部１ｂを形成しているが、半導体基板１の上記他表面に凹所を設けることによりダイヤフラム部１ｂを形成してもよいし、半導体基板１の上記一表面および上記他表面それぞれに凹所を設けることによりダイヤフラム部１ｂを形成してもよい。また、上記各実施形態では、半導体基板１の材料としてＳｉを採用しているが、半導体基板１の材料はＳｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施形態１における赤外線放射素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図２】同上の要部説明図である。
【図３】同上の赤外線放射素子の駆動回路の一例を示す回路図である。
【図４】同上の赤外線放射素子の駆動回路の動作説明図である。
【図５】実施形態２における赤外線放射素子を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
Ａ  赤外線放射素子
１  半導体基板
１ａ  凹所
１ｂ  ダイヤフラム部
１ｃ  微細孔
２  発熱体部
４  パッド
【図１】
2005337817.tif 000003
【図２】
2005337817.tif 000004
【図３】
2005337817.tif 000005
【図４】
2005337817.tif 000006
【図５】
2005337817.tif 000007