JP2010164550A - Infrared radiation element, infrared gas detector equipped with the same, and method of manufacturing infrared radiation element - Google Patents

Infrared radiation element, infrared gas detector equipped with the same, and method of manufacturing infrared radiation element Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an infrared radiation element that has high output, is capable of performing high-frequency drive, and has low power consumption, and to provide a method of manufacturing the infrared radiation element. <P>SOLUTION: The infrared radiation element includes a semiconductor substrate 1; a holding layer 2 formed on one surface of the semiconductor substrate 1; a gas layer 3 consisting of a space surrounded by one surface of the semiconductor substrate 1 and that of the holding layer 2; a support section 4 for connecting one surface of the substrate 1 to that of the holding layer 2 inside the gas layer 3 and supporting the holding layer 2; and an infrared radiation layer 5, that is laminated on the other surface of the holding layer 2 and radiates infrared rays due to the heat generated by electrical input. The thickness of the gas layer 3 is set, according to the frequency of voltage applied to the infrared radiation layer 5, and the gas layer works as a heat-insulating layer and a heat-radiating layer, when the temperature of the infrared radiation layer 5 rises and when the infrared radiation layer 5 is lowered, respectively. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、赤外線放射素子及び当該赤外線放射素子を備えた赤外線式ガス検知器及び当該赤外線放射素子の製造方法に関するものである。   The present invention relates to an infrared radiation element, an infrared gas detector equipped with the infrared radiation element, and a method of manufacturing the infrared radiation element.

従来より、赤外線を放射する赤外線放射素子と、当該赤外線放射素子から放射される赤外線の内で検出対象ガスが吸収する波長の赤外線のみを通過させるフィルタを介して赤外線を受光して、当該受光した赤外線量に対応したレベルの検出信号を出力する受光素子とを備えたガスセンサ装置がある。そして、前記赤外線放射素子は、1回の計測で断続的に複数回赤外線を放射する。その際、検出精度を高くすると共に省電力化を図るためには、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、赤外線放射素子の高周波駆動化が望まれている。   Conventionally, infrared rays are received through an infrared emitting element that emits infrared rays, and a filter that passes only infrared rays having a wavelength that is absorbed by the detection target gas among infrared rays emitted from the infrared emitting elements. There is a gas sensor device including a light receiving element that outputs a detection signal of a level corresponding to the amount of infrared rays. And the said infrared radiation element radiates | emits an infrared ray intermittently in multiple times by one measurement. At that time, in order to increase detection accuracy and save power, it is desirable to stabilize the amount of infrared radiation radiated from the infrared radiation element and to measure it in a short time. It is rare.

そして、前記赤外線放射素子として、図11に示すような電球型の赤外線放射素子40や図12に示すようなダイヤフラム型の赤外線放射素子50が提供されている(例えば、特許文献1参照)。   As the infrared radiation element, a bulb-type infrared radiation element 40 as shown in FIG. 11 and a diaphragm-type infrared radiation element 50 as shown in FIG. 12 are provided (for example, see Patent Document 1).

電球型の赤外線放射素子40は、発光部のフィラメント42が、タングステン(W)または白金(Pt)からなる線材をコイル状に巻いたものや、コイルの表面をアルミナなどのセラミックで被覆したものから構成されている。そして、フィラメント42に電圧が印加されて昇温すると赤外線を放射する。また、赤外線放射素子40は、発光部となるフィラメント42の熱容量が大きいため、フィラメント42に電圧の印加を開始してから放射する赤外線の強度が所定の強度に達するまでの時間(昇温時間)が長い。また、赤外線を放射しているフィラメント42の印加電圧をオフしてから、赤外線の放射が停止するまでの時間(降温時間)も長い。従って、断続放射される赤外線の振幅差を大きくするためには、フィラメント42に印加される電圧の周波数を0.1〜10Hz程度に設定する必要がある。   In the bulb-type infrared radiation element 40, the filament 42 of the light emitting part is formed by winding a wire made of tungsten (W) or platinum (Pt) in a coil shape, or the coil surface is coated with a ceramic such as alumina. It is configured. And when a voltage is applied to the filament 42 and the temperature rises, infrared rays are emitted. In addition, since the infrared radiation element 40 has a large heat capacity of the filament 42 serving as a light emitting unit, the time from when the voltage is applied to the filament 42 until the intensity of the emitted infrared radiation reaches a predetermined intensity (temperature increase time) Is long. Moreover, the time (temperature decrease time) from when the applied voltage of the filament 42 emitting infrared rays is turned off until the emission of infrared rays stops is long. Therefore, in order to increase the amplitude difference between the infrared rays that are intermittently radiated, it is necessary to set the frequency of the voltage applied to the filament 42 to about 0.1 to 10 Hz.

また、ダイヤフラム型の赤外線放射素子50は、赤外線放射層50の裏面に設けられた半導体基板51をエッチングにより掘り込むことで凹部52を形成している。そして、赤外線放射層50は、金属からなる電極56に接続された発熱層53と当該発熱層53によって間接的に加熱される発光層54とを備える絶縁層55から構成されている。そして、発光層54は、電極56を介して電圧が印加された発熱層53の発熱によって間接的に加熱されることで赤外線を放射する。また、ダイヤフラム型の赤外線放射素子50は、絶縁層55が凹部52で接する空気の断熱効果によって断熱されているため発光層54の昇温時間が短い。しかし、当該断熱効果によって、発光層54は放熱効果が十分に得られないため降温時間が長い。従って、断続放射される赤外線の振幅差を大きくするためには、電極56に印加される電圧の周波数を例えば200Hz程度に設定する必要がある。   Further, the diaphragm-type infrared radiation element 50 has a recess 52 formed by etching a semiconductor substrate 51 provided on the back surface of the infrared radiation layer 50 by etching. The infrared radiation layer 50 includes an insulating layer 55 including a heat generating layer 53 connected to an electrode 56 made of metal and a light emitting layer 54 indirectly heated by the heat generating layer 53. The light emitting layer 54 emits infrared rays by being indirectly heated by the heat generated by the heat generating layer 53 to which a voltage is applied via the electrode 56. Moreover, since the diaphragm type infrared radiation element 50 is insulated by the heat insulation effect of the air which the insulating layer 55 contacts in the recessed part 52, the temperature rising time of the light emitting layer 54 is short. However, due to the heat insulation effect, the light emitting layer 54 cannot obtain a sufficient heat dissipation effect, so the temperature drop time is long. Therefore, in order to increase the difference in the amplitude of the infrared rays emitted intermittently, it is necessary to set the frequency of the voltage applied to the electrode 56 to about 200 Hz, for example.

特開平9−184757号公報JP-A-9-184757

従って、ガスセンサ装置等に上記赤外線放射素子40または、赤外線放射素子50を用いた場合には、赤外線放射素子に印加される入力電圧の変調周波数が低く、計測に時間がかかり、低消費電力化を行うことは困難であった。   Therefore, when the infrared radiating element 40 or the infrared radiating element 50 is used in a gas sensor device or the like, the modulation frequency of the input voltage applied to the infrared radiating element is low, the measurement takes time, and the power consumption is reduced. It was difficult to do.

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、高出力、高周波駆動が可能で、低消費電力化が図られた赤外線放射素子及び当該赤外線放射素子を備えた赤外線式ガス検知器及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described reasons, and an object of the present invention is to provide an infrared radiation element capable of high output and high frequency driving and low power consumption, and an infrared gas provided with the infrared radiation element. It is in providing a detector and its manufacturing method.

請求項1の発明は、半導体基板と、半導体基板の一面に形成された薄膜状の保持層と、半導体基板の一面及び保持層の一面によって囲まれた空間からなる気体層と、保持層の他面に積層され、電気入力されることによる発熱によって赤外線を放射する赤外線放射層とを備え、前記気体層は、赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする。   The invention of claim 1 includes a semiconductor substrate, a thin holding layer formed on one surface of the semiconductor substrate, a gas layer comprising a space surrounded by one surface of the semiconductor substrate and the one surface of the holding layer, and the holding layer. And an infrared radiation layer that emits infrared rays by heat generated by electrical input, and the gas layer has a thickness set based on a frequency of a voltage applied to the infrared radiation layer, and emits infrared radiation. It functions as a heat-insulating layer when the temperature of the layer is raised, and as a heat dissipation layer when the temperature of the infrared radiation layer is lowered.

この発明によれば、赤外線放射素子において、赤外線放射層の昇温時には、赤外線放射層から保持層に伝達した熱が気体層によって断熱されるため、断熱層として働く気体層によって赤外線放射層の昇温が阻害されず昇温時間が短くなり、赤外線放射層の降温時には、赤外線放射層から保持層に伝達した熱が、気体層を介して半導体基板へと放熱されるため、放熱層として働く気体層によって赤外線放射層の降温時間が短くなる。従って、赤外線放射層の昇降温が高速で行われて赤外線放射素子を高出力、高周波駆動させることができ、更には計測時間を短縮できて低消費電力化を図ることができる。   According to the present invention, in the infrared radiation element, when the temperature of the infrared radiation layer is increased, the heat transmitted from the infrared radiation layer to the holding layer is insulated by the gas layer. Gas that acts as a heat dissipation layer because the heat transfer time from the infrared radiation layer to the holding layer is dissipated to the semiconductor substrate through the gas layer when the temperature of the infrared radiation layer is lowered and the temperature rise time is shortened. The layer reduces the temperature drop time of the infrared radiation layer. Therefore, the temperature of the infrared radiation layer is raised and lowered at a high speed, and the infrared radiation element can be driven at a high output and a high frequency. Further, the measurement time can be shortened and the power consumption can be reduced.

請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記気体層には、半導体基板と保持層とを連結し、保持層を支持する支持部が設けられることを特徴とする。   The invention of claim 2 is characterized in that, in the invention of claim 1, the gas layer is provided with a support portion for connecting the semiconductor substrate and the holding layer and supporting the holding layer.

この発明によれば、赤外線放射層の昇降温による熱膨張差によって、保持層が半導体基板に付着することを防止でき、昇温阻害や破損を防止でき、また、製造時のウェット処理後の乾燥時などで保持層が半導体基板に付着することも防止できる。   According to the present invention, the retention layer can be prevented from adhering to the semiconductor substrate due to the difference in thermal expansion due to the temperature rise and fall of the infrared radiation layer, the temperature rise inhibition and damage can be prevented, and the drying after the wet treatment during production It is possible to prevent the holding layer from adhering to the semiconductor substrate.

請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記支持部は、単結晶シリコンからなることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the support portion is made of single crystal silicon.

この発明によれば、多孔質層に比べて機械的強度の高い単結晶シリコンを支持部に用いることで、赤外線放射層の昇降温による熱膨張差によって、保持層が半導体基板へ付着することや、製造時のウェット処置後の乾燥時などで保持層が半導体基板に付着することもより効果的に防止することができる。特に、基板が単結晶シリコンで、支持部がその一部を残存した単結晶シリコンで形成される場合、支持部と基板の接続部に発生する応力はゼロとなって支持部の強度は更に高くなり、より効果的である。   According to the present invention, by using single crystal silicon having a higher mechanical strength than the porous layer for the support portion, the holding layer adheres to the semiconductor substrate due to the difference in thermal expansion due to the temperature rise and fall of the infrared radiation layer. Further, it is possible to more effectively prevent the holding layer from adhering to the semiconductor substrate during drying after the wet treatment at the time of manufacture. In particular, when the substrate is formed of single crystal silicon and the support portion is formed of single crystal silicon with a part of the support portion remaining, the stress generated at the connection portion between the support portion and the substrate is zero and the strength of the support portion is further increased. Become more effective.

請求項4の発明は、請求項2または3の発明において、前記保持層の他面には、赤外線放射層が複数箇所に積層され、赤外線放射層間に露出する保持層の一面側に支持部が設けられていることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the invention of the second or third aspect, an infrared radiation layer is laminated at a plurality of locations on the other surface of the retaining layer, and a support portion is provided on one surface side of the retaining layer exposed between the infrared radiation layers. It is provided.

この発明によれば、熱伝導率が保持層に比べて高い赤外線放射層が、支持部に直接接していないことで、赤外線放射層で発生する熱が支持部を介して半導体基板側へ放熱されることを抑制でき、赤外線放射層の発光効率を高めることができる。   According to this invention, since the infrared radiation layer having a higher thermal conductivity than the holding layer is not in direct contact with the support portion, the heat generated in the infrared radiation layer is radiated to the semiconductor substrate side through the support portion. This can be suppressed, and the luminous efficiency of the infrared radiation layer can be increased.

また、赤外線放射層と支持部とが直接接していないことで、赤外線放射層と支持部との間に大きな温度勾配が発生することを抑制でき、当該温度勾配に起因する大きな熱応力によって赤外線放射層と支持部とが破損することを防止できる。   In addition, since the infrared radiation layer and the support portion are not in direct contact with each other, it is possible to suppress the occurrence of a large temperature gradient between the infrared radiation layer and the support portion, and the infrared radiation is caused by the large thermal stress caused by the temperature gradient. It can prevent that a layer and a support part break.

請求項5の発明は、請求項1乃至4いずれかの発明において、前記保持層は、多孔質層からなることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, the holding layer comprises a porous layer.

この発明によれば、多孔質層は、緻密な絶縁材料に比べて熱容量や熱伝導率が小さいため、赤外線放射層の昇温を阻害せず昇温時間を短縮でき、小さなエネルギーで大きく昇温することで低消費電力化を図ることができる。   According to the present invention, since the porous layer has a smaller heat capacity and thermal conductivity than a dense insulating material, the temperature rise time can be shortened without hindering the temperature rise of the infrared radiation layer, and the temperature rises greatly with small energy. By doing so, low power consumption can be achieved.

請求項6の発明は、請求項5の発明において、前記多孔質層は、ポーラスシリコン、またはポーラスポリシリコンからなることを特徴とする。   The invention of claim 6 is the invention of claim 5, wherein the porous layer is made of porous silicon or porous polysilicon.

この発明によれば、多孔質層ポーラスシリコン、またはポーラスポリシリコンからなることから、赤外線放射層の昇温温度に耐える耐熱性を確保できる。   According to this invention, since it consists of porous layer porous silicon or porous polysilicon, it is possible to ensure heat resistance that can withstand the temperature rise of the infrared radiation layer.

請求項7の発明は、請求項1乃至6いずれかの発明において、前記保持層は、その周縁が半導体基板に固定されていることを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to sixth aspects, the periphery of the holding layer is fixed to a semiconductor substrate.

この発明によれば、保持層周縁部が全て半導体基板に接合されて保持強度が高められているため、保持層に接合された赤外線放射層の昇降温時に発生する熱膨張差によって保持層が変形し破損することを防止できる。   According to the present invention, since the holding layer has all the peripheral edge bonded to the semiconductor substrate and the holding strength is increased, the holding layer is deformed by the thermal expansion difference generated when the infrared radiation layer bonded to the holding layer is heated and lowered. Can be prevented from being damaged.

請求項8の発明は、請求項7の発明において、前記半導体基板と保持層とが接合する箇所は、保持層と半導体基板の接合を補強する補強部を備えることを特徴とする。   The invention of claim 8 is characterized in that, in the invention of claim 7, the portion where the semiconductor substrate and the holding layer are joined includes a reinforcing portion for reinforcing the joining of the holding layer and the semiconductor substrate.

この発明によれば、保持層と半導体基板の接合部の強度を高めることができ、保持層の変形による破損を更に防止することができる。   According to this invention, the strength of the joint between the holding layer and the semiconductor substrate can be increased, and damage due to deformation of the holding layer can be further prevented.

請求項9の発明は、請求項1乃至8いずれか記載の発明において、前記保持層は、熱伝導率が半導体基板よりも小さく、赤外線放射層の通電に伴う赤外線放射層からの伝熱による一部の温度上昇と、赤外線放射層から入射する赤外線の反射との少なくとも一方により、赤外線放射層に向かう向きに赤外線を放射し、前記赤外線放射層は、保持層から放射された赤外線を通過させる機能を有することを特徴とする。
この発明によれば、赤外線放射層から保持層に向かって放射されるエネルギーの一部が赤外線放射のエネルギーとして利用されることになり、投入電力に対する赤外線の放射効率を高めることができる。言い換えると、所望の赤外線を放射するのに必要な投入電力の低減につながる。
According to a ninth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to eighth aspects, the holding layer has a thermal conductivity smaller than that of the semiconductor substrate, and the heat transfer from the infrared radiation layer accompanying energization of the infrared radiation layer is one. The infrared radiation is emitted in the direction toward the infrared radiation layer by at least one of the temperature rise of the part and the reflection of the infrared radiation incident from the infrared radiation layer, and the infrared radiation layer has a function of passing the infrared radiation radiated from the holding layer It is characterized by having.
According to the present invention, part of the energy radiated from the infrared radiation layer toward the holding layer is used as the energy of the infrared radiation, and the infrared radiation efficiency with respect to the input power can be increased. In other words, it leads to a reduction in input power necessary to emit desired infrared rays.

請求項10の発明は、請求項1乃至9いずれか記載の発明において、前記保持層の厚み寸法は、屈折率をnとし膜厚をdとした際、目的波長の赤外線に対する光路長が当該赤外線の半波長の自然数倍となる光学膜厚ndとなるように設定されていることを特徴とする。
この発明によれば、目的波長の赤外線に対して保持層において共鳴の条件が成立し、目的波長の赤外線について相対的な放射強度を高めることができる。この形態では、発熱による保持層の熱変形を防止するため、請求項2記載の支持部を設けることが望ましい。
The invention of claim 10 is the invention according to any one of claims 1 to 9, wherein the thickness dimension of the holding layer is such that when the refractive index is n and the film thickness is d, the optical path length with respect to the infrared ray of the target wavelength is the infrared ray. The optical film thickness nd is set to be a natural number multiple of a half wavelength.
According to the present invention, the resonance condition is established in the holding layer for the infrared ray of the target wavelength, and the relative radiation intensity can be increased for the infrared ray of the target wavelength. In this embodiment, it is desirable to provide the support portion according to claim 2 in order to prevent thermal deformation of the holding layer due to heat generation.

請求項11の発明は、請求項1乃至10ずれか記載の発明において、前記保持層は、加熱時に空洞放射により赤外線を放射するマクロポアがバルク半導体に形成され、かつマクロポア内にナノポアが形成された構造であることを特徴とする。
この発明によれば、マクロポアによる空洞放射を利用することで、赤外線の放射効率を高めることがでる。しかも、マクロポア内にナノポアが形成されているから、マクロポアによる空洞放射を阻害せずにマクロポアの形成に伴う保持層の強度低下を補うことができる。さらに、マクロポア内にナノポアが存在するポーラス半導体を保持層に用いることにより、保持層に高い断熱性能が得られる。
According to an eleventh aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to tenth aspects, the holding layer has macropores that radiate infrared rays by cavity emission during heating formed in a bulk semiconductor, and nanopores are formed in the macropores. It is a structure.
According to the present invention, infrared radiation efficiency can be increased by utilizing cavity radiation by macropores. In addition, since the nanopores are formed in the macropores, it is possible to compensate for the decrease in strength of the holding layer that accompanies the formation of the macropores without inhibiting the cavity radiation by the macropores. Furthermore, by using a porous semiconductor having nanopores in the macropores for the holding layer, high heat insulating performance can be obtained in the holding layer.

請求項12の発明は、請求項1乃至10いずれか記載の発明において、前記保持層は、半導体の酸化物を含む電気絶縁膜により形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、半導体を熱酸化などの処理により酸化させるか、酸化物を含む材料のCVDを行うかにより保持層を形成することができるから、製造プロセスが比較的簡単であり、半導体を多孔質化する場合よりも量産性を高めることができる。
According to a twelfth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to tenth aspects, the holding layer is formed of an electrical insulating film containing a semiconductor oxide.
According to this invention, since the holding layer can be formed by oxidizing the semiconductor by a process such as thermal oxidation or performing CVD of the material containing the oxide, the manufacturing process is relatively simple, The mass productivity can be increased as compared with the case of making it porous.

請求項13の発明は、請求項1乃至12いずれか記載の発明において、前記赤外線放射素子は、負の抵抗温度係数を持つ材料により形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、駆動電圧が同じであっても温度上昇に伴ってシート抵抗が低下して赤外線放射層を流れる電流が増加するから、温度上昇に伴って投入電力が増加し、到達最高温度を高くすることができる。また、発熱層に印加する電圧を得るために電源電圧を昇圧回路により昇圧している場合に、到達最高温度を高めながらも昇圧回路の昇圧比の増加を制御することができることになり、昇圧回路での電力損失を抑制できる。
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to twelfth aspects, the infrared radiation element is formed of a material having a negative resistance temperature coefficient.
According to the present invention, even if the driving voltage is the same, the sheet resistance decreases as the temperature rises and the current flowing through the infrared radiation layer increases, so the input power increases as the temperature rises, and the maximum temperature reached Can be high. In addition, when the power supply voltage is boosted by the booster circuit in order to obtain a voltage to be applied to the heat generating layer, it is possible to control the increase in the booster ratio of the booster circuit while increasing the maximum temperature reached. Can reduce power loss.

請求項14の発明は、請求項1乃至13いずれか記載の発明において、前記赤外線放射素子は、TaN,TiNから選択されることを特徴とする。
この発明によれば、赤外線放射層の耐酸化性が高いから、赤外線放射層を空気中に露出させて使用することが可能になる。つまり、真空中あるいは不活性ガス中で使用する必要がなく、パッケージの構造が簡単になる上に、密封のための窓材が不要であって窓材による赤外線の減衰がなく、放射した赤外線の利用効率を高めることができる。さらに、これらの材料は窒素含有率を調整することによりシート抵抗を調整することができるから、所望のシート抵抗を得るのに必要な厚み寸法を調整して熱容量の小さい赤外線放射層を形成することができ、結果的に、高速応答が可能になる。
A fourteenth aspect of the invention is characterized in that, in the invention of any one of the first to thirteenth aspects, the infrared radiation element is selected from TaN and TiN.
According to this invention, since the oxidation resistance of the infrared radiation layer is high, the infrared radiation layer can be exposed and used in the air. In other words, it is not necessary to use in a vacuum or inert gas, the package structure is simplified, no window material for sealing is required, there is no attenuation of infrared by the window material, Use efficiency can be increased. Furthermore, since the sheet resistance of these materials can be adjusted by adjusting the nitrogen content, an infrared radiation layer having a small heat capacity is formed by adjusting the thickness dimension necessary to obtain a desired sheet resistance. As a result, high-speed response is possible.

請求項15の発明は、請求項1乃至14いずれか記載の赤外線放射素子、及び赤外線放射素子に電力を供給して赤外線を放射させる駆動手段を有する赤外線送信器と、所定の波長を有する赤外線のみを透過させるフィルタ、及び前記波長を有する赤外線に対して最も高い感度を有し、フィルタを透過した赤外線を受光して受光信号を出力する赤外線受光手段、及び受光信号に基づいて検知信号を出力する検知手段を有する赤外線検知器と備えることを特徴とする。   A fifteenth aspect of the present invention is the infrared radiation element according to any one of the first to fourteenth aspects, an infrared transmitter having a driving means for supplying power to the infrared radiation element to emit infrared rays, and an infrared ray having a predetermined wavelength only. A filter that transmits light, infrared light receiving means that receives the infrared light that has passed through the filter and outputs a light reception signal, and outputs a detection signal based on the light reception signal An infrared detector having detection means is provided.

この発明によれば、赤外線式ガス検知器において、請求項1乃至14いずれかの効果を有して、高精度、低消費電力化を図ることができる.
請求項16の発明は、半導体基板の一面における所定領域の周縁に陽極酸化マスクを施すマスク工程と、前記所定領域を陽極酸化することで多孔質層を形成する多孔質化工程と、前記多孔質層に対向する半導体基板の厚み方向の領域を陽極酸化により電解研磨することで気体層を形成する電解研磨工程と、前記多孔質層の他面側に赤外線放射層を形成する赤外線放射層形成工程とを備え、前記気体層は、赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする。
According to the present invention, the infrared gas detector has the effect of any one of claims 1 to 14, and can achieve high accuracy and low power consumption.
According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided a mask process for applying an anodic oxidation mask to a peripheral edge of a predetermined area on one surface of a semiconductor substrate, a porous process for forming a porous layer by anodizing the predetermined area, and the porous An electropolishing step of forming a gas layer by electropolishing the region in the thickness direction of the semiconductor substrate facing the layer by anodic oxidation, and an infrared emitting layer forming step of forming an infrared emitting layer on the other side of the porous layer The thickness of the gas layer is set based on the frequency of the voltage applied to the infrared radiation layer, and the gas layer functions as a heat insulation layer when the infrared radiation layer is heated and functions as a heat dissipation layer when the temperature of the infrared radiation layer is lowered. It is characterized by that.

この発明によれば、本製造方法によって製造される赤外線放射素子は、赤外線放射層の昇温時に赤外線放射層から保持層に伝達した熱が気体層によって断熱されるため、断熱層として働く気体層によって赤外線放射層の昇温が阻害されず昇温時間が短くなり、赤外線放射層の降温時には、赤外線放射層から保持層に伝達した熱が、気体層を介して半導体基板へと放熱されるため、放熱層として働く気体層によって赤外線放射層の降温時間が短くなる。従って、赤外線放射層の昇降温が高速で行われて赤外線放射素子を高出力、高周波駆動させることができ、更には、計測時間を短縮できて低消費電力化を図ることができる。また、本製造方法により、陽極酸化による多孔質層の形成と当該多孔質層を介して行う陽極酸化による電解研磨との2段階の陽極酸化によって、低熱容量及び気体層による高い断熱性を備えた多孔質層を中空上に形成することができる。   According to this invention, the infrared radiation element manufactured by the present manufacturing method is such that the heat transferred from the infrared radiation layer to the holding layer when the temperature of the infrared radiation layer is raised is insulated by the gas layer. The temperature rise of the infrared radiation layer is not hindered by this, and the temperature rise time is shortened. When the temperature of the infrared radiation layer is lowered, the heat transferred from the infrared radiation layer to the holding layer is radiated to the semiconductor substrate through the gas layer. The temperature drop time of the infrared radiation layer is shortened by the gas layer acting as the heat dissipation layer. Therefore, the temperature of the infrared radiation layer is raised and lowered at a high speed, and the infrared radiation element can be driven at a high output and a high frequency. Further, the measurement time can be shortened and the power consumption can be reduced. In addition, by this production method, a low heat capacity and a high heat insulating property by a gas layer are provided by two-step anodic oxidation including formation of a porous layer by anodic oxidation and electrolytic polishing by anodic oxidation performed through the porous layer. A porous layer can be formed on the hollow.

請求項17の発明は、請求項16の発明において、前記マスク工程の前に、前記所定領域の所定の箇所に不純物ドープを施す第一のドープ工程を備え、当該不純物ドープが施された箇所には、当該ドープと、前記多孔質化工程によって多孔質化されず前記電解研磨工程においてドープの厚み方向に研磨されずに残存する半導体基板とから支持部が形成され、不純物ドープが施されていない箇所は、前記多孔質化工程によって多孔質層が形成され、前記電解研磨工程において前記多孔質層の厚み方向に対向する半導体基板の領域に気体層が形成されることを特徴とする。   The invention of claim 17 is the invention of claim 16, further comprising a first doping step of doping impurities into a predetermined portion of the predetermined region before the masking step, and at the portion where the impurity doping is performed. Is formed of a support portion from the dope and a semiconductor substrate that is not made porous by the porosification step and is not polished in the thickness direction of the dope in the electropolishing step, and is not doped with impurities. The location is characterized in that a porous layer is formed by the porous step, and a gas layer is formed in a region of the semiconductor substrate facing the thickness direction of the porous layer in the electrolytic polishing step.

この発明によれば、保持層を形成する面の内、支持部を形成する箇所に不純物ドープを施すことで、保持層上に別途陽極酸化マスクを行う必要がなく、保持層に積層される赤外線放射層の段切れや、不均一な抵抗部を無くすことができ、安定動作可能な赤外線放射素子を製造できる。また、支持部が形成されることで、前記電解研磨工程の後に保持層が乾燥するまでの間に半導体基板へ付着することを防止することができる。   According to the present invention, it is not necessary to separately perform an anodic oxidation mask on the holding layer by performing impurity doping on the portion of the surface on which the holding layer is to be formed, so that the infrared layer laminated on the holding layer. The step of the radiation layer and the non-uniform resistance portion can be eliminated, and an infrared radiation element capable of stable operation can be manufactured. Further, by forming the support portion, it is possible to prevent the support layer from adhering to the semiconductor substrate after the electrolytic polishing step and before the holding layer is dried.

請求項18の発明は、請求項16または17の発明において、前記マスク工程の前に、半導体基板の一面において陽極酸化マスクと所定領域との境界において、陽極酸化マスクと所定領域の両方にかかる不純物ドープを施す第二のドープ工程を備え、当該不純物ドープが施された箇所には、当該ドープと前記多孔質化工程によって多孔質化されず前記電解研磨工程によってドープの厚み方向に研磨されずに残存する半導体基板とから補強部が形成され、不純物ドープが施されていない箇所には、前記多孔質化工程によってポーラスシリコン層が形成され、前記電解研磨工程において前記ポーラスシリコン層の厚み方向に対向する半導体基板の領域に気体層が形成されることを特徴とする。   According to an eighteenth aspect of the present invention, in the invention of the sixteenth or seventeenth aspect, before the masking step, an impurity is applied to both the anodized mask and the predetermined region at the boundary between the anodized mask and the predetermined region on one surface of the semiconductor substrate. A second dope process for applying a dope is provided, and the portion subjected to the impurity doping is not made porous by the dope and the porosification process and is not polished in the thickness direction of the dope by the electrolytic polishing process. A porous silicon layer is formed by the porosification step in a portion where the reinforcing portion is formed from the remaining semiconductor substrate and is not doped with impurities, and is opposed to the thickness direction of the porous silicon layer in the electropolishing step. A gas layer is formed in a region of the semiconductor substrate to be processed.

この発明によれば、前記電解研磨工程により気体層が形成される際に、等方的に処理が進行するため、保持層と半導体基板との接続部に不純物ドープが施されていない場合には、当該接続部が除去されてしまい保持層の周縁は陽極酸化マスクのみによって支持されることになるが、保持層と半導体基板との接続部に不純物ドープが施されていることで保持層と半導体基板との接続部にドープによるマスク領域が残存することで当該接続部の強度を高めることができ、昇降温時の赤外線放射層の熱膨張差によって保持層が変形して破損することを防止することができる。   According to the present invention, when the gas layer is formed by the electropolishing process, the process proceeds isotropically. Therefore, when the impurity doped is not applied to the connection portion between the holding layer and the semiconductor substrate. The connection portion is removed, and the periphery of the holding layer is supported only by the anodic oxidation mask. However, the holding layer and the semiconductor are doped by doping impurities in the connection portion between the holding layer and the semiconductor substrate. Since the mask region by doping remains in the connection portion with the substrate, the strength of the connection portion can be increased, and the holding layer is prevented from being deformed and damaged due to the thermal expansion difference of the infrared radiation layer at the time of raising and lowering the temperature. be able to.

請求項19の発明は、半導体基板の一面の所定の領域に犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、前記犠牲層の表面に不純物ドープされたポリシリコン層を形成するポリシリコン層形成工程と、前記ポリシリコン層を陽極酸化することにより多孔質層を形成する多孔質化工程と、前記多孔質層を介して犠牲層をエッチングすることで犠牲層を除去し、多孔質層の一面と半導体基板の一面との間に気体層を形成するエッチング工程と、前記多孔質層の他面に赤外線放射層を形成する赤外線放射層形成工程とを備え、前記気体層は、赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする。   The invention according to claim 19 is a sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer in a predetermined region of one surface of the semiconductor substrate, and a polysilicon layer forming step of forming an impurity-doped polysilicon layer on the surface of the sacrificial layer; A porous step of forming a porous layer by anodizing the polysilicon layer; and removing the sacrificial layer by etching the sacrificial layer through the porous layer, and one surface of the porous layer and the semiconductor substrate An etching step for forming a gas layer between the first surface and an infrared radiation layer forming step for forming an infrared radiation layer on the other surface of the porous layer, wherein the gas layer is applied to the infrared radiation layer. The thickness is set based on the frequency of the voltage, and it functions as a heat insulating layer when the infrared radiation layer is heated and as a heat radiation layer when the infrared radiation layer is cooled.

この発明によれば、本製造方法によって製造された赤外線放射素子は、赤外線放射層の昇温時に赤外線放射層から保持層に伝達した熱が気体層によって断熱されるため、断熱層として働く気体層によって赤外線放射層の昇温が阻害されず昇温時間が短くなり、赤外線放射層の降温時には、赤外線放射層から保持層に伝達した熱が、気体層を介して半導体基板へと放熱されるため、放熱層として働く気体層によって赤外線放射層の降温時間が短くなる。従って、赤外線放射層の昇降温が高速で行われて赤外線放射素子を高出力、高周波駆動させることができ、更には、計測時間を短縮できて低消費電力化を図ることができる。また、本製造方法により、エッチングにより除去される犠牲層を設けた後に、犠牲層に覆設するポリシリコンを陽極酸化により多孔質層とし、当該多孔質層を介して犠牲層をエッチングすることで、多孔質層を中空上に容易に形成することができる。   According to this invention, the infrared radiation element manufactured by the present manufacturing method is such that the heat transferred from the infrared radiation layer to the holding layer when the temperature of the infrared radiation layer is raised is insulated by the gas layer. The temperature rise of the infrared radiation layer is not hindered by this, and the temperature rise time is shortened. When the temperature of the infrared radiation layer is lowered, the heat transferred from the infrared radiation layer to the holding layer is radiated to the semiconductor substrate through the gas layer. The temperature drop time of the infrared radiation layer is shortened by the gas layer acting as the heat dissipation layer. Therefore, the temperature of the infrared radiation layer is raised and lowered at a high speed, and the infrared radiation element can be driven at a high output and a high frequency. Further, the measurement time can be shortened and the power consumption can be reduced. Further, by providing a sacrificial layer to be removed by etching according to this manufacturing method, the polysilicon overlying the sacrificial layer is made into a porous layer by anodization, and the sacrificial layer is etched through the porous layer. The porous layer can be easily formed on the hollow.

請求項20の発明は、請求項19の発明において、前記ポリシリコン層形成工程と多孔質化工程との間に、ポリシリコン層の厚み方向において当該ポリシリコン層の犠牲層と対向する領域の所定の位置に不純物ドープを施すドープ工程を備え、当該不純物ドープが施された箇所は、多孔質化工程によって陽極酸化されず、当該ドープが施された箇所とドープが施された箇所に対向する犠牲層の一部とが、エッチング工程で除去されず残存することで支持部を形成し、不純物ドープが施されていない箇所は、多孔質化工程によって多孔質層が形成され、エッチング工程により前記支持部となる箇所を除いて犠牲層を除去することで気体層が形成されることを特徴とする。   According to a twentieth aspect of the invention, in the invention of the nineteenth aspect, a predetermined region of the polysilicon layer facing the sacrificial layer in the thickness direction of the polysilicon layer is formed between the polysilicon layer forming step and the porous step. A portion where the impurity doping is performed is not anodized by the porosification step, and the portion where the doping is performed and the portion where the doping is performed are sacrificed. A part of the layer remains without being removed in the etching process to form a support part, and a portion not subjected to impurity doping forms a porous layer by a porous process, and the support process is performed by an etching process. The gas layer is formed by removing the sacrificial layer except for the portion to be a part.

この発明によれば、ポリシリコン層に不純物ドープを施すことにより、ポリシリコンに陽極酸化されない領域を形成でき、ポリシリコンを陽極酸化した後に犠牲層をエッチングすることで支持部を容易に同時形成することができる。   According to the present invention, by doping impurities into the polysilicon layer, a region that is not anodized in the polysilicon can be formed, and the sacrificial layer is etched after the polysilicon is anodized, so that the support portion can be easily formed simultaneously. be able to.

以上説明したように、本発明では、高出力、高周波駆動が可能で、低消費電力化が図られた赤外線放射素子及びその製造方法及び当該赤外線放射素子を備えた赤外線式ガス検出器を提供することができるという効果がある。   As described above, the present invention provides an infrared radiation element capable of high output and high frequency drive and low power consumption, a manufacturing method thereof, and an infrared gas detector including the infrared radiation element. There is an effect that can be.

本発明の実施形態1における赤外線放射素子の断面外略図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the infrared radiation element in Embodiment 1 of this invention. 同上における赤外線放射素子の上面図である。It is a top view of the infrared radiation element in the same as the above. 同上における赤外線放射素子の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the infrared radiation element in the same as the above. (a)〜(d)は、同上における赤外線放射素子の電圧波形または、温度波形を示し、(a)は、印加電圧波形、(b)は、式2を満たす場合の温度波形、(c)は、気体層を有さない場合の温度波形、(d)は、式2を満たさない場合の温度波形を示す。(A)-(d) shows the voltage waveform or temperature waveform of the infrared radiation element in the same as above, (a) is an applied voltage waveform, (b) is a temperature waveform when Expression 2 is satisfied, (c) Indicates a temperature waveform when the gas layer is not provided, and (d) indicates a temperature waveform when Equation 2 is not satisfied. 同上における赤外線放射素子の保持層における温度特性を示す図である。It is a figure which shows the temperature characteristic in the holding layer of the infrared rays radiating element same as the above. 同上における赤外線放射素子で、保持層の周縁に不純物ドープが施されていない場合の概略図を示す。In the infrared radiation element same as the above, a schematic view in the case where impurity doping is not applied to the periphery of the holding layer is shown. 同上における赤外線放射素子の保持層の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the holding layer of the infrared rays radiating element same as the above. 本発明の実施形態2における赤外線放射素子の上面図である。It is a top view of the infrared radiation element in Embodiment 2 of the present invention. 本発明の実施形態3における赤外線放射素子の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the infrared rays radiating element in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態4における赤外線式ガス検知器の概略図を示す。The schematic of the infrared type gas detector in Embodiment 4 of this invention is shown. 従来例におけるコイル状フィラメントを備える電球型の赤外線放射素子の正面図である。It is a front view of a light bulb type infrared radiation element provided with a coiled filament in a conventional example. 同上における、ダイヤフラム型の赤外線放射素子の断面外略図である。It is a cross-sectional schematic diagram of a diaphragm type infrared radiation element in the same as above.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施形態1)
本実施形態の赤外線放射素子Aについて図1、2を用いて説明を行った後に、赤外線放射素子Aの製造方法について図3(a)〜(e)を用いて説明を行う。なお図1における上下左右を基準として上下左右方向と直交する方向を前後方向とする。
(Embodiment 1)
The infrared radiating element A of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2, and then the manufacturing method of the infrared radiating element A will be described with reference to FIGS. In addition, let the direction orthogonal to the up-down left-right direction on the basis of the up-down-left-right in FIG.

本実施形態の赤外線放射素子Aは、図1に示すように、半導体基板1と、半導体基板1の上面に形成された薄膜状の保持層2と、半導体基板1の上面及び保持層2の下面によって囲まれた空間からなる厚みの薄い気体層3と、気体層3内において半導体基板1の上面と保持層2の下面とを連結すると共に保持層2を支持する支持部4と、保持層2の上面に積層され、通電による発熱によって赤外線を放射する赤外線放射層5と、赤外線放射層5上に形成される通電用の一対の電極6とを備えている。   As shown in FIG. 1, the infrared radiation element A of the present embodiment includes a semiconductor substrate 1, a thin-film holding layer 2 formed on the upper surface of the semiconductor substrate 1, an upper surface of the semiconductor substrate 1, and a lower surface of the holding layer 2. A thin gas layer 3 composed of a space surrounded by the substrate, a support part 4 for connecting the upper surface of the semiconductor substrate 1 and the lower surface of the holding layer 2 in the gas layer 3 and supporting the holding layer 2, and the holding layer 2 And an infrared radiation layer 5 that emits infrared rays by heat generated by energization, and a pair of electrodes 6 for energization formed on the infrared radiation layer 5.

半導体基板1は、略矩形状の単結晶のシリコン基板が用いられており、その上面の所定の領域をフッ化水素水溶液中で陽極酸化することにより多孔度が70%の多孔質シリコン層(ポーラスシリコン層)からなる略矩形状の保持層2が形成されている。また、半導体基板1で用いられるシリコン基板の導電形は、p形、n形のどちらでもよいが、p形のシリコン基板の方が陽極酸化による多孔質化を行った際に多孔度が大きくなりやすい傾向にあるので、半導体基板1としてはp形のシリコン基板を用いることが好ましい。なお、半導体基板1の一部を陽極酸化する際の電流密度は、半導体基板1の導電形及び導電率に応じて適宜設定すればよい。また、保持層2を形成する多孔質層は、ポーラスポリシリコン層であってもよい。また、電気的絶縁や前後左右方向への熱伝導を抑制する効果を備えるため、ポーラスシリコンやポーラスポリシリコンの一部または全部が酸化、或いは窒化されていてもよい。   As the semiconductor substrate 1, a substantially rectangular single crystal silicon substrate is used, and a predetermined region on the upper surface thereof is anodized in an aqueous hydrogen fluoride solution to form a porous silicon layer (porous) having a porosity of 70%. A substantially rectangular holding layer 2 made of a silicon layer is formed. The conductivity type of the silicon substrate used in the semiconductor substrate 1 may be either p-type or n-type. However, the p-type silicon substrate has a higher porosity when it is made porous by anodic oxidation. Since it tends to be easy, a p-type silicon substrate is preferably used as the semiconductor substrate 1. In addition, what is necessary is just to set suitably the current density at the time of anodizing a part of semiconductor substrate 1 according to the conductivity type and conductivity of the semiconductor substrate 1. The porous layer forming the holding layer 2 may be a porous polysilicon layer. Further, in order to provide an effect of suppressing electrical insulation and heat conduction in the front-rear and left-right directions, part or all of porous silicon or porous polysilicon may be oxidized or nitrided.

保持層2は、ポーラスシリコン層により構成されており多孔度が高くなるにつれて熱伝導率及び体積熱容量が小さくなる。   The holding layer 2 is composed of a porous silicon layer, and its thermal conductivity and volumetric heat capacity decrease as the porosity increases.

一方、陽極酸化により多孔質化する代わりに熱酸化により半導体酸化膜を形成し、この半導体酸化膜を保持層2としてもよい。保持層2として半導体酸化膜を用いる場合には、半導体基板1を熱酸化することにより保持層2を形成したり、酸化物を含む材料でCVDにより保持層2を形成すれば、多孔質化に比較して製造プロセスが簡単になり、量産性を高めることが可能になる。CVDにより保持層2を形成する場合には、アルミナのような熱絶縁性の高い酸化物を用いたり、この種の酸化物を含む材料を用いることが可能である。更には、この種の材料の多孔体を保持層2として形成することも可能である。   On the other hand, instead of making it porous by anodic oxidation, a semiconductor oxide film may be formed by thermal oxidation, and this semiconductor oxide film may be used as the holding layer 2. In the case where a semiconductor oxide film is used as the holding layer 2, if the holding layer 2 is formed by thermally oxidizing the semiconductor substrate 1 or if the holding layer 2 is formed by CVD using a material containing an oxide, the porous layer can be obtained. In comparison, the manufacturing process is simplified, and mass productivity can be improved. When the holding layer 2 is formed by CVD, it is possible to use an oxide with high thermal insulation such as alumina or a material containing this kind of oxide. Furthermore, a porous body of this type of material can be formed as the holding layer 2.

赤外線放射層5は、TaNまたはTiNからなるものを選択するのが望ましい。これらの材料は耐熱性及び耐酸化性に優れている。従って、赤外線放射層5を空気雰囲気で使用することが可能であって、赤外線放射素子Aをパッケージに収納せずにベアチップとして基板に実装することが可能になる。また、パッケージに収納する場合でも赤外線を透過させるためにパッケージに形成した窓孔を封止する必要がなく、当該窓孔に装着する窓部材による赤外線の減衰がないから、赤外線の放射効率を高めることができる。   The infrared radiation layer 5 is preferably selected from those made of TaN or TiN. These materials are excellent in heat resistance and oxidation resistance. Therefore, the infrared radiation layer 5 can be used in an air atmosphere, and the infrared radiation element A can be mounted on the substrate as a bare chip without being housed in a package. Further, even when housed in a package, it is not necessary to seal a window hole formed in the package in order to transmit infrared rays, and there is no attenuation of infrared rays by a window member attached to the window hole, so that infrared radiation efficiency is increased. be able to.

また、これらの材料は、赤外線放射層5として形成するのに適した厚み寸法(数十nm)において、シート抵抗が後述する所望値になるという物性を有している。しかも、シート抵抗成膜時の窒素ガスの分圧によって制御することが可能である。ただし、赤外線放射層5を形成する材料は、TaN,TiN以外も使用可能であり、他の窒化金属や炭化金属を用いてもよい。   Further, these materials have a physical property that the sheet resistance becomes a desired value to be described later in a thickness dimension (several tens of nm) suitable for forming the infrared radiation layer 5. Moreover, it can be controlled by the partial pressure of nitrogen gas during film formation of the sheet resistance. However, the material for forming the infrared radiation layer 5 can be other than TaN and TiN, and other metal nitrides or metal carbides may be used.

電極6は、金属材料(例えばアルミニウムなど)により形成され、赤外線放射層5の左右両端にそれぞれ積層され、図4(a)で示す略正弦波状の電圧が印加される。   The electrodes 6 are formed of a metal material (for example, aluminum) and are laminated on both the left and right ends of the infrared radiation layer 5, respectively, and a substantially sinusoidal voltage shown in FIG.

そして、赤外線放射素子Aは、一対の電極6を介して赤外線放射層5に入力電圧が印加されると、赤外線放射層5が昇温して赤外線を放射し、入力電圧をオフされると赤外線放射層5が降温して赤外線の放射を停止する。赤外線放層5への印加電圧を断続させる場合だけではなく、正弦波状に変化する電圧を印加した場合も電圧の増加期間に温度を上昇させ、電圧の減少期間に温度を下降させることが可能である。つまり、電極6への印加電圧に応じて赤外線の強度を変調することができる。   When the input voltage is applied to the infrared radiation layer 5 via the pair of electrodes 6, the infrared radiation element A raises the temperature of the infrared radiation layer 5 to emit infrared light, and when the input voltage is turned off, the infrared radiation layer A emits infrared light. The radiation layer 5 cools down and stops emitting infrared rays. It is possible to increase the temperature during the voltage increase period and decrease the temperature during the voltage decrease period not only when the voltage applied to the infrared radiation layer 5 is interrupted but also when a voltage that changes sinusoidally is applied. is there. That is, the intensity of infrared light can be modulated according to the voltage applied to the electrode 6.

ところで、上述の構成の赤外線放射素子Aの電極6に正弦波状の電圧を印加するものとして保持層2の熱伝導率をα〔W/mK〕、保持層2の体積熱容量(比熱容量と密度との積)をC〔J/mK〕、赤外線放射層5が応答可能な周波数(印加電圧の周波数の2倍)をf〔Hz〕とすれば、保持層2の熱拡散長μは、次式で表される。
μ=(2α/ωC1/2・・・(式1)
ただし、ω=2πfである。
By the way, assuming that a sinusoidal voltage is applied to the electrode 6 of the infrared radiation element A having the above-described configuration, the thermal conductivity of the holding layer 2 is α p [W / mK], and the volumetric heat capacity (specific heat capacity and density) of the holding layer 2. ) Is C p [J / m 3 K], and the frequency at which the infrared radiation layer 5 can respond (twice the frequency of the applied voltage) is f [Hz], the thermal diffusion length μ of the holding layer 2 Is expressed by the following equation.
μ = (2α p / ωC p ) 1/2 (Expression 1)
However, ω = 2πf.

保持層2は、赤外線放射層5から交流的に変化する熱が与えられたときに、赤外線放射層5から保持層2に向かって放射された赤外線が、保持層2の下面において気体層3に接触するように、保持層2の厚み寸法Lを設定する必要がある。すなわち、保持層2の厚み寸法Lは少なくとも熱拡散長μよりも小さな値に設定する(L<μ)ことが望ましい。 When the heat which changes alternatingly from the infrared radiation layer 5 is given to the retention layer 2, the infrared rays radiated from the infrared radiation layer 5 toward the retention layer 2 are applied to the gas layer 3 on the lower surface of the retention layer 2. It is necessary to set the thickness dimension L p of the holding layer 2 so as to come into contact. That is, it is desirable that the thickness dimension L p of the holding layer 2 is set to a value that is at least smaller than the thermal diffusion length μ (L p <μ).

いま、保持層2をポーラスシリコンにより形成するものとし、赤外線放射層5の応答可能な周波数f、保持層2の体積熱容量C、保持層2の熱伝導率αを、それぞれ、f=10〔kHz〕、C=1.1〔W/mK〕、及び熱伝導率α=1.05×10〔J/mK〕として、上記式1に代入すると、μ=5.8×10−6〔m〕になり、保持層2の厚み寸法Lは、5.8〔μm〕よりも小さくする必要がある。 Now, it is assumed that the holding layer 2 is formed of porous silicon, and the frequency f at which the infrared radiation layer 5 can respond, the volumetric heat capacity C p of the holding layer 2 and the thermal conductivity α p of the holding layer 2 are f = 10, respectively. When [kHz], C p = 1.1 [W / mK], and thermal conductivity α p = 1.05 × 10 6 [J / m 3 K] are substituted into Equation 1 above, μ = 5.8 × 10 −6 [m], and the thickness dimension L p of the holding layer 2 needs to be smaller than 5.8 [μm].

更に、赤外線の放射効率を高めるには、所望の赤外線の真空中での波長をλ〔m〕、保持層2の屈折率をnとして、次式で表される共鳴条件を成立させるのが望ましい。
n×L=m×λ/2・・・(式2)
ただし、mは自然数である。
Further, in order to increase the infrared radiation efficiency, it is desirable to satisfy the resonance condition represented by the following equation, where λ [m] is the desired infrared wavelength in vacuum and the refractive index of the holding layer 2 is n. .
n × L p = m × λ / 2 (Formula 2)
However, m is a natural number.

本実施形態におけるポーラスシリコンにより形成した保持層2の厚み寸法Lは、所望の赤外線の波長を4〔μm〕とし、上記式2において、n=1.35、m=1とすれば、L=1.5〔μm〕になる。すなわち、L=1.5〔μm〕<5.8〔μm〕=μであるから上記式1も満たし、本実施形態において要求される条件を満足することができる。 The thickness dimension L p of the holding layer 2 formed of porous silicon in the present embodiment is such that the desired infrared wavelength is 4 [μm], and if n = 1.35 and m = 1 in the above formula 2, L p = 1.5 [μm]. That is, since L p = 1.5 [μm] <5.8 [μm] = μ, the above formula 1 is also satisfied, and the conditions required in the present embodiment can be satisfied.

すなわち、保持層2は、赤外線放射層5の昇温を阻害せず、赤外線放射層5と保持層2との全体としての体積熱容量を小さくすることができる。そのため、赤外線放射層5は、印加された電圧の変化に高速に応答し、印加電圧の変調周波数を高くすることが可能になる。   That is, the holding layer 2 does not hinder the temperature rise of the infrared radiation layer 5 and can reduce the volumetric heat capacity of the infrared radiation layer 5 and the holding layer 2 as a whole. Therefore, the infrared radiation layer 5 can respond to the change of the applied voltage at high speed, and can increase the modulation frequency of the applied voltage.

また、保持層2をポーラスシリコン層から形成することにより、緻密な絶縁材料から形成する場合に比べて材料的に体積熱容量を低減して熱応答時間を短くし、赤外線放射層5の昇温度効率をより高めることができる。しかも、保持層2の下面は気体層3に接しており、一般に気体は保持層2よりも熱伝導率が小さいから、保持層2の下面を断熱することによって、保持層2から赤外線放射層5の周辺への熱伝導の経路を減少させ赤外線放射層5の周辺への放熱を抑制することになる。したがって、図5の曲線ロで示すように、赤外線放射層5を支持している保持層2は、赤外線放射層5の発熱時に、深さ方向において大きな温度差が生じないように温度上昇することになる。なお、図5の曲線イは、気体層3が設けられていない場合の保持層2の深さ方向における温度の変化を示している。   Further, by forming the holding layer 2 from a porous silicon layer, the volume heat capacity is reduced materially and the thermal response time is shortened compared to the case of forming it from a dense insulating material, and the temperature rising efficiency of the infrared radiation layer 5 is reduced. Can be further enhanced. Moreover, since the lower surface of the holding layer 2 is in contact with the gas layer 3 and gas generally has a lower thermal conductivity than the holding layer 2, the insulating layer 2 is thermally insulated from the holding layer 2 to the infrared radiation layer 5. This reduces the heat conduction path to the periphery of the infrared radiation layer and suppresses heat radiation to the periphery of the infrared radiation layer 5. Therefore, as shown by the curve b in FIG. 5, the temperature of the holding layer 2 supporting the infrared radiation layer 5 rises so that a large temperature difference does not occur in the depth direction when the infrared radiation layer 5 generates heat. become. 5 indicates a change in temperature in the depth direction of the holding layer 2 when the gas layer 3 is not provided.

次に、気体層3は、半導体基板1の上面と保持層2の下面との間に形成されており、その厚みLは、以下の条件で設定するのが望ましい。赤外線放射層5への印加電圧を正弦波状とし、印加電圧の周波数をf〔Hz〕、気体層3の熱伝導率をα〔W/mK〕、気体層3の体積熱容量をC〔J/mK〕とするとき、気体層5の厚み寸法Lを次式で表される範囲に設定する。
0. 05L´<L<3L´・・・(式3)
ただし、L´=(2α/ωC1/2、ω=2πfである。
Next, the gas layer 3 is formed between the upper surface of the semiconductor substrate 1 and the lower surface of the holding layer 2, and the thickness Lg is desirably set under the following conditions. The applied voltage to the infrared radiation layer 5 is sinusoidal, the frequency of the applied voltage is f [Hz], the thermal conductivity of the gas layer 3 is α g [W / mK], and the volumetric heat capacity of the gas layer 3 is C g [J / M 3 K], the thickness dimension L g of the gas layer 5 is set to a range represented by the following formula.
0. 05L g '<L g <3L g ' (Formula 3)
However, L g ′ = (2α g / ωC g ) 1/2 and ω = 2πf.

例えば、赤外線放射層5への印加電圧を周波数f=10〔kHz〕の正弦波とし、気体層3の体積熱容量C、気体層3の熱伝導率αをそれぞれ、α=0.0254〔J/mK〕、C=1.21×10〔J/mK〕とすれば、上記式3から、1.3〔μm〕<L<77.5〔μm〕になるから、気体層3の厚み寸法Lを、例えば25〔μm〕に設定することにより、上記式5を満足することができる。望ましくは、この範囲内で温度振幅比が最大となる厚みに設定する。 For example, the voltage applied to the infrared radiation layer 5 is a sine wave having a frequency f = 10 [kHz], and the volumetric heat capacity C g of the gas layer 3 and the thermal conductivity α g of the gas layer 3 are respectively α g = 0.0254. If [J / m 3 K] and C g = 1.21 × 10 3 [J / mK], from the above formula 3, 1.3 [μm] <L g <77.5 [μm]. the thickness L g of the gas layer 3, for example, by setting the 25 [μm], can satisfy the above equation 5. Desirably, the thickness is set so that the temperature amplitude ratio is maximized within this range.

また、気体層3は、半導体基板1の温度を一定とすれば保持層2の温度と気体層3の厚み寸法Lとに依存して断熱性と放熱性とのいずれかの機能を持つから、気体層3の厚み寸法Lを上記式3の条件範囲において適宜に調節することにより、赤外線放射層5への印加電圧が上昇する期間には気体層3に断熱性を持たせ、赤外線放射層5への印加電圧が下降する期間には気体層3の放熱性をもたせることが可能になる。 Further, the gas layer. 3, since depending the temperature of the semiconductor substrate 1 in the thickness L g between the temperature and the gas layer 3 of the holding layer 2 if constant with any of the functions of the heat dissipation and heat insulation Further, by adjusting the thickness dimension L g of the gas layer 3 appropriately within the condition range of the above formula 3, the gas layer 3 is provided with heat insulation during the period when the applied voltage to the infrared radiation layer 5 is increased, and infrared radiation is emitted. During the period when the voltage applied to the layer 5 is lowered, the heat dissipation of the gas layer 3 can be provided.

すなわち、気体層3の断熱性と放熱性とを利用するタイミングを、赤外線放射層5への印加電圧の増減のタイミングにほぼ一致させることが可能になり、赤外線放射層5への印加電圧が高周波で変調されている場合でも、赤外線放射層5の温度を電圧の周波数に略同期するように変化させることが可能になる。つまり、気体層3を設けることで応答性を高めることが可能になる。   That is, it is possible to make the timing of using the heat insulation and heat dissipation of the gas layer 3 substantially coincide with the timing of increase / decrease of the voltage applied to the infrared radiation layer 5, and the voltage applied to the infrared radiation layer 5 is high frequency. Even when modulated by the above, it is possible to change the temperature of the infrared radiation layer 5 so as to be substantially synchronized with the frequency of the voltage. That is, it is possible to improve the responsiveness by providing the gas layer 3.

また、赤外線放射層5に印加する駆動電圧で赤外線の放射強度を制御する場合に、赤外線放射層5に投入する電力が同じであれば、シート抵抗が小さい赤外線放射層5ほど駆動電圧を低減することができる。駆動電圧が低ければ、昇圧による損失を低減できると共に、赤外線放射素子A内の電界強度が小さくなって破損の可能性を低減できるから、シート抵抗は小さいほうが望ましい。   Further, when the infrared radiation intensity is controlled by the drive voltage applied to the infrared radiation layer 5, if the power supplied to the infrared radiation layer 5 is the same, the drive voltage is reduced as the infrared radiation layer 5 has a lower sheet resistance. be able to. If the driving voltage is low, loss due to boosting can be reduced and the electric field strength in the infrared radiation element A can be reduced to reduce the possibility of breakage. Therefore, the sheet resistance is preferably small.

更に、赤外線放射層5は、温度上昇に伴ってシート抵抗が低下する負の抵抗温度係数を持っている。したがって、駆動電圧が同じであっても温度上昇に伴ってシート抵抗が低下して赤外線放射層5を流れる電流が増加する。すなわち、温度上昇に伴って投入電力が増加し、到達最高点温度を高くすることができる。   Further, the infrared radiation layer 5 has a negative resistance temperature coefficient in which the sheet resistance decreases with increasing temperature. Therefore, even if the drive voltage is the same, the sheet resistance decreases as the temperature rises, and the current flowing through the infrared radiation layer 5 increases. That is, as the temperature rises, the input power increases, and the ultimate temperature can be increased.

ちなみに、赤外線放射層5にTaNを用いて抵抗温度係数をー0.001〔℃―1〕に設定し、駆動時の最高到達温度を500〔℃〕として、その温度でのシート抵抗を300〔Ωsq〕とすれば、室温でのシート抵抗は571〔Ωsq〕になる。 Incidentally, the resistance temperature coefficient is set to −0.001 [° C. −1 ] using TaN for the infrared radiation layer 5, the maximum temperature reached during driving is set to 500 [° C.], and the sheet resistance at that temperature is set to 300 [° C. Ωsq], the sheet resistance at room temperature is 571 [Ωsq].

上述のように赤外線放射層5に負の抵抗温度係数を持たせることで、赤外線放射層5に印加する電圧を得るために電源電圧を昇圧回路により昇圧している場合に、到達最高点温度を高めながらも昇圧回路の昇圧比の増加を抑制することができることになり、昇圧回路での電力損失を抑制できる。   As described above, when the infrared radiation layer 5 has a negative resistance temperature coefficient, when the power supply voltage is boosted by a booster circuit in order to obtain a voltage to be applied to the infrared radiation layer 5, the maximum temperature reached is reached. While increasing the voltage, the increase in the boost ratio of the booster circuit can be suppressed, and power loss in the booster circuit can be suppressed.

ここで、気体層3を備えていない場合には、断熱性能が不足して放熱性能が断熱性能を上回る。従って、10kHzで変調された入力電圧が印加された場合、赤外線放射層5の温度は図4(c)で示すように、昇温時間T1で所定の赤外線強度を得ることができる温度まで上昇せず、降温時間T2で放熱されて低温状態を維持することから上記効果を得ることができない。   Here, when the gas layer 3 is not provided, the heat insulation performance is insufficient and the heat radiation performance exceeds the heat insulation performance. Therefore, when an input voltage modulated at 10 kHz is applied, the temperature of the infrared radiation layer 5 is raised to a temperature at which a predetermined infrared intensity can be obtained at the temperature rise time T1, as shown in FIG. In other words, since the heat is dissipated in the temperature lowering time T2 and the low temperature state is maintained, the above effect cannot be obtained.

また、図12に示す従来例のダイヤフラム型赤外線放射素子50において、凹部52を気体層3とすると、基板51の厚み(525μm)と凹部52の深さが略等しいことから、気体層3の厚みLがL=525μmとなり、前記式2を満たさず放熱性能が不足する。従って、10kHzで変調された入力電圧が印加された場合、赤外線放射層5の温度は図4(d)で示すように、昇温時間T1には気体層3が断熱層として働き昇温する。しかし、降温時間T2においては放熱性能が不足するため、発光層54の温度は昇降温を繰り返す度に上昇し、過熱状態となって上記効果を得ることができない。 In addition, in the diaphragm type infrared radiation element 50 of the conventional example shown in FIG. 12, when the recess 52 is the gas layer 3, the thickness of the substrate 51 (525 μm) and the depth of the recess 52 are substantially equal. L g becomes L g = 525 μm, and the above formula 2 is not satisfied and the heat dissipation performance is insufficient. Therefore, when an input voltage modulated at 10 kHz is applied, the temperature of the infrared radiation layer 5 increases as the gas layer 3 acts as a heat insulating layer during the temperature rise time T1, as shown in FIG. 4 (d). However, since the heat dissipation performance is insufficient during the temperature lowering time T2, the temperature of the light emitting layer 54 increases each time the temperature rises and falls repeatedly, and becomes overheated and the above effect cannot be obtained.

次に、支持部4は、多孔質層よりも機械的強度の高い単結晶シリコンによって下から上に向かって拡径する略円錐台状に形成されており、4つの支持部4が気体層3内において互いに所定の間隔を空けて設けられ、半導体基板1の上面と保持層2の下面とを連結すると共に保持層2を支持している。そのため、赤外線放射層5の昇降温による熱膨張差によって、保持層2が半導体基板1に付着することを防止でき、赤外線放射層5の昇温阻害や変形による破損を防止することができる。なお、本実施形態では、支持部4が保持層2の下面を支持しているが、支持部4が保持層2を貫通した状態で支持していてもよい。   Next, the support part 4 is formed in a substantially truncated cone shape whose diameter is increased from the bottom to the top by single crystal silicon having higher mechanical strength than the porous layer, and the four support parts 4 are the gas layers 3. The upper surface of the semiconductor substrate 1 and the lower surface of the holding layer 2 are connected to each other and the holding layer 2 is supported. Therefore, it is possible to prevent the holding layer 2 from adhering to the semiconductor substrate 1 due to the difference in thermal expansion caused by the temperature rise and fall of the infrared radiation layer 5, and it is possible to prevent the infrared radiation layer 5 from being hindered in temperature rise and damaged due to deformation. In the present embodiment, the support portion 4 supports the lower surface of the holding layer 2, but the support portion 4 may support the holding layer 2 in a penetrating state.

また、特に半導体基板1が単結晶シリコンで、支持部4がその一部を残存した単結晶シリコンで形成される場合、支持部4と半導体基板1の接続部に発生する応力はゼロとなって支持部4の強度は更に高くなり、より効果的である。   In particular, when the semiconductor substrate 1 is made of single crystal silicon and the support portion 4 is made of single crystal silicon with a part thereof remaining, the stress generated at the connection portion between the support portion 4 and the semiconductor substrate 1 becomes zero. The strength of the support part 4 is further increased and is more effective.

ところで、本実施形態の赤外線放射素子Aにおいて赤外線放射層5から放射される赤外線のピーク波長は、赤外線放射層5の温度に依存し、ピーク波長をλ(μm)、赤外線放射層5の絶対温度をT(K)とすれば、ピーク波長は、
λ=2898/T・・・(式3)
となり、赤外線放射層5の絶対温度Tと赤外線放射層5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側を満たしている。要するに、図示しない外部電源から一対の電極6間に印加する電圧の振幅や波形を調整することにより、赤外線放射層5に単位時間当たりに発生するジュール熱を変化させる(つまり、赤外線放射層5の温度を変化させる)ことができて、赤外線放射層5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。
By the way, in the infrared radiation element A of the present embodiment, the peak wavelength of infrared radiation emitted from the infrared radiation layer 5 depends on the temperature of the infrared radiation layer 5, the peak wavelength is λ (μm), and the absolute temperature of the infrared radiation layer 5. Is T (K), the peak wavelength is
λ = 2898 / T (Formula 3)
Thus, the relationship between the absolute temperature T of the infrared radiation layer 5 and the peak wavelength λ of the infrared radiation emitted from the infrared radiation layer 5 satisfies the displacement side of Vienna. In short, the Joule heat generated per unit time in the infrared radiation layer 5 is changed by adjusting the amplitude and waveform of the voltage applied between the pair of electrodes 6 from an external power source (not shown) (that is, the infrared radiation layer 5 Temperature) and the peak wavelength λ of infrared rays emitted from the infrared emitting layer 5 can be changed.

例えば、一対の電極6間に100V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、電極6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λが4μm以上の赤外線を放射させることも可能である。   For example, it is possible to emit infrared rays having a peak wavelength λ of 3 μm to 4 μm by applying a voltage of about 100 V between the pair of electrodes 6, and by adjusting the voltage applied between the electrodes 6 appropriately, It is also possible to emit infrared rays having a wavelength λ of 4 μm or more.

また、本実施形態の構成では、電極6への電圧印により赤外線放射層5に通電されると、図1にE1として示しているように、赤外線放射層5から上方へ赤外線が放射されると共に、赤外線放射層5から保持層2への伝熱により保持層2が加熱され、図1にE2として示しているように、保持層2の一部の温度上昇により保持層2からも赤外線が放射される。保持層2は、赤外線放射層5を支持しているから、赤外線放射層5から直接伝熱されることになり、赤外線放射層5を熱源として直熱型の赤外線放射源を構成していると言える。   Further, in the configuration of the present embodiment, when the infrared radiation layer 5 is energized by the voltage mark applied to the electrode 6, infrared rays are emitted upward from the infrared radiation layer 5 as indicated by E1 in FIG. The holding layer 2 is heated by heat transfer from the infrared radiation layer 5 to the holding layer 2, and infrared rays are also emitted from the holding layer 2 due to a temperature rise of a part of the holding layer 2, as indicated by E 2 in FIG. Is done. Since the holding layer 2 supports the infrared radiation layer 5, heat is directly transferred from the infrared radiation layer 5, and it can be said that the infrared radiation layer 5 is used as a heat source to constitute a direct heat type infrared radiation source. .

ここで、赤外線放射層5は、赤外線透過性を有しており、保持層2から赤外線放射層5に向かう向きに放射された赤外線は赤外線放射層5を透過して赤外線放射層5の上方へ放射される。つまり、赤外線放射素子Aからは、赤外線放射層5から上方へ放射される赤外線E1と、保持層2から赤外線放射層5を透過して赤外線放射層5の上方へ放射される赤外線E2とが併せて放射され、結果的に投入電力に対する赤外線の放射効率を高めることができる。   Here, the infrared radiation layer 5 has infrared transparency, and the infrared radiation radiated from the holding layer 2 in the direction toward the infrared radiation layer 5 passes through the infrared radiation layer 5 and is above the infrared radiation layer 5. Radiated. That is, from the infrared radiation element A, the infrared radiation E1 emitted upward from the infrared radiation layer 5 and the infrared radiation E2 transmitted from the holding layer 2 through the infrared radiation layer 5 and emitted above the infrared radiation layer 5 are combined. As a result, the infrared radiation efficiency with respect to the input power can be increased.

上記構成からなる本実施形態の赤外線放射素子Aは、赤外線放射層5の昇温時に赤外線放射層5から保持層2に伝達した熱が気体層3によって断熱されるため、断熱層として働く気体層3によって赤外線放射層5の昇温が阻害されず昇温時間T1が短くなり、降温時には、赤外線放射層5から保持層2に伝達した熱が、気体層3を介して半導体基板1へと放熱されるため、放熱層として働く気体層3によって赤外線放射層5の降温時間T2を短くできる。従って、図4(b)で示す赤外線放射層5の温度変化が、図4(a)で示す入力電圧の波形に同期して昇降温し、赤外線放射素子Aは高出力な赤外線を放射すると共に高周波駆動することができ、低消費電力化を図ることができる。   The infrared radiation element A of the present embodiment configured as described above is a gas layer that acts as a heat insulation layer because the heat transmitted from the infrared radiation layer 5 to the holding layer 2 when the temperature of the infrared radiation layer 5 is increased is insulated by the gas layer 3. 3 does not inhibit the temperature rise of the infrared radiation layer 5 and the temperature rise time T1 is shortened. When the temperature is lowered, the heat transferred from the infrared radiation layer 5 to the holding layer 2 is radiated to the semiconductor substrate 1 through the gas layer 3. Therefore, the temperature lowering time T2 of the infrared radiation layer 5 can be shortened by the gas layer 3 serving as a heat dissipation layer. Therefore, the temperature change of the infrared radiation layer 5 shown in FIG. 4B rises and falls in synchronization with the waveform of the input voltage shown in FIG. 4A, and the infrared radiation element A emits high-power infrared light. High frequency driving can be achieved, and power consumption can be reduced.

以下、本実施形態の赤外線放射素子Aの製造方法について図3(a)〜(e)を用いて説明する。なお、上記赤外線放射素子Aでは、支持部4が4つ形成されているが、本製造方法の説明においては、支持部4が1つであるものとして説明を行う。   Hereinafter, the manufacturing method of the infrared radiation element A of this embodiment is demonstrated using Fig.3 (a)-(e). In addition, in the said infrared radiation element A, although the four support parts 4 are formed, in the description of this manufacturing method, it demonstrates as what the support part 4 is one.

まず、図3(a)に示すように、例えば、比抵抗が80〜120Ωcm程度の略矩形板状のp型半導体基板1の上面において所定の矩形領域を囲むPの不純物ドープ8を施すドープ工程を行い、当該矩形領域の左右方向略中央にPの不純物ドープ7を施すドープ工程を行う。その際、当該不純物ドープ7の径は、支持部4の径よりも大きくなるように施され、更に気体層3の厚みと同程度の厚みを持つように施される。 First, as shown in FIG. 3A, for example, a doping is performed by applying P + impurity doping 8 surrounding a predetermined rectangular region on the upper surface of a substantially rectangular plate-shaped p-type semiconductor substrate 1 having a specific resistance of about 80 to 120 Ωcm. The process is performed, and a doping process is performed in which P + impurity doping 7 is applied to the approximate center in the left-right direction of the rectangular region. At that time, the impurity dope 7 is applied so that the diameter of the impurity dope 7 is larger than the diameter of the support portion 4, and further, has a thickness comparable to the thickness of the gas layer 3.

次に、アニール処置を行い不純物ドープ7,8を拡散及び活性化する。これにより、不純物ドープ7,8が施された領域は、n型の陽極酸化マスクとなる。その後、図3(b)に示すように、半導体基板1の上面において矩形枠状に形成された不純物ドープ8と当該不純物ドープ8よりも外側の領域とにかかる領域に、酸化処理(パイロ酸化)を行うことでシリコン酸化膜からなる陽極酸化マスク11を施すマスク工程を行い。そして、半導体基板1の裏面のシリコン酸化膜を除去した後、バックコンタクト用のアルミ電極9をスパッタにより形成する。   Next, annealing treatment is performed to diffuse and activate the impurity dopes 7 and 8. Thereby, the region to which the impurity dopings 7 and 8 are applied becomes an n-type anodic oxidation mask. Thereafter, as shown in FIG. 3B, an oxidation treatment (pyro-oxidation) is performed on a region covering the impurity dope 8 formed in a rectangular frame shape on the upper surface of the semiconductor substrate 1 and a region outside the impurity dope 8. A mask process for applying the anodic oxidation mask 11 made of a silicon oxide film is performed. Then, after removing the silicon oxide film on the back surface of the semiconductor substrate 1, an aluminum electrode 9 for back contact is formed by sputtering.

そして、図3(c)に示すように、前記矩形領域に陽極酸化処理を施す多孔質化工程を行うことによって、前記矩形領域内で不純物ドープ7,8が施された箇所を除いた領域が多孔質化され、多孔質層の保持層2が形成される。ここで、陽極酸化処理では、当該電解液として、フッ化水素水溶液とエタノールとを混合したフッ化水素30%の溶液を用い、陽極酸化を行う表面のみを電解液に接触させ、半導体基板1の上面に図示しない白金電極を配置して、下面より通電可能な治具にセットし、所定の電流密度(例えば、100mA/cm)の電流を所定時間だけ流すことにより1μmの厚みを持った多孔質層を形成する。 And as shown in FIG.3 (c), the area | region except the part to which the impurity doping 7 and 8 was given in the said rectangular area | region is performed by performing the porosification process which anodizes the said rectangular area | region. The porous layer is formed to form a porous layer holding layer 2. Here, in the anodic oxidation treatment, a 30% hydrogen fluoride solution obtained by mixing a hydrogen fluoride aqueous solution and ethanol is used as the electrolytic solution, and only the surface to be anodized is brought into contact with the electrolytic solution. A platinum electrode (not shown) is arranged on the upper surface, set in a jig that can be energized from the lower surface, and a porous material having a thickness of 1 μm by flowing a current of a predetermined current density (for example, 100 mA / cm 2 ) for a predetermined time. Form a quality layer.

また、保持層2の厚みは、前記式1に基づいて形成されることで、赤外線放射層5は印加される電圧の周波数に対応して高速に昇温が行われ、大きな赤外線強度振幅を得ることができる。   Further, the thickness of the holding layer 2 is formed based on the above formula 1, so that the infrared radiation layer 5 is heated at a high speed corresponding to the frequency of the applied voltage, and a large infrared intensity amplitude is obtained. be able to.

続いて、図3(d)に示すように、前記多孔質層からなる保持層2を介して保持層2と対向する半導体基板1の厚み方向の領域を電解研磨する電解研磨工程を行うことで気体層3を形成する。その際、不純物ドープ7が施された箇所の下方の半導体基板1を残存することで略円錐台状の支持部4が同時形成される。ここで、電解研磨処理では、当該電解液として、フッ化水素水溶液とエタノールとを混合したフッ化水素15%の溶液を用い、陽極酸化を行う表面のみを電解液に接触させ、半導体基板1の上面に図示しない白金電極を配置して、下面から通電可能な治具にセットし、所定の電流密度(例えば、1000mA/cm)の電流を所定時間だけ流すことにより25μmの厚みを持った気体層3を形成する。 Subsequently, as shown in FIG. 3D, an electropolishing step of performing electropolishing of the region in the thickness direction of the semiconductor substrate 1 facing the holding layer 2 through the holding layer 2 made of the porous layer is performed. The gas layer 3 is formed. At this time, the substantially frustoconical support portion 4 is simultaneously formed by leaving the semiconductor substrate 1 below the portion where the impurity doping 7 has been applied. Here, in the electrolytic polishing treatment, a 15% hydrogen fluoride solution obtained by mixing an aqueous hydrogen fluoride solution and ethanol is used as the electrolytic solution, and only the surface to be anodized is brought into contact with the electrolytic solution. A gas having a thickness of 25 μm is arranged by placing a platinum electrode (not shown) on the upper surface, setting it on a jig that can be energized from the lower surface, and flowing a current of a predetermined current density (for example, 1000 mA / cm 2 ) for a predetermined time. Layer 3 is formed.

ここで、気体層3の厚みは、前記式2に基づいて形成されることで、気体層3が断熱層から放熱層に切り替わるタイミングと、赤外線放射層5に印加される電圧が昇圧から降圧に切り替わるタイミングとを略一致させることができ、赤外線放射層5に印加される電圧が高周波変調されている場合であっても、電圧の周波数に略同期して赤外線放射層5を昇降温させることができると共に、大きな赤外線放射振幅を得ることができる。   Here, the thickness of the gas layer 3 is formed on the basis of the above formula 2, so that the timing at which the gas layer 3 is switched from the heat insulation layer to the heat dissipation layer, and the voltage applied to the infrared radiation layer 5 is reduced from step-up to step-down. The switching timing can be made substantially coincident, and even when the voltage applied to the infrared radiation layer 5 is subjected to high frequency modulation, the infrared radiation layer 5 can be raised and lowered substantially in synchronization with the frequency of the voltage. In addition, a large infrared radiation amplitude can be obtained.

また、上記多孔質化工程及び電解研磨工程では等方的に処理が進行するため、不純物ドープ8が施されていない場合には、図6に示すように保持層2の周縁が陽極酸化マスク11のみによって支持された状態となって機械的強度が小さいものとなる。しかし、本実施形態では、保持層2の周縁と半導体基板1の境界に不純物ドープ8が施されていることで、保持層2の周縁は不純物ドープ8によって形成されるn型シリコン基板を介して半導体基板1と接続されて機械的強度の大きいものとなっている。   In addition, since the process proceeds isotropically in the porosification process and the electropolishing process, when the impurity doping 8 is not performed, the periphery of the holding layer 2 is an anodizing mask 11 as shown in FIG. Therefore, the mechanical strength is small. However, in the present embodiment, since the impurity doping 8 is applied to the boundary between the holding layer 2 and the semiconductor substrate 1, the holding layer 2 has a periphery through the n-type silicon substrate formed by the impurity doping 8. It is connected to the semiconductor substrate 1 and has high mechanical strength.

そして、図3(e)に示すように、陽極酸化マスク11に囲まれた領域に、通電により発熱する貴金属(Ir)からなる赤外線放射層5を100nm程度積層する赤外線放射層形成工程を行い、その後に当該赤外線放射層5の左右両端に一対の電極6を設ける電極形成工程を行う。ここで、電極6は、メタルマスクなどを利用した蒸着法などによって設けられる。なお、本実施形態では、赤外線放射層5として貴金属のIrから形成しているが材料はこれに限定されず、耐熱性金属、金属窒化物、金属炭化物等、通電により発熱する耐熱性材料であればよく、好ましくは放射率の高いものが望ましい。   And as shown in FIG.3 (e), the infrared radiation layer formation process which laminates | stacks the infrared radiation layer 5 which consists of noble metal (Ir) which generate | occur | produces with electricity by about 100 nm in the area | region enclosed by the anodic oxidation mask 11 is performed, Thereafter, an electrode forming step is performed in which a pair of electrodes 6 are provided on both left and right ends of the infrared radiation layer 5. Here, the electrode 6 is provided by an evaporation method using a metal mask or the like. In this embodiment, the infrared radiation layer 5 is made of Ir, a noble metal, but the material is not limited to this, and may be a heat-resistant material that generates heat when energized, such as a heat-resistant metal, metal nitride, or metal carbide. The high emissivity is desirable.

以上、図3(a)〜(e)で示される赤外線放射素子Aの製造方法によれば、陽極酸化による多孔質化工程と陽極酸化による電解研磨工程の2段階の陽極酸化を施すことによって、低体積熱容量及び高断熱性を有する多孔質層(保持層2)を容易に中空上に形成することができる。   As described above, according to the manufacturing method of the infrared radiation element A shown in FIGS. 3A to 3E, by performing the two-step anodic oxidation of the porous step by anodic oxidation and the electrolytic polishing step by anodic oxidation, A porous layer (holding layer 2) having a low volumetric heat capacity and high heat insulation can be easily formed on the hollow.

また、半導体基板1の上面において支持部4を形成する箇所に不純物ドープ7を施していることで、支持部4を形成する箇所にマスク工程で別途段差を伴う陽極酸化マスクを施す必要がないため、その上面に積層される赤外線放射層5に段切れや不均一な抵抗部の発生が起こらず、安定動作可能な赤外線放射素子Aを製造できる。   In addition, since the impurity doping 7 is applied to the portion where the support portion 4 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 1, it is not necessary to apply an anodic oxidation mask with a separate step to the portion where the support portion 4 is formed in the mask process. Infrared radiation element A capable of stable operation can be manufactured without causing step breakage or generation of non-uniform resistance in the infrared radiation layer 5 laminated on the upper surface.

更に、支持部4が形成されることで、電解研磨工程の後に行われる乾燥過程において保持層2が半導体基板1に付着することを防止することができる。   Furthermore, by forming the support portion 4, it is possible to prevent the holding layer 2 from adhering to the semiconductor substrate 1 in the drying process performed after the electropolishing process.

なお、本実施形態では、入力電圧として略正弦波状の電圧が印加されるが、入力電圧はこれに限定されず略矩形パルス状の電圧であってもよい。   In the present embodiment, a substantially sinusoidal voltage is applied as the input voltage. However, the input voltage is not limited to this and may be a substantially rectangular pulse voltage.

また、本実施形態では、上述したように半導体基板1を陽極酸化により多孔質化したポーラス半導体を保持層2として用い、赤外線放射層5の発熱により赤外線を発生させるのに加えて、赤外線放射層5で保持層2を加熱することにより赤外線を発生させ、赤外線の放射効率を高めているが、保持層2として以下の構造を採用することにより、赤外線の放射効率を更に高めることが可能になる。   In the present embodiment, as described above, a porous semiconductor obtained by making the semiconductor substrate 1 porous by anodic oxidation is used as the holding layer 2, and in addition to generating infrared rays by heat generation of the infrared emission layer 5, the infrared emission layer Infrared rays are generated by heating the holding layer 2 in 5 to increase the infrared radiation efficiency. However, by adopting the following structure as the holding layer 2, it is possible to further increase the infrared radiation efficiency. .

すなわち、保持層2は、図7に示すように、バルク状シリコンからなる数μmのマクロポア(図示していないが、バルク状シリコンの表面が微視的に波打っている)内に、数nmのナノポアが形成された構造を有する。この構成は、陽極酸化の際に、半導体基板1の導電型、比抵抗、陽極酸化の条件(電解液の組成、電流密度、処理時間)を調節することにより形成する。たとえば、半導体基板1として、100Ωcm程度の高抵抗のp型シリコン基板を用い、陽極酸化の条件としてはフッ酸濃度が25%程度の高濃度のフッ酸溶液を用い、100mA/cm程度の比較的大きな電流密度で処理すればいい。 That is, as shown in FIG. 7, the holding layer 2 has a thickness of several nanometers within a macropore of several μm made of bulk silicon (not shown, but the surface of the bulk silicon is microscopically undulated). The nanopore is formed. This configuration is formed by adjusting the conductivity type, specific resistance, and anodic oxidation conditions (electrolyte composition, current density, processing time) of the semiconductor substrate 1 during anodic oxidation. For example, a p-type silicon substrate having a high resistance of about 100 Ωcm is used as the semiconductor substrate 1 and a hydrofluoric acid solution having a high concentration of hydrofluoric acid of about 25% is used as an anodic oxidation condition. The comparison is about 100 mA / cm 2. It can be processed with a large current density.

保持層2として図7に示す構造を採用すると、赤外線放射層5からの熱で保持層2が加熱されると、マクロポアによる空洞放射が生じて赤外線の放射率を一層高くすることができる。しかも、マクロポア内にナノポアが形成されていることにより、保持層2の表面にナノサイズの微細な凹凸が生じるだけであって、保持層2の表面状態が赤外線放射層5にほどんど影響しないから、赤外線放射層5を数十nm程度の厚みに形成することが可能である。   When the structure shown in FIG. 7 is adopted as the holding layer 2, when the holding layer 2 is heated by the heat from the infrared radiation layer 5, cavity radiation is generated by macropores, and the infrared emissivity can be further increased. In addition, since nanopores are formed in the macropores, only nano-sized fine irregularities are generated on the surface of the holding layer 2, and the surface state of the holding layer 2 has little influence on the infrared radiation layer 5. The infrared radiation layer 5 can be formed to a thickness of about several tens of nanometers.

保持層2を赤外線の放射に寄与させるには、保持層2の厚み寸法を0.5μm以上に設定する必要がある。この厚み寸法は、前記式1を用いて、赤外線放射層5に印加する電圧の周波数との関係により設定される。   In order for the holding layer 2 to contribute to infrared radiation, the thickness dimension of the holding layer 2 needs to be set to 0.5 μm or more. This thickness dimension is set according to the relationship with the frequency of the voltage applied to the infrared radiation layer 5 using the formula 1.

(実施形態2)
本実施形態における赤外線放射素子Bは、前記実施形態1の赤外線放射素子Aと、赤外線放射層5の配置のみが異なる。なお、実施形態1の赤外線放射素子Aと同様の機能を有するものについては同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 2)
The infrared radiation element B in the present embodiment is different from the infrared radiation element A of the first embodiment only in the arrangement of the infrared radiation layer 5. In addition, about the thing which has the function similar to the infrared radiation element A of Embodiment 1, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.

前記実施形態1では、赤外線放射層5が保持層2の上面全面に積層されていたが、本実施形態では、図8に示すように、赤外線放射層5は、保持層2の上面において前後方向に3分割されて配設されており、3つの赤外線放射層5間に露出する2箇所の保持層2の下面側に左右方向に所定の間隔を空けて2つの支持部4がそれぞれ設けられている。なお、本実施形態では、赤外線放射層5は3箇所に分割されているが、分割数はこれに限定されず、2箇所または4箇所以上であってもよいものとする。   In the first embodiment, the infrared radiation layer 5 is laminated on the entire upper surface of the holding layer 2. However, in this embodiment, as shown in FIG. The two support portions 4 are respectively provided at predetermined intervals in the left-right direction on the lower surface side of the two holding layers 2 exposed between the three infrared radiation layers 5. Yes. In addition, in this embodiment, although the infrared radiation layer 5 is divided | segmented into three places, the division | segmentation number is not limited to this, Two places or four or more places shall be sufficient.

以上により、熱伝導率が保持層2に比べて高い赤外線放射層5が、支持部4に直接接しないため、赤外線放射層5で発生する熱が支持部4を介して半導体基板1側へ放熱されることを抑制でき、赤外線放射層5の発光効率を高めることができる。   As described above, since the infrared radiation layer 5 having higher thermal conductivity than the holding layer 2 does not directly contact the support portion 4, heat generated in the infrared radiation layer 5 is radiated to the semiconductor substrate 1 side through the support portion 4. That can be suppressed, and the luminous efficiency of the infrared radiation layer 5 can be increased.

また、赤外線放射層5と支持部4とが直接接していないことで、赤外線放射層5と支持部4との間に大きな温度勾配が発生することを抑制でき、当該温度勾配に起因する大きな熱応力によって赤外線放射層5と支持部4とが破損することを防止できる。   In addition, since the infrared radiation layer 5 and the support portion 4 are not in direct contact with each other, it is possible to suppress the occurrence of a large temperature gradient between the infrared radiation layer 5 and the support portion 4, and a large amount of heat caused by the temperature gradient. It can prevent that the infrared rays radiation layer 5 and the support part 4 are damaged by stress.

(実施形態3)
本実施形態における赤外線放射素子Cの製造方法について図9(a)〜(f)を用いて説明を行う。なお、実施形態1の赤外線放射素子Aと同様の機能を有するものについては、同一の符号を付して説明を省略する。また、図9における上下左右を基準として上下左右方向と直交する方向を前後方向とする。
(Embodiment 3)
The manufacturing method of the infrared radiation element C in this embodiment is demonstrated using FIG. 9 (a)-(f). In addition, about the thing which has the function similar to the infrared radiation element A of Embodiment 1, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted. In addition, a direction orthogonal to the vertical and horizontal directions with reference to the vertical and horizontal directions in FIG.

まず、図9(a)に示すように、半導体基板1の上面側において気体層3を形成する箇所に、プラズマCVDによって5μm程度の厚みをもった犠牲層13を積層する犠牲層形成工程を行う。   First, as shown in FIG. 9A, a sacrificial layer forming step is performed in which a sacrificial layer 13 having a thickness of about 5 μm is laminated by plasma CVD at a location where the gas layer 3 is formed on the upper surface side of the semiconductor substrate 1. .

次に、図9(b)に示すように、半導体基板1の下面に陽極酸化処理時にバックコンタクト用に用いられるアルミ電極9を形成した後、不純物ドープ7が施された厚み1μmのポリシリコン層(保持層)2によって犠牲層13を覆設するポリシリコン層形成工程を行う。   Next, as shown in FIG. 9B, an aluminum electrode 9 used for back contact at the time of anodizing is formed on the lower surface of the semiconductor substrate 1, and then a polysilicon layer having a thickness of 1 μm to which the impurity doping 7 is applied. A polysilicon layer forming step of covering the sacrificial layer 13 with the (holding layer) 2 is performed.

ここで、ポリシリコン層2の厚みは、前記式1に基づいて形成されることで、赤外線放射層5は印加される電圧の周波数に対応して高速に昇温が行われ、大きな赤外線強度振幅を得ることができる。   Here, the thickness of the polysilicon layer 2 is formed based on the above formula 1, so that the infrared radiation layer 5 is heated at a high speed corresponding to the frequency of the applied voltage, and a large infrared intensity amplitude. Can be obtained.

そして、図9(c)に示すように、犠牲層13に略対向するポリシリコン層2の厚み方向の領域に、左右方向に所定の間隔を空けてPの不純物ドープ7をイオン注入法によって2箇所に施すドープ工程を行う。 Then, as shown in FIG. 9C, P + impurity doping 7 is ion-implanted into the region in the thickness direction of the polysilicon layer 2 substantially facing the sacrificial layer 13 with a predetermined spacing in the left-right direction. The dope process performed to two places is performed.

続いて、図9(d)に示すように、ポリシリコン層2を陽極酸化することにより多孔質化を行う多孔質化工程を行う。これにより、前記不純物ドープ7が施された箇所は多孔質化されず、不純物ドープ7が施されていない箇所は多孔質化される。ここで、陽極酸化処理では、当該電解液として、フッ化水素水溶液とエタノールとを混合したフッ化水素30%の溶液を用い、陽極酸化を行う表面のみを電解液に接触させ、ポリシリコン層2の上面に図示しない白金電極を配置して、下面から通電可能な治具にセットし、所定の電流密度(例えば、100mA/cm)の電流を所定時間だけ流すことにより多孔質層を形成する。 Subsequently, as shown in FIG. 9D, a porosification step is performed in which the polysilicon layer 2 is anodized to make it porous. Thereby, the portion where the impurity dope 7 is applied is not made porous, and the portion where the impurity dope 7 is not made is made porous. Here, in the anodic oxidation treatment, a 30% hydrogen fluoride solution obtained by mixing a hydrogen fluoride aqueous solution and ethanol is used as the electrolytic solution, and only the surface to be anodized is brought into contact with the electrolytic solution, so that the polysilicon layer 2 A platinum electrode (not shown) is disposed on the upper surface of the substrate, set in a jig that can be energized from the lower surface, and a porous layer is formed by flowing a current of a predetermined current density (for example, 100 mA / cm 2 ) for a predetermined time. .

更に、図9(e)に示すように、犠牲層13において、ポリシリコン層2の厚み方向で前記不純物ドープ7と対向する箇所は、エッチングによって除去せずに残存することで支持部を形成し、不純物ドープ7と対向していない箇所は、エッチングによって除去することで気体層3を形成するエッチング工程を行う。ここで、エッチングには、HF溶液が用いられる。   Further, as shown in FIG. 9 (e), in the sacrificial layer 13, the portion facing the impurity dope 7 in the thickness direction of the polysilicon layer 2 remains without being removed by etching to form a support portion. The portion not facing the impurity dope 7 is removed by etching to perform an etching process for forming the gas layer 3. Here, an HF solution is used for the etching.

ここで、気体層3の厚みは、前記式2に基づいて形成されることで、気体層3が断熱層から放熱層に切り替わるタイミングと、赤外線放射層5に印加される電圧が昇圧から降圧に切り替わるタイミングとを略一致させることができ、赤外線放射層5に印加される電圧が高周波変調されている場合であっても、電圧の周波数に略同期して赤外線放射層5を昇降温させることができると共に、大きな赤外線放射振幅を得ることができる。   Here, the thickness of the gas layer 3 is formed on the basis of the above formula 2, so that the timing at which the gas layer 3 is switched from the heat insulation layer to the heat dissipation layer, and the voltage applied to the infrared radiation layer 5 is reduced from step-up to step-down. The switching timing can be made substantially coincident, and even when the voltage applied to the infrared radiation layer 5 is subjected to high frequency modulation, the infrared radiation layer 5 can be raised and lowered substantially in synchronization with the frequency of the voltage. In addition, a large infrared radiation amplitude can be obtained.

そして、図9(f)に示すように、保持層2の上面に、通電により発熱する貴金属(Ir)かからなる赤外線放射層5を100nm程度積層する赤外線放射層形成工程を行い、その後に当該赤外線放射層5の左右両端に一対の電極6を設ける電極形成工程を行う。ここで、電極6は、メタルマスクなどを利用した蒸着法などによって設けられる。なお、本実施形態では、赤外線放射層5として貴金属のIrから形成しているが材料はこれに限定されず、耐熱性金属、金属窒化物、金属炭化物等であってもよい。   And as shown in FIG.9 (f), the infrared radiation layer formation process which laminates | stacks the infrared radiation layer 5 which consists of noble metal (Ir) which heat | fever-generates by electricity supply about 100 nm is performed on the upper surface of the holding layer 2, and the said An electrode forming step is performed in which a pair of electrodes 6 are provided on the left and right ends of the infrared radiation layer 5. Here, the electrode 6 is provided by an evaporation method using a metal mask or the like. In the present embodiment, the infrared radiation layer 5 is made of noble metal Ir, but the material is not limited to this, and may be a heat-resistant metal, metal nitride, metal carbide or the like.

以上、図9(a)〜(f)で示される赤外線放射素子Cの製造方法によれば、エッチングにより除去される犠牲層13を設けた後に、犠牲層13に覆設するポリシリコン層2を陽極酸化により多孔質層とし、当該多孔質層を介して犠牲層13をエッチングすることで、気体層3を形成すると共に多孔質層を中空上に容易に形成することができる。   As described above, according to the method for manufacturing the infrared radiation element C shown in FIGS. 9A to 9F, after providing the sacrificial layer 13 removed by etching, the polysilicon layer 2 covering the sacrificial layer 13 is formed. By forming a porous layer by anodic oxidation and etching the sacrificial layer 13 through the porous layer, the gas layer 3 can be formed and the porous layer can be easily formed on the hollow.

また、予めポリシリコン層2に不純物ドープ7を施すことにより、ポリシリコン層2に陽極酸化されない領域を形成でき、犠牲層13をエッチングする際にその厚み方向において不純物ドープ7と対向する箇所を残存することで、気体層3と支持部4とを容易に同時形成することができる。   In addition, by applying the impurity doping 7 to the polysilicon layer 2 in advance, a region that is not anodized can be formed in the polysilicon layer 2, and when the sacrificial layer 13 is etched, a portion facing the impurity doping 7 in the thickness direction remains. By doing so, the gas layer 3 and the support part 4 can be easily formed simultaneously.

(実施形態4)
本発明の実施形態について図10を用いて説明を行う。
(Embodiment 4)
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

本実施形態における赤外線式ガス検知器は、図10に示すように、赤外線放射素子Aを有する赤外線送信器20と、赤外線送信器20から送信される赤外線を受光する赤外線検知器30と、赤外線送信器20から送信される赤外線を赤外線検知器30へと導く導光管40とを備え、例えば、ガス漏れ検知に用いられる。なお、本実施形態では、実施形態1で示す赤外線放射素子Aを用いているが、実施形態2で示した赤外線放射素子B、または、実施形態3で示した赤外線放射素子Cであってもよい。   As shown in FIG. 10, the infrared gas detector in the present embodiment includes an infrared transmitter 20 having an infrared radiation element A, an infrared detector 30 that receives infrared rays transmitted from the infrared transmitter 20, and infrared transmission. The light guide tube 40 that guides infrared rays transmitted from the vessel 20 to the infrared detector 30 is used, for example, for gas leak detection. In addition, in this embodiment, although the infrared radiation element A shown in Embodiment 1 is used, the infrared radiation element B shown in Embodiment 2 or the infrared radiation element C shown in Embodiment 3 may be used. .

赤外線送信器20は、赤外線放射素子Aと、赤外線放射素子Aに単パルス電力を周期的に供給して赤外線を放射させる駆動回路(駆動手段)21と、赤外線放射素子Aを収納する中空箱型の第一の筐体22と、第一の筐体22の一面に貫設されると共に赤外線放射素子Aから放射される赤外線を透過させて導光管40へ導入させるレンズ23とから構成される。なお、パルス電力は、単パルス、または、連続的な複数のパルスのいずれであってもよい。   The infrared transmitter 20 includes an infrared radiation element A, a driving circuit (driving means) 21 that periodically supplies a single pulse power to the infrared radiation element A to emit infrared rays, and a hollow box type that houses the infrared radiation element A. The first casing 22 and a lens 23 that penetrates one surface of the first casing 22 and transmits infrared rays emitted from the infrared radiation element A and introduces them into the light guide tube 40. . The pulse power may be a single pulse or a plurality of continuous pulses.

赤外線検知器30は、中空箱型の第二のケース31と、第二のケース31の一面に貫設されて導光管40から入射する赤外線の内で後述の検出ガスが吸収する波長帯の成分のみを透過させるフィルタ32と、第二のケース31内に配設されてフィルタ32を透過する赤外線を受光する焦電型の赤外線受光素子(赤外線受光手段)33と、赤外線受光素子33の受光結果に基づいて検知信号を出力する検知回路(検知手段)34とから構成される。   The infrared detector 30 has a hollow box-type second case 31 and a wavelength band that is penetrated through one surface of the second case 31 and is absorbed by a detection gas, which will be described later, in the infrared rays that are incident from the light guide tube 40. A filter 32 that transmits only the component, a pyroelectric infrared light receiving element (infrared light receiving means) 33 that is disposed in the second case 31 and receives infrared light transmitted through the filter 32, and light reception by the infrared light receiving element 33 It is comprised from the detection circuit (detection means) 34 which outputs a detection signal based on a result.

フィルタ32は、互いに異なる波長帯の赤外線を透過させる2つのバンドパスフィルタ321、322が、並設されることで構成されている。ここで、バンドパスフィルタ321,322は、検出対象とするガス(検出ガス)の種類によって通過させる赤外線の波長が決定される。   The filter 32 includes two band pass filters 321 and 322 that transmit infrared rays having different wavelength bands, and are arranged in parallel. Here, the band-pass filters 321 and 322 determine the wavelength of infrared rays to be passed depending on the type of gas (detection gas) to be detected.

そして、バンドパスフィルタ321、322には、それぞれ対向して赤外線受光素子331、332設けられている。なお、赤外線受光素子331,332を区別しない場合には、赤外線受光素子33と称す。   The band-pass filters 321 and 322 are provided with infrared light receiving elements 331 and 332 so as to face each other. Note that the infrared light receiving elements 331 and 332 are referred to as infrared light receiving elements 33 when they are not distinguished.

導光管40は、金等の金属薄膜がスパッタ法によって内面全体に形成された筒状に形成され、一端が赤外線送信器20のレンズ23に対向し、他端が赤外線検知器30のフィルタ32に対向して大気中に設けられる。そして、導光管40の筒壁には、検出対象のガスが流入または流出する複数の流入出孔40aが形成されており、大気中にガスが存在する場合には、流入出孔40aを介して導光管40内にもガスが流入する。   The light guide tube 40 is formed in a cylindrical shape in which a metal thin film such as gold is formed on the entire inner surface by sputtering, one end faces the lens 23 of the infrared transmitter 20, and the other end is a filter 32 of the infrared detector 30. It is provided in the atmosphere opposite to. The cylindrical wall of the light guide tube 40 is formed with a plurality of inflow / outflow holes 40a through which the detection target gas flows in or out, and when there is gas in the atmosphere, the inflow / outlet holes 40a are interposed. The gas also flows into the light guide tube 40.

そして、導光管40内にガスが流入した状態で赤外線送信器20から導光管40内へ赤外線が送出されると、当該赤外線は導光管40内をガスを含んだ大気を介して赤外線検知器30に到達する。   When infrared rays are sent from the infrared transmitter 20 into the light guide tube 40 in a state where gas flows into the light guide tube 40, the infrared rays are transmitted through the atmosphere containing the gas through the light guide tube 40. The detector 30 is reached.

ところで、検出ガスとしては、例えば、一酸化炭素や二酸化炭素、メタンガスを対象としており、ガスの種類によって吸収される赤外線の波長帯が異なっている(例えば、二酸化炭素を検出する場合には、4.25μm)。そのため、導光管40内にガスが存在する場合には、導光管40内にガスが存在しない場合と比べて、当該導光管40を介して赤外線検知器30に入射する赤外線において、前記ガスによって吸収される波長帯の成分が、減少する。   By the way, as detection gases, for example, carbon monoxide, carbon dioxide, and methane gas are targeted, and the wavelength band of infrared rays that are absorbed differs depending on the type of gas (for example, when detecting carbon dioxide, 4 .25 μm). Therefore, when the gas is present in the light guide tube 40, the infrared rays incident on the infrared detector 30 through the light guide tube 40 are compared with the case where no gas is present in the light guide tube 40. The wavelength band component absorbed by the gas decreases.

そして、赤外線検知器30に到達した赤外線の内、バンドパスフィルタ321、322を透過する赤外線だけが、赤外線受光素子331、332にそれぞれ受光される。続いて、赤外線受光素子331,332は受光した赤外線量に基づいて受光信号を検知回路34へ出力し、検知回路34は、赤外線受光素子331、332から入力される受光信号の差分に基づいてガスの有無を判定し、検知信号を出力する。   Of the infrared rays that reach the infrared detector 30, only infrared rays that pass through the bandpass filters 321 and 322 are received by the infrared light receiving elements 331 and 332, respectively. Subsequently, the infrared light receiving elements 331 and 332 output a light reception signal to the detection circuit 34 based on the amount of received infrared light, and the detection circuit 34 detects gas based on the difference between the light reception signals input from the infrared light reception elements 331 and 332. The presence or absence of this is determined and a detection signal is output.

そして、上記赤外線式ガス検知器は、高出力、高周波駆動が可能な赤外線放射素子Aを備えていることから、高精度、低消費電力化を図ることができる。   And since the said infrared type gas detector is equipped with the infrared radiation element A which can drive high output and high frequency, it can achieve high precision and low power consumption.

なお、本実施形態では、フィルタ32が2つのバンドパスフィルタ321,322を有しているが、バンドパスフィルタの数は3つ以上であってもよい。   In the present embodiment, the filter 32 includes two bandpass filters 321, 322, but the number of bandpass filters may be three or more.

1 半導体基板
2 保持層
3 気体層
4 支持部
5 赤外線放射層
6 電極
21 駆動回路(駆動手段)
32 フィルタ
33 赤外線受光素子(赤外線受光手段)
34 検知回路(検知手段)
A〜C 赤外線放射素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Holding layer 3 Gas layer 4 Support part 5 Infrared radiation layer 6 Electrode 21 Drive circuit (drive means)
32 Filter 33 Infrared light receiving element (infrared light receiving means)
34 Detection circuit (detection means)
A to C Infrared radiation element

Claims (20)

半導体基板と、
半導体基板の一面に形成された薄膜状の保持層と、
半導体基板の一面及び保持層の一面によって囲まれた空間からなる気体層と、
保持層の他面に積層され、電気入力されることによる発熱によって赤外線を放射する赤外線放射層とを備え、
前記気体層は、赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする赤外線放射素子。
A semiconductor substrate;
A thin-film holding layer formed on one surface of the semiconductor substrate;
A gas layer composed of a space surrounded by one surface of the semiconductor substrate and one surface of the holding layer;
An infrared radiation layer that is laminated on the other surface of the holding layer and emits infrared rays by heat generated by electrical input;
The gas layer has a thickness set based on the frequency of the voltage applied to the infrared radiation layer, and functions as a heat insulating layer when the infrared radiation layer is heated, and as a heat dissipation layer when the infrared radiation layer is cooled. Infrared emitting element.
前記気体層には、半導体基板と保持層とを連結し、保持層を支持する支持部が設けられることを特徴とする請求項1記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to claim 1, wherein the gas layer is provided with a support portion that connects the semiconductor substrate and the holding layer and supports the holding layer. 前記支持部は、単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項2記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to claim 2, wherein the support portion is made of single crystal silicon. 前記保持層の他面には、赤外線放射層が複数箇所に積層され、赤外線放射層間に露出する保持層の一面側に支持部が設けられていることを特徴とする請求項2または3記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation layer is laminated | stacked in multiple places on the other surface of the said retention layer, and the support part is provided in the one surface side of the retention layer exposed between infrared radiation layers. Infrared radiation element. 前記保持層は、多孔質層からなることを特徴とする請求項1乃至4いずれか記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to claim 1, wherein the holding layer is made of a porous layer. 前記多孔質層は、ポーラスシリコン、またはポーラスポリシリコンからなることを特徴とする請求項5記載の赤外線放射素子。   6. The infrared radiation element according to claim 5, wherein the porous layer is made of porous silicon or porous polysilicon. 前記保持層は、その周縁が半導体基板に固定されていることを特徴とする請求項1乃至6いずれか記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to claim 1, wherein a peripheral edge of the holding layer is fixed to a semiconductor substrate. 前記半導体基板と保持層とが接合する箇所は、保持層と半導体基板の接合を補強する補強部を備えることを特徴とする請求項7記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to claim 7, wherein a portion where the semiconductor substrate and the holding layer are joined includes a reinforcing portion that reinforces the joining between the holding layer and the semiconductor substrate. 前記保持層は、熱伝導率が半導体基板よりも小さく、赤外線放射層の通電に伴う赤外線放射層からの伝熱による一部の温度上昇と、赤外線放射層から入射する赤外線の反射との少なくとも一方により、赤外線放射層に向かう向きに赤外線を放射し、
前記赤外線放射層は、保持層から放射された赤外線を通過させる機能を有することを特徴とする請求項1乃至8いずれか記載の赤外線放射素子。
The holding layer has a thermal conductivity smaller than that of the semiconductor substrate, and at least one of a temperature rise due to heat transfer from the infrared radiation layer accompanying energization of the infrared radiation layer and reflection of infrared rays incident from the infrared radiation layer Radiates infrared rays in the direction toward the infrared radiation layer,
The infrared radiation element according to any one of claims 1 to 8, wherein the infrared radiation layer has a function of passing infrared radiation radiated from the holding layer.
前記保持層の厚み寸法は、目的波長の赤外線に対する光路長が当該赤外線の半波長の自然数倍となる寸法に設定されていることを特徴とする請求項1乃至9いずれか記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to any one of claims 1 to 9, wherein a thickness dimension of the holding layer is set to a dimension in which an optical path length with respect to an infrared ray having a target wavelength is a natural number multiple of a half wavelength of the infrared ray. . 前記保持層は、加熱時に空洞放射により赤外線を放射するマクロポアがバルク半導体に形成され、かつマクロポア内にナノポアが形成された構造であることを特徴とする請求項1乃至10いずれか記載の赤外線放射素子。   11. The infrared radiation according to claim 1, wherein the holding layer has a structure in which macropores that emit infrared rays by cavity emission during heating are formed in a bulk semiconductor, and nanopores are formed in the macropores. element. 前記保持層は、半導体の酸化物を含む電気絶縁膜により形成されていることを特徴とする請求項1乃至10いずれか記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to claim 1, wherein the holding layer is formed of an electrical insulating film containing a semiconductor oxide. 前記赤外線放射素子は、負の抵抗温度係数を持つ材料により形成されていることを特徴とする請求項1乃至12いずれか記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to any one of claims 1 to 12, wherein the infrared radiation element is formed of a material having a negative resistance temperature coefficient. 前記赤外線放射素子は、TaN,TiNから選択されることを特徴とする請求項1乃至13いずれか記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to claim 1, wherein the infrared radiation element is selected from TaN and TiN. 請求項1乃至14いずれか記載の赤外線放射素子、及び赤外線放射素子に電力を供給して赤外線を放射させる駆動手段を有する赤外線送信器と、
所定の波長を有する赤外線のみを透過させるフィルタ、及び前記波長を有する赤外線に対して最も高い感度を有し、フィルタを透過した赤外線を受光して受光信号を出力する赤外線受光手段、及び受光信号に基づいて検知信号を出力する検知手段を有する赤外線検知器と備えることを特徴とする赤外線式ガス検知器。
An infrared transmitter having an infrared radiation element according to any one of claims 1 to 14, and a driving unit that supplies electric power to the infrared radiation element to emit infrared rays;
A filter that transmits only infrared light having a predetermined wavelength, an infrared light receiving means that has the highest sensitivity to infrared light having the wavelength, receives infrared light that has passed through the filter, and outputs a light reception signal; and An infrared gas detector comprising: an infrared detector having detection means for outputting a detection signal based thereon.
半導体基板の一面における所定領域の周縁に陽極酸化マスクを施すマスク工程と、
前記所定領域を陽極酸化することで多孔質層を形成する多孔質化工程と、
前記多孔質層に対向する半導体基板の厚み方向の領域を陽極酸化により電解研磨することで気体層を形成する電解研磨工程と、
前記多孔質層の他面側に赤外線放射層を形成する赤外線放射層形成工程とを備え、
前記気体層は、赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする赤外線放射素子の製造方法。
A mask process for applying an anodizing mask to the periphery of a predetermined region on one surface of the semiconductor substrate;
A porous step for forming a porous layer by anodizing the predetermined region;
An electropolishing step of forming a gas layer by electropolishing the region in the thickness direction of the semiconductor substrate facing the porous layer by anodic oxidation;
An infrared radiation layer forming step of forming an infrared radiation layer on the other surface side of the porous layer,
The gas layer has a thickness set based on the frequency of the voltage applied to the infrared radiation layer, and functions as a heat insulating layer when the infrared radiation layer is heated, and as a heat dissipation layer when the infrared radiation layer is cooled. A method for manufacturing an infrared radiation element.
前記マスク工程の前に、前記所定領域の所定の箇所に不純物ドープを施す第一のドープ工程を備え、当該不純物ドープが施された箇所は、前記多孔質化工程によって多孔質化されず前記電解研磨工程においてドープの厚み方向に研磨されずに残存する半導体基板とから支持部が形成され、不純物ドープが施されていない箇所は、前記多孔質化工程によって多孔質層が形成され、前記電解研磨工程において前記多孔質層の厚み方向に対向する半導体基板の領域に気体層が形成されることを特徴とする請求項16記載の赤外線放射素子の製造方法。   Before the masking step, a first doping step is performed in which a predetermined portion of the predetermined region is doped with an impurity, and the portion where the impurity doping is performed is not made porous by the porosification step and the electrolysis In the polishing step, a support portion is formed from the semiconductor substrate remaining without being polished in the thickness direction of the dope, and a porous layer is formed in the porosification step at a portion not subjected to impurity doping, and the electrolytic polishing 17. The method of manufacturing an infrared radiation element according to claim 16, wherein a gas layer is formed in a region of the semiconductor substrate facing the thickness direction of the porous layer in the process. 前記マスク工程の前に、半導体基板の一面において陽極酸化マスクと所定領域との境界において、陽極酸化マスクと所定領域の両方にかかる不純物ドープを施す第二のドープ工程を備え、当該不純物ドープが施された箇所には、当該ドープと前記多孔質化工程によって多孔質化されず前記電解研磨工程によってドープの厚み方向に研磨されずに残存する半導体基板とから補強部が形成され、不純物ドープが施されていない箇所には、前記多孔質化工程によってポーラスシリコン層が形成され、前記電解研磨工程において前記ポーラスシリコン層の厚み方向に対向する半導体基板の領域に気体層が形成されることを特徴とする請求項16または17記載の赤外線放射素子の製造方法。   Prior to the masking step, a second doping step is performed in which impurity doping is applied to both the anodization mask and the predetermined region at the boundary between the anodization mask and the predetermined region on one surface of the semiconductor substrate. A reinforcing portion is formed in the formed portion from the dope and the remaining semiconductor substrate that is not made porous by the porosification step and is not polished in the thickness direction of the dope by the electropolishing step, and is doped with impurities. A porous silicon layer is formed in the porous region by the porous step, and a gas layer is formed in a region of the semiconductor substrate facing the thickness direction of the porous silicon layer in the electrolytic polishing step. The method for manufacturing an infrared radiation element according to claim 16 or 17. 半導体基板の一面の所定の領域に犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記犠牲層の表面に不純物ドープされたポリシリコン層を形成するポリシリコン層形成工程と、
前記ポリシリコン層を陽極酸化することにより多孔質層を形成する多孔質化工程と、
前記多孔質層を介して犠牲層をエッチングすることで犠牲層を除去し、多孔質層の一面と半導体基板の一面との間に気体層を形成するエッチング工程と、
前記多孔質層の他面に赤外線放射層を形成する赤外線放射層形成工程とを備え、
前記気体層は、赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする赤外線放射素子の製造方法。
A sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer in a predetermined region on one surface of the semiconductor substrate;
Forming a polysilicon layer doped with impurities on the surface of the sacrificial layer; and
A porosification step of forming a porous layer by anodizing the polysilicon layer;
An etching step of removing the sacrificial layer by etching the sacrificial layer through the porous layer and forming a gas layer between one surface of the porous layer and one surface of the semiconductor substrate;
An infrared radiation layer forming step of forming an infrared radiation layer on the other surface of the porous layer,
The gas layer has a thickness set based on the frequency of the voltage applied to the infrared radiation layer, and functions as a heat insulating layer when the infrared radiation layer is heated, and as a heat dissipation layer when the infrared radiation layer is cooled. A method for manufacturing an infrared radiation element.
前記ポリシリコン層形成工程と多孔質化工程との間に、ポリシリコン層の厚み方向において当該ポリシリコン層の犠牲層と対向する領域の所定の位置に不純物ドープを施すドープ工程を備え、当該不純物ドープが施された箇所は、多孔質化工程によって陽極酸化されず、当該ドープが施された箇所とドープが施された箇所に対向する犠牲層の一部とが、エッチング工程で除去されず残存することで支持部を形成し、不純物ドープが施されていない箇所は、多孔質化工程によって多孔質層が形成され、エッチング工程により前記支持部となる箇所を除いて犠牲層を除去することで気体層が形成されることを特徴とする請求項19記載の赤外線放射素子の製造方法。
A doping step of doping impurities in a predetermined position in a region facing the sacrificial layer of the polysilicon layer in the thickness direction of the polysilicon layer between the polysilicon layer forming step and the porous step; The doped part is not anodized by the porous process, and the part where the dope is applied and the part of the sacrificial layer facing the doped part remain without being removed by the etching process. By forming the support part, the part where the impurity is not doped is formed by forming the porous layer by the porous process, and removing the sacrificial layer except the part that becomes the support part by the etching process. The method for manufacturing an infrared radiation element according to claim 19, wherein a gas layer is formed.
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