JP2010230453A - Infrared radiation element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an infrared radiation element that is compact and responds speedily, includes high radiation efficiency of infrared rays to applied energy, and saves energy. <P>SOLUTION: A heat insulating layer 2 and a heat generation layer 1 are provided on one surface of a single-crystal silicon substrate 3. The heat generation layer 1 radiates infrared rays by heat generation following energization. The heat insulating layer 2 is formed of porous silicon such that thermal conductivity may become smaller than that of the substrate 3, supports the heat generation layer 1, and radiates infrared rays toward the heat generation layer 1 by at least one of a partial temperature increase by heat transfer from the heat generation layer 1 following energization of the heat generation layer 1 and reflection of infrared rays entering from the heat generation layer 1. The heat generation layer 1 transmits infrared rays radiated from the heat insulating layer 2. Thus, by utilizing infrared rays radiated from the heat insulating layer 2 together with those radiated from the heat generation layer 1, radiation efficiency of infrared rays to applied power increases. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、主として赤外線の高速変調が要求される用途に用いられる赤外線放射素子に関するものである。   The present invention relates to an infrared radiation element used mainly for applications requiring high-speed infrared modulation.

従来から、赤外線放射源から放射した赤外線を検出対象に照射し、赤外線の吸収量や反射量に基づいて、検出対象を検出する装置が提供されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, there has been provided an apparatus that irradiates a detection target with infrared radiation emitted from an infrared radiation source and detects the detection target based on the amount of infrared absorption and reflection.

たとえば、赤外線ガス分析計では、赤外線放射源から放射した赤外線を検出対象であるガス(メタン、一酸化炭素、二酸化炭素など)に照射し、赤外線の受光量に応じた受光信号を出力する赤外線受光素子を用いてガスによる赤外線の吸収波長や吸光量を検出することにより、ガスの種類・濃度などを検出している。   For example, an infrared gas analyzer emits infrared light emitted from an infrared radiation source to the gas to be detected (methane, carbon monoxide, carbon dioxide, etc.) and outputs a light reception signal corresponding to the amount of received infrared light. The type and concentration of the gas are detected by detecting the infrared absorption wavelength and the amount of light absorption by the gas using the element.

赤外線受光素子は、赤外線放射源から放射される赤外線のうち検出対象のガスが吸収する波長の赤外線のみを選択的に通過させるフィルタを介して赤外線を受光する。したがって、フィルタを選択的に通過する波長によりガスの種類が特定され、赤外線の受光量(赤外線受光素子の出力信号レベル)に応じてガスの濃度が計測される。   The infrared light receiving element receives infrared light through a filter that selectively passes only infrared light having a wavelength that is absorbed by the gas to be detected among infrared light emitted from an infrared radiation source. Therefore, the type of gas is specified by the wavelength that selectively passes through the filter, and the gas concentration is measured according to the amount of received infrared light (the output signal level of the infrared light receiving element).

この種の装置では、検出対象であるガスでの吸光量を検出するために、1回の分析において、ガスに対して赤外線を断続的に複数回照射することが必要である。したがって、検出対象を検出する時間を短縮するには、高速変調が可能な赤外線放射源を用いて断続させる時間間隔を短くすることが要求される。また、赤外線を複数回照射するから、赤外線の放射に要するエネルギー(電力)を低減するために、投入エネルギーに対する赤外線の放射量を高める必要がある。さらには、検出精度を高めるために、赤外線放射源からの毎回の赤外線の放射量を一定量にすることも必要である。   In this type of apparatus, in order to detect the amount of light absorption in the gas to be detected, it is necessary to intermittently irradiate the gas with infrared rays multiple times in one analysis. Therefore, in order to shorten the time for detecting the detection target, it is required to shorten the time interval for intermittently using an infrared radiation source capable of high-speed modulation. Moreover, since infrared rays are irradiated a plurality of times, it is necessary to increase the amount of infrared rays emitted relative to the input energy in order to reduce the energy (electric power) required for infrared rays emission. Furthermore, in order to improve detection accuracy, it is also necessary to make the amount of infrared radiation from the infrared radiation source constant.

代表的な赤外線放射源には、タングステンや白金などの材料でコイル状に形成したフィラメント、あるいはタングステンや白金からなるコイル状の芯材の表面をアルミナなどのセラミックで被覆することにより赤外線の放射効率を高めたフィラメントを備え、フィラメントを透光性の気密容器に収納した構成の赤外線放射源がある。   Typical infrared radiation sources include a filament formed in a coil shape with a material such as tungsten or platinum, or an infrared radiation efficiency by coating the surface of a coiled core material made of tungsten or platinum with a ceramic such as alumina. There is an infrared radiation source having a configuration in which a filament having an increased height is housed and the filament is housed in a light-transmitting airtight container.

ただし、この種の赤外線放射源は、フィラメントが外気に露出した状態では使用することができないから、気密容器による大型化を避けることができず、装置の小型化が困難になる。また、フィラメントや気密容器を含む熱容量が大きくなるから、電源投入から赤外線が所要強度まで上昇するのに要する立ち上がり時間、および電源遮断から赤外線が規定強度まで減少するのに要する立ち下がり時間が長く、しかも立ち上がりや立ち下がりに急峻な特性が得られない。   However, since this type of infrared radiation source cannot be used in a state where the filament is exposed to the outside air, the increase in size due to the hermetic container cannot be avoided, and it is difficult to reduce the size of the apparatus. In addition, since the heat capacity including the filament and the airtight container is increased, the rise time required for the infrared rays to rise to the required intensity after turning on the power, and the fall time required for the infrared rays to decrease to the specified intensity after the power is turned off are long. In addition, steep characteristics at the rise and fall cannot be obtained.

したがって、この種の赤外線放射源では、赤外線を断続させる周波数を0.1〜10Hz程度にしか設定できない。また、赤外線の放射強度の立ち上がりや立ち下がりが急峻ではないから、波形のなまりによる検出誤差が生じやすい。   Therefore, with this type of infrared radiation source, the frequency at which infrared rays are interrupted can only be set to about 0.1 to 10 Hz. In addition, since the rise and fall of the infrared radiation intensity are not steep, detection errors due to waveform rounding tend to occur.

一方、小型化が可能な赤外線放射源としては、図10に模式的に示すように、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて形成する赤外線放射素子が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。図示する赤外線放射素子は、シリコン基板にエッチングを施して形成した矩形枠状の支持基板21を有し、支持基板21の一表面に窒化シリコンの熱絶縁層22を介してドープしたポリシリコン膜の赤外線放射層23が形成され、さらに、赤外線放射層23を覆う窒化シリコンの絶縁層24に金属層である白熱フィラメント25を埋設した構造を有している。支持基板21において赤外線放射層23の背面側に相当する部位には開口26が形成される。   On the other hand, as an infrared radiation source that can be miniaturized, an infrared radiation element formed using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology has been proposed as schematically shown in FIG. 10 (for example, Patent Document 1). reference). The infrared radiation element shown in the figure has a rectangular frame-shaped support substrate 21 formed by etching a silicon substrate, and is formed of a polysilicon film doped on one surface of the support substrate 21 via a thermal insulating layer 22 of silicon nitride. An infrared radiation layer 23 is formed, and an incandescent filament 25 that is a metal layer is embedded in an insulating layer 24 of silicon nitride that covers the infrared radiation layer 23. An opening 26 is formed in a portion corresponding to the back side of the infrared radiation layer 23 in the support substrate 21.

この赤外線放射素子は、白熱フィラメント25に接続された電極27を有し、電極27間に通電することにより白熱フィラメント25を発熱させ、白熱フィラメント25により赤外線放射層23を加熱する傍熱型の構成を有している。また、白熱フィラメント25は、赤外線放射層23の表面を覆っているが、幅を極めて狭くし赤外線放射層23からの赤外線の放射率が著しく減少するのを防止している。   This infrared radiating element has an electrode 27 connected to an incandescent filament 25, heats the incandescent filament 25 by energizing between the electrodes 27, and heats the infrared radiating layer 23 by the incandescent filament 25. have. The incandescent filament 25 covers the surface of the infrared radiation layer 23, but has a very narrow width to prevent the infrared emissivity from the infrared radiation layer 23 from being significantly reduced.

この赤外線放射素子は、赤外線放射層23の背面側において支持基板21に開口26を形成し、赤外線の放射に寄与する白熱フィラメント25および赤外線放射層23の周囲を断熱性の高い空気により囲んでいるから、赤外線の放射に寄与する部分と周囲との熱容量差が大きく、白熱フィラメント25に通電する電流の断続に対して比較的高速に応答することが可能になっている。すなわち、上述した気密容器を備える赤外線放射源では、0.1〜10Hz程度の応答であったのに対して、図10の構成を採用した場合に、200Hzまでの応答が可能になることが特許文献1に記載されている。   In this infrared radiating element, an opening 26 is formed in the support substrate 21 on the back side of the infrared radiating layer 23, and the surroundings of the incandescent filament 25 and the infrared radiating layer 23 that contribute to infrared radiation are surrounded by highly heat insulating air. Therefore, the heat capacity difference between the portion contributing to infrared radiation and the surroundings is large, and it is possible to respond to the intermittent current supplied to the incandescent filament 25 at a relatively high speed. That is, in the infrared radiation source including the above-described airtight container, the response is about 0.1 to 10 Hz, but when the configuration of FIG. 10 is adopted, it is possible to respond to 200 Hz. It is described in Document 1.

特開平9−184757号公報JP-A-9-184757

ところで、上述したように、赤外線放射源には、高速な応答性と、投入エネルギーに対する放射効率と、赤外線放射量の安定化とが要求される。特許文献1に記載の構成を採用すれば、上述したように高速な応答性は達成される。   As described above, the infrared radiation source is required to have high-speed response, radiation efficiency with respect to input energy, and stabilization of the amount of infrared radiation. If the configuration described in Patent Document 1 is adopted, high-speed response is achieved as described above.

しかしながら、白熱フィラメント25と赤外線放射層23との間に絶縁層24が介在する傍熱型の構成であるから、白熱フィラメント25から発生する熱エネルギーの一部が窒化シリコンからなる絶縁層24により吸収されて赤外線放射層23の加熱に寄与せず、結果的に、投入エネルギーに対する赤外線の放射量を十分に高めることができないという問題を有している。   However, since the insulating layer 24 is interposed between the incandescent filament 25 and the infrared radiation layer 23, a part of the heat energy generated from the incandescent filament 25 is absorbed by the insulating layer 24 made of silicon nitride. As a result, the infrared radiation layer 23 does not contribute to heating, and as a result, there is a problem that the amount of infrared radiation relative to the input energy cannot be sufficiently increased.

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、小型かつ高速応答が可能である上に、投入エネルギーに対する赤外線の放射効率が高く省エネルギー化が可能である赤外線放射素子を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide an infrared radiation element that is small in size and capable of high-speed response and has high infrared radiation efficiency with respect to input energy and can save energy. There is to do.

本発明は、赤外線放射素子であって、基板の一表面に形成され通電に伴う発熱により赤外線を放射する発熱層と、一面に発熱層が積層されることにより発熱層を支持するように基板の一表面に形成された熱絶縁層とを備え、熱絶縁層は、熱伝導率が基板よりも小さく、発熱層の通電に伴う発熱層からの伝熱による一部の温度上昇と、発熱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、発熱層に向かう向きに赤外線を放射し、発熱層は、熱絶縁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。   The present invention relates to an infrared radiation element, which is formed on one surface of a substrate and radiates infrared rays by heat generated by energization, and the heat generation layer is laminated on one surface to support the heat generation layer. A heat insulating layer formed on one surface, the heat insulating layer is smaller in heat conductivity than the substrate, and a part of the temperature rise due to heat transfer from the heat generating layer due to energization of the heat generating layer, and from the heat generating layer The infrared ray is emitted in a direction toward the heat generation layer by at least one of the reflection of the incident infrared ray, and the heat generation layer has a function of passing the infrared ray radiated from the heat insulating layer.

熱絶縁層の他面が気体に接触している構成を採用してもよい。   A configuration in which the other surface of the heat insulating layer is in contact with gas may be employed.

また、熱絶縁層の厚み寸法は、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るのが望ましい。   Further, it is desirable that the thickness dimension of the heat insulating layer is set to a dimension in which the optical path length with respect to the infrared of the target wavelength is a natural number multiple of the half wavelength of the infrared.

あるいはまた、熱絶縁層の他面が基板に接触しており、熱絶縁層と基板との境界面が熱絶縁層から基板に向かう目的波長の赤外線を反射させる反射面であって、熱絶縁層の厚み寸法が、目的波長の赤外線に対する光路長が当該赤外線の4分の1波長の奇数倍となる寸法に設定されている構成を採用することもできる。   Alternatively, the other surface of the heat insulating layer is in contact with the substrate, and the boundary surface between the heat insulating layer and the substrate is a reflecting surface that reflects infrared light of a target wavelength from the heat insulating layer toward the substrate, and the heat insulating layer It is also possible to adopt a configuration in which the thickness dimension is set such that the optical path length with respect to the infrared ray of the target wavelength is an odd multiple of a quarter wavelength of the infrared ray.

熱絶縁層は、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とすることができる。   The thermal insulating layer may have 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.

また、熱絶縁層は、半導体の酸化物を含む電気絶縁膜により形成することができる。   The thermal insulating layer can be formed of an electrical insulating film containing a semiconductor oxide.

一方、発熱層は、負の抵抗温度係数を持つ材料により形成するのが望ましい。   On the other hand, the heating layer is preferably formed of a material having a negative resistance temperature coefficient.

発熱層は、TaN、TiNから選択するのが望ましい。   The heat generating layer is preferably selected from TaN and TiN.

本発明の構成によれば、熱絶縁層により発熱層を支持しているから、発熱層の変形による断線が生じにくく、発熱層の熱容量を低減するために薄肉化することが可能であって、結果的に高速応答が可能になる。すなわち、発熱層への通電を開始してから赤外線の放出までの立ち上がり時間が短いから、赤外線の放射を繰り返すときに、毎回の赤外線の放射量が略一定になり、赤外線ガス分析計のような検査装置に適用すると高精度化が可能になる。また、熱絶縁層において、発熱層からの伝熱による一部の温度上昇と、発熱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、発熱層に向かう向きに赤外線を放射し、しかも発熱層において熱絶縁層から放射された赤外線を通過させるから、発熱層から熱絶縁層に向かって放射されるエネルギの一部が赤外線放射のエネルギ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、所望量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 the configuration of the present invention, since the heat generation layer is supported by the heat insulating layer, disconnection due to deformation of the heat generation layer is less likely to occur, and it is possible to reduce the thickness in order to reduce the heat capacity of the heat generation layer, As a result, high-speed response is possible. In other words, since the rise time from the start of energization to the heat generation layer to the emission of infrared rays is short, when the infrared radiation is repeated, the amount of infrared radiation is almost constant every time, like an infrared gas analyzer. When applied to an inspection device, high accuracy can be achieved. In addition, in the heat insulating layer, infrared rays are emitted in the direction toward the heat generating layer by at least one of a temperature rise due to heat transfer from the heat generating layer and reflection of infrared rays incident from the heat generating layer. Since the infrared radiation radiated from the heat insulation layer is passed, a part of the energy radiated from the heat generation layer toward the heat insulation layer is used as the energy of the infrared radiation, and the infrared radiation efficiency with respect to the input power is reduced. Can be increased. In other words, the input power required to emit a desired amount of infrared rays is reduced.

熱絶縁層の一面に発熱層を配置し他面を気体に接触させている構成では、気体の断熱性により熱絶縁層からの放熱が抑制されるから、発熱層から熱絶縁層に伝達された熱による熱絶縁層の温度上昇が均一化され、赤外線の放射量を増加させることになる。   In the configuration in which the heat generation layer is arranged on one surface of the heat insulation layer and the other surface is in contact with the gas, heat dissipation from the heat insulation layer is suppressed by the heat insulation of the gas, so that the heat is transmitted from the heat generation layer to the heat insulation layer. The temperature rise of the heat insulating layer due to heat is made uniform, and the amount of infrared radiation is increased.

目的波長の赤外線に対して半波長の自然数倍の光路長を持つように熱絶縁層の厚み寸法を設定すれば、目的波長の赤外線に対して熱絶縁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、発熱による熱変形を抑制するため、熱絶縁層を補強する補強部を設けることが望ましい。   If the thickness of the thermal insulation layer is set so that it has an optical path length that is a natural number multiple of half the wavelength of the infrared ray of the target wavelength, the resonance condition is established in the thermal insulation layer for the infrared ray of the target wavelength. The relative radiant intensity can be increased for infrared wavelengths. In this embodiment, it is desirable to provide a reinforcing portion that reinforces the thermal insulating layer in order to suppress thermal deformation due to heat generation.

また、発熱層と基板との間に熱絶縁層を介在させている構成では、絶縁層と基板との境界面が反射面になるから、目的波長の赤外線に対して4分の1波長の奇数倍の光路長を持つように熱絶縁層の厚み寸法を設定することにより、目的波長の赤外線に対して熱絶縁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。   Further, in the configuration in which the heat insulating layer is interposed between the heat generating layer and the substrate, the boundary surface between the insulating layer and the substrate becomes a reflecting surface, so that an odd number of a quarter wavelength with respect to the target wavelength infrared ray. By setting the thickness of the thermal insulation layer so that it has a double optical path length, resonance conditions are established in the thermal insulation layer for the infrared of the target wavelength, and the relative radiation intensity is increased for the infrared of the target wavelength. be able to.

熱絶縁層が、空洞放射により赤外線を放射するマクロポアを有し、かつマクロポア内にナノポアが形成された構造では、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きる。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熱絶縁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熱絶縁層に用いることにより、熱絶縁層に高い断熱性能が得られる。   In a structure in which the thermal insulating layer has macropores that emit infrared rays by cavity radiation and nanopores are formed in the macropores, infrared radiation efficiency can be improved by utilizing the cavity radiation by the macropores. In addition, since the nanopores are formed in the macropores, it is possible to compensate for the decrease in strength of the thermal insulating 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 as the thermal insulating layer, high thermal insulation performance can be obtained in the thermal insulating layer.

半導体の酸化物を含む電気絶縁膜により熱絶縁層を形成した構成では、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を行うかにより熱絶縁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。   In a configuration in which a thermal insulating layer is formed of an electrical insulating film containing a semiconductor oxide, the thermal insulating layer may be formed by oxidizing the semiconductor by a process such as thermal oxidation or performing CVD of a material containing the oxide. Therefore, the manufacturing process is relatively simple, and the mass productivity can be increased as compared with the case where the semiconductor is made porous.

負の抵抗温度係数を持つ材料を用いて発熱層を形成している場合には、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発熱層1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。   When the heat generating layer is formed using a material having a negative resistance temperature coefficient, the sheet resistance decreases as the temperature increases even if the driving voltage is the same, and the current flowing through the heat generating layer 1 increases. Therefore, the input power increases as the temperature rises, and the maximum temperature reached can be increased. 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, an increase in the booster ratio of the booster circuit can be suppressed while increasing the maximum temperature reached. Can reduce power loss.

発熱層の材料としてTaN、TiNのいずれかを用いる構成では、発熱層の耐酸化性が高いから、発熱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節して熱容量の小さい発熱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。   In the configuration using either TaN or TiN as the material of the heat generating layer, the heat generating layer has high oxidation resistance. Therefore, the heat generating layer can be exposed to the air and used. 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 these materials can adjust the sheet resistance by adjusting the nitrogen content, it is possible to adjust the thickness dimension necessary to obtain the desired sheet resistance to form a heat generating layer with a small heat capacity. As a result, high-speed response is possible.

実施形態1を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a first embodiment. 同上の製造過程を示す図である。It is a figure which shows a manufacturing process same as the above. 同上用いる発熱層の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the heat generating layer used same as the above. 同上に用いる熱絶縁層の温度特性を示す図である。It is a figure which shows the temperature characteristic of the heat insulation layer used for the same as the above. 同上に用いる発熱層の放射率を示す図である。It is a figure which shows the emissivity of the heat generating layer used for the same as the above. 同上に用いる発熱層の平面図である。It is a top view of the heat generating layer used for the same as the above. 同上に用いる熱絶縁層の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the heat insulation layer used for the same as the above. 実施形態2に用いる発熱層の放射率を示す図である。It is a figure which shows the emissivity of the heat-generating layer used for Embodiment 2. (a)(b)は実施形態3を示す断面図である。(A) and (b) are sectional views showing Embodiment 3. 従来構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a conventional structure.

(実施形態1)
本実施形態の赤外線放射素子は、図1に示すように、通電により発熱して赤外線を放射する発熱層1および発熱層1の背面を支持する熱絶縁層2を基板3の一表面に備えた構成を有する。ここに、基板3に対する「一表面」の用語は、面自身ではなく、面に接する領域を意味するものとする。したがって、発熱層1および熱絶縁層2は基板3の一表面に形成されていることになる。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the infrared radiation element of the present embodiment includes a heat generation layer 1 that generates heat by energization and emits infrared light, and a heat insulating layer 2 that supports the back surface of the heat generation layer 1 on one surface of the substrate 3. It has a configuration. Here, the term “one surface” with respect to the substrate 3 means not a surface itself but a region in contact with the surface. Therefore, the heat generating layer 1 and the heat insulating layer 2 are formed on one surface of the substrate 3.

基板3は、半導体基板(たとえば、単結晶のシリコン基板)であって直方体状に形成されている。熱絶縁層2は、基板3よりも熱伝導率が十分に小さくなるように形成されている。また、熱絶縁層2は、基板3の上記一表面において深さ方向に形成してあり、熱絶縁層2の一面(図1の上面)を基板3の一面(図1の上面)と面一に形成してある。   The substrate 3 is a semiconductor substrate (for example, a single crystal silicon substrate) and is formed in a rectangular parallelepiped shape. The thermal insulating layer 2 is formed so that the thermal conductivity is sufficiently smaller than that of the substrate 3. The heat insulating layer 2 is formed in the depth direction on the one surface of the substrate 3, and one surface of the heat insulating layer 2 (upper surface in FIG. 1) is flush with one surface of the substrate 3 (upper surface in FIG. 1). Is formed.

熱絶縁層2は、具体的には、基板3の上記一面の周部を残した領域に陽極酸化を施すことにより、基板3を多孔質化して形成する。陽極酸化の条件(電流密度、処理時間など)は、基板3の導電形および導電率に応じて適宜設定する。   Specifically, the thermal insulating layer 2 is formed by making the substrate 3 porous by subjecting the region of the substrate 3 to the region where the peripheral portion of the one surface is left to be anodized. The conditions for anodic oxidation (current density, processing time, etc.) are appropriately set according to the conductivity type and conductivity of the substrate 3.

陽極酸化は、フッ化水素水溶液中で行い、多孔度が略70%の多孔質半導体層(たとえば、ポーラスシリコン層)として形成してある。また、基板3の導電形は、p形とn形とのどちらでもよいが、p形のシリコン基板はn形のシリコン基板に比較して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という傾向があるから、基板3にはp形のシリコン基板を用いるのが望ましい。   Anodization is performed in an aqueous hydrogen fluoride solution, and is formed as a porous semiconductor layer (for example, a porous silicon layer) having a porosity of approximately 70%. The conductivity type of the substrate 3 may be either p-type or n-type. However, the p-type silicon substrate has a porosity higher than that of the n-type silicon substrate when anodized. Since it tends to be large, it is desirable to use a p-type silicon substrate for the substrate 3.

さらに、熱絶縁層2における熱伝導率を低減するために熱絶縁層2の一部あるいは全部を酸化あるいは窒化を行ってもよい。酸化あるいは窒化を行えば電気絶縁性も高くなる。陽極酸化により多孔質化した熱絶縁層2は、熱容量および熱伝導率が小さい上に耐熱性が高く、しかも表面が平滑であるという特徴を有している。   Furthermore, in order to reduce the thermal conductivity in the heat insulating layer 2, a part or all of the heat insulating layer 2 may be oxidized or nitrided. If the oxidation or nitridation is performed, the electrical insulation is increased. The heat insulating layer 2 made porous by anodization has the characteristics that the heat capacity and the heat conductivity are small, the heat resistance is high, and the surface is smooth.

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熱絶縁層2に用いてもよい。熱絶縁層2として、半導体酸化膜を用いる場合には、熱酸化により熱絶縁層2を形成したり、酸化物を含む材料でCVDにより熱絶縁層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により熱絶縁層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。さらには、この種の材料の多孔体を熱絶縁層2として形成することも可能である。   On the other hand, a semiconductor oxide film may be formed by thermal oxidation instead of making it porous by anodic oxidation, and this semiconductor oxide film may be used for the thermal insulating layer 2. In the case where a semiconductor oxide film is used as the thermal insulating layer 2, if the thermal insulating layer 2 is formed by thermal oxidation or the thermal insulating layer 2 is formed by CVD using a material containing an oxide, it is compared with the porous structure. This simplifies the manufacturing process and increases the productivity. When forming the thermal insulation layer 2 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 kind of material can be formed as the heat insulating layer 2.

発熱層1は、基板3の一表面において基板3との間に熱絶縁層2を介して形成されている。発熱層1には、良導電性の金属材料(たとえば、アルミニウム)により形成した一対の電極4が設けられる。図1においては、電極4を左右に離間して設けてある。発熱層1の形状は適宜に設定することができる。たとえば、発熱層1を1枚の矩形状に形成し、向かい合う二辺にそれぞれ電極4を形成することができる。あるいはまた、図1の左右方向に長い複数枚の短冊を有し各短冊の長手方向の一端を各電極4にそれぞれ接続した形状の発熱層1を形成してもよい。いずれの場合も両電極4の間に電圧を印加することにより、発熱層1に通電して発熱させ、赤外線を放射させることができる。   The heat generating layer 1 is formed on one surface of the substrate 3 with the substrate 3 via the thermal insulating layer 2. The heat generating layer 1 is provided with a pair of electrodes 4 made of a highly conductive metal material (for example, aluminum). In FIG. 1, the electrodes 4 are provided so as to be separated from each other on the left and right. The shape of the heat generating layer 1 can be set as appropriate. For example, the heat generating layer 1 can be formed in a single rectangular shape, and the electrodes 4 can be formed on two opposite sides. Alternatively, the heating layer 1 having a plurality of strips that are long in the left-right direction in FIG. 1 and having one end in the longitudinal direction of each strip connected to each electrode 4 may be formed. In either case, by applying a voltage between the electrodes 4, the heat generating layer 1 can be energized to generate heat and emit infrared rays.

発熱層1の材料は、TaNとTiNとから選択するのが望ましい。これらの材料は耐熱性および耐酸化成に優れている。したがって、発熱層1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、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 material of the heat generating layer 1 is preferably selected from TaN and TiN. These materials are excellent in heat resistance and oxidation resistance. Therefore, the heat generating layer 1 can be used in an air atmosphere, and the infrared radiation element can be mounted on the substrate as a bare chip without being housed in the package. In addition, even when housed in a package, it is not necessary to seal the window hole formed in the package in order to transmit infrared light, and there is no attenuation of infrared light by the window member attached to the window hole, so that infrared radiation efficiency is increased. Can do.

また、これらの材料は、発熱層1として形成するのに適した厚み寸法(数十nm)において、シート抵抗が所望値(後述する)になるという物性を有している。しかも、シート抵抗は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、発熱層1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 (described later) in a thickness dimension (several tens of nm) suitable for forming the heat generating layer 1. In addition, the sheet resistance can be controlled by the partial pressure of nitrogen gas during film formation. However, materials other than TaN and TiN can be used as the material for forming the heat generating layer 1, and other metal nitrides or metal carbides may be used.

上述のように構成した赤外線放射素子において、両電極4に所定の電圧を印加して発熱層1に通電すると、発熱層1が発熱することにより赤外線が放射される。また、発熱層1への通電を停止すると発熱層1の温度が低下して赤外線の放射が停止する。発熱層1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4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。   In the infrared radiating element configured as described above, when a predetermined voltage is applied to both electrodes 4 and the heat generating layer 1 is energized, the heat generating layer 1 generates heat to emit infrared rays. Further, when the energization to the heat generating layer 1 is stopped, the temperature of the heat generating layer 1 is lowered and the infrared radiation is stopped. 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 heat generating layer 1 is intermittently applied but also when a voltage changing in a sine wave shape is applied. . That is, the intensity of infrared light can be modulated according to the voltage applied to the electrode 4.

ところで、上述の構成の赤外線放射素子の電極4に正弦波状の電圧を印加するものとして、熱絶縁層2の熱伝導率をαp〔W/mK〕、熱絶縁層2の体積熱容量(比熱容量と密度との積)をCp〔J/mK〕、発熱層1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、熱絶縁層2の熱拡散長μは、次式で表される。
μ=(2αp/ωCp)1/2 …(1)
ただし、ω=2πfである。
By the way, assuming that a sinusoidal voltage is applied to the electrode 4 of the infrared radiation element having the above-mentioned configuration, the thermal conductivity of the thermal insulating layer 2 is αp [W / mK], and the volumetric heat capacity (specific heat capacity and If the product (density) is Cp [J / m 3 K] and the frequency at which the heat generating layer 1 can respond (twice the frequency of the applied voltage) is f [Hz], the heat diffusion length μ of the heat insulating layer 2 Is expressed by the following equation.
μ = (2αp / ωCp) 1/2 (1)
However, ω = 2πf.

熱絶縁層2は、発熱層1から交流的に変化する熱が与えられたときに、温度振幅が減衰して基板1に放熱されないように厚み寸法Lpを設定する必要がある。すなわち、熱絶縁層2の厚み寸法Lpは少なくとも熱拡散長μよりも大きい値に設定する(Lp>μ)ことが望ましいが、大きくしすぎると熱絶縁層2への蓄熱により温度振幅比が減少するため、最適化が必要である。   It is necessary to set the thickness dimension Lp of the heat insulating layer 2 so that the temperature amplitude is attenuated and the heat is not radiated to the substrate 1 when heat that varies in an alternating manner is applied from the heat generating layer 1. That is, it is desirable to set the thickness dimension Lp of the thermal insulation layer 2 to a value at least larger than the thermal diffusion length μ (Lp> μ), but if it is too large, the temperature amplitude ratio decreases due to heat storage in the thermal insulation layer 2. Therefore, optimization is necessary.

いま、熱絶縁層2をポーラスシリコンにより形成するものとし、発熱層1の応答可能な周波数f、熱絶縁層2の体積熱容量Cp、熱絶縁層2の熱伝導率αpを、それぞれf=10〔kHz〕、αp=1.1〔W/mK〕、Cp=1.05×106〔J/m3K〕として、(1)式に代入すると、Lp=5.8×10−6〔m〕になる。したがって、熱絶縁層2の厚み寸法Lpを10〔μm〕に設定すれば、10〔kHz〕以上の正弦波状の電圧に応答可能になる。このように、(1)式を用いることで、発熱層1の昇温を阻害しないように熱絶縁層2の厚み寸法Lpを設定することができる。 Now, it is assumed that the heat insulating layer 2 is formed of porous silicon, and the frequency f at which the heat generating layer 1 can respond, the volumetric heat capacity Cp of the heat insulating layer 2, and the heat conductivity αp of the heat insulating layer 2 are f = 10 [ kHz], αp = 1.1 [W / mK], Cp = 1.05 × 106 [J / m3K] and substituting into the equation (1) results in Lp = 5.8 × 10 −6 [m] . Therefore, if the thickness dimension Lp of the thermal insulating layer 2 is set to 10 [μm], it becomes possible to respond to a sinusoidal voltage of 10 [kHz] or more. Thus, by using the equation (1), the thickness dimension Lp of the heat insulating layer 2 can be set so as not to hinder the temperature rise of the heat generating layer 1.

発熱層1から放射される赤外線のピーク波長λ〔μm〕は、ウィーンの変位則を満足しており、発熱層1の絶対温度T〔K〕とは、次式の関係がある。
λ=2898/T …(2)
したがって、発熱層1の温度を変化させることにより、発熱層1から放射される赤外線のピーク波長を変化させることができる。発熱層1の温度を調節するには、発熱層1に印加する電圧の振幅や波形などを調節し、単位時間当たりに発生するジュール熱を変化させる。
The peak wavelength λ [μm] of infrared rays radiated from the heat generating layer 1 satisfies the Vienna displacement law, and the absolute temperature T [K] of the heat generating layer 1 has the following relationship.
λ = 2898 / T (2)
Therefore, by changing the temperature of the heat generating layer 1, the peak wavelength of infrared rays emitted from the heat generating layer 1 can be changed. In order to adjust the temperature of the heat generating layer 1, the amplitude and waveform of the voltage applied to the heat generating layer 1 are adjusted to change the Joule heat generated per unit time.

たとえば、両電極4の間に100V程度の正弦波状の電圧を印加することによりピーク波長が3〜4〔μm〕の赤外線を放射させるように設計することが可能であり、電圧を調節すれば、ピーク波長が4〔μm〕以上になる赤外線を放射させることも可能である。   For example, by applying a sinusoidal voltage of about 100 V between both electrodes 4, it is possible to design to emit infrared light having a peak wavelength of 3 to 4 [μm]. If the voltage is adjusted, It is also possible to emit infrared rays having a peak wavelength of 4 [μm] or more.

ところで、発熱層1に電圧を印加して発熱させると、熱伝導により熱絶縁層2の温度が上昇する。つまり、発熱層1の温度上昇時には発熱層1の背面に放射された赤外線により熱絶縁層2が加熱されることになる。発熱層1の背面に放射された赤外線は赤外線放射素子から放射する赤外線としては利用されていないから、投入電力に対する赤外線の放射効率が低下する要因になる。   By the way, when a voltage is applied to the heat generating layer 1 to generate heat, the temperature of the heat insulating layer 2 rises due to heat conduction. That is, when the temperature of the heat generating layer 1 rises, the heat insulating layer 2 is heated by infrared rays radiated to the back surface of the heat generating layer 1. Infrared radiation radiated to the back surface of the heat generating layer 1 is not used as infrared radiation radiated from the infrared radiation element, which causes a reduction in infrared radiation efficiency with respect to input power.

そこで、本実施形態では、発熱層1に赤外線を透過させる機能を持たせている。具体的には上述した材料を選択するとともに、発熱層1の厚み寸法を目的とする赤外線の波長に比較して十分に小さく設定する(2桁程度小さい)ことにより赤外線透過性を持たせている。   Therefore, in the present embodiment, the heat generating layer 1 has a function of transmitting infrared rays. Specifically, the material described above is selected, and the thickness dimension of the heat generating layer 1 is set sufficiently smaller than the target infrared wavelength (by about two orders of magnitude) to provide infrared transparency. .

本実施形態の構成では、電極4への電圧印加により発熱層1に通電されると、図1にE1として示しているように、発熱層1から前方(図1の上方)に赤外線が放射されるともに、発熱層1から熱絶縁層2への伝熱により熱絶縁層2が加熱され、図1にE2として示しているように、熱絶縁層2の一部の温度上昇により熱絶縁層2からも赤外線が放射される。熱絶縁層2は、発熱層1を支持しているから、発熱層1から直接伝熱されることになり、発熱層1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。   In the configuration of the present embodiment, when the heat generating layer 1 is energized by applying a voltage to the electrode 4, infrared rays are emitted forward (upward in FIG. 1) from the heat generating layer 1 as indicated by E1 in FIG. At the same time, the heat insulating layer 2 is heated by heat transfer from the heat generating layer 1 to the heat insulating layer 2, and as indicated by E2 in FIG. Infrared rays are also emitted. Since the heat insulating layer 2 supports the heat generating layer 1, heat is directly transferred from the heat generating layer 1, and it can be said that the heat generating layer 1 constitutes a direct heat type infrared radiation source using the heat generating layer 1 as a heat source.

ここで、発熱層1は赤外線透過性を有しているから、熱絶縁層2から発熱層1に向かう向きに放射された赤外線は発熱層1を透過して発熱層1の前方に放射される。つまり、赤外線放射素子からは、発熱層1から前方に放射される赤外線E1と、熱絶縁層2から発熱層1を通過して発熱層1の前方に放射される赤外線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, since the heat generating layer 1 has infrared transparency, infrared rays radiated from the heat insulating layer 2 toward the heat generating layer 1 are transmitted through the heat generating layer 1 and emitted to the front of the heat generating layer 1. . That is, the infrared radiation element radiates the infrared ray E1 emitted forward from the heat generating layer 1 and the infrared ray E2 emitted from the heat insulating layer 2 through the heat generating layer 1 and emitted forward of the heat generating layer 1. As a result, the infrared radiation efficiency with respect to the input power can be increased.

以下では、図1に示す構造の赤外線放射素子を製造するプロセスを簡単に説明する。まず、図2(a)に示すように、比抵抗が80〜120Ωcm程度のp型のシリコン基板11に酸化処理(パイロ酸化)を行うことにより、シリコン酸化膜からなる矩形状の開口領域を有した陽極酸化マスク12を形成する。次に、図2(b)のように、シリコン基板11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13をスパッタリングにより形成する。   Hereinafter, a process for manufacturing the infrared radiation element having the structure shown in FIG. 1 will be briefly described. First, as shown in FIG. 2A, a p-type silicon substrate 11 having a specific resistance of about 80 to 120 Ωcm is subjected to an oxidation process (pyro-oxidation) to thereby have a rectangular opening region made of a silicon oxide film. An anodic oxidation mask 12 is formed. Next, as shown in FIG. 2B, after the silicon oxide film on the back surface of the silicon substrate 11 is removed, an aluminum electrode 13 for back contact is formed by sputtering.

さらに、図2(c)に示すように、陽極酸化マスク12の開口領域に陽極酸化処理を施しポーラスシリコンからなる熱絶縁層2を形成する。陽極酸化処理では、フッ化水素が30%となるようにフッ化水素水溶液とエタノールとを混合した電解液を用い、シリコン基板11において陽極酸化を行う表面のみを電解液に接触させる。   Further, as shown in FIG. 2C, the opening region of the anodic oxidation mask 12 is anodized to form the thermal insulating layer 2 made of porous silicon. In the anodizing treatment, an electrolytic solution obtained by mixing a hydrogen fluoride aqueous solution and ethanol so that hydrogen fluoride is 30% is used, and only the surface of the silicon substrate 11 to be anodized is brought into contact with the electrolytic solution.

その後、シリコン基板11の厚み方向の各面のうち陽極酸化マスク12を形成しているほうの一面に図示しない白金電極を配置するとともに、厚み方向の他面に通電可能な治具にセットして、所定の電流密度の電流を所定時間だけ流して陽極酸化を行う。   Thereafter, a platinum electrode (not shown) is disposed on one surface of the silicon substrate 11 in the thickness direction on which the anodization mask 12 is formed, and set on a jig that can be energized on the other surface in the thickness direction. Then, anodization is performed by flowing a current having a predetermined current density for a predetermined time.

電流密度や電流を流す時間は、熱絶縁層2としての目的の多孔度や厚み寸法に応じて調節される。たとえば、多孔度が70%程度の熱絶縁層を形成するには、電流密度を100〔mA/cm〕に設定する。 The current density and the time during which the current flows are adjusted according to the target porosity and thickness dimension of the heat insulating layer 2. For example, in order to form a thermal insulation layer having a porosity of about 70%, the current density is set to 100 [mA / cm 2 ].

熱絶縁層2を形成した後には、図2(d)のように、陽極酸化マスク12に囲まれた開口領域に発熱層1を成膜する。発熱層1の中央部は開口領域内に形成され、発熱層1の端部は開口領域の周部において陽極酸化マスク12の上に形成される。発熱層1をTaNで形成する場合には、反応性スパッタ法を採用し、Taターゲットを用いるとともに、ArガスとNガスの混合雰囲気でTaNを成膜する。 After the thermal insulating layer 2 is formed, the heat generating layer 1 is formed in the opening region surrounded by the anodic oxidation mask 12 as shown in FIG. The central portion of the heat generating layer 1 is formed in the opening region, and the end of the heat generating layer 1 is formed on the anodizing mask 12 in the peripheral portion of the opening region. When the heat generating layer 1 is formed of TaN, a reactive sputtering method is employed, a Ta target is used, and TaN is formed in a mixed atmosphere of Ar gas and N 2 gas.

反応性スパッタ法により発熱層1を成膜すれば、投入パワーやNガスの分圧によりTaNの組成を制御することが可能であるから、発熱層1の比抵抗を制御することが可能になる。すなわち、発熱層1のシート抵抗値を成膜条件により所望値に調整することができる。発熱層1の厚み寸法は、たとえば40〔nm〕とし、シート抵抗は、たとえば駆動時の最高到達温度で300〔Ωsq〕とする。 If the heat generating layer 1 is formed by the reactive sputtering method, the composition of TaN can be controlled by the input power and the partial pressure of N 2 gas, so that the specific resistance of the heat generating layer 1 can be controlled. Become. That is, the sheet resistance value of the heat generating layer 1 can be adjusted to a desired value depending on the film forming conditions. The thickness dimension of the heat generating layer 1 is, for example, 40 [nm], and the sheet resistance is, for example, 300 [Ωsq] at the highest temperature achieved during driving.

発熱層1を形成した後には、図2(e)に示すように、発熱層1の両端部にそれぞれ電極4を形成する。電極4の形成には、たとえば、メタルマスクを利用した蒸着法を採用することができる。   After the heat generation layer 1 is formed, the electrodes 4 are formed on both ends of the heat generation layer 1 as shown in FIG. For the formation of the electrode 4, for example, a vapor deposition method using a metal mask can be employed.

ところで、図3に示すように、着目する波長の赤外線に対する発熱層1の反射率(曲線イ)と透過率(曲線ロ)と吸収率(曲線ハ)とは、発熱層1のシート抵抗に依存して変化することが理論的に示されている。一方、キルヒホフの法則によれば、熱平衡状態であるときに、吸収率と放射率とは等しいことが知られている。   By the way, as shown in FIG. 3, the reflectance (curve A), the transmittance (curve B), and the absorptance (curve C) of the heat generating layer 1 with respect to infrared rays of the wavelength of interest depend on the sheet resistance of the heat generating layer 1. It has been theoretically shown to change. On the other hand, according to Kirchhoff's law, it is known that the absorptivity and emissivity are equal when in a thermal equilibrium state.

また、本実施形態の構成では、図4に曲線イで示すように、熱絶縁層2には厚み方向(発熱層1からの深さ方向)において温度分布があり、熱絶縁層2の背面側に基板3が設けられているから、熱絶縁層2における発熱層1に近い部位(図4の左端部)と基板3に近い部位(図4の右端部)とでは温度差が大きくなる。   Further, in the configuration of the present embodiment, as indicated by a curve A in FIG. 4, the thermal insulating layer 2 has a temperature distribution in the thickness direction (the depth direction from the heat generating layer 1), and the back side of the thermal insulating layer 2. Since the substrate 3 is provided, the temperature difference between the portion of the thermal insulating layer 2 close to the heat generating layer 1 (left end portion in FIG. 4) and the portion close to the substrate 3 (right end portion in FIG. 4) becomes large.

すなわち、発熱層1の発熱に伴って熱絶縁層2の温度が上昇し、熱絶縁層2からも赤外線が放射されることが予想される。そこで、着目する波長の赤外線に対する発熱層1の透過率をTh、放射率をEh、熱絶縁層2の放射率をEiとすると、発熱層1の見かけの放射率Eは、次式で表すことができる。
E=Eh+Th・Ei …(3)
ここに、熱絶縁層2の放射率Eiは、発熱層1と同温度としたときの放射パワーに対する換算値である。Ei=0.5として、発熱層1のシート抵抗に対する発熱層1の見かけの放射率Eを計算すると図5のようになる。図3と図5とを比較するとわかるように、放射率の最大値は、発熱層1のみを単独で用いる場合よりも、本実施形態のように発熱層1と熱絶縁層2とを組み合わせて赤外線の放射に用いる場合のほうが大幅に向上する。
That is, it is expected that the temperature of the heat insulating layer 2 rises as the heat generating layer 1 generates heat, and infrared rays are also emitted from the heat insulating layer 2. Therefore, assuming that the transmittance of the heat generating layer 1 with respect to infrared rays of the wavelength of interest is Th, the emissivity is Eh, and the emissivity of the heat insulating layer 2 is Ei, the apparent emissivity E of the heat generating layer 1 is expressed by the following equation. Can do.
E = Eh + Th · Ei (3)
Here, the emissivity Ei of the heat insulating layer 2 is a conversion value with respect to the radiant power when the temperature is the same as that of the heat generating layer 1. When Ei = 0.5, the apparent emissivity E of the heat generating layer 1 with respect to the sheet resistance of the heat generating layer 1 is calculated as shown in FIG. As can be seen from a comparison between FIG. 3 and FIG. 5, the maximum value of the emissivity is a combination of the heat generating layer 1 and the heat insulating layer 2 as in this embodiment, rather than the case where only the heat generating layer 1 is used alone. This is much better when used for infrared radiation.

図示例では、発熱層1を単独で用いたときの放射率の最大値は約0.5であり、このときのシート抵抗は187Ωsqになっている。また、赤外線の放射に発熱層1と熱絶縁層2とを併用したときの放射率の最大値は0.714であり、このときのシート抵抗は471Ωsqになっている。   In the illustrated example, the maximum value of the emissivity when the heat generating layer 1 is used alone is about 0.5, and the sheet resistance at this time is 187 Ωsq. Further, when the heat generating layer 1 and the heat insulating layer 2 are used in combination with infrared radiation, the maximum value of the emissivity is 0.714, and the sheet resistance at this time is 471 Ωsq.

ところで、発熱層1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、発熱層1に投入する電力が同じであれば、シート抵抗が小さい発熱層1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ともに、赤外線放射素子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。ここに、放射率が0.7を超えるシート抵抗の範囲は約300〜800Ωsqであるから、シート抵抗は、この範囲の下限である300Ωsqとしている。この場合、見かけの放射率(発熱層1と熱絶縁層2とを併用したときの放射率)は、発熱層1を単独で用いたときと比較して40%向上する。   By the way, when the infrared radiation intensity is controlled by the driving voltage applied to the heat generating layer 1, if the power supplied to the heat generating layer 1 is the same, the driving voltage can be reduced as the heat generating layer 1 has a lower sheet resistance. . If the driving voltage is low, loss due to boosting can be reduced and the electric field strength in the infrared radiation element can be reduced to reduce the possibility of breakage. Therefore, it is desirable that the sheet resistance is small. Here, since the sheet resistance range in which the emissivity exceeds 0.7 is about 300 to 800 Ωsq, the sheet resistance is set to 300 Ωsq which is the lower limit of this range. In this case, the apparent emissivity (emissivity when the heat-generating layer 1 and the heat insulating layer 2 are used in combination) is improved by 40% compared to when the heat-generating layer 1 is used alone.

赤外線放射素子として使用可能であるためには、放射率Eが0.25以上となる範囲において、通電による発熱で発熱層1が断線しない(シート抵抗が大きくなりすぎない)という条件を設定することが考えられ、この条件を満足するには、赤外線放射時の発熱層1のシート抵抗を30〜1000Ωsqとすることが望ましい。   In order to be usable as an infrared radiation element, in the range where the emissivity E is 0.25 or more, the condition that the heat generation layer 1 does not break due to heat generated by energization (the sheet resistance does not become too large) is set. In order to satisfy this condition, it is desirable to set the sheet resistance of the heat generating layer 1 during infrared radiation to 30 to 1000 Ωsq.

さらに、発熱層1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発熱層1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、到達最高温度を高くすることができる。   Furthermore, the heat generating layer 1 has a negative resistance temperature coefficient in which the sheet resistance decreases as the temperature increases. Therefore, even if the drive voltage is the same, the sheet resistance decreases as the temperature rises, and the current flowing through the heat generating layer 1 increases. That is, the input power increases with the temperature rise, and the ultimate temperature can be increased.

ちなみに、発熱層1にTaNを用いて抵抗温度係数を−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。 By the way, TaN is used for the heat generating layer 1 and the resistance temperature coefficient is set to −0.001 [° C. −1 ], the maximum temperature reached during driving is set to 500 [° C.], and the sheet resistance at that temperature is 300 [Ωsq ], The sheet resistance at room temperature is 571 [Ωsq].

上述のように発熱層1が負の抵抗温度係数を持たせることで、発熱層1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 heat generating layer 1 has a negative resistance temperature coefficient, the power supply voltage is boosted by a booster circuit in order to obtain a voltage to be applied to the heat generating layer 1, while increasing the maximum temperature reached. An increase in the boost ratio of the booster circuit can be suppressed, and power loss in the booster circuit can be suppressed.

また、室温でのシート抵抗を変更せずに、図6に示すように、発熱層1の形状を変えることによって投入電力に対する駆動電圧を低減することが可能になる。   Further, as shown in FIG. 6, without changing the sheet resistance at room temperature, it is possible to reduce the driving voltage with respect to the input power by changing the shape of the heat generating layer 1.

いま、図6(a)のように、平面形状が正方形状である発熱層1を基本形状とする。この基本形状に対して、図6(b)のように、両電極4を結ぶ方向における発熱層1の幅寸法を基本形状よりも小さくすれば発熱層1の抵抗値を低減することができる。ここに、シート抵抗は変更しないものとする。この構成では、発熱状態と相関のある発熱層1の単位面積当たりの投入電力を同じにしながらも、印加電圧を低減することができる。   Now, as shown in FIG. 6A, the heat generating layer 1 whose planar shape is a square shape is a basic shape. With respect to this basic shape, as shown in FIG. 6B, the resistance value of the heat generating layer 1 can be reduced by making the width dimension of the heat generating layer 1 in the direction connecting the two electrodes 4 smaller than the basic shape. Here, the sheet resistance is not changed. In this configuration, the applied voltage can be reduced while keeping the same input power per unit area of the heat generating layer 1 correlated with the heat generation state.

また、図6(c)のように、3個の電極4を設けて中央の電極4と両端の電極4との間に電圧を印加するようにしてもよい。この構成では、図6(b)に示した発熱層1を並列に接続したことになり、図6(b)の構成と同じシート抵抗で図6(b)の構成よりもさらに抵抗値を低減させることができる。つまり、印加電圧を低減し、昇圧回路の昇圧比の増加を抑制して電力損失を抑制することができる。しかも、図6(c)の形状では、赤外線を放射する領域の形状が正方形状であって、発光パターンが正方形状になるから光学的な取り扱いが容易である。   Further, as shown in FIG. 6C, three electrodes 4 may be provided to apply a voltage between the central electrode 4 and the electrodes 4 at both ends. In this configuration, the heat generating layers 1 shown in FIG. 6B are connected in parallel, and the resistance value is further reduced as compared with the configuration of FIG. 6B with the same sheet resistance as the configuration of FIG. 6B. Can be made. That is, it is possible to reduce the applied voltage and suppress an increase in the boost ratio of the booster circuit, thereby suppressing power loss. In addition, in the shape of FIG. 6C, the shape of the region that emits infrared rays is square, and the light emission pattern is square, so that optical handling is easy.

ところで、本実施形態では、上述したように、基板3を陽極酸化により多孔質化したポーラス半導体を熱絶縁層2として用い、発熱層1の発熱により赤外線を発生させるのに加えて、発熱層1で熱絶縁層2を加熱することにより赤外線を発生させることで、赤外線の放射率を高めているが、熱絶縁層2として以下の構造を採用することにより、赤外線の放射率をさらに高めることが可能になる。   By the way, in the present embodiment, as described above, the porous semiconductor obtained by making the substrate 3 porous by anodic oxidation is used as the heat insulating layer 2, and in addition to generating infrared rays by the heat generated by the heat generating layer 1, the heat generating layer 1 Although the infrared emissivity is increased by generating infrared rays by heating the thermal insulating layer 2, the infrared emissivity can be further increased by adopting the following structure as the thermal insulating layer 2. It becomes possible.

すなわち、熱絶縁層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11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11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よい。 That is, as shown in FIG. 7, the thermal insulation layer 2 has several μm macropores (not shown, but the surface of the bulk silicon is microscopically undulated). It has a structure in which nanopores of nm are 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 11 during anodic oxidation. For example, a p-type silicon substrate having a high resistance of about 100 Ωcm is used as the semiconductor substrate 11, and a hydrofluoric acid solution having a high concentration of hydrofluoric acid of about 25% is used as an anodic oxidation condition, and a comparison of about 100 mA / cm 2 is performed. What is necessary is just to process with a large current density.

熱絶縁層2として図7に示す構造を採用すると、発熱層1からの熱で熱絶縁層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、熱絶縁層2の表面にはナノサイズの微細な凹凸が生じるだけであって、熱絶縁層2の表面の平滑性を維持することができる。つまり、発熱層1を形成するにあたって、熱絶縁層2の表面状態が発熱層1にほとんど影響しないから、発熱層1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 heat insulating layer 2, when the heat insulating layer 2 is heated by the heat from the heat generating layer 1, cavity radiation is generated by macropores, and the infrared emissivity can be further increased. In addition, since the nanopores are formed in the macropores, only nano-sized fine irregularities are generated on the surface of the heat insulating layer 2, and the smoothness of the surface of the heat insulating layer 2 can be maintained. . That is, when the heat generating layer 1 is formed, the surface state of the heat insulating layer 2 hardly affects the heat generating layer 1, so that the heat generating layer 1 can be formed to a thickness of about several tens of nm.

熱絶縁層2を赤外線の放射に寄与させるには、熱絶縁層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、(1)式を用いて、発熱層1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 thermal insulating layer 2 to contribute to infrared radiation, it is necessary to set the thickness dimension of the thermal insulating layer 2 to 0.5 μm or more. This thickness dimension is set by the relationship with the frequency of the voltage applied to the heat generating layer 1 using the equation (1).

本実施形態の構成を採用することにより、発熱層1の熱容量を小さくすることができる上に、熱絶縁層2の熱絶縁性を高くしていることにより、発熱層1への電圧印加に対する立上り応答がよくなる。しかも、発熱層1の発熱により放射される赤外線だけではなく、発熱層1の背方への熱で熱絶縁層2を加熱して熱絶縁層2から放射される赤外線も利用することで赤外線の放射率を高めているから、単パルス通電でも赤外線の放射強度を高くすることが可能になる。さらに、熱絶縁層2に着目波長の赤外線の空洞放射を行うマクロポアを設けた構成では、より高い強度の赤外線を放射することが可能である。   By adopting the configuration of the present embodiment, the heat capacity of the heat generating layer 1 can be reduced, and the thermal insulation of the heat insulating layer 2 is increased, so that a rise in voltage application to the heat generating layer 1 is achieved. Response is better. Moreover, not only infrared rays radiated by the heat generated by the heat generating layer 1 but also infrared rays radiated from the heat insulating layer 2 by heating the heat insulating layer 2 with heat to the back of the heat generating layer 1 can be used. Since the emissivity is increased, the infrared radiation intensity can be increased even with single pulse energization. Further, in the configuration in which the macropore for performing infrared cavity emission of the wavelength of interest is provided in the heat insulating layer 2, it is possible to emit infrared rays with higher intensity.

(実施形態2)
本実施形態は、発熱層1の背方に放射される赤外線の利用効率をさらに高めるために、熱絶縁層2と基板3との境界面において赤外線を反射させ、反射した赤外線を発熱層1の前方に放射する構成を採用している。熱絶縁層2と基板3との境界面で赤外線を反射させるために、熱絶縁層2の材料として、赤外線に対して透明であり、かつ屈折率が基板3よりも小さい材料を選択している。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, in order to further increase the utilization efficiency of infrared rays radiated to the back of the heat generating layer 1, the infrared rays are reflected at the boundary surface between the heat insulating layer 2 and the substrate 3, and the reflected infrared rays are reflected on the heat generating layer 1. A configuration that radiates forward is adopted. In order to reflect infrared rays at the interface between the thermal insulating layer 2 and the substrate 3, a material that is transparent to the infrared rays and has a refractive index smaller than that of the substrate 3 is selected as the material of the thermal insulating layer 2. .

いま、発熱層1の透過率をTh、発熱層1の放射率をEh、熱絶縁層2と基板3との境界面での反射率をRsとすると、発熱層1の見かけの放射率Eは、次式で表される。
E=Eh+Th・Eh・Rs …(3)
いま、反射率Rs=0.8として、発熱層1のシート抵抗に対する発熱層1の見かけの放射率Eを計算すると図8のようになる。図3と図8とを比較するとわかるように、放射率の最大値は、発熱層1のみを単独で用いる場合よりも、発熱層1と熱絶縁層2とを組み合わせて用いるとともに熱絶縁層2と基板3との境界面での反射を利用する場合のほうが大幅に増加する。
Now, assuming that the transmittance of the heat generating layer 1 is Th, the emissivity of the heat generating layer 1 is Eh, and the reflectance at the interface between the heat insulating layer 2 and the substrate 3 is Rs, the apparent emissivity E of the heat generating layer 1 is Is expressed by the following equation.
E = Eh + Th · Eh · Rs (3)
Now, assuming that the reflectance Rs = 0.8, the apparent emissivity E of the heat generating layer 1 with respect to the sheet resistance of the heat generating layer 1 is calculated as shown in FIG. As can be seen from a comparison between FIG. 3 and FIG. 8, the maximum emissivity is higher when the heat generating layer 1 and the heat insulating layer 2 are used in combination than when the heat generating layer 1 is used alone. When the reflection at the boundary surface between the substrate 3 and the substrate 3 is used, the number is significantly increased.

図8に示す例では、赤外線の放射に発熱層1と熱絶縁層2とを併用し、かつ熱絶縁層2と基板3との境界面での反射を利用したときの放射率の最大値は0.62であり、このときのシート抵抗は270Ωsqになっている。つまり、発熱層1を単独で用いたとき(放射率の最大値が0.5)と比較して放射率が21%向上することになる。   In the example shown in FIG. 8, the maximum value of the emissivity when the heat generation layer 1 and the heat insulating layer 2 are used in combination with infrared radiation and the reflection at the boundary surface between the heat insulating layer 2 and the substrate 3 is used. The sheet resistance at this time is 270 Ωsq. That is, the emissivity is improved by 21% compared to when the heat generating layer 1 is used alone (maximum emissivity is 0.5).

実施形態1と同様に、放射率Eが0.25以上となる範囲において、通電による発熱で発熱層1が断線しない(シート抵抗が大きくなりすぎない)という条件を設定すると、赤外線放射時の発熱層1のシート抵抗を30〜1000Ωsqとすることが望ましいことになる。   As in the first embodiment, in the range where the emissivity E is 0.25 or more, if the condition that the heat generating layer 1 is not disconnected due to the heat generated by energization (the sheet resistance does not become too large) is set, heat generated during infrared radiation It is desirable that the sheet resistance of the layer 1 is 30 to 1000 Ωsq.

本実施形態の構成では、熱絶縁層2としてマクロポアを形成せずに多孔質化したポーラス半導体を用いている。すなわち、熱絶縁層2による空洞放射の効果はなく、半導体として赤外線の吸収率が小さいシリコンを用いると、熱絶縁層2の赤外線に対する透過率は、熱絶縁層2を形成しているポーラス半導体の空孔部(ナノサイズの微粒子間に形成される隙間=ナノポア)に存在する気体分子の赤外線吸収特性が支配することになる。したがって、熱絶縁層2の中に含まれる気体を赤外線吸収がほとんど生じない空気や窒素とすれば、熱絶縁層2は赤外線に対して実質的に透明になる。   In the configuration of the present embodiment, a porous semiconductor that is made porous without forming macropores is used as the thermal insulating layer 2. That is, there is no effect of cavity radiation by the heat insulating layer 2, and when silicon having a small infrared absorption rate is used as the semiconductor, the infrared light transmittance of the heat insulating layer 2 is that of the porous semiconductor forming the heat insulating layer 2. The infrared absorption characteristics of gas molecules existing in the pores (gap formed between nano-sized fine particles = nanopores) will dominate. Therefore, if the gas contained in the heat insulating layer 2 is air or nitrogen that hardly absorbs infrared rays, the heat insulating layer 2 becomes substantially transparent to infrared rays.

ところで、熱絶縁層2と基板3との境界面で赤外線が反射されることに鑑みて、熱絶縁層2により赤外線を共鳴させると、熱絶縁層2から放射される赤外線の強度を高めることができると考えられる。熱絶縁層2の厚み寸法をLp〔m〕、熱絶縁層2の屈折率をnとすると、光路長はn・Lpであるから、目的とする赤外線の真空中での波長をλ〔m〕とすれば、共鳴条件は次式で表される。
n・Lp=(2m−1)λ/4 …(4)
ここに、mは正整数である。たとえば、熱絶縁層2の多孔度を70%とすると、目的とする赤外線の波長が4μmであるときには、屈折率は1.35になるから、m=5に設定すれば、熱絶縁層2の厚み寸法Lpは6.7μmになる。この厚み寸法Lpは、実施形態1に示した駆動条件と熱絶縁層2の熱物性とにおいて、必要な熱絶縁層2の厚み寸法Lpである5.8μm以上を満足する。
By the way, in view of the fact that infrared rays are reflected at the boundary surface between the thermal insulating layer 2 and the substrate 3, when the infrared rays are resonated by the thermal insulating layer 2, the intensity of infrared rays emitted from the thermal insulating layer 2 can be increased. It is considered possible. If the thickness dimension of the thermal insulation layer 2 is Lp [m] and the refractive index of the thermal insulation layer 2 is n, the optical path length is n · Lp, so the wavelength of the target infrared ray in vacuum is λ [m]. If so, the resonance condition is expressed by the following equation.
n · Lp = (2m−1) λ / 4 (4)
Here, m is a positive integer. For example, if the porosity of the heat insulating layer 2 is 70%, the refractive index is 1.35 when the target infrared wavelength is 4 μm. Therefore, if m = 5, the heat insulating layer 2 The thickness dimension Lp is 6.7 μm. This thickness dimension Lp satisfies the required thickness dimension Lp of the thermal insulation layer 2 of 5.8 μm or more in the driving conditions and the thermal properties of the thermal insulation layer 2 described in the first embodiment.

なお、実施形態1においても説明したように、陽極酸化によって形成されるミクロ構造は、半導体基板11の導電型、比抵抗、陽極酸化の条件(電解液の組成、電流密度、時間)により調節することができる。たとえば、半導体基板11として、低抵抗のp型シリコン基板を用い、電解液の組成としてフッ酸濃度を高くすることで、ナノポアのみを有する熱絶縁層2を形成することができる。他の構成および動作は実施形態1と同様である。   As described in the first embodiment, the microstructure formed by anodic oxidation is adjusted by the conductivity type, specific resistance, and anodic oxidation conditions (electrolyte composition, current density, time) of the semiconductor substrate 11. be able to. For example, by using a low-resistance p-type silicon substrate as the semiconductor substrate 11 and increasing the concentration of hydrofluoric acid as the composition of the electrolytic solution, the thermal insulating layer 2 having only nanopores can be formed. Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment.

(実施形態3)
上述した各実施形態では、熱絶縁層2を基板3の一表面に形成した例を示したが、本実施形態では、熱絶縁層2の背面に気体が接触する構成を採用している。具体的には、図9(a)のように熱絶縁層2と基板3との間に気体層5を形成するか、図9(b)のように基板3において熱絶縁層2の背面側となる部位に表裏に貫通した開口6を形成する。
(Embodiment 3)
In each of the above-described embodiments, an example in which the thermal insulating layer 2 is formed on one surface of the substrate 3 has been described. However, in this embodiment, a configuration in which a gas contacts the back surface of the thermal insulating layer 2 is employed. Specifically, the gas layer 5 is formed between the thermal insulating layer 2 and the substrate 3 as shown in FIG. 9A, or the back side of the thermal insulating layer 2 in the substrate 3 as shown in FIG. 9B. The opening 6 penetrating the front and back is formed in the part to be.

図9(a)の構造は、ポーラスシリコンからなる熱絶縁層2を陽極酸化により形成した後に、熱絶縁層2の背面側に陽極酸化により気体層5を形成する。熱絶縁層2と気体層5とは陽極酸化の際に電流密度などの条件を変えることにより形成される。たとえば、熱絶縁層2を形成する際には多孔質化の条件で電流密度を比較的小さくし、気体層5を形成する際には電解研磨の条件となるように電流密度を大きく設定する。熱絶縁層2を形成した後には、熱絶縁層2が多孔質化されていることによって基板1よりも高抵抗であるから、電解研磨の条件において熱絶縁層2を残したままで気体層5を形成することができる。   In the structure of FIG. 9A, after the thermal insulating layer 2 made of porous silicon is formed by anodic oxidation, the gas layer 5 is formed on the back side of the thermal insulating layer 2 by anodic oxidation. The thermal insulating layer 2 and the gas layer 5 are formed by changing conditions such as current density during anodic oxidation. For example, when forming the thermal insulating layer 2, the current density is set to be relatively small under the porous condition, and when forming the gas layer 5, the current density is set to be large so as to be the condition for electrolytic polishing. After the thermal insulation layer 2 is formed, since the thermal insulation layer 2 has a higher resistance than the substrate 1 due to the porous structure, the gas layer 5 is formed while leaving the thermal insulation layer 2 under electrolytic polishing conditions. Can be formed.

また、図9(b)の構造を形成するには、基板1の背面からKOHのようなアルカリ液を用いた異方性エッチングにより堀込みを形成し、熱絶縁層2までの数μmを残して異方性エッチングを終了した後、反応性イオンエッチングを行って開口6を熱絶縁層2まで開通させる。   Further, in order to form the structure of FIG. 9B, a trench is formed from the back surface of the substrate 1 by anisotropic etching using an alkaline solution such as KOH, leaving several μm to the heat insulating layer 2. After the anisotropic etching is completed, reactive ion etching is performed to open the opening 6 to the thermal insulating layer 2.

ところで、実施形態1では、熱絶縁層2の厚み寸法を(1)式で求められる寸法Lpよりも大きく設定しているが、本実施形態では、熱絶縁層2の厚み寸法を(1)式で求められる寸法Lpよりも小さく設定している。   By the way, in Embodiment 1, although the thickness dimension of the heat insulation layer 2 is set larger than the dimension Lp calculated | required by (1) Formula, in this embodiment, the thickness dimension of the heat insulation layer 2 is set to (1) Formula. Is set to be smaller than the dimension Lp required in the above.

すなわち、実施形態1では、発熱層1から熱絶縁層2に向かって放射された赤外線が基板3に到達しないように熱絶縁層2の厚み寸法を寸法Lpよりも大きく設定する必要があるのに対して、本実施形態では、発熱層1から熱絶縁層2に向かって放射された赤外線が、熱絶縁層2の背面において気体に接触するように、熱絶縁層2の厚み寸法を寸法Lpよりも小さく設定しているのである。   That is, in Embodiment 1, it is necessary to set the thickness dimension of the thermal insulating layer 2 to be larger than the dimension Lp so that infrared rays radiated from the heat generating layer 1 toward the thermal insulating layer 2 do not reach the substrate 3. On the other hand, in the present embodiment, the thickness dimension of the heat insulating layer 2 is determined from the dimension Lp so that the infrared rays emitted from the heat generating layer 1 toward the heat insulating layer 2 are in contact with the gas on the back surface of the heat insulating layer 2. Is set too small.

いま、実施形態1と同条件で考え、熱絶縁層2をポーラスシリコンで形成し、発熱層1に正弦波状の電圧を印加するものとして、発熱層1の熱的な応答周波数f、熱絶縁層2の体積熱容量Cp、熱絶縁層2の熱伝導率αpを、それぞれf=10〔kHz〕、αp=1.1〔W/mK〕、Cp=1.05×106〔J/m3K〕とすると、(1)式からLp=5.8〔μm〕になり、本実施形態では、熱絶縁層2の厚み寸法をこの寸法Lp(=5.8〔μm〕)よりも小さくすることが必要である。   Considering the same conditions as in the first embodiment, it is assumed that the heat insulating layer 2 is formed of porous silicon and a sinusoidal voltage is applied to the heat generating layer 1. 2 and the thermal conductivity αp of the thermal insulating layer 2 are f = 10 [kHz], αp = 1.1 [W / mK], and Cp = 1.05 × 106 [J / m3K], respectively. (1), Lp = 5.8 [μm], and in this embodiment, it is necessary to make the thickness dimension of the thermal insulating layer 2 smaller than this dimension Lp (= 5.8 [μm]). is there.

さらに、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〕、熱絶縁層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・Lp=mλ/2 …(5)
ただし、mは自然数である。
Furthermore, in order to increase the infrared radiation efficiency, it is necessary to satisfy the resonance condition represented by the following equation, where λ [m] is the wavelength of the desired infrared ray in vacuum and n is the refractive index of the thermal insulating layer 2. desirable.
n · Lp = mλ / 2 (5)
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熱絶縁層2の厚み寸法Lpは、所望の赤外線の波長を4〔μm〕とし、(5)式においてn=1.35、m=1とすれば、1.5〔μm〕になる。すなわち、1.5〔μm〕<5.8〔μm〕であるから、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 Lp of the thermal insulating layer 2 formed of porous silicon in the present embodiment is 1 if the desired infrared wavelength is 4 [μm], and n = 1.35 and m = 1 in the equation (5). .5 [μm]. That is, since 1.5 [μm] <5.8 [μm], the conditions required in the present embodiment can be satisfied.

すなわち、熱絶縁層2は、発熱層1の昇温を阻害せず、発熱層1と熱絶縁層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、発熱層1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 heat insulating layer 2 does not hinder the temperature rise of the heat generating layer 1 and can reduce the volumetric heat capacity of the heat generating layer 1 and the heat insulating layer 2 as a whole. Therefore, the heat generating layer 1 can respond to a change in the applied voltage at a high speed, and can increase the modulation frequency of the applied voltage.

また、熱絶縁層2をポーラスシリコンにより形成することにより、体積熱容量を低減して熱応答時間を短くすることで、発熱層1の昇温効率をより高めることになる。しかも、本実施形態では、熱絶縁層2の裏面が気体に接触しており、一般に気体は熱絶縁層2よりも熱伝導率が小さいから、熱絶縁層2の背面を断熱することによって、熱絶縁層2から発熱層1の周辺への熱伝導の経路を減少させ発熱層1の周辺部への放熱を抑制することになる。したがって、図3に曲線ロとして示すように、発熱層1を支持している熱絶縁層2は発熱層1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。   In addition, by forming the thermal insulating layer 2 from porous silicon, the volumetric heat capacity is reduced and the thermal response time is shortened, so that the heating efficiency of the heat generating layer 1 is further increased. In addition, in this embodiment, the back surface of the thermal insulation layer 2 is in contact with the gas, and since the gas generally has a lower thermal conductivity than the thermal insulation layer 2, the heat insulation is performed by insulating the back surface of the thermal insulation layer 2. The heat conduction path from the insulating layer 2 to the periphery of the heat generating layer 1 is reduced, and heat dissipation to the peripheral portion of the heat generating layer 1 is suppressed. Therefore, as shown by curve B in FIG. 3, the temperature of the heat insulating layer 2 supporting the heat generating layer 1 rises so that a large temperature difference does not occur in the depth direction when the heat generating layer 1 generates heat. .

ところで、図9(a)の構成のように気体層5を形成している場合には、気体層5の厚み寸法Lgを、以下の条件で設定するのが望ましい。すなわち、発熱層1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5の熱伝導率をαg〔W/mK〕、気体層5の体積熱容量をCg〔J/mK〕とするとき、気体層5の厚み寸法Lgを次式で表される範囲に設定する。
0.05Lg′<Lg<3Lg′ …(6)
ただし、Lg′=(2αg/ωCg)1/2、ω=2πfである。
By the way, when the gas layer 5 is formed like the structure of FIG. 9A, it is desirable to set the thickness dimension Lg of the gas layer 5 under the following conditions. That is, the voltage applied to the heat generating layer 1 is sinusoidal, the frequency of the applied voltage is f [Hz], the thermal conductivity of the gas layer 5 is αg [W / mK], and the volumetric heat capacity of the gas layer 5 is Cg [J / m 3 K], the thickness dimension Lg of the gas layer 5 is set to a range represented by the following formula.
0.05Lg '<Lg <3Lg' ... (6)
However, Lg ′ = (2αg / ωCg) 1/2 and ω = 2πf.

たとえば、発熱層1への印加電圧を周波数f=10〔kHz〕の正弦波とし、気体層5の熱伝導率αg、体積熱容量Cgを、それぞれαg=0.0254〔W/mK〕、Cg=1.21×10〔J/mK〕とすれば、(5)式から1.3〔μm〕<Lg<77.5〔μm〕になるから、気体層5の厚み寸法Lgを、たとえば25〔μm〕に設定することにより、(5)式の条件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 heat generating layer 1 is a sine wave with a frequency f = 10 [kHz], and the thermal conductivity αg and volumetric heat capacity Cg of the gas layer 5 are αg = 0.0254 [W / mK] and Cg = Assuming that 1.21 × 10 3 [J / m 3 K], 1.3 (μm) <Lg <77.5 [μm] from the formula (5), the thickness dimension Lg of the gas layer 5 is For example, by setting to 25 [μm], the condition of the expression (5) can be satisfied. Desirably, the thickness is set so that the temperature amplitude ratio is maximized within this range.

図9(a)に示す構成の気体層5は、基板3の温度を一定とすれば、熱絶縁層2の温度と厚み寸法Lg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5の厚み寸法Lgを(5)式の条件範囲において適宜に調節することにより、発熱層1への印加電圧が上昇する期間には気体層1に断熱性を持たせ、発熱層1への印加電圧が下降する期間には気体層1に放熱性を持たせることが可能になる。   The gas layer 5 having the configuration shown in FIG. 9A has either a heat insulating property or a heat radiating function depending on the temperature and the thickness Lg of the heat insulating layer 2 if the temperature of the substrate 3 is constant. Therefore, by appropriately adjusting the thickness dimension Lg of the gas layer 5 in the condition range of the formula (5), the gas layer 1 is provided with heat insulation during the period when the voltage applied to the heat generating layer 1 increases, During the period in which the voltage applied to the heat generating layer 1 falls, the gas layer 1 can be provided with heat dissipation.

すなわち、気体層5の断熱性と放熱性とを利用するタイミングを、発熱層1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、発熱層1への印加電圧が高周波で変調されている場合でも、発熱層1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2を設けていない場合よりも応答性を高めることが可能になる。   That is, the timing of using the heat insulation and heat dissipation of the gas layer 5 can be made to substantially coincide with the timing of increase / decrease of the voltage applied to the heat generating layer 1, and the voltage applied to the heat generating layer 1 is modulated at a high frequency. Even in the case where the temperature is set, the temperature of the heat generating layer 1 can be changed so as to be substantially synchronized with the frequency of the voltage. That is, it becomes possible to improve responsiveness compared with the case where the gas layer 2 is not provided.

しかも、発熱層1が熱絶縁層2を加熱することによって、実施形態1と同様に、発熱層1の背面側に放射された赤外線の少なくとも一部を発熱層1の前方に放射させることになって、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。さらには、熱絶縁層2の厚み寸法Lpが共鳴条件を満たすように設定することにより、共鳴を利用して赤外線の放射強度をさらに高めることが可能になる。他の構成および動作は実施形態1、2と同様である。   Moreover, when the heat generating layer 1 heats the heat insulating layer 2, at least a part of infrared rays radiated to the back side of the heat generating layer 1 is radiated forward of the heat generating layer 1, as in the first embodiment. Thus, the infrared radiation efficiency with respect to the input power can be increased. Furthermore, by setting the thickness dimension Lp of the thermal insulating layer 2 so as to satisfy the resonance condition, it is possible to further increase the infrared radiation intensity using the resonance. Other configurations and operations are the same as those in the first and second embodiments.

1 発熱層
2 熱絶縁層
3 基板
4 電極
5 気体層
1 Heat generation layer 2 Thermal insulation layer 3 Substrate 4 Electrode 5 Gas layer

Claims (8)

基板の一表面に形成され通電に伴う発熱により赤外線を放射する発熱層と、一面に発熱層が積層されることにより発熱層を支持するように基板の一表面に形成された熱絶縁層とを備え、熱絶縁層は、熱伝導率が基板よりも小さく、発熱層の通電に伴う発熱層からの伝熱による一部の温度上昇と、発熱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、発熱層に向かう向きに赤外線を放射し、発熱層は、熱絶縁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赤外線放射素子。   A heat generating layer that is formed on one surface of the substrate and emits infrared rays due to heat generated by energization, and a heat insulating layer formed on one surface of the substrate to support the heat generating layer by laminating the heat generating layer on one surface. The thermal insulation layer has a thermal conductivity smaller than that of the substrate, and due to at least one of a rise in temperature due to heat transfer from the heat generation layer accompanying energization of the heat generation layer and reflection of infrared rays incident from the heat generation layer, An infrared radiation element characterized in that infrared radiation is emitted in a direction toward the heat generation layer, and the heat generation layer has a function of allowing infrared radiation radiated from the heat insulating layer to pass therethrough. 前記熱絶縁層の他面が気体に接触してい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 other surface of the thermal insulating layer is in contact with a gas. 前記熱絶縁層の厚み寸法は、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記載の赤外線放射素子。   2. The infrared radiation element according to claim 1, wherein a thickness dimension of the heat insulating layer is set such that 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. 前記熱絶縁層の他面は前記基板に接触しており、熱絶縁層と基板との境界面は、熱絶縁層から基板に向かう目的波長の赤外線を反射させる反射面であって、熱絶縁層の厚み寸法は、目的波長の赤外線に対する光路長が当該赤外線の4分の1波長の奇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記載の赤外線放射素子。   The other surface of the thermal insulation layer is in contact with the substrate, and a boundary surface between the thermal insulation layer and the substrate is a reflection surface that reflects infrared rays of a target wavelength from the thermal insulation layer toward the substrate, and the thermal insulation layer The infrared radiation element according to claim 1, wherein the thickness dimension of the infrared radiation element is set such that an optical path length with respect to an infrared ray having a target wavelength is an odd multiple of a quarter wavelength of the infrared ray. 前記熱絶縁層は、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1〜4のいずれか1項に記載の赤外線放射素子。   5. The heat insulating 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. 6. The infrared radiation element described in 1. 前記熱絶縁層は、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1〜4のいずれか1項に記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to claim 1, wherein the thermal insulation layer is formed of an electrical insulation film containing a semiconductor oxide. 前記発熱層は、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1〜6のいずれか1項に記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to claim 1, wherein the heat generating layer is made of a material having a negative resistance temperature coefficient. 前記発熱層は、TaN、TiNから選択されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to claim 1, wherein the heat generation layer is selected from TaN and TiN.
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