JP2000146702A

JP2000146702A - 赤外センサ

Info

Publication number: JP2000146702A
Application number: JP10314212A
Authority: JP
Inventors: Shinya Sato; 真也佐藤; Masaki Esashi; 正喜江刺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-11-05
Filing date: 1998-11-05
Publication date: 2000-05-26
Anticipated expiration: 2018-11-05
Also published as: JP3417855B2

Abstract

(57)【要約】【課題】静電容量式赤外センサの製造後の熱応力によっ
てバイメタル構造の検出電極に初期状態から反りが生じ
ても、高感度かつ高い応答性を有する赤外センサを提供
する。【解決手段】熱応力によって反ったバイメタル構造の検
出電極２の形状に合わせて、対向する参照電極３を反ら
せる。又は検出電極２の初期の反りの方向を参照電極３
側として、参照電極３に傾斜や段差を設ける。又は検出
電極２をバイメタル構造により両持ち梁として湾曲しに
くい構造とする。又は検出電極２と参照電極３をくし歯
構造とし、赤外光吸収による熱膨張で検出電極２に回転
モーメントを生じさせる。又は、検出電極と参照電極の
静電容量が目標値になるようサーボをかける。静電容量
取り付け基板に放熱フィンを設けて熱容量を小さくす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は赤外センサに関し、
さらに詳細には、赤外光を吸収して熱に変換する赤外吸
収構造体の熱膨張による変位を静電容量に変換して、赤
外を検出する方式のセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】静電容量式赤外センサに係わる従来技術
としては、例えば特開平８−１９３８８８号公報に記載
されたものがある。

【０００３】この方式では、熱膨張係数が大きく異なる
２種類の金属を積層したバイメタル構造の部材を検出電
極（可動電極）とし、該検出電極とこれに対向する固定
された対向電極（この対向電極は検出電極の変位を知る
ための参照となるので、本明細書では、参照電極と称す
ることもある）とにより静電容量（コンデンサ）を構成
する。このセンサに対し赤外光が照射されると、赤外光
吸収部材によって赤外光が吸収されて熱に変換され、温
度変化が生じる。この結果、バイメタル構造の検出電極
が熱応力によって湾曲（熱膨張による変形）し、検出電
極と参照電極間のギャップが変化して容量変化を生じる
ため、赤外光量を容量の変化として検出することができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、バイメタル構
造体を製作する際、一般に製作時の温度とセンサを実際
に使用する時の周囲温度が異なる場合が多く、その温度
差に起因して熱応力が発生し、検出電極に反りが生じや
すい。また、バイメタル構造体をスパッタ法等で成膜す
る場合には、成膜時に膜応力が発生することが多く、こ
れも反りが発生する要因となる。検出電極に反りが生じ
ると、電極ギャップが広くなるため容量値が減少する。
また、ギャップが広くなることにより、検出電極の変位
が容量値に及ぼす影響が小さくなり、感度が低下する。

【０００５】また、従来例では静電容量の電極取り付け
部材（電極支持基板）に厚いガラス基板を用いているた
め、熱抵抗と熱容量が大きく、両者の積で決まる赤外応
答時間が長くなるといった課題が残されていた。

【０００６】本発明の目的は、第１には、上記の検出電
極の製作時と実際に使用する周囲温度との温度差に起因
する検出電極（赤外吸収構造体）の熱応力による反りの
問題を解消して、赤外光の検出感度および検出精度の向
上させることにある。第２には、赤外センサの熱抵抗と
熱容量を小さくして赤外応答性を高めることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した第１の目的を達
成するために、次のような課題解決手段を提案する。

【０００８】第１の発明は、静電容量を構成する電極を
備え、このうち、一方の電極（以下、検出電極と称す
る）が、被検出対象の赤外光を吸収して熱膨張変形する
赤外吸収構造（例えばバイメタル構造）によって変位す
るよう設定される赤外センサにおいて、該検出電極に対
向するもう一方の電極（以下、参照電極と称する）は、
周囲温度の変化による前記検出電極の変位を補償する方
向に変位可能な温度補償構造を有していることを特徴と
する。

【０００９】例えば、前記検出電極（赤外吸収構造体）
をバイメタル構造体で構成した場合、前記参照電極（温
度補償構造体）も同様に上記検出電極のバイメタル構造
体の熱膨張変形に合わせたバイメタル構造体により構成
する。

【００１０】このように構成すれば、製作時とその後の
センサ使用時の周囲温度の変化により検出電極に反りが
生じても、この反り（変位）を補償（相殺）する方向に
参照電極が変位することで、検出電極と参照電極間の相
対的な初期位置（電極間ギャップ）を略一定に保ち、赤
外光検出の感度低下を防ぐことが可能になる。また、常
時、周囲温度の影響を極力排除して、赤外光吸収の熱膨
張変形による静電容量変化をとらえることができ、赤外
検出精度（赤外光の定量検出を含む）を高めることがで
きる。

【００１１】第２の発明は、上記のように赤外吸収構造
によって変位するよう設定された検出電極と、これに対
向するもう一方の電極（参照電極）とを備え、且つ前記
検出電極は、初期状態では前記参照電極側に反り、この
参照電極の表面に前記検出電極の反りを逃すための段差
或いは傾斜が設けられていることを特徴とする。

【００１２】このように構成すれば、検出電極（赤外吸
収構造体；可動電極）に初期状態で反りが生じても、そ
の反りの方向が参照電極側であり、しかも、参照電極の
表面に検出電極の反りを逃がす空間（反りを受け入れる
空間）を確保するので、検出電極が参照電極に接触する
ことなく参照電極と検出電極との初期ギャップを各部位
ともに小さくする。したがって、検出電極と参照電極間
の相対的な初期位置（電極間ギャップ）のギャップを小
さくして、赤外光の感度低下を防ぐことが可能になる。

【００１３】第３の発明は、赤外光センサの静電容量を
構成する電極のうち、検出電極を赤外吸収構造体によっ
て両持ち梁構造で支持したことを特徴とする。

【００１４】このように構成すれば、検出電極を支持す
る部材が赤外吸収構造体であっても両持ち梁支持構造を
構成するため、赤外吸収構造体が製造時と使用時の温度
差により熱応力を受けても反りにくい構造となり、ま
た、初期状態において検出電極と参照電極が平行ギャッ
プを維持する。したがって、検出電極と参照電極間の相
対的な初期位置（電極間ギャップ）のギャップを小さく
して、赤外光の感度低下を防ぐことが可能になる。

【００１５】第４の発明は、静電容量を構成する電極を
備え、このうち、一方の電極（検出電極）は、被検出対
象の赤外光を吸収して熱膨張する赤外吸収構造の支持部
材によってもう一方の対向する電極（参照電極）方向に
回転モーメントが生じるよう支持され、該検出電極と参
照電極とが交互に入り込む構造をなしていることを特徴
とする。

【００１６】本構成によれば、製作後に赤外吸収構造体
の熱応力に起因して検出電極に変位（オフセット）が生
じた場合であっても、検出電極と参照電極とが交互に入
り込む、いわゆる、くし歯構造をなすことで、検出電
極，参照電極間の容量値は増加する方向に働く。なお、
この容量値の増加の根拠については、実施の形態の項で
式で表している。

【００１７】第５の発明は、静電容量を構成する電極を
備え、このうち、一方の電極（検出電極）は、被検出対
象の赤外光を吸収して熱膨張する赤外吸収構造によって
変位するよう設定され、かつ、前記静電容量の変化を検
出する手段と、前記静電容量が目標値になるようにサー
ボ制御の電圧を前記静電容量の電極間に印加する手段
と、を備えてなることを特徴とする。

【００１８】上記構成によれば、製作時と使用時の温度
差に起因して検出電極に初期状態の反りが生じても、使
用時には検出電極（可動電極）と参照電極（固定電極）
の間に静電容量が目標値になるようにサーボ制御電圧
（静電吸引力）が印加されるので、これにより検出電極
の初期状態の反りによる容量値や容量変化の減少を抑え
ることができる。また、本発明では、サーボ制御電圧の
印加値から赤外光を検出することができる。

【００１９】第６の発明は、赤外センサの静電容量の電
極を取り付ける基板に放熱フィンが設けられていること
を特徴とする。

【００２０】このように構成すれば、センサ部の熱容量
を小さくして、センサの赤外応答性を高めることができ
る。なお、センサを取付ける基板は、放熱フィンを設け
る箇所を薄膜状とすることで、更に一層センサ部全体の
熱容量を小さくすることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を用い
て説明する。

【００２２】図１は第１の発明の実施形態に係わる赤外
センサの縦断面図、図２はその電極の構造を示す平面図
であり、一例として、赤外センサを多数用いるイメージ
センサを例示している。

【００２３】赤外センサは、主に、基板１、静電容量の
一方の電極（検出電極）２及びこれに対向するもう一方
の電極（参照電極）３、赤外光を透過する窓部４から成
る。

【００２４】基板１は、静電容量を構成する電極２，３
を搭載し、また、基板１上には、静電容量の電極２，３
の配置空間を覆うようにしてキャップ状の窓部４が固定
されている。基板１には、シリコン板を用いており、静
電容量部の熱容量を小さくするために、ＲＩＥ（Ｒｅａ
ｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）等の手法によっ
て静電容量の電極取り付け部分を薄膜化するとともに、
その薄膜化した基板の底部（外側の底面）に放熱フィン
５を加工している。また、基板１の上面には、スパッタ
法によって厚さ数μｍのパイレックスガラスの薄膜６を
形成している。

【００２５】パイレックスガラスの薄膜６上に形成され
る検出電極２と参照電極３は、共にバイメタル構造体に
より構成され、本実施例では、一例として、多結晶Ｓｉ
（シリコン）の薄膜７とＡｌ（アルミニウム）の薄膜８
とから成るバイメタル構造体によって構成しており、こ
れらの電極２，３はＳｉ薄膜７により片持梁構造で支持
されるとしている。

【００２６】検出電極２と参照電極３は、検出電極２が
窓部４に面して赤外光を吸収するように配置され、ま
た、検出電極２と参照電極３のギャップ（空隙）を確保
するためのギャップ保持部材（スペーサ）９としてパイ
レックスガラスの薄膜を用いている。また、検出電極２
においては、Ａｌ薄膜８上に赤外光吸収材料として、薄
い金黒１０が成膜されている。

【００２７】このようにして、検出電極２は、被検出対
象の赤外光を吸収して熱膨張変形する赤外吸収構造（バ
イメタル構造）によって変位するよう設定される。ま
た、検出電極２のバイメタル構造と参照電極３のバイメ
タル構造は、同一の熱膨張変形を意図するように構成さ
れており、その意味で、参照電極３のバイメタル構造体
は、周囲温度の変化により検出電極２が変位した場合に
これを補償（相殺）する方向に変位可能な温度補償構造
体として機能する。

【００２８】検出電極２と参照電極３はそれぞれ検出電
極線１１と参照電極線１２に接続されている。

【００２９】このような静電容量のギャップを有する多
層膜構造は、スパッタリング、蒸着、ＣＶＤ等の薄膜形
成技術と、犠牲層エッチングの技術を用いて製作してい
る。

【００３０】本実施例における赤外センサでは、検出電
極２および参照電極３には受光面側に向かって反りが生
じているが、これは製作プロセスの途中において、高温
下での薄膜形成プロセス後に常温に戻した際、バイメタ
ル構造体の多結晶Ｓｉ薄膜７とＡｌ薄膜８には、熱膨張
係数の違いに起因する熱応力が生じており、犠牲層エッ
チングの後に電極がフリーになると、熱膨張係数の大き
なＡｌ薄膜８が大きく収縮するためである。

【００３１】窓部４にはシリコン板を用いており、エッ
チングによって電極部のための空間形成をした後、基板
１上のパイレックスガラス層６を用いて陽極接合によっ
て基板１と接合される。その際、真空雰囲気で接合する
ことにより受光部を真空にすることができ、気体の熱容
量の大きさによる応答性の悪化を防ぐことができる。

【００３２】次に平面図を用いて電極構造を説明する。
本センサは微小なセンサを１画素とし、マトリックス状
に配置したセンサアレイとなっており、赤外画像の検出
が可能である。検出電極２と参照電極３の電極線１１、
１２は、絶縁部材１３を介して直交しており、それぞれ
隣接するセンサと接続されている。

【００３３】電極線の材料としてＡｌ、Ａｕ、Ｐｔ等が
適当であり、基板への密着性を高めるため、中間層とし
てＴｉ、Ｃｒ等を用いても良い。

【００３４】次に動作原理を説明する。窓部４を通過し
た赤外光は、検出電極２上部の金黒１０に吸収されて熱
に変換され、それに伴い検出電極２の温度が変化する。
この際、参照電極３には検出電極（可動電極）２が遮蔽
板となって赤外光は照射されず、かつ検出電極２とは熱
抵抗の大きなギャップ保持材料９で熱絶縁されているた
め、赤外光による参照電極３の温度変化は生じない。

【００３５】検出電極２はバイメタル構造のため、赤外
光吸収に伴う熱応力によって検出電極２の湾曲の状態が
変化し、参照電極３と検出電極２のギャップが変化する
（本実施例では、赤外光吸収量が大きくなるほど検出電
極２は参照電極３とのギャップを小さくする方向に変位
する）。検出電極２と参照電極３間の静電容量値はその
ギャップ量に依存するため、前記電極間の静電容量値を
モニターすれば、赤外光量の変化を測定することができ
る。静電容量値Ｃは、Ｃ＝εＳ／ｄ（ここで、εは電極
間ギャップの誘電率、Ｓは電極対向面積、ｄは電極間ギ
ャップ）で表される。

【００３６】例えば、静電容量の初期の電極ギャップを
ｄとし、ギャップｄが検出電極２の赤外光吸収によりΔ
ｄだけ変化したとすると、

【００３７】

【数１】初期容量Ｃ＝εＳ／ｄ変位後Ｃ＊＝εＳ／（ｄ−Δｄ）変化量 ΔＣ＝Ｃ−Ｃ＊＝εＳΔｄ／ｄ（ｄ−Δ
ｄ）検出電極２，参照電極３間に一定の電圧が印加されてお
り、静電容量が変化すると、その静電容量の変化に伴う
蓄積電荷量の変化を電流や電圧により測定することで、
静電容量が検出できる。

【００３８】従来例では、検出電極２の初期位置の反り
（製作時と使用時の温度差に起因する熱応力による反
り）の方向は、参照電極３に当たらないよう参照電極３
と反対側に反る構造としていたが、このようにすると、
電極ギャップが広がり、初期容量値および容量変化量が
小さくなるという問題があった。これに対して、本発明
の構造においては、参照電極３も検出電極２と同様のバ
イメタル構造としているため、赤外が照射される以前の
初期状態において同様な反りの形状となるため、電極の
各部位においてギャップ間隔をほとんど等しく且つ小さ
くすることができ、初期容量値および容量変化量を大き
くすることができる。したがって、静電容量式赤外セン
サの感度低下を防止できる。

【００３９】また本構造では、周囲温度変化によっても
バイメタル構造の電極が変位するが、参照電極３と検出
電極２をほゞ同一形状とすれば、周囲温度変化に対して
は双方ともに同様の変位量となることから、ギャップ間
隔はほとんど一定に保たれ、周囲温度の影響をキャンセ
ルできる。したがって、赤外センサの検出精度も特別な
温度センサや温度補償回路を設けることなく高めること
ができる。

【００４０】また本構造においては、基板１材料として
ガラスなどと比較して熱抵抗の小さいＳｉを用いてお
り、更に電極形成部分を薄膜化するとともに、放熱フィ
ン５を加工しているため、熱抵抗と熱容量を小さくする
ことができ、従来例と比較して赤外応答性を向上させる
ことができる。

【００４１】次に第２の発明の実施形態に係る赤外セン
サの構造的特徴とその製作方法を図３を用いて説明す
る。図３は本実施形態の赤外センサの主要部をなす静電
容量部の製作工程を示す縦断面図である。

【００４２】図３の（ｄ）は静電容量部の完成図であ
り、本例では、参照電極３は基板１に固定するいわゆる
固定電極により構成され、検出電極２が片持梁構造式の
可動電極により構成されている。検出電極２を構成する
赤外吸収構造体は、ボロン拡散を伴うＳｉ薄膜１５とＡ
ｌ薄膜８のバイメタル構造体より成るが、図１の実施例
と異なる点は、参照電極３に面した側にＡｌ薄膜８を配
置し、その反対側のＳｉ薄膜１５を配置した点であり、
このようにすることで、赤外吸収構造体（検出電極）２
は、実際に使用される周囲温度（製作後の温度）が製作
時温度と異なることに起因して反る場合に、参照電極３
側に反るようにしてある。

【００４３】参照電極３の表面には、上記の検出電極２
の初期状態の反りに合わせた段差、すなわち、検出電極
２の支持部から自由端側に下る階段状の複数の段差が形
成されて、検出電極２の反りを逃すための段差（階段状
空間）を確保している。

【００４４】本実施例の静電容量部を形成する場合に
は、まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１を
フォトリソグラフィーの技術を繰り返して段差状にエッ
チングし、スパッタ法によってパイレックスガラスの薄
膜６を形成後、その表面にスパッタ法によってＡｌ等の
金属薄膜を形成し、この金属薄膜により参照電極３を製
作する。

【００４５】次にｐ~シリコン板１４の表面にボロンを
拡散し、ｐ++層（Ｓｉ薄膜）１５を形成後、表面に検出
電極２となるＡｌ薄膜８を形成後パターニングする。こ
のシリコン板１４を、図３（ｂ）に示すように、前述の
段差面状の固定電極（参照電極）３が形成された基板１
に陽極接合し、図３（ｃ）に示すようにエチレンジアミ
ン−ピロカテコール水によって拡散層１５以外をエッチ
ングする選択エッチングを行う。その後、図３（ｄ）に
示すようＡｌ薄膜８付きのＳｉ膜（ボロン拡散層）１５
をＲＩＥ等でパターニングし検出電極２を形成する。そ
の際、Ｓｉに比べて熱膨張係数の大きなＡｌ薄膜８に、
引っ張り応力がかかっているため、検出電極２は基板１
側に反る。しかし本構造においては、検出電極２の反り
の形状に合わせて参照電極３に段差加工を施しているた
め、検出電極２，参照電極３間の各部位においてギャッ
プ間隔を小さくすることができ、初期の静電容量値およ
び容量変化量を大きくすることができる。したがって、
本実施形態においても、赤外光検出感度の低下を防止す
ることができる。

【００４６】本実施例の構造においても、図示省略して
いるが、最終的製品形状として、基板１には図１に示す
ような窓部４が静電容量取付空間を覆うように被着され
るが、検出電極２のバイメタル構造体のうち窓部４側に
は、赤外反射の大きなＡｌ層（Ａｌ薄膜）８ではなく、
シリコン層１５が形成されており、ボロンを拡散したシ
リコン層１５は赤外吸収効果があるため、検出電極２に
金黒などの吸収材を成膜しなくてもよい利点がある。

【００４７】本実施例の場合には、赤外吸収量が大きく
なるほど、検出電極２は参照電極３と反対側に熱膨張変
形する。

【００４８】なお、参照電極３の表面形状は、段差形状
に代えて、図４に示すように、検出電極２の反りの形状
にほゞ合わせて傾斜状に加工しても、上記同様の効果を
奏することができる。

【００４９】次に第３の発明に係る実施形態について、
図５の断面図を用いて説明する。本構造では検出電極２
が片持ち梁構造で支持されるのではなく、バイメタル構
造体（赤外吸収構造体）によって両持ち梁の構造で支持
されている。

【００５０】静電容量のうち可動電極により構成される
検出電極２は、変形しにくい厚い膜厚の電極板（例えば
シリコン板）で構成され、それを両側から支えるバイメ
タル構造体（ビーム）２′は、上記電極板（シリコン
板）２と同部材を延設した梁部１６と、その梁部１６上
に形成されたＡｌ薄膜１７から成り立っている。

【００５１】本実施例では、参照電極３は基板１上にパ
イレックスガラス薄膜６を介して形成した固定電極より
成る。

【００５２】本実施例によれば、ビーム２′はバイメタ
ル構造のため反りが生じるが、変形しにくい電極板２
と、電極板２を両側から対称な形状のビーム２′に支え
られていることによって、ビーム２′の反りが抑制され
つつ温度変化に対しては電極板２は参照電極３に対して
水平を保ったまま上下に移動する。よって検出電極２の
反りによる容量値や容量変化の減少を抑えることがで
き、センサ検出感度の低下を防止する。

【００５３】次に第４の発明に係る実施形態の赤外セン
サについて、図６を用いて説明する。図６は本実施形態
の静電容量部の動作状態を示す平面図である。

【００５４】本センサは、基本的には、複数（例えば２
本）のくし歯形の可動電極により構成される検出電極２
１と、この検出電極２１と交互に入り込むくし歯形の参
照電極（固定電極）３１とで構成される。検出電極２１
は、ビーム２１ａと一体成形され、このビーム２１ａの
付け根２０を細くして、この付け根２０を介して検出電
極２１がフレーム１９に取付けられている。検出電極２
１，ビーム２１ａ及びフレーム１９は例えばＳｉのよう
な導電体で構成され、参照電極３１及びそのフレーム１
８も導電体で構成される。

【００５５】また、検出電極２１は、そのビーム２１ａ
を介して、Ａｌ等の熱膨張係数の大きな材料からなる支
持部材２２によりビーム２１ａ両側から段違いに支持さ
れており、この段違い支持構造により、支持部材２２が
熱膨張したときに図７に示すように一方向の回転モーメ
ントが生じるように設定してある。このような回転モー
メントを生じさせるには、付け根２０の左右方向の自由
度が大きいことが前提であり、その意味からすれば、付
け根２０を設けないで、ビーム２１ａを支持部材２２に
だけで段違いに支持するだけでもよい。

【００５６】支持部材２２は、光反射性の高いＡｌで構
成する場合には、その表面に赤外光吸収の良い部材を塗
布しておけばよく、これにより、被検出対象の赤外光を
吸収して熱膨張する赤外吸収構造の支持部材が構成され
る。本例では、図１と同様の窓部４を介して支持部材２
２に赤外光が入射する。

【００５７】次にこのセンサの動作について説明する。
赤外吸収によって支持部材２２に熱膨張が生じると、そ
の熱膨張により生じる力により、図７に示すてこの原理
により、図６（ｂ）に示すように検出電極２１がビーム
２１ａを介して回転変位する。

【００５８】この回転変位により、くし歯電極構造の検
出電極２１・参照電極３１間のギャップが変化し、静電
容量が変化する。

【００５９】この容量値が変化する根拠を図８及び計算
式で示すと次の通りである。

【００６０】図８に示すように、くし歯形の検出電極２
１と参照電極３１間の静電容量Ｃは、

【００６１】

【数２】Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４（その他、寄生容量を含むが省略）で表される。ここ
で、可動電極が右に移動した場合、Ｃ２，Ｃ４は増加
し、Ｃ１，Ｃ３は減少する。このような動作をとる場
合、一見、増加する容量と減少する容量とが相殺されて
出力が出ないように思われるが、定量的に容量変化が生
じる。

【００６２】簡略化のため、Ｃ１，Ｃ２について考える
と、Ｃ１，Ｃ２の初期の電極ギャップをｄとし、Δｄだ
け変位したと仮定すると、

【００６３】

【数３】初期容量Ｃ＝εＳ／ｄ＋εＳ／ｄ＝ε２Ｓ／ｄ …（１）変位後Ｃ＊＝εＳ／（d−Δd）＋εＳ／（d+Δd）＝ε2dS／（d²−Δd²）…（２）変化量 ΔＣ＝Ｃ−Ｃ＊＝２εＳΔｄ²／ｄ（ｄ²−Δｄ²） …（３）以上の式からも明らかなように、変化量ΔＣによる容量
変化が生じることがわかる。

【００６４】本構造においても、製作時と製作後の温度
変化に伴い、赤外吸収構造の支持部材２２の熱応力に起
因して検出電極（可動電極）２１に回転方向へのオフセ
ットが生じるが、検出電極２１と参照電極３１とが交互
に入り込む、いわゆる、くし歯構造をなすことにより検
出電極，参照電極間の静電容量値は増加する方向に働
く。その理由は、上記数３の（２）式で示した結果によ
り、変位量と容量値の関係は図９のようになることか
ら、製作後のオフセットはどちら側の方向でも容量値が
増加する方向に働くためである。

【００６５】したがって、本実施例においても、製作後
に検出電極２にオフセットが発生しても、赤外光の検出
感度を高めることができる。

【００６６】次に本発明の第５の発明に係る実施形態の
赤外センサについて、図１０を用いて説明する。本実施
例に係る赤外センサは、静電サーボ制御形に係り、図１
０（ａ）はサーボ制御実施前の初期状態の赤外センサを
示しており、（ｂ）はサーボ制御実施を行なった状態を
示している。

【００６７】本実施例における検出電極（可動電極）２
は、Ａｌと多結晶Ｓｉのバイメタル構造（赤外吸収構造
体）よりなり、Ｓｉ基板１上にパイレックスガラス薄膜
６を介してスパッタ法等の薄膜形成技術と、犠牲層エッ
チングの技術によって片持梁構造によって形成されてい
る。これ対向する参照電極（固定電極）３は、Ａｌ等の
薄膜であり、基板１上にパイレックスガラス薄膜６を介
して固定形成されている。

【００６８】検出電極２には、サーボ制御の非実施時に
は図１０（ａ）に示すように、製作後の熱応力により参
照電極３から離れる方向（Ｓｉ窓部４方向）に初期の反
り（変位）が生じるが、Ｓｉ窓部４に設けられたＳｉＯ
₂からなる絶縁性材料の突起（ストッパ部材）２３によ
って自由端部が押さえつけられ、反り量が規制（低減）
されている。

【００６９】次に本センサの動作原理について説明す
る。

【００７０】参照電極３と検出電極２の間にある電圧を
印加すると、静電引力によって、湾曲していた検出電極
２が参照電極３側に引き戻され、図１０（ｂ）に示すよ
うに平板状となる。この時の静電容量値をＣ₀とする。
ここで赤外吸収によって検出電極２の温度が変化する
と、バイメタル構造に起因する熱応力によって検出電極
２が変位し、ギャップが変化するため静電容量値がＣ₀
から変化する。

【００７１】この時の静電容量値を容量値検出回路２４
によって検出し、電圧印加回路（サーボ制御電圧印加手
段）２５によって静電容量値が常にＣ₀になるように検
出電極２・参照電極３間に印加するサーボ制御電圧をフ
ィードバック制御する。

【００７２】このサーボ制御電圧を読み取ることにより
赤外光量を検出することができる。

【００７３】本方式では、電極間に静電引力をかけるこ
とにより検出電極２を強制的に平板状にした状態で赤外
光を検出するため、検出電極２の反りによる容量値や容
量変化の減少を抑えることができる。したがって、製作
時に発生する反りはある程度許容されるが、あまり反り
が大きくなると静電引力によって引き戻すことができな
くなる。よって静電引力をかける前においても、検出電
極２の反りが過大にならないようにストッパとして機能
する突起２３を設けた方が、設計の自由度が大きくな
る。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、第１の発明〜第５
の発明によれば、赤外センサにおける静電容量を構成す
る検出電極に製作時と製作後の温度変化に伴う反り（熱
応力）が発生した場合でも、静電容量値の減少や感度の
低下を防ぎ、高感度で高い応答性を示すセンサを安価に
提供することができる。さらに、第１の発明では、使用
時の周囲温度の変化によって検出電極に変位が生じて
も、参照電極に温度補償構造を採用することで、上記の
周囲温度の影響を排除して、赤外光検出精度を高めるこ
とができる。

【００７５】また、第６の発明によれば、センサ全体の
熱容量を小さくして、センサの応答性を高めることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の実施形態に係わる赤外センサの縦
断面図。

【図２】上記実施形態の電極の構造を示す平面図。

【図３】第２の発明の実施形態に係る赤外センサの主要
部をなす静電容量部の製作工程を示す縦断面図。

【図４】第２の発明の実施形態に係る赤外センサの変形
例を示す縦断面図。

【図５】第３の発明の実施形態に係る赤外センサの縦断
面図。

【図６】第４の発明の実施形態に係る赤外センサの動作
状態を示す平面図。

【図７】第４の発明の実施形態の検出電極に加わる回転
モーメントの説明図。

【図８】第４の発明の実施形態の静電容量の変化を示す
説明図。

【図９】第４の発明の実施形態の検出電極の変位と静電
容量の変化の関係を示す説明図。

【図１０】本発明の第５の発明に係る実施形態の赤外セ
ンサのサーボ制御実施前の初期状態と、サーボ制御実施
を行なった状態を示す説明図。

【符号の説明】

１…基板、２…検出電極、３…参照電極、４…窓部、５
…放熱フィン、２０…ビーム、２１…くし歯形の可動電
極（検出電極）、２２…熱膨張係数の大きな支持部材、
２３…反り規制用のストッパ、２４…容量値検出回路
（静電容量検出手段）、２５…電圧印加回路（サーボ制
御電圧印加手段）３１…くし歯形の固定電極（参照電
極）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者江刺正喜宮城県仙台市太白区八木山南１−11−９Ｆターム(参考） 2G066 BA20 BA30 BA51 BA55 BA57 BB11 CB01 4M118 AA01 AA10 AB10 BA06 CA35 CB20 EA01 GA10 HA02 HA36

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】静電容量を構成する電極を備え、このう
ち、一方の電極（以下、検出電極とする）は、被検出対
象の赤外光を吸収して熱膨張する赤外吸収構造によって
変位するよう設定され、該検出電極に対向するもう一方
の電極（以下、参照電極とする）は、周囲温度の変化に
よる前記検出電極の変位を補償する方向に変位可能な温
度補償構造を有していることを特徴とする赤外センサ。
【請求項２】前記検出電極と前記参照電極は、熱膨張
係数の異なる材料を張り合わせたバイメタル構造であ
り、共に温度による形状変化の方向性及び程度を合わせ
てある請求項１記載の赤外センサ。
【請求項３】静電容量を構成する電極を備え、このう
ち、一方の電極（以下、検出電極とする）は、被検出対
象の赤外光を吸収して熱膨張する赤外吸収構造によって
変位するよう設定され、且つこの検出電極は、初期状態
では前記検出電極に対向するもう一方の電極（以下、参
照電極とする）側に反り、前記参照電極の表面に前記検
出電極の反りを逃すための段差或いは傾斜が設けられて
いることを特徴とする赤外センサ。
【請求項４】静電容量を構成する電極を備え、このう
ち、一方の電極が、被検出対象の赤外光を吸収して熱膨
張する赤外吸収構造体の両持ち梁構造で変位可能に支持
されていることを特徴とする赤外センサ。
【請求項５】静電容量を構成する電極を備え、このう
ち、一方の電極（以下、検出電極とする）は、被検出対
象の赤外光を吸収して熱膨張する赤外吸収構造の支持部
材によってもう一方の対向する電極（以下、参照電極と
する）方向に回転モーメントが生じるよう支持され、該
検出電極と参照電極とが交互に入り込む構造をなしてい
ることを特徴とする赤外センサ。
【請求項６】静電容量を構成する電極を備え、このう
ち、一方の電極は、被検出対象の赤外光を吸収して熱膨
張する赤外吸収構造によって変位するよう設定され、かつ、前記静電容量の変化を検出する手段と、前記静電
容量が目標値になるようにサーボ制御の電圧を前記静電
容量の電極間に印加する手段と、を備えてなることを特
徴とする赤外センサ。
【請求項７】前記サーボ制御の非実施時における前記
赤外吸収構造の熱応力による反り量を規制する絶縁性の
ストッパ部材が配置されている請求項６記載の赤外セン
サ。
【請求項８】静電容量を構成する電極を備え、このう
ち、一方の電極は、被検出対象の赤外光を吸収して熱膨
張する赤外吸収構造によって変位するよう設定され、前記静電容量の電極を取り付ける基板に放熱フィンが設
けられていることを特徴とする赤外センサ。