JP2000292254A

JP2000292254A - 赤外線吸収体及びこの赤外線吸収体を用いた熱型赤外線センサ

Info

Publication number: JP2000292254A
Application number: JP11104304A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sakurai; 顕治櫻井; Fumihiko Sato; 文彦佐藤; Masakazu Shiiki; 正和椎木
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1999-04-12
Filing date: 1999-04-12
Publication date: 2000-10-20
Anticipated expiration: 2019-04-12
Also published as: JP3608427B2

Abstract

(57)【要約】【課題】赤外線吸収率が高く、且つ高速応答性を持
ち、低コストで生産が容易な赤外線吸収体を提供する。【解決手段】外部からの入射赤外線のエネルギーを熱
に変換するための赤外線吸収体Ｆであって、２つの金属
薄膜１、２を有し、第１の金属薄膜１と第２の金属薄膜
２との間に絶縁膜３を介在させて、第１及び第２の金属
薄膜１、２間を絶縁すると共に、第１及び第２の金属薄
膜１、２を熱的に接続した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線吸収体及び
この赤外線吸収体を用いた熱型赤外線センサに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】赤外線吸収体は熱型赤外線センサに多く
用いられており、外部からの入射赤外線エネルギーを赤
外線吸収体により熱に変換し、その熱を熱型赤外線セン
サにより電気信号に変換している。

【０００３】従来、この入射赤外線を熱に変換するため
の赤外線吸収体には、金属を電気が流れない程度の厚
さで蒸着する方法で形成されたものや、金黒、カー
ボンペースト塗布膜、白金などをメッキにより被膜す
る方法で形成されたものがある。

【０００４】は、金属薄膜の膜厚を電気が流れない程
度の膜厚にすると、金属薄膜に赤外線を入射した時、金
属薄膜中の電子が振動し、そのエネルギーが熱に変換さ
れる。この金属薄膜の赤外線吸収率は、赤外線反射率お
よび透過率が等しくなる膜厚で最大となり、最大値は理
論的にはＯ．５（５０％）と低い。しかし、通常の蒸着
装置があれば簡単に製造でき、熱容量が小さいため応答
速度が速いという利点がある（文献名：Ｚｅｉｔｓｃｈ
ｒｉｆｔｆｕｒＰｈｙｓｉｋ，巻号：ｖｏｌ９１，
ｐｐ２３０〜２５１、出版年：１９３４参照）。

【０００５】図１０及び図１１に示すように、金属を
電気が流れない程度の厚さで蒸着する方法で形成された
赤外線吸収体９は、熱型赤外線センサ（サーモパイルセ
ンサ）のセンサチップＧの受光部分を形成している。こ
のセンサチップＧは、シリコン製の半導体基板１０上に
メンブレン１１を結合して構成してある。そして、図１
２に示すように、メンブレン１１は一方の誘電薄膜１２
上に形成した複数個（１１個）の熱電対（サーモパイ
ル）１３を直列に接続し、且つこれらの複数個の熱電対
１３を十字状に配置して各熱電対１３の温接点部（測温
接点）１４を中心側に配し各熱電対１３の冷接点部（基
準接点）１５を外側に配し、且つ２つの端子部１６、１
７を形成し、これらの熱電対１３を他方の誘電薄膜１８
で被覆して構成してある。

【０００６】そして、熱電対１３は異種金属、例えばＢ
ｉ製の線材１９とＳｂ製の線材２０とから構成してあ
り、温接点部１４及び冷接点部１５は両線材１９、２０
を重ね合わせて構成してある。

【０００７】そして、受光部分である赤外線吸収体９の
形成はメンブレン１１上に金属薄膜を蒸着することによ
り行われる。

【０００８】

【発明が解決しようとじている課題】吸収効率の良い材
料としては、金黒、カーボンペースト塗布膜、メ
ッキによる白金被膜などがあるが、金黒を形成するた
めには低真空蒸着機が必要であり、形成した赤外線吸収
体は強度が弱いという問題点があった。

【０００９】また、カーボンペースト塗布膜は赤外線
センサ上のパタ−ニングが容易であるが、赤外線センサ
を形成する基材（Ｓｉ）を異方性エッチングするための
薬液に対する耐薬品性がないために生産が困難になると
いう問題点があった。

【００１０】また、メッキによる白金被膜も同様に専
用の装置が必要となり、その材料が高価であるという問
題点があった。

【００１１】また、これらの材料は熱容量が大きいた
め、金属薄膜に比べて応答速度が遅くなるという問題点
もあった。（金属薄膜を赤外線吸収体に用いた場合、時
定数は、金黒、樹脂材料を用いたものの約半分であ
る）。

【００１２】また、金属を電気が流れない程度の厚さ
で蒸着する方法で形成された赤外線吸収体９にあって
は、その金属薄膜の生産が容易であって、低コストで形
成できるが、赤外線吸収率は０．５（５０％）と低い。
赤外線吸収率の高い他の赤外線吸収体を形成するには専
用の装置が必要であったり、材料のコストが高いなどの
問題点があった。

【００１３】本発明は上記の問題点に着目して成された
ものであって、その第１の目的とするところは、赤外線
吸収率が高く、且つ高速応答性を持ち、低コストで生産
が容易な赤外線吸収体を提供することにある。

【００１４】また、本発明の第２の目的とするところ
は、赤外線吸収率が高く、且つ高速応答性を持ち、低コ
ストで生産が容易な赤外線吸収体を用いた熱型赤外線セ
ンサを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の第１の目的を達成
するために、請求項１の発明に係る赤外線吸収体は、外
部からの入射赤外線のエネルギーを熱に変換するための
赤外線吸収体であって、少なくとも２つ以上の金属薄膜
を有し、且つその隣り合う金属薄膜間に絶縁膜を介在さ
せて多層構造にしたものである。

【００１６】かかる構成により、隣り合う金属薄膜間を
絶縁すると共に、隣り合う金属薄膜を熱的に接続するこ
とが可能になり、隣り合う金属薄膜のうち、一方の金属
薄膜を透過した赤外線は、他方の金属薄膜で吸収でき、
他方の金属薄膜で反射した赤外線を一方の金属薄膜で吸
収できるために、単層時の金属薄膜に比べより多くの赤
外線を吸収することができる。このように赤外線吸収率
が高く、且つ高速応答性を持ち、低コストで生産が容易
な赤外線吸収体を提供することができる。

【００１７】また、上記の第１の目的を達成するため
に、請求項２の発明に係る赤外線吸収体は、外部からの
入射赤外線のエネルギーを熱に変換するための赤外線吸
収体であって、少なくとも２つ以上の金属薄膜を有し、
且つその隣り合う金属薄膜間に絶縁膜を介在させて多層
構造にし、この多層構造における最終段の金属薄膜は、
その赤外線透過率よりも赤外線反射率を大きくし、最終
段の金属薄膜以外の金属薄膜は、その赤外線反射率より
も赤外線透過率を大きくしたものである。

【００１８】かかる構成により、隣り合う金属薄膜間を
絶縁すると共に、隣り合う金属薄膜を熱的に接続するこ
とが可能になり、隣り合う金属薄膜のうち、一方の金属
薄膜を透過した赤外線は、他方の金属薄膜で吸収でき、
他方の金属薄膜で反射した赤外線を一方の金属薄膜で吸
収できるために、単層時の金属薄膜に比べより多くの赤
外線を吸収することができる。

【００１９】しかも、多層構造における最終段の金属薄
膜は、その赤外線透過率よりも赤外線反射率を大きく
し、最終段の前記金属薄膜以外の金属薄膜は、その赤外
線反射率よりも赤外線透過率を大きくしてあるために、
より多くの赤外線が最終段の金属薄膜に到達し、この最
終段の金属薄膜はより多くの赤外線を反射し、反射光は
再び最終段の金属薄膜以外の金属薄膜で吸収されて、赤
外線吸収率が向上する。例えば、２層構造の赤外線吸収
体であれば、赤外線吸収率は０．５（単層時）から０．
７に向上するし、３層構造の赤外線吸収体であれば、赤
外線吸収率は０．５（単層時）から０．８に向上する。

【００２０】また、上記の第１の目的を達成するため
に、請求項３の発明に係る赤外線吸収体は、外部からの
入射赤外線のエネルギーを熱に変換するための赤外線吸
収体であって、一方の金属薄膜と他方の金属薄膜との間
に絶縁膜を介在させ、且つ赤外線の入射方向に、一方の
金属薄膜と他方の金属薄膜とをこの順序で配置し、他方
の金属薄膜の面積を一方の金属薄膜の面積より大きくし
て、他方の金属薄膜に赤外線の直接入射箇所を設けたも
のである。

【００２１】かかる構成により、請求項１の発明の作用
効果と同様な作用効果を奏し得るばかりか、他方の金属
薄膜の面積は一方の金属薄膜の面積より大きくしてあ
り、一方の金属薄膜が他方の金属薄膜を覆っていない赤
外線の直接入射箇所では、入射赤外線を直接に他方の金
属薄膜で吸収し、また、他方の金属薄膜による入射赤外
線の反射光のうち垂直でない方向の反射光をより多く一
方の金属薄膜に入射することができる。このために、単
層時の金属薄膜に比べより多くの赤外線を吸収できる。

【００２２】また、上記の第２の目的を達成するため
に、請求項４の発明に係る熱型赤外線センサは、赤外線
吸収体を、少なくとも２つ以上の金属薄膜を有し且つそ
の隣り合う金属薄膜間に絶縁膜を介在させて多層構造に
構成し、この多層構造における最終段の金属薄膜の赤外
線透過率よりも赤外線反射率を大きくすると共に、最終
段の金属薄膜以外の金属薄膜は、その赤外線反射率より
も赤外線透過率を大きくし、赤外線吸収体を受光部にし
たものである。

【００２３】かかる構成により、赤外線吸収体の一方の
金属薄膜を透過した赤外線を、他方の金属薄膜で吸収で
き、他方の金属薄膜で反射した赤外線を一方の金属薄膜
で吸収できるため、単層時の金属薄膜に比べより多くの
赤外線を吸収できる。このように吸収率の増加に比例し
てセンサ出力が向上するために、感度が向上し、周囲の
温度のふらつきによる雑音も軽減できるためにセンサの
精度が向上する。このように、赤外線吸収率が高く、且
つ高速応答性を持ち、低コストで生産が容易な赤外線吸
収体を用いた熱型赤外線センサを提供することができ
る。

【００２４】しかも、多層構造における最終段の金属薄
膜は、その赤外線透過率よりも赤外線反射率を大きく
し、最終段の前記金属薄膜以外の金属薄膜は、その赤外
線反射率よりも赤外線透過率を大きくしてあるために、
より多くの赤外線が最終段の金属薄膜に到達し、この最
終段の金属薄膜はより多くの赤外線を反射し、反射光は
再び最終段の金属薄膜以外の金属薄膜で吸収されて、赤
外線吸収率が向上する。例えば、２層構造の赤外線吸収
体であれば、赤外線吸収率は０．５（単層時）から０．
７に向上するし、３層構造の赤外線吸収体であれば、赤
外線吸収率は０．５（単層時）から０．８に向上する。

【００２５】また、上記の第２の目的を達成するため
に、請求項５の発明に係る熱型赤外線センサは、赤外線
吸収体を、一方及び他方の金属薄膜を有し且つ一方の金
属薄膜と他方の金属薄膜との間に絶縁膜を介在させて構
成し、この赤外線吸収体を受光部にしたものである。

【００２６】かかる構成により、赤外線吸収体の一方の
金属薄膜を透過した赤外線を、他方の金属薄膜で吸収で
き、他方の金属薄膜で反射した赤外線を一方の金属薄膜
で吸収できるため、単層時の金属薄膜に比べより多くの
赤外線を吸収できる。このように吸収率の増加に比例し
てセンサ出力が向上するために、感度が向上し、周囲の
温度のふらつきによる雑音も軽減できるために、センサ
の精度が向上する。また、熱型赤外線センサが安価に製
造可能になる。このように、赤外線吸収率が高く、且つ
高速応答性を持ち、低コストで生産が容易な赤外線吸収
体を用いた熱型赤外線センサを提供することができる。

【００２７】また、上記の第２の目的を達成するため
に、請求項６の発明に係る熱型赤外線センサは、請求項
５に記載の熱型赤外線センサにおいて、絶縁膜が、熱電
対を誘電薄膜に封入したメンブレンである。

【００２８】かかる構成により、請求項５の発明の作用
効果と同様な作用効果を奏し得るばかりか、一方の金属
薄膜をメンブレンの一方の面に形成し、他方の金属薄膜
をメンブレンの他方の面に形成することにより絶縁膜を
無くすことができて、熱型赤外線センサの受光部の構成
を簡略化することができる。

【００２９】また、上記の第２の目的を達成するため
に、請求項７の発明に係る熱型赤外線センサは、赤外線
吸収体を、少なくとも２つ以上の金属薄膜を有し且つそ
の隣り合う金属薄膜間に絶縁膜を介在させた多層構造の
部分赤外線吸収部で構成し、当該部分赤外線吸収部を感
温部上にのみに形成して受光部にしたものである。

【００３０】かかる構成により、請求項５の発明の作用
効果と同様な作用効果を奏し得るばかりか、サーモパイ
ルセンサのように受光部が感温部、すなわち温接点部上
にのみでよい場合、温接点部上に部分赤外線吸収部を形
成することで、受光部全体の熱容量を小さくでき、その
結果、応答速度が早くなる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
照して詳細に説明する。

【００３２】（実施の形態例１）本発明に係る赤外線吸
収体の実施の形態例１を図１乃至図３に示す。図１は本
発明に係る赤外線吸収体（実施の形態例１）を用いた熱
型赤外線センサのセンサチップの平面図、図２は同セン
サチップの縦断面図、図３は本発明に係る赤外線吸収体
（実施の形態例１）の作用説明図である。

【００３３】本発明に係る赤外線吸収体Ｆは、一方の金
属薄膜である第１の金属薄膜１と、他方の金属薄膜であ
る第２の金属薄膜２と、これら第１、第２の金属薄膜
１、２間に介装された絶縁膜３とから構成してあり、第
１、第２の金属薄膜１、２は熱的に結合し、電気的には
接触しない構造にしてある。

【００３４】第１、第２の金属薄膜１、２としては、例
えばＡｕの薄膜が用いられており、絶縁膜３としては、
赤外線を吸収しやすい性質を有するもの、例えば、酸化
シリコン（ＳｉＯ₂ ）が用いられる。そして、第１、第
２の金属薄膜１、２の膜厚は、単層での吸収率が最大
０．５（５０％）となる膜厚にしてある（Ａｕを用いた
場合、膜厚は約１７０Åにしてある（文献名：Ａｂｓｏ
ｒｂｉｎｇＬａｙｅｒｓｔｈｃｒｍａｌＩｎｆｒ
ａｒｅｄＤｅｔｅｃｔｏｒｓ、ｐ６３５〜６３８参
照）。

【００３５】また、ここで用いた絶縁膜３は酸化シリコ
ン（ＳｉＯ₂ ）などのように赤外線の透過率が高いもの
であって、その膜厚も、第１、第２の金属薄膜１、２の
膜厚程度にしてある。

【００３６】次に、上記のように構成された赤外線吸収
体Ｆの赤外線吸収の挙動を、図３を参照して説明する。

【００３７】第１の金属薄膜１による赤外線透過光をＤ
１、第１の金属薄膜１による赤外線反射光をＲ１、赤外
線透過光Ｄ１のうち第２の金属薄膜２による赤外線透過
光をＤ２、赤外線透過光Ｄ１のうち第２の金属薄膜２に
よる赤外線反射光をＲ２、赤外線反射光Ｒ２のうち第１
の金属薄膜１による赤外線透過光をＤ３、赤外線反射光
Ｒ２のうち第１の金属薄膜１による赤外線反射光をＲ３
とした場合において、赤外線入射光イを（≒１）とする
と、第１の金属薄膜１に吸収された赤外線吸収光Ａ１
は、Ａ１≒｛１−（Ｄ１＋Ｒ１）｝＋｛Ｒ２−（Ｄ３＋Ｒ
３）｝である。この場合。｛１−（Ｄ１＋Ｒ１）｝は直接入射
した赤外線入射光であり、｛Ｒ２−（Ｄ３＋Ｒ３）｝は
第２の金属薄膜２による赤外線反射光である。

【００３８】また、第２の金属薄膜２により吸収された
赤外線吸収光Ａ２は、Ａ２≒Ｄ１−（Ｄ２＋Ｒ２）である。

【００３９】よって、赤外線吸収体Ｆのトータル吸収量
Ａは、Ａ＝Ａ１＋Ａ２＝１−（Ｄ２＋Ｄ３＋Ｒ１＋Ｒ３）となる。

【００４０】そして、赤外線吸収体Ｆにおいて、入射赤
外線量を１００％とすると、まず赤外線吸収体Ｆに到達
した赤外線イは、第１の金属薄膜１により５０％が吸収
される。残りの５０％の赤外線イは第１の金属薄膜１に
より２５％が赤外線反射光（Ｒ１）として反射され、残
り２５％は赤外線透過光（Ｄ１）として透過される。

【００４１】赤外線透過光（Ｄ１）は第２の金属薄膜２
に到達し、１２．５％が吸収（Ａ２）される。さらに、
約６％の赤外線が第２の金属薄膜２で反射（Ｒ２）さ
れ、第１の金属薄膜１によりさらに約３％の赤外線が吸
収される。

【００４２】このように、赤外線の赤外線吸収体Ｆによ
る反射を１回反射まで考えても、２層構造では、赤外線
入射量のうち約６５％が吸収され、従来の単層での赤外
線の吸収率５０％の約１．３倍となる。

【００４３】ここでは、第１、第２の金属薄膜１、２を
同じ膜厚で形成したが、それぞれの膜厚が違ってもよ
い。また、面積も同じでなくてもよい。また、赤外線吸
収体Ｆは３層以上の多層構造でもよい。上記した本発明
の実施の形態例１と同様な赤外線吸収体Ｆを３層構造と
して計算すると、赤外線の吸収は約７０％となり、単層
の吸収率５０％の約１．４倍になる。また、各層の赤外
線吸収率、反射率、透過率を、［表１］のように設計す
れば吸収率が最大となる。

【００４４】

【表１】

【００４５】上記のように構成された赤外線吸収体Ｆ
は、熱型赤外線センサ（サーモパイルセンサ）のセンサ
チップＧの受光部分を形成している。このセンサチップ
Ｇはシリコン製の半導体基板１０上にメンブレン１１を
結合して構成してある。このメンブレン１１は一方の誘
電薄膜１２上に形成した複数個（１１個）の熱電対（サ
ーモパイル）１３を直列に接続し、且つこれら複数個の
熱電対１３を十字状に配置して各熱電対１３の温接点部
（測温接点）１４を中心側に配し各熱電対１３の冷接点
部（基準接点）１５を外側に配し、且つ２つの端子部１
６、１７を形成し、これらの熱電対１３を他方の誘電薄
膜１８で被覆して構成してある（図１２参照）。

【００４６】そして、熱電対１３は異種金属、例えばＢ
ｉ製の線材１９とＳｂ製の線材２０とから構成してあ
り、温接点部１４及び冷接点部１５は両線材１９、２０
を重ね合わせて構成してある。

【００４７】そして、受光部分である赤外線吸収体Ｆの
形成はメンブレン１１上に第２の金属薄膜２を蒸着など
によりＡｕなどで形成し、その上にＳｉＯ₂ などの絶
縁膜３を形成し、さらに、その上に第１の金属薄膜１を
蒸着などによりＡｕなどで形成して行われている。この
場合、センサチップＧの各熱電対１３の温接点部１４が
赤外線吸収体Ｆに覆われている。

【００４８】したがって、受光部分である赤外線吸収体
Ｆは上記したように２層構造では、赤外線入射量のうち
約６５％を吸収する。この赤外線吸収体Ｆが吸収した赤
外線の熱エネルギーはセンサチップＧの各熱電対１３の
温接点部１４を加熱し、温接点部（測温接点）１４と冷
接点部（基準接点）１５との間に温度差を与えて各熱電
対１３に起電力を生じさせる。これらの起電力を端子部
１６、１７より取出して、物体から放射される熱放射エ
ネルギーを測定する。

【００４９】上記した本発明の実施の形態例１によれ
ば、赤外線吸収体Ｆは、第１の金属薄膜１と第２の金属
薄膜２との間に絶縁膜３を介在させて、第１、第２の金
属薄膜１、２間を絶縁すると共に、第１、第２の金属薄
膜１、２を熱的に接続することが可能になり、第１の金
属薄膜１を透過した赤外線は、第２の金属薄膜２で吸収
でき、第２の金属薄膜２で反射した赤外線を第１の金属
薄膜１で吸収できるため、単層時の金属薄膜に比べより
多くの赤外線を吸収できる。

【００５０】また、上記したセンサチップＧを用いた熱
型赤外線センサは、赤外線吸収体Ｆの第１の金属薄膜１
を透過した赤外線を、第２の金属薄膜２で吸収でき、第
２の金属薄膜２で反射した赤外線を第１の金属薄膜１で
吸収できるため、単層時の金属薄膜に比べより多くの赤
外線を吸収できる。

【００５１】このように吸収率の増加に比例してセンサ
出力が向上するために、感度が向上し、周囲の温度のふ
らつきによる雑音も軽減できるために、センサの精度が
向上する（外乱である周囲温度の影響が小さくなる）。
また、熱型赤外線センサが安価に製造可能になる。

【００５２】また、絶縁膜３の膜厚と第１、第２の金属
薄膜１、２との膜厚を同程度にすることにより、熱型赤
外線センサの赤外線吸収エリアの熱容量（Ｈ）の増加及
び熱伝導率（Ｇ）の低下を最小限にすることができて、
応答速度（τ＝Ｈ／Ｇ）を赤外線吸収体が単層の場合と
同じにできる。

【００５３】また、絶縁膜３は、赤外線透過率が高く、
熱容量の小さい材料で構成すると、この絶縁膜３による
吸収損失を最小限にできるし、この絶縁膜３の吸収損失
を無視できるために設計が容易になる。

【００５４】また、赤外線吸収体Ｆを２層構造とし、第
１の金属薄膜１は赤外線反射率よりも赤外線透過率を多
くし、第２の金属薄膜２は赤外線透過率よりも赤外線反
射率を大きくすることは可能である。

【００５５】この場合、より多くの赤外線が第２の金属
薄膜２に到達するようになるし、また、第２の金属薄膜
２は透過よりも反射が多くなるため、より多くの赤外線
を反射し、赤外線反射光は再び第１の金属薄膜１で吸収
される。その結果、赤外線吸収率は最大で０．５（５０
％）（単層時）→０．７（７０％）に向上する（表１参
照）。

【００５６】また、赤外線吸収体Ｆを３層以上の多層構
造とし、最終段の金属薄膜以外は赤外線反射率よりも赤
外線透過率を多くし、最終段の金属薄膜は赤外線透過率
よりも赤外線反射率を大きくすることも可能である。

【００５７】この場合、膜構成を多くするほど赤外線吸
収率は向上する。３層構成で赤外線吸収率は最大で０．
５（５０％）（単層時）→０．８（８０％）に向上する
（表１参照）。

【００５８】（実施の形態例２）本発明に係る赤外線吸
収体の実施の形態例２を図４及び図５に示す。図４は本
発明に係る赤外線吸収体（実施の形態例２）を用いた熱
型赤外線センサのセンサチップの平面図、図５は同セン
サチップの縦断面図である。なお、上記した本発明の実
施の形態例１と同じ部品には同じ符号を付す。

【００５９】本発明の実施の形態例２では、赤外線吸収
体Ｆ−１を、メンブレン１１の他方の誘電薄膜１８上に
第１の金属薄膜１を蒸着などによりＡｕなどで形成し、
メンブレン１１の一方の誘電薄膜１２に第２の金属薄膜
２を蒸着などによりＡｕなどで形成して構成し、本発明
の実施の形態例１における絶縁膜３を無くしたものであ
る。この場合、熱型赤外線センサのセンサチップＧの各
熱電対１３の温接点部１４が赤外線吸収体Ｆ−１の第
１、第２の金属薄膜１、２に覆われている。そして、こ
の赤外線吸収体Ｆ−１は熱型赤外線センサ（サーモパイ
ルセンサ）の受光部分を形成している。

【００６０】このように構成された赤外線吸収体Ｆ−１
の赤外線吸収の挙動は、本発明の実施の形態例１の赤外
線吸収体Ｆの場合と同様である。この場合、熱電対１３
の配線部分の占める割合が小さいので、この配線部分の
熱的な損失は微小である。

【００６１】また、受光部分である赤外線吸収体Ｆ−１
は、２層構造では、赤外線入射量のうち約６５％が吸収
する。この赤外線吸収体Ｆ−１が吸収した赤外線の熱エ
ネルギーは熱型赤外線センサのセンサチップＧの各熱電
対１３の温接点部１４を加熱し、温接点部（測温接点）
１４と冷接点部（基準接点）１５との間に温度差を与え
て各熱電対１３に起電力を生じさせる。これらの起電力
を端子部１６、１７より取出して、物体から放射される
熱放射エネルギーを測定する。

【００６２】上記した本発明の実施の形態例２によれ
ば、赤外線吸収体Ｆ−１を、第１の金属薄膜１をメンプ
レン１１の他方の誘電薄膜１８上に形成し、第２の金属
薄膜２をメンプレン１１の一方の誘電薄膜１２上に形成
して構成することにより、絶縁膜３を無くすことでき
て、熱型赤外線センサＧの受光部の構成を簡略化するこ
とができる。

【００６３】（実施の形態例３）本発明に係る赤外線吸
収体の実施の形態例３を図６及び図７に示す。図６は本
発明に係る赤外線吸収体（実施の形態例３）を用いた熱
型赤外線センサのセンサチップの平面図、図７は同セン
サチップの縦断面図である。なお、上記した本発明の実
施の形態例１と同じ部品には同じ符号を付す。

【００６４】本発明の実施の形態例３では、赤外線吸収
体Ｆ−２は、熱型赤外線センサのセンサチップＧの感温
部、すなわち、各熱電対１３の温接点部１４上のみに形
成された部分赤外線吸収部４を有している。この部分赤
外線吸収部４の構成は本発明の実施の形態例１における
赤外線吸収体Ｆと同構成であって、金属薄膜の２層構造
にしてある。すなわち、部分赤外線吸収部４は第１、第
２の金属薄膜１、２と、これら第１、第２の金属薄膜
１、２間に介装された絶縁膜３とから構成してあり、第
１、第２の金属薄膜１、２は熱的に結合し、電気的には
接触しない構造にしてある。第１、第２の金属薄膜１、
２としては、例えばＡｕの薄膜が用いられており、絶縁
膜３としては、赤外線を吸収しやすい性質を有するも
の、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）が用いられる。

【００６５】第１、第２の金属薄膜１、２の膜厚は、単
層での吸収率が最大０．５（５０％）となる膜厚とする
（Ａｕを用いた場合、膜厚は約１７０Åにしてあ
る。）。また、ここで用いた絶縁膜３は酸化シリコン
（ＳｉＯ₂ ）などのように赤外線の透過率が高いもので
あり、その膜厚も、第１、第２の金属薄膜１、２の膜厚
程度にしてある。

【００６６】そして、赤外線吸収体Ｆ−２の赤外線吸収
の挙動は、各熱電対１３の温接点部１４上のみにおい
て、本発明の実施の形態例１に場合と同様である。

【００６７】上記した本発明の実施の形態例３によれ
ば、サーモパイルセンサのように受光部が感温部、すな
わち温接点部１４上にのみでよい場合、温接点部１４上
に部分赤外線吸収部４を形成することで、受光部全体の
熱容量を小さくでき、その結果、応答速度が早くなる。

【００６８】（実施の形態例４）本発明に係る赤外線吸
収体の実施の形態例４を図８及び図９に示す。図８は本
発明に係る赤外線吸収体（実施の形態例４）の断面図、
図９は同赤外線吸収体を用いた熱型赤外線センサの縦断
面図である。なお、上記した本発明に係る赤外線吸収体
の実施の形態例１と同じ部品には同じ符号を付す。

【００６９】本発明に係る赤外線吸収体Ｆ−３を用いた
センサチップＧをセンサパッケージ３１に収容して熱型
赤外線センサＳを構成した場合、このセンサパッケージ
３１に設けた窓部３２の大きさから入射赤外線の範囲は
２θである。

【００７０】そして、赤外線吸収体Ｆ−３の構成は、金
属薄膜の２層構造にしてある。すなわち、赤外線吸収体
Ｆ−３は第１、第２の金属薄膜１、２と、これら第１、
第２の金属薄膜１、２間に介装された絶縁膜３とから構
成してあり、第１、第２の金属薄膜１、２は熱的に結合
し、電気的には接触しない構造にしてある。第１、第２
の金属薄膜１、２としては、例えばＡｕの薄膜が用いら
れており、絶縁膜３としては、赤外線を吸収しやすい性
質を有するもの、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２
）が用いられる。

【００７１】第１、第２の金属薄膜１、２の膜厚は、単
層での吸収率が最大０．５（５０％）となる膜厚とする
（Ａｕを用いた場合、膜厚は約１７０Åにしてあ
る。）。また、ここで用いた絶縁膜３は酸化シリコン
（ＳｉＯ₂ ）などのように赤外線の透過率が高いもので
あり、その膜厚も、第１、第２の金属薄膜１、２の膜厚
程度にしてある。

【００７２】そして、赤外線の入射方向に、第１の金属
薄膜１と第２の金属薄膜２とが、この順序で配置してあ
って、第２の金属薄膜２の面積は第１の金属薄膜１の面
積より大きくしてある。このために、第１の金属薄膜１
が第２の金属薄膜２を覆っていない直接入射箇所２Ａが
生じている。

【００７３】このような赤外線吸収体Ｆ−３の構成にお
いて、赤外線入射光には、図８に示すように第１、第２
の金属薄膜１、２に入射する赤外線入射光ａと、第２の
金属薄膜２に直接入射して、その赤外線反射光が第１の
金属薄膜１に入射する赤外線入射光ｂと、第２の金属薄
膜２に直接入射する赤外線入射光ｃとが存在する。

【００７４】赤外線入射光ａの場合は、本発明の実施の
形態例１に場合と同様であって、図３に示すように入射
赤外線量を１００％とすると、まず赤外線吸収体Ｆ−３
に到達した赤外線イは、第１の金属薄膜１により５０％
が吸収される。残りの５０％の赤外線イは第１の金属薄
膜１により２５％が赤外線反射光（Ｒ１）として反射さ
れ、残り２５％は赤外線透過光（Ｄ１）として透過され
る。

【００７５】赤外線透過光（Ｄ１）は第２の金属薄膜２
に到達し、１２．５％が吸収（Ａ２）される。さらに、
約６％の赤外線が第２の金属薄膜２で反射（Ｒ２）さ
れ、第１の金属薄膜１によりさらに約３％の赤外線が吸
収される。

【００７６】このように、赤外線の赤外線吸収体Ｆ−３
による反射を１回反射まで考えても、２層構造では、赤
外線入射量の内約６５％が吸収され、従来の単層での赤
外線の吸収率５０％の約１．３倍となる。

【００７７】また、赤外線入射光ｂの場合は、第２の金
属薄膜２の直接入射箇所２Ａに直接入射してこの第２の
金属薄膜２に吸収され、第２の金属薄膜２による入射赤
外線の反射光のうち、メンブレン１１に対して垂直でな
い方向の赤外線反射光をより多く第１の金属薄膜１に入
射するようにしてある。例えば、図８に示すように入射
角θで第１の金属薄膜１に入射した入射赤外線ロの反射
光ロ´は、より多く第１の金属薄膜１に入射される。

【００７８】また、赤外線入射光ｃの場合は、第２の金
属薄膜２の直接入射箇所２Ａに直接入射してこの第２の
金属薄膜２に吸収され、第２の金属薄膜２による入射赤
外線ハの反射光は第１の金属薄膜１に入射しない。

【００７９】上記した本発明の実施の形態例４によれ
ば、第２の金属薄膜２の面積は第１の金属薄膜１の面積
より大きくしてあるために、第１の金属薄膜１が第２の
金属薄膜２を覆っていない箇所、すなわち直接入射箇所
２Ａが生じ、この直接入射箇所２Ａに直接に入射した入
射赤外線を第２の金属薄膜２で吸収し、この第２の金属
薄膜２による入射赤外線ロの反射光ロ´のうち、メンブ
レン１１に対して垂直でない方向の反射光をより多く第
１の金属薄膜１に入射することができる。このために、
単層時の金属薄膜に比べより多くの赤外線を吸収でき
る。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
係る赤外線吸収体によれば、隣り合う金属薄膜間を絶縁
すると共に、隣り合う金属薄膜を熱的に接続することが
可能になり、隣り合う金属薄膜のうち、一方の金属薄膜
を透過した赤外線は、他方の金属薄膜で吸収でき、他方
の金属薄膜で反射した赤外線を一方の金属薄膜で吸収で
きるために、単層時の金属薄膜に比べより多くの赤外線
を吸収することができる。このように赤外線吸収率が高
く、且つ高速応答性を持ち、低コストで生産が容易な赤
外線吸収体を提供することができる。

【００８１】また、請求項２の発明に係る赤外線吸収体
によれば、隣り合う金属薄膜間を絶縁すると共に、隣り
合う金属薄膜を熱的に接続することが可能になり、隣り
合う金属薄膜のうち、一方の金属薄膜を透過した赤外線
は、他方の金属薄膜で吸収でき、他方の金属薄膜で反射
した赤外線を一方の金属薄膜で吸収できるために、単層
時の金属薄膜に比べより多くの赤外線を吸収することが
できる。

【００８２】しかも、多層構造における最終段の金属薄
膜は、その赤外線透過率よりも赤外線反射率を大きく
し、最終段の金属薄膜以外の金属薄膜は、その赤外線反
射率よりも赤外線透過率を大きくしてあるために、より
多くの赤外線が最終段の金属薄膜に到達し、この最終段
の金属薄膜はより多くの赤外線を反射し、反射光は再び
最終段の金属薄膜以外の金属薄膜で吸収されて、赤外線
吸収率が向上する。例えば、２層構造の赤外線吸収体で
あれば、赤外線吸収率は０．５（単層時）から０．７に
向上するし、３層構造の赤外線吸収体であれば、赤外線
吸収率は０．５（単層時）から０．８に向上する。

【００８３】また、請求項３の発明に係る赤外線吸収体
によれば、請求項１の発明の作用効果と同様な作用効果
を奏し得るばかりか、他方の金属薄膜の面積は一方の金
属薄膜の面積より大きくしてあり、一方の金属薄膜が他
方の金属薄膜を覆っていない赤外線の直接入射箇所で
は、入射赤外線を直接に他方の金属薄膜で吸収し、ま
た、他方の金属薄膜による入射赤外線の反射光のうち垂
直でない方向の反射光をより多く一方の金属薄膜に入射
することができる。このために、単層時の金属薄膜に比
べより多くの赤外線を吸収できる。

【００８４】また、請求項４の発明に係る熱型赤外線セ
ンサによれば、赤外線吸収体の一方の金属薄膜を透過し
た赤外線を、他方の金属薄膜で吸収でき、他方の金属薄
膜で反射した赤外線を一方の金属薄膜で吸収できるた
め、単層時の金属薄膜に比べより多くの赤外線を吸収で
きる。このように吸収率の増加に比例してセンサ出力が
向上するために、感度が向上し、周囲の温度のふらつき
による雑音も軽減できるためにセンサの精度が向上す
る。このように、赤外線吸収率が高く、且つ高速応答性
を持ち、低コストで生産が容易な赤外線吸収体を用いた
熱型赤外線センサを提供することができる。

【００８５】しかも、多層構造における最終段の金属薄
膜は、その赤外線透過率よりも赤外線反射率を大きく
し、最終段の前記金属薄膜以外の金属薄膜は、その赤外
線反射率よりも赤外線透過率を大きくしてあるために、
より多くの赤外線が最終段の金属薄膜に到達し、この最
終段の金属薄膜はより多くの赤外線を反射し、反射光は
再び最終段の金属薄膜以外の金属薄膜で吸収されて、赤
外線吸収率が向上する。例えば、２層構造の赤外線吸収
体であれば、赤外線吸収率は０．５（単層時）から０．
７に向上するし、３層構造の赤外線吸収体であれば、赤
外線吸収率は０．５（単層時）から０．８に向上する。

【００８６】また、請求項５の発明に係る熱型赤外線セ
ンサによれば、赤外線吸収体の一方の金属薄膜を透過し
た赤外線を、他方の金属薄膜で吸収でき、他方の金属薄
膜で反射した赤外線を一方の金属薄膜で吸収できるた
め、単層時の金属薄膜に比べより多くの赤外線を吸収で
きる。このように吸収率の増加に比例してセンサ出力が
向上するために、感度が向上し、周囲の温度のふらつき
による雑音も軽減できるために、センサの精度が向上す
る。また、熱型赤外線センサが安価に製造可能になる。

【００８７】このように、赤外線吸収率が高く、且つ高
速応答性を持ち、低コストで生産が容易な赤外線吸収体
を用いた熱型赤外線センサを提供することができる。

【００８８】また、請求項６の発明に係る熱型赤外線セ
ンサによれば、請求項５の発明の作用効果と同様な作用
効果を奏し得るばかりか、一方の金属薄膜をメンブレン
の一方の面に形成し、他方の金属薄膜をメンブレンの他
方の面に形成することにより絶縁膜を無くすことができ
て、熱型赤外線センサの受光部の構成を簡略化すること
ができる。

【００８９】また、請求項７の発明に係る熱型赤外線セ
ンサによれば、請求項５の発明の作用効果と同様な作用
効果を奏し得るばかりか、サーモパイルセンサのように
受光部が感温部、すなわち温接点部上にのみでよい場
合、温接点部上に部分赤外線吸収部を形成することで、
受光部全体の熱容量を小さくでき、その結果、応答速度
が早くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る赤外線吸収体（実施の形態例１）
を用いた熱型赤外線センサのセンサチップの平面図であ
る。

【図２】同センサチップの縦断面図である。

【図３】本発明に係る赤外線吸収体（実施の形態例１）
の作用説明図である。

【図４】本発明に係る赤外線吸収体（実施の形態例２）
を用いた熱型赤外線センサのセンサチップの平面図であ
る。

【図５】同センサチップの縦断面図である。

【図６】本発明に係る赤外線吸収体（実施の形態例３）
を用いた熱型赤外線センサのセンサチップの平面図であ
る。

【図７】同センサチップの縦断面図である。

【図８】本発明に係る赤外線吸収体（実施の形態例４）
の断面図である。

【図９】同赤外線吸収体を用いた熱型赤外線センサの縦
断面図である。

【図１０】従来の赤外線吸収体を用いた熱型赤外線セン
サのセンサチップの平面図である。

【図１１】同センサチップの縦断面図である。

【図１２】赤外線吸収体を除いた状態のセンサチップの
平面図である。

【符号の説明】

１第１の金属薄膜（一方の金属薄膜）２第２の金属薄膜（他方の金属薄膜）３絶縁膜４部分赤外線吸収部１０半導体基板１１メンブレン１２一方の誘電薄膜１３熱電対１４温接点部（測温接点）（感温部）１５冷接点部（基準接点）１６端子部１７端子部１８他方の誘電薄膜１９線材２０線材３１センサパッケージ３２窓部ＧセンサチップＦ赤外線吸収体Ｆ−１赤外線吸収体Ｆ−２赤外線吸収体Ｆ−３赤外線吸収体Ｓ熱型赤外線センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者椎木正和京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内Ｆターム(参考） 2G065 AA04 AB02 BA11 BA14 BB50 2G066 BA08 BA60 BB11 4M118 AA01 AA10 BA05 CA14 CB13 CB14 GA10 GD15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部からの入射赤外線のエネルギーを熱
に変換するための赤外線吸収体であって、少なくとも２
つ以上の金属薄膜を有し、且つその隣り合う前記金属薄
膜間に絶縁膜を介在させて多層構造にしたことを特徴と
する赤外線吸収体。
【請求項２】外部からの入射赤外線のエネルギーを熱
に変換するための赤外線吸収体であって、少なくとも２
つ以上の金属薄膜を有し、且つその隣り合う前記金属薄
膜間に絶縁膜を介在させて多層構造にし、この多層構造
における前記最終段の金属薄膜は、その赤外線透過率よ
りも赤外線反射率を大きくし、前記最終段の金属薄膜以
外の前記金属薄膜は、その赤外線反射率よりも赤外線透
過率を大きくしたことを特徴とする赤外線吸収体。
【請求項３】外部からの入射赤外線のエネルギーを熱
に変換するための赤外線吸収体であって、一方の金属薄
膜と他方の金属薄膜との間に絶縁膜を介在させ、且つ赤
外線の入射方向に、前記一方の金属薄膜と前記他方の金
属薄膜とをこの順序で配置し、前記他方の金属薄膜の面
積を前記一方の金属薄膜の面積より大きくして、前記他
方の金属薄膜に赤外線の直接入射箇所を設けたことを特
徴とする赤外線吸収体。
【請求項４】赤外線吸収体を、少なくとも２つ以上の
金属薄膜を有し且つその隣り合う前記金属薄膜間に絶縁
膜を介在させて多層構造に構成し、この多層構造におけ
る前記最終段の金属薄膜の赤外線透過率よりも赤外線反
射率を大きくすると共に、前記最終段の金属薄膜以外の
前記金属薄膜は、その赤外線反射率よりも赤外線透過率
を大きくし、前記赤外線吸収体を受光部にしたことを特
徴とする熱型赤外線センサ。
【請求項５】赤外線吸収体を、一方及び他方の金属薄
膜を有し且つ前記一方の金属薄膜と前記他方の金属薄膜
との間に絶縁膜を介在させて構成し、前記赤外線吸収体
を受光部にしたことを特徴とする熱型赤外線センサ。
【請求項６】前記絶縁膜が、熱電対を誘電薄膜に封入
したメンブレンである請求項５に記載の熱型赤外線セン
サ。
【請求項７】赤外線吸収体を、少なくとも２つ以上の
金属薄膜を有し且つその隣り合う前記金属薄膜間に絶縁
膜を介在させた多層構造の部分赤外線吸収部で構成し、
当該部分赤外線吸収部を感温部上にのみに形成して受光
部にしたことを特徴とする熱型赤外線センサ。