JP2010002323A

JP2010002323A - 赤外線センサ及び二酸化炭素センサ

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Publication number: JP2010002323A
Application number: JP2008161881A
Authority: JP
Inventors: Yuya Masuno; 雄矢桝野; Sei Kato; 聖加藤
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2028-06-20
Also published as: JP5336114B2

Abstract

【課題】特定の波長の赤外線を検出する赤外線センサにおいて、簡単な構造により特定の波長の赤外線を選択的に検出できるようにする。また赤外線センサを用いた二酸化炭素センサを得る。
【解決手段】赤外線センサ１０を、シリコン基板１と、シリコン基板１の片側面に形成されたサーモパイル２とで構成する。サーモパイル２はシリコン基板１側に平面部２１を有し、この平面部２１に接触するシリコン基板１の部分に構造体層１１を形成する。構造体層１１はサーモパイル２の平面部２１側に窪んだ凹部１１ａと、平面部２１と反対側に出っ張った凸部１１ｂとを交互に形成したものとす。凹部１１ａと凸部１１ｂは溝と畝を交互に並べたものとし、凹部１１ａと凸部１１ｂの断面形状は矩形波状とする。一組の凹部１１ａ及び凸部１１ａの１周期の長さを、特定の赤外線の波長とする。凹部１１ａと凸部１１ｂの１周期の長さを４．３μｍとした赤外線センサ１０と。赤外線光源とを、窓部を有するケース内に収容して二酸化炭素センサとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、特定波長の赤外線を検出する赤外線センサ及び該赤外線センサを用いた二酸化炭素センサに関する。

従来、この種の赤外線センサとして、例えば特開２００６−５８２０３号公報（特許文献１）及び特開２００６−３１７２３２号公報（特許文献２）に開示されたものがある。特許文献１のものは、シリコン基板の表裏面のうち一方の面にサーモパイルなどを用いた赤外線センサ部をもうけ、この赤外線センサ部をダイヤフラム上に支持させて形成したものである。また、シリコン基板の他方の面に光学干渉多層膜からなる受光波長選択用光学フィルタを形成したものである。そして、赤外線センサと光学フィルタの一体構造とし、製造コストの削減を図るとともに、小型化を目的としたものである。

特許文献２のものは、シリコン基板の一方の表面に赤外線センシング部を形成するとともに、この赤外線センシング部を囲んでその上部を覆うように構造体を形成したものである。また、シリコン基板の他方の面に所定波長域の光を透過する光学フィルタを設けたものである。そして、赤外線感度の向上、低コスト化及び小型化を図るものである。
特開２００６−５８２０３号公報特開２００６−３１７２３２号公報

特許文献１及び２のように、従来の赤外線センサは、特定の波長の赤外線のみを受光するために、多層膜光学バンドパスフィルタ、受光素子、受光素子上の赤外線吸収膜、及びこれらを収納するパッケージ等から構成されている。このため、構成要素が多く、センサ構造が複雑になるという問題がある。また、多層膜光学フィルタは特定の赤外線のみを透過させるためには、干渉膜を複数枚積層させる必要があり、製造工程が煩雑になるという問題がある。また、膜を積層することで成膜ばらつきが積み上げられて膜厚精度を上げるのが困難である。

本発明は、簡単な構成で特定の波長の赤外線を検出できる赤外線センサを提供するとともに、この赤外線線センサを用いた二酸化炭素センサを提供することを課題とする。

請求項１の赤外線センサは、特定波長の赤外線を検出する赤外線センサであって、当該赤外線センサの前記赤外線を受ける側に平面部を有する感温層と、該感温層の前記平面部側に形成された構造体層とを備え、前記構造体層は、前記平面と平行な方向に凹凸が周期的に形成され、該凹凸の形状が該平面部と直角な面での断面形状が矩形波状で、かつ該凹凸の１周期の長さが前記特定の赤外線の波長と同程度としたことを特徴とする。

請求項２の二酸化炭素センサは、前記構造体層の前記凹凸の１周期の長さが二酸化炭素の吸収波長域（例えば４．３μｍ）である請求項１に記載の赤外線センサと、前記赤外線センサの前記構造体層に対して赤外線を含む光を照射する赤外線光源と、前記赤外線センサと前記赤外線光源との間に雰囲気が導入される空間を形成するケース体と、を備えたことを特徴とする。

請求項１の赤外線センサによれば、構造体層の凹凸の１周期の長さが特定の赤外線の波長と同程度の周期とされているので、この構造体層により特定の赤外線を選択的に吸収することができ、この吸収された赤外線の量により感温層が検知する温度が変化し、特定の赤外線の強度を温度として検出することができる。したがって、感温層と構造体層という簡単構成にて特定の赤外線を検出することができる。

請求項２の二酸化炭素センサは、構造体層の凹凸の１周期の長さが二酸化炭素が吸収する赤外線の波長（吸収波長）となっているので、ケース内の二酸化炭素によって赤外線が吸収されると、この吸収量に相当する信号が赤外線センサの出力に現れるので、ケース内の二酸化炭素の濃度等を検出することができる。なお、赤外線光源が一定強度の赤外線を出力するものでもよいし、一定強度でない場合には、二酸化炭素が吸収しない赤外線の波長域の強度を検出し、その検出量によって前記赤外線センサの出力（吸収に応じた出力）を補償すればよい。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る赤外線センサ１０の要部構成を示す断面図である。この赤外線センサ１０は、一部にエッチング加工されたシリコン基板１と、このシリコン基板１の片側面に形成された「感温層」としてのサーモパイル２とを備えている。サーモパイル２のシリコン基板１側は平面部２１とされ、この平面部２１に接触するシリコン基板１のエッチング加工された部分の底部は、構造体層１１となっている。

図２は構造体層１１の一部拡大断面斜視図であり、この構造体層１１はサーモパイル２の平面部２１側に窪んだ凹部１１ａと、平面部２１と反対側に出っ張った凸部１１ｂとを交互に形成したものである。この凹部１１ａと凸部１１ｂは、図１において図面と直交する方向に長手をなす溝と畝を交互に並べたものであり、この凹部１１ａと凸部１１ｂは平面部２１と平行な方向に周期的に形成されている。また、凹部１１ａと凸部１１ｂの断面形状は矩形波状とされている。そして、一組の凹部１１ａ及び凸部１１ａが１周期をなし、その１周期の長さＤは、特定の赤外線の波長とされている。

以上の構成により、構造体層１１側に赤外線が照射されると、その赤外線は構造体層１１の凹部１１ａと凸部１１ｂとにより一部散乱され、この周期Ｄの波長を有する特定の波長の赤外線が吸収されてサーモパイル２に熱伝導される。そして、その赤外線によってサーモパイル２は加熱され、このサーモパイル２から、このサーモパイル２を加熱する基となった赤外線すなわち特定の波長の赤外線の強度を示す量を、温度信号として得られる。

このように、この赤外線センサ１０はサーモパイル２と構造体層１１という簡単な構造であるとともに、凹部１１ａと凸部１１ｂの１周期の長さの波長を有する特定の波長の赤外線を検出することができる。

図３は赤外線センサ１０の製造工程を説明する図であり、次のように製造する。まず、図３(A) のように、ある程度の厚みを有するシリコン基板１の片側平面にサーモパイル２を形成する。次に、シリコン基板１のサーモパイル２と反対側の面をエッチングして、サーモパイル２に接している薄板部１ａを形成する（図３(B) ）。

次に、このシリコン基板１のサーモパイル２と反対側の面、すなわち薄板部１ａとその周囲にマスク層形成し、そのマスク層にパターン露光処理及び現像処理を施し、この薄板部１ａの部分に前記凹部１１ａ及び凸部１１ｂのパターン層４ａを形成する（図３(C) ）。次に、シリコン基板１のパターン層４ａ側にエッチング処理を施し、凹部１１ａと凸部１１ｂを形成する（図３(D) ）。そして、パターン層４ａを剥離し（図３(E) ）、金属成膜を行う。このように、本実施形態の赤外線センサ１０は、シリコン基板の加工、エッチング等の加工という、半導体技術により簡単に製造することができる。

上記の実施の形態の構造体層１１の凹部１１ａと凸部１１ｂは溝と畝を交互に繰り返した周期的な構造の場合であるが、例えば図４のような構造でもよい。図４(A) は円形の縦穴形状の凹部１１ｃ、隣接する凹部１１ｃ，１１ｃの間の部分を凸部１１ｄとして構造体層１１を構成したものである。また、図４ (B)は矩形の縦穴形状の凹部１１ｅ、隣接する凹部１１ｅ，１１ｅの間の部分を凸部１１ｆとして構造体層１１を構成したものである。この場合も、一組の凹部１１ｃ及び凸部１１ｄが１周期をなし、その１周期の長さＤは、特定の赤外線の波長とされている。また、一組の凹部１１ｅ及び凸部１１ｆが１周期をなし、その１周期の長さＤは、特定の赤外線の波長とされている。

図５は実施の形態の二酸化炭素センサ１００の要部を示す図であり、この二酸化炭素センサ１００は、前記実施の形態の赤外線センサ１０と、赤外線光源２０と、ケース３０とを有している。赤外線センサ１０と赤外線光源２０はケース３０内に対向して配置されており、赤外線光源２０からの赤外線ＩＦが赤外線センサ１０の構造体層１１に向けて照射される。また、ケース３０には、窓３０ａ，３０ａが形成され、この窓３０ａ，３０ａを介して雰囲気がケース３０内に導入される。ここで、赤外線センサ１０の構造体層１１における前記凹部１１ａ及び凸部１１ｂの１周期の長さは二酸化炭素の吸収波長域の波長（例えば４．３μｍ）に設定されている。また、赤外線光源２０は一定強度（一定スペクトル分布）の赤外線を含む光を照射するように構成されている。

以上の構成により、二酸化炭素センサ１００の赤外線センサ１０は、凹部１１ａと凸部１１ｂの１周期の長さが二酸化炭素の吸収波長域（例えば、４．３μｍ）になっていることから、構造体層１１は二酸化炭素に吸収される特定の波長の赤外線を選択的に吸収する。したがって、ケース３０内の二酸化炭素濃度が高いと赤外線センサ１０が検出する赤外線受光量は少なくなり、二酸化炭素濃度が低いと赤外線センサ１０が検出する赤外線受光量は多くなる。また、赤外線光源２０は一定強度の赤外線を照射しているので、この検出される赤外線受光量に基づいてケース３０内の二酸化炭素濃度を検出することができる。

なお、本発明の赤外線センサは、二酸化炭素検出センサのみならず、一酸化炭素センサや二酸化硫黄センサにも適用できる。一酸化炭素検出センサの場合には、凹部と凸部の１周期の長さを４．７μｍとし、二酸化硫黄検出センサの場合には、凹部と凸部の１周期の長さを７．４μｍとすればよい。

また、凹部と凸部の周期的構造を、周期の長さ（すなわち対応する特定の波長）が異なる複数の構造体層を形成すれば、特定の波長を有する複数種類の赤外線を検出することができる。

発明の実施の形態に係る赤外線センサの要部構成を示す断面図である。実施の形態の赤外線センサにおける構造体層の一部拡大断面斜視図である。実施の形態の赤外線センサの製造工程を説明する図である。実施の形態の赤外線センサにおける構造体層の他の例を示す図である。実施の形態の二酸化炭素センサの要部を示す図である。

符号の説明

１シリコン基板
１１構造体層
１１ａ凹部
１１ｂ凸部
２サーモパイル
２１平面部
１０赤外線センサ
２０赤外線光源
３０ケース
１００二酸化炭素センサ

Claims

特定波長の赤外線を検出する赤外線センサであって、
当該赤外線センサの前記赤外線を受ける側に平面部を有する感温層と、該感温層の前記平面部側に形成された構造体層とを備え、
前記構造体層は、前記平面と平行な方向に凹凸が周期的に形成され、該凹凸の形状が該平面部と直角な面での断面形状が矩形波状で、かつ該凹凸の１周期の長さが前記特定の赤外線の波長と同程度としたことを特徴とする赤外線センサ。
前記構造体層の前記凹凸の１周期の長さが二酸化炭素の吸収波長域である請求項１に記載の赤外線センサと、
前記赤外線センサの前記構造体層に対して赤外線を含む光を照射する赤外線光源と、
前記赤外線センサと前記赤外線光源との間に雰囲気が導入される空間を形成するケース体と、
を備えたことを特徴とする二酸化炭素センサ。