JP2010027748A

JP2010027748A - 紫外線センサ

Info

Publication number: JP2010027748A
Application number: JP2008185494A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hatauchi; 隆史畑内; Manabu Tamura; 学田村
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2010-02-04

Abstract

【課題】広帯域に亘って紫外線を検知できる感度領域の広い紫外線センサを提供すること。
【解決手段】本発明の紫外線センサは、紫外線感知部を備えた紫外線センサであって、前記紫外線感知部は、酸化亜鉛と、前記酸化亜鉛のバンドギャップよりも広いバンドギャップを持つ感知波長域拡張材料と、を含有する混合物で構成されていることを特徴とする。これにより、広帯域に亘って紫外線を検知できる感度領域の広い紫外線センサを実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、感応膜に紫外線が照射されることにより発生するキャリアを利用する紫外線センサに関する。

従来、酸化亜鉛を主成分として、焼結体により光感知部が構成された光センサがある。例えば、特許文献１では、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とし、副成分として、少なくとも酸化コバルト（Ｃｏ_３Ｏ_４）、酸化プラセオジム（Ｐｒ_６Ｏ_１１）、酸化モリブデン（ＭｏＯ_３）及び二酸化珪素（ＳｉＯ_２）の各酸化物とし、これらの焼結体を光感知部とした光センサが開示されている。
特開２００３−１４２７００号公報

ところで、広帯域に亘って紫外線を検知できる感度領域の広い紫外線センサを実現できれば、紫外線の様々な波長域で感度を持つものを個別に用意する必要がなくなり、コスト削減に寄与することになる。このため、このように広帯域に亘って紫外線を検知できる感度領域の広い紫外線センサが望まれている。

しかしながら、従来の紫外線センサは、主成分に特化した波長域に感度を持つものであるため、広帯域に亘って紫外線を検知するには、紫外線の様々な波長域で感度を持つものを個別に用意する必要がある。上述した特許文献で開示された光センサは、光感知部が酸化亜鉛の主成分と酸化コバルトなどの副成分の各材料の粉体を混合して焼成させることで得られたものであり、主成分と副成分とが互いに溶け合って固溶した状態になっていることから、主成分の素性が微妙に変化した単一の感度波長を持つに過ぎない。このため、現在望まれている広帯域に亘って紫外線を検知できる感度領域の広い紫外線センサを実現することはできない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、広帯域に亘って紫外線を検知できる感度領域の広い紫外線センサを提供することを目的とする。

本発明の紫外線センサは、紫外線感知部を備えた紫外線センサであって、前記紫外線感知部は、酸化亜鉛と、前記酸化亜鉛のバンドギャップよりも広いバンドギャップを持つ感知波長域拡張材料と、を含有する混合物で構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、酸化亜鉛と該酸化亜鉛により広いバンドギャップを持つ感度波長域拡張材料とが互いに溶け合った固溶した状態ではなく、混合した状態となっているので、それぞれの材料の感度波長をそのまま利用することができ、感知波長域を拡張（ブロードに）することができる。その結果、広帯域に亘る紫外線検知が可能となる。

本発明の紫外線センサにおいては、前記紫外線感知部の感知波長は、前記感知波長域拡張材料の種類と前記混合物における前記感知波長域拡張材料の含有量により調整されることが好ましい。

本発明の紫外線センサにおいては、前記感知波長域拡張材料は、金属酸化物、金属窒化物又は金属フッ化物であることが好ましい。この場合において、前記感知波長域拡張材料は、酸化マグネシウム又は窒化アルミニウムであることが好ましい。

本発明の紫外線センサにおいては、前記混合物における前記酸化亜鉛と前記酸化マグネシウムの比率が１０：０から８：２であって、波長３２０ｎｍから４００ｎｍに感度ピークを持つことが好ましく、前記混合物における前記酸化亜鉛と前記酸化マグネシウムの比率が９：１から７：３であって、波長２８０ｎｍから３２０ｎｍに感度ピークを持つことが好ましく、前記混合物における前記酸化亜鉛と前記酸化マグネシウムの比率が８：２以下であって、波長２８０ｎｍ以下に感度ピークを持つことが好ましい。

本発明の紫外線センサにおいては、前記混合物における前記酸化亜鉛と前記窒化アルミニウムの比率が１０：０から７：３であって、波長３２０ｎｍから４００ｎｍに感度ピークを持つことが好ましく、前記混合物における前記酸化亜鉛と前記窒化アルミニウムの比率が９：１から６：４であって、波長２８０ｎｍから３２０ｎｍに感度ピークを持つことが好ましく、前記混合物における前記酸化亜鉛と前記窒化アルミニウムの比率が７：３以下であって、波長２８０ｎｍ以下に感度ピークを持つことが好ましい。

本発明による紫外線センサは、紫外線感知部を備えた紫外線センサであって、前記紫外線感知部は、酸化亜鉛と、前記酸化亜鉛のバンドギャップよりも広いバンドギャップを持つ感知波長域拡張材料と、を含有する混合物で構成されているので、広帯域に亘って紫外線を検知することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る紫外線センサの断面図であり、図２は本実施の形態の紫外線センサの平面図である。図１及び図２において、本実施の形態の紫外線センサ１は、シリコン、ガラス又はプラスチックなどで構成された基板２を備える。基板２上には、紫外線を感知する感応膜（紫外線感知部）３が形成されている。また、感応膜３上の感知領域以外の領域には、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）などで構成された１対の電極４が形成されている。

感応膜３は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）と、この酸化亜鉛のバンドギャップよりも広いバンドギャップを持つ感知波長域拡張材料とを含有する混合物で構成されている。ここでは、酸化亜鉛の微粒子と、酸化亜鉛のバンドギャップよりも広いバンドギャップを持つ感知波長域拡張材料である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の微粒子とを混合させて感応膜３を形成している。

感知波長域拡張材料としては、酸化亜鉛のバンドギャップ（３．３ｅＶ〜３．４ｅＶ）よりも広いバンドギャップを持つ金属酸化物、金属窒化物又は金属フッ化物を挙げることができる。この中で、酸化マグネシウム又は窒化アルミニウムであることが好ましい。

感応膜３を構成する微粒子のサイズは、充填率の影響による感度などを考慮すると、５０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍから２０ｎｍ程度であることが好ましい。酸化亜鉛の微粒子と、感知波長域拡張材料の微粒子を混合させるためには、例えばアセトン、エタノール、イソプロピルアルコールなどの有機溶媒を分散剤として用いることが好ましい。

紫外線感知部の感知波長は、感知波長域拡張材料の種類と混合物における感知波長域拡張材料の含有量により調整されることが好ましい。このような調整を行うことにより、感知波長（感度ピークの波長）をシフトさせることができ、種々の感知波長域を持つ紫外線センサを実現することが可能となる。

感知波長域拡張材料が酸化マグネシウムである場合においては、混合物における酸化亜鉛と酸化マグネシウムの比率が１０：０から８：２であると、波長３２０ｎｍから４００ｎｍ（ＵＶ−Ａ）に感度ピークを持ち、混合物における酸化亜鉛と酸化マグネシウムの比率が９：１から７：３であると、波長２８０ｎｍから３２０ｎｍ（ＵＶ−Ｂ）に感度ピークを持ち、混合物における酸化亜鉛と酸化マグネシウムの比率が８：２以下であると、波長２８０ｎｍ以下（ＵＶ−Ｃ）に感度ピークを持つ。なお、ＵＶ−Ａ及びＵＶ−Ｂは太陽光から発せられる紫外線であり、ＵＶ−Ｃは殺菌用として用いられる紫外線である。

図３は、酸化亜鉛の微粒子と酸化マグネシウムの微粒子との間の混合比率を変えたときの感度のピーク波長を示すグラフであり、横軸が酸化マグネシウムの混合比（％）を示し、縦軸が波長（ｎｍ）を示す。図３に示すように、酸化マグネシウムの混合比率が大きくなるにしたがって感度のピーク波長が短くなる。この傾向から、酸化マグネシウムの混合比率を変化させることにより、ピーク波長を制御することができる。すなわち、混合物における酸化マグネシウムの含有量を多くすることにより、感度のピーク波長を短波長側にシフトさせることができる。

図４は、酸化亜鉛の微粒子と酸化マグネシウムの微粒子との間の混合比を５０％としたときの波長と相対感度との間の関係を示すグラフであり、横軸が波長（ｎｍ）を示し、縦軸が相対感度を示す。図４において、”□”でプロットした特性曲線は酸化亜鉛単体のものであり、”△”でプロットした特性曲線は酸化亜鉛と酸化マグネシウムを混合したものである。図４から分かるように、酸化亜鉛単体の場合は３２０ｎｍ〜３５０ｎｍで感度を持ち、酸化亜鉛に酸化マグネシウムを混合させた場合は２００ｎｍ付近まで大きな感度を持つ。すなわち、酸化亜鉛に酸化マグネシウムを混合してなる混合物で構成された紫外線感知部を備えた紫外線センサは、酸化亜鉛単体で構成された紫外線感知部を備えた紫外線センサよりも広帯域に亘って紫外線を検知することができる。

感知波長域拡張材料が窒化アルミニウムである場合においては、混合物における酸化亜鉛と窒化アルミニウムの比率が１０：０から７：３であると、波長３２０ｎｍから４００ｎｍ（ＵＶ−Ａ）に感度ピークを持ち、混合物における酸化亜鉛と窒化アルミニウムの比率が９：１から６：４であると、波長２８０ｎｍから３２０ｎｍ（ＵＶ−Ｂ）に感度ピークを持ち、混合物における酸化亜鉛と窒化アルミニウムの比率が７：３以下であると、波長２８０ｎｍ以下（ＵＶ−Ｃ）に感度ピークを持つ。

図５は、酸化亜鉛の微粒子と窒化アルミニウムの微粒子との間の混合比率を変えたときの感度のピーク波長を示すグラフであり、横軸が窒化アルミニウムの混合比（％）を示し、縦軸が波長（ｎｍ）を示す。図５に示すように、窒化アルミニムの混合比率が大きくなるにしたがって感度のピーク波長が短くなる。この傾向から、窒化アルミニウムの混合比率を変化させることにより、ピーク波長を制御することができる。すなわち、混合物における窒化アルミニウムの含有量を多くすることにより、感度のピーク波長を短波長側にシフトさせることができる。

図６は、酸化亜鉛の微粒子と窒化アルミニウムの微粒子との間の混合比を５０％としたときの波長と相対感度との間の関係を示すグラフであり、横軸が波長（ｎｍ）を示し、縦軸が相対感度を示す。図６において、”□”でプロットした特性曲線は酸化亜鉛単体のものであり、”△”でプロットした特性曲線は酸化亜鉛と窒化アルミニウムを混合したものである。図６から分かるように、酸化亜鉛単体の場合は３２０ｎｍ〜３５０ｎｍで感度を持ち、酸化亜鉛に窒化アルミニウムを混合させた場合は２００ｎｍ付近まで大きな感度を持つ。すなわち、酸化亜鉛に窒化アルミニウムを混合してなる混合物で構成された紫外線感知部を備えた紫外線センサは、酸化亜鉛単体で構成された紫外線感知部を備えた紫外線センサよりも広帯域に亘って紫外線を検知することができる。

上記構成を有する紫外線センサにおいては、感応膜３に紫外線が照射されることで光電子が放出され、１対の電極４の間に流れる電流量又は１対の電極４の間の抵抗が変化する。この電流量又は抵抗の変化を検知することにより紫外線量を求めることができる。

図７は、本発明の実施の形態に係る紫外線センサの製造工程を示す断面図である。ここでは、感応膜が酸化亜鉛及び酸化マグネシウムで構成されている場合について説明する。図７（ａ）に示すように、酸化亜鉛の微粒子及び酸化マグネシウムの微粒子をアセトン、エタノール、イソプロピルアルコールなどの有機溶媒と混合して分散液を調製し、この分散液を基板２上に塗布する。この場合、分散液の基板２上への塗布方法としては、スピンコート、ディップコート、スプレーコートなどが挙げられる。その後、基板２を約２００〜６００℃でベーキングして分散液を乾燥させて感応膜３を形成する。

次いで、図７（ｂ）に示すように、感応膜３上にレジストを塗布・乾燥してレジスト膜６を形成し、レジスト膜６にフォトリソグラフィを行って紫外線感知部に対応する領域にレジスト膜６が残存するようにパターニングする。次いで、図７（ｃ）に示すように、全面に電極材料７を形成し、レジスト膜６を溶解する材料でレジスト膜６を除去することにより（リフトオフ）、図７（ｄ）に示すように、紫外線感知部以外の領域（紫外線感知部の両側）に電極４を形成して紫外線センサを作製する。なお、電極４は、銀（Ａｇ）ペーストや金（Ａｕ）ペーストを用いて印刷により形成しても良い。

このように、本実施の形態の紫外線センサ１においては、酸化亜鉛の微粒子と酸化亜鉛より広いバンドギャップを持つ波長域拡張材料である酸化マグネシウム（又は窒化アルムニウム）の微粒子とを混合した混合物で構成された感応膜３を有するので、酸化亜鉛と感度波長域拡張材料とが互いに溶け合った固溶した状態ではなく、混合した状態となっているので、それぞれの材料の感度波長をそのまま利用することができ、感知波長域を拡張（ブロードに）することができる。その結果、広帯域に亘る紫外線検知が可能となる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、感知波長域拡張材料として酸化マグネシウムや窒化アルムニウムを使用した場合について説明しているが、本発明はこれに限定されず、酸化亜鉛より広いバンドギャップを持つ金属酸化物、金属窒化物又は金属フッ化物を感知波長域拡張材料として用いても良い。また、上記実施の形態では、感応膜を平面状に形成した場合について説明しているが、本発明はこれに限定されず、図８に示すように感応膜を櫛形に形成しても良い。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

本発明は、太陽からの紫外線や工業用途に用いられる殺菌灯からの紫外線及び炎から発せられる紫外線を検出する計測機器に適用可能である。

本発明の実施の形態に係る紫外線センサの断面図である。図１の紫外線センサの平面図である。感応膜を構成する酸化亜鉛の微粒子と酸化マグネシウムの微粒子の混合比率を変えたときの感度のピーク波長を示すグラフである。感応膜を構成する酸化亜鉛の微粒子と酸化マグネシウムの微粒子の混合比を５０％としたときの波長と相対感度との間の関係を示すグラフである。感応膜を構成する酸化亜鉛の微粒子と窒化アルムニウムの微粒子の混合比率を変えたときの感度のピーク波長を示すグラフである。感応膜を構成する酸化亜鉛の微粒子と窒化アルムニウムの微粒子の混合比を５０％としたときの波長と相対感度との間の関係を示すグラフである。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る紫外線センサの製造方法を説明するための図である。本発明の実施の形態に係る紫外線センサの他の例を示す平面図である。

符号の説明

１紫外線センサ
２基板
３感応膜
４電極
６レジスト膜
７電極材料

Claims

紫外線感知部を備えた紫外線センサであって、前記紫外線感知部は、酸化亜鉛と、前記酸化亜鉛のバンドギャップよりも広いバンドギャップを持つ感知波長域拡張材料と、を含有する混合物で構成されていることを特徴とする紫外線センサ。
前記紫外線感知部の感知波長は、前記感知波長域拡張材料の種類と前記混合物における前記感知波長域拡張材料の含有量により調整されることを特徴とする請求項１記載の紫外線センサ。
前記感知波長域拡張材料は、金属酸化物、金属窒化物又は金属フッ化物であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の紫外線センサ。
前記感知波長域拡張材料は、酸化マグネシウム又は窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項３記載の紫外線センサ。
前記混合物における前記酸化亜鉛と前記酸化マグネシウムの比率が１０：０から８：２であって、波長３２０ｎｍから４００ｎｍに感度ピークを持つことを特徴とする請求項４記載の紫外線センサ。
前記混合物における前記酸化亜鉛と前記酸化マグネシウムの比率が９：１から７：３であって、波長２８０ｎｍから３２０ｎｍに感度ピークを持つことを特徴とする請求項４記載の紫外線センサ。
前記混合物における前記酸化亜鉛と前記酸化マグネシウムの比率が８：２以下であって、波長２８０ｎｍ以下に感度ピークを持つことを特徴とする請求項４記載の紫外線センサ。
前記混合物における前記酸化亜鉛と前記窒化アルミニウムの比率が１０：０から７：３であって、波長３２０ｎｍから４００ｎｍに感度ピークを持つことを特徴とする請求項４記載の紫外線センサ。
前記混合物における前記酸化亜鉛と前記窒化アルミニウムの比率が９：１から６：４であって、波長２８０ｎｍから３２０ｎｍに感度ピークを持つことを特徴とする請求項４記載の紫外線センサ。
前記混合物における前記酸化亜鉛と前記窒化アルミニウムの比率が７：３以下であって、波長２８０ｎｍ以下に感度ピークを持つことを特徴とする請求項４記載の紫外線センサ。