JP2010236960A

JP2010236960A - ねじり振動を利用した赤外線の検出方法とこれを実施したねじり振動を利用した赤外線センサ

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Publication number: JP2010236960A
Application number: JP2009083939A
Authority: JP
Inventors: Minoru Sasaki; 佐々木実
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP5523727B2

Abstract

【課題】従来の振動型赤外線センサは、梁の長さ方向に対して垂直に変位する振動を利用していたために共振周波数やＱ値の変化は必ずしも大きくなかった。従って、センサの高感度化が難しい課題があった。
【解決手段】本発明は、ねじり振動を赤外線センサに新しく導入し、赤外線吸収による温度上昇が生み出す振動子の変形が、共振周波数などを変化させる力学系を利用することによって、ねじり振動を利用することを特徴とする赤外線センサを実現したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ねじり振動を利用した赤外線の検出方法とこれを実施したねじり振動を利用した赤外線センサに関する。
本発明により、小型で高感度な省電力の赤外線センサが実現可能になる。

赤外線センサは一般に、光電導、光起電力などを用いた量子型センサと、サーミスタ、ボロメータ、焦電、サーモパイル、ダイオードなどを用いた熱型センサに分類できる。
量子型センサは、赤外線のエネルギーによって励起された半導体中の電子や正孔が、導電率の変化や起電力を発生することを利用する原理である。量子型センサは一般に感度が高いが、熱による励起電子や正孔の影響が大きいため、液体窒素等での冷却を行ってはじめて高感度が得られる。専用の冷却装置が必要となり、センサシステムの構造が大型で複雑、高価になり易い。一般用途に広く使われるために重要となる小型化には適さない。
熱型センサは赤外線吸収による物質の温度上昇に伴う応力や電気特性の変化を利用する原理である。熱型センサは室温で動作するため、特別な冷却装置が不要となり、簡易で安価になる利点を持つ。近年、半導体集積回路の微細加工技術を応用して、センサを寸法・熱容量ともに小さく作り、感度と応答性の向上をはかったデバイスが報告されている。但し、量子型と比べると、感度は低い値に甘んじている。
上記のように中遠赤外線センサには多くの方式があるが、非冷却かつ高感度のセンサが無い。例えば、赤外分光による分析を行う際には、持ち運びができるような小型センサが無いために、応用範囲が制限されている。赤外スペクトル測定にFT-IR（フーリエ変換型赤外分光）が使われる最大の理由は、高感度なセンサがないからである。FT-IRは研究装置として優れるが、移動鏡が必要という点でも、小型化に適していない。
技術開発のなかでも、熱型赤外線センサを振動型にする試みがなされている。振動型にすると、センサ出力がアナログ値ではなくなり、AD変換回路などのインターフェイス回路が必ずしも必要無くなり、センサを更に小さくできる利点もある。

非冷却の熱型赤外線センサを、振動型で実現する技術は、例えば特許文献１から３に開示されている。
特許文献１のデバイスは、両端が固定された梁の、長さ方向に対して垂直に変位する振動を利用したものである。赤外線吸収に伴う温度上昇が梁の熱膨張を促すのに対して、両端が固定されているため梁は伸びることができない。このために梁内部に応力が発生し、梁の軸力となり、振動特性を変化させる原理である。材料特性によって生じる熱応力を直接、梁に伝える。共振周波数やＱ値が必ずしも大きく変化するものではなかった。
特許文献２のデバイスは、振動体をトランジスタのゲートとしても利用し、ドレインとソースに挟まれたチャネル上に配置したものである。振動式赤外線センサの感度を高めるために、トランジスタの原理と組み合わせる試みである。参照用センサを隣接することも示している。
特許文献３のデバイスは、例えば特許文献１で示されたセンサの梁内部に発生する熱応力が軸力として働かずに、梁の長さ方向に対して垂直方向に変位して逃げてしまうことを解決する試みである。熱伝導を少なくして受光部の温度上昇を大きくする設計の、細長い梁では座屈が生じ易い。センサ感度と出力信号の線形性にも関係する。片持ち梁とすることで、基板への熱伝導を少なく抑え、熱の蓄積効率を高めている。赤外線吸収の効率を高めるために、シリコン酸化膜と窒化膜を積層するなどした、吸収層を大きく張り出す構造を取っている。片持ち梁の温度変化が、材料のヤング率および、振動子の共振周波数変化を変えることを原理としている。具体的な材料には、窒化チタンを挙げている。
特許文献４では、２種類の物質による構造を用意し、吸収した赤外線による温度上昇と、材料が持つ熱膨張係数の差によって、たわみを生じるようにし、このたわみを電気的な容量変化として検出するセンサが提案されている。
非特許文献１では、二層構造の機械的変形を利用したセンサが、炭化ケイ素／アルミと炭化ケイ素／金の組み合わせで試されたことが紹介されている。センサとして期待された性能には至っていない。
非特許文献２は、ねじり振動を利用したマイクロミラーに関するものである。張力が加わった薄膜からなるトーションバーを利用すると、温度変化に対して特性が大きく変化する。文献はむしろ、この温度特性を問題視した研究発表である。トーションバーが軸に対して垂直方向に変形するために、バネ定数が硬くなることが原因であることを見出した。
この現象を利用すれば、温度変化に対して感度の高いねじり振動子を実現できる。これは赤外線センサに利用できる。

「振動型赤外線センサ、振動型赤外線イメージャ、及び赤外線検出方法」公表番号 :特開平７−８３７５６公開日 : １９９５年３月３１日出願人 : 財団法人半導体研究振興会「振動式赤外線センサとその製造方法」公表番号 : 特開平１０−２８１８６２公開日 : １９９８年１０月２３日出願人 : 横河電機株式会社「赤外線センサ及び赤外線撮像素子」公表番号 : 特開２００５−４３１４８公開日: ２００５年２月１７日出願人 : 株式会社東芝 "Infrared imager using roomtemperature capacitance sensor"米国特許第６４９８３４７号公開日：２００２年１２月２４日出願人：Sarnoff Corporation (Princeton, NJ) 「次世代センサハンドブック」監修：藍光郎、（株）培風館（２００８年７月８日初版発行）、２．３．５熱型赤外線センサ M. Sasaki, M. Fujishima, K.Hane, H. Miura, "Stabilization of Temperature Characteristics ofMicromirror for Low-Voltage Driving Using Thin Film Torsion Bar of TensilePoly-Si", Program of ２００８ IEEE/LEOS Int. Conf. Optical MEMS andNanophotonics, P１２, (２００８.８.１３, Freiburg, Germany) pp.１２０-１２１.

量子型赤外線センサの高感度と、熱型赤外線センサの室温動作の特徴を合わせ持つセンサは実現されていない。これまで提案されてきた振動型赤外線センサは、両持ち梁であれ片持ち梁であれ、梁の長さ方向に対して垂直に変位する振動を利用していた。温度上昇によって共振周波数やＱ値に変化が生じるが、その変化の程度は必ずしも大きくなかった。従って、センサの高感度化が難しい課題があった。
様々な分子に特有な振動スペクトルは中遠赤外線領域に現れる。より高感度な赤外線センサが得られれば、応用範囲の拡大が期待される。
本発明は、温度上昇が共振周波数等の機械特性の大きな変化を生み出し易い力学系を、小さな構造体によって実現し利用することで、振動型センサを更に高感度化することを目的とする。加えて、各センサ素子間の熱絶縁を取って一次元あるいは二次元に配列したアレイ型センサを、高いフィルファクタと共に実現することを目的とする。

本発明は、ねじり振動を赤外線センサに新しく導入することにより、赤外線吸収による温度上昇が生み出す振動子の変形が、共振周波数などを変化させる力学系を利用することによって、ねじり振動を利用した赤外線の検出方法とこれを実施したねじり振動を利用した赤外線センサを実現したものである。
本発明のねじり振動を利用した赤外線センサは、張力を加えたねじり振動を行うトーションバーを赤外線センサとして使用することにより、バネ部も含めて振動子が温度上昇により反り、共振周波数などを大きく変化させることを利用して、センサの高感度化を実現したものである。
また本発明によれば、トーションバーによって支持された振動子が赤外線吸収による温度上昇に伴って示す、機械的共振周波数またはＱ値の変化を検出することを特徴とする赤外線検出方法が得られる。

また本発明によれば、引張応力を持つ多結晶シリコン膜または結晶シリコン膜を、トーションバーに利用することを特徴とするねじり振動型の赤外線センサが得られる。アモルファスシリコンをＬＰＣＶＤ（減圧化学気相堆積）法等によって成膜し、アニール処理によって結晶化すると、結晶格子生成や水素原子の抜けによって、大きな引張の膜応力を得ることが可能である。ドーピングによる導電性付与も可能であること、シリコンの微細加工プロセスを適用し易いことから、確立されたプロセスによって安定してデバイスを製作できる。
また本発明によれば、赤外線センサを複数個（例えば二個）有することにより、一つのセンサから得られる参照信号との比較をすることを特徴とした差動型センサが実現できる。
実際の振動子はリボン状にでき、アレイ化に適する。片方のセンサには、赤外線のエネルギーが入らないようにすることも可能である。センサそのものに反射膜を用意しても良いし、配置の仕方によって、赤外線そのものが入射しないようにすることも可能である。一つのセンサによってノイズ等をモニタリングでき、差動によって、赤外線照射がもたらす
影響のみを測定できる。
また本発明によれば、赤外線センサを複数個配置したアレイ型センサを実現できる。実際の振動子はリボン状にでき、アレイ化に適する点が、同じ半導体微細加工技術で用意される、サーモパイル素子と異なる。サーモパイル素子は温接点と冷接点を直列に接続して信号を足し合わせる原理のため、温度分布を得るための空間と、デバイス面積が必要となる。１素子につき１ｍｍ^２以上の面積が必要となる。対して、ねじり振動を利用するセンサは、〜２００x１０μｍ^２の面積によっても振動子を用意することが可能である。例えば、回折格子を使った分散型の分光を行うと、波長が異なる光は異なる位置に焦点を結ぶ。アレイ化した個々の素子を波長に対応させた分光システムを実現できる。

本発明によれば、小型で高感度な省電力の赤外線センサが実現できる。本発明のねじり振動を利用した赤外線センサは、ねじり振動を励起するために静電駆動が利用できるので省電力でセンサが駆動可能である。高感度と省電力のいずれも、ハンディで移動可能なセンサシステムを実現するために有利な特性である。プリズムや回折格子などの分光素子と組み合わせれば、分光システムの小型化にもつながる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図は例示であり、トーションバーの材料、形状、配置などは限定されるものではない。
図１は本発明のねじり振動を利用した赤外線の検出方法を実施した赤外線センサの一実施例を示した説明図である。
図１の、(a) は本発明のねじり振動を利用した赤外線センサの概略構成を示す図、(b)は本発明のねじり振動を利用した赤外線センサのねじり振動する梁に沿った断面図の低温状態を示し、(c)はねじり振動する梁に沿った断面図の高温状態の変形を強調して表示した図である。
図１において、１は入射赤外線である。２は両端が固定されたトーションバー（ねじり棒バネ）で、２１はトーションバー２の二つの固定端である。３はトーションバー２の二つの固定端２１を真直ぐ結ぶ直線からのトーションバーの変位、４はトーションバーに加えられた張力、５はトーションバーに生じる回転変位を示す。

６はトーションバー２の振動体（赤外線受光部）を示し、６ａは振動体の上層（複数層でも良い）、６ｂは振動体の下層（複数層でも良い）を示す。
８は下部電極である。８ａは振動体６の駆動用電極、８ｂは振動体６の周波数特性を電気的インピーダンスなどで測定する検出用電極である。下部電極８は振動体６に回転を促す力を発生するようにトーションバー２の中心軸よりずれた位置に設置される。
駆動用電極８ａと検出用電極８ｂは例示であって、別のレイアウトでも良い。時分割によって同一の電極とすることもできる。９は赤外線センサの基板である。
トーションバー２と振動体６は、トーションバー２の固定端２１により機械的に支持されると同時に、電気的にも外部と接続され、駆動用電極８ａとの間に駆動電圧が加えられる。

このように構成された本発明の赤外線センサでは、振動体６と駆動用電極８ａの間に駆動電圧を印加することで、振動体６を引き付け、回転運動を発生させて駆動する。
振動体６は、入射赤外線１による温度上昇によってたわみが発生するように、例えば多層構造に構成される。
振動体６の上層６ａが下層６ｂよりも熱膨張係数が大きい場合には、上層の方がより伸びようとするため、上に凸のたわみが発生する。これが図１（b）から図１（c）の変化を生み出すので、振動体６が回転中心から外側に張り出した形になる変位３が発生し、二つの固定端２１を真直ぐ結ぶ直線から外れるように変形する。
この結果、トーションバー２に沿って働く張力４と、ねじり振動にともなう変位５の関係が図１の（b）に示すような直交関係から外れて図１の（c）に示すような関係に変化する。
これによって、トーションバー２のねじりバネ定数が増加し、共振周波数など機械的特性を変化させる。

センサが共振する際には、振動体６と検出用電極８ｂの間の電気的インピーダンスに変化が生じる。これを検出することで、共振周波数やＱ値を検出することが可能となる。
トーションバーを赤外線センサとして使用するときの感度特性のデータの一例として、シリコン窒化膜とクロム／金膜を利用した張力の加わったトーションバーを有する振動体（マイクロミラー）のデータを図６に示す。
図６の縦軸は回転角の傾き角度で、横軸は温度である。図６のデータは、温度上昇とともに回転角が減少していることを示している。これはねじりバネ定数の増加が原因であり、共振周波数の増加に対応している。
本発明のねじり振動を利用した赤外線センサが、大きな変化が得られるのは、張力がバネのねじれ運動と直交している場合には、力学的エネルギーをほとんど必要としないためバネ定数が小さいのに対して、上記直交関係が崩れると、張力のある成分に抗しながら進むねじり運動にエネルギーを必要とするようになり、トーションバーのねじりバネ定数の増加を引き起こすからである。大きな値を持つ張力を用意できることと、この向きをわずかでも変化させること、によって共振周波数の大きな変化を生み出す原理となる。

構造体に破壊的な応力が加わる訳ではない。張力の効果が大きくなるのは、振動子の寸法が小さくなった場合である。マイクロ・ナノ機械構造によって実現することが可能であり、センサの小型化にも適している。材料の温度特性に加えて、張力を導入しているため、デバイス設計の新しいファクタとなる。ねじり振動では、振動方向とは異なる振動子の変位が、張力と関係して、ねじり振動に対して大きなバネ定数の変化を生み出す系となり得る。
なお、低温状態の赤外線センサの形状は図１（b）に示す状態とは限らず、図１（c）の状態から高温状態になることで更に上に変形する設計も、逆に図１（c）の状態から図１（b）の状態に近づく設計も可能である。

図２は、本発明のねじり振動を利用した赤外線の検出方法を実施した赤外線センサの他の実施例を示した説明図である。
図２において、図１と同一の部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。
図２の実施例は、トーションバー２全体を多層構造にしたもので、図１のように振動体６を特別に設けない構成である。
図２においては、振動体６の上層６ａがトーションバー２の端まで伸びることで、振動体６はトーションバーと連続した構造となっているとも言える。張力４とねじり振動にともなう変位５の関係については図１と同様の効果を得ることができる。なお、低温状態の赤外線センサの形状は図２（ａ）に示す状態とは限らず、図２（ｂ）の状態から高温状態になることで更に上に変形する設計も、逆に図２（ｂ）の状態から図２（ａ）の状態に近づく設計も可能である。

図３は、本発明のねじり振動を利用した赤外線の検出方法を実施した赤外線センサの他
の実施例を示した説明図である。
図３の実施例は、図１に示したものと同様の赤外線センサを基板９上に二個並べたセンサの構成説明図である。
図３において、図１と同一の部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。
図３において、１０は、図１に示したものと同様の構成の赤外線センサである。１３は、図１に示したものと同様の構成の参照用センサである。７ａは、振動体に赤外線が吸収されるようにする反射防止層、７ｂは、振動体に赤外線が吸収されないようにする反射層である。
参照用センサ１３は、ノイズ等の影響をモニタリングするために使用されるものである。
測定したい赤外線が入射する、もう片方のセンサ１０との差を取ることで、入射赤外線１がもたらす信号のみを得ることができ、全体として差動型センサが実現できる。測定用センサ１０には赤外線のエネルギーが吸収され易くする反射防止層７ａを加えることが有効である。参照用センサ１３には、反射層７ｂを用意して、赤外線のエネルギーが吸収され難くする。また、図３の例示とは異なり、振動子長さ方向に二個並べる配置にした上で、参照用センサに赤外線そのものが入射しないように光学系を組むことも可能である。駆動用電極８ａ、検出用電極８ｂの形状は例示である。駆動用電極を共通にすることもできる。

図４は、本発明のねじり振動を利用した赤外線の検出方法を実施した赤外線センサの他の実施例を示した説明図である。
図４において、図１と同一の部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。
図４において、１４は、図１のセンサを基板９上に１次元に多数並べたアレイ型赤外線センサである。
図４の実施例は、図１のセンサを基板９上に１次元に多数並べたアレイ型赤外線センサ１４の構成説明図である。センサ１０はリボン状であり、一つのセンサ素子の占有面積が小さくできると共に、アレイ化した際にフィルファクタの高い配置が可能となる。入射光がセンサ領域に入射しない「蹴られ」を最小にして赤外線検出が可能となる。駆動用電極８ａ、検出用電極８ｂの形状は例示である。駆動用電極を共通にすることもできる。この一次元アレイを更に、振動子長さ方向にアレイ化することで、二次元アレイにすることも可能である。二次元アレイ状にしたセンサは、イメージセンサとして利用できる。

図５は、本発明のねじり振動を利用した赤外線の検出方法を実施した赤外線センサの他
の実施例を示した説明図である。
図５において、図４と同一の部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。
図５において、１５は回折格子、１６はレンズ、１７は回折光である。
図５の実施例は、図４に示した一次元アレイ状にしたセンサ１４を回折格子と組み合わせて、分光システムを実現する光学系を示したものである。入射赤外線１は回折格子１５に入射する。レンズ１６を通った回折光１７は、赤外線センサ１４上に集光する。集光位置は波長によって異なり、各波長と各センサ１０は対応する。集光機能付き回折格子であれば１５と１６を一つの素子で実現することもできる。回折格子１５の代わりに、プリズムを利用しても良い。

以上の説明より明らかなように、本発明によれば、非冷却かつ小型でより高感度な赤外線センサが実現できる。ねじり振動を励起するために静電駆動が利用できる。省電力でセンサが駆動可能である。高感度と省電力のいずれも、ハンディで移動可能なセンサシステムを実現するために有利な特性である。プリズムや回折格子などの分光素子と組み合わせれば、分光システムの小型化にもつながる。

機械や構造物の温度分布測定は異常検知に利用できる。様々な分子に特有な振動スペクトルは中遠赤外線領域に現れる。赤外分光によって、特定物質の有無の検査、濃度測定が可能である。CO２ガスなどの環境モニタリング、必要な量だけの室内換気とエアコンを組み合わせる省エネシステム、食品への異物混入検査、いわゆる臭い検出による麻薬所持などのチェック、人体から発生する微量ガス（H２、NO、NH３など）測定による無侵襲医療がある。いずれも小型のセンサシステムによって、その場計測が可能になることで、役立つ技術となる。

本発明のねじり振動を利用した赤外線の検出方法を実施した赤外線センサの一実施例を示した説明図である。(a) は本発明のねじり振動を利用した赤外線センサの概略構成を示す図、(b)は本発明のねじり振動を利用した赤外線センサのねじり振動する梁に沿った断面図の低温状態を示し、(c)はねじり振動する梁に沿った断面図の高温状態の変形を強調して表示した図である。本発明のねじり振動を利用した赤外線の検出方法を実施した赤外線センサの他の実施例を示した説明図である。（ａ）は低温状態、（ｂ）は高温状態のセンサ形状例である。変形は強調して表示している。図１に示したものと同様の赤外線センサを基板９上に二個並べたセンサの構成説明図である。図１のセンサを基板上に１次元に多数並べたアレイ型赤外線センサの構成説明図である。図４に示した一次元アレイ状にしたセンサを回折格子と組み合わせて、分光システムを実現する光学系を示したものである。張力の加わったトーションバーを有する振動体（マイクロミラー）を、温度センサとして観たときの感度特性の一例である。

１・・・入射赤外線
２・・・トーションバー（ねじり棒バネ）
３・・・二つの固定端を真直ぐ結ぶ直線からのトーションバーの変位
４・・・張力
５・・・トーションバーに生じる回転変位
６・・・振動体（赤外線受光部）
６ａ・・・振動体の上層（複数層でも良い）
６ｂ・・・振動体の下層（複数層でも良い）
７ａ・・・振動体に赤外線が吸収されるようにする反射防止層
７ｂ・・・振動体に赤外線が吸収されないようにする反射層
８・・・下部電極
８ａ・・・振動子駆動用電極
８ｂ・・・振動子検出用電極
９・・・基板
１０・・・センサ
１１・・・低温状態の赤外線センサ
１２・・・高温状態の赤外線センサ
１３・・・参照用センサ
１４・・・アレイ型赤外線センサ
１５・・・回折格子
１６・・・レンズ
１７・・・回折光
２１・・・固定端

Claims

赤外線吸収による温度上昇に伴って、トーションバーにより支持された振動子が示す、機械的共振周波数またはＱ値の変化を検出することにより赤外線を検出することを特徴とする、ねじり振動を利用した赤外線検出方法。
赤外線吸収による温度上昇に伴って、両端が固定され張力が加わったトーションバーにより支持された振動子が示す、機械的共振周波数またはＱ値の変化を検出することにより赤外線を検出することを特徴とする、ねじり振動を利用した赤外線検出方法。
トーションバーにより支持された振動子と、
振動子に赤外線を照射する手段と、
トーションバーをねじり運動させるための駆動手段と、
振動子の振動特性を電気的インピーダンスなどで測定する検出手段とを具備し、
振動子が赤外線吸収による温度上昇に伴って示す、
機械的共振周波数またはＱ値の変化を検出することにより赤外線を検出することを特徴とする、ねじり振動を利用した赤外線センサ。
両端が固定され張力が加わったトーションバーにより支持された振動子と、
振動子に赤外線を照射する手段と、
トーションバーにトルクを加える駆動用電極と、
振動子の振動特性を電気的インピーダンスなどで測定する検出用電極と、
振動体と駆動用電極の間に駆動電圧を印加することで、振動体を引き付け、回転運動を発生させる駆動手段とを具備し、
振動子が赤外線吸収による温度上昇に伴って示す、
機械的共振周波数またはＱ値の変化を検出することにより赤外線を検出することを特徴とする、ねじり振動を利用した赤外線センサ。
請求項３乃至請求項４記載の赤外線センサにおいて、トーションバーに引張応力を持つ多結晶シリコン膜または結晶シリコン膜を使用することを特徴とする、ねじり振動を利用した赤外線センサ。
請求項３乃至請求項４記載の赤外線センサを複数個使用し、赤外線の照射されないセンサで得られる信号を参照信号として比較をすることによりノイズ等の影響をモニタリングすることを特徴とする、ねじり振動を利用した赤外線センサ。
請求項３乃至請求項４記載の赤外線センサを複数個使用することを特徴とする、ねじり振動を利用したアレイ型赤外線センサ。