JP2012154762A - 赤外線センサおよび赤外線センサアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】偏光に対する検出効率の高い熱型赤外線センサを提供する。
【解決手段】赤外線を検出する赤外線センサ１００において、中空部２を有する基板１と、中空部の上に設けられ、検知膜５を含む温度検知部４と、温度検知部に接続され、中空部の上に温度検知部を保持する支持脚３と、温度検知部の上に設けられ、板状の吸収傘を含む傘構造部２０と、を含み、吸収傘は、一定の間隔で平行に配置された複数のスリット１１を有し、入射した赤外線の、スリットの長手方向に垂直な方向の電界成分を選択的に吸収する。また、赤外線センサアレイは、アレイ状に配置された赤外線センサを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、赤外線センサおよび赤外線センサアレイに関する。

従来の熱型赤外線センサは、センサ自体は入射光の偏光を検知する機能を有していない。このため、熱型赤外線センサとは別に偏光フィルタを設けることにより、特定の偏光を検知していた（例えば、特許公報１参照）。

特開平３−２９８２４号公報

しかしながら、偏光フィルタと熱型赤外線センサとを組み合わせた構造では、第１に、熱型赤外線センサの他に偏光フィルタが必要となり構造が複雑になる、第２に、どのような偏光フィルタを用いても必要な波長成分の一部が変更フィルタに吸収されてしまい検出効率が低下する、第３に、複数の偏光を検出するには、熱型赤外線センサ毎に構造の異なる偏光フィルタを装着しなければならない、等の問題があった。

そこで、本発明は、小型化が可能で、偏光に対する検出効率の高い熱型赤外線センサおよび熱型赤外線センサアレイの提供を目的とする。

本発明は、赤外線を検出する赤外線センサであって、中空部を有する基板と、中空部の上に設けられ、検知膜を含む温度検知部と、温度検知部に接続され、中空部の上に温度検知部を保持する支持脚と、温度検知部の上に設けられ、板状の吸収傘を含む傘構造部と、を含み、吸収傘は、一定の間隔で平行に配置された複数のスリットを有し、入射した赤外線の、スリットの長手方向に垂直な方向の電界成分を選択的に吸収することを特徴とする赤外線センサである。

また、本発明は、上述の赤外線センサをアレイ状（マトリックス状）に配置した赤外線センサアレイに関する。

以上のように、本発明の赤外線センサでは、入射する赤外線の、スリットに垂直な電界成分のみを選択的に吸収することができ、特定の偏光のみを検知することが可能となる。

また、本発明の赤外線センサアレイでは、入射する赤外線の偏光情報を検知することが可能となる。

本発明の実施の形態１にかかる熱型赤外線センサの上面図である。 図１の熱型赤外線センサをＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる吸収傘の吸収特性を示す。 本発明の実施の形態１にかかる吸収傘の吸収率の偏光特性を示す。 本発明の実施の形態１にかかる熱型赤外線センサを回転させた場合の回転角とセンサ出力との関係を示す。 本発明の実施の形態２にかかる熱型赤外線センサアレイの上面図である。 本発明の実施の形態３にかかる熱型赤外線センサアレイの上面図である。 図７の熱型赤外線センサアレイをVII−VII向に見た場合の断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる熱型赤外線センサアレイの上面図である。 本発明の実施の形態４にかかる熱型赤外線センサアレイにより検知される偏光角度を説明する図である。 本発明の実施の形態４にかかる熱型赤外線センサアレイにより検知される偏光角度を説明する図である。 本発明の実施の形態５にかかる熱型赤外線センサアレイの上面図である。 本発明の実施の形態６にかかる熱型赤外線センサの温度検知部の断面図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる熱型赤外線センサの上面図であり、図２は、図１をＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。

図１、２に示すように、熱型赤外線センサ１００は、例えばシリコンからなる基板１を含む。基板１には中空部２が設けられ、中空部２の上には、温度検知部４が支持脚３により支持されている。支持脚３は、薄膜金属配線６とこれを支える誘電体膜１６を含んでいる。支持脚３は、ここでは２本であり、上方から見るとＬ字型に折れ曲がった形状となっている。支持脚３は、温度検知部４の中心軸に対して略対称に配置されている。

温度検知部４は、検知膜５と薄膜金属配線６を含み、検知膜５と薄膜金属配線６は、酸化シリコン等の絶縁層１８に覆われている。検知膜５は、例えば結晶シリコンを用いたダイオードからなる。薄膜金属配線６は、支持脚３に含まれる薄膜金属配線６と同時に形成され、検知膜５とアルミニウム配線７とを電気的に接続する。薄膜金属配線６は、例えば膜厚が１００ｎｍのチタン合金からなる。アルミニウム配線７は、絶縁層１７により覆われている。

検知膜５が出力した電気信号は、支持脚３に形成された薄膜金属配線６を経由してアルミニウム配線７に伝わり、検出回路（図示せず）により検出される。薄膜金属配線６と検知膜５との間の電気的接続、および薄膜金属配線６とアルミニウム配線７との間の電気的接続は、必要に応じて上下方向に延在する導電体（図示せず）を介して行っても良い。

絶縁層１７の上には、赤外線を反射する反射膜８が中空部２を覆うように配置されている。反射膜８は、温度検知部４とは熱的に接続されない状態で、支持脚３の少なくとも一部の上部を覆うように配置されている。反射膜７は、例えばアルミニウムのような金属からなる。

温度検知部４の上には、支持柱９と、支持柱９で支えられた板状の吸収傘１０からなる傘構造部２０が設けられている。図１に示すように、熱型赤外線センサ１００は、上方から見ると傘構造部２０のみが見える。吸収傘１０は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどの金属薄膜からなり、膜厚は数ｎｍ程度から数百ｎｍ程度であり、測定対象とする吸収波長において入射光の漏れ出しがない膜厚が望ましい。ここでは、吸収傘１０は単層構造の金属薄膜６としたが、例えば膜厚が１００〜２００ｎｍ程度の酸化シリコンなどの誘電体薄膜で金属薄膜６の上下を挟み込んだ３層構造や、誘電体薄膜の上に金属薄膜６を形成した２層構造を用いても良い。

吸収傘１０には、平行に形成された複数の直線状のスリット１１が一定間隔に設けられ、一次元的な周期構造となっている。吸収傘１０の膜厚は、吸収、熱時定数、材料の応力等を考慮して適宜決められる。図２から分かるように、吸収傘１０は温度検知部４の上に支持柱９で接続されており、即ち、吸収傘１０と温度検知部４は熱的に接続されている。一方、吸収傘１０は、反射膜８とは熱的に接続されない状態で、反射膜８より上方に保持され、反射膜８の少なくとも一部を覆い隠すように横方向に板状に広がっている。

かかる熱型赤外線センサ素子１００では、入射した赤外線は主に吸収傘１０で吸収される。一方、吸収傘１０を透過した赤外線は、反射膜８で反射されて吸収傘１０に裏面から再度入射して吸収される。吸収傘１０に吸収された赤外線は熱に変換され、支持柱９を通って温度検知部４に伝わる。温度検知部４では、検知膜５の電気抵抗が温度により変化するため、外部に設けた検出回路（図示せず）で検知膜５の電気抵抗の変化を検出することにより、赤外線の量を検出できる。ここでは反射膜８を設けた構造を示したが、反射膜８は無くても良い。

次に、吸収傘１１の吸収構造について詳しく説明する。図３は、Ａｕで形成された１次元周期構造の吸収傘の吸収特性を、厳密結合波解析を用いて求めた結果である。ここで、ｄ：スリットの深さ（Ｚ軸方向）、ｐ：スリットの周期、ｗ：スリットの幅（Ｘ軸方向）、λ_ａｂ：吸収波長とすると、ｄ＝１μｍ、ｐ＝３μｍ、ｗ＝０．１μｍとした。また、入射光はスリットに垂直な電界成分（Ｘ軸方向）のみとした。

図３から、特定の波長（約５．６〜５．７μｍ）で強い吸収が発生していることが分かる。この吸収は、スリットの深さ方向を共振方向として、吸収波長：λ_ａｂとすると、原理的には以下の式１で説明できる。

但し、図３に示すように、吸収波長は、式１で求めた結果より長波長化する。これはスリット内で共振する電磁界の一部がスリット外に漏れ出すことから、等価的にスリットの深さが深くなることから説明できる。また、スリット深さだけではなく、高次の回折を生じずに吸収を実現するためには、以下の式２の関係を満たさなければならない。

λ_ａｂ＞ｐ （式２）

また、スリット１１の幅に関しては、共振状態を維持するために、深さに依存するが、例えばｄ＝１μｍの場合、ｗは２００ｎｍより細いことが望ましい。

次に、図３で用いた吸収傘の吸収構造について、電界成分がスリットに垂直な場合（Ｘ軸方向）と、スリットに平行な場合（Ｙ軸方向）の入射光について、厳密波結合解析を用いて求めた吸収率を図４に示す。

図４から、本実施の形態１にかかる吸収傘１０では、スリット１１の長手方向（Ｙ軸方向）に垂直な方向（Ｘ軸方向）の電界成分を有する入射光（実線）を選択的に吸収し、スリット１１に平行な方向（Ｙ軸方向）の電界成分を有する入射光（破線）は殆ど吸収しないことが分かる。つまり偏光が分離されて吸収されることが分かる。このように、本実施の形態１にかかる吸収傘１０を用いることにより、偏光を分離して検出できる。

この現象は、物理的分野においては、表面プラズモン、プラズモニクス、あるいはメタマテリアルとも呼ばれる。これらは異なる用語で呼ばれるが、いずれにおいても金、銀、アルミニウム等の金属によって１次元周期構造を形成すると、表面に強く局在する表面モードが生じ、選択的な吸収が発生するというメカニズムは同じである。

図５は、このような吸収傘１０を有する熱型赤外線センサを、Ｚ軸を中心にして回転させた場合の、回転角とセンサ出力との関係を示す。図５から分かるように、各回転角度おけるセンサの出力を測定することにより入射光の偏光を求めることができる。

このように、本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサ１００では、第１に、従来構造のような偏光フィルタが不要となり、偏光検知システムを、赤外線センサ単体のみの最小構造から形成することができる。第２に、偏光フィルタにおける赤外線の吸収がなくなり、赤外線の検出効率が高くなる。第３に、複数の異なる偏光を検知する系においても、スリット構造を変えるだけで、偏光フィルタを用いることなく所望の偏光を検知することができる。

実施の形態２．
図６は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかる熱型赤外線センサアレイの上面図であり、図１に示す熱型赤外線センサ１００をアレイ状（マトリックス状）に配置したものである。図６では、説明を簡単にするために、２行×２列の合計４個の熱型赤外線センサ１００からなる熱型赤外線センサアレイ２００を示しているが、配置される熱型赤外線センサ１００の個数に制限は無い。

熱型赤外線センサアレイ２００は、外部の走査回路（図示せず）等により各行、各列の熱型赤外線センサを選択して、各センサが検出した情報を時系列に取り出す。また、各センサが検出した情報は並列に読み出してもよい。

このように、熱型赤外線センサ１００をアレイ状に並べて、スリットに垂直な電界成分のみを検出することにより、偏光情報を有する画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。また、Ｚ軸を中心としてアレイを回転させることで、本発明の実施の形態１で述べたように各センサ（画素）における偏光角度を求めることが可能となる。この結果、各画素において、偏光角度および入射光強度の情報を有する画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。

実施の形態３．
図７は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態３にかかる熱型赤外線センサアレイの上面図であり、図８は、図７をVII−VII方向に見た場合の断面図である。

熱型赤外線センサアレイ３００は、スリット深さのみ異なる４種類の熱型赤外線センサ１００、１１０、１２０、１３０をアレイ状に配置したものである。図７では、説明を簡単にするために、２行×２列の合計４個の熱型赤外線センサからなる熱型赤外線センサアレイ３００を示しているが、配置される熱型赤外線センサの個数に制限は無い。熱型赤外線センサアレイ３００は、外部の走査回路（図示せず）等により各行、各列の熱型赤外線センサを選択して、各センサが検出した情報を時系列に取り出す。また、各センサが検出した情報は並列に読み出してもよい。

熱型赤外線センサにおいて、スリットの深さを変えることでセンサ（画素）における検知波長を変えることができる。即ち、各画素において、スリットを設けることにより偏光角度を検出できるとともに、画素によって異なる波長における入射光強度情報を有する画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。

実施の形態４．
図９は全体が４００で表される、本発明の実施の形態４にかかる熱型赤外線センサアレイの上面図である。図９においては、支持柱９の凹部は省略している。

図９に示すように、熱型赤外線センサアレイ４００では、スリット１１の長手方向は全て異なり、熱型赤外線センサ１００、１４０で互いに直交し、熱型赤外線センサ１５０、１６０で互いに直交している。一方、熱型赤外線センサ１００、１５０で互いに４５°の角度となり、同じく熱型赤外線センサ１４０、１６０で互いに４５°の角度になっている。

４つの熱型赤外線センサ（画素）を一つのユニットとすると、このユニットによって偏光が検知できる。図１０、１１にそのメカニズムを示す。図１０、１１では、対称性から明らかなように、熱型赤外線センサ１００、１４０の成す直交座標系（図１０の実線、図１１では破線で表示）と、熱型赤外線センサ１５０、１６０の成す直交座標系（図１１の実線）により、入射光の偏光角が一意に決定される。従って、熱型赤外線センサの電気特性を読み出す読み出し回路に、以下のアルゴリズム（１）〜（３）を組み込むことによって、偏光角度を求めることが出来る。

（１）熱型赤外線センサ１００、１４０によって検知される偏光角度は、θまたは−θとなる（図１０参照）。
（２）熱型赤外線センサ１５０、１６０によって検知される偏光角度は、Φまたは−Φとなる（図１１参照）。
（３）４５−Φ＞０ならば偏光角はθ、４５−Φ＜０ならば偏光角は−θである。

このように、異なる直交座標系を形成する１次元周期構造を形成した４つの熱型赤外線センサ（画素）を１ユニットとすることで、熱型赤外線センサを回転させることなく偏光角度を求めることが可能となる。

実施の形態５．
図１２は、全体が５００で表される、本発明の実施の形態５にかかる熱型赤外線センサアレイの上面図である。図１２においては、支持柱９の凹部は省略している。

熱型赤外線センサアレイ５００では、実施の形態４にかかる熱型赤外線センサアレイ４００を、２ユニット配置した構造となっている。ここでは、説明を簡単にするために２ユニットつまり合計８個の熱型赤外線センサからなる熱型赤外線センサアレイ５００を示しているが、配置される熱型赤外線センサの個数に制限は無い。これらの熱型赤外線センサアレイは、外部の走査回路（図示せず）等により各行、各列の熱型赤外線センサを選択して、各センサが検出した情報を時系列に取り出す。また、各センサが検出した情報は並列に読み出してもよい。

４つの熱型赤外線センサ（４画素）を一つのユニットとしてアレイ状に配置した場合、各ユニットが一つの画素に相当するとみなすことができる。そして、それぞれのユニットに上述の実施の形態４のアルゴリズムを適用することで、各ユニットにおいて偏光角度情報が得られる。従って、熱型赤外線センサを回転させることなく、被観察物の偏光角度情報を含んだ画像が得られる。

実施の形態６．
図１３は、本発明の実施の形態６にかかる熱型赤外線センサの温度検知部４の断面図である。温度検知部４以外の構造は、図２と同様であり、温度検知部４は支持脚３で中空部２の上部に支持される。

図１３の温度検知部４は検知膜５と薄膜金属配線６を含む。検知膜５は、例えばシリコンからなるダイオードである。薄膜金属配線６は、例えば膜厚が１００ｎｍのチタン合金からなる。検知膜５と薄膜金属配線６は、例えば酸化シリコンからなる絶縁層１８で覆われている。

更に温度検知部４は、赤外線を吸収する吸収膜２１を、その上部に直接備えている。吸収膜２１はＡｕ、Ａｇなどの金属からなる。吸収膜２１には、実施の形態１で示したような、１次元の周期的なスリット１１が形成されており、特定の波長と偏光を吸収する。

本実施の形態のような吸収膜２１と一体形成された温度検知部４を有する熱型赤外線センサ素子では、所望の赤外波長が共振して選択的に吸収量が増加するため、特定波長のみを選択的に検出可能となる。また、吸収傘を支持柱で支持する工程が不要となり、製造工程が簡略化され、より安価に製品を製造できる。

なお、かかる構造の温度検知部４を含む熱型赤外線センサをアレイ状に配置して、上述の実施の形態２〜５にかかる熱型赤外線センサアレイを形成しても良い。

１ 基板、２ 中空部、３ 支持脚、４ 温度検知部、５ 検知膜、６ 薄膜金属配線、７ アルミニウム配線、８ 反射膜、９ 支持柱、１０ 吸収傘、１１ スリット、１２ 絶縁膜、１６ 誘電体膜、１７、１８ 絶縁層、２０ 傘構造部、１００ 熱型赤外線センサ。

Claims (7)

1. 赤外線を検出する赤外線センサであって、
   中空部を有する基板と、
   該中空部の上に設けられ、検知膜を含む温度検知部と、
   該温度検知部に接続され、該中空部の上に該温度検知部を保持する支持脚と、
   該温度検知部の上に設けられ、板状の吸収傘を含む傘構造部と、を含み、
   該吸収傘は、一定の間隔で平行に配置された複数のスリットを有し、入射した赤外線の、該スリットの長手方向に垂直な方向の電界成分を選択的に吸収することを特徴とする赤外線センサ。
2. 上記吸収傘が、上記温度検知部の上に直接配置されたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 請求項１または２に記載された赤外線センサをアレイ状に配置した赤外線センサアレイ。
4. 第１および第２の赤外線センサを含み、
   該第１の赤外線センサに設けられたスリットと、該第２の赤外線センサに設けられたスリットとの深さが異なることを特徴とする請求項３に記載の赤外線センサアレイ。
5. 互いに長手方向が異なるスリットを有する第１、第２、第３および第４の赤外線センサを含み、
   該第１の赤外線センサに設けられたスリットの長手方向と該第２の赤外線センサに設けられたスリットの長手方向とが直交し、該第３の赤外線センサに設けられたスリットの長手方向と該第４の赤外線センサに設けられたスリットの長手方向とが直交することを特徴とする請求項３に記載の赤外線センサアレイ。
6. 上記第１の赤外線センサに設けられたスリットの長手方向と上記第３の赤外線センサに設けられたスリットの長手方向とが、４５°の角度をなすことを特徴とする請求項５に記載の赤外線センサアレイ。
7. 請求項５または６に記載の第１、第２、第３および第４の赤外線センサを１つのユニットとし、複数の該ユニットがアレイ状に配置されたことを特徴とする赤外線センサアレイ。

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