JP2014032088A - Electromagnetic wave sensor and electromagnetic wave sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電磁波センサ及び電磁波センサ装置に関し、特に熱型の赤外線センサ及び赤外線センサ装置に関する。 The present invention relates to an electromagnetic wave sensor and an electromagnetic wave sensor device, and more particularly to a thermal type infrared sensor and an infrared sensor device.
従来の熱型赤外線センサ装置は、検出する赤外線の波長を選択するために、赤外線センサの前方に光学フィルタを装着していた。しかし、構造が複雑になる、検出効率が低下する等の理由により、光学フィルタを用いず、赤外線センサのみで検出波長を選択する熱型赤外線センサ装置が開発されている。 In the conventional thermal infrared sensor device, an optical filter is mounted in front of the infrared sensor in order to select an infrared wavelength to be detected. However, a thermal infrared sensor device that selects a detection wavelength using only an infrared sensor without using an optical filter has been developed for reasons such as a complicated structure and reduced detection efficiency.
例えば、特許文献1では、赤外線吸収部に曲面からなる波形構造を設け、この波形構造の周期と等しい波長の赤外線のみを選択的に吸収する赤外線センサが開示されている。
For example,
しかし、特許文献1に記載の赤外線センサの場合、第1に、赤外線吸収部が有する周期構造の周期の大きさを検出波長より小さくすることができないため、吸収部の面積を縮小することが難しいという問題があった。第2に、吸収部を構成する材料に、金属でなくカーボン等を用いた場合には、材料そのものが検出波長以外の波長も吸収してしまい、波長選択性が悪化するという問題があった。第3に、かかる波型構造は、作製が困難であるという問題があった。
However, in the case of the infrared sensor described in
そこで、本発明は、光学フィルタを用いずに所定の波長を選択的に検出する電磁波センサ、及び該電磁波センサを備えた電磁波センサ装置を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the electromagnetic wave sensor which selectively detects a predetermined wavelength, without using an optical filter, and the electromagnetic wave sensor apparatus provided with this electromagnetic wave sensor.
上記目的を達成するために、本発明に係る電磁波センサは、温度検知部と、該温度検知部に熱的に接続され、少なくとも電磁波入射面が金属である電磁波吸収部とを備え、電磁波入射面を通って電磁波吸収部に入射した電磁波を検出する電磁波センサであって、電磁波吸収部は、互いに交差する2方向に、一定の溝周期で互いに平行に形成された複数の溝部をそれぞれ有し、溝部の溝深さ、溝幅及び溝周期は、電磁波吸収部に入射した電磁波に含まれる特定波長の電磁波と結合する表面プラズモンを誘起するように選択されたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, an electromagnetic wave sensor according to the present invention comprises a temperature detection part, and an electromagnetic wave absorption part thermally connected to the temperature detection part and having at least an electromagnetic wave incident surface made of metal. An electromagnetic wave sensor for detecting an electromagnetic wave incident on the electromagnetic wave absorption part through the electromagnetic wave absorption part, each having a plurality of groove parts formed in parallel with each other at a constant groove period in two directions intersecting each other, The groove depth, groove width, and groove period of the groove are selected so as to induce surface plasmons that combine with electromagnetic waves of a specific wavelength included in the electromagnetic waves incident on the electromagnetic wave absorber.
また、本発明に係る電磁波センサ装置は、前記電磁波センサがアレイ状に複数個配置されていることを特徴とする。 The electromagnetic wave sensor device according to the present invention is characterized in that a plurality of the electromagnetic wave sensors are arranged in an array.
本発明によれば、溝部の深さ方向、或いは面内方向で表面プラズモン共鳴が生じることにより、光学フィルタを設けないで、特定波長の電磁波の吸収量を特定波長以外の電磁波の吸収量より大きくすることができ、これにより、所望の波長の電磁波を選択して検出することができる。また、表面プラズモン共鳴を利用しており、周期の大きさを検出波長より小さくすることができるため、電磁波吸収部の面積を小さくすることが可能となる。 According to the present invention, surface plasmon resonance occurs in the depth direction or in-plane direction of the groove portion, so that the absorption amount of electromagnetic waves of a specific wavelength is larger than the absorption amount of electromagnetic waves other than the specific wavelength without providing an optical filter. Accordingly, an electromagnetic wave having a desired wavelength can be selected and detected. Moreover, since surface plasmon resonance is used and the magnitude of the period can be made smaller than the detection wavelength, the area of the electromagnetic wave absorber can be reduced.
また、少なくとも電磁波入射面が金属であり、電磁波吸収部を構成する材料そのものによる検出波長以外の波長吸収を抑制でき、それゆえ吸収波長の選択性を向上させることができる。さらに、かかる溝部は、一般のエッチング工程により容易に作製することができる。 Further, at least the electromagnetic wave incident surface is a metal, and it is possible to suppress wavelength absorption other than the detection wavelength due to the material itself constituting the electromagnetic wave absorbing portion, and therefore it is possible to improve the selectivity of the absorption wavelength. Further, such a groove can be easily produced by a general etching process.
以下、本発明の実施の形態では、電磁波センサの一例として、熱型の赤外線センサを用いて説明する。また、例として、温度検知部がシリコンダイオードである場合について記載するが、本発明はこれに限定されず、入射光の吸収体構造として、サーモパイル、ボロメータ等の吸収体構造を用いる場合にも有効である。つまり、本発明は、熱型赤外線センサの方式自体には依存しない。さらに、本発明は、赤外線以外の波長域、例えば可視、近赤外、テラヘルツ(THz)領域のセンサとしても有効である。 Hereinafter, in an embodiment of the present invention, a thermal infrared sensor will be described as an example of an electromagnetic wave sensor. As an example, the case where the temperature detection unit is a silicon diode will be described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is also effective when an absorber structure such as a thermopile or a bolometer is used as the absorber structure of incident light. It is. That is, the present invention does not depend on the thermal infrared sensor system itself. Furthermore, the present invention is also effective as a sensor in a wavelength range other than infrared, for example, visible, near infrared, and terahertz (THz).
また、各実施形態において、同一の構成には同一の符号を付して、説明を省略する。 Moreover, in each embodiment, the same code | symbol is attached | subjected to the same structure and description is abbreviate | omitted.
実施の形態1.
最初に、本発明の実施の形態1による赤外線センサ装置の構成について説明する。
図1は、全体が1000で表される、本発明の実施の形態1による赤外線センサ装置の斜視図である。赤外線センサ装置1000では、基板1の上に複数の赤外線センサ100がx軸及びy方向にマトリックス状(アレイ状)に配置されており、z軸に平行な方向から光を入射させる。赤外線センサ100の周囲には、赤外線センサ100により検出した信号を処理して画像を検出する検出回路1010が設けられている。
First, the configuration of the infrared sensor device according to the first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a perspective view of an infrared sensor device according to
赤外線センサ装置1000には、赤外線センサ100が2次元的に配置されているが、1次元的に配置された構成でもよい。
Although the
図2は、吸収体10を除去した赤外線センサ100の上面図である。図2では、明確化のために、配線上の保護膜や反射膜は省略して図示している。図3は、赤外線センサ100を図2に示すI−I方向、後述の図4bに示すII−II方向に見た場合の断面図を、吸収体がある状態で示す。
FIG. 2 is a top view of the
図2、図3に示すように、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が設けられている。また、中空部2の上側には、温度を検知する温度検知部4が設けられている。温度検知部4は、2本の支持脚3により支持されている。支持脚3は、図2に示すように、上方から見るとL字型に折れ曲がったブリッジ形状を有する。支持脚3は、薄膜金属配線6と、配線6を支える絶縁層14とを含む。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
温度検知部4は、温度によってその電気抵抗の値が変化する検知膜5と薄膜金属配線6とを含む。検知膜5は、例えば、結晶シリコンを用いたダイオード、即ちシリコンダイオードからなる。上述の通り、薄膜金属配線6は、支持脚3にも設けられ、絶縁層17で覆われたアルミニウム配線7と検知膜5とを電気的に接続している。薄膜金属配線6は、例えば、厚さが約100nmのチタン合金からなる。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1の1010)により取り出される。薄膜金属配線6と検知膜5との間、及び薄膜金属配線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)を介して行ってもよい。
The
赤外線を反射する反射膜8は、中空部2を覆うように配置されている。ただし、反射膜8は、温度検知部4と熱的に接続されない状態で、支持脚3の少なくとも一部を覆うように配置されている。
The
図3に示すように、温度検知部4の上側には支持柱9が設けられ、支持柱9の上に吸収体10が支持されている。つまり、吸収体10は、温度検知部4の上側で支持柱9によって接続されている。また、吸収体10は、温度検知部4と熱的に接続されており、吸収体10で生じた温度変化が温度検知部4に伝わる構成を有する。
As shown in FIG. 3, a support column 9 is provided on the upper side of the
一方、吸収体10は、反射膜8と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うように側方に広がっている。そのため、赤外線センサ100は、上方から見ると図4bに示すように吸収体10のみが見える。なお、吸収体10で入射光を充分に吸収することができる場合、反射膜8は無くてもよい。それゆえ、反射膜8を設けるか否かは、必要に応じて選択することができる。
On the other hand, the
かかる赤外線センサ100では、入射した赤外線(電磁波)は主に吸収体10で吸収される。吸収体10に吸収された赤外線は熱に変換され、支持柱9を経由して温度検知部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1010で電気抵抗の値の変化を検出することにより、吸収体10に吸収された赤外線の量を検出することができる。
In the
次に、吸収体10の構造について説明する。
図4a、図4bは、本発明の実施の形態1による赤外線センサが備える吸収体の斜視図及び上面図である。図4a、図4bでは、吸収体10の構造を明確化するために、吸収体10と後述の支持柱9とを接続する接続部の穴を省略して図示しているが、この穴の存在は必須ではない。
Next, the structure of the
4a and 4b are a perspective view and a top view of an absorber provided in the infrared sensor according to
図4a、図4bに示すように、吸収体10には、吸収体10をz方向に貫通しない溝部11(11a,11b)がx方向、y方向にそれぞれ周期的に形成されている。図4aに示すように、溝部11は、所定の溝深さh、溝幅w及び溝周期pを有する。また、x方向、y方向にそれぞれ延設された溝部11a,11bは、互いに交差し、好ましくは直交している。さらに、溝周期pは、所望の吸収波長よりも小さい大きさに設定する。また、溝部11a,11bの周期数、即ち吸収体の凸部の数はそれぞれ等しいことが好ましい。ただし、周期数が充分に大きい場合、例えば、一般に周期数と溝周期pとの積が検知波長の数倍程度の値であれば、溝部11a,11bの周期数が異なっても吸収特性の非対称性を無視することができる。なお、図4a,図4bでは、溝部11a,11bは互いに直交し、吸収体の凸部の数がそれぞれ等しい場合について図示している。
As shown in FIGS. 4a and 4b, the
溝部11a,11bが交差するように形成され、かつ、溝部11a,11bの周期数を等しくすることにより、吸収における入射光の偏光依存性が低下し、吸収率が増加するという効果がある。さらに、溝部11a,11bが直交する場合には、吸収における入射光の偏光依存性が無くなり、最も吸収率が増加する。
By forming the
図5は、図4bに示す赤外線センサ100の吸収体10をII−II方向に見た断面図(x−z平面)である。図4bでは、溝部11a,11bは互いに直交し、吸収体の凸部の数をそれぞれ等しいため、図5は、y−z平面の場合も同様の断面図となる。また、吸収体10には、既に述べたように、溝部11は2次元的な周期構造を形成するように設けられているところ、溝部11の長手方向に対して垂直な断面は、矩形状に形成されていることが好ましい。つまり、溝部11は、赤外線吸収面及び底面に対して直交する側壁を有することが好ましい。
FIG. 5 is a cross-sectional view (xz plane) of the
図5に示すように、吸収体10は、金属膜12からなる。また、金属膜12は、表面プラズモン共鳴を生じやすい金属で構成されていることが好ましい。かかる金属は、例えば、Au、Ag、Cu、Al、Ni、Cr等である。吸収体10の全体的な膜厚は、吸収率、熱時定数、材料の応力等を考慮して適宜決定することができる。
As shown in FIG. 5, the
かかる吸収体10は、フォトリソグラフィにより金属をパターニングすることにより作製することができる。つまり、1)溝部11のマスクパターンを作成し、2)金属膜にフォトレジストを塗布し、3)フォトレジストに光照射して溝部11のマスクパターンを金属膜に転写し、4)金属膜を現像し、5)ハロゲン系ガスを用いたドライエッチングにより露出した金属部分を加工し、6)最後にレジストを有機溶剤で除去する。上記5)は、エッチング液を用いたウェットエッチングで行ってもよい。
Such an
ここで、吸収体10は、少なくとも赤外線吸収面が金属であればよく、例えば図6に示すように、赤外線吸収面のみが金属膜12からなり、内部は酸化シリコンSiO2、窒化シリコンSiN、シリコン等の誘電体13で構成されていてもよい。この場合、金属膜12が入射光を透過させることのないほど充分な厚さを有していれば、内部の誘電体13そのものの吸収等の光学的な影響はない。
Here, it is sufficient that the
例えば吸収体10の金属膜12が、検出波長に対してδ=(2/μσω)1/2で表される表皮効果の厚さ(skin depth)の2倍程度以上の厚さ(数10nm程度から数100nm程度)を有すれば、一般に入射光の漏れ出しが充分に小さいといえる。ただし、μ、σはそれぞれ金属膜12の透磁率、電気伝導率であり、ωは検出波長を有する電磁波の角振動数である。
For example, the
よって、吸収体10は、誘電体膜上に金属膜を形成した2層構造を有してもよく、或いは、酸化シリコン等からなる誘電体膜が金属膜で挟持された3層構造を有してもよい。
Therefore, the
吸収体10がかかる多層構造を有する場合、一般に金属より誘電体の方が容積比熱が大きいことに起因して、熱容量が金属単体の場合に比べて小さくなる。これにより、応答速度が大きくなるという効果がある。また、上記の2層構造、3層構造は、上記のフォトリソグラフィによるパターニング及びエッチングで誘電体を加工した後に、金属をスパッタ等で表面に形成することにより作製することができる。それゆえ、図5のように金属単体で溝部を形成する場合よりも作製が容易になる。
When the
さらに、図7に示すように、吸収体10は、図6に示す構造から内部の誘電体を除去した構造でもよい。この構造の場合、既に説明した図5、図6の構造に比べて、吸収体10自体の体積が減少するために、熱容量が最も小さくなり、応答速度がさらに大きくなるという効果がある。ここで、図7における金属膜12の厚さは、対象とする入射電磁波が透過しない厚さであればよい。この厚さは、既に述べたように、表皮効果の厚さの2倍程度以上の値とすることができる。
Further, as shown in FIG. 7, the
次に、吸収体10の吸収特性を説明する。
一般に、電磁波が境界面で全反射する時に発生するエバネセント波の波長が表面プラズモン波の波長と一致する場合には、表面プラズモンが励起される。また、本発明のように、吸収体の表面(赤外線吸収面)に微細かつ周期的な溝部を設けた場合、通常の入射光において表面プラズモンが励起され、表面に結合することが知られている。かかる結合により、共鳴波長の電磁波が表面に強く局在し、結果的に吸収されることになるので、共鳴波長において吸収が増加する。ここでは、簡単のため、1次元の周期構造を用いて説明する。1次元の周期構造の場合、誘起される表面プラズモンの波数をksp、入射光の波数をk0、入射角をθ、mを整数とすると、下記の式が成立する。
Next, the absorption characteristic of the
In general, when the wavelength of the evanescent wave generated when the electromagnetic wave is totally reflected at the boundary surface matches the wavelength of the surface plasmon wave, the surface plasmon is excited. In addition, as in the present invention, when a fine and periodic groove is provided on the surface of the absorber (infrared absorbing surface), it is known that surface plasmons are excited and coupled to the surface in normal incident light. . Due to such coupling, the electromagnetic wave having the resonance wavelength is strongly localized on the surface and is consequently absorbed, so that the absorption increases at the resonance wavelength. Here, for simplicity, description will be made using a one-dimensional periodic structure. In the case of a one-dimensional periodic structure, if the wave number of the induced surface plasmon is k sp , the wave number of incident light is k 0 , the incident angle is θ, and m is an integer, the following equation is established.
したがって、溝周期pによって決定される波長が表面に強く局在し、結果的に吸収されることがわかる。2次元周期構造の場合は、上記式における逆格子ベクトルが2次元となる。孤立した凹みが2次元的に周期的に配置されている構造、例えば正方格子や三角格子等の場合、表面プラズモン共鳴は、面内方向及び深さ方向に生じるが、面内方向の表面プラズモン共鳴が支配的であり、主要な吸収波長は周期によって決定される。図4aに示すような本発明の吸収体構造においては、溝幅wが溝深さhより小さい場合には、深さ方向の表面プラズモン共鳴が支配的となるため、吸収波長は深さによって決定される。よって、周期p以上の波長においても吸収を生じることが可能である。 Therefore, it can be seen that the wavelength determined by the groove period p is strongly localized on the surface and consequently absorbed. In the case of a two-dimensional periodic structure, the reciprocal lattice vector in the above equation is two-dimensional. In the case of a structure in which isolated dents are periodically arranged two-dimensionally, for example, a square lattice or a triangular lattice, surface plasmon resonance occurs in the in-plane direction and in the depth direction, but surface plasmon resonance in the in-plane direction. Is dominant, and the main absorption wavelength is determined by the period. In the absorber structure of the present invention as shown in FIG. 4a, when the groove width w is smaller than the groove depth h, the surface plasmon resonance in the depth direction becomes dominant, so the absorption wavelength is determined by the depth. Is done. Therefore, absorption can occur even at wavelengths longer than the period p.
図8に、吸収体10を構成する材料がAuである場合について、p=6μm、w=0.1μmとして、h=0.5、0.8、1.0μmとしたときの吸収率を電磁界解析によって求めた結果を示す。図8で、縦軸は電磁波の吸収率を、横軸は吸収波長をそれぞれ表す。なお、溝部11a,11bは、互いに直交し、周期数は等しく、溝部11の長手方向に対して垂直な断面は矩形状に形成されているものとした。吸収波長をλabとすると、それぞれのhに対して、λabは、6.3、8.6、10.0μmであった。
In FIG. 8, when the material constituting the
また、h=0.8μmの場合について、同様の電磁界解析によって、x方向に対して電界が平行であるときと、垂直であるときの吸収特性をそれぞれ図9(a)、図9(b)に示す。図9(a),(b)で、縦軸は電磁波の吸収率を、横軸は波長をそれぞれ表す。図9(a)、図9(b)は同じ結果となった。互いに直交する方向の電界について、吸収特性が同じになることから、溝部11に対する電界の向きについて偏光依存性がないと認められる。この場合、その他の電界の向きについても偏光依存性がないことは、対称性から明らかである。
Further, in the case of h = 0.8 μm, the absorption characteristics when the electric field is parallel to and perpendicular to the x direction are shown in FIGS. 9A and 9B by the same electromagnetic field analysis. ). 9A and 9B, the vertical axis represents the electromagnetic wave absorption rate, and the horizontal axis represents the wavelength. 9 (a) and 9 (b) gave the same result. Since the absorption characteristics are the same for the electric fields in directions orthogonal to each other, it is recognized that the direction of the electric field with respect to the
ここで、図5に示す例のように、溝幅wが溝深さhよりも充分に小さい場合、表面の溝周期pに依存する面内方向の共鳴よりも、溝深さhに依存する深さ方向の共鳴が支配的となる。それゆえ、溝深さhによって決定される波長が表面に強く局在し、結果的に吸収されることになる。 Here, as in the example shown in FIG. 5, when the groove width w is sufficiently smaller than the groove depth h, it depends on the groove depth h rather than the in-plane resonance depending on the groove period p of the surface. The resonance in the depth direction becomes dominant. Therefore, the wavelength determined by the groove depth h is strongly localized on the surface and is consequently absorbed.
次に、溝幅wを変化させた場合について考察する。
図10は、h=0.8μm、p=6μmに固定し、wを50、100、200、400nmと変化させた場合について吸収率を求めた結果を示す。図10で、縦軸は電磁波の吸収率を、横軸は波長をそれぞれ表す。図10に示すように、溝幅wが大きくなるにしたがって、吸収波長は短波長側にシフトする。これは、溝幅が大きくなることで、深さ方向の共鳴に加えて、面内方向の共鳴が大きくなった結果であると考えられる。このように、溝深さhに加えて、溝幅wを変化させることによっても、吸収波長は制御できることがわかる。このときでも、溝幅wが溝深さhより小さい場合には、周期p以上の大きさの波長において吸収が生じる。また、図10に示すように、吸収率を大きくするためには、溝幅wが溝深さhよりも充分に小さいことが好ましい。
Next, the case where the groove width w is changed will be considered.
FIG. 10 shows the results of the absorption rate obtained when h = 0.8 μm and p = 6 μm are fixed and w is changed to 50, 100, 200, and 400 nm. In FIG. 10, the vertical axis represents the electromagnetic wave absorption rate, and the horizontal axis represents the wavelength. As shown in FIG. 10, the absorption wavelength shifts to the short wavelength side as the groove width w increases. This is considered to be a result of an increase in resonance in the in-plane direction in addition to resonance in the depth direction due to an increase in the groove width. Thus, it can be seen that the absorption wavelength can be controlled by changing the groove width w in addition to the groove depth h. Even at this time, if the groove width w is smaller than the groove depth h, absorption occurs at a wavelength having a period greater than or equal to the period p. Further, as shown in FIG. 10, in order to increase the absorption rate, it is preferable that the groove width w is sufficiently smaller than the groove depth h.
さらに、溝幅wが溝深さhよりも大きくなった場合についても考察する。
図11は、h=0.8μm、p=6μmに固定し、例として、wを2.0μm、3.0μmとした場合の吸収率を示す。図11で、縦軸は電磁波の吸収率を、横軸は波長をそれぞれ表す。図11では、主要な吸収波長が多波長化している。これは、溝幅wが大きくなると深さ方向(z方向)及び面内方向(x方向、y方向)の表面プラズモン共鳴が組み合わさって作用するからであると考えられる。この特性を利用して、多波長における吸収波長制御が可能となる。例えば、大気の窓と呼ばれる、大気の吸収がない約3μm〜約5μm、約8μm〜約12μmの波長で2波長吸収構造を実現することができる。上記波長の間の波長域の光は、大気の吸収波長に該当するためノイズとなり得るところ、本発明の構造により、ノイズとなる波長域の吸収を抑制して所望の波長を吸収することができる。
Further, a case where the groove width w is larger than the groove depth h will be considered.
FIG. 11 shows the absorptance when h = 0.8 μm and p = 6 μm and w is set to 2.0 μm and 3.0 μm as an example. In FIG. 11, the vertical axis represents the electromagnetic wave absorption rate, and the horizontal axis represents the wavelength. In FIG. 11, main absorption wavelengths are multi-wavelength. This is presumably because the surface plasmon resonance in the depth direction (z direction) and the in-plane direction (x direction, y direction) acts when the groove width w increases. Using this characteristic, absorption wavelength control at multiple wavelengths can be performed. For example, a two-wavelength absorption structure called an atmospheric window can be realized at a wavelength of about 3 μm to about 5 μm and about 8 μm to about 12 μm without atmospheric absorption. The light in the wavelength range between the above wavelengths corresponds to the absorption wavelength in the atmosphere and can be noise. However, the structure of the present invention can suppress absorption in the wavelength range that becomes noise and absorb a desired wavelength. .
以上、溝幅wが溝深さhより大きくなった場合についても、表面構造によって決定される表面プラズモンモードによって、吸収波長を決定することができ、吸収体10を構成する材料そのものの吸収を防止することができることがわかる。また、一般に検出波長は多波長化する傾向にあるところ、上記の多波長における吸収波長制御を利用して、多波長同時検出が可能となる。さらにこの場合、図11に示すように、溝部11の溝周期p以上の波長も吸収可能である。
As described above, even when the groove width w is larger than the groove depth h, the absorption wavelength can be determined by the surface plasmon mode determined by the surface structure, and the absorption of the material itself constituting the
このように、吸収体10に形成された溝部11によって、表面プラズモンが誘起され、所望の検出波長のみを選択的に吸収することが可能になる。また、溝幅wが溝深さhよりも充分に小さい場合には、検出波長は溝深さによって決定される。つまり、赤外線センサとしては、波長において検出波長が選択される。この現象は、表面プラズモン、メタマテリアル、疑似表面プラズモン等と呼ばれるが、本質的な現象は同じである。本発明では、これらを区別せず、表面プラズモンと表記する。
Thus, the surface plasmon is induced by the
特許文献1のような波型の周期構造を有する吸収体を備えた赤外線センサの場合、第1に、吸収体が有する周期構造の周期の大きさを検出波長以下にすることができないため、吸収体の面積を縮小することが難しいという問題があった。第2に、吸収体を構成する材料に金属でなくカーボン等を用いた場合には、材料そのものの吸収波長が、構造によって決定される吸収波長に加わるため、吸収波長、即ち検出波長の選択性が悪化するという問題があった。第3に、グレースケールマスクなど特殊なマスク形成・エッチング工程が必要になって作製が困難となるという問題があった。第4に、溝部での共鳴が乱されるため、吸収率が小さくなるという問題があった。
In the case of an infrared sensor provided with an absorber having a wave-like periodic structure as in
また、上記第2の問題と同様に、既に知られているように、フォトニック結晶を含む周期的な屈折率分布構造を赤外線吸収部に設けることで波長の選択性を実現する場合、吸収体材料である誘電体膜、例えば、酸化シリコン等の誘電体膜の吸収波長は8μm〜14μm付近に存在するため、周期的屈折率分布や、フォトニックバンドギャップの構造によって、6μmに吸収ピーク波長を設定しても、材料である酸化シリコンの吸収波長である8μm〜14μmも同時に検出してしまう。このように、検出波長が多波長化することで選択性が悪化してしまう。 Similarly to the second problem, as already known, in the case where wavelength selectivity is realized by providing a periodic refractive index distribution structure including a photonic crystal in the infrared absorption section, an absorber Since the absorption wavelength of a dielectric film such as a dielectric film such as silicon oxide exists in the vicinity of 8 μm to 14 μm, the absorption peak wavelength is 6 μm depending on the periodic refractive index distribution and the structure of the photonic band gap. Even if it is set, 8 μm to 14 μm, which is the absorption wavelength of silicon oxide as a material, is also detected at the same time. Thus, the selectivity deteriorates as the detection wavelength is increased.
これらの問題に対して、本実施形態では、表面プラズモン共鳴を利用しており、溝部11の周期を検出波長以下にすることができるため、周期と吸収波長が一致する構造に比べて、吸収体10の面積を縮小することができる。したがって、赤外線センサ100のサイズ、したがって複数の赤外線センサにより熱画像イメージャ等を構成した場合の画素のサイズを縮小することが可能である。
With respect to these problems, in the present embodiment, surface plasmon resonance is used, and the period of the
また、赤外線吸収面に相当する表面に金属膜12を用い、表面構造によって決定される表面プラズモン共鳴による吸収を利用することで、吸収体10を構成する材料そのものの吸収を防止し、意図しない波長の検出を防止する効果がある。
Further, by using the
また、波型のような特殊な形状を有さないため、吸収体10の作製が容易になり、特に溝部11の長手方向に対して垂直な断面が矩形状に形成されているため、通常のフォトリソグラフィを用いたドライエッチング等により容易に作製することができる。
In addition, since it does not have a special shape such as a corrugated shape, it is easy to manufacture the
さらに、側壁が傾斜したくさび形状や曲面であれば、側壁間における共鳴が乱され、吸収率が低下するところ、溝部11が矩形に形成され、その側壁は赤外線吸収面及び底面に対して直交していることにより、側壁間の距離が深さ方向(z方向)に一定となり、更には溝部11の底面が平坦であることから、溝部上面と溝部底面との距離が面内方向(x方向、y方向)に一定となる。これらにより、共鳴が乱されず、それゆえ溝部11で強い共鳴が生じ、吸収率が大きくなるという効果がある。
Further, if the side wall is in a wedge shape or a curved surface, the resonance between the side walls is disturbed and the absorptance is lowered. However, the
実施の形態2.
図12は、全体が200で表される、本発明の実施の形態2による熱型の赤外線センサアレイの上面図である。なお、本明細書中、「赤外線センサアレイ」は、図1で説明した赤外線センサ装置に搭載される、赤外線センサをアレイ状(マトリックス状)に配置した構造を指す。
FIG. 12 is a top view of a thermal-type infrared sensor array according to the second embodiment of the present invention, indicated as a whole by 200. FIG. In the present specification, the “infrared sensor array” refers to a structure in which the infrared sensors mounted in the infrared sensor device described in FIG. 1 are arranged in an array (matrix).
赤外線センサアレイ200は、赤外線センサ100をアレイ状に配置したものである。図12では、説明を簡単にするために、2行×2列の合計4個の赤外線センサ100からなる赤外線センサアレイ200を示しているが、本発明はこれに限定されず、配置される赤外線センサ100の個数に制限はない。また、必ずしも2次元的な配列でなくともよく、1次元的な配列にしてもよい。赤外線センサアレイ200は、外部の走査回路(図示せず)等により各行及び/又は各列の赤外線センサを選択して、各センサ100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。
In the
このようにして、赤外線センサアレイ200を搭載した赤外線センサ装置は、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。このとき、図4aに示す吸収体10を赤外線吸収体として用いることにより、波長情報及び入射光強度の情報を有する画像を検出することができる。また、イメージセンサ以外の用途としては、少ない画素数で位置検知用のアレイ化センサとして用いることができる。
In this way, the infrared sensor device equipped with the
実施の形態3.
図13は、全体が300で表される、本発明の実施の形態3による赤外線センサアレイの上面図であり、図14は、赤外線センサアレイ300を図13に示すIII−III方向に見た断面図である。
FIG. 13 is a top view of the infrared sensor array according to the third embodiment of the present invention, which is generally indicated by 300, and FIG. 14 is a cross section of the
赤外線センサアレイ300は、溝部の溝深さhのみが異なる4種類の赤外線センサ100、110、120、130をアレイ状に配置したものである。図13では、説明を簡単にするために、2行×2列の合計4個の赤外線センサからなる赤外線センサアレイ300を図示しているが、本発明はこれに限定されず、配置される赤外線センサの個数に制限はない。また、必ずしも2次元的な配列でなくともよく、1次元的な配列にしてもよい。赤外線センサアレイ300は、外部の走査回路(図示せず)等により各行及び/又は各列の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。
The
既に述べたように、溝幅wが溝深さhよりも充分に小さい場合、赤外線センサの吸収体に形成した溝部の溝深さhを変えることにより、画素を構成するセンサの検出波長を変えることができる。つまり、各センサの吸収体に異なる深さを有する溝部を設けることにより、画素によって異なる波長の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。 As already described, when the groove width w is sufficiently smaller than the groove depth h, the detection wavelength of the sensor constituting the pixel is changed by changing the groove depth h of the groove formed in the absorber of the infrared sensor. be able to. That is, by providing grooves having different depths in the absorber of each sensor, it is possible to use as a thermal image imager for detecting images having incident light intensity information of different wavelengths depending on pixels.
或いは、溝深さhのみでなく、溝部周期p及び溝幅wを変えることによって吸収率又は吸収波長を制御してもよい。つまり、本実施形態では、図4aで表わされる2次元的な溝部の周期構造について、溝深さh、溝幅w及び溝周期pのうち少なくとも一つが互いに異なるセンサ構造を有する画素をアレイ化することによって、異なる波長情報を有する情報を得ることができる熱画像イメージャとして用いることが可能となる。 Alternatively, the absorptance or the absorption wavelength may be controlled by changing not only the groove depth h but also the groove period p and the groove width w. That is, in the present embodiment, pixels having sensor structures in which at least one of the groove depth h, the groove width w, and the groove period p is different from each other are arrayed in the two-dimensional groove portion periodic structure shown in FIG. This makes it possible to use the image as a thermal imager that can obtain information having different wavelength information.
そして、このように異なる検出波長を有する画素をアレイ化することによって、可視光域におけるイメージセンサと同様に、赤外波長域においてもカラー化した画像を得ることができる。また、イメージセンサ以外の用途としては、少ない画素数で位置検知用のアレイ化センサとして用いることができる。 Then, by arraying pixels having different detection wavelengths in this way, it is possible to obtain a color image in the infrared wavelength region as in the case of the image sensor in the visible light region. As an application other than the image sensor, it can be used as an array sensor for position detection with a small number of pixels.
実施の形態4.
図15は、本発明の実施の形態4による熱型の赤外線センサの温度検知部の断面図である。温度検知部54以外の構造は、図2、図4と同様であり、温度検知部54は支持脚3により中空部2の上部に支持される。
FIG. 15 is a cross-sectional view of a temperature detection unit of a thermal infrared sensor according to
図15に示す温度検知部54は、温度によってその電気抵抗の値が変化する検知膜5と薄膜金属配線6とを含む。検知膜5は、例えばシリコンダイオードである。薄膜金属配線6は、例えば厚さが約100nmのチタン合金からなる。検知膜5及び薄膜金属配線6は、例えば酸化シリコンからなる絶縁層14で覆われている。
A
さらに、温度検知部54は、赤外線(電磁波)を吸収する吸収体10を、その上部に直接備えている。吸収体10により吸収された赤外線は熱に変換され、温度検知部54に伝わる。この作用により、入射電磁波を検出することができる。吸収体10の構造は、実施形態1で述べた構造と同じであり、溝深さh、溝幅w及び溝周期pを制御することによって、特定の波長を吸収する。
Furthermore, the
本実施形態のような吸収体10と一体形成された温度検知部54を有する赤外線センサでも、所望の検出波長が共鳴し選択的に吸収量が増加するため、所望の検出波長のみを選択的に検出することが可能となる。
Even in the infrared sensor having the
さらに、吸収体10を支持柱9で支持する構造を実現するための工程が不要となるため、実施形態1〜3で用いた赤外線センサを製造する場合よりも製造工程を簡略化することができ、したがって、より安価に製品を製造できる。
Furthermore, since a process for realizing a structure for supporting the
なお、かかる構造の温度検知部54を含む赤外線センサをアレイ状に配置して、実施形態2、3による赤外線センサアレイを形成してもよい。
Note that the infrared sensor array according to the second and third embodiments may be formed by arranging infrared sensors including the
実施形態2で述べたように、吸収体10について同じ構造の赤外線センサをアレイ化することによって、イメージセンサを構成することが可能である。また、実施形態3で述べたように、異なる構造(溝周期、溝深さ及び溝幅の少なくとも一つ)が異なる赤外線センサをアレイ化する(異なる検出波長を有する画素をアレイ化する)ことによって、可視光域におけるイメージセンサと同様に、赤外波長域においてもカラー化した画像を得ることができる。また、イメージセンサ以外の用途としては、少ない画素数で位置検知用のアレイ化センサとして用いることができる。
As described in the second embodiment, an image sensor can be configured by arraying infrared sensors having the same structure as the
1 基板、2 中空部、3 支持脚、4,54 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 吸収体、11(11a,11b),21,31,41 溝部、12,22,32,42 金属膜、13 誘電体膜、14,17 絶縁層、18 絶縁膜、100,110,120,130,140 赤外線センサ、200,300 赤外線センサアレイ、1000 赤外線センサ装置。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
電磁波吸収部は、互いに交差する2方向に、一定の溝周期で互いに平行に形成された複数の溝部をそれぞれ有し、
溝部の溝深さ、溝幅及び溝周期は、電磁波吸収部に入射した電磁波に含まれる特定波長の電磁波と結合する表面プラズモンを誘起するように選択されたことを特徴とする電磁波センサ。 An electromagnetic wave sensor that includes a temperature detection unit and an electromagnetic wave absorption unit that is thermally connected to the temperature detection unit and that has at least an electromagnetic wave incident surface made of metal, and detects an electromagnetic wave incident on the electromagnetic wave absorption unit through the electromagnetic wave incident surface. There,
The electromagnetic wave absorber has a plurality of grooves formed in parallel to each other at a constant groove period in two directions intersecting each other,
The electromagnetic wave sensor, wherein the groove depth, the groove width, and the groove period of the groove part are selected so as to induce surface plasmons that combine with an electromagnetic wave having a specific wavelength included in the electromagnetic wave incident on the electromagnetic wave absorbing part.
温度検知部に接続され、中空部の上側に温度検知部を保持する支持脚とをさらに備え、
温度検知部は、温度によりその電気抵抗の値が変わる検知膜を有し、
電磁波吸収部は、温度検知部の上側に設けられたことを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電磁波センサ。 A substrate having a hollow portion;
A support leg connected to the temperature detection unit and holding the temperature detection unit above the hollow portion;
The temperature detection unit has a detection film whose electrical resistance value changes with temperature,
The electromagnetic wave sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein the electromagnetic wave absorber is provided on an upper side of the temperature detector.
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