JP2014149976A

JP2014149976A - 赤外光源素子

Info

Publication number: JP2014149976A
Application number: JP2013018174A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Wakabayashi; 大介若林; Koji Sakai; 浩司境; Ryosuke Meshii; 良介飯井; Kiyotaka Yamada; 清高山田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2014-08-21

Abstract

【課題】赤外線の出力効率を向上する赤外光源素子を提供する。
【解決手段】上面の一部を開口する空隙部１０を有する基板１と、それぞれ一端側が基板１に支持される複数の梁部２２ａ〜２２ｄと、空隙部１０の開口部の上方において、梁部２２ａ〜２２ｄのそれぞれ他端側に支持される薄膜部２３と、薄膜部２３の上面に形成され、通電されることにより発熱するヒータ部３１と、ヒータ部３１の表面を覆うように形成された保護膜４と、下面の一部を開口する空隙部５０と、ヒータ部３１の発熱による赤外線を上方に集光するレンズ部５１とを有し、空隙部１０及び空隙部５０によって、梁部２２ａ〜２２ｄ、薄膜部２３、ヒータ部３１及び保護膜４を封止するキャップ部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線を放射する赤外光源素子に関する。

薄膜部の上面に形成された抵抗体が通電されることにより、発熱し、赤外線を放射する赤外光源素子が知られている（特許文献１参照）。このような赤外光源素子は、薄膜部と、薄膜部に設けられた抵抗体（ヒータ部）と、抵抗体の上面を覆うように形成され、異物等から抵抗体を保護する保護膜とを備える。

特開２００５−１４０５９４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、抵抗体が保護されるものの、加熱される薄膜部全体が大気にさらされるため、熱絶縁性が低い他、異物等の付着により出力効率が低下する可能性があった。
本発明は、上記問題点を鑑み、赤外線の出力効率を向上する赤外光源素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の態様は、上面の一部を開口する第１空隙部を有する基板と、それぞれ一端側が前記基板に支持される複数の梁部と、前記第１空隙部の開口部の上方において、前記梁部のそれぞれ他端側に支持される薄膜部と、前記薄膜部の上面に形成され、通電されることにより発熱するヒータ部と、前記ヒータ部の表面を覆うように形成された保護膜と、下面の一部を開口する第２空隙部と、前記ヒータ部の発熱による赤外線を上方に集光するレンズ部とを有し、前記第１空隙部及び前記第２空隙部によって、前記梁部、前記薄膜部、前記ヒータ部及び前記保護膜を封止するキャップ部とを備える赤外光源素子であることを要旨とする。

また、本発明の態様に係る赤外光源素子においては、前記レンズ部は、前記キャップ部の上面が凹状に加工されることにより形成された平凹レンズとすることができる。

また、本発明の態様に係る赤外光源素子においては、前記基板は、第１基板と、前記第１基板の上面に形成され、上面から下面に貫通する貫通孔を前記第１空隙部として有する第２基板とから構成されることができる。
また、本発明の態様に係る赤外光源素子においては、前記第１空隙部の底面に形成され、赤外線を反射する反射膜を更に備えることができる。

本発明によれば、赤外線の放射効率を向上する赤外光源素子を提供することができる。

（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る赤外光源素子の基本的な構成を説明する模式的な平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図である。本発明の第１の実施の形態の変形例に係る赤外光源素子の基本的な構成を説明する模式的な断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る赤外光源素子の基本的な構成を説明する模式的な断面図である。本発明の第２の実施の形態の変形例に係る赤外光源素子の基本的な構成を説明する模式的な断面図である。

次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。また、以下に示す第１及び第２の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る赤外光源素子は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、基板１と、基板１の上面に形成された絶縁膜２と、絶縁膜２の上面に形成されたヒータ部３１と、ヒータ部３１の上面に形成された保護膜４と、キャップ部５とを備える。第１の実施の形態に係る赤外光源素子は、概略として直方体状であり、半導体製造技術を発展させた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術により、ごく微小に製造される。なお、図１（ａ）においてキャップ部５は省略されている。

基板１は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板から形成され、概略として矩形平板状である。基板１は、上面の一部を矩形状に開口する角錐台状の空隙部１０を有する。空隙部１０は、上方に向かうほど開口面積が大きくなるように形成される。空隙部１０は、例えば、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされたマスクを用いて異方性エッチングを行うことにより形成可能である。

絶縁膜２は、基板１の上面に、空隙部１０の開口部を塞ぐように形成される。絶縁膜２は、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）等の絶縁体からなる。絶縁膜２は、例えば、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法等により他の支持基板上に形成され、上面を、基板１の上面に接合された後、支持基板を除去することにより形成可能である。

絶縁膜２は、空隙部１０の開口部の上方において、空隙部１０の開口部の４辺にそれぞれ沿うように形成された４本のスリット２０を有する。絶縁膜２は、４本のスリット２０が形成されることにより、空隙部１０の開口部の周囲を囲むように形成された矩形のフレーム部２１と、４本の梁部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと、矩形の薄膜部２３とを有する。

４本の梁部２２ａ〜２２ｄは、それぞれ、フレーム部２１の対角線上に帯状に形成され、一端側が、フレーム部２１を介して基板１の上面に支持される。薄膜部２３は、基板１の上面と接しないように、空隙部１０の開口部の上方に位置する。薄膜部２３は、空隙部１０の開口部の上方において、４つの角部を、梁部２２ａ〜２２ｄのそれぞれ他端側に支持される。

ヒータ部３１は、薄膜部２３の上面に形成され、通電されることにより発熱する。ヒータ部３１は、薄膜部２３の上面において、蛇行するように互い違いに屈曲する帯状に形成される。ヒータ部３１の両端は、それぞれ、フレーム部２１の上面のうち、対角に位置する２つの角部に位置する電極部３３ａ，３３ｂまで配線部３２ａ，３２ｂとして延伸する。ヒータ部３１は、配線部３２ａ，３２ｂにより、電極部３３ａ，３３ｂの間に接続される。ヒータ部３１は、例えば、白金（Ｐｔ）、ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）等の電熱金属やポリシリコン等からなり、通電されることにより抵抗加熱する。

ヒータ部３１は、４本のスリット２０により、薄膜部２３において、基板１と熱的に分離することが可能であり、効率よく発熱することができる。ヒータ部３１は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により絶縁膜２の上面に形成された材料を、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされたマスクを用いて、エッチングを行うことにより形成可能である。

保護膜４は、ヒータ部３１及び薄膜部２３の上面に、ヒータ部３１の表面を覆うように形成される。保護膜４は、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）等からなる。保護膜４は、例えば、ＣＶＤ法等によりヒータ部３１及び絶縁膜２の上面に形成された材料を、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされたマスクと同様のマスクを用いて、エッチングを行うことにより形成可能である。

キャップ部５は、例えばシリコン基板から形成され、概略として矩形平板状である。キャップ部５は、下面の一部を矩形状に開口する角柱状の空隙部５０と、ヒータ部３１の発熱による赤外線を上方に集光するレンズ部５１とを有する。空隙部５０は、例えば、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされたマスクを用いてドライエッチングを行うことにより形成可能である。レンズ部５１は、キャップ部５の上面が陽極酸化処理、熱処理等によって凹状に加工されることにより形成された平凹レンズである。

基板１及びキャップ部５は、空隙部１０及び空隙部５０によって形成される真空空間に、梁部２２ａ〜２２ｄ、薄膜部２３、ヒータ部３１及び保護膜４を封止する。

本発明の第１の実施の形態に係る赤外光源素子は、保護膜４及びキャップ部５を備えるので、製造工程及び使用時における異物等の付着を防止することができる他、レンズ部５１を備えるので、赤外線を集光できる為、赤外線の出力効率を向上することができる。

−変形例−
第１の実施の形態に係る赤外光源素子においては、図２に示すように、空隙部１０の底面に形成された反射膜６を更に備えるようにしてもよい。反射膜６は、ヒータ部３１の発熱による赤外線を上方に反射する。反射膜６は、空隙部１０の側面に形成されるようにしてもよい。第１の実施の形態の変形例に係る赤外光源素子によれば、反射膜６を備えることにより、赤外線の出力効率を更に向上することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る赤外光源素子は、基板１が２層構造である点で第１の実施の形態と異なる。第２の実施の形態において説明しない他の構成は、第１の実施の形態と実質的に同様であるので重複する説明を省略する。

第２の実施の形態に係る赤外光源素子は、下層基板１Ａと、下層基板１Ａの上面に形成され、上面から下面に貫通する矩形の貫通孔１０Ｂを有する上層基板１Ｂとを、第１の実施の形態における基板１を構成する要素として備える。貫通孔１０Ｂは、下方に向かうほど開口面積が大きくなるように形成された角錐台状であり、第１の実施の形態における空隙部１０に相当する。

本発明の第２の実施の形態に係る赤外光源素子は、保護膜４及びキャップ部５を備えるので、製造工程及び使用時における異物等の付着を防止することができる他、レンズ部５１を備えるので、赤外線を集光できる為、赤外線の出力効率を向上することができる。

−変形例−
第２の実施の形態に係る赤外光源素子においては、図４に示すように、貫通孔１０Ｂの底面となる下層基板１Ａの上面に形成された反射膜６を更に備えるようにしてもよい。反射膜６は、ヒータ部３１の発熱による赤外線を上方に反射する。第２の実施の形態の変形例に係る赤外光源素子によれば、反射膜６を備えることにより、赤外線の出力効率を更に向上することができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、既に述べた第１及び第２の実施の形態において、レンズ部５１は、上面が凹状の平凹レンズである構成を説明したが、例示であり、レンズ部５１は、下面が凸状の平凸レンズであってもよい。レンズ部５１を平凸レンズとすることにより、ヒータ部３１の発熱による赤外線を更に密に集光することができる。

また、既に述べた第１及び第２の実施の形態において、絶縁膜２、ヒータ部３１等は、多層構造であってもよい。また、空隙部１０の形状を角錐台状として説明したが、空隙部１０は、例えばドーム状等の形状であってもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１基板
１Ａ下層基板（第１基板）
１Ｂ上層基板（第２基板）
４保護膜
５キャップ部
６反射膜
１０空隙部（第１空隙部）
１０Ｂ貫通孔
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ梁部
２３薄膜部
３１ヒータ部
５０空隙部（第２空隙部）
５１レンズ部

Claims

上面の一部を開口する第１空隙部を有する基板と、
それぞれ一端側が前記基板に支持される複数の梁部と、
前記第１空隙部の開口部の上方において、前記梁部のそれぞれ他端側に支持される薄膜部と、
前記薄膜部の上面に形成され、通電されることにより発熱するヒータ部と、
前記ヒータ部の表面を覆うように形成された保護膜と、
下面の一部を開口する第２空隙部と、前記ヒータ部の発熱による赤外線を上方に集光するレンズ部とを有し、前記第１空隙部及び前記第２空隙部によって、前記梁部、前記薄膜部、前記ヒータ部及び前記保護膜を封止するキャップ部と
を備えることを特徴とする赤外光源素子。
前記レンズ部は、前記キャップ部の上面が凹状に加工されることにより形成された平凹レンズであることを特徴とする請求項１に記載の赤外光源素子。
前記基板は、第１基板と、前記第１基板の上面に形成され、上面から下面に貫通する貫通孔を前記第１空隙部として有する第２基板とから構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外光源素子。
前記第１空隙部の底面に形成され、赤外線を反射する反射膜を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の赤外光源素子。