JP2016197097A - メタマテリアル構造を含む赤外線吸収薄膜を有する温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】従来のマイクロボロメータより広い波長範囲のＩＲ放射を検知可能な、高感度の非冷却型受動温度センサを提供する。【解決手段】温度センサ２００は、それぞれが薄膜を有する画素１００のアレイを含む。これらの薄膜は、脚部１２０−１，１２０−２に取り付けられて、反射板１１０の上方に配置され、ファブリ−ペロ空洞を形成する。各薄膜には、ミクロンレベルの距離で隔てられた複数の離間開口１３５を画定する赤外線（ＩＲ）吸収材料が含まれ、これにより、熱容量を減少させ、薄膜のＩＲ吸収を増加させる。隣接する開口間のレギュラーピッチ距離により、狭帯域のＩＲ吸収が提供され、７．１μｍ未満のピッチ距離で７．５μｍ未満の波長を有するＩＲ放射の検知が容易になる。マルチスペクトルの熱画像の形成は、繰り返されるグループ（スーパー画素）内に画素を配列し、各スーパー画素に、同じ集合のＩＲ放射の波長を検知させることにより実現される。【選択図】図１

Description

本発明は、温度センサに関し、より詳細には、非冷却型受動赤外線（ＩＲ）センサシステムに関する。

赤外線（ＩＲ）検知器は、様々な分野（例えば、軍事、科学、警備／警察、医療、産業、および自動車）で、ＩＲ放射を検知するために、用いられている温度センサのタイプの一つである。赤外線検知器を使用する一般的な用途には、鉄道の安全管理、ガス漏れ検知、火炎検知、ＤＵＩ（飲酒運転）に対するアルコールレベルテスト、麻酔テスト、石油探査、スペースオペレーション、温度検知、水および鋼材の分析などがある。２つの主な種類の赤外線検知器は、熱型赤外線検知器と光学（光子）検知器である。熱型赤外線検知器（例えば、後程詳しく説明するマイクロボロメータ）は、様々なアプローチを行い、温度に依存する様々な現象を用いて、入射ＩＲ放射の熱効果を測定することにより、ＩＲ放射を検知する。今日まで、光学方法が比類のない感度と堅牢なスペクトル識別を有する、最も信頼性のある検知技術として認知されてきた。しかし、今日市販されているマルチスペクトル画像システムは、一般に、高価で大きなスペクトル計（例えば、ファブリ−ペロミラー、ＦＴＩＲなど）、および非常に繊細で高価な、極低温で冷却しなければならない検知器（例えば、ＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ））を利用する。

マイクロボロメータは、通常、サーマルカメラ内の検知器として用いられる非冷却型温度センサ装置であり、温度に依存する電気抵抗を用いて、材料の熱を介して７．５μｍ〜１４μｍの範囲の波長の入射ＩＲ放射の出力を測定する。各マイクロボロメータは、画素のアレイから成り、図９には、一般的な従来のマイクロボロメータ画素５０の一例が示されている。マイクロボロメータ画素５０は、関連する読み出し回路と共に、既知の技術を用いて、半導体（例えば、シリコン）基板５１上に形成される。脚部５２が基板の表面上で形成／パターニングされ、次いで、反射板５３が脚部５２の間で形成／パターニングされる。次に、基板の表面を覆って犠牲層（図示せず）を付着させて、処理用の隙間を提供し、この犠牲層の上にＩＲ吸収材料の層を付着させ、ＩＲ吸収材料の層の両端がパターニング後に脚部５２の上端に取り付けられるよう、このＩＲ吸収材料の層を選択的にエッチングする。次いで、図９に示されるブリッジ状の構造を完成させるため、基板の上面の上方約２μｍの位置につり下げられる薄膜５４が吸収材料の層により形成されるよう犠牲層を取り除く。マイクロボロメータは冷却されないため、吸収材料の層は、読み出し回路から熱的に分離されなければならず、このことは、このブリッジ状の構造により実現される。動作中、ＩＲ放射は各画素５０に誘導され（例えば、カメラのレンズを用いて）、薄膜５４に吸収され、抵抗の変化が生じる。反射板５３は、ＩＲ吸収材料を通過した光の向きを変えて、最大限の吸収を確保するよう機能する。各薄膜５４全体の抵抗の変化が測定され、温度に処理され、この温度を用いて画像を作成する。

典型的なマイクロボロメータは小さくて軽く、冷却する必要が無く、かつ電力消費が少ないが、通常、感度や解像度が低く、大きなノイズを出し（すなわち、冷却型熱検知画像装置および冷却型光子検知画像装置と比較して）、マルチスペクトルのアプリケーションまたは高速の赤外線アプリケーションには使用することができない。さらに、上述した通り、従来のマイクロボロメータが検知可能なＩＲ放射の波長の実際の範囲は、現在のところ７．５μｍ〜１４μｍである。

メタン漏れを検知する方法は、訓練犬を使う人手による検査から、最新の人工衛星を用いるハイパースペクトル画像システムまで、色々と存在するが、広範にわたり配備させるために大きな障害になっているものはコストである。今日まで、光学検知技術が、異なるガスの種類をはっきりと区別する能力、およびその高い検知感度を鑑み、業界の標準として広く認知されてきた。さらに、光学方法は遠隔技術であり、使用されるセンサは少ない。最高の光学方法は、マルチスペクトル／ハイパースペクトルの検知方法であり、これらの方法では、極低温に冷却される非常に高価な検知器およびスペクトル計が使用されている。究極の目標は、非冷却型温度検知器および実装面積の小さい（理想的には検知器に直接組み込まれる）スペクトル計で、同様の検知感度、および堅牢なスペクトル識別を実現することである。

従来の非冷却型受動温度センサ（例えば、マイクロボロメータ）より正確に、ＩＲ放射を光学的に（遠隔的に）検知可能で、その製造コストが従来のマイクロボロメータと実質的に同じで、かつ従来のマイクロボロメータが検知可能なＩＲ放射の波長の範囲より広い範囲の波長を有するＩＲ放射を検知可能な、非冷却型受動温度センサが所望される。

極低温に冷却される高価な検知器およびスペクトル計を必要とする既存のマルチスペクトル／ハイパースペクトルの検知方式以上の検知感度を有する非冷却型マルチスペクトルＩＲ画像装置も所望される。

ガス放出（例えば、メタン漏れ）を遠隔的に検知し測定する、低コストで高い信頼性のあるシステムおよび方法も所望される。

本発明は、低コストの非冷却型温度センサに関し、この非冷却型温度センサは、従来のマイクロボロメータと同様、ＩＲ検知画素のアレイ、および関連する読み出し回路を含むが、各画素のＩＲ吸収材料の薄膜が、そのＩＲ吸収特性を大幅に向上させるよう、メタマテリアル技術を用いて、修正されている点において異なる。各画素は薄膜を含み、この薄膜は、ＩＲ吸収材料の薄い層（例えば、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）または酸化バナジウムからなる１枚以上の膜）からパターニングされ、反射板（例えば、アルミニウムまたはチタニウムのパッド）の上方の近い距離（例えば、２μｍ）の位置で、脚部により支持され固定的に維持される。従来のマイクロボロメータ画素では、この薄膜は、特定の周波数（波長）のＩＲ放射にさらされると共振する、関連するファブリ−ペロ空洞を形成するよう反射板と連結し、空洞の共振状態の変化に従って薄膜の抵抗が変化する。各画素要素の薄膜は、脚部および金属トレースを介して読み出し回路に接続し、この読み出し回路が、既知の技術を用いて、各画素の薄膜内の抵抗の変化を測定するよう構成される。本発明の様態に従うと、これらの画素は、その薄膜が修正されて、ミクロンレベルの距離（すなわち、一般に約１μｍから約１ｍｍの範囲の距離）で隔てられる、離間開口（空隙）により形成されるメタマテリアル構造を含むという点において、従来のマイクロボロメータ画素とは異なる。開口サイズ（直径）は、開口間を隔てる距離の約２分の１が好ましいが、若干ばらついても性能に影響を及ぼすことはない。本発明者らは、従来のマイクロボロメータ画素の固体型の薄膜を修正して、このタイプのメタマテリアル構造を含ませることにより、その結果生じる装置が、開口間を隔てるミクロンレベルの間隔の距離と長さにおいて同様の波長で、著しく向上したＩＲ放射の吸収を示す非冷却型温度センサを形成することを解明した。この改良は、少なくとも部分的には、熱質量の減少、および、開口により作成された修正薄膜のコンダクタンスによるものだと信じられ、これにより、今度は、時定数が減少し（すなわち、より速い応答が得られる）、従来のマイクロボロメータに対して修正された薄膜を用いて作成される画素の感度は少なくとも２．５倍向上する。本発明者らは、これらのメタマテリアル構造は、標準のマイクロボロメータ製造プロセスに簡単に組み込める標準の半導体製造技術を用いて簡単に生成できることも解明した（すなわち、ＩＲ吸収材料層のエッチングマスクを変更して、ＩＲ吸収薄膜内の開口を同時に形成することにより）。したがって、本発明は、従来のマイクロボロメータに対して、著しく向上したＩＲ放射吸収特性を示す非冷却型温度センサを従来のマイクロボロメータと基本的に同じコストで提供する。

本発明の別の様態に従うと、所与の画素の薄膜上に形成される離間開口が、すぐ隣の開口と約７．１μｍ未満のピッチ距離で隔てられている場合、その画素は７．５μｍ以下の波長を有するＩＲ放射の吸収を示す。例えば、約７．１μｍの間隔で並ぶ開口を有する薄膜を含む画素は、約７．５μｍの波長を有する入射ＩＲ放射のほぼ１００％の吸収を示し、約６．８μｍの間隔で並ぶ開口でパターニングされた薄膜は、約７．２５μｍの波長を有する入射ＩＲ放射のほぼ１００％の吸収を示し、約６．５μｍの間隔で並ぶ開口でパターニングされた薄膜は、約７．０μｍの波長を有する入射ＩＲ放射のほぼ１００％の吸収を示す。７．５μｍ以下の波長を有するＩＲ放射の吸収を示すことにより、本発明は、従来の固体薄膜のマイクロボロメータに対して、著しく改善されていることを実証している。

本発明の別の様態に従うと、所与の画素の薄膜上に形成される、全ての離間開口が一定の繰り返しパターン（すなわち、隣接する対の開口が同じ（共通の）ピッチ距離で隔てられるように）で配列されると、その画素は、共通のピッチ距離と同様の波長を有するＩＲ放射の狭帯域吸収を示す（すなわち、回折閾値の波長が、隣接する開口間のピッチ距離より若干大きいことが発見された）。例えば、約７．８μｍのレギュラーピッチ（すなわち、開口の中心間）距離の間隔で隣接する開口を有する薄膜を用いて画素を作成することにより、その画素は、対応する（すなわち、一致する）約８．１μｍの波長を有する入射ＩＲ放射のほぼ１００％の吸収を示し、この「一致する」波長からわずか０．２ｎｍだけずれると、ＩＲ放射の波長の共振が著しく低下する。同様に、約７．５μｍ、約７．１μｍ、約６．８μｍ、および約６．５μｍのレギュラーピッチ距離で並ぶ開口でパターニングされた薄膜は、それぞれ、対応する約７．７５μｍ、約７．５μｍ、約７．２５μｍ、および約７．０μｍの波長を有する入射ＩＲ放射のほぼ１００％の吸収を示す。この狭帯域吸収の特徴により、複数の予測可能な波長を有するＩＲ放射を発する対象（例えば、メタン漏れ、およびその他のガス放出など）の検知、または画像形成に適する、下記に説明するセンサなどの、非冷却型マルチスペクトル温度センサの生成が容易になるという、従来のマイクロボロメータに対して著しい強みが提供される。

本発明の実施形態に従うと、マルチスペクトル温度センサは、上記の方法で形成されるＩＲ検知画素のアレイを含み、２つ以上の画素のメタマテリアル構造が、狭帯域吸収の特徴（上述した）に従って構成されて、２つ以上の異なる波長を有するＩＲ放射の検知を容易にしている。具体的には、第１の画素は、第１のレギュラーピッチ距離（例えば、約７．８μｍ）の間隔で並ぶ開口を有する薄膜を含み、第２の画素は、第１のレギュラーピッチ距離とは異なる第２のレギュラーピッチ距離（例えば、約７．５μｍ）の間隔で並ぶ開口を有する薄膜を含む。この構成により、このセンサは、２つの異なる波長（すなわち、それぞれ約８．１μｍと約７．７５μｍ）を有する入射ＩＲ放射を別々に検知することができ、これにより、マルチスペクトル動作が容易になる。異なるレギュラーピッチ距離で並ぶ開口を有する薄膜を含む画素で温度センサを形成し、かつ、これらの画素を個々にサンプリングするよう構成される読み出し回路を設けることにより、異なるＩＲ放射の波長の存在を検知可能なマルチスペクトル温度センサが提供される。マイクロボロメータの製造工程において、単純にＩＲ吸収材料層のエッチングマスクを変更して、異なるピッチ距離に対応することにより、異なるメタマテリアル構造を生成することができるので、本発明は、基本的に同じ製造コストで、従来のマイクロボロメータをマルチスペクトル温度センサに変える方法を提供する。

本発明の別の様態に従うと、基本的に同一のＩＲ波長吸収特性を有する画素が規則正しいパターンで配列されると、ＩＲ画像形成が実現される。例えば、普通なら従来のマイクロボロメータの全ての画素が、基本的に同一の薄膜を含んだ場合（すなわち、全ての画素が、同じ波長または同じ波長の範囲を有するＩＲ放射に応じて共振／加熱を示した場合）、アレイ内の全ての画素からの検知データを集め、組み立てることにより、ＩＲ画像形成が可能となる。さらに、本発明の特定の実施形態に従うと、スーパー画素（繰り返される画素グループ）のアレイ内に画素を配列させることにより、マルチスペクトル画像センサが作成され、各スーパー画素が、関連するＩＲ放射の波長を検知するよう構成される関連薄膜を有する２つ以上のＩＲ検知画素を含み、全てのスーパー画素が２つ以上の画素の同じグループを含む。例えば、これらのアレイ内の各スーパー画素は、第１の画素と第２の画素を含み、第１の画素は、第１のレギュラーピッチ距離（例えば、約７．８μｍ）の間隔で並ぶ開口を有する薄膜を含み、第２の画素は、第１のレギュラーピッチ距離とは異なる第２のレギュラーピッチ距離（例えば、約７．５μｍ）の間隔で並ぶ開口を有する薄膜を含む。この構成で、センサに画像を集中させる好適なＩＲ光学系と組み合わせたとき、このセンサの各スーパー画素は、そのスーパー画素上に誘導される画像の一部の２つの（またはそれ以上の）異なるＩＲ放射の波長（例えば、それぞれ約８．１μｍと約７．７５μｍ）を検知可能となる。各スーパー画素の２つ以上の画素からの抵抗値を集め、組み立てるようセンサの読み出し回路を構成することにより、本実施形態は、マルチスペクトルのＩＲ放射を発する対象の画像形成に適するマルチスペクトル熱画像センサを提供する。別の実施形態に従うと、本発明は、上記の１つ以上の新規な熱画像センサと、目標の対象／視野により生成されるＩＲ画像を温度センサの画素に集中させるよう構成される好適な光学系（例えば、Ｆ／１ ＩＲレンズ）と、装置コントローラと、を含む画像装置に関する。一実施形態では、この画像装置は、上記のセンサなどのマルチスペクトル熱画像センサを用いて構成され、各スーパー画素が、２つ以上の異なるＩＲ放射の波長／範囲を検知するよう構成される２つ以上の画素を含み、特定の実施形態では、これらの画素は、メタンガス放出を検知するために、約７μｍから８μｍまでの範囲の波長を有するＩＲ放射を検知するよう構成される。この装置コントローラは画像生成回路を含み、この画像生成回路が、マルチスペクトル画像センサの読み出し回路により生成される画素データを処理し、目標の対象／視野が発するＩＲ放射に対応する熱画像データを生成する。またこの装置コントローラは、熱画像データを局所的に格納するための少なくとも１つのフラッシュメモリ、または熱画像データを遠隔サーバに送信するためのモデム（例えば、４Ｇ通信システムにより）も含む。光学系およびその他の機能的構成要素（通常、ＩＲカメラに見られる要素）を組み合わせた、上記の新規なマルチスペクトル熱画像センサを用いて画像装置を形成することにより、本発明は、例えば、メタン漏れなどのガス放出を遠隔的かつ受動的に検知するために使用可能なマルチスペクトル画像装置を提供することができる。さらに別の実施形態に従うと、本発明は、受動マルチスペクトル画像センサシステム、および、それに関連した、遠隔距離から化学物質（例えば、メタンガスの坑口装置の上方で発生するメタン漏れなどのガス放出）を遠隔探知する方法に関する。このシステムは、互いに離れて配置され、異なる方向から目標領域（例えば、ガスの坑口装置）の画像を形成するよう構成される２つ以上のマルチスペクトル画像装置（上記の）と、坑口装置での風速と風向のデータを生成するよう構成される随意的な風測定装置と、を含む。システムコントローラ（例えば、遠隔地に配置されるサーバ／プロセッサ）は、熱画像データおよび風データを受信して処理し、坑口装置の上方で生成されるガス上昇流に関する空間およびスペクトル情報を生成するよう構成される。一実施形態では、各マルチスペクトル画像装置のマルチスペクトル画像センサは、上記の通り構成される画素を用いて、特定の化学物質が特徴的に発する１種類以上のＩＲ放射の波長を検知することにより、特定の化学物質（例えば、メタンガス）を区別して検知するよう構成される（すなわち、関連するＩＲ放射の波長（複数可）で共振を起こすピッチ距離の間隔で並んだ開口を有する、各ＩＲ吸収材料の薄膜を提供することにより）。化学兵器剤や有毒な産業廃棄物などのその他の化学物質の遠隔探知に同様のシステムが適用可能である。

本発明のこれら、およびその他の特徴、様態、および利点は、以下の説明、付随する請求項、および添付図面を参照することでよりよく理解することができる。

図１は、本発明の一般的な実施形態に従った、温度センサを示す上面図である。 図２は、本発明の例示的な実施形態に従った、画素を示す分解斜視図である。 図３は、図２の温度センサが組み立てられた状態を示す斜視図である。 図４は、様々なピッチ距離で形成された開口を有する画素の測定吸収値を示すグラフである。 図５は、本発明の別の実施形態に従った、簡略化した温度センサを示す上面図である。 図６は、本発明の別の実施形態に従った、熱画像センサを示す上面図である。 図７は、本発明の別の実施形態に従った、熱画像装置を示す概略斜視図である。 図８は、本発明の別の実施形態に従った、ガス放出検知システムを示す概略図である。 図９は、従来のマイクロボロメータ画素を示す側面断面図である。

本発明は、温度センサの改良に関する。以下の説明は、特定の用途およびその要求事項に関連して、提供されている本発明を当業者が実行し、かつ使用可能となるよう提示される。本明細書で使用される「上方の（ｕｐｐｅｒ）」、「上方（ｏｖｅｒ）」、「上向きに（ｕｐｗａｒｄ）」、「下方の（ｌｏｗｅｒ）」、「下方（ｂｅｌｏｗ）」などの方向に関する用語は、説明のために相対的な位置を提供することが目的であり、絶対座標系（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｆｒａｍｅ ｏｆ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）を示すことを目的としていない。本明細書で使用される用語「連結される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」および「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」は、以下の通り定義される。用語「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」は、例えば、通常の集積回路製造技術に従って形成される金属線を介した２つの回路要素間の直接接続を示す。これとは対照的に、用語「連結される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、２つの回路要素間の直接接続または間接接続のどちらか一方を示すために用いられる。例えば、連結される２つの要素は、金属線を通して直接接続する、あるいは、中間回路要素（例えば、キャパシタ、抵抗、インダクタ、あるいはトランジスタのソース／ドレイン端子）を介して間接接続する。好ましい実施形態に対する種々の修正は当業者にとって明らかであり、本明細書で規定される一般原理は、その他の実施形態にも適用可能である。したがって、本発明は図示・説明される特定の実施形態に限定されることを意図せず、本明細書に開示される原理および新規な特徴と一貫性のある最も広い範囲を付与されるものとする。

図１の上段部分には、非冷却型温度センサ２００が示され、この温度センサは画素１００のアレイ、および読み出し回路（ＲＯＩＣ）２１０を含み、これらの要素は、従来の半導体製造プロセスを用いて、半導体（例えば、単結晶シリコン）基板２０１の上面２０２に形成されている。図１の底面の吹き出しで示される通り、各画素（例えば、画素１００−１）は、基板の上面２０２に配置された反射板１１０と、上面２０２から上方に突き出した一対の脚部１２０−１および１２０−２と、薄膜１３０と、を含み、この薄膜１３０は、脚部１２０−１および１２０−２にそれぞれ接続し、反射板１１０の上方に薄膜１３０が配置されるよう構成された端部１３６−１および１３６−２を有する。従来のマイクロボロメータ画素で用いられる反射板と同様に、各反射板１１０は、基板の上面２０２上に配置される、好適なＩＲ反射材料（例えば、アルミニウムまたはチタニウム）を含む。従来のマイクロボロメータ画素の固体プレートの薄膜と同様に、薄膜１３０は、赤外線（ＩＲ）吸収材料（例えば、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）または酸化バナジウム）を含み、薄膜１３０と反射板１１０との間を連結することによりファブリ−ペロ空洞が形成されるよう、反射板１１０から上方に短い距離だけ離されて（すなわち、反射板１１０から隔てられて）、脚部１２０−１と１２０−２上に固定的に維持され、このファブリ−ペロ空洞は、異なる量のＩＲ放射ＩＲＲ−１にさらされると、異なるレベルで共振し、これにより、薄膜１３０の温度は、受け取られるＩＲ放射ＩＲＲ−１の量に従って変化する。従来のマイクロボロメータで見られる構成と同様、各薄膜１３０は、脚部１２０−１および１２０−２ならびに金属トレース（図示せず）を介して、読み出し回路２１０に電気的に連結し、この読み出し回路は、各画素１００の各薄膜１３０全体の抵抗を測定するよう構成され、これにより、温度センサ２００によるＩＲ放射の検知が容易になる。

本発明の様態に従うと、薄膜１３０は、複数の離間開口１３５により画定されるメタマテリアル構造を含むよう修正されている点において、従来のマイクロボロメータ画素の薄膜とは異なり、これらの離間開口１３５は、ＩＲ吸収材料を貫通して画定され（例えば、エッチングされ）、ミクロンレベルの距離（すなわち、一般にＩＲ放射に関連する波長に対応する、６００ｎｍ（名目上は１μｍ）から約１ｍｍの範囲の距離）で互いに（すなわち、中心間で）隔てられている。例えば、図１の下段部分で示される通り、隣接する開口１３５−１および１３５−２は、中心間の距離Ｌで隔てられ、この距離Ｌは約１μｍから約１ｍｍまでの範囲の距離である。特に、開口１３５を隔てる距離Ｌと同様の長さの波長では、従来のマイクロボロメータで使用される固体薄膜の画素と比較して、画素１００が著しく向上したＩＲ放射の吸収を示すことを本発明者らは発見した。したがって、ミクロンレベルの距離Ｌで隔てられる離間開口１３５を画定する薄膜１３０を有する画素１００のアレイで、温度センサ２００を形成することにより、本発明は、従来の多くの温度センサよりも良好な検知感度を有する温度センサを提供する。さらに、通常、非冷却型の従来のマイクロボロメータで提供される方法を用いて構成され機能するため、温度センサ２００は、極低温に冷却される高価な検知器およびスペクトル計よりも、製造コストやオペレーティングコストが安い（すなわち、温度センサ２００は非冷却型温度センサである）。さらに、従来のマイクロボロメータの製造で用いられる半導体製造プロセスに対する、容易に実施可能な変更形態を用いて、開口１３５を作成できるため（すなわち、ＩＲ吸収材料層のエッチングマスクを変更して、各薄膜１３０内の開口１３５を同時に形成することにより）、その他には、温度センサ２００が、従来のマイクロボロメータに通常提供される要素を用いて実装可能であるため、非冷却型温度センサ２００は、従来のマイクロボロメータと同じ小さい実装面積で、かつ従来のマイクロボロメータと基本的に同じコストで製造が可能である。

本発明の別の様態に従うと、７．５μｍ未満の波長を有するＩＲ放射の検知は、隣接する対の開口１３５（例えば、開口１３５−１および１３５−２）が７．１μｍ以下の距離Ｌで隔てられるよう薄膜１３０を形成することにより実現される。上述した通り、本発明者らは、隣接する開口間の間隔距離Ｌにより、その結果生じるメタマテリアル構造が共振するＩＲ放射の波長が決定され、７．１μｍ以下の距離Ｌで開口を形成することにより、約７．５μｍ未満の波長を有するＩＲ放射の検知が容易になることを発見した。７．５μｍ以下の波長を有するＩＲ放射を検知可能な非冷却型温度センサを提供することにより、本発明は、従来の固体薄膜のマイクロボロメータに対する著しい改善を実証している。さらに、形成することにより、

図２および図３は、本発明の特定の実施形態に従った、画素１００Ａを示す分解斜視図であり、付加的な特徴および例示的な製造方法を示している。画素１００Ａは、画素１００（図１を参照して上記に説明した）と同様の要素と構造を含み、したがって、同様の参照符号が用いられている。例示的な実施形態では、脚部１２０−１および１２０−２が、電極１２２−１および１２２−２をそれぞれ介して、対応するトレース（図示せず）に電気的に接続し、かつ、脚部１２０−１および１２０−２が上面２０２から上向きに（上面２０２と垂直に）延在するよう、基板２０１の上面３０２に脚部１２０−１および１２０−２を形成することにより画素１００Ａを作成する。次に、反射材料の層を上面２０２に付着／パターニングして、反射板１１０を形成し、次いで、所定の厚さ（例えば、２μｍ）を有する犠牲層を反射板１１０の上方に形成する。次いで、約５０ｎｍから１μｍの範囲の合計の厚さＴを有する１枚以上のＩＲ吸収材料膜からなるＩＲ吸収材料（薄膜）層を犠牲層の上方および脚部１２０−１および１２０−２の上端に形成する。次いで、ＩＲ吸収材料の層を覆ってフォトレジスト層（図示せず）を付着させ、そのフォトレジスト層をパターニングし、ＩＲ吸収材料の層のエッチングマスクを形成して、続くエッチング処理により、開口１３５を画定する中央領域１３３と、狭いアーム１３８−１および１３８−２によりそれぞれ中央領域１３３に接続される端部１３６−１および１３６−２と、を含む薄膜１３０を形成する。オープン領域１３９−１および１３９−２により、アーム１３８−１および１３８−２がそれぞれ中央領域１３３から隔てられており、これにより、中央領域１３３と脚部１２２−１および１２２−２との間の熱絶縁が提供される。薄膜１３０が形成された後、反射板１１０と薄膜１３０の間に配置された犠牲材料が、既知の技術を用いて取り除かれ、これにより、図３に示される通り、薄膜１３０は、脚部１２０−１および１２０−２上で支持され、狭いエアーギャップＧ（例えば、２μｍ）分だけ反射板１１０から離れる。次いで、随意的なキャップ構造体１２４−１および１２４−２を形成して、薄膜１３０を脚部１２０−１および１２０−２に固定する。ＩＲ吸収材料の層のエッチングマスクを変更して薄膜１３０の外縁のパターニングと開口１３５の形成とを同時に行うこと以外は、上記の製造プロセスは、従来のマイクロボロメータ画素を作成するために用いられる製造プロセスと基本的に同じである。

図３を参照すると、一実施形態では、薄膜１３０上で画定される全ての開口１３５が、例示的な一定の繰り返しパターンで配列され、複数の隣接する対の開口１３５が、共通の（すなわち、同じ）ミクロンレベルのピッチ距離Ｌで隔てられる。例えば、開口１３５−１と開口１３５−２で、第１の直交方向に並ぶ第１の隣接する対を形成し、開口１３５−１と開口１３５−３で、第２の直交方向に並ぶ第２の隣接する対を形成する。一定のパターンにより、開口１３５−１は、隣接する開口１３５−２からピッチ距離Ｌ（例えば、７．１μｍ）だけ隔てられ、開口１３５−１も、隣接する開口１３５−３から同じピッチ距離Ｌ（例えば、７．１μｍ）だけ隔てられる。同様に、第１の直交方向および第２の直交方向に並ぶ開口１３５の隣接する対はそれぞれ、共通のピッチ距離Ｌで隔てられる。このように、一定のパターンで配列される開口を有する薄膜１３０を形成することにより、完成したメタマテリアル構造は、共通のピッチ距離Ｌと同様の波長を有するＩＲ放射の狭帯域吸収を示すことが発見された（すなわち、回折閾値の波長が、隣接する開口間のピッチ距離より若干大きいことが発見された）。例えば、図４の吸収グラフで示される通り、約７．８μｍのレギュラーピッチ（すなわち、開口の中心間）距離Ｌの間隔で並ぶ隣接する開口を有する薄膜を用いて画素を作成することにより、その画素は、対応する（すなわち、一致する）約８．１μｍの波長を有する入射ＩＲ放射のほぼ１００％の吸収を示し、「一致する」波長からわずか０．２ｎｍだけずれると、ＩＲ放射の波長の共振が著しく低下する。同様に、約７．５μｍ、７．１μｍ、６．８μｍ、および６．５μｍのレギュラーピッチ距離Ｌを有する開口でパターニングされた薄膜は、それぞれ、対応する約７．７５μｍ、約７．５μｍ、約７．２５μｍ、および約７．０μｍの波長を有する入射ＩＲ放射のほぼ１００％の吸収を示す。この狭帯域吸収の特徴により、下記に説明するセンサなどの、非冷却型マルチスペクトル温度センサの生成が容易になるという、従来のマイクロボロメータに対して著しい強みが提供される。

離間（分離）開口１３５を形成するためには、各開口１３５のサイズは必ず距離Ｌより小さくなければならない。現在のところ好ましい本発明の実施形態に従うと、各開口１３５のサイズ（例えば、図３に示される開口１３５−１の直径Ｄ）はピッチ距離Ｌの約２分の１が好ましい。というのも、このサイズの開口を用いて作成された画素が、最も多くのエネルギーを吸収することが分かったからである。開口サイズが、選択されたピッチ距離の２分の１より若干ばらついても性能に著しく影響を及ぼすことはないが、開口サイズが２分の１の値から著しくばらついた場合（すなわち、開口が大き過ぎたり小さ過ぎたりする場合）、エネルギーの吸収が減少することが分かった。

図５には、簡略化したマルチスペクトル温度センサ２００Ａが示されており、このセンサは、上記に説明した方法で基板２０１Ａ上に形成された、画素１００Ａ−１〜１００Ａ−４、および読み出し回路２１０Ａを含み、画素１００Ａ−１および画素１１０Ａ−２のメタマテリアル構造が、上述した狭帯域吸収特徴に対応するよう構成されて、２つ以上異なる波長を有するＩＲ放射の検知を容易にしている。具体的には、画素１００Ａ−１は、一定の規則正しいパターンで配置された開口１３５Ａ−１を有する薄膜１３０Ａ−１を含み、隣接する対の開口が、（第１の）レギュラーピッチ距離Ｌ−１の間隔で並び（例えば、隣接する開口１３５Ａ−１１および１３５Ａ−１２はピッチ距離Ｌ−１で隔てられる）、第２の画素１００Ａ−２は、一定の規則正しいパターンで配置された開口１３５Ａ−２を有する薄膜１３０Ａ−２を含み、隣接する対の開口は、第１のレギュラーピッチ距離Ｌ−１とは異なる（第２の）レギュラーピッチ距離Ｌ−２の間隔で並ぶ（例えば、隣接する開口１３５Ａ−２１および１３５Ａ−２２はピッチ距離Ｌ−２で隔てられている）。図４を参照すると、約７．８μｍのレギュラーピッチ距離Ｌ−１の間隔で並ぶ開口１３５Ａ−１を有する画素１００Ａ−１を形成することにより、約８．１μｍの波長を有するＩＲ放射の狭帯域検知が画素１００Ａ−１により提供される。同様に、約７．５μｍのレギュラーピッチ距離Ｌ−２の間隔で並ぶ開口１３５Ａ−２を有する画素１００Ａ−２を形成することにより、約７．７５μｍの波長を有するＩＲ放射の狭帯域検知が画素１００Ａ−２により提供される。さらに、薄膜１３０Ａ−１全体の抵抗および薄膜１３０Ａ−２全体の抵抗をそれぞれ測定するよう読み出し回路２１０Ａを構成することにより、温度センサ２００Ａは、これらの２つの異なる波長のうちの少なくとも１つの波長を有するＩＲ放射のマルチスペクトル検知を容易にする。

マルチスペクトル温度センサ２００Ａが検知可能なＩＲ放射の波長の数は、異なる一定の規則正しいパターンを有する画素の数により決まる。例えば、マルチスペクトル温度センサ２００Ａは、画素１００Ａ−１および画素１００Ａ−２（上記に説明した）に加えて、画素１００Ａ−３および画素１００Ａ−４を含むことにより、４つの異なるＩＲ放射の波長を検知するよう構成され、画素１００Ａ−３は、第３の一定のパターンで配列される離間開口１３５Ａ−３を画定する薄膜１３０Ａ−３を含み、隣接する対の開口１３５Ａ−３は共通の（第３の）ピッチ距離Ｌ−３で隔てられ、画素１００Ａ−４は第４の一定のパターンで配列される離間開口１３５Ａ−４を画定する薄膜１３０Ａ−４を含み、隣接する対の開口１３５Ａ−４は共通の第４のピッチ距離Ｌ−４で隔てられる。ピッチ距離Ｌ−３をピッチ距離Ｌ−１およびＬ−２より短く設定し（例えば、７．１）、かつ、ピッチ距離Ｌ−４をピッチ距離Ｌ−１、Ｌ−２、およびＬ−３より短く設定することにより（例えば、６．８μｍ）、マルチスペクトル画像センサ２００Ａは、４つの異なるＩＲ放射の波長（すなわち、それぞれ約８．１μｍ、約７．７５μｍ、約７．５μｍ、および約６．７５μｍ）を検知し、区別することができる。

関連する記載を簡潔にするため、図５には、４つの画素だけを備えたマルチスペクトル温度センサ２００Ａが示されているが、典型的なマイクロボロメータは、４つより多くの画素を備えていることは当業者なら理解されよう。固有のメタマテリアル構造（すなわち、その他の全ての画素とは（大きく、あるいは、小さく）異なる一定の開口パターンを有する薄膜）を有する、画素（図示せず）をそれぞれセンサ２００Ａに追加することにより、本発明は、マルチスペクトル検知、および、多数の異なる波長を有するＩＲ放射の識別を容易にすることができる。その反対に、下記にさらに詳しく説明するが、少ない数の固有のメタマテリアル構造を用いて画素を形成し、その画素をスーパー画素（画素のグループ）のアレイ内に配列することができ、各スーパー画素は異なる固有のメタマテリアル構造をそれぞれ有する１つの画素を含む。いずれの場合でも、マイクロボロメータの製造工程において、ＩＲ吸収材料の層のエッチングマスクを単に変更して、異なる開口ピッチ距離に対応することにより、異なるメタマテリアル構造が生成可能であるため、本発明は、製造コストを著しく増加させることなしに、従来のマイクロボロメータをマルチスペクトル温度センサに変える方法を提供する。

図６には、簡略化したマルチスペクトル熱画像センサ２００Ｂが示されており、このセンサは、目標領域から発せられた、集められたＩＲ放射に基づいて、ＩＲ画像データを生成するよう構成されている。具体的には、マルチスペクトル画像センサ２００Ｂは、スーパー画素２２０Ｂのアレイ内に配置される画素１００Ｂを含み、各スーパー画素２２０Ｂが２つ以上の画素１００Ｂのグループを含み、各スーパー画素２２０Ｂ内の１つの画素が、上記の通り、第１のＩＲ放射の波長を検知するよう構成され、各スーパー画素２２０Ｂ内の第２の画素が、上記の通り、第２のＩＲ放射の波長を検知するよう構成される。図６に示される例示的な実施形態では、各スーパー画素２２０Ｂは正方形のパターンで配列される４つの画素を含む。図６の下段に示される通り、スーパー画素２２０Ｂ−１は、関連する薄膜１３０Ｂ−１〜１３０Ｂ−４を有する画素１００Ｂ−１〜１００Ｂ−４を含む。図５を参照して上記に説明した例と同様に、画素１００Ｂ−１の薄膜１３０Ｂ−１は、隣接する対の開口（例えば、開口１３５Ｂ−１１および１３５Ｂ−１２）がピッチ距離Ｌ１で隔てられるよう、第１の一定のパターンで配列される開口１３５Ｂ−１を含み、画素１００Ｂ−２の薄膜１３０Ｂ−２は、隣接する対の開口（例えば、開口１３５Ｂ−２１および１３５Ｂ−２２）がピッチ距離Ｌ２で隔てられるよう、第２の一定のパターンで配列される開口１３５Ｂ−２を含み、画素１００Ｂ−３の薄膜１３０Ｂ−３は、ピッチ距離Ｌ３で隔てられる開口１３５Ｂ−３を含み、画素１００Ｂ−４の薄膜１３０Ｂ−４は、ピッチ距離Ｌ４で隔てられる開口１３５Ｂ−４を含む。各スーパー画素２２０Ｂは、ピッチ距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、およびＬ４でそれぞれ隔てられる開口を含む薄膜をそれぞれ有する４つの画素を含む。ピッチ距離Ｌ１〜Ｌ４を上記の通り設定することにより（例えば、７．８μｍ、７．５μｍ、７．１μｍ、および６．８μｍ）、各スーパー画素は、４つの異なるＩＲ放射の波長（すなわち、それぞれ約８．１μｍ、約７．７５μｍ、約７．５μｍ、および約６．７５μｍ）を検知し区別可能なマルチスペクトル画像センサを提供する。下記に記載する通り、マルチスペクトル画像センサ２００Ｂの表面に画像を集中させることにより、かつ各スーパー画素２２０Ｂの４つの画素のそれぞれから抵抗値を集めるよう読み出し回路２１０Ｂを構成することにより、マルチスペクトル熱画像センサ２００Ｂを用いて、各スーパー画素２２０Ｂの４つの画素が検知可能な波長を有するＩＲ放射を発する対象の画像を形成することができる。

図７には、本発明の例示的な別の実施形態に従った、簡略化した熱画像装置３００が示されている。熱画像装置３００は、通常、好適な筺体３０１（例えば、説明のため図７の点線で示されるカメラ筺体）内に取り付けられた、温度センサ２００Ｃ、光学系３１０、および装置コントローラ３２０を含む。温度センサ２００Ｃは、画素１００Ｃのアレイ、および関連する読み出し回路２１０Ｃを含み、これらの構成要素は、上記の熱画像センサの実施形態に従って構成されている。一実施形態では、読み出し回路２１０Ｃは、送信用外部接続を介して画素データＰＤを装置コントローラ３２０に送信するよう構成される。光学系３１０は、１つ以上の好適なＩＲ光学要素（例えば、Ｆ／１ ＩＲレンズ）を含み、このＩＲ光学要素が、既知の技術を用いて、目標の対象ＯＢＪ（すなわち、構造体または領域）から発せられるＩＲ放射を集め、ＩＲ放射により形成されるＩＲ画像ＩＲＩをセンサ２００Ｃの画素１００Ｃ上に集中させるよう構成される。装置コントローラ３２０は、画像生成回路を含み、この画像生成回路が、読み出し回路２１０Ｃから送信される画素データＰＤを処理して、画素データＰＤに基づいて、ＩＲ画像ＩＲＩに対応する熱画像データＴＩＤを生成するよう構成される。一実施形態では、装置コントローラは、熱画像データＴＩＤを格納するための少なくとも１つのフラッシュメモリと、出力回路（例えば、モデム／トランスミッタ）と、をさらに含み、この出力回路は、有線伝送または無線伝送を介して（例えば、４Ｇ通信システムを介して）、熱画像データＴＩＤを遠隔の受信機（図示せず）に送信するよう構成される。

特定の実施形態では、画像装置３００のセンサ２００Ｃは、マルチスペクトル熱画像センサ（図６を参照して上記に説明したセンサ２００Ｂなどの）を用いてセンサ２００Ｃを実装することにより、メタンガス漏れを検知するよう最適化され、各スーパー画素が、メタン吸収帯域に対応する、約７μｍから約８μｍの間の２つ以上の異なるＩＲ放射の波長を検知するよう構成された２つ以上の画素を含む。

図８には、特徴的なＩＲ放射の「サイン」を発する化学物質（例えば、メタンガス）を遠隔探知するための例示的なシステム４００の概略図が示されており、特徴的なＩＲ放射のサインには、高精度で化学物質を特定するために使用可能な１つ以上の関連するＩＲ波長が含まれる。システム４００は、（上記に説明した）２台のマルチスペクトル画像装置３００−１および３００−２を含み、これらの画像装置は互いに離れた、遠隔距離の位置（例えば、その上にメタンガスの坑口装置４０１が配置される、典型的な１０ｍ×１０ｍのスラブ４０２のそれぞれの角）に配置され、異なる角度から目標領域（例えば、坑口装置４０１の上方の領域）の画像を形成するよう構成される。随意的な風測定装置４１０が目標領域（例えば、坑口装置４０１の上に取り付けられる）に配置され、目標領域での風の状態を示す風速と風向のデータＷＤを提供するよう構成される。遠隔サーバ（プロセッサ）４２０が、風測定装置４１０から送信される風データＷＤ、ならびに画像装置３００−１および３００−２からそれぞれ送信される熱画像データＴＩＤ１およびＴＩＤ２を受信し処理し、目標領域から発せられるＩＲ放射（例えば、坑口装置４０１の上方で形成されるガス上昇流４０３）に基づいて、空間およびスペクトル情報ＩＮＦＯを生成する。この空間およびスペクトル情報を用いてメタン漏れを検知する。同様のシステムを化学兵器剤や有毒な産業廃棄物などのその他の化学物質の遠隔探知にも適用可能である。

本発明を特定の具体的な実施形態に関して説明してきたが、本発明の発明的特徴が他の実施形態にも適用可能なことは当業者には明らかであり、その全ては本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、本発明を非冷却型受動マイクロボロメータ型のセンサを参照して説明しているが、本発明のスペクトル選択の様態は、冷却型マイクロボロメータ、またはその他の温度センサ、および小型のスペクトル計あるいはファブリ−ペロミラーに関与する用途でも利用可能である。

Claims (10)

1. 基板の上面に配置される複数の画素を含む温度センサであって、前記各画素が、
   前記基板の上面に配置される反射板と、
   前記基板の上面から突き出る一対の脚部と、
   赤外線（ＩＲ）吸収材料を含み、前記一対の脚部に取り付けられる薄膜であって、前記反射板の上方に配置され、前記薄膜と前記反射板との間を連結することにより、ファブリ−ペロ空洞が形成されるよう、前記反射板から隔てられる薄膜と、を含み、
   前記薄膜が、複数の離間開口を画定し、
   各隣接する対の前記開口が、ミクロンレベルの距離で隔てられる、温度センサ。
2. 各前記画素の前記ＩＲ吸収材料の層が、前記複数の開口を画定する、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜、および酸化バナジウム薄膜のうちの１つ以上を含む、請求項１に記載の温度センサ。
3. 前記複数の画素に連結し、前記各画素の前記薄膜内の抵抗の変化を測定するよう構成される読み出し回路をさらに含む請求項１に記載の温度センサ。
4. 前記複数の画素のうちの少なくとも１つの前記薄膜内に画定される全ての前記複数の離間開口が、複数の前記隣接する対の前記開口が共通のミクロンレベルのピッチ距離で隔てられるよう、一定のパターンで配列される、請求項１に記載の温度センサ。
5. 熱画像装置であって、
   温度センサであって、
   反射板と、赤外線（ＩＲ）吸収材料を含む薄膜と、をそれぞれ含む複数の画素であって、前記薄膜が、前記反射板の上方に固定的に配置され、前記薄膜と前記反射板との間を連結することにより、ファブリ−ペロ空洞が形成されるよう、前記反射板から隔てられ、前記薄膜が、ミクロンレベルの距離で隔てられる複数の離間開口を画定する、複数の画素と、
   前記複数の画素に連結し、前記各画素の前記薄膜内の抵抗の変化を測定するよう構成される読み出し回路と、を含む温度センサと、
   目標から発せられるＩＲ画像を前記複数の画素に集中させるよう構成される光学系と、
   前記読み出し回路により生成される画素データを処理し、前記目標により発せられる前記ＩＲ画像に対応する熱画像データを生成するよう構成される画像生成回路を含む装置コントローラと、を含む熱画像装置。
6. 前記複数の画素の前記薄膜内に画定される前記複数の離間開口が、隣接する対の前記開口が７．１μｍ以下の距離で隔てられるよう配列される、請求項５に記載の画像装置。
7. 前記複数の画素の前記薄膜内に画定される前記複数の離間開口の全てが、どの隣接する対の前記開口も、６．５μｍから７．１μｍまでの範囲の共通のピッチ距離で隔てられるよう、一定のパターンで配列される、請求項６に記載の画像装置。
8. １つ以上の関連する波長を有する（ＩＲ）放射を発する化学物質の遠隔探知を行うためのシステムであって、
   少なくとも１つの画像装置であって、
   温度センサであって、
   反射板と、赤外線（ＩＲ）吸収材料を含む薄膜と、をそれぞれ含む複数の画素であって、前記薄膜が、前記反射板の上方に固定的に配置され、前記薄膜と前記反射板との間を連結することにより、ファブリ−ペロ空洞が形成されるよう、前記反射板から隔てられ、前記薄膜が、ミクロンレベルの距離で隔てられる複数の離間開口を画定する、複数の画素と、
   前記複数の画素に連結し、前記各画素の前記薄膜内の抵抗の変化を測定するよう構成される読み出し回路と、を含む温度センサと、
   目標領域から発せられるＩＲ画像を前記複数の画素に集中させるよう構成される光学系と、
   前記読み出し回路により生成される画素データを処理し、前記目標の領域から発せられる前記ＩＲ画像に対応する熱画像データを生成するよう構成される画像生成回路を含む装置コントローラと、を含む画像装置と、
   前記少なくとも１つの画像装置により生成される前記熱画像データを受信して処理し、前記熱画像データに基づいて、前記化学物質に関する空間およびスペクトル情報を生成するよう構成されるシステムコントローラと、を含むシステム。
9. 前記少なくとも１つの画像装置には、互いに離れて配置され、異なる方向から前記目標領域の画像を形成するよう構成される２つ以上のマルチスペクトル熱画像装置が含まれる、請求項８に記載のシステム。
10. 前記目標領域での風速および風向に関連する風データを生成するよう構成される風測定装置をさらに含み、前記システムコントローラが、前記熱画像データおよび前記風データに基づいて、前記化学物質に関する前記空間およびスペクトル情報を生成するようさらに構成される、請求項９に記載のシステム。

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