JP2017201262A - 焦電型赤外線センサ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】 所望の波長域の赤外線を小型且つ高感度で検出することができる焦電型赤外線センサ素子を提供する。【解決手段】 上部電極４０と下部電極２０との間に赤外線吸収透過体３０が配置され、赤外線吸収透過体３０は、複数の焦電体層３１ａ，３１ｂの間に、焦電体層３１ａ，３１ｂの屈折率と異なる屈折率を有する分離層３２が介在されている。焦電体層３１ａ，３１ｂは、例えば有機焦電体から形成することができ、分離層３２は、例えば無機材料から形成することができる。【選択図】 図１
Description
本発明は、焦電型赤外線センサ素子に関する。
焦電型赤外線センサ素子は、一般に、上部電極と下部電極との間に焦電体からなる赤外線吸収透過体を配置して構成される。赤外線吸収透過体の材料として、例えば特許文献１にはフッ化ビニリデンオリゴマーが開示されている。
焦電型赤外線センサ素子を用いて赤外線検出装置を構成する場合、人体検知、ガス検知、炎検知などの用途に応じて検出波長が異なることから、使用目的に応じた波長フィルタリングを行うことができるように、焦電型赤外線センサ素子を収容するケーシングの窓部にバンドパスフィルタ等の光学フィルタを配置することが従来から行われている。
ところが、従来のように焦電型赤外線センサ素子と光学フィルタとを個別に作製・配置する場合には、製造工程が煩雑でコスト高になり易いだけでなく、赤外線検出装置の小型化が難しいという問題があった。
そこで、本発明は、所望の波長域の赤外線を小型且つ高感度で検出することができる焦電型赤外線センサ素子の提供を目的とする。
本発明の前記目的は、上部電極と下部電極との間に赤外線吸収透過体が配置され、前記赤外線吸収透過体は、複数の焦電体層を有し、前記焦電体層の間に前記焦電体層の屈折率と異なる屈折率を有する分離層が介在されている焦電型赤外線センサ素子により達成される。
この焦電型赤外線センサ素子において、前記焦電体層は有機焦電体からなることが好ましく、前記分離層は無機材料からなることが好ましい。より好ましくは、前記焦電体層は、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）の重合体、または、フッ化ビニリデンと三フッ化エチレンとの共重合体（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ））の少なくともいずれかを含む。
また、この焦電型赤外線センサ素子において、前記赤外線吸収透過体は、最上層および最下層がいずれも前記焦電体層となるように、前記焦電体層および前記分離層が交互に繰り返し配置された多層構造とすることができる。
前記焦電体層の屈折率は、前記分離層の屈折率よりも低いことが好ましい。
また、前記上部電極は、赤外線吸収性を有する材料から形成されて受光側に配置されることが好ましく、前記下部電極は、赤外線反射性を有する材料からなることが好ましい。
本発明によれば、所望の波長域の赤外線を小型且つ高感度で検出することができる焦電型赤外線センサ素子を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る焦電型赤外線センサ素子の概略構成図である。図１に示すように、焦電型赤外線センサ素子１は、支持基板１０、下部電極２０、赤外線吸収透過体３０および上部電極４０が、この順に積層されて構成されており、上部電極４０を受光側として使用される。下部電極２０および上部電極４０の形状や構造は特に限定されるものではなく、例えば、スリット状等であってもよい。また、焦電型赤外線センサ素子１は、更に他の層を含むものであってもよく、例えば、上部電極４０の上方に有機膜からなる熱輸送層を設けてもよい。
支持基板１０は、例えばポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等の高分子材料からなる厚みが５〜２００μｍ程度のシート状部材である。なお、赤外線吸収透過体３０が十分な厚みを有することで自立可能な場合には、支持基板１０を備えない構成にすることもできる。
下部電極２０は、赤外線反射性を有する材料からなり、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などの金属やこれらの合金を使用して、蒸着法やスパッタ法等により形成することができる。下部電極２０の厚みは特に限定されないが、１００ｎｍ程度を例示することができる。
赤外線吸収透過体３０は、上下に配置された２つの焦電体層３１ａ，３１ｂを備えており、これら焦電体層３１ａ，３１ｂの間に分離層３２が介在されて構成されている。赤外線吸収透過体３０は、赤外線の一部を吸収しつつ残部を透過させる材料により形成されることで、赤外線に対して透過性および吸収性の双方を有する部材であり、赤外線吸収透過体３０の内部で赤外線の反射光と透過光とが干渉する。
焦電体層３１ａ，３１ｂは、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）の重合体や、フッ化ビニリデンと三フッ化エチレンとの共重合体（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ））等の有機焦電体からなり、スピンコート法や真空蒸着法等により形成されて、三角波電圧の印加等により分極処理が施されている。ＶＤＦの重合体としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）や、その低分子量体であるＶＤＦオリゴマーを好ましく例示することができる。
分離層３２は、焦電体層３１の屈折率よりも高い屈折率を有しており、例えば、クロムや白金、酸化チタン（ＴｉＯ２）、ニッケルクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金等の屈折率が高い金属、金属酸化物、合金等の無機誘電体材料を用いて、真空蒸着法等により形成することができる。分離層３２は、赤外線に対して吸収性および反射性を有しており、上記のように、例えば電極材から形成される。
上部電極４０は、例えばニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケルクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金等の赤外線吸収性を有する材料から形成され、真空蒸着法やスパッタ法等により形成することができる。上部電極４０の厚みは特に限定されないが、２０ｎｍ程度を例示することができる。
上記の構成を備える焦電型赤外線センサ素子１は、赤外線吸収透過体３０が備える２つの焦電体層３１ａ，３１ｂにおいて、赤外線の吸収による温度変化により電気信号が生じると共に、これら焦電体層３１ａ，３１ｂが、屈折率の異なる分離層３２によって分離されているため、赤外線吸収透過体３０を、所望の波長域の赤外線のみを効率良く吸収する光学多層膜フィルタとしても機能させることができる。
すなわち、特定の焦電体層（焦電体層３１ａまたは焦電体層３１ｂのいずれか）に吸収させたい入射光の波長をλとし、この焦電体層の膜厚および屈折率をｄおよびｎとすると、λ＝４ｎｄとなるように膜厚および屈折率を設定する。これにより、焦電体層と分離層との界面での反射により焦電体層の内部を互いに逆方向に進む光同士が弱め合うので、焦電体層の赤外線吸収率が最大になり、波長λの赤外線の検出感度を高めることができる。各焦電体層３１ａ，３１ｂの厚みは、所望の波長域全体で高い赤外線吸収性が得られるように、互いに相違することが好ましい。分離層３２の膜厚は、界面での赤外線の反射を妨げない程度になるべく薄くすることが好ましく、例えば２０ｎｍ程度である。
また、このように赤外線吸収透過体３０が光学フィルタを兼ねることにより、検出波長に対応したバントパスフィルタを別に用意して設置する必要がないため、製造コストの低減や小型化を図ることができる。検出波長域は目的に応じて適宜設定することが好ましく、例えばＣＯ２ガスセンサとして使用する場合には、検出波長を３〜４μｍに設定し、人感センサとして使用する場合には、検出波長を５〜１５μｍに設定する。
また、下部電極２０は赤外線反射性を有する一方、上部電極４０は赤外線吸収性を有することにより、上部電極４０側から赤外線吸収透過体３０に入射した赤外線が、下部電極２０との界面で反射する。更に、上部電極４０が赤外線吸収性と共に反射性も有する場合には、下部電極２０と上部電極４０との間で赤外線が多重反射する。これにより発生するファブリペロー干渉と、複数の焦電体層３１ａ，３１ｂとの組み合わせによって、所望の波長域全体における赤外線吸収透過体３０の赤外線吸収性をより高めることができ、高感度化を図ることができる。但し、下部電極２０は、上部電極４０と同様に赤外線吸収性を有するものであってもよい。この場合は、下部電極２０の下方に赤外線反射層を設けることで、下部電極２０を透過した赤外線を赤外線反射層との界面で反射させることができる。
焦電体層３１ａ，３１ｂを構成する有機焦電体は、上記以外に、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）のＣＮを極性部位とするシアン化ビニリデン系化合物、尿素結合部分（ＮＨ−Ｃ＝Ｏ−ＮＨ）を極性部位とするポリ尿素などのウレタン系化合物、水素結合が極性部位として働くポリアミド化合物であるナイロン（特に炭素数７と１１のナイロン７、ナイロン１１）、ＯＨ基を有するポリ乳酸Ｌ体などの一部のポリエステル材料が挙げられる。
また、焦電体層３１ａ，３１ｂは、必ずしも有機焦電体である必要はなく、分離層３２との屈折率差が得られれば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウムなどの無機焦電体により形成してもよい。焦電体層および分離層の屈折率差が小さい場合には、焦電体層および分離層の積層数を増加させてそれぞれが交互に繰り返し配置された多層構造（例えば、焦電体層が１０〜５０層程度）の赤外線吸収透過体にすることで、高感度化を図ることができる。この場合、赤外線吸収透過体の最上層および最下層がいずれも前記焦電体層となるように構成することが好ましい。本実施形態の焦電体層３１ａ，３１ｂは、屈折率が分離層３２の屈折率よりも小さいものを使用しているが、焦電体層３１ａ，３１ｂは、分離層３２の屈折率よりも高い屈折率を有するものであってもよい。
本実施形態の赤外線吸収透過体３０は、焦電体層３１ａ，３１ｂで焦電効果が生じる一方、分離層３２では焦電効果が生じない構成にしているが、分離層３２を焦電体材料により形成して、焦電体層３１ａ，３１ｂおよび分離層３２の双方で焦電効果が生じるように構成してもよい。
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。但し、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
図１に示す構成の焦電型赤外線センサ素子１を実施例として、赤外線吸収スペクトルのフィッティング解析を行った。すなわち、焦電型赤外線センサ素子１の構造、膜厚、光学定数（誘電率、減衰係数等）を初期設定して光学モデルの構築を行い、シミュレーションにより算出した赤外線吸収スペクトルとサンプル品で測定した赤外線吸収スペクトルとをフィッティングして得られた収束結果から、膜厚や光学定数を決定した。
上記のフィッティング解析に基づいて、実施例の焦電型赤外線センサ素子を作製した。また、比較例として、赤外線吸収透過体が焦電体層の単層のみからなる焦電型赤外線センサ素子を作製した。実施例および比較例の各層の材料および厚みは下記の表１の通りである。
実施例は、赤外線吸収透過体が備える各焦電体層３１ａ，３１ｂの厚みを、それぞれ４００ｎｍ、９００ｎｍとしたものである。一方、比較例は、赤外線吸収透過体の厚みが異なる３種類をそれぞれ比較例１〜３とした。比較例１および２の赤外線吸収透過体の厚みは、実施例の各焦電体層３１ａ，３１ｂの厚みにそれぞれ相当し、比較例３の赤外線吸収透過体の厚みは、実施例の各焦電体層３１ａ，３１ｂの厚みを合計したものに相当する。実施例および比較例１〜３の赤外線吸収スペクトルの測定結果を図２に示す。赤外線吸収率の測定には、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）を用いた。
図２に示すように、実施例は、層界面でのファブリペロー干渉に起因する吸収率の増減特性が、焦電体層３１ａ，３１ｂの多層化によって低減され、１〜１５μｍの波長域全体において高い吸収率が得られた（平均吸収率７２．６％）。これに対し、比較例１〜３は、いずれもファブリペロー干渉による吸収率の顕著な落ち込みが、それぞれ異なる周波数で生じており、平均吸収率は、それぞれ６６．２％、５８．０％、５８．２％と、実施例に比べて低い値であった。
次に、上記の実施例および比較例１〜３について、図３に示す測定装置を用いて焦電応答を測定した。図３に示すように、温度が１５００Ｋのセラミックヒータ１０１から、チョッピング周波数が０．２Ｈｚのチョッパ１０２により周波数変調した赤外線を分光器１０３に照射し、スリット１０４を介して焦電型赤外線センサ素子１に入射させた。焦電型赤外線センサ素子１の出力電圧Ｖoutは、オシロスコープ１０５により測定し、ロックインアンプ１０６により増幅させた。この結果を図４に示す。
図４に示すように、実施例は比較例１〜３と比べて大きな出力電圧が得られており高感度であった。図５に、実施例および比較例２について、赤外線吸収率と電圧感度の波長分散特性を示す。一部測定環境内に存在するＣＯ２やＨ２Ｏの吸収が原因で波長が４μｍおよび７μｍ付近の測定誤差がみられるが、短波長側（７．５μｍ以下）では、比較例２の波長２．４μｍにおける落ち込みを含めて、同じ赤外線入力量に対して赤外線吸収率が大きくなると電圧感度も高くなる傾向を示しており、比較例２に比べて実施例の電圧感度が良好であることを確認した。特に、比較例２は、波長２．４μｍにおいて赤外線吸収率および電圧感度が大きく落ち込んでいるのに対し（赤外線吸収率３５％、電圧感度１９．５Ｖ／Ｗ）、実施例は、同じ波長での赤外線吸収率および電圧感度の落ち込みが改善された（赤外線吸収率８４％、電圧感度１２１．６Ｖ／Ｗ）。
図６は、分離層を介して積層される焦電体層の積層数を変化させて、赤外線吸収透過体の多層化が赤外線吸収率に与える影響をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。焦電体層の積層数が増加するほど、広い波長域において高い赤外線吸収率が安定する結果になった。
１ 焦電型赤外線センサ素子
２０ 下部電極
３０ 赤外線吸収透過体
３１ａ，３１ｂ 焦電体層
３２ 分離層
４０ 上部電極
２０ 下部電極
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Claims (6)
- 上部電極と下部電極との間に赤外線吸収透過体が配置され、
前記赤外線吸収透過体は、複数の焦電体層を有し、
前記焦電体層の間に、前記焦電体層の屈折率と異なる屈折率を有する分離層が介在されている焦電型赤外線センサ素子。 - 前記焦電体層は有機焦電体からなり、前記分離層は無機材料からなる請求項１に記載の焦電型赤外線センサ素子。
- 前記焦電体層は、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）の重合体、または、フッ化ビニリデンと三フッ化エチレンとの共重合体（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ））の少なくともいずれかを含む請求項２に記載の焦電型赤外線センサ素子。
- 前記赤外線吸収透過体は、最上層および最下層がいずれも前記焦電体層となるように、前記焦電体層および前記分離層が交互に繰り返し配置された多層構造である請求項１から３のいずれかに記載の焦電型赤外線センサ素子。
- 前記焦電体層の屈折率は、前記分離層の屈折率よりも低い請求項１から４のいずれかに記載の焦電型赤外線センサ素子。
- 前記上部電極は、赤外線吸収性を有する材料から形成されて受光側に配置されており、
前記下部電極は、赤外線反射性を有する材料からなる請求項１から５のいずれかに記載の焦電型赤外線センサ素子。
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