JP2531231B2

JP2531231B2 - 熱型赤外線センサ

Info

Publication number: JP2531231B2
Application number: JP63055612A
Authority: JP
Inventors: 靖士田中; 和宏井ノ口; 信衛伊藤; 服部　　正
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1988-03-09
Filing date: 1988-03-09
Publication date: 1996-09-04
Anticipated expiration: 2011-09-04
Also published as: JPH01227929A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、熱型受光素子、特に赤外光を検知する熱型
赤外線センサに関する。

［従来の技術］赤外線センサは、その検出原理により、種々のものが
あり、一般に熱型と量子型の２種類に大別される。熱型
赤外線センサには、焦電型赤外線センサ、導電型赤外線
センサ、熱起電力型赤外線センサ、熱膨脹型赤外線セン
サなどがあり、量子型赤外線センサには、光起電力型赤
外線センサ、光導電型赤外線センサ、光電磁型赤外線セ
ンサなどがある。

熱型赤外線センサは、赤外線の熱線作用による素子自
体の温度変化を利用するものであり、量子型赤外線セン
サは、赤外線を光としてとらえ光電効果によるキャリア
（電子）の励起を利用するものである。

熱型赤外線センサと量子型赤外線センサの特徴を比較
すると、熱型赤外線センサは比較的感度は低いが、感度
の波長依存性がないことや、常温作動が可能等実用上の
利点が多い。

焦電型赤外線センサは熱型赤外線センサの一つであ
り、熱型赤外線センサ中、最も感度が高いので、例え
ば、高温物体の非接触温度計測、家庭用調理器（電子レ
ンジ、オーブン等）侵入者警報装置等、様々な用途が期
待されている。

以下、焦電型赤外線センサについて説明する。

焦電型赤外線センサは、赤外線検出体である焦電体が
自発分極を有しており、定常状態ではその表面に浮遊電
荷を捕獲して電気的中性を保っている。ここに赤外線が
照射されると赤外光エネルギーが熱エネルギーとして吸
収され、焦電体自身の温度が上昇して焦電体内部の自発
分極が変化する。このとき、表面電荷はこの変化に素早
く対応できないため、焦電体の両面に電極を形成してお
けば、焦電体表面で自発分極が変化した分だけの電荷を
赤外光信号として取出すことができる。

ところで、上述した原理からわかるように、赤外線セ
ンサの出力感度を向上させるためには入射する赤外線に
対し十分な吸収があることが重要であり、従来より、焦
電体表面に、金、プラチナ等よりなる赤外線吸収膜を形
成することが行われている。特に、最近では素子を複数
個配置したイメージセンサとして焦電体薄膜を用いた薄
膜焦電型赤外線センサが開発されてきているが、この薄
膜焦電型赤外線センサにおいては、焦電体が薄くなる
分、赤外光の透過光量が大きくなり、吸収が低減するの
で、赤外線吸収膜の役割が重要となる。

［発明が解決しようとする課題］従来の赤外線吸収膜を構成する貴金属膜は、近赤外域
の吸収率は高いが、中赤外域の光に対する反射率が大き
いという特性を有する。それゆえ、高温物体の非接触温
度計測、すなわち１〜２μｍ前後の近赤外域の感知にお
いては優れた効果が得られているが、調理用機器（電子
レンジ、オーブン）等の比較的低温度用に用いられるセ
ンサ、または炎検知、および人体検知など３〜15μｍ程
度の中赤外域における感度が低いという問題点があっ
た。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもの
で、３〜15μｍ程度の中赤外域において優れた出力感度
を有する熱型赤外線センサを提供することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］本発明の構成を第１図で説明すると、熱型赤外線セン
サは、赤外光エネルギーを熱エネルギーとして吸収し、
この熱エネルギーに対応した電気出力を発生する赤外線
検出体１と、赤外線検出体の受光面側に形成された赤外
線吸収膜４とを具備する。

上記赤外線吸収膜４は、第３図に示すように、受光側
表面に多数の貴金属粒子の突起41を形成した貴金属膜で
構成され、かつ該突起の径を0.1〜5.0μｍ、各突起の間
隔を0.1〜1.5μｍとしてある。

［作用］従来の赤外線吸収膜４を構成する貴金属膜は、近赤外
域の吸収率は高いが、中赤外域の光に対する反射率が大
きいという特性を有するが、その理由を検討した結果、
赤外線吸収膜４は第４図に示すような表面構造を有する
ため、反射が大きくなることを発見した。そこで、本発
明の赤外線吸収膜４は、表面に多数の突起41を有するた
め（第３図）、反射した光はそのまま離散せず、隣接す
る突起との間で入反射を繰返す。このため、赤外光と赤
外線吸収膜４との吸収機会（接触機会）が増加し、ま
た、突起41を形成したことにより受光表面積も全体に増
加するので、吸収効率が向上する。

従って、焦電型赤外線センサはもちろん、赤外光エネ
ルギーを熱エネルギーとして吸収し、素子の温度変化を
利用して赤外線を検出する熱型赤外線センサ、例えば、
導電型赤外線センサ、熱起電力型赤外線センサ、熱膨脹
型赤外線センサ等においても利用できる。

［実施例］第１図、第２図には、本発明をバルク焦電型赤外線セ
ンサに適用した例を示す。図において、１はバルク型焦
電体よりなる赤外線検出体であり、その上下面には、金
属膜よりなる上部電極２、下部電極３が形成してある。
上記電極２、３からはそれぞれリード線21、31が延びて
おり（第１図）、これらの出力は回路支持基板５上の回
路に入力されて外部へ取出される。

上部電極２の上面には赤外線吸収膜４が形成してあ
る。赤外線吸収膜４は、例えばプラチナ、金等の貴金属
膜よりなり、その上部表面には多数の貴金属粒子の突起
41が形成してある（第３図）。突起41は、径が0.1〜5.0
μｍ、好ましくは0.3〜1.6μｍ、各突起の間隔が0.1〜
1.5μｍ、好ましくは0.2〜0.6μｍの範囲にあることが
重要である。突起41の径が5.0μｍを越える場合や、径
が0.1μｍより小さく、その間隔が0.1μｍより小さい場
合には、中赤外域の吸収に十分な効果が得られない。ま
た、径が上記範囲内にあってもその間隔が1.5μｍを越
える場合には、突起の密度が非常に小さいため、所望の
効果が得られない。

上記表面構造の赤外線吸収膜４は、プラチナ、金等の
貴金属をスパッタ法、またはガス中蒸着等で超微粒子化
することで成膜可能である。そして、例えばスパッタ法
を採用した場合、導入ガスとしてアルゴン／酸素＝1/1
の混合ガスを使用し、スパッタガス圧10Pa、混合ガス導
入量を0.4〜0.7Paの範囲に調節することで上記表面構造
の赤外線吸収膜４が得られる。

以下に、その製造方法の一例を示す。

焦電体材料として、PbO、ZrO₂、TiO₂のPZT組成にSnO₂
およびSb₂O₃を少量添加したものを用い、1280℃で焼成
して得たSn−Sb系PZTセラミックスバルクを赤外線検出
体１とした。焦電体材料としては、PZT組成にNiO₂、Nb₂
O₃を添加したNi−Nb系PZTセラミックスを使用してもよ
い。検出体１の大きさは、径5mm、厚さ0.1mmで、比誘電
率：約340±20、焦電係数:10±0.5×10^-8C/cm²・degで
あった。

検出体１の上下面に、スパッタ法により膜厚5000〜60
00Å、径4mmのプラチナ金属膜を形成し、それぞれ上部
電極２、下部電極３とした、投入電力120〜130W、基板
温度600℃、スパッタ時間10分間で、導入ガスはアルゴ
ン100％とし、スパッタガス圧1.0Paが一定となるように
排気量を調節しながら行なった。

実験では、電極材料としてプラチナを用いたが、蒸着
法によるアルミニウム金属膜でもかまわない。

次に、プラチナターゲットを用い、スパッタ法によ
り、上部電極２上にプラチナの超微粒子膜を形成し、赤
外線吸収膜４とした。スパッタ条件は、投入電力170W、
基板温度は室温で一定とし、導入ガスはアルゴン／酸素
＝1/1の混合ガスを使用した。スパッタガス圧10Paが一
定となるように排気量を調節しながら、30分間スパッタ
リングを行なって、径2mm、膜厚３μｍの赤外線吸収膜
４を作製した。この時、ガス導入量は0.4〜0.7Paの範囲
で適宜選択される。

赤外線吸収膜４作製の際のガス導入量と赤外光吸収率
の関係を第５図に示す。測定用試料としては、第６図に
示すように、ガラス基板（NA−40:HOYA株式会社製）７
上に金属反射膜としてアルミニウム金属膜６を蒸着し、
その上面に赤外線吸収膜４を形成したものを用いた。ア
ルミニウム金属膜６の膜厚は１μｍとし、赤外線吸収膜
４は、上記した条件でガス導入量を0.34〜1.6Paの範囲
で変化させ、それぞれの吸収率を測定した。

測定はフーリエ変換分光光度計（FT−IR）を用い反射
法で実施した。リファレンスとしてガラス基板７上にア
ルミニウム金属膜６のみを蒸着したものを用い、この反
射率を100％、すなわち吸収率０％と仮定した。また、
このリファレンスの校正を標準鏡を用いて行ったとこ
ろ、反射率はほぼ100％の値が得られた。試料の吸収率
（％）は、試料の反射光量＝赤外線吸収膜表面での反射光量＋赤外線吸収膜と金属膜の接合面での反射光量と定義し、FT−IRの測定波長域2.5〜25μｍにおける吸
収率の平均値を採用した。また、ガス導入量は、スパッ
タ装置SPF210H（日電アネルバ株式会社製）を使用し、
メインバルブを全開にした排気時において、アルゴン／
酸素＝1/1の混合ガスを導入し、シュルツ真空計により
測定したチャンバー内ガス圧で表わした。

第５図から明らかなように、吸収率は0.56Pa付近にピ
ークを持ち、0.4〜0.7Paの範囲で高い値を示すことがわ
かる。

また、吸収膜の膜厚が薄いと吸収機会が減少し、逆に
膜厚が厚いと、吸収膜自体の熱容量と熱伝導の関係から
所望の効果が得られず膜厚しては１〜５μｍで実用上問
題はないことがわかった。

次に、ガス導入量0.4Pa、0.54Pa、0.56Pa、0.6Pa、0.
7Paの条件で作製した５つの試料について赤外線吸収膜
４の表面を走査型電子顕微鏡（SEM）により赤外線吸収
膜４の表面観察を行ない写真を撮影した。第７図に示す
ように赤外線吸収膜４の表面には、粒子が多数積層した
突起が所定間隔で並び、凹凸のある表面構造を有するこ
とがわかった。一方、1.0Paの条件で作製した試料につ
いて同様の表面観察を行なったところ、第８図に示すよ
うに、赤外線吸収膜４は粒子が密に積重なった表面構造
を有していた。これらの比較から、突起の有無が吸収率
の向上に大きく関わっていることが明らかとなった。

さらに、上記５つの試料についてSEM写真より、突起
の径、および各突起の間隔の分布を調べた。SEM写真は
５つの試料について各々任意の位置を選び、真上から撮
影したものを採用した。突起の径は、突起の断面形状の
面積と等しい面積の円の直径として表わした。高速カラ
ー画像・解析装置SPICCA（日本アビオニクス株式会社
製）を用いて画像処理を行ない、突起の径、および各突
起の間隔の分布を測定した結果、径は0.1〜5.0μｍ、各
突起の間隔は0.1〜1.5μｍの範囲に分布していることが
確認された。なお、特に高い吸収率を示す、ガス導入量
0.54Pa、0.56Pa、0.6Paの３つの試料について同様の測
定を行なったところ、径0.3〜1.6μｍ、突起の間隔0.2
〜0.6μｍであった。

次に、上記した製造方法でバルク型焦電型赤外線セン
サを作製し、その評価を行なった。なお、赤外線吸収膜
４の作製条件はガス導入量0.56Paとした。また、比較の
ため、赤外線吸収膜４の作製条件をガス導入量1.0Paに
変えたものを用意した。

このようにして作製した２つの焦電型赤外線センサに
ついて、150V、30分間、分極処理を行なった後、赤外線
吸収膜４の評価を行なった。測定系の光源としてはニク
ロム光源を使用し、フィルターとして７μｍロングパス
フィルターを用いて赤外光の光源とした。出力信号は電
極間に10¹¹Ωの負荷抵抗を接続して電圧信号として検出
した。なお、焦電体材料および負荷抵抗が高インピーダ
ンスであるため、FET（K30A、株式会社東芝製）を使用
してインピーダンス変換を行なった。入射光は、焦電型
赤外線センサが微分型の検出器であることから、周波数
を１〜数百Hzの範囲で可変可能なチョッパを通じて照射
した。赤外光を照射して得られた出力波形をオシロスコ
ープにて観察した。測定の結果、ガス導入量0.56Paの条
件で作製した赤外線吸収膜４を有する焦電型赤外線セン
サは、ガス導入量1.0Paの条件で作製したものに比べ、
約２倍の高い出力電圧が得られた。

以上の結果より、赤外線吸収膜４は、表面に多数の貴
金属粒子の突起を形成するとともに、突起の径および各
突起の間隔を本発明の範囲とすることにより中赤外域の
吸収率が飛躍的に向上すること、その結果、センサの出
力感度が大きく向上することがわかる。

上記実施例ではバルク焦電体を用いたバルク焦電型赤
外線センサについて説明したが、第９図、第10図に示す
如く、赤外線検出体１として焦電体薄膜を使用し、基板
８上に下部電極３、赤外線検出体１、上部電極２を順次
積層した構成としてもよい。以下に薄膜焦電型赤外線セ
ンサの製造方法の一例を説明する。

MgO基板８上にプラチナ金属膜をスパッタ法により作
製して下部電極３とした。基板８の大きさは4.5×4m
m²、スパッタ条件は、投入電力20W、基板温度600℃、導
入ガスはアルゴン100％とした。スパッタガス圧0.5Paが
一定となるように排気量を調節し、スパッタ時間40分間
で、膜圧1000〜2000Åの金属膜を成膜した。このとき、
金属膜は基板８上にエピタキシャル成長するようにし
た。

下部電極３の上面には、PbO10％過剰のSn−Sb系PZTセ
ラミックスのスパッタリングターゲットを用い、スパッ
タ法により、膜厚8000〜10000Åの焦電体薄膜を形成し
て赤外線検出体１とした。スパッタ条件は、投入電力10
0W、基板温度600℃、導入ガスとしてアルゴン／酸素＝1
/1の混合ガスを使用し、スパッタガス圧0.3Paが一定と
なるように排気量を調節しながら行なった。スパッタ時
間は120分間とした。さらに、成膜後、900℃、２時間、
Pb雰囲気中でアニールを実施した。

赤外線検出体１の上面には、膜厚10000Åのアルミニ
ウム電極を蒸着にて形成し、アルミニウム電極の上面に
は、上記実施例と同様にして膜厚３μｍの赤外線吸収膜
４を形成し、同一基板上に複数個の素子を形成した。次
いで、5V、30分間の分極処理を行ない薄膜焦電型赤外線
センサとした。この場合も上記実施例同様、従来に比し
高い出力感度が得られた。

［発明の効果］本発明の熱型赤外線センサは、赤外線吸収膜を、受光
側表面に多数の貴金属粒子の突起を形成した貴金属膜で
構成し、かつ突起の径を0.1〜5.0μｍ、各突起の間隔を
0.1〜1.5μｍとしたことにより、特に３〜15μｍ程度の
中赤外域における赤外光の吸収率が飛躍的に増加する。
従って、中赤外域の赤外光に対する出力感度が向上し、
人体検知など常温付近の非接触温度計測に優れた効果を
発揮する。

従って、焦電型赤外線センサはもちろん赤外光エネル
ギーを熱エネルギーとして吸収し、素子の温度変化を利
用して赤外光を検出する熱型赤外線センサ、例えば導電
型赤外線センサ、熱起電力型赤外線センサ、熱膨脹型赤
外線センサ等においても利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の一実施例を示し、第１図はバ
ルク焦電型赤外線センサの概略図、第２図は第１図の部
分拡大断面図、第３図は赤外線吸収膜表面の拡大断面図
であり、第４図は従来の赤外線吸収膜表面の拡大断面
図、第５図はガス導入量に対する吸収率の変化を示す
図、第６図は赤外線吸収膜の吸収率測定に用いた試料の
断面図、第７図は本発明の赤外線吸収膜の粒子構造を示
す電子顕微鏡写真、第８図は従来の赤外線吸収膜の粒子
構造を示す電子顕微鏡写真であり、第９図は本発明の他
の実施例を示す薄膜焦電型赤外線センサの概略図、第10
図は第９図のＡ部拡大断面図である。１……赤外線検出体４……赤外線吸収膜 41……突起

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者服部正愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (56)参考文献特開昭61−38432（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−191437（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】赤外光エネルギーを熱エネルギーとして吸
収し、この熱エネルギーに対応した電気出力を発生する
赤外線検出体と、赤外線検出体の受光面側に形成された
赤外線吸収膜とを具備する熱型赤外線センサであって、
上記赤外線吸収膜を、受光側表面に多数の貴金属粒子の
突起を形成した貴金属膜で構成し、かつ突起の径を0.1
〜5.0μｍ、各突起の間隔を0.1〜1.5μｍとしたことを
特徴とする熱型赤外線センサ。
【請求項２】上記赤外線検出体は、少なくとも一対の電
極を両面に有する焦電型赤外線検出素子から成り、上記
赤外線吸収膜は上記焦電型赤外線検出素子の受光面側の
電極に隣接して形成されている請求項１記載の熱型赤外
線センサ。