JP3053633B2 - 薄膜型サーミスタ素子 - Google Patents

薄膜型サーミスタ素子

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JP3053633B2
JP3053633B2 JP2054246A JP5424690A JP3053633B2 JP 3053633 B2 JP3053633 B2 JP 3053633B2 JP 2054246 A JP2054246 A JP 2054246A JP 5424690 A JP5424690 A JP 5424690A JP 3053633 B2 JP3053633 B2 JP 3053633B2
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淳一 村松
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、高分子半導体のNTC特性を利用した薄膜型
サーミスタ素子に関し、特に任意の形状の薄膜を持ち、
赤外線の検知や、非点状部の温度検知に適した薄膜型サ
ーミスタ素子に関する。
(従来の技術) 従来から赤外線検知素子としては、サーミスタ型検知
素子と呼ばれ、コバルト(Co),ニッケル(Ni),マン
ガン(Mn)等を主成分とする無機酸化物を混合焼結した
ものや、焦電型検知素子と呼ばれタンタル酸リチウム
(LiTaO3),ニオブ酸リチウム(LiNbO3)等の単結晶や
チタン・ジルコン酸鉛(PZT),チタン酸鉛(PbTiO3
等の強誘電性セラミックを研磨した薄片、あるいはポリ
フッ化ビニリデン(PVDF),ポリ塩化ビニル(PVC)等
の高分子フィルムを用いたものなどが良く知られてい
る。
第4図は、サーミスタ型検知素子の一例を示す斜視図
であり、NTC特性(温度上昇に伴い抵抗値が急激に減少
する特性)を有し、Co,Ni,Mn等の混合焼結体からなるサ
ーミスタ素子4の表面に一対の電極3,3が設けられてい
る。
上記構造のサーミスタ型検知素子による赤外線検知
は、同形状,同寸法,同特性のサーミスタ素子を二つ用
意し、一方を能動素子、もう一方を補償素子としてホイ
ートストン・ブリッジ回路を構成し、赤外線が能動素子
に入射した場合の素子の温度上昇による抵抗変化を検出
するという方法がとられている。
第5図は、焦電型検知素子の一例を示す断面図であ
る。
図において、5は焦電性(温度変化を与えると電荷を
発生する特性)を有する焦電素子であり、30μm程度の
薄片からなる。その上下両面には金(Au),ニッケルク
ロム合金(NiーCr),アルミニウム(Al)等の金属蒸着
膜からなる電極3,3が形成されている。更に、焦電素子
の上面、つまり赤外線受光面側には、赤外線吸収効率の
高い黒化膜6が形成されている。
上記構造の焦電型検知素子による赤外線検知は、焦電
素子の特性を利用したものである。つまり、焦電素子
は、赤外線受光時に素子温度が変化し、それに伴い該素
子内部の自発分極の大きさが変わり表面電荷が非平衡状
態となる。その表面電荷の非平衡分をインピーダンス変
換回路を用いて検出するというものである。
(発明が解決しようとする課題) 前述したように、前段のサーミスタ型赤外線検知素子
においては、サーミスタ素子として無機酸化物の焼結体
を用いており、その製作工程を見た場合、材料混合,脱
水・乾燥,造粒等の各工程、加圧成形,押出成形,ドク
ターブレード法等の成形工程、素子の特性を決定させる
ための焼成工程等数多くの複雑な工程が必要不可欠であ
る。
また、前記サーミスタ素子としては、赤外線検知感度
を高めると共に応答を速めるために、受光面積は大き
く、尚且つできる限り薄い膜厚のものが要求される。
しかし、無機酸化物の焼結体は可撓性がなく切断・研
磨時には割れが発生しやすいという欠点があるため加工
性が悪く、また大きさ,形状及び厚さ等も制限されてし
まう。
一方、後段の赤外線検知素子は、焦電素子を用い赤外
線の受光による素子の温度変化とそれに伴う表面電荷の
変化によって赤外線量を検出するものであることは前述
した通りであるが、この素子は素子温度が上昇し、表面
電荷が平衡状態に達してしまうと出力がなくなってしま
うという欠点を抱えている。
そこで、一部に切欠き部を有する遮蔽板(チョッパ)
をモータ等の装置により回転させ、赤外線の入射光を断
続光に変換することにより連続して出力を得るという方
法がとられている。しかし、これらの付加装置により構
造的に大型化してしまい、またコストも極めて高くなる
という新たな問題が生じてしまう。
本発明の目的は、上記欠点を解決するもので、簡単な
製造工程により、任意の形状の薄膜を持ち、小型で実用
的な赤外線検知素子や、非点状部の温度検知に適した温
度検知素子などとして使用することが可能な薄膜型サー
ミスタ素子を安価に提供することにある。
(課題を解決するための手段) 前記目的を達成するために本発明による薄膜型サーミ
スタ素子は、絶縁基板上に形成された一対の電極と、部
分ドープされた電子共役有機重合体のみを成分としたNT
C特性を有する高分子半導体薄膜と、から構成されたこ
とを特徴とするものである。
ここで前記電子共役有機重合体とは有機重合体の主鎖
の原子結合が、単結合と二重結合が交互に結合している
共役系よりなる有機重合体のことであり、前記電子共役
有機重合体としては、ポリピロールまたはポリアニリン
が挙げられる。
本発明に用いられる電子共役有機重合体は、例えば電
解重合法によって容易に得ることができる。このとき溶
媒としては一般的に知られているアセトニトリル,水、
また支持電解質としてはテトラブチルアンモニウムパー
クロレート,テトラエチルアンモニウムフルオロボレー
ト,塩酸等を使用しても良く、直流電圧を印加すること
により陽極上に電子共役有機重合体膜を得ることが可能
である。
尚、電解重合法以外に、塩化第二鉄等を酸化剤とした
化学重合法により電子共役有機重合体膜を合成すること
も可能である。
また、この電子共役有機重合体膜は、化学量論的に考
えて、モノマー単位すべてがドープされているわけでは
なく、即ち“部分ドープ”の状態となっている。
ここで前記電子共役有機重合体膜の所望のB定数を得
る方法として、モノマーの初期濃度に対する支持電解質
(ドーパント)の濃度を調整する方法と、前記電子共役
有機重合体膜に対し、マイナス電位を印加(脱ドープ)
する方法の2つが挙げられる。
本実施例では、所望のB定数と膜厚を簡単に設定でき
る後者の方法により行った。
尚、ドープ量が多い程得られたポリマーの導電率は増
加する。
特に、素子のB定数は3000未満のものが好ましい。
本発明の絶縁基板は薄膜を支持するものであり絶縁材
料であれば使用できるが、熱伝導率k[Wm-1K-1]は低
い程好ましく、石英ガラス(k=1.38),パイレックス
ガラス(k=1.10)等の無機系ガラス材料やポリエチレ
ン(k=0.22),ポリ塩化ビニル(k=0.16),ポリテ
トラフルオロエチレン(k=0.30),シリコーンゴム
(k=0.20)等の高分子材料も用いることができる。
尚、高分子材料を絶縁基板として用いる場合は任意の
形状に成形した後に一般に知られている方法により架橋
構造をとったものを使用しても良い。
(作用) 前述した本発明の手段によれば、簡単な合成方法によ
り容易に成膜可能な電子共役有機重合体からなる薄膜を
使用するため構造は単純で、その成膜性を有効に利用
し、任意の形状の薄膜を持ち小型で実用的な赤外線検知
素子や、非点状部の温度検知に適した温度検知素子など
として使用することが可能な薄膜型サーミスタ素子を安
価に提供することができる。
(実 施 例) 以下、本発明の薄膜型サーミスタ素子を赤外線検知素
子として使用した場合の実施例を図面等を参照して更に
詳しく説明する。
第1図は、本実施例による赤外線検知素子の断面図で
ある。
<ポリピロールを用いた実施例> 第1図に示す如く、絶縁基板1として縦,横及び厚さ
が15×15×0.5mmの石英基板(300Kにおける熱伝導率k
=1.38)を用意し、該基板上に薄膜2としてポリピロー
ル膜を装着する。次に薄膜2の両端にAuの真空蒸着を行
い電極3を設けることにより赤外線検知素子を形成し
た。
ここでポリピロール膜の合成は以下に述べる方法によ
り行った。
まず溶媒として試薬特級のアセトニトリルを更に一回
蒸留したものを用意し、陽極として(1000Å25Ω/□)
のITO付ガラス、陰極として白金(Pt)の電極を設けた
電解槽内で支持電解質を混入したポリピロールの電解重
合を行い陽極上にポリピロールを成膜した。
このときピロールの初期濃度は0.1M/であり、支持
電解質としては0.075M/のテトラブチルアンモニウム
パークロレートを使用した。また、ドープ条件としては
電極間電位3.0V、電解時間10分間である。
次に、このようにして陽極上に成膜されたポリピロー
ルに対し電極間電位−3.0V,電解時間1分間の条件で脱
ドープを施すことによりポリピロール膜のB定数を制御
した。
上記合成方法によりB定数が1430、膜厚が10μmのポ
リピロール膜を得ることができた。
このように形成された赤外線検知素子について、温度
変化に対する素子の電気抵抗(温度特性)を測定したと
ころ、抵抗変化は高く、十分なNTC特性を示したため赤
外線検知素子として適している。
ここで、実際に前記赤外線検知素子の赤外線に対する
特性評価を行うべく第2図に示すような回路を構成し、
実験を行った。第2図は、本実施例による赤外線検知素
子を組み込んだ回路構成図であり、ホイートストン・ブ
リッジ回路を構成している。
同図において、D1は赤外線検知素子(能動素子)、D2
はD1と同形状,同寸法及び同特性の補償素子であり、VR
1及びVR2は各々ゼロバランスを取るための可変抵抗器で
ある。また、Vは直流電圧計、Eは直流電源を表してい
る。
上記構成要素からなる回路において、VR1及びVR2を調
整し平衡のとれた状態では直流電圧計Vは0Vを示してお
り、被検知物質から放射された赤外線がD1に入射する
と、D1はわずかに温度上昇し抵抗値が変化する。その結
果、直流電圧計Vの端子間には電位差が生じ、この電位
差を計測することにより赤外線の検知が可能となる。
ここでD1として前記赤外線検知素子を用い、D1より50
mm離れた位置に設けられ160℃に加熱された熱源から放
射される赤外線による出力電圧の測定を行った。
尚、この時の直流電源Eの電圧は1.0Vである。
第3図は、その測定結果をグラフ化したものである。
グラフを見ても明らかなように、熱源(赤外線)の投入
直後より出力電圧が発生し、最大で2.2mVの出力が得ら
れた。また、この時の90%応答出力時間は90secであっ
た。
このように本実施例による赤外線検知素子は、十分な
感度及び応答性を示した。
尚、比較のためにB定数3000の素子を用意し、同様に
測定を行ってみたが、素子の電気抵抗が40MΩ/□を示
し、ホイートストン・ブリッジ回路を構成した時のゼロ
バランス及び出力電圧は極めて不安定であり、赤外線検
知素子として実用困難であることが判った。
この結果より、素子のB定数は3000未満のものが赤外
線検知に適していると言える。
<絶縁基板の熱伝導率を代えた実施例> 次に前記特性評価実験において、B定数1430の赤外線
検知素子における絶縁基板、つまり石英基板(300Kにお
ける熱伝導率k=1.38)に代えて、多結晶酸化アルミニ
ウム基板(300Kにおける熱伝導率k=36)を用いた赤外
線検知素子を作成し、同様に90%応答出力時間を測定し
た。
90%応答出力時間は、2340secであり熱伝導率の低い
石英基板を使用した場合と比べ、26倍もの応答出力時間
が必要であった。
これより絶縁基板としては、熱伝導率の低いものを使
用した方が優れた応答性を示すということが判る。
<ポリアニリンを用いた実施例> 次に薄膜としてポリピロールに代えてポリアニリンを
用いた赤外線検知素子を作成した。
ポリアニリン膜の合成は以下に述べる方法により行っ
た。
まず溶媒として水を用意し、陽極として(1000Å25Ω
/□)のITO付ガラス、陰陽としてPtの電極を設けた電
解槽内で支持電解質を混入したポリアニリンの電解重合
を行い陽極上にポリアニリンを成膜した。
このときアニリンの初期濃度は1.0M/であり、支持
電解質としては1.5M/の塩酸を使用した。また、ドー
プ条件としては電極間電位2.5V、電解時間10分間であ
る。
次に、このようにして陽極上に成膜されたポリアニリ
ンに対し電極間電位−2.5V、電解時間10分間の条件で脱
ドープを施すことによりポリアニリン膜のB定数を制御
した。
上記合成方法によりB定数が1500、膜厚が10μmのポ
リアニリン膜を得ることができた。
このように形成された赤外線検知素子について、温度
変化に対する素子の電気抵抗(温度特性)を測定したと
ころ、抵抗変化は高く、十分なNTC特性を示したため、
赤外線検知素子として適している。
次に、上記赤外線検知素子を用い、ポリピロールの場
合と同条件の下で特性評価を行った。
その結果、熱源(赤外線)の投入直後より出力電圧が
発生し、ポリピロールの場合と同等の出力電圧及び応答
出力時間を得ることができた。
尚、本発明は上記実施例に示したものの他、そのNTC
特性を利用して非点状部の温度を検知する温度検知素子
にも適用できるものである。
(発明の効果) 以上説明したように本発明は、簡単な製造工程により
形状及び面積の自由度の高い電子共役有機重合体(ポリ
ピロールまたはポリアニリン)を薄膜として用いること
により、付加装置等を必要とすることなく優れた感度及
び応答性の得られる赤外線検知素子や、非点状部の温度
検知に適した温度検知素子などとして使用することが可
能な薄膜型サーミスタ素子を安価に提供することが可能
であり、また構造的にも小型化が可能であるという効果
を有するものであり、その工業的価値は極めて大きいも
のである。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本実施例による赤外線検知素子の断面図であ
る。 第2図は、本実施例による赤外線検知素子の回路構成図
である。 第3図は、本実施例による赤外線検知素子の応答出力特
性図である。 第4図は、従来の赤外線検知素子(サーミスタ型)の一
例を示す斜視図である。 第5図は、従来の赤外線検知素子(焦電型)の一例を示
す断面図である。 1……絶縁基板 2……薄膜 3……電極 4……サーミスタ素子 5……焦電素子 6……黒化膜 D1……赤外線検知素子 D2……補償素子 VR1,VR2……可変抵抗器 E……直流電源 V……直流電圧計
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01J 1/02 G01J 5/02 H01C 7/04

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】絶縁基板上に形成された一対の電極と、部
    分ドープされた電子共役有機重合体のみを成分としたNT
    C特性を有する高分子半導体薄膜と、から構成された薄
    膜型サーミスタ素子。
  2. 【請求項2】前記電子共役有機重合体がポリピロールで
    あることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の薄膜
    型サーミスタ素子。
  3. 【請求項3】前記電子共役有機重合体がポリアニリンで
    あることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の薄膜
    型サーミスタ素子。
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