JP4613222B2 - 光学センサ - Google Patents
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Description
従来、この種の用に供される集光部品としては、レンズ、導波管、波長フィルタがある。受光面の前面に凸型のセラミックレンズを設置して赤外線を受光面に集光する例が開示されている(特許文献1 参照)。そして、赤外線を集光するバイナリレンズと共に、特定の波長の赤外線のみを通過させる波長フィルタを同時に形成した例が開示されている(特許文献2、3 参照)。また、反射集光部品を用いて赤外線入射面の背面に受光面を設置する例も開示されている(特許文献4 参照)。一方、赤外線を一定距離導波させて受光面に導く導波管を備えた例が開示されている(特許文献5 参照)。
特許文献5には、導波管を用いて赤外光を赤外線検出素子の受光部に導く方法が提示されているが、導波管が風の如き外界の影響を受けると、導波管と、赤外線検出素子を形成した基準温度となるべき基板との間に温度差が生じ、導波管内面から放出される誤差赤外線も検出して測定精度が低下する問題があった。
ィルタを形成する必要があり、レンズの加工と波長フィルタの成膜がそれぞれ別々の製造工程になるという問題があった。
特許文献3は、赤外線センサの光軸と入射する赤外線の光軸がずれた場合でも温度測定の精度を維持するために、レンズと赤外線検出素子を複数形成した赤外線センサを提案している。しかし、この方法は素子が大きくなり、製造コストが高くなるという問題があった。
請求項2:バッファ層が高熱伝導性の熱可塑性接着剤シートから成ることを特徴とする請求項1に記載の光学センサ。
請求項3:光検出素子は温接点となる赤外線吸収部と冷接点とを含み、温接点の上部がバッファ層に形成された空気層部に接し、冷接点の上部がバッファ層を介してフォトニック結晶レンズに接していることを特徴とする請求項2に記載の光学センサ。
また、フォトニック結晶レンズをインクジェット装置から吐出した球状粒子を積層して作製し、吐出させるに際してノズルの温度を調整することにより吐出した球状粒子に屈折率変化を付与する工程を有する。
赤外線検出素子の赤外線吸層の上部にバッファ層を形成し、その上に一体化してフォトニック結晶レンズを形成した後、フォトニック結晶レンズに赤外線を入射してそのエネルギーによりバッファ層の一部を除去する工程を用いる。ここで、インクジェット装置の液体吐出方式としては如何なるものであっても用いることができ、ピエゾ素子を用いた方式、加熱によるバブルジェット(登録商標)方式、所謂ディスペンサーの様な方式、その他の各種の方式を用いることができる。
[実施例1]
実施例1を図1を参照して説明する。図1(b)は図1(a)における線a−a’に沿った断面を示す図である。
基板として、図示されない表面酸化層を形成したSi基板1を使用する。Si基板1の表面にサーモパイル型赤外線検出素子2を形成した。サーモパイル型赤外線検出素子2は、基板1の表面に形成されたダイアフラム層21、ダイアフラム層21の表面に形成されるn型半導体とp型半導体より成る熱電材料22および電極23により構成される。次いで、ダイアフラム層21を含むサーモパイル型赤外線検出素子2の表面に電気絶縁薄膜であるパッシベーション層24としてSiO2 薄膜をスパッタ法により形成した。そして、サーモパイル型赤外線検出素子2の温接点に赤外線吸収部25として黒化金を蒸着により形成した。更に、基板1の表面に突出形成されたサーモパイル型赤外線検出素子2に対して、シリコンのアルコキシドを用いたSiO2 系ゾルゲル溶液をスピンコートし、その上から図示されない平坦な基板で加圧して平坦化層26を形成する。
フォトニック結晶レンズ90を構成する原材料として、Ag2 O−TiO2 −SiO2 系ゾルゲルガラスより成る銀含有ガラスを用いる。先ず、チタンのアルコキシドとシリコンのアルコキシドおよび硝酸銀を混合して、ゾルゲル溶液を調整する。このゾルゲル溶液をサーモパイル型赤外線検出素子2の上面に相当する平坦化層26にスピンコートし、ゾルゲル膜を形成する。この膜厚は、フォトニック結晶デバイスの設計に依存するが、実施例はこれを3μmとしている。そして、平坦な基板で加圧し、可塑性を示す程度に加熱して銀含有ガラス層31を形成する。ここで、Siの柱が周期的にマトリクス状に配列形成された図示されない型をリソグラフィとエッチングにより製造して準備しておき、この型を銀含有ガラス層31に押し付けることにより、膜厚3μm、孔直径3μm、周期4μmの銀含有ガラスパターン31’が形成される。
実施例2を図2を参照して説明する。実施例2においても、サーモパイル型赤外線検出素子2の形成の仕方は、図1の実施例1と同様である。即ち、基板として図示されない表面酸化層を形成したSi基板1を使用する。Si基板1の表面にサーモパイル型赤外線検出素子2を形成した。サーモパイル型赤外線検出素子2は、基板1の表面に形成されたダイアフラム層21、ダイアフラム層21の表面に形成されたn型半導体とp型半導体より成る熱電材料22および電極23により構成される。次いで、ダイアフラム層21を含むサーモパイル型赤外線検出素子2の表面に電気絶縁薄膜であるパッシベーション層24としてSiO2 薄膜をスパッタ法により形成した。そして、サーモパイル型赤外線検出素子2の温接点に赤外線吸収部25として黒化金を蒸着により形成した。
銀含有ガラス材料自体は実施例1と同一の、Ag2 O−TiO2 −SiO2 系ゾルゲルガラスを用いる。先ず、チタンのアルコキシドとシリコンのアルコキシドおよび硝酸銀を混合し、ゾルゲル溶液を調整する。このゾルゲル溶液をインクジェット装置5に充填し、ノズル51からゾルゲル溶液の球状粒子50を吐出させ、これを3次元的に積み重ねて行くことにより、3次元フォトニック結晶立体素子9を製造する。球状粒子50の直径は4μmに調整する。ノズル51に高温用温度調節部511を構成し、これによりインクジェット装置5のノズル51の温度を調整することにより、吐出するゾルゲルガラスの球状粒子50に金属銀を析出させることができる。図2の如くに低屈折率粒子層52および高屈折率粒子層53をパターニングすることにより、3次元フォトニック結晶立体素子9に効率的なレンズ効果が付与された3次元フォトニック結晶レンズ90が形成されることになる。ゾルゲルガラス中に金属銀が析出するノズル先端温度は350℃程度以上である。
実施例3を図3および図4を参照して説明する。
実施例3においても、サーモパイル型赤外線検出素子2の形成の仕方は、実施例1、2と同様である。即ち、基板として図示されない表面酸化層を形成したSi基板1を使用する。Si基板1の表面にサーモパイル型赤外線検出素子2を形成した。サーモパイル型赤外線検出素子2は、基板1の表面に形成されたダイアフラム層21、ダイアフラム層21の表面に形成されたn型半導体とp型半導体より成る熱電材料22および電極23により構成される。次いで、ダイアフラム層21を含むサーモパイル型赤外線検出素子2の表面に電気絶縁薄膜であるパッシベーション層24としてSiO2 薄膜をスパッタ法により形成した。そして、サーモパイル型赤外線検出素子2の温接点に赤外線吸収部25として黒化金を蒸着により形成した。
先ず、サーモパイル型赤外線検出素子2上面に熱可塑性接着剤シートより成るバッファ層6を貼り付けておく。熱可塑性接着剤シートとしては、Techno Alpha Co.,Ltd.のフィ
ルムタイプ50μm厚みの熱可塑性接着剤STAYSTIKを採用することができる。このバッファ層6としては、導電性、絶縁性その他の種々の特性を有するものを選択することができるが、実施例3は絶縁性で高熱伝導性のタイプの接着剤シートをバッファ層6として選択した。これは、サーモパイル型赤外線検出素子2の配線上にもそのまま貼り付けることができ、且つサーモパイル型赤外線検出素子2の冷接点のヒートシンクとしても動作するからである。
実施例4を図5および図6を参照して説明する。
実施例4は、実施例3において、赤外線吸収部25の上面のバッファ層6を除去する方法としてイソプロピルアルコールを用いることはせずに、赤外線吸収部25の周辺の平坦化層26にリソグラフィとエッチングにより、図5(b)に示される如くバッファ層溜り261を予め形成しておく。3次元フォトニック結晶レンズ90を形成した後、フォトニック結晶レンズ90に、図6(c)に示される如く矢印の向きに赤外線を照射する。これにより、赤外線吸収部25の温度をリフロー温度の170℃近傍の温度まで上昇させ、溶けたバッファ層6をバッファ層溜り261に流入せしめることにより、図6(d)に示される如く赤外線検出素子の温接点に対応する赤外線吸収部25の上部のバッファ層6を除去して空気層61を形成することができる。
実施例5を図7を参照して説明する。
実施例5は実施例1の赤外線センサのフォトニック結晶レンズ90の上面にフォトニック結晶をフィルタ7として形成した例に相当する。このフォトニック結晶フィルタ7は、フォトニック結晶レンズ90の上面にゾルゲルガラスの膜厚を変化させてスピンコートすることにより形成する。この実施例はスピンコートの膜厚を2μmとしたが、この膜厚を変化させることによりフィルタリング特性を制御することができる。
図8を参照して比較例1を説明するに、比較例1のサーモパイル型赤外線検出素子2の形成の仕方は図1の実施例1と同様である。即ち、Si基板1の表面にサーモパイル型赤外線検出素子2を形成した。サーモパイル型赤外線検出素子2は、基板1の表面に形成されたダイアフラム層21、ダイアフラム層21の表面に形成されたn型半導体とp型半導体より成る熱電材料22および電極23により構成される。次いで、ダイアフラム層21を含むサーモパイル型赤外線検出素子2の表面に電気絶縁薄膜であるパッシベーション層24としてSiO2 薄膜をスパッタ法により形成した。そして、サーモパイル型赤外線検出素子2の温接点に赤外線吸収部25として黒化金を蒸着により形成した。比較例1はフォトニック結晶レンズ90の代わりに凸レンズ8を用いている。
レンズに入射した光が赤外線吸収部に集光する割合については、実施例1はほぼ100%の赤外線を集光することができるのに対して、比較例1は30%程度にしか過ぎなかった。そして、素子の厚みについては、実施例1はフォトニック結晶レンズは100μm程度の厚みであるのに対して、比較例1は赤外線吸収部から凸レンズ8上面までの距離は1mm以上を必要とした。また、素子効率について、実施例3と比較例1を比較すると、赤外線吸収部の温接点は上部が空気層であることは両者共に同様であるが、実施例3は冷接点が高熱伝導性のバッファ層6を介してフォトニック結晶レンズに接触しており、フォトニック結晶レンズがヒートシンクとなって冷接点を外気温に素早く均一化するのに対して、比較例1は冷接点の上部は空気層となっており、熱伝導は基板のみからしか行われないので冷却効率は悪い。更に、レンズによる集光ビームの位置ずれについては、比較例1はレンズから熱電素子までの距離が長いので組み立て精度の影響が強く現われるのに対して、実施例は、何れも、熱電素子に直接レンズを作り込むのでレンズと熱電素子の光軸がずれることはない。
フォトニック結晶レンズにフォトニック結晶フィルタを複合形成した赤外線センサの実施例5は、素子構造、製造プロセスが非常に簡単である。これは同様な考え方で、フォトニック結晶で実現できる素子、例えば、スイッチ、シャッタ、チューナブルフィルタ、アッテネータ、導波路も複合化することができる。そして、上述した赤外線素子、基板、パッシベーション層、赤外線吸収部、フォトニック結晶、バッファ層の材質、種類、その形状は、特に、制限を受けるものではなく、公知のものの何れも用いることができる。
21 ダイアフラム層 22 熱電材料
23 電極 24 パッシベーション層
25 光検出部 26 平坦化層
261 バッファ層溜り 30 斜線
31 銀含有ガラス層 31’銀含有ガラスパターン
32’銀含有ガラスパターン 41 SiO2 ガラス層
41’SiO2 ガラスパターン 42’SiO2 ガラスパターン
5 インクジェット装置 50 球状粒子
51 ノズル 511 高温用温度調節部
512 低温用温度調整部 52 低屈折率粒子層
53 高屈折率粒子層 6 バッファ層
61 空気層 7 フォトニック結晶フィルタ
8 凸レンズ 9 3次元フォトニック結晶立体素子
90 フォトニック結晶レンズ
Claims (3)
- 光検出素子と、その前面に形成されたバッファ層と、その前面に形成されたフォトニック結晶レンズとを具え、バッファ層は光検出部に対応する領域を除去して形成された空気層部を有することを特徴とする光学センサ。
- バッファ層が高熱伝導性の熱可塑性接着剤シートから成ることを特徴とする請求項1に記載の光学センサ。
- 光検出素子は温接点となる赤外線吸収部と冷接点とを含み、温接点の上部がバッファ層に形成された空気層部に接し、冷接点の上部がバッファ層を介してフォトニック結晶レンズに接していることを特徴とする請求項2に記載の光学センサ。
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