JP5174995B2 - 焦電素子 - Google Patents

Description

本発明は、焦電素子に関する。

セキュリティー用やガス検知用の赤外線検出器として、焦電素子が用いられている。焦電素子は、焦電基板と、該焦電基板の表裏に設けられた一対の電極とを備えている。焦電素子の表面に赤外線が照射されると、焦電基板の温度が上昇する。すると、その温度変化に応じて自発分極が変化して焦電基板の表面では電荷の平衡状態が崩れ、電荷が発生する。発生した電荷を一対の電極に接続された導線を介して取り出すことで、赤外線を検出する。

ところで、焦電素子は、焦電基板として、焦電係数が大きく性能指数が高いタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃，以下「ＬＴ」と略すことがある）を用いたものが知られている（例えば特許文献１）。このようにＬＴを用いた焦電素子では、ポップコーンノイズと呼ばれる突発的なノイズの発生が問題となる。ポップコーンノイズは焦電基板の表面に蓄積した電荷が高電圧になり放電されることが原因と考えられる。こうしたポップコーンノイズの発生を抑制する技術がいくつか開発されている（例えば特許文献２，３）。特許文献２には、受光部の周囲３方向をくり抜き、熱変化を加えた時に生じる応力集中を抑制し、その結果、ポップコーンノイズの発生を著しく軽減できると記載されている。特許文献３には、焦電基板の体積抵抗率を１×１０¹⁰〜１×１０¹³Ωｃｍとすると、温度変化により電荷が発生しても、発生した電荷は焦電基板内を通って速やかに消滅するため、焦電基板の表面は、高電圧にならず、放電性が抑制され、ポップコーンノイズが低減できると記載されている。
特開平６−１６０１９４ 特開平１０−２７９３ 特開２００６−２０３００９

しかしながら、特許文献２では、焦電基板をサンドブラストによりくり抜くため工程数が増加するし、加工ばらつきによる感度のばらつきが発生するという問題があった。また、特許文献３では、体積抵抗率を小さくすることにより、焦電性が劣化し感度が低下するという問題があった。このため、ポップコーンノイズの発生を容易に抑制することが求められている。また、ポップコーンノイズの発生を抑制できたとしても、Ｓ／Ｎ比が大きく低下したのでは実用上問題があるため、Ｓ／Ｎ比の低下も合わせて抑制することが求められている。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、Ｓ／Ｎ比を大きく低下させることなく、ポップコーンノイズの発生を容易に抑制することを主目的とする。

本発明者らが鋭意研究したところ、焦電基板としてＬＴ基板を用いる場合、従来は焦電係数の大きいＺ板（電極面の法線方向が単結晶のＺ軸と一致するＬＴ基板）が用いられていたが、その焦電係数が大きいことが災いしてポップコーンノイズが発生していることを究明した。そして、焦電基板として、ＬＴ単結晶であってＺ板ではなく所定のカット角を有するＹオフカット板を用いていれば、ポップコーンノイズの発生を抑制できると共にＳ／Ｎ比の低下も合わせて抑制できることを見いだし、本発明を完成するに至った。

本発明の焦電素子は、
結晶軸としてＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有するタンタル酸リチウムの単結晶基板である焦電基板と、該焦電基板の表裏に設けられた一対の電極とを備えた焦電素子であって、
前記焦電基板は、前記タンタル酸リチウムの単結晶を、前記電極の面に沿った方向と一致する前記Ｘ軸の回りに、前記Ｙ軸から前記Ｚ軸方向にカット角θだけ回転させた角度で切り出したＹオフカット板であり、前記カット角θは３０〜６０°，１２０〜１５０°である。

カット角θは、通常、０〜１８０°の範囲で設定される。カット角θが９０°の基板は、基板表面の法線方向とＺ軸とが一致するものであり、これをＺ板と称する。カット角θが０°あるいは１８０°の基板は、基板表面の法線方向とＹ軸とが一致するものであり、これをＹ板と称する。そして、カット角θが０°＜θ＜９０°、９０°＜θ＜１８０°の基板をＹオフカット板と称する。ＬＴ単結晶からなる焦電基板は、Ｚ軸方向に焦電電荷が発生するため、電極面の法線方向とＺ軸とが一致するＺ板の場合に最も焦電係数が大きくなり、Ｙオフカット板の場合にはＺ板よりも焦電係数が小さくなる。また、Ｙオフカット板において、カット角θが０°＜θ＜９０°の範囲内にあるときには、カット角θが小さいほど、電極面の法線方向とＺ軸とのなす角度が大きくなるため、焦電係数は小さくなる。また、カット角が９０°＜θ＜１８０°の範囲内にあるときには、カット角θが大きいほど、電極面の法線方向とＺ軸とのなす角度が大きくなるため、焦電係数は小さくなる。

今回、カット角θが０°＜θ＜９０°の範囲内にあるとき、６０°以下であればポップコーンノイズの発生を抑制できることがわかった。つまり、カット角θが６０°のときの焦電係数と同じかそれより小さければ、ポップコーンノイズの発生を抑制できることがわかった。この結果から、カット角θが９０°＜θ＜１８０°の範囲内にあるときには、１２０°以上であればポップコーンノイズの発生を抑制できるといえる。電極面の法線方向とＺ軸とのなす角度は、カット角θが６０°のときと１２０°のときとで同じであるため、焦電係数が同じ値になるからである。一方、カット角θが０°＜θ＜９０°の範囲内にあるとき、３０°以上であれば、Ｓ／Ｎ比を基板厚４０μｍ以上のＺ板を使用した場合の５０％以上に維持できることがわかった。この結果から、カット角θが９０°＜θ＜１８０°の範囲内にあるときには、１５０°以下であれば、Ｓ／Ｎ比を基板厚４０μｍ以上のＺ板を使用した場合の５０％以上に維持できるといえる。以上のことから、カット角θが３０°〜６０°、１２０〜１５０°であれば、ポップコーンノイズの発生を抑制しつつ、Ｓ／Ｎ比の低下も抑制することができる。

本発明の焦電素子において、Ｙオフカット板の厚さは１０μｍ以下（例えば１〜１０μｍ）とするのが好ましい。Ｙオフカット板の厚さは１〜１０μｍではＳ／Ｎ比はＺ板とほぼ同等の一定の値となるが、１０μｍを超えて厚くなるにつれてＳ／Ｎ比が低下する傾向を示す。ちなみに、Ｙオフカット板の厚さが５〜１００μｍの範囲では、電圧感度はＺ板と比べてわずかに小さい、ほぼ一定の値となり、５μｍ未満の範囲では、厚さが小さくなるにつれて電圧感度は小さくなる傾向を示す。

第１実施形態の焦電素子１０の概略斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 焦電基板２０に使用されるＹオフカット板のカット角の説明図である。 焦電素子１０の受光部６１，６２の電気的な接続状態を示す回路図である。 焦電素子１０の製造工程を模式的に示す断面図である。 第２実施形態の焦電素子２１０の概略斜視図である。 図６のＢ−Ｂ断面図である。 第２実施形態の焦電素子２１０の作製手順を示す説明図である。 ポップコーンノイズの測定の際に行ったヒートサイクルの説明図である。 電圧感度とＳ／Ｎ比を測定した実験系の説明図である。

［第１実施形態］
図１は第１実施形態の焦電素子１０の概略斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は焦電基板２０に使用されるＹオフカット板のカット角の説明図である。

焦電素子１０は、２つの受光部６１，６２（図２参照）を備えたデュアルタイプの焦電素子として構成されている。この焦電素子１０は、焦電基板２０と、この焦電基板２０を支持する支持部材３０と、焦電基板２０の表面に設けられた表面金属層４０と、焦電基板２０の裏面に設けられた裏面金属層５０とを備えている。

焦電基板２０は、結晶軸としてＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有するＬＴ単結晶の基板である。この焦電基板２０は、図３に示すように、ＬＴ単結晶を、基板表面（電極面）に沿った方向と一致するＸ軸の回りに、Ｙ軸からＺ軸方向にカット角θだけ回転させた角度で切り出したＹオフカット板である。このＹオフカット板は、電極面に沿う方向をＸ１，電極面の法線方向をＸ２，Ｘ１とＸ２の両方に直交する軸をＸ３としたとき、Ｘ１はＸ軸と一致し、Ｘ２はＸ軸の回りにＹ軸からＺ軸方向にカット角θだけ回転させた軸であり、Ｘ３はその回転に伴ってＺ軸からカット角θだけ回転させた軸である。カット角θは、３０〜６０°の範囲内又は１２０〜１５０°の範囲内で設定されている。Ｘ２とＺ軸とのなす角度（９０°−θ）がゼロに近いほど、つまり、カット角θが９０°に近いほど、焦電係数は大きくなることが知られている。また、カット角θのＹオフカット板とカット角（１８０°−θ）のＹオフカット板とは、Ｘ２とＺ軸とのなす角度が共に（９０°−θ）であるため、焦電係数の絶対値が同じになる。また、焦電基板２０の厚さは、１０μｍ以下（例えば０．１〜１０μｍ）であり、好ましくは１〜１０μｍ、より好ましくは５〜１０μｍである。焦電基板２０の大きさは、例えば縦が０．１〜５ｍｍ、横が０．１〜５ｍｍである。

支持部材３０は、支持層３２と、接着層３４と、支持基板３６とを備えている。支持層３２は、焦電基板２０の裏面に形成されて焦電基板２０を支持するものである。支持層３２の材料としては、例えば、二酸化珪素が挙げられる。支持層３２の厚さは、特に限定するものではないが、例えば、０．１〜１μｍである。接着層３４は、支持層３２と支持基板３６とを接着するものであり、支持基板３６の表面全面に形成されている。接着層３４の材料としては、例えば、エポキシ系接着剤やアクリル系接着剤を固化させたものが挙げられる。接着層３４の厚さは、特に限定するものではないが、例えば、０．１〜１μｍである。接着方法として、接着剤以外に陽極接合、直接接合法を用いても良い。支持基板３６は、接着層３４を介して支持層３２に接着される平板状の基板である。支持基板３６の材料としては、例えば、ガラスやＬＴ，ＬＮ（ニオブ酸リチウム）が挙げられる。支持基板３６は、特に限定するものではないが、例えば、縦が０．１〜５ｍｍ，横が０．１〜５ｍｍ，厚さが０．１５〜０．５ｍｍである。支持層３２，接着層３４，支持基板３６は、いずれも焦電基板２０よりも熱伝導率が低い材料であることが好ましい。また、この支持部材３０には、図２に示すように空洞３８が形成され、支持層３２はこの空洞３８の外周を四角く囲うように形成されている。すなわち、支持層３２は空洞３８以外の部分で焦電基板２０を裏面から支持している。

表面金属層４０は、焦電基板２０の表面に形成されており、平面視で縦長の長方形に形成された２つの表面電極４１，４２と、表面電極４１と導通し平面視で正方形に形成されたリード部４６と、表面電極４２と導通し平面視で正方形に形成されたリード部４７とを備えている。この表面金属層４０の材料としては、例えばニッケルやクロム，金などの金属が挙げられ、赤外線吸収率が高いほど好ましい。表面金属層４０の厚さは、特に限定するものではないが、例えば０．０１〜０．２μｍである。また、表面金属層４０は、焦電基板２０の表面上にクロムからなる金属層を形成し、さらにその上にニッケルからなる金属層を形成した２層構造であってもよい。

裏面金属層５０は、焦電基板２０の裏面に形成されており、平面視で縦長の長方形に形成された２つの裏面電極５１，５２と、裏面電極５１及び裏面電極５２を導通し平面視で横長の長方形に形成されたリード部５６とを備えている。この裏面金属層５０の材料としては、上述した表面金属層４０と同様のものを用いることができる。裏面金属層５０の厚さは、特に限定するものではないが、例えば０．０１〜０．２μｍである。裏面電極５１は、表面電極４１と対向するように焦電基板２０の裏面に形成されており、裏面電極５２は、表面電極４２と対向するように焦電基板２０の裏面に形成されている。

受光部６１は、一対の電極（表面電極４１及び裏面電極５１）と、焦電基板２０のうち表面電極４１と裏面電極５１とに挟まれた部分である受光領域２１とで形成されたものである。同様に、受光部６２は、一対の電極（表面電極４２及び裏面電極５２）と、焦電基板２０のうち表面電極４２と裏面電極５２とに挟まれた部分である受光領域２２とで形成されたものである。この受光部６１，６２では、赤外線の照射による温度変化が生じると、一対の電極間の電圧が変化する。例えば、受光部６１に赤外線が照射されると、表面電極４１及び受光領域２１が赤外線を吸収して温度変化が生じる。そして、これによる受光領域２１の自発分極の変化が、表面電極４１と裏面電極５１との間の電圧の変化として現れるようになっている。また、表面電極４１、４２は赤外線吸収率が高い金黒膜であってもよい。金黒膜は微粒子上に堆積した金膜のことをいう。

続いて、こうして構成された焦電素子１０の動作について説明する。図４は、焦電素子１０の受光部６１，６２の電気的な接続状態を示す回路図である。図示するように、焦電素子１０の受光部６１，６２は、裏面電極５１，５２がリード部５６によって接続されることで、直列に接続されている。そして、この直列接続された回路の両端である表面電極４１，４２間の電圧が、リード部４６，４７間の電圧として取り出せるようになっている。なお、本実施形態では、受光領域２１，２２の自発分極の向きは、図４においては互いに逆方向（図２においては同方向）になっている。この焦電素子１０において、焦電基板２０は焦電体であるため、平常時であっても受光領域２１，２２には常に自発分極が起きている。しかし、受光部６１，６２が空気中の浮遊電荷を吸着して自発分極と電気的に釣り合うため受光領域２１，２２ともに見かけ上の電荷はゼロとなる。そのため、平常時には表面電極４１と裏面電極５１との間や表面電極４２と裏面電極５２との間には電圧が生じず、リード部４６，４７間には電圧は生じない。また、焦電素子１０を取り囲む雰囲気の赤外線量の変化（例えば周囲の温度の変化）により受光領域２１，２２の温度が共に同じように変化した場合には、受光領域２１，２２の自発分極がいずれも変化して電荷の偏りが生じ、表面電極４１と裏面電極５１との間や表面電極４２と裏面電極５２との間に同じ大きさの電圧が生じる。しかし、受光領域２１，２２の自発分極の向きは図４に示すように逆方向になっているため、両者の電圧は打ち消し合い、リード部４６，４７間にはやはり電圧が生じない。このように、焦電素子１０は自発分極の向きが逆向きに直列接続されるように受光部６１，６２を接続したデュアルタイプの素子であるため、平常時だけでなく焦電素子１０を取り囲む雰囲気の赤外線量の変化時にもリード部４６，４７間に電圧は生じず、ノイズで誤動作しにくい構成となっている。一方、例えば人が焦電素子１０の付近を横切る場合など、受光部６１，６２に照射される赤外線の量が均等でなくなる場合には、受光領域２１，２２の温度変化が異なる大きさとなる。そのため、この温度変化により表面電極４１と裏面電極５１との間に生じる電圧と表面電極４２と裏面電極５２との間に生じる電圧とが異なる値となって完全には打ち消し合わず、リード部４６，４７間には電圧が生じる。これにより、焦電素子１０は人体検知や火災検知などを行う赤外線検出装置として用いることができる。なお、焦電素子１０を赤外線検出装置として用いる場合には、例えば、リード部４６，４７とインピーダンス変換用のＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）とを接続してリード部４６，４７間の電圧を増幅することができる。また、表面電極４１，４２を金黒からなる赤外線吸収層で覆って赤外線の吸収効率を高めたり、波長フィルターを設けて特定の波長の光のみが受光部２１，２２に到達するようにすることでノイズによる誤動作を防止したりすることができる。

次に、こうした焦電素子１０の製造方法について説明する。図５は、焦電素子１０の製造工程を模式的に示す断面図である。まず、焦電基板２０となる平坦な焦電基板１２０を用意する（図５（ａ））。この焦電基板１２０は、例えばオリエンテーションフラット（ＯＦ）を有し、焦電基板２０を複数切り出すことができる大きさのウエハーである。焦電基板１２０の材料としては上述したものを用いることができる。焦電基板１２０の大きさは、特に限定するものではないが、例えば直径が５０〜１００ｍｍ、厚さが２００μｍ〜１ｍｍとすることができる。

続いて、焦電基板１２０の裏面に裏面金属層５０となる裏面金属層１５０を形成する（図５（ｂ））。裏面金属層１５０は、焦電基板１２０の裏面に裏面金属層５０となるパターンを複数形成したものである。裏面金属層１５０の材料としては上述したものを用いることができる。裏面金属層１５０の厚さは、特に限定するものではないが、例えば０．０１〜０．２μｍである。裏面金属層１５０の形成は、例えば焦電基板１２０のうち裏面金属層１５０を形成する部分以外をメタルマスクでカバーし、真空蒸着により行うことができる。また、他にスパッタリングやフォトリソグラフィ，スクリーン印刷を用いて裏面金属層１５０を形成してもよい。

次に、焦電基板１２０の裏面に、支持層３２となる支持層１３２を形成する（図５（ｃ））。支持層１３２は、裏面金属層１５０との位置関係が図１，２の裏面金属層５０と支持層３２との位置関係と同じになり空洞３８が形成されるよう、焦電基板１２０の裏面に支持層３２となるパターンを複数形成したものである。支持層１３２の材料としては上述したものを用いることができる。支持層１３２の厚さは、特に限定するものではないが、例えば０．１〜１μｍである。支持層１３２の形成は、例えば次のように行う。まず、スパッタリングにより焦電基板１２０の裏面全体に支持層１３２となる層を形成する。そして、フォトリソグラフィにより支持層１３２として残したい部分にのみレジスト膜を形成してエッチングマスクとした後、エッチングによりエッチングマスクがされていない部分（空洞３８となる部分）を除去する。これにより支持層１３２が形成される。

次に、支持基板３６となる支持基板１３６を用意し、支持基板１３６の表面及び支持層１３２の裏面の一方又は両方に接着層３４となる接着剤を塗布する。そして、支持基板１３６の表面と支持層１３２の裏面とを貼り合わせ、接着剤を硬化させて接着層１３４とする（図５（ｄ））。これにより、焦電基板１２０，裏面金属層１５０，支持層１３２，接着層１３４，支持基板１３６からなり、空洞３８となる空洞１３８が形成された複合体１１０が得られる。接着層１３４の材料としては、上述したものを用いることができる。また、接着層１３４の厚さは、特に限定するものではないが、例えば０．１〜１μｍである。

そして、複合体１１０のうち焦電基板１２０が所定の厚さになるまで焦電基板１２０の表面を研磨し、その後、焦電基板１２０の表面に表面金属層４０となる表面金属層１４０を形成する（図５（ｅ））。表面金属層１４０は、焦電基板１２０の表面に表面金属層４０となるパターンを複数形成したものである。表面金属層１４０の形成は、表面金属層１４０のうち表面電極４１，４２となる部分がそれぞれ裏面電極５１，５２となる部分と対をなすように行う。表面金属層１４０の材料としては上述したものを用いることができる。表面金属層１４０の厚さは、特に限定するものではないが、例えば０．０１〜０．２μｍである。表面金属層１４０の形成は、裏面金属層１５０と同様の方法で行うことができる。これにより、複合体１１０は、多数の焦電素子１０の集合体となる。

そして、表面金属層１４０を形成した複合体１１０から１つ１つの焦電素子１０を切り出す。これにより、図１〜２に示した焦電素子１０が複数得られる。

ここで、ＬＴ基板の焦電係数について説明する。ＬＴ基板は、Ｚ軸方向に焦電電荷が発生するため、電極面の法線方向とＺ軸とが一致するＺ板の場合に最も焦電係数が大きくなり、Ｙオフカット板の場合にはＺ板よりも焦電係数が小さくなる。また、Ｙオフカット板において、カット角θが０°＜θ＜９０°の範囲内にあるときには、カット角θが小さいほど、電極面の法線方向とＺ軸とのなす角度が大きくなるため、焦電係数は小さくなる。また、カット角が９０°＜θ＜１８０°の範囲内にあるときには、カット角θが大きいほど、電極面の法線方向とＺ軸とのなす角度が大きくなるため、焦電係数は小さくなる。なお、焦電係数ｐは、下記式（１）で表される。
ｐ＝（ΔＱ／ΔＴ）×（１／Ｓ） …（１）
（ΔＱ：電荷変動量、ΔＴ：温度変化量、Ｓ：面積）

今回、焦電基板２０に使用するＹオフカット板のカット角θが０°＜θ＜９０°の範囲内にあるとき、６０°以下であればポップコーンノイズの発生を抑制できることがわかった。つまり、カット角θが６０°のときの焦電係数と同じかそれより小さければ、ポップコーンノイズの発生を抑制できることがわかった。この結果から、カット角θが９０°＜θ＜１８０°の範囲内にあるときには、１２０°以上であればポップコーンノイズの発生を抑制できるといえる。電極面の法線方向とＺ軸とのなす角度は、カット角θが６０°のときと１２０°のときとで同じであるため、焦電係数が同じ値になるからである。一方、カット角θが０°＜θ＜９０°の範囲内にあるとき、３０°以上であれば、Ｓ／Ｎ比を同じ板厚のＺ板の５０％以上に維持できることがわかった。この結果から、カット角θが９０°＜θ＜１８０°の範囲内にあるときには、１５０°以下であれば、Ｓ／Ｎ比を同じ板厚のＺ板の５０％以上に維持できるといえる。以上のことから、カット角θが３０°〜６０°、１２０〜１５０°であれば、ポップコーンノイズの発生を抑制しつつ、Ｓ／Ｎ比の低下も抑制することができる。

ところで、本願の基礎となるＵＳ仮出願６１／４６９８８５を出願した時点では、周知の式Ｑ＝ＣＶ（Ｃはキャパシタンス、Ｖは電圧）においてキャパシタンスＣを定数と考え、電荷変動量ΔＱは表面電位の変動量ΔＶに比例することを前提とし、上記式（１）により焦電係数ｐを算出した。そして、カット角θが３０〜６０°、１２０〜１５０°の範囲であれば、焦電係数ｐがＺ板の８割程度に保つことができると判断した。しかし、その後の研究により、キャパシタンスＣは定数ではなく、カット角θに応じて（例えばｓｉｎθとかｓｉｎ²θなどに応じて）変動するものであり、焦電係数ｐはＺ板の８割よりも低下している可能性があることがわかった。キャパシタンスＣがカット角θに応じてどのように変動するかについては、いまだ確定できていないが、ｓｉｎθの関数である可能性が高いと推測している。

以上詳述した焦電素子１０によれば、焦電基板２０として、カット角θが３０〜６０°，１２０〜１５０°のＬＴ単結晶のＹオフカット板であり、カット角θが３０〜６０°，１２０〜１５０°のものを用いているため、ポップコーンノイズの発生を抑制すると共にＳ／Ｎ比の低下も抑制することができる。また、Ｙオフカット板の厚さは１０μｍ以下（例えば１〜１０μｍ）であるため、Ｓ／Ｎ比が更に向上する。

こうした焦電素子１０は、直径４インチの大判のＬＴ基板を利用して製造することができるため、大量生産に適している。ＬＴ単結晶はチョクラルスキー法により引き上げて成長させるが、カット角θが３０〜４８°であれば４インチで引き上げることができる。このため、焦電基板１２０としてカット角θが３０〜４８°のＬＴ基板を採用する場合には、直径４インチの単結晶を引き上げ方向に対して直角にスライスして得られる直径４インチのＬＴ基板を利用して製造することができる。一方、Ｚ板（θ＝９０°）は、直径４インチの単結晶を引き上げ方向に対して斜めにスライスして得られるＬＴ基板を利用して製造することになるが、その場合、ＬＴ基板の直径は３インチ程度になってしまう。

［第２実施形態］
図６は第２実施形態の焦電素子２１０の概略斜視図、図７は図６のＢ−Ｂ断面図である。

焦電素子２１０は、１つの受光部２６１（図７参照）を備えたシングルタイプの焦電素子として構成されている。この焦電素子２１０は、焦電基板２２０と、この焦電基板２２０を支持する支持部材２３０と、焦電基板２２０の表面に設けられた表面金属層２４０と、焦電基板２２０の裏面に設けられた裏面金属層２５０とを備えている。

焦電基板２２０は、ＬＴ単結晶のＹオフカット板であり、カット角θは、３０〜６０°，１２０〜１５０°である。また、焦電基板２２０の厚さは１０μｍ以下（例えば１〜１０μｍ）であり、好ましくは５〜１０μｍである。この焦電基板２２０は、第１実施形態の焦電基板２０と同じであるため、詳しい説明は省略する。

支持部材２３０は、支持基板２３６と、接着層２３７とを備えている。支持基板２３６は、内部に空洞２３８を有する四角形のフレームに形成されており、焦電基板２２０の表面に形成されて焦電基板２２０を支持するものである。支持基板２３６の材料としては、例えば、ガラスやＬＴ，ＬＮが挙げられる。支持基板２３６は、特に限定するものではないが、例えば、縦が０．１〜５ｍｍ、横が０．１〜５ｍｍ、厚さが０．１５〜５ｍｍである。接着層２３７は、支持基板２３６と焦電基板２２０とを接着するものである。接着層２３７の材料としては、例えば、エポキシ系接着剤やアクリル系接着剤を固化させたものが挙げられる。接着層２３７の厚さは、特に限定するものではないが、例えば、０．１〜１μｍである。接着方法として、接着剤以外に陽極接合、表面活性化法などの直接接合法を用いても良い。支持基板２３６，接着層２３７は、いずれも焦電基板２２０よりも熱伝導率が低い材料であることが好ましい。

表面金属層２４０は、焦電基板２２０の表面に形成されており、平面視で縦長の長方形に形成された表面電極２４１と、表面電極２４１と導通するリード部２４６とを備えている。裏面金属層２５０は、焦電基板２２０の裏面にて表面金属層２４０と対向するように形成されており、平面視で縦長の長方形に形成された裏面電極２５１と、裏面電極２５１と導通するリード部２５６とを備えている。表面金属層２４０及び裏面金属層２５０の材料や厚さは、第１実施形態の表面金属層４０及び裏面金属層５０と同じであるため、ここではその説明を省略する。

受光部２６１は、一対の電極（表面電極２４１及び裏面電極２５１）と、焦電基板２２０のうち表面電極２４１と裏面電極２５１とに挟まれた部分である受光領域２２１とで形成されたものである。この受光部２６１では、赤外線の照射による温度変化が生じると、一対の電極間の電圧が変化する。例えば、受光部２６１の表面側に赤外線が照射されると、表面電極２４１及び受光領域２２１が赤外線を吸収して温度変化が生じる。そして、これによる受光領域２２１の自発分極の変化が、表面電極２４１と裏面電極２５１との間の電圧の変化として現れるようになっている。

続いて、こうして構成された焦電素子２１０の動作は、２つの焦電素子２１０の裏面電極２５１同士を電気的に接続し、各表面電極２４１にリード線を取り付ければ、実質的に第１実施形態の焦電素子１０と同様の構成となり同様に動作するため、ここではその説明を省略する。

以上詳述した焦電素子２１０によれば、焦電基板２２０としてＬＴ単結晶のＹオフカット板であり、カット角θが３０〜６０°，１２０〜１５０°のものを用いているため、ポップコーンノイズの発生を抑制すると共にＳ／Ｎ比の低下も抑制することができる。また、Ｙオフカット板の厚さは１０μｍ以下（例えば１〜１０μｍ）であるため、Ｓ／Ｎ比が更に向上する。こうしたＹオフカット板は直径４インチの大判のものを利用することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施しうることは言うまでもない。

例えば、上述した第１及び第２実施形態では、空洞３８，２３８は、支持層３２、支持基板２３６により四角く囲われているものとしたが、空洞３８，２３８はどのような形状としてもよい。例えば、支持層３２、支持基板２３６により丸く囲われているものとしてもよいし、空洞３８，２３８が支持層３２、支持基板２３６に完全には囲われておらず、一部が焦電素子１０，２１０の外周に面していてもよい。

上述した第１実施形態の焦電素子１０はデュアルタイプ、第２実施形態の焦電素子２１０はシングルタイプとしたが、焦電素子１０をシングルタイプやクワッドタイプとしてもよいし、焦電素子２１０をデュアルタイプやクワッドタイプとしてもよい。なお、クワッドタイプの焦電素子における表面電極及び裏面電極の形状については、例えば特開平２００６−２０３００９号公報に記載されている。

［実施例１］
実施例１では、第２実施形態の焦電素子２１０を作製した。図８はその作製手順を示す説明図である。

まず、ＯＦ部を有し、直径４インチ，厚さが３５０μｍのＬＴ基板３２０を用意した。ＬＴ基板３２０は４８°Ｙオフカット板（カット角θ＝４８°）を用いた。このＬＴ基板３２０は、ダイシング後に焦電基板２２０となるものである。続いて、このＬＴ基板３２０の表面にニッケル及びクロムからなる表面金属層２４０を多数形成した（図８（ａ））。表面金属層２４０の形成は、ＬＴ基板３２０のうち表面金属層２４０を形成する部分以外をメタルマスクでカバーし、真空蒸着により行った。なお、真空蒸着は、まずクロムを５Å／ｓの成膜レートで厚さ０．０２μｍとなるまで行い、続いてニッケルを１０Å／ｓの成膜レートで厚さ０．１μｍとなるまで行った。真空蒸着による成膜時の圧力は２．７×１０^-4Ｐａ，ＬＴ基板３２０の温度は約１００℃であった。これにより、厚さ０．１２μｍの表面金属層２４０を形成した。なお、表面金属層２４０のパターンは、表面電極２４１が縦２ｍｍ，横２ｍｍ、リード部２４６が縦０．１ｍｍ，横２ｍｍの大きさとなるように形成した。

続いて、ＯＦ部を有し、直径４インチ，厚さが５００μｍのガラス基板３３６を用意し、縦３ｍｍ，横３ｍｍの矩形穴３３８をウォータージェット法により多数形成した（図８（ａ）参照）。なお、ガラス基板３３６は、ダイシング後に支持基板２３６となるものであり、矩形穴３３８は、ダイシング後に空洞２３８となるものである。

次に、ＬＴ基板３２０の表面にエポキシ接着剤を１μｍ塗布し、ガラス基板３３６の各矩形穴３３８の中に各表面金属層２４０が入るようにアライメントし、貼り合わせた。そして、プレス圧着によりエポキシ接着剤の厚さを０．１μｍとし、ガラス基板３３６と貼り合わせたＬＴ基板３２０を２００℃で１時間放置してエポキシ接着剤を硬化させて接着層３３４を形成し、複合体２６０とした（図８（ｂ））。接着層３３４は、ダイシング後に接着層２３７になるものである。その後、Ａｒイオンを使用したスパッタリングにより表面金属層２４０に付着した接着剤を除去した。

そして、複合体２６０を上下逆にし、ガラス基板３３６を炭化珪素で作成した研磨治具に接着固定し、ＬＴ基板３２０のうちガラス基板３３６を貼り合わせていない面を固定砥粒の研削機で研削加工し、ＬＴ基板３２０の厚みを５０μｍまで薄くした。さらに、その面をダイヤモンド砥粒で研磨加工し、厚みを１２μｍまで薄くした。その後、その面を遊離砥粒及び不織布系研磨パットを用いて仕上げ研磨を行い、ＬＴ基板３２０の厚みが１０μｍとなるまで研磨した。なお、仕上げ研磨は、ダイヤモンド砥粒による研磨加工でＬＴ基板３２０に生じた加工変質層を除去するために行った。

このようにしてＬＴ基板３２０を研磨した後、ＬＴ基板３２０の裏面（表面金属層２４０が形成されていない面）に裏面金属層２５０（図６及び図７参照）を多数形成した。この工程は、表面金属層２４０の形成と同様の材料及び条件で行った。なお、裏面金属層２５０のパターンは、裏面電極２５１が縦２ｍｍ，横２ｍｍ、リード部２５６が縦０．５ｍｍ，横２ｍｍの大きさとなるように形成した。そして、裏面金属層２５０を形成した複合体から縦３．５ｍｍ×横３．５ｍｍの焦電素子２１０をダイシングにより切り出した（図８（ｃ））。図８（ｃ）の一点鎖線は、ダイシング時のカット線を示す。得られた焦電素子２１０は、焦電基板２２０がＬＴ単結晶からなるカット角θ＝４８°のＹオフカット板でその基板厚が１０μｍのものである。

［実施例２〜６、比較例１〜４］
実施例１の作製手順に準じて、実施例２〜６、比較例１〜４の焦電素子２１０を作製した。各焦電素子２１０の焦電基板１２０のカット角θ、基板厚は表１に示すとおりである。

［評価試験］
各実施例及び各比較例の焦電素子２１０について、ポップコーンノイズ、電圧感度、Ｓ／Ｎ比、熱時定数を測定した。

（１）ポップコーンノイズの測定
各焦電素子２１０に対して、ヒートサイクル試験を行い、ポップコーンノイズの発生を調べた。ヒートサイクル試験は、次のような手順で行った。各焦電素子２１０を環境試験器に収容し、環境試験器内の温度を−１０〜５０℃まで周期的に変化させた。具体的には、図９に示すように温度を変化させた。そして、ヒートサイクル試験を１５時間行い、その間に突発的な大きな出力（ポップコーンノイズ）が発生したか否かを調べた。その結果を表１に示す。

（２）電圧感度ＲｖとＳ／Ｎ比の測定
図１０に示す実験系にて電圧感度ＲｖとＳ／Ｎ比を測定した。この実験系では、赤外線は、黒体放射装置４０２を使用して焦電素子２１０まで平面波ミラー４０４とコンカーブミラー４０６を用いてアライメントし、チョッパー４０８を介して焦電素子２１０の受光部２６１の窓面に集光した。焦電素子２１０の受光部２６１の面積は２ｍｍ×２ｍｍとした。入力赤外光は、チョッパー４０８により周波数１０Ｈｚでチョッピングして照射した。焦電素子２１０の電圧感度Ｒｖは、ロックインアンプ４１０で測定した。なお、ロックインアンプ４１０内の電圧変換回路の入力インピーダンスは１０¹¹Ωとした。各焦電素子２１０の電圧感度Ｒｖを表１に示す。

次に、入力赤外光がない場合のノイズ電圧Ｖnを測定した。主なノイズ成分は、温度ノイズ、ｔａｎδノイズ、入力インピーダンスノイズであった。これらの測定値から下記式によりＳ／Ｎ比を算出した。各焦電素子２１０のＳ／Ｎ比を表１に示す。
Ｓ／Ｎ＝Ａ^0.5×Ｒv／Ｖn（Ａは焦電素子２１０の受光面積）

（３）熱時定数の測定
各焦電素子２１０の熱時定数すなわち立ち上がり時間を測定した。具体的には、まず、６００Ｋの黒体炉から５０ｃｍ離れた場所に焦電素子２１０を配置した。次に、赤外線を焦電素子２１０に照射して、出力をデジタルオシロで記録した。出力ピーク値の１０％から９０％までの時間を算出し、その時間を熱時定数とした。各焦電素子２１０の熱時定数を表１に示す。

（４）評価結果
表１から明らかなように、カット角θが３０〜６０°のＹオフカット板を用いた実施例１〜６では、ポップコーンノイズは発生しなかった。一方、カット角θが６５°のＹオフカット板やＺ板を用いた比較例２〜４では、ポップコーンノイズが発生した。

また、実施例１，３，４では、厚さ１０μｍのＹオフカット板を用いたが、Ｓ／Ｎ比は同じ厚さのＺ板を用いた比較例３の４０％以上であり、Ｙオフカット板を用いたことによるＳ／Ｎ比の低下は少なかった。実施例６では、厚さ４０μｍのＹオフカット板を用いたが、Ｓ／Ｎ比は同じ厚さのＺ板を用いた比較例４の７５％以上であり、やはりＹオフカット板を用いたことによるＳ／Ｎ比の低下は少なかった。実施例１，２，６では、いずれもカット角θが４８°のＹオフカット板を用いたが、基板厚が薄いほどＳ／Ｎ比が向上した。一方、カット角θが２０°のＹオフカット板を用いた比較例１では、ポップコーンノイズは発生しなかったが、Ｓ／Ｎ比は同じ板厚のＺ板を用いた比較例３の４０％以下に低下してしまった。なお、熱時定数（応答性）は、カット角θに依存せず、ＬＴ基板の厚さに依存した。

以上のことから、焦電基板１２０としてカット角θが３０〜６０°のＹオフカット板を用いた場合には、ポップコーンノイズの発生を抑制すると共にＳ／Ｎ比の低下も抑制することができることがわかった。また、Ｙオフカット板の厚さは１０μｍ以下（例えば１〜１０μｍ）であれば、Ｓ／Ｎ比が更に向上することがわかった。

本出願は、２０１１年３月３１日に出願された米国特許仮出願第６１／４６９８８５号及び２０１１年２月２４日に出願された日本国特許出願２０１１−３７８５０号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容全てが本明細書に含まれる。

本発明の焦電素子は、例えばセキュリティー用やガス検知用の赤外線検出センサに利用可能である。

Claims (3)

1. 結晶軸としてＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有するタンタル酸リチウムの単結晶基板である焦電基板と、該焦電基板の表裏に設けられた一対の電極とを備えた焦電素子であって、
   前記焦電基板は、前記タンタル酸リチウムの単結晶を、前記電極の面に沿った方向と一致する前記Ｘ軸の回りに前記Ｙ軸から前記Ｚ軸方向にカット角θだけ回転させた角度で切り出したＹオフカット板であり、前記カット角θは３０〜６０°，１２０〜１５０°である、焦電素子。
2. 前記Ｙオフカット板の厚さは１０μｍ以下である、
   請求項１に記載の焦電素子。
3. 前記Ｙオフカット板の厚さは５〜１０μｍである、
   請求項２に記載の焦電素子。

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