JP5706174B2 - Infrared sensor and infrared sensor array - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線センサおよび赤外線センサアレイに関する。 The present invention relates to an infrared sensor and an infrared sensor array.
従来の熱型赤外線センサは、センサ自体は入射光の偏光を検知する機能を有していない。このため、熱型赤外線センサとは別に偏光フィルタを設けることにより、特定の偏光を検知していた(例えば、特許公報1参照)。 A conventional thermal infrared sensor does not have a function of detecting the polarization of incident light. For this reason, specific polarized light has been detected by providing a polarizing filter separately from the thermal infrared sensor (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、偏光フィルタと熱型赤外線センサとを組み合わせた構造では、第1に、熱型赤外線センサの他に偏光フィルタが必要となり構造が複雑になる、第2に、どのような偏光フィルタを用いても必要な波長成分の一部が変更フィルタに吸収されてしまい検出効率が低下する、第3に、複数の偏光を検出するには、熱型赤外線センサ毎に構造の異なる偏光フィルタを装着しなければならない、等の問題があった。 However, in a structure in which a polarizing filter and a thermal infrared sensor are combined, first, a polarizing filter is required in addition to the thermal infrared sensor, and the structure becomes complicated. Second, what kind of polarizing filter is used. However, some of the necessary wavelength components are absorbed by the change filter, which lowers the detection efficiency. Third, to detect a plurality of polarized lights, it is necessary to attach a polarization filter having a different structure for each thermal infrared sensor. There was a problem such as having to.
そこで、本発明は、小型化が可能で、偏光に対する検出効率の高い熱型赤外線センサおよび熱型赤外線センサアレイの提供を目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermal infrared sensor and a thermal infrared sensor array that can be miniaturized and have high detection efficiency for polarized light.
本発明は、赤外線を検出する赤外線センサであって、中空部を有する基板と、中空部の上に設けられ、検知膜を含む温度検知部と、温度検知部に接続され、中空部の上に温度検知部を保持する支持脚と、温度検知部の上に設けられ、板状の吸収傘を含む傘構造部と、を含み、吸収傘は、一定の間隔で平行に配置された複数のスリットを有し、入射した赤外線の、スリットの長手方向に垂直な方向の電界成分を選択的に吸収することを特徴とする赤外線センサである。 The present invention relates to an infrared sensor for detecting infrared rays, a substrate having a hollow part, a temperature detection part provided on the hollow part, including a detection film, and connected to the temperature detection part, on the hollow part. A support leg for holding the temperature detection unit; and an umbrella structure unit provided on the temperature detection unit and including a plate-shaped absorption umbrella, wherein the absorption umbrella is a plurality of slits arranged in parallel at regular intervals. And an infrared sensor that selectively absorbs an electric field component of incident infrared rays in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the slit.
また、本発明は、上述の赤外線センサをアレイ状(マトリックス状)に配置した赤外線センサアレイに関する。 The present invention also relates to an infrared sensor array in which the above infrared sensors are arranged in an array (matrix).
以上のように、本発明の赤外線センサでは、入射する赤外線の、スリットに垂直な電界成分のみを選択的に吸収することができ、特定の偏光のみを検知することが可能となる。 As described above, in the infrared sensor of the present invention, it is possible to selectively absorb only the electric field component of the incident infrared ray perpendicular to the slit, and it is possible to detect only specific polarized light.
また、本発明の赤外線センサアレイでは、入射する赤外線の偏光情報を検知することが可能となる。 Moreover, in the infrared sensor array of the present invention, it is possible to detect polarization information of incident infrared rays.
実施の形態1.
図1は、全体が100で表される、本発明の実施の形態1にかかる熱型赤外線センサの上面図であり、図2は、図1をI−I方向に見た場合の断面図である。
FIG. 1 is a top view of the thermal infrared sensor according to the first embodiment of the present invention, the whole being represented by 100, and FIG. 2 is a cross-sectional view when FIG. 1 is viewed in the II direction. is there.
図1、2に示すように、熱型赤外線センサ100は、例えばシリコンからなる基板1を含む。基板1には中空部2が設けられ、中空部2の上には、温度検知部4が支持脚3により支持されている。支持脚3は、薄膜金属配線6とこれを支える誘電体膜16を含んでいる。支持脚3は、ここでは2本であり、上方から見るとL字型に折れ曲がった形状となっている。支持脚3は、温度検知部4の中心軸に対して略対称に配置されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the thermal
温度検知部4は、検知膜5と薄膜金属配線6を含み、検知膜5と薄膜金属配線6は、酸化シリコン等の絶縁層18に覆われている。検知膜5は、例えば結晶シリコンを用いたダイオードからなる。薄膜金属配線6は、支持脚3に含まれる薄膜金属配線6と同時に形成され、検知膜5とアルミニウム配線7とを電気的に接続する。薄膜金属配線6は、例えば膜厚が100nmのチタン合金からなる。アルミニウム配線7は、絶縁層17により覆われている。
The
検知膜5が出力した電気信号は、支持脚3に形成された薄膜金属配線6を経由してアルミニウム配線7に伝わり、検出回路(図示せず)により検出される。薄膜金属配線6と検知膜5との間の電気的接続、および薄膜金属配線6とアルミニウム配線7との間の電気的接続は、必要に応じて上下方向に延在する導電体(図示せず)を介して行っても良い。
The electrical signal output from the
絶縁層17の上には、赤外線を反射する反射膜8が中空部2を覆うように配置されている。反射膜8は、温度検知部4とは熱的に接続されない状態で、支持脚3の少なくとも一部の上部を覆うように配置されている。反射膜7は、例えばアルミニウムのような金属からなる。
On the
温度検知部4の上には、支持柱9と、支持柱9で支えられた板状の吸収傘10からなる傘構造部20が設けられている。図1に示すように、熱型赤外線センサ100は、上方から見ると傘構造部20のみが見える。吸収傘10は、例えばAu、Ag、Cu、Alなどの金属薄膜からなり、膜厚は数nm程度から数百nm程度であり、測定対象とする吸収波長において入射光の漏れ出しがない膜厚が望ましい。ここでは、吸収傘10は単層構造の金属薄膜6としたが、例えば膜厚が100〜200nm程度の酸化シリコンなどの誘電体薄膜で金属薄膜6の上下を挟み込んだ3層構造や、誘電体薄膜の上に金属薄膜6を形成した2層構造を用いても良い。
On the
吸収傘10には、平行に形成された複数の直線状のスリット11が一定間隔に設けられ、一次元的な周期構造となっている。吸収傘10の膜厚は、吸収、熱時定数、材料の応力等を考慮して適宜決められる。図2から分かるように、吸収傘10は温度検知部4の上に支持柱9で接続されており、即ち、吸収傘10と温度検知部4は熱的に接続されている。一方、吸収傘10は、反射膜8とは熱的に接続されない状態で、反射膜8より上方に保持され、反射膜8の少なくとも一部を覆い隠すように横方向に板状に広がっている。
The
かかる熱型赤外線センサ素子100では、入射した赤外線は主に吸収傘10で吸収される。一方、吸収傘10を透過した赤外線は、反射膜8で反射されて吸収傘10に裏面から再度入射して吸収される。吸収傘10に吸収された赤外線は熱に変換され、支持柱9を通って温度検知部4に伝わる。温度検知部4では、検知膜5の電気抵抗が温度により変化するため、外部に設けた検出回路(図示せず)で検知膜5の電気抵抗の変化を検出することにより、赤外線の量を検出できる。ここでは反射膜8を設けた構造を示したが、反射膜8は無くても良い。
In such a thermal
次に、吸収傘11の吸収構造について詳しく説明する。図3は、Auで形成された1次元周期構造の吸収傘の吸収特性を、厳密結合波解析を用いて求めた結果である。ここで、d:スリットの深さ(Z軸方向)、p:スリットの周期、w:スリットの幅(X軸方向)、λab:吸収波長とすると、d=1μm、p=3μm、w=0.1μmとした。また、入射光はスリットに垂直な電界成分(X軸方向)のみとした。
Next, the absorption structure of the
図3から、特定の波長(約5.6〜5.7μm)で強い吸収が発生していることが分かる。この吸収は、スリットの深さ方向を共振方向として、吸収波長:λabとすると、原理的には以下の式1で説明できる。
FIG. 3 shows that strong absorption occurs at a specific wavelength (approximately 5.6 to 5.7 μm). This absorption can be explained by the
但し、図3に示すように、吸収波長は、式1で求めた結果より長波長化する。これはスリット内で共振する電磁界の一部がスリット外に漏れ出すことから、等価的にスリットの深さが深くなることから説明できる。また、スリット深さだけではなく、高次の回折を生じずに吸収を実現するためには、以下の式2の関係を満たさなければならない。
However, as shown in FIG. 3, the absorption wavelength is made longer than the result obtained by
λab>p (式2) λ ab > p (Formula 2)
また、スリット11の幅に関しては、共振状態を維持するために、深さに依存するが、例えばd=1μmの場合、wは200nmより細いことが望ましい。
The width of the
次に、図3で用いた吸収傘の吸収構造について、電界成分がスリットに垂直な場合(X軸方向)と、スリットに平行な場合(Y軸方向)の入射光について、厳密波結合解析を用いて求めた吸収率を図4に示す。 Next, with respect to the absorption structure of the absorber used in FIG. 3, strict wave coupling analysis is performed on incident light when the electric field component is perpendicular to the slit (X-axis direction) and parallel to the slit (Y-axis direction). FIG. 4 shows the absorption rate obtained by use.
図4から、本実施の形態1にかかる吸収傘10では、スリット11の長手方向(Y軸方向)に垂直な方向(X軸方向)の電界成分を有する入射光(実線)を選択的に吸収し、スリット11に平行な方向(Y軸方向)の電界成分を有する入射光(破線)は殆ど吸収しないことが分かる。つまり偏光が分離されて吸収されることが分かる。このように、本実施の形態1にかかる吸収傘10を用いることにより、偏光を分離して検出できる。
From FIG. 4, the
この現象は、物理的分野においては、表面プラズモン、プラズモニクス、あるいはメタマテリアルとも呼ばれる。これらは異なる用語で呼ばれるが、いずれにおいても金、銀、アルミニウム等の金属によって1次元周期構造を形成すると、表面に強く局在する表面モードが生じ、選択的な吸収が発生するというメカニズムは同じである。 This phenomenon is also called surface plasmon, plasmonics, or metamaterial in the physical field. These are called different terms, but in any case, when a one-dimensional periodic structure is formed by a metal such as gold, silver, and aluminum, the surface mode strongly localized on the surface is generated, and the mechanism of selective absorption is the same. It is.
図5は、このような吸収傘10を有する熱型赤外線センサを、Z軸を中心にして回転させた場合の、回転角とセンサ出力との関係を示す。図5から分かるように、各回転角度おけるセンサの出力を測定することにより入射光の偏光を求めることができる。
FIG. 5 shows the relationship between the rotation angle and the sensor output when the thermal infrared sensor having such an absorbing
このように、本発明の実施の形態1にかかる赤外線センサ100では、第1に、従来構造のような偏光フィルタが不要となり、偏光検知システムを、赤外線センサ単体のみの最小構造から形成することができる。第2に、偏光フィルタにおける赤外線の吸収がなくなり、赤外線の検出効率が高くなる。第3に、複数の異なる偏光を検知する系においても、スリット構造を変えるだけで、偏光フィルタを用いることなく所望の偏光を検知することができる。
As described above, in the
実施の形態2.
図6は、全体が200で表される、本発明の実施の形態2にかかる熱型赤外線センサアレイの上面図であり、図1に示す熱型赤外線センサ100をアレイ状(マトリックス状)に配置したものである。図6では、説明を簡単にするために、2行×2列の合計4個の熱型赤外線センサ100からなる熱型赤外線センサアレイ200を示しているが、配置される熱型赤外線センサ100の個数に制限は無い。
FIG. 6 is a top view of the thermal infrared sensor array according to the second exemplary embodiment of the present invention, indicated as a whole by 200, and the thermal
熱型赤外線センサアレイ200は、外部の走査回路(図示せず)等により各行、各列の熱型赤外線センサを選択して、各センサが検出した情報を時系列に取り出す。また、各センサが検出した情報は並列に読み出してもよい。
The thermal
このように、熱型赤外線センサ100をアレイ状に並べて、スリットに垂直な電界成分のみを検出することにより、偏光情報を有する画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。また、Z軸を中心としてアレイを回転させることで、本発明の実施の形態1で述べたように各センサ(画素)における偏光角度を求めることが可能となる。この結果、各画素において、偏光角度および入射光強度の情報を有する画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。
Thus, by arranging the thermal
実施の形態3.
図7は、全体が300で表される、本発明の実施の形態3にかかる熱型赤外線センサアレイの上面図であり、図8は、図7をVII−VII方向に見た場合の断面図である。
FIG. 7 is a top view of the thermal infrared sensor array according to the third embodiment of the present invention, the whole being represented by 300, and FIG. 8 is a cross-sectional view when FIG. 7 is viewed in the VII-VII direction. It is.
熱型赤外線センサアレイ300は、スリット深さのみ異なる4種類の熱型赤外線センサ100、110、120、130をアレイ状に配置したものである。図7では、説明を簡単にするために、2行×2列の合計4個の熱型赤外線センサからなる熱型赤外線センサアレイ300を示しているが、配置される熱型赤外線センサの個数に制限は無い。熱型赤外線センサアレイ300は、外部の走査回路(図示せず)等により各行、各列の熱型赤外線センサを選択して、各センサが検出した情報を時系列に取り出す。また、各センサが検出した情報は並列に読み出してもよい。
The thermal
熱型赤外線センサにおいて、スリットの深さを変えることでセンサ(画素)における検知波長を変えることができる。即ち、各画素において、スリットを設けることにより偏光角度を検出できるとともに、画素によって異なる波長における入射光強度情報を有する画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。 In the thermal infrared sensor, the detection wavelength in the sensor (pixel) can be changed by changing the depth of the slit. That is, by providing a slit in each pixel, the polarization angle can be detected, and it can be used as a thermal image imager for detecting an image having incident light intensity information at a different wavelength for each pixel.
実施の形態4.
図9は全体が400で表される、本発明の実施の形態4にかかる熱型赤外線センサアレイの上面図である。図9においては、支持柱9の凹部は省略している。
FIG. 9 is a top view of the thermal infrared sensor array according to the fourth embodiment of the present invention, indicated as a whole by 400. FIG. In FIG. 9, the concave portion of the support column 9 is omitted.
図9に示すように、熱型赤外線センサアレイ400では、スリット11の長手方向は全て異なり、熱型赤外線センサ100、140で互いに直交し、熱型赤外線センサ150、160で互いに直交している。一方、熱型赤外線センサ100、150で互いに45°の角度となり、同じく熱型赤外線センサ140、160で互いに45°の角度になっている。
As shown in FIG. 9, in the thermal
4つの熱型赤外線センサ(画素)を一つのユニットとすると、このユニットによって偏光が検知できる。図10、11にそのメカニズムを示す。図10、11では、対称性から明らかなように、熱型赤外線センサ100、140の成す直交座標系(図10の実線、図11では破線で表示)と、熱型赤外線センサ150、160の成す直交座標系(図11の実線)により、入射光の偏光角が一意に決定される。従って、熱型赤外線センサの電気特性を読み出す読み出し回路に、以下のアルゴリズム(1)〜(3)を組み込むことによって、偏光角度を求めることが出来る。
If the four thermal infrared sensors (pixels) are taken as one unit, polarized light can be detected by this unit. The mechanism is shown in FIGS. 10 and 11, as is clear from the symmetry, the orthogonal coordinate system (indicated by the solid line in FIG. 10 and the broken line in FIG. 11) formed by the thermal
(1)熱型赤外線センサ100、140によって検知される偏光角度は、θまたは−θとなる(図10参照)。
(2)熱型赤外線センサ150、160によって検知される偏光角度は、Φまたは−Φとなる(図11参照)。
(3)45−Φ>0ならば偏光角はθ、45−Φ<0ならば偏光角は−θである。
(1) The polarization angle detected by the thermal
(2) The polarization angle detected by the thermal
(3) If 45−Φ> 0, the polarization angle is θ, and if 45−Φ <0, the polarization angle is −θ.
このように、異なる直交座標系を形成する1次元周期構造を形成した4つの熱型赤外線センサ(画素)を1ユニットとすることで、熱型赤外線センサを回転させることなく偏光角度を求めることが可能となる。 In this way, by using four thermal infrared sensors (pixels) having a one-dimensional periodic structure forming different orthogonal coordinate systems as one unit, the polarization angle can be obtained without rotating the thermal infrared sensor. It becomes possible.
実施の形態5.
図12は、全体が500で表される、本発明の実施の形態5にかかる熱型赤外線センサアレイの上面図である。図12においては、支持柱9の凹部は省略している。
FIG. 12 is a top view of the thermal infrared sensor array according to the fifth embodiment of the present invention, the whole being represented by 500. FIG. In FIG. 12, the concave portion of the support column 9 is omitted.
熱型赤外線センサアレイ500では、実施の形態4にかかる熱型赤外線センサアレイ400を、2ユニット配置した構造となっている。ここでは、説明を簡単にするために2ユニットつまり合計8個の熱型赤外線センサからなる熱型赤外線センサアレイ500を示しているが、配置される熱型赤外線センサの個数に制限は無い。これらの熱型赤外線センサアレイは、外部の走査回路(図示せず)等により各行、各列の熱型赤外線センサを選択して、各センサが検出した情報を時系列に取り出す。また、各センサが検出した情報は並列に読み出してもよい。
The thermal
4つの熱型赤外線センサ(4画素)を一つのユニットとしてアレイ状に配置した場合、各ユニットが一つの画素に相当するとみなすことができる。そして、それぞれのユニットに上述の実施の形態4のアルゴリズムを適用することで、各ユニットにおいて偏光角度情報が得られる。従って、熱型赤外線センサを回転させることなく、被観察物の偏光角度情報を含んだ画像が得られる。
When four thermal infrared sensors (four pixels) are arranged in an array as one unit, it can be considered that each unit corresponds to one pixel. Then, by applying the above-described algorithm of
実施の形態6.
図13は、本発明の実施の形態6にかかる熱型赤外線センサの温度検知部4の断面図である。温度検知部4以外の構造は、図2と同様であり、温度検知部4は支持脚3で中空部2の上部に支持される。
FIG. 13: is sectional drawing of the
図13の温度検知部4は検知膜5と薄膜金属配線6を含む。検知膜5は、例えばシリコンからなるダイオードである。薄膜金属配線6は、例えば膜厚が100nmのチタン合金からなる。検知膜5と薄膜金属配線6は、例えば酸化シリコンからなる絶縁層18で覆われている。
The
更に温度検知部4は、赤外線を吸収する吸収膜21を、その上部に直接備えている。吸収膜21はAu、Agなどの金属からなる。吸収膜21には、実施の形態1で示したような、1次元の周期的なスリット11が形成されており、特定の波長と偏光を吸収する。
Furthermore, the
本実施の形態のような吸収膜21と一体形成された温度検知部4を有する熱型赤外線センサ素子では、所望の赤外波長が共振して選択的に吸収量が増加するため、特定波長のみを選択的に検出可能となる。また、吸収傘を支持柱で支持する工程が不要となり、製造工程が簡略化され、より安価に製品を製造できる。
In the thermal infrared sensor element having the
なお、かかる構造の温度検知部4を含む熱型赤外線センサをアレイ状に配置して、上述の実施の形態2〜5にかかる熱型赤外線センサアレイを形成しても良い。
The thermal infrared sensor array according to the second to fifth embodiments may be formed by arranging thermal infrared sensors including the
1 基板、2 中空部、3 支持脚、4 温度検知部、5 検知膜、6 薄膜金属配線、7 アルミニウム配線、8 反射膜、9 支持柱、10 吸収傘、11 スリット、12 絶縁膜、16 誘電体膜、17、18 絶縁層、20 傘構造部、100 熱型赤外線センサ。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
中空部を有する基板と、
該中空部の上に設けられ、検知膜を含む温度検知部と、
該温度検知部に接続され、該中空部の上に該温度検知部を保持する支持脚と、
該温度検知部の上に設けられ、板状の吸収傘を含む傘構造部と、を含み、
該吸収傘は、一定の間隔で平行に配置された、複数の、直線状かつ底面を貫通しない凹状の溝を有し、該吸収傘面内においては、該溝の方向は一方向であり、入射した赤外線の、該直線状かつ底面を貫通しない凹状の溝の長手方向に垂直な方向の電界成分を選択的に吸収して熱に変換し、該吸収された電界成分の波長は該一定の間隔よりも長いことを特徴とする赤外線センサ。 An infrared sensor for detecting infrared rays,
A substrate having a hollow portion;
A temperature detector provided on the hollow portion and including a detection film;
A support leg connected to the temperature detection unit and holding the temperature detection unit on the hollow part;
An umbrella structure part provided on the temperature detection part and including a plate-shaped absorption umbrella;
The absorbent umbrella has a plurality of rectilinear grooves that are arranged in parallel at regular intervals and do not penetrate the bottom surface. Within the absorbent umbrella surface, the direction of the groove is one direction, of incident infrared radiation, the concave grooves not penetrating the straight and bottom longitudinally selectively absorb to the vertical direction of the electric field component is converted into heat, the wavelength of the absorbed electric field components of the constant An infrared sensor characterized by being longer than the interval .
該第1の赤外線センサに設けられた、直線状かつ底面を貫通しない凹状の溝と、該第2の赤外線センサに設けられた、直線状かつ底面を貫通しない凹状の溝との深さが異なることを特徴とする請求項3に記載の赤外線センサアレイ。 Including first and second infrared sensors;
It provided the infrared sensor of the first, and a concave groove which does not penetrate the straight and bottom, provided on the infrared sensor of the second, the depth of the groove of the concave does not penetrate the straight and bottom differ The infrared sensor array according to claim 3.
該第1の赤外線センサに設けられた、直線状かつ底面を貫通しない凹状の溝の長手方向と、該第2の赤外線センサに設けられた、直線状かつ底面を貫通しない凹状の溝の長手方向とが直交し、
該第3の赤外線センサに設けられた、直線状かつ底面を貫通しない凹状の溝の長手方向と、該第4の赤外線センサに設けられた、直線状かつ底面を貫通しない凹状の溝の長手方向とが直交することを特徴とする請求項3に記載の赤外線センサアレイ。 Including first, second, third, and fourth infrared sensors having concave grooves that are linear and do not penetrate the bottom surface, the longitudinal directions of which are different from each other;
It provided the infrared sensor of the first, straight and the longitudinal recessed grooves not penetrating the bottom surface, provided on the infrared sensor of the second longitudinal grooves of the concave does not penetrate the straight and bottom And are orthogonal
Provided the infrared sensor of the third linear and the longitudinal recessed grooves not penetrating the bottom surface, provided on the infrared sensor fourth longitudinal groove recessed not penetrating straight and bottom The infrared sensor array according to claim 3, wherein and are orthogonal to each other.
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