JP5730327B2 - 焦電素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、焦電素子及びその製造方法に関する。

従来、人体検知センサーや火災検知センサーなどの赤外線検出装置として用いられる焦電素子が知られている。焦電素子は、焦電基板と、焦電基板の表面及び裏面に設けられた一対の電極と、を備えており、この一対の電極と焦電基板のうち一対の電極によって挟まれた部分とからなる受光部が形成された構造をしている。この焦電素子では、受光部に照射される赤外線の量が変化すると、焦電効果により焦電基板の分極が変化して受光部の表面及び裏面に電荷が励起される。そして、この電荷を受光部の一対の電極で電圧として取り出すことで、焦電素子を赤外線検出装置として機能させている。例えば、特許文献１には、焦電素子として、焦電基板に受光部を１つだけ形成したシングルタイプの焦電素子や、受光部を２つ形成したデュアルタイプの焦電素子，受光部を４つ形成したクワッドタイプの焦電素子が記載されている。また、特許文献２には、上面に受光電極を設けると共に下面に接地電極を設けた焦電結晶と、これを支持するシリコン板とを備え、シリコン板のうち受光電極に対向する領域に孔を穿った赤外線検出装置が記載されている。この赤外線検出装置では、シリコン板に孔を穿つことで、熱容量の増大を防いで赤外線の検出感度の向上を図っている。

特開平２００６−２０３００９号公報 特開昭５６−４６４３７号公報

ところで、焦電素子において検出感度を向上させる方法として、受光部の表面積を増やすことが挙げられる。表面積が増えることで赤外線により受光部に励起される電荷が増え、取り出せる電圧が上昇するからである。しかし、受光部の表面積を増やすと焦電素子が大型化してしまうという問題があった。

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、大型化することなく焦電素子の検出感度を向上させることを主目的とする。

本発明は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の焦電素子は、
焦電基板と、
空洞が形成され、該空洞以外の部分で前記焦電基板を裏面から支持する支持部材と、
前記焦電基板のうち前記空洞に対向する部分の表裏両面に形成された一対の電極と前記焦電基板のうち前記一対の電極によって挟まれた部分とからなる受光部と、
を備え、
前記焦電基板は、前記空洞に対向する部分に反りが生じている、
ものである。

この焦電素子では、焦電基板のうち空洞に対向する部分に反りが生じているため、同じ大きさで反りが生じていないものと比較して、受光部の表面積が増大する。これにより、大型化させることなく焦電素子の検出感度を向上させることができる。

本発明の焦電素子において、前記焦電基板は、該焦電基板の表面側に凸となるように前記反りが生じ、該反りの頂上が他よりも薄く形成されており、前記受光部は、前記焦電基板のうち前記空洞に対向する部分であって前記頂上を除く部分に該頂上を挟むように複数形成されているものとしてもよい。こうすれば、複数の受光部の間に反りの頂上があり、この頂上が他よりも薄く形成されていることで、複数の受光部の間の熱伝導が起こりにくくなる。これにより、複数の受光部をデュアルタイプやクワッドタイプの焦電素子として用いたときの検出感度が向上する。

本発明の焦電素子において、前記焦電基板は、該焦電基板の表面側に凸となるように前記反りが生じ、該反りの頂上が他よりも薄く形成されており、前記受光部は、前記頂上部分に形成されているものとしてもよい。こうすれば、焦電素子の機械的強度の低下を防ぎつつ検出感度を向上させることができる。この理由を以下に説明する。一般に、焦電基板が薄いほど受光部の熱容量が低下するため検出感度は向上するが、薄いことにより機械的強度は低下してしまう。しかし、焦電基板のうち他よりも薄く形成された頂上部分に受光部を形成することで、焦電基板全体を薄くする場合と比較して焦電素子の機械的強度の低下を防ぐことができる一方、受光部は薄いため熱容量が低下して検出感度が向上するのである。

本発明の焦電素子において、前記支持部材は、前記焦電基板と比べて熱伝導率が低い材料で形成されているものとしてもよい。こうすれば、焦電基板の熱が支持部材に逃げにくくなるため、焦電素子の検出感度が向上する。

本発明の焦電素子において、前記焦電基板は、前記空洞に対向する部分の厚さが０．１〜１０μｍであるものとしてもよい。

本発明の焦電素子の製造方法は、
（ａ）１以上の裏面電極が形成された平坦な焦電基板と、前記裏面電極に対向する部分に空洞が形成され該空洞以外の部分で前記焦電基板を裏面から支持する支持部材とを備えた複合体を形成する工程と、
（ｂ）前記焦電基板のうち前記空洞に対向する部分に反りが生じるまで前記焦電基板の表面を研磨する工程と、
（ｃ）前記焦電基板の表面に前記裏面電極と対をなすように表面電極を形成する工程と、
を含むものである。

この焦電素子の製造方法によれば、工程（ａ）で電極に対向する部分に空洞が形成された複合体を形成し、工程（ｂ）で焦電基板のうち空洞に対向する部分に反りが生じるまで焦電基板の表面を研磨する。この反りにより、同じ大きさで反りが生じていないものと比較して、受光部の表面積が増大した焦電素子が得られる。これにより、大型化させることなく検出感度を向上させた焦電素子が得られる。

この焦電素子の製造方法において、前記工程（ｂ）で、前記焦電基板のうち前記空洞に対向する部分の厚さが０．１〜１０μｍの範囲になるまで前記焦電基板の表面を研磨するものとしてもよい。０．１〜１０μｍの範囲の厚さになるまで表面研磨することで、焦電基板に反りが生じやすくなる。

焦電素子１０の平面図及び断面図である。 図１（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。 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の製造プロセスを模式的に示す断面図である。 焦電素子１０の製造プロセスを模式的に示す断面図である。 変形例の焦電素子２１０の断面図である。 変形例の焦電素子３１０の平面図及び断面図である。 変形例の焦電素子４１０の平面図及び断面図である。 実施例２の焦電素子５１０の平面図及び断面図である。 図９（ｂ）のＦ−Ｆ断面図である。 比較例１の焦電基板６１０の平面図及び断面図である。 電圧感度ＲｖとＳ／Ｎ比とを測定した実験系の説明図である。

次に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１（ａ）は本発明の一実施形態である焦電素子１０の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、図２は図１（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。この焦電素子１０は、２つの受光部６１，６２を備えたデュアルタイプの焦電素子として構成されており、焦電基板２０と、焦電基板２０を支持する支持部材３０と、焦電基板２０の表裏に形成された表面金属層４０及び裏面金属層５０と、を備えている。

焦電基板２０は、焦電体の基板である。焦電基板２０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛などの強誘電体セラミックスや、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの単結晶が挙げられる。なお、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの単結晶を用いる場合、カット角は任意の角度を選択できるが、９０°Ｚカット板に近い方が焦電性が高いため好ましい。この焦電基板２０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０．１〜１０μｍである。この焦電基板２０には、焦電基板２０の表面側に凸となる反りが生じている。また、焦電基板２０は反りの頂上２７に近い部分ほど薄くなるように形成されており、頂上２７は他よりも薄く形成されている。頂上２７の厚さは特に限定するものではないが、例えば、０．１〜１０．０μｍである。なお、図１（ｂ）では、わかりやすくするため焦電基板２０の反りを誇張して示している。

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、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、ガラスやタンタル酸リチウム，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。この理由については後述する。また、この支持部材３０には、図１（ｂ）及び図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。なお、焦電基板２０における上述した反りは、焦電基板２０のうち空洞３８と対向する部分である空洞対向領域２６に生じている。

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。なお、表面電極４１，４２は、空洞３８に対向する部分すなわち空洞対向領域２６上であって、頂上２７を除く部分に形成されており、表面電極４１，４２が頂上２７を挟むように位置している。

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。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。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。

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３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３においては互いに逆方向（図１（ｂ）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３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。受光領域が平坦の場合、人の横切る位置、スピードによってまれに受光部６１、６２に入射する赤外線の量が均一になり、センサーが反応せず誤動作が発生することがある。一方、受光領域が反り、アーチ状になっている場合、人から遠い方の受光部には赤外線が照射されにくく、６１、６２の間にアンバランスが生じやすくなる。よって、人が近づいた時にセンサーが反応しないという誤動作が減少する。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間の電圧を取り出しやすくすることができる。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４１，４２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。

そして、本実施形態では、焦電素子１０は、焦電基板２０のうち空洞３８に対向する部分である空洞対向領域２６に反りが生じている。このため、反りがない場合と比べて受光部６１，６２の受光面積が増大する。受光面積が増大すれば、照射される赤外線の量が同じであっても自発分極により受光領域２１，２２に生じる電荷の量が増え、高い電圧が生じることになる。これにより、反りがない場合と比べて大型化させることなく焦電素子１０の検出感度を向上させることができる。

また、焦電基板２０は、受光部６１，６２間に位置する反りの頂上２７が他よりも薄く形成されている。このため、頂上２７が他と同じ厚さである場合と比較して受光部６１，６２間の熱伝導が起こりにくくなる。ここで、受光部６１，６２間の熱伝導が起こりやすいと、受光部６１，６２に照射される赤外線の量が均等でないにもかかわらず受光部６１，６２の一方から他方へ熱伝導が起こることにより受光領域２１，２２の温度変化の大きさが同程度となってしまう場合がある。この場合、背景の赤外線量が変化した場合と同様に表面電極４１と裏面電極５１との間の電圧と表面電極４２と裏面電極５２との間に生じる電圧とが打ち消しあってリード部４６，４７間の電圧が小さくなってしまい、焦電素子１０が誤不動作となりやすい。本実施形態の焦電素子１０では、頂上２７が薄いことで受光部６１，６２間の熱伝導が起こりにくくなるため、このような誤不動作が防止でき、検出感度を向上させることができる。

さらに、支持部材３０を、焦電基板２０と比べて熱伝導率が低い材料で形成すれば、焦電基板２０の熱が支持部材３０に逃げにくくなる、すなわち、受光領域２１，２２の温度が変化しやすくなる。これにより、わずかな赤外線量の変化であっても温度変化により表面電極４１と裏面電極５１との間や表面電極４２と裏面電極５２との間に電圧が生じるため、焦電素子１０の検出感度を向上させることができる。

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４及び図５は、焦電基板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４（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２００〜５００μｍ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４（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４（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４（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に反りが生じるまで焦電基板１２０の表面を研磨する（図４（ｅ））。ここで、図４（ｄ）の複合体１１０において焦電基板１２０の表面を研磨すると、ある程度以上焦電基板１２０が薄くなったときに焦電基板１２０のうち空洞１３８に対向する部分である空洞対向領域１２６に反りが生じる。このような現象が生じる原因は、焦電基板１２０に裏面金属層１５０を形成した際に裏面金属層１５０に残留応力が生じていることにあると考えられる。すなわち、焦電基板１２０が薄くなることでこの残留応力により裏面金属層１５０及び焦電基板１２０が反るものと考えられる。なお、反りが生じるのは焦電基板１２０のうち空洞１３８に対向している空洞対向領域１２６だけであり、支持層１３２に支持されている部分には反りが生じない。さらに、空洞１３８に対向する部分に裏面金属層１５０が全く形成されていない場合にも、やはり反りは生じない。なお、反りが生じるまで研磨する際には、特に限定するものではないが、例えば焦電基板１２０のうち空洞１３８に対向している空洞対向領域１２６の厚さが０．１〜１０μｍの範囲になるまで研磨を行うものとしてもよい。どのような厚さまで研磨するか（あるいは研磨時間をどの程度にするか）は、予め複合体１１０において焦電基板１２０を研磨して、どの程度の厚さまで研磨すれば反りが生じるかを実験により調べることで、定めておくことができる。

また、空洞対向領域１２６が焦電基板１２０の表面側に凸となるような反りが生じる厚さとなった後さらに研磨を続けることで、反りの頂上１２７に近い部分ほど焦電基板１２０の表面が研磨されやすくなる。これにより、図４（ｅ）に示すように焦電基板１２０のうち反りの頂上１２７に近い部分ほど薄くなるように形成し、頂上１２７を他よりも薄く形成することができる。

こうして焦電基板１２０を研磨すると、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（ａ））。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（図５（ｂ））。これにより、図１〜２に示した焦電素子１０が複数得られる。

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、上述した実施形態では、支持部材３０は支持層３２，接着層３４，支持基板３６からなるものとしたが、支持部材３０は空洞３８が形成され、空洞３８以外の部分で焦電基板１２０を裏面から支持するものであればよい。例えば、支持部材３０は支持層３２を備えず、接着層３４及び支持基板３６からなるものとしてもよい。この場合の変形例の焦電素子２１０を図６に示す。なお、図６において、図１〜図２に示した焦電素子１０と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。図示するように、焦電素子２１０における支持部材２３０は、接着層２３４と、接着層２３４により焦電基板２０の裏面に接合された支持基板２３６と、を備えている。なお、この支持部材２３０と図１に示した支持部材３０とは、構成要素は異なるものの形状は同じである。接着層２３４及び支持基板２３６は、上述した接着層３４及び支持基板３６と同じ材料を用いることができる。支持基板２３６には、凹部が設けられており、この凹部が空洞３８となっている。そして、支持基板２３６は、この空洞３８以外の部分で焦電基板２０を裏面から支持している。このようにしても、本実施形態の焦電素子１０と同様の効果を得ることができる。この焦電素子２１０は、例えば次のように製造することができる。まず、図４（ａ），（ｂ）と同様の工程を行う。そして、図４（ｃ），（ｄ）の代わりに、支持基板２３６となる平坦な支持基板を用意し、フォトリソグラフィにより支持基板２３６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する。その後、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。そして、接着層２３４となる接着剤により支持基板２３６と焦電基板１２０とを貼り合わせて複合体を形成する。そして、図４（ｅ），図５（ａ），（ｂ）と同様の工程により図６の焦電素子２１０を形成する。

上述した実施形態では、空洞３８は、支持層３２により四角く囲われているものとしたが、支持部材３０が空洞３８以外の部分で焦電基板２０を裏面から支持しており、受光部４１，４２が焦電基板２０のうち空洞３８に対向する部分に形成されていれば、空洞３８はどのような形状としてもよい。例えば、支持層３２により丸く囲われているものとしてもよいし、空洞３８が支持層３２に完全には囲われておらず、一部が焦電素子１０の外周に面していてもよい。

上述した実施形態では、焦電素子１０はデュアルタイプの焦電素子であるものとしたが、受光部を１つだけ備えたシングルタイプや４つ備えたクワッドタイプの焦電素子としてもよい。クワッドタイプの焦電素子とする場合、４つの受光部のうち、少なくとも２つの受光部が反りの頂上２７を挟むように形成されていればよい。こうすれば、頂上２７を挟む２つの受光部の間では、頂上２７が薄いことにより両者の間の熱伝導が起こりにくくなる効果が得られる。なお、シングルタイプや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。

上述した実施形態では、焦電基板の空洞対向領域２６は、表面側に凸となるよう反りが生じているものとしたが、裏面側に凸となるよう反りが生じていてもよい。この場合でも、受光部６１，６２の表面積が増大する効果が得られる。

上述した実施形態では、受光部６１，６２は、空洞３８に対向する部分であって頂上２７を除く部分に頂上２７を挟むように位置しているものとしたが、これに限らず空洞３８に対向する部分であればいずれに位置しているものとしてもよい。この場合でも、空洞対向領域２６に反りが生じていれば受光部６１，６２の受光面積は増大するため、検出感度が向上する効果は得られる。また、受光部を頂上２７に形成してもよい。この場合の変形例の焦電素子３１０を図７に示す。なお、図７（ａ）は焦電素子３１０の平面図，図７（ｂ）は図７（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図７において、図１に示した焦電素子１０と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。図示するように、焦電素子３１０における受光部３６１は、一対の電極（表面電極３４１及び裏面電極３５１）と、焦電基板２０のうち表面電極３４１と裏面電極３５１とに挟まれた部分である受光領域３２１とで形成されている。表面電極３４１は頂上２７を含む焦電基板２０の表面に形成され、裏面電極３５１は表面電極３４１に対向するように焦電基板２７の裏面に形成されている。すなわち、受光部３６１は頂上２７に形成されている。この焦電素子３１０は、受光部３６１を１つ備えたシングルタイプの焦電素子として用いたり、複数の焦電素子３１０を組み合わせてデュアルタイプやクワッドタイプの焦電素子として用いたりすることができる。この焦電素子３１０では、焦電基板２０の頂上２７に受光部３６１が形成されており焦電基板２０全体を頂上２７と同じ厚さまで薄くする場合と比較して焦電素子３１０の機械的強度の低下を防ぐことができる一方、受光部３６１は薄いため受光部３６１の熱容量が低下して検出感度が向上する。なお、焦電素子３１０は、図１，２におけるリード部４６，４７と同様に、受光部３６１と他の回路とを接続しやすくするため焦電基板２０の表面や裏面にリード部を形成してもよい。

上述した実施形態では、焦電基板２０は、反りの頂上２７に近い部分ほど薄くなるように形成されているものとしたが、頂上２７が他よりも薄く形成されていればよく、例えば頂上２７及びその周辺を含む領域のみが他よりも薄く形成され、それ以外の部分は同じ厚さとしてもよい。この場合の変形例の焦電素子４１０の平面図を図８（ａ）に、図８（ａ）のＤ−Ｄ断面図を図８（ｂ）に示す。なお、図８における焦電素子４１０は、図１に示す焦電素子１０と同じ構成要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。この焦電素子４１０では、図示するように、焦電基板４２０のうち空洞３８に対向する空洞対向領域４２６のうち、頂上４２７及びその周辺を含む領域４２８のみが他よりも薄く形成されている。この場合でも、頂上４２７を挟む２つの受光部６１，６２の間では、頂上４２７が薄いことにより両者の間の熱伝導が起こりにくくなる効果が得られる。

［実施例１］
実施例１として、図４及び図５を用いて説明した製造方法により図１〜２に示した焦電素子１０を作製した。まず、焦電基板１２０として、ＯＦ部を有し、直径４インチ，厚さが３５０μｍのタンタル酸リチウム基板（ＬＴ基板）を用意した（図４（ａ））。ＬＴ基板は４２°Ｙオフカット板を用いた。続いて、この焦電基板１２０の裏面にニッケル及びクロムからなる裏面金属層１５０を形成した（図４（ｂ））。裏面金属層１５０の形成は、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，焦電基板１２０の温度は約１００℃であった。これにより、厚さ０．１２μｍの裏面金属層１５０を形成した。なお、裏面金属層１５０のパターンは、裏面電極５１，５２がそれぞれ縦２ｍｍ，横０．５ｍｍ、リード部５６が縦０．１ｍｍ，横０．５ｍｍの大きさとなるように形成した。

続いて、焦電基板１２０の裏面に、二酸化珪素からなる支持層１３２を形成した（図４（ｃ））。具体的には、まず、スパッタリングにより焦電基板１２０の裏面全体に厚さ０．５μｍの二酸化珪素膜を形成し、この二酸化珪素膜のうち支持層１３２として残したい部分にのみフォトリソグラフィによりレジスト膜（OFPR−800LB，東京応化製，ポジ型感光性レジスト）を形成してエッチングマスクとした。その後、フッ酸に５分間浸漬して二酸化珪素膜のうち空洞３８となる縦２．１ｍｍ，横２．１ｍｍの部分を除去することで支持層１３２を形成した。

次に、支持基板１３６として、ＯＦ部を有し、直径４インチ，厚さが５００μｍのガラス基板を用意した。続いて、支持基板１３６の表面及び支持層１３２の裏面の両方にエポキシ接着剤を１μｍ塗布し、支持基板１３６の表面と支持層１３２の裏面とを貼り合わせた。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、貼り合わせた焦電基板１２０，支持層１３２，支持基板１３６を２００℃の環境下で１時間放置してエポキシ接着剤を硬化させて複合体１１０とした（図４（ｄ））。これにより、エポキシ接着剤は接着層１３４となり、縦２．１ｍｍ，横２．１ｍｍ，深さ０．５μｍの空洞１３８が形成された。

そして、支持基板１３６の裏面を炭化珪素で作成した研磨治具に接着固定し、焦電基板１２０の表面を固定砥粒の研削機で研削加工し、焦電基板１２０の厚みを５０μｍまで薄くした。さらに、焦電基板１２０の表面をダイヤモンド砥粒で研磨加工し、厚みを１０μｍまで薄くした。その後、ダイヤモンド砥粒による研磨加工で焦電基板１２０に生じた加工変質層を除去するために、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、焦電基板１２０の厚みが５．００μｍとなるまで研磨した（図４（ｅ））。

こうして焦電基板１２０を研磨すると、焦電基板１２０の表面に表面電極１４０を形成した（図５（ａ））。この工程は、裏面電極１５０の形成と同様の材料及び条件で行った。なお、表面金属層１４０のパターンは、表面電極４１，４２がそれぞれ縦２ｍｍ，横０．５ｍｍ、リード部４６，４７がそれぞれ縦０．５ｍｍ，横０．５ｍｍの大きさとなるように形成した。そして、表面金属層１４０を形成した複合体１１０から縦２．５ｍｍ×横２．５ｍｍの焦電素子１０をダイシングにより切り出した（図５（ｂ））。これにより、実施例１の焦電素子として、図１〜３に示した焦電素子１０を１０００個得た。

［実施例２］
実施例２として、図９，１０に示す焦電素子５１０を作製した。図９（ａ）は焦電素子５１０の平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＥ−Ｅ断面図、図１０は図９（ｂ）のＦ−Ｆ断面図である。この焦電素子５１０は、空洞５３８が直径１２０μｍの円柱状をしており、空洞５３８に対向する空洞対向領域５２６は円形をしていること、及び表面電極５４１，５４２や裏面電極５５１，５５２の焦電基板５２０に占める大きさが小さくなっている点以外は、図６に示した焦電素子２１０と同じである。そのため、焦電素子２１０の構成要素と同一の構成要素については同一の符合を付し、対応する構成要素については値５００を加えた符号を付してその説明を省略する。なお、焦電素子５１０の大きさは縦０．２ｍｍ，横０．２ｍｍ、表面電極５４１，５４２の大きさはそれぞれ縦０．１ｍｍ，横０．０３ｍｍ，厚さ０．２μｍ、リード部５４６，５４７の大きさはそれぞれ縦０．０２ｍｍ，横０．０３ｍｍ，厚さ０．２μｍ、裏面電極５５１，５５２の大きさはそれぞれ縦０．１ｍｍ，横０．０３ｍｍ，厚さ０．２μｍとした。

この実施例２は、上述した図４（ｃ），（ｄ）の工程の代わりに、図６で説明した製造方法により支持基板２３６に空洞５３８を形成し、接着層２３４を介して焦電基板１２０と貼り合わせて複合体とした点以外は、上述した実施例１と同様にして作製した。なお、支持基板２３６への空洞５３８の形成は、実施例１と同様に、フォトリソグラフィにより支持基板２３６として残したい部分にのみレジスト膜（OFPR−800LB、東京応化製、ポジ型感光性レジスト）を形成してエッチングマスクとし、フッ酸に５分間浸漬して空洞５３８となる直径１２０μｍ，深さ１μｍの部分を除去することで行った。また、支持基板２３６と焦電基板１２０との貼り合わせは、実施例１における支持層１３２と支持基板１３６との貼り合わせと同様の手順で行った。

［実施例３］
実施例３として、実施例１における焦電基板１２０をＺカット板のニオブ酸リチウム（ＬＮ）とした焦電素子１０を作製した。それ以外の実施例３の焦電素子１０の構造及び作製手順は実施例１と同様とした。

［比較例１］
比較例１として、図１１に示す焦電素子６１０を作製した。図１１（ａ）は焦電素子６１０の平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＧ−Ｇ断面図である。この焦電素子６１０は、図１１（ａ）に示すように平面視では実施例２の焦電素子５１０と同じ構成であり、裏面金属層６５０の形状も平面視で図９の裏面金属層５５０と同じ形状である。そのため、焦電素子５１０に対応する構成要素については値１００を加えた符号を付して、その説明を省略する。焦電素子６１０の支持部材６３０は、接着層６３４と支持基板６３６とで構成されており、接着層６３４は焦電素子３１０の接着層２３４と異なり焦電基板６２０の裏面全面に形成されている。そのため、裏面金属層６５０は焦電基板６２０及び接着層６３４に囲まれており露出していない。また、支持基板６３６は、焦電素子３１０の支持基板２３６とは異なり、図１１（ｂ）示すように下側から開けられた孔を有している。この孔が空洞６３８となっている。

この比較例１の焦電素子６１０は、以下のようにして作製した。まず、実施例２と同様、図４（ａ），（ｂ）のように焦電基板６２０に裏面金属層６５０を形成した。続いて、支持基板６３６となる平坦な支持基板を用意し、接着層６３４となる接着剤により支持基板の表面と焦電基板６２０の裏面とを貼り合わせて複合体を形成した。次に、実施例１と同様に焦電基板６２０の厚みが５．００μｍとなるまで研磨した。そして、支持基板の裏面のうちフォトリソグラフィにより支持基板６３６として残したい部分のみにレジスト膜を形成してエッチングマスクとし、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を除去して支持基板６３６とした。これにより除去された部分が空洞６３８として形成された。その後、裏面金属層６５０の形成と同様にして焦電基板６２０の表面に表面金属層６４０を形成し、ダイシングにより縦２．５ｍｍ×横２．５ｍｍの焦電素子６１０を１０００個切り出して、比較例１の焦電素子６１０を得た。

［比較例２］
比較例２として、比較例１における焦電基板６２０をＺカット板のニオブ酸リチウムとした焦電素子を作製した。それ以外の比較例２の焦電素子の構造及び作製手順は比較例１と同様とした。

［評価試験１］
実施例１〜３及び比較例１，２の焦電素子について、焦電基板の厚さを測定した。測定は、厚み分布をレーザー干渉計を用いて測定することで行った。実施例１の焦電素子１０では、焦電基板２０に反りが生じており、レーザー干渉計により厚み分布による干渉縞が見られた。具体的には、焦電基板２０の表面のうち頂上２７とそれ以外との高さの差（反り量）は最大約１０μｍであった。また、空洞部が形成されていない焦電基板２０の厚さは５．０μｍ±０．０２μｍであった。焦電基板２０は反りの頂上２７に近い部分ほど薄くなるように形成され、頂上２７の厚さは４．５μｍであった。実施例２の焦電素子５１０でも、焦電基板５２０に反りが生じており、レーザー干渉計により厚み分布による干渉縞が見られた。具体的には、焦電基板５２０の表面のうち頂上５２７とそれ以外との高さの差（反り量）は約２μｍであった。また、空洞部が形成されていない焦電基板５２０の厚さは５．０μｍ±０．０２μｍであった。焦電基板５２０は反りの頂上５２７に近い部分ほど薄くなるように形成され、頂上５２７の厚さは４．５μｍであった。厚み分布（厚さの最大値と最小値との差）は最小値を１００％として約１０％であった。実施例３の焦電素子１０では、焦電基板２０に反りが生じており、レーザー干渉計により厚み分布による干渉縞が見られた。具体的には、焦電基板２０の表面のうち頂上２７とそれ以外との高さの差（反り量）は最大約１０μｍであった。また、空洞部が形成されていない焦電基板２０の厚さは５．０μｍ±０．０２μｍであった。焦電基板２０は反りの頂上２７に近い部分ほど薄くなるように形成され、頂上２７の厚さは４．５μｍであった。これに対し比較例１，２では、焦電基板６２０の厚さは５．０μｍ±０．０２μｍであり、実施例１，２の頂上２７，５２７のように他よりも薄く形成された部分や焦電基板６２０の反りは存在しなかった。

［評価試験２］
実施例１〜３及び比較例１，２の焦電素子について、図１２に示す実験系にて電圧感度ＲｖとＳ／Ｎ比とを測定した。この実験系では、赤外線は、黒体放射装置７０２を使用して焦電素子まで平面波ミラー７０４とコンカーブミラー７０６を用いてアライメントし、チョッパー７０８を介して焦電素子の受光部の表面に集光した。入力赤外光は、チョッパー７０８により周波数１０Ｈｚでチョッピングして照射した。焦電素子の電圧感度Ｒｖは、ロックインアンプ７１０で測定した。なお、ロックインアンプ７１０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。各焦電素子のＳ／Ｎ比を表１に示す。
Ｓ／Ｎ＝Ａ^0.5×Ｒv／Ｖn（Ａはセンサの受光面積）

評価試験１の結果から、実施例１〜３の焦電素子は、受光部（裏面電極）に対向する部分に空洞が形成された複合体を形成してから焦電基板の表面を所定の厚さになるまで研磨することで、焦電基板のうち空洞に対向する部分に反りが生じることが確認できた。また、実施例１〜３の焦電素子は、比較例１，２と異なり焦電基板のうち受光部に挟まれた頂上が薄く形成されていることが確認できた。

また、評価試験２の結果から、焦電素子としての性能を示すＳ／Ｎ比は、実施例１と比較例１との比較，実施例３と比較例２との比較から、焦電基板のうち受光部６１，６２に挟まれた頂上２７が他よりも薄く形成され、受光領域２１，２２が比較例の受光領域６２１，６２２よりも薄く形成され、焦電基板２０に反りが生じて受光部６１，６２の受光面積が大きくなっていることにより、焦電素子のＳ／Ｎ比が大きい値となり、焦電素子としての性能が高いことがわかった。

本出願は、２０１１年２月２４日に出願された日本国特許出願第２０１１−０３７８５０号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。

産業状の利用可能性

本発明は、例えば人体検知センサーや火災検知センサーなど、焦電素子を用いた赤外線検出装置に利用可能である。

１０，１１０，２１０，３１０，４１０，５１０，６１０ 焦電素子、２０，１２０，４２０，５２０，６２０ 焦電基板、２１，２２，３２１，５２１，５２２，６２１，６２２ 受光領域、２６，４２６，５２６，６２６ 空洞対向領域、２７，４２７，５２７ 頂上、３０，１３０，２３０，３３０，６３０ 支持部材、３２，１３２ 支持層、３４，１３４，２３４，３３４，６３４ 接着層、３６，１３６，２３６，３３６，６３６ 支持基板、３８，１３８，３３８，５３８，６３８ 空洞、４０，１４０，５４０，６４０ 表面金属層、４１，４２，３４１，５４１，５４２，６４１，６４２ 表面電極、４６，４７，５４６，５４７，６４６，６４７ リード部、５０，１５０，５５０，６５０ 裏面金属層、５１，５２，３５１，５５１，５５２，６５１，６５２ 裏面電極、５６，５５６，６５６ リード部、６１，６２，３６１，５６１，５６２，６６１，６６２ 受光部，４２８ 領域、７０２ 黒体放射装置、７０４ 平面波ミラー、７０６ コンカーブミラー、７０８ チョッパー、７１０ ロックインアンプ。

Claims (7)

1. 焦電基板と、
   空洞が形成され、該空洞以外の部分で前記焦電基板を裏面から支持する支持部材と、
   前記焦電基板のうち前記空洞に対向する部分の表裏両面に形成された一対の電極と前記焦電基板のうち前記一対の電極によって挟まれた部分とからなる受光部と、
   を備え、
   前記焦電基板は、前記空洞に対向する部分に反りが生じており、
   前記焦電基板は、該焦電基板の表面側に凸となるように前記反りが生じ、該反りの頂上が他よりも薄く形成されており、
   前記受光部は、前記焦電基板のうち前記空洞に対向する部分であって前記頂上を除く部分に該頂上を挟むように複数形成されている、
   焦電素子。
2. 焦電基板と、
   空洞が形成され、該空洞以外の部分で前記焦電基板を裏面から支持する支持部材と、
   前記焦電基板のうち前記空洞に対向する部分の表裏両面に形成された一対の電極と前記焦電基板のうち前記一対の電極によって挟まれた部分とからなる受光部と、
   を備え、
   前記焦電基板は、前記空洞に対向する部分に反りが生じており、
   前記焦電基板は、該焦電基板の表面側に凸となるように前記反りが生じ、該反りの頂上が他よりも薄く形成されており、
   前記受光部は、前記頂上部分に形成されている、
   焦電素子。
3. 前記支持部材は、前記焦電基板と比べて熱伝導率が低い材料で形成されている、
   請求項１又は２に記載の焦電素子。
4. 前記焦電基板は、前記空洞に対向するいずれの部分の厚さも０．１〜１０μｍの範囲内である、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の焦電素子。
5. （ａ）１以上の裏面電極が形成された平坦な焦電基板と、前記裏面電極に対向する部分に空洞が形成され該空洞以外の部分で前記焦電基板を裏面から支持する支持部材とを備えた複合体を形成する工程と、
   （ｂ）前記焦電基板のうち前記空洞に対向する部分に反りが生じるまで前記焦電基板の表面を研磨する工程と、
   （ｃ）前記焦電基板の表面に前記裏面電極と対をなすように表面電極を形成する工程と、
   を含み、
   前記工程（ｂ）では、前記焦電基板の表面側に凸となるように前記反りが生じ、該反りの頂上が他よりも薄く形成されるように前記焦電基板の表面を研磨し、
   前記工程（ａ）では、前記焦電基板は、前記工程（ｂ）における前記焦電基板の反りの頂上となる部分を除く部分に該頂上となる部分を挟むように前記裏面電極が複数形成されている、
   焦電素子の製造方法。
6. （ａ）１以上の裏面電極が形成された平坦な焦電基板と、前記裏面電極に対向する部分に空洞が形成され該空洞以外の部分で前記焦電基板を裏面から支持する支持部材とを備えた複合体を形成する工程と、
   （ｂ）前記焦電基板のうち前記空洞に対向する部分に反りが生じるまで前記焦電基板の表面を研磨する工程と、
   （ｃ）前記焦電基板の表面に前記裏面電極と対をなすように表面電極を形成する工程と、
   を含み、
   前記工程（ｂ）では、前記焦電基板の表面側に凸となるように前記反りが生じ、該反りの頂上が他よりも薄く形成されるように前記焦電基板の表面を研磨し、
   前記工程（ａ）では、前記焦電基板は、前記工程（ｂ）における前記焦電基板の反りの頂上となる部分に前記裏面電極が形成されている、
   焦電素子の製造方法。
7. 前記工程（ｂ）で、前記焦電基板のうち前記空洞に対向する部分の厚さが０．１〜１０μｍの範囲になるまで前記焦電基板の表面を研磨する、
   請求項５又は６に記載の焦電素子の製造方法。
   
   

Images