JP6242229B2

JP6242229B2 - 赤外光源

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Publication number: JP6242229B2
Application number: JP2014023099A
Authority: JP
Inventors: 裕己石原; 雄矢桝野; 佐々木　実; 佐々木　　実
Original assignee: Toyota School Foundation; Yazaki Corp
Current assignee: Toyota School Foundation; Yazaki Corp
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2034-02-10
Also published as: JP2015148581A

Description

本発明は、特定波長の赤外線を選択して出射し、他の波長の赤外線を抑制できるものであり、黒体放射を原理とする一般の赤外光源よりもエネルギー利用効率の高い赤外光源に関する。

黒体放射の光源が赤外線ガスセンサでは依然として利用されている。このような光源は特定の波長のみを利用するＮＤＩＲ（非分散型赤外線）方式にはエネルギー効率が低い。

そのため特定波長を選択的に出射する光源が、他分野も含めて研究・開発が進んでいる。この種の光源をＮＤＩＲ方式の赤外線ガスセンサとして利用した場合は、選択した波長とピーク幅はセンサの信号／ノイズ比、エネルギー効率は消費電力および電池駆動でポータブル化した際の寿命に関係する。

特定波長を選択的に出射する光源として、非特許文献１にはヒータとなる金属線の上にサブ波長格子を作る例が記載されている。このようにすることでわずかに特定波長成分が多くなることが報告されている。

また、非特許文献２には、狭くてアスペクト比の高いグレーティング（格子）が記載されている。構造としては、同じく発熱体そのものの上にサブ波長格子を作っている。

上述した、非特許文献１，２は、いずれも、発熱体そのものに赤外線を内部に閉じ込める反射膜を用意した上で、特定波長のみは透過することを許す機能を、発熱体表面の薄い領域で実現することを目指すものである。薄い領域で共振効果を高く得ようとするため、狭くて深い格子のように実現が難しい格子の製作が必要となり、例え製作できても、もともと薄い領域で波長選択性を十分得ることには無理がある。

特許文献１は、本件発明者による発明が記載されたものである。赤外線領域で伝搬距離が長い表面プラズモンの性質を利用し、製作し易い浅い反射型格子と、発熱体によって昇温する素子を有し、前記反射型格子の一部のみが前記発熱体によって昇温する素子と向き合っていることを特徴とする赤外光源が報告されている。波長選択性を得る基本原理を示したものである。赤外光源内部で生じるエネルギー損失を低減するためのデザインについては示していなかった。

特開２０１２−８３３３５号公報 Hitoshi Sai, Yoshiaki Kanamori and Hiroo Yugami "Tuning of the thermal radiation spectrum in the near-infrared region by metallic surface microstructures" J. Micromech. Microeng. 15 (2005) S243-S249 H. T. Miyazaki, K. Ikeda, T. Kasaya, K. Yamamoto, Y. Inoue, K. Fujimura, T. Kanakugi, M. Okada, K. Hatade, and S. Kitagawa "Thermal emission of two-color polarized infrared waves from integrated plasmon cavities" APPLIED PHYSICS LETTERS 92 (2008) 141114

上記特許文献１では、赤外線領域で伝搬距離が長い表面プラズモンの性質を利用し、反射型格子と、高温となる素子を向き合わせて配置することを特徴とする赤外光源の基本原理が示されている。表面プラズモンの伝搬に伴うエネルギー損失が比較的少ないながらも、光源の効率を高くする上で空間配置が重要となる。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、省エネルギー化を図ることが可能な赤外光源を提供することにある。

本発明の赤外光源は、反射型格子と、前記反射型格子と向き合うと共に発熱体によって昇温する素子とを有し、前記素子は平面視したときの前記発熱体の外形の中心部に開口が形成されていることを特徴とする。また、赤外光源は、前記反射型格子が平面状反射型格子で構成されていることが望ましく、前記反射型格子の基板平面と、前記素子の前記開口近傍における平面とが、互いに平行に配置されていることが望ましい。さらに、前記発熱体は、微細加工技術によって製作されたマイクロヒータであることが望ましく、前記素子は、真空パッケージされていることが望ましい。

本発明によれば、表面プラズモンによって鋭い波長選択性を得る光源において、黒体放射を行う熱源と出射口の空間配置として、高温となる素子の中心部に開口を置くことで、表面プラズモンの平均的な伝搬距離を最小とすることができる。表面プラズモンを利用する赤外光源内部で生じる、不可避的な損失を最小とする効果がある。すなわち省エネルギー化の効果が得られる。

本発明の実施形態に係る赤外光源の例を示す外観斜視図である。図１に示した赤外光源の分解斜視図である。図１に示した赤外光源の断面図である。赤外光源の放射スペクトルを示したグラフであり、一つ（太線でピーク強度が大きなもの）は本発明の実施形態に係る発熱体の中心部に開口を形成した光源から、もう一つ（細線でピーク強度が小さなもの）は発熱体の端部に開口を形成した光源から得たものである。

以下、本発明の好適な実施形態を図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す図等の説明は、その一実施形態を例示するものであり、赤外光源を構成する、マイクロヒータの材料、形状及び配置などは、以下に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る赤外光源の例を示す外観斜視図であり、図２は、図１に示した赤外光源の分解斜視図である。また、図３は、図１に示した赤外光源の断面図である。図１及び図２に示すように、赤外光源１は、格子部２と、ヒータ部５と、スペーサ１０と、開口素子部１１と、を備えている。

格子部２は、格子本体３（表面構造の格子３ａを含む）と、反射膜４とを備えている。

格子本体３は、シリコン平面基板から製作され、その一方の平面には、図３に示すように、所定のピッチで格子３ａが形成されている。この格子３ａは、シリコン基板にレジストを塗布し露光によって格子のパターンを形成してエッチング加工により所定のピッチに溝部を形成し、その凹凸の表面に反射膜４（本実施形態ではＣｒ（クロム）及び金（Ａｕ））の薄膜を蒸着により成膜している。このようにすることで、格子３ａが平面状反射型格子として形成される。格子３ａに入射した赤外線１２の一部のみが表面プラズモン１３を励起したのち、格子表面沿いに伝搬する。他の波長は単純に反射や、回折した後に異なる方向に伝搬する。格子３ａ上の各点からヒータ部５を見た立体角が大きいために、ほとんどの赤外線はヒータ部５に再入射する。

本実施形態では、格子３ａの表面には反射膜４としてクロム及び金で成膜した。特に、金は赤外領域の反射率の良さに加えて比較的高い温度（大気中で３５０℃程度）まで安定していることなどから好適である。ただし、金以外でも赤外線を効率よく反射する金属であれば良く、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などを用いてもよい。また、格子本体３の材料には特別な制限がある訳ではなく、シリコン以外にガラスやポリイミドなどを用いてもよい。また、格子本体３の材料そのものが赤外線を効率よく反射する金属である場合には、反射膜４は省略できる。更に、出射する波長によっては、金属以外の材料も利用できる。

ヒータ部５は、シリコン基板６と、発熱体８と、を備えている。

発熱体８は、いわゆる微細加工技術によって製作されたシリコン製のマイクロヒータであって、平板状シリコン基板６は、この発熱体８と一体となっている。発熱体８は、図２に示すように、渦巻き状に形成されており、電流が流されることで加熱されて昇温する素子として機能する。なお、ヒータ部５は、この構成に限らず赤外線を放射するものであれば良いため、発熱体８は金属薄膜ヒータやセラミックヒータやＳｉＣヒータを用いてもよい。

酸化シリコン膜９は、発熱体８を内部に含むシリコン層６と、赤外線出射を定める開口素子部１１を互いに接続している。それらの界面は、発熱体８から出射される赤外線の反射ミラーとしても機能する。図示していないが、反射ミラーを更に外部に配置しても良い。

スペーサ１０は、一対が例えばアルミニウムで細長い板状に形成されている。スペーサ１０は、格子部２とヒータ部５とに挟まれて、格子部２とヒータ部５の間にスペーサ１０の厚み分の間隔を空ける。なお、スペーサ１０は、ヒータ部５の温度（例えば３００℃程度）に耐えうる材料であればよく、シリコン、ステンレス、ポリイミドなどでもよい。また、間隔を空けた固定方法が他に可能であれば、スペーサ１０を有していなくともよい。

格子部２とヒータ部５とは、上述したように、格子３ａとヒータ部５のシリコン基板６とが向かい合うようにスペーサ１０を挟んで固定されている。即ち、格子部２の基板面とヒータ部５の向き合う面（特にシリコン基板６の後述の開口１４近傍における平面）が互いに平行に配置されている。

赤外線出射を定める開口素子部１１は、ヒータ部５を格子部２の反対側から覆うものであって、シリコンにより形成されている。さらに、本実施形態においてヒータ部５によって昇温する素子であるシリコン基板６は、平面視したときにヒータ部５の外形の中心部に開口１４が形成されている。さらに、発熱体８は開口１４に相当する位置を避けて渦巻き状に形成されており、且つ、赤外線出射を定める開口素子部１１にも同位置に開口１４が形成されている。従って、ヒータ部５から放射された赤外線１２は反射膜４の付いた格子３ａによって表面プラズモン１３を励起し、格子表面を伝搬した後、この開口１４から外部に出射される。すなわち、開口１４は赤外線１２の出射口となり、出射口から特定波長を持つ赤外線が選択されて出射される。

このような構成の赤外光源１は、まず、格子本体３に格子３ａを形成し、次に格子３ａ表面への反射膜４を成膜し、次に、格子本体３と組み合わされてヒータ部５を挟むように反射膜またはミラーを形成する。酸化シリコン膜９やシリコンからなる開口素子部１１の内部や周囲媒体（空気や真空）との界面も反射ミラーとして働くが、別に外部ミラーを配置しても良い。

本件発明者らは、上述した構成の赤外光源１について効果を確認した。なお、ヒータ部５の大きさを縦６．５ｍｍ、横６．５ｍｍとし、厚さ２００μｍの導電性シリコンを、幅１５０μｍで長さ３２ｍｍの渦巻き状（開口１４に相当する位置を避けて渦巻き状）発熱体に加工した。また、格子３ａのピッチは３．８μｍであり、反射膜４はシリコン基板上にＣｒ層１０ｎｍ及びＡｕ層１６０ｎｍをこの順に積層して形成した。

図４は、赤外光源の放射スペクトルを示したグラフであり、一つ（太線でピーク強度が大きなもの）は本発明の実施形態に係る発熱体の中心部に開口を形成した光源から、もう一つ（細線でピーク強度が小さなもの）は発熱体の端部に開口を形成した光源から得たものである。なお、図４において縦軸は強度（任意単位）を示し、横軸は波長〔μｍ〕を示している。また、図４において太実線は、本実施形態に係る発熱体の中心部に開口を持つ赤外光源１から得たスペクトルを示し、細実線は従来デザインの赤外光源（発熱体の端部に隣接して開口を持つもの）から得たスペクトルを示している。

発熱体８の温度が３００℃〜４００℃であり、消費電力が２Ｗである場合、図４に示すように、本実施形態に係る赤外光源１は従来の赤外光源の約５倍の強度を示し、出射した光のピーク波長が３．５μｍ程度で、半値幅は１９０ｎｍ程度であった。

このように、本実施形態に係る赤外光源１において強度が増す理由は、開口１４が発熱体８の中央に設けられているためである。すなわち、開口１４が発熱体８の中央に設けられている場合、発熱体の端部に隣接して開口が設けられている場合と比較すると、発熱体８から開口１４までの平均距離が短くなる。このため、表面プラズモン１３の伝搬に伴うエネルギー損失を抑えることとなり、省エネルギー化を図ることができる。

このようにして、本実施形態に係る赤外光源１によれば、表面プラズモン１３によって鋭い波長選択性を得る光源において、黒体放射を行う熱源と出射口の空間配置として、高温となる素子６の中心部に開口１４を置くことで、表面プラズモン１３の平均的な伝搬距離を最小とすることができる。表面プラズモン１３を利用する赤外光源１内部で生じる、不可避的な損失を最小とする効果がある。すなわち省エネルギー化の効果が得られる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

例えば、本実施形態において赤外光源１（少なくともシリコン基板６）は、真空状態の筐体等に覆われて真空パッケージされていてもよいし、発熱体８の全体的な形状は四角ではなく六角や丸形でもよい。発熱体材料はシリコンに限られず、金属薄膜でも良い。材料が高温動作における酸化に耐性を持つよう、保護膜で覆われていても良い。

１…赤外光源
２…格子部
３…格子本体
３ａ…格子
４…反射膜
５…ヒータ部
６…シリコン基板（素子）
８…発熱体
９…酸化シリコン膜
１０…スペーサ
１１…開口素子部
１２…赤外線
１３…表面プラズモン
１４…開口

Claims

反射型格子と、前記反射型格子と向き合うと共に発熱体によって昇温する素子とを有し、
前記素子は平面視したときの前記発熱体の中心部に開口が形成されている
ことを特徴とする赤外光源。
前記反射型格子は、平面状反射型格子で構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の赤外光源。
前記反射型格子の基板平面と、前記素子の前記開口近傍における平面とが、互いに平行に配置されている
ことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の赤外光源。
前記発熱体は、微細加工技術によって製作されたマイクロヒータである
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の赤外光源。
前記素子は、真空パッケージされている
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の赤外光源。