JP6441707B2 - 赤外光源 - Google Patents

Description

本発明は、赤外光源に関する。

従来、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、制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とを有し、反射型格子の一部のみが発熱体にて昇温する素子と向き合う赤外光源が提案されている（例えば特許文献１参照）。

また、発熱体の表面に、正の誘電体として機能する部分と負の誘電体として機能する部分とを一定周期で交互に形成した格子を備えることで、特定波長の赤外線を選択する赤外光源についても提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１２−８３３３５号公報 特開２００７−３２４１２６号公報

ここで、特許文献１，２に記載の赤外光源は、ともに発熱体を備えるものであり、特定波長の赤外線を高効率で出射するためには、発熱体の熱損失が小さいことが好ましい。

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、発熱体の熱損失を抑えて特定波長の赤外線をより高効率で出射することができる赤外光源を提供することにある。

本発明に係る赤外光源は、反射型格子と、電圧が印加されることで発熱する発熱体と、前記反射型格子に向き合うと共に前記発熱体によって昇温される高温部を有した基板と、を備え、前記基板に設けられた開口から特定波長の赤外線を出射する赤外光源であって、前記基板は、前記高温部の周囲全域に空隙が設けられ、前記高温部は、当該高温部を除く前記基板の他の部位と離間していることを特徴とする。

本発明に係る赤外光源によれば、基板は、高温部の周囲に空隙が設けられ、高温部は、当該高温部を除く基板の他の部位と離間しているため、高温部は空隙によって基板の他の部位と熱絶縁された状態となる。よって、高温部は、他の部位によって冷却されず、発熱体の熱損失を抑えて特定波長の赤外線をより高効率で出射することができる。

また、本発明の赤外光源において、前記高温部及び前記他の部位の双方と離間して、前記空隙に周状に設けられる補強部材をさらに備えることが好ましい。

本発明によれば、高温部及び他の部位と離間して、空隙に周状に設けられる補強部材をさらに備えるため、空隙を形成したことによる機械的強度の低下を抑えることとなり、デバイスの破損の可能性を低減することができる。

また、本発明の赤外光源において、前記発熱体は、その外形が円状となっていることが好ましい。

本発明によれば、発熱体は外形が円状となっているため、発熱により発熱体が膨張しても、発熱体の特定箇所に膨張に基づく応力が集中することがなく、発熱体が破損してしまう可能性を抑えることができる。

本発明によれば、発熱体の熱損失を抑えて特定波長の赤外線をより高効率で出射することができる。

本発明の実施形態に係る赤外光源を示す断面図である。 図１に示したヒータ部を示す平面図である。 図２のＡ領域の拡大図である。 図１に示したヒータ部及び空隙部分を含む赤外光源の上面図である。 図４のＢ領域の拡大図である。 図１に示した赤外光源の出射特性を示すグラフであり、（ａ）はダイアフラム部の直径が３．６ｍｍである場合を示し、（ｂ）はダイアフラム部の直径が５．４ｍｍである場合を示している。

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、以下に示すもの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を示す断面図である。図１に示すように、赤外光源１は、格子部２と、薄膜５と、ヒータ部（発熱体）６と、基板７と、を備えている。

格子部２は、格子本体３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１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マスク露光によって格子３ａ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。

本実施形態において、格子３ａの表面は反射膜４としてクロム及び金で成膜されている。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。

薄膜５は、窒化シリコンにより形成される膜部材である。この薄膜５には、円形の孔（開口８）が形成されている。開口８は直径が例えば１ｍｍとなっている。

図２は、図１に示したヒータ部６を示す平面図である。図１及び図２に示すように、ヒータ部６は、薄膜５上に形成され、電流が流されることで発熱するものである。このヒータ部６は、例えばＣｒ膜によって形成されている。また、ヒータ部６は、平面視してその外形が円形となっており、具体的には直径２．５ｍｍの円となっている。このように、ヒータ部６が外形円形となっているため、発熱によりヒータ部６が膨張しても、ヒータ部６の特定箇所に膨張に基づく応力が集中することがなく、ヒータ部６が破損してしまう可能性を抑えることとなる。

また、ヒータ部６は、その外形中心部に円形の開口８が位置しており、開口８の部分を避けるように形成されている。すなわち、ヒータ部６は、中心側にヒータパターンが形成されない略ドーナツ状となっている。

図３は、図２のＡ領域の拡大図である。図２及び図３に示すようにヒータ部６は、パターンが矩形波状に形成されている。詳細にヒータ部６は、矩形波の立上部分６ａ及び立下部分６ｂが径方向となるジグザグのパターンにより構成されている。矩形波の隣接する立上部分６ａと立下部分６ｂとの距離は２０μｍとなっている。

また、図２に示すように、ヒータ部６には、当該ヒータ部６に対して電流を流すための引き出し線９が接続されている。この引き出し線９は９０度間隔で４本形成されており、４本のうちの２本が電極パッドに接続されている。

再度図１を参照する。基板７は、例えばシリコン基板であって、薄膜５を挟んでヒータ部６の反対側の面に設けられている。この基板７には、薄膜５の開口８と連続する開口１０が形成されている。また、基板７は、ヒータ部６の裏面側の部位が、ヒータ部６によって昇温させられる高温部７ａとなる。この高温部７ａは、ヒータ部６と同様に、裏面側から平面視して外形が円状となり、より詳細には、高温部７ａの中心位置に開口１０が形成されている関係上、高温部７ａは裏面側から平面視してドーナツ形状となる。

このような高温部７ａは、ヒータ部６によって昇温させられることにより赤外線１２を放射する。放射された赤外線１２は格子本体３に入射し、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。そして、赤外線１２は開口８，１０から出射される。よって、図１に示すように、高温部７ａの中心部に開口１０が位置する場合には、開口１０までの表面プラズモン１３の伝搬距離を小さくでき、赤外線の出射効率を高めることとなる。

ここで、このような赤外光源１では、ヒータ部６の熱損失が少なく高温部７ａを昇温させることが好ましい。そこで、本実施形態に係る赤外光源１は、高温部７ａの周囲全域に空隙７ｂが形成されている。この空隙７ｂは、裏面側から見た場合において薄膜５を露出させている。このため、高温部７ａは、高温部７ａを除く基板７の他の部位７ｃと離間した状態となっている（薄膜５のみを通じて接続された関係となっている）。

このように、高温部７ａの周囲に空隙７ｂが設けられ、高温部７ａが基板７の他の部位７ｃと離間しているため、高温部７ａは空隙７ｂによって他の部位７ｃと熱絶縁された状態となる。よって、高温部７ａは、他の部位７ｃによって冷却されず、ヒータ部６の熱損失を抑えて特定波長の赤外線１２をより高効率で出射することができることとなる。

図４は、図１に示したヒータ部６及び空隙７ｂ部分を含む赤外光源１の上面図であり、図５は、図４のＢ領域の拡大図である。図４に示すように、空隙７ｂは、外形円形となる高温部７ａの周囲全域に亘って、円形となるように形成されている。このように空隙７ｂの外形が円状であると、薄膜５のみとなる部位も外形が円状となり、外形円状のヒータ部６の熱膨張を円形の薄膜５によって緩和することとなり、より一層破損の可能性を抑えた赤外光源１とすることができる。

ここで、本実施形態では空隙７ｂを設けている関係上、機械的強度が低下してしまう。そこで、本実施形態に係る赤外光源１は、空隙７ｂに周状に設けられる補強部材７ｄをさらに備えている。これにより、機械的強度の低下を抑えるようにしている。なお、補強部材７ｄは、高温部７ａ及び他の部位７ｃの双方と離間して設けられている。

本実施形態において補強部材７ｄは、平面視して円状となっている。このため、空隙７ｂの形状に沿った補強部材７ｄを設けて適切に補強を行うようにしている。また、図１及び図４に示すように、本実施形態では補強部材７ｄの数を５つとしている。

図５等に示すように、５つの補強部材７ｄは、それぞれ隣接する補強部材７ｄ、高温部７ａ又は他の部位７ｃとの間隔が、２００μｍ以上２５０μｍ以下とされている。さらに、補強部材７ｄの径方向の厚みは５０μｍ以上８０μｍとなっている。なお、赤外光源１は、開口８，１０を中心とする、基板７の他の部位７ｃ間（以下ダイアフラム部１１という）の距離は、３．６ｍｍ以上５．４ｍｍ以下となっている。

図６は、図１に示した赤外光源１の出射特性を示すグラフであり、（ａ）はダイアフラム部１１の直径が３．６ｍｍである場合を示し、（ｂ）はダイアフラム部１１の直径が５．４ｍｍである場合を示している。図６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。なお、ヒータ部６の電力は、図６（ａ）において１．２８Ｗであり、図６（ｂ）において１．２４Ｗである。

図６（ａ）に示すように、ダイアフラム部１１の直径を３．６ｍｍとした赤外光源１において空隙７ｂを形成した場合、４．２μｍ〜４．３μｍにおける強度が「１０」に達した。これに対して、図示を省略するが、空隙７ｂを備えない赤外光源では４．２μｍ〜４．３μｍにおける強度が「１０」に達するようなピークが得られなかった。

また、図６（ｂ）に示すように、ダイアフラム部１１の直径を５．４ｍｍとした赤外光源１において空隙７ｂを形成した場合、４．３μｍ〜４．４μｍにおける強度が「２０」〜「２５」に達した。これに対して、図示を省略するが、空隙７ｂを備えない赤外光源では４．２μｍ〜４．３μｍにおける強度が「２０」〜「２５」に達するようなピークが得られなかった。

このように、高温部７ａの周囲に空隙７ｂを設ける赤外光源１では高温部７ａを熱絶縁して特定波長の赤外線をより高効率で出射することができることがわかった。また、ダイアフラム部１１の直径を５．４ｍｍとした方（すなわち高温部７ａと他の部位７ｃとの距離が長い方）が、熱絶縁効果が高く、より一層特定波長の赤外線をより高効率で出射することができることがわかった。そして、このような赤外光源１では、１．２Ｗ程度でも４．３μｍの波長の強度が充分に大きいことがわかった。

このようにして、本実施形態に係る赤外光源１によれば、基板７は、高温部７ａの周囲に空隙７ｂが設けられ、高温部７ａは、当該高温部７ａを除く基板７の他の部位７ｃと離間しているため、高温部７ａは空隙７ｂによって基板７の他の部位７ｃと熱絶縁された状態となる。よって、高温部７ａは、他の部位７ｃによって冷却されず、ヒータ部６の熱損失を抑えて特定波長の赤外線をより高効率で出射することができる。

また、高温部７ａ及び他の部位７ｃと離間して、空隙７ｂに周状に設けられる補強部材７ｄをさらに備えるため、空隙７ｂを形成したことによる機械的強度の低下を抑えることとなり、デバイスの破損の可能性を低減することができる。

また、ヒータ部６は外形が円状となっているため、発熱によりヒータ部６が膨張しても、ヒータ部６の特定箇所に膨張に基づく応力が集中することがなく、ヒータ部６が破損してしまう可能性を抑えることができる。

また、開口８，１０は、ヒータ部６の外形中心部に相当する薄膜５及び基板７の該当箇所に連続して形成されているため、ヒータ部６の反対側に設けられる高温部７ａの中心部に開口１０が位置することとなる。よって、表面プラズモン１３の伝搬距離を小さくでき、赤外線の出射効率を高めることができる。

また、開口８，１０は円形の孔であるため、ヒータ部６は、平面視してドーナツ状に形成されることとなり、開口８，１０が例えば正方形である場合と比較すると、より一層応力が特定箇所に集中し難くなり、ヒータ部６が破損してしまう可能性をより一層抑えることができる。

また、空隙７ｂは、その外形が円状となっているため、薄膜５のみとなる部位も外形が円状となり、外形円状のヒータ部６の熱膨張を円形の薄膜５によって緩和することとなり、より一層破損の可能性を抑えた赤外光源１とすることができる。

また、補強部材７ｄは、平面視して円状に形成されているため、外形が円形となる空隙７ｂに、平面視して円状となる補強部材７ｄを備えることとなり、空隙形状に沿った補強部材７ｄを設けて、適切に補強を行うことができる。

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。

また、ヒータ部６、高温部７ａ、空隙７ｂ、補強部材７ｄ、開口８，１０等は、円形であることが好ましいが、特に円形でなくともよく、平面視して四角形状など、他の形状であってもよい。

さらに、本実施形態に係る赤外光源１においては、基板７と薄膜５との間に酸化シリコン膜を備えていてもよい。これにより、ヒータ部６から出射される赤外線の反射ミラーとしても機能させることができるからである。もっとも、本実施形態に係る赤外光源１ではヒータ部６として用いているＣｒ膜が反射ミラーとしての役割も果たしている。

加えて、格子本体３と基板７との間にはスペーサを備え、スペーサを介して格子本体３と基板７とが接続されるようになっていてもよい。

さらに、本実施形態において赤外光源１は、例えば図１に示すヒータ部６及び薄膜５の部分を覆う他の薄膜を備えていてもよい。この場合、ヒータ部６の機能は、薄膜５内部に電気抵抗の比較的低い領域をパターン形成することで得られる。よって、ヒータ部６は、薄膜内に形成されることとなる。このようなヒータ部６は、Ｓｉ薄膜の中に、高濃度拡散で配線パターンを形成することで作製することができる。合わせて、赤外線が高温部７ａから図の上向きに黒体放射されないように、表面を覆う反射膜を追加して組み合わせることができる。

１ ：赤外光源
２ ：格子部
３ ：格子本体
３ａ ：格子
４ ：反射膜
５ ：薄膜
６ ：ヒータ部（発熱体）
６ａ ：立上部分
６ｂ ：立下部分
７ ：基板
７ａ ：高温部
７ｂ ：空隙
７ｃ ：他の部位
７ｄ ：補強部材
８ ：開口
９ ：引き出し線
１０ ：開口
１１ ：ダイアフラム部
１２ ：赤外線
１３ ：表面プラズモン

Claims (3)

1. 反射型格子と、電圧が印加されることで発熱する発熱体と、前記反射型格子に向き合うと共に前記発熱体によって昇温される高温部を有した基板と、を備え、前記基板に設けられた開口から特定波長の赤外線を出射する赤外光源であって、
   前記基板は、前記高温部の周囲全域に空隙が設けられ、
   前記高温部は、当該高温部を除く前記基板の他の部位と離間している
   ことを特徴とする赤外光源。
2. 前記高温部及び前記他の部位の双方と離間して、前記空隙に周状に設けられる補強部材をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の赤外光源。
3. 前記発熱体は、その外形が円状となっている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の赤外光源。

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