JP6500496B2 - 焦電型赤外線検出器 - Google Patents

Description

本発明は、焦電効果を利用して赤外線を検出する焦電型赤外線検出器に関する。

焦電型赤外線検出器は、入射される赤外線のエネルギーの変化を焦電効果を利用して電気エネルギーの変化として出力する。即ち、赤外線のエネルギーによる温度変化により分極状態が変化する焦電結晶での電荷の発生を利用して、赤外線が検出される。焦電型赤外線検出器は、例えばフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）や人体を対象にした近接センサなどに利用される。

焦電型赤外線検出器に使用される焦電結晶として、重水素化硫酸トリグリシン（ＤＴＧＳ）単結晶や重水素化Ｌ−アラニンドープ硫酸トリグリシン（ＤＬＡＴＧＳ）単結晶などが検討されている。ＤＴＧＳは、硫酸トリグリシン（ＴＧＳ）結晶の水素原子のすべて又は一部を重水素に置換し、キュリー温度をＴＧＳ結晶よりも高くしたものである。更にＬ−α−アラニンをドープしたものが、ＤＬＡＴＧＳである。ＤＴＧＳ単結晶やＤＬＡＴＧＳ単結晶を焦電結晶に用いることにより、優れた焦電特性の焦電型赤外線検出器が得られる。

ところで、分極状態の変化によって焦電結晶が変形する。このため、焦電結晶を用いた赤外線センサでは、赤外線センサの下面（受光面とは反対側の面）の全体や複数個所を基板に固着した場合に、赤外線センサの変形が無理に抑えられることになる。その結果、焦電結晶が圧電性であるためにノイズ（以下において「圧電性ノイズ」という。）が発生したり、焦電結晶にクラックが発生したりする問題がある。特に、薄いＤＴＧＳ単結晶やＤＬＡＴＧＳ単結晶などを焦電結晶に用いた場合にこの問題は顕著である。このため、例えば赤外線センサの下面の中央の略円形領域だけを導電性ペーストで支持し、下面の他の領域と基板との間を空隙とする構造などが採用される（例えば、特許文献１参照。）。この構造により、赤外線センサの変形が可能となり、圧電性ノイズやクラックの発生が防止される。

特許第４５８１６０９号公報

しかしながら、赤外線センサの下面の中央領域だけを支持する構造の場合には、熱平衡状態の変化に起因して焦電結晶の基板から浮いている部分が変形し、変形した部分が赤外線センサを搭載する基板に接触するという問題があった。基板との接触によって焦電結晶の分極状態が変化するなどしてノイズが発生し、検出精度が低下する。

上記問題点に鑑み、本発明は、赤外線センサの下面の中央領域だけを基板で支持する構造を有しつつ、検出精度の低下を抑制できる焦電型赤外線検出器を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（ア）基板と、（イ）受光面と受光面に対向する下面とを連結する側面同士が交差するコーナー部が面取りされた焦電結晶、受光面の中央に配置された上部電極、及び下面の中央に配置された下部電極を有する赤外線センサとを備え、赤外線センサが下面の中央領域においてのみ基板に支持され、中央領域を除いた下面の他の領域では赤外線センサと基板との間に空間が設けられている焦電型赤外線検出器が提供される。

本発明によれば、赤外線センサの下面の中央領域だけを基板で支持する構造を有しつつ、検出精度の低下を抑制できる焦電型赤外線検出器を提供できる。

本発明の実施形態に係る焦電型赤外線検出器の構造を示す模式的な側面図である。 本発明の実施形態に係る焦電型赤外線検出器の構造を示す模式的な平面図である。 焦電結晶と基板との接触を説明するための写真であり、図３（ａ）は焦電結晶の変形していない状態を示し、図３（ｂ）は焦電結晶の変形した状態を示す。 ＦＴＩＲ測定における接触ノイズの発生を示すグラフである。 比較例１の構成を示す模式的な側面図である。 比較例２の構成を示す模式的な側面図である。 焦電結晶のサイズが小さい比較例を示す模式的な平面図である。 本発明のその他の実施形態に係る焦電型赤外線検出器の構造を示す模式的な平面図である。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。

又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施形態に係る焦電型赤外線検出器１は、図１及び図２に示すように、基板１０と、受光面２１１と受光面２１１に対向する下面２１２とを連結する側面同士が交差するコーナー部が面取りされた焦電結晶２１を有する赤外線センサ２０とを備える。焦電結晶２１の赤外線が入射される受光面２１１には上部電極２２が配置され、焦電結晶２１の下面２１２には下部電極２３が配置されて、赤外線センサ２０が構成されている。なお、赤外線が入射する上部電極２２の表面に、熱変換効率を上げるための黒化膜２４が配置されている。

図１及び図２に示すように、焦電型赤外線検出器１では、赤外線センサ２０が下面２１２の中央領域においてのみ基板１０に支持されている。つまり、中央領域を除いた下面２１２の他の領域では、赤外線センサ２０と基板１０との間に空間が設けられている。

基板１０は、例えばセラミック基板である。基板１０の基板表面１０１には導電パターン１１が形成されている。基板１０の導電パターン１１と赤外線センサ２０の下部電極２３とは、導電性接着材３０を介して電気的に接続されている。焦電結晶２１の下面２１２の中央領域だけに配置された導電性接着材３０によって、赤外線センサ２０が基板１０に固着されている。このため、導電性接着材３０が配置されていない下面２１２の中央領域以外では、焦電結晶２１の下面２１２と基板１０の基板表面１０１との間に空間が生じている。導電性接着材３０の厚み、即ち焦電結晶２１と基板１０との間の空間は、例えば１０μｍ〜２０μｍ程度である。導電性接着材３０には、導電性ペーストなどが使用される。

図１に示すように、赤外線センサ２０及び基板１０は、パッケージ４０の内部に格納されている。赤外線は、パッケージ４０に設置された入射窓４１を透過して、焦電結晶２１の受光面２１１に入射する。入射窓４１には赤外線を透過する材料が使用され、例えばタリウムハライドの混晶であるＫＲＳ−５などが好適に用いられる。

また、基板１０には、第１電極端子５１、第２電極端子５２、第３電極端子５３が配置されている。以下において、第１電極端子５１、第２電極端子５２、第３電極端子５３を総称して「電極端子５０」という。電極端子５０は、上部が基板表面１０１上に突出した状態で基板１０に埋め込まれている。第１電極端子５１、第２電極端子５２、第３電極端子５３のそれぞれは、パッケージ４０を貫通する第１ピン６１、第２ピン６２、第３ピン６３に接続されている。

焦電型赤外線検出器１では、パッケージ４０の内部に格納されたＦＥＴ７０によって、赤外線センサ２０の焦電結晶２１における電荷の発生によりに生じた電気信号を増幅する。ＦＥＴ７０は、例えば図２に示すように、基板１０の基板表面１０１に配置される。なお、図１ではＦＥＴ７０の図示を省略している。

ＦＥＴ７０のソース端子７１は、導電パターン１１を介して基板表面１０１で第１電極端子５１と電気的に接続されている。ＦＥＴ７０のドレイン端子７２は、導電パターン１１を介して基板表面１０１で第２電極端子５２と電気的に接続されている。また、ＦＥＴ７０のゲート端子７３は、導電性接着材３０と導電パターン１１を介して、赤外線センサ２０の下部電極２３と電気的に接続されている。

一方、赤外線センサ２０の上部電極２２は、ワイヤ８０を介して第３電極端子５３と電気的に接続されている。

従来のＴＧＳ系結晶を使用した場合よりも優れた焦電特性が得られるため、ＤＴＧＳ単結晶やＤＬＡＴＧＳ単結晶が焦電結晶２１に好適に使用される。例えば、受光面２１１を２ｍｍ×２ｍｍ程度の平板状に切り出したＤＴＧＳ単結晶やＤＬＡＴＧＳ単結晶が、焦電結晶２１に使用される。

なお、赤外線センサ２０の感度を高くするために、焦電結晶２１に使用するＤＴＧＳ単結晶やＤＬＡＴＧＳ単結晶の厚みは１０μｍ〜２０μｍ程度に薄くする必要がある。このため、赤外線が入射されることによって生じる赤外線センサ２０の変形が大きい。したがって、例えば赤外線センサ２０の下部の全面を基板１０に固着させた場合には、赤外線センサ２０の変形が無理に抑えられる。その結果、既に述べたように、圧電性ノイズが発生したり焦電結晶にクラックが発生したりする。

しかし、図１に示した焦電型赤外線検出器１では、赤外線センサ２０の下部の中央領域だけを基板１０に固着し、下部の他の領域と基板１０との間に空間が設けられている。この構造により、赤外線センサ２０の変形が可能となり、焦電結晶２１の内部のストレスが緩和される。その結果、圧電性ノイズやクラックの発生が防止される。なお、導電性接着材３０が所望の領域で赤外線センサ２０と基板１０との間で広がるように、例えば導電性接着材３０として使用される導電性ペーストの粘度やディスペンサによる導電性ペーストの塗布量などを調整する。

ところで、赤外線センサ２０が下面の中央領域においてのみ基板１０に支持されているため、赤外線を受光した焦電結晶２１が膜厚方向に変形した際に、基板１０に対して浮いている焦電結晶２１の端部と基板１０とが接触する場合がある。この焦電結晶２１の膜厚方向の変形はコーナー部において最も大きいため、コーナー部が基板１０と接触する。本発明者らは、以下に説明するように、焦電結晶２１と基板１０との接触が断続的に発生することによって焦電型赤外線検出器の出力信号にノイズ（以下において「接触ノイズ」という。）が発生することを見出した。

接触ノイズは、例えばＦＴＩＲ測定において発生する。ＦＴＩＲ測定では、アパーチャーを全開にしてゲイン調整を行った後に、アパーチャーをある程度まで閉じて実測定が行われる。このようにゲイン調整時と実測定時でのアパーチャーの開口面積が異なるため、実測定を開始する時点で熱平衡状態の変化に起因して焦電結晶２１の基板１０から浮いている部分が変形し、接触ノイズが発生する。図３（ａ）に焦電結晶２１の変形する前の状態、図３（ｂ）に焦電結晶２１の変形した後の状態の例を示す。焦電結晶２１は、厚みが２０μｍ程度のＤＬＡＴＧＳ単結晶である。焦電結晶２１と基板１０との間の空間は、２０μｍ程度である。図３（ｂ）に示すように、焦電結晶２１の変形によって、焦電結晶２１のコーナー部と基板１０とが接触する。

図４に、比較例の焦電型赤外線検出器を用いたＦＴＩＲ測定の実測定開始時において発生する接触ノイズの例を示す。図４の横軸は実測定を開始してからの時間であり、縦軸は接触ノイズの大きさを表す。

図４における特性Ｓ０は、図５に示した比較例１の構造を有する焦電型赤外線検出器を使用した場合に発生する接触ノイズである。比較例１では、赤外線センサ２０の下部の全面を基板１０に固着させている。

図４における特性Ｓ１〜特性Ｓ３は、図６に示した比較例２の構造を有する焦電型赤外線検出器を使用した場合に発生する接触ノイズである。比較例２では、赤外線センサ２０の下部の中央領域のみを基板１０に固着させ、且つ、焦電結晶２１のコーナー部は面取りされていない。

図４の特性Ｓ０に示すように、比較例１では接触ノイズが小さい。つまり、アパーチャーを全開にした状態と遮光した状態とで焦電結晶２１と基板１０との接触状態が変化しない場合には、接触ノイズの発生が抑制される。ただし、比較例１では圧電性ノイズやクラックが発生しやすいことは既に述べた通りである。

一方、特性Ｓ１〜特性Ｓ３に示すように、比較例１に対して比較例２では接触ノイズが大きく、接触ノイズが減衰する時間が長い。

以上から、焦電結晶２１と基板１０とが断続的に接触することに起因して、接触ノイズが発生することを確認できる。これは、焦電結晶２１と基板１０とが接触するたびに、焦電結晶２１の電位が変動したり、焦電結晶２１から基板１０に熱が放出されて焦電結晶２１の温度分布が変動したりするためである。その結果、焦電結晶２１の分極状態が変化し、接触ノイズが発生する。また、電位や温度分布の変動に起因して焦電結晶２１の変形量が変化し、焦電結晶２１と基板１０とが断続的に接触する。図４から、変形量は時間経過と共に減少することがわかる。なお、特性Ｓ１〜特性Ｓ３間の差異は、製造ばらつきによる導電性接着材３０の厚みの差や導電性接着材３０と焦電結晶２１との接触面積の差に起因すると考えられる。

接触ノイズが発生した状態でＦＴＩＲ測定を行うと測定結果の精度が低いため、実測定の開始を遅らせる必要がある。即ち、測定結果に影響を及ぼさない程度まで接触ノイズが十分に減衰した後に、測定を行うことが必要である。したがって比較例２ではＦＴＩＲ測定に要する時間が増大する。なお、図４に示すように、特性Ｓ１〜特性Ｓ３では接触ノイズの大きさや減衰時間にばらつきがある。このため、接触ノイズの大きさや減衰時間でＦＴＩＲの選別をすることも可能であるが、選別に要する時間や不良品の発生によってコストが増大する。

これに対し、図１に示した焦電型赤外線検出器１では、焦電結晶２１のコーナー部を面取りすることによって、焦電結晶２１の変形に起因して焦電結晶２１と基板１０とが接触することが防止される。例えば焦電結晶２１の受光面２１１及び下面２１２が矩形状である場合は、図２に示したように焦電結晶２１の４隅が面取りされる。これにより、接触ノイズの発生を防止できる。その結果、検出精度の低下を抑制できる。例えばＦＴＩＲ測定に要する時間の増大を抑制できる。

なお、図２では矩形状の焦電結晶２１について４隅を面取りする例を示したが、４隅すべてを面取りするとは限られない。即ち、焦電結晶２１の変形に起因して焦電結晶２１と基板１０とが接触することが防止されるのであれば、すべての隅部を面取りする必要は無く、一つ或いは複数の隅部を面取りしてもよい。

既に述べたように、焦電結晶２１に使用するＤＴＧＳ単結晶やＤＬＡＴＧＳ単結晶は１０μｍ〜２０μｍ程度に薄いことが好ましい。このように薄い場合には、焦電結晶２１の変形量が大きい。したがって、図１に示した焦電型赤外線検出器１の構成は、焦電結晶２１にＤＴＧＳ単結晶やＤＬＡＴＧＳ単結晶を使用した場合に有効である。

また、焦電結晶２１のコーナー部を面取りすることは、焦電結晶２１のコーナー部の下方において基板１０の基板表面１０１から焦電結晶２１の下面方向に突出する凸部が形成されている場合に、特に有効である。例えば、図２に示すように、電極端子５０が焦電結晶２１のコーナー部下方に配置されている場合などである。焦電結晶２１のコーナー部を面取りすることによって、焦電結晶２１が変形した場合にも、焦電結晶２１と電極端子５０とが接触することを防止できる。

なお、図７に示したように、焦電結晶２１のサイズを小さくすることによって、焦電結晶２１のコーナー部と電極端子５０とが重ならないようにすることができる。これにより、接触ノイズの発生を抑制することが可能である。しかし、受光面２１１の面積が小さくなることによって、赤外線センサ２０の発生する電気信号が小さくなり、焦電型赤外線検出器１の感度が低下する。

また、焦電結晶２１を厚くすることによって焦電結晶２１の変形を小さくして、接触ノイズを抑制することも考えられる。しかし、焦電結晶２１を厚くすると、焦電結晶２１の上部と下部とで温度差が生じるなどして、特性が劣化する。

以上に説明したように、本発明の実施形態に係る焦電型赤外線検出器１によれば、焦電結晶２１のコーナー部を面取りすることによって、接触ノイズの発生を抑制することができる。その結果、赤外線センサ２０の下面の中央領域だけを基板で支持することで圧電性ノイズやクラックの発生を防止しつつ、検出精度の低下を抑制できる。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

既に述べた実施形態の説明においては、焦電結晶２１のコーナー部がＣ面取りされている例を示したが、コーナー部がＲ面取りされてもよい。また、Ｒ面取りする範囲を拡げることによって、焦電結晶２１と基板１０との接触をより効果的に防止できる。このため、例えば図８に示すように、受光面２１１が略円形状になるように焦電結晶２１を形成してもよい。

また、上記では焦電結晶２１の例としてＤＴＧＳ単結晶やＤＬＡＴＧＳ単結晶を記載したが、他の結晶を焦電結晶２１に使用した場合においても同様に、焦電結晶２１のコーナー部を面取りすることによって接触ノイズの発生を抑制できる。例えば、ＴＧＳ系結晶やＬｉＴａ結晶を焦電結晶２１に使用してもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…焦電型赤外線検出器
１０…基板
１１…導電パターン
２０…赤外線センサ
２１…焦電結晶
２２…上部電極
２３…下部電極
３０…導電性接着材
５１…第１電極端子
５２…第２電極端子
５３…第３電極端子
７０…ＦＥＴ
８０…ワイヤ
１０１…基板表面
２１１…受光面
２１２…下面

Claims (5)

1. 基板と、
   受光面と前記受光面に対向する下面とを連結する側面同士が交差するコーナー部が面取りされた焦電結晶、前記受光面の中央に配置された上部電極、及び前記下面の中央に配置された下部電極を有する赤外線センサと
   を備え、
   前記赤外線センサが前記下面の中央領域においてのみ前記基板に支持され、前記中央領域を除いた前記下面の他の領域では前記赤外線センサと前記基板との間に空間が設けられていることを特徴とする焦電型赤外線検出器。
2. 前記焦電結晶が、複数の隅部を面取りされた矩形状であることを特徴とする請求項１に記載の焦電型赤外線検出器。
3. 前記焦電結晶の前記受光面が略円形状であることを特徴とする請求項１に記載の焦電型赤外線検出器。
4. 前記下面の前記中央領域に配置された導電性接着材によって、前記赤外線センサが前記基板に支持されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の焦電型赤外線検出器。
5. 前記基板の表面に導電パターンが形成され、前記導電性接着材によって前記導電パターンと前記焦電結晶の前記下部電極とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の焦電型赤外線検出器。