JP7428186B2 - 光センサ - Google Patents

Description

本開示は、光センサに関するものである。

本出願は、２０１９年７月５日出願の日本出願第２０１９－１２５８６７号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

温度差（熱エネルギー）を電気エネルギーに変換する熱電変換材料を用いたサーモパイル型の赤外線センサに関する技術が知られている（たとえば特許文献１参照）。赤外線センサは、光エネルギーを熱エネルギーに変換する受光部と、温度差（熱エネルギー）を電気エネルギーに変換する熱電変換部（サーモパイル）とを備える。熱電変換部においては、ｐ型熱電変換材料とｎ型熱電変換材料とを接続して形成される熱電対が用いられる。複数のｐ型熱電変換材料と複数のｎ型熱電変換材料とを交互に直列で接続することにより、出力を増加させている。

特開２０００－３４０８４８号公報

本開示に従った光センサは、支持層と、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する帯状の複数の第１材料層および導電性を有する帯状の複数の第２材料層を含み、支持層の一方の主面上に配置される熱電変換材料部と、支持層の他方の主面上であって、支持層の外縁に沿って配置される環状のヒートシンクと、支持層の厚さ方向に見てヒートシンクの内縁に取り囲まれた領域において、第１材料層の長手方向に温度差を形成するよう配置され、受けた光を熱エネルギーに変換する光吸収膜と、を備える。各第１材料層は、長手方向において一方に位置する第１の端部を含む第１領域と、長手方向において他方に位置する第２の端部を含む第２領域と、を含む。各第２材料層は、長手方向において一方に位置する第３の端部を含む第３領域と、長手方向において他方に位置する第４の端部を含み、第２領域と接続される第４領域と、を含む。光センサは、第１領域と電気的に接続される第１電極と、第１電極と離隔して配置され、第３領域と電気的に接続される第２電極と、をさらに備える。複数の第１材料層および複数の第２材料層はそれぞれ、第１電極と接続される第１領域および第２電極と接続される第３領域を除いて、第１領域と第３領域とが接続され、第２領域と第４領域とが接続されるよう交互に配置される。第１領域は、支持層の厚さ方向に見て、光吸収膜の外縁とヒートシンクの内縁との間の領域に配置される。

図１は、実施の形態１における光センサの外観の概略平面図である。 図２は、実施の形態１における光センサの外観の概略平面図である。 図３は、図１の線分ＩＩＩ－ＩＩＩに沿う断面の一部を示す概略断面図である。 図４は、実施の形態１における光センサの一部を示す概略断面図である。 図５は、支持層の他方の主面内における温度分布を示す図である。 図６は、支持層の他方の主面内における温度勾配を示す図である。 図７は、第１材料層の長さの比率と光センサの比検出能Ｄ^＊との関係を示すグラフである。 図８は、実施の形態２における光センサの外観の概略平面図である。 図９は、形状の異なる光センサと光センサの比検出能Ｄ^＊との関係を示すグラフである。

［本開示が解決しようとする課題］
サーモパイル型赤外線センサの出力Ｖ_ｏｕｔは、以下の式（１）で与えられる。サーモパイル型赤外線センサの雑音Ｖ_ｎは、以下の式（２）で与えられる。

ΔＴは各熱電対の温接点と冷接点との温度差である。Ｎは熱電対の数である。ｎは自然数である。α_１はｐ型熱電変換材料のゼーベック係数である。α_２はｎ型熱電変換材料のゼーベック係数である。ｋはボルツマン定数である。Ｔは熱電対の平均温度である。Ｒ_ｎは各熱電対の電気抵抗である。Δｆは雑音帯域幅である。

光センサの性能を示す比検出能Ｄ^＊について、以下の式（３）の関係が成立する。

Ｑは光吸収膜の単位面積当たりに入射する入射光の単位時間当たりのエネルギーである。Ａは受光部である光吸収膜の面積である。比検出能Ｄ^＊と、（Ｖ_ｏｕｔ／Ｖ_ｎ）×Δｆ^１／２×Ｑ×Ａ^１／２との関係は、比例関係にある。（Ｖ_ｏｕｔ／Ｖ_ｎ）×Δｆ^１／２×Ｑ×Ａ^１／２を大きくすると、比検出能Ｄ^＊が大きくなる。Ｖ_ｏｕｔとＶ_ｎとの比をＳ／Ｎで表すと、入射光パワーＱおよび光吸収膜の面積Ａが同じ値を採る場合、Ｓ／Ｎを増加させれば、比検出能Ｄ^＊が大きくなる。Ｓ／Ｎを高くすることが比検出能Ｄ^＊の向上を図る上で重要である。

特許文献１に開示の赤外線センサでは、比検出能が不十分な場合がある。さらなる比検出能の向上が求められる。

そこで、比検出能の向上を図ることができる光センサを提供することを目的の１つとする。

［本開示の効果］
上記光センサによれば、比検出能の向上を図ることができる。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。本開示に係る光センサは、支持層と、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する帯状の複数の第１材料層および導電性を有する帯状の複数の第２材料層を含み、支持層の一方の主面上に配置される熱電変換材料部と、支持層の他方の主面上であって、支持層の外縁に沿って配置される環状のヒートシンクと、支持層の厚さ方向に見てヒートシンクの内縁に取り囲まれた領域において、第１材料層の長手方向に温度差を形成するよう配置され、受けた光を熱エネルギーに変換する光吸収膜と、を備える。各第１材料層は、長手方向において一方に位置する第１の端部を含む第１領域と、長手方向において他方に位置する第２の端部を含む第２領域と、を含む。各第２材料層は、長手方向において一方に位置する第３の端部を含む第３領域と、長手方向において他方に位置する第４の端部を含み、第２領域と接続される第４領域と、を含む。光センサは、第１領域と電気的に接続される第１電極と、第１電極と離隔して配置され、第３領域と電気的に接続される第２電極と、をさらに備える。複数の第１材料層および複数の第２材料層はそれぞれ、第１電極と接続される第１領域および第２電極と接続される第３領域を除いて、第１領域と第３領域とが接続され、第２領域と第４領域とが接続されるよう交互に配置される。第１領域は、支持層の厚さ方向に見て、光吸収膜の外縁とヒートシンクの内縁との間の領域に配置される。

本開示の光センサにおいては、ヒートシンクの内縁に取り囲まれた領域に受けた光を熱エネルギーに変換する光吸収膜が支持層の一方の主面上に配置される。また、本開示の光センサにおいては、支持層の厚さ方向に見て支持層の外縁に沿って環状のヒートシンクが支持層の他方の主面上に配置される。光センサに光が照射された場合、支持層の厚さ方向に見て光吸収膜が配置される支持層の中央側が高温となり、ヒートシンクが配置される支持層の外縁側が低温となる。帯状の複数の第１材料層および帯状の複数の第２材料層を含む熱電変換材料部については、支持層の一方の主面上に配置される。光吸収膜は、第１材料層の長手方向、すなわち、第１領域と第２領域との間において温度差を形成するよう配置される。第１材料層は、第１の端部を含む第１領域が外縁側となり、第２の端部を含む第２領域が中央側となるよう配置される。支持層の厚さ方向に見て第１領域が外縁側に配置される冷接点となり、第２領域が中央側に配置される温接点となる。

支持層の厚さ方向に見て第１領域をヒートシンクと重なる位置に配置すると、第１材料層の第１領域と第２領域との間に形成される温度差は、光吸収膜とヒートシンクとの間に形成される温度差と等しくなる。ここで、支持層における温度勾配は、一様ではない。すなわち、光吸収膜が配置された位置からヒートシンクが配置された位置まで中央から外縁に向かって同じ温度勾配で一様に温度が低下していっているのではなく、支持層の厚さ方向に見てある領域では温度勾配が大きく、ある領域では温度勾配が小さくなっている。温度勾配が小さい領域に第１材料層を配置すると、第１領域と第２領域との温度差の影響よりも第１材料層の電気抵抗および熱抵抗の影響が大きくなる。そうすると、Ｓ／Ｎを大きくすることができない。その結果、光センサの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができない場合がある。

本開示の光センサによると、第１領域は、支持層の厚さ方向に見て、光吸収膜の外縁とヒートシンクの内縁との間の領域に配置される。光吸収膜の外縁とヒートシンクの内縁との間の領域では、温度勾配が大きい。よって、この領域に第１領域を配置することにより、第１領域と第２領域との間に形成される大きい温度勾配を利用して、温度差に基づく大きな電気エネルギーを出力することができる。第１材料層は、光吸収膜が配置される領域からヒートシンクが配置される領域に至る構成ではないため、第１材料層の長さを短くすることができる。したがって、第１材料層の電気抵抗および熱抵抗の影響を小さくすることができる。また、第１材料層は複数含まれているため、出力を大きくすることができる。その結果、Ｓ／Ｎを向上させて光センサの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。

上記光センサにおいて、光吸収膜は、支持層の厚さ方向に見て、第１方向に延びる第１外縁と、第１方向に交差する第２方向に延び、第１外縁に第１頂点において接続される第２外縁とによって規定され、支持層の外縁に向かって凸状の第１角部を含んでもよい。光吸収膜の外縁とヒートシンクの内縁との間の領域において、支持層の外縁に向かって凸状の第１角部の周辺の領域は、外縁に向かって急激に温度が低下しにくく、高温の状態を維持しやすい。よって、第１領域を第１角部の周辺の領域に配置して温度勾配が大きい部分を効率的に利用し、Ｓ／Ｎを向上させて光センサの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。

上記光センサにおいて、第１領域は、第１頂点から見て第１外縁とは反対側に延びる第１外縁の延長線と第１頂点から見て第２外縁とは反対側に延びる第２外縁の延長線によって挟まれる領域に配置されてもよい。上記した第１外縁の延長線と第２外縁の延長線によって挟まれる領域は、温度勾配が大きくなりやすい。よって、第１領域を配置させる領域を、第１外縁の延長線と第２外縁の延長線によって挟まれる温度勾配の大きい領域として、Ｓ／Ｎを向上させて光センサの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。

上記光センサにおいて、第１材料層の長さは、第１頂点から第１頂点と最短距離にあるヒートシンクの内縁までの距離の１０％以上１２０％以下であってもよい。このように第１頂点から第１頂点と最短距離にあるヒートシンクの内縁までの距離に対する第１材料層の長さの比率を調整し、第１材料層の長さの影響と温度勾配により得られる電気エネルギーの出力とのバランスを適切にして、より効率的に光センサの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。

上記光センサにおいて、支持層の厚さ方向に見て、第１角部の角度は、９０度以下であってもよい。第１角部の角度を９０度以下とすると、第１外縁と第２外縁とによって規定される第１角部の周辺の領域について、高温の状態をより維持しやすくなる。よって、確実に第１角部の周辺の領域を高温として、温度勾配を大きくすることができる。したがって、より効率的に光センサの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。

上記光センサにおいて、光吸収膜の外縁の形状は、支持層の厚さ方向に見て、角度が９０度以下であって支持層の外縁に向かって凸状の複数の角部を含んでもよい。このようにすることにより、光センサにおいて高温になりやすい角部を多くして、温度勾配の高い領域を多くすることが容易になる。したがって、Ｓ／Ｎを向上させて光センサの比検出能Ｄ^＊を向上させることが容易になる。

上記光センサにおいて、第２領域と第４領域とが接続される各接続部は、支持層の厚さ方向に見て光吸収膜と重なってもよい。隣り合う各接続部を仮想の線分で結んで形成される図形の形状は、支持層の厚さ方向に見て光吸収膜の外縁に沿う形状であってもよい。このようにすることにより、光吸収膜とヒートシンクにより形成される温度差を効率的に利用した光センサを得ることができる。

上記光センサにおいて、第１材料層および第２材料層の少なくともいずれか一方は、半導体で構成されてもよい。半導体は、熱伝導率が比較的低いため、光センサの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。

上記光センサにおいて、第１材料層および第２材料層は、共に半導体で構成されていてもよい。第２材料層は、第１材料層と導電型が異なり、第３領域と第４領域との間の温度差を電気エネルギーに変換するようにしてもよい。このようにすることにより、第２材料層によって得られる出力を第１材料層によって得られる出力に足し合わせて、出力の増加を図ることができる。

上記光センサにおいて、第１材料層は、ＳｉおよびＧｅを母材元素として含む半導体で構成されてもよい。このような半導体は、光センサを構成する材料として、好適に使用される。

［本開示の実施形態の詳細］
次に、本開示の光センサの一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
本開示の実施の形態１に係る光センサについて説明する。図１および図２は、実施の形態１における光センサの外観の概略平面図である。理解の容易の観点から、図１では、後述する赤外線吸収膜および絶縁膜の図示を省略している。図１において、赤外線吸収膜が配置される際の外縁は、破線で示されている。図３は、図１および図２の線分ＩＩＩ－ＩＩＩに沿う断面を示す概略断面図である。図４は、実施の形態１における光センサの一部を示す概略断面図である。図４は、後述する第１領域、第２領域、第３領域および第４領域を含む部分を拡大して示す概略断面図である。

図１、図２、図３および図４を参照して、光センサ１１ａは、たとえば赤外線センサである。光センサ１１ａは、支持層１３と、支持層１３の一方の主面１３ｂ上に配置される熱電変換材料部１２と、ヒートシンク１４と、光吸収膜としての赤外線吸収膜２３と、第１電極２４と、第２電極２５と、を備える。熱電変換材料部１２は、第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを含む複数の第１材料層２１と、第２材料層２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを含む複数の第２材料層２２と、を含む。本実施形態においては、第１材料層２１および第２材料層２２はそれぞれ、４７本ずつ備えられる。光センサ１１ａは、第１電極２４と第２電極２５との間に生ずる電位差を検出することにより、光センサ１１ａに照射される赤外線を検出する。光センサ１１ａ全体を板状とすると、その厚さ方向は、図３中の矢印Ｚで示す方向によって表される。

支持層１３は、薄膜状であって、厚さ方向に見て長方形の形状を有する。支持層１３は、複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２を含む熱電変換材料部１２と、赤外線吸収膜２３と、第１電極２４と、第２電極２５とを支持する。支持層１３は、たとえばＳｉＯ_２／ＳｉＮ／ＳｉＯ_２膜から形成されている。すなわち、支持層１３は、ＳｉＯ_２とＳｉＮとＳｉＯ_２とを積層させた構成である。

ヒートシンク１４は、支持層１３全体の外縁である外縁１３ｃに沿って配置される。ヒートシンク１４全体の外縁である外縁１４ｃと支持層１３の外縁１３ｃとは、Ｚ方向に連なって延びている。ヒートシンク１４は、光センサ１１ａの厚さ方向に離れて配置される一方の面１４ａと、他方の面１４ｂとを含む。ヒートシンク１４は、支持層１３の他方の主面１３ａ上に配置される。具体的には、ヒートシンク１４は、ヒートシンク１４の一方の面１４ａと支持層１３の他方の主面１３ａとが当接するように配置される。ヒートシンク１４の他方の面１４ｂは、露出している。ヒートシンク１４の形状は、環状である。ヒートシンク１４は、図３に示す断面において、２つの台形状の形状によって表れる。面１４ａは、図３に示す断面において平行に配置される台形状の一対の辺のうち、長い方の辺に相当する面である。ヒートシンク１４は、支持層１３と比較して十分に厚い。たとえばヒートシンク１４の厚さは、支持層１３の厚さの１０倍以上である。ヒートシンク１４は、本実施形態においては、いわゆる基板である。ヒートシンク１４は、たとえばＳｉからなる。

光センサ１１ａには、厚さ方向に凹む凹部１６が形成される。面１４ｂ側から見て凹部１６に対応する領域において、支持層１３、具体的には、支持層１３の他方の主面１３ａが露出する。凹部１６を取り囲むヒートシンク１４の内周面１４ｄは、面１４ｂ側に位置する開口側が広いいわゆるテーパ状である。凹部１６は、たとえば平板状の基板を異方性ウェットエッチングすることにより形成される。このような凹部１６を形成することにより、赤外線吸収膜２３からヒートシンク１４への熱の逃げを抑制できる。よって、後述する第１材料層２１および第２材料層２２の長手方向の温度差をより大きくすることができる。

図１において、ヒートシンク１４と支持層１３との境界であるヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄは、図１において破線で示される。図１に示すように、本実施形態においては、ヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄは、支持層１３の厚さ方向に見て、正方形の形状を有する。内縁１６ａおよび内縁１６ｃは、第１方向であるＸ方向に延びる。内縁１６ｂおよび内縁１６ｄは、第２方向であるＹ方向に延びる。支持層１３の厚さ方向に見て、第１方向と第２方向とは垂直に交わる。

第１材料層２１は、帯状の形状を有する。第１材料層２１は、長手方向において一方に位置する第１の端部２８ｃを含む第１領域２８ａと、長手方向において他方に位置する第２の端部２８ｄを含む第２領域２８ｂと、を含む。第１領域２８ａと第２領域２８ｂを結ぶ線の延びる方向が、帯状の第１材料層２１の長手方向となる。第１材料層２１は、第１領域２８ａと第２領域２８ｂとの間の温度差を電気エネルギーに変換する。第１材料層２１は、支持層１３の一方の主面１３ｂ上に配置される。第１材料層２１は、支持層１３の一方の主面１３ｂと接触するようにして配置される。第１材料層２１は、支持層１３の厚さ方向に見て、第１領域２８ａがヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄに近い側に位置し、第２領域２８ｂが赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄに近い側に位置するよう配置される。第１材料層２１は、第１導電型であるｐ型の半導体からなる。なお、ｐ型の熱電変換材料から構成される第１材料層２１の材質としては、たとえばＳｉおよびＧｅを母材元素とし、Ａｕを添加元素とした化合物半導体が選択される。

第２材料層２２は、帯状の形状を有する。第２材料層２２は、長手方向において一方に位置する第３の端部２９ｃを含む第３領域２９ａと、長手方向において他方に位置する第４の端部２９ｄを含む第４領域２９ｂを含む。第３領域２９ａと第４領域２９ｂを結ぶ線の延びる方向が、帯状の第２材料層２２の長手方向となる。第２材料層２２は、第３領域２９ａと第４領域２９ｂとの間の温度差を電気エネルギーに変換する。第２材料層２２は、支持層１３と接触して配置される後述する絶縁膜２６の一部の上および第１材料層２１の一部の上に配置される。第２材料層２２は、支持層１３の厚さ方向に見て、第３領域２９ａがヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄに近い側に位置し、第４領域２９ｂが赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄに近い側に位置するよう配置される。第２材料層２２は、第１導電型とは異なる第２導電型であるｎ型の半導体からなる。ｎ型の熱電変換材料から構成される第２材料層２２の材質としては、たとえばビスマス（Ｂｉ）が選択される。

複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２は、支持層１３上において、図１中の二点鎖線の長方形の形状で示す領域１５内に収まるように配置される。熱電変換材料部１２は、複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２により、温度差（熱エネルギー）を電気エネルギーに変換する。なお、熱電変換材料部１２は、絶縁膜２６を含む。絶縁膜２６の材質としては、たとえばＳｉＯ_２が選択される。複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２の配置については、後に詳述する。

赤外線吸収膜２３は、支持層１３の一方の主面１３ｂ上、第１材料層２１の一部上、第２材料層２２の一部上および絶縁膜２６の一部上に配置される。赤外線吸収膜２３は、第１材料層２１の長手方向、すなわち、第１領域２８ａと第２領域２８ｂとの間において温度差を形成するよう配置される。具体的には、赤外線吸収膜２３は、第１材料層２１の第１領域２８ａおよび第２材料層２２の第３領域２９ａを露出し、第１材料層２１の第２領域２８ｂおよび第２材料層２２の第４領域２９ｂを覆うように配置される。本実施形態においては、赤外線吸収膜２３は、第２材料層２２の長手方向、すなわち、第３領域２９ａと第４領域２９ｂとの間において温度差を形成するよう配置される。赤外線吸収膜２３は、支持層１３の厚さ方向に見て、ヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄに取り囲まれた領域に配置される。

図１に示すように、本実施形態においては、支持層１３の厚さ方向に見て、外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを有する赤外線吸収膜２３は、正方形の形状を有する。外縁２３ａおよび外縁２３ｃは、Ｘ方向に延びる。外縁２３ｂおよび外縁２３ｄは、Ｙ方向に延びる。また、外縁２３ａは、内縁１６ａに沿って延びる。外縁２３ｂは、内縁１６ｂに沿って延びる。外縁２３ｃは、内縁１６ｃに沿って延びる。外縁２３ｄは、内縁１６ｄに沿って延びる。

赤外線吸収膜２３は、支持層１３の外縁１３ｃに向かって凸状の第１角部としての角部１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを含む。本実施形態においては、赤外線吸収膜２３は、４つの第１角部としての角部１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを含む。角部１７ａは、支持層１３の厚さ方向に見て、第１外縁としての外縁２３ａと、外縁２３ａに第１頂点１８ａにおいて接続される第２外縁としての外縁２３ｂとによって規定される。角部１７ｂは、支持層１３の厚さ方向に見て、第２外縁としての外縁２３ｂと、外縁２３ｂに第１頂点１８ｂにおいて接続される第１外縁としての外縁２３ｃとによって規定される。角部１７ｃは、支持層１３の厚さ方向に見て、第１外縁としての外縁２３ｃと、外縁２３ｃに第１頂点１８ｃにおいて接続される第２外縁としての外縁２３ｄとによって規定される。角部１７ｄは、支持層１３の厚さ方向に見て、第２外縁としての外縁２３ｄと、外縁２３ｄに第１頂点１８ｄにおいて接続される第１外縁としての外縁２３ａとによって規定される。角部１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの角度はそれぞれ、支持層１３の厚さ方向に見て、９０度である。

赤外線吸収膜２３は、支持層１３の厚さ方向に見て、赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄによって形成される正方形の形状の中心と、ヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄによって形成される正方形の形状の中心とが重なるよう配置される。赤外線吸収膜２３は、赤外線を熱に変換する。赤外線吸収膜２３の材質としては、たとえばカーボン（Ｃ）が選択される。

なお、上記したヒートシンク１４は、第２角部としての角部１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄを含む。本実施形態においては、ヒートシンク１４は、４つの第２角部としての角部１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄを含む。角部１９ａは、支持層１３の厚さ方向に見て、外縁２３ａに沿って延びる第１内縁としての内縁１６ａと、外縁２３ｂに沿って延び、第２頂点２０ａにおいて接続される第２内縁としての内縁１６ｂとによって規定される。角部１９ｂは、支持層１３の厚さ方向に見て、外縁２３ｂに沿って延びる第２内縁としての内縁１６ｂと、外縁２３ｃに沿って延び、第２頂点２０ｂにおいて接続される第１内縁としての内縁１６ｃとによって規定される。角部１９ｃは、支持層１３の厚さ方向に見て、外縁２３ｃに沿って延びる第１内縁としての内縁１６ｃと、外縁２３ｄに沿って延び、第２頂点２０ｃにおいて接続される第２内縁としての内縁１６ｄとによって規定される。角部１９ｄは、支持層１３の厚さ方向に見て、外縁２３ｄに沿って延びる第２内縁としての内縁１６ｄと、外縁２３ａに沿って延び、第２頂点２０ｄにおいて接続される第１内縁としての内縁１６ａとによって規定される。角部１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄの角度はそれぞれ、支持層１３の厚さ方向に見て、９０度である。

次に、熱電変換材料部１２および赤外線吸収膜２３の配置について説明する。絶縁膜２６は、具体的には、第１材料層２１が配置されている部分においては第１材料層２１上に配置され、第１材料層２１が配置されていない部分においては支持層１３の一方の主面１３ｂ上に配置される。絶縁膜２６は、第１材料層２１の第１領域２８ａおよび第２領域２８ｂを覆わないように配置される。第２材料層２２は、支持層１３の一方の主面１３ｂの一部の上、絶縁膜２６の一部の上および第１材料層２１の一部の上に配置される。第２材料層２２は、第１材料層２１の第１領域２８ａと第２材料層２２の第３領域２９ａとが接触し、第１材料層２１の第２領域２８ｂと第２材料層２２の第４領域２９ｂとが接触するように配置される。

赤外線吸収膜２３は、支持層１３の一方の主面１３ｂの一部の上、絶縁膜２６の一部の上および第２材料層２２の一部の上に配置される。赤外線吸収膜２３は、第１材料層２１の第１領域２８ａおよび第２材料層２２の第３領域２９ａを露出するように配置される。赤外線吸収膜２３は、第１材料層２１の第２領域２８ｂおよび第２材料層２２の第４領域２９ｂを覆うように配置される。すなわち、第２領域２８ｂと第４領域２９ｂとが接続される各接続部は、支持層１３の厚さ方向に見て赤外線吸収膜２３と重なっている。隣り合う各接続部を仮想の線分で結んで形成される図形の形状は、支持層１３の厚さ方向に見て赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄに沿う形状である。第１材料層２１の第１領域２８ａおよび第２材料層２２の第３領域２９ａは、赤外線吸収膜２３によって覆われていない。すなわち、第１材料層２１および第２材料層２２はそれぞれ、第１材料層２１および第２材料層２２のそれぞれの長手方向に温度差を形成するよう赤外線吸収膜２３と熱的に接続される。赤外線吸収膜２３の熱が第１材料層２１の第２領域２８ｂおよび第２材料層２２の第４領域２９ｂに伝達されるように配置される。このようにして、第１材料層２１および第２材料層２２の長手方向に温度差が形成される。このようにすることにより、赤外線吸収膜２３とヒートシンク１４により形成される温度差を効率的に利用した光センサ１１ａを得ることができる。

次に、複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２の配置について説明する。複数の第１材料層２１は、それぞれ間隔をあけて配置される。第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを除き、複数の第１材料層２１は、Ｘ方向またはＹ方向に長手方向が沿うように配置される。第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを除き、複数の第１材料層２１は、正方形の形状の領域１５の各辺側から向かい合う辺側に向けて延びるように（当該方向に長手方向が沿うように）配置される。第１電極２４に接続される第１領域２８ａおよび第２電極２５に接続される第３領域２９ａを除き、第１材料層２１と第２材料層２２とは交互に接続される。具体的には、第１材料層２１の第１領域２８ａと第１材料層２１の一方で隣り合う第２材料層２２の第３領域２９ａとが接続される。第１材料層２１の第２領域２８ｂと第１材料層２１の他方で隣り合う第２材料層２２の第４領域２９ｂとが接続される。複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２は、第１電極２４および第２電極２５に接続される第１領域２８ａおよび第３領域２９ａを除き、第２領域２８ｂ、第４領域２９ｂ同士および第１領域２８ａ、第３領域２９ａ同士が接続される。すなわち、第１材料層２１と第２材料層２２とは対となって、隣り合う第１材料層２１および第２材料層２２とが端部を含む領域で交互に接続されている。

４つの角部１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄのそれぞれに最も近い４対の第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄおよび第２材料層２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを除いて、第２材料層２２の長手方向の長さは、第１材料層２１の長手方向の長さよりも長い。また、複数の第１材料層２１の長手方向の長さは、それぞれ同等である。また、複数の第２材料層２２の長手方向の長さについても、それぞれ同等である。第１材料層２１ａの長さについては、後に詳述する。

光センサ１１ａに光が照射された時に発生する温度勾配の向きに対して、第１材料層２１の一方に位置する第１の端部２８ｃを含む第１領域２８ａに発生する電圧の極性と第２材料層２２の一方に位置する第３の端部２９ｃを含む第３領域２９ａに発生する電圧の極性とが逆となる。本実施形態においては、光が照射された場合、第１材料層２１のうちの支持層１３の外縁１３ｃ側に位置する第１領域２８ａが正の電圧となり、第２材料層２２のうちの支持層１３の外縁１３ｃ側に位置する第３領域２９ａが負の電圧となる。ここで、常に交互に複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２が接続されている。交互に接続された第１材料層２１および複数の第２材料層２２のうち、最も端に配置される第１材料層２１は、第１領域２８ａで第１電極２４と電気的に接続される。交互に直列に接続された第１材料層２１および第２材料層２２のうち、最も端に配置される第２材料層２２は、第３領域２９ａで第２電極２５と電気的に接続される。第１電極２４および第２電極２５は、支持層１３の一方の主面１３ｂ上において、領域１５外に配置される。第１電極２４と第２電極２５とは、離れて配置される。第１電極２４および第２電極２５はそれぞれ、たとえばパッド電極である。第１電極２４および第２電極２５の材質としては、たとえば金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）等が採用される。

ここで、第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄのそれぞれの第１領域２８ａは、支持層１３の厚さ方向に見て、赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄとヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄとの間の領域３０に配置される。本実施形態においては、第１材料層２１ａの第１領域２８ａは、第１頂点１８ａから見て外縁２３ａとは反対側に延びる外縁２３ａの延長線３１ａと第１頂点１８ａから見て外縁２３ｂとは反対側に延びる外縁２３ｂの延長線３２ａによって挟まれる領域３３ａに配置される。第１材料層２１ａの第１領域２８ａに接続される第２材料層２２ａの第３領域２９ａも、同じ領域３３ａに配置される。第１材料層２１ｂの第１領域２８ａは、第１頂点１８ｂから見て外縁２３ｂとは反対側に延びる外縁２３ｂの延長線３１ｂと第１頂点１８ｂから見て外縁２３ｃとは反対側に延びる外縁２３ｃの延長線３２ｂによって挟まれる領域３３ｂに配置される。第１材料層２１ｂの第１領域２８ａに接続される第２材料層２２ｂの第３領域２９ａも、同じ領域３３ｂに配置される。第１材料層２１ｃの第１領域２８ａは、第１頂点１８ｃから見て外縁２３ｃとは反対側に延びる外縁２３ｃの延長線３１ｃと第１頂点１８ｃから見て外縁２３ｄとは反対側に延びる外縁２３ｄの延長線３２ｃによって挟まれる領域３３ｃに配置される。第１材料層２１ｃの第１領域２８ａに接続される第２材料層２２ｃの第３領域２９ａも、同じ領域３３ｃに配置される。第１材料層２１ｄの第１領域２８ａは、第１頂点１８ｄから見て外縁２３ｄとは反対側に延びる外縁２３ｄの延長線３１ｄと第１頂点１８ｄから見て外縁２３ａとは反対側に延びる外縁２３ａの延長線３２ｄによって挟まれる領域３３ｄに配置される。第１材料層２１ｄの第１領域２８ａに接続される第２材料層２２ｄの第３領域２９ａも、同じ領域３３ｄに配置される。延長線３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄはそれぞれ一点鎖線で示される。

第１材料層２１ａの長さは、第１頂点１８ａから第１頂点１８ａと最短距離にあるヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂまでの距離の１０％以上１２０％以下である。本実施形態において、第１頂点１８ａから第１頂点１８ａと最短距離にあるヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂまでの距離は、支持層１３の厚さ方向に見て、第１頂点１８ａから内縁１６ａを示す破線への垂線の長さ、および第１頂点１８ａから内縁１６ｂを示す破線への垂線の長さのうちの短い方の長さに相当する。第１材料層２１ｂの長さは、第１頂点１８ｂから第１頂点１８ｂと最短距離にあるヒートシンク１４の内縁１６ｂ，１６ｃまでの距離の１０％以上１２０％以下である。本実施形態において、第１頂点１８ｂから第１頂点１８ｂと最短距離にあるヒートシンク１４の内縁１６ｂ，１６ｃまでの距離は、支持層１３の厚さ方向に見て、第１頂点１８ｂから内縁１６ｂを示す破線への垂線の長さ、および第１頂点１８ｂから内縁１６ｃを示す破線への垂線の長さのうちの短い方の長さに相当する。第１材料層２１ｃの長さは、第１頂点１８ｃから第１頂点１８ｃと最短距離にあるヒートシンク１４の内縁１６ｃ，１６ｄまでの距離の１０％以上１２０％以下である。本実施形態において、第１頂点１８ｃから第１頂点１８ｃと最短距離にあるヒートシンク１４の内縁１６ｃ，１６ｄまでの距離は、支持層１３の厚さ方向に見て、第１頂点１８ｃから内縁１６ｃを示す破線への垂線の長さ、および第１頂点１８ｃから内縁１６ｄを示す破線への垂線の長さのうちの短い方の長さに相当する。第１材料層２１ｄの長さは、第１頂点１８ｄから第１頂点１８ｄと最短距離にあるヒートシンク１４の内縁１６ｄ，１６ａまでの距離の１０％以上１２０％以下である。本実施形態において、第１頂点１８ｄから第１頂点１８ｄと最短距離にあるヒートシンク１４の内縁１６ｄ，１６ａまでの距離は、支持層１３の厚さ方向に見て、第１頂点１８ｄから内縁１６ｄを示す破線への垂線の長さ、および第１頂点１８ｄから内縁１６ａを示す破線への垂線の長さのうちの短い方の長さに相当する。

次に、実施の形態１における光センサ１１ａの製造方法について、簡単に説明する。まず、平板状の基板を準備し、厚さ方向の一方の主面上に支持層１３を形成する。この時、基板と支持層１３の他方の主面１３ａは当接している。次に、支持層１３の一方の主面１３ｂ上に第１材料層２１のパターンを形成する。その後、絶縁膜２６のパターンを形成する。次に、第２材料層２２を形成する。その後、赤外線吸収膜２３のパターンを形成する。第１材料層２１の形成については、以下の通りである。まず支持層１３の一方の主面１３ｂ上にリフトオフ用レジストを層状に塗布する。次に、リフトオフ用レジストの上にポジ型レジストを層状に塗布する。その後、ポジ型レジストにフォトリソグラフィを施して露光し、現像液により溶解させる。次に、半導体材料を蒸着させてパターンを形成し、レジストを支持層１３上から除去する（リフトオフ）。このようにして、上記した第１材料層２１のパターンを形成する。同様に上記した第２材料層２２等のパターンを形成する。

次に５００℃程度の加熱による活性化処理を行い、アモルファス状態のＳｉ、Ｇｅ等を部分的に結晶化させる。その後、厚さ方向において支持層１３とは反対側に位置する基板の他方の主面から基板の中央の領域に凹部１６を形成する。この場合、基板の他方の主面から支持層１３の他方の主面１３ａに至るまで凹む凹部１６を形成する。このようにして、基板から構成されるヒートシンク１４を形成し、上記光センサ１１ａを得る。

次に、光センサ１１ａの動作について説明する。光、たとえば赤外線が光センサ１１ａに照射されると、赤外線吸収膜２３によって光エネルギーが熱エネルギーに変換される。この場合、赤外線吸収膜２３は、ヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄに取り囲まれた領域内に形成されており、赤外線吸収膜２３が配置されている部分が高温側となる。一方、内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの外側においてはヒートシンク１４が配置されているため、温度は上昇しない。ここで、一つの第１材料層２１に着目すると、第１材料層２１の第２領域２８ｂが高温となり、第１材料層２１の第１領域２８ａが低温となる。すなわち、一つの第１材料層２１の長手方向において、両端部を含む領域間に温度差が形成される。この温度差により、電位差が形成される。第２材料層２２の長手方向についても同様に帯状の形状を有する。よって、両端部を含む領域間において温度差が形成される。この温度差により、電位差が形成される。複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２は交互に極性が逆になるよう直列で接続されているため、第１電極２４および第２電極２５によって出力される電位差が、複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２の温度差によって生じた電位差の合計となる。この第１電極２４と第２電極２５との間の電位差によって流れる電流を検知することにより、光センサ１１ａは光を、この場合、赤外線を検知する。

上記光センサ１１ａにおいては、第１材料層２１は、複数備えられている。第２材料層２２は、複数備えられている。複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２はそれぞれ、第１電極２４と接続される第１領域２８ａおよび第２電極２５と接続される第３領域２９ａを除いて、第１領域２８ａと第３領域２９ａとが接続され、第２領域２８ｂと第４領域２９ｂとが接続されるよう交互に配置される。したがって、第１電極２４および第２電極２５によって出力される電位差を、複数の第１材料層２１のそれぞれに生ずる電位差を足し合わせたものとすることができ、電位差を大きくすることができる。その結果、出力を大きくすることができ、光センサ１１ａの比検出能の向上を図ることができる。

ここで、上記光センサ１１ａにおいて、支持層１３の一方の主面１３ｂ側における温度差および温度勾配について説明する。図５は、支持層１３の一方の主面１３ｂ側における温度分布を示す図である。図６は、支持層１３の一方の主面１３ｂ側における温度勾配を示す図である。図５および図６は、シミュレーション結果に基づくものである。図５および図６においては、ヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄは、破線で示され、赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは、一点鎖線で示される。図５および図６においては、支持層１３の外縁１３ｃ、赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄおよびヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの形状を単純化し、支持層１３の厚さ方向に見てそれぞれ正方形の形状としている。赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの一辺の長さを０．７５ｍｍとし、ヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの一辺の長さを１．２ｍｍとしている。

図５を参照して、それぞれ実線で仕切られる領域３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ，３６ｆ，３６ｇ，３６ｈはそれぞれ、同じ温度範囲内にある領域を示している。領域３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ，３６ｆ，３６ｇ，３６ｈの順に温度が低くなっている。赤外線吸収膜２３が配置された領域が最も温度が高く、ヒートシンク１４が配置された領域が最も温度が低い。赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄとヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが配置された領域との間の領域３０においては、赤外線吸収膜２３が配置された領域からヒートシンク１４が配置された領域に向かって徐々に温度が低くなっている。しかし、この領域３０においては、温度勾配は一定ではない。

図６を参照して、領域３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄ，３７ｅ，３７ｆはそれぞれ、同じ温度勾配である領域を示している。領域３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄ，３７ｅ，３７ｆの順に温度勾配が高い領域を示している。赤外線吸収膜２３が配置された領域およびヒートシンク１４が配置された領域については、いずれも領域３７ｆに属し、温度勾配はほとんどない。これに対し、赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄとヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが配置された領域との間の領域３０については、温度勾配の領域３７ｂ，３７ｃ，３７ｄ，３７ｅに属しており、温度勾配が大きい。特に角部１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの周囲の領域３７ａ、３７ｂでは温度勾配が大きい。

上記光センサ１１ａによると、第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄのそれぞれの第１領域２８ａは、支持層１３の厚さ方向に見て、赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄとヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄとの間の領域３０に配置される。赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄとヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄとの間の領域３０は、温度勾配が大きい。よって、この領域３０に第１領域２８ａを配置することにより、第１領域２８ａと第２領域２８ｂとの間に形成される大きい温度勾配を利用して、温度差に基づく大きな電気エネルギーを出力することができる。第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄはそれぞれ、赤外線吸収膜２３が配置される領域からヒートシンク１４が配置される領域に至る構成ではないため、第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの長さを短くすることができる。したがって、第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの電気抵抗および熱抵抗の影響を小さくすることができる。その結果、Ｓ／Ｎを向上させて光センサ１１ａの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。

また、本実施形態において、第２材料層２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのそれぞれの第３領域２９ａは、支持層１３の厚さ方向に見て、赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄとヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄとの間の領域３０に配置される。赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄとヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄとの間の領域３０は、温度勾配が大きい。よって、この領域に第３領域２９ａを配置することにより、第３領域２９ａと第４領域２９ｂとの間の大きい温度勾配を利用して、温度差に基づく大きな電気エネルギーを出力することができる。第３領域２９ａは、赤外線吸収膜２３が配置される領域からヒートシンク１４が配置される領域に至る構成ではないため、第２材料層２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの長さを短くすることができる。したがって、第２材料層２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの電気抵抗および熱抵抗の影響を小さくすることができる。その結果、Ｓ／Ｎを向上させて光センサ１１ａの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。

本実施形態によれば、赤外線吸収膜２３は、支持層１３の厚さ方向に見て、第１方向に延びる外縁２３ａと、第１方向に交差する第２方向に延び、外縁２３ａに第１頂点１８ａにおいて接続される外縁２３ｂとによって規定され、支持層１３の外縁１３ｃに向かって凸状の角部１７ａを含む。また、赤外線吸収膜２３は、上記した角部１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを含む。赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄとヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄとの間の領域３０において、支持層１３の外縁１３ｃに向かって凸状の角部１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの周辺の領域は、外縁１３ｃに向かって急激に温度が低下しにくく、高温の状態を維持しやすい。よって、第１領域２８ａを角部１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの周辺の領域に配置して温度勾配が大きい部分を効率的に利用し、Ｓ／Ｎを向上させて光センサ１１ａの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。

本実施形態によれば、第１材料層２１ａの第１領域２８ａは、第１頂点１８ａから見て外縁２３ａとは反対側に延びる外縁２３ａの延長線３１ａと第１頂点１８ａから見て外縁２３ｂとは反対側に延びる外縁２３ｂの延長線３２ａによって挟まれる領域３３ａに配置されている。外縁２３ａの延長線３１ａと外縁２３ｂの延長線３２ａによって挟まれる領域３３ａは、温度勾配が大きくなりやすい。よって、第１材料層２１ａの第１領域２８ａを配置させる領域を、外縁２３ａの延長線３１ａと外縁２３ｂの延長線３２ａによって挟まれる温度勾配の大きい領域３３ａとして、Ｓ／Ｎを向上させて光センサ１１ａの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。他の第１材料層２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの場合も同様に、第１材料層２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの第１領域２８ａは、温度勾配の大きい領域３３ｂ，３３ｃ，３３ｄに配置されている。また、第２材料層２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの第３領域２９ａも、温度勾配の大きい領域３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄに配置されている。よって、さらにＳ／Ｎを向上させて光センサ１１ａの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。

本実施形態によれば、支持層１３の厚さ方向に見て、角部１７ａの角度は、９０度以下である。具体的には、角部１７ａの角度は、９０度である。角部１７ａの角度が９０度以下であれば、外縁２３ａと外縁２３ｂとによって規定される角部１７ａの周辺の領域について、高温の状態をより維持しやすくなる。よって、確実に角部１７ａの周辺の領域を高温として、温度勾配を大きくすることができる。他の角部１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの場合も同様である。したがって、より効率的に光センサ１１ａの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。

本実施形態において、第１材料層２１は、半導体からなっている。半導体は、熱伝導率が比較的低い。よって、光センサ１１ａの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。

本実施形態において、熱電変換材料部１２は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、第１材料層２１と異なる導電型である第２導電型であるＢｉからなる複数の第２材料層２２を備える。複数の第２材料層２２は、複数の第１材料層２１と交互に接続される。したがって、熱伝導率が比較的低い材料を用いて、温度差に基づく出力を増加させて、光センサ１１ａの比検出能のさらなる向上を図ることができる。

本実施形態によれば、第１材料層２１ａ～２１ｄの長さは、第１頂点１８ａ～１８ｄから第１頂点１８ａ～１８ｄと最短距離にあるヒートシンク１４の内縁１６ａ～１６ｄまでの距離の１０％以上１２０％以下である。ここで、第１材料層２１ａ～２１ｄの長さと、第１頂点１８ａ～１８ｄから第１頂点１８ａ～１８ｄと最短距離にあるヒートシンク１４の内縁１６ａ～１６ｄまでの距離の関係は、以下に示される。

図７は、第１材料層２１ａの長さの比率と光センサの比検出能Ｄ^＊との関係を示すグラフである。図７において、横軸は第１材料層２１ａの長さの比率を示し、縦軸は光センサ１１ａの比検出能Ｄ^＊を示す。図７において、長さの比率が０％とは、上記した構成の第１材料層２１ａを形成していない場合を示し、長さの比率が１００％とは、第１頂点１８ａから第１頂点１８ａと最短距離にあるヒートシンク１４の内縁１６ａ～１６ｄまでの距離に相当する長さの場合を示す。なお、図７に示す長さの比率が１４１％とは、第１頂点１８ａから第１内縁としての内縁１６ａと第２内縁としての内縁１６ｂとが交わる第２頂点２０ａまでの距離に相当する長さを示す。

なお、光センサ１１ａの比検出能Ｄ^＊の算出に際し、光源を５００Ｋの黒体炉、光センサ１１ａと光源の距離を３０ｃｍとし、メカニカルチョッパを用いてチョッピング周波数５Ｈｚにて光源をチョッピングし、素子出力のチョッピング周波数成分をロックインアンプにて同期検波することで行った。光センサ１１ａの出力をスペクトラムアナライザにて観測し、ノイズレベルを測定することで、比検出能Ｄ^＊を算出した。

図７を参照して、長さの比率が０％の時、最も比検出能Ｄ^＊の値が低い。長さの比率を上げていくと、比検出能Ｄ^＊の値が高くなっていく。長さの比率が６０％になると、最も比検出能Ｄ^＊の値が高くなる。その後、長さの比率を上げていくと比検出能Ｄ^＊の値が低くなっていく。

よって、第１材料層２１ａの長さを、第１頂点１８ａから第１頂点１８ａと最短距離にあるヒートシンク１４の内縁１６ａ～１６ｄまでの距離の１０％以上１２０％以下とする。このようにして第１頂点１８ａから第１頂点１８ａと最短距離にあるヒートシンク１４の内縁１６ａ～１６ｄまでの距離に対する第１材料層２１ａの長さの比を調整する。このようにすることにより、第１材料層２１ａの長さの影響と温度勾配により得られる電気エネルギーの出力とのバランスを適切にして、より効率的に光センサ１１ａの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。他の第１材料層２１ｂ，２１ｃ，２１ｄおよび第２材料層２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄについても、同様の長さを採用することにより、さらに光センサ１１ａの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。

なお、上記の実施の形態においては、角部１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの角度は９０度であったが、これに限らず、赤外線吸収膜２３の外縁の形状は、支持層１３の厚さ方向に見て、角度が９０度以下であって支持層１３の外縁１３ｃに向かって凸状の複数の角部を含むようにしてもよい。このようにすることにより、光センサ１１ａにおいて高温になりやすい角部を多くして、温度勾配の高い領域を多くすることが容易になる。したがって、Ｓ／Ｎを向上させて光センサ１１ａの比検出能Ｄ^＊を向上させることが容易になる。

（実施の形態２）
次に、他の実施の形態である実施の形態２について説明する。図８は、実施の形態２における光センサの外観の概略平面図である。図８は、実施の形態１における図１に示す図に相当する。実施の形態２は、第１材料層の形状、第２材料層の形状および赤外線吸収膜の形状において実施の形態１の場合とは異なっている。図８において、赤外線吸収膜が配置される際の外縁は、破線で示されている。

図８を参照して、実施の形態２における光センサ１１ｂは、支持層１３と、ヒートシンク１４と、第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅを含む複数の第１材料層２１と、第２材料層２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを含む複数の第２材料層２２と、赤外線吸収膜２３と、第１電極２４と、第２電極２５と、を備える。複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２はそれぞれ、第１電極２４と接続される第１領域２８ａおよび第２電極２５と接続される第３領域２９ａを除いて、第１領域２８ａと第３領域２９ａとが接続され、第２領域２８ｂと第４領域２９ｂとが接続されるよう交互に配置される。

赤外線吸収膜２３の外形形状は、８つの外縁４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇ，４２ｈによって規定されている。赤外線吸収膜２３は、支持層１３の厚さ方向に見て、実施の形態１にように正方形の形状ではなく、外縁４２ａおよび外縁４２ｂによって規定される第１角部としての角部４３ａ，外縁４２ｃおよび外縁４２ｄによって規定される第１角部としての角部４３ｂ，外縁４２ｅおよび外縁４２ｆによって規定される第１角部としての角部４３ｃおよび外縁４２ｇおよび外縁４２ｈによって規定される第１角部としての角部４３ｄがそれぞれ鋭角、すなわち、９０度未満である。なお、赤外線吸収膜２３の面積は、実施の形態１における赤外線吸収膜２３の面積と同じとなるよう構成されている。外縁４２ｂと外縁４２ｃとが交わる頂点４４ａ、外縁４２ｄと外縁４２ｅとが交わる頂点４４ｂ、外縁４２ｆと外縁４２ｇとが交わる頂点４４ｃ、外縁４２ｈと外縁４２ａとが交わる頂点４４ｄはそれぞれ、角部４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄよりも支持層１３の厚さ方向に見て赤外線吸収膜２３の中心に近づくように配置される。赤外線吸収膜２３の形状は、実施の形態１における正方形の形状の赤外線吸収膜２３において、４辺の中点をそれぞれ赤外線吸収膜２３の中心に近づくように配置した形状である。

第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄについては、第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの第１領域２８ａは、支持層１３の厚さ方向に見て、赤外線吸収膜２３の外縁４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇ，４２ｈとヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄとの間の領域４５に配置される。なお、第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄのそれぞれに隣り合う第１材料層２１についても同様に、領域４５に第１領域２８ａが配置される。

また、頂点４４ａに最も近い第１材料層２１ｅについては、第１材料層２１ｅの第１領域２８ａは、ヒートシンク１４の上に配置され、第２領域２８ｂが、支持層１３の厚さ方向に見て、赤外線吸収膜２３の外縁４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇ，４２ｈとヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄとの間の領域４５に配置される。第１材料層２１ｅと隣り合う第１材料層２１についても同様である。また、頂点４４ｂ，４４ｃ，４４ｄにそれぞれ最も近い第１材料層２１についても同様である。

このようにすることによっても、第１領域２８ａと第２領域２８ｂとの間に形成される大きい温度勾配を利用して、温度差に基づく大きな電気エネルギーを出力することができる。本実施形態においても、第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅはそれぞれ、赤外線吸収膜２３が配置される領域からヒートシンク１４が配置される領域に至る構成ではないため、第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅの長さを短くすることができる。したがって、第１材料層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅの電気抵抗および熱抵抗の影響を小さくすることができる。その結果、Ｓ／Ｎを向上させて光センサ１１ｂの比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。

図９は、形状の異なる光センサと光センサの比検出能Ｄ^＊との関係を示すグラフである。図９において、横軸は形状の異なる光センサを形状Ａ_１、形状Ａ_２、形状Ａ_３で示し、縦軸は光センサ１１ａの比検出能Ｄ^＊を示す。図９において、形状Ａ_１は、赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの形状およびヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの形状が共に正方形であり、第１材料層２１ａの長さの比率が０％である場合を示す。形状Ａ_２は、赤外線吸収膜２３の外縁２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの形状およびヒートシンク１４の内縁１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの形状が共に正方形であり、第１材料層２１ａの長さの比率が５０％である場合を示す。形状Ａ_３は、実施の形態２に係る光センサ１１ｂの場合を示す。

図９を参照して、形状Ａ_１の場合、比検出能Ｄ^＊は、０．６９（１×１０^９）（ｃｍＨｚ^１／２／Ｗ）に至らない。形状Ａ_２の場合、形状Ａ_１の場合と比較して比検出能Ｄ^＊は優れており、０．７１（１×１０^９）（ｃｍＨｚ^１／２／Ｗ）をやや下回る値である。形状Ａ_３で示す実施の形態２に係る光センサ１１ｂの場合、比検出能Ｄ^＊は、形状Ａ_１の場合および形状Ａ_２の場合と比較して比検出能Ｄ^＊は優れており、０．７２（１×１０^９）（ｃｍＨｚ^１／２／Ｗ）以上あり、０．７３（１×１０^９）（ｃｍＨｚ^１／２／Ｗ）をやや下回る値である。

（他の実施の形態）
上記の実施の形態において、赤外線吸収膜２３としてカーボンを用いることにしてもよいし、樹脂からなる赤外線吸収膜を形成してもよい。絶縁性を有する樹脂からなる赤外線吸収膜を形成した場合、上記した絶縁膜２６は不要となる。

上記の実施の形態において、第１材料層２１は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｕを元素として含む化合物半導体としたが、これに限らず、Ａｕを含まない化合物半導体であってもよいし、Ｍｎ、Ｓｉを元素として含む化合物半導体としてもよいし、Ｓｎ、Ｓｅを元素として含む化合物半導体、Ｃｕ、Ｓｅを元素として含む化合物半導体としてもよい。また、第１材料層２１として、たとえば半導体としてのＳｉ単体を用いることにしてもよい。

上記の実施の形態においては、第２材料層２２は、Ｂｉからなることとしたが、これに限らず、第２材料層２２は、金属および熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、第１材料層２１と異なる導電型である半導体のうちの少なくともいずれか一方からなっていてもよい。具体的には、たとえば、第２材料層２２について、Ｂｉ以外のｎ型の導電型を有する化合物半導体を用いることにしてもよい。第２材料層として上記第２導電型であるｎ型の導電型を有する半導体を採用することにより、熱伝導率が比較的低い材料を用いて、温度差に基づく出力を増加させて、光センサ１１ａ，１１ｂの比検出能のさらなる向上を図ることができる。また、第２材料層２２として金属を採用してもよい。すなわち、熱電変換材料部１２が、上記第１材料層２１と、帯状の形状を有し、上記した第２材料層２２と同様に配置される金属層とを備える構成であってもよい。具体的には、たとえば第１材料層２１を構成する材料としてＳｉを用い、金属層としてＡｌを用いる。特に、光センサ１１ａ，１１ｂの特性が、第１材料層２１の材料の特性に主に起因する場合、このような構成とすることにしてもよい。このようにすることにより、第２材料層２２の導電率を向上させて光センサ１１ａ，１１ｂの電気コンダクタンスを増加させることで、光センサ１１ａ，１１ｂの比検出能のさらなる向上を図ることができる。第２材料層２２の材質としては、他に、たとえばアンチモン（Ｓｂ）を採用することもできる。また、第２材料層２２として、Ｂｉとテルル（Ｔｅ）との合金やＢｉとＴｅとＳｂとの合金を採用することにしてもよい。また、上記の実施の形態においては、光センサ１１ａ，１１ｂは、複数の第１材料層２１と複数の第２材料層２２とを備えることとしたが、光センサ１１ａ，１１ｂは、一対の第１材料層２１と第２材料層２２とを備える構成であればよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって規定され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１１ａ，１１ｂ 光センサ
１２ 熱電変換材料部
１３ 支持層
１３ａ，１３ｂ 主面
１３ｃ，１４ｃ，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇ，４２ｈ 外縁
１４ ヒートシンク
１４ａ，１４ｂ 面
１４ｄ 内周面
１５，３０，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ，３６ｆ，３６ｇ，３６ｈ，３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄ，３７ｅ，３７ｆ，４５ 領域
１６ 凹部
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ 内縁
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ 角部
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ 頂点
２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ 第１材料層
２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ 第２材料層
２３ 赤外線吸収膜
２４ 第１電極
２５ 第２電極
２６ 絶縁膜
２８ａ 第１領域
２８ｂ 第２領域
２８ｃ 第１の端部
２８ｄ 第２の端部
２９ａ 第３領域
２９ｂ 第４領域
２９ｃ 第３の端部
２９ｄ 第４の端部
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ 延長線
Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３ 形状

Claims (10)

1. 光センサであって、
   支持層と、
   熱エネルギーを電気エネルギーに変換する帯状の複数の第１材料層および導電性を有する帯状の複数の第２材料層を含み、前記支持層の一方の主面上に配置される熱電変換材料部と、
   前記支持層の他方の主面上であって、前記支持層の外縁に沿って配置される環状のヒートシンクと、
   前記支持層の厚さ方向に見て前記ヒートシンクの内縁に取り囲まれた領域において、前記第１材料層の長手方向に温度差を形成するよう配置され、受けた光を熱エネルギーに変換する光吸収膜と、を備え、
   各前記第１材料層は、
   長手方向において一方に位置する第１の端部を含む第１領域と、
   長手方向において他方に位置する第２の端部を含む第２領域と、を含み、
   各前記第２材料層は、
   長手方向において一方に位置する第３の端部を含む第３領域と、
   長手方向において他方に位置する第４の端部を含み、前記第２領域と接続される第４領域と、を含み、
   前記光センサは、
   前記第１領域と電気的に接続される第１電極と、
   前記第１電極と離隔して配置され、前記第３領域と電気的に接続される第２電極と、をさらに備え、
   前記複数の第１材料層および前記複数の第２材料層はそれぞれ、前記第１電極と接続される前記第１領域および前記第２電極と接続される前記第３領域を除いて、前記第１領域と前記第３領域とが接続され、前記第２領域と前記第４領域とが接続されるよう交互に配置され、
   前記光吸収膜は、前記支持層の厚さ方向に見て、第１外縁と、前記第１外縁に第１頂点において接続される第２外縁と、を含み、
   前記第３領域と接続される第１領域であって、前記第１頂点の周辺に配置される第１領域の少なくとも一つの第１領域を頂点第１領域とすると、前記頂点第１領域は、前記支持層の厚さ方向に見て、前記光吸収膜の外縁と前記ヒートシンクの内縁との間の領域に配置され、
   前記第３領域と接続される第１領域であって、前記第１外縁を横切る第１材料層の第１領域のうち少なくとも一つの第１領域を外縁第１領域とすると、前記外縁第１領域は、前記支持層の厚さ方向に見て、前記内縁よりも外側に配置される、光センサ。
2. 前記光吸収膜は、前記支持層の厚さ方向に見て、前記第１外縁と、前記第２外縁とによって規定され、前記支持層の外縁に向かって凸状の第１角部を含む、請求項１に記載の光センサ。
3. 前記第１領域は、前記第１頂点から見て前記第１外縁とは反対側に延びる前記第１外縁の延長線と前記第１頂点から見て前記第２外縁とは反対側に延びる前記第２外縁の延長線によって挟まれる領域に配置される、請求項２に記載の光センサ。
4. 前記第１材料層の長さは、前記第１頂点から前記第１頂点と最短距離にある前記ヒートシンクの内縁までの距離の１０％以上１２０％以下である、請求項２または請求項３に記載の光センサ。
5. 前記支持層の厚さ方向に見て、前記第１角部の角度は、９０度以下である、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の光センサ。
6. 前記光吸収膜の外縁の形状は、前記支持層の厚さ方向に見て、角度が９０度以下であって前記支持層の外縁に向かって凸状の複数の角部を含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光センサ。
7. 前記第２領域と前記第４領域とが接続される各接続部は、前記支持層の厚さ方向に見て前記光吸収膜と重なり、
   隣り合う前記各接続部を仮想の線分で結んで形成される図形の形状は、前記支持層の厚さ方向に見て前記光吸収膜の外縁に沿う形状である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光センサ。
8. 前記第１材料層および前記第２材料層の少なくともいずれか一方は、半導体で構成される、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光センサ。
9. 前記第１材料層および前記第２材料層は、共に半導体で構成されており、
   前記第２材料層は、前記第１材料層と導電型が異なり、前記第３領域と前記第４領域との間の温度差を電気エネルギーに変換する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光センサ。
10. 前記第１材料層は、ＳｉおよびＧｅを母材元素として含む半導体で構成される、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の光センサ。
    

Images