JPH0219727A - 焦電形赤外検出素子アレイ、焦電形赤外検出器およびそれらの製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、赤外計測に使用される焦電形赤外検出素子
アレイ、焦電形赤外検出器およびそれらの製法に関し、
特に、温度計測、地球資源観測、気象観測、公害監視、
防災・防犯監視、交通機関の運転管理、工場での熱管理
工程等に利用される焦電形赤外検出素子アレイ、焦電形
赤外検出器およびそれらの製法に関するものである。

従来の技術 物体からその温度に応じて放射される赤外線を計測して
、物体の赤外像を得る検出器として、焦電形赤外撮像板
（焦電形赤外検出器）が開発されつつあり、その例が雑
誌「インフラレッド・フィジックス」第２２巻２５９頁
（Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ＰｈｙｓｉｃｓＶｏｌ、　２２　
Ｐ２Ｓ５１９８２）に記載されている。この焦電形赤外
撮像板について、第５図を参照しながら説明する。

この焦電形赤外撮像板は、焦電形赤外検出素子アレイｌ
と、光検出信号処理のための半導体基板４を備えている
。アレイｌには、多数の焦電形赤外検出素子が次のよう
にして配列されている０すなわち、このアレイｌは、焦
電形薄板１１、同薄板１１表面の赤外吸収層兼用の共通
電極６および裏面の信号出力電極２・・・を有する。焦
電形薄板１１は素子毎に分離された形状ではない。しか
し、信号出力電極２が素子毎に分離されているので、焦
電形薄膜１は等測的には各電極２毎に分離区画されたも
のと言え、そのため、このアレイｌには、信号出力電極
２・・・と同数の赤外検出素子があり、これらの赤外検
出素子が各電極２・・・の配列と同じ状態で配列されて
いることになる。一方、半導体基板４には、図示はしな
いが、検出素子毎の信号を時間順序で読み出す回路、例
えば、ＣＯＤ　（電荷転送素子）またはシフトレジスタ
等が設けられている。各信号出力電極２と各信号取込電
極８のそれぞれに設けられたインジウム金属突起３．３
′が熱圧着により接合させられることにより両電極２．
８間の電気的接続がなされているとともに、アレイｌと
半導体基板４の機械的な接続がなされている０ 共通電極６に赤外線が入射すると、熱吸収が起こり、焦
電形薄板１１の温度がわずか上昇する。この温度変化に
伴い、焦電効果による表面電荷が発生する。この電荷信
号を半導体基板４のＣＣＤまたはシフトレジスタ等によ
り時間順序で読み出し、各検出素子毎の信号を電気信号
として基板４から出力する。このような方法で、被写体
の赤外画像信号を得ることができるのである。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記従来の焦電形赤外撮像板には、次の
ような諸問題があった１゜ すなわち、上記のごとく、焦′准形薄板は全体を通じて
１枚であるので、熱拡散による隣接素子間のクロストー
クが大きく、その結果、感度や分解能が著しく低減し、
例えば、ボケだ赤外像しか得られない。

信号出力電極はひとつひｙつが分離状態にあるために、
電極間に隙間ができ、この隙間が実質的に不感帯となる
。

上記の事情に鑑み、この発明は、隣接素子間のクロスト
ークが少ない焦電形赤外検出素子アレイや焦電形赤外検
出器、さらには、不感帯を有しない点でも優れた焦電形
赤外検出素子アレイや焦電形赤外検出器、そし５゛テ′
、これらのアレイや検出器を容易に得させる製造方法を
それぞれ提供することを課題とする。

課題を解決するだめの手段 請求項１記載の発明は、赤外透明基板の上に順に形成さ
れた共通電極、焦電形薄膜および信号出力電極が、アし
・イ状に配列された焦電形赤外検出素子群を構成する焦
電形赤外検出素子アレイ　（以下、「アレイ」という）
であって、隣接素子間のクロストークを少なくするため
、各赤外検出素子の焦電形薄膜を各素子ごとに分離［７
て形成；７であるとともに、前記共通電極と赤外透明基
板間には少なくとも各薄膜のある有感部位置において空
隙を形成しである。

請求項３記載の発明は、焦電形赤外検出器（以下、［検
出器７１という）であって、請求項１記載の焦電形赤外
検出素子アレイを、その光検出信号を処理するだめの半
導体基板に貼り会わせるようにしている。

請求項２．４記載の発明は、請求項１．３記載のアレイ
または検出器において、これらを、不感帯を有しないも
のにするため、その赤外透明基板の赤外光入射面に、凸
レンズ作用を有する微小凸部を各赤外検出素子に対応し
、てアレイ状に配列形成するようにしている。

請求項５記載の発明は、請求項１記載のアレイの製法で
あって、赤外透明基板上に共通電極全形成した後、同電
極士（て焦電形薄膜をアレイ状に分離形成し、ついで、
各薄膜毎にそのＥに信号出力電極を形成し各焦電形薄膜
と前記両電極でアレイ状に配列された赤外検出素子群を
設けておいて、前記共通電極と接する赤外透明基板の共
通電極側表面のうち少なくとも各薄膜のある有感部位置
の部分を除去して空隙を形成するようにしている。

請求項７記載の発明は、請求項３記載の検出器の製法で
あって、上記請求項５記載の発明の製法と同手順でアレ
イを得、このアレイと、前記信号出力電極に対応して信
号取込電極が形成されている光検出信号処理用の半導体
基板を、アレイ・半導体基板間に空隙が形成され前記信
号出力電極と信号取込電極が電気的に接続されるように
して貼り合わせるようにする。

請求項６．８記載の発明は、請求項４．６記載のアレイ
または検出器の製法であって、請求項５または請求項７
記載の製法において、赤外透明基板として、その赤外光
入射面に、凸レンズ作用を有する微小凸部が各焦電形薄
膜に対応してアレイ状に配列形成されてなる基板を用い
るようにしている。

作用 アレイにおいて、隣接する素子の間で焦電形薄膜が分離
されていると、互いの間での熱拡散が抑制されるため、
クロストークが低減する。

焦電形薄膜のある有感部位置では、空隙が形成されてい
るため、検出赤外光による熱は赤外透明基板側に逃げる
ことなく、焦電形薄膜において有効に電荷に変換される
。

赤外透明基板の赤外光入射面に凸レンズ作用を有する微
小凸部が形成されていると、この微小凸部が検出素子の
視野を拡げて、隣接する素子間の不感帯を解消する。

赤外透明基板上に、共通電極、焦電形薄膜および信号出
力電極を設けてから、焦電形薄膜のある有感部位置に空
隙を設けるようにすると、上記両電極および焦電形薄膜
は空隙形成前の平らな面に形成すればよいので製造が容
易である。

実施例 第１図（ａ）〜（ｆ）は、請求項１記載のアレイおよび
請求項３記載の検出器を製造する請求項５．７記載の製
法の各工程を順を追ってあられす。ここでは、この製法
の説明を借りて、請求項１記載のアレイおよび請求項３
記載の検出器の構造の理解を容易とさせるものである。

第１図（ａ）に示す赤外透明基板７に、第１図（ｂ）に
みるように、赤外吸収層を兼ねた共通電極６を所定のパ
ターンでもって蒸着形成する。赤外透明基板７としては
、例えば、Ｓｉ基板等が用いられ、共通電極６には、例
えば、ニクロム薄膜等が用いられる。

共通電極７を形成した後、第１図（ｃ）にみるように、
焦電形薄膜１・・・を、所定の間隔をあけてアレイ状の
配列でスパッタ蒸着法で形成し、さらに、各焦電形薄膜
１・・・毎にその上に信号出力電極２・・・を隣接する
もの同士が分離されているようにして蒸着形成する。焦
電形薄膜１としては、例えば、チタン酸鉛を公知のスパ
ッタ条件で厚み４μｍに蒸着した薄膜が用いられる。信
号出力電極２には、白金蒸着膜が用いられる。

薄膜１・・および電極２・・・は、第２図にみるように
、７０μｍＸ７０μｍの方形部に２５μｍＸ２５μｍの
突出部が付いた形状である。方形部が実質的な有感部で
ある。なお、焦電形薄膜１・・・は１００μｍピッチで
縦１２８列、横１２８列ずつ配列されている。

ついで、突出部に、第１図（ｃ）にみるように、接続用
金属端部３としての厚み５μｍのインジウム層（小点部
分）を積層形成しておく。

一方、第２図にみるように、基板７−隅における共通電
極６上に金メツキ（厚み２μｍ）を施１−１この金メツ
キ部分にリード線１２をつないでおく。

ついで、分極処理を行う。分極処理は、共通電極６と接
続用金属端部３の間に１００ｋｖ／ｃｒＩＬの電界が形
成されるように電圧を印加し、２００℃の油中で１０分
間漬けることによυ行った。焦電形薄膜１・・・の厚み
が４μｍであるから、印加する電圧は約４０Ｖである。

電圧印加はつぎのようにしておこなう。各接続用金属端
部３・・・は分離されているが、各端部３・・・全てに
並列に一度に電圧を印加するため、つぎのような治具を
用いる。各端部３・・・に対応する位置に金属端部が形
成され各端部がパターン配線によりひとつに接続されて
いるプリント配線板である。

そして、プリント板の金属端部と、赤外透明基板の金属
端部３・・・が接触するように重ねておいて、プリント
板と上記リード線の間に電圧をかける。

分極処理後、付着した油を洗浄して落とし、空隙形成工
程に進む。

第２図にみるように基板面が露出した状態にある小×点
領域（３０μｍ＠である）５以外の個所をフォトレジス
ト膜で覆っておいて、赤外透明基板７に対し異方性エツ
チングを行う。領域５の端から第２図でみて基板７表面
に沿って上下方向にエツチングが進み、第１図（ｄ）に
みるように、空隙１０・・・が形成される。各有感部位
置の部分では、共通電極６と赤外透明基板７表面の間に
空隙１０・・・が形成されるのである。フォトレジスト
膜を除去すると、アレイＬが完成する。

つぎに、このアレイＬに、信号出力電極２・・・に対応
して信号取込電極８・・・が形成されている光検出信号
処理用の半導体基板４を、第１図（ｅ）にみるように、
貼り合わせるようにする。なお、各信号取込電極８には
接続用金属端部３′（インジウム突起）が形成されてい
る。

貼シ合わせは、接続用金属端部３と接続用金属端部３／
を熱圧着により接合することで行う。当然、アレイＬと
半導体基板４の機械的結合以外に信号出力電極２と信号
取込電極８の電気的接続もなされる。機械的結合力を増
すために、さらに、周辺部分を接着剤で固着するように
してもよい。こうして、第１図（ｆ）に示す焦電形赤外
検出器が得られる。アレイし表面と半導体基板４表面の
間は接続用金属端部３．３／の接合部分の厚みだけ離れ
ていることになる。このように、アレイＬと半導体基板
４の間に空隙をもたせると、焦電形赤外検出素子アレイ
が得た吸収熱が半導体基板４を伝って逃げると言うよう
なことが起きず、吸収熱が有効に電荷に変わる。この実
施例では間隔は金属端部３の厚み５μｍ程度である。こ
の空隙を真空封止するようにすると、空隙による熱遮断
効果がいっそう顕著となる。

このように（。１．て製造された検出器は、１２８Ｘ１
２８個の焦電形赤外検出素子群を備えており、上述のよ
うに、クロストークや吸収熱の基板側への逃げがなく、
高感度で優れた空間分解能を有する。

従来の赤外撮像板（厚み１０μｍ）では、クロストーク
が３０係（フレーム周波数３０Ｈｚ）であったのが、こ
の発明の検出器では３チ以下であった。

この検出器の動作は、以下の通りである。赤外光が赤外
透明基板７を通って赤外吸収層（共通電極）６に入射す
ると、熱吸収が起こり焦電形薄膜１の温度がわずかに上
昇する。この温度変化に伴い、焦電効果により表面電荷
が発生する。この電荷は号を、信号出力電極２から信号
取込電極８を通して半導体基板１のＣＣＤまたはシ〕７
トレジスタ（図示省略）に入力するが、この際、時間順
序で読み出し、各検出素子毎の信号を電気信号として出
力するようにする。このような方法で、被写体の赤外画
像信号を得ることができる。

なお、半導体基板４では、ＣＣＤやクロック端子の図示
を省略しているが、公知の通常の構成のものでよいこと
はいうまでもない。

続いて、請求項２．４記載のアレイおよび検出器につい
て説明する。

これらのアレイＬ／および検出器は、第３図にみるよう
に、赤外透明基板７１として、赤外光入射面に、凸レン
ズ作用を有する微小凸部７ａ・・・がアレイＬ／の各赤
外検出素子（焦電形薄膜１・・・）に対応してアレイ状
に配列形成されているものを用いている。この赤外透明
基板７′は、片凸レンズ群から構成されてなる複眼レン
ズ板となっているのである。

このような赤外透明基板７′を用いることにより、各赤
外検出素子（焦電形薄膜１）ごとに片凸し／ズが配され
た構造となるため、各素子からみた視野が広くなり、不
感帯が無くなる３、３請求項６記載の製法では、両面平
らな赤外透明基板７の代わりに赤外透明基板７１を用い
て前記と同様にしてアレイＬ′または検出器を製作する
ことが出来る。

赤外透明基板７／による視野拡大の程度を、焦点距離ｆ
Ｏの対物レンズを前面にもってきた場合を例にとって説
明する。同対物レンズとレンズ作用を有する透明基板７
ノの合成焦点距離ｆは、下式（１）で計算さね、対物レ
ンズの焦点距離ｆｏよりも短くなる○ ｆ　？ ・・・（１） （（ｒｘ　−１，）　　Ｓ／Ｒ）　＋　１式中：ｎは、
赤外透明基板の屈折率 ：Ｓは、対物レンズ焦点位置と赤外透明基板の凸部面と
の間隔 ：Ｒは、赤外透明基板の凸部の曲率半径すなわち、赤外
透明基板７′はＳｉからなるのでｎは３．５であり、こ
こで、Ｓ＝０．１鰭、Ｒ＝０．５８ｍ１ｇとするど、 ｆ　＃ｆ　ｏ　／　１．４３　　　　　・−（２）とな
るからである。

その結果、この赤外検出素子は、等制約にみると、有感
部がｆ　ｏ　、／　ｆ　（＝１．４３）倍の大きさとな
ったのに等しい視野角を有することとなる。つまり、光
検出素子の有効有感部寸法は、　（７０μｙｌｘｔ、４
３）×（７０μｍ　Ｘ　１．４３）　＃　１００μｍＸ
１００μｍとなり、ピンチ寸法全域をカバーし、不感帯
が解消されたことになるのである。

ＳやＲを適当な値となるように設計すれば、視野角が隣
合う光素子同士で重なり合うようにすることもできるの
である。

なお、上記ふたつの実施例について言えることであるが
、空隙１００間隔は、観測赤外波長（検出赤外波長）の
同等以内（好ましくは１．／２μ内）に納まっているこ
とが極めて望ましい。赤外透明基板７．７′に入射（６
，た赤外線が効率良く焦電形薄膜１・・・に吸収される
には、全反射条件を避けろことが大切であり、その意味
で空隙の間隔が上記の範囲であるのが極めて望ましいの
である。

空隙を形成するだめの異方性エツチングが困難な場合、
素子寸法、すなわち焦電形薄膜の寸法を小さくすれば、
例えば、素子寸法を３３μｍ×３３μｍとした場合（ピ
ッチは１００μｍ）、不感帯領域が増すことになるが、
エツチング面積は１／４に減少し、エツチングが容易に
なる。そして、赤外透明基板として、Ｓ　＝　０．１　
ｍｍ、　Ｒ＝　０．１１の片凸レンズ群付きの赤外透明
基板を用いれば、視野が拡大し不感帯は解消される。

この発明は上記実施例に限らない。例えば、アレイは、
上記の製法以外の方法で作られていてもよい。アレイば
、素子を２次元に配列させたものに限らず、１次元に配
列させたものでもよい。焦電形薄膜は、上記に例示した
以外の材料からなる薄膜であってもよい。赤外透明基板
も、Ｓｔ基板に限らない。

発明の効果 請求項１〜４記載の発明にかかるアレイおよび焦電形赤
外検出器は、隣接する素子の焦電形薄膜が分離されてい
るため、素子間での熱拡散が抑制され、クロストークが
低減している。そのため、空間分解能が良くなっており
、また、吸収熱が焦電形薄膜内で有効に電荷に変換され
て感度も良くなっている。しかも、焦電形薄膜のある有
感部位置では、空隙が形成されているため、検出赤外光
による熱は赤外透明基板側に逃げることなく、焦電形薄
膜に有効に吸収されるため、この点でも感度向上がみら
れる。

請求項２．４記載の発明にかかるアレイおよび検出器は
、赤外透過板の赤外光入射面に凸レンズ作用を有する微
小凸部が形成されていると、この微小凸部が検出素子の
視野を拡げて、隣接する素子間の不感帯を特徴する 請求項５〜８記載の発明のアレイまたは検出器の製法で
は、赤外透明基板上に、共通電極、焦電形薄膜および信
号出力電極を設けてから、焦電形薄膜のある有感部位置
に空隙を設けるようにしており、上記両電極および焦電
形薄膜は空隙形成前の平らな面に形成すればよいので製
造が容易である０

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）は、請求項３記載の発明の一実施
例にかかる検出器を製造するための、請求項７記載の発
明の検出器の製法における各工程を示す断面図、第２図
は、この検出器のアレイを裏側（信号出力電極側）から
みた状態をあられす平面図、第３図は、請求項２．４記
載の発明の一実施例にかかる検出器をあられす断面図、
第４図は、この検出器のアレイを裏側（信号出力電極側
）からみた状態をあられす平面図、第５図は、従来の焦
電形赤外撮像板をあられす断面図である。 １・焦電形薄膜、２・・・信号出力電極、３．３′・・
・接続用金属端部、４・・・半導体基板、６・・・共通
電極、７．７′・・・赤外透明基板、８・・・信号取込
電極、１０・・・空隙、Ｌ、Ｌ’・・・アレイ。 第　１　図 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名第 口 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）赤外透明基板に形成された共通電極の上に焦電形
   薄膜がアレイ状に分離形成され、各薄膜毎にその上に信
   号出力電極が形成されていて、各焦電形薄膜とこれを挾
   む前記両電極とで赤外検出素子が構成されており、かつ
   、前記共通電極と赤外透明基板間には少なくとも各薄膜
   のある有感部位置において空隙が形成されている焦電形
   赤外検出素子アレイ。（２）赤外透明基板は、その赤外
   光入射面に、凸レンズ作用を有する微小凸部が各焦電形
   薄膜に対応してアレイ状に配列形成されてなる請求項１
   記載の焦電形赤外検出素子アレイ。 （３）赤外透明基板に形成された共通電極の上に焦電形
   薄膜がアレイ状に分離形成され、各薄膜毎にその上に信
   号出力電極が形成されていて、各焦電形薄膜とこれを挾
   む前記両電極とで赤外検出素子が構成されており、かつ
   、前記共通電極と赤外透明基板間には少なくとも各薄膜
   のある有感部位置において空隙が形成されている焦電形
   赤外検出素子アレイと、前記信号出力電極に対応して信
   号取込電極が形成されている光検出信号処理用の半導体
   基板とが貼り合わせられてなり、前記アレイと半導体基
   板の間には少なくとも前記各薄膜のある有感部位置にお
   いて空隙が形成され前記信号出力電極と信号読込電極が
   電気的に接続されている焦電形赤外検出器。 （４）赤外透明基板は、その赤外光入射面に、凸レンズ
   作用を有する微小凸部が各焦電形薄膜に対応してアレイ
   状に配列形成されてなる請求項３記載の焦電形赤外検出
   器。 （５）赤外透明基板上に共通電極を形成した後、同電極
   上に焦電形薄膜をアレイ状に分離形成し、ついで、各薄
   膜毎にその上に信号出力電極を形成して各焦電形薄膜と
   これを挾む前記両電極とで赤外検出素子を構成し、前記
   共通電極と接する赤外透明基板の共通電極側表面のうち
   少なくとも各薄膜のある有感部位置の部分を除去して空
   隙を形成する焦電形赤外検出素子アレイの製法。 （６）赤外透明基板として、その赤外光入射面に、凸レ
   ンズ作用を有する微小凸部が各焦電形薄膜に対応してア
   レイ状に配列形成されてなる基板を用いる請求項５記載
   の焦電形赤外検出素子アレイの製法。 （７）赤外透明基板上に共通電極を形成した後、同電極
   上に焦電形薄膜をアレイ状に分離形成し、ついで、各薄
   膜毎にその上に信号出力電極を形成して各焦電形薄膜と
   これを挾む前記両電極とで赤外検出素子を構成し、前記
   共通電極と接する赤外透明基板の共通電極側表面のうち
   少なくとも各薄膜に対応する有感部位置の部分を除去し
   て空隙を形成することにより焦電形赤外検出素子アレイ
   を得、このアレイと、前記信号出力電極に対応して信号
   取込電極が形成されている光検出信号処理用の半導体基
   板とを、アレイ・半導体基板間に空隙が形成され前記信
   号出力電極と信号取込電極が電気的に接続されるように
   して貼り合わせるようにする焦電形赤外検出器の製法。 （８）赤外透明基板として、その赤外光入射面に、凸レ
   ンズ作用を有する微小凸部が各焦電形薄膜に対応してア
   レイ状に配列形成されてなる基板を用いる請求項７記載
   の焦電形赤外検出器の製法。