JPH06251908A

JPH06251908A - 半導体抵抗素子の製造方法及びこの半導体抵抗素子を用いた赤外線検出装置

Info

Publication number: JPH06251908A
Application number: JP5038757A
Authority: JP
Inventors: Norihisa Mori; 憲寿森; Sadajiro Kajiwara; 貞次郎梶原; Norio Muto; 範雄武藤; Hiroaki Yanagida; 博明柳田
Original assignee: Sohgo Security Services Co Ltd
Current assignee: Sohgo Security Services Co Ltd
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1993-02-26
Publication date: 1994-09-09

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は赤外線等による温度変化により抵抗
値が変化する半導体抵抗素子の製造方法及びこの半導体
抵抗素子を用いた赤外線検出装置に関し、半導体繊維上
に微少間隔で低抵抗部分を形成すると共に、高感度な赤
外線の検出を可能とすることを目的とする。【構成】赤外線で生じる温度により抵抗値が変化する
半導体繊維３３ａ上に一対の電極で高電圧を印加して、
間隔ｄの低抵抗領域である電導部３３ｂ，３３ｃを形成
することにより、半導体抵抗素子としてのハイブリッド
繊維３２Ａを形成する。このハイブリッド繊維３２Ａを
支持電極１４ａ，１４ｂに導電性ペースト１３ａ，１３
ｂにより接続して赤外線検出装置３１Ａを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、赤外線等による温度変
化により抵抗値が変化する半導体抵抗素子の製造方法及
びこの半導体抵抗素子を用いた赤外線検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、赤外線検出装置（赤外線検出素
子）として、焦電効果を利用した焦電素子や熱電対を集
積したサーモパイル、及び金属酸化物を用いたサーミス
タボロメータ等が知られている。これらの赤外線検出素
子は高度の応答速度が要求される用途には応答速度の点
で難点があり、また被検出赤外線源の位置検出への利用
にも限界があり、かつ価格の点でも不利であった。

【０００３】そこで、本発明者らは先に、上記した従来
の赤外線検出装置の欠点を解消し得るものとして、赤外
線照射により電気抵抗が変化する半導体抵抗素子として
半導体繊維を用いた赤外線検出装置を提案した（特開平
２−７１１２１号）。

【０００４】ここで、図８に、従来の半導体抵抗素子を
用いた赤外線検出装置の構成図を示す。図８（Ａ）に示
す赤外線検出装置が特開平２−７１１２１号に示すもの
である。図８（Ａ）の赤外線検出装置１１において、１
２は長さＬ、断面積Ｓの半導体抵抗素子としての半導体
繊維であり、ＳｉＣ繊維、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ繊維、炭
素繊維等を、主に焼成処理により形成される。

【０００５】この半導体繊維１２の両端には導電性ペー
スト１３ａ，１３ｂを介して電極１４ａ，１４ｂを接着
する。１５ａ，１５ｂは電極１４ａ，１４ｂと赤外線検
出回路（図示せず）を接続するリード線である。図８
（Ａ）の赤外線検出装置１１が赤外線検出回路に接続さ
れた状態で、半導体繊維１２に赤外線が照射されると、
半導体繊維１２の温度は上昇し、温度に応じて抵抗が変
化する。従って、この抵抗変化を赤外線検出回路で検出
することにより、照射された赤外線のエネルギー量を検
出することができる。

【０００６】ところで、上記半導体繊維１２を用いた赤
外線検出装置１１の赤外線検出感度は、半導体繊維１２
のサーミスタ定数に依存する。サーミスタ定数とは温度
変化に対する抵抗変化の大きさを表す定数であり、半導
体繊維１２の材料によって決まり、その値が大きいほど
高感度といえる。

【０００７】また、サーミスタ定数は半導体繊維１２の
抵抗率に比例して直線的に増加するという特性を有し、
高抵抗率の半導体繊維１２ほど高い値を示す（参考文
献：「機能性半導体繊維を用いた赤外線センサと人体検
出への応用」電子情報通信学会論文誌Ｃ−II Ｖｏｌ．
Ｊ７４−Ｃ−１１Ｎｏ．５ＰＰ．４５８−４６６１
９９１年５月）。従って、赤外線検出装置１１の感度を
大きくするためには、サーミスタ定数の大きな半導体繊
維１２、即ち高抵抗率の半導体繊維１２を用いればよ
い。

【０００８】ここで、半導体繊維１２の抵抗値Ｒは、Ｒ
＝ρ・Ｌ／Ｓで定まり、ρ，Ｌ，Ｓはそれぞれ半導体繊
維１２の抵抗率、長さ、断面積である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の赤外
線検出装置１１の感度を大きくするために抵抗率ρを大
きくすると、赤外線検出素子の抵抗値Ｒも大きくなり、
熱雑音の増加、耐雑音性の低下、信号処理回路の複雑化
等の問題が生じる。

【００１０】そこで本発明者らは、抵抗率ρの大きい半
導体繊維１２を用いても抵抗値Ｒが大きくならない構造
の半導体抵抗素子を用いた赤外線検出装置を提案した
（特願平４−２１６６４８号）。その赤外線検出装置が
図８（Ｂ）に示される。

【００１１】図８（Ｂ）に示す赤外線検出装置２１は、
長さＬ、断面積ｓの半導体繊維１２上に間隔ｄをおいて
互いに対向するよう一対の導体からなる電導部２２ａ，
２２ｂを形成する。本発明においては、半導体繊維１２
上に形成された電導部２２ａ，２２ｂの抵抗値は零に近
く、半導体抵抗素子としての抵抗値Ｒは一対の電導部間
隔ｄで決まるため、Ｒ＝ρ・ｄ／ｓとなる。従って、赤
外線検出装置２１の感度を上げるために半導体繊維１２
の抵抗率ρを大きくしても、電導部２２ａ，２２ｂの間
隔ｄを小さくすれば抵抗値Ｒを小さくすることができ
る。

【００１２】この半導体繊維１２上の電導部２２ａ，２
２ｂの形成は共に蒸着法により行われる。この方法によ
れば、電導部２２ａ，２２ｂの間隔ｄはマスクの幅によ
って決まり、間隔ｄを小さくするためには、できるだけ
小さな幅のマスクを使用すればよいが、マスク幅が小さ
くなるに従い蒸着による金属原子の回り込みの影響が大
きくなり、数百μｍ程度が限界である。

【００１３】しかし、赤外線検出素子の感度をより向上
させるため繊維の抵抗率ρを大きくすればするほど電導
部の間隔ｄを小さくする必要があり、数μｍ単位で制御
可能な微細加工技術を確立する必要がある。

【００１４】そこで、本発明は上記課題に鑑みなされた
もので、半導体繊維上に微小間隔で低抵抗部分を形成す
ると共に、高感度な赤外線の検出を可能とする半導体抵
抗素子の製造方法及びこの半導体抵抗素子を用いた赤外
線検出装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題は、温度により
抵抗値が変化する高抵抗率の半導体材料の所定部分間
に、少くとも一対の電極を当接させる工程と、該一対の
電極間に高電圧を印加して該半導体材料の所定部分に低
抵抗領域を形成する工程と、を含む工程で半導体抵抗素
子を製造することにより解決される。

【００１６】また、赤外線で生じる温度により抵抗値が
変化する高抵抗率の半導体材料の所定部分に、両端から
所定間隔で離隔された対の低抵抗領域が所定組形成され
た半導体抵抗素子と、該半導体抵抗素子の両端で、該低
抵抗領域とそれぞれ接続される各支持電極と、を含んで
赤外線検出装置を構成することにより解決される。

【００１７】

【作用】上述のように、半導体抵抗素子を、高抵抗率の
半導体材料に高電圧を印加して低抵抗領域を形成してい
る。これにより、低抵抗領域を電導部として微小間隔で
形成することが可能となることから、全体として抵抗値
を大きくせずに高抵抗率の半導体抵抗素子を得ることが
可能となる。

【００１８】また、このようにして製造した半導体抵抗
素子を赤外線検出装置に用いることにより、耐ノイズ性
が向上して高感度な赤外線の検出を行うことが可能とな
るものである。

【００１９】

【実施例】図１に、本発明の第１実施例の構成図を示
す。なお、図８と同一の構成部分には同一の符号を付
す。

【００２０】図１において、赤外線検出装置３１Ａは、
半導体抵抗素子としてのハイブリッド繊維３２ａが長さ
Ｌで架設されるように、その両端を銀ペースト等の導電
性ペースト１３ａ，１３ｂにより金、銀等の良導体から
なる支持電極１４ａ，１４ｂに固着される。このハイブ
リッド繊維３２Ａは１本又は複数本設けられる。そし
て、支持電極１４ａ，１４ｂよりリード線１５ａ，１５
ｂが接続される。リード線１５ａ，１５ｂは、図示しな
いが赤外線検出回路に接続される。

【００２１】ハイブリッド繊維３２ａは、ＳｉＣ繊維、
Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ繊維、炭素繊維等からなる温度によ
り電気抵抗が変化する半導体繊維３３ａ上に、長手方向
に間隔ｄで隔離された電導部３３ｂ，３３ｃが形成され
る。この電導部３３ｂ，３３ｃの一端はそれぞれ各支持
電極１４ａ，１４ｂと導通されており、対向する部分の
長さがｈとされる。

【００２２】ここで、図２に、図１のハイブリッド繊維
製造の説明図を示す。図２に示すように、まず、高電圧
印加装置４１が高電圧発生部４２と一対の電極４３ａ，
４３ｂにより構成される。

【００２３】高電圧発生部４２は、低電圧の直流電源４
４と、この直流電源から発生する直流電圧をパルス状の
信号に変換するパルス電圧発生回路４５と、このパルス
電圧発生回路からのパルス電圧を昇圧し、パルス状高電
圧を発生するための昇圧回路４６で構成されている。電
極４３ａ，４３ｂは先端が数μｍのタングステン等の金
属針で、高電圧発生部４２に接続されており、半導体繊
維３３ａの抵抗を低下させたい部分に接触させ、高電圧
発生部４２で発生したパルス状高電圧を印加することに
よって半導体繊維３３ａの抵抗を部分的に低下させるも
のである。

【００２４】すなわち、半導体繊維３３ａに高電圧を所
定の時間印加することにより抵抗を低下させることがで
き、しかも高電圧を印加した部分のみの抵抗が低下する
ため、半導体繊維３３ａの任意部分に任意形状の低抵抗
部分を容易に形成することができる。

【００２５】また、一対の電極４３ａ，４３ｂである金
属針径を小さくすればするほど、微小部分の抵抗を低下
させることができるため、繊維径が数十μという微小な
半導体繊維３３ａ上に数μｍ単位で低抵抗部分、すなわ
ち電導部３３ｂ，３３ｃを形成することができる。な
お、半導体繊維ばかりでなく、薄膜やバルク状の半導体
にも適用できる。

【００２６】この場合、ハイブリッド繊維３２Ａの抵抗
値Ｒは、互いに対向する電導部３３ｂ，３３ｃの間隔
ｄ、及び長さｈで定まる。

【００２７】そこで、図３に、図１のハイブリッド繊維
の抵抗分布の説明図を示す。図３（Ａ）は、半導体繊維
３３ａ上に電導部３３ｂ，３３ｃを形成する前の抵抗分
布の等価回路であり、図３（Ｂ）は半導体繊維３３ａの
長手方向（軸方向）に電導部３３ｂ，３３ｃを形成した
ときの間隔ｄの直列抵抗分布を示した等価回路である。
また、図３（Ｃ）は、対向する電導部３３ｂ，３３ｃの
長さｈで定まる直並列抵抗分布の等価回路である。

【００２８】図３（Ａ）に示すように、電導部３３ｂ，
３３ｃが形成される前では、長さ全体の直列抵抗として
示すことができ、図３（Ｂ）に示すように、電導部３３
ｂ，３３ｃが形成された場合の間隔ｄにおいてｎ個の直
列抵抗として示すことができる。

【００２９】また、図３（Ｃ）に示すように、互いに対
向した電導部３３ｂ，３３ｃの長さｈはｍ個の並列抵抗
で表すことができ、半導体繊維３３ａの抵抗値Ｒは、Ｒ
＝ρｎ／ｍとなる。ただし、ρは半導体繊維３３ａの抵
抗率である。従って、赤外線検出装置の感度を上げるた
め半導体繊維３３ａの抵抗率ρを大きくした場合でも、
ｎ個の直列抵抗、即ち電導部の間隔ｄを小さくし、ｍ個
並列抵抗、即ち互いに対向した電導部３３ｂ，３３ｃの
長さｈを大きくすることにより、抵抗値Ｒを小さくする
ことが出来る。すなわち、高抵抗率半導体繊維を低抵抗
で使用することができるものである。

【００３０】次に、図４に、本発明の使用例の構成図を
示す。図４において、赤外線検出装置３１Ａが基板４７
に形成された開口部内に固定されたものである。基板４
７は例えばアルミナ板であり、ハイブリッド繊維３２Ａ
の有効長さＬは３ｍｍである。

【００３１】また、ハイブリッド繊維３２Ａは、半導体
繊維３３ａが、直径６０μｍ、常温抵抗率約３５０Ω・
ｃｍ、サーミスタ定数約１４００Ｋのピッチ系炭素繊維
からなり、上述のように、間隔ｄを数μｍで電導部３３
ｂ，３３ｃが形成されたものである。この場合、室温２
５℃において、電導部３３ｂ，３３ｃを形成する前の抵
抗値は約３．５ＭΩ、電導部３３ｂ，３３ｃ形成後は約
１００ＫΩとなっており、抵抗値が約１／３５に低下し
た。

【００３２】そして、支持電極１４ａ，１４ｂの背面よ
り、検出対象から放射される赤外線（ＩＲ）が入射する
ものである。

【００３３】そこで、図５に、赤外線検出特性測定の説
明図を示す。図５において、赤外線検出回路として、ホ
イーストンブリッジ回路を用いたもので、Ｒｓは赤外線
検出装置３１Ａ、Ｒ１，Ｒ２及びＲｒは固定抵抗、Ｅｂ
は直流電源、Ｅｏｕｔは出力端子を示す。固定抵抗Ｒ
１，Ｒ２，Ｒｒは赤外線検出抵抗Ｒｓの抵抗値と同じ値
とし、電源Ｅｂの電圧を例えば８Ｖとする。また、赤外
線源には２７３℃の黒体炉を用い、この黒体炉から１１
ｃｍ離して赤外線検出素子Ｒｓを設置し、室温２５℃で
赤外線を照射して出力端子Ｅｏｕｔの電圧変化を測定し
たものである。

【００３４】その結果、電導部３３ｂ，３３ｃを形成す
る前、及び形成後の両者共、出力電圧が約８００ｍＶ
（４０ｄＢ増幅後）、応答速度が約１００ｍｓとなっ
た。これは、高電圧印加によって赤外線検出装置３１Ａ
の感度、応答速度に全く影響を与えずに、抵抗値Ｒのみ
を制御することが可能であることを示しているものであ
る。

【００３５】このように、高電圧印加により、半導体繊
維３３ａを容易に低抵抗化でき、しかも半導体繊維３３
ａ上の任意の場所に任意の形状で低抵抗部分を形成する
ことができると共に、後述するように、任意形状の電導
部３３ｂ，３３ｃを形成することにより、赤外線検出装
置３１Ａの赤外線検出特性に影響を及ぼすことなく、抵
抗値のみを飛躍的に低下させることができる。そのた
め、抵抗率の高い半導体繊維、すなわち高抵抗率の半導
体繊維３３ａを低抵抗で使用することができ、高感度な
赤外線検出装置３１Ａを得ることが出来る。

【００３６】次に、図６に、本発明の第２実施例の構成
図を示す。図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）はハイブリ
ッド繊維の断面図である。図６（Ａ），（Ｂ）に示す赤
外線検出装置３１Ｂは、長さＬ部分でハイブリッド繊維
３２Ｂを、半導体繊維３３ａの断面円周上で、電導部３
３ｂ₁〜３３ｂ₃，３３ｃ₁〜３３ｃ₃を、互いに間隔
ｄで離隔させ、かつ長さｈ部分で対向させて交互に配設
するように形成したもであり、他の構成は図１と同様で
ある。これによれば、図１の赤外線検出装置３１Ａと同
様の効果を奏するものであると共に、半導体繊維３３ａ
をさらに低抵抗にすることができるものである。

【００３７】また、図７に、本発明の第３実施例の構成
図を示す。図７（Ａ）は平面図、図７（Ｂ）は斜視図を
示している。図７（Ａ），（Ｂ）の赤外線検出装置３１
Ｃは、長さＬ部分でハイブリッド繊維３１Ｃを、半導体
繊維３３ａ上において各支持電極１４ａ，１４ｂから電
導部３３ｄ，３３ｅを間隔ｄで隔離し、かつ対向させて
螺旋状に形成したもので、他の構成は図１と同様であ
る。これによっても、図１の赤外線検出装置３１Ａと同
様の効果を奏するものであると共に、半導体繊維３３ａ
をさらに低抵抗にすることがてきる。

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、半導体抵
抗素子を、高抵抗率の半導体材料に高電圧を印加して低
抵抗領域を形成することにより、低抵抗領域を電導部と
して微小間隔で形成することができ、全体として抵抗値
を大きくせずに高抵抗率の半導体抵抗素子を得ることが
できる。

【００３９】また、このようにして製造した半導体抵抗
素子を赤外線検出装置に用いることにより、耐ノイズ性
が向上して高感度な赤外線の検出を行うことができるも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成図である。

【図２】図１のハイブリッド繊維製造の説明図である。

【図３】図１のハイブリッド繊維の抵抗分布の説明図で
ある。

【図４】本発明の使用例の構成図である。

【図５】図１の赤外線検出特性測定の説明図である。

【図６】本発明の第２実施例の構成図である。

【図７】本発明の第３実施例の構成図である。

【図８】従来の半導体抵抗素子を用いた赤外線検出装置
の構成図である。

【符号の説明】

１３ａ，１３ｂ導電性ペースト１４ａ，１４ｂ支持電極１５ａ，１５ｂリード線３１Ａ〜３１Ｃ赤外線検出装置３２ａ〜３２Ｃハイブリッド繊維（半導体抵抗素子）３３ａ半導体繊維３３ｂ〜３３ｅ電導部４１高電圧印加装置４２高電圧発生部４３ａ，４３ｂ電極４４直流電源４５パルス電圧発生回路４６昇圧回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者武藤範雄東京都港区元赤坂１丁目６番６号綜合警備保障株式会社内 (72)発明者柳田博明東京都調布市佐須町１−３−19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】温度により抵抗値が変化する高抵抗率の
半導体材料の所定部分間に、少くとも一対の電極を当接
させる工程と、該一対の電極間に高電圧を印加して該半導体材料の所定
部分に低抵抗領域を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体抵抗素子の製造方法。
【請求項２】前記電極の先端を尖頭形状に形成して、
前記半導体材料に高電圧を印加することを特徴とする請
求項１記載の半導体抵抗素子の製造方法。
【請求項３】前記半導体材料に形成される低抵抗領域
は、該半導体材料の両端から周縁の軸方向に、互いに所
定間隔で離隔された対の所定形状の領域として所定組形
成されることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体
抵抗素子の製造方法。
【請求項４】前記所定形状は、少くとも直線形状、螺
旋形状、又は互いに整合されて対向するくし歯形状に形
成されることを特徴とする請求項３記載の半導体抵抗素
子の製造方法。
【請求項５】赤外線で生じる温度により抵抗値が変化
する高抵抗率の半導体材料の所定部分に、両端から所定
間隔で離隔された対の低抵抗領域が所定組形成された半
導体抵抗素子と、該半導体抵抗素子の両端で、該低抵抗領域とそれぞれ接
続される各支持電極と、を含むことを特徴とする赤外線検出装置。