WO2007108441A1 - 焦電型赤外線センサ - Google Patents

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WO2007108441A1
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infrared sensor
pyroelectric infrared
substrate
pyroelectric
sensor
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PCT/JP2007/055522
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English (en)
French (fr)
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Kenji Ishida
Shuichiro Kuwajima
Kazumi Matsushige
Toshihisa Horiuchi
Arifumi Matsumoto
Tetsuhiro Kodani
Meiten Koh
Original Assignee
Daikin Industries, Ltd.
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/34—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using capacitors, e.g. pyroelectric capacitors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0803—Arrangements for time-dependent attenuation of radiation signals
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00—Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
    • H10N15/10—Thermoelectric devices using thermal change of the dielectric constant, e.g. working above and below the Curie point
    • H10N15/15—Thermoelectric active materials

Definitions

  • the present invention relates to a pyroelectric infrared sensor using a pyroelectric material.
  • a pyroelectric infrared sensor is an infrared sensor using a pyroelectric material having a property that the amount of spontaneous polarization inside a substance changes with temperature.
  • the presence and intensity of infrared light is detected by taking out as an electrical signal the change in the amount of spontaneous polarization that occurs when the pyroelectric material absorbs infrared light and the temperature rises.
  • the pyroelectric material has a large (0 pyroelectric coefficient).
  • GO heat capacity is small and (m) dielectric constant is small.
  • the pyroelectric coefficient is defined by the change in polarization given by the unit temperature change per unit volume. Decreasing the heat capacity leads to an increase in temperature rise due to the same amount of infrared irradiation, and contributes to improving the sensitivity of infrared detection. Also, reducing the dielectric constant reduces the capacitance between the electrodes sandwiching the pyroelectric material. In this case, the voltage between the two electrodes caused by the change in polarization appears greatly, which contributes to improving the sensitivity of infrared detection measured by the change in voltage.
  • inorganic ferroelectrics such as lead zirconate titanate (PZT) and barium titanate (BaTiO)
  • pyroelectric material with a ferroelectric polymer such as P (VDF / TrFE), a random copolymer of polyvinylidene fluoride (PVDF) or PVDF and trifluorinated styrene (TrFE).
  • Type infrared sensor was used.
  • inorganic ferroelectrics have the advantage of a large pyroelectric coefficient, so there is a limit to improving the sensitivity of the sensor due to the large dielectric constant and heat capacity, and high temperatures of about several hundred ° C are required when forming thin films. It has the disadvantage of using a process.
  • JP 2004-037291 A ([0016] to [0024], [0032], FIG. 4) discloses that a pyroelectric infrared sensor has a vinylidene fluoride oligomer (VDF) as a pyroelectric material. It has been proposed to use oligomers. VDF oligomers are represented as CF-(CH CF)-C H. Where heavy
  • the total number n is a force which is considered to be 10 to 50 in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-037291.
  • the number 5 to 9 also has the following features. Therefore, in the present application, those having a polymerization number n in the range of 5 to 50 are defined as VDF oligomers.
  • the CH group includes JP-A-2004
  • VDF oligomers are smaller than the inorganic ferroelectrics described above, have a dielectric constant and heat capacity comparable to those of ferroelectric polymers, and have a pyroelectric coefficient larger than those ferroelectric polymers. It is an excellent sensor pyroelectric material.
  • VDF oligomers are superior to inorganic ferroelectrics in that they do not require the use of high temperature processes when forming thin films.
  • Conventional pyroelectric infrared sensors including those using VDF oligomers have a configuration in which the pyroelectric body is supported by a substrate having an inorganic material force such as Si. If this substrate has a large size, heat capacity, and thermal conductivity, most of the heat given to the pyroelectric material is absorbed by the substrate or released to the outside of the substrate force when irradiated with infrared rays. Since the temperature change of the pyroelectric material due to infrared irradiation is reduced, the sensitivity of the sensor is reduced.
  • JP-A-2000-155050 ([0019], [0027], [0031], FIG. 1) discloses that a pyroelectric infrared sensor having a ferroelectric polymer as a pyroelectric material generally has a thermal conductivity. It is described that a resin substrate made of resin is used. As a result, it is possible to prevent the sensitivity of the sensor from being lowered due to the substrate being deprived of heat applied to the pyroelectric material by infrared irradiation. Under the resin substrate, there is a support that also has Si isotropic force. By this support, the resin substrate is fixed in a flat shape and is held so as not to bend. Disclosure of the invention
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a pyroelectric infrared sensor that can be deformed and has high sensitivity.
  • a pyroelectric infrared sensor according to the present invention which has been made to solve the above problems,
  • a vinylidene fluoride oligomer that also has substance power by replacing its C H group with a halogen atom
  • the material for the substrate for example, polyimide, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polycarbonate, polyparaphenylene sulfide, and polyamideimide can be used.
  • a vapor deposition film of a metal such as Au, Ag, Al, Cr, Ni, or Pt
  • a carbon deposition film or an organic electrode such as polyarine, polythiophene, or PDOT-PSS is used. be able to.
  • the pyroelectric infrared sensor according to the present invention can be curved, cylindrical, or spherical by virtue of its flexibility.
  • the vinylidene fluoride oligomer layer may be on the outside of the curve or on the inside.
  • means for changing the curvature of curvature in the case of a cylindrical shape or a spherical shape, the cross-sectional shape
  • the substrate may have a bimorph structure using two piezoelectric polymer films.
  • At least one of the upper electrode and the lower electrode may be divided into a plurality of parts. In that case, it is desirable that the portion of the substrate between the plurality of electrodes is removed.
  • the substrate is transparent to a target infrared ray, and includes a plurality of electrodes. At least a position corresponding to any one of the surfaces of the substrate, that is, the surface opposite to the lower electrode, on which infrared rays are incident, is formed in the shape of a condensing lens such as a convex lens or a Fresnel lens.
  • the substrate made of the polymer material cover and the VDF oligomer layer have flexibility and the upper electrode and the lower electrode also have flexibility
  • the pyroelectric infrared sensor has flexibility. Using the flexibility, a pyroelectric infrared sensor deformed into a desired shape such as a curved shape, a cylindrical shape, a spherical shape, or the like according to the installation location can be obtained.
  • a VDF oligomer pyroelectric material having a higher pyroelectric coefficient than that of inorganic ferroelectrics and ferroelectric polymers used in many pyroelectric infrared sensors, and conventionally used! /
  • a substrate made of a polymer film having a smaller heat capacity or thermal conductivity than that of a substrate such as Si the sensitivity of the infrared sensor can be increased more than before.
  • the pyroelectric infrared sensor of the present invention is formed in a cylindrical shape or a spherical shape, a viewing angle of 360 ° can be obtained.
  • the pyroelectric infrared sensor of the present invention is provided with means for changing the curvature, the focal point of the light receiving surface can be moved. Therefore, the intensity of infrared rays can be changed while moving the focal point. By measuring, the position of the heat source can be measured.
  • the curvature changing means is a substrate having a bimorph structure using two piezoelectric polymer films.
  • the curvature can be changed by changing the value of the voltage applied between the two piezoelectric polymer films. Further, by applying an alternating voltage, the substrate vibrates, so that it can be used as a stationary heat source temperature sensor without using the optical chip as described above.
  • an infrared ray sensor array having a plurality of pyroelectric infrared sensors corresponding to the plurality of electrodes on one substrate. Can be formed. Using such an infrared sensor array, the speed and acceleration of an object that emits infrared light can be measured from, for example, the difference in time of the intensity of infrared light for each sensor.
  • the substrate is transparent to the target infrared ray and the surface of the substrate is formed in the shape of a condensing lens at a position corresponding to at least one of the plurality of electrodes, from the surface
  • the infrared rays are irradiated on the VDF oligomer layer
  • the infrared rays are collected in a narrow area in the VDF oligomer layer by the condenser lens. This increases the temperature change of the VDF oligomer in that region, and can improve the infrared detection accuracy.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing one embodiment of a pyroelectric infrared sensor according to the present invention.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an example of a pyroelectric infrared sensor of the present invention provided with a plurality of lower electrodes or Z and upper electrodes.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing an example of a method for producing a pyroelectric infrared sensor of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view showing an example of a pyroelectric infrared sensor formed into a cylindrical shape.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing an example of a pyroelectric infrared sensor having a curved substrate or the like.
  • FIG. 6 is a plan view and a longitudinal sectional view showing an example of a pyroelectric infrared sensor having a bending means.
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing an example of an infrared sensor for temperature measurement that does not require an optical thorn.
  • FIG. 8 is a plan view and a longitudinal sectional view showing an example in which a substrate removal region is provided at the boundary of each element in a pyroelectric infrared sensor array.
  • FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing an example of a pyroelectric infrared sensor array in which convex portions are provided on the VDF oligomer layer.
  • FIG. 10 is a graph showing the measurement results of induced charges in the pyroelectric infrared sensor of the present invention and a comparative example.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a pyroelectric infrared sensor 10 having the basic configuration of the present invention.
  • This pyroelectric infrared sensor 10 has a configuration in which a substrate 11 made of a polymer material, a lower electrode 12, a VDF oligomer layer 13, and an upper electrode 14 are laminated in this order.
  • the material of the substrate 11 is a polymer material sheet such as polyimide or polyethylene having a thickness of 5 to 200 ⁇ m.
  • the VDF oligomer layer 13 has the chemical formula CF-(CH CF)-C H and n is 5 ⁇
  • the lower electrode 12 and the upper electrode 14 the above-described metal vapor deposition film, carbon vapor deposition film, organic electrode, or the like is used.
  • the lower electrode 12 and the upper electrode 14 are formed on the entire surface of the substrate 11, but by forming them sufficiently thin, the entire sensor can be made flexible.
  • this pyroelectric infrared sensor 10 is the same as that of a conventional pyroelectric infrared sensor.
  • the temperature of the VDF oligomer layer 13 rises, and the polarization magnitude of the VDF oligomer changes in proportion to the magnitude of the temperature change.
  • the incidence of infrared rays on the VDF oligomer layer 13 is detected.
  • the pyroelectric infrared sensor 10 includes a substrate 11, a lower electrode 12, a VDF oligomer layer 13, and an upper electrode 14 that are constituent elements of the pyroelectric infrared sensor 10.
  • Each of the pyroelectric infrared sensors 10 has flexibility. Since there is no inflexible component like the Si force support described in the report, it can be transformed into a desired shape. Further, in this pyroelectric infrared sensor 10, the substrate 11 is made of a high molecular material, and the heat capacity and thermal conductivity are smaller than those of a substrate or support made of Si or the like, so that the infrared detection accuracy can be improved.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view of sensor 20A, (b) pyroelectric infrared sensor 20B, and (c) pyroelectric infrared sensor 20C.
  • the substrate 21 is in the form of a single sheet, similar to the pyroelectric infrared sensor 10, but in (a) only the upper electrode 24A is force (b) in the lower electrode 22B only in force (c) the lower electrode The two forces of 22C and upper electrode 24C are each divided into multiple parts.
  • each of the divided upper electrodes 24A, 24C and Z or lower electrodes 22B and 22C is used, and the VDF at a position immediately above or directly below the electrodes is used.
  • the voltage of the oligomer layer 23 can be measured. Thereby, the incidence of infrared rays on the VDF oligomer layer 23 can be detected independently for each electrode. That is, these pyroelectric infrared sensors 20A, 20B, and 20C form a sensor array as a whole.
  • these pyroelectric infrared sensors 20A, 20B, and 20C they are divided!
  • the electrodes 22A and 24B need to have flexibility.
  • the divided upper electrodes 24A and 24C and the lower electrodes For 22B and 22C, each segmented electrode itself need not be flexible. Since there is a gap between the electrodes, the upper electrode or the lower electrode as a whole combining the divided partial electrodes is flexible, and the sensors 20A, 20B, and 20C are flexible.
  • the three examples shown also belong to the technical scope of the present invention.
  • FIG. 3 shows an example of a method for manufacturing the pyroelectric infrared sensor of the present invention.
  • a polymer material sheet is prepared as the substrate 11, and the lower electrode 12 is formed on the surface (a).
  • a vacuum deposition method can be used when a metal or carbon equivalent force is used, and a wet method such as a spin coating method can be used when an organic electrode is used.
  • the substrate 11 on which the lower electrode 12 is formed is cooled to ⁇ 100 ° C. or lower, and a VDF oligomer layer 13 is formed on the lower electrode 12 by a vacuum deposition method (b).
  • a vacuum deposition method (b)
  • the molecular chain of the VDF oligomer can be oriented parallel to the substrate, and by adopting such an array structure, it becomes possible to easily develop ferroelectricity and pyroelectricity. it can.
  • the cooling is terminated, and the upper electrode 14 is formed on the VDF oligomer layer 13 (c).
  • an electric field is formed in a direction perpendicular to the VDF oligomer layer 13 by applying a DC voltage or an AC voltage between the lower electrode 12 and the upper electrode 14 (d).
  • VDF oligomer molecules Since the chains are oriented parallel to the substrate as described above, the electric field is applied in a direction perpendicular to the molecular chains. Since the polarization direction of the VDF oligomer is perpendicular to the molecular chain, spontaneous polarization in the direction perpendicular to this layer is formed in the VDF oligomer layer 13 by this electric field application (polling).
  • the pyroelectric infrared sensor 10 is completed by the processing so far.
  • vacuum deposition may be performed using a mask having holes at positions corresponding to the divided electrodes to be formed.
  • an electric field is separately applied to the VDF oligomer layer 13 using an electrode for poling treatment. May be applied.
  • Fig. 4 shows an example of a pyroelectric infrared sensor formed into a cylindrical shape.
  • the pyroelectric infrared sensor 30A shown in (a) is formed by forming the pyroelectric infrared sensor 10 shown in FIG. 1 into a cylindrical shape, and the lower electrode 32 and the upper electrode 34 are both provided integrally on the entire surface. ing.
  • the pyroelectric infrared sensor 30B shown in FIG. 2 (b) is obtained by forming the pyroelectric infrared sensor 20A shown in FIG. 2 (a) into a cylindrical shape, and the lower electrode 32 is integrally provided on the entire surface,
  • the electrode 34B is divided into a plurality of parts. Both have a substrate 31 inside the cylinder and a VDF oligomer layer 33 on the outside to detect infrared emitters outside the cylinder.
  • Cylindrical pyroelectric infrared sensors 30A and 30B can detect infrared rays incident from all directions around them without leakage. Further, in the pyroelectric infrared sensor 30 B in which the electrodes are divided, the change in the voltage between each of the plurality of upper electrodes 34 B and the lower electrode 32 is measured, and the detected intensity distribution is specified, whereby the infrared source It is possible to determine the direction and movement of the
  • the force shown in the example in which the substrate 31 is arranged inside the cylinder and the VDF oligomer layer 33 is arranged outside on the contrary, the substrate 31 is arranged outside the cylinder, and the VDF oligomer layer 33 is arranged inside the cylinder.
  • a sensor so as to surround the fall path or flight path of a small product (work), the movement of the work, its speed, deviation from the normal path, etc. It can be used as a sensor to detect.
  • a liquid or gas flow path may be arranged inside the cylinder. Thereby, it can be used as a sensor for detecting a temperature change of liquid or gas passing through the flow path.
  • FIG. 5 shows a curved pyroelectric infrared sensor 40A formed by bending the pyroelectric infrared sensor 10 of FIG.
  • FIG. 5 (a) is a plan view of a curved pyroelectric infrared sensor 40A
  • FIGS. 5 (b) and (c) are longitudinal sectional views thereof.
  • a substrate 41A is formed in a substantially circular shape, and its periphery is fixed by a ring 45 having rigidity.
  • the lower electrode 42A and the VDF oligomer layer 43A are formed as a single sheet, and the upper electrode 44A is a divided electrode.
  • the amount of incident infrared rays is measured while moving the curved pyroelectric infrared sensor 40A (that is, while moving the focal point), and the position where the variation for each divided electrode is minimized is obtained.
  • the position of the point light source can be estimated.
  • FIG. 6 shows a pyroelectric infrared sensor 50 provided with means for changing the curvature of curvature.
  • (a) is a plan view of the pyroelectric infrared sensor 40B
  • (b) is a longitudinal sectional view showing a state in which the pyroelectric infrared sensor 40B is curved.
  • the substrate 41B, the lower electrode 42B, the VDF oligomer layer 43B, and the upper electrode 44B are the same as those of the curved pyroelectric infrared sensor 40A.
  • the bending means includes a plurality of actuators 46 arranged around the substrate 41B. Each of the actuators 46 presses the substrate 41B from its periphery toward its center.
  • the curvature of the substrate 41B, the lower electrode 42B, the VDF oligomer layer 43B and the upper electrode 44B (as a whole) can be changed. If the pressing force of the actuator 46 is weakened, the curvature force S is naturally reduced by the restoring force of the substrate 41B itself.
  • the focal point formed by the curved surface of the VDF oligomer layer 43B changes. Therefore, in the same way as with the curved pyroelectric infrared sensor 40A, the incident amount of infrared rays is measured while changing the curvature, that is, changing the position of the focal point, and the position where the variation in the measurement amount of all the divided electrodes is minimized. To estimate the position of the point light source be able to.
  • the substrate 51 includes a polymer film 51A and a polymer film 51B made of a piezoelectric material polarized in a direction perpendicular to the substrate, and flexible vibration control sandwiched between them. It consists of electrode 55.
  • a flexible ground electrode 56 is provided under the substrate 51.
  • a lower electrode 52, a VDF oligomer layer 53, and an upper electrode 54 are disposed on the substrate 51.
  • the vibration control electrode 55 and the lower electrode 52, and the vibration control electrode 55 and the ground electrode 56 are connected to an AC power source 57 so that the lower electrode 52 side and the ground electrode 56 side are the ground side, respectively.
  • These polymer films 51A and 51B, the vibration control electrode 55, the ground electrode 56, and the lower electrode 52 form a piezoelectric bimorph.
  • the lower electrode 52 is also used for measuring the voltage between the upper electrode 54 generated by the temperature change of the VDF oligomer layer 53, like the pyroelectric infrared sensor 10 and the like.
  • this pyroelectric infrared sensor 50 when an AC voltage is applied between the vibration control electrode 55 and the lower electrode 52 and between the vibration control electrode 55 and the ground electrode 56 using an AC power source 57, the piezoelectric lateral effect is applied.
  • the polymer film 51A and the polymer film 51B expand and contract in opposite directions in the direction parallel to the film. Thereby, the substrate 51 and the VDF oligomer layer 53 provided thereon vibrate in a direction perpendicular to them.
  • This vibration constantly changes the distance between the VDF oligomer layer 53 and the heat source, so that even when infrared light is incident from a stationary heat source, It is possible to change the temperature of the mer layer 53 with time. For this reason, the pyroelectric infrared sensor 50 can measure the temperature of a stationary heat source without using a light beam.
  • FIG. 8 shows a top view (a) and a longitudinal sectional view (b) of another example of the pyroelectric infrared sensor in which the upper electrode, the lower electrode, and the VDF oligomer layer sandwiched between them are divided into the same form.
  • a unit infrared sensor is formed by upper and lower partial electrodes and a VDF oligomer layer sandwiched between them, and the pyroelectric infrared sensor as a whole is formed by an array of the unit infrared sensors. It constitutes a sensor.
  • the substrate 61 is removed between adjacent unit infrared sensors (removal region 65), and the substrate 61 is connected only at the intersection of the four unit infrared sensors.
  • the whole infrared sensor maintains unity.
  • a part of the substrate 61 can be easily removed by solvent treatment by masking or mechanical excision. As a result, each unit infrared sensor constituting the array can be thermally separated almost completely, and the detection accuracy of each unit infrared sensor can be improved.
  • FIG. 9 shows pyroelectric infrared sensors 70A to 70C in which a large number of condensing lenses are formed on the substrate 71 toward the outside.
  • a plurality of convex portions 75 are formed on the surface of the substrates 71A and 71B on the outside of the sensor, using the same material as the substrate, toward the outside of the substrate.
  • a concave portion 76 is formed on the surface of the substrate 71B on the VDF oligomer layer 73B side, corresponding to the position of the convex portion 75, and directed to the inside of the substrate 70B.
  • VDF oligomer layer 73B is also formed so as to protrude toward the substrate 70B.
  • a plurality of Fresnel lenses 77 formed by concentrically forming a plurality of saw teeth are formed on the surface of the substrate 71C on the outside of the sensor.
  • Each of these substrates 71A to 71C is made of a material that transmits infrared light to be measured.
  • Each of the lower electrodes 72A to 72C and the upper electrodes 74A to 74C is composed of a divided electrode arranged corresponding to the convex portion 75 or the Fresnel lens 77.
  • this pyroelectric infrared sensor 70A-C by making infrared light incident from the substrate 71 side, the infrared rays are condensed in a narrower region by the convex portion 75 or the Fresnel lens 77 than when they are not present. As a result, the temperature change of the VDF oligomer in that region increases and the infrared detection accuracy increases.
  • Fig. 10 shows the amount of induced charge induced in the VDF oligomer layer when the infrared light is irradiated (OFF ⁇ ON operation) and when the infrared irradiation is stopped (ON ⁇ OFF operation). The result of having measured as a voltage is shown.
  • polyimide was used for the substrate 11
  • Cr was used for the lower electrode 12 and the upper electrode 14, respectively.
  • Fig. 10 shows the results of a similar measurement performed for a pyroelectric infrared sensor using a quartz substrate instead of a polyimide substrate.
  • infrared light emitted from a blackbody furnace (500 ° C) was used.
  • the horizontal axis in Fig. 10 is time. From this experimental result, it was found that the absolute value of the output voltage is larger and the response is faster in this example than in the comparative example in both the OFF ⁇ ON operation and the ON ⁇ OFF operation.
  • the substrate made of the polymer material and the VDF oligomer layer are flexible, and the upper electrode and the lower electrode are also flexible.
  • the pyroelectric infrared sensor has flexibility. Using the flexibility, a pyroelectric infrared sensor deformed into a desired shape such as a curved shape, a cylindrical shape, a spherical shape, or the like according to the installation location can be obtained.

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Abstract

　変形させることが可能であり、しかも感度の高い焦電型赤外線センサを提供する。ポリイミドやポリエチレンテレフタラート等の高分子材料から成る可撓性のある基板１１とフッ化ビニリデン（VDF）オリゴマーから成る層１３を設け、VDFオリゴマー層１３の上下にAlの蒸着膜等から成る可撓性のある電極１２及び１４を設ける。これら各構成要素の可撓性により、本発明の焦電型赤外線センサは全体として可撓性を有し、所望の形状に変形させることが可能である。また、従来の焦電型赤外線センサで用いられているSi等の基板よりも、高分子材料から成る基板の方が熱容量及び熱伝導率が低いため、センサの感度を高めることができる。

Description

明 細 書
焦電型赤外線センサ
技術分野
[0001] 本発明は、焦電性を有する材料を用いた焦電型赤外線センサに関する。
背景技術
[0002] 焦電型赤外線センサは、物質内部の自発分極量が温度によって変化する性質を 持つ焦電体を用いた赤外線センサである。この焦電型赤外線センサでは、焦電体が 赤外線を吸収し温度が上昇することにより生じる自発分極量の変化を電気信号として 取り出すことによって、赤外線の有無及び強度を検出する。
[0003] 焦電型赤外線センサの感度を向上させるためには、焦電体は (0焦電係数が大きい
、 GO熱容量が小さい、（m)誘電率が小さい、方が望ましい。焦電係数は、単位体積あ たりに単位温度変化が与える分極の変化で定義される。熱容量を小さくすることは、 同一量の赤外線照射による温度上昇を大きくすることにつながり、赤外線の検出感 度を向上させることに寄与する。また、誘電率を小さくすることは、その焦電体を間に 挟んだ電極間の静電容量を小さくすることになる。この場合、分極の変化により生じる 両電極間の電圧が大きく現れることになるため、電圧の変化で測定される赤外線検 出の感度を向上させることに寄与する。
[0004] 従来より、チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT)やチタン酸バリウム (BaTiO )等の無機強誘電
3
体、あるいはポリフッ化ビ-リデン (PVDF)や PVDFと三フッ化工チレン (TrFE)とのラン ダム共重合体である P(VDF/TrFE)等の強誘電ポリマー力 成る焦電体を有する焦電 型赤外線センサが用いられていた。しかし、無機強誘電体は、焦電係数が大きいと いう利点を有する力 誘電率及び熱容量が大きいためセンサの感度の向上に限界が あるうえ、薄膜を形成する際に数百 °C程度の高温プロセスを用いる必要があるという 欠点を有する。
[0005] それに対して、特開 2004-037291号公報（ [0016]〜 [0024], [0032],図 4)では、焦電 型赤外線センサの焦電体にフッ化ビ-リデンオリゴマー (VDFオリゴマー）を用いるこ とが提案されて 、る。 VDFオリゴマーは CF - (CH CF ) - C H と表される。ここで、重
3 2 2 n m 2m+l 合数 nは、特開 2004-037291号公報では 10〜50であるとされている力 実際にはこの 範囲に加えて 5〜9のものも下記の特長を有する。そのため、本願では重合数 nが 5〜 50の範囲内にあるものを VDFオリゴマーと定義する。また、 C H 基には、特開 2004
m 2m+l
-037291号公報では M=lのもののみが記載されている力 実際には m=2〜10のものも 下記の特長を有する。更に、 C H 基がハロゲン原子で置換されたものも VDFオリゴ
m 2m+l
マーに含まれる。
[0006] VDFオリゴマーは前述の無機強誘電体よりも小さく強誘電ポリマーと同程度の誘電 率及び熱容量を有するうえ、それらの強誘電ポリマーよりも焦電係数が大きい、という 点で焦電型赤外線センサの焦電体として優れて 、る。その焦電係数は重合数 nによ り異なる力 例えば重合数 n=17の VDFオリゴマーの焦電係数 Pは - 70 C/m2Kであり
3
、重合度 nが遙かに大き!/ヽ（n=1000〜2000程度） VDFポリマー（PVDF)の焦電係数 P
3
=-30 C/m よりも大きな絶対値を持つ。また、 VDFオリゴマーは薄膜を形成する際 に高温プロセスを用いる必要がな 、と 、う点で無機強誘電体よりも優れて 、る。
[0007] VDFオリゴマーを用いたものを含めた従来の焦電型赤外線センサでは、 Si等の無 機材料力も成る基板により焦電体を支える構成を有して 、る。この基板が大き 、熱容 量及び熱伝導率を有すると、赤外線が照射されることにより焦電体に与えられる熱の 多くが基板に吸収されたり、基板力 外部に放出されたりしてしまい、赤外線照射に よる焦電体の温度変化が小さくなるため、センサの感度が低下してしまう。
[0008] 特開 2000-155050号公報（[0019], [0027], [0031],図 1)には、焦電体として強誘電 ポリマーを有する焦電型赤外線センサにおいて、熱伝導率が一般に小さいとされる 榭脂製の基板を用いることが記載されている。これにより、赤外線照射により焦電体 に与えられる熱が基板に奪われてセンサの感度が低下することを抑制することができ る。榭脂製基板の下には、更に Si等力も成る支持体が設けられている。この支持体に より、榭脂製基板は平面状に固定され、曲がることがないように保持されている。 発明の開示
[0009] 従来の焦電型赤外線センサでは、 Si等の無機材料から成る基板や支持体が用いら れているため、設置場所の形状や検出対象の配置等に応じて焦電型赤外線センサ 自体を変形させることは困難である。 [0010] 本発明が解決しょうとする課題は、変形させることが可能であり、しかも感度の高い 焦電型赤外線センサを提供することである。
[0011] 上記課題を解決するために成された本発明に係る焦電型赤外線センサは、
a)高分子材料から成る基板と、
b)前記基板上に形成された、 CF - (CH CF ) - C H (ここで、 n=5〜50、 m=l〜10)
3 2 2 n m 2m+l
又はその C H 基をハロゲン原子で置換した物質力も成るフッ化ビ-リデンオリゴマ
m 2m+l
一層と、
C)前記基板と前記フッ化ビニリデンオリゴマー層の間に形成された可撓性を有する 下部電極と、
d)前記フッ化ビ-リデンオリゴマー層上に形成された可撓性を有する上部電極と、 を備え、可撓性を有することを特徴とする。
[0012] 基板の材料には、例えばポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリブチレンテレフ タラート、ポリカーボネート、ポリパラフエ-レンスルフイド、ポリアミドイミドを用いること ができる。上部電極及び下部電極には、例えば Au、 Ag、 Al、 Cr、 Ni、 Pt等の金属の蒸 着膜、炭素蒸着膜、あるいはポリア-リン、ポリチォフェン、 PDOT-PSSなどの有機電 極等を用いることができる。
[0013] 本発明に係る焦電型赤外線センサは、その可撓性という特性を活力ゝして、湾曲状 や円筒状、球面状とすることができる。なお、この場合、フッ化ビ-リデンオリゴマー層 は、湾曲の外側にあってもよいし、内側にあってもよい。
[0014] これらについては、更に、その湾曲の曲率（円筒状、球面状の場合は、断面形状） を変化させる手段を設けることもできる。その場合、更にその曲率を測定する手段を 設けることちでさる。
[0015] 前記基板は 2枚の圧電性高分子膜を用いたバイモルフ構造を有するものであって ちょい。
[0016] 前記上部電極及び下部電極の少なくとも一方（両方でもよ!/ヽ）は複数に分割されて いてもよい。その場合、前記基板のうち、複数の電極の間の部分は除去されているこ とが望ましい。
[0017] また、前記基板は目的とする赤外線に対して透明であって、前記複数の電極の少 なくともいずれかに対応する位置において、該基板の表面、即ち下部電極の反対側 の面であって赤外線が入射する面が、凸レンズやフレネルレンズ等の集光レンズの 形状に形成されて ヽてもよ ヽ。
発明を実施するための最良の形態
[0018] 本発明では、高分子材料カゝら成る基板及び VDFオリゴマー層が可撓性を有し、上 部電極及び下部電極にも可撓性を有するものを用いているため、本発明の焦電型 赤外線センサは可撓性を有する。その可撓性を利用して、設置場所に応じた形状や 、湾曲状、円筒状、球面状等の所望の形状に変形された焦電型赤外線センサを得る ことができる。
[0019] また、多くの焦電型赤外線センサにおいて用いられている無機強誘電体や強誘電 ポリマー等よりも高 ヽ焦電係数を有する VDFオリゴマー焦電体と、従来用いられて!/、 た Si等の基板よりも熱容量や熱伝導率が小さい高分子膜から成る基板と、を用いるこ とにより、赤外線センサの感度を従来よりも高めることができる。
[0020] 本発明の焦電型赤外線センサが円筒状や球面状に形成されている場合には、 360 ° の視野角を得ることができる。
[0021] 本発明の焦電型赤外線センサに曲率を変化させる手段が設けられている場合には 、受光面の焦点を移動させることができるため、この焦点を移動させながら赤外線の 強度の変化を測定することにより、熱源の位置を測定することができる。
[0022] また、この曲率変化を繰り返す (振動させる）ことにより、従来用いられていた光チヨ ツバと同様の機能を得ることができる。すなわち、基板の曲率が変化すると、 VDFオリ ゴマ一層と熱源 (赤外線源)の間の距離が変化するため、静止した熱源に対しても V DFオリゴマー層に温度変化を生起させることができ、温度測定が可能となる。従来、 静止熱源に対して温度変化を与えるために光チヨツバを用いていたが、本発明の焦 電型赤外線センサに曲率変化手段を付加し、それによる曲率変化を繰り返すこと〖こ より、光チヨツバを用いることなく静止熱源の温度を測定できるようになる。
[0023] この曲率変化手段の一つの例として、 2枚の圧電性高分子膜を用いたバイモルフ 構造を有する基板を挙げることができる。この場合、これら 2枚の圧電性高分子膜の 間に印加する電圧の値を変化させることにより、その曲率を変化させることができる。 また、交流電圧を印加することにより基板が振動し、それにより上記のような光チヨッ パを用いな 、静止熱源温度センサとして用いることができるようになる。
[0024] 上部電極及び下部電極の少なくとも一方が複数形成されている場合には、 1個の 基板上に、それら複数の電極に対応した複数の焦電型赤外線センサを有する赤外 線センサアレイを形成することができる。このような赤外線センサアレイを用いて、例 えば各センサ毎の赤外線の強度の時間変化の違いから、赤外線を放出する物体の 速度や加速度を測定することができる。
[0025] また、前記基板のうち前記複数の電極の間にある部分が除去されている場合には 、その基板上に複数形成された焦電型赤外線センサの相互間の熱伝導を抑えること ができ、各センサの検出精度を高めることができる。
[0026] 基板が目的とする赤外線に対して透明であって、複数の電極の少なくともいずれか に対応する位置において基板の表面が集光レンズの形状に形成されている場合に は、その表面から VDFオリゴマー層に赤外線が照射されると、赤外線は集光レンズに より VDFオリゴマー層内の狭い領域に集光される。これにより、その領域での VDFオリ ゴマーの温度変化が大きくなり、赤外線の検出精度を高めることができる。
図面の簡単な説明
[0027] [図 1]本発明に係る焦電型赤外線センサの一実施態様を示す縦断面図。
[図 2]複数の下部電極又は Z及び上部電極を設けた本発明の焦電型赤外線センサ の例を示す縦断面図。
[図 3]本発明の焦電型赤外線センサの製造方法の一例を示す縦断面図。
[図 4]円筒形に成形した焦電型赤外線センサの例を示す斜視図。
[図 5]基板等を湾曲させた焦電型赤外線センサの例を示す縦断面図。
[図 6]湾曲手段を有する焦電型赤外線センサの例を示す平面図及び縦断面図。
[図 7]光チヨツバが不要な温度測定用赤外線センサの例を示す縦断面図。
[図 8]焦電型赤外線センサアレイにおいて、各素子の境界に基板の除去領域を設け た例を示す平面図及び縦断面図。
[図 9]VDFオリゴマー層に凸部を設けた焦電型赤外線センサアレイの例を示す縦断 面図。 [図 10]本発明の焦電型赤外線センサ及び比較例における誘起電荷の測定結果を示 すグラフ。
[0028] 本発明に係る焦電型赤外線センサの実施例を、図 1〜図 10を用いて説明する。
(1)本発明の焦電型赤外線センサの基本的な構成
図 1は本発明の基本的な構成を有する焦電型赤外線センサ 10の縦断面図である
。この焦電型赤外線センサ 10は、高分子材料から成る基板 11、下部電極 12、 VDF オリゴマー層 13、上部電極 14をこの順に積層した構成を有する。
[0029] 基板 11の材料には厚さ 5〜200 μ mのポリイミド、ポリエチレン等の高分子材料シー トを用いる。 VDFオリゴマー層 13には化学式 CF - (CH CF ) - C H で表され nが 5〜
3 2 2 n m 2m+l
50、 mカ^〜 10である VDFオリゴマー、又はその C H 基をノヽロゲン原子で置換した
m 2m+l
ものを用いる。下部電極 12及び上部電極 14には、前述の金属蒸着膜、炭素蒸着膜 、有機電極等を用いる。下部電極 12及び上部電極 14は基板 11上の全面に形成さ れているが、それらを十分薄く形成することにより、センサ全体を可撓性とすることが できる。
[0030] この焦電型赤外線センサ 10の動作は従来の焦電型赤外線センサと同様である。セ ンサに赤外線が照射されると VDFオリゴマー層 13の温度が上昇し、その温度変化の 大きさに比例して VDFオリゴマーの分極の大きさが変化する。この分極の変化により 生じる下部電極 12と上部電極 14間の電圧の変化を検出することにより、 VDFオリゴ マー層 13への赤外線の入射を検出する。
[0031] この焦電型赤外線センサ 10はその構成要素である基板 11、下部電極 12、 VDFォ リゴマー層 13、上部電極 14がいずれも可撓性を有し、例えば特開 2000-155050号公 報に記載の Si力 成る支持体のように可撓性のない構成要素を持たないため、所望 の形状に変形させることができる。また、この焦電型赤外線センサ 10は基板 11が高 分子材料から成り、 Si等から成る基板や支持体よりも熱容量及び熱伝導率が小さい ため、赤外線の検出精度を高めることができる。
[0032] (2)複数に分割された上部電極及び Z又は下部電極を有する焦電型赤外線センサ の構成
図 2は複数に分割された上部電極及び Z又は下部電極を有する (a)焦電型赤外線 センサ 20A、（b)焦電型赤外線センサ 20B及び (c)焦電型赤外線センサ 20Cの縦断 面図である。いずれも基板 21は前記焦電型赤外線センサ 10と同様、 1枚のシート状 となっているが、（a)では上部電極 24Aのみ力 （b)では下部電極 22Bのみ力 （c)では 下部電極 22Cと上部電極 24Cの双方力 それぞれ複数に分割されて 、る。
[0033] これらの焦電型赤外線センサ 20A、 20B、 20Cでは、分割された各上部電極 24A 、 24C及び Z又は下部電極 22B、 22Cを用いて、それぞれその電極の直上又は直 下の位置における VDFオリゴマー層 23の電圧を測定することができる。これにより、 各電極毎に独立して VDFオリゴマー層 23への赤外線の入射を検出することができる 。即ち、これら焦電型赤外線センサ 20A、 20B、 20Cは、全体でセンサのアレイを形 成している。
[0034] これらの焦電型赤外線センサ 20A、 20B、 20Cでは、分割されて!、な 、電極 22A、 24Bは可撓性を有する必要がある力 分割された上部電極 24A、 24C及び下部電 極 22B、 22Cについては、各分割電極自体は可撓性を持つ必要はない。電極間に 隙間があるため、分割された各部分電極を総合した全体としての上部電極又は下部 電極は可撓性を有し、センサ 20A、 20B、 20Cとして可撓性を有するため、図 2に示 した 3つの例も本願発明の技術範囲に属する。
[0035] (3)本発明の焦電型赤外線センサの製造方法
図 3に、本発明の焦電型赤外線センサの製造方法の一例を示す。まず、基板 11と して高分子材料シートを用意し、その表面に下部電極 12を形成する (a)。下部電極 1 2の形成には、例えば金属や炭素等力も成るものを用いる場合には真空蒸着法を、 有機電極を用いる場合にはスピンコート法等の湿式法を用いることができる。
[0036] 次に、下部電極 12を形成した基板 11を- 100°C以下に冷却し、真空蒸着法により下 部電極 12の上に VDFオリゴマー層 13を形成する (b)。この冷却により、 VDFオリゴマ 一の分子鎖の向きを基板に平行に配向させることができ、このような配列構造をとるこ とによって、強誘電性及び焦電性を発現しやすい状態にすることができる。
[0037] その後、冷却を終了し、 VDFオリゴマー層 13の上に上部電極 14を形成する (c)。最 後に、下部電極 12と上部電極 14の間に直流電圧又は交流電圧を印加することによ り、 VDFオリゴマー層 13に垂直な方向に電界を形成する (d)。 VDFオリゴマーの分子 鎖は前述のように基板に平行に配向しているため、電界は分子鎖に垂直な方向に印 加される。そして、 VDFオリゴマーの分極方向は分子鎖に垂直な方向であるため、こ の電界印加により、 VDFオリゴマー層 13にはこの層に垂直な方向の自発分極が形成 される（ポーリング)。ここまでの処理により、焦電型赤外線センサ 10が完成する。
[0038] 図 2(a)〜(； c)に示した上部電極 24A、 24C及び Z又は下部電極 22B、 22Cを有す る焦電型赤外線センサを製造する場合には、図 3(a)及び Z又は (c)の工程において、 形成しょうとする分割電極に対応する位置に孔を設けたマスクを用いて真空蒸着を 行えばよい。
[0039] なお、図 3(d)に示した工程において、上部電極と下部電極に電源を接続して電界 を印加する代わりに、別途、ポーリング処理用の電極を用いて VDFオリゴマー層 13に 電界を印加してもよい。
[0040] (4)本発明の焦電型赤外線センサを変形させた例
図 4に、円筒状に成形した焦電型赤外線センサの例を示す。（a)に示した焦電型赤 外線センサ 30Aは図 1に示した焦電型赤外線センサ 10を円筒状に成形したもので あり、下部電極 32及び上部電極 34は共に全面に一体で設けられている。（b)に示し た焦電型赤外線センサ 30Bは、図 2(a)に示した焦電型赤外線センサ 20Aを円筒状 に成形したものであり、下部電極 32は全面に一体で設けられ、上部電極 34Bは複数 に分割されている。いずれも、円筒の内側に基板 31を、外側に VDFオリゴマー層 33 を有しており、円筒の外側にある赤外線放射体を検出する。
[0041] 円筒状の焦電型赤外線センサ 30A、 30Bは、その周囲の全方向から入射する赤 外線を漏れなく検出することができる。また、電極を分割した焦電型赤外線センサ 30 Bでは、複数の上部電極 34Bの各々において下部電極 32との間の電圧の変化を測 定し、その検出強度分布を特定することにより、赤外線源の存在する方向やその運 動を決定することができる。
[0042] なお、図 4では円筒の内側に基板 31を、外側に VDFオリゴマー層 33を配置した例 を示した力 逆に、円筒の外側に基板 31を、円筒の内側に VDFオリゴマー層 33を配 置してもよい。このようなセンサを例えば小型製造物（ワーク）の落下経路や飛行経路 を囲うように配置することにより、ワークの移動やその速度、正規経路からのズレ等を 検出するセンサとして使用することができる。また、円筒の内側に液体や気体の流路 を配してもよい。これにより、流路を通過する液体や気体の温度変化を検知するセン サとして使用することができる。
[0043] 図 5に、図 1の焦電型赤外線センサ 10を湾曲させて成る湾曲型焦電型赤外線セン サ 40Aを示す。図 5(a)は湾曲型焦電型赤外線センサ 40Aの平面図、（b)及び (c)はそ の縦断面図である。この湾曲型焦電型赤外線センサ 40Aは、基板 41 Aを略円形に 形成し、その周囲を剛性を有する輪 45で固定したものである。下部電極 42A及び V DFオリゴマー層 43Aは 1枚のシート状であり、上部電極 44Aは分割電極である。
[0044] この湾曲型焦電型赤外線センサ 40Aでは、湾曲した VDFオリゴマー層 43Aの曲面 により形成される焦点と点光源の位置が近づく程、各分割電極における赤外線の入 射量のばらつきが小さくなる。これを利用して、湾曲型焦電型赤外線センサ 40Aを移 動させながら (即ち、前記焦点を移動させながら)赤外線の入射量を測定し、各分割 電極毎のばらつきが最小になる位置を求めることにより、点光源の位置を推定するこ とがでさる。
[0045] 図 6に、湾曲の曲率を変化させる手段を設けた焦電型赤外線センサ 50を示す。 (a) は焦電型赤外線センサ 40Bの平面図であり、（b)は焦電型赤外線センサ 40Bを湾曲 させた状態を示す縦断面図である。この例では、基板 41B、下部電極 42B、 VDFオリ ゴマ一層 43B及び上部電極 44Bには湾曲型焦電型赤外線センサ 40Aと同様のもの を用いる。湾曲手段は基板 41 Bの周囲に複数配置されたァクチユエータ 46から成る 。各ァクチユエータ 46は基板 41Bをその周囲からその中心方向に向かって押圧する 。このァクチユエータ 46による押圧力を調整することにより、基板 41B、下部電極 42 B、 VDFオリゴマー層 43B及び（全体としての）上部電極 44Bの曲率を変化させること ができる。なお、ァクチユエータ 46の押圧力を弱めると、基板 41B自体の復元力によ り自然に曲率力 S小さくなる。
[0046] 基板 41Bの曲率を変化させると、 VDFオリゴマー層 43Bの曲面により形成される焦 点が変化する。そのため、湾曲型焦電型赤外線センサ 40Aと同様に、曲率を変化さ せながら、即ち焦点の位置を変化させながら赤外線の入射量を測定し、全分割電極 の測定量のばらつきが最小になる位置を求めることにより、点光源の位置を推定する ことができる。
[0047] また、ァクチユエータ 46を用いて VDFオリゴマー層 43B等の曲率を周期的に変化さ せることにより、各分割電極直下の VDFオリゴマー層 43Bへの赤外線の入射量を周 期的に変化させることができる。
[0048] 従来、赤外線センサを用いて静止した熱源の温度を測定する場合には、焦電電流 を発生させるために、光チヨッパにより赤外線の入射の ON/OFFを繰り返してその入 射量に時間変化を与えることにより、焦電体に温度の時間変化を与えていた。本実 施例の方法によれば、光チヨツバを用いることなぐ赤外線の入射量に時間変化を与 えることができる。
[0049] (5)光チヨツバが不要な温度測定用赤外線センサの例
次に、光チヨツバを用いる必要のない温度測定用焦電形赤外線センサの他の例を 、図 7を用いて説明する。この焦電形赤外線センサ 50では、基板 51は、基板に垂直 な方向に分極した圧電体から成る高分子膜 51Aと高分子膜 51B、及びそれらの間 に挟まれた可撓性のある振動制御電極 55から成る。また、基板 51の下には可撓性 のある接地電極 56が設けられる。基板 51の上には、焦電形赤外線センサ 10と同様 に下部電極 52、 VDFオリゴマー層 53及び上部電極 54が配置される。振動制御電極 55と下部電極 52、及び振動制御電極 55と接地電極 56は、それぞれ下部電極 52側 及び接地電極 56側が接地側になるように交流電源 57に接続される。これら高分子 膜 51A及び 51B、振動制御電極 55、接地電極 56、並びに下部電極 52により、圧電 バイモルフが形成されている。なお、下部電極 52は焦電形赤外線センサ 10等と同 様に、 VDFオリゴマー層 53の温度変化により生じる上部電極 54との間の電圧の測定 にも用いられる。
[0050] この焦電形赤外線センサ 50では、交流電源 57を用いて振動制御電極 55と下部電 極 52、及び振動制御電極 55と接地電極 56の間に交流電圧を印加すると、圧電横 効果により高分子膜 51Aと高分子膜 51Bは膜に平行な方向に互いに逆位相で伸縮 する。これにより、基板 51及びその上に設けられた VDFオリゴマー層 53等はそれら に垂直な方向に振動する。この振動により、 VDFオリゴマー層 53と熱源の距離が絶 えず変化するため、静止した熱源カゝら赤外線が入射する場合であっても VDFオリゴ マー層 53に温度の時間変化を与えることができる。そのため、焦電形赤外線センサ 50では光チヨツバを用いることなく静止した熱源の温度を測定することができる。
[0051] (6)単位赤外線センサアレイ間を熱分離した焦電型赤外線センサの例
図 8に、上部電極、下部電極、及びそれらに挟まれた VDFオリゴマー層を同一形態 に分割した焦電型赤外線センサの他の例の上面図 (a)及び縦断面図 (b)を示す。この 焦電型赤外線センサ 60では、上下の各部分電極及びそれらにより挟まれた VDFオリ ゴマ一層により単位赤外線センサが形成され、それら単位赤外線センサの配列（ァレ ィ）により全体として焦電型赤外線センサを構成している。そして、この焦電型赤外線 センサ 60では、隣接する単位赤外線センサの間において基板 61が除去され（除去 領域 65)、基板 61が 4個の単位赤外線センサの交点のみにおいて接続されることに より、赤外線センサ全体として一体性を保持している。本発明では基板に高分子材 料を用いているため、基板 61の一部の除去はマスキングによる溶剤処理や機械的な 切除により容易に行うことができる。これにより、アレイを構成する各単位赤外線セン サを熱的にほぼ完全に分離することができ、各単位赤外線センサの検出精度を高め ることがでさる。
[0052] (7)基板に集光レンズを設けた焦電型赤外線センサの例
図 9に、基板 71に、その外側に向けて多数の集光レンズを形成した焦電型赤外線 センサ 70A〜70Cを示す。焦電型赤外線センサ 70A及び 70Bでは、センサの外部 側の基板 71A及び 71Bの表面に基板と同じ材料により、基板の外側に向けて凸部 7 5が複数個形成されている。焦電型赤外線センサ 70Bでは更に、 VDFオリゴマー層 7 3B側の基板 71Bの表面に、凸部 75の位置に対応して、基板 70Bの内側に向力つて 凹部 76が形成されており、これに合わせて VDFオリゴマー層 73Bも基板 70B側に凸 になるように形成されている。焦電型赤外線センサ 70Cでは、センサの外部側の基 板 71Cの表面に、鋸歯を同心円状に多数形成して成るフレネルレンズ 77が複数個 形成されている。
[0053] これら基板 71A〜71Cはいずれも測定対象の赤外線を透過する材料カゝら成る。下 部電極 72A〜C及び上部電極 74A〜Cはいずれも、凸部 75又はフレネルレンズ 77 に対応して配置された分割電極から成る。 [0054] この焦電型赤外線センサ 70A〜Cでは、基板 71側から赤外線を入射させることに より、凸部 75又はフレネルレンズ 77により、それらがない場合よりも狭い領域に赤外 線が集光されるため、その領域での VDFオリゴマーの温度変化が大きくなり、赤外線 の検出精度が高まる。
[0055] 図 10に、焦電型赤外線センサ 10について、赤外線を照射した (OFF→ON操作）時 及び赤外線の照射を停止した (ON→OFF操作）時に VDFオリゴマー層に誘起される 誘起電荷量を電圧として測定した結果を示す。この実験では、基板 11にはポリイミド を、下部電極 12及び上部電極 14には Crを、それぞれ用いた。図 10には比較例とし て、ポリイミド基板の代わりに石英力 成る基板を用いた焦電型赤外線センサにっ ヽ ても同様の測定を行った結果を示す。なお、この実験では黒体炉 (500°C)から放射さ れる赤外光を使用した。図 10の横軸は時間である。この実験結果より、 OFF→ON操 作、 ON→OFF操作のいずれにおいても、比較例よりも本実施例の方が出力電圧の 絶対値が大きぐ応答が速いことが明らかになった。
産業上の利用可能性
[0056] 本発明では、高分子材料カゝら成る基板及び VDFオリゴマー層が可撓性を有し、上 部電極及び下部電極にも可撓性を有するものを用いているため、本発明の焦電型 赤外線センサは可撓性を有する。その可撓性を利用して、設置場所に応じた形状や 、湾曲状、円筒状、球面状等の所望の形状に変形された焦電型赤外線センサを得る ことができる。

Claims

請求の範囲
[1] a)高分子材料から成る基板と、
b)前記基板上に形成された、 CF - (CH CF ) - C H (ここで、 n=5〜50、 m=l〜10)
3 2 2 n m 2m+l
又はその C H 基をハロゲン原子で置換した物質力も成るフッ化ビ-リデンオリゴマ
m 2m+l
一層と、
C)前記基板と前記フッ化ビニリデンオリゴマー層の間に形成された可撓性を有する 下部電極と、
d)前記フッ化ビ-リデンオリゴマー層上に形成された可撓性を有する上部電極と、 を備え、可撓性を有することを特徴とする焦電型赤外線センサ。
[2] 湾曲状に形成されていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の焦電型赤外 線センサ。
[3] 円筒状に形成されていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の焦電型赤外 線センサ。
[4] 球面状に形成されていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の焦電型赤外 線センサ。
[5] 曲率を変化させる手段を有することを特徴とする請求の範囲第 1項〜第 4項のいず れかに記載の焦電型赤外線センサ。
[6] 前記基板が 2枚の圧電性高分子膜を用いたバイモルフ構造を有することを特徴と する請求の範囲第 5項に記載の焦電型赤外線センサ。
[7] 前記上部電極及び下部電極の少なくとも一方が複数に分割されていることを特徴と する請求の範囲第 1項〜第 6項のいずれかに記載の焦電型赤外線センサ。
[8] 前記基板のうち前記複数の電極の間にある部分が除去されていることを特徴とする 請求の範囲第 7項に記載の焦電型赤外線センサ。
[9] 前記基板が、目的とする赤外線に対して透明であって、前記複数の電極の少なくと もいずれかに対応する位置において、該基板の表面が集光レンズの形状に形成さ れていることを特徴とする請求の範囲第 7項又は第 8項に記載の焦電型赤外線セン サ。
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