WO2018012418A1 - 焦電センサおよび焦電センサの製造方法 - Google Patents
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- 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
Definitions
- the present invention relates to a pyroelectric sensor and a method for manufacturing the pyroelectric sensor.
- Patent Document 1 discloses a pyroelectric sensor element, an upper electrode formed on the upper surface of the pyroelectric sensor element and used to extract a signal, and a first infrared ray formed on the upper surface of the upper electrode and absorbing infrared rays. Holding the absorption film, the lower electrode formed on the lower surface of the pyroelectric sensor element and for taking out a signal, the second infrared absorption film formed on the lower surface of the lower electrode and absorbing infrared rays, and holding the pyroelectric sensor element A pyroelectric sensor having a holding base is described.
- Infrared light incident on the pyroelectric sensor element of the pyroelectric sensor described in Patent Document 1 is absorbed by the first infrared absorbing film, and the infrared light transmitted through the first infrared absorbing film is transmitted through the pyroelectric sensor element, 2 absorbed by the infrared absorbing film.
- the infrared absorption efficiency is improved.
- the pyroelectric sensor of Patent Document 1 has a structure in which the pyroelectric sensor element is sandwiched between the first infrared absorbing film and the second infrared absorbing film, so that the warpage of the pyroelectric sensor element can be reduced. It is supposed to be possible.
- the pyroelectric sensor described in Patent Document 1 only detects infrared rays incident from the upper surface side of the pyroelectric sensor element.
- the embodiment disclosed herein includes a pyroelectric ceramic, a first sintered metal provided integrally with the pyroelectric ceramic, and a second sintered metal provided integrally with the pyroelectric ceramic.
- the first sintered metal and the second sintered metal include a base metal, and the first sintered metal and the second sintered metal are spaced apart from each other. It is a pyroelectric sensor provided with a notch between the second sintered metal.
- the pyroelectric ceramic powder and the base metal powder are superposed, the superposed pyroelectric ceramic powder and the base metal powder are co-sintered, and the base metal powder is co-sintered.
- a pyroelectric sensor manufacturing method including a step of separating a sintered metal formed in this manner into a plurality of steps and a step of forming a notch between the plurality of separated sintered metals.
- the first pyroelectric ceramic powder and the first base metal powder are superposed, and the second pyroelectric ceramic powder is formed so as to form a notch on the first pyroelectric ceramic powder.
- Laminating pyroelectric ceramic powder, laminating second base metal powder on second pyroelectric ceramic powder, first pyroelectric ceramic powder, first base metal powder, second pyroelectric ceramic And a step of co-sintering the powder and the second base metal powder.
- a pyroelectric sensor capable of detecting light incident from a plurality of directions and a method for manufacturing the pyroelectric sensor.
- FIG. 1 is a schematic perspective view of a pyroelectric sensor according to Embodiment 1.
- FIG. 2 is a schematic enlarged plan view of a region surrounded by a broken line of the pyroelectric sensor shown in FIG. 1.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for illustrating an example of a manufacturing method of the pyroelectric sensor according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for illustrating an example of a manufacturing method of the pyroelectric sensor according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for illustrating an example of a manufacturing method of the pyroelectric sensor according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for illustrating an example of a manufacturing method of the pyroelectric sensor according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for illustrating an example of a manufacturing method of the pyroelectric sensor according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for illustrating an example of a manufacturing method of the pyroelectric sensor according to the first embodiment. It is a figure which shows the relationship between the logarithm of Ni-NiO equilibrium oxygen partial pressure, and temperature. It is a diagram showing the relationship between the logarithm and the temperature of the Cu-Cu 2 O average oxygen partial pressure.
- 3 is a schematic cross-sectional view for explaining heat conduction in the pyroelectric sensor of Embodiment 1.
- FIG. FIG. 6 is a schematic enlarged plan view of a modified example of the first embodiment.
- FIG. 10 is a schematic enlarged plan view of another modification of the first embodiment.
- FIG. 10 is a schematic enlarged plan view of another modification of the first embodiment.
- FIG. 10 is a schematic perspective view of another modification of the first embodiment.
- FIG. 10 is a schematic perspective view of another modification of the first embodiment.
- 6 is a schematic cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a pyroelectric sensor according to Embodiment 2.
- FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a pyroelectric sensor according to Embodiment 2.
- FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a pyroelectric sensor according to Embodiment 2.
- FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a pyroelectric sensor according to Embodiment 2.
- FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a pyroelectric sensor according to Embodiment 2.
- FIG. It is typical sectional drawing of the laminated body of the base metal powder sheet and pyroelectric ceramic powder sheet which were produced in the Example. It is a figure which shows the electric charge amount [nC / mm ⁇ 2 >] which generate
- FIG. 1 the typical perspective view of the pyroelectric sensor 10 of Embodiment 1 is shown.
- the pyroelectric sensor 10 of the first embodiment shown in FIG. 1 has a flat plate shape, for example, but has flexibility, and can be formed into a cylindrical shape as shown in FIG.
- FIG. 2 shows a schematic enlarged plan view of a region 10a surrounded by a broken line of the pyroelectric sensor 10 shown in FIG.
- FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view along III-III in FIG.
- the pyroelectric sensor 10 is a co-sintered body, and is integrated with the pyroelectric ceramic 2 and the pyroelectric ceramic 2 on the first main surface 2 a of the pyroelectric ceramic 2.
- a first sintered metal 3a a second sintered metal 3b, and a third sintered metal 3c.
- each of the first sintered metal 3a, the second sintered metal 3b, and the third sintered metal 3c has an island shape, and is spaced apart from the first sintered metal 3a. 1 on the main surface 2a.
- the first sintered metal 3a, the second sintered metal 3b, and the third sintered metal 3c are exemplified as the plurality of sintered metals. As long as a plurality of sintered metals are provided integrally with each other and spaced apart from each other, the configuration of the first embodiment is not limited.
- a groove-shaped first notch 4a is provided between the first sintered metal 3a and the second sintered metal 3b, and the second sintered metal 3b and the third sintered metal 3c. Between the two, a groove-like second notch 4b is provided.
- the first notch 4a and the second notch 4b can be formed by partially removing the pyroelectric ceramic 2, for example.
- the first sintered metal 3a, the second sintered metal 3b, and the third sintered metal 3c contain a base metal.
- the base metal is a metal other than gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru), and osmium (Os).
- Sintered metal refers to a metal powder that has been in a metal powder state prior to sintering of pyroelectric ceramic, but has been co-sintered simultaneously with pyroelectric ceramic to form a thin plate metal. The co-sintered body is obtained by co-sintering ceramic and base metal.
- nickel (Ni), copper (Cu), and aluminum are used as base metals. It is preferable to use a metal containing at least one selected from the group consisting of (Al), more preferably a metal containing at least one of Ni and Cu, and even more preferably Ni.
- the pyroelectric ceramic 2 is not particularly limited.
- the pyroelectric ceramic 2 contains a perovskite type compound as a main substance.
- the main substance contains niobium (Nb), an alkali metal, and oxygen (O).
- Nb niobium
- O oxygen
- a pyroelectric ceramic in which the content of the main substance is 90 mol% or more with respect to the total molar amount of all substances contained in the electroceramic 2 can be used.
- the presence and content of the perovskite type compound as the main substance in the pyroelectric ceramic can be determined by an X-ray diffraction method. That is, the presence of the perovskite type compound can be confirmed by the appearance of an X-ray diffraction peak at a specific position in the X-ray diffraction pattern obtained by the X-ray diffraction method.
- Acta Crystallogr., Sec. A, 34 309 (1978) describes powder X-ray diffraction data of (Na 0.35 K 0.65 ) NbO 3 .
- the intensity ratio of each peak and the peak position with respect to the interplanar spacing d are similar, it can be determined as a perovskite type compound containing alkali metal and niobium.
- the content of the perovskite compound and the magnitude of the X-ray diffraction peak intensity are in a proportional relationship, the content of the perovskite compound and the content of the perovskite compound and the other substances are known using a known sample.
- a calibration curve showing the relationship with the magnitude of the X-ray diffraction peak intensity can be created. Based on the calibration curve, the content of the perovskite type compound as the main substance in the pyroelectric ceramic can be determined.
- the content (% by weight) of each constituent element contained in the pyroelectric ceramic can be determined by inductively coupled high-frequency plasma spectroscopy (ICP spectroscopy). Since the X-ray diffraction method shows what kind of crystal structure the pyroelectric ceramic has, it is possible to know which constituent element atoms are located at which site of the pyroelectric ceramic crystal structure. Specifically, it can be judged as a perovskite compound containing an alkali metal, niobium and oxygen if it is similar to the diffraction data of (Na 0.35 K 0.65 ) NbO 3 described above.
- a perovskite type compound containing Nb, alkali metal and O is contained as a main substance in an amount of 90 mol% or more with respect to the total molar amount of all substances contained in the pyroelectric ceramic. .
- the perovskite type compound as the main substance may contain tantalum (Ta).
- auxiliary substances other than the main substance include, for example, barium (Ba), strontium (Sr), calcium (Ca), zirconium (Zr), titanium (Ti), tin (Sn), manganese ( Mn), Ni, scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), At least one selected from the group consisting of gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb) and lutetium (Lu) Can be mentioned.
- the pyroelectric ceramic 2 is provided integrally with each of the first sintered metal 3a, the second sintered metal 3b, and the third sintered metal 3c.
- the first sintered metal 3a, the second sintered metal 3b, the third sintered metal 3c, and the pyroelectric ceramic 2 are joined at the interface between the first sintered metal 3a, the second sintered metal 3b, and the second sintered metal 3c.
- the base metal crystal grains contained in the sintered metal 3b and the third sintered metal 3c and the pyroelectric ceramic crystal grains contained in the pyroelectric ceramic 2 are in contact with each other, and are thus fixed.
- the metal 3a, the second sintered metal 3b, the third sintered metal 3c, and the pyroelectric ceramic 2 are integrated to form the first sintered metal 3a, the second sintered metal 3b, and the second 3 is a co-sintered body in which the sintered metal 3c and the pyroelectric ceramic 2 are joined.
- the sintered metal exists as a base metal powder before firing the pyroelectric ceramic, but is sintered together with the pyroelectric ceramic and the base metal powder is sintered.
- the pyroelectric sensor 10 includes an external electrode 1 on the second main surface 2 b opposite to the first main surface 2 a of the pyroelectric ceramic 2.
- the external electrode 1 includes the first sintered metal 3a, the second sintered metal 3b, and the third sintered metal 3c on the first main surface 2a of the pyroelectric ceramic 2.
- One external electrode 1 may be provided so as to face each other, but a plurality of external electrodes 1 may be provided.
- External electrode 1 is a sintered metal provided integrally with pyroelectric ceramic 2.
- the pyroelectric ceramic 2 and the external electrode 1 are provided integrally, the pyroelectric ceramic crystal grains contained in the pyroelectric ceramic 2 at the joint interface between the pyroelectric ceramic 2 and the external electrode 1 and the external Since the crystal grains of a conductive material such as a base metal contained in the electrode 1 are in contact with each other and fixed, the bond between the pyroelectric ceramic 2 and the external electrode 1 can be made stronger. The occurrence of peeling of the external electrode 1 from 2 can be more effectively suppressed.
- a pyroelectric ceramic powder 20 shown in FIG. 4 and a base metal powder 30 shown in FIG. 5 are prepared.
- the pyroelectric ceramic powder 20 is a substance that becomes the pyroelectric ceramic 2 by co-sintering described later.
- the pyroelectric ceramic powder 20 is obtained, for example, by weighing at least Nb oxide powder and alkali metal carbonate powder so that the content of the perovskite type compound as a main substance is 90 mol% or more. It can be obtained by mixing to produce a pyroelectric ceramic raw material powder, calcining it and then pulverizing it.
- the pyroelectric ceramic powder 20 may be combined with other substances or not combined with other substances, and may be in a form other than powder, such as a sheet, a tape, or a paste.
- the base metal powder 30 is a substance that becomes the first sintered metal 3a, the second sintered metal 3b, the third sintered metal 3c, and the external electrode 1 containing a base metal by co-sintering described later.
- the base metal powder 30 may be combined with other substances or not combined with other substances, and may be in a form other than powder, such as a sheet, tape, or paste.
- the form of the base metal powder is more preferably a sheet shape or a tape shape.
- the base metal powder 30 and the pyroelectric ceramic powder 20 are overlapped so that the base metal powder 30 sandwiches the pyroelectric ceramic powder 20.
- the method for superposing the base metal powder 30 and the pyroelectric ceramic powder 20 is not particularly limited.
- a base material such as a polyethylene terephthalate (PET) film (not shown)
- PET polyethylene terephthalate
- a base metal powder in the form of a sheet or tape After installing 30, for example, a method of installing a pyroelectric ceramic powder 20 in the form of a sheet, tape or paste on the base metal powder 30 can be used.
- the sintered metal 3 and the pyroelectric ceramic 2 are integrated as shown in FIG.
- the external electrode 1 and the pyroelectric ceramic 2 are integrated. It is considered that the following phenomenon proceeds in the co-sintering of the base metal powder 30 and the pyroelectric ceramic powder 20. That is, at the interface between the base metal powder 30 and the pyroelectric ceramic powder 20, the base metal particles contained in the base metal powder 30 and the pyroelectric ceramic particles contained in the pyroelectric ceramic powder 20 are brought into contact with each other and fixed. The fixing area increases.
- the base metal crystal grains contained in the external electrode 1 and the pyroelectric ceramic crystal grains contained in the pyroelectric ceramic 2 are in contact with each other and fixed. Since the external electrode 1 and the pyroelectric ceramic 2 are integrated, a strong bonding strength between the external electrode 1 and the pyroelectric ceramic 2 appears.
- the sintered metal 3 on the first main surface 2a of the pyroelectric ceramic 2 is separated into a plurality of pieces by, for example, etching.
- positioned mutually spaced apart are formed.
- the first main metal of the pyroelectric ceramic 2 is interposed between the first sintered metal 3a and the second sintered metal 3b and between the second sintered metal 3b and the third sintered metal 3c. The surface 2a is exposed.
- the pyroelectric ceramic 2 exposed between the first sintered metal 3a and the second sintered metal 3b and between the second sintered metal 3b and the third sintered metal 3c is, for example, It is removed by RIE (reactive ion etching) or the like. Thereby, for example, as shown in FIG. 3, a first notch 4a and a second notch 4b are formed.
- RIE reactive ion etching
- the base metal powder 30 and the pyroelectric ceramic are used. It is preferable that the laminated body on which the powder 20 is superposed be sandwiched between ceramics containing at least one substance selected from the group consisting of ZrO 2 , Al 2 O 3 and SiO 2 as a main substance and co-sintered.
- the ceramic may be dense or may have voids.
- the ceramic may be plate-shaped, massive, or curved. By doing in this way, the unintended deformation
- the co-sintering of the base metal powder 30 and the pyroelectric ceramic powder 20 is an oxygen partial pressure at which the base metal contained in the base metal powder 30 (base metal contained in the sintered metal 3) and the base metal oxide are in equilibrium. It is preferable to carry out in the atmosphere of oxygen partial pressure 1000 times or less. When the oxygen partial pressure of the atmosphere is higher than the equilibrium oxygen partial pressure of the base metal and the base metal oxide, the base metal oxidation tends to proceed.
- the base metal oxidation does not proceed rapidly, so the base metal and base metal oxidation Even when the equilibrium oxygen partial pressure with the oxide is 1000 times the upper limit of the oxygen partial pressure in the co-sintering atmosphere, the sintering of the base metal powder 30 can proceed while suppressing oxidation of the base metal, for example, NiO or The sintered metal 3 can be formed while suppressing the inclusion of base metal oxides such as copper oxide (Cu 2 O).
- the oxygen partial pressure in the atmosphere during co-sintering can be calculated from, for example, the oxygen concentration measured using a zirconia oxygen concentration sensor.
- the zirconia oxygen concentration sensor generates an electromotive force determined by the ratio of the oxygen concentration in the reference gas and the oxygen concentration in the measurement gas. It is calculated by the following formula.
- E electromotive force (V)
- R gas constant (8.3145 (J ⁇ mol ⁇ 1 ⁇ K ⁇ 1 ))
- T absolute temperature (K)
- n reaction Number of electrons contained
- F Faraday constant (9.649 ⁇ 10 4 (C ⁇ mol ⁇ 1 ))
- Pr oxygen concentration in the reference gas (usually air)
- Pm oxygen concentration in the measurement gas.
- FIG. 9 shows the relationship between the logarithm of the equilibrium oxygen partial pressure (Ni—NiO equilibrium oxygen partial pressure) between Ni and NiO and the temperature.
- FIG. 10 shows the relationship between the logarithm of the equilibrium oxygen partial pressure of Cu and Cu 2 O (Cu—Cu 2 O equilibrium oxygen partial pressure) and the temperature.
- the relationship between the equilibrium reaction between metal and oxide and the partial pressure of oxygen and temperature can be analyzed thermodynamically and can generally be understood from the Ellingham diagram.
- the pyroelectric sensor 10 can be formed thin. Thereby, since the flexibility can be provided to the pyroelectric sensor 10, for example, as shown in FIG. 1, the pyroelectric sensor 10 can be deformed into a cylindrical shape or the like. Therefore, in Embodiment 1, unlike the conventional pyroelectric sensor described in Patent Document 1, it is possible to detect infrared rays incident from a plurality of directions.
- the thickness T (see FIG. 3) of the pyroelectric ceramic 2 can be set to 100 ⁇ m or less, for example.
- the notch depth t (see FIG. 3) can be, for example, 1/10 or more of the thickness T of the pyroelectric ceramic 2.
- the notch may be formed to such a depth that the external electrode 1 is exposed.
- interval w of adjacent sintered metal can be 2 micrometers or more, for example.
- the angle ⁇ formed by the side wall 14 and the bottom surface 24 of the notch can be set to 90 ° or less, for example.
- the first notch 4a is provided between the first sintered metal 3a and the second sintered metal 3b, and the second sintered metal 3b and the third sintered metal 3b are provided.
- a second notch 4b is provided between the sintered metal 3c. Therefore, for example, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 11, the heat 51 generated by the incidence of infrared rays into the region of the pyroelectric ceramic 2 immediately below the second sintered metal 3b is converted into the first notch 4a. Due to the second notch 4b, other regions of the pyroelectric ceramic 2 (the region of the pyroelectric ceramic 2 immediately below the first sintered metal 3a and the pyroelectric ceramic 2 immediately below the second sintered metal 3b) Conduction) is prevented.
- the heat 51 stays in the region of the pyroelectric ceramic 2 immediately below the second sintered metal 3b, and the electric charge generated by the heat 51 is generated by the first sintered metal 3a and the third sintered metal. It is not detected by 3c, but is detected only by the second sintered metal 3b.
- the heat 51 stays in the region of the pyroelectric ceramic 2 immediately below the second sintered metal 3b, the amount of heat per unit volume of the pyroelectric ceramic 2 increases. The amount of charge that can be detected can be increased. Thereby, in the pyroelectric sensor 10 of Embodiment 1, it becomes possible to improve resolution
- the shape of the first notch 4a and the second notch 4b is not limited to the groove shape, and may be, for example, a rectangular shape as shown in the schematic enlarged plan view of FIG. It may have a bowl shape as shown in the schematic enlarged plan view, or may have a circular shape as shown in the schematic enlarged plan view of FIG. That is, the notch between sintered metals should just be formed in the at least one part area
- the shape of the pyroelectric sensor 10 is not limited to the cylindrical shape as shown in FIG. 1, but may be a rectangular column shape as shown in FIG. 15, for example, or may be a spiral shape as shown in FIG. it can.
- Embodiment 2 17 to 20 are schematic cross-sectional views illustrating the manufacturing method of the pyroelectric sensor according to the second embodiment.
- the pyroelectric sensor manufacturing method of Embodiment 2 is characterized in that pyroelectric ceramic powder is laminated so as to form a notch.
- the sheet-like base metal powder 30 is laminated on the surface of the base material 141 such as a PET film, and then the sheet-like base metal powder 30 is formed. Pyroelectric ceramic powder 20a is laminated.
- the sheet-shaped pyroelectric ceramic powder 20b is laminated on the pyroelectric ceramic powder 20a so as to form the first notch 4a.
- a sheet-shaped pyroelectric ceramic powder 20c is formed on the pyroelectric ceramic powder 20b so as to form the second notch 4b together with the first notch 4a. Are laminated.
- a sheet-like base metal powder 30a and a second sintered metal 3b for forming the first sintered metal 3a are formed on the pyroelectric ceramic powder 20c.
- the sheet-like base metal powder 30b for forming and the sheet-like base metal powder 30c for forming the third sintered metal 3c are laminated.
- the pyroelectric sensor 10 is produced by co-sintering the base metal powder 30, pyroelectric ceramic powder 20a, pyroelectric ceramic powder 20b, pyroelectric ceramic powder 20c, base metal powder 30a, base metal powder 30b, and base metal powder 30c. can do.
- K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , CaCO 3 , and ZrO 2 was weighed so that .53: 0.02. Further, with respect to 100 mol of the solid solution, ZrO 2 , MnCO 3, and Yb 2 O 3 powders were added so that ZrO 2 was 3 mol, MnO was 5 mol, and Yb 2 O 3 was 0.5 mol. Weighed.
- the powder weighed as described above is put into a pot mill containing PSZ balls, and the pyroelectric ceramic raw material powder is mixed by wet mixing by rotating the pot mill for about 90 hours using ethanol as a solvent.
- the obtained pyroelectric ceramic raw material powder is dried, calcined at a temperature of 900 ° C., and then pulverized to obtain [100 ⁇ 0.98 (K 0.45 N 0.53 Li 0.02 ) NbO 3 ⁇ 0. .02CaZrO 3 ⁇ + 3ZrO 2 + 5MnO + 0.5Yb 2 O 3 ] to obtain a pyroelectric ceramic powder.
- the pyroelectric ceramic powder obtained as described above is put into a pot mill together with an organic binder, a dispersant, acetone, a plasticizer, and PSZ balls, and thoroughly mixed in a wet manner while rotating the pot mill.
- Sheet forming was performed by a blade method to produce a pyroelectric ceramic powder sheet.
- Ni powder and an organic binder were put in a pot mill and mixed well while rotating, and sheet molding was performed by a doctor blade method to prepare a base metal powder sheet.
- a base metal powder sheet 300, a pyroelectric ceramic powder sheet 200, and a base metal powder sheet 300 were superposed in this order on a substrate 141 made of a PET film.
- the Ni—NiO equilibrium oxygen partial pressure was reduced to the 0.5 digit reduction side (oxygen partial pressure 1 / 3.16 of the Ni—NiO equilibrium oxygen partial pressure).
- Co-sintering was performed at a temperature of 1000 ° C. to 1160 ° C. for 2 hours in an atmosphere adjusted as described above.
- the sintered metal 3 is formed on the first main surface 2 a of the pyroelectric ceramic 2
- the external electrode 1 is formed on the second main surface 2 b of the pyroelectric ceramic 2.
- An electroceramic laminated structure (co-sintered body) was produced.
- the thickness of the pyroelectric ceramic 2 of the pyroelectric ceramic multilayer structure was 15 ⁇ m.
- a groove-shaped first notch 4a is formed between the first sintered metal 3a and the second sintered metal 3b, and the second sintered metal 3b.
- the pyroelectric ceramic 2 immediately below each of the first sintered metal 3a, the second sintered metal 3b, and the third sintered metal 3c of the pyroelectric sensor of the example has a side of 100 ⁇ m.
- the first main surface 1 a has a square shape and is formed in an island shape extending from the first main surface 1 a toward the external electrode 1.
- the first sintered metal 3a, the second sintered metal 3b, and The third sintered metal 3c is also arranged in an island shape.
- a lead electrode is drawn out from each of the first sintered metal 3a, the second sintered metal 3b, and the third sintered metal 3c.
- the extraction electrode is formed by, for example, etching, notch stacking, sputtering, or vapor deposition.
- the red laser light having a wavelength of 650 nm is emitted from the red semiconductor laser module on the square surface having a side of 3 mm on the first main surface 2a side of the pyroelectric ceramic 2 of the pyroelectric sensor of the embodiment manufactured as described above.
- the irradiation area of about 1 mm 2 with 1 mW output was repeatedly irradiated for 1 second and non-irradiated for 1 second, and the generated charge amount was measured with an electrometer (6514 manufactured by KEITHLEY). The result is shown in FIG.
- the amount of generated charges in the pyroelectric sensor of the example was 0.3 [nC / mm 2 ].
- a NiNb-based PbTiO 3 -based single plate (pyroelectric sensor of Comparative Example 1) having a thickness of 80 ⁇ m because it cannot be co-sintered with a base metal, and the first notch 4a and the first notch
- the pyroelectric sensor produced in the same manner as the pyroelectric sensor of the example (the pyroelectric sensor of comparative example 2) except that the notch 4b of 2 is not formed is the same as the pyroelectric sensor of the example. The amount of generated charge was measured.
- the generated charge amount in the pyroelectric sensor of Comparative Example 1 was 0.04 [nC / mm 2 ]
- the generated charge amount in the pyroelectric sensor of Comparative Example 2 was 0.1 [nC / mm 2 ]. It was.
- Table 1 summarizes the amount of charge generated in the pyroelectric sensor of the example, the pyroelectric sensor of comparative example 1, and the pyroelectric sensor of comparative example 2.
- the pyroelectric sensor disclosed in the embodiment can be used for a human body sensor, for example.
- 1 external electrode 2 pyroelectric ceramic, 2a first main surface, 2b second main surface, 3 sintered metal, 3a first sintered metal, 3b second sintered metal, 3c third sintered Metal, 4a 1st notch, 4b 2nd notch, 10 pyroelectric sensor, 10a area surrounded by broken line, 51 heat, 141 substrate, 200 pyroelectric ceramic powder sheet, 300 base metal powder sheet.
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Abstract
焦電センサ（１０）は、焦電セラミック（２）と、焦電セラミック（２）と一体に設けられた第１の焼結金属（３ａ）および第２の焼結金属（３ｂ）と、を備えている。第１の焼結金属（３ａ）および第２の焼結金属（３ｂ）は卑金属を含んでいる。第１の焼結金属（３ａ）と第２の焼結金属（３ｂ）とは間隔を空けて配置されている。第１の焼結金属（３ａ）と第２の焼結金属（３ｂ）との間に切欠き（４ａ）が設けられている。
Description
本発明は、焦電センサおよび焦電センサの製造方法に関する。
たとえば、特許文献１には、焦電センサ素子と、焦電センサ素子の上面に形成され且つ信号を取り出すための上面電極と、上面電極の上面に形成され且つ赤外線を吸収するための第１赤外線吸収膜と、焦電センサ素子の下面に形成され且つ信号を取り出すための下面電極と、下面電極の下面に形成され且つ赤外線を吸収するための第２赤外線吸収膜と、焦電センサ素子を保持する保持台とを備えた焦電センサが記載されている。
特許文献１に記載の焦電センサの焦電センサ素子に入射した赤外線は、第１赤外線吸収膜により吸収され、第１赤外線吸収膜を透過した赤外線は、焦電センサ素子を透過して、第２赤外線吸収膜により吸収される。これにより、特許文献１の焦電センサにおいては、第１赤外線吸収膜で吸収しきれなかった赤外線は第２赤外線吸収膜により吸収できるため、赤外線の吸収効率が向上するとされている。
また、特許文献１の焦電センサにおいては、焦電センサ素子を第１赤外線吸収膜と第２赤外線吸収膜とで挟み込んだ構造となっているため、焦電センサ素子の反りを低減することができるとされている。
しかしながら、特許文献１に記載の焦電センサにおいては、焦電センサ素子の上面側から入射した赤外線を検知するのみであったため、その改善が要望されていた。
ここで開示された実施形態は、焦電セラミックと、焦電セラミックと一体に設けられた第１の焼結金属と、焦電セラミックと一体に設けられた第２の焼結金属と、を備え、第１の焼結金属および第２の焼結金属は卑金属を含み、第１の焼結金属と第２の焼結金属とは間隔を空けて配置されており、第１の焼結金属と第２の焼結金属との間に切欠きが設けられている、焦電センサである。
ここで開示された実施形態は、焦電セラミック粉末と卑金属粉末とを重ね合わせる工程と、重ね合わされた焦電セラミック粉末と卑金属粉末とを共焼結する工程と、卑金属粉末が共焼結されることにより形成された焼結金属を複数に分離する工程と、複数に分離された焼結金属の間に切欠きを形成する工程と、を含む、焦電センサの製造方法である。
ここで開示された実施形態は、第１の焦電セラミック粉末と第１の卑金属粉末とを重ね合わせる工程と、第１の焦電セラミック粉末上に、切欠きを形成するように、第２の焦電セラミック粉末を積層する工程と、第２の焦電セラミック粉末上に第２の卑金属粉末を積層する工程と、第１の焦電セラミック粉末、第１の卑金属粉末、第２の焦電セラミック粉末、および第２の卑金属粉末を共焼結する工程と、を含む、焦電センサの製造方法である。
ここで開示された実施形態によれば、複数の方向から入射する光を検知可能な焦電センサおよび焦電センサの製造方法を提供することができる。
以下、実施形態について説明する。なお、実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
［実施形態１］
＜焦電センサの構造＞
図１に、実施形態１の焦電センサ１０の模式的な斜視図を示す。図１に示す実施形態１の焦電センサ１０は、たとえば平板状であるが、可撓性を有しているため、たとえば図１に示すような円筒状にすることができる。
＜焦電センサの構造＞
図１に、実施形態１の焦電センサ１０の模式的な斜視図を示す。図１に示す実施形態１の焦電センサ１０は、たとえば平板状であるが、可撓性を有しているため、たとえば図１に示すような円筒状にすることができる。
図２に、図１に示す焦電センサ１０の破線で囲まれた領域１０ａの模式的な拡大平面図を示す。また、図３に、図２のＩＩＩ－ＩＩＩに沿った模式的な断面図を示す。図２および図３に示すように、焦電センサ１０は、共焼結体であって、焦電セラミック２と、焦電セラミック２の第１の主面２ａ上において焦電セラミック２と一体に設けられた、第１の焼結金属３ａと、第２の焼結金属３ｂと、第３の焼結金属３ｃとを備えている。実施形態１において、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃのそれぞれは、アイランド状であり、互いに間隔を空けて、焦電セラミック２の第１の主面２ａ上に配置されている。なお、実施形態１においては、複数の焼結金属として、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃを例示しているが、焦電セラミック２と一体に設けられて互いに間隔を空けて配置された複数の焼結金属であれば、実施形態１の構成に限定されるものではない。
第１の焼結金属３ａと第２の焼結金属３ｂとの間には溝状の第１の切欠き４ａが設けられており、第２の焼結金属３ｂと第３の焼結金属３ｃとの間には溝状の第２の切欠き４ｂが設けられている。第１の切欠き４ａおよび第２の切欠き４ｂは、それぞれ、たとえば、焦電セラミック２を部分的に除去することによって形成することができる。
第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃは、卑金属を含んでいる。ここで、卑金属は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）およびオスミウム（Ｏｓ）以外の金属である。焼結金属とは、焦電セラミックの焼結前には金属粉末状態であるが、焦電セラミックと同時に共焼結されて薄板状金属となったものを指す。共焼結体は、セラミックと卑金属とが共焼結されているものである。
第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃを低コストで形成するためには、卑金属としては、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、およびアルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択された少なくとも１種を含む金属を用いることが好ましく、ＮｉおよびＣｕの少なくとも一方を含む金属を用いることがより好ましく、Ｎｉを用いることがさらに好ましい。
焦電セラミック２は、特には限定されないが、たとえば、ペロブスカイト型化合物を主要物質として含んでおり、主要物質は、ニオブ（Ｎｂ）と、アルカリ金属と、酸素（Ｏ）とを含んでおり、焦電セラミック２に含まれる全物質の総モル量に対する主要物質の含有量は９０モル％以上である焦電セラミックを用いることができる。
焦電セラミック中における主要物質としてのペロブスカイト型化合物の存在および含有量は、Ｘ線回折法により求めることができる。すなわち、ペロブスカイト型化合物の存在は、Ｘ線回折法により得られたＸ線回折パターンの特定の位置にＸ線回折ピークが現れることによって確認することができる。たとえば、Ａｃｔａ Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒ., Ｓｅｃ. Ａ, ３４ ３０９ （１９７８）に（Ｎａ0.35Ｋ0.65）ＮｂＯ3の粉末Ｘ線回折データが記載されている。このデータと比較し、各ピークの強度比、面間隔ｄに対するピーク位置が類似であれば、アルカリ金属とニオブを含むペロブスカイト型化合物と判断できる。また、ペロブスカイト型化合物の含有量とＸ線回折ピーク強度の大きさとは比例関係にあるため、ペロブスカイト型化合物とそれ以外の物質との含有量が既知の試料を用いてペロブスカイト型化合物の含有量とＸ線回折ピーク強度の大きさとの関係を示す検量線を作成することができる。その検量線に基づき、焦電セラミック中における主要物質としてのペロブスカイト型化合物の含有量を求めることができる。さらに、焦電セラミックに含まれる各構成元素の含有量（重量％）は、誘導結合高周波プラズマ分光分析（ＩＣＰ分光分析）により求めることができる。そして、Ｘ線回折法によって焦電セラミックがどのような結晶構造を有しているかがわかるため、焦電セラミックの結晶構造のどのサイトにどの構成元素の原子が位置しているかがわかる。具体的には、上述の（Ｎａ0.35Ｋ0.65）ＮｂＯ3の回折データと比較し、類似していれば、アルカリ金属とニオブと酸素を含むペロブスカイト化合物と判断できる。これにより、焦電セラミックに含まれる全物質の総モル量に対して、Ｎｂとアルカリ金属とＯとを含むペロブスカイト型化合物が主要物質として９０モル％以上含まれていることを確認することができる。
なお、上記の主要物質としてのペロブスカイト型化合物には、タンタル（Ｔａ）が含まれていてもよい。
また、主要物質（ペロブスカイト型化合物）以外の副物質としては、たとえば、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、錫（Ｓｎ）、マンガン（Ｍｎ）、Ｎｉ、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）およびルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選択された少なくとも１種を挙げることができる。
焦電セラミック２は、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃのそれぞれと一体に設けられている。すなわち、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃと、焦電セラミック２との接合界面において、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃに含まれる卑金属の結晶粒と、焦電セラミック２に含まれる焦電セラミックの結晶粒とが接して固着していることによって、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃと、焦電セラミック２とが一体となって、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃと、焦電セラミック２とが接合されている共焼結体である。焼結金属は、焦電セラミックの焼成前には卑金属粉末として存在するが、焦電セラミックと同時に共焼結されて卑金属粉末が焼結したものである。
焦電センサ１０は、焦電セラミック２の第１の主面２ａと反対側の第２の主面２ｂ上に外部電極１を備えている。実施形態１において、外部電極１は、焦電セラミック２の第１の主面２ａ上の第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃのそれぞれと対向するように１つ設けられているが、外部電極１は複数設けられていてもよい。
外部電極１は、焦電セラミック２と一体に設けられた焼結金属である。焦電セラミック２と外部電極１とが一体に設けられている場合には、焦電セラミック２と外部電極１との接合界面において、焦電セラミック２に含まれる焦電セラミックの結晶粒と、外部電極１に含まれる卑金属等の導電性材料の結晶粒とが接して固着していることによって焦電セラミック２と外部電極１との接合をより強固なものとすることができるため、焦電セラミック２からの外部電極１の剥がれの発生をより効果的に抑制することができる。
＜焦電センサの製造方法＞
以下、図４～図８の模式的断面図を参照して、実施形態１の焦電センサ１０の製造方法の一例について説明する。まず、図４に示す焦電セラミック粉末２０と図５に示す卑金属粉末３０とを用意する。
以下、図４～図８の模式的断面図を参照して、実施形態１の焦電センサ１０の製造方法の一例について説明する。まず、図４に示す焦電セラミック粉末２０と図５に示す卑金属粉末３０とを用意する。
焦電セラミック粉末２０は、後述する共焼結によって、焦電セラミック２となる物質である。
焦電セラミック粉末２０は、たとえば、主要物質となるペロブスカイト型化合物の含有量が９０モル％以上となるように、少なくともＮｂの酸化物粉末とアルカリ金属の炭酸物粉末とを秤量した後に、これらを混合して焦電セラミック素原料粉末を作製し、これを仮焼した後に粉砕することによって得ることができる。焦電セラミック粉末２０は、他の物質と組み合わされて、または他の物質と組み合わされないで、たとえば、シート状、テープ状またはペースト状等の粉末状以外の形態とされていてもよい。
卑金属粉末３０は、後述する共焼結によって、卑金属を含む第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、第３の焼結金属３ｃおよび外部電極１となる物質である。卑金属粉末３０も、他の物質と組み合わされて、または他の物質と組み合わされないで、たとえば、シート状、テープ状またはペースト状等の粉末状以外の形態とされていてもよいが、シート状またはテープ状であることで均一となり、焦電センサの厚みが薄い場合は卑金属粉末の焼結が均一となるため、焦電センサの破損がなくなる。そのため、卑金属粉末の形態はシート状またはテープ状であることがより好ましい。
次に、図６に示すように、卑金属粉末３０が焦電セラミック粉末２０を挟むように、卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０とを重ね合わせる。卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０とを重ね合わせる方法は、特に限定されないが、たとえば、図示しないポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム等の基材の表面上に、たとえば、シート状またはテープ状の卑金属粉末３０を設置した後に、卑金属粉末３０上に、たとえば、シート状、テープ状またはペースト状の焦電セラミック粉末２０を設置する方法等を用いることができる。
次に、卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０とを重ね合わせた状態で共焼結を行うことによって、図７に示すように、焼結金属３と焦電セラミック２とが一体化するとともに、外部電極１と焦電セラミック２とが一体化する。卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０との共焼結においては以下の現象が進行すると考えられる。すなわち、卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０との界面において、卑金属粉末３０に含まれる卑金属の粒子と焦電セラミック粉末２０に含まれる焦電セラミックの粒子とが互いに接触して固着し、次第にその固着面積が増大していく。そして、これらの固着面積が増大した粒子の結合体が多数集まって凝集し、これらの粒子の結合体間の空孔が次第に減少して緻密化していく。これにより、図７に示す焼結金属３と焦電セラミック２との接合界面においては、焼結金属３に含まれる卑金属の結晶粒と、焦電セラミック２に含まれる焦電セラミックの結晶粒とが接して固着することにより焼結金属３と焦電セラミック２とが一体化するため、焼結金属３と焦電セラミック２との間の強固な接合強度が発現する。また、外部電極１と焦電セラミック２との接合界面においても、外部電極１に含まれる卑金属の結晶粒と、焦電セラミック２に含まれる焦電セラミックの結晶粒とが接して固着することにより外部電極１と焦電セラミック２とが一体化するため、外部電極１と焦電セラミック２との間の強固な接合強度が発現する。
次に、焦電セラミック２の第１主面２ａ上の焼結金属３をたとえばエッチング等によって複数に分離する。これにより、図８に示すように、互いに間隔を空けて配置された、第１の焼結金属３ａと、第２の焼結金属３ｂと、第３の焼結金属３ｃとが形成される。また、第１の焼結金属３ａと第２の焼結金属３ｂとの間、および第２の焼結金属３ｂと第３の焼結金属３ｃとの間に、焦電セラミック２の第１主面２ａが露出する。
その後、第１の焼結金属３ａと第２の焼結金属３ｂとの間、および第２の焼結金属３ｂと第３の焼結金属３ｃとの間に露出した焦電セラミック２を、たとえばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等によって除去する。これにより、たとえば図３に示すように、第１の切欠き４ａおよび第２の切欠き４ｂを形成する。以上により、実施形態１の焦電センサ１０が完成する。
なお、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂおよび第３の焼結金属３ｃと、圧電セラミック２とを含む焦電センサを形成する場合には、卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０とを重ね合わせた積層体をＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3およびＳｉＯ2からなる群から選択された少なくとも１つ以上含む物質を主要物質とするセラミックで挟み、共焼結することが好ましい。セラミックは、緻密であっても、空隙が存在していてもよい。セラミックは板状であっても、塊状であっても、曲面を有していてもよい。このようにすることで、共焼結の際の意図しない変形を抑制することができる。
ここで、卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０との共焼結は、卑金属粉末３０に含まれる卑金属（焼結金属３に含まれる卑金属）と当該卑金属の酸化物とが平衡となる酸素分圧の１０００倍以下の酸素分圧の雰囲気下で行われることが好ましい。卑金属と卑金属の酸化物との平衡酸素分圧よりも雰囲気の酸素分圧が高くなると卑金属の酸化が進行する傾向にあるが、卑金属の酸化は急激に進行するわけではないため、卑金属と卑金属の酸化物との平衡酸素分圧の１０００倍を共焼結雰囲気の酸素分圧の上限とした場合でも、卑金属の酸化を抑制しながら卑金属粉末３０の焼結を進行させることができ、たとえばＮｉＯまたは酸化銅（Ｃｕ2Ｏ）等の卑金属の酸化物の含有を抑制して焼結金属３を形成することができる。共焼結時の雰囲気の酸素分圧は、たとえば、ジルコニア酸素濃度センサーを用いて測定した酸素濃度から算出することができる。
なお、ジルコニア酸素濃度センサーは、基準ガス中の酸素濃度と、測定ガス中の酸素濃度との比によって決定される起電力が発生することがよく知られており、その起電力は、以下のネルンストの式によって求められる。
なお、上記のネルンストの式において、Ｅ：起電力（Ｖ）、Ｒ：気体定数（８．３１４５（Ｊ・ｍｏｌ-1・Ｋ-1））、Ｔ：絶対温度（Ｋ）、ｎ：反応に含まれる電子数、Ｆ：ファラデー定数（９．６４９×１０4（Ｃ・ｍｏｌ-1））、Ｐｒ：基準ガス中の酸素濃度（通常は大気）、Ｐｍ：測定ガス中の酸素濃度である。
図９に、ＮｉとＮｉＯとの平衡酸素分圧（Ｎｉ－ＮｉＯ平衡酸素分圧）の対数と温度との関係を示す。また、図１０に、ＣｕとＣｕ2Ｏとの平衡酸素分圧（Ｃｕ－Ｃｕ2Ｏ平衡酸素分圧）の対数と温度との関係を示す。
金属と酸化物の平衡反応と、酸素分圧および温度との関係は熱力学的に解析でき、一般的にエリンガム図から理解できる。系が平衡状態にあるとき、たとえば２Ｎｉ＋Ｏ2
→
←２ＮｉＯの反応が平衡状態にあるとき、標準反応ギブスエネルギー△Ｇ0は、△Ｇ0＝－ＲＴｌｎＫの式で表すことができる。すなわち、２Ｎｉ＋Ｏ2
→
←２ＮｉＯの平衡反応の場合、ＮｉおよびＮｉＯは固体であるため、酸素分圧をＰＯ2とすると、ＰＯ2＝１／Ｋとなる。したがって、ｌｎＰＯ2＝△Ｇ0／ＲＴとかける。
＜作用効果＞
実施形態１においては、卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０との共焼結によって焼結金属３を焦電セラミック２と一体に設けているため、焦電センサ１０を薄く形成することができる。これにより、焦電センサ１０に可撓性を付与することができるため、たとえば図１に示すように、焦電センサ１０をたとえば円筒状等の形状に変形させることができる。したがって、実施形態１においては、従来の特許文献１に記載の焦電センサとは異なり、複数の方向から入射する赤外線を検知可能にすることができる。実施形態１においては、焦電セラミック２の厚さＴ（図３参照）は、たとえば１００μｍ以下とすることができる。また、実施形態１においては、切欠きの深さｔ（図３参照）は、たとえば焦電セラミック２の厚さＴの１／１０以上の深さとすることができる。なお、切欠きは、外部電極１が露出するような深さに形成されてもよい。また、隣り合う焼結金属の間隔ｗは、たとえば２μｍ以上とすることができる。また、切欠きの側壁１４と底面２４とが為す角度αは、たとえば９０°以下とすることができる。
実施形態１においては、卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０との共焼結によって焼結金属３を焦電セラミック２と一体に設けているため、焦電センサ１０を薄く形成することができる。これにより、焦電センサ１０に可撓性を付与することができるため、たとえば図１に示すように、焦電センサ１０をたとえば円筒状等の形状に変形させることができる。したがって、実施形態１においては、従来の特許文献１に記載の焦電センサとは異なり、複数の方向から入射する赤外線を検知可能にすることができる。実施形態１においては、焦電セラミック２の厚さＴ（図３参照）は、たとえば１００μｍ以下とすることができる。また、実施形態１においては、切欠きの深さｔ（図３参照）は、たとえば焦電セラミック２の厚さＴの１／１０以上の深さとすることができる。なお、切欠きは、外部電極１が露出するような深さに形成されてもよい。また、隣り合う焼結金属の間隔ｗは、たとえば２μｍ以上とすることができる。また、切欠きの側壁１４と底面２４とが為す角度αは、たとえば９０°以下とすることができる。
また、実施形態１においては、第１の焼結金属３ａと第２の焼結金属３ｂとの間に第１の切欠き４ａが設けられているとともに、第２の焼結金属３ｂと第３の焼結金属３ｃとの間に第２の切欠き４ｂが設けられている。そのため、たとえば図１１の模式的断面図に示すように、第２の焼結金属３ｂの直下の焦電セラミック２の領域に赤外線が入射して発生した熱５１は、第１の切欠き４ａと第２の切欠き４ｂとによって、焦電セラミック２の他の領域（第１の焼結金属３ａの直下の焦電セラミック２の領域、および第２の焼結金属３ｂの直下の焦電セラミック２の領域）を伝導することが妨げられる。そのため、熱５１は、第２の焼結金属３ｂの直下の焦電セラミック２の領域に留まることになり、熱５１により発生した電荷は、第１の焼結金属３ａおよび第３の焼結金属３ｃでは検出されず、第２の焼結金属３ｂのみで検出されることになる。また、熱５１が、第２の焼結金属３ｂの直下の焦電セラミック２の領域に留まることにより、焦電セラミック２の単位体積当たりの熱量が増加するため、第２の焼結金属３ｂで検出することができる電荷量を増加することができる。これにより、実施形態１の焦電センサ１０においては、従来の特許文献１に記載の焦電センサと比べて、分解能を向上させることが可能となる。
なお、第１の切欠き４ａおよび第２の切欠き４ｂの形状は溝状に限定されず、たとえば図１２の模式的な拡大平面図に示すような矩形状であってもよく、図１３の模式的な拡大平面図に示すような鉤状であってもよく、図１４の模式的な拡大平面図に示すような円形状であってもよい。すなわち、焼結金属の間の切欠きは、焼結金属の間の少なくとも一部の領域に形成されていればよい。
また、焦電センサ１０の形状も図１に示すような円筒状には限定されず、たとえば図１５に示すような四角柱状にすることもでき、図１６に示すような螺旋状にすることもできる。
［実施形態２］
図１７～図２０に、実施形態２の焦電センサの製造方法を図解する模式的な断面図を示す。実施形態２の焦電センサの製造方法においては、切欠きを形成するように焦電セラミック粉末を積層することを特徴としている。
図１７～図２０に、実施形態２の焦電センサの製造方法を図解する模式的な断面図を示す。実施形態２の焦電センサの製造方法においては、切欠きを形成するように焦電セラミック粉末を積層することを特徴としている。
実施形態２においては、まず、図１７の模式的断面図に示すように、ＰＥＴフィルム等の基材１４１の表面上にシート状の卑金属粉末３０を積層した後、卑金属粉末３０上にシート状の焦電セラミック粉末２０ａを積層する。
次に、図１８の模式的断面図に示すように、焦電セラミック粉末２０ａ上に、第１の切欠き４ａを形成するように、シート状の焦電セラミック粉末２０ｂを積層する。
次に、図１９の模式的断面図に示すように、焦電セラミック粉末２０ｂ上に、第１の切欠き４ａとともに第２の切欠き４ｂを形成するように、シート状の焦電セラミック粉末２０ｃを積層する。
次に、図２０の模式的断面図に示すように、焦電セラミック粉末２０ｃ上に、第１の焼結金属３ａを形成するためのシート状の卑金属粉末３０ａ、第２の焼結金属３ｂを形成するためのシート状の卑金属粉末３０ｂ、および第３の焼結金属３ｃを形成するためのシート状の卑金属粉末３０ｃを積層する。
その後、卑金属粉末３０、焦電セラミック粉末２０ａ、焦電セラミック粉末２０ｂ、焦電セラミック粉末２０ｃ、卑金属粉末３０ａ、卑金属粉末３０ｂ、および卑金属粉末３０ｃを共焼結することによって、焦電センサ１０を作製することができる。
実施形態２における上記以外の説明は実施形態１と同様であるため、その説明については繰り返さない。
まず、炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）、炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）、炭酸リチウム（Ｌｉ2ＣＯ3）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、炭酸マンガン（ＭｎＣＯ3）および酸化イッテルビウム（Ｙｂ2Ｏ3）のそれぞれの粉末を用意した。
次に、固溶体を形成するニオブ酸アルカリ金属化合物とジルコン酸カルシウムとの比率が９８：２となり、かつアルカリ金属（Ｋ、ＮａおよびＬｉ）のモル比がＫ：Ｎａ：Ｌｉ＝０．４５：０．５３：０．０２となるように、Ｋ2ＣＯ3、Ｎａ2ＣＯ3、Ｌｉ2ＣＯ3、Ｎｂ2Ｏ5、ＣａＣＯ3、およびＺｒＯ2のそれぞれの粉末を秤量した。また、上記固溶体１００モルに対して、ＺｒＯ2が３モル、ＭｎＯが５モル、Ｙｂ2Ｏ3が０．５モルとなるように、ＺｒＯ2、ＭｎＣＯ3およびＹｂ2Ｏ3のそれぞれの粉末を秤量した。
次に、上記のように秤量した粉末を、ＰＳＺボールが内有されたポットミルに投入し、エタノールを溶媒にして約９０時間ポットミルを回転して、湿式で混合することにより焦電セラミック素原料粉末を得た。そして、得られた焦電セラミック素原料粉末を乾燥した後、９００℃の温度で仮焼し、その後、粉砕することによって、［１００｛０．９８（Ｋ0.45Ｎ0.53Ｌｉ0.02）ＮｂＯ3－０．０２ＣａＺｒＯ3｝＋３ＺｒＯ2＋５ＭｎＯ＋０．５Ｙｂ2Ｏ3］の組成式で表される焦電セラミック粉末を得た。
次に、上記のようにして得られた焦電セラミック粉末を、有機バインダ、分散剤、アセトン、可塑剤、およびＰＳＺボールとともにポットミルに投入し、ポットミルを回転させながら湿式で十分に混合し、ドクターブレード法でシート成形を行い、焦電セラミック粉末シートを作製した。
また、焦電セラミック粉末のシート成形と同様に、Ｎｉ粉末と有機バインダ等をポットミルに投入して回転させながら十分に混合し、ドクターブレード法でシート成形を行い、卑金属粉末シートを作製した。
次に、図２１の模式的断面図に示すように、ＰＥＴフィルムからなる基材１４１上に、卑金属粉末シート３００、焦電セラミック粉末シート２００、および卑金属粉末シート３００をこの順に重ね合わせた。
次に、図２１に示す積層体を静水圧加圧後、Ｎｉ－ＮｉＯ平衡酸素分圧の０．５桁還元側（Ｎｉ－ＮｉＯ平衡酸素分圧の１／３．１６の酸素分圧）になるように調整された雰囲気下で、１０００℃～１１６０℃の温度で２時間共焼結した。これにより、図７に示すように、焦電セラミック２の第１の主面２ａに焼結金属３が形成され、焦電セラミック２の第２の主面２ｂに外部電極１が形成された焦電セラミック積層構造体（共焼結体）が作製された。焦電セラミック積層構造体の焦電セラミック２の厚さは１５μｍであった。
次に、図８に示すように、フォトリソグラフィを用いたウエットエッチングによって焼結金属３を部分的にエッチングすることにより、互いに間隔を空けて配置された、第１の焼結金属３ａと、第２の焼結金属３ｂと、第３の焼結金属３ｃとを形成した。
次に、焼結金属３を部分的に除去した部分から露出した焦電セラミック２の部分を反応性イオンエッチングにより除去した。これにより、図９に示すように、第１の焼結金属３ａと第２の焼結金属３ｂとの間に溝状の第１の切欠き４ａを形成するとともに、第２の焼結金属３ｂと第３の焼結金属３ｃとの間に溝状の第２の切欠き４ｂを形成することによって、図３に示す断面構造を有する実施例の焦電センサを得た。
ここで、実施例の焦電センサの第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃのそれぞれの直下の焦電セラミック２は、１辺が１００μｍの正方形状の第１の主面１ａを有し、そこから外部電極１の方向に向かって延在するアイランド状に形成された。その結果、実験例１の焦電センサの焦電セラミック２の第１の主面２ａ側からの２次元的な平面視において、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃもそれぞれアイランド状に配置されることになった。なお、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃのそれぞれからは引き出し電極が引き出されている。引き出し電極は、たとえば、エッチング、切り欠き積み上げ方式、スパッタリング、または蒸着等により形成されている。
上記のようにして作製された実施例の焦電センサの焦電セラミック２の第１の主面２ａ側の１辺が３ｍｍの正方形状の表面に赤色半導体レーザモジュールから波長６５０ｎｍの赤色レーザ光を１ｍＷの出力で１ｍｍ2程度の照射面積に１秒照射および１秒非照射を繰り返し行い、エレクトロメータ（ＫＥＩＴＨＬＥＹ製の６５１４）で発生電荷量を測定した。その結果を図２２に示す。図２２に示すように、実施例の焦電センサにおける発生電荷量は０．３［ｎＣ／ｍｍ2］であった。
これに対して、比較のために、卑金属と共焼結ができないために厚さ８０μｍとしたＮｉＮｂ系ＰｂＴｉＯ3系単板（比較例１の焦電センサ）、ならびに第１の切欠き４ａおよび第２の切欠き４ｂを形成しなかったこと以外は実施例の焦電センサと同様にして作製した焦電センサ（比較例２の焦電センサ）についても、実施例の焦電センサと同様にして発生電荷量の測定を行なった。その結果、比較例１の焦電センサにおける発生電荷量は０．０４［ｎＣ／ｍｍ2］であり、比較例２の焦電センサにおける発生電荷量は０．１［ｎＣ／ｍｍ2］であった。
実施例の焦電センサ、比較例１の焦電センサ、および比較例２の焦電センサにおける発生電荷量を以下の表１にまとめる。
表１に示す結果から明らかなように、実施例の焦電センサの発生電荷量は、比較例１および比較例２のそれぞれの焦電センサの発生電荷量よりも多くなることが確認された。これは、実施例の焦電センサの焦電セラミックに切欠きが設けられたことによるものと考えられる。
以上のように実施形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、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。
実施形態に開示された焦電センサは、たとえば人体感知センサなどに利用することができる。
１ 外部電極、２ 焦電セラミック、２ａ 第１の主面、２ｂ 第２の主面、３ 焼結金属、３ａ 第１の焼結金属、３ｂ 第２の焼結金属、３ｃ 第３の焼結金属、４ａ 第１の切欠き、４ｂ 第２の切欠き、１０ 焦電センサ、１０ａ 破線で囲まれた領域、５１ 熱、１４１ 基材、２００ 焦電セラミック粉末シート、３００ 卑金属粉末シート。
Claims (10)
- 焦電セラミックと、
前記焦電セラミックと一体に設けられた第１の焼結金属と、
前記焦電セラミックと一体に設けられた第２の焼結金属と、を備え、
前記第１の焼結金属および前記第２の焼結金属は卑金属を含み、
前記第１の焼結金属と前記第２の焼結金属とは間隔を空けて配置されており、
前記第１の焼結金属と前記第２の焼結金属との間に切欠きが設けられている、焦電センサ。 - 前記焦電セラミックの厚みが１００μｍ以下である、請求項１に記載の焦電センサ。
- 前記第１の焼結金属および前記第２の焼結金属はアイランド状に配置されている、請求項１または請求項２に記載の焦電センサ。
- 前記切欠きは、溝を含む、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の焦電センサ。
- 前記焦電セラミックの前記第１の焼結金属および前記第２の焼結金属が設けられた主面とは反対側の主面に外部電極をさらに備えた、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の焦電センサ。
- 前記焦電セラミックは、ペロブスカイト型化合物を主要物質として含み、
前記主要物質は、ニオブと、アルカリ金属と、酸素とを含み、
前記焦電セラミックに含まれる全物質の総モル量に対する前記主要物質の含有量が９０％モル以上である、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の焦電センサ。 - 前記卑金属は、ニッケル、銅、およびアルミニウムからなる群から選択された少なくとも１種を含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の焦電センサ。
- 可撓性を有する、請求項１～７のいずれか１項に記載の焦電センサ。
- 焦電セラミック粉末と卑金属粉末とを重ね合わせる工程と、
重ね合わされた前記焦電セラミック粉末と前記卑金属粉末とを共焼結する工程と、
前記卑金属粉末が共焼結されることにより形成された焼結金属を複数に分離する工程と、
複数に分離された前記焼結金属の間に切欠きを形成する工程と、を含む、焦電センサの製造方法。 - 第１の焦電セラミック粉末と第１の卑金属粉末とを重ね合わせる工程と、
前記第１の焦電セラミック粉末上に、切欠きを形成するように、第２の焦電セラミック粉末を積層する工程と、
前記第２の焦電セラミック粉末上に第２の卑金属粉末を積層する工程と、
前記第１の焦電セラミック粉末、前記第１の卑金属粉末、前記第２の焦電セラミック粉末、および前記第２の卑金属粉末を共焼結する工程と、を含む、焦電センサの製造方法。
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