JP2014139545A - 赤外線検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度化を図ることが可能な赤外線検出素子を提供する。
【解決手段】赤外線検出素子２０は、焦電体基板２ｇに２つの受光部２ｒが形成されている。赤外線検出素子２０は、焦電体基板２ｇに、平面視において各受光部２ｒの各々の一部を除いて受光部２ｒを取り囲む孔２ｓが形成されている。受光部２ｒは、焦電体基板２ｇの表側、裏側それぞれに形成され互いに対向する第１電極２ｈ、第２電極２ｉと、焦電体基板２ｇにおいて第１電極２ｈと第２電極２ｉとに挟まれた部分２ｇｇとで構成される。赤外線検出素子２０は、焦電体基板２ｇの表側に、平面視において孔２ｓで囲んだ領域全体を覆う赤外線吸収層２６が設けられている。赤外線吸収層２６は、樹脂中に、カーボン系微粉末、金属系微粉末、金属酸化物系微粉末の群から選択される少なくとも１種の導電性微粉末が分散された樹脂層からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線検出素子に関するものである。

赤外線検出素子の一種である焦電型赤外線検知素子（焦電素子）は、人体の動きを検知する人体検知センサや、赤外線式ガスセンサなどにおける赤外線検出器に広く用いられている。焦電型赤外線検知素子は、焦電効果によって赤外線を検出する素子である。

焦電型赤外線検知素子としては、１枚の焦電体基板に２個の受光部を形成したデュアルタイプの焦電型赤外線検知素子や、１枚の焦電体基板に４個の受光部を形成したクワッドタイプの焦電型赤外線検知素子などが広く知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載された焦電型赤外線検知素子は、焦電体基板として、例えば、ＬｉＴａＯ₃単結晶基板が採用されている。また、受光部は、焦電体基板の厚み方向の両面に形成され互いに対向する２つ１組の電極と、焦電体基板において当該２つ１組の電極に挟まれた部分とで構成されている。各電極の材料としては、ＮｉＣｒなどが採用されている。ＮｉＣｒは、導電性を有し且つ赤外線を吸収可能な材料である。

また、特許文献１には、例えば、図１６に示すように、１枚の焦電体基板２０１に２個の受光部２０３が形成された焦電型赤外線検知素子２００が記載されている。

この焦電型赤外線検知素子２００は、突発的なノイズであるポップコーンノイズを低減するために、平面視において受光部２０３を取り囲み厚み方向に貫通する孔２０２が形成されている。孔２０２は、平面視形状が矩形状の受光部２０３の４辺のうちの３辺を取り囲むＵ字状に形成されている。

人体検知センサに用いる赤外線検出器としては、例えば、人体から放射される赤外線を透過する赤外線フィルタを、焦電型赤外線検知素子が収納されるパッケージにおける焦電型赤外線検知素子の受光面側に配置したものがある。この赤外線フィルタは、例えば、５〜１３μｍの波長域の赤外線を透過するように光学設計されている。

また、赤外線式ガスセンサに用いる赤外線検出器としては、検知対象のガス（特定ガス）の吸収波長の赤外線を透過する第１赤外線フィルタと、参照用の波長の赤外線を透過する第２赤外線フィルタとを、焦電型赤外線検知素子が収納されるパッケージにおける焦電型赤外線検知素子の受光面側に配置したものがある。検知対象のガスの吸収波長は、例えば、ガスが二酸化炭素の場合、４．３μｍである。また、参照用の波長は、例えば、３．９μｍである。

特許第３３７２１８０号公報

上述の焦電型赤外線検知素子２００では、受光部２０３における焦電体基板２０１の表側の電極２０３ａが孔２０２から離れているので、受光部２０３の開口率が低くなってしまう。このため、焦電型赤外線検出素子２００では、感度のより一層の向上が望まれている。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、高感度化を図ることが可能な赤外線検出素子を提供することにある。

本発明の赤外線検出素子は、焦電体基板に受光部が形成され、前記焦電体基板に、平面視において前記受光部の一部を除いて前記受光部を取り囲む孔が形成された赤外線検出素子であって、前記受光部は、前記焦電体基板の表側、裏側それぞれに形成され互いに対向する第１電極、第２電極と、前記焦電体基板において前記第１電極と前記第２電極とに挟まれた部分とで構成され、前記焦電体基板の表側には、平面視において前記孔で囲まれた領域全体を覆う赤外線吸収層が設けられており、前記赤外線吸収層は、樹脂中に、カーボン系微粉末、金属系微粉末、金属酸化物系微粉末の群から選択される少なくとも１種の導電性微粉末が分散された樹脂層からなることを特徴とする。

この赤外線検出素子において、前記焦電体基板の前記表側、裏側それぞれに形成され前記第１電極、前記第２電極それぞれに電気的に接続された第１配線、第２配線を備え、前記孔は、前記第１配線及び前記第２配線を避けた位置に形成されており、前記第１電極の外周縁は、前記孔の前記第１電極側の開孔縁から離れていることが好ましい。

この赤外線検出素子において、前記樹脂は、フェノール系樹脂であることが好ましい。

本発明の赤外線検出素子は、高感度化を図ることが可能となる。

（ａ）は実施形態１の赤外線検出素子の概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’概略断面図、（ｃ）は実施形態１の赤外線検出素子の下面図である。 実施形態１の赤外線検出素子に関し、赤外線吸収層を設けたことによる感度の変化の様子の模式的な説明図である。 実施形態１の赤外線検出素子に関し、赤外線吸収層の規格化厚さと規格化感度との関係の説明図である。 実施形態１の赤外線検出素子に関し、赤外線吸収層の厚さと赤外線吸収層の赤外線吸収率との関係の説明図である。 実施形態１の赤外線検出素子に関し、赤外線吸収層の厚さと規格化感度との関係の説明図である。 （ａ）は実施形態２の赤外線検出素子の概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’概略断面図、（ｃ）は実施形態１の赤外線検出素子の下面図である。 実施形態２における赤外線受光ユニットの概略分解斜視図である。 実施形態２における赤外線受光ユニットの概略斜視図である。 （ａ）は実施形態２における赤外線受光ユニットの概略断面図、（ｂ）は実施形態２における赤外線受光ユニットの別の概略断面図である。 実施形態２における赤外線受光ユニットの要部の概略斜視図である。 （ａ）は実施形態２の赤外線受光ユニットにおける要部の概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’概略断面図である。 実施形態２における赤外線受光ユニットの回路ブロックの裏面側から見た概略斜視図である。 （ａ）は実施形態２の赤外線受光ユニットにおける第１光学フィルタの概略断面図、（ｂ）は実施形態２の赤外線受光ユニットにおける第２光学フィルタの概略断面図である。 実施形態２における赤外線式ガスセンサの概略構成図である。 実施形態２における赤外線センサの概略分解斜視図である。 従来例の焦電型赤外線検知素子の概略平面図である。

（実施形態１）
以下では、本実施形態の赤外線検出素子２０について図１に基づいて説明する。

赤外線検出素子２０は、焦電体基板２ｇに受光部２ｒが形成されている。また、赤外線検出素子２０は、焦電体基板２ｇに、平面視において受光部２ｒの一部を除いて受光部２ｒを取り囲む孔２ｓが形成されている。

受光部２ｒは、焦電体基板２ｇの表側、裏側それぞれに形成され互いに対向する第１電極２ｈ、第２電極２ｉと、焦電体基板２ｇにおいて第１電極２ｈと第２電極２ｉとに挟まれた部分２ｇｇと、赤外線吸収層２６とで構成される。要するに、赤外線検出素子２０は、焦電体基板２ｇの表側に、平面視において孔２ｓで囲んだ領域全体を覆う赤外線吸収層２６が設けられている。赤外線吸収層２６は、樹脂中に、カーボン系微粉末、金属系微粉末、金属酸化物系微粉末の群から選択される少なくとも１種の導電性微粉末が分散された樹脂層からなる。

赤外線検出素子２０は、赤外線吸収層２６を設けたことにより、赤外線吸収率を高めることが可能となり、且つ、赤外線吸収層２６が第１電極２ｈとともに焦電体基板２ｇの自発分極で発生した電荷を集める電極として機能するため、焦電電流の検出領域を大きくすることが可能となる。これにより、赤外線検出素子２０は、赤外線吸収層２６を設けていない場合に比べて、高感度化を図ることが可能となる。

赤外線検出素子２０は、焦電体基板２ｇの表側、裏側それぞれに形成され第１電極２ｈ、第２電極２ｉそれぞれに電気的に接続された第１配線２ｍ、第２配線２ｎを備えている。そして、孔２ｓは、第１配線２ｍ及び第２配線２ｎを避けた位置に形成されている。また、赤外線検出素子２０は、第１出力端子２ｊ及び第２出力端子２ｋを備えている。第１出力端子２ｊは、第１配線２ｍを介して第１電極２ｈに電気的に接続されている。第２出力端子２ｋは、第２配線２ｎを介して第２電極２ｉに電気的に接続されている。なお、図１（ａ）では、焦電体基板２ｇの裏側を表側から透視した場合の第２電極２ｉ、第２配線２ｎ及び第２出力端子２ｋを一点鎖線で示してある。

以下、赤外線検出素子２０の各構成要素について詳細に説明する。

焦電体基板２ｇは、焦電性を有する基板である。焦電体基板２ｇは、単結晶のＬｉＴａＯ_３基板により構成されている。焦電体基板２ｇの材料である焦電材料としては、ＬｉＴａＯ_３を採用しているが、これに限らず、例えば、ＬｉＮｂＯ₃、ＰｂＴｉＯ_３、ＰＺＴ（：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）、ＰＺＴ−ＰＭＮ（：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃−Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ₃）などを採用してもよい。

焦電体基板２ｇの自発分極の方向は、この焦電体基板２ｇの厚み方向に沿った一方向であり、図１（ｂ）の上方向である。

焦電体基板２ｇは、平面視形状を矩形状としてある。焦電体基板２ｇの平面視形状は、特に限定するものではない。

焦電体基板２ｇの厚さは、５０μｍに設定してあるが、この値に限定するものではない。焦電体基板２ｇの厚さは、例えば、薄い方が赤外線検出素子２０の感度を向上させる観点から好ましい。このため、焦電体基板２ｇの厚さは、３０μｍ〜１５０μｍ程度の範囲で設定するのが好ましい。焦電体基板２ｇの厚さは、３０μｍよりも薄いと脆弱性による破損の懸念があり、１５０μｍよりも厚いと感度が低下してしまう懸念がある。

第１電極２ｈ及び第２電極２ｉは、導電性を有し且つ検出対象の赤外線を吸収可能な導電膜により構成されている。この導電膜は、Ｎｉ膜からなる。導電膜は、Ｎｉ膜に限らず、例えば、ＮｉＣｒ膜や金黒膜などでもよい。この導電膜は、膜厚が厚いほうが、電気抵抗が小さくなる一方、膜厚が薄いほうが、赤外線の吸収量を高めることが可能となる。このため、受光部２ｒは、第１電極２ｈの膜厚を第２電極２ｉの膜厚よりも薄くしてもよい。受光部２ｒは、第１電極２ｈの膜厚と第２電極２ｉの膜厚とを同じとしてもよい。

第１電極２ｈの膜厚は、３０ｎｍに設定してあるが、この値に限定するものではない。第１電極２ｈの膜厚は、１００ｎｍ以下が好ましく、４０ｎｍ以下がより好ましい。第１電極２ｈは、例えば、蒸着法やスパッタ法などにより形成することができる。

第２電極２ｉの膜厚は、１００ｎｍに設定してあるが、この値に限定するものではない。第２電極２ｉの膜厚は、４０ｎｍ以上が好ましく、１００ｎｍ以上がより好ましい。第２電極２ｉは、例えば、蒸着法やスパッタ法などにより形成することができる。

受光部２ｒは、第１電極２ｈの膜厚と第２電極２ｉの膜厚とを同じとする場合、第１電極２ｈ及び第２電極２ｉの膜厚を、例えば、４０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の範囲で設定すればよい。

第１電極２ｈは、シート抵抗の値によって赤外線吸収率が変化する。第１電極２ｈの赤外線吸収率は、例えば、２０％〜５０％の範囲で設定するのが好ましい。赤外線検出素子２０において赤外線吸収層２６を設けない場合、第１電極２ｈの赤外線吸収率の理論的な最大値は、５０％である。第１電極２ｈの赤外線吸収率が５０％となる第１電極２ｈのシート抵抗は、１８９Ω／□（１８９Ω／sq.）である。つまり、赤外線検出素子２０は、第１電極２ｈのシート抵抗を１８９Ω／□とすれば、第１電極２ｈの赤外線吸収率を最大とすることが可能となる。したがって、赤外線検出素子２０は、第１電極２ｈにおいて例えば４０％以上の赤外線吸収率を確保するためには、第１電極２ｈのシート抵抗を７３〜４９３Ω／□の範囲で設定すればよい。

受光部２ｒの平面視形状は、長方形状としてある。受光部２ｒは、第１電極２ｈと、この第１電極２ｈに対向する第２電極２ｉとが同じ形状であり、第２電極２ｉが、第１電極２ｈの投影領域に一致するように配置されている。このため、受光部２ｒの平面視形状は、第１電極２ｈの平面視形状により決まる。要するに、受光部２ｒの平面視形状は、第１電極２ｈの平面視形状と同じである。受光部２ｒは、第１電極２ｈと第２電極２ｉとで大きさが異なってもよい。この場合、受光部２ｒは、第１電極２ｈと焦電体基板２ｇと第２電極２ｉとが重複する領域により規定される。

受光部２ｒの平面視形状は、長方形状に限らず、例えば、正方形状や、円形状、半円形状、楕円形状、半楕円形状、矩形以外の多角形状などでもよい。

赤外線検出素子２０は、２つの受光部２ｒを備えている。赤外線検出素子２０は、焦電体基板２ｇにおいて２つの受光部２ｒの並ぶ方向の両端部の各々に、第１出力端子２ｊと第２出力端子２ｋとが設けられている。各第１出力端子２ｊの各々は、焦電体基板２ｇの表側の面に設けられている。各第２出力端子２ｋの各々は、焦電体基板２ｇの裏側の面に設けられている。

焦電体基板２ｇの表側の第１配線２ｍ及び第１出力端子２ｊは、材料、厚みそれぞれを第１電極２ｈと同じとしてあるのが好ましい。これにより、赤外線検出素子２０の形成にあたっては、第１配線２ｍ及び第１出力端子２ｊを第１電極２ｈと同時に形成することが可能となり、且つ、第１電極２ｈと第１配線２ｍと第１出力端子２ｊとを連続膜として形成することが可能となる。

焦電体基板２ｇの裏側の第２配線２ｎ及び第２出力端子２ｋは、材料、厚みそれぞれを第２電極２ｉと同じとしてあるのが好ましい。これにより、赤外線検出素子２０の形成にあたっては、第２配線２ｎ及び第２出力端子２ｋを第２電極２ｉと同時に形成することが可能となり、且つ、第２電極２ｉと第２配線２ｎと第２出力端子２ｋとを連続膜として形成することが可能となる。

また、赤外線検出素子２０は、２つの受光部２ｒの並ぶ方向に直交し且つ焦電体基板２ｇの中心を通る平面を対称面として面対称となるように、各受光部２ｒ、各第１配線２ｍ、各第２配線２ｎ、各第１出力端子２ｊ、各第２出力端子２ｋ及び各孔２ｓが設けられている。よって、赤外線検出素子２０は、２つの受光部２ｒの並ぶ方向を例えば上下方向とする場合、上下を入れ換えて使用しても同等の性能を得ることが可能となる。

赤外線検出素子２０は、２つの受光部２ｒが電気的に絶縁されている。このため、赤外線検出素子２０は、各受光部２ｒの出力を各別に取り出すことが可能である。要するに、赤外線検出素子２０は、２つの受光素子２ａ、２ｂを備えている。受光素子２ａは、図１（ａ）における下側の受光部２ｒと、この受光部２ｒの第１電極２ｈに電気的に接続された第１配線２ｍ及び第１出力端子２ｊと、この受光部２ｒの第２電極２ｉに電気的に接続された第２配線２ｎ及び第２出力端子２ｋとを備えている。受光素子２ｂは、図１（ａ）における上側の受光部２ｒと、この受光部２ｒの第１電極２ｈに電気的に接続された第１配線２ｍ及び第１出力端子２ｊと、この受光部２ｒの第２電極２ｉに電気的に接続された第２配線２ｎ及び第２出力端子２ｋとを備えている。受光素子２ａ（以下、第１受光素子２ａとも称する）及び受光素子２ｂ（以下、第２受光素子２ｂとも称する）は、それぞれ、赤外線を受光して光電変換した出力信号を発生する。

赤外線検出素子２０は、受光部２ｒの第１電極２ｈに電気的に接続された第１出力端子２ｊと、この受光部２ｒの第２電極２ｉに電気的に接続された第２出力端子２ｋとが、焦電体基板２ｇの厚み方向において重ならないように配置されている。これにより、赤外線検出素子２０は、各受光素子２ａ、２ｂの各々において、第１出力端子２ｊと第２出力端子２ｋとの間の寄生容量を低減することが可能となる。また、赤外線検出素子２０は、第１出力端子２ｊと第２出力端子２ｋとの間の沿面距離を長くすることが可能となる。

ところで、赤外線検出素子２０は、回路基板などの実装基板に実装して用いる場合、実装基板のリード端子と、第１出力端子２ｊ、第２出力端子２ｋのそれぞれとを、導電性を有する接合部を介して電気的に接続して用いるのが好ましい。接合部は、例えば、導電ペーストから形成することができる。導電ペーストは、例えば、銀ペースト、金ペースト、銅ペーストなどである。赤外線検出素子２０は、受光素子２ａ、２ｂの各々において、第１出力端子２ｊと第２出力端子２ｋとが、焦電体基板２ｇの厚み方向において重ならないように配置されているので、第１出力端子２ｊと第２出力端子２ｋとが接合部を介して短絡するのを抑制することが可能である。

赤外線検出素子２０は、２つの受光部２ｒが電気的に絶縁された構成に限らず、例えば、焦電体基板２ｇの表側、裏側で２つの受光部２ｒ同士を電気的に接続する配線を設けてもよい。この場合、赤外線検出素子２０は、デュアルタイプの焦電型赤外線検知素子と同様の構成とすることが可能となる。

受光部２ｒの数は、特に限定するものではなく、１つでも複数でもよく、複数の場合、例えば、４つでもよい。また、焦電体基板２ｇに対する受光部２ｒのレイアウトは、特に限定するものではない。受光部２ｒの数が４つの場合には、例えば、４つの受光部２ｒを２×２のアレイ状に配列したり、１×４のアレイ状に配列したりすることができ、クワッドタイプの焦電型赤外線検知素子と同様の構成とすることが可能となる。

赤外線吸収層２６は、上述のように、樹脂中に、カーボン系微粉末、金属系微粉末、金属酸化物系微粉末の群から選択される少なくとも１種の導電性微粉末が分散された樹脂層からなる。導電性微粉末は、導電性を有する微粉末である。赤外線吸収層２６における導電性微粉末の体積濃度は、１７％に設定してあるが、この数値は一例であり、特に限定するものではない。導電性微粉末の体積濃度は、例えば、１〜３０％程度の範囲内で設定することができる。これにより、赤外線吸収層２６は、導電性を有するが、第１電極２ｈに比べて比抵抗が大きくなる。

赤外線吸収層２６は、樹脂に導電性微粉末を分散させ有機溶剤を混合させたペースト（印刷インク）を、例えば、スクリーン印刷法、グラビア印刷法などにより印刷してから、ベークすることで硬化させることによって形成することができる。赤外線吸収層２６の形成にあたっては、例えば、ペーストにおける導電性微粉末の組成を８．５％とすれば、赤外線吸収層２６における導電性微粉末の体積濃度を１７％程度とすることが可能である。

赤外線吸収層２６は、より広い温度範囲で化学的及び物理的に安定していることが望ましい。このため、赤外線吸収層２６の樹脂としては、熱硬化性樹脂が望ましい。

熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂などが挙げられる。そして、赤外線検出素子２０は、これらの熱硬化性樹脂のうち、赤外線検出素子２０の検出対象の赤外線の吸収率がより高い熱硬化性樹脂を採用することが好ましい。これにより、赤外線検出素子２０は、赤外線吸収層２６の厚みを薄くすることが可能となり、感度をより高めることが可能となる。検出対象の赤外線を吸収可能な樹脂は、検出対象の赤外線に対する吸収率が３０％以上であるのが好ましく、５０％以上であるのがより好ましい。

赤外線検出素子２０をガスの検知などの用途に用い、検出対象の赤外線の波長が３〜８μｍ、特に３〜５μｍの範囲内にある場合、赤外線吸収層２６の樹脂としては、水酸基を含む樹脂が好ましい。水酸基を含む樹脂は、多分子間で水素結合しているため、３μｍ付近から長波長側にかけて赤外線を吸収する特性を有している。この種の樹脂としては、フェノール系樹脂が挙げられる。フェノール系樹脂としては、例えば、フェノールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、シクロペンタジエン、フェノール重合体、ナフタレン型フェノール樹脂、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ等が挙げられる。これらは、単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

また、赤外線検出素子２０を人体の検知などの用途に用い、検出対象の赤外線の波長が８〜１３μｍの範囲内にある場合、赤外線吸収層２６の樹脂としては、芳香族系の樹脂が好ましい。この種の樹脂としては、例えば、フェノール系樹脂、ポリウレタン樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂などが挙げられる。

ガスの検知、人体の検知の両方への適用を考慮した場合、赤外線吸収層２６の樹脂としては、水酸基を持つ芳香族系の樹脂が好ましく、例えば、フェノール系樹脂を挙げることができる。

カーボン系微粉末としては、固体炭素材料で赤外線吸収率が高く、樹脂中に分散できる微粉末が適している。この種のカーボン系微粉末としては、例えば、非晶質（微結晶）炭素として分類される、カーボンブラック、カーボンファイバー、黒鉛などや、ナノカーボンとして分類される、フラーレン、ナノチューブ、グラフェンなどが挙げられる。特に、カーボンブラックは、粒子径が小さく、化学的にも安定しており、好ましい。

金属系微粉末に関しては、粒子径が０．１μｍ程度以下の金属系微粉末が、赤外線を吸収する性質があり、幅広い赤外波長域で吸収率が高いという特徴を有している。そして、この特徴は、金属の種類に依存しない。このため、金属系微粉末の材料としては、化学的に安定なＡｕ、Ｐｔ、Ａｇなどの貴金属や、耐熱性の高いＷ、Ｍｏなどの高融点金属や、微粉末の作りやすいＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｎや、それらの２種以上の合金など、が挙げられる。

金属酸化物系微粉末は、遠赤外線を効率よく吸収し、また、化学的にも安定しているため、赤外線検出素子２０を人体の検知などの用途に適用する場合などに好適に採用することができる。金属酸化物系微粉末の材料としては、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＡＺＯ（ＡｌドープＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＧａドープＺｎＯ）などが挙げられる。

赤外線検出素子２０は、赤外線吸収層２６を付加することによって、受光部２ｒの赤外線吸収率を高めることができて感度を高めることが可能であるが、その一方で、受光部２ｒの熱容量が増大し、受光部２ｒで受光した赤外線による受光部２ｒの温度上昇が小さくなって感度が低くなる傾向にある。図２は、赤外線吸収層２６を設けたことによる感度の変化方向の模式的な説明図であり、横軸が赤外線の周波数、縦軸が感度（電流感度）である。図２は、赤外線吸収率の増加により矢印Ａ１に示すように感度が高くなり、熱容量の増加により矢印Ａ２に示すように感度が低くなることを模式的に表わしている。このため、赤外線検出素子２０は、赤外線吸収層２６の厚さによっては、赤外線吸収層２６を設けたことによる効果が得られなくなる懸念がある。また、図２は、熱容量の増加による熱応答性の悪化に起因して、感度の周波数特性が矢印Ａ３のように悪化することを模式的に表している。図２から、赤外線検出素子２０は、高い周波数域での感度が重視される場合、赤外線吸収層２６の厚さを薄めに設定するのが好ましいことが分かる。

受光部２ｒは、放熱性が変化しないと仮定すると、感度が熱容量に反比例する。また、受光部２ｒの感度は、赤外線吸収率に比例する。したがって、赤外線吸収層２６を付加したことによる感度の変化率は、〔感度の変化率〕＝〔赤外線吸収率の変化率〕／〔熱容量の変化率〕で表すことができる。ここで、感度を向上させるためには、感度の変化率を１よりも大きくする必要がある。また、単位面積当りの熱容量で考えた場合、厚みと体積熱容量との積により、感度の変化率を議論できる。

ここでは、第１電極２ｈ上の赤外線吸収層２６の厚さをＡd〔μｍ〕、赤外線吸収層２６の体積熱容量Ａρ〔Ｊ／Ｋ〕、焦電体基板２ｇの厚さをＳd〔μｍ〕、焦電体基板２ｇの体積熱容量をＳρ〔Ｊ／Ｋ〕とする。この場合には、赤外線吸収層２６を設けることで受光部２ｒの単位面積当りの熱容量がＳd×Ｓρから、Ｓd×Ｓρ＋Ａd×Ａρに変化する。よって、この場合には、赤外線吸収率が２０％から４０％に上昇したとすると、感度が向上するための条件を、下記の式で表すことができる。
１＜（０．４／０．２）／｛（Ｓd×Ｓρ＋Ａd×Ａρ）／（Ｓd×Ｓρ）｝
そして、この式を整理すると、
０．２／（Ｓd×Ｓρ）＜０．４／（Ｓd×Ｓρ＋Ａd×Ａρ）
となり、更に整理すると、
Ａd＜（Ｓd×Ｓρ）／Ａρ
となる。

また、赤外線吸収層２６を付加したことによる感度の変化がない場合は、不等号が等号となるから、
Ａd＝（Ｓd×Ｓρ）／Ａρ
となる。これは、赤外線吸収層２６の厚さをＡdが、（Ｓd×Ｓρ）／Ａρのときには感度の変化がないことを意味し、（Ｓd×Ｓρ）／Ａρよりも薄ければ感度が向上することを意味している。ここで、赤外線吸収層２６の厚さＡdの規格化厚さをＮＡd＝（Ｓd×Ｓρ）／Ａρ、規格化厚さＮＡd＝１のときの感度を１とする相対的な感度を規格化感度と定義する。この場合、赤外線吸収層２６の規格化厚さＮＡdと受光部２ｒの規格化感度との関係は、図３に示すようになる。赤外線検出素子２０は、図３から分かるように、赤外線吸収層２６の規格化厚さＮＡdを１よりも小さくすることにより、規格化感度を１よりも大きくすることが可能となる。

赤外線検出素子２０は、検出対象の赤外線の波長に対する赤外線吸収層２６の屈折率をＡn、第１電極２ｈ上の赤外線吸収層２６の厚さをＡd〔μｍ〕、検出対象の赤外線の波長をλt〔μｍ〕とするとき、
（Ａn×Ａd）＞（λt／４）
の関係を満たすのが好ましい。これにより、赤外線検出素子２０は、赤外線吸収層２６の赤外線吸収率を高めることが可能となる。

この場合は、赤外線吸収層２６の厚さと赤外線吸収層２６の赤外線吸収率との関係が図４に示すシミュレーション結果のようになる。

このシミュレーションでは、シミュレーション条件として、赤外線吸収層２６の赤外線吸収率が、ランベルトベールの法則によって赤外線吸収層２６の厚さに依存するとし、赤外線吸収層２６の赤外線吸収率を９０％とし、赤外線吸収層２６の樹脂をフェノール樹脂とし、赤外線吸収層２６の屈折率Ａnをフェノール樹脂の１．６とし、検出対象の赤外線の波長λtを４μｍと仮定した。なお、赤外線吸収層２６は、樹脂中に導電性微粉末を分散させてあるが、導電性微粉末の体積濃度が小さいため、赤外線吸収層２６の屈折率は概ね樹脂の屈折率で定義することができる。一方、金属黒などの単体の赤外線吸収層では、単位体積当たりの空気の割合が高いため、その屈折率が空気の屈折率である１に近い値となる。

また、赤外線吸収層２６の厚さと規格化感度との関係は、図５に示すシミュレーション結果のようになる。このシミュレーションでは、シミュレーション条件を図４の場合と同じとし、また、焦電体基板２ｇの材料をＬｉＴａＯ_３、焦電体基板２ｇの厚さを５０μｍとした。

図５の例では、赤外線吸収層２６を設けることにより、規格化感度を１よりも大きくできる、つまり、感度を向上できることが分かる。また、図５の例では、赤外線吸収層２６の厚さを７５μｍよりも薄くすることにより、規格化感度を１よりも大きくできる、つまり、感度を向上できることが分かる。

（実施形態２）
以下では、本実施形態の赤外線検出素子２０について図６に基づいて説明する。

本実施形態の赤外線検出素子２０は、実施形態１の赤外線検出素子２０と基本構成が略同じであり、第１電極２ｈの外周縁が、第１電極２ｈを囲む孔２ｓの第１電極２ｈ側の開孔縁から離れている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態の赤外線検出素子２０では、第１電極２ｈの外周縁が、第１電極２ｈを囲む孔２ｓの第１電極２ｈ側の開孔縁から離れているので、高感度化を図りながらも、第１電極２ｈと第２電極２ｉとの短絡をより確実に抑制することが可能となる。

また、本実施形態の赤外線検出素子２０は、第２電極２ｉの外周縁が、第２電極２ｉを囲む孔２ｓの第２電極２ｉ側の開孔縁から離れているのが好ましい。これにより、赤外線検出素子２０は、第１電極２ｈと第２電極２ｉとの短絡をより確実に抑制することが可能となり、電気的安定性の低下を抑制することが可能となる。

ところで、従来の赤外線検出器を用いた赤外線式ガスセンサでは、測定精度のより一層の高精度化が望まれている。

これに対して、本願発明者らは、本実施形態の赤外線検出素子２０を備えた赤外線受光ユニット２（図７〜図９参照）を赤外線式ガスセンサの赤外線検出器として適用することにより、赤外線式ガスセンサの高精度化を図ることを考えた。

以下では、赤外線光学ユニット２について図７〜図１３に基づいて説明する。

赤外線受光ユニット２は、赤外線式ガスセンサの赤外線検出器として用いるものであり、光源（赤外光源）から放射された赤外線を受光する機能を有する。なお、赤外線式ガスセンサでは、光源と赤外線受光ユニット２との間に試料セル（図示せず）が設けられる。上記試料セルは、検知対象のガスを含む気体もしくは検知対象のガスが導入されるセルである。

赤外線受光ユニット２は、赤外線検出素子２０と、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２と、基板４３と、パッケージ２９とを備えている。

赤外線検出素子２０は、実施形態１において説明したように、第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂを有する。第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２は、第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂそれぞれの受光面（図９（ａ）における上面）の前方に配置されている。基板４３は、赤外線検出素子２０が実装される。パッケージ２９は、赤外線検出素子２０、第１光学フィルタ３１、第２光学フィルタ３２及び基板４３を収納する。

パッケージ２９は、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２の光入射面（図９（ａ）、図１３における上面）側にある窓孔２９ｃと、窓孔２９ｃを塞ぎ赤外線を透過可能な窓材２９ｗとを有する。これにより、赤外線受光ユニット２は、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２がパッケージ２９内に収納され外気に曝されるのを抑制することが可能となり、フィルタ特性の経時変化を抑制することが可能となる。

第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂの各々は、上述のように、１つの受光部２ｒと、受光部２ｒに電気的に接続された第１出力端子２ｊ及び第２出力端子２ｋとを備えた焦電素子である。

回路ブロック４４の基板４３は、電気絶縁性を有する絶縁性基材４３ａと、２つの第１リード端子４３ｊと、２つの第２リード端子４３ｋとを備えている。各第１リード端子４３ｊ及び各第２リード端子４３ｋは、絶縁性基材４３ａと一体に設けられている。各第１リード端子４３ｊは、第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂの各々の第１出力端子２ｊが、導電性接着剤からなる第１接合部７ｊ（図１１参照）を介して電気的に接続される。各第２リード端子４３ｋは、第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂの各々の第２出力端子２ｋが、導電性接着剤からなる第２接合部７ｋ（図１１参照）を介して電気的に接続される。

絶縁性基材４３ａは、隣り合う第１リード端子４３ｊと第２リード端子４３ｋとの間で赤外線検出素子２０の搭載予定領域の外側から赤外線検出素子２０の厚み方向に沿った方向に突出し赤外線検出素子２０を位置決めする突起４３ｃが形成されている。

これにより、赤外線受光ユニット２は、赤外線検出素子２０を突起４３ｃにより位置決めでき、赤外線検出素子２０の位置精度を高めることが可能となるから、赤外線検出素子２０の位置精度に起因する冗長設計が不要となり、小型化及び感度の向上を図ることが可能となる。また、赤外線受光ユニット２は、隣り合う第１接合部７ｊと第２接合部７ｋとの間に突起４３ｃが位置することで、第１電極２ｈと第２電極２ｉとの短絡の発生を抑制することが可能となり、信頼性の向上を図ることが可能となる。また、赤外線受光ユニット２は、第１電極２ｈと第２電極２ｉとの間のリークに伴う浮動電荷によるノイズの発生を抑制することが可能となり、Ｓ／Ｎ比の向上及び高感度化を図ることが可能となる。

また、赤外線受光ユニット２は、赤外線検出素子２０の厚み方向に沿った方向に突出し第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２を位置決めする位置決め部４３ｄが形成されている。これにより、赤外線受光ユニット２は、基板４３において第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２を位置決めすることが可能となる。よって、赤外線受光ユニット２は、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２と第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂとの相対的な位置精度を高めることが可能となり、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２の小型化を図ることが可能となる。赤外線受光ユニット２は、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２の小型化により、低コスト化が可能となる。

また、赤外線受光ユニット２は、第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂそれぞれの出力信号を各別に増幅する第１増幅回路４１及び第２増幅回路４２（図９、図１２参照）が基板４３に設けられている。これにより、赤外線受光ユニット２は、第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂと第１増幅回路４１及び第２増幅回路４２との間の配線長を短くすることが可能となり、Ｓ／Ｎ比や感度の低下を抑制することが可能となる。

赤外線受光ユニット２は、基板４３、第１増幅回路４１及び第２増幅回路４２等により、回路ブロック４４を構成している。したがって、赤外線受光ユニット２は、回路ブロック４４が、パッケージ２９に収納されている。

以下では、赤外線受光ユニット２の各構成要素について、より詳細に説明する。

赤外線検出素子２０は、上述のように、平面視において各受光部２ｒの各々の一部を除いて各受光部２ｒの各々を取り囲み厚み方向に貫通する孔２ｓが形成されている。孔２ｓは、第１配線２ｍ及びその周部、第２配線２ｎ及びその周部を避けて、受光部２ｒを取り囲むように形成されているのが好ましい。これにより、赤外線検出素子２０は、受光部２ｒ同士を熱絶縁することが可能となり、また、突発的なノイズであるポップコーンノイズを低減することが可能となる。

基板４３は、例えば、ＭＩＤ（Molded InterconnectDevices）基板、部品内蔵基板、セラミック基板、プリント基板等により構成することができる。ＭＩＤ基板は、樹脂成形品からなる絶縁性基材４３ａの表面に第１リード端子４３ｊ、第２リード端子４３ｋや、その他の配線を適宜形成すればよい。

また、赤外線受光ユニット２は、赤外線検出素子２０が、基板４３に実装されている。赤外線受光ユニット２は、第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂの各々の第１出力端子２ｊと各第１リード端子４３ｊとが、導電性接着剤からなる第１接合部７ｊを介して電気的に接続される。また、赤外線受光ユニット２は、第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂの各々の第２出力端子２ｋと各第２リード端子４３ｋとが、導電性接着剤からなる第２接合部７ｋを介して電気的に接続される。導電性接着剤は、例えば、ＡｇまたはＡｕ粉末を含んだエポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂の接着剤である。導電性接着剤としては、導電ペーストを用いることができる。導電ペーストは、例えば、銀ペースト、金ペースト、銅ペースト等である。

導電性接着剤としては、有機樹脂系の導電性接着剤を採用するのが好ましい。これにより、赤外線受光ユニット２は、基板４３から赤外線検出素子２０への熱伝導を抑制することが可能となる。

回路ブロック４４は、第１受光素子２ａの出力信号を増幅して出力する第１増幅回路４１と、第２受光素子２ｂの出力信号を増幅して出力する第２増幅回路４２とを備えている。

なお、赤外線受光ユニット２は、第１増幅回路４１と第２増幅回路４２とを集積化して１チップのＩＣ素子とし、パッケージ２９内に設けてもよい。また、第１増幅回路４１及び第２増幅回路４２の各々は、複数のディスクリート部品を適宜接続して構成してもよい。

赤外線受光ユニット２は、基板４３の厚み方向の一面側に赤外線検出素子２０が配置され、基板４３の厚み方向の他面側に第１増幅回路４１及び第２増幅回路４２が配置されているのが好ましい。これにより、赤外線受光ユニット２は、基板４３の厚み方向の一面側において赤外線検出素子２０の側方に第１増幅回路４１及び第２増幅回路４２が配置されている場合に比べて、小型化を図ることが可能となる。また、赤外線受光ユニット２は、第１増幅回路４１及び第２増幅回路４２それぞれで発生した熱が赤外線検出素子２０へ伝熱されることを、より抑制することが可能となる。

第１増幅回路４１及び第２増幅回路４２の各々は、ベアチップのＩＣ素子により形成されており、基板４３の上記他面側に設けた凹部４３ｙ（図９、図１２参照）の内底面に、エポキシ樹脂等のダイボンド材により固定されている。また、基板４３には、図１２に示すように、第１増幅回路４１及び第２増幅回路４２が導電性の金属細線（ワイヤ）４５を介して電気的に接続される導電部４６を備えている。金属細線４５の材料としては、例えば、金、アルミニウム、銅等を採用することができる。導電部４６としては、第１増幅回路４１及び第２増幅回路４２への給電用のリードピン２９ｄに電気的に接続される導電部４６ｓと、グランド用のリードピン２９ｄに電気的に接続される導電部４６ｇとがある。また、導電部４６としては、第１増幅回路４１の出力信号を取り出す第１出力用のリードピン２９ｄに電気的に接続される導電部４６ａと、第２増幅回路４２の出力信号を取り出す第２出力用のリードピン２９ｄに電気的に接続される導電部４６ｂとがある。

第１増幅回路４１、第２増幅回路４２及び各金属細線４５は、封止材料（例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等）からなる封止部（図示せず）により覆われているのが好ましい。これにより、赤外線受光ユニット２は、各金属細線４５の断線や各金属細線４５とパッケージ２９との接触を防止することが可能となる。また、赤外線受光ユニット２は、上記封止部を設けたことによって、第１増幅回路４１及び第２増幅回路４２の各々で発生した熱が赤外線検出素子２０側へ伝熱されにくくなるという利点もある。

第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２は、赤外線受光ユニット２の用途に必要とされる光学特性を有するようにフィルタ特性を設計すればよい。

第１光学フィルタ３１は、例えば、図１３（ａ）に示すように、基板３１ｓと、第１フィルタ部３１ａと、第２フィルタ部３１ｂとを備えている。また、第２光学フィルタ３２は、例えば、図１３（ｂ）に示すように、基板３２ｓと、第３フィルタ部３２ａと、第４フィルタ部３２ｂとを備えた構成を採用することができる。基板３１ｓ、３２ｓは、赤外線を透過可能なものである。基板３１ｓ、３２ｓとしては、例えば、シリコン基板、ゲルマニウム基板、サファイア基板、酸化マグネシウム基板等を採用することができる。赤外線受光ユニット２は、第２フィルタ部３１ｂと第４フィルタ部３２ｂとを同じ構成とすることができる。これにより、赤外線受光ユニット２は、第２フィルタ部３１ｂの分光特性と第４フィルタ部３２ｂの分光特性とを略同じとすることが可能となる。

第１フィルタ部３１ａは、例えば、λ／４多層膜３４と、波長選択層３５と、λ／４多層膜３６とで構成されるバンドパスフィルタとすることができる。λ／４多層膜３４は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜（図示例では、２種類の薄膜３１ａａ、３１ａｂ）が積層された多層膜である。λ／４多層膜３６は、複数種類の薄膜（図示例では、２種類の薄膜３１ａａ、３１ａｂ）が積層された多層膜である。波長選択層３５は、λ／４多層膜３４とλ／４多層膜３６との間に介在する。波長選択層３５は、選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜３１ａａ、３１ａｂの光学膜厚とは異ならせてある。λ／４多層膜３４及びλ／４多層膜３６は、屈折率周期構造を有していればよく、３種類以上の薄膜を積層したものでもよい。薄膜の材料としては、例えば、Ｇｅ、Ｓｉ、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_ｘ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ_ｘ等を採用することができる。

第３フィルタ部３２ａは、例えば、λ／４多層膜３７と、波長選択層３８と、λ／４多層膜３９とで構成されるバンドパスフィルタとすることができる。λ／４多層膜３７は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜（図示例では、２種類の薄膜３２ａａ、３２ａｂ）が積層された多層膜である。λ／４多層膜３９は、複数種類の薄膜（図示例では、２種類の薄膜３２ａａ、３２ａｂ）が積層された多層膜である。波長選択層３８は、λ／４多層膜３７とλ／４多層膜３９との間に介在する。波長選択層３８は、選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜３２ａａ、３２ａｂの光学膜厚とは異ならせてある。λ／４多層膜３７及びλ／４多層膜３９は、屈折率周期構造を有していればよく、３種類以上の薄膜を積層したものでもよい。薄膜の材料としては、例えば、Ｇｅ、Ｓｉ、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_ｘ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ_ｘ等を採用することができる。

第１フィルタ部３１ａの薄膜３１ａａ、３１ａｂと第３フィルタ部３２ａの薄膜３２ａａ、３２ａｂとはそれぞれ同じ材料を採用することができる。

第１フィルタ部３１ａ、第３フィルタ部３２ａは、屈折率周期構造の中に光学膜厚の異なる波長選択層３５、３８を設けて屈折率周期構造に局所的な乱れを導入することにより、反射帯域の中に反射帯域幅に比べてスペクトル幅の狭い透過帯域を局在させることができる。第１フィルタ部３１ａ、第３フィルタ部３２ａは、波長選択層３５、３８の光学膜厚を適宜変化させることによって、透過波長域の透過ピーク波長を変化させることができる。

第１フィルタ部３１ａの選択波長は、第１フィルタ部３１ａの透過波長域の中心波長λ_１である。また、第３フィルタ部３２ａの選択波長は、第３フィルタ部３２ａの透過波長域の中心波長λ_２である。

第２フィルタ部３１ｂは、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜（図示例では、２種類の薄膜３１ｂａ、３１ｂｂ）が積層された多層膜である。第２フィルタ部３１ｂは、相対的に屈折率の高い薄膜の材料として、例えば、Ｇｅ、Ｓｉ等を採用することができ、相対的に屈折率の低い薄膜の材料として、例えば、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_ｘ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ_ｘ等を採用することができる。ＳｉＯ_ｘは、ＳｉＯやＳｉＯ_２である。ＳｉＮ_ｘ等は、ＳｉＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４等である。

第４フィルタ部３２ｂは、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜（図示例では、２種類の薄膜３２ｂａ、３２ｂｂ）が積層された多層膜である。第４フィルタ部３２ｂは、相対的に屈折率の高い薄膜の材料として、例えば、Ｇｅ、Ｓｉ等を採用することができ、相対的に屈折率の低い薄膜の材料として、例えば、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_ｘ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ_ｘ等を採用することができる。

赤外線式ガスセンサでは、検知対象のガスの種類によって赤外線の吸収波長が異なるので、ガスの識別性を高めることが可能となる。吸収波長は、例えば、メタン（ＣＨ_４）が３．３μｍ、二酸化炭素（ＣＯ_２）が４．３μｍ、一酸化炭素（ＣＯ）が４．７μｍ、一酸化窒素（ＮＯ）が５．３μｍである。このため、赤外線受光ユニット２は、赤外線式ガスセンサに適用する場合、例えば、第１フィルタ部３１ａの中心波長λ_１を検知対象のガスの吸収波長に設定し、第３フィルタ部３２ａの中心波長λ_２を検知対象のガス及び他のガス（Ｈ_２Ｏ、ＣＨ_４、ＣＯ、ＮＯ等）での吸収のない波長（参照波長）に設定すればよい。第１フィルタ部３１ａ及び第３フィルタ部３２ａとしては、透過スペクトルの半値全幅が狭いバンドパスフィルタが好ましい。また、赤外線受光ユニット２は、第１フィルタ部３１ａの中心波長λ_１と第２フィルタ部３２ａの中心波長λ_２との差が小さい方が好ましい。これにより、赤外線受光ユニット２は、検知対象のガスが存在しないときの第１フィルタ部３１ａを透過する赤外線の光量と第３フィルタ部３２ａを透過する赤外線の光量との差を少なくすることが可能となる。赤外線受光ユニット２は、赤外線式ガスセンサの検知対象のガスが例えば二酸化炭素の場合、第１フィルタ部３１ａの中心波長λ_１を４．３μｍに設定し、第３フィルタ部３２ａの中心波長λ_２を例えば３．９μｍに設定することができる。

第１光学フィルタ３１と第２光学フィルタ３２とは、１チップ化したものでもよい。

赤外線受光ユニット２のパッケージ２９としては、例えば、キャンパッケージを採用することができる。キャンパッケージは、台座２９ａと、台座２９ａに固着されるキャップ２９ｂとを備え、キャップ２９ｂにおける第１受光素子２ａ及び第２受光素子の前方に１つの窓孔２９ｃが形成された構成とすることができる。

台座２９ａは、金属製である。台座２９ａは、円板状に形成されている。キャップ２９ｂは、金属製である。キャップ２９ｂは、缶状に形成されている。

台座２９ａには、４本のリードピン２９ｄが厚み方向に貫通して設けられる。台座２９ａは、これら４本のリードピン２９ｄを保持している。各リードピン２９ｄは、回路ブロック４４に結合されている。４本のリードピン２９ｄは、給電用、グラウンド用、第１増幅回路４１の出力信号の取り出し用、及び第２増幅回路４２の出力信号の取り出し用それぞれに、１本ずつ利用される。グラウンド用のリードピン２９ｄは、台座２９ａに対して導電性の封止材で固定されており、台座２９ａと電気的に接続されている。それ以外のリードピン２９ｄは、台座２９ａに対して電気絶縁性の封止材（ガラス）で固定されており、台座２９ａと電気的に絶縁されている。なお、赤外線受光ユニット２は、回路ブロック４４に、グラウンド用のリードピン２９ｄが電気的に接続されるシールド板やシールド層を設けてもよい。

台座２９ａは、平面視形状が円形状であるが、これに限らず、例えば、多角形状でもよい。また、キャップ２９ｂの形状は、台座２９ａの形状に応じて適宜変更すればよい。例えば、台座２９ａの平面視形状が矩形状の場合、キャップ２９ｂの平面視形状は、円形状でもよいし、矩形状でもよい。

窓孔２９ｃは、第１受光素子２ａと第２受光素子２ｂとを併せたサイズよりもやや大きな開口サイズとしてある。窓孔２９ｃの開口形状は、矩形状であるが、これに限らず、例えば、円形状や矩形以外の多角形状等でもよい。

窓孔２９ｃを塞ぐ窓材２９ｗは、赤外線を透過する機能を有する。窓材２９ｗは、平板状のシリコン基板により構成してある。窓材２９ｗは、窓孔２９ｃの開口サイズよりもやや大きな矩形板状に形成されている。窓材２９ｗは、導電性材料（例えば、半田、導電性接着剤等）によりキャップ２９ｂに固着されているのが好ましい。これにより、赤外線受光ユニット２は、窓材２９ｗをキャップ２９ｂと略同電位とすることが可能となり、外来の電磁ノイズの影響を受けにくくなるという利点がある。窓材２９ｗは、シリコン基板に限らず、例えば、ゲルマニウム基板や硫化亜鉛基板等でもよいが、シリコン基板を用いたほうが低コスト化の点で有利である。また、窓材２９ｗとしては、レンズを採用することもできる。レンズは、半導体レンズ（例えば、シリコンレンズ等）により構成することができる。

半導体レンズの製造にあたっては、例えば、半導体基板（例えば、シリコン基板等）を準備する。その後には、所望のレンズ形状に応じて半導体基板との接触パターンを設計した陽極を半導体基板の一表面側に半導体基板との接触がオーミック接触となるように形成する。その後には、半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液からなる電解液中で半導体基板の他表面側を陽極酸化することで除去部位となる多孔質部を形成する。その後には、当該多孔質部を除去することにより半導体レンズを形成する。なお、上述の半導体レンズからなるレンズは、例えば、半導体基板として半導体ウェハ（例えば、シリコンウェハ）を用い、多数のレンズを形成した後に、ダイシング等によって個々のレンズに分離すればよい。

レンズは、レンズ部と当該レンズ部を全周に亘って囲むフランジ部とが連続一体に形成されている半導体レンズが好ましい。これにより、赤外線受光ユニット２は、厚みが略一定で厚み方向の両面の各々が平面状であるフランジ部を備えることにより、レンズの光軸方向におけるレンズと赤外線受光素子２０との距離の精度を高めることが可能となる。

基板４３の絶縁性基材４３ａは、各受光部２ｒの投影領域に熱絶縁用の穴４３ｂが設けられていることが好ましい。これにより、赤外線受光ユニット２は、受光部２ｒと絶縁性基材４３ａとの間の熱絶縁性を高めることが可能となり、第１受光素子２ａ及び第２受光素子２ｂそれぞれの感度の向上を図ることが可能となる。熱絶縁用の穴４３ｂは、各受光部２ｒに対して１つずつ設けてもよいが、投影視で２つの受光部２ｒに跨って設けられているのが好ましい。

絶縁性基材４３ａにおける赤外線検出素子２０の搭載予定領域は、平面視において赤外線検出素子２０が重なる領域である。赤外線検出素子２０を位置決めする突起４３ｃは、絶縁性基材４３ａにおいて、隣り合う第１リード端子４３ｊと第２リード端子４３ｋとの間で赤外線検出素子２０の搭載予定領域の外側の部位から、赤外線検出素子２０の厚み方向に沿った方向（図９における上方向）に突出している。よって、絶縁性基材４３ａには、２つの受光部２ｒの並ぶ方向の両側の各々において、突起４３ｃが１つずつ形成されている。これにより、赤外線受光ユニット２は、赤外線検出素子２０を２つの突起４３ｃにより位置決めでき、２つの受光部２ｒの並ぶ方向における赤外線検出素子２０の位置精度を高めることが可能となるから、赤外線検出素子２０の位置精度に起因する冗長設計が不要となり、小型化及び感度の向上を図ることが可能となる。また、赤外線受光ユニット２は、突起４３ｃが無い場合や例えば赤外線受光素子２０の四隅それぞれの近傍に突起が位置している場合等に比べて、第１電極２ｈと第２電極２ｉとの短絡の発生を抑制することが可能となり、信頼性の向上を図ることが可能となる。また、赤外線受光ユニット２は、第１電極２ｈと第２電極２ｉとの間のリークに伴う浮動電荷によるノイズの発生を抑制することが可能となり、Ｓ／Ｎ比の向上及び高感度化を図ることが可能となる。

また、赤外線受光ユニット２は、突起４３ｃの突出寸法が、第１接合部７ｊの高さ寸法よりも大きいことが好ましい。これにより、赤外線受光ユニット２は、第１出力端子２ｊと第２出力端子２ｋとが第１接合部７ｊを介して短絡するのをより確実に抑制することが可能となる。

基板４３は、第１リード端子４３ｊが、赤外線検出素子２０の搭載予定領域の外側に設けられ、第２リード端子４３ｋが、赤外線検出素子２０の搭載予定領域と当該搭載予定領域の外側とに跨って設けられている。そして、第１接合部７ｊは、赤外線検出素子２０の表側に設けられている。一方、第２接合部７ｋは、赤外線検出素子２０の裏側に設けられている。よって、赤外線受光ユニット２は、第１リード端子４３ｊ及び第２リード端子４３ｋが、赤外線検出素子２０の搭載予定領域と当該搭載予定領域の外側とに跨って設けられている場合に比べて、第１出力端子２ｊと第２出力端子２ｋとが短絡するのをより確実に抑制することが可能となる。

この赤外線受光ユニット２において、位置決め部４３ｄは、平面視で第１光学フィルタ３１と第２光学フィルタ３２との並ぶ方向に直交する方向おける第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２の位置を規定する壁部４３ｅと、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２が架設される支持部４３ｆとを備えることが好ましい。壁部４３ｅ及び支持部４３ｆは、平面視で第１光学フィルタ３１と第２光学フィルタ３２との並ぶ方向に直交する方向おける両側の各々に形成されている。これにより、赤外線受光ユニット２は、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２と赤外線検出素子２０との相対的な位置精度を高めることが可能となる。よって、赤外線受光ユニット２は、小型化及び高感度化を図ることが可能となる。なお、支持部４３ｆからの壁部４３ｅの高さ寸法は、特に限定するものではなく、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２の厚さ寸法よりも小さくてもよい。

第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２は、例えば、壁部４３ｅに対して接着剤により固定することが好ましい。これにより、赤外線受光ユニット２は、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２を支持部４３ｆに対して接着剤により固定する場合に比べて、赤外線検出素子２０と第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２との距離の精度を高めることが可能となる。赤外線受光ユニット２は、支持部４３ｆの突出寸法が赤外線検出素子２０の厚み寸法よりも大きく、赤外線検出素子２０の厚み方向において第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２と赤外線検出素子２０との間に間隙があることが好ましい。これにより、赤外線受光ユニット２は、赤外線検出素子２０と第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２とを熱絶縁することが可能となり、赤外線検出素子２０の高感度化を図ることが可能となる。

赤外線受光ユニット２は、壁部４３ｅに、先端面及び第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２との対向面が開放された窪み部４３ｇが形成されており、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２が、窪み部４３ｇ内の接着剤からなる接着部９（図３（ｂ）参照）により壁部４３ｅに固定されていることが好ましい。これにより、赤外線受光ユニット２は、製造時に、接着剤の塗布量を安定させることが可能となり、生産性の向上を図ることが可能となる。接着部９の接着剤としては、例えば、エポキシ樹脂やアクリル樹脂などを採用することができる。接着剤としては、熱硬化型の接着剤でもよいが、紫外線硬化型の接着剤を採用するのがより好ましい。

図１４は、赤外線検出器（光検出器）として赤外線受光ユニット２を備えた赤外線式ガスセンサ３００の一例を示す。

赤外線式ガスセンサ３００は、光源１と、赤外線受光ユニット２と、光源１と赤外線受光ユニット２との間に配置された試料セル６と、信号処理部４とを備える。また、赤外線式ガスセンサ３００は、光源１を駆動する駆動回路５を備えている。赤外線式ガスセンサは、駆動回路５によって、光源１から放射される赤外線の強度を変調させる。駆動回路５は、光源１から放射される光の強度が一定周期で周期的に変化するように光源１を駆動するが、光の強度が連続的に変化するように駆動してもよいし光の強度が間欠的に変化するように駆動するようにしてもよい。

光源１は、熱放射により赤外線を放射する赤外光源であるのが好ましい。光源１としては、例えば、熱放射により赤外線を放射する赤外線放射素子１０と、この赤外線放射素子１０を収納したパッケージ１９とを備えたものを用いることができる。パッケージ１９としては、例えば、赤外線検出素子１０の前方に窓孔１９ｒを有し、窓材１９ｗにより窓孔１９ｒが塞がれている構成のものを用いることができる。赤外線放射素子１０としては、例えば、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）の製造技術等を利用して製造したものを採用することができる。赤外線放射素子１０は、基板と、前記基板の一表面側に設けられた薄膜部と、前記基板の厚み方向に貫通した孔と、前記薄膜部における前記基板側とは反対側に設けられた赤外線放射層とを備えており、前記赤外線放射層への通電により前記赤外線放射層が発熱し、前記赤外線放射層から熱放射により赤外線が放射される。前記赤外線放射層の材料は、例えば、窒化タンタル、窒化チタン、ニッケルクロム、タングステン、チタン、トリウム、白金、ジルコニウム、クロム、バナジウム、ロジウム、ハフニウム、ルテニウム、ボロン、イリジウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、オスミウム、レニウム、ニッケル、ホルミウム、コバルト、エルビウム、イットリウム、鉄、スカンジウム、ツリウム、パラジウム、ルテチウム、導電性ポリシリコン等を採用することができる。

赤外線式ガスセンサ３００は、例えば、駆動回路５から赤外線放射素子１０の前記赤外線放射層へ与える入力電力を調整することにより、前記赤外線放射層に発生するジュール熱を変化させることができ、前記赤外線放射層の温度を変化させることができる。よって、赤外線式ガスセンサ３００では、赤外線放射素子１０の前記赤外線放射層の温度を変化させることで前記赤外線放射層から放射される赤外線のピーク波長を変化させることができる。

パッケージ１９としては、例えば、キャンパッケージを採用することができる。キャンパッケージは、赤外線放射素子１０が実装される台座１９ａと、赤外線放射素子１０を覆うように台座１９ａに固着されるキャップ１９ｂとを備え、キャップ１９ｂにおける赤外線放射素子１０の前方に窓孔１９ｒが形成された構成とすることができる。なお、台座１９ａには、赤外線放射素子１０への給電用の複数本のピン１９ｄが厚み方向に貫通して設けられている。パッケージ１９としては、キャンパッケージに限らず、例えば、セラミックパッケージ等を採用してもよい。

窓材１９ｗは、赤外線を透過する機能を有する。窓材１９ｗは、平板状のシリコン基板により構成してある。窓材１９ｗは、シリコン基板に限らず、例えば、ゲルマニウム基板や硫化亜鉛基板等でもよいが、シリコン基板を用いたほうが低コスト化の点で有利である。また、窓材１９ｗとしては、レンズを採用することもできる。レンズは、半導体レンズ（例えば、シリコンレンズ等）により構成することができる。

光源１は、熱放射により赤外線を放射するものであるから、赤外発光ダイオードに比べて広い波長域の赤外線を放射することができる。

試料セル６は、筒状に形成されている。試料セル６は、その内部空間と外部とを連通させる複数の通気孔６９が、試料セル６の軸方向に直交する方向に貫通して形成されているのが好ましい。試料セル６が、円筒状に形成されている場合、通気孔６９は、試料セル６の径方向に貫通して形成されているのが好ましい。試料セル６は、通気孔６９を通して外部からの気体が導入されたり、内部空間の空気が導出されたりする。

赤外線式ガスセンサ３００は、試料セル６の軸方向の一端部側に光源１が配置され、試料セル６の軸方向の他端部側に赤外線受光ユニット２が配置されている。赤外線式ガスセンサ３００は、通気孔６９を通って試料セル６の内部空間に、例えば、外部からの検知対象のガス、あるいは検知対象のガスを含む気体が導入される。このため、赤外線式ガスセンサ３００では、試料セル６の内部空間にある検知対象のガスの濃度が増加すると、赤外線受光ユニット２へ入射する赤外線の光量が低下し、試料セル６の内部空間にある検知対象のガスの濃度が低下すると、赤外線受光ユニット２へ入射する赤外線の光量が増加する。

信号処理部４は、第１受光素子２ａの出力信号と第２受光素子２ｂの出力信号との比に基づいて検知対象のガスの濃度を求める。このため、信号処理部４は、第１増幅回路４１にて増幅された出力信号と第２増幅回路４２にて増幅された出力信号との比に基づく出力を発生する信号処理回路４５を備えている。信号処理部４は、第１受光素子２ａの出力信号と第２受光素子２ｂの出力信号との差分に基づいて検知対象のガスの濃度を求めるようにしてもよい。このため、信号処理部４は、信号処理回路４５が、第１受光素子２ａの出力信号と第２受光素子２ｂの出力信号との差分に基づいて検知対象のガスの濃度を求め、この濃度に相当する出力を発生するようにしてもよい。

以上説明した赤外線受光ユニット２は、上述の赤外線吸収層２６を有する赤外線検出素子２０を備えているので、赤外線式ガスセンサ３００に用いる場合に、高感度化を図ることが可能となり、また、測定精度のより一層の高精度化を図ることが可能となる。赤外線検出素子２０は、実施形態２で説明したものに限らず、実施形態１で説明したものでもよい。

図１５は、図６に示した構成の赤外線検出素子２０を備えた赤外線センサ４００の一例を示す。

赤外線センサ４００は、赤外線検出素子２０と、赤外線検出素子２０の出力信号を信号処理する信号処理部４０４と、赤外線検出素子２０及び信号処理部４０４が収納されたパッケージ４２９とを備えている。

信号処理部４０４は、赤外線検出素子２０がゲートに接続されるインピーダンス変換用の電界効果トランジスタ４１２と、電界効果トランジスタ４１２のゲート電位を設定するための高抵抗値の抵抗４１３とを用いた電流電圧変換回路を備えている。信号処理部４０４は、赤外線検出素子２０と、電界効果トランジスタ４１２と、抵抗４１３と、これらが実装された回路基板４１１とで構成されている。回路基板４１１は、プリント基板である。回路基板４１１は、円板状に形成されている。赤外線センサ４００は、信号処理部４０４において、第１受光素子２ａの出力信号と第２受光素子２ｂの出力信号との差分が電流電圧変換回路に入力されるように配線が形成されている。

赤外線センサ４００は、人体検知センサとして適用できる。赤外線検出素子２０は、回路基板４１１の一表面上に配置された２つの支持台４１４，２１４により支持されている。

パッケージ４２９は、金属製の台座４２９ａと、金属製のキャップ４２９ｂとを備え、台座４２９ａとキャップ４２９ｂとが接合されている。また、パッケージ４２９は、キャップ４２９ｂにおける赤外線検出素子２０の前方に窓孔４２９ｃを有し、窓孔４２９ｃが窓材４２９ｗにより塞がれている。台座４２９ａは、信号処理部４０４の出力信号を外部に取り出すための３本のリードピン４２９ｄを保持している。各リードピン４２９ｄは、回路基板４１１に結合されて信号処理部４０４と電気的に接続される。

赤外線センサ４００は、検出対象の赤外線として人体から放射される１０μｍ付近の波長帯（８μｍ〜１３μｍ）の赤外線を想定しており、窓材４２９ｗの材料として、シリコンを採用している。窓材４２９の材料は、シリコンに限らず、例えば、ゲルマニウム、硫化亜鉛や砒化ガリウムなどを採用することもできる。ただし、窓材４２９の材料は、硫化亜鉛や砒化ガリウムなどに比べて環境負荷が少なく且つ、ゲルマニウムに比べて低コスト化が可能であり、しかも、硫化亜鉛に比べて波長分散が小さなシリコンを採用することが好ましい。

また、窓材４２９ｗは、赤外線入射面側と赤外線出射面側との少なくとも一方に、光学フィルタ膜を設けることが好ましい。赤外線センサ４００では、検出対象の赤外線の波長帯を８〜１３μｍと想定し、前記光学フィルタ膜の光学特性を、５μｍ〜１５μｍの波長域の赤外線を透過するように光学設計してある。前記光学フィルタ膜は、例えば、屈折率の異なる複数種類の薄膜を交互に積層することにより形成することができる。この種の薄膜の材料としては、例えば、ゲルマニウム、硫化亜鉛、硫化セレン、アルミナ、酸化シリコン、窒化シリコン、フッ化マグネシウムなどを採用することができる。

窓材４２９とキャップ４２９とを接合している接合部（図示せず）の材料としては、例えば、半田などを採用することができる。

窓材４２９は、平板状のものに限らず、レンズを採用してもよい。窓材４２９を構成するレンズとしては、例えば、半導体レンズ（例えば、シリコンレンズなど）を採用することができる。半導体レンズは、前記光学フィルタ膜を備えているのが好ましい。

以上説明した赤外線センサ４００は、上述の赤外線吸収層２６を有する赤外線検出素子２０を備えているので、人体検知センサとして用いる場合に、高感度化を図ることが可能となる。赤外線検出素子２０は、実施形態２で説明したものに限らず、実施形態１で説明したものでもよい。

人体検知センサの構成は、赤外線センサ４００の構成に限らず、赤外線検出素子２０を備えていればよい。

２ｇ 焦電体基板
２ｇｇ 焦電体基板において第１電極と第２電極とに挟まれた部分
２ｓ 孔
２ｒ 受光部
２ｈ 第１電極
２ｉ 第２電極
２ｊ 第１出力端子
２ｋ 第２出力端子
２ｍ 第１配線
２ｎ 第２配線
２０ 赤外線検出素子

Claims (3)

1. 焦電体基板に受光部が形成され、前記焦電体基板に、平面視において前記受光部の一部を除いて前記受光部を取り囲む孔が形成された赤外線検出素子であって、前記受光部は、前記焦電体基板の表側、裏側それぞれに形成され互いに対向する第１電極、第２電極と、前記焦電体基板において前記第１電極と前記第２電極とに挟まれた部分とで構成され、前記焦電体基板の表側には、平面視において前記孔で囲まれた領域全体を覆う赤外線吸収層が設けられており、前記赤外線吸収層は、樹脂中に、カーボン系微粉末、金属系微粉末、金属酸化物系微粉末の群から選択される少なくとも１種の導電性微粉末が分散された樹脂層からなることを特徴とする赤外線検出素子。
2. 前記焦電体基板の前記表側、裏側それぞれに形成され前記第１電極、前記第２電極それぞれに電気的に接続された第１配線、第２配線を備え、前記孔は、前記第１配線及び前記第２配線を避けた位置に形成されており、前記第１電極の外周縁は、前記孔の前記第１電極側の開孔縁から離れていることを特徴とする請求項１記載の赤外線検出素子。
3. 前記樹脂は、フェノール系樹脂であることを特徴とする請求項１又は２記載の赤外線検出素子。

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