JP4449906B2 - 赤外線放射素子およびそれを用いたガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、赤外線放射素子およびそれを用いたガスセンサに関するものである。

従来、赤外放射源を利用した各種の分析装置（例えば、赤外線ガス分析計など）が提供されている。これらの分析装置で用いられている赤外放射源として代表的なものはハロゲンランプであるが、ハロゲンランプは大型で且つ寿命が比較的短いため、赤外線を利用してガスを検出する小型のガスセンサへの適用は難しい。

そこで、小型化が可能な赤外放射源としてマイクロマシンニング技術を利用して形成する赤外線放射素子が各所で研究開発されている（例えば、特開平９−１５３６４０号公報（段落番号［００２７］、［００２８］、図２参照）、特開２０００−２３６１１０号公報（段落番号［００１７］、［００１８］、［００１９］、図１、図２参照）、特開平１０−２９４１６５号公報（段落番号［００１４］、［００１５］、図１参照））。

前記特許文献には、マイクロマシンニング技術を用いてシリコン基板などから形成した矩形枠状の支持基板と、前記支持基板の一方の辺と他方の辺とを橋渡しする線状の発熱体とからなる所謂マイクロブリッジ構造の赤外線放射素子が記載されている。この種のマイクロブリッジ構造の赤外線放射素子は、線状の発熱体への通電に伴うジュール熱により発熱体から赤外線を放射させるものであり、発熱体の周囲が空気のため、発熱体と発熱体の周囲との熱容量差を大きくすることができ、発熱体へ流す電流のオンオフに高速で応答できる。

しかしながら、上述のマイクロブリッジ構造の赤外線放射素子では、発熱体が線状で両端部が支持基板に支持されているだけのため、発熱体が破損しやすく、また、熱によって溶断する恐れがあった。

本発明は前記の問題点を解決するために為されたものであって、従来に比べて長寿命化が可能な赤外線放射素子およびそれを用いたガスセンサを提供することを目的とする。

本発明にかかる赤外線放射素子は、半導体基板と、前記半導体基板の一表面上に形成され前記半導体基板より小さい熱伝導率を有する多孔質断熱層と、前記断熱層上に形成され、前記断熱層よりも大きい熱伝導率および導電率を有し、通電により赤外線を放射する発熱層とを含み、前記断熱層および発熱層は、それぞれ多孔質半導体層からなり、発熱層の多孔度は断熱層の多孔度よりも小さい。

従って、この赤外線放射素子は、通電により赤外線を放射する発熱層が面状に形成されると共に多孔質断熱層上に支持されているので、赤外線の放射量を増加させることができ、長寿命化が可能であり、更に、半導体基板の一部を陽極酸化することにより断熱層および発熱層を形成でき、陽極酸化処理の条件（例えば、電流密度および処理時間）を適宜変化させることにより、断熱層および発熱層を連続的に形成することができる。

好ましくは、前記発熱層の多孔度は２％〜４５％で、前記断熱層の多孔度は４０％以上８０％で且つ前記発熱層の多孔度よりも１０％以上大きいのが好ましい。

さらに好ましくは、前記発熱層は、前記半導体基板よりも導電率が高く且つ抵抗温度係数が正となるように不純物がドーピングされている。

前記発熱層は、導電性が付与された炭素層や、不純物のドーピングにより導電性が付与されたアモルファスシリコン層でもよい。アモルファスシリコン層の場合、前記断熱層側よりも表面側の方がドーピング濃度が高いのが好ましい。

また、発熱層の表面に多数の凹凸が形成されているのも好ましい。

また、発熱層の表面に外部へ放射する赤外線の波長域を制限する多層膜が積層されているのも好ましい。

また、前記半導体基板の他表面に、前記発熱層から前記半導体基板側へ放射された赤外線を前記発熱層側へ反射する反射膜が積層されているのも好ましい。

前記半導体基板の他表面側に、前記半導体基板よりも熱伝導率の小さな熱絶縁体部材が設けられているのも好ましい。

また、前記発熱層は、前記断熱層よりも小さい導電率を有する絶縁層を介して、前記断熱層上に形成されるのも好ましい。

以下、本実施形態の赤外線放射素子Ａについて図１を参照しながら説明する。

本実施形態の赤外線放射素子Ａは、発熱層３への通電により発熱層３を発熱させることで発熱層３から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、半導体基板１の厚み方向の一表面（図１における上面）側に半導体基板１よりも熱伝導率が十分に小さくて多孔質からなる断熱層２が形成され、断熱層２よりも熱伝導率および導電率それぞれが大きな層状の発熱層３が断熱層２上に形成され、発熱層３上に通電用の一対のパッド（電極）４が形成されている。半導体基板１の平面形状は矩形状であって、断熱層２および発熱層３の平面形状も矩形状である。パッド４は、金属材料（例えば、金など）により形成され、発熱層３の両端部それぞれの上に発熱層３と接する形で形成されている。

断熱層２および発熱層３は、互いに多孔度の異なる多孔質シリコン層により構成されており、発熱層３は断熱層２よりも多孔度の小さな多孔質シリコン層によって構成されている。好ましくは、発熱層３は多孔度が２％〜４５％の多孔質シリコン層（以下、第１の多孔質シリコン層と称す）であり、断熱層２は多孔度が４５％〜８０％で且つ発熱層３の多孔度よりも多孔度が１０％以上大きい多孔質シリコン層（以下、第２の多孔質シリコン層と称す）である。特に好ましくは、発熱層３の多孔度は約４０％であり、断熱層２の多孔度は約７０％である。一般に、多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなる。例えば、熱伝導率が１６８［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、熱容量が１．６７×１０６［Ｊ／（ｍ３・Ｋ）］の単結晶のシリコン基板（すなわち、多孔度０％）を陽極酸化して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、熱容量が０．７×１０６［Ｊ／（ｍ３・Ｋ）］である。従って、発熱層３の多孔度は断熱層２の多孔度よりも小さいため、発熱層３の熱伝導率および熱容量は、断熱層２よりも大きくなる。なお、多孔質シリコン層が発熱層として機能するか、断熱層として機能するかは、多孔質シリコン層の絶対的な多孔度によって決まるのではなく、発熱層と断熱層との多孔度の差が重要なのである。

断熱層２および発熱層３は、半導体基板１として単結晶のシリコン基板を用い、半導体基板１の一部をフッ化水素水溶液中で陽極酸化することにより形成される。断熱層２および発熱層３は、陽極酸化処理の条件（例えば、電流密度および処理時間）を適宜変化させることにより、連続的に形成することができる。

赤外線放射素子Ａの大きさは、例えば、断熱層２および発熱層３の形成前の半導体基板１の厚さ：６２５μｍ、断熱層２の厚さ：５０μｍ、発熱層３の厚さ：１μｍ、パッド４の厚さ：０．１μｍである。断熱層２の厚さは５０μｍ以上、発熱層３の厚さは３μｍ以下とすることが望ましい。

以上のように構成された赤外線放射素子Ａは、発熱体としての発熱層３が従来のように線状ではなく面状（層状）のため、赤外線の放射量を増加させることができ、単位面積当たりの発熱量を抑えることで長寿命化を図ることができる。また、発熱層３が全面にわたって断熱層２に支持されているため、従来のように線状の発熱体が両端で支持されている構造と比較して、発熱層３が破損しにくく長寿命化を図ることができる。さらに、発熱層３が多孔度の高い断熱層２で支持されているので、発熱層３が空気に近い状態で支持され、その結果、発熱層３と周囲との熱容量の差が大きくなり熱応答性も良い。

ところで、赤外線放射素子Ａにおいて、発熱体３から放射される赤外線のピーク波長は、発熱層３の温度に依存して決まり、ピーク波長をλ［μｍ］、発熱層３の絶対温度をＴ［Ｋ］とすれば、ピーク波長λは、以下の式１で示される。
λ＝２８９８／Ｔ …（式１）
すなわち、本実施形態においては、発熱層３としての第１の多孔質シリコン層が疑似黒体を構成しており、発熱層３の絶対温度と発熱層３から放射される赤外線のピーク波長は、ウィーンの変位則を満たす。例えば、第１の多孔質シリコン層の各微細孔の深さを各微細孔の内径の３倍以上の値に設定することにより、発熱体３を黒体放射と同じように赤外線を放射する疑似黒体とみなすことができる。従って、外部電源からパッド４間に印加する電圧を調整し発熱層３の絶対温度Ｔを変化させる（つまり、発熱層３が発生するジュール熱を変化させる）ことで、図２に示すように発熱層３から放射される赤外線のピーク波長λを変化させることができる。例えば、一対のパッド４間に３００Ｖ程度の電圧を印加すると、ピーク波長λが３μｍ〜４μｍ程度の赤外線を放射することができる。

なお、発熱層３への入力電力をφ［Ｗ］、発熱層３の放射率をε、発熱層３の熱伝導度をβ［Ｗ／Ｋ］とすれば、室温（３００［Ｋ］）において発熱体３へ入力電力を与えた場合の発熱層３の温度上昇値ΔＴ［Ｋ］は、以下の式２で表される。
ΔＴ＝２φε／β …（式２）
例えば、発熱層３の絶対温度Ｔが７００［Ｋ］のとき発熱層３から放射される赤外線のピーク波長λは式１より略４μｍとなり、発熱層３の絶対温度Ｔを７００［Ｋ］よりも高くするにつれてピーク波長λは、図２から明らかなように、低波長側へシフトするとともに波長４μｍの赤外線の放射エネルギが高くなる。従って、例えば、
ΔＴ＝２φε／β≧４００
∴β≦φε／２００
となるように発熱層３を形成すれば、波長４μｍの赤外線を比較的高い放射エネルギで放射することができる。

また、断熱層２の厚さをｔ［ｍ］、断熱層２の熱伝導率をα［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、発熱体３の熱容量をＱ［Ｊ／（ｍ３・Ｋ）］とすれば、発熱体３へ与える入力電圧に関して発熱体３が応答可能（発熱体３が追随して温度変化可能）な交流電圧の周波数をｆ［Ｈｚ］は、以下の式３で表される。
ｆ＝α／（πＱｔ^２） …（式３）
従って、例えば、
ｆ＝α／（πＱｔ^２）≧１０
∴α≧１０πＱｔ^２
の関係を満たすように断熱層２を形成すれば、周波数ｆを１０Ｈｚ以上とすることができる。

図３に赤外線放射素子Ａを駆動する駆動回路の一例を示す。この駆動回路は、電源部２１の両端間にサイリスタＴｈとインダクタＬと抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との直列回路が接続され、抵抗Ｒ２の両端間に赤外線放射素子Ａが接続されている。電源部２１は、直流電源と直流電源の両端間に接続されたコンデンサとで構成される。さらにこの駆動回路は制御部２２を有し、制御部２２は電源部２１のコンデンサの両端電圧が所定のしきい値を超えるとサイリスタＴｈのゲートへ制御信号を与える。前記制御部２２からサイリスタＴｈへ制御信号が与えられると、サイリスタＴｈがターンオンし、赤外線放射素子Ａのパッド４間に電圧が印加されて発熱層３が発熱し赤外線が放射される。制御部２２の前記しきい値を適宜変更すれば、赤外線放射素子Ａへの投入電圧の大きさを変動させることができ、赤外線放射素子Ａから放射させる赤外線のピーク波長λを制御することができる。

好ましい実施形態としては、発熱層３の導電率が半導体基板１よりも高く且つ抵抗温度係数が正となるように、発熱層３に不純物を高濃度にドーピングする。一般に、多孔質シリコン層は高抵抗で且つ抵抗温度係数が負となるので、多孔質シリコン層を発熱させるためには一対のパッド４間に高電圧を印加する必要があり、さらに、温度上昇とともに抵抗値が低くなって一対のパッド４間を流れる電流が急激に増加するので、温度制御性が悪化してしまう。そこで、発熱層３が半導体基板１よりも導電率が高く且つ抵抗温度係数が正となるように発熱層３に不純物を高濃度にドーピングすることで、発熱層３の温度が上昇するにつれて発熱層３の抵抗値が高くなって発熱層３へ流れる電流の電流値が減少し、発熱層３の温度制御が容易になる。具体的には、第１の多孔質シリコン層および第２の多孔質シリコン層を形成した後に、例えば、第１の多孔質シリコン層へイオン注入により不純物イオンを注入してアニールを行う。これにより、半導体基板１よりも導電率が高く且つ抵抗温度係数が正となるような金属と同様の性質を有する低抵抗（高濃度ドープ）の発熱層３が形成できる。第１の多孔質シリコン層および第２の多孔質シリコン層を形成する前に第１の多孔質シリコン層の形成予定部位に不純物イオンをイオン注入してアニールを行ってもよい。或いは、発熱層３の抵抗温度係数が負の場合、電源として定電流源を用い、パッド４間に一定電流を流すのも好ましい。この場合、発熱層３の温度上昇とともに発熱層３の抵抗値は低くなるが、パッド４間の電圧値も低下するので、温度制御性が向上する。

また、発熱層３の表面に図４Ａや図４Ｂに示すような多数の凹凸をエッチングなどで形成するのも好ましい。この場合、発熱層３の表面積が増大し、発熱層３からの赤外線の放射量を増大させることができる。

また、シリコン基板からなる半導体基板１の一部を陽極酸化して得られる各微細孔の深さがピーク波長λの１／４となるように、赤外線放射素子を形成するのも好ましい。例えば、図５Ａ、図５Ｂに示すように、陽極酸化直後で多孔質構造が露出していない（表面の多孔度が小さい）多孔質シリコン層３’の表面を、各微細孔の深さＨがλ／４となるように、ＫＯＨなどを含むアルカリ系溶液によりエッチングする。この場合、光学的波動効果により赤外線の放射量を増大させることができる。

また、図６に示すように、発熱層３の表面に、外部へ放射する赤外線の波長域を制限する多層膜５を積層するのも好ましい。この場合、多層膜５は特定波長域の赤外線のみを透過させ、特定波長域以外の波長の赤外線が外部へ放射されるのを抑制することができる。

また、図７に示すように、半導体基板１の下面に、発熱層３から半導体基板１側へ放射された赤外線を発熱層３側へ反射する多層膜からなる反射膜６を積層するのも好ましい。さらに好ましくは、半導体基板１に空洞部１ｂを形成する。空洞部１ｂ内の媒質は空気となっている。この場合、図７中の矢印で示すように、発熱層３から半導体基板１側へ放射された赤外線を反射膜６により発熱層３側へ反射することができるので、発熱層３の表面側へ放射される赤外線の放射量を増大させることができる。なお、反射膜６は多層膜に限らず、例えば、赤外線を反射する金属膜でもよい。

また、図８に示すように、半導体基板１の下面に、半導体基板１よりも熱伝導率の小さな熱絶縁体部材７を設け、熱絶縁体部材７をダイボンド用の接着材によりベース部材８と固着するのも好ましい。赤外線放射素子Ａを例えばキャンパッケージの金属製ベースやリードフレームなどのベース部材にダイボンディングした場合、断熱層２の厚さによっては、発熱層３で発生した熱の一部が断熱層２→半導体基板１→ベース部材の経路で放熱されてしまうことがある。このような放熱は発熱層３への通電時の応答速度の低下につながる恐れがある。そこで、熱絶縁体部材７を設けることで、半導体基板１の前記他表面からの放熱が抑制され、応答速度が向上する。熱絶縁体部材７は、例えば、絶縁性のガラス基板や、或いは半導体基板１の他表面側の一部を陽極酸化することにより形成した多孔質シリコン層（多孔質半導体層）で構成することができる。

また、図９に示すように、発熱層３を、断熱層２よりも小さな導電率を有する絶縁層９を介して、断熱層２上に形成してもよい。絶縁層９を設けることで、発熱層３への通電時に半導体基板１を通るリーク電流をより一層抑制することができ、応答速度が速くなるとともに、低消費電力化を図れる。絶縁層９の材料としては、半導体基板１としてシリコン基板を用いている場合には、例えば、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４などを採用すればよい。

図１０は、赤外線放射素子Ａを赤外放射源として備えたガスセンサを示す。このガスセンサは、検知対象ガスが入れられたガス封入ケース１３と、ガス封入ケース１３内へ赤外線を放射する赤外線放射素子Ａを備えた赤外放射源１１と、ガス封入ケース１３内を透過した赤外線を受光する受光素子１２と、ガス封入ケース１３内において対向するように配置され赤外放射源１１からガス封入ケース１３内へ放射された赤外線が受光素子１２にて受光されるように赤外線を反射する２つの反射鏡１４，１５と、赤外放射源１１の出力（放射量、放射時間など）を制御するとともに受光素子１２の出力に基づいてガス濃度を演算する制御回路（図示せず）と、制御回路により求められたガス濃度を表示する表示手段（図示せず）とからなる。このガスセンサは、検知対象ガスの分子構造から決定する吸収波長の赤外線の吸光度を計測することにより、検知対象ガスの濃度を計測する。

このガスセンサは、赤外放射源１１として赤外線放射素子Ａを備えるので、センサ全体の長寿命化を図ることができる。また、赤外線放射素子Ａは応答性に優れているので、所定空間への放射量が所定量に到達するまでの時間が短くなり、受光素子１２で濃度に対応した正確な信号を出力できるようになる。制御回路に、発熱層３へ印加する電圧を変化させ発熱層３から放射される赤外線の波長を変化させる波長調整手段を設けておけば、多種類のガスの濃度を計測することが可能となる。

なお、上述の説明においては、発熱層３は多孔質シリコンを基に形成されていたが、発熱層３は、それに限定されるものではない。例えば、耐熱性および機械的強度の向上、低抵抗化の観点から、発熱層３を不純物のドーピングにより導電性が付与された炭素層により構成してもよい。炭素層としては、アモルファスカーボン、グラファイト、グラファイトライクカーボン、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボンなどをはじめ、各種形態の炭素層が採用可能であり、特にグラファイトもしくはグラファイトライクカーボンを採用すればアモルファスカーボンやダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボンなどを採用する場合に比べて炭素層の抵抗を小さくすることができる。

或いは、機械的強度の向上および低抵抗化の観点から、発熱層３を不純物のドーピングにより導電性が付与されたアモルファスシリコン層により構成してもよい。好ましくは、アモルファスシリコン層において断熱層２側よりも表面側の不純物のドーピング濃度を高くする。この場合、発熱層３を流れる電流は発熱層３の表面側で流れやすくなるので、アモルファスシリコン層が全体にわたって一様にドーピングされている場合に比べて、発熱層３の実効的な厚みが薄くなって応答性が向上する。なお、前記アモルファスシリコン層の代わりに、Ｓｉ以外の半導体材料からなるアモルファス半導体層を採用してもよい。

なお、上述の半導体基板１として用いるシリコン基板の導電形はｐ形、ｎ形のいずれでもよいが、ｐ形のシリコン基板の方が陽極酸化により多孔質化を行った際に多孔度が大きくなりやすい傾向にあるので、半導体基板１としてはｐ形のシリコン基板を用いることが好ましい。半導体基板１の一部を陽極酸化する際の電流密度は半導体基板１の導電形および導電率に応じて適宜設定すればよい。

また、半導体基板１の材料はＳｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよい。

本発明の実施形態に係る赤外線放射素子の概略断面図である。 同上の赤外線放射素子が放射する赤外線を説明するための図である。 同上の赤外線放射素子の駆動回路の一例を示す回路図である。 同上の発熱層の好ましい形状の拡大断面図である。 同上の発熱層の好ましい形状の拡大断面図である。 同上の発熱層の好ましい形状を説明するための図である。 同上の発熱層の好ましい形状を説明するための図である。 同上の好ましい実施形態にかかる赤外線放射素子の概略断面図である。 同上の好ましい実施形態にかかる赤外線放射素子の概略断面図である。 同上の好ましい実施形態にかかる赤外線放射素子の概略断面図である。 同上の好ましい実施形態にかかる赤外線放射素子の概略断面図である。 本発明の赤外線放射素子を用いたガスセンサの基本構成図である。

Claims (12)

1. 以下の構成を含む赤外線放射素子：
   半導体基板；
   前記半導体基板の一表面上に形成される多孔質断熱層、前記断熱層は前記半導体基板より小さい熱伝導率を有する；
   前記断熱層上に形成され、通電により赤外線を放射する発熱層、前記発熱層は前記断熱層よりも大きい熱伝導率および導電率を有し、
   前記断熱層および発熱層は、それぞれ多孔質半導体層からなり、発熱層の多孔度は断熱層の多孔度よりも小さい。
2. 請求項１に記載の赤外線放射素子であって、
   前記発熱層の多孔度は２％〜４５％で、前記断熱層の多孔度は４０％〜８０％で且つ前記発熱層の多孔度よりも１０％以上大きい。
3. 請求項１に記載の赤外線放射素子であって、
   前記発熱層は、前記半導体基板よりも導電率が高く且つ抵抗温度係数が正となるように不純物がドーピングされている。
4. 請求項１に記載の赤外線放射素子であって、
   前記発熱層が、導電性が付与された炭素層からなる。
5. 請求項１に記載の赤外線放射素子であって、
   前記発熱層が、不純物のドーピングにより導電性が付与されたアモルファスシリコン層からなる。
6. 請求項５に記載の赤外線放射素子であって、
   前記アモルファスシリコン層は、前記断熱層側よりも表面側の方がドーピング濃度が高い。
7. 請求項１に記載の赤外線放射素子であって、
   前記発熱層の表面に多数の凹凸が形成されている。
8. 請求項１に記載の赤外線放射素子であって、
   前記発熱層の表面に外部へ放射する赤外線の波長域を制限する多層膜が積層されている。
9. 請求項１に記載の赤外線放射素子であって、
   前記半導体基板の他表面に、前記発熱層から前記半導体基板側へ放射された赤外線を前記発熱層側へ反射する反射膜が積層されている。
10. 請求項１に記載の赤外線放射素子であって、
    前記半導体基板の他表面に、前記半導体基板よりも熱伝導率の小さな熱絶縁体部材が設けられている。
11. 請求項１に記載の赤外線放射素子であって、
    前記発熱層は、前記断熱層よりも小さい導電率を有する絶縁層を介して、前記断熱層上に形成される。
12. 以下の構成を備えるガスセンサ：
    赤外線を所定空間へ放射させる赤外放射源；
    前記赤外線を受光する受光手段；
    検知対象ガスの赤外線の吸収を利用して前記受光手段の出力から検知対象ガスの有無を判断する制御手段；
    上記赤外線放射源として、請求項１に記載の赤外線放射素子を備える。

Images