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公開番号2025008051
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-20
出願番号2023109894
出願日2023-07-04
発明の名称光センサ
出願人住友電気工業株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H10N 10/13 20230101AFI20250109BHJP()
要約【課題】感度を良好にすると共に歩留まりの向上を図ることができる光センサを提供する。
【解決手段】光センサは、支持層と、帯状の複数のp型材料層と、帯状の複数のn型材料層と、を含み、熱電変換材料部と、ヒートシンクと、光吸収膜と、絶縁膜と、を備える。複数のp型材料層はそれぞれ、第1主面と垂直な方向に見てヒートシンクと重なる第1領域と、光吸収膜と重なる第2領域と、を含む。複数のn型材料層はそれぞれ、第1主面と垂直な方向に見てヒートシンクと重なる第3領域と、光吸収膜と重なる第4領域と、を含む。複数のp型材料層および複数のn型材料層はそれぞれ、第1領域と第3領域とが電気的に接続され、第2領域と第4領域とが電気的に接続されるよう交互に直列で配置される。光吸収膜は、カーボンおよび樹脂から構成されている。光吸収膜は、厚さ方向に凹む凹溝により複数の分割部に分割されている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第１主面および前記第１主面と厚さ方向の反対に位置する第２主面を有する支持層と、
ｐ型の導電型を有するＳｉＧｅから構成され、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する帯状の複数のｐ型材料層と、ｎ型の導電型を有するＳｉＧｅから構成され、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する帯状の複数のｎ型材料層と、を含み、前記第１主面上に配置される熱電変換材料部と、
前記第２主面上に配置され、前記第１主面と垂直な方向に見て、内側に凹部を有するヒートシンクと、
前記第１主面と垂直な方向に見て、前記凹部と重なって配置される光吸収膜と、
前記熱電変換材料部と前記光吸収膜との間に配置される絶縁膜と、を備え、
前記複数のｐ型材料層はそれぞれ、前記第１主面と垂直な方向に見て前記ヒートシンクと重なる第１領域と、前記光吸収膜と重なる第２領域と、を含み、
前記複数のｎ型材料層はそれぞれ、前記第１主面と垂直な方向に見て前記ヒートシンクと重なる第３領域と、前記光吸収膜と重なる第４領域と、を含み、
前記複数のｐ型材料層および前記複数のｎ型材料層はそれぞれ、前記第１領域と前記第３領域とが電気的に接続され、前記第２領域と前記第４領域とが電気的に接続されるよう交互に直列で配置され、
前記光吸収膜は、カーボンおよび樹脂から構成されており、
前記光吸収膜は、厚さ方向に凹む凹溝により複数の分割部に分割されている、光センサ。
続きを表示（約 920 文字）【請求項２】
前記第１主面と垂直な方向に見て、
前記光吸収膜の外形形状は、矩形状であり、
前記複数の分割部の外形形状は、それぞれ矩形状である、請求項１に記載の光センサ。
【請求項３】
前記第１主面と垂直な方向に見て、前記複数の分割部は、
第１分割部と、
前記第１分割部よりも前記光吸収膜の外周近くに配置される第２分割部と、を含み、
前記第１分割部の面積は、前記第２分割部の面積よりも大きい、請求項１または請求項２に記載の光センサ。
【請求項４】
前記複数の分割部は、前記第１主面と垂直な方向に見て、それぞれ同じ形状である、請求項１または請求項２に記載の光センサ。
【請求項５】
前記凹溝は、前記光吸収膜を厚さ方向に貫通している、請求項１または請求項２に記載の光センサ。
【請求項６】
前記凹溝は、
第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する第２の方向に間隔をあけて並べて配置される複数の第１溝状部と、
前記第２の方向に延び、前記第１の方向に間隔をあけて並べて配置される複数の第２溝状部と、を含む、請求項１または請求項２に記載の光センサ。
【請求項７】
前記第１主面と垂直な方向に見て、
前記複数の分割部の外形形状は、それぞれ正方形であり、
前記正方形の一辺の長さは、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である、請求項２に記載の光センサ。
【請求項８】
前記光吸収膜の厚さは、３μｍ以上であり、
波長が８μｍである光の前記光吸収膜の吸収率が、７５％以上である、請求項１または請求項２に記載の光センサ。
【請求項９】
前記カーボンの含有比率は、６０質量％以上９５質量％以下であり、
前記樹脂の含有比率は、５質量％以上４０質量％以下である、請求項１または請求項２に記載の光センサ。
【請求項１０】
前記光吸収膜の熱伝導率は、１Ｗ／ｍＫ以下である、請求項１または請求項２に記載の光センサ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、光センサに関するものである。
続きを表示（約 3,200 文字）【背景技術】
【０００２】
温度差（熱エネルギー）を電気エネルギーに変換する熱電変換材料を用いたサーモパイル型の赤外線センサに関する技術が知られている（たとえば特許文献１参照）。赤外線センサは、光エネルギーを熱エネルギーに変換する受光部（光吸収膜）と、温度差（熱エネルギー）を電気エネルギーに変換する熱電変換材料部（サーモパイル）とを備える。熱電変換部においては、ｐ型熱電変換材料とｎ型熱電変換材料とを接続して形成される熱電対が用いられる。複数のｐ型熱電変換材料と複数のｎ型熱電変換材料とを交互に直列で接続することにより、出力を増加させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０００－３４０８４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光センサについては、光吸収膜により受けた光に応じて温度差が形成され、この温度差（熱エネルギー）が電気エネルギーに変換される。光センサにおいては、感度を良好にすると共に歩留まりの向上が求められる。
【０００５】
そこで、感度を良好にすると共に歩留まりの向上を図ることができる光センサを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示に従った光センサは、第１主面および第１主面と厚さ方向の反対に位置する第２主面を有する支持層と、ｐ型の導電型を有するＳｉＧｅから構成され、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する帯状の複数のｐ型材料層と、ｎ型の導電型を有するＳｉＧｅから構成され、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する帯状の複数のｎ型材料層と、を含み、第１主面上に配置される熱電変換材料部と、第２主面上に配置され、第１主面と垂直な方向に見て、内側に凹部を有するヒートシンクと、第１主面と垂直な方向に見て、凹部と重なって配置される光吸収膜と、熱電変換材料部と光吸収膜との間に配置される絶縁膜と、を備える。複数のｐ型材料層はそれぞれ、第１主面と垂直な方向に見てヒートシンクと重なる第１領域と、光吸収膜と重なる第２領域と、を含む。複数のｎ型材料層はそれぞれ、第１主面と垂直な方向に見てヒートシンクと重なる第３領域と、光吸収膜と重なる第４領域と、を含む。複数のｐ型材料層および複数のｎ型材料層はそれぞれ、第１領域と第３領域とが電気的に接続され、第２領域と第４領域とが電気的に接続されるよう交互に直列で配置される。光吸収膜は、カーボンおよび樹脂から構成されている。光吸収膜は、厚さ方向に凹む凹溝により複数の分割部に分割されている。
【発明の効果】
【０００７】
上記光センサによると、感度を良好にすると共に歩留まりの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１は、実施の形態１における光センサの外観の概略平面図である。
図２は、図１に示す光センサにおいて、後述する光吸収膜としての赤外線吸収膜および絶縁膜を取り除いた状態を示す概略平面図である。
図３は、図１における線分ＩＩＩ－ＩＩＩに沿う断面を示す実施の形態１の光センサの概略断面図である。
図４は、図１中の領域ＩＶで示す部分の拡大図である。
図５は、図４における線分Ｖ－Ｖに沿う断面を示す実施の形態１の光センサの概略断面図である。
図６は、従来の光センサのモデルの解析結果であり、－６５℃における支持層の変位量を示す。
図７は、従来の光センサのモデルの解析結果であり、３５０℃における支持層の変位量を示す。
図８は、実施の形態１の光センサのモデルの解析結果であり、－６５℃における赤外線吸収膜の変位量を示す模式図である。
図９は、実施の形態１の光センサのモデルの解析結果であり、３５０℃における赤外線吸収膜の変位量を示す模式図である。
図１０は、従来の光センサのモデルにおいて、－６５℃における支持層の変位量とその位置を示すグラフである。
図１１は、従来の光センサのモデルにおいて、３５０℃における支持層の変位量とその位置を示すグラフである。
図１２は、実施の形態１の光センサのモデルにおいて、－６５℃における支持層の変位量とその位置を示すグラフである。
図１３は、実施の形態１の光センサのモデルにおいて、３５０℃における支持層の変位量とその位置を示すグラフである。
図１４は、従来の光センサのモデルにおいて、応力のＣＡＥ解析における赤外線吸収膜に発生する応力を示す模式図である。
図１５は、実施の形態１の光センサのモデルにおいて、応力のＣＡＥ解析における赤外線吸収膜に発生する応力を示す模式図である。
図１６は、本開示の実施の形態２における光センサに含まれる赤外線吸収膜の外観の概略平面図である。
図１７は、本開示の実施の形態３における光センサに含まれる赤外線吸収膜の外観の概略平面図である。
図１８は、本開示の実施の形態４における光センサに含まれる赤外線吸収膜の外観の概略平面図である。
図１９は、本開示の実施の形態５における光センサに含まれる赤外線吸収膜の外観の概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
（１）本開示に係る光センサは、第１主面および第１主面と厚さ方向の反対に位置する第２主面を有する支持層と、ｐ型の導電型を有するＳｉＧｅから構成され、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する帯状の複数のｐ型材料層と、ｎ型の導電型を有するＳｉＧｅから構成され、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する帯状の複数のｎ型材料層と、を含み、第１主面上に配置される熱電変換材料部と、第２主面上に配置され、第１主面と垂直な方向に見て、内側に凹部を有するヒートシンクと、第１主面と垂直な方向に見て、凹部と重なって配置される光吸収膜と、熱電変換材料部と光吸収膜との間に配置される絶縁膜と、を備える。複数のｐ型材料層はそれぞれ、第１主面と垂直な方向に見てヒートシンクと重なる第１領域と、光吸収膜と重なる第２領域と、を含む。複数のｎ型材料層はそれぞれ、第１主面と垂直な方向に見てヒートシンクと重なる第３領域と、光吸収膜と重なる第４領域と、を含む。複数のｐ型材料層および複数のｎ型材料層はそれぞれ、第１領域と第３領域とが電気的に接続され、第２領域と第４領域とが電気的に接続されるよう交互に直列で配置される。光吸収膜は、カーボンおよび樹脂から構成されている。光吸収膜は、厚さ方向に凹む凹溝により複数の分割部に分割されている。
【００１０】
熱電変換材料部においては、例えば、ｐ型の熱電変換材料とｎ型の熱電変換材料部とを接続して形成される熱電対が用いられる場合がある。複数の帯状のｐ型の熱電変換材料部と複数の帯状のｎ型の熱電変換材料部とを交互に直列で接続することにより、出力を増加させている。光センサにおける感度については、以下の数１に示す式によって表される。
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は感度、ηは放射率、ｎは熱電対の対数、αはゼーベック係数、Ｇｔｈは熱コンダクタンスを示す。この式からも把握できるように、熱コンダクタンスを低減することができれば、光センサにおける感度の向上を図ることができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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