JPH0862038A - 赤外線検出素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】焦電型赤外線検出器において、多孔質強誘電性
セラミックスが緻密質強誘電性セラミックスによって挟
まれた構造の焦電型赤外線検出器及びその製造方法 【効果】焦電係数をある程度保ったまま誘電率を大幅に
減少でき、且つ熱容量も減少させることにより、一定エ
ネルギーの入射赤外線に対する発生電圧を大幅に向上さ
せることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は人体及び生物体検出用等
の赤外線検出素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】赤外線検出素子としては、現在、量子型
と熱型の２種類が知られている。このうち量子型赤外線
検出素子は赤外線を半導体のバンドギャップとして捉え
るので感度が高い、応答速度が早いなどの特長がある。
しかし、一方で使用時に液体窒素温度への冷却の必要が
あり、冷却ユニットを設ける必要があるため大型で且つ
高価になる。更に、波長選択性もあり遠赤外線には応答
しないなどの欠点もある。

【０００３】熱型赤外線検出素子は赤外線を熱エネルギ
ーに変換し温度として検知するタイプで熱起電力を利用
した熱電対型、温度による抵抗変化を利用したボロメー
ター型、強誘電体の焦電効果を利用した焦電型に大別さ
れる。この内焦電型は他のものに比べて感度が１桁以上
高く又構造が簡単で波長依存性がなく、常温で動作する
ため、現在実用に供されている主な赤外線検出素子はこ
の焦電型赤外線検出素子である。

【０００４】焦電型赤外線検出素子は強誘電体の焦電現
象を利用し、温度変化に伴う分極率の変化を表面電荷の
変化として検知するものである。この為、焦電検出素子
の構造は同じ入射赤外線エネルギーに対して温度上昇が
より大きくなるように、受光面積に比べその厚みを可能
な限り薄くしたり又、熱容量の高い基板や本体との接触
を出来るだけ小さい構造にする等の考慮がなされてい
る。

【０００５】また、焦電型赤外線検出素子の材質として
は式（１）の焦電性能指数（ｐ１）が大きくなるように
強誘電性セラミックスの内から選択するのが一般的であ
る。

【数１】 ｐ１＝（ｄＩ／ｄＴ）／（Ａ・ε） ・・・・・（１） （但し、Ｉ：焦電電流、Ｔ：温度、Ａ：面積、ε：誘電
率） 一方、実用面からは式（２）のｐ２が実際の起電圧とな
り実際上は熱容量の小さいものが適している事も知られ
ている。

【数２】 ｐ２＝ｐ１／Ｃｐ ・・・・・（２）（但し、Ｃｐ：熱容量） 熱容量は一般に物質の密度に比例すると考えられるの
で、式（２）の代わりに式（３）を実用性能指数として
取り扱っても差し支えない。

【数３】 ｐ３＝ｐ１／Ｄ ・・・・・（３）（但し、Ｄ：密度）

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、現在実用に供
されている所謂、緻密質の強誘電性セラミックス若しく
は強誘電性単結晶を材質とする焦電型赤外線検出素子で
は自立強度を保つためにその厚みは約０．３ｍｍが限界
でそれ以上薄くするのは非常に困難で、素子自身の熱容
量は限られ自ずと上述のｐ１〜ｐ３の値も限られる。と
ころが更に高性能の赤外線検出素子を実現するために
は、これらの性能指数を向上させることが求められてい
る。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】本発明は上記問題点に鑑み
これを解決するために成されたものであり、多孔質強誘
電性セラミックスが緻密質強誘電性セラミックスによっ
て挟まれた構造を持つ焦電型赤外線検出素子によって達
成される。

【０００８】又、本発明の赤外線検出素子は１００μｍ
以下の粒子径を持つ有機物の気孔形成材を強誘電性セラ
ミックス粉体と混合しその体積分率が２０〜７０％であ
るスラリーを厚膜成形した多孔質厚膜用グリーンシート
と上記スラリーから気孔形成材を除いたスラリーを厚膜
成形した緻密質厚膜用グリーンシートを重ね合わせるこ
とを特徴とする焦電型赤外線検出素子の製造方法により
達成される。

【０００９】本構造の赤外線検出素子は、多孔質部分を
中央部に含みその為、同じ体積で比較すると緻密質に比
べて素子の誘電率が低くなり、その結果性能指数ｐ１が
向上する。また熱容量も小さくなり、実用性能指数ｐ３
がそれに反比例して大きくなる。更に、素子表面に緻密
質層を設けているために自立強度は緻密体と同等に改善
され、且つ電極の設置は緻密質のみよりなる素子と同等
の容易さで可能である。

【００１０】本発明の焦電型赤外線検出素子の詳細を添
付の図１を用いて説明する。図中１は多孔質強誘電性セ
ラミックスで、材質は焦電性を示す強誘電性セラミック
スであれば何れの物でもよいが、通常の焼結法で焼結
し、焦電係数の比較的大きなチタン酸鉛（ＰＴ）系若し
くはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の物が好まし
い。１の構造は多孔質である必要があり、その気孔率は
本発明の効果を得るために２０％以上が好ましい。気孔
率は大きければそれだけ効果は大きいが、製造時の作業
性及び歩留りの面から８０％以上の物は不適切である。
気孔形状は連通気孔又は単独気孔の何れでもよいが、大
きな気孔率を得、しかも高強度が達成できるので球状連
通気孔が望ましい。

【００１１】図中２は緻密質強誘電性セラミックスであ
れば良い。ここで言う緻密質とはその気孔率が１０％以
下の材料を指す。収縮率が多孔質部分と同一にするため
にその材質は１部と同じ場合が好ましい。更に、３で示
された電極を設置するために、２の緻密質強誘電性セラ
ミックスは１の上下面に設ける必要がある。３の電極は
公知の物であれば何れの電極でもよく、銀ペースト、金
及び白金のスパッタリング、貴金属の無電界メッキ等が
例として挙げられる。

【００１２】本発明の赤外線検出素子の厚さは、出来る
だけ薄い方が好ましいが自立して存在するためにある程
度の厚みは必要である。具体的には検出素子の最終的な
厚さが２〜０．２mmである事が好ましい。２mmを上廻る
と多孔質化するメリットが失われ、０．２mm未満である
と作業性に於いて著しく劣る。また、赤外線検出器とし
て使用する前に分極処理（ポーリング）を行う必要があ
る場合は、これを行って実用に供する。

【００１３】以下に具体的な実施例を挙げて本発明を具
体的に説明する。 実施例 セラミックスに対しバインダーとしてポリヴィニルアル
コール（ＰＶＡ）を１０重量％、可塑剤としてグリセリ
ンを９重量％、分散剤としてポリアクリル酸アンモニウ
ム塩を０．４重量部添加した水系のＰＺＴ系原料（富士
チタン製ＰＥ−６５０）のスラリー（スラリ−Ａ）を作
製した。このスラリーをドクターブレード法で厚膜成型
し乾燥厚さ０．１０mmのグリーンシート（Ａ）を得た。
一方、上記スラリーＡにジャガイモ澱粉（粒子径、１０
μｍ）をＰＺＴに対し体積比で１：１となるように添加
し更にボールミルを行いスラリーＢを作製し、同様にド
クターブレード法で乾燥厚さ０．１５mmのグリーンシー
ト（Ｂ）を得た。

【００１４】得られたグリーンシートを１cm×２cmに切
り出し、シートＡが表面となるように表１に示す枚数の
各シートを重ね合わせた。この場合、水を接着面に塗布
し圧着した後乾燥させて層状グリーン体を得た。焼成は
電気炉を用い、４００℃で２時間の脱脂を経て１３３０
℃にて１時間行った。焼成体の両面に銀ペースト（藤倉
化成製ドータイト）を塗布し乾燥後６００℃で焼き付
け、更に、シリコーンオイル中１４０℃で２ｋＶ／mmの
電圧を印加しポーリング処理を行った。

【００１５】環境試験機（タバイエスペック製ＳＵ−２
２０）中でサンプルを一定速度（１℃／分）にて昇温し
つつ微小電流測定器（アドバンテスト製Ｒ８２４０）に
より発生電流を測定することで焦電係数を求めた。又、
比誘電率は焦電測定と同じ環境下でＬＣＲメーター（ヒ
ューレットパッカード製４１９２Ａ）により測定した容
量から計算した誘電率を真空の誘電率で割ることで求め
た。結果は表１に示す。表中のＢ層部気孔率は全体の相
対密度と比較例１で求めたＡ層部気孔率及び断面観察に
よる各層の厚さより計算した。尚、相対密度は外寸と重
量から計算したものを理論密度（７．９）で割った値で
ある。

【００１６】

【表１】

【表１（続き）】

【００１７】表１に於いて同じ材質の緻密質から成る検
出器である比較例１と比較することで本発明の構造によ
る性能指数（ｐ１及びｐ３）の顕著な向上が明らかにな
りその効果が確かめられた。

【００１８】次にチタン酸鉛（ＰＴ）に酸化カルシウム
を２０モル％添加したＰＴ系原料を用い、上記実施例と
同様に水系のスラリーを作成した後、緻密質用のグリー
ンシートを成型した（シートＣ）。得られたグリ−ンシ
ートの厚みは０．０４０mmであった。上記スラリ−に中
心粒径３０μｍのポリスチレンビーズを仕込み体積比で
７０％になるように混合し、様々な厚みを得る為にブレ
ード間隔を変えてシート成形を行った（シートＤ）。

【００１９】得られたグリーンシートを１cm×２cmに切
り出し、Ｃ−Ｄ−Ｃの順で各シートを１枚づつ重ね合わ
せて実施例とした。一方シートＣを５層重ね比較例とし
た。焼成は電気炉を用い、４００℃で２時間の脱脂を経
て１３８０℃にて１時間行った。焼成体の両面に銀ペー
スト（藤倉化成製ドータイト）を塗布し乾燥後６００℃
で焼き付け、更に、シリコーンオイル中１４０℃で２ｋ
Ｖ／mmの電圧を印加しポーリング処理を行った。

【００２０】

【表２】

【表２（続き）】

【００２１】得られた結果を表２に示す。多孔質層部
（Ｄ層部）の気孔率は全体の相対密度と比較例２で求め
たＣ層部気孔率及び断面観察による各層の厚さより計算
した。また、相対密度は理論密度を７．７と仮定し計算
した。比誘電率、焦電係数の測定は、実施例１〜３及び
比較例１の測定と同様に行った。

【００２２】表２から明らかなように、この場合も比較
例２に比べｐ１値、ｐ２値が共に大きくなり本発明の構
造による効果が明らかである。

【００２３】

【発明の効果】本発明に係わる赤外線検出素子は、従来
の強誘電性セラミックスを用いたまま、その検出器の構
造を改良した。本発明の赤外線検出素子によりその誘電
率と熱容量が大幅に低下できるので、実用性能指数が飛
躍的に向上する利点がある。

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【手続補正書】

【提出日】平成６年１１月３０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】追加

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の焦電型赤外線検出素子の説明図。

【符号の説明】 １ 多孔質強誘電性セラミックス ２ 緻密質強誘電性セラミックス ３ 電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多孔質強誘電性セラミックスが緻密質強誘
   電性セラミックスによって挟まれた構造を持つ焦電型赤
   外線検出素子。
2. 【請求項２】１００μｍ以下の粒子径を持つ有機物の気
   孔形成材を強誘電性セラミックス粉体と混合し、その体
   積分率が２０〜７０％であるスラリーを厚膜成形した多
   孔質厚膜用グリーンシートと上記スラリーから気孔形成
   材を除いたスラリーを厚膜成形した緻密質厚膜用グリー
   ンシートを重ね合わせることを特徴とする請求項１に記
   載の焦電型赤外線検出素子の製造方法。