JP5523727B2 - Infrared sensor using torsional vibration and infrared sensor using torsional vibration. - Google Patents
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Description
本発明は、ねじり振動を利用した赤外線の検出方法とこれを実施したねじり振動を利用した赤外線センサに関する。
本発明により、小型で高感度な省電力の赤外線センサが実現可能になる。
The present invention relates to an infrared detection method using torsional vibration and an infrared sensor using torsional vibration that implements this method.
According to the present invention, a small and highly sensitive power-saving infrared sensor can be realized.
赤外線センサは一般に、光電導、光起電力などを用いた量子型センサと、サーミスタ、ボロメータ、焦電、サーモパイル、ダイオードなどを用いた熱型センサに分類できる。
量子型センサは、赤外線のエネルギーによって励起された半導体中の電子や正孔が、導電率の変化や起電力を発生することを利用する原理である。量子型センサは一般に感度が高いが、熱による励起電子や正孔の影響が大きいため、液体窒素等での冷却を行ってはじめて高感度が得られる。専用の冷却装置が必要となり、センサシステムの構造が大型で複雑、高価になり易い。一般用途に広く使われるために重要となる小型化には適さない。
熱型センサは赤外線吸収による物質の温度上昇に伴う応力や電気特性の変化を利用する原理である。熱型センサは室温で動作するため、特別な冷却装置が不要となり、簡易で安価になる利点を持つ。近年、半導体集積回路の微細加工技術を応用して、センサを寸法・熱容量ともに小さく作り、感度と応答性の向上をはかったデバイスが報告されている。但し、量子型と比べると、感度は低い値に甘んじている。
上記のように中遠赤外線センサには多くの方式があるが、非冷却かつ高感度のセンサが無い。例えば、赤外分光による分析を行う際には、持ち運びができるような小型センサが無いために、応用範囲が制限されている。赤外スペクトル測定にFT-IR(フーリエ変換型赤外分光)が使われる最大の理由は、高感度なセンサがないからである。FT-IRは研究装置として優れるが、移動鏡が必要という点でも、小型化に適していない。
技術開発のなかでも、熱型赤外線センサを振動型にする試みがなされている。振動型にすると、センサ出力がアナログ値ではなくなり、AD変換回路などのインターフェイス回路が必ずしも必要無くなり、センサを更に小さくできる利点もある。
In general, infrared sensors can be classified into quantum sensors using photoelectric conduction, photovoltaic power, and the like, and thermal sensors using thermistors, bolometers, pyroelectrics, thermopiles, diodes, and the like.
The quantum sensor is based on the principle that electrons and holes in a semiconductor excited by infrared energy generate a change in conductivity and an electromotive force. Quantum sensors generally have high sensitivity. However, since the influence of excited electrons and holes due to heat is large, high sensitivity can be obtained only after cooling with liquid nitrogen or the like. A dedicated cooling device is required, and the structure of the sensor system tends to be large, complicated, and expensive. It is not suitable for miniaturization, which is important because it is widely used for general purposes.
The thermal sensor is a principle that utilizes changes in stress and electrical characteristics associated with a temperature rise of a substance due to infrared absorption. Since the thermal sensor operates at room temperature, a special cooling device is unnecessary, and there is an advantage that it is simple and inexpensive. In recent years, devices have been reported in which a sensor is made small in both size and heat capacity by applying a microfabrication technology of a semiconductor integrated circuit, and sensitivity and responsiveness are improved. However, compared with the quantum type, the sensitivity is low.
As described above, there are many types of mid-far infrared sensors, but there is no uncooled and highly sensitive sensor. For example, when performing analysis by infrared spectroscopy, since there is no small sensor that can be carried, the application range is limited. The biggest reason why FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) is used for infrared spectrum measurement is that there is no highly sensitive sensor. FT-IR is excellent as a research device, but it is not suitable for miniaturization because it requires a moving mirror.
Among the technological developments, attempts have been made to make the thermal infrared sensor a vibration type. When the vibration type is used, the sensor output is not an analog value, and an interface circuit such as an AD conversion circuit is not necessarily required, which has an advantage that the sensor can be further reduced.
非冷却の熱型赤外線センサを、振動型で実現する技術は、例えば特許文献1から3に開示されている。
特許文献1のデバイスは、両端が固定された梁の、長さ方向に対して垂直に変位する振動を利用したものである。赤外線吸収に伴う温度上昇が梁の熱膨張を促すのに対して、両端が固定されているため梁は伸びることができない。このために梁内部に応力が発生し、梁の軸力となり、振動特性を変化させる原理である。材料特性によって生じる熱応力を直接、梁に伝える。共振周波数やQ値が必ずしも大きく変化するものではなかった。
特許文献2のデバイスは、振動体をトランジスタのゲートとしても利用し、ドレインとソースに挟まれたチャネル上に配置したものである。振動式赤外線センサの感度を高めるために、トランジスタの原理と組み合わせる試みである。参照用センサを隣接することも示している。
特許文献3のデバイスは、例えば特許文献1で示されたセンサの梁内部に発生する熱応力が軸力として働かずに、梁の長さ方向に対して垂直方向に変位して逃げてしまうことを解決する試みである。熱伝導を少なくして受光部の温度上昇を大きくする設計の、細長い梁では座屈が生じ易い。センサ感度と出力信号の線形性にも関係する。片持ち梁とすることで、基板への熱伝導を少なく抑え、熱の蓄積効率を高めている。赤外線吸収の効率を高めるために、シリコン酸化膜と窒化膜を積層するなどした、吸収層を大きく張り出す構造を取っている。片持ち梁の温度変化が、材料のヤング率および、振動子の共振周波数変化を変えることを原理としている。具体的な材料には、窒化チタンを挙げている。
特許文献4では、2種類の物質による構造を用意し、吸収した赤外線による温度上昇と、材料が持つ熱膨張係数の差によって、たわみを生じるようにし、このたわみを電気的な容量変化として検出するセンサが提案されている。
非特許文献1では、二層構造の機械的変形を利用したセンサが、炭化ケイ素/アルミと炭化ケイ素/金の組み合わせで試されたことが紹介されている。センサとして期待された性能には至っていない。
非特許文献2は、ねじり振動を利用したマイクロミラーに関するものである。張力が加わった薄膜からなるトーションバーを利用すると、温度変化に対して特性が大きく変化する。文献はむしろ、この温度特性を問題視した研究発表である。トーションバーが軸に対して垂直方向に変形するために、バネ定数が硬くなることが原因であることを見出した。
この現象を利用すれば、温度変化に対して感度の高いねじり振動子を実現できる。これは赤外線センサに利用できる。
Techniques for realizing an uncooled thermal infrared sensor in a vibration type are disclosed in, for example,
The device of
The device of
In the device of
In Patent Document 4, a structure using two kinds of substances is prepared, and a deflection is generated by a temperature rise caused by absorbed infrared rays and a difference in thermal expansion coefficient of the material, and this deflection is detected as a change in electric capacity. Sensors have been proposed.
Non-Patent
Non-Patent
By utilizing this phenomenon, a torsional vibrator having high sensitivity to temperature changes can be realized. This can be used for an infrared sensor.
量子型赤外線センサの高感度と、熱型赤外線センサの室温動作の特徴を合わせ持つセンサは実現されていない。これまで提案されてきた振動型赤外線センサは、両持ち梁であれ片持ち梁であれ、梁の長さ方向に対して垂直に変位する振動を利用していた。温度上昇によって共振周波数やQ値に変化が生じるが、その変化の程度は必ずしも大きくなかった。従って、センサの高感度化が難しい課題があった。
様々な分子に特有な振動スペクトルは中遠赤外線領域に現れる。より高感度な赤外線センサが得られれば、応用範囲の拡大が期待される。
本発明は、温度上昇が共振周波数等の機械特性の大きな変化を生み出し易い力学系を、小さな構造体によって実現し利用することで、振動型センサを更に高感度化することを目的とする。加えて、各センサ素子間の熱絶縁を取って一次元あるいは二次元に配列したアレイ型センサを、高いフィルファクタと共に実現することを目的とする。
No sensor has been realized that combines the high sensitivity of a quantum infrared sensor and the room temperature operation of a thermal infrared sensor. The vibration-type infrared sensor that has been proposed so far utilizes vibration that is displaced perpendicularly to the length direction of the beam, whether it is a cantilever beam or a cantilever beam. Although the resonance frequency and the Q value change due to the temperature rise, the degree of the change is not necessarily large. Therefore, there is a problem that it is difficult to increase the sensitivity of the sensor.
Vibration spectra unique to various molecules appear in the mid-infrared region. If a more sensitive infrared sensor can be obtained, the application range can be expanded.
It is an object of the present invention to further increase the sensitivity of a vibration type sensor by realizing and using a dynamic system, in which a temperature rise easily causes a large change in mechanical characteristics such as a resonance frequency, with a small structure. In addition, an object of the present invention is to realize an array type sensor arranged in a one-dimensional or two-dimensional manner with thermal insulation between sensor elements together with a high fill factor.
本発明は、ねじり振動を赤外線センサに新しく導入することにより、赤外線吸収による温度上昇が生み出す振動子の変形が、共振周波数などを変化させる力学系を利用することによって、ねじり振動を利用した赤外線の検出方法とこれを実施したねじり振動を利用した赤外線センサを実現したものである。
本発明のねじり振動を利用した赤外線センサは、張力を加えたねじり振動を行うトーションバーを赤外線センサとして使用することにより、バネ部も含めて振動子が温度上昇により反り、共振周波数などを大きく変化させることを利用して、センサの高感度化を実現したものである。
また本発明によれば、トーションバーによって支持された振動子が赤外線吸収による温度上昇に伴って示す、機械的共振周波数またはQ値の変化を検出することを特徴とする赤外線検出方法が得られる。
The present invention introduces a new torsional vibration to an infrared sensor, and the deformation of the vibrator caused by the temperature rise due to infrared absorption utilizes a dynamical system that changes the resonance frequency. An infrared sensor using the detection method and the torsional vibration in which the detection method is implemented is realized.
The infrared sensor using the torsional vibration of the present invention uses a torsion bar that performs torsional vibration with tension as an infrared sensor, so that the vibrator, including the spring part, warps due to temperature rise, and the resonance frequency etc. changes greatly. This makes it possible to increase the sensitivity of the sensor.
In addition, according to the present invention, there is obtained an infrared detection method characterized in that the vibrator supported by the torsion bar detects a change in the mechanical resonance frequency or the Q value which is indicated as the temperature rises due to infrared absorption.
また本発明によれば、引張応力を持つ多結晶シリコン膜または結晶シリコン膜を、トーションバーに利用することを特徴とするねじり振動型の赤外線センサが得られる。アモルファスシリコンをLPCVD(減圧化学気相堆積)法等によって成膜し、アニール処理によって結晶化すると、結晶格子生成や水素原子の抜けによって、大きな引張の膜応力を得ることが可能である。ドーピングによる導電性付与も可能であること、シリコンの微細加工プロセスを適用し易いことから、確立されたプロセスによって安定してデバイスを製作できる。
また本発明によれば、赤外線センサを複数個(例えば二個)有することにより、一つのセンサから得られる参照信号との比較をすることを特徴とした差動型センサが実現できる。
実際の振動子はリボン状にでき、アレイ化に適する。片方のセンサには、赤外線のエネルギーが入らないようにすることも可能である。センサそのものに反射膜を用意しても良いし、配置の仕方によって、赤外線そのものが入射しないようにすることも可能である。一つのセンサによってノイズ等をモニタリングでき、差動によって、赤外線照射がもたらす
影響のみを測定できる。
また本発明によれば、赤外線センサを複数個配置したアレイ型センサを実現できる。実際の振動子はリボン状にでき、アレイ化に適する点が、同じ半導体微細加工技術で用意される、サーモパイル素子と異なる。サーモパイル素子は温接点と冷接点を直列に接続して信号を足し合わせる原理のため、温度分布を得るための空間と、デバイス面積が必要となる。1素子につき1mm2以上の面積が必要となる。対して、ねじり振動を利用するセンサは、〜200x10μm2の面積によっても振動子を用意することが可能である。例えば、回折格子を使った分散型の分光を行うと、波長が異なる光は異なる位置に焦点を結ぶ。アレイ化した個々の素子を波長に対応させた分光システムを実現できる。
According to the present invention, there is obtained a torsional vibration type infrared sensor characterized in that a polycrystalline silicon film or a crystalline silicon film having a tensile stress is used for a torsion bar. When amorphous silicon is formed into a film by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) method or the like and crystallized by annealing, it is possible to obtain a large tensile film stress due to generation of a crystal lattice or loss of hydrogen atoms. Since conductivity can be imparted by doping and a silicon microfabrication process can be easily applied, a device can be stably manufactured by an established process.
According to the present invention, it is possible to realize a differential sensor characterized by having a plurality (for example, two) of infrared sensors and comparing with a reference signal obtained from one sensor.
The actual transducer can be made into a ribbon shape and is suitable for arraying. It is possible to prevent infrared energy from entering one of the sensors. A reflective film may be prepared for the sensor itself, or infrared light itself may be prevented from entering depending on the arrangement. Noise and the like can be monitored by one sensor, and only the influence caused by infrared irradiation can be measured by differential.
Further, according to the present invention, an array type sensor in which a plurality of infrared sensors are arranged can be realized. An actual vibrator can be formed in a ribbon shape and is suitable for arraying, unlike a thermopile element prepared by the same semiconductor microfabrication technology. The thermopile element requires a space for obtaining a temperature distribution and a device area because of the principle of adding signals by connecting a hot junction and a cold junction in series. An area of 1 mm 2 or more is required per element. On the other hand, a sensor using torsional vibration can also prepare a vibrator with an area of ˜200 × 10 μm 2 . For example, when dispersive spectroscopy using a diffraction grating is performed, lights having different wavelengths are focused at different positions. It is possible to realize a spectroscopic system in which each arrayed element corresponds to a wavelength.
本発明によれば、小型で高感度な省電力の赤外線センサが実現できる。本発明のねじり振動を利用した赤外線センサは、ねじり振動を励起するために静電駆動が利用できるので省電力でセンサが駆動可能である。高感度と省電力のいずれも、ハンディで移動可能なセンサシステムを実現するために有利な特性である。プリズムや回折格子などの分光素子と組み合わせれば、分光システムの小型化にもつながる。
According to the present invention, a small and highly sensitive power-saving infrared sensor can be realized. Since the infrared sensor using the torsional vibration of the present invention can use electrostatic drive to excite the torsional vibration, the sensor can be driven with power saving. Both high sensitivity and power saving are advantageous characteristics for realizing a handy and movable sensor system. Combining with spectroscopic elements such as prisms and diffraction gratings leads to miniaturization of the spectroscopic system.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図は例示であり、トーションバーの材料、形状、配置などは限定されるものではない。
図1は本発明のねじり振動を利用した赤外線の検出方法を実施した赤外線センサの一実施例を示した説明図である。
図1の、(a) は本発明のねじり振動を利用した赤外線センサの概略構成を示す図、(b)は本発明のねじり振動を利用した赤外線センサのねじり振動する梁に沿った断面図の低温状態を示し、(c)はねじり振動する梁に沿った断面図の高温状態の変形を強調して表示した図である。
図1において、1は入射赤外線である。2は両端が固定されたトーションバー(ねじり棒バネ)で、21はトーションバー2の二つの固定端である。3はトーションバー2の二つの固定端21を真直ぐ結ぶ直線からのトーションバーの変位、4はトーションバーに加えられた張力、5はトーションバーに生じる回転変位を示す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawing is an example, and the material, shape, arrangement, etc. of the torsion bar are not limited.
FIG. 1 is an explanatory view showing an embodiment of an infrared sensor in which an infrared detection method using torsional vibration of the present invention is implemented.
FIG. 1A is a diagram showing a schematic configuration of an infrared sensor using the torsional vibration of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view of the infrared sensor using the torsional vibration of the present invention along a torsionally vibrating beam. The low temperature state is shown, and (c) is a diagram highlighting the deformation in the high temperature state of the cross-sectional view along the torsionally vibrating beam.
In FIG. 1, 1 is an incident infrared ray.
6はトーションバー2の振動体(赤外線受光部)を示し、6aは振動体の上層(複数層でも良い)、6bは振動体の下層(複数層でも良い)を示す。
8は下部電極である。8aは振動体6の駆動用電極、8bは振動体6の周波数特性を電気的インピーダンスなどで測定する検出用電極である。下部電極8は振動体6に回転を促す力を発生するようにトーションバー2の中心軸よりずれた位置に設置される。
駆動用電極8aと検出用電極8bは例示であって、別のレイアウトでも良い。時分割によって同一の電極とすることもできる。9は赤外線センサの基板である。
トーションバー2と振動体6は、トーションバー2の固定端21により機械的に支持されると同時に、電気的にも外部と接続され、駆動用電極8aとの間に駆動電圧が加えられる。
The
The
このように構成された本発明の赤外線センサでは、振動体6と駆動用電極8aの間に駆動電圧を印加することで、振動体6を引き付け、回転運動を発生させて駆動する。
振動体6は、入射赤外線1による温度上昇によってたわみが発生するように、例えば多層構造に構成される。
振動体6の上層6aが下層6bよりも熱膨張係数が大きい場合には、上層の方がより伸びようとするため、上に凸のたわみが発生する。これが図1(b)から図1(c)の変化を生み出すので、振動体6が回転中心から外側に張り出した形になる変位3が発生し、二つの固定端21を真直ぐ結ぶ直線から外れるように変形する。
この結果、トーションバー2に沿って働く張力4と、ねじり振動にともなう変位5の関係が図1の(b)に示すような直交関係から外れて図1の(c)に示すような関係に変化する。
これによって、トーションバー2のねじりバネ定数が増加し、共振周波数など機械的特性を変化させる。
In the infrared sensor of the present invention configured as described above, by applying a driving voltage between the vibrating
The vibrating
When the upper layer 6a of the vibrating
As a result, the relationship between the tension 4 acting along the
As a result, the torsion spring constant of the
センサが共振する際には、振動体6と検出用電極8bの間の電気的インピーダンスに変化が生じる。これを検出することで、共振周波数やQ値を検出することが可能となる。
トーションバーを赤外線センサとして使用するときの感度特性のデータの一例として、シリコン窒化膜とクロム/金膜を利用した張力の加わったトーションバーを有する振動体(マイクロミラー)のデータを図6に示す。
図6の縦軸は回転角の傾き角度で、横軸は温度である。図6のデータは、温度上昇とともに回転角が減少していることを示している。これはねじりバネ定数の増加が原因であり、共振周波数の増加に対応している。
本発明のねじり振動を利用した赤外線センサが、大きな変化が得られるのは、張力がバネのねじれ運動と直交している場合には、力学的エネルギーをほとんど必要としないためバネ定数が小さいのに対して、上記直交関係が崩れると、張力のある成分に抗しながら進むねじり運動にエネルギーを必要とするようになり、トーションバーのねじりバネ定数の増加を引き起こすからである。大きな値を持つ張力を用意できることと、この向きをわずかでも変化させること、によって共振周波数の大きな変化を生み出す原理となる。
When the sensor resonates, a change occurs in the electrical impedance between the vibrating
As an example of sensitivity characteristic data when the torsion bar is used as an infrared sensor, FIG. 6 shows data of a vibrating body (micromirror) having a torsion bar to which tension is applied using a silicon nitride film and a chromium / gold film. .
The vertical axis in FIG. 6 is the tilt angle of the rotation angle, and the horizontal axis is the temperature. The data in FIG. 6 shows that the rotation angle decreases with increasing temperature. This is due to an increase in the torsion spring constant and corresponds to an increase in the resonance frequency.
The infrared sensor using the torsional vibration of the present invention can produce a great change because when the tension is orthogonal to the torsional motion of the spring, little mechanical energy is required and the spring constant is small. On the other hand, if the orthogonal relationship is broken, energy is required for the torsional motion that proceeds while resisting a component having tension, and the torsion spring constant of the torsion bar is increased. The principle is that a large change in the resonance frequency can be obtained by preparing a tension having a large value and changing this direction even slightly.
構造体に破壊的な応力が加わる訳ではない。張力の効果が大きくなるのは、振動子の寸法が小さくなった場合である。マイクロ・ナノ機械構造によって実現することが可能であり、センサの小型化にも適している。材料の温度特性に加えて、張力を導入しているため、デバイス設計の新しいファクタとなる。ねじり振動では、振動方向とは異なる振動子の変位が、張力と関係して、ねじり振動に対して大きなバネ定数の変化を生み出す系となり得る。
なお、低温状態の赤外線センサの形状は図1(b)に示す状態とは限らず、図1(c)の状態から高温状態になることで更に上に変形する設計も、逆に図1(c)の状態から図1(b)の状態に近づく設計も可能である。
It does not add destructive stress to the structure. The effect of tension is increased when the size of the vibrator is reduced. It can be realized by a micro / nano mechanical structure and is suitable for miniaturization of sensors. In addition to the temperature characteristics of materials, the introduction of tension is a new factor in device design. In the torsional vibration, the displacement of the vibrator different from the vibration direction can be a system that generates a large change in the spring constant with respect to the torsional vibration in relation to the tension.
Note that the shape of the infrared sensor in the low temperature state is not limited to the state shown in FIG. 1B, and a design that further deforms when the high temperature state is changed from the state in FIG. A design approaching the state of FIG. 1B from the state of c) is also possible.
図2は、本発明のねじり振動を利用した赤外線の検出方法を実施した赤外線センサの他の実施例を示した説明図である。
図2において、図1と同一の部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。
図2の実施例は、トーションバー2全体を多層構造にしたもので、図1のように振動体6を特別に設けない構成である。
図2においては、振動体6の上層6aがトーションバー2の端まで伸びることで、振動体6はトーションバーと連続した構造となっているとも言える。張力4とねじり振動にともなう変位5の関係については図1と同様の効果を得ることができる。なお、低温状態の赤外線センサの形状は図2(a)に示す状態とは限らず、図2(b)の状態から高温状態になることで更に上に変形する設計も、逆に図2(b)の状態から図2(a)の状態に近づく設計も可能である。
FIG. 2 is an explanatory view showing another embodiment of an infrared sensor in which the infrared detection method using torsional vibration of the present invention is implemented.
In FIG. 2, the same parts as those in FIG.
The embodiment shown in FIG. 2 has a multi-layer structure for the
In FIG. 2, it can be said that the vibrating
図3は、本発明のねじり振動を利用した赤外線の検出方法を実施した赤外線センサの他
の実施例を示した説明図である。
図3の実施例は、図1に示したものと同様の赤外線センサを基板9上に二個並べたセンサの構成説明図である。
図3において、図1と同一の部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。
図3において、10は、図1に示したものと同様の構成の赤外線センサである。13は、図1に示したものと同様の構成の参照用センサである。7aは、振動体に赤外線が吸収されるようにする反射防止層、7bは、振動体に赤外線が吸収されないようにする反射層である。
参照用センサ13は、ノイズ等の影響をモニタリングするために使用されるものである。
測定したい赤外線が入射する、もう片方のセンサ10との差を取ることで、入射赤外線1がもたらす信号のみを得ることができ、全体として差動型センサが実現できる。測定用センサ10には赤外線のエネルギーが吸収され易くする反射防止層7aを加えることが有効である。参照用センサ13には、反射層7bを用意して、赤外線のエネルギーが吸収され難くする。また、図3の例示とは異なり、振動子長さ方向に二個並べる配置にした上で、参照用センサに赤外線そのものが入射しないように光学系を組むことも可能である。駆動用電極8a、検出用電極8bの形状は例示である。駆動用電極を共通にすることもできる。
FIG. 3 is an explanatory view showing another embodiment of an infrared sensor that implements the infrared detection method using the torsional vibration of the present invention.
The embodiment of FIG. 3 is a configuration explanatory diagram of a sensor in which two infrared sensors similar to those shown in FIG.
In FIG. 3, the same parts as those of FIG.
In FIG. 3,
The
By taking the difference from the
図4は、本発明のねじり振動を利用した赤外線の検出方法を実施した赤外線センサの他の実施例を示した説明図である。
図4において、図1と同一の部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。
図4において、14は、図1のセンサを基板9上に1次元に多数並べたアレイ型赤外線センサである。
図4の実施例は、図1のセンサを基板9上に1次元に多数並べたアレイ型赤外線センサ14の構成説明図である。センサ10はリボン状であり、一つのセンサ素子の占有面積が小さくできると共に、アレイ化した際にフィルファクタの高い配置が可能となる。入射光がセンサ領域に入射しない「蹴られ」を最小にして赤外線検出が可能となる。駆動用電極8a、検出用電極8bの形状は例示である。駆動用電極を共通にすることもできる。この一次元アレイを更に、振動子長さ方向にアレイ化することで、二次元アレイにすることも可能である。二次元アレイ状にしたセンサは、イメージセンサとして利用できる。
FIG. 4 is an explanatory view showing another embodiment of an infrared sensor in which the infrared detection method using torsional vibration of the present invention is implemented.
In FIG. 4, the same parts as those in FIG.
In FIG. 4,
The embodiment of FIG. 4 is a configuration explanatory diagram of an array type
図5は、本発明のねじり振動を利用した赤外線の検出方法を実施した赤外線センサの他
の実施例を示した説明図である。
図5において、図4と同一の部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。
図5において、15は回折格子、16はレンズ、17は回折光である。
図5の実施例は、図4に示した一次元アレイ状にしたセンサ14を回折格子と組み合わせて、分光システムを実現する光学系を示したものである。入射赤外線1は回折格子15に入射する。レンズ16を通った回折光17は、赤外線センサ14上に集光する。集光位置は波長によって異なり、各波長と各センサ10は対応する。集光機能付き回折格子であれば15と16を一つの素子で実現することもできる。回折格子15の代わりに、プリズムを利用しても良い。
FIG. 5 is an explanatory view showing another embodiment of an infrared sensor in which the infrared detection method using the torsional vibration of the present invention is implemented.
In FIG. 5, the same parts as those in FIG.
In FIG. 5, 15 is a diffraction grating, 16 is a lens, and 17 is diffracted light.
The embodiment of FIG. 5 shows an optical system that realizes a spectroscopic system by combining the
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、非冷却かつ小型でより高感度な赤外線センサが実現できる。ねじり振動を励起するために静電駆動が利用できる。省電力でセンサが駆動可能である。高感度と省電力のいずれも、ハンディで移動可能なセンサシステムを実現するために有利な特性である。プリズムや回折格子などの分光素子と組み合わせれば、分光システムの小型化にもつながる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, an uncooled, small and more sensitive infrared sensor can be realized. Electrostatic drive can be used to excite torsional vibrations. The sensor can be driven with low power consumption. Both high sensitivity and power saving are advantageous characteristics for realizing a handy and movable sensor system. Combining with spectroscopic elements such as prisms and diffraction gratings leads to miniaturization of the spectroscopic system.
機械や構造物の温度分布測定は異常検知に利用できる。様々な分子に特有な振動スペクトルは中遠赤外線領域に現れる。赤外分光によって、特定物質の有無の検査、濃度測定が可能である。CO2ガスなどの環境モニタリング、必要な量だけの室内換気とエアコンを組み合わせる省エネシステム、食品への異物混入検査、いわゆる臭い検出による麻薬所持などのチェック、人体から発生する微量ガス(H2、NO、NH3など)測定による無侵襲医療がある。いずれも小型のセンサシステムによって、その場計測が可能になることで、役立つ技術となる。
Measuring the temperature distribution of machines and structures can be used to detect abnormalities. Vibration spectra unique to various molecules appear in the mid-infrared region. Infrared spectroscopy can be used to check for the presence of specific substances and to measure concentrations. Environmental monitoring such as CO2 gas, energy saving system that combines room ventilation and air conditioning of only necessary amount, inspection of contamination of foods, checking of possession of drugs by so-called odor detection, trace gases generated from human body (H2, NO, NH3 There is non-invasive medical care by measurement. Both are useful technologies because they enable in-situ measurement with a small sensor system.
1・・・入射赤外線
2・・・トーションバー(ねじり棒バネ)
3・・・二つの固定端を真直ぐ結ぶ直線からのトーションバーの変位
4・・・張力
5・・・トーションバーに生じる回転変位
6・・・振動体(赤外線受光部)
6a・・・振動体の上層(複数層でも良い)
6b・・・振動体の下層(複数層でも良い)
7a・・・振動体に赤外線が吸収されるようにする反射防止層
7b・・・振動体に赤外線が吸収されないようにする反射層
8・・・下部電極
8a・・・振動子駆動用電極
8b・・・振動子検出用電極
9・・・ 基板
10・・・センサ
11・・・低温状態の赤外線センサ
12・・・高温状態の赤外線センサ
13・・・参照用センサ
14・・・アレイ型赤外線センサ
15・・・回折格子
16・・・レンズ
17・・・回折光
21・・・固定端
1 ... Incident
3 ... Displacement of torsion bar from straight line connecting two fixed ends 4 ...
6a: Upper layer of vibrator (multiple layers may be used)
6b: Lower layer of vibrator (multiple layers may be used)
7a: Antireflection layer 7b for allowing infrared rays to be absorbed by vibrating body 7b: Reflecting
Claims (7)
赤外線吸収による温度上昇に伴ってたわみが発生する多層構造の振動子が示す、機械的共振周波数またはQ値の変化を検出することにより赤外線を検出することを特徴とする、ねじり振動を利用した赤外線検出方法。 Supported by a torsion bar with both ends fixed and tension applied,
Infrared light using torsional vibration, characterized by detecting infrared light by detecting a change in mechanical resonance frequency or Q value, which is indicated by a multilayered vibrator that generates deflection as the temperature rises due to infrared absorption. Detection method.
振動子に赤外線を照射する手段と、
トーションバーをねじり運動させるための駆動手段と、
振動子の振動特性を電気的インピーダンスなどで測定する検出手段とを具備し、
振動子が赤外線吸収による温度上昇に伴って示す、
機械的共振周波数またはQ値の変化を検出することにより赤外線を検出することを特徴とする、ねじり振動を利用した赤外線センサ。 A multi-layer vibrator in which deflection occurs as the temperature rises due to infrared absorption supported by a torsion bar;
Means for irradiating the vibrator with infrared rays;
Drive means for twisting the torsion bar;
Detecting means for measuring the vibration characteristics of the vibrator by electrical impedance or the like,
The vibrator shows as the temperature rises due to infrared absorption.
An infrared sensor using torsional vibration, wherein infrared rays are detected by detecting a change in mechanical resonance frequency or Q value.
振動子に赤外線を照射する手段と、
トーションバーにトルクを加える駆動用電極と、
振動子の振動特性を電気的インピーダンスなどで測定する検出用電極と、
振動体と駆動用電極の間に駆動電圧を印加することで、振動体を引き付け、回転運動を発生させる駆動手段とを具備し、
振動子が赤外線吸収による温度上昇に伴って示す、
機械的共振周波数またはQ値の変化を検出することにより赤外線を検出することを特徴とする、ねじり振動を利用した赤外線センサ。 A multi-layered vibrator in which deflection occurs as the temperature rises due to infrared absorption supported by a torsion bar to which both ends are fixed and tension is applied;
Means for irradiating the vibrator with infrared rays;
A drive electrode for applying torque to the torsion bar;
A detection electrode for measuring the vibration characteristics of the vibrator by electrical impedance,
Driving means for attracting the vibrating body by applying a driving voltage between the vibrating body and the driving electrode and generating a rotational movement;
The vibrator shows as the temperature rises due to infrared absorption.
An infrared sensor using torsional vibration, wherein infrared rays are detected by detecting a change in mechanical resonance frequency or Q value.
An array type infrared sensor using torsional vibration, wherein a plurality of infrared sensors according to claim 3 are used.
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