JP5523727B2

JP5523727B2 - Infrared sensor using torsional vibration and infrared sensor using torsional vibration.

Info

Publication number: JP5523727B2
Application number: JP2009083939A
Authority: JP
Inventors: 佐々木実
Original assignee: Toyota School Foundation
Current assignee: Toyota School Foundation
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010236960A

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, Patent Documents 1 to 3.
The device of Patent Document 1 utilizes vibrations of a beam whose ends are fixed that are displaced perpendicularly to the length direction. While the temperature rise accompanying infrared absorption promotes thermal expansion of the beam, the beam cannot extend because both ends are fixed. For this reason, stress is generated inside the beam, which becomes the axial force of the beam, and this is the principle of changing the vibration characteristics. Transmits thermal stress caused by material properties directly to the beam. The resonance frequency and Q value did not necessarily change greatly.
The device of Patent Document 2 uses a vibrating body as a gate of a transistor and is arranged on a channel sandwiched between a drain and a source. It is an attempt to combine with the principle of a transistor in order to increase the sensitivity of the vibration infrared sensor. It also shows adjacent reference sensors.
In the device of Patent Document 3, for example, the thermal stress generated inside the beam of the sensor shown in Patent Document 1 does not work as an axial force, and is displaced in a direction perpendicular to the length direction of the beam and escapes. Is an attempt to solve the problem. Buckling is likely to occur in an elongated beam designed to reduce heat conduction and increase the temperature rise of the light receiving part. Also related to sensor sensitivity and linearity of output signal. By using a cantilever beam, heat conduction to the substrate is reduced, and heat storage efficiency is increased. In order to increase the efficiency of infrared absorption, a structure in which an absorption layer is greatly extended, for example, a silicon oxide film and a nitride film are stacked. The principle is that the temperature change of the cantilever changes the Young's modulus of the material and the resonance frequency change of the vibrator. Specific examples include titanium nitride.
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 Document 1 introduces that a sensor using a mechanical deformation of a two-layer structure has been tried with a combination of silicon carbide / aluminum and silicon carbide / gold. The expected performance as a sensor has not been reached.
Non-Patent Document 2 relates to a micromirror using torsional vibration. When a torsion bar made of a thin film to which tension is applied is used, the characteristics change greatly with changes in temperature. Rather, the literature is a research presentation that considers this temperature characteristic as a problem. It has been found that the spring constant is hard because the torsion bar is deformed in a direction perpendicular to the axis.
By utilizing this phenomenon, a torsional vibrator having high sensitivity to temperature changes can be realized. This can be used for an infrared sensor.

「振動型赤外線センサ、振動型赤外線イメージャ、及び赤外線検出方法」公表番号 :特開平７−８３７５６公開日 : １９９５年３月３１日出願人 : 財団法人半導体研究振興会"Vibration type infrared sensor, vibration type infrared imager, and infrared detection method" Publication number: JP-A-7-83756 Publication date: March 31, 1995 Applicant: Semiconductor Research Promotion Association 「振動式赤外線センサとその製造方法」公表番号 : 特開平１０−２８１８６２公開日 : １９９８年１０月２３日出願人 : 横河電機株式会社"Vibration type infrared sensor and manufacturing method thereof" Publication number: JP-A-10-281862 Publication date: October 23, 1998 Applicant: Yokogawa Electric Corporation 「赤外線センサ及び赤外線撮像素子」公表番号 : 特開２００５−４３１４８公開日: ２００５年２月１７日出願人 : 株式会社東芝"Infrared sensor and infrared imaging device" Publication number: JP-A-2005-43148 Publication date: February 17, 2005 Applicant: Toshiba Corporation "Infrared imager using roomtemperature capacitance sensor"米国特許第６４９８３４７号公開日：２００２年１２月２４日出願人：Sarnoff Corporation (Princeton, NJ)“Infrared imager using room temperature capacitance sensor” US Pat. No. 6,498,347 Publication date: December 24, 2002 Applicant: Sarnoff Corporation (Princeton, NJ) 「次世代センサハンドブック」監修：藍光郎、（株）培風館（２００８年７月８日初版発行）、２．３．５熱型赤外線センサSupervision of “Next Generation Sensor Handbook”: Aikoro, Baifukan Co., Ltd. (issued on July 8, 2008, first edition), 2.3.5 Thermal Infrared Sensor M. Sasaki, M. Fujishima, K.Hane, H. Miura, "Stabilization of Temperature Characteristics ofMicromirror for Low-Voltage Driving Using Thin Film Torsion Bar of TensilePoly-Si", Program of ２００８ IEEE/LEOS Int. Conf. Optical MEMS andNanophotonics, P１２, (２００８.８.１３, Freiburg, Germany) pp.１２０-１２１.M. Sasaki, M. Fujishima, K. Hane, H. Miura, "Stabilization of Temperature Characteristics of Micromirror for Low-Voltage Driving Using Thin Film Torsion Bar of TensilePoly-Si", Program of 2008 IEEE / LEOS Int. Conf. Optical MEMS andNanophotonics, P12, (2008.8.813, Freiburg, Germany) pp.120-121.

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１ｍｍ^２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、〜２００x１０μｍ^２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. Reference numeral 2 denotes a torsion bar (torsion bar spring) fixed at both ends, and reference numeral 21 denotes two fixed ends of the torsion bar 2. 3 indicates the displacement of the torsion bar from a straight line connecting the two fixed ends 21 of the torsion bar 2, 4 indicates the tension applied to the torsion bar, and 5 indicates the rotational displacement generated in the torsion bar.

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。 Reference numeral 6 denotes a vibrating body (infrared light receiving portion) of the torsion bar 2, 6a denotes an upper layer (may be a plurality of layers) of the vibrating body, and 6b denotes a lower layer (may be a plurality of layers) of the vibrating body.
Reference numeral 8 denotes a lower electrode. Reference numeral 8a denotes a drive electrode for the vibrating body 6, and 8b denotes a detection electrode for measuring the frequency characteristics of the vibrating body 6 by an electrical impedance or the like. The lower electrode 8 is installed at a position shifted from the central axis of the torsion bar 2 so as to generate a force for urging the vibrating body 6 to rotate.
The drive electrode 8a and the detection electrode 8b are examples, and different layouts may be used. The same electrode can also be obtained by time division. Reference numeral 9 denotes an infrared sensor substrate.
The torsion bar 2 and the vibrating body 6 are mechanically supported by the fixed end 21 of the torsion bar 2 and are also electrically connected to the outside, and a driving voltage is applied between the driving electrode 8a.

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 body 6 and the driving electrode 8a, the vibrating body 6 is attracted and driven by generating a rotational motion.
The vibrating body 6 is configured, for example, in a multilayer structure so that deflection occurs due to a temperature rise caused by the incident infrared ray 1.
When the upper layer 6a of the vibrating body 6 has a larger coefficient of thermal expansion than the lower layer 6b, the upper layer tends to extend more, and thus a convex deflection occurs upward. Since this produces the change from FIG. 1 (b) to FIG. 1 (c), a displacement 3 is generated in which the vibrating body 6 protrudes outward from the center of rotation, so that it deviates from the straight line connecting the two fixed ends 21 straight. Transforms into
As a result, the relationship between the tension 4 acting along the torsion bar 2 and the displacement 5 due to the torsional vibration deviates from the orthogonal relationship as shown in FIG. 1B, and becomes a relationship as shown in FIG. Change.
As a result, the torsion spring constant of the torsion bar 2 increases, and mechanical characteristics such as the resonance frequency are changed.

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 body 6 and the detection electrode 8b. By detecting this, it becomes possible to detect the resonance frequency and the Q value.
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 torsion bar 2 as a whole, and has a configuration in which the vibrator 6 is not specially provided as shown in FIG.
In FIG. 2, it can be said that the vibrating body 6 has a continuous structure with the torsion bar because the upper layer 6 a of the vibrating body 6 extends to the end of the torsion bar 2. As for the relationship between the tension 4 and the displacement 5 accompanying torsional vibration, the same effect as in FIG. 1 can be obtained. Note that the shape of the infrared sensor in the low temperature state is not limited to the state shown in FIG. 2A, and a design that is further deformed when the high temperature state is changed from the state in FIG. A design approaching the state of FIG. 2A from the state of b) is also possible.

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, reference numeral 10 denotes an infrared sensor having the same configuration as that shown in FIG. Reference numeral 13 denotes a reference sensor having the same configuration as that shown in FIG. Reference numeral 7a denotes an antireflection layer that allows the vibrating body to absorb infrared rays, and reference numeral 7b denotes a reflecting layer that prevents the vibrating body from absorbing infrared rays.
The reference sensor 13 is used for monitoring the influence of noise or the like.
By taking the difference from the other sensor 10 on which the infrared ray to be measured is incident, only the signal provided by the incident infrared ray 1 can be obtained, and a differential sensor can be realized as a whole. It is effective to add an antireflection layer 7a that facilitates absorption of infrared energy to the measurement sensor 10. The reference sensor 13 is provided with a reflective layer 7b to make it difficult to absorb infrared energy. In addition, unlike the illustration of FIG. 3, it is also possible to assemble an optical system so that infrared light itself does not enter the reference sensor after arranging two in the transducer length direction. The shapes of the drive electrode 8a and the detection electrode 8b are exemplary. A common driving electrode may be used.

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, reference numeral 14 denotes an array type infrared sensor in which a number of the sensors of FIG.
The embodiment of FIG. 4 is a configuration explanatory diagram of an array type infrared sensor 14 in which a number of the sensors of FIG. The sensor 10 has a ribbon shape, and can occupy an area occupied by one sensor element and can be arranged with a high fill factor when arrayed. It is possible to detect infrared rays by minimizing “kicking” in which incident light does not enter the sensor region. The shapes of the drive electrode 8a and the detection electrode 8b are exemplary. A common driving electrode may be used. This one-dimensional array can be further converted into a two-dimensional array by arraying in the transducer length direction. A two-dimensional array sensor can be used as an image sensor.

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 sensor 14 in the form of a one-dimensional array shown in FIG. 4 with a diffraction grating. Incident infrared light 1 enters the diffraction grating 15. The diffracted light 17 that has passed through the lens 16 is collected on the infrared sensor 14. A condensing position changes with wavelengths, and each wavelength and each sensor 10 respond | correspond. If the diffraction grating has a condensing function, 15 and 16 can be realized by one element. A prism may be used instead of the diffraction grating 15.

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.

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。(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。It is explanatory drawing which showed one Example of the infrared sensor which implemented the infrared detection method using the torsional vibration of this invention. (a) is a diagram showing a schematic configuration of an infrared sensor using the torsional vibration of the present invention, (b) shows a low-temperature state of a cross-sectional view along the torsionally vibrating beam of the infrared sensor of the present invention. (C) is the figure which highlighted and displayed the deformation | transformation of the high temperature state of sectional drawing along the beam which carries out a torsional vibration. 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。（ａ）は低温状態、（ｂ）は高温状態のセンサ形状例である。変形は強調して表示している。It is explanatory drawing which showed the other Example of the infrared sensor which implemented the detection method of the infrared rays using the torsional vibration of this invention. (A) is a low temperature state, (b) is an example of a sensor shape in a high temperature state. The deformation is highlighted. 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。FIG. 2 is a configuration explanatory diagram of a sensor in which two infrared sensors similar to those shown in FIG. 1 are arranged on a substrate 9. 図１のセンサを基板上に１次元に多数並べたアレイ型赤外線センサの構成説明図である。FIG. 2 is a configuration explanatory diagram of an array type infrared sensor in which a number of sensors of FIG. 1 are arranged one-dimensionally on a substrate. 図４に示した一次元アレイ状にしたセンサ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。FIG. 5 shows an optical system that realizes a spectroscopic system by combining the one-dimensional array sensor shown in FIG. 4 with a diffraction grating. 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）を、温度センサとして観たときの感度特性の一例である。It is an example of a sensitivity characteristic when a vibrating body (micromirror) having a torsion bar to which tension is applied is viewed as a temperature sensor.

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 infrared ray 2 ... Torsion bar (torsion bar spring)
3 ... Displacement of torsion bar from straight line connecting two fixed ends 4 ... Tension 5 ... Rotational displacement generated in torsion bar 6 ... Vibrating body (infrared light receiving part)
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 layer 8 for preventing infrared rays from being absorbed by vibrating body ... Lower electrode 8a ... Electrode for driving vibrator 8b ... Electrode 9 for vibrator detection ... Substrate 10 ... Sensor 11 ... Infrared sensor 12 in low temperature state ... Infrared sensor 13 in high temperature state ... Sensor 14 for reference ... Array type infrared ray Sensor 15 ... Diffraction grating 16 ... Lens 17 ... Diffraction light 21 ... Fixed end

Claims

トーションバーにより支持された、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。 Infrared light is detected by detecting a change in mechanical resonance frequency or Q value indicated by a multi-layered vibrator supported by a torsion bar and generating deflection as the temperature rises due to infrared absorption. Infrared detection method using torsional vibration.

両端が固定され張力が加わったトーションバーにより支持された、
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.

トーションバーにより支持された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と、
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.

両端が固定され張力が加わったトーションバーにより支持された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と、
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.

請求項３乃至請求項４記載の赤外線センサにおいて、振動子に多層構造の多結晶シリコン膜または結晶シリコン膜を使用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。 5. The infrared sensor using torsional vibration according to claim 3, wherein a multi-layered polycrystalline silicon film or a crystalline silicon film is used for the vibrator.

請求項３乃至請求項４記載の赤外線センサを複数個使用し、赤外線の照射されないセンサで得られる信号を参照信号として比較をすることによりノイズ等の影響をモニタリング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。 5. A torsional vibration characterized by using a plurality of infrared sensors according to claim 3 and monitoring the influence of noise or the like by comparing a signal obtained by a sensor not irradiated with infrared rays as a reference signal. Infrared sensor using

請求項３乃至請求項４記載の赤外線センサを複数個使用することを特徴とする、ねじり振動を利用したアレイ型赤外線センサ。

An array type infrared sensor using torsional vibration, wherein a plurality of infrared sensors according to claim 3 are used.