WO2022176949A1 - 赤外線検出器および赤外線検出器を備えたガスセンサ - Google Patents

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WO2022176949A1
WO2022176949A1 PCT/JP2022/006416 JP2022006416W WO2022176949A1 WO 2022176949 A1 WO2022176949 A1 WO 2022176949A1 JP 2022006416 W JP2022006416 W JP 2022006416W WO 2022176949 A1 WO2022176949 A1 WO 2022176949A1
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infrared
layer
thermoelectric conversion
infrared detector
substrate
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English (en)
French (fr)
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喜明 西島
俊也 木村
裕正 ▲高▼島
剛 上田
智博 河口
創一朗 酒井
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国立大学法人横浜国立大学
新コスモス電機株式会社
フィガロ技研株式会社
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects

Definitions

  • the present invention relates to an infrared detector and a gas sensor equipped with the infrared detector.
  • a gas sensor that uses infrared rays such as a non-dispersive infrared spectroscopy (NDIR) type
  • NDIR non-dispersive infrared spectroscopy
  • a gas sensor using infrared rays identifies and quantifies a gas to be detected by utilizing the property that infrared rays are absorbed by exciting the vibration of molecules contained in the gas to be detected.
  • an infrared ray detector equipped with an infrared absorber that detects infrared rays and generates heat and a thermoelectric conversion element that converts the heat from the infrared absorber into an electric quantity A detector is used.
  • an infrared absorber having a narrow-band infrared absorption characteristic disclosed in Patent Document 1 is expected.
  • the infrared absorber of Patent Document 1 by providing a metal fine structure layer that causes localized surface plasmon resonance on a substrate, the absorption rate of infrared rays of a specific wavelength that satisfies the resonance conditions of localized surface plasmon resonance is improved. can be done. As a result, it is expected that it will be possible to detect only a specific detection target gas containing specific molecules with high accuracy and high sensitivity.
  • thermoelectric conversion element is provided on the side of the substrate opposite to the side on which the metal fine structure layer is provided.
  • the heat generated in the metal microstructure layer by absorbing the infrared rays is transmitted to the thermoelectric conversion element through the substrate, so the heat is diffused into the substrate when the heat is transmitted to the thermoelectric conversion element. Therefore, heat transfer to the thermoelectric conversion element may be delayed. Along with this, there is a possibility that the response speed of the infrared detector will be slowed down.
  • thermoelectric conversion element As described above, in an infrared detector using an infrared absorber provided with an infrared absorbing structure on a substrate, not limited to the infrared absorber of Patent Document 1, heat is transferred to the thermoelectric conversion element by thermal diffusion into the substrate. Transmission delays may occur, slowing down the response speed.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an infrared detector with excellent response speed and a gas sensor equipped with the infrared detector.
  • the infrared detector of the present invention comprises a substrate, an infrared absorber provided on the substrate that absorbs infrared rays and emits heat, and is provided between the substrate and the infrared absorber. and a thermoelectric conversion layer that converts the heat of the thermoelectric conversion layer into an electric quantity, wherein the infrared detector is provided between the substrate and the thermoelectric conversion layer, and the thermoelectric conversion layer between the substrate and the thermoelectric conversion layer A heat conduction suppression layer that suppresses heat conduction between, and an insulating layer that is provided between the thermoelectric conversion layer and the infrared absorber and electrically insulates between the thermoelectric conversion layer and the infrared absorber. is further provided.
  • the gas sensor of the present invention is characterized by comprising the infrared detector.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a gas detector including a gas sensor with an infrared detector according to an embodiment of the invention
  • FIG. It is a sectional view showing typically a section structure of an infrared detector concerning one embodiment of the present invention.
  • 4 is a graph showing changes in infrared detection signals obtained by the infrared detector of Example.
  • 7 is a graph showing changes in infrared detection signals obtained by an infrared detector of a comparative example;
  • the infrared detector 1 of this embodiment is a detector capable of detecting infrared rays and measuring the intensity of infrared rays.
  • the infrared detector 1 can be applied to various uses that require detection of infrared rays. In the following, as shown in FIG. 1, an example in which the infrared detector 1 is applied to a detector of a gas sensor N provided in a gas detector M will be described.
  • the infrared detector 1 is not limited to a gas sensor, and can be applied to other uses such as a detector for an infrared imaging device.
  • a gas detector M to which the infrared detector 1 of this embodiment is applied is used to detect a gas to be detected.
  • the gas to be detected by the gas detector M is not particularly limited, and examples thereof include carbon monoxide, carbon dioxide, methane, butane, isobutane, water, ammonia, sulfur dioxide, sulfur trioxide, Gases having absorption peaks in the infrared wavelength region, such as hydrogen sulfide, nitrous oxide, acetone, ozone, sulfur hexafluoride, octafluorocyclopentene, and hexafluoro-1,3-butadiene, are exemplified.
  • the gas detector M has a gas sensor N that detects a gas to be detected.
  • the gas detector M optionally includes an operation unit M1 (for example, operation buttons) for operating the gas sensor N and a display unit M2 (for example, a liquid crystal display) for displaying detection results obtained by the gas sensor N.
  • the gas detector M is powered by a power source (not shown) such as an internal battery or an external power source.
  • the gas sensor N detects the detection target gas by irradiating the detection target gas with infrared light L and measuring the absorption intensity (attenuation intensity) of the infrared light absorbed by the detection target gas.
  • the gas sensor N can be configured, for example, as the well-known non-dispersive infrared spectroscopy (NDIR) type.
  • NDIR non-dispersive infrared spectroscopy
  • the gas sensor N includes a housing N1 having an internal space V, an infrared light source N2 that emits infrared light L inside the housing N1, and an infrared light source N2 that emits infrared light L.
  • the gas sensor N has an infrared light source N2, a reflecting structure N3, an infrared detector 1, and a circuit portion N4 integrally provided in a housing N1 to form a module that can be handled as a single unit.
  • the circuit part N4 may be provided separately from the housing N1, and the configuration is not limited to the illustrated example.
  • the housing N1 is a member that houses the infrared light source N2, the reflecting structure N3, the infrared detector 1, and the circuit section N4, and supplies the internal space V with the gas to be detected.
  • the housing N1 is formed in a cylindrical shape extending in a direction connecting the infrared light source N2 and the infrared detector 1 (horizontal direction in FIG. 1), and an internal space V is provided therein.
  • the housing N1 includes a gas introduction section (not shown) for introducing the detection target gas into the internal space V, and a gas discharge section (not shown) for discharging the detection target gas from the internal space V.
  • the detection target gas is introduced from the gas introduction part, the detection target gas is supplied into the internal space V, and the detection target gas is discharged from the gas discharge part.
  • the housing N1 is not particularly limited, and is formed of, for example, a resin material. Although the housing N1 is formed in a cylindrical shape extending in one direction in this embodiment, it may be formed in another shape such as a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • the infrared light source N2 emits infrared light L that can be used to detect the gas to be detected.
  • the infrared light L emitted by the infrared light source N2 should include at least light having the wavelength of the absorption peak in the absorption spectrum of the gas to be detected. may be the light of The infrared light source N2, as shown in FIG. 1, is communicatively connected to the circuit portion N4 and its output is controlled by the circuit portion N4.
  • the infrared light source N2 is not particularly limited, and a known light emitting diode (LED), infrared lamp, or the like can be employed.
  • the infrared light source N2 emits continuous light or pulsed light, for example.
  • the infrared light source N2 should be able to emit at least infrared rays, and the emitted light may include light in a wavelength range other than infrared rays.
  • the reflective structure N3 reflects the infrared rays L emitted from the infrared light source N2 or the infrared rays L reflected from other parts of the reflective structure N3 in the interior space V of the housing N1, and further reflects the infrared rays L. Infrared rays L are directed to the part of the structure N3 or to the infrared detector 1.
  • the reflecting structure N3 is provided on the inner surface of the housing N1 adjacent to the internal space V, as shown in FIG.
  • the reflecting structure N3 is not particularly limited, and a known reflecting mirror or the like can be used.
  • the circuit part N4 is communicatively connected to the infrared light source N2 and the infrared detector 1 and controls the infrared light source N2 and the infrared detector 1, as shown in FIG.
  • the circuit unit N4 compares the intensity of the infrared rays L emitted from the infrared light source N2 and the intensity of the infrared rays L measured by the infrared detector 1 to determine the presence or absence of the gas to be detected, or detect it. Calculate the concentration of the target gas.
  • the circuit portion N4 can be configured by, for example, a known central processing unit (CPU).
  • the infrared detector 1 detects the infrared rays L and measures the intensity of the infrared rays L.
  • the infrared detector 1 as shown in FIG. 1, detects the infrared rays L after being emitted from the infrared light source N2 and propagated through the interior space V of the housing N1.
  • the infrared detector 1 is aligned to detect infrared radiation L emitted from the infrared light source N2 and/or reflected infrared radiation L from the reflecting structure N3.
  • the infrared detector 1 is irradiated with an infrared ray L and outputs an electrical quantity such as a voltage corresponding to the absorbed infrared ray L, as will be described in detail below.
  • the infrared detector 1 is communicably connected to the circuit portion N4 and transmits the output electric quantity to the circuit portion N4.
  • the infrared detector 1 includes a substrate 2, an infrared absorber 3 provided on the substrate 2 and absorbing infrared rays L to generate heat, and a thermoelectric conversion layer 4 for converting heat from the infrared absorber 3 into an electric quantity.
  • thermoelectric conversion layer 4 converts the heat into an electric quantity, detects the infrared rays L based on the electric quantity, and measures the intensity of the infrared rays L.
  • the substrate 2 supports a laminated structure including an infrared absorber 3, a thermoelectric conversion layer 4, and additional layers described below.
  • the substrate 2 is not particularly limited as long as it can support this laminated structure, and can be made of a semiconductor material, a dielectric material, or a metal material.
  • substrate 2 can be a silicon substrate, a sapphire substrate, or a glass substrate.
  • the thickness of the substrate 2 is not particularly limited, but from the viewpoint of strength, it is, for example, 0.3 mm or more, preferably 0.5 mm or more, more preferably 0.7 mm or more, and even more preferably 0.9 mm. From the viewpoint of ease of handling, the thickness is set to 2.0 mm or less, preferably 1.8 mm or less, more preferably 1.6 mm or less, and even more preferably 1.4 mm or less.
  • the structure of the infrared absorber 3 is not particularly limited as long as it can absorb infrared rays and emit heat.
  • the infrared absorber 3 is provided in a metal microstructure layer 31 capable of absorbing infrared rays to cause localized surface plasmon resonance, and in a layer below the metal microstructure layer 31 . It comprises a dielectric layer 32 and a metal layer 33 provided below the dielectric layer 32 so as to sandwich the dielectric layer 32 between the metal microstructure layer 31 .
  • the metal microstructure layer 31 and the metal layer 33 are stacked with the dielectric layer 32 interposed therebetween, thereby enhancing the localized surface plasmon resonance.
  • a strong electric field is localized in the dielectric layer 32 laminated between the metal microstructure layer 31 and the metal layer 33 when infrared rays are irradiated and localized surface plasmon resonance is generated. , is thought to be due to the enhancement of the localized surface plasmon resonance under the influence of the localized electric field.
  • the infrared absorber 3 is made of chromium (Cr) or titanium for the purpose of ensuring adhesion between the respective layers of the metal microstructure layer 31, the dielectric layer 32 and the metal layer 33, as shown in the figure.
  • An adhesion layer A1 such as (Ti) may be provided (in the example shown, provided only between the dielectric layer 32 and the metal layer 33).
  • the metal fine structure layer 31 is a layer capable of absorbing infrared rays that satisfy resonance conditions and causing localized surface plasmon resonance.
  • the metal fine-structure layer 31 is irradiated with infrared rays, plasmon oscillation of free electrons is excited on the surface of the metal fine-structure layer 31, and the density of the free electrons is generated in the metal fine-structure layer 31, so that the metal fine-structure layer A polarization state occurs at 31 .
  • the wavelength of the irradiated infrared rays and the dielectric constant of the metal microstructure layer 31 mutually satisfy the resonance condition, the polarization generated in the metal microstructure layer 31 by the infrared rays becomes very large and is localized in the metal microstructure layer 31 .
  • the formation method of the metal fine structure layer 31 is not particularly limited as long as the irradiated infrared rays can cause localized surface plasmon resonance. can be formed.
  • the structure of the metal microstructure layer 31 is not particularly limited as long as it can generate localized surface plasmon resonance.
  • the metal microstructure layer 31 may have, for example, a nanodisk array structure in which a plurality of island-shaped metal bodies are two-dimensionally distributed, or a plurality of holes are two-dimensionally distributed in the metal layer. It may also have a nanohole array structure.
  • the metal microstructure layer 31 has a plurality of substantially disk-shaped metal microstructures that are substantially circular when viewed from above in a direction perpendicular to the surface of the substrate 2. It has a body 31a.
  • the plurality of metal microstructures 31a are arranged on the dielectric layer 32 with a space therebetween.
  • the shape and size of the metal microstructures 31a are not particularly limited, and can be appropriately set so that the metal microstructures 31a generate localized surface plasmon resonance when irradiated with infrared rays.
  • the wavelength of infrared rays that cause localized surface plasmon resonance changes depending on the shape of the metal microstructure 31a.
  • the shape of the metal microstructure 31a for example, rod-like or plate-like, the wavelength of infrared rays that cause localized surface plasmon resonance is shifted to the longer wavelength side.
  • the metal microstructure 31a has a substantially disk shape as in the present embodiment, a substantially rectangular plate shape, or a substantially hemispherical shape, depending on the wavelength of the infrared rays that cause localized surface plasmon resonance. , a substantially bar-like shape, or any other shape can be selected.
  • the size for example, the wavelength of the infrared rays that cause localized surface plasmon resonance changes according to the size of the metal microstructure 31a. As the metal microstructure 31a becomes larger (for example, as the diameter of the metal microstructure 31a becomes larger), the wavelength of the infrared rays that cause localized surface plasmon resonance shifts to longer wavelengths. Therefore, the size of the metal microstructures 31a can be appropriately selected according to the wavelength of the infrared rays to cause localized surface plasmon resonance.
  • the metal microstructure 31a is not particularly limited, but for example, when the dielectric layer 32 contains an organic polymer material as described later, the absorption intensity of infrared rays caused by vibration of molecular bonds contained in the organic polymer material is From the viewpoint of increasing the diameter, for example, it has a diameter of 1000 nm or more and 5000 nm or less, preferably 1000 nm or more and 2000 nm or less, more preferably 1000 nm or more and 1800 nm or less. It is even more preferred to have a diameter of 1600 nm or less.
  • the thickness of the metal microstructure layer 31 is not particularly limited as long as it can cause localized surface plasmon resonance by irradiated infrared rays. From the viewpoint of enhancing localized surface plasmon resonance, the thickness of the metal fine structure layer 31 is preferably 10 to 200 nm, more preferably 30 to 100 nm, and even more preferably 35 to 75 nm. Preferably, it is most preferably between 40 nm and 70 nm.
  • the constituent metal of the metal fine structure layer 31 is not particularly limited as long as it is made of a metal that causes localized surface plasmon resonance when irradiated with infrared rays.
  • Metal fine structure layer 31 contains, for example, one or more selected from the group consisting of gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), platinum (Pt), and palladium (Pd). be done.
  • the metal fine structure layer 31 is selected, for example, from the group consisting of gold (Au) and silver (Ag) from the viewpoint of surface chemical stability and the viewpoint of increasing the absorption rate of infrared rays due to localized surface plasmon resonance. It is preferably composed of one or two or more.
  • Gold (Au) is preferable from the viewpoint of surface chemical stability
  • silver (Ag) is preferable from the viewpoint of increasing the absorption rate of infrared rays by localized surface plasmon resonance.
  • the dielectric layer 32 is laminated between the metal microstructure layer 31 and the metal layer 33 as shown in FIG. It is a layer that can exist.
  • the dielectric layer 32 is formed as a continuous film within the surface of the metal layer 33 .
  • the dielectric layer 32 is not particularly limited, and can be formed by known film formation techniques such as resistance heating vapor deposition, sputtering, electron beam vapor deposition, and spin coating.
  • Dielectric layer 32 may be, for example, silicon oxide (such as SiO 2 ), aluminum oxide (such as Al 2 O 3 ), silicon nitride (such as Si 3 N 4 ), silicon (Si), zirconium oxide (such as ZrO 2 ), oxide It can contain one or more selected from the group consisting of titanium (TiO 2 etc.).
  • the dielectric layer 32 is made of silicon oxide (such as SiO 2 ), aluminum oxide (such as Al 2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 N 4 , etc.) is preferably composed of one or more selected from the group consisting of:
  • the film thickness of the dielectric layer 32 containing the inorganic material described above is not particularly limited, but the localized surface plasmon generated in the metal fine structure layer 31 is suppressed from being affected by the metal layer 33 and disappearing. From the viewpoint of achieving the desired thickness, the thickness is preferably 10 nm or more, more preferably 20 nm or more, even more preferably 30 nm or more, and most preferably 50 nm or more. In addition, the thickness of the dielectric layer 32 is preferably 200 nm or less, and preferably 150 nm or less, from the viewpoint of enhancing the localized surface plasmon resonance generated by the metal fine structure layer 31 and thereby improving the absorption rate of infrared rays. is more preferably 100 nm or less, and most preferably 80 nm or less.
  • the dielectric layer 32 may contain an organic polymer material having molecular bonds capable of absorbing infrared rays and exciting vibrations.
  • an organic polymer material having molecular bonds capable of absorbing infrared rays and exciting vibrations.
  • the wavelength width of the absorption peak due to the vibrational excitation of the molecular bond contained in the organic polymer material is the wavelength width of the absorption peak due to localized surface plasmon resonance. small compared to Therefore, by utilizing the absorption peak resulting from the excitation of this molecular vibration, it is possible to realize narrow-band infrared absorption characteristics.
  • the infrared absorber 3 is formed by laminating the dielectric layer 32 containing an organic polymer material between the metal microstructure layer 31 and the metal layer 33, thereby absorbing infrared rays with a narrow wavelength width with a high absorption rate. can be done.
  • the wavelength of the absorption peak caused by localized surface plasmon resonance is closer the wavelength of the absorption peak caused by the excitation of molecular vibration, the greater the infrared absorptivity due to the absorption caused by the excitation of molecular vibration. It is considered that this is due to strong coupling between the molecular vibration in the dielectric layer 32 and the localized surface plasmon resonance in the metal microstructure layer 31 .
  • the wavelength of the absorption peak due to localized surface plasmon resonance is It is preferable to set the wavelength close to the absorption peak wavelength.
  • the wavelength of the absorption peak caused by localized surface plasmon resonance is preferably in the range of ⁇ 3 ⁇ m, more preferably in the range of ⁇ 2 ⁇ m, more preferably in the range of ⁇ 1 ⁇ m, of the wavelength of the absorption peak caused by molecular vibration.
  • a range is even more preferred.
  • the organic polymer material contained in the dielectric layer 32 is not particularly limited as long as it has a molecular bond that can absorb infrared rays and excite vibration.
  • the organic polymer material is preferably a heat-resistant organic polymer material that can withstand heat when the infrared absorber 3 absorbs infrared rays and emits heat.
  • heat resistance means that the heat-resistant organic polymer material is heated at least in the range of 100 to 200°C, preferably in the range of 200 to 300°C.
  • the molecular bonds that can absorb infrared rays and can be excited to vibrate are at least as low as before heating. It means a property of remaining 60% or more, preferably 70% or more, more preferably 80% or more, still more preferably 90% or more.
  • the heat-resistant organic polymer material is not particularly limited as long as it has heat resistance and has a molecular bond that can absorb infrared rays and excite vibration, but polyimide resin, epoxy resin, It preferably contains one or more selected from the group consisting of thermosetting elastomer resins, melamine resins, fluororesins and urea resins.
  • the heat-resistant organic polymer material is one or two selected from the group consisting of polyimide resins, epoxy resins and thermosetting elastomer resins, from the viewpoint of enhancing localized surface plasmon resonance and enhancing molecular vibration. More preferably, it contains more than one species.
  • the thickness of the dielectric layer 32 containing an organic polymer material is not particularly limited, but from the viewpoint of increasing the absorption intensity of infrared rays by exciting the vibration of molecular bonds contained in the dielectric layer 32, it is 50 nm. 100 nm or more is more preferable, and 200 nm or more is even more preferable.
  • the film thickness of the dielectric layer 32 is preferably 600 nm or less, more preferably 500 nm or less, from the viewpoint of further enhancing localized surface plasmon resonance and further enhancing molecular vibration of molecular bonds contained in the dielectric layer 32. More preferably, 400 nm or less is even more preferable.
  • the metal layer 33 enhances the localized surface plasmon resonance that occurs in the metal microstructure layer 31 by being laminated with the metal microstructure layer 31 via the dielectric layer 32 .
  • the metal layer 33 contains at least a metal component and is formed as a conductive layer.
  • the metal layer 33 is formed as a continuous film below the dielectric layer 32, as shown in FIG.
  • the metal layer 33 is not particularly limited as long as it can enhance localized surface plasmon resonance, and can be formed by a known film formation method such as resistance heating vapor deposition, sputtering, and electron beam vapor deposition.
  • the thickness of the metal layer 33 is not particularly limited as long as it can enhance the localized surface plasmon resonance.
  • the metal layer 33 is preferably configured so that the infrared reflectance is higher than the infrared transmittance, from the viewpoint of reflecting infrared rays and suppressing the transmission of infrared rays.
  • the film thickness of the metal layer 33 is, for example, preferably 100 nm or more, more preferably 150 nm or more, and even more preferably 200 nm or more, from the viewpoint of reflecting infrared rays and suppressing transmission of infrared rays. From the viewpoint of uniformity, the thickness of the metal layer 33 is preferably 1000 nm or less, more preferably 600 nm or less, and even more preferably 400 nm or less.
  • the material of the metal layer 33 is not particularly limited as long as it can enhance the localized surface plasmon resonance.
  • the metal layer 33 is preferably made of, for example, a metal having a high reflectance to infrared rays. , aluminum (Al), osmium (Os), rhodium (Rh), and ruthenium (Ru).
  • Indium tin oxide (ITO) containing metal components of tin (Sn) and indium (In), for example, can also be used as metal layer 33 .
  • the metal layer 33 more preferably contains one or more selected from the group consisting of gold (Au) and silver (Ag). Gold (Au) is most preferable from the viewpoint of surface chemical stability.
  • the thermoelectric conversion layer 4 is a layer that is arranged so that heat can be conducted from the infrared absorber 3 and that converts the amount of heat conducted from the infrared absorber 3 into an electric amount.
  • the electrical quantity to be converted is a quantity related to electricity that can be output as an electrical signal, such as voltage, current, resistance, or capacitance.
  • the thermoelectric conversion layer 4 is provided between the substrate 2 and the infrared absorber 3, and is provided close to the infrared absorber 3 without interposing the substrate 2, so that the substrate absorbs infrared rays.
  • thermoelectric conversion layer 4 is formed as a continuous film between the substrate 2 and the infrared absorber 3 .
  • the thermoelectric conversion layer 4 can be formed by known film formation techniques such as resistance heating vapor deposition, sputtering, electron beam vapor deposition, and spin coating, without being particularly limited.
  • thermoelectric conversion layer 4 is not particularly limited as long as it can convert heat from the infrared absorber 3 into an electric quantity, and can be formed using a known thermoelectric material.
  • Thermoelectric materials that can be used include, for example, tellurium compounds such as Bi 2 Te 3 and PbTe, metal oxides such as NaCo 2 O 4 and CaCoO 3 , silicon compounds such as SiGe and ⁇ -FeSi 2 , ZnSb and lnSb. , Zn 4 Sb 3 and other antimony compounds, constantan, chromel, alumel, platinum rhodium and other alloys, and metals such as Au, Al, Cu, Fe, Pt, Ni, Cr, W and Ta.
  • thermoelectric conversion layer 4 is configured as a thermocouple formed of a chromel electrode 41 and an alumel electrode 42, as shown in FIG.
  • the thermoelectric conversion layer 4 is formed such that the chromel electrode 41 and the alumel electrode 42 overlap each other on the heat conduction suppressing layer 5, and the insulating layer 6 is formed on the overlapping portion.
  • the thermoelectric conversion layer 4 configured as a thermocouple outputs an electromotive force (voltage) generated by heat conducted from the infrared absorber 3 as an electric quantity.
  • the thermoelectric conversion layer 4 is not particularly limited as long as it can convert the heat from the infrared absorber 3 into an electric quantity.
  • the thickness of the thermoelectric conversion layer 4 is, for example, preferably 100 nm or more, more preferably 150 nm or more, and even more preferably 200 nm or more.
  • the film thickness of the thermoelectric conversion layer 4 is preferably 1000 nm or less, more preferably 600 nm or less, and even more preferably 400 nm or less.
  • the infrared detector 1 includes a heat conduction suppressing layer 5 provided between the substrate 2 and the thermoelectric conversion layer 4 in addition to the substrate 2, the infrared absorber 3, and the thermoelectric conversion layer 4 described above. and an insulating layer 6 provided between the thermoelectric conversion layer 4 and the infrared absorber 3 . That is, the infrared detector 1 is provided with the heat conduction suppression layer 5 on the substrate 2, the thermoelectric conversion layer 4 on the heat conduction suppression layer 5, and the insulating layer 6 on the thermoelectric conversion layer 4. An infrared absorber 3 is provided on the upper layer of the insulating layer 6 .
  • the infrared detector 1 is provided with an adhesive layer A2 such as chromium (Cr) or titanium (Ti) between the layers for the purpose of ensuring adhesion between the layers, as shown in the figure. (in the illustrated example, provided only between the infrared absorber 3 and the insulating layer 6).
  • an adhesive layer A2 such as chromium (Cr) or titanium (Ti) between the layers for the purpose of ensuring adhesion between the layers, as shown in the figure. (in the illustrated example, provided only between the infrared absorber 3 and the insulating layer 6).
  • the heat conduction suppression layer 5 is a layer that suppresses heat conduction between the substrate 2 and the thermoelectric conversion layer 4 .
  • the heat conduction suppression layer 5 suppresses heat conduction between the substrate 2 and the thermoelectric conversion layer 4, thereby suppressing diffusion of the heat transferred to the thermoelectric conversion layer 4 to the substrate 2. be able to.
  • the heat transferred from the infrared absorber 3 to the thermoelectric conversion layer 4 can be more accurately converted into an electric quantity, and a high response speed can be obtained in converting the absorbed infrared rays into an electric quantity.
  • the heat conduction suppression layer 5 is not particularly limited as long as it can suppress heat conduction between the substrate 2 and the thermoelectric conversion layer 4, and can be formed of a known low thermal conductivity material.
  • the thermal conductivity at 20° C. is 0.8 W/m ⁇ K or less, preferably 0.6 W/m ⁇ K or less, more preferably 0.4 W/m ⁇ K or less, still more preferably A material of 0.3 W/m ⁇ K or less can be used.
  • a heat-resistant organic polymer material is exemplified as such a low thermal conductivity material, and the heat conduction suppressing layer 5 preferably contains the heat-resistant organic polymer material.
  • heat-resistant organic polymer materials include one or more selected from the group consisting of polyimide resins, epoxy resins, thermosetting elastomer resins, melamine resins, fluororesins and urea resins.
  • the thickness of the heat conduction suppression layer 5 is not particularly limited as long as it can suppress heat conduction between the substrate 2 and the thermoelectric conversion layer 4 .
  • the film thickness of the heat conduction suppressing layer 5 is preferably 200 nm or more, more preferably 400 nm or more, and even more preferably 500 nm or more, from the viewpoint of further suppressing heat conduction. From the viewpoint of uniformity of the heat conduction suppression layer 5, the thickness of the heat conduction suppression layer 5 is preferably 5000 nm or less, more preferably 3000 nm or less, and even more preferably 1000 nm or less.
  • the insulating layer 6 is a layer that electrically insulates between the thermoelectric conversion layer 4 and the infrared absorber 3 .
  • the insulating layer 6 electrically insulates between the thermoelectric conversion layer 4 and the infrared absorber 3, thereby suppressing current flow between the thermoelectric conversion layer 4 and the infrared absorber 3.
  • the electric quantity converted by the thermoelectric conversion layer 4 can be output more accurately.
  • a structure that causes localized surface plasmon resonance is employed in the infrared absorber 3 as in the present embodiment, current flow between the thermoelectric conversion layer 4 and the infrared absorber 3 is prevented. By suppressing, attenuation of localized surface plasmon resonance can be suppressed.
  • the insulating layer 6 is not particularly limited as long as it can electrically insulate between the thermoelectric conversion layer 4 and the infrared absorber 3, and can be formed of a known high resistance material.
  • a material having a volume resistivity of 10 6 ⁇ cm or more, preferably 10 9 ⁇ cm or more, more preferably 10 11 ⁇ cm or more, and even more preferably 10 13 ⁇ cm or more is used. be able to.
  • the insulating layer 6 is preferably made of a material that ensures insulation between the thermoelectric conversion layer 4 and the infrared absorber 3 and does not inhibit heat conduction from the infrared absorber 3 to the thermoelectric conversion layer 4 .
  • the insulating layer 6 is preferably formed of a material having a higher thermal conductivity than, for example, the heat conduction suppressing layer 5 described above, and more specifically, contains an inorganic (electrical) insulating material.
  • inorganic insulating materials include silicon oxide (such as SiO2 ), silicon nitride (such as Si3N4 ), aluminum oxide (such as Al2O3 ), hafnium oxide (such as HfO2), and zirconium oxide (such as ZrO2). ) and titanium oxide (TiO 2 etc.).
  • the insulating layer 6 is not particularly limited as long as it can electrically insulate between the thermoelectric conversion layer 4 and the infrared absorber 3 .
  • the thickness of the insulating layer 6 is preferably 10 nm or more, more preferably 30 nm or more, and even more preferably 50 nm or more.
  • the thickness of the insulating layer 6 is preferably 200 nm or less, more preferably 150 nm or less, and even more preferably 100 nm or less.
  • the infrared detector according to one embodiment of the present invention and the gas sensor equipped with the infrared detector have been described above.
  • the infrared detector and the gas sensor provided with the infrared detector of the present invention are not limited to the embodiments described above.
  • the above-described embodiments mainly describe inventions having the following configurations.
  • thermoelectric conversion layer an infrared absorber provided on the substrate that absorbs infrared rays and emits heat
  • an electric quantity that is provided between the substrate and the infrared absorber and absorbs heat from the infrared absorber.
  • the infrared detector is provided between the substrate and the thermoelectric conversion layer, and the heat conduction between the substrate and the thermoelectric conversion layer is and an insulating layer provided between the thermoelectric conversion layer and the infrared absorber to electrically insulate between the thermoelectric conversion layer and the infrared absorber. Detector.
  • thermoelectric conversion layer by suppressing the heat conduction between the substrate and the thermoelectric conversion layer, it is possible to suppress the diffusion of the heat transferred to the thermoelectric conversion layer to the substrate.
  • the heat transferred from the infrared absorber to the thermoelectric conversion layer can be more accurately converted into an electric quantity, and a high response speed can be obtained in converting the absorbed infrared rays into an electric quantity.
  • the configuration (2) it is possible to increase the absorption rate of infrared rays by generating localized surface plasmon resonance and enhancing the localized surface plasmon resonance when infrared rays are irradiated.
  • the heat resistance of the heat conduction suppressing layer can be enhanced, and heat conduction between the substrate and the thermoelectric conversion layer can be further suppressed, whereby the absorption of infrared rays to the electric quantity.
  • the conversion response speed can be further improved.
  • the heat conduction between the substrate and the thermoelectric conversion layer can be further suppressed, thereby further improving the response speed of the conversion of the absorbed infrared rays into electric quantity. can.
  • thermoelectric conversion layer by electrically insulating between the thermoelectric conversion layer and the infrared emitter, current flow between the thermoelectric conversion layer and the infrared absorber is suppressed, and thermoelectric conversion In addition to being able to output the amount of electricity converted in the layer more accurately, by promoting heat conduction from the infrared absorber to the thermoelectric conversion layer (or suppressing the decrease in heat conduction), the absorbed infrared electricity The response speed of conversion to quantity can be further improved.
  • thermoelectric conversion layer it is possible to further suppress the flow of current between the thermoelectric conversion layer and the infrared absorber, and to more accurately output the amount of electricity converted by the thermoelectric conversion layer.
  • a gas sensor comprising the infrared detector according to any one of (1) to (6).
  • the detection target gas can be detected at a high response speed.
  • the infrared detector of this embodiment will be described below based on examples. However, the infrared detector of the present invention is not limited to the following examples.
  • Infrared detector As an infrared detector of the example, an infrared detector 1 shown in FIG. 2 was produced. The manufacturing conditions for each component of the manufactured infrared detector 1 were as follows.
  • Infrared absorber 3 Metal microstructure layer 31: Au (constituent material), 1000 nm (diameter of metal microstructure 31a), 50 nm (film thickness), electron beam lithography + resistance heating deposition (film formation method)
  • Dielectric layer 32 SiO 2 (constituent material), 100 nm (thickness), electron beam evaporation (film formation method)
  • Metal layer 33 Au (constituent material), 200 nm (film thickness), resistance heating vapor deposition (film formation method)
  • an infrared detector of a comparative example an infrared detector was manufactured by placing a substrate on a thermoelectric conversion element and placing an infrared absorber on the substrate via an adhesive layer.
  • the adhesive layer and the infrared absorber of the fabricated infrared detector the same ones as the substrate 2, the adhesive layer A2 and the infrared absorber 3 of the infrared detector of the example were used.
  • the thermoelectric conversion element a chromel-alumel thermocouple was used as in the thermoelectric conversion layer 4 of the infrared detector of the example.
  • a chromel electrode and an alumel electrode were formed by electron beam evaporation on the opposite side of the substrate to the side on which the infrared absorber was provided, in the same manner as in the example, so as to have overlapping portions.
  • FIG. 3 shows the result of measuring the electromotive force (voltage) generated in the thermoelectric conversion layer 4 when the infrared detector 1 of the example was irradiated with infrared rays.
  • the infrared rays used were thermal radiation rays containing infrared rays in a wide wavelength range emitted from a tungsten filament type light source, and the radiation intensity was 1.0 mW/sr.
  • the infrared rays were applied to the surface of the infrared detector 1 substantially perpendicularly.
  • the electromotive force generated in the thermoelectric conversion layer 4 was measured with a potentiostat.
  • thermoelectric conversion layer 4 shows changes in the electromotive force (voltage) generated in the thermoelectric conversion layer 4 when infrared rays are turned on/off every 5 seconds by a mechanical optical shutter.
  • the infrared detector 1 absorbs the infrared rays to generate heat, which causes the thermoelectric conversion layer 4 to generate heat. It can be seen that electricity is generated.
  • the voltage changes abruptly at the timing of turning on/off the infrared rays, and shows a stable voltage in about 0.3 seconds after turning on/off the infrared rays.
  • FIG. 3 shows changes in the electromotive force (voltage) generated in the thermoelectric conversion layer 4 when infrared rays are turned on/off every 5 seconds by a mechanical optical shutter.
  • the infrared detector 1 of the present embodiment achieves a higher response speed than the infrared detector of the comparative example.

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Abstract

本発明の赤外線検出器１は、基板２と、基板２上に設けられ、赤外線を吸収して熱を発する赤外線吸収体３と、基板２と赤外線吸収体３との間に設けられ、赤外線吸収体からの熱を電気量に変換する熱電変換層４とを備え、赤外線検出器１が、基板２と熱電変換層４との間に設けられ、基板２と熱電変換層４との間の熱伝導を抑制する熱伝導抑制層５と、熱電変換層４と赤外線吸収体３との間に設けられ、熱電変換層４と赤外線吸収体３との間を電気的に絶縁する絶縁層６とをさらに備えることを特徴とする。本発明のガスセンサは、赤外線検出器１を備えることを特徴とする。

Description

赤外線検出器および赤外線検出器を備えたガスセンサ
　本発明は、赤外線検出器および赤外線検出器を備えたガスセンサに関する。
　一酸化炭素などの検知対象ガスを検知するために、たとえば非分散型赤外線分析（ＮＤＩＲ）式などの、赤外線を利用したガスセンサが用いられる。赤外線を利用したガスセンサでは、検知対象ガスに含まれる分子の振動を励起することで赤外線が吸収される性質を利用して、検知対象ガスの同定および定量が行なわれる。検知対象ガスに吸収される赤外線の強度を測定するために、たとえば、赤外線を検出して発熱する赤外線吸収体と、赤外線吸収体からの熱を電気量に変換する熱電変換素子とを備えた赤外線検出器が用いられる。
　検知対象ガスを高精度かつ高感度で検知するための赤外線吸収体として、たとえば特許文献１に開示された、狭帯域の赤外線吸収特性を有する赤外線吸収体が期待されている。特許文献１の赤外線吸収体は、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属微細構造層を基板上に設けることで、局在表面プラズモン共鳴の共鳴条件を満たす特定波長の赤外線の吸収率を向上させることができる。それにより、特定の分子を含む特定の検知対象ガスだけを精度よく、また高感度で検知することが可能となることが期待される。
特開２０２０－１３４３３７号公報
　たとえば特許文献１の赤外線吸収体を赤外線検出器に用いる場合、基板の、金属微細構造層が設けられる側とは反対側に熱電変換素子が設けられる。その場合、赤外線を吸収して金属微細構造層で発生した熱が基板を介して熱電変換素子に伝達されるので、熱電変換素子に熱が伝達される際に基板内に熱が拡散してしまって、熱電変換素子への熱伝達が遅延する可能性がある。それに伴って、赤外線検出器の応答速度が遅くなる可能性がある。このように、特許文献１の赤外線吸収体に限らず、基板上に赤外線吸収構造が設けられた赤外線吸収体を用いた赤外線検出器では、基板内への熱拡散により、熱電変換素子への熱伝達の遅延が生じ、応答速度が遅くなる可能性がある。
　本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、応答速度の優れた赤外線検出器および赤外線検出器を備えたガスセンサを提供することを目的とする。
　本発明の赤外線検出器は、基板と、前記基板上に設けられ、赤外線を吸収して熱を発する赤外線吸収体と、前記基板と前記赤外線吸収体との間に設けられ、前記赤外線吸収体からの熱を電気量に変換する熱電変換層とを備える赤外線検出器であって、前記赤外線検出器が、前記基板と前記熱電変換層との間に設けられ、前記基板と前記熱電変換層との間の熱伝導を抑制する熱伝導抑制層と、前記熱電変換層と前記赤外線吸収体との間に設けられ、前記熱電変換層と前記赤外線吸収体との間を電気的に絶縁する絶縁層とをさらに備えることを特徴とする。
　本発明のガスセンサは、前記赤外線検出器を備えることを特徴とする。
本発明の一実施形態に係る赤外線検出器を備えるガスセンサを含むガス検知器の模式図である。 本発明の一実施形態に係る赤外線検出器の断面構造を模式的に示す断面図である。 実施例の赤外線検出器により得られた赤外線検出信号の変化を示すグラフである。 比較例の赤外線検出器により得られた赤外線検出信号の変化を示すグラフである。
　以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る赤外線検出器および赤外線検出器を備えるガスセンサを説明する。ただし、以下の実施形態は一例にすぎず、本発明の赤外線検出器およびガスセンサは以下の実施形態に限定されるものではない。
　本実施形態の赤外線検出器１は、赤外線を検出し、赤外線の強度を測定することが可能な検出器である。赤外線検出器１は、赤外線を検出する必要のある様々な用途に適用可能である。以下では、図１に示されるように、赤外線検出器１を、ガス検知器Ｍに備えられるガスセンサＮの検出器に適用した例を挙げて説明する。ただし、赤外線検出器１は、ガスセンサに限定されることはなく、赤外線撮像装置の検出器としてなど、他の用途にも適用可能である。
　本実施形態の赤外線検出器１が適用されるガス検知器Ｍは、検知対象ガスを検知するために用いられる。ガス検知器Ｍが検知の対象とする検知対象ガスとしては、特に限定されることはなく、たとえば、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、ブタン、イソブタン、水、アンモニア、二酸化硫黄、三酸化硫黄、硫化水素、亜酸化窒素、アセトン、オゾン、六フッ化硫黄、オクタフルオロシクロペンテン、ヘキサフルオロ１、３ブタジエンなど、赤外線の波長領域において吸収ピークを有するガスが例示される。
　ガス検知器Ｍは、図１に示されるように、検知対象ガスを検知するガスセンサＮを備えている。ガス検知器Ｍは、任意で、ガスセンサＮを操作するための操作部Ｍ１（たとえば操作ボタンなど）と、ガスセンサＮにより得られる検知結果を表示する表示部Ｍ２（たとえば液晶ディスプレイなど）とを備えている。ガス検知器Ｍは、内部バッテリまたは外部電源などの図示しない電源から電力が供給されて作動する。
　ガスセンサＮは、赤外線Ｌを検知対象ガスに照射して、検知対象ガスによって吸収された赤外線の吸収強度（減衰強度）を測定することで、検知対象ガスを検知する。ガスセンサＮは、たとえば、公知の非分散型赤外線分析（ＮＤＩＲ）式として構成することができる。ガスセンサＮは、本実施形態では、図１に示されるように、内部空間Ｖを有する筐体Ｎ１と、筐体Ｎ１の内部に赤外線Ｌを放射する赤外線光源Ｎ２と、赤外線光源Ｎ２からの赤外線Ｌを反射する反射構造体Ｎ３と、赤外線Ｌを検出する赤外線検出器１と、赤外線光源Ｎ２および赤外線検出器１を制御する回路部Ｎ４とを備えている。ガスセンサＮは、赤外線光源Ｎ２、反射構造体Ｎ３、赤外線検出器１および回路部Ｎ４が筐体Ｎ１に一体となって設けられ、単体として取扱い可能なモジュールを形成している。しかし、ガスセンサＮは、たとえば回路部Ｎ４が筐体Ｎ１とは別に設けられてもよく、その構成は図示された例に限定されない。
　筐体Ｎ１は、本実施形態では、赤外線光源Ｎ２、反射構造体Ｎ３、赤外線検出器１および回路部Ｎ４を収容し、内部空間Ｖに検知対象ガスが供給される部材である。筐体Ｎ１は、図１に示されるように、赤外線光源Ｎ２と赤外線検出器１とを結ぶ方向（図１中、左右方向）に延びる筒状に形成され、その内部に内部空間Ｖが設けられる。また、筐体Ｎ１は、内部空間Ｖ内に検知対象ガスを導入するガス導入部（図示せず）と、内部空間Ｖから検知対象ガスを排出するガス排出部（図示せず）とを備えている。筐体Ｎ１では、ガス導入部から検知対象ガスが導入されて、内部空間Ｖ内に検知対象ガスが供給されて、ガス排出部から検知対象ガスが排出される。筐体Ｎ１は、特に限定されることはなく、たとえば樹脂材料などにより形成される。筐体Ｎ１は、本実施形態では一方向に延びる筒状に形成されているが、略直方体形状など他の形状に形成されてもよい。
　赤外線光源Ｎ２は、検知対象ガスを検知するために利用可能な赤外線Ｌを放射する。赤外線光源Ｎ２により放射される赤外線Ｌは、少なくとも検知対象ガスの吸収スペクトルにおける吸収ピークの波長を有する光を含んでいればよく、その波長の単色光であっても、その波長を含む広い波長範囲の光であってもよい。赤外線光源Ｎ２は、図１に示されるように、回路部Ｎ４に通信可能に接続されて、回路部Ｎ４によってその出力が制御される。赤外線光源Ｎ２としては、特に限定されることはなく、公知の発光ダイオード（ＬＥＤ）や赤外線ランプなどを採用することができる。赤外線光源Ｎ２は、たとえば、連続光やパルス光を放射する。なお、赤外線光源Ｎ２は、少なくとも赤外線を放射することができればよく、放射する光に赤外線以外の波長域の光が含まれていても構わない。
　反射構造体Ｎ３は、筐体Ｎ１の内部空間Ｖ内において、赤外線光源Ｎ２から放射された赤外線Ｌ、または他の反射構造体Ｎ３の部分から反射された赤外線Ｌを反射して、さらに他の反射構造体Ｎ３の部分、または赤外線検出器１に赤外線Ｌを導く。反射構造体Ｎ３は、本実施形態では、図１に示されるように、内部空間Ｖに隣接する筐体Ｎ１の内面に設けられる。反射構造体Ｎ３としては、特に限定されることはなく、公知の反射鏡などを採用することができる。
　回路部Ｎ４は、図１に示されるように、赤外線光源Ｎ２および赤外線検出器１に通信可能に接続され、赤外線光源Ｎ２および赤外線検出器１を制御する。また、回路部Ｎ４は、赤外線光源Ｎ２から放射された赤外線Ｌの強度と、赤外線検出器１により測定された赤外線Ｌの強度とを比較することで、検知対象ガスの有無を判定し、あるいは検知対象ガスの濃度を算出する。回路部Ｎ４は、たとえば公知の中央演算処理装置（ＣＰＵ）により構成することができる。
　赤外線検出器１は、赤外線Ｌを検出して、赤外線Ｌの強度を測定する。赤外線検出器１は、図１に示されるように、赤外線光源Ｎ２から放射されて筐体Ｎ１の内部空間Ｖ内を伝搬した後の赤外線Ｌを検出する。赤外線検出器１は、赤外線光源Ｎ２から放射された赤外線Ｌ、および／または反射構造体Ｎ３から反射された赤外線Ｌを検出するように位置合わせされる。赤外線検出器１は、以下で詳しく述べるように、赤外線Ｌが照射されて、吸収した赤外線Ｌに対応した電圧などの電気量を出力する。赤外線検出器１は、回路部Ｎ４に通信可能に接続されて、出力した電気量を回路部Ｎ４に送信する。
　赤外線検出器１は、図２に示されるように、基板２と、基板２上に設けられ、赤外線Ｌを吸収して熱を発する赤外線吸収体３と、基板２と赤外線吸収体３との間に設けられ、赤外線吸収体３からの熱を電気量に変換する熱電変換層４とを備えている。赤外線検出器１は、赤外線吸収体３に赤外線Ｌが照射された際に、赤外線吸収体３が赤外線を吸収して熱を発し、その熱が赤外線吸収体３から熱電変換層４に移動し、熱電変換層４がその熱を電気量に変換し、その電気量に基づいて赤外線Ｌを検出し、赤外線Ｌの強度を測定する。
　基板２は、赤外線吸収体３、熱電変換層４、および以下で説明する追加の層を含む積層構造を支持する。基板２は、この積層構造を支持することができれば、特に限定されることはなく、半導体材料、誘電体材料、または金属材料により構成することができる。たとえば、基板２としては、シリコン基板、サファイア基板、またはガラス基板を採用することができる。基板２の厚さについては、特に限定されることはないが、強度の観点から、たとえば０．３ｍｍ以上、好ましくは０．５ｍｍ以上、さらに好ましくは０．７ｍｍ以上、よりさらに好ましくは０．９ｍｍ以上に設定され、取り扱い容易性の観点から、たとえば２．０ｍｍ以下、好ましくは１．８ｍｍ以下、さらに好ましくは１．６ｍｍ以下、よりさらに好ましくは１．４ｍｍ以下に設定される。
　赤外線吸収体３は、赤外線を吸収して熱を発することができれば、その構造は特に限定されない。本実施形態では、赤外線吸収体３は、図２に示されるように、赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせ得る金属微細構造層３１と、金属微細構造層３１の下層に設けられる誘電体層３２と、金属微細構造層３１との間で誘電体層３２を挟み込むように誘電体層３２の下層に設けられる金属層３３とを備えている。赤外線吸収体３では、赤外線が照射されたときに、局在表面プラズモン共鳴が生じ、赤外線の吸収率が増加する。特に、赤外線吸収体３では、誘電体層３２を介して金属微細構造層３１と金属層３３とが積層されることで、局在表面プラズモン共鳴が増強される。これは、赤外線が照射されて局在表面プラズモン共鳴が生じたときに、金属微細構造層３１と金属層３３との間に積層された誘電体層３２内に強い電場が局在することになり、局在した電場の影響を受けて局在表面プラズモン共鳴が増強されるためだと考えられる。なお、赤外線吸収体３は、図示されるように、金属微細構造層３１、誘電体層３２および金属層３３のそれぞれの層間に密着性を確保するなどの目的のためにクロム（Ｃｒ）やチタン（Ｔｉ）などの接着層Ａ１が設けられてもよい（図示された例では、誘電体層３２と金属層３３との間にのみ設けられている）。
　金属微細構造層３１は、共鳴条件を満たす赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせ得る層である。金属微細構造層３１に赤外線が照射されると、金属微細構造層３１の表面において自由電子のプラズモン振動が励起され、金属微細構造層３１内で自由電子の粗密が生じることで、金属微細構造層３１に分極状態が生じる。照射される赤外線の波長と金属微細構造層３１の誘電率とが互いに共鳴条件を満足するとき、赤外線によって金属微細構造層３１に生じる分極が非常に大きくなって、金属微細構造層３１に局在表面プラズモン共鳴が生じる。赤外線吸収体３は、金属微細構造層３１において局在表面プラズモン共鳴が生じることによって、共鳴条件を満たす赤外線の吸収率が高くなる。金属微細構造層３１は、照射される赤外線により局在表面プラズモン共鳴を生じさせることができれば、その形成方法は特に限定されることはなく、たとえば公知の半導体製造技術、具体的にはフォトリソグラフィーにより形成することができる。
　金属微細構造層３１は、局在表面プラズモン共鳴を生じさせることができれば、その構造は特に限定されない。金属微細構造層３１は、たとえば、複数の島状の金属体が２次元に分散配置されたナノディスクアレイ構造を有していてもよいし、金属層に複数の孔が２次元に分散配置されたナノホールアレイ構造を有していてもよい。金属微細構造層３１は、本実施形態では、図２に示されるように、基板２の表面に対して垂直方向の上から見たときに略円形である略円板状の複数の金属微細構造体３１ａを備えている。複数の金属微細構造体３１ａのそれぞれは、誘電体層３２上で、互いに間隔を空けて配列されている。
　金属微細構造体３１ａの形状および大きさは、特に限定されることはなく、赤外線を照射されたときに金属微細構造体３１ａに局在表面プラズモン共鳴を生じさせるように適宜設定することができる。たとえば形状に関しては、金属微細構造体３１ａの形状に応じて局在表面プラズモン共鳴を生じさせる赤外線の波長が変化する。金属微細構造体３１ａの形状を、たとえば棒状や板状とすることで、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる赤外線の波長が長波長側にシフトする。したがって、金属微細構造体３１ａは、局在表面プラズモン共鳴を生じさようとする赤外線の波長に応じて、本実施形態のように略円板状や、その他にも略矩形板状、略半球状、略棒状など任意の形状を選択することができる。また、たとえば大きさに関しては、金属微細構造体３１ａの大きさに応じて局在表面プラズモン共鳴を生じさせる赤外線の波長が変化する。金属微細構造体３１ａが大きくなると（たとえば金属微細構造体３１ａの直径が大きくなると）、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる赤外線の波長が長波長側にシフトする。したがって、金属微細構造体３１ａは、局在表面プラズモン共鳴を生じさせようとする赤外線の波長に応じて、その大きさを適宜選択することができる。
　金属微細構造体３１ａは、特に限定されないが、たとえば後述するように誘電体層３２が有機高分子材料を含む場合に、有機高分子材料に含まれる分子結合の振動に起因した赤外線の吸収強度を高めるという観点から、たとえば１０００ｎｍ以上、５０００ｎｍ以下の直径を有し、その中でも、１０００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下の直径を有することが好ましく、１０００ｎｍ以上、１８００ｎｍ以下の直径を有することがさらに好ましく、１０００ｎｍ以上、１６００ｎｍ以下の直径を有することがよりさらに好ましい。
　金属微細構造層３１は、照射される赤外線により局在表面プラズモン共鳴を生じさせることができればよく、その膜厚は特に限定されない。金属微細構造層３１の膜厚は、局在表面プラズモン共鳴を増強させるという観点から、１０～２００ｎｍであることが好ましく、３０～１００ｎｍであることがさらに好ましく、３５ｎｍ～７５ｎｍであることがよりさらに好ましく、４０ｎｍ～７０ｎｍであることが最も好ましい。
　金属微細構造層３１は、照射される赤外線により局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属により構成されていれば、その構成金属は特に限定されない。金属微細構造層３１は、たとえば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）からなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成される。金属微細構造層３１は、表面の化学的安定性の観点および局在表面プラズモン共鳴による赤外線の吸収率を高めるという観点から、たとえば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）からなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成されることが好ましい。表面の化学的安定性の観点からは、金（Ａｕ）が好ましく、局在表面プラズモン共鳴による赤外線の吸収率を高めるという観点からは、銀（Ａｇ）が好ましい。
　誘電体層３２は、図２に示されるように、金属微細構造層３１と金属層３３との間に積層されて、金属微細構造層３１に局在表面プラズモン共鳴が生じた際に電場が局在し得る層である。誘電体層３２は、金属層３３の表面内で連続した膜として形成される。誘電体層３２は、特に限定されることなく、抵抗加熱蒸着、スパッタリング、電子ビーム蒸着、スピンコートなど、公知の成膜手法により形成することができる。
　誘電体層３２は、金属微細構造層３１と金属層３３との間に積層されて、金属微細構造層３１に局在表面プラズモン共鳴を生じさせることができれば、その構成材料は、特に限定されることはない。誘電体層３２は、たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ2など）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3など）、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4など）、シリコン（Ｓｉ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2など）、酸化チタン（ＴｉＯ2など）からなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成することができる。誘電体層３２は、金属微細構造層３１で生じる局在表面プラズモンの消失を抑制するという観点から、酸化シリコン（ＳｉＯ2など）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3など）、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4など）からなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成されることが好ましい。
　上述した無機系材料を含む誘電体層３２の膜厚は、特に限定されることはないが、金属微細構造層３１で生じる局在表面プラズモンが金属層３３により影響を受けて消失するのを抑制するという観点から、１０ｎｍ以上であることが好ましく、２０ｎｍ以上であることがさらに好ましく、３０ｎｍ以上であることがよりさらに好ましく、５０ｎｍ以上であることが最も好ましい。また、誘電体層３２の膜厚は、金属微細構造層３１により生じる局在表面プラズモン共鳴を増強し、それによって赤外線の吸収率を向上させるという観点から、２００ｎｍ以下であることが好ましく、１５０ｎｍ以下であることがさらに好ましく、１００ｎｍ以下であることがよりさらに好ましく、８０ｎｍ以下であることが最も好ましい。
　誘電体層３２は、以上に述べた材料以外にも、赤外線を吸収して振動が励起され得る分子結合を有する有機高分子材料を含んでいてもよい。それにより、赤外線吸収体３に赤外線が照射された際に、分子振動の励起に起因した赤外線の吸収が生じる。有機高分子材料に含まれる分子結合の振動の励起に起因した吸収ピーク（たとえばＣ＝Ｏ結合の振動に起因した吸収ピーク）の波長幅は、局在表面プラズモン共鳴に起因した吸収ピークの波長幅に比べて小さい。したがって、この分子振動の励起に起因した吸収ピークを利用することで、狭帯域の赤外線吸収特性を実現することができる。
　また、分子振動の励起に起因した吸収と同時に局在表面プラズモン共鳴に起因した吸収が生じることで、分子振動の励起に起因した吸収による赤外線の吸収率が大きくなる。したがって、赤外線吸収体３は、金属微細構造層３１と金属層３３との間に有機高分子材料を含む誘電体層３２を積層することで、狭い波長幅の赤外線を高い吸収率で吸収することができる。特に、局在表面プラズモン共鳴に起因した吸収ピークの波長が、分子振動の励起に起因した吸収ピークの波長に近いほど、分子振動の励起に起因した吸収による赤外線の吸収率が大きくなる。これは、誘電体層３２における分子振動と金属微細構造層３１における局在表面プラズモン共鳴とが強結合することによるものと考えられる。分子振動に起因した吸収ピークの強度を増強し、その吸収ピークの波長域の赤外線の吸収率を増大させるという観点から、局在表面プラズモン共鳴に起因した吸収ピークの波長を、分子振動に起因した吸収ピークの波長に近くなるように設定することが好ましい。たとえば、局在表面プラズモン共鳴に起因した吸収ピークの波長は、分子振動に起因した吸収ピークの波長の±３μｍの範囲であることが好ましく、±２μｍの範囲であることがさらに好ましく、±１μｍの範囲であることがよりさらに好ましい。
　誘電体層３２に含まれる有機高分子材料としては、赤外線を吸収して振動が励起され得る分子結合を有していればよく、特に限定されることはない。有機高分子材料は、赤外性吸収体３が赤外線を吸収して熱を発する際に、その熱に耐え得る耐熱性を有する耐熱性有機高分子材料であることが好ましい。ここでいう耐熱性とは、加熱されても大きく変性することがないことを意味し、たとえば、耐熱性有機高分子材料を、少なくとも１００～２００℃の範囲で、好ましくは２００～３００℃の範囲で、さらに好ましくは３００～４００℃の範囲で、よりさらに好ましくは４００～５００℃の範囲で加熱しても、赤外線を吸収して振動が励起され得る分子結合が、加熱前と比べて、少なくとも６０％以上、好ましくは７０％以上、さらに好ましくは８０％以上、よりさらに好ましくは９０％以上残存する性質を意味する。
　耐熱性有機高分子材料としては、耐熱性を有し、赤外線を吸収して振動が励起され得る分子結合を有していればよく、特に限定されることはないが、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性エラストマー樹脂、メラミン樹脂、フッ素樹脂および尿素樹脂からなる群から選択される１種または２種以上を含むことが好ましい。耐熱性有機高分子材料は、局在表面プラズモン共鳴をより増強し、分子振動をより増強するという観点から、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂および熱硬化性エラストマー樹脂からなる群から選択される１種または２種以上を含むことがさらに好ましい。
　有機高分子材料を含む誘電体層３２の膜厚は、特に限定されることはないが、誘電体層３２に含まれる分子結合の振動を励起することによる赤外線の吸収強度を高める観点から、５０ｎｍ以上が好ましく、１００ｎｍ以上がさらに好ましく、２００ｎｍ以上がよりさらに好ましい。また、誘電体層３２の膜厚は、局在表面プラズモン共鳴をより増強して、誘電体層３２に含まれる分子結合の分子振動をより増強するという観点から、６００ｎｍ以下が好ましく、５００ｎｍ以下がさらに好ましく、４００ｎｍ以下がよりさらに好ましい。
　金属層３３は、誘電体層３２を介して金属微細構造層３１と積層されることで、金属微細構造層３１で生じる局在表面プラズモン共鳴を増強させる。金属層３３は、少なくとも金属成分を含み、導電性を有する層として形成される。金属層３３は、本実施形態では、図２に示されるように、誘電体層３２の下層に連続した膜として形成される。金属層３３は、局在表面プラズモン共鳴を増強させることができれば、特に限定されることはなく、抵抗加熱蒸着、スパッタリング、電子ビーム蒸着など、公知の成膜手法により形成することができる。
　金属層３３は、局在表面プラズモン共鳴を増強させることができればよく、その膜厚は特に限定されない。金属層３３は、赤外線を反射させるとともに、赤外線の透過を抑制するという観点から、赤外線反射率が赤外線透過率よりも高くなるように構成されることが好ましい。金属層３３の膜厚は、赤外線を反射させるとともに、赤外線の透過を抑制するという観点から、たとえば、１００ｎｍ以上が好ましく、１５０ｎｍ以上がより好ましく、２００ｎｍ以上がよりさらに好ましい。また、金属層３３の膜厚は、均一性の観点から、１０００ｎｍ以下が好ましく、６００ｎｍ以下がさらに好ましく、４００ｎｍ以下がよりさらに好ましい。
　金属層３３は、局在表面プラズモン共鳴を増強させることができればよく、その構成材料は特に限定されない。金属層３３は、たとえば、赤外線に対する反射率の高い金属により構成されることが好ましく、その観点から、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）からなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成されることが好ましい。また、金属層３３としては、たとえばスズ（Ｓｎ）およびインジウム（Ｉｎ）という金属成分を含む酸化スズインジウム（ＩＴＯ）などを採用することもできる。金属層３３は、表面の化学的安定性の観点から、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）からなる群から選択される１種または２種以上を含んで構成されることがさらに好ましい。表面の化学的安定性の観点からは、金（Ａｕ）が最も好ましい。
　熱電変換層４は、赤外線吸収体３からの熱伝導が可能に配置され、赤外線吸収体３から伝導した熱の熱量を電気量に変換する層である。変換される電気量は、電圧、電流、抵抗値、静電容量など、電気信号として出力可能な電気に関連する量である。赤外線検出器１は、熱電変換層４が基板２と赤外線吸収体３との間に設けられ、基板２を介在することなく赤外線吸収体３に近接して設けられることで、基板の、赤外線吸収体が設けられる側とは反対側に熱電変換層が設けられる場合と比べて、吸収された赤外線の電気量への変換の応答速度が改善される。本実施形態では、熱電変換層４は、基板２と赤外線吸収体３との間に連続した膜として形成される。熱電変換層４は、特に限定されることなく、抵抗加熱蒸着、スパッタリング、電子ビーム蒸着、スピンコートなど、公知の成膜手法により形成することができる。
　熱電変換層４は、赤外線吸収体３からの熱を電気量に変換することができれば、特に限定されることはなく、公知の熱電材料を用いて形成することができる。使用可能な熱電材料としては、たとえば、Ｂｉ2Ｔｅ3、ＰｂＴｅなどのテルル化合物系、ＮａＣｏ2Ｏ4、ＣａＣｏＯ3などの金属酸化物系、ＳｉＧｅ、β－ＦｅＳｉ2などのシリコン化合物、ＺｎＳｂ、ｌｎＳｂ、Ｚｎ4Ｓｂ3などのアンチモン化合物、コンスタンタン、クロメル、アルメル、白金ロジウムなどの合金や、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔａなどの金属を例示することができる。本実施形態では、熱電変換層４は、図２に示されるように、クロメル電極４１およびアルメル電極４２により形成した熱電対として構成される。熱電変換層４は、熱伝導抑制層５上でクロメル電極４１およびアルメル電極４２が互いに重なるように形成され、この重なり部分の上層に絶縁層６が形成される。熱電対として構成される熱電変換層４は、赤外線吸収体３から伝導した熱により生じる起電力（電圧）を電気量として出力する。
　熱電変換層４は、赤外線吸収体３からの熱を電気量に変換することができればよく、その膜厚は特に限定されない。熱電変換層４の膜厚は、熱電変換効率を高める観点から、たとえば、１００ｎｍ以上が好ましく、１５０ｎｍ以上がさらに好ましく、２００ｎｍ以上がよりさらに好ましい。また、熱電変換層４の膜厚は、均一性の観点から、１０００ｎｍ以下が好ましく、６００ｎｍ以下がさらに好ましく、４００ｎｍ以下がよりさらに好ましい。
　赤外線検出器１は、図２に示されるように、上述した基板２、赤外線吸収体３および熱電変換層４に加えて、基板２と熱電変換層４との間に設けられる熱伝導抑制層５と、熱電変換層４と赤外線吸収体３との間に設けられる絶縁層６とをさらに備えている。つまり、赤外線検出器１は、基板２の上層に熱伝導抑制層５が設けられ、熱伝導抑制層５の上層に熱電変換層４が設けられ、熱電変換層４の上層に絶縁層６が設けられ、絶縁層６の上層に赤外線吸収体３が設けられている。ただし、赤外線検出器１は、図示されるように、それぞれの層間の密着性を確保するなどの目的のために、それぞれの層間にクロム（Ｃｒ）やチタン（Ｔｉ）などの接着層Ａ２が設けられてもよい（図示された例では、赤外線吸収体３と絶縁層６との間にのみ設けられている）。
　熱伝導抑制層５は、基板２と熱電変換層４との間の熱伝導を抑制する層である。赤外線検出器１は、熱伝導抑制層５により基板２と熱電変換層４との間の熱伝導を抑制することにより、熱電変換層４に伝達される熱が基板２に拡散するのを抑制することができる。それによって、赤外線吸収体３から熱電変換層４に伝達された熱をより正確に電気量に変換することができ、吸収された赤外線の電気量への変換において高い応答速度を得ることができる。
　熱伝導抑制層５は、基板２と熱電変換層４との間の熱伝導を抑制することができれば、特に限定されることはなく、公知の低熱伝導率材料により形成することができる。低熱伝導率材料としては、２０℃における熱伝導率が０．８Ｗ／ｍ・Ｋ以下、好ましくは０．６Ｗ／ｍ・Ｋ以下、より好ましくは０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以下、よりさらに好ましくは０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料を用いることができる。そのような低熱伝導率材料として、耐熱性有機高分子材料が例示され、熱伝導抑制層５は、耐熱性有機高分子材料を含むことが好ましい。耐熱性有機高分子材料としては、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性エラストマー樹脂、メラミン樹脂、フッ素樹脂および尿素樹脂からなる群から選択される１種または２種以上が例示される。
　熱伝導抑制層５は、基板２と熱電変換層４との間の熱伝導を抑制することができればよく、その膜厚は特に限定されない。熱伝導抑制層５の膜厚は、熱伝導をより抑制するという観点から、２００ｎｍ以上が好ましく、４００ｎｍ以上がさらに好ましく、５００ｎｍ以上がよりさらに好ましい。熱伝導抑制層５の膜厚は、熱伝導抑制層５の均一性の観点から、５０００ｎｍ以下が好ましく、３０００ｎｍ以下がさらに好ましく、１０００ｎｍ以下がよりさらに好ましい。
　絶縁層６は、熱電変換層４と赤外線吸収体３との間を電気的に絶縁する層である。赤外線検出器１は、絶縁層６により熱電変換層４と赤外線吸収体３との間を電気的に絶縁することで、熱電変換層４と赤外線吸収体３との間で電流が流れるのを抑制して、熱電変換層４で変換した電気量をより正確に出力することができる。特に、本実施形態のように、赤外線吸収体３に局在表面プラズモン共鳴を生じさせる構造を採用している場合には、熱電変換層４と赤外線吸収体３との間で電流が流れるのを抑制することで、局在表面プラズモン共鳴の減衰を抑制することができる。
　絶縁層６は、熱電変換層４と赤外線吸収体３との間を電気的に絶縁することができれば、特に限定されることはなく、公知の高抵抗材料により形成することができる。高抵抗材料としては、体積抵抗率が１０6Ω・ｃｍ以上、好ましくは１０9Ω・ｃｍ以上、さらに好ましくは１０11Ω・ｃｍ以上、よりさらに好ましくは１０13Ω・ｃｍ以上の材料を用いることができる。絶縁層６は、熱電変換層４と赤外線吸収体３との間の絶縁性を担保しつつ、赤外線吸収体３から熱電変換層４への熱伝導を阻害しない材料により形成されることが好ましい。そのような観点から、絶縁層６は、たとえば上述した熱伝導抑制層５よりも熱伝導率の高い材料により形成されることが好ましく、より具体的には、無機（電気）絶縁材料を含むことが好ましい。無機絶縁材料としては、たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ2など）、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4など）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3など）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2など）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2など）、酸化チタン（ＴｉＯ2など）からなる群から選択される１種または２種以上が例示される。
　絶縁層６は、熱電変換層４と赤外線吸収体３との間を電気的に絶縁することができればよく、その膜厚は特に限定されない。絶縁層６の膜厚は、絶縁性の観点から、１０ｎｍ以上が好ましく、３０ｎｍ以上がさらに好ましく、５０ｎｍ以上がよりさらに好ましい。また、絶縁層６の膜厚は、熱伝導性の観点から、２００ｎｍ以下が好ましく、１５０ｎｍ以下がさらに好ましく、１００ｎｍ以下がよりさらに好ましい。
　以上において、本発明の一実施形態に係る赤外線検出器および赤外線検出器を備えたガスセンサを説明した。しかし、本発明の赤外線検出器および赤外線検出器を備えたガスセンサは、上述した実施形態に限定されない。上述した実施形態は、主に、以下の構成を有する発明を説明するものである。
　（１）基板と、前記基板上に設けられ、赤外線を吸収して熱を発する赤外線吸収体と、前記基板と前記赤外線吸収体との間に設けられ、前記赤外線吸収体からの熱を電気量に変換する熱電変換層とを備える赤外線検出器であって、前記赤外線検出器が、前記基板と前記熱電変換層との間に設けられ、前記基板と前記熱電変換層との間の熱伝導を抑制する熱伝導抑制層と、前記熱電変換層と前記赤外線吸収体との間に設けられ、前記熱電変換層と前記赤外線吸収体との間を電気的に絶縁する絶縁層とをさらに備える、赤外線検出器。
　（１）の構成によれば、基板と熱電変換層との間の熱伝導を抑制することにより、熱電変換層に伝達される熱が基板に拡散するのを抑制することができ、それによって、赤外線吸収体から熱電変換層に伝達された熱をより正確に電気量に変換することができ、吸収された赤外線の電気量への変換において高い応答速度を得ることができる。
　（２）前記赤外線吸収体が、前記赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせ得る金属微細構造層と、前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層とを備える、（１）に記載の赤外線検出器。
　（２）の構成によれば、赤外線が照射されたときに、局在表面プラズモン共鳴を生じさせるとともにその局在表面プラズモン共鳴を増強させることで、赤外線の吸収率を増加させることができる。
　（３）前記熱伝導抑制層が、耐熱性有機高分子材料を含む、（１）または（２）に記載の赤外線検出器。
　（３）の構成によれば、熱伝導抑制層の耐熱性を高め、基板と熱電変換層との間の熱伝導をさらに抑制することができ、それによって、吸収された赤外線の電気量への変換の応答速度をさらに改善することができる。
　（４）前記熱伝導抑制層が、５００ｎｍ以上、５０００ｎｍ以下の膜厚を有する、（１）～（３）のいずれかに記載の赤外線検出器。
　（４）の構成によれば、基板と熱電変換層との間の熱伝導をさらに抑制することができ、それによって、吸収された赤外線の電気量への変換の応答速度をさらに改善することができる。
　（５）前記絶縁層が、無機絶縁材料を含む、（１）～（４）のいずれかに記載の赤外線検出器。
　（５）の構成によれば、熱電変換層と赤外線発光体との間を電気的に絶縁することにより、熱電変換層と赤外線吸収体との間で電流が流れるのを抑制して、熱電変換層で変換した電気量をより正確に出力することができるとともに、赤外線吸収体から熱電変換層への熱伝導を促進する（または熱伝導の低下を抑制する）ことにより、吸収された赤外線の電気量への変換の応答速度をさらに改善することができる。
　（６）前記絶縁層が、５０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の膜厚を有する、（１）～（５）のいずれかに記載の赤外線検出器。
　（６）の構成によれば、熱電変換層と赤外線吸収体との間で電流が流れるのをさらに抑制して、熱電変換層で変換した電気量をさらに正確に出力することができる。
　（７）（１）～（６）のいずれかに記載の赤外線検出器を備えたガスセンサ。
　（７）の構成によれば、高い応答速度で検知対象ガスを検知することができる。
　以下、実施例をもとに、本実施形態の赤外線検出器を説明する。ただし、本発明の赤外線検出器は、以下の実施例に限定されることはない。
（赤外線検出器）
　実施例の赤外線検出器として、図２に示される赤外線検出器１を作製した。作製した赤外線検出器１の各構成要素の作製条件は、以下の通りであった。
赤外線吸収体３：
　金属微細構造層３１：Ａｕ（構成材料）、１０００ｎｍ（金属微細構造体３１ａの直径）、５０ｎｍ（膜厚）、電子線リソグラフィー＋抵抗加熱蒸着（成膜方法）
　誘電体層３２：ＳｉＯ2（構成材料）、１００ｎｍ（膜厚）、電子ビーム蒸着（成膜方法）
　接着層Ａ１：Ｃｒ（構成材料）、５ｎｍ（膜厚）、抵抗加熱蒸着（成膜方法）
　金属層３３：Ａｕ（構成材料）、２００ｎｍ（膜厚）、抵抗加熱蒸着（成膜方法）
接着層Ａ２：Ｃｒ（構成材料）、５ｎｍ（膜厚）、抵抗加熱蒸着（成膜方法）
絶縁層６：ＳｉＯ2（構成材料）、６０ｎｍ（膜厚）、電子ビーム蒸着（成膜方法）
熱電変換層４：クロメル（クロメル電極４１用材料）およびアルメル（アルメル電極４２用材料）、２００ｎｍ（膜厚）、電子ビーム蒸着（成膜方法）
熱伝導抑制層５：ポリイミド樹脂（真空重合法で作製したポリイミド樹脂、または株式会社ＩＳＴ製Ｐｙｒｅ－Ｍ．Ｌ．）（構成材料）、３０００ｎｍ（膜厚）、スピンコート（成膜方法）
基板２：シリコン基板（厚さ：０．７ｍｍ）
　比較例の赤外線検出器として、熱電変換素子の上に基板を配置し、基板の上に接着層を介して赤外線吸収体を配置した赤外線検出器を作製した。作製した赤外線検出器の基板、接着層および赤外線吸収体としては、実施例の赤外線検出器の基板２、接着層Ａ２および赤外線吸収体３と同じものを用いた。熱電変換素子としては、実施例の赤外線検出器の熱電変換層４と同様に、クロメル－アルメル熱電対を用いた。比較例では、基板の、赤外線吸収体が設けられる側とは反対側に、実施例と同様に、互いに重ね合わされる部分を有するようにクロメル電極およびアルメル電極を電子ビーム蒸着により形成した。
（赤外線検出器の応答特性）
　実施例の赤外線検出器１に赤外線を照射したときに熱電変換層４に生じた起電力（電圧）を測定した結果を図３に示す。用いた赤外線は、タングステンフィラメント型光源から放射された広い波長領域の赤外線を含む熱放射赤外線で、その放射強度は、１．０ｍＷ／ｓｒであった。赤外線は、赤外線検出器１の表面に対して略垂直に照射した。熱電変換層４に生じた起電力は、ポテンショスタットによって測定した。図３は、メカニカル光学シャッターによって５秒毎に赤外線をＯＮ／ＯＦＦしたときに熱電変換層４に生じた起電力（電圧）の変化を示している。図３を参照すると、赤外線のＯＮ／ＯＦＦに対応して電圧が変化していることから、赤外線検出器１では、赤外線を吸収することによって熱が発生し、その熱によって熱電変換層４に起電力が発生していることが分かる。特に、図３では、赤外線のＯＮ／ＯＦＦのタイミングにおいて電圧が急激に変化しており、赤外線をＯＮ／ＯＦＦしてから約０．３秒程度で安定した電圧を示している。それに対して、同じ条件で測定した比較例の赤外線検出器の応答特性を示す図４を参照すると、赤外線をＯＮ／ＯＦＦしてから電圧が緩やかに変化して約２０秒以上経過してようやく所定の電圧まで達している。このことから、本実施形態の赤外線検出器１では、比較例の赤外線検出器と比べて、高い応答速度が得られていることが分かる。
　１　赤外線検出器
　２　基板
　３　赤外線吸収体
　３１　金属微細構造層
　３１ａ　金属微細構造体
　３２　誘電体層
　３３　金属層
　４　熱電変換層
　４１　クロメル電極
　４２　アルメル電極
　５　熱伝導抑制層
　６　絶縁層
　Ａ１、Ａ２　接着層
　Ｌ　赤外線
　Ｍ　ガス検知器
　Ｍ１　操作部
　Ｍ２　表示部
　Ｎ　ガスセンサ
　Ｎ１　筐体
　Ｎ２　赤外線光源
　Ｎ３　反射構造体
　Ｎ４　回路部
　Ｖ　内部空間

Claims (7)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられ、赤外線を吸収して熱を発する赤外線吸収体と、
    前記基板と前記赤外線吸収体との間に設けられ、前記赤外線吸収体からの熱を電気量に変換する熱電変換層と
    を備える赤外線検出器であって、
    前記赤外線検出器が、
    前記基板と前記熱電変換層との間に設けられ、前記基板と前記熱電変換層との間の熱伝導を抑制する熱伝導抑制層と、
    前記熱電変換層と前記赤外線吸収体との間に設けられ、前記熱電変換層と前記赤外線吸収体との間を電気的に絶縁する絶縁層と
    をさらに備える、
    赤外線検出器。
  2. 前記赤外線吸収体が、
    前記赤外線を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせ得る金属微細構造層と、
    前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、
    前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層と
    を備える、
    請求項１に記載の赤外線検出器。
  3. 前記熱伝導抑制層が、耐熱性有機高分子材料を含む、
    請求項１または２に記載の赤外線検出器。
  4. 前記熱伝導抑制層が、５００ｎｍ以上、５０００ｎｍ以下の膜厚を有する、
    請求項１～３のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  5. 前記絶縁層が、無機絶縁材料を含む、
    請求項１～４のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  6. 前記絶縁層が、５０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の膜厚を有する、
    請求項１～５のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の赤外線検出器を備えたガスセンサ。
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