紅外線檢測元件、以及紅外線檢測裝置、壓電體元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及紅外線檢測元件W及紅外線檢測裝置、和壓電體元件。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為紅外線檢測元件，已知量子型紅外線檢測元件和熱型紅外線檢測元件運(yùn)兩 種。其中，量子型紅外線檢測元件由于W半導(dǎo)體的帶隙的形式捕捉紅外線而靈敏度高、響應(yīng) 速度快。然而，量子型紅外線檢測元件在使用時(shí)需要向液氮溫度冷卻，而需要設(shè)置冷卻單元 因而大型且價(jià)格昂貴。另外，量子型紅外線檢測元件還有波長選擇性，缺乏對(duì)遠(yuǎn)紅外線的響 應(yīng)性。
[0003] 熱型紅外線檢測元件有:利用根據(jù)溫度變化而在表面產(chǎn)生電荷的熱電體材料的熱 電型紅外線檢測元件、利用根據(jù)溫度變化而電阻值發(fā)生變化的電阻福射熱計(jì)材料的電阻福 射熱計(jì)型紅外線檢測元件、利用因溫度差而產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)的塞貝克效應(yīng)的熱電偶(熱電堆） 型紅外線檢測元件等。
[0004] 其中，熱電型紅外線檢測元件由于在熱型紅外線檢測元件中輸出信號(hào)大、輸出的 雜音低因而S/^比高。此外，熱電型紅外線檢測元件成本低且能夠進(jìn)行人體檢測，因此被廣 泛用作削減自動(dòng)照明、設(shè)備的耗電的自動(dòng)開關(guān)。
[0005] 熱電型紅外線檢測元件利用強(qiáng)電介質(zhì)的熱電效果。強(qiáng)電介質(zhì)層若受到紅外線照射 則溫度上升，根據(jù)伴隨該溫度變化的極化率的變化，而強(qiáng)電介質(zhì)層的表面電荷發(fā)生變化。紅 外線檢測裝置將該表面電荷的變化W紅外線檢測元件的輸出信號(hào)的形式輸出，從而檢測紅 外線。
[0006] 為了提高紅外線的受光靈敏度，有時(shí)按照溫度上升相對(duì)于入射紅外線能量變大的 方式，相比于強(qiáng)電介質(zhì)層的受光面積減薄強(qiáng)電介質(zhì)層的厚度，或者形成熱容量高的基板，或 者形成減小基板本體與強(qiáng)電介質(zhì)層的接觸部分的結(jié)構(gòu)。
[0007] 另外，作為熱電型紅外線檢測元件的熱電材料，優(yōu)選熱電系數(shù)丫的值高、相對(duì)介電 常數(shù)Er的值小，由此紅外線檢測性能提高。
[000引圖10是專利文獻(xiàn)1公開的W往的紅外線檢測元件500的正面截面圖。紅外線檢測元 件500具備:氣孔率為20% W上的多孔質(zhì)的強(qiáng)電介質(zhì)陶瓷32、夾持強(qiáng)電介質(zhì)陶瓷32的致密質(zhì) 的強(qiáng)電介質(zhì)陶瓷33、和連接于致密質(zhì)強(qiáng)電介質(zhì)陶瓷33的電極34。強(qiáng)電介質(zhì)陶瓷32、33是將熱 電系數(shù)比較大的鐵酸鉛(PT)系或鐵酸錯(cuò)酸（W下稱為PZT)系的陶瓷粒子的漿料制成生片 后，對(duì)該生片進(jìn)行燒結(jié)而形成的。
[0009] 紅外線檢測元件500中，氣孔率高的多孔質(zhì)強(qiáng)電介質(zhì)陶瓷32設(shè)置于中央部，因而與 由具有與多孔質(zhì)強(qiáng)電介質(zhì)陶瓷32相同體積的致密質(zhì)的強(qiáng)電介質(zhì)陶瓷33構(gòu)成的紅外線檢測 元件相比，由于氣孔31而相對(duì)介電常數(shù)Er變小，結(jié)果紅外線檢測性能提高。
[0010] 錯(cuò)鐵酸鉛等強(qiáng)電介質(zhì)是具有由通式AB化表示的巧鐵礦型結(jié)構(gòu)的氧化物，除了優(yōu)異 的熱電性之外，顯示出強(qiáng)誘電性、壓電性、電氣光學(xué)特性。由運(yùn)樣的強(qiáng)電介質(zhì)而成的壓電體 元件利用該壓電效果，被用于壓電傳感器、壓電致動(dòng)器。
[0011] 強(qiáng)電介質(zhì)在內(nèi)部具有自發(fā)分極，在其表面產(chǎn)生正電荷和負(fù)電荷。在大氣中的定常 狀態(tài)下與大氣中的分子所具有的電荷結(jié)合而表面變?yōu)橹行誀顟B(tài)。若對(duì)該強(qiáng)電介質(zhì)施加外 壓，則由強(qiáng)電介質(zhì)根據(jù)外壓的量在表面出現(xiàn)的表面電荷發(fā)生變化。壓電傳感器將該表面電 荷的變化W電信號(hào)的形式輸出，來檢測對(duì)強(qiáng)電介質(zhì)施加的壓力、強(qiáng)電介質(zhì)的變位。
[0012] 壓電傳感器的靈敏度能夠通過增大壓電體元件的壓電常數(shù)(壓電d常數(shù))Cd和由相 對(duì)介電常數(shù)Er表示的壓電輸出功率常數(shù)(壓電g常數(shù))CdAr而提高。
[0013] 另外，若對(duì)強(qiáng)電介質(zhì)施加電壓，則根據(jù)其電壓而強(qiáng)電介質(zhì)伸縮，能夠在伸縮的方向 或垂直于該方向的方向產(chǎn)生變位。壓電致動(dòng)器能夠利用該變位使對(duì)象物變位。
[0014] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn) [00巧]專利文獻(xiàn)
[0016] 專利文獻(xiàn)1:日本特開平8-62038號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 紅外線檢測元件具備具有下部電極層、設(shè)于下部電極層上的檢測層、和設(shè)于檢測 層上的上部電極層的檢測層疊體。檢測層具有柱狀的晶體結(jié)構(gòu)。在檢測層，設(shè)有偏布于晶體 結(jié)構(gòu)的晶界的多個(gè)氣孔。
[0018] 該紅外線檢測元件具有高紅外線檢測性能。
【附圖說明】
[0019] 圖1是實(shí)施方式中的紅外線檢測元件的上面示意圖。
[0020] 圖2A是圖1所示紅外線檢測元件的線IIA-IIA上的截面示意圖。
[0021] 圖2B是圖1所示紅外線檢測元件的線IIB-IIB上的截面示意圖。
[0022] 圖2C是圖1所示紅外線檢測元件的線IIC-IIC上的截面示意圖。
[0023] 圖3是表示實(shí)施方式中的紅外線檢測元件的檢測層的截面的透射型電子顯微鏡照 片的圖。
[0024] 圖4是圖3所示檢測層的示意圖。
[0025] 圖5是實(shí)施方式中的紅外線檢測元件的實(shí)施例的檢測層的X射線衍射圖譜圖。
[0026] 圖6是實(shí)施方式中的紅外線檢測元件的實(shí)施例的檢測層的X射線衍射圖譜圖。
[0027] 圖7是實(shí)施方式中的紅外線檢測裝置的區(qū)塊圖。
[0028] 圖8是實(shí)施方式中的其它紅外線檢測元件的截面示意圖。
[0029] 圖9是實(shí)施方式中的壓電體元件的截面示意圖。
[0030] 圖10是現(xiàn)有的紅外線檢測元件的正面截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 圖1是實(shí)施方式中的紅外線檢測元件1000的上面示意圖。圖2A、圖2B和圖2C分別是 圖1所示紅外線檢測元件1000的線IIA-IIA JIB-IIB JIC-IIC上的截面示意圖。圖2A所示位 置Aa、Ab與圖1所示位置Aa、Ab分別相同。紅外線檢測元件1000具備檢測層疊體1、基板5和梁 部2。梁部2與基板5連接，保持檢測層疊體1。
[0032] 檢測層疊體1具備：下部電極層7、設(shè)置于下部電極層7的上面7A上的檢測層8、和設(shè) 置于檢測層8的上面8A上的上部電極層9。檢測層8的下面SB位于下部電極層7的上面7A上。
[0033] 基板5具有作為一個(gè)主面的上面5A、和作為另一主面的下面5B。在基板5的上面5A 設(shè)有凹狀的空桐4?？胀?在基板5的上面5A具有開口的開口部4A。在基板5的上面5A于空桐4 的開口部4A的周邊設(shè)有框部3。
[0034] 需要說明的是，空桐4可W設(shè)置于基板5的上面5A的中央，但不限于該配置?？胀? 可W與基板5的下面5B連通而開口?？胀?的截面形狀可W為半球形狀、S角形狀、多角形 狀、梯形形狀等。
[0035] 檢測層疊體1設(shè)置于空桐4的開口部4A。通過利用梁部2將檢測層疊體1與框部3的 一部分連接，檢測層疊體1按照離開包圍空桐4的基板5的表面的方式被支承。因此，檢測層 疊體1對(duì)于基板5具有高熱絕緣性。
[0036] 實(shí)施方式中的紅外線檢測元件1000中，檢測層疊體1具備中間層6。中間層6在基板 5的上面5A上形成，即，中間層6的下面6B位于基板5的上面5A上。中間層6與基板5的上面5A 基本平行地延伸，構(gòu)成梁部2和檢測層疊體1的一部分。檢測層疊體1的下部電極層7設(shè)置于 中間層6的上面6A上。但是，檢測層疊體1可W沒有中間層6,運(yùn)種情況下，下部電極層7位于 基板5的上面5A上。
[0037] 檢測層8在下部電極層7的上面7A上形成，由沿正方晶系的（OOl)面取向的PZT(錯(cuò) 鐵酸鉛)而成。像運(yùn)樣檢測層8是沿作為分極軸方向的(001)方向選擇性地取向的結(jié)晶，因而 能夠增大熱電系數(shù)丫。
[0038] PZT的組成優(yōu)選為作為正方晶系的組成的化與Ti的摩爾比Zr/Ti為30/70附近，也 可W使用正方晶系與菱形晶系的相分界處（準(zhǔn)同型相界）附近的組成（摩爾比Zr/Ti為53/ 47)、或PbTi〇3,只要摩爾比Zr/Ti為0/100~70/30即可。
[0039] 檢測層8的構(gòu)成材料可W使用WPZT為主成分的巧鐵礦型氧化物強(qiáng)電介質(zhì)，例如， 可W舉出WPZT為主成分將1^曰^3、5'、抓、1旨、111、211、41等元素置換為?21'的元素的一部分的 材料。
[0040] 作為檢測層8的其它構(gòu)成材料，可W使用PMN(化（Mgi/3Nb2/3)〇3)、PZN(Pb(Zm/ 3抓2/3)〇3)。
[0041] 圖3是后述的實(shí)施例的紅外線檢測元件的檢測層的截面的透射型電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscope, W下稱為TEM)照片，圖4為模寫圖3的TEM照片的示 意圖。
[0042] 如圖2A、圖4所示，檢測層8具有柱狀的晶體結(jié)構(gòu)。柱狀的結(jié)晶21沿連結(jié)下部電極層 7與上部電極層9間的縱向延伸。晶界22在柱狀的結(jié)晶21間存在，沿縱向延伸。
[0043] 在檢測層8設(shè)有多個(gè)氣孔10、11。多個(gè)氣孔10、11具有形成于晶界22的多個(gè)晶界氣 孔10。沿縱向延伸的多個(gè)晶界22中的至少一個(gè)晶界22中形成多個(gè)晶界氣孔10,也可W形成 一個(gè)晶界氣孔10。
[0044] 另一方面，結(jié)晶21中存在沒有氣孔或包含氣孔的情況，少于晶界氣孔10。在結(jié)晶21 中可W形成有結(jié)晶氣孔11。結(jié)晶氣孔11無規(guī)地形成于檢測層8。
[0045] 如圖3所示，形成于檢測層8的氣孔在通過TEM觀察結(jié)晶截面的照片時(shí)，可W作為白 色對(duì)比度來確認(rèn)。
[0046] 此處，晶界氣孔10是在晶界22的區(qū)域可W觀察到至少一部分的氣孔。結(jié)晶氣孔11 是離開晶界22且完全包裹于一個(gè)結(jié)晶21內(nèi)的氣孔。
[0047] 在檢測層8中，氣孔10、11偏布于晶界22。
[0048] 氣孔偏布于晶界22是指，設(shè)置于檢測層8的晶界氣孔10的數(shù)量大于設(shè)置于檢測層8 的結(jié)晶氣孔11的數(shù)量。即，晶界氣孔10的數(shù)量相對(duì)于晶界氣孔10的數(shù)量與結(jié)晶氣孔11的數(shù) 量的合計(jì)之比即晶界氣孔10的偏布率超過50 %。
[0049] 檢測層8中的晶界氣孔10與結(jié)晶氣孔11的數(shù)量可W使用檢測層8中的規(guī)定區(qū)域的 各自的數(shù)量，由該規(guī)定區(qū)域與檢測層8的體積比算出。該規(guī)定區(qū)域可W根據(jù)算出精度等來適 當(dāng)設(shè)定。例如，作為規(guī)定區(qū)域，可W使用檢測層8中的沿縱向平行的等間隔的多個(gè)結(jié)晶截面， 更具體來說可W使用檢測層8的中央附近、間隔為20nm的等間隔的結(jié)晶截面。
[0050] 通過在檢測層8設(shè)置多個(gè)氣孔，能夠減小檢測層8的相對(duì)介電常數(shù)Er。進(jìn)一步，檢測 層8的氣孔10、11偏布于晶界22,由此檢測層8的結(jié)晶性不受損，因而能夠提高熱電系數(shù)丫。 因此，本實(shí)施方式的紅外線檢測元件1000能夠減小相對(duì)介