特許 6747508 焦電センサおよび焦電センサの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6747508

(24)【登録日】2020年8月11日

(45)【発行日】2020年8月26日

(54)【発明の名称】焦電センサおよび焦電センサの製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20200817BHJP

   H01L 37/02 20060101ALI20200817BHJP

【ＦＩ】

   G01J1/02 Y

   H01L37/02

【請求項の数】11

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2018-527572(P2018-527572)

(86)(22)【出願日】2017年7月7日

(86)【国際出願番号】JP2017024910

(87)【国際公開番号】WO2018012418

(87)【国際公開日】20180118

【審査請求日】2018年10月25日

(31)【優先権主張番号】特願2016-136791(P2016-136791)

(32)【優先日】2016年7月11日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小川 弘純

(72)【発明者】

【氏名】塩田 智佳

【審査官】 小澤 瞬

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−１８０２５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１０９５５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０５７２９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／０７２０９５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−０６４７５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１５５０５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０９２０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１９８４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１８６０８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０６−０１４９３６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平１１−２３０８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−０６６８２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／１３４２５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−０５４２８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｊ １／００ − Ｇ０１Ｊ １／６０

Ｇ０１Ｊ ５／００ − Ｇ０１Ｊ ５／６２

Ｇ０１Ｊ １１／００

Ｈ０１Ｌ ２７／１６

Ｈ０１Ｌ ３５／００ − Ｈ０１Ｌ ３７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

焦電セラミックと、
前記焦電セラミックの一方主面に一体に設けられた第１の焼結金属と、
前記焦電セラミックの一方主面に一体に設けられた第２の焼結金属と、
前記焦電セラミックの他方主面に設けられた外部電極と、を備え、
前記第１の焼結金属および前記第２の焼結金属は卑金属を含み、
前記第１の焼結金属と前記第２の焼結金属とは間隔を空けて配置されており、
前記第１の焼結金属と前記第２の焼結金属との間に切欠きが設けられ、
前記外部電極は前記切欠きと対向する位置に形成される、焦電センサ。

【請求項2】

前記焦電セラミックの厚みが１００μｍ以下である、請求項１に記載の焦電センサ。

【請求項3】

前記第１の焼結金属および前記第２の焼結金属はアイランド状に配置されている、請求項１または請求項２に記載の焦電センサ。

【請求項4】

前記切欠きは、溝を含む、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の焦電センサ。

【請求項5】

前記焦電セラミックの前記第１の焼結金属および前記第２の焼結金属が設けられた主面とは反対側の主面に外部電極をさらに備えた、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の焦電センサ。

【請求項6】

前記焦電セラミックは、ペロブスカイト型化合物を主要物質として含み、
前記主要物質は、ニオブと、アルカリ金属と、酸素とを含み、
前記焦電セラミックに含まれる全物質の総モル量に対する前記主要物質の含有量が９０％モル以上である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の焦電センサ。

【請求項7】

前記卑金属は、ニッケル、銅、およびアルミニウムからなる群から選択された少なくとも１種を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の焦電センサ。

【請求項8】

可撓性を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の焦電センサ。

【請求項9】

前記外部電極は、前記第１の焼結金属および前記第２の焼結金属のそれぞれと対向するように１つ設けられている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の焦電センサ。

【請求項10】

請求項１〜９のいずれか１項に記載の焦電センサを製造するための方法であって、
焦電セラミック粉末と卑金属粉末とを重ね合わせる工程と、
重ね合わされた前記焦電セラミック粉末と前記卑金属粉末とを共焼結する工程と、
前記卑金属粉末が共焼結されることにより形成された焼結金属を複数に分離する工程と、
複数に分離された前記焼結金属の間に切欠きを形成する工程と、を含む、焦電センサの製造方法。

【請求項11】

請求項１〜９のいずれか１項に記載の焦電センサを製造するための方法であって、
第１の焦電セラミック粉末と第１の卑金属粉末とを重ね合わせる工程と、
前記第１の焦電セラミック粉末上に、切欠きを形成するように、第２の焦電セラミック粉末を積層する工程と、
前記第２の焦電セラミック粉末上に第２の卑金属粉末を積層する工程と、
前記第１の焦電セラミック粉末、前記第１の卑金属粉末、前記第２の焦電セラミック粉末、および前記第２の卑金属粉末を共焼結する工程と、を含む、焦電センサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、焦電センサおよび焦電センサの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

たとえば、特許文献１には、焦電センサ素子と、焦電センサ素子の上面に形成され且つ信号を取り出すための上面電極と、上面電極の上面に形成され且つ赤外線を吸収するための第１赤外線吸収膜と、焦電センサ素子の下面に形成され且つ信号を取り出すための下面電極と、下面電極の下面に形成され且つ赤外線を吸収するための第２赤外線吸収膜と、焦電センサ素子を保持する保持台とを備えた焦電センサが記載されている。

【0003】

特許文献１に記載の焦電センサの焦電センサ素子に入射した赤外線は、第１赤外線吸収膜により吸収され、第１赤外線吸収膜を透過した赤外線は、焦電センサ素子を透過して、第２赤外線吸収膜により吸収される。これにより、特許文献１の焦電センサにおいては、第１赤外線吸収膜で吸収しきれなかった赤外線は第２赤外線吸収膜により吸収できるため、赤外線の吸収効率が向上するとされている。

【0004】

また、特許文献１の焦電センサにおいては、焦電センサ素子を第１赤外線吸収膜と第２赤外線吸収膜とで挟み込んだ構造となっているため、焦電センサ素子の反りを低減することができるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１６−０５７２９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１に記載の焦電センサにおいては、焦電センサ素子の上面側から入射した赤外線を検知するのみであったため、その改善が要望されていた。

【課題を解決するための手段】

【0007】

ここで開示された実施形態は、焦電セラミックと、焦電セラミックと一体に設けられた第１の焼結金属と、焦電セラミックと一体に設けられた第２の焼結金属と、を備え、第１の焼結金属および第２の焼結金属は卑金属を含み、第１の焼結金属と第２の焼結金属とは間隔を空けて配置されており、第１の焼結金属と第２の焼結金属との間に切欠きが設けられている、焦電センサである。

【0008】

ここで開示された実施形態は、焦電セラミック粉末と卑金属粉末とを重ね合わせる工程と、重ね合わされた焦電セラミック粉末と卑金属粉末とを共焼結する工程と、卑金属粉末が共焼結されることにより形成された焼結金属を複数に分離する工程と、複数に分離された焼結金属の間に切欠きを形成する工程と、を含む、焦電センサの製造方法である。

【0009】

ここで開示された実施形態は、第１の焦電セラミック粉末と第１の卑金属粉末とを重ね合わせる工程と、第１の焦電セラミック粉末上に、切欠きを形成するように、第２の焦電セラミック粉末を積層する工程と、第２の焦電セラミック粉末上に第２の卑金属粉末を積層する工程と、第１の焦電セラミック粉末、第１の卑金属粉末、第２の焦電セラミック粉末、および第２の卑金属粉末を共焼結する工程と、を含む、焦電センサの製造方法である。

【発明の効果】

【0010】

ここで開示された実施形態によれば、複数の方向から入射する光を検知可能な焦電センサおよび焦電センサの製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態１の焦電センサの模式的な斜視図である。

【図2】図１に示す焦電センサの破線で囲まれた領域の模式的な拡大平面図である。

【図3】図２のＩＩＩ−ＩＩＩに沿った模式的な断面図である。

【図4】実施形態１の焦電センサの製造方法の一例を図解するための模式的な断面図である。

【図5】実施形態１の焦電センサの製造方法の一例を図解するための模式的な断面図である。

【図6】実施形態１の焦電センサの製造方法の一例を図解するための模式的な断面図である。

【図7】実施形態１の焦電センサの製造方法の一例を図解するための模式的な断面図である。

【図8】実施形態１の焦電センサの製造方法の一例を図解するための模式的な断面図である。

【図9】Ｎｉ−ＮｉＯ平衡酸素分圧の対数と温度との関係を示す図である。

【図10】Ｃｕ−Ｃｕ₂Ｏ平衡酸素分圧の対数と温度との関係を示す図である。

【図11】実施形態１の焦電センサにおける熱の伝導を説明するための模式的な断面図である。

【図12】実施形態１の変形例の模式的な拡大平面図である。

【図13】実施形態１の他の変形例の模式的な拡大平面図である。

【図14】実施形態１の他の変形例の模式的な拡大平面図である。

【図15】実施形態１の他の変形例の模式的な斜視図である。

【図16】実施形態１の他の変形例の模式的な斜視図である。

【図17】実施形態２の焦電センサの製造方法を図解する模式的な断面図である。

【図18】実施形態２の焦電センサの製造方法を図解する模式的な断面図である。

【図19】実施形態２の焦電センサの製造方法を図解する模式的な断面図である。

【図20】実施形態２の焦電センサの製造方法を図解する模式的な断面図である。

【図21】実施例で作製された卑金属粉末シートと焦電セラミック粉末シートとの積層体の模式的な断面図である。

【図22】実施例の焦電センサに赤色レーザ光を繰り返し照射した際の時間［秒］に対する発生した電荷量［ｎＣ／ｍｍ²］を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、実施形態について説明する。なお、実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

【0013】

［実施形態１］
＜焦電センサの構造＞
図１に、実施形態１の焦電センサ１０の模式的な斜視図を示す。図１に示す実施形態１の焦電センサ１０は、たとえば平板状であるが、可撓性を有しているため、たとえば図１に示すような円筒状にすることができる。

【0014】

図２に、図１に示す焦電センサ１０の破線で囲まれた領域１０ａの模式的な拡大平面図を示す。また、図３に、図２のＩＩＩ−ＩＩＩに沿った模式的な断面図を示す。図２および図３に示すように、焦電センサ１０は、共焼結体であって、焦電セラミック２と、焦電セラミック２の第１の主面２ａ上において焦電セラミック２と一体に設けられた、第１の焼結金属３ａと、第２の焼結金属３ｂと、第３の焼結金属３ｃとを備えている。実施形態１において、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃのそれぞれは、アイランド状であり、互いに間隔を空けて、焦電セラミック２の第１の主面２ａ上に配置されている。なお、実施形態１においては、複数の焼結金属として、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃを例示しているが、焦電セラミック２と一体に設けられて互いに間隔を空けて配置された複数の焼結金属であれば、実施形態１の構成に限定されるものではない。

【0015】

第１の焼結金属３ａと第２の焼結金属３ｂとの間には溝状の第１の切欠き４ａが設けられており、第２の焼結金属３ｂと第３の焼結金属３ｃとの間には溝状の第２の切欠き４ｂが設けられている。第１の切欠き４ａおよび第２の切欠き４ｂは、それぞれ、たとえば、焦電セラミック２を部分的に除去することによって形成することができる。

【0016】

第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃは、卑金属を含んでいる。ここで、卑金属は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）およびオスミウム（Ｏｓ）以外の金属である。焼結金属とは、焦電セラミックの焼結前には金属粉末状態であるが、焦電セラミックと同時に共焼結されて薄板状金属となったものを指す。共焼結体は、セラミックと卑金属とが共焼結されているものである。

【0017】

第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃを低コストで形成するためには、卑金属としては、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、およびアルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択された少なくとも１種を含む金属を用いることが好ましく、ＮｉおよびＣｕの少なくとも一方を含む金属を用いることがより好ましく、Ｎｉを用いることがさらに好ましい。

【0018】

焦電セラミック２は、特には限定されないが、たとえば、ペロブスカイト型化合物を主要物質として含んでおり、主要物質は、ニオブ（Ｎｂ）と、アルカリ金属と、酸素（Ｏ）とを含んでおり、焦電セラミック２に含まれる全物質の総モル量に対する主要物質の含有量は９０モル％以上である焦電セラミックを用いることができる。

【0019】

焦電セラミック中における主要物質としてのペロブスカイト型化合物の存在および含有量は、Ｘ線回折法により求めることができる。すなわち、ペロブスカイト型化合物の存在は、Ｘ線回折法により得られたＸ線回折パターンの特定の位置にＸ線回折ピークが現れることによって確認することができる。たとえば、Ａｃｔａ Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒ., Ｓｅｃ. Ａ, ３４ ３０９ （１９７８）に（Ｎａ_0.35Ｋ_0.65）ＮｂＯ₃の粉末Ｘ線回折データが記載されている。このデータと比較し、各ピークの強度比、面間隔ｄに対するピーク位置が類似であれば、アルカリ金属とニオブを含むペロブスカイト型化合物と判断できる。また、ペロブスカイト型化合物の含有量とＸ線回折ピーク強度の大きさとは比例関係にあるため、ペロブスカイト型化合物とそれ以外の物質との含有量が既知の試料を用いてペロブスカイト型化合物の含有量とＸ線回折ピーク強度の大きさとの関係を示す検量線を作成することができる。その検量線に基づき、焦電セラミック中における主要物質としてのペロブスカイト型化合物の含有量を求めることができる。さらに、焦電セラミックに含まれる各構成元素の含有量（重量％）は、誘導結合高周波プラズマ分光分析（ＩＣＰ分光分析）により求めることができる。そして、Ｘ線回折法によって焦電セラミックがどのような結晶構造を有しているかがわかるため、焦電セラミックの結晶構造のどのサイトにどの構成元素の原子が位置しているかがわかる。具体的には、上述の（Ｎａ_0.35Ｋ_0.65）ＮｂＯ₃の回折データと比較し、類似していれば、アルカリ金属とニオブと酸素を含むペロブスカイト化合物と判断できる。これにより、焦電セラミックに含まれる全物質の総モル量に対して、Ｎｂとアルカリ金属とＯとを含むペロブスカイト型化合物が主要物質として９０モル％以上含まれていることを確認することができる。

【0020】

なお、上記の主要物質としてのペロブスカイト型化合物には、タンタル（Ｔａ）が含まれていてもよい。

【0021】

また、主要物質（ペロブスカイト型化合物）以外の副物質としては、たとえば、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、錫（Ｓｎ）、マンガン（Ｍｎ）、Ｎｉ、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）およびルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選択された少なくとも１種を挙げることができる。

【0022】

焦電セラミック２は、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃのそれぞれと一体に設けられている。すなわち、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃと、焦電セラミック２との接合界面において、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃに含まれる卑金属の結晶粒と、焦電セラミック２に含まれる焦電セラミックの結晶粒とが接して固着していることによって、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃと、焦電セラミック２とが一体となって、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃと、焦電セラミック２とが接合されている共焼結体である。焼結金属は、焦電セラミックの焼成前には卑金属粉末として存在するが、焦電セラミックと同時に共焼結されて卑金属粉末が焼結したものである。

【0023】

焦電センサ１０は、焦電セラミック２の第１の主面２ａと反対側の第２の主面２ｂ上に外部電極１を備えている。実施形態１において、外部電極１は、焦電セラミック２の第１の主面２ａ上の第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃのそれぞれと対向するように１つ設けられているが、外部電極１は複数設けられていてもよい。

【0024】

外部電極１は、焦電セラミック２と一体に設けられた焼結金属である。焦電セラミック２と外部電極１とが一体に設けられている場合には、焦電セラミック２と外部電極１との接合界面において、焦電セラミック２に含まれる焦電セラミックの結晶粒と、外部電極１に含まれる卑金属等の導電性材料の結晶粒とが接して固着していることによって焦電セラミック２と外部電極１との接合をより強固なものとすることができるため、焦電セラミック２からの外部電極１の剥がれの発生をより効果的に抑制することができる。

【0025】

＜焦電センサの製造方法＞
以下、図４〜図８の模式的断面図を参照して、実施形態１の焦電センサ１０の製造方法の一例について説明する。まず、図４に示す焦電セラミック粉末２０と図５に示す卑金属粉末３０とを用意する。

【0026】

焦電セラミック粉末２０は、後述する共焼結によって、焦電セラミック２となる物質である。

【0027】

焦電セラミック粉末２０は、たとえば、主要物質となるペロブスカイト型化合物の含有量が９０モル％以上となるように、少なくともＮｂの酸化物粉末とアルカリ金属の炭酸物粉末とを秤量した後に、これらを混合して焦電セラミック素原料粉末を作製し、これを仮焼した後に粉砕することによって得ることができる。焦電セラミック粉末２０は、他の物質と組み合わされて、または他の物質と組み合わされないで、たとえば、シート状、テープ状またはペースト状等の粉末状以外の形態とされていてもよい。

【0028】

卑金属粉末３０は、後述する共焼結によって、卑金属を含む第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、第３の焼結金属３ｃおよび外部電極１となる物質である。卑金属粉末３０も、他の物質と組み合わされて、または他の物質と組み合わされないで、たとえば、シート状、テープ状またはペースト状等の粉末状以外の形態とされていてもよいが、シート状またはテープ状であることで均一となり、焦電センサの厚みが薄い場合は卑金属粉末の焼結が均一となるため、焦電センサの破損がなくなる。そのため、卑金属粉末の形態はシート状またはテープ状であることがより好ましい。

【0029】

次に、図６に示すように、卑金属粉末３０が焦電セラミック粉末２０を挟むように、卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０とを重ね合わせる。卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０とを重ね合わせる方法は、特に限定されないが、たとえば、図示しないポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム等の基材の表面上に、たとえば、シート状またはテープ状の卑金属粉末３０を設置した後に、卑金属粉末３０上に、たとえば、シート状、テープ状またはペースト状の焦電セラミック粉末２０を設置する方法等を用いることができる。

【0030】

次に、卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０とを重ね合わせた状態で共焼結を行うことによって、図７に示すように、焼結金属３と焦電セラミック２とが一体化するとともに、外部電極１と焦電セラミック２とが一体化する。卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０との共焼結においては以下の現象が進行すると考えられる。すなわち、卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０との界面において、卑金属粉末３０に含まれる卑金属の粒子と焦電セラミック粉末２０に含まれる焦電セラミックの粒子とが互いに接触して固着し、次第にその固着面積が増大していく。そして、これらの固着面積が増大した粒子の結合体が多数集まって凝集し、これらの粒子の結合体間の空孔が次第に減少して緻密化していく。これにより、図７に示す焼結金属３と焦電セラミック２との接合界面においては、焼結金属３に含まれる卑金属の結晶粒と、焦電セラミック２に含まれる焦電セラミックの結晶粒とが接して固着することにより焼結金属３と焦電セラミック２とが一体化するため、焼結金属３と焦電セラミック２との間の強固な接合強度が発現する。また、外部電極１と焦電セラミック２との接合界面においても、外部電極１に含まれる卑金属の結晶粒と、焦電セラミック２に含まれる焦電セラミックの結晶粒とが接して固着することにより外部電極１と焦電セラミック２とが一体化するため、外部電極１と焦電セラミック２との間の強固な接合強度が発現する。

【0031】

次に、焦電セラミック２の第１主面２ａ上の焼結金属３をたとえばエッチング等によって複数に分離する。これにより、図８に示すように、互いに間隔を空けて配置された、第１の焼結金属３ａと、第２の焼結金属３ｂと、第３の焼結金属３ｃとが形成される。また、第１の焼結金属３ａと第２の焼結金属３ｂとの間、および第２の焼結金属３ｂと第３の焼結金属３ｃとの間に、焦電セラミック２の第１主面２ａが露出する。

【0032】

その後、第１の焼結金属３ａと第２の焼結金属３ｂとの間、および第２の焼結金属３ｂと第３の焼結金属３ｃとの間に露出した焦電セラミック２を、たとえばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等によって除去する。これにより、たとえば図３に示すように、第１の切欠き４ａおよび第２の切欠き４ｂを形成する。以上により、実施形態１の焦電センサ１０が完成する。

【0033】

なお、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂおよび第３の焼結金属３ｃと、圧電セラミック２とを含む焦電センサを形成する場合には、卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０とを重ね合わせた積層体をＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂からなる群から選択された少なくとも１つ以上含む物質を主要物質とするセラミックで挟み、共焼結することが好ましい。セラミックは、緻密であっても、空隙が存在していてもよい。セラミックは板状であっても、塊状であっても、曲面を有していてもよい。このようにすることで、共焼結の際の意図しない変形を抑制することができる。

【0034】

ここで、卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０との共焼結は、卑金属粉末３０に含まれる卑金属（焼結金属３に含まれる卑金属）と当該卑金属の酸化物とが平衡となる酸素分圧の１０００倍以下の酸素分圧の雰囲気下で行われることが好ましい。卑金属と卑金属の酸化物との平衡酸素分圧よりも雰囲気の酸素分圧が高くなると卑金属の酸化が進行する傾向にあるが、卑金属の酸化は急激に進行するわけではないため、卑金属と卑金属の酸化物との平衡酸素分圧の１０００倍を共焼結雰囲気の酸素分圧の上限とした場合でも、卑金属の酸化を抑制しながら卑金属粉末３０の焼結を進行させることができ、たとえばＮｉＯまたは酸化銅（Ｃｕ₂Ｏ）等の卑金属の酸化物の含有を抑制して焼結金属３を形成することができる。共焼結時の雰囲気の酸素分圧は、たとえば、ジルコニア酸素濃度センサーを用いて測定した酸素濃度から算出することができる。

【0035】

なお、ジルコニア酸素濃度センサーは、基準ガス中の酸素濃度と、測定ガス中の酸素濃度との比によって決定される起電力が発生することがよく知られており、その起電力は、以下のネルンストの式によって求められる。

【0036】

【数1】

【0037】

なお、上記のネルンストの式において、Ｅ：起電力（Ｖ）、Ｒ：気体定数（８．３１４５（Ｊ・ｍｏｌ^-1・Ｋ^-1））、Ｔ：絶対温度（Ｋ）、ｎ：反応に含まれる電子数、Ｆ：ファラデー定数（９．６４９×１０⁴（Ｃ・ｍｏｌ^-1））、Ｐｒ：基準ガス中の酸素濃度（通常は大気）、Ｐｍ：測定ガス中の酸素濃度である。

【0038】

図９に、ＮｉとＮｉＯとの平衡酸素分圧（Ｎｉ−ＮｉＯ平衡酸素分圧）の対数と温度との関係を示す。また、図１０に、ＣｕとＣｕ₂Ｏとの平衡酸素分圧（Ｃｕ−Ｃｕ₂Ｏ平衡酸素分圧）の対数と温度との関係を示す。

【0039】

金属と酸化物の平衡反応と、酸素分圧および温度との関係は熱力学的に解析でき、一般的にエリンガム図から理解できる。系が平衡状態にあるとき、たとえば２Ｎｉ＋Ｏ₂^→_←２ＮｉＯの反応が平衡状態にあるとき、標準反応ギブスエネルギー△Ｇ⁰は、△Ｇ⁰＝−ＲＴｌｎＫの式で表すことができる。すなわち、２Ｎｉ＋Ｏ₂^→_←２ＮｉＯの平衡反応の場合、ＮｉおよびＮｉＯは固体であるため、酸素分圧をＰ_Ｏ2とすると、Ｐ_Ｏ2＝１／Ｋとなる。したがって、ｌｎＰ_Ｏ2＝△Ｇ⁰／ＲＴとかける。

【0040】

＜作用効果＞
実施形態１においては、卑金属粉末３０と焦電セラミック粉末２０との共焼結によって焼結金属３を焦電セラミック２と一体に設けているため、焦電センサ１０を薄く形成することができる。これにより、焦電センサ１０に可撓性を付与することができるため、たとえば図１に示すように、焦電センサ１０をたとえば円筒状等の形状に変形させることができる。したがって、実施形態１においては、従来の特許文献１に記載の焦電センサとは異なり、複数の方向から入射する赤外線を検知可能にすることができる。実施形態１においては、焦電セラミック２の厚さＴ（図３参照）は、たとえば１００μｍ以下とすることができる。また、実施形態１においては、切欠きの深さｔ（図３参照）は、たとえば焦電セラミック２の厚さＴの１／１０以上の深さとすることができる。なお、切欠きは、外部電極１が露出するような深さに形成されてもよい。また、隣り合う焼結金属の間隔ｗは、たとえば２μｍ以上とすることができる。また、切欠きの側壁１４と底面２４とが為す角度αは、たとえば９０°以下とすることができる。

【0041】

また、実施形態１においては、第１の焼結金属３ａと第２の焼結金属３ｂとの間に第１の切欠き４ａが設けられているとともに、第２の焼結金属３ｂと第３の焼結金属３ｃとの間に第２の切欠き４ｂが設けられている。そのため、たとえば図１１の模式的断面図に示すように、第２の焼結金属３ｂの直下の焦電セラミック２の領域に赤外線が入射して発生した熱５１は、第１の切欠き４ａと第２の切欠き４ｂとによって、焦電セラミック２の他の領域（第１の焼結金属３ａの直下の焦電セラミック２の領域、および第２の焼結金属３ｂの直下の焦電セラミック２の領域）を伝導することが妨げられる。そのため、熱５１は、第２の焼結金属３ｂの直下の焦電セラミック２の領域に留まることになり、熱５１により発生した電荷は、第１の焼結金属３ａおよび第３の焼結金属３ｃでは検出されず、第２の焼結金属３ｂのみで検出されることになる。また、熱５１が、第２の焼結金属３ｂの直下の焦電セラミック２の領域に留まることにより、焦電セラミック２の単位体積当たりの熱量が増加するため、第２の焼結金属３ｂで検出することができる電荷量を増加することができる。これにより、実施形態１の焦電センサ１０においては、従来の特許文献１に記載の焦電センサと比べて、分解能を向上させることが可能となる。

【0042】

なお、第１の切欠き４ａおよび第２の切欠き４ｂの形状は溝状に限定されず、たとえば図１２の模式的な拡大平面図に示すような矩形状であってもよく、図１３の模式的な拡大平面図に示すような鉤状であってもよく、図１４の模式的な拡大平面図に示すような円形状であってもよい。すなわち、焼結金属の間の切欠きは、焼結金属の間の少なくとも一部の領域に形成されていればよい。

【0043】

また、焦電センサ１０の形状も図１に示すような円筒状には限定されず、たとえば図１５に示すような四角柱状にすることもでき、図１６に示すような螺旋状にすることもできる。

【0044】

［実施形態２］
図１７〜図２０に、実施形態２の焦電センサの製造方法を図解する模式的な断面図を示す。実施形態２の焦電センサの製造方法においては、切欠きを形成するように焦電セラミック粉末を積層することを特徴としている。

【0045】

実施形態２においては、まず、図１７の模式的断面図に示すように、ＰＥＴフィルム等の基材１４１の表面上にシート状の卑金属粉末３０を積層した後、卑金属粉末３０上にシート状の焦電セラミック粉末２０ａを積層する。

【0046】

次に、図１８の模式的断面図に示すように、焦電セラミック粉末２０ａ上に、第１の切欠き４ａを形成するように、シート状の焦電セラミック粉末２０ｂを積層する。

【0047】

次に、図１９の模式的断面図に示すように、焦電セラミック粉末２０ｂ上に、第１の切欠き４ａとともに第２の切欠き４ｂを形成するように、シート状の焦電セラミック粉末２０ｃを積層する。

【0048】

次に、図２０の模式的断面図に示すように、焦電セラミック粉末２０ｃ上に、第１の焼結金属３ａを形成するためのシート状の卑金属粉末３０ａ、第２の焼結金属３ｂを形成するためのシート状の卑金属粉末３０ｂ、および第３の焼結金属３ｃを形成するためのシート状の卑金属粉末３０ｃを積層する。

【0049】

その後、卑金属粉末３０、焦電セラミック粉末２０ａ、焦電セラミック粉末２０ｂ、焦電セラミック粉末２０ｃ、卑金属粉末３０ａ、卑金属粉末３０ｂ、および卑金属粉末３０ｃを共焼結することによって、焦電センサ１０を作製することができる。

【0050】

実施形態２における上記以外の説明は実施形態１と同様であるため、その説明については繰り返さない。

【実施例】

【0051】

まず、炭酸カリウム（Ｋ₂ＣＯ₃）、炭酸ナトリウム（Ｎａ₂ＣＯ₃）、炭酸リチウム（Ｌｉ₂ＣＯ₃）、酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、炭酸マンガン（ＭｎＣＯ₃）および酸化イッテルビウム（Ｙｂ₂Ｏ₃）のそれぞれの粉末を用意した。

【0052】

次に、固溶体を形成するニオブ酸アルカリ金属化合物とジルコン酸カルシウムとの比率が９８：２となり、かつアルカリ金属（Ｋ、ＮａおよびＬｉ）のモル比がＫ：Ｎａ：Ｌｉ＝０．４５：０．５３：０．０２となるように、Ｋ₂ＣＯ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃、Ｌｉ₂ＣＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＣａＣＯ₃、およびＺｒＯ₂のそれぞれの粉末を秤量した。また、上記固溶体１００モルに対して、ＺｒＯ₂が３モル、ＭｎＯが５モル、Ｙｂ₂Ｏ₃が０．５モルとなるように、ＺｒＯ₂、ＭｎＣＯ₃およびＹｂ₂Ｏ₃のそれぞれの粉末を秤量した。

【0053】

次に、上記のように秤量した粉末を、ＰＳＺボールが内有されたポットミルに投入し、エタノールを溶媒にして約９０時間ポットミルを回転して、湿式で混合することにより焦電セラミック素原料粉末を得た。そして、得られた焦電セラミック素原料粉末を乾燥した後、９００℃の温度で仮焼し、その後、粉砕することによって、［１００｛０．９８（Ｋ_0.45Ｎ_0.53Ｌｉ_0.02）ＮｂＯ₃−０．０２ＣａＺｒＯ₃｝＋３ＺｒＯ₂＋５ＭｎＯ＋０．５Ｙｂ₂Ｏ₃］の組成式で表される焦電セラミック粉末を得た。

【0054】

次に、上記のようにして得られた焦電セラミック粉末を、有機バインダ、分散剤、アセトン、可塑剤、およびＰＳＺボールとともにポットミルに投入し、ポットミルを回転させながら湿式で十分に混合し、ドクターブレード法でシート成形を行い、焦電セラミック粉末シートを作製した。

【0055】

また、焦電セラミック粉末のシート成形と同様に、Ｎｉ粉末と有機バインダ等をポットミルに投入して回転させながら十分に混合し、ドクターブレード法でシート成形を行い、卑金属粉末シートを作製した。

【0056】

次に、図２１の模式的断面図に示すように、ＰＥＴフィルムからなる基材１４１上に、卑金属粉末シート３００、焦電セラミック粉末シート２００、および卑金属粉末シート３００をこの順に重ね合わせた。

【0057】

次に、図２１に示す積層体を静水圧加圧後、Ｎｉ−ＮｉＯ平衡酸素分圧の０．５桁還元側（Ｎｉ−ＮｉＯ平衡酸素分圧の１／３．１６の酸素分圧）になるように調整された雰囲気下で、１０００℃〜１１６０℃の温度で２時間共焼結した。これにより、図７に示すように、焦電セラミック２の第１の主面２ａに焼結金属３が形成され、焦電セラミック２の第２の主面２ｂに外部電極１が形成された焦電セラミック積層構造体（共焼結体）が作製された。焦電セラミック積層構造体の焦電セラミック２の厚さは１５μｍであった。

【0058】

次に、図８に示すように、フォトリソグラフィを用いたウエットエッチングによって焼結金属３を部分的にエッチングすることにより、互いに間隔を空けて配置された、第１の焼結金属３ａと、第２の焼結金属３ｂと、第３の焼結金属３ｃとを形成した。

【0059】

次に、焼結金属３を部分的に除去した部分から露出した焦電セラミック２の部分を反応性イオンエッチングにより除去した。これにより、図９に示すように、第１の焼結金属３ａと第２の焼結金属３ｂとの間に溝状の第１の切欠き４ａを形成するとともに、第２の焼結金属３ｂと第３の焼結金属３ｃとの間に溝状の第２の切欠き４ｂを形成することによって、図３に示す断面構造を有する実施例の焦電センサを得た。

【0060】

ここで、実施例の焦電センサの第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃのそれぞれの直下の焦電セラミック２は、１辺が１００μｍの正方形状の第１の主面１ａを有し、そこから外部電極１の方向に向かって延在するアイランド状に形成された。その結果、実験例１の焦電センサの焦電セラミック２の第１の主面２ａ側からの２次元的な平面視において、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃもそれぞれアイランド状に配置されることになった。なお、第１の焼結金属３ａ、第２の焼結金属３ｂ、および第３の焼結金属３ｃのそれぞれからは引き出し電極が引き出されている。引き出し電極は、たとえば、エッチング、切り欠き積み上げ方式、スパッタリング、または蒸着等により形成されている。

【0061】

上記のようにして作製された実施例の焦電センサの焦電セラミック２の第１の主面２ａ側の１辺が３ｍｍの正方形状の表面に赤色半導体レーザモジュールから波長６５０ｎｍの赤色レーザ光を１ｍＷの出力で１ｍｍ²程度の照射面積に１秒照射および１秒非照射を繰り返し行い、エレクトロメータ（ＫＥＩＴＨＬＥＹ製の６５１４）で発生電荷量を測定した。その結果を図２２に示す。図２２に示すように、実施例の焦電センサにおける発生電荷量は０．３［ｎＣ／ｍｍ²］であった。

【0062】

これに対して、比較のために、卑金属と共焼結ができないために厚さ８０μｍとしたＮｉＮｂ系ＰｂＴｉＯ₃系単板（比較例１の焦電センサ）、ならびに第１の切欠き４ａおよび第２の切欠き４ｂを形成しなかったこと以外は実施例の焦電センサと同様にして作製した焦電センサ（比較例２の焦電センサ）についても、実施例の焦電センサと同様にして発生電荷量の測定を行なった。その結果、比較例１の焦電センサにおける発生電荷量は０．０４［ｎＣ／ｍｍ²］であり、比較例２の焦電センサにおける発生電荷量は０．１［ｎＣ／ｍｍ²］であった。

【0063】

実施例の焦電センサ、比較例１の焦電センサ、および比較例２の焦電センサにおける発生電荷量を以下の表１にまとめる。

【0064】

【表1】

【0065】

表１に示す結果から明らかなように、実施例の焦電センサの発生電荷量は、比較例１および比較例２のそれぞれの焦電センサの発生電荷量よりも多くなることが確認された。これは、実施例の焦電センサの焦電セラミックに切欠きが設けられたことによるものと考えられる。

【0066】

以上のように実施形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

【0067】

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【産業上の利用可能性】

【0068】

実施形態に開示された焦電センサは、たとえば人体感知センサなどに利用することができる。

【符号の説明】

【0069】

１ 外部電極、２ 焦電セラミック、２ａ 第１の主面、２ｂ 第２の主面、３ 焼結金属、３ａ 第１の焼結金属、３ｂ 第２の焼結金属、３ｃ 第３の焼結金属、４ａ 第１の切欠き、４ｂ 第２の切欠き、１０ 焦電センサ、１０ａ 破線で囲まれた領域、５１ 熱、１４１ 基材、２００ 焦電セラミック粉末シート、３００ 卑金属粉末シート。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】