S、S’  赤外線センサ
10、50 基板
11、51 絶縁層
20、60 熱電変換素子
21、61 焼結体セル
22、23、62、63 電極
24    リード線
25、65 単素子
12、13、52、53 コネクタ
30、70 赤外線吸収層

 以下、本発明の実施形態について、図面� ��参照しながら説明する。なお、第二実施形� ��の説明において、第一実施形態の説明と重� ��する箇所については、適宜説明を省略する� ��合があるが、本発明の趣旨を限定するもの� ��はない。

≪第一実施形態≫
 本発明の第一実施形態に係る赤外線センサS を図1及び図2に示す。図1及び図2に示される� �うに、第一実施形態に係る赤外線センサSは� ��絶縁層11が形成された基板10と、この基板10� ��に絶縁層11を介して設けられた熱電変換素� �20と、この熱電変換素子20上に設けられた赤� ��線吸収層30と、を備える。赤外線センサSは� ��熱電変換素子20として、単素子を複数個、� �体的には5個備えることを特徴とする。

[絶縁層11、基板10]
 基板10としては特に限定されず、従来公知� �基板が用いられる。例えば、シリコン等か� �なる平板状基板が用いられる。また、絶縁� �11としては、絶縁性を有するものであればよ く、特に限定されない。例えば、窒化シリコ ン等からなる保護機能を有する絶縁層の他、 AlN、TiN、TaN、BN等の窒化物、SiC等の炭化物、M gF等のフッ化物等からなる絶縁層が用いられ� ��。

[熱電変換素子20]
 熱電変換素子20は、基板10上に絶縁層11を介� ��て設けられる。熱電変換素子20は、一方の� �の面として規定される加熱面及びこの加熱� �の反対側の面として規定される冷却面を有� �、これら加熱面と冷却面との間に生じる温� �差により発電する単素子25を5個備える。こ� �ら5個の単素子25はそれぞれ、焼結体セル21と 、一対の電極22及び23と、導電性部材として� �リード線24、コネクタ12、及び13と、を有す� �。このような5個の単素子25を備える熱電変� �素子20を用いることにより、異なる素子同士 をpn接合することにより生じていた半導体特� ��の不揃いに起因する熱電変換効率の低下を� ��制できる。

<焼結体セル21>
 焼結体セル21としては、複合金属酸化物か� �なる焼結体が用いられる。従来のサーモパ� �ルの熱電対として用いられているクロメル-� ��ルメル等の金属のゼーベック係数は数十μV/ K程度であるのに対して、複合金属酸化物か� �なる焼結体は、およそ100μV/K以上の高いゼー ベック係数を有する。このため、従来のサー モパイルのようにPN対数を100程度とする必要� ��無く、本実施形態のように、単素子25の数� �5個程度の少数で足りる。このため、赤外線� ��ンサSの構造をより簡単にでき、コンパクト 化が可能である。また、複合金属酸化物から なる焼結体を焼結体セル21として用いること� ��より、耐熱性や力学強度を向上させること� ��できる。さらには、複合金属酸化物は安価� ��材料であることから、低コスト化が図れる� ��

 焼結体セル21の形状は特に限定されず、� �外線センサSの形状等に従って適宜選択され� ��。好ましくは直方体又は立方体である。焼� ��体セル21の大きさも特に限定されず、例え� �、加熱面及び冷却面の面積が5~20mm×1~5mm、高� ��が5~20mmであることが好ましい。

 5個の単素子25は、同一の素材から構成さ� ��ることが好ましい。熱電変換素子20を、同� �素材、より好ましくは同サイズ、同形状で� �成することにより、素子ごとの半導体特性� �バラツキを抑え、赤外線センサSの熱電変換� ��率の低下をより効果的に抑制できる。また� ��構造を単純化でき、製造コストを削減でき� ��。

 焼結体セル21を構成する複合金属酸化物と� �ては、赤外線センサSの耐熱性をより高める� ��とができる観点から、アルカリ土類元素及� ��マンガンを含む複合金属酸化物が好ましく� ��中でも下記一般式(I)で表される複合金属酸� ��物を用いることがより好ましい。
[式(I)中、Mはイットリウム及びランタノイド� ��中から選ばれる少なくとも1種の元素であり 、xは0~0.05の範囲である。]

 上記一般式(I)で表される複合金属酸化物か� ��なる焼結体セル21の製造方法の一例につい� �説明する。まず、粉砕ボールを投入した混� �ポット内に、CaCO ₃ 、MnCO ₃ 、及びY ₂ O ₃ 、さらに純水を加え、この混合ポットを振動 ボールミルに装着して1~5時間振動させ、混合 ポットの内容物を混合する。得られた混合物 を濾過、乾燥し、乾燥後の混合物を電気炉に おいて900~1100℃、2~10時間で仮焼成する。仮焼 成して得られた仮焼成体を振動ミルで粉砕し 、粉砕物を濾過、乾燥する。乾燥した後の粉 砕物にバインダーを添加し、乾燥した後に分 級することにより造粒する。その後、得られ た造粒体をプレス機で成型し、得られた成型 体を電気炉で1100~1300℃、2~10時間本焼成する� �これにより、上記一般式(I)で表されるCaMnO ₃ 系の焼結体セル21が得られる。

 ここで、上記の製造方法により得られる� ��結体セル21のゼーベック係数αは、焼結体セ ル21を2枚の銅板で挟持し、ホットプレートを 用いて下方の銅板を加熱することにより上方 及び下方の銅板に5℃の温度差を設け、上方� �び下方の銅板に生じた電圧から測定するこ� �ができる。また、抵抗率ρは、デジタルボル トメータを用いた4端子法で測定することが� �きる。

 例えば、上記一般式(I)で表されるCaMnO ₃ 系の焼結体セル21のゼーベック係数を測定す� ��と、100μV/K以上の高い値が得られる。上記� �般式(I)で表される組成において、xが0~0.05の� ��囲内であれば、ゼーベック係数α及び抵抗� �ρともに高い値が得られるため好ましい。

 中でも、xが0のとき、即ち、イットリウム� �ランタノイドの不純物が含まれないCaMnO ₃ からなる焼結体セル21であれば、ゼーベック� ��数をさらに400μV/K前後にまで高められるた� �特に好ましい。400μV/K前後の非常に高いゼー ベック係数を有する焼結体セル21を用いるこ� ��により、熱電変換素子20を構成する単素子25 の個数をさらに低減でき、赤外線センサSの� �造をさらに簡単にすることができる。なお� �CaMnO ₃ からなる焼結体セル21の抵抗率ρを測定する� �、およそ0.05~0.20ω・cmである。このため、赤� ��線センサSとして必要な電気的出力を得るこ とが可能である。

<電極22、23>
 一対の電極22及び23は、焼結体セル21の一方� ��側の面として規定される加熱面と、反対側� ��面として規定される冷却面と、に各々形成� ��れる。一対の電極22及び23としては特に限定 されず、従来公知の電極を用いることができ る。焼結体セル21の加熱面及び冷却面の両端� ��スムーズに温度差が生じるように、例えば� ��メッキ加工された金属体やメタライズ加工� ��れたセラミック板からなる銅電極を、ハン� ��等を用いて焼結体セル21に電気的に接続す� �ことにより形成される。

 好ましくは、一対の電極22及び23は、焼結 体セル21の加熱面及び冷却面に導電性ペース� ��を塗布して焼結する方法により形成される� ��この方法によれば、一対の電極22及び23をよ り薄く形成することができる。また、従来の ようにバインダー等を用いる必要がないため 、熱伝導率及び電気伝導率の低下を回避でき 、赤外線センサSの熱電変換効率をより高め� �ことができる。さらには、焼結体セル21と一 対の電極22及び23とが一体化されることで、� �電変換素子20の構造を単純化できる。

<導電性部材>
 導電性部材としてのリード線24は、互いに� �接する焼結体セル21の加熱面側の電極22と冷� ��面側の電極23とを電気的に直列に接続する� �のである。5個の単素子25を、リード線24によ って電気的に直列に接続した熱電変換素子20� ��用いることにより、熱電変換素子20の起電� �を増大でき、赤外線センサSとして必要な電� ��的出力が得られる。

 リード線24としては特に限定されず、従� �公知のリード線が用いられる。例えば、金� �銀、銅、アルミニウム等の良電性金属から� �るリード線が用いられる。これらの金属は� �伝導率も高いことから、熱の伝導を回避す� �ために、リード線24の断面積を小さくして熱 を伝え難くすることが好ましい。具体的には 、電極22又は23の面積とリード線24の断面積と の比率が50:1~500:1であることが好ましい。リ� �ド線24の断面積が大きすぎて上記範囲外とな ると、熱が伝導して必要な温度差が得られず 、また、リード線24の断面積が小さすぎて上� ��範囲外となると、電流を流すことができな� ��なるうえ、機械的強度も劣る。

 導電性部材としてのコネクタ12及びコネ� �タ13は、直列に接続された5個の単素子25のう ち、両端の単素子と図示しない外部電極とを 電気的に接続するものである。これらのコネ クタ12及び13により、各単素子25の加熱面と冷 却面との間の温度差によって発電した電気エ ネルギーを、外部電極に導くことができる。 コネクタ12及び13の材質としては、高温酸化� �囲気中で酸化され難い材質が用いられ、銀� �真鍮、SUS等が好ましく用いられる。

[赤外線吸収層30]
 赤外線吸収層30は、熱電変換素子20を構成す る5個の単素子25の加熱面側の電極22上に設け� ��れる。赤外線吸収層30を設けることにより� �赤外線センサSに入射する赤外線を効率良く� ��収して温度を上昇させることができる。

 赤外線吸収層30を構成する材料としては� �に限定されず、従来公知の赤外線吸収材料� �用いられる。例えば、NiCrを用いて赤外線吸� ��層30を形成することができる。NiCrのような� ��電性を有する材料で赤外線吸収層30を形成� �る場合には、赤外線吸収層30は、加熱面側の 個々の電極22上に絶縁層を介して形成するこ� ��が好ましい。また、本実施形態のように、� ��縁性の有機材料からなる赤外線吸収材料を� ��いる場合には、電極22上に直接、赤外線吸� �層30を形成することができる。赤外線吸収層 30の成膜方法としては、マスク成膜等を用い� ��ことができる。

 上記のような構成を採用する第一実施形� ��に係る赤外線センサSによれば、5個の単素� �25により構成された熱電変換素子20を利用す� ��ものであるため、素子ごとの半導体特性の� ��ラツキを抑えて熱電変換効率の低下を抑制� ��るとともに、構造が簡単な赤外線センサと� ��ることができる。

≪第二実施形態≫
 本発明の第二実施形態に係る赤外線センサS ’を図3に示す。図3に示されるように、本実� ��形態に係る赤外線センサS’は、1個の単素� �65から構成される熱電変換素子60を備えるこ� ��を特徴とする。本実施形態では、熱電変換� ��子60が1個の単素子65から構成されるため、� �一実施形態のようなリード線24は不要であり 、導電性部材としてのコネクタ52及び53を備� �る。また、熱電変換素子60以外の構成は、第 一実施形態と同様である。

[熱電変換素子60]
 本実施形態の赤外線センサS’で用いられる 熱電変換素子60は、1個の単素子65から構成さ� ��る。このため、異なる素子同士をpn接合す� �ことにより生じていた半導体特性のバラツ� �に起因する熱電変換効率の低下を抑制でき� �とともに、より単純な構造とすることがで� �る。なお、熱電変換素子60を構成する焼結体 セル61、一対の電極62及び63は、第一実施形態 に係る赤外線センサSと同様のものが用いら� �る。

 単素子65を構成する焼結体セル61は、上記一 般式(I)で表される組成のうち、xが0のとき、� ��ち、イットリウムやランタノイドの不純物� ��含まれないCaMnO ₃ からなる。このような焼結体セル61であれば� ��ゼーベック係数をさらに400μV/K前後にまで� �められるため、本実施形態のように、1個の� ��素子65からなる熱電変換素子60で赤外線セン サS’を形成することができる。

 上記のような構成を採用する第二実施形� ��に係る赤外線センサS’によれば、たった1� �の単素子65により構成された熱電変換素子60� ��利用するものであるため、素子ごとの半導� ��特性のバラツキをさらに抑え、熱電変換効� ��の低下を効果的に抑制できるとともに、さ� ��に構造が簡単な赤外線センサとすることが� ��きる。

 なお、本発明は、上述した実施形態に限� ��されるものではなく、その要旨を逸脱しな� ��範囲で種々変形して実施することができる� ��例えば、コネクタの形状や配置も、上述し� ��実施形態に限定されず、基板の下方に延出� ��た形状であってもよい。