热电体、热电元件、热电转换元件及其制造方法_2

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电系数 (灵敏度)。
[0108] 另外,当钆(Gd)的原子数相对于具有钙钛矿型晶体结构的A位元素的原子数的总 和的比超过所述上限值时,氧化物具有例如顺电体、接近顺电体的特性,而难以产生电场感 应相变,热电系数(灵敏度)低。
[0109] 另外,通过使用镧(La)等除钆(Gd)之外的A位元素,也可以获得高热电系数,但 在这种情况下,热电系数的稳定性(例如,温度发生变化时的稳定性)明显降低。另外,在 使用镧(La)等除钆(Gd)之外的A位元素的情况下,通常,室温附近的热电系数明显降低, 因而利用价值低。
[0110] 需要说明的是,在本说明书中,对于预定数值,使用"以上"、"以下"的表达来表示 包含该数值的范围,使用"不足"、"超过"的表达来表示不包含该数值的范围。
[0111] 如上所述,在本发明中,钆(Gd)的原子数相对于具有钙钛矿型晶体结构的A位元 素的原子数的总和的比为8. 0原子%以上18原子%以下即可,但优选为10原子%以上18 原子%以下,更优选为13原子%以上17原子%以下。
[0112] 由此,能更显著地发挥上述那样的效果。
[0113] 在本发明的热电体中,形成钙钛矿型晶体结构的氧化物包含铋(Bi)和钆(Gd)作 为A位元素,但也可以包含除这些之外的A位元素(其它A位元素)。作为这种元素,例如, 可列举出La、Ce、Pr、Nd等各种镧系(Ianthanoid)元素、Ba、Ca。这样,在包含其它A位元 素的情况下,其它A位元素相对于A位元素的原子数的总和的含有率也优选为7. 0原子% 以下,更优选为5. 0原子%以下。由此,能更显著地发挥上述那样的效果。
[0114] 在本发明的热电体中,形成钙钛矿型晶体结构的氧化物包含铁(Fe)和锰(Mn)作 为B位元素,但也可以包含除这些之外的B位元素(其它B位元素)。作为这种元素,例如, 可列举出钛(Ti)、钴(Co)等。这样,在包含其它B位元素的情况下,其它B位元素相对于B 位元素的原子数的总和的含有率也优选为5. 0原子%以下,更优选为4. 0原子%以下。由 此,能更显著地发挥上述那样的效果。
[0115] 在构成热电体的氧化物中,锰(Mn)的原子数相对于B位元素的原子数的总和的比 没有特别限定,但优选为I. 〇原子%以上2. 0原子%以下,更优选为1. 2原子%以上1. 8原 子%以下。
[0116] 由此,能够更高程度地兼顾优异的绝缘性和优异的剩余极化强度。
[0117] 在构成热电体的氧化物中,钛(Ti)的原子数相对于B位元素的原子数的总和的比 没有特别限定,但优选为〇原子%以上4. 0原子%以下,更优选为0原子%以上3. 0原子% 以下。
[0118] 由此,能够更高程度地兼顾优异的绝缘性和优异的剩余极化强度。
[0119] 另外,也可以是,本发明的热电体包含一种或两种以上除所述氧化物(包含铁、 锰、铋和钆的氧化物)之外的成分(其它成分)。
[0120] 在这种情况下,其它成分(除所述氧化物之外的成分)在热电体中所占的含有率 优选为2. 0质量%以下,更优选为I. 0质量%以下。
[0121] 由此,能更有效地发挥本发明上述那样的效果。
[0122] 作为包含在热电体中的其它成分(除所述氧化物之外的成分),例如,可列举出除 所述氧化物(包含铁、锰、铋和钆的氧化物)之外的氧化物、镧系(钕、钆、铈等)、钡、钙、钴 等。
[0123] 如上所述,本发明的热电体可在较大的温度范围内得到稳定的高热电系数(灵敏 度)。
[0124] 因此,本发明的热电体也可以在所有的温度区域内使用,但优选在_40°C以上 40°C以下范围内的环境温度下使用,更优选在-30°C以上40°C以下范围内的环境温度下使 用。
[0125] 在这样的温度范围内,本发明的热电体的热电系数(灵敏度)尤其高,另外,由于 热电系数(灵敏度)的稳定性尤其高,因此,例如,能够尤其缩小由包含热电体的材料构成 的热电元件的温度不均导致的输出不均,并且能够尤其增强具备热电元件的热式光检测器 等的可靠性。
[0126] 另外,这样的温度范围通常指实用性高的温度范围,包括不开空调的室内温度、专 用冷库内温度等,通过在这样的温度范围内使用本发明的热电体,热电体的适用范围变得 十分广泛。
[0127] 热电体的制造方法
[0128] 接着,对上述的本发明的热电体的制造方法进行说明。
[0129] 可通过任何方法来制造如上所述的本发明的热电体,但优选通过对在有机溶剂中 溶解了脂肪酸金属盐的溶液进行加热来制造。
[0130] 由此,能够高效制造在较大的温度范围内具有稳定的高热电系数(灵敏度)的热 电体。
[0131] 作为脂肪酸金属盐,对构成所述氧化物的金属元素中至少一部分的金属元素使用 即可,但优选对构成氧化物所必须的金属元素即铁、锰、铋和钆分别使用脂肪酸金属盐。
[0132] 作为构成脂肪酸金属盐的脂肪酸,例如,可列举出甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己 酸、庚酸、辛酸等,但尤其优选乙酸。
[0133] 由此,能够适当提高脂肪酸金属盐对有机溶剂的溶解性、与所述氧化物进行化学 反应的容易度等。
[0134] 需要说明的是,当对多种金属元素使用脂肪酸金属盐时,对各金属元素既可以使 用相同的脂肪酸,也可以使用不同的脂肪酸。
[0135] 另外,对于任意的金属元素的脂肪酸金属盐,既可以使用单一的脂肪酸,也可以组 合多种脂肪酸使用。
[0136] 作为溶解脂肪酸金属盐的有机溶剂,例如,可列举出:甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊 酸、己酸、庚酸、辛酸等脂肪酸;乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、丙二醇单甲醚、丙二醇单乙醚 等(聚)亚烷基二醇单烷基醚类;乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸异丙酯、乙酸正丁酯、乙酸异 丁酯等脂肪酸酯类;苯、甲苯、二甲苯等芳香族烃类;甲基乙基酮、丙酮、甲基异丁基酮、乙 基正丁基酮、二异丙基酮、乙酰丙酮等酮类;乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇、甘油等醇类等,可将 从中选择的一种或两种以上组合使用,但优选使用脂肪酸。
[0137] 一般而言,脂肪酸具有特别优异的脂肪酸金属盐的溶解性,同时具有适当的粘度, 因此,不仅容易处理溶剂、溶液,并且能更有效地防止所制造的热电体在各部位出现期望外 的组分不均。另外,脂肪酸一般具有适当高的沸点,因此通过加热可与所述氧化物适当地进 行化学反应。
[0138] 其中,当脂肪酸作为溶解脂肪酸金属盐的有机溶剂时,优选丙酸。
[0139] 由此,能够适当提高脂肪酸金属盐对有机溶剂的溶解性、与所述氧化物进行化学 反应的容易度等。另外,可通过使用简单的器具、装置在较高的温度下进行化学反应,同时 容易除去化学反应后的溶剂。由此,能够尤其增强热电体的生产性,同时能更可靠地防止溶 剂非本意地残留在所得到的热电体中。
[0140] 在有机溶剂中溶解了脂肪酸金属盐的溶液的加热温度(反应温度)并没有特别限 定,但优选为90°C以上250°C以下,更优选为100°C以上200°C以下。
[0141] 由此,既能防止所得到的热电体产生期望外的组分不均等,又能以更高的生产性 制造具有期望组分的热电体。
[0142] 热电元件、热电转换元件、热式光检测器(热式光检测装置)
[0143] 接着,说明本发明的热电元件、热电转换元件、热式光检测器。
[0144] 第一实施方式
[0145] 图1是本发明的第一实施方式中的热式光检测器的俯视图,图2是沿图1中的A-A 线的截面图。
[0146] 图1和图2所示的热式光检测器1是热电型红外线检测器(一种光传感器)。该 热式光检测器1将光吸收层50中通过吸收光而产生的热在热检测元件(热电元件)40中 转换成电信号。热式光检测器1构成为通过这些光吸收层50和热检测元件40,输出与所接 收的光的强度对应的检测信号(电信号)。
[0147] 如图1所示,热式光检测器1具有基座构件10和支柱(柱构件)20,另外,如图2 所示,具有支承构件30、热检测元件40、以及光吸收层50。
[0148] 如图2所示,基座构件10包括基板11和形成在基板11上的衬垫层12。基板11 例如由硅基板形成。在该基板11上设置有未图示的电路,并构成为通过支柱20 (参见图1) 与热检测元件40电连接。
[0149] 衬垫层12是绝缘层,例如由SiO2等形成。在该衬垫层12上形成有蚀刻终止膜 13a。蚀刻终止膜13a防止非蚀刻对象层在为了形成空洞部60而除去牺牲层14 (参见后述 的图6)的工序中被除去。蚀刻终止膜13a例如由Si3N4、Al 2O3等形成。此外,在支承构件 30的下表面也形成有与蚀刻终止膜13a具有相同构成的蚀刻终止膜13b。
[0150] 支柱20从基座构件10上呈柱状竖立设置。如图1所示,本实施方式的支柱20设 有两根,构成为通过两点支承支承构件30。在支柱20上配置有与热检测元件40电连接的 插头21。插头21与设置在基板11上的未图示的电路连接。该支柱20与空洞部60同时形 成,通过图案蚀刻由SiO 2形成的牺牲层14来选择性地形成该支柱20。
[0151] 如图1所示,支承构件(膜片)30支承于两根支柱20。支承构件30具有:支承热 检测元件40和光吸收层50的主体部31、连接于支柱20的连接部32、以及连结主体部31 和连接部32之间的臂部33(33a、33b)。从主体部31的边缘部延伸出两根臂部33,两根臂 部33形成为细长状,以热分离热检测元件40。
[0152] 在臂部33 (33a、33b)上形成有配线层41 (41a、41b)。配线层41a连接于热检测元 件40的第一电极42,并沿臂部33a延伸设置,通过支柱20与基板11内的电路连接。另外, 配线层41b连接于热检测元件40的第二电极43,并沿臂部33b延伸设置,通过支柱20与基 板11内的电路连接。配线层41 (41a、41b)也形成为细长状,以热分离热检测元件40。
[0153] 例如,可通过对氧化硅膜(SiO)、氮化硅膜(SiN)、氧化硅膜(SiO)这三层层叠膜进 行图案化来形成支承构件30。通过层叠构造支承构件30,例如,能够使作为中间层的氮化 膜所具有的强残余拉应力与上下两层氧化膜所具有的残余压应力相抵消,从而减少使支承 构件30产生翘曲的残余应力。为了使该支承构件30稳定地支承热检测元件40和光吸收 层50,支承构件30的总厚度满足所需的机械强度。需要说明的是,支承构件30不一定是层 叠结构,也可以形成为单层的SiOJl (第一绝缘层)。
[0154] 如图2所示,热检测元件40以与基座构件10之间存在空洞部60的方式支承在支 承构件30上。热检测元件40包括:第一电极(下部电极)42、第二电极(上部电极)43、设 置在第一电极42和第二电极43之间的热电体(热电体层)44。例如,第一电极42和第二 电极43均可通过层叠三层金属膜来形成。例如,可形成从远离热电体44的位置开始依次 层叠例如通过溅射形成的铱(Ir)、氧化铱(IrO x)和铂(Pt)的三层结构。
[0155] 热电体44由上述的本发明的热电体构成。热传递到该热电体44后,通过热电效 应(pyroelectric effect),热电体44的电极化强度发生变化。通
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